Качество обслуживания ( QoS ) — это описание или измерение общей производительности службы, например телефонной или компьютерной сети , или службы облачных вычислений , в частности производительности, которую видят пользователи сети. Для количественного измерения качества обслуживания часто учитывают несколько связанных аспектов сетевого сервиса, таких как потеря пакетов , скорость передачи данных , пропускная способность , задержка передачи , доступность , дрожание и т. д.
В области компьютерных сетей и других телекоммуникационных сетей с коммутацией пакетов качество обслуживания относится к механизмам определения приоритетов трафика и управления резервированием ресурсов, а не к достигнутому качеству обслуживания. Качество обслуживания — это способность предоставлять разные приоритеты различным приложениям, пользователям или потокам данных или гарантировать определенный уровень производительности потока данных.
Качество обслуживания особенно важно для перевозки грузов с особыми требованиями. В частности, разработчики внедрили технологию Voice over IP , позволяющую компьютерным сетям стать такими же полезными, как и телефонные сети для аудиоразговоров, а также поддержку новых приложений с еще более строгими требованиями к производительности сети.
В области телефонии качество обслуживания было определено МСЭ в 1994 году . [1] Качество обслуживания включает в себя требования ко всем аспектам соединения, таким как время ответа службы, потери, соотношение сигнал/шум, перекрестные помехи , эхо, прерывания, частотная характеристика, уровни громкости и т. д. Подмножеством QoS телефонии являются требования к уровню обслуживания (GoS), которые включают в себя аспекты соединения, связанные с пропускной способностью и покрытием сети, например, гарантированную максимальную вероятность блокировки и вероятность сбоя. [2]
В области компьютерных сетей и других телекоммуникационных сетей с коммутацией пакетов под инженерией телетрафика понимаются механизмы управления приоритетами трафика и резервирования ресурсов, а не достигнутое качество обслуживания. Качество обслуживания — это способность предоставлять разные приоритеты различным приложениям, пользователям или потокам данных или гарантировать определенный уровень производительности потока данных. Например, могут быть гарантированы требуемая скорость передачи данных, задержка , изменение задержки , потеря пакетов или частота ошибок по битам . Качество обслуживания важно для потоковых мультимедийных приложений в реальном времени, таких как передача голоса по IP , многопользовательские онлайн-игры и IPTV , поскольку они часто требуют фиксированной скорости передачи данных и чувствительны к задержкам. Качество обслуживания особенно важно в сетях, где пропускная способность является ограниченным ресурсом, например, в сотовой передаче данных.
Сеть или протокол, поддерживающие QoS, могут согласовать контракт трафика с прикладным программным обеспечением и зарезервировать пропускную способность сетевых узлов, например, на этапе установления сеанса. Во время сеанса он может отслеживать достигнутый уровень производительности, например, скорость передачи данных и задержку, а также динамически управлять приоритетами планирования в сетевых узлах. Это может освободить зарезервированную мощность во время фазы демонтажа .
Сеть или услуга , обеспечивающая максимальную эффективность, не обеспечивает качество обслуживания. Альтернативой сложным механизмам управления QoS является обеспечение высококачественной связи по сети с максимальной эффективностью путем выделения избыточной пропускной способности, чтобы ее было достаточно для ожидаемой пиковой нагрузки трафика. В результате отсутствие перегрузки сети снижает или устраняет необходимость в механизмах QoS.
QoS иногда используется как мера качества со многими альтернативными определениями, а не как ссылка на возможность резервирования ресурсов. Под качеством обслуживания иногда понимают уровень качества обслуживания, т.е. гарантированное качество обслуживания. [3] Высокое качество обслуживания часто путают с высоким уровнем производительности, например, с высокой скоростью передачи данных, низкой задержкой и низким уровнем битовых ошибок.
QoS иногда используется в сервисах прикладного уровня, таких как телефония и потоковое видео , для описания метрики, которая отражает или прогнозирует субъективно воспринимаемое качество. В этом контексте QoS — это приемлемый совокупный эффект на удовлетворенность абонента всеми недостатками, влияющими на услугу. Другими терминами с аналогичным значением являются качество восприятия (QoE), средний балл мнения (MOS), перцепционная мера качества речи (PSQM) и перцепционная оценка качества видео (PEVQ).
В прошлом приобрели популярность ряд попыток внедрения технологий уровня 2 , которые добавляют к данным теги QoS. Примерами являются Frame Relay , асинхронный режим передачи (ATM) и многопротокольная коммутация по меткам (MPLS) (метод между уровнями 2 и 3). Несмотря на то, что эти сетевые технологии продолжают использоваться и сегодня, после появления сетей Ethernet этот вид сетей потерял внимание . Сегодня Ethernet является, безусловно, самой популярной технологией уровня 2. Обычные интернет-маршрутизаторы и сетевые коммутаторы работают максимально эффективно. Это оборудование менее дорогое, менее сложное и быстрое и, следовательно, более популярное, чем более ранние более сложные технологии, обеспечивающие механизмы QoS.
Ethernet дополнительно использует 802.1p для сигнализации приоритета кадра.
Изначально в каждом заголовке IP-пакета было четыре бита обслуживания типа и три бита приоритета , но они обычно не соблюдались. Позже эти биты были переопределены как кодовые точки дифференцированных услуг (DSCP).
С появлением IPTV и IP-телефонии механизмы QoS становятся все более доступными для конечного пользователя.
В сетях с коммутацией пакетов на качество обслуживания влияют различные факторы, которые можно разделить на человеческие и технические факторы. К человеческим факторам относятся: стабильность качества обслуживания, доступность услуги, время ожидания и информация о пользователях. К техническим факторам относятся: надежность, масштабируемость, эффективность, ремонтопригодность и перегрузка сети. [4]
Многое может произойти с пакетами по мере их перемещения от источника к пункту назначения, что приводит к следующим проблемам с точки зрения отправителя и получателя:
Определенное качество обслуживания может быть желательным или необходимым для определенных типов сетевого трафика, например:
Эти типы услуг называются неэластичными , что означает, что для их работы требуется определенная минимальная скорость передачи данных и определенная максимальная задержка. Напротив, эластичные приложения могут использовать любую доступную полосу пропускания . Приложения для массовой передачи файлов, использующие TCP, обычно эластичны.
Сети с коммутацией каналов, особенно предназначенные для передачи голоса, такие как ATM или GSM , имеют QoS в базовом протоколе, ресурсы резервируются на каждом этапе в сети для вызова по мере его настройки, нет необходимости в дополнительных процедурах для добиться необходимой производительности. Более короткие блоки данных и встроенное качество обслуживания были одними из уникальных преимуществ ATM для таких приложений, как видео по запросу .
Когда затраты на механизмы обеспечения QoS оправданы, сетевые клиенты и провайдеры могут заключить договорное соглашение, называемое соглашением об уровне обслуживания (SLA), которое определяет гарантии способности соединения обеспечивать гарантированную производительность с точки зрения пропускной способности или задержки на основе о взаимосогласованных мерах.
Альтернативой сложным механизмам управления QoS является обеспечение высокого качества связи путем значительного выделения сети избыточных ресурсов, чтобы пропускная способность основывалась на оценках пиковой нагрузки трафика. Этот подход прост для сетей с предсказуемыми пиковыми нагрузками. В этом расчете может потребоваться учитывать требовательные приложения, которые могут компенсировать изменения в полосе пропускания и задержку с помощью больших буферов приема, что часто возможно, например, при потоковой передаче видео.
Избыточное выделение ресурсов может иметь ограниченное применение в условиях транспортных протоколов (таких как TCP ), которые со временем увеличивают объем данных, размещаемых в сети, пока вся доступная полоса пропускания не будет использована и пакеты не будут отброшены. Такие жадные протоколы имеют тенденцию увеличивать задержку и потерю пакетов для всех пользователей.
Объем избыточного выделения ресурсов во внутренних каналах, необходимый для замены QoS, зависит от количества пользователей и их требований к трафику. Это ограничивает удобство использования избыточного выделения ресурсов. Новые приложения с более интенсивным использованием полосы пропускания и добавление большего количества пользователей приводят к потере сетей с избыточной пропускной способностью. Затем для этого требуется физическое обновление соответствующих сетевых каналов, что является дорогостоящим процессом. Таким образом, в Интернете нельзя слепо предполагать избыточное обеспечение.
Коммерческие услуги VoIP часто конкурируют с традиционными телефонными услугами с точки зрения качества связи даже без использования механизмов QoS при подключении пользователя к своему интернет-провайдеру и подключении провайдера VoIP к другому интернет-провайдеру. Однако в условиях высокой нагрузки качество VoIP может ухудшиться до качества сотового телефона или даже хуже. Математика пакетного трафика показывает, что при консервативных предположениях сети требуется всего на 60% больше исходной мощности. [5]
В отличие от сетей с одним владельцем, Интернет представляет собой серию точек обмена, соединяющих частные сети. [6] Таким образом, ядро Интернета принадлежит и управляется множеством различных поставщиков сетевых услуг , а не одной организацией. Его поведение гораздо более непредсказуемо .
Существует два основных подхода к QoS в современных IP-сетях с коммутацией пакетов: параметризованная система, основанная на обмене требованиями приложений с сетью, и система с приоритетами, в которой каждый пакет определяет желаемый уровень обслуживания для сети.
В ранних работах использовалась философия резервирования сетевых ресурсов, основанная на интегрированных сервисах (IntServ). В этой модели приложения использовали RSVP для запроса и резервирования ресурсов через сеть. Хотя механизмы IntServ действительно работают, было понятно, что в широкополосной сети, типичной для более крупного поставщика услуг, маршрутизаторам Core придется принимать, поддерживать и отключать тысячи или, возможно, десятки тысяч резервирований. Считалось, что этот подход не будет масштабироваться с развитием Интернета [7] и в любом случае противоречит сквозному принципу , идее проектирования сетей таким образом, чтобы базовые маршрутизаторы делали немногим больше, чем просто переключали пакеты. по максимально возможным тарифам.
В DiffServ пакеты маркируются либо самими источниками трафика, либо граничными устройствами , через которые трафик поступает в сеть. В ответ на эти маркировки маршрутизаторы и коммутаторы используют различные стратегии организации очередей, чтобы адаптировать производительность к требованиям. На уровне IP маркировка DSCP использует 6-битное поле DS в заголовке IP-пакета. На уровне MAC VLAN IEEE 802.1Q может использоваться для передачи 3 битов практически одной и той же информации. Маршрутизаторы и коммутаторы, поддерживающие DiffServ, настраивают свой сетевой планировщик на использование нескольких очередей для пакетов, ожидающих передачи от интерфейсов с ограниченной полосой пропускания (например, глобальных). Поставщики маршрутизаторов предоставляют различные возможности для настройки этого поведения, включая количество поддерживаемых очередей, относительные приоритеты очередей и полосу пропускания, зарезервированную для каждой очереди.
На практике, когда пакет должен быть перенаправлен из интерфейса с очередью, пакеты, требующие низкого джиттера (например, VoIP или видеоконференции ), имеют приоритет над пакетами в других очередях. Обычно некоторая полоса пропускания по умолчанию выделяется для пакетов управления сетью (таких как протокол управляющих сообщений Интернета и протоколы маршрутизации), в то время как трафику с максимальной эффективностью может быть просто выделена оставшаяся полоса пропускания.
На уровне управления доступом к среде (MAC) VLAN IEEE 802.1Q и IEEE 802.1p могут использоваться для различения кадров Ethernet и их классификации. Модели теории массового обслуживания были разработаны для анализа производительности и качества обслуживания для протоколов уровня MAC. [8] [9]
Cisco IOS NetFlow и информационная база управления QoS на основе классов Cisco (CBQoS) (MIB) продаются компанией Cisco Systems .[10]
Один убедительный пример необходимости QoS в Интернете связан с застойным коллапсом . Интернет полагается на протоколы предотвращения перегрузок, в первую очередь встроенные в протокол управления передачей (TCP), для уменьшения трафика в условиях, которые в противном случае привели бы к перегрузке. Приложения QoS, такие как VoIP и IPTV , требуют в основном постоянного битрейта и низкой задержки, поэтому они не могут использовать TCP и не могут иным образом снизить скорость трафика, чтобы предотвратить перегрузку. Соглашения об уровне обслуживания ограничивают трафик, который может быть предложен в Интернет, и тем самым обеспечивают формирование трафика , которое может предотвратить его перегрузку и, следовательно, является неотъемлемой частью способности Интернета обрабатывать сочетание потоков в реальном времени и не в реальном времени. движение без обрушений.
Для IP-сетей существует несколько механизмов и схем QoS.
Возможности QoS доступны в следующих сетевых технологиях.
Сквозное качество обслуживания может потребовать метода координации распределения ресурсов между одной автономной системой и другой. Инженерная группа Интернета (IETF) определила протокол резервирования ресурсов (RSVP) для резервирования полосы пропускания в качестве предлагаемого стандарта в 1997 году. [12] RSVP — это протокол сквозного резервирования полосы пропускания и контроля доступа . RSVP не получил широкого распространения из-за ограничений масштабируемости. [13] Более масштабируемая версия управления трафиком, RSVP-TE , используется во многих сетях для создания маршрутов с коммутацией по меткам с многопротокольной коммутацией по меткам (MPLS). [14] IETF также определил следующие шаги в сигнализации (NSIS) [15] с передачей сигналов QoS в качестве цели. NSIS — это развитие и упрощение RSVP.
Исследовательские консорциумы, такие как «сквозная поддержка качества обслуживания в гетерогенных сетях» (EuQoS, с 2004 по 2007 год) [16] и такие форумы, как IPsphere Forum [17], разработали дополнительные механизмы для подтверждения вызова QoS из одного домена в другой. следующий. IPsphere определила шину сигнализации Service Structuring Stratum (SSS) для установления, вызова и (попытки) обеспечения сетевых служб. EuQoS провела эксперименты по интеграции протокола инициации сеанса , следующих шагов в сигнализации и SSS IPsphere с ориентировочной стоимостью около 15,6 миллионов евро и опубликовала книгу. [18] [19]
Исследовательский проект Multi Service Access Everywhere (MUSE) определил другую концепцию QoS на первом этапе с января 2004 по февраль 2006 года и на втором этапе с января 2006 по 2007 год. [20] [21] [22] Другой исследовательский проект под названием PlaNetS был предложено для европейского финансирования примерно в 2005 году. [23] Более широкий европейский проект под названием «Архитектура и дизайн для будущего Интернета», известный как 4WARD, имел бюджет, оцениваемый в 23,4 миллиона евро, и финансировался с января 2008 года по июнь 2010 года. [24] Он включал «Тема качества обслуживания» и опубликовал книгу. [25] [26] Другой европейский проект, названный WIDENS (Wireless Deployable Network System), [27] предложил подход резервирования полосы пропускания для мобильных беспроводных многоскоростных одноранговых сетей. [28]
Сетевые протоколы с сильной криптографией , такие как Secure Sockets Layer , I2P и виртуальные частные сети, скрывают данные, передаваемые с их помощью. Поскольку вся электронная торговля в Интернете требует использования таких надежных протоколов шифрования, одностороннее снижение производительности зашифрованного трафика создает неприемлемую опасность для клиентов. Тем не менее, зашифрованный трафик в противном случае не может пройти глубокую проверку пакетов на предмет QoS.
Такие протоколы, как ICA и RDP , могут инкапсулировать другой трафик (например, печать, потоковое видео) с различными требованиями, что может затруднить оптимизацию.
В 2001 году проект Internet2 обнаружил, что протоколы QoS, вероятно, не могут быть развернуты внутри его сети Abilene с имеющимся на тот момент оборудованием. [29] [a] Группа предсказала, что «логистические, финансовые и организационные барьеры заблокируют путь к любым гарантиям пропускной способности» из-за модификаций протокола, направленных на качество обслуживания. [30] Они считали, что экономика будет побуждать сетевых провайдеров намеренно снижать качество трафика «максимальных усилий», чтобы подтолкнуть клиентов к более дорогим услугам QoS. Вместо этого они предложили избыточное предоставление мощностей как более экономически эффективное на тот момент. [29] [30]
Исследование сети Абилина послужило основой для показаний Гэри Бачулы на слушаниях Комитета по торговле Сената США по вопросу сетевой нейтральности в начале 2006 года. Он выразил мнение, что увеличение пропускной способности было более эффективным, чем любая из различных схем достижения QoS, которые они использовали. осмотрено. [31] Показания Бачулы были процитированы сторонниками закона, запрещающего качество обслуживания, как доказательство того, что такое предложение не служит никакой законной цели. Этот аргумент основан на предположении, что избыточное предоставление ресурсов не является формой QoS и что оно всегда возможно. Стоимость и другие факторы влияют на способность операторов связи создавать и поддерживать постоянно избыточные сети. [ нужна цитата ]
Поставщики услуг мобильной сотовой связи могут предлагать клиентам мобильное QoS точно так же, как поставщики услуг проводной телефонной сети общего пользования и поставщики интернет-услуг могут предлагать QoS. Механизмы QoS всегда предоставляются для услуг с коммутацией каналов и необходимы для неэластичных услуг, например потокового мультимедиа .
Мобильность усложняет механизмы QoS. Телефонный звонок или другой сеанс может быть прерван после передачи обслуживания , если новая базовая станция перегружена. Непредсказуемые передачи обслуживания делают невозможным предоставление абсолютной гарантии QoS на этапе инициации сеанса.
Качество обслуживания в области телефонии было впервые определено в 1994 году в Рекомендации МСЭ-Т E.800. Это определение очень широкое и включает 6 основных компонентов: поддержка, работоспособность, доступность, сохраняемость, целостность и безопасность. [1] В 1998 году ITU опубликовал документ, в котором обсуждается качество обслуживания в области сетей передачи данных. X.641 предлагает средства разработки или улучшения стандартов, связанных с QoS, а также предоставляет концепции и терминологию, которые должны способствовать поддержанию согласованности связанных стандартов. [32]
Некоторые запросы IETF на комментарии (RFC), связанные с QoS : Бейкер, Фред; Блэк, Дэвид Л.; Николс, Кэтлин; Блейк, Стивен Л. (декабрь 1998 г.), Определение поля дифференцированных услуг (поля DS) в заголовках IPv4 и IPv6 , doi : 10.17487/RFC2474 , RFC 2474и Брейден, Роберт Т.; Чжан, Лися; Берсон, Стивен; Херцог, Шай; Джамин, Суги (сентябрь 1997 г.), Брейден, Р. (редактор), Протокол резервирования ресурсов (RSVP) , doi : 10.17487/RFC2205 , RFC 2205 ; оба они обсуждаются выше. IETF также опубликовал два RFC, дающие базовую информацию о QoS: Хьюстон, Джефф (ноябрь 2000 г.), Next Steps for the IP QoS Architecture , doi :10.17487/RFC2990, RFC 2990. и Флойд С.; Кемпф, Дж. (2004), Кемпф, Дж. (редактор), Проблемы IAB в отношении контроля перегрузки голосового трафика в Интернете , doi : 10.17487/RFC3714, RFC 3714 . .
IETF также опубликовал статью Бейкер, Фред; Бабьярц, Йозеф; Чан, Квок Хо (август 2006 г.), Рекомендации по настройке классов обслуживания DiffServ , doi : 10.17487/RFC4594 , RFC 4594 в качестве информативного документа или документа с передовым опытом о практических аспектах разработки решения QoS для сети DiffServ . В документе делается попытка идентифицировать приложения, обычно выполняемые в IP-сети, группировать их по классам трафика, изучать обработку, требуемую этими классами от сети, и предлагать, какие из механизмов QoS, обычно доступных в маршрутизаторах, можно использовать для реализации этой обработки.
{{cite book}}: CS1 maint: дата и год ( ссылка ) CS1 maint: местоположение отсутствует издатель ( ссылка )Однако усилия, необходимые для резервирования ресурсов на основе потоков на маршруте, огромны. Кроме того, требуемая управляющая сигнализация и поддержка состояния маршрутизаторов ограничивают масштабируемость этого подхода.
{{citation}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )