Механізми черг використовуються в будь-якому мережевому пристрої, де застосовується комутація пакетів - маршрутизатор, комутатор локальної або глобальної мережі, кінцевому вузлі.
Необхідність в черзі виникає в періоди тимчасових перевантажень, коли мережевий пристрій не встигає передавати надходять пакети на вихідний інтерфейс. Якщо причиною перевантаження є процесорний блок мережевого пристрою, то необроблені пакети тимчасово поміщаються до вхідної черги, т. Е. В чергу на вхідному інтерфейсі. У разі, коли причина перевантаження полягає в обмеженій швидкості вихідного інтерфейсу (а вона не може перевищувати швидкість підтримуваного протоколу), то пакети тимчасово зберігаються в вихідний черги.
Оцінка можливої довжини черг в мережевих пристроях дозволила б визначити параметри якості обслуговування при відомих характеристиках трафіку. Однак зміна черг є імовірнісний процес, на який впливає безліч факторів, особливо при складних алгоритмах обробки черг відповідно до заданих пріоритетів або шляхом виваженого обслуговування різних потоків. Аналізом черг займається спеціальна область прикладної математики - теорія масового обслуговування (queuing theory), проте отримати з її допомогою кількісних оцінок можна тільки для дуже простих ситуацій, які не відповідають реальним умовам роботи мережевих пристроїв. Тому служба QoS використовує для підтримки гарантованого рівня якості обслуговування досить складну модель, вирішальну завдання комплексно. Це робиться за допомогою таких методів:
попереднє резервування пропускної здатності для трафіку з відомими параметрами (наприклад, для середніх значень інтенсивності і величини блоку пакетів);
примусове профілювання вхідного трафіку для утримання коефіцієнта навантаження пристрою на потрібному рівні;
використання складних алгоритмів керування чергами.
АЛГОРИТМИ ОБРОБКИ ЧЕРГ
Найчастіше в маршрутизаторах і комутаторах застосовуються такі алгоритми обробки черг:
традиційний алгоритм FIFO;
пріоритетне обслуговування (Priority Queuing), яке також називають «переважною»;
настроюються черзі (Custom Queuing);
зважене справедливе обслуговування (Weighted Fair Queuing, WFQ).
Кожен алгоритм розроблявся для вирішення певних завдань і тому специфічним чином впливає на якість обслуговування різних типів трафіку в мережі. Можливе комбіноване застосування цих алгоритмів.
Принцип алгоритму FIFO полягає в наступному. У разі перевантаження пакети поміщаються в чергу, а якщо перевантаження усувається або зменшується, пакети передаються на вихід в тому порядку, в якому надійшли ( «першим прийшов - першим пішов», First In - First Out). Цей алгоритм обробки черг за замовчуванням застосовується у всіх пристроях з комутацією пакетів. Він відрізняється простотою реалізації і відсутністю потреби в конфігурації, проте має принциповий недолік - диференційована обробка пакетів різних потоків неможлива. Черги FIFO необхідні для нормальної роботи мережевих пристроїв, але вони не справляються з підтримкою диференційованого якості обслуговування.
ПРІОРИТЕТНЕ ОБСЛУГОВУВАННЯ
Механізм пріоритетною обробки трафіку передбачає поділ всього мережевого трафіку на невелику кількість класів з призначенням кожного класу деякого числового ознаки - пріоритету. Поділ на класи (класифікація) може проводитися різними способами.
Класифікація трафіку є окреме завдання. Пакети можуть розбиватися на класи за пріоритетами відповідно до типу мережевого протоколу, наприклад, IP, IPX або DECnet (зауважимо, що такий спосіб підходить тільки для пристроїв, що працюють на другому рівні), на підставі адрес одержувача і відправника, номери порту TCP / UDP і будь-яких інших комбінацій ознак, що містяться в пакетах. Правила класифікації пакетів на пріоритетні класи є складовою частиною політики управління мережею.
Блок класифікації трафіку може розміщуватися як в самому пристрої (див. Малюнок 1), так і поза ним. Розміщення функцій класифікації трафіку в одному або декількох пристроях, розташованих на кордоні мережі (наприклад, в комутаторах корпоративної мережі, до яких підключаються комп'ютери користувачів, або у вхідних маршрутизаторах мережі провайдера), дозволяє отримати більш масштабується,.
Цей варіант класифікації вимагає наявності в пакеті спеціального поля, куди може заноситися задане значення пріоритету, щоб їм могли скористатися всі наступні мережеві пристрої для обробки трафіку на шляху його проходження. Таке поле є в заголовку багатьох протоколів. Так, в пакеті IP для цієї мети передбачено Трехразрядное підполі IP Precedence
в поле Type Of Service (TOS). Коли спеціального поля пріоритету не передбачено, новий заголовок з таким полем вводиться за допомогою спеціально розробленого додаткового протоколу. Зокрема, для протоколу Ethernet (і інших протоколів сімейства 802) були прийняті специфікації IEEE 802.1Q / p, які визначають додаткове Трехразрядное поле пріоритету.
Пріоритети можуть призначатися не тільки комутатором або маршрутизатором, а й додатком на вузлі-відправнику. Необхідно також враховувати, що кожне мережеве пристрій може не погодитися з пріоритетом, призначеним даному пакету в іншій точці мережі. У цьому випадку воно змінює значення пріоритету відповідно до локальної політикою, що зберігається безпосередньо на цьому пристрої. Щоб уникнути таких прецедентів слід використовувати централізовані способи застосування політики в мережі, щоб забезпечити скоординоване функціонування пристроїв.
Незалежно від обраного способу класифікації трафіку, в мережевому пристрої є кілька черг, відповідно до кількості класів. Поступив в період перевантаження пакет поміщається в чергу згідно його пріоритету. На рисунку 1 наведено приклад використання чотирьох пріоритетних черг: з високим, середнім, нормальним і низьким пріоритетом. Пріоритети черг мають абсолютний характер переваги при обробці: поки з більш пріоритетною черги не будуть обрані всі пакети, пристрій не переходить до обробки наступної, менш пріоритетною. Тому пакети із середнім пріоритетом завжди обробляються тільки тоді, коли черга пакетів з високим пріоритетом порожня, а пакети з низьким пріоритетом - тільки коли порожні всі вищі черзі.
Кінцевий розмір буферної пам'яті мережного пристрою передбачає деяку граничну довжину кожної черги. Зазвичай за умовчанням всім пріоритетним черг відводяться буфери однакового розміру, але багато пристроїв дозволяють адміністратору виділяти кожної черги індивідуальний буфер. Його максимальна довжина визначає граничну кількість пакетів, які можуть зберігатися в черзі даного пріоритету. Пакет, що надійшов в той час, коли буфер заповнений, просто відкидається.
Пріоритетне обслуговування черг забезпечує високу якість сервісу для пакетів з найбільш пріоритетним черзі. Якщо середня інтенсивність їх надходження в пристрій не перевищує пропускну здатність вихідного інтерфейсу (і продуктивності внутрішніх блоків самого пристрою, що беруть участь в просуванні пакетів), то пакети з найвищим пріоритетом завжди отримують ту пропускну здатність, яка їм необхідна. Що ж стосується інших класів пріоритетів, то якість їх обслуговування нижче, ніж у пакетів з найвищим пріоритетом, причому передбачити рівень зниження важко. Воно може бути досить істотним, якщо високопріоритетні дані передаються з великою інтенсивністю.
Тому пріоритетне обслуговування зазвичай застосовується в тому випадку, коли в мережі є чутливий до затримок трафік, але його інтенсивність невелика, так що його наявність не дуже обмежує інший трафік. Наприклад, голосовий трафік чутливий до затримок, але його інтенсивність зазвичай не перевищує 8-16 Кбіт / с, і, таким чином, при призначенні йому найвищого пріоритету інші класи трафіку не постраждають. Однак в мережі можуть спостерігатися і інші ситуації. Зокрема, відеотрафік теж вимагає першочергового обслуговування, але має набагато більш високу інтенсивність. Для таких випадків розроблені алгоритми управління чергами, що дають фонову трафіку деякі гарантії навіть в періоди підвищення інтенсивності високопріоритетного трафіку.
ЗВАЖЕНІ налаштовує ЧЕРЗІ
Алгоритм зважених черг (Weighted Queuing) розроблений для того, щоб для всіх класів трафіку можна було надати певний мінімум пропускної здатності або задовольнити вимоги до затримок. Під вагою будь-якого класу розуміється частка виділяється даному виду трафіку пропускної здатності вихідного інтерфейсу. Алгоритм, в якому вага класів трафіку може призначатися адміністратором, називається «настроюється чергою» (Custom Queuing). Саме його ми і будемо розглядати. У разі, коли ваги призначаються автоматично, на підставі деякої адаптивної стратегії, реалізується так званий алгоритм «зваженого справедливого обслуговування» (Weighted Fair Queuing, WFQ), йому буде присвячений наступний розділ.
Як при зваженому, так і при пріоритетному обслуговуванні, трафік ділиться на кілька класів, і для кожного вводиться окрема черга пакетів. З кожною чергою зв'язується частка пропускної здатності вихідного інтерфейсу, що гарантується даному класу трафіку при перевантаженнях цього інтерфейсу. У прикладі, наведеному на рисунку 2, пристрій підтримує п'ять черг для п'яти класів трафіку. Цим чергам відповідає 10, 10, 30, 20 і 30% пропускної здатності вихідного інтерфейсу при перевантаженнях.
Поставлена мета досягається завдяки тому, що черги обслуговуються послідовно і циклічно, і в кожному циклі з кожної черги забирається таке число байт, яке відповідає вазі черги. Наприклад, якщо цикл перегляду черг в розглянутому прикладі дорівнює 1 сек, а швидкість вихідного інтерфейсу становить 100 Мбіт / с, то при перевантаженнях в кожному циклі з першої черги забирається 10 Мбіт даних, з другої теж 10 Мбіт, з третьої - 30 Мбіт, з четвертої - 20 Мбіт, з п'ятої -
30 Мбіт. В результаті кожного класу трафіку дістається гарантований мінімум пропускної здатності, що в багатьох випадках є більш бажаним результатом, ніж придушення фонових класів високопріоритетним.
Точні значення параметрів QoS для алгоритму зваженого обслуговування передбачити важко. Вони істотно залежать від динамічно змінюються параметрів навантаження мережевого пристрою - інтенсивності пакетів всіх класів і варіацій проміжків часу між прибуттям пакетів. У загальному випадку зважене обслуговування призводить до більших затримок і їх відхилень, ніж першочергове обслуговування для самого пріоритетного класу, навіть при значному перевищенні виділеної пропускної здатності над інтенсивністю вхідного потоку даного класу. Але для більш низьких пріоритетних класів зважене справедливе обслуговування часто виявляється більш прийнятним з точки зору створення сприятливих умов обслуговування всіх класів трафіку.
Зважених СПРАВЕДЛИВЕ ОБСЛУГОВУВАННЯ
Виважена справедливе обслуговування (Weighted Fair Queuing, WFQ) - це комбінований механізм обслуговування черг, що поєднує пріоритетне обслуговування зі зваженим. Виробники мережного обладнання пропонують численні власні реалізації WFQ, що відрізняються способом призначення ваг і підтримкою різних режимів роботи, тому в кожному конкретному випадку необхідно уважно вивчити всі деталі підтримуваного WFQ.
Найбільш поширена схема передбачає існування однієї особливої черги, яка обслуговується по пріоритетною схемою - завжди в першу чергу і до тих пір, поки всі заявки з неe НЕ будуть виконані. Ця чергу призначена для системних повідомлень, повідомлень управління мережею і, можливо, пакетів найбільш критичних і вимогливих додатків. У всякому разі, передбачається, що її трафік має невисоку інтенсивність, тому значна частина пропускної здатності вихідного інтерфейсу залишається інших класів трафіку.
Решта черзі пристрій переглядає послідовно, відповідно до алгоритму зваженого обслуговування (див. Малюнок 3). Адміністратор може задати вагу для кожного класу трафіку аналогічно тому, як це робиться в разі зваженого обслуговування. Варіант роботи за замовчуванням передбачає для всіх інших класів трафіку рівні частки пропускної здатності вихідного інтерфейсу (за вирахуванням залишилася від пріоритетного трафіку).
Виробники обладнання доповнюють механізм WFQ деякими корисними режимами. Наприклад, в маршрутизаторах компанії Cisco передбачено кілька різновидів WFQ:
Для варіанту FWFQ на базі потоків в маршрутизаторі створюється стільки черг, скільки потоків існує в трафіку. Під потоком в даному випадку розуміються пакети з певними значеннями IP-адрес відправника і одержувача та / або портів TCP / UDP відправника і одержувача (типу протоколів транспортного рівня), а також однаковими значеннями поля ToS. Інакше кажучи, по-
ток - це послідовність пакетів від однієї програми з певними параметрами якості обслуговування, заданими в поле ToS.
Кожному потоку відповідає окрема вихідна чергу, для якої в періоди перевантажень механізм WFQ виділяє рівні частки пропускної спроможності порту. Тому іноді алгоритм FWFQ називають FQ (Fair Queuing) - справедливе обслуговування.
Варіант CWFQ на базі класів в маршрутизаторах Cisco має два підваріанти:
класи трафіку визначаються на підставі так званих груп QoS, відповідних набору ознак зі списку управління доступом (ACL), наприклад, номером вхідного інтерфейсу або номеру хоста або підмережі;
класи трафіку визначаються значеннями полів ToS.
Для варіанту груп QoS адміністратор задає ваги пропускної здатності, що виділяється кожній групі QoS, а також (опціонально) максимальну довжину черги. Пакети, не віднесені до жодної з груп, включаються в групу 0. При призначенні ваг WFQ потрібно брати до уваги наступне:
групі QoS з номером 0 автоматично призначається 1% наявної пропускної спроможності;
загальна вага всіх інших груп не може бути більше 99%;
що залишилася після призначення ваг пропускна здатність виділяється групі 0.
У варіанті класифікації на підставі значенні ToS передбачаються ваги класів за замовчуванням. Вони вступають в силу, якщо адміністратор явно не поставив їх за допомогою команди weight. Для класифікації використовується два молодших біта трехразрядного підполя IP Precedence з поля ToS, так що в цьому варіанті є всього чотири класи трафіку. За замовчуванням, класу 0 виділяється 10% вихідний пропускної здатності, класу 1 - 20%, класу 2 - 30% і класу 3 - 40%. Чим вище клас, тим важливіше трафік, тому виділення більшої частки пропускної здатності створює для нього більш привілейовані умови просування.
У багатьох мережевих пристроях механізм WFQ є одним з основних для підтримки якості обслуговування, в тому числі і в разі різних протоколів, що використовують методи сигналізації для координованого поведінки всіх пристроїв мережі, наприклад, при застосуванні протоколу RSVP.
Загальна характеристика ПРОТОКОЛІВ QOS IP
Протоколи і механізми підтримки якості обслуговування в мережах IP діляться на дві категорії в залежності від рівня гарантій сервісу:
протоколи підтримки «твердого» якості сервісу гарантують обслуговування потоків даних шляхом резервування ресурсів;
протоколи підтримки «м'якого» якості сервісу не можуть дати кількісних гарантій обслуговування, але за рахунок пріоритетною і зваженої обробки черг виконують визначений розподіл ресурсів мережі між класами трафіку.
Протоколи першої категорії розробляються робочою групою IETF за інтегрованими сервісів (Integrated Services Working Group, IntServ). Базова модель такого сервісу передбачає інтегроване взаємодія всіх пристроїв мережі щодо забезпечення необхідної якості обслуговування вздовж усього шляху потоку.
IETF займається розробка IntServ Досить давно - в рамках цього напрямку проблема забезпечення QoS в Мережа TCP / IP Вперше стала вірішуватіся систематично. Однако з Огляду на значний складність ПІДТРИМКИ інтегрованіх сервісів в масштабах такой мережі, як Internet, свой розвиток получил и Інший направление, Який в Сейчас веде робоча група по діференційованім сервісів (Differentiated Services Working Group, DiffServ). Вона спеціалізується на протоколах другої категорії, які не забезпечують «справжнього» гарантованої якості обслуговування, але зате набагато простіше в реалізації.
Сервіси DiffServ спираються на ту ж узагальнену модель QoS, що і сервіси IntServ, однак для них резервування ресурсів мережевих пристроїв не передбачається. Замість цього вони сигналізують про потреби потоку в обслуговуванні шляхом включення необхідної інформації в кожен окремий пакет - поле IP Precedence несе код, який інтерпретується кожним маршрутизатором мережі для пріоритетного або зваженого обслуговування даного потоку по відношенню до інших.
Диференційовані сервіси застосовуються головним чином на магістралі мереж, оскільки по магістралі зазвичай проходить настільки велика кількість мікропотоків різних додатків, що гарантована підтримка кожного з них відповідно до принципів інтегрованого обслуговування вимагає надмірних ресурсів маршрутизаторів ядра мережі. Застосування диференційованих сервісів набагато економічніше, так як вони працюють з агрегованими потоками, що складаються з мікропотоків зі схожими вимогами до QoS.
Крім протоколів категорій IntServ і DiffServ, в мережах IP застосовується ще кілька протоколів, пов'язаних з підтримкою якості обслуговування. Перш за все, це протокол NPLS, який дозволяє направляти потік по маршруту з необхідною якістю обслуговування.
До засобів підтримки QoS в мережах IP відносяться також працюють на окремих вузлах механізми обслуговування і формування черг, такі як WFQ і CQ. Вони функціонують на маршрутизаторах як необхідні елементи реалізації інтегрованих і диференційованих сервісів. Однак адміністратор мережі може їх використовувати і для поліпшення якості обслуговування на тих маршрутизаторах, де виникають затори трафіку, які суттєво впливають на роботу мережі в цілому.
ДИФЕРЕНЦІЙОВАНЕ ОБСЛУГОВУВАННЯ DIFFSERV
Диференційовані послуги є досить простий і «грубий» метод класифікації вимог до якості обслуговування невеликого числа агрегованих потоків мережі. Основна ідея, покладена в основу цієї групи сервісів QoS, полягає в тому, що всі маршрутизатори мережі повинні одноманітно розуміти вимоги до якості обслуговування, закодовані в п'яти бітах поля ToS протоколу IPv4.
Диференційовані сервіси не вдаються до резервування ресурсів маршрутизаторів, тому вони не можуть дати гарантій на наданий якість обслуговування, реалізуючи тільки «м'яку» підтримку QoS. Кожен маршрутизатор працює незалежно від інших і намагається забезпечити переважне якість обслуговування потоків відповідно до правил покрокового поведінки (Per-Hop Behavior, PHB), які визначаються окремими стандартами IETF. Виділення всього п'яти біт для кодування вимог до якості обслуговування означає, що в мережі може існувати не більше 32 агрегованих потоків, що відрізняються надаються якістю обслуговування.
Хоча маркуванням пакетів може займатися будь-якою маршрутизатор мережі, модель диференційованих сервісів в якості основного варіанту передбачає класифікацію пакетів у вхідній точці мережі, яка підтримує протокол DiffServ і знаходиться під адміністративним контролем однієї організації. Така мережа називається доменом DiffServ. При виході пакетів за межі домену DiffServ маркування знімається, і інший домен може призначити її заново.
На сьогоднішній день розроблені два стандарти покрокового просування пакетів PHB, які представляють два різних сервісу:
«Швидке просування» (Expedited Forwarding, EF) характеризується одним значенням коду (10111) і являє собою вищий рівень якості обслуговування, що мінімізує затримки і варіації затримок. Будь-трафік, інтенсивність якого виходить за межі профілю, відкидається;
«Гарантована доставка» (Assured Forwarding, AF) передбачає чотири класи трафіку і три рівня відкидання пакетів в кожному класі, тобто всього 12 різних типів трафіків. Кожному класу трафіку виділяється певний мінімум пропускної спроможності і обсяг буфера для зберігання його черги. Трафік, який не відповідає профілю, доставляється з меншим ступенем імовірності, ніж трафік, що задовольняє умові профілю. Це означає, що він може бути знижений в якості, але не обов'язково відкинутий.
Сервіс EF описаний в специфікації RFC 2598 «An Expedited Forwarding PHB», яка з'явилася влітку 1999 р Основне призначення сервісу EF - надання якості обслуговування на рівні виділених каналів, тому він називається також сервісом «віртуальних виділених каналів». Крім того, він відомий як преміальний (Premium Service), чим підкреслюється його здатність надавати найвищу якість обслуговування, можливе в мережах IP з диференційованим
обслуговуванням.
Сервіс АF описаний в специфікації RFC 2597 «Assured Forwarding PHB Group», опублікованій у червні 1999 р Чотири його групи орієнтовані на гарантовану доставку, але без мінімізації рівня затримок пакетів, як це обумовлено для більш якісного сервісу EF. Гарантована доставка виконується в тому випадку, коли вхідні швидкість трафіку не перевищує відведеної даного класу мінімальної пропускної здатності. Класи сервісу AF добре поєднуються з одним класом сервісу EF - трафік EF може обслуговуватися по пріоритетною схемою, але з обмеженням інтенсивності вхідного потоку. Частина, що залишилася пропускна здатність розподіляється між класами трафіку AF відповідно до алгоритму зваженого обслуговування, який забезпечує необхідну пропускну здатність, але не мінімізацію затримок.
Простота пріоритетності трафіку за допомогою DiffServ визначає його гнучкість і міць.
Дмитро Федодеев - інженер департаменту системної інтеграції компанії «Інжиніринг + Електронікс». З ним можна зв'язатися за адресою: [email protected] .