Обеспечение качества обслуживания В следствии буферизации пакетов и образования очередей пакетов в коммутаторах сетей с коммутацией пакетов возникают следующие проблемы: Потеря пакетов; Неопределенность величины задержки пакетов. Качество обслуживания (Quality of Service, QoS). Для оценки качества обслуживания использую следующие характеристики: 1.Задержка пакетов; 2.Изменение величины задержки пакетов (вариация задержки) 3.Потеря пакетов.

Методы обеспечения качества обслуживания Методы основаны на выделении различных типов трафика отличающихся требованиями к величинам задержкам и потерям пакетов, и распределении пропускной способности канала в соответствии с требованиями приложений. Методы обеспечения QoS: Увеличение пропускной способности канала (обеспечение работы канала в недогруженном режиме); Перераспределение пропускной способности - основано на создании отдельных очередей для каждого типа трафика (для отдельных потоков) и использование различных алгоритмов для обработки пакетов различных очередей;

Кондиционирование трафика – контролирование параметров потока трафика; Метод обратной связи – уведомление источника трафика о возникновении перегрузки сети, при получении уведомления источник трафика обязан снизить скорость передачи. В общем случае для достижения необходимого качества обслуживания необходимо применение методов QoS на всех коммутаторах через который проходит поток.

Классификация трафика 1. Классификация на основе предсказуемости скорости передачи Приложения с потоковым трафиком – порождают равномерный поток поступающий в сеть с постоянной битовой скоростью (Constant Bit Rate, CBR). В сетях с коммутацией пакетов потоковый трафик является последовательностью пакетов фиксированного размера с фиксированным периодом поступления в сеть). CBR = B/T, где B – размер пакета T - период поступления пакетов в сеть Классификация приложений в зависимости от типа трафика

Приложения с пульсирующим трафиком (brust) – размер пакетов и время между последовательными поступлениями пакетов в сеть может значительно изменяться. Пульсирующий трафик характеризуется переменной битовой скоростью (Variable Bit Rate, VBR). Средняя скорость передачи (Sustained Information Rate, SIR) – скорость потока вычисленная на достаточно большом отрезке времени. Пиковая скорость передачи (Peak Information Rate, PIR) - наибольшая скорость потока в течении небольшого периода времени T (периода пульсации). Величина пульсации – объем данных поступающий в течении периода пульсации с пиковой скоростью: B = PIR x T Коэффициент пульсации – отношение пиковой скорости к средней скорости трафика: P = SIR/PIR

2. Классификация на основе зависимости работоспособности приложения от задержки пакетов Виды приложений: Асинхронные – приложения не имеющие ограничений на время задержки (приложения в которых передача данных выполняется в фоновом режиме - загрузка файлов, электронная почта); Интерактивные – пользователь приложения может чувствовать дискомфорт, при возникновении задержек, но при этом приложение остается работоспособным; Изохронные – приложения в которых при превышении задержки некоторой величины нарушается работа приложения; Сверхчувствительные – приложения в которых при превышении задержки некоторой величины приложение перестает функционировать;

3. Классификация на основе степени зависимости работоспособности приложения от потери пакетов Приложения результат работы которых обесценивается в результате потери данных; Приложения устойчивые к потере данных.

Классы трафика Классификация принятая в технологии ATM Класс A – постоянная битовая скорость, чувствительность к задержкам, передача с установлением соединения. Пример: некомпрессированный голосовой и видео трафик. Параметры QoS: пиковая скорость, задержка, вариация задержки (джиттер). Класс B – переменная битовая скорость, чувствительность к задержкам, передача с установлением соединения. Пример: компрессированный голосовой и видео трафик. Параметры QoS: пиковая скорость, задержка, вариация задержки, пульсация, средняя скорость передачи.

Класс C – переменная битовая скорость, эластичность (нет ограничений на время задержки пакетов), передача с установлением соединения. Пример: компьютерный трафик на основе протоколов ориентированных на логические соединения. Параметры QoS: пиковая скорость, пульсация, средняя скорость передачи. Класс D – Переменная битовая скорость, эластичность, передача без установления соединения. Пример: компьютерный трафик на основе дейтаграммных протоколов. Параметры QoS: неопределенны. Класс X – тип трафика и его параметры определяются пользователем.

Алгоритмы обработки очередей Модель очереди M/M/1 БуферОбработчик Входной поток Выходной поток 1.Заявки поступают на вход обслуживающего устройства в случайные моменты времени; 2.Если обработчик свободен и буфер пуст, то заявка на обслуживание передается непосредственно обработчику; 3.Если обработчик занят заявка из входного потока помещается в буфер и ставится в очередь на обработку; Обслуживающее устройство

4. После обработки заявки из буфера извлекается очередная заявка и передается обработчику, извлечение из очереди заявок осуществляется на основе алгоритма первым пришел – первым обслужен (First-In, First out, FIFO); 5.Обработка заявки длится случайное время. Пусть, T – среднее время между поступлениями заявок. Обозначим интенсивность поступления заявок λ = 1/T Будем считать, что функция распределения интервалов между началом поступления соседних заявок описывается марковским (пуасонновским) распределением. t F(t) = λ e- λt λ

Пусть, среднее время обслуживания заявки равно b. Будем считать что время обслуживания также является случайной величиной с марковской плотностью. Обозначим интенсивность обработки заявок μ = 1/b. Тогда время ожидания заявок в очереди ω = ρ (b/1- ρ). где ρ = λ/μ – коэффициент использования обработчика. ρ ω 0,5 Зависимость среднего времени ожидания заявки в очереди (ω) от коэффициента использования (ρ)

Упрощенная модель реализации качества обслуживания Предположим что по сети передается два класса трафика: Класс 1 - трафик приложений чувствительных к задержкам; Класс 2 - трафик приложений допускающих задержки но чувствительных к потерям пакетов. Для обработки трафика каждого класса во всех коммутаторах сети поддерживается две очереди пакетов (соответственно очередь 1 и 2). Для достижения требуемого качества обслуживания необходимо чтобы алгоритм выборки пакетов из очередей отдавал предпочтение пакетам трафика класса 1.

Предположим, что алгоритм сперва обрабатывает пакеты очереди 1, пакеты из очереди 2 обрабатываются только, если очередь 1 пуста. Пусть значение коэффициента использования коммутатора сети для трафика класса 1 равно λ 1 /μ где λ 1 – интенсивность трафика класса 1, μ – интенсивность работы коммутатора. Тогда уровень загрузки коммутатора в процессе обработки трафика класса 2 будет равен (λ 1 + λ 2 )/ μ где λ 2 – интенсивность трафика класса 2. Пример: Предположим, что для эффективной обработки трафика класса 1 достаточно чтобы коэффициент использования коммутатора был равен 0,2, а для трафика класса 2 равен 0,9. Тогда λ 2 /μ = 0,7

Вывод: для достижения требуемого качества обслуживания необходимо неравномерное распределение производительности ресурсов для различных классов трафика.

Алгоритм первым пришел – первым обслужен Первым пришел – первым обслужен (First in – First out, FIFO) Все пакеты помещаются в одну очередь и извлекаются из очереди в порядке поступления (дифференцированная обработка отсутствует). FIFO используется в коммутаторах для обработки очередей без реализации QoS.

Алгоритм с приоритетным обслуживанием Алгоритм основан на выделении в потоке данных нескольких классов трафика поддержке для каждого класса отдельной очереди пакетов. Каждому классу трафика сопоставляется числовой показатель называемый приоритетом. Классификация трафика может осуществляться отдельно каждым коммутаторами сети или только коммутаторами которые находятся на границе сети. В втором случае, для указания приоритета пакета используют специальное поле в заголовке пакета.

Принципы работы алгоритма: 1.Коммутатор для каждого класса трафика поддерживает отдельную очередь пакетов. 2.Обработка пакетов некоторой очереди производится только в том случае когда обработаны все пакеты из очередей с более высоким приоритетом. 3.Если буферная память выделенная для некоторой очереди оказывается заполненной, вновь поступающие пакеты уничтожаются.

Выводы: В случае если средняя скорость трафика наивысшего приоритета не превышает пропускной способности интерфейса, то трафик передается без задержек, в противном случае возможно образование очередей. В случае, если коэффициент использования выходного интерфейса трафиком наивысшего приоритета приближается к 1, то обработка низкоприоритетного трафика прекращается. Алгоритм обычно используется только в том случае если высокоприоритетный трафик имеет небольшую интенсивность.

Алгоритм с использованием взвешенных очередей Алгоритм основаны на выделении в потоке данных нескольких классов трафика поддержке для каждого класса отдельной очереди пакетов. Каждой очереди сопоставляется процент пропускной способности ресурса называемый весом. Для входного потока ресурс – процессорное время, для выходного пропускная способность выходного интерфейса. Обработка очередей производится на основе цикла, из каждой очереди выбирается кол-во пакетов (байтов) в соответствующее весу очереди. Выводы: 1. Каждому классу трафика гарантируется минимум пропускной способности; 2. Не учитываются требования к задержкам передачи пакетов.

Комбинированные алгоритмы Комбинированные алгоритмы основаны на одновременном использовании приоритетных и взвешенных очередей. Например, коммутатор может поддерживать одну приоритетную очередь и несколько взвешенных очередей. Приоритетная очередь используется для трафика чувствительного к задержкам, а взвешенные очереди для эластичного трафика.