QoS в мультисервисных сетях следующего поколения
10 мая 2008
Рубрика: Статьи, присланные на конкурс.
Автор: Умид Ниязов.

Современному периоду развития телекоммуникаций соответствует все возрастающее увеличение спроса на инфокоммуникационные услуги. Все большему числу пользователей, как в повседневной, так и в профессиональной деятельности наряду с традиционными услугами связи требуются услуги передачи данных и доступа в Интернет.

Растет спрос на услуги IP-телефонии. Для удовлетворения этого спроса операторы связи проводят модернизацию существующих и строительство новых сетей, обеспечивая постепенный переход к мультисервисным сетям. Мультисервисным сетям присуще использование технологий пакетной передачи информации, преобладающими среди которых являются технологии на основе IP-протоколов. Но идеология построения NGN существенно отличается от принципов, по которым создана сеть Интернет. В первую очередь следует выделить поддержку в сети NGN заранее заданных показателей качества обслуживания (QoS – quality of service). Ключевым вопросом для мультисервисных сетей будущего является качественное и экономически оправданное предоставление пользователю услуг Triple-Play, что предполагает возможность обмена информацией в виде речи и видео наряду с традиционной передачей данных. Наглядным примером может послужить широкое распространение таких услуг, как IP-телефония, видеоконференц-связь, видео и аудио по требованию (VAoD – Video and Audio on Demand) и т.п.

Сегодня общепризнанно, что сети с коммутацией каналов и пакетов постепенно эволюционируют в направлении создания общей инфраструктуры, базирующейся на протоколах семейства IP. Этот процесс получил название конвергенции. Инфраструктура, возникшая в результате конвергенции, должна будет обеспечивать транспортировку трафика телефонных сетей, сетей телевидения и трафика приложений, традиционно использующих сети Интернет. Подобный сценарий конвергенции предлагает как экономический выигрыш, получаемый благодаря объединению технологий, так и определяет развитие сектора телекоммуникаций через создание новых услуг. Однако процесс конвергенции до настоящего времени протекает достаточно медленно. И здесь мы вновь возвращаемся к проблеме обеспечения необходимого качества обслуживания, которая является одним из основных тормозящих факторов в процессе конвергенции сетей и услуг и построении единой сети на базе IP, рассматриваемой сегодня как сеть следующего поколения (Next Generation Network, NGN). Чтобы полностью реализовать преимущества конвергенции в будущих IP-ориентированных сетях, необходимо разработать новые принципы распределения ресурсов сетей и управления трафиком, которые будут гарантировать различные уровни показателей качества обслуживания для большого и разнообразного числа приложений, реализуемых конечными пользователями.

В этой статье мы рассматриваем обзор методов поддержки качества обслуживания в сетях NGN, построенных на базе IP-ориентированных протоколов и еще имитационный модель IP-сетях с методов маршрутизации, обеспечивающих QoS за счет применения различных алгоритмов управления очередями.
Качество обслуживания (QoS) является предметом активных исследований и стандартизации на протяжении всей истории развития телекоммуникаций. Существенный вклад в развитие различных аспектов концепции QoS внес Международный союз электросвязи (ITU-T), включая в том числе разработку норм и требований к показателям качества обслуживания, стандартизацию сетевых механизмов, обеспечивающих необходимые показатели QoS, а также формулировку основополагающих определений.

В отличие от технологий, так называемых X.25, Frame Relay и ATM в классических сетях IP применяется метод доставки, полностью исключающий любую форму организации соединений — как физических, так и виртуальных. Этот метод основан на рассылке пакетов-дейтаграмм. Качество доставки в традиционных сетях IP базируется на принципе так называемой «наилучшей попытки» (Best effort). Концепция «наилучшей попытки» предполагает, что пользователи справедливо разделяют доступные сетевые ресурсы, трафик передается со скоростью, максимально возможной в данных условиях загрузки ресурсов сети, но при этом не гарантируется обеспечение любого предварительно определенного уровня качества обслуживания. Очевидно, что такой подход к обслуживанию означает следующее: отсутствуют различия между разными видами трафика, нет гарантии в доставке пакетов в правильном порядке, и что он будет доставлен в требуемое время или вообще будет доставлен, и т. д. Концепция «наилучшей попытки» была достаточно эффективной для приложений, где можно передавать данные не в реальном времени (электронная почта, передача файлов).

В некоторых рекомендациях, которым посвящена технология IP, рассматриваются следующие сетевые характеристики, как наиболее важные по степени их влияния на сквозное качество обслуживания (от источника до получателя), оцениваемое пользователем:

• задержка (IPTD — IP packet transfer delay)
• вариация задержки или джиттер (IPDV — IP packet delay variation)
• потери пакетов (IPLR — IP packet loss ratio).

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,} t2-t1<=Tmax; (Tmax – максимальная задержка для различных приложений). В общем, параметр IPTD определяется как время доставки пакета между источником и получателем для всех пакетов — как успешно переданных, так и пораженных ошибками. Средняя задержка доставки пакета IP-параметр, специфицированный в Рекомендации Y.1540, определяется как средняя арифметическая величина задержек пакетов в выбранном наборе переданных и принятых пакетов. Значение средней задержки зависит от передаваемого в сети трафика и доступных сетевых ресурсов, в частности, от пропускной способности. Рост нагрузки и уменьшение доступных сетевых ресурсов ведут к росту очередей в узлах сети и как следствие к увеличению средних задержек доставки пакетов. 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 Tmax, 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), видеоконференций 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 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 YA при доставке пакета с индексом k, и определенной эталонной (или опорной) величиной задержки доставки пакета IP, d/2, для тех же сетевых точек: эталонная задержка доставки пакета IP, d, 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 чего 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 k. 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, 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 Y.1541 определяет численные значения параметров, специфицированных в ней, которые должны выполняться в сетях IP на международных трактах, соединяющих терминалы пользователей. Нормы на параметры разделены по различным классам QoS, которые определены в зависимости от приложений и сетевых механизмов, применяемых для обеспечения гарантированного качества обслуживания. В табл.1 представлены нормы на определенные выше сетевые характеристики. Значения параметров, приведенные в таблице, представляют собой, соответственно, верхние границы для средних задержек, джиттера, потерь и ошибок пакетов.

Таблица 1. Нормы для характеристик сетей IP с распределением по классам качества обслуживания.

pic

Рекомендация Y.1541 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 (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.
Н – неопределенный.

Маршрутизацию для QoS (QoS routing) и организацию и диспетчеризацию очередей (Queuing and scheduling) важные характеристики QoS и инжиниринга трафика (Traffic Engineering) для механизма управления трафикам в сетях NGN.

QoS routing обеспечивает выбор пути, который удовлетворяет требования к качеству обслуживания для конкретного потока данных. Выбираемый путь может отличаться от кратчайшего пути. Процесс определения пути предполагает знание требований к качеству обслуживания со стороны потока данных и наличие информации о доступных сетевых ресурсах. В настоящее время предложено большое число возможных методов определения наилучшего пути по критерию QoS. Как правило, в вычислениях наилучшего пути в маршрутизации QoS учитывается либо одна сетевая характеристика, либо две (производительность и задержка, стоимость и производительность, стоимость и задержка и т. д.) с тем, чтобы сделать процесс вычислений приемлемым для инженерных расчетов.

Queuing and scheduling. Цель механизмов этой группы — выбор пакетов для передачи из буфера в канал. Большинство дисциплин обслуживания (или планировщиков) основано на схеме «первый пришел — первый обслуживается» (FIFO – First in, First out). Для обеспечения более гибких процедур вывода пакетов из очереди был предложен ряд схем, основанных на формировании нескольких очередей. Среди них в первую очередь необходимо назвать схемы приоритетного обслуживания (PQ – Priority Queuing). Другой пример гибкой организации очереди — механизм взвешенной справедливой буферизации (Weighted Fair Queuing, WFQ), когда ограниченная пропускная способность на выходе узла распределяется между несколькими потоками (очередями) в зависимости от требований к пропускной способности со стороны каждого потока. Еще одна схема организации очереди основана на классификации потоков по классу обслуживания (Class-Based Queuing, CBQ). Потоки классифицируются в соответствии с классами обслуживания и затем размещаются в буфере в различных очередях. Каждой очереди выделяется определенный процент выходной пропускной способности в зависимости от класса, и очереди обслуживаются по циклической схеме.

В данной работе представлены результаты первого этапа исследования мультисервисных сетей NGN СП East Telecom с использованием академической версии системы моделирования OPNET. Для более подробного ознакомления с академической версией системы OPNET можно обратиться к источникам www.opnet.com.

В этой модели рассмотрена гипотетическая вторичная сеть передачи данных СП East Telecom, связывающая 14 городов Республики Узбекистан: Ташкент ТашТТС АТС -144 (1), Гулистан АМТС (2), Джизак АМТС (3), Самарканд АМТС (4), Карши АМТС (5), МГЗ Мубарек (6), Навои АМТС (7), Бухара АМТС (8), Термез АМТС (9), Ургенч АМТС (10), Нукус АМТС (11), Наманган АМТС (12), Андижан АМТС (13) и Фергана АМТС (14) (рис.1).

pic

Рисунок 1. Гипотетическая вторичная сеть передачи данных СП East Telecom

Узловые центры соединены центральным узлом ТашТТС АТС – 144 по топологии Star («звездообразное»). Соединения между узловыми центрами и Ташкентом символизируют типовые каналы 2хSTM-1 (310 Мбит/с), STM-4 (622 Мбит/с), синхронной цифровой иерархии SDH и NxE1 (6, 8, 10 и 30 Мбит/с) плеазихронной цифровой иерархии PDH. Между каждыми двумя пунктами существует потребность в обмене информацией со скоростью передачи 6 Мбит/с, из которого:

• Передача данных с «наилучшими попытками» – 1 Мбит/с. Тип сервиса «Best-effort» (ToS=0).
• Голос ИКМ-качества: 3 Мбит/с. Тип сервиса «Interactive Voice» (ToS=6).
• Потоковое мультимедиа: 2 Мбит/с. Тип сервиса «Streaming Multimedia» (ToS=5).

Для построения сетей следующего поколения (NGN), которые в принципе являются IP–сетями, вопрос выбора алгоритма маршрутизации остается открытым. В данной работе нами сделана попытка сравнения наиболее распространенных на сегодняшний день в Интернете алгоритмов маршрутизации – RIP (Routing Information Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First) по показателям QoS при условиях мультисервисного обслуживания. Большинство исследований в этом направлении было проведено с точки зрения вычислительной сложности, мы же рассматриваем с точки зрения дисциплины обслуживания (алгоритмы управления очередями, FIFO, WFQ и PQ).

Результаты исследования показали, что в сети NGN при высокой доле мультимедийного трафика использование FIFO представляется абсолютно неприемлемым. А наилучший результат получен при использовании WFQ в комбинации с алгоритмом маршрутизации OSPF, далее идут комбинации RIP – PQ и RIP – WFQ (рис. 2). При росте числа узлов превосходство алгоритма OSPF над RIP увеличивается.

pic

Рисунок 2. Задержка пакетов IP для различной доли мультимедийного трафика.

На основании полученных результатов можно сделать вывод, что в сети NGN, где вкупе с увеличением количества узлов сети наблюдается стремительный рост доли мультимедийного трафика, предпочтительнее использование OSPF при WFQ.

В заключение отметим следующее. Решение задачи обеспечения требуемого качества обслуживания в сетях NGN, безусловно, может быть достигнуто прямым путем — на основе предоставления гарантированной полосы пропускания, повышения производительности сетевых устройств — маршрутизаторов и шлюзов, использовании магистралей с высокими пропускными способностями. Однако наиболее целесообразным представляется применение гибких методов, которые обеспечивают требуемые показатели качества обслуживания при эффективном использовании ресурсов сети для большого набора различных приложений, включая и наиболее критичные аудио- и видео-приложения реального времени.

Литература
1. McDysan. “QoS and Traffic Management in IP and ATM Networks”. McGraw-Hill.2000.
2. E.А. Кучерявый. “Управление трафиком и качество обслуживания в сети Интернет”. СПб, Наука и Техника. 2004.
3. P. Кох, ГГ. Яновский. “Эволюция и конвергенция в электросвязи”. М., Радио и связь. 2001.
4. МСЭ-Т Recommendation Y.1541. “Network Performance Objectives for IP-Based Services”. May 2002.
5. В. С. Лагутин, В.О.Костров. “Оценка характеристик пропускной способности мультисервисных пакетных сетей при реализации технологии разделения типов нагрузки”. “Электросвязь”, №3, 2003. ISSN 0013-5771.
6. Gunnar Ronneberg and Olav Lysne. ”An OPNET-based Simulation Model of SCI-nodes”.
7. www.opalsoft.net.

8. Debasis Mitra, K. G. Ramakrishnan,”Techniques for traffic engineering of multiservice, multipriority networks”. BLTJ.-2001.-Vol.1.-№1.
9. Б.Я. Лихтциндер, П.М. Попов. «Инжиниринг трафика в мультисервисных сетях». «Электросвязь», №7, 2005. ISSN 0013-5771.
10. S. N. Stepanov, V.B. Iversen. ”Modeling issues of integrating services in next Generation Networks”.
11. Абдурахманов Р.Ф., к.т.н., доцент. Юнусов Л.Э. “Моделирование широкополосных мультисервисных сетей следующего поколения (NGN)”. “Вестник связи”, № 2, Ташкент, 2007 год.
12. Абдурахманов Р.Ф., к.т.н., доцент. Юнусов Л.Э. TUIT ”Исследование алгоритмов маршрутизации в Щ-ЦСИО ”. 10.04.2007.
13. OPNET IT Guru Academic Edition 9.1 version: http://www.opnet.com.
14. V. G. Olifer and N.A Olifer “Computer networks” 3rd Edition, Peter, 2006y., Moscow, Russia.

Автор: Ниязов Умид Сохибович, студент 4 курса Ташкентского университитета информационных технологий
Информация о конкурсе http://infocom.uz/more.php?id=3385_0_1_0_M

pic

Orphus system
Подписывайтесь на канал infoCOM.UZ в Telegram, чтобы первыми узнавать об ИКТ новостях Узбекистана
В Telegram
В WhatsApp
В Одноклассники
ВКонтакте