ЛЕКЦИЯ 15 Показатели качества обслуживания. Рекомендации Y.1540, Y.1541

ПЛАН: 1. Показатели качества обслуживания. 2. Рекомендация МСЭ Y Рекомендация МСЭ Y.1541

КАЧЕСТВО ОБСЛУЖИВАНИЯ QoS (Quality of Servers) QoS (Quality of Servers) рассматривается как «суммарный эффект рабочих характеристик обслуживания, который определяет степень удовлетворенности пользователя этой службой» (E.800) Задача: обеспечить заданное качество обслуживания в сквозном соединении (end-to-end) для различных видов трафика. Условие: заданное качество обслуживания должны поддерживать все сетевые устройства на всем сквозном соединении.

Работы ITU по стандартизации качества обслуживания Работы ITU по стандартизации качества обслуживания Рекомендация ITU-T Е.800 Качество обслуживания рассматривается как "суммарный эффект рабочих характеристик обслуживания, который определяет степень удовлетворенности пользователя этой службой".

Эволюция концепции качества обслуживания Сеть TDM– сеть, ориентированная на установление соединения – Концепция сквозного QoS (end-to-end). Модели виртуальных соединений - технологии X.25, Frame Relay и ATM. Сеть IP – сеть, не ориентированная на установление соединения Концепция наилучшей попытки (Best Effort) Электронная почта, пересылка файлов, Web и т. д.

Требования к типам трафика

Передача речи Ниже приведены следующие требования для передачи речевых сигналов: на разборчивость речи значительное влияние оказывает переменная составляющая случайной задержки речевого сигнала при передаче его по сети телекоммуникаций. Доля речевых пакетов, задержка которых превышает на 50 мс допустимую величину переменной составляющей сетевой задержки, не должна превышать 1% от общего количества переданных пакетов ;

при поддержании изохронности передачи особое внимание должно быть уделено сохранению непрерывности передачи речевого сигнала в реальном времени, т. е. обеспечению постоянной составляющей сетевой задержки. Задержка в передаче сигналов от абонента до абонента не должна превышать величины порядка 300 мс в связи с психофизиологическими особенностями восприятия речевых сигналов человеком; вероятность ошибки в канале связи допускается порядка 10-2, так как передача речевых сигналов в цифровой форме, как правило, не нуждается в защите от ошибок. При использовании низкоскоростных РПУ возможна защита помехоустойчивым кодом отдельных фрагментов речевых блоков в режиме исправления ошибок;

сравнительно редкие вставки и/или выпадения фрагментов речевых сигналов слабо влияют на качество воспроизведения речи. В зависимости от избыточности цифрового сигнала на выходе речепреобразующих устройств (РПУ) и длительности речевых сегментов (от 250 до 16 мс), допустимый уровень потерь составляет от 1 до 50% времени активности абонента ; Для повышения использования пропускной способности канала связи при передаче речевой информации необходимо учитывать статистику речевых сигналов, так как доля пауз в телефонном разговоре составляет в среднем 56% в сеансе связи, при этом суммарная продолжительность кратких перерывов в слитной речи длительностью от 5 до 200 мс как внутри слов, так и между словами, занимает около 15%; для речевого канала требуется постоянная полоса пропускания шириной от 5,3 кбит/с до 64 кбит/с в зависимости от применяемых методов кодирования речевого сигнала для устранения его избыточности.

ПЕРЕДАЧА ВИДЕОИНФОРМАЦИИ Видеоинформация состоит из последовательности неподвижных изображений (кадров), которые воспроизводятся с частотой кадр/с. При передаче каждый кадр интерпретируется как объединение некоторого числа фиксированных точек (пикселей) с определенной яркостью и цветом. Конкретная скорость передачи зависит от разрешения (числа пикселей в кадре), частоты кадров (числа кадров в секунду), количества информации для представления каждого пикселя (бит на пиксель) и в зависимости от требуемого качества изображения может изменяться в широких пределах: от единиц до сотен мегабит в секунду. Например, для производственных условий, где изображения должны передаваться в реальном времени с постоянной скоростью, для достижения высокого качества видеосигнала, может потребоваться скорость передачи до 1,8 Гбит/с.

Указанная пропускная способность необходима также для цифрового кино. Необходимо отметить, что видеоинформация обладает довольно большой избыточностью и при ее передаче могут применяться различные методы уплотнения. В этом случае передача сигнала осуществляется с переменной скоростью, хотя отдельные видеокадры генерируются с постоянной скоростью, т. е. объем данных для представления каждого кадра различен. Выбор стандарта сжатия (например, MPEG, M-JPEG, H.261) определяет степень сжатия видеоинформации и соответственно качество передаваемого сигнала, а также необходимую полосу пропускания, например, 4-5 Мбит/с (MPEG-2) или Мбит/с в случае применения стандарта M-JPEG.

Видеоинформация предъявляет те же требования к сети связи, что и факсимильная, однако качество канала связи и его пропускная способность должны быть достаточно высокими. Например, сеть АТМ, транспортирующая поток MPEG-2, должна гарантировать долю потерянных ячеек (Cell loss ratio - CLR) менее чем 1,7 г 10-9, значение постоянной составляющей сетевой задержки ячеек (Cell transfer delay - CTD), равное 4 мс (не более 150 мкс на коммутатор), и флуктуацию переменной составляющей сетевой задержки (Cell delay variation - CDV) не выше 500 мкс для соединений типа точка-точка. Величина CTD может варьироваться в широком диапазоне. В то время как низкоскоростная 64 кбит/с видеоконференция может допускать величину транзитной задержки CTD=300 мкс, высокоскоростная видеоконференция 1,5 Мбит/с требует гарантии CTD=5 мкс, а для видео HDTV должна быть гарантирована величина CTD=1 мкс.

Передача данных Основные особенности передачи данных по сети связи состоят в следующем: требуется высокая достоверность передачи, не допускаются вставки и выпадения отдельных порций информации. Необходимо применение надежных способов обнаружения ошибок и повторной передачи соответствующих блоков данных; отсутствуют жесткие требования к величине постоянной задержки информации в сети и к ее дисперсии, хотя для некоторых интерактивных приложений могут существовать ограничения на транзитную задержку, определяемые требованиями времени отклика; допускается произвольный и независимый темпы передачи и приема данных в сети; требуется организация многорежимного обмена данными (диалоговая передача, передача файлов и др.) и разветвленная система приоритетов; каналы связи используются, как правило, высокого качества с вероятностью ошибки не ниже 10-4; требования к ширине полосы пропускания лежат в широких диапазонах: от десятков кбит/с для низкоскоростных интерактивных приложений до тысяч Мбит/с для приложений, ориентированных на работу с графическими данными

Характеристики качества обслуживания (Y.1540) Пропускная способность Надежность / Готовность сети / компонентов Задержка пакетов Вариация задержки пакетов ( Джиттер ) Потери пакетов

Характеристики качества обслуживания в сетях NGN 2.1. Производительность сети 2.2. Надежность 2.3. Параметры доставки пакетов IP 2.4. Классы QoS и приложения (ITU-T Y.1541)

Характеристики качества обслуживания в сетях NGN Производительность сети Производительность сети или скорость передачи данных пользователя определяется как эффективная скорость передачи, измеряемая в бит / с ( кбит / с, Мбит / с …). Значение этого параметра не совпадает с максимальной пропускной способностью сети, ошибочно называемой ( причем, довольно часто ) полосой пропускания. Минимальное значение производительности обычно гарантируется провайдером услуг, который, в свою очередь, должен иметь соответствующие гарантии от сетевого провайдера.

Надежность Надежность Надежность ТфОП в последние лет оценивается коэффициентом готовности, который выражается в числе девяток и равен 5 девяткам, т. е % Что означает оценка надежности в девятках 99% выход из строя 3.7 дней / год 99.9% выход из строя 9 часов / год 99.99% выход из строя 53 мин / год % выход из строя 5.5 мин / год Традиционная технология IP при передаче данных не обеспечивает надежность 5 девяток

Параметры доставки пакетов IP Параметры доставки пакетов IP 1. Задержка доставки пакета IP (IP packet transfer delay, IPTD) – ITU-T Y.1540 Параметр IPTD определяется как время (t2 – t1) между двумя событиями – вводом пакета во входную точку сети в момент t1 и выводом пакета из выходной точки сети в момент t2, где (t2 > t1) и (t2 > t1)

Источники задержки Пакетизация – зависит от типа трафика Распространение сигнала – не зависит от типа трафика Транспортировка (обработка в узлах сети) - зависит от типа трафика Задержка в приемном буфере - зависит от типа трафика

2. Вариация задержки пакета IP (IP packet delay variation, IPDV) Параметр IPDV, vk, для IP- пакета с индексом k, определяется между двумя точками сети ( входной и выходной ) как разность между абсолютной величиной задержки xk при доставке пакета с индексом k, и определенной эталонной ( или опорной ) величиной задержки доставки пакета IP, d1,2, для тех же самых сетевых точек : vk = xk - d1,2. Эталонная задержка доставки пакета IP, d1,2, между источником и получателем опрфеделяется как абсолютное значение задержки доставки первого пакета IP между данными сетевыми точками. Вариация задержки пакета IP, или джиттер, проявляется в том, что последовательные пакеты прибывают к получателю в нерегулярные моменты времени. В системах IP- телефонии это, к примеру, ведет к искажениям звука и, в результате, к тому, что речь становится неразборчивой.

3. Коэффициент потери пакетов IP (IP packet loss ratio, IPLR) Коэффициент IPLR определяется как отношение суммарного числа потерянных пакетов к общему числу принятых пакетов в выбранном наборе переданных и принятых пакетов. Потери пакетов в сетях IP возникают в том случае, когда значение задержек при передаче пакетов превышает нормированное значение, определенное выше как Tmax. Если пакеты теряются, то при передаче данных возможна их повторная передача по запросу принимающей стороны. В системах VoIP пакеты, пришедшие к получателю с задержкой, превышающей Tmax, отбрасываются, что ведет к провалам в принимаемой речи. Среди причин, вызывающих потери пакетов необходимо отметить рост очередей в узлах сети, возникающий при перегрузках. 4. Коэффициент ошибок пакетов IP (IP packet error ratio, IPER) Коэффициент IPER определяется как суммарное число пакетов, принятых с ошибками, к сумме успешно принятых пакетов и пакетов, принятых с ошибками.

Классы QoS и приложения (ITU-T Y.1541) Классы QoS и приложения (ITU-T Y.1541) Класс 0 – Приложения реального времени, чувствительные к джиттеру, характеризуемые высоким уровнем интерактивности (VoIP, видеоконференции ) Класс 1 - Приложения реального времени, чувствительные к джиттеру, интерактивные (VoIP, видеоконференции ) Класс 2 – Транзакции данных, характеризуемые высоким уровнем интерактивности ( например, сигнализация ) Класс 3 - Транзакции данных, интерактивные Класс 4 – Приложения, допускающие низкий уровень потерь ( короткие транзакции, массивы данных, потоковое видео ) Класс 5 – Традиционные применения сетей IP

Примечание: Н - не нормировано Нормы для характеристик сетей IP с распределением по классам качества обслуживания

Требование к транспортировке речи (1): Задержка Задержка E2E < 250 мс ( реакция человека на задержки из - за эхо ) Цель - < 150 мс 400 мс не приемлемо, исключая СЛС Бюджет задержки # Время пакетизации # Время распространения сигнала # Время обработки при транспортировке # Время задержки в приемном буфере Почему необходимо высокое QoS в системах VoIP Почему необходимо высокое QoS в системах VoIP

Примечания: *В одном направлении без интерактивных измерений. **Пользователь IP-сети вызывает абонента ТфОП. ***Абонент ТфОП вызывает пользователя IP-сети. Характеристики задержек для различных классов обслуживания

Вариация задержки или джиттер Задержка E2E < 40 мс Вариация задержки : проект TIPHON

Потери пакетов Потери пакетов E2E < 2% При условии, что обеспечивается задержка E2E < 150 мс, все классы приемлемы Класс обслуживания Коэффициент потерь пакетов Gold< 0,5% Silver От 0,5% до 1% Bronze От 1% до 2% Коэффициенты потери пакетов для различных классов обслуживания

РЕКОМЕНДАЦИЯ МСЭ Y.1540 В Рекомендации Y.1540 рассматриваются следующие сетевые характеристики, как наиболее важные по степени их влияния на сквозное качество обслуживания (от источника до получателя), оцениваемое пользователем: производительность сети; надежность сети/сетевых элементов; задержка; вариация задержки (джиттер); потери пакетов.

Производительность сети (или скорость передачи данных) пользователя определяется как эффективная скорость передачи, измеряемая в битах в секунду. Следует отметить, что значение этого параметра не совпадает с максимальной пропускной способностью сети, ошибочно называемой (причем, довольно часто) полосой пропускания. Минимальное значение производительности обычно гарантируется провайдером услуг, который, в свою очередь, должен иметь соответствующие гарантии от сетевого провайдера.

В Рекомендации Y.1540 не приведены нормативные характеристики производительности сети, которые различаются для различных приложений. Вместе с тем, в Рекомендации Y.1541 отмечено, что параметры, связанные с эффективной скоростью передачи, могут быть определены через дескриптор трафика IP-сети, описанный в Рекомендации МСЭ Y Надежность сети/сетевых элементов. Пользователи обычно ожидают высокий уровень надежности от систем связи. Надежность сети может быть определена через ряд параметров, из которых наиболее часто используется коэффициент готовности, вычисляемый как отношение времени простоя объекта к суммарному времени наблюдения объекта, включающему время простоя и время между отказами. В идеальном случае коэффициент готовности должен быть равен 1, что означает стопроцентную готовность сети. На практике коэффициент готовности оценивается числом "девяток". Например "три девятки" означают, что коэффициент готовности составляет 999, что соответствует 9 часам времени недоступности (простоя) сети в год. Готовность сети ТфОП оценивается величиной "пять девяток", что означает мин. простоя в год. В табл. 3.1 приведены данные по времени простоя для различного количества "девяток".

Необходимо отметить, что обеспечение коэффициента готовности "пять девяток" в сетях IP, построенных на традиционном оборудовании данных (серверы, маршрутизаторы), является достаточно серьезной проблемой. Причина этого состоит в том, что обработка информационных потоков в сетях IP в значительной части базируется на программном обеспечении (а не на аппаратном, как это имеет место в ТфОП). В то же время статистика отказов сетевого оборудования показывает, что надежность программного обеспечения примерно в два раза ниже надежности аппаратного обеспечения.

Параметры доставки пакетов IP. В общем случае сеанс связи состоит из трех фаз - установления соединения, передачи информации и разъединения соединения. В Рекомендации Y.1540 из трех фаз сеанса связи рассматривается только вторая - фаза доставки пакетов IP. Такой подход отражает природу сетей IP, не ориентированных на установление соединений. Спецификацию рабочих характеристик и параметров QoS для двух других фаз (установление и разъединение соединения) планируется провести в дальнейшем. Рекомендация МСЭ-Т Y.1540 определяет следующие параметры, характеризующие доставку IP-пакетов.

ЗАДЕРЖКА ДОСТАВКИ ПАКЕТА IP (IP PACKET TRANSFER DELAY, IPTD). Параметр IPTD определяется как время (t2 - t1) между двумя событиями - вводом пакета во входную точку сети в момент t1 и выводом пакета из выходной точки сети в момент t2, где (t2 > t1) и (t2 - t1)

Речевая информация и, отчасти, видеоинформация являются примерами трафика, чувствительного к задержкам, тогда как приложения данных в основном менее чувствительны к задержкам. Когда задержка доставки пакета превышает определенные значения Ттах, такие пакеты отбрасываются. В приложениях реального времени (например, в IP- телефонии) это ведет к ухудшению качества речи. Ограничения, связанные со средней задержкой пакетов IP, играют ключевую роль для успешного внедрения технологии Voice over IP (VoIP), видео-конференций и других приложений реального времени. Этот параметр во многом будет определять готовность пользователей принять подобные приложения.

Вариация задержки пакета IP (IP packet delay variation, IPDV). Параметр Vk, характеризует вариацию задержки IPDV. Для IP-пакета с индексом k этот параметр определяется между входной и выходной точками сети в виде разности между абсолютной величиной задержки Xk при доставке пакета с индексом k, и определенной эталонной (или опорной) величиной задержки доставки пакета IP, dl,2, для тех же сетевых точек: Vk = Xk - d1,2. Эталонная задержка доставки пакета IP, d1,2, между источником и получателем определяется как абсолютное значение задержки доставки первого пакета IP между данными сетевыми точками. Вариация задержки пакета IP, или джиттер, проявляется в том, что последовательные пакеты прибывают к получателю в нерегулярные моменты времени. В системах IP- телефонии это, к примеру, ведет к искажениям звука и в результате к тому, что речь становится неразборчивой.

Коэффициент потери пакетов IP (IP packet loss ratio, IPLR). Коэффициент IPLR определяется как отношение суммарного числа потерянных пакетов к общему числу принятых в выбранном наборе переданных и принятых пакетов. Потери пакетов в сетях IP возникают в том случае, когда значение задержек при их передаче превышает нормированное значение, определенное выше как Ттах. Если пакеты теряются, то при передаче данных возможна их повторная передача по запросу принимающей стороны. В системах VoIP пакеты, пришедшие к получателю с задержкой, превышающей Ттах, отбрасываются, что ведет к провалам в принимаемой речи. Среди причин, вызывающих потери пакетов, необходимо отметить рост очередей в узлах сети, возникающих при перегрузках. Коэффициент ошибок пакетов IP (IP packet error ratio, IPER). Коэффициент IPER определяется как суммарное число пакетов, принятых с ошибками, к сумме успешно принятых и пакетов, принятых с ошибками.

РЕКОМЕНДАЦИЯ МСЭ Y.1541

В таблице приведены верхние границы для средних значений параметров. Также в Рекомендации Y.1541 представлены спецификации набора параметров, которые связаны с измерением реальных значений сетевых характеристик: периода наблюдений, длины тестовых пакетов, их числа. Например, при оценке качества передачи пакетов речи в IP-телефонии минимальный интервал наблюдения должен быть порядка 1-20 секунд при типовой скорости передачи 50 пакетов в секунду. Рекомендуемый интервал измерений для задержки, джиттера и потерь, должен составлять не менее 60 секунд.

Рекомендация также устанавливает соответствие между классами качества обслуживания и приложениями: Класс 0. Приложения реального времени, чувствительные к джиттеру, характеризуемые высоким уровнем интерактивности (VoIP, видеоконференции). Класс 1. Приложения реального времени, чувствительные к джиттеру, интерактивные приложения (VoIP, видеоконференции) Класс 2. Транзакции данных, характеризуемые высоким уровнем интерактивности, например, сигнализация Класс 3. Транзакции данных, интерактивные. Класс 4. Приложения, допускающие низкий уровень потерь (короткие транзакции, массивы данных, потоковое видео) Класс 5. Традиционные применения сетей IP.