Качество обслуживания ( QoS ) — это описание или измерение общей производительности услуги, такой как телефонная или компьютерная сеть , или облачная вычислительная служба, в частности производительности, которую видят пользователи сети. Для количественного измерения качества обслуживания часто рассматриваются несколько связанных аспектов сетевой службы, таких как потеря пакетов , скорость передачи данных , пропускная способность , задержка передачи , доступность , джиттер и т. д.
В области компьютерных сетей и других сетей телекоммуникаций с коммутацией пакетов качество обслуживания относится к механизмам управления приоритетами трафика и резервированием ресурсов, а не к достигнутому качеству обслуживания. Качество обслуживания — это способность предоставлять различные приоритеты различным приложениям, пользователям или потокам данных или гарантировать определенный уровень производительности для потока данных.
Качество обслуживания особенно важно для транспортировки трафика с особыми требованиями. В частности, разработчики внедрили технологию Voice over IP , чтобы компьютерные сети стали такими же полезными, как телефонные сети для аудиоразговоров, а также поддерживали новые приложения с еще более строгими требованиями к производительности сети.
В области телефонии качество обслуживания было определено МСЭ в 1994 году. [1] Качество обслуживания включает требования ко всем аспектам соединения, таким как время отклика обслуживания, потери, отношение сигнал/шум, перекрестные помехи , эхо, прерывания, частотная характеристика, уровни громкости и т. д. Подмножество требований к качеству обслуживания (GoS) телефонии включает в себя аспекты соединения, связанные с емкостью и покрытием сети, например, гарантированная максимальная вероятность блокировки и вероятность отключения. [2]
В области компьютерных сетей и других сетей телекоммуникаций с коммутацией пакетов инжиниринг телетрафика относится к механизмам управления приоритетами трафика и резервированием ресурсов, а не к достигаемому качеству обслуживания. Качество обслуживания — это способность предоставлять различные приоритеты различным приложениям, пользователям или потокам данных или гарантировать определенный уровень производительности для потока данных. Например, может быть гарантирована требуемая скорость передачи данных, задержка , вариация задержки , потеря пакетов или частота ошибок битов . 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 связи.
Сеть или протокол, поддерживающий QoS, может согласовывать контракт трафика с прикладным программным обеспечением и резервировать емкость в сетевых узлах, например, во время фазы установления сеанса. Во время сеанса он может отслеживать достигнутый уровень производительности, например, скорость передачи данных и задержку, и динамически управлять приоритетами планирования в сетевых узлах. Он может высвобождать зарезервированную емкость во время фазы разрыва .
Сеть или служба best-effort не поддерживает качество обслуживания. Альтернативой сложным механизмам управления QoS является обеспечение высококачественной связи через сеть best-effort путем избыточного предоставления пропускной способности, чтобы ее было достаточно для ожидаемой пиковой нагрузки трафика. Получающееся 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 способность резервировать ресурсы. Качество обслуживания иногда относится к уровню качества обслуживания, т. е. гарантированному качеству обслуживания. [3] Высокий уровень QoS часто путают с высоким уровнем производительности, например, высокая скорость передачи данных, низкая задержка и низкий уровень ошибок по битам.
QoS иногда используется в услугах прикладного уровня, таких как телефония и потоковое видео, для описания метрики, которая отражает или предсказывает субъективно воспринимаемое качество. В этом контексте QoS — это приемлемый кумулятивный эффект на удовлетворенность абонента всех недостатков, влияющих на услугу. Другие термины со схожим значением — качество опыта (QoE), средняя оценка мнения (MOS), мера качества восприятия речи (PSQM) и оценка восприятия качества видео (PEVQ).
В прошлом популярность приобрел ряд попыток внедрения технологий уровня 2 , которые добавляют теги QoS к данным. Примерами являются Frame Relay , Asynchronous Transfer Mode (ATM) и Multiprotocol Label Switching (MPLS) (метод между уровнем 2 и 3). Несмотря на то, что эти сетевые технологии продолжают использоваться сегодня, этот тип сетей потерял внимание после появления сетей Ethernet . Сегодня Ethernet, безусловно, является самой популярной технологией уровня 2. Обычные интернет-маршрутизаторы и сетевые коммутаторы работают по принципу наилучших усилий. Это оборудование менее дорогое, менее сложное и быстрое, и поэтому более популярное, чем более ранние более сложные технологии, которые предоставляют механизмы QoS.
Ethernet опционально использует 802.1p для сигнализации приоритета кадра.
Первоначально в каждом заголовке IP-пакета было предусмотрено четыре бита типа обслуживания и три бита приоритета , но они, как правило, не соблюдались. Позднее эти биты были переопределены как точки кода 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. К человеческим факторам относятся: стабильность качества обслуживания, доступность обслуживания, время ожидания и информация о пользователе. К техническим факторам относятся: надежность, масштабируемость, эффективность, ремонтопригодность и перегрузка сети. [4]
Во время перемещения пакетов от отправителя к получателю с ними может произойти многое, что может привести к следующим проблемам с точки зрения отправителя и получателя:
Определенное качество обслуживания может быть желательным или обязательным 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, которые полагаются на TCP , как правило, эластичны.
Сети с коммутацией каналов, особенно те, которые предназначены для передачи голоса, такие как ATM или GSM , имеют QoS в основном протоколе, ресурсы резервируются на каждом шаге в сети для вызова по мере его настройки, нет необходимости в дополнительных процедурах для достижения требуемой производительности. Более короткие блоки данных и встроенный QoS были некоторыми из уникальных преимуществ ATM для таких приложений, как видео по запросу .
Когда затраты на механизмы обеспечения QoS оправданы, сетевые клиенты и поставщики могут заключить договорное соглашение, называемое соглашением об уровне обслуживания (SLA), в котором указаны гарантии способности соединения обеспечивать гарантированную производительность с точки зрения пропускной способности или задержки на основе взаимно согласованных мер.
Альтернативой сложным механизмам управления QoS является обеспечение высококачественной связи путем щедрого избыточного предоставления сети, чтобы емкость основывалась на оценках пиковой нагрузки трафика. Этот подход прост для сетей с предсказуемыми пиковыми нагрузками. Этот расчет может потребовать оценки требовательных приложений, которые могут компенсировать изменения в полосе пропускания и задержке с большими буферами 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 потеряны. Такие жадные протоколы, как правило, увеличивают задержку и потерю пакетов для всех пользователей.
Объем избыточного предоставления во внутренних соединениях, необходимый для замены QoS, зависит от количества пользователей и их потребностей в трафике. Это ограничивает возможность использования избыточного предоставления. Новые приложения с более высокой пропускной способностью и добавление большего количества пользователей приводят к потере избыточно предоставленных сетей. Затем это требует физического обновления соответствующих сетевых соединений, что является дорогостоящим процессом. Таким образом, избыточное предоставление не может быть слепо принято в Интернете.
Коммерческие VoIP-услуги часто конкурентоспособны с традиционными телефонными услугами с точки зрения качества звонков даже без механизмов QoS, используемых при подключении пользователя к своему провайдеру и подключении провайдера VoIP к другому провайдеру. Однако в условиях высокой нагрузки качество VoIP может ухудшиться до качества сотового телефона или даже хуже. Математика пакетного трафика показывает, что сеть требует всего на 60% больше сырой емкости при консервативных предположениях. [5]
В отличие от сетей с одним владельцем, Интернет представляет собой ряд точек обмена, соединяющих частные сети. [6] Таким образом, ядро Интернета принадлежит и управляется несколькими различными поставщиками сетевых услуг , а не одной организацией. Его поведение гораздо более непредсказуемо .
В современных IP-сетях с коммутацией пакетов существуют два основных подхода к обеспечению качества обслуживания: параметризованная система, основанная на обмене требованиями приложений с сетью, и приоритетная система, в которой каждый пакет определяет желаемый уровень обслуживания для сети.
Ранние работы использовали философию интегрированных служб (IntServ) резервирования сетевых ресурсов. В этой модели приложения использовали RSVP для запроса и резервирования ресурсов через сеть. Хотя механизмы IntServ работают, было осознано, что в широкополосной сети, типичной для более крупного поставщика услуг, маршрутизаторам ядра потребуется принимать, поддерживать и отменять тысячи или, возможно, десятки тысяч резервирований. Считалось, что этот подход не будет масштабироваться с ростом Интернета [7] и в любом случае противоречит принципу «из конца в конец» , идее проектирования сетей таким образом, чтобы маршрутизаторы ядра делали немного больше, чем просто коммутировали пакеты на максимально возможных скоростях.
В DiffServ пакеты маркируются либо самими источниками трафика, либо пограничными устройствами , где трафик попадает в сеть. В ответ на эти маркировки маршрутизаторы и коммутаторы используют различные стратегии очередей, чтобы адаптировать производительность к требованиям. На уровне IP маркировки DSCP используют 6-битное поле DS в заголовке IP-пакета. На уровне MAC VLAN IEEE 802.1Q может использоваться для передачи 3 бит по сути той же информации. Маршрутизаторы и коммутаторы, поддерживающие DiffServ, настраивают свой сетевой планировщик на использование нескольких очередей для пакетов, ожидающих передачи с интерфейсов с ограниченной полосой пропускания (например, широкополосных). Поставщики маршрутизаторов предоставляют различные возможности для настройки этого поведения, включая количество поддерживаемых очередей, относительные приоритеты очередей и зарезервированную для каждой очереди полосу пропускания.
На практике, когда пакет должен быть переслан из интерфейса с очередями, пакеты, требующие низкого джиттера (например, VoIP или видеоконференции ), получают приоритет над пакетами в других очередях. Обычно некоторая полоса пропускания выделяется по умолчанию для пакетов управления сетью (таких как протокол Internet Control Message Protocol и протоколы маршрутизации), в то время как трафику best-effort может просто выделяться вся 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 очередей были разработаны на основе анализа производительности и QoS для протоколов уровня MAC. [8] [9]
Cisco IOS NetFlow и база данных управления (MIB) на основе классов QoS (CBQoS) продаются компанией Cisco Systems . [10]
Один убедительный пример необходимости QoS в Интернете относится к перегрузочному коллапсу . Интернет полагается на протоколы предотвращения перегрузки, в первую очередь встроенные в протокол управления передачей (TCP), для сокращения трафика в условиях, которые в противном случае привели бы к перегрузочному коллапсу. Приложения QoS, такие как VoIP и IPTV , требуют в основном постоянных битрейтов и низкой задержки, поэтому они не могут использовать TCP и не могут иным образом снизить скорость своего трафика, чтобы помочь предотвратить перегрузку. Соглашения об уровне обслуживания ограничивают трафик, который может быть предложен Интернету, и тем самым обеспечивают формирование трафика , которое может предотвратить его перегрузку, и, следовательно, являются неотъемлемой частью способности Интернета обрабатывать смесь трафика в реальном времени и не в реальном времени без коллапса.
Для IP-сетей существует несколько механизмов и схем QoS.
Возможности QoS доступны в следующих сетевых технологиях.
Для обеспечения качества обслуживания на всех этапах может потребоваться метод координации распределения ресурсов между одной автономной системой и другой. В 1997 году группа Internet Engineering Task Force (IETF) определила протокол резервирования ресурсов (RSVP) для резервирования полосы пропускания в качестве предлагаемого стандарта. [12] RSVP — это протокол резервирования полосы пропускания на всех этапах и управления доступом . RSVP не получил широкого распространения из-за ограничений масштабируемости. [13] Более масштабируемая версия трафика RSVP-TE используется во многих сетях для установления маршрутов с коммутацией меток на основе трафика с использованием многопротокольной коммутации меток (MPLS). [14] IETF также определила Next Steps in Signaling (NSIS) [15] с QoS-сигнализацией в качестве цели. NSIS — это развитие и упрощение RSVP.
Исследовательские консорциумы, такие как «поддержка сквозного качества обслуживания в гетерогенных сетях» (EuQoS, с 2004 по 2007) [16] и форумы, такие как Форум IPsphere [17], разработали больше механизмов для вызова QoS с одного домена на другой. IPsphere определил сигнальную шину Service Structuring Stratum (SSS) для установления, вызова и (попытки) обеспечения сетевых услуг. EuQoS провел эксперименты по интеграции протокола инициации сеанса , Next Steps in Signaling и SSS IPsphere с предполагаемой стоимостью около 15,6 миллионов евро и опубликовал 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 предложен для европейского финансирования около 2005 года. [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 по июнь 2010 года. [24] Он включал «Тему качества обслуживания» и опубликовал книгу. [25] [26] Другой европейский проект под названием WIDENS (Wireless Deployable Network System) [27] предложил подход к резервированию полосы пропускания для мобильных беспроводных многоскоростных сетей ad hoc. [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 коммерция в Интернете требует использования таких сильных криптографических протоколов, одностороннее снижение производительности зашифрованного трафика создает неприемлемую опасность для клиентов. Тем не менее, зашифрованный трафик в противном случае не может пройти глубокую проверку пакетов для 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 могли быть развернуты внутри его сети Abilene с доступным на тот момент оборудованием. [29] [a] Группа предсказала, что «логистические, финансовые и организационные барьеры заблокируют путь к любым гарантиям пропускной способности» путем модификации протоколов, направленных на QoS. [30] Они считали, что экономика будет побуждать сетевых провайдеров преднамеренно снижать качество трафика наилучшего усилия, чтобы подтолкнуть клиентов к более дорогим услугам QoS. Вместо этого они предложили избыточное предоставление емкости как более экономически эффективное на тот момент. [29] [30]
Исследование сети Abilene стало основой для показаний Гэри Бачулы на слушаниях в Комитете по торговле Сената США по вопросу о сетевой нейтральности в начале 2006 года. Он выразил мнение, что добавление большей пропускной способности было более эффективным, чем любая из различных схем достижения QoS, которые они рассматривали. [31] Показания Бачулы цитировались сторонниками закона, запрещающего качество обслуживания, как доказательство того, что такое предложение не служит никакой законной цели. Этот аргумент зависит от предположения, что избыточное предоставление не является формой QoS и что оно всегда возможно. Стоимость и другие факторы влияют на способность операторов строить и поддерживать постоянно избыточно обеспеченные сети. [ необходима цитата ]
Провайдеры услуг мобильной сотовой связи могут предлагать клиентам мобильный QoS так же, как поставщики услуг проводной телефонной сети общего пользования и поставщики услуг Интернета могут предлагать QoS. Механизмы QoS всегда предоставляются для услуг с коммутацией каналов и имеют важное значение для неэластичных услуг, например, потокового мультимедиа .
Мобильность усложняет механизмы QoS. Телефонный звонок или другой сеанс могут быть прерваны после передачи , если новая базовая станция перегружена. Непредсказуемые передачи делают невозможным предоставление абсолютной гарантии QoS на этапе инициирования 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 МСЭ опубликовал документ, в котором обсуждалось QoS в области сетей передачи данных. X.641 предлагает средства разработки или улучшения стандартов, связанных с QoS, и предоставляет концепции и терминологию, которые должны помочь в поддержании согласованности связанных стандартов. [32]
Некоторые запросы на комментарии (RFC) IETF, связанные с QoS : Бейкер, Фред; Блэк, Дэвид Л.; Николс, Кэтлин; Блейк, Стивен Л. (декабрь 1998 г.), Определение поля дифференцированных услуг (поле DS) в заголовках IPv4 и IPv6 , doi : 10.17487/RFC2474 , RFC 2474, и Брейден, Роберт Т.; Чжан, Лися; Берсон, Стивен; Херцог, Шай; Джамин, Суги (сентябрь 1997 г.), Брейден, Р. (ред.), Протокол резервирования ресурсов (RSVP) , doi : 10.17487/RFC2205 , RFC 2205 ; оба эти вопроса обсуждались выше. IETF также опубликовал два RFC, дающих справочную информацию по QoS: Huston, Geoff (ноябрь 2000 г.), Next Steps for the IP QoS Architecture , doi :10.17487/RFC2990, RFC 2990 , и Флойд, С.; Кемпф, Дж. (2004), Кемпф, Дж. (ред.), Проблемы IAB в отношении контроля перегрузки голосового трафика в Интернете , doi : 10.17487/RFC3714, RFC 3714 .
IETF также опубликовала «Руководство по настройке классов обслуживания DiffServ» (август 2006 г.), Бейкер, Фред; Бабиарц, Йозеф; Чан, Квок Хо , doi : 10.17487/RFC4594 , RFC 4594. как информационный или передовой документ о практических аспектах проектирования решения QoS для сети DiffServ . Документ пытается определить приложения, обычно работающие в сети IP, группирует их в классы трафика, изучает обработку, требуемую этими классами от сети, и предлагает, какие из механизмов QoS, обычно доступных в маршрутизаторах, могут быть использованы для реализации этих обработок.
{{cite book}}
: CS1 maint: дата и год ( ссылка ) CS1 maint: местоположение отсутствует издатель ( ссылка )Однако усилия, необходимые для настройки резервирования ресурсов на основе потока вдоль маршрута, огромны. Кроме того, требуемая сигнализация управления и обслуживание состояния на маршрутизаторах ограничивают масштабируемость этого подхода.
{{citation}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )