Анализ показателей качества обслуживания услуг Triple Play
27 февраля 2012
Рубрика: Связь и телекоммуникации, Технологии.
Автор: Р. Джураев, Б. Умирзаков, И. Сайфуллин.

В статье рассмотрены методы обеспечения качества обслуживания и результаты имитационного моделирования при предоставлении услуг Triple Play.

Происходящий в последние годы бурный рост услуг Triple Play, появление мультимедийного трафика и постоянный рост его объема стали серьезной проблемой для функционирования мультисервисных сетей связи.

Предоставление услуг Triple Play (голоса, данных и видео) предъявляет различные требования к уровню обслуживания трафика, поэтому развитие мультисервисных сетей связи и проблемы, возникающие в них, обосновывают актуальность обеспечения качества обслуживания.

Одна из самых больших проблем при предоставлении услуг Triple Play в сетях с пакетной коммутацией заключается в обеспечении гарантированного качества обслуживания (QoS).

В этой связи качество обслуживания (QoS) является основным требованием для реализации услуг Triple Play.

Основные характеристики для QoS определяются следующим образом [1, 2, 3]:
• задержка доставки пакета. Этот параметр играет роль в основном при передаче голосовых и видеосообщений;
• джиттер (разброс) — изменения в задержках при доставке пакета. Джиттер можно мерить несколькими методами.
• потеря пакета — при перегрузке сеть вынуждена выбросить отдельные пакеты. Один из тех параметров, который при передаче голосовых и видеосообщений играет ощутимую роль.

В настоящее время существуют различные методы обеспечения качества обслуживания в мультисервисных сетях связи, а выбор той или иной технологии зависит от требований, предъявляемых к качеству обслуживания. Причем качество предоставляемых услуг должно быть на требуемом потребителем уровне.

Известны следующие методы обеспечения QoS, применяемые в мультисервисных сетях:
• резервирование ресурсов (на время соединения запрашиваются и резервируются необходимые для выполнения приложения ресурсы);
• приоритезация трафика (распределение трафика в сети на классы с приоритетным порядком обслуживания некоторых из них);
• перемаршрутизация (позволяет при перезагрузке сети перевести трафик на резервный маршрут, именно этим способом обеспечивается QoS).

В современных сетях перечисленные методы реализуются с помощью технологий IntServ, DiffServ и MPLS с использованием протокола RSVP [1].

Преимущества модели IntServ заключаются в четко определенной и гарантированной пропускной способности, за счет резервирования полосы пропускания для совместного использования несколькими отправителями.

На основе данной модели (в зависимости от класса обслуживания) для определенного типа трафика может быть предоставлена необходимая полоса пропускания в канале связи, а также обеспечиваться минимальная задержка при передаче пакетов или минимальный уровень их потерь.

Анализ показывает, что самый существенный недостаток IntServ связан с масштабируемостью протокола RSVP, особенно в высокоскоростных магистральных сетях. RSVP проводит резервирование только для одного информационного потока [1].

Ввиду важности масштабируемости в пакетных сетях предложена технология DiffServ. В технологии DiffServ пакеты на границе сети классифицируются, маршрутизируются кодом в заголовке IP-пакета и на основании этого кода причисляются к определенному агрегированному потоку. У каждого агрегированного потока свой приоритет и ожидаемый уровень обслуживания.

Простота приоритезации трафика в DiffServ, возможность масштабирования, гораздо меньшие затраты на реализацию по сравнению с IntServ, повышенная надежность за счет того, что классификация происходит на границе DiffServ-домена без выполнения служебных запросов определяют гибкость и мощь DiffServ. Однако, данная технология не дает полной гарантии обеспечения QoS, а лишь обеспечивает относительное увеличение полосы пропускания для более приоритетных потоков [4].

Технология MPLS на сегодняшний день стала одной из основных для построения крупных сетей операторов, предоставляющих услуги с обеспечением качества обслуживания. Данная технология предназначена для ускорения коммутации пакетов в транспортных сетях. Основное ее отличие от ранее рассмотренных в том, что MPLS изначально не является технологией обеспечения качества и становится таковой только при использовании протокола RSVP-TE.

Однако, внедрение технологии MPLS, как правило, связано с организацией высокоскоростной магистрали, что требует установки высокопроизводительного оборудования. Несмотря на значительные преимущества технологии с точки зрения обеспечения QoS, дополнительная гарантия доставки пакетов может создать проблемы в области масштабируемости [5,6].

Анализ показывает, что на данный момент не существует универсальной технологии QoS, способной удовлетворить одновременно все требования для построения мультисервисных сетей связи.

Для исследования показателей качества обслуживания услуг Triple Play была построена имитационная модель.

Для построения имитационной модели использовалось программное обеспечение OPNET Modeler 14.0. Программа OpNet представляет собой комплекс средств для создания, моделирования и изучения сетей связи, позволяет анализировать воздействия приложений типа клиент-сервер и новых технологий на работу сети; моделировать иерархические сети, многопротокольные локальные и глобальные сети с учетом алгоритмов маршрутизации; осуществлять оценку и анализ производительности смоделированных сетей. Также с помощью пакета можно осуществить проверку протокола связи, анализ взаимодействий протокола, оптимизацию и планирование сети.

Программа OpNet содержит исчерпывающую библиотеку протоколов и объектов. Есть несколько сред редактора — по одной для каждого типа объекта. Организация объектов — иерархическая, сетевые объекты (модели) связаны набором узлов и объектов связи, в то время как объекты узла связаны набором объектов, типа модулей очередности, модулей процессора, передатчиков и приемников.

Для моделирования был выбран участок сети, на котором существует потребность в передаче разнородного трафика.

Имитационная модель состоит из двух зон: зона A и зона B. Каждая зона содержит по 2 сети (LAN) и коммутатора (Switch). Зона A и зона B обмениваются данными по средствам маршрутизаторов (Router) (Рис.1.1).

Сеть LAN 1 содержит 10 пользователей, которым предоставлена услуга передачи данных по протоколу HTTP. Пользователи этой сети имеют возможность обмениваться данными как внутри сети, так и с сетью LAN 4. Трафик от сети LAN 1 к сети LAN 4 проходит через коммутатор Switch A, Router 1, Router 3, Switch B.

Сеть LAN 2 содержит 10 пользователей, которым предоставлена услуга передачи голосового трафика. Пользователи этой сети имеют возможность обмениваться данными как внутри сети, так и с сетью LAN 4. Трафик от сети LAN 2 к сети LAN 4 проходит через коммутатор Switch A, Router 1, Router 3, Switch B.

Сеть LAN 3 содержит 10 пользователей, которым предоставлена услуга передачи видеотрафика. Пользователи этой сети имеют возможность обмениваться данными как внутри сети, так и с сетью LAN 4. Трафик от сети LAN 3 к сети LAN 4 проходит через коммутатор Switch B.

Сеть LAN 4 содержит 10 пользователей, которым одновременно предоставлены услуги по передаче данных, голоса и видео. Пользователи этой сети имеют возможность обмениваться данными как внутри сети, так и с сетями LAN 1, LAN 2, LAN 3.

Коммутаторы (Switch) играют роль связующих звеньев для сетей, принадлежащих одной зоне, а также пропускают через себя трафик при обмене данными в разных зонах.

Маршрутизаторы Router 1 и Router 3 являются основными маршрутизаторами для передачи данных между зонами.

Маршрутизаторы Router 2 и Router 4 являются резервными, на случай обрыва кабеля или перегрузки основных маршрутизаторов.

Маршрутизация на сети осуществляется посредством протокола OSPF, который ориентируется на следующие параметры при выборе маршрута:
• количество промежуточных узлов на пути от пункта А до пункта Б;
• длина пути от пункта А до пункта Б;
• пропускная способность магистрали;
• загруженность участков сети.

Рис. 1.1. Моделируемая мультисервисная сеть

Моделирование является очень ресурсоемким процессом, порой время моделирования всего лишь 1 минута в сети может потребовать до двух, трех часов в зависимости от конфигурации компьютеров. В связи с этим были предприняты следующие меры по минимизации времени моделирования:
• каждая сеть содержала 10 пользователей;
• время имитации составило 10 минут.

В имитационной модели передавался следующий вид данных: данные, голос и видео. Ниже представлены подробные параметры каждого вида из трафика.

В качестве трафика данных использовался трафик HTTP:
• версия протокола HTTP 1.1;
• время между запросами страниц 10 секунд;
• размер изображений на странице от 2 Мб до 10 Мб;
• количество изображений на странице 1 до 10.

В качестве голосового трафика использовался PCM quality speech:
• схема кодирования G.711;
• длительность тишины 0,65 сек.;
• количество кадров в каждом пакете 0,65 сек.;
• время кодирования 0,02 сек.;
• время декодирования 0,02 сек.

В качестве видеотрафика использовался видеотрафик VCR:
• размер кадра 352 x 240 pixels;
• число кадров в секунду 30 frames/s.

Как уже упоминалось ранее, процессы, проходящие в имитационной модели, рассматривались в течение 10 минут. В течение этого время журнал моделирования программного обеспечения OPNET регистрировал все события, проходящие в сети. В конце моделирования эти события были преобразованы в графики, параметры которых изменялись при моделировании.

Для трафика, использующего http-приложения, был измерен следующий параметр:
• utilization (%) — процент использования пропускной способности канала http-приложениями.

Для голосового трафика были измерены следующие параметры:
• packet End-to-End delay (sec) — время, необходимое для доставки одного пакета голосового приложения до узла назначения;
• packet delay variation (sec) — вариация задержки доставки пакетов голосовых приложений до узла назначения, задержка замеряется с момента создания пакета до момента достижения узла назначения;
• utilization (%) — процент использования пропускной способности канала голосовыми приложениями.

Для видеотрафика были измерены следующие параметры:
• packet End-to-End delay (sec) — время, необходимое для доставки одного пакета голосового приложения до узла назначения;
• packet delay variation (sec) — вариация задержки доставки пакетов голосовых приложений до узла назначения, задержка замеряется с момента создания пакета до момента достижения узла назначения;
• utilization (%) — процент использования пропускной способности канала голосовыми приложениями.

Моделирование производилось четыре раза: в отсутствие предоставления качества обслуживания QoS и с предоставлением гарантированного качества обслуживания посредством механизмов DiffServ, IntServ, Int-DiffServ.

Полученные данные в результате моделирования были преобразованы в графики для визуального анализа.

Как видно из рис.1.2, для передачи данных и голоса требуется небольшая полоса пропускания по сравнению с видеотрафиком и трафиком Triple Play. Из этого можно сделать вывод, что при предоставлении услуг Triple Play необходима большая полоса пропускания, чем при предоставлении голосовых услуг и услуг передачи данных.

Рис. 1.2. Использование пропускной способности канала

На рис.1.3 проиллюстрирован график задержки при передаче голосового трафика. На графике присутствуют четыре кривые: Without any QoS (отсутствие QoS), IntServ, DiffServ, Int-DiffServ. В случае отсутствия предоставления качества обслуживания среднeе числовое значение кривой превышает нормы почти в 1,5 раза. При предоставлении гарантированного качества обслуживания показатели задержки значительно улучшаются и не превышают допустимое значение, необходимое для качественного предоставления голосовых услуг. Как видно из рис.1.3, наилучшим механизмом предоставления гарантированного качества обслуживания является Int-DiffServ. Это связано с тем, что механизмы DiffServ и IntServ имеют свои слабые места, которые при совместном использовании устраняются как и реализовано в механизме Int-DiffServ.

Рис.1.3. Задержка при передаче голосового трафика

На рис.1.4 проиллюстрирован график задержки вариации при передаче голосового трафика. На графике присутствуют четыре кривые: Without any QoS (отсутствие QoS), IntServ, DiffServ, Int-DiffServ. В отсутствие механизмов предоставления гарантированного качества обслуживания значения показателя вариации задержки больше, чем при использовании одного из механизмов предоставления гарантированного качества обслуживания, что может сказаться на качествe передачи голосового трафика. Как видно из рис.1.3, наилучшим механизмом предоставления гарантированного качества обслуживания является Int-DiffServ.

Рис. 1.4. Вариация задержки при передаче голосового трафика

На рис.1.5 изображен график задержки при передаче видеотрафика. На графике присутствуют четыре кривые: Without any QoS (отсутствие QoS), IntServ, DiffServ, Int-DiffServ. В случае отсутствия предоставления качества обслуживания среднeе числовое значение кривой превышает нормы почти в 2,5 раза. При предоставлении гарантированного качества обслуживания показатели задержки значительно улучшаются, но при использовании механизма IntServ, DiffServ все равно не удовлетворяет требованиям для качественной передачи видеотрафика. Как видно из рис.1.5, при использовании механизма Int-DiffServ на сети появляется возможность передачи видеотрафика гарантированного качества.

Рис.1.5. Задержка при передаче видео трафика

На рис.1.6 проиллюстрирован график задержки вариации при передаче видеотрафика. На графике присутствуют четыре кривые: Without any QoS (отсутствие QoS), IntServ, DiffServ, Int-DiffServ. В отсутствие механизмов предоставления гарантированного качества обслуживания значения показателя вариации задержки превышают нормы, предъявляемыe для видеотрафика, что в свою очередь скажется на качестве предоставляемой услуги. Как видно из рис.1.6, наилучшим механизмом предоставления гарантированного качества обслуживания является Int-DiffServ.

Рис.1.6. Вариация задержки при передаче видео трафика

Анализ показателей качества обслуживания услуг Triple Play показал, что голосовой и видеотрафик очень чувствительныe к задержкам и вариации задержки.

Для качественного предоставления услуг Triple Play необходимо, чтобы показатели качества удовлетворяли требованиям, предъявляемым при передаче данного вида трафика. Для обеспечения этих требований необходимо использовать механизмы предоставления гарантированного качества обслуживания. Анализ двух основных моделей предоставления гарантированного качества обслуживания «Integrated Service» и «Differentiated Service» показал, что каждая модель имеет свои недостатки. Для устранения этих недостатков была получена смешанная модель «Integrated Services Operation over Differentiated Networks», в которой слабые места одной модели компенсируются соответствующими решениями другой.

Имитационная модель подтвердила необходимость использования механизмов предоставления гарантированного качества. Анализ графиков, полученных в результате моделирования, показал, что наилучшим механизмом предоставления гарантированного качества обслуживания является Int-DiffServ.

Литература:
1. Яновский Г. Г. Качество обслуживания в сетях IP. «Вестник связи». — 2008. №1.
2. Копачев А. Г. Методы управления трафиком в мультисервисных сетях. Информатизация образования. — 2004. №4.
3. Джагацпанян Г. Г. Требования к абонентскому каналу для услуги Triple Play. «Электросвязь». — 2007. №5.
4. Умирзаков Б. М., Джураев Р. Х. Обеспечение качества услуг Triple Play. Труды седьмой международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов государств — участников РСС «Техника и технологии связи» 28-30 сентября 2009 г., Алматы.
5. Листопад Н. И. Обеспечение качества обслуживания в сетях с коммутацией пакетов. www.mpt.gov.by/File/2009_02/Listopad.pdf
6. Умирзаков Б. М., Джураев О. Р., Усмонов Э. Е. Анализ технологий обеспечения качества обслуживания QoS при предоставление услуг Triple Play. Научно-техническая конференция «Фан ва таълимда ахборот-коммуникация технологиялари». 25-26 марта 2010 г., Ташкент.

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