Модели качества обслуживания IntServ и DiffServ

Направление IntServ начало разрабатываться в IETF еще в начале 90-х годов и было пер­вым направлением, в рамках которого проблема обеспечения параметров QoS в сетях ТСР/ IP начала решаться систематически. Базовая модель IntServ предполагает интегрированное взаимодействие маршрутизаторов сети по обеспечению требуемого качества обслуживания вдоль всего пути микропотока между конечными компьютерами.

Ресурсы маршрутизаторов (пропускная способность интерфейсов, размеры буферов) распределяются в соответствии с QoS-запросами приложений в пределах, разрешенных политикой QoS для данной сети. Эти запросы распространяются по сети сигнальным протоколом резервирования ресурсов (Resource reSerVation Protocol, RSVP), который позволяет выполнять резервирование ресурсов для потоков данных.

Однако система IntServ обеспечения параметров QoS нашла довольно много противников, преимущественно среди поставщиков услуг Интернета (ISP). Дело в том, что при интегри­рованном обслуживании магистральные ISP-маршрутизаторы должны оперировать ин­формацией о состоянии десятков тысяч микропотоков, проходящих через ISP-сети. Такая нагрузка на маршрутизаторы требует коренного пересмотра их архитектуры и, естественно, ведет к резкому повышению стоимости IP-сетей и предоставляемых ими услуг.

Поэтому в конце 90-х была создана другая более экономически эффективная технология QoS в IP-сетях, получившая название дифференцированного обслуживания (DiffServ). Она изначально была ориентирована на применение в пределах ISP-сетей, а конечные узлы, генерирующие микропотоки, в расчет не брались. Для технологии DiffServ поддержка параметров QoS начинается на пограничном маршрутизаторе ISP-сети, на который по­ступает большое количество микропотоков из сетей пользователей. Каждый пограничный маршрутизатор классифицирует и маркирует входящий трафик, разделяя его на небольшое число классов, обычно 3-4 (максимум — 8). Затем каждый маршрутизатор сети обслужива­ет классы трафика дифференцированно в соответствии с произведенной маркировкой, вы­деляя каждому классу определенное количество ресурсов. Резервирование ресурсов марш­рутизаторов производится статически, чаще всего вручную администратором сети. Роль сигнального протокола играют метки принадлежности пакетов к тому или иному классу.

Ответственность за согласованное обслуживание трафика всеми маршрутизаторами сети несет администратор, так как он принимает решение, какие пропускную способность и величину буфера выделить каждому классу на каждом интерфейсе каждого маршрутизатора.

Модель DiffServ существенно снижает нагрузку на маршрутизаторы ISP-сети, так как тре­бует хранить информацию о состоянии только небольшого количества классов. Кроме того, эта модель удобна для поставщиков услуг тем, что позволяет поддерживать параметры QoS автономно, только в пределах своих сетей. Однако за эти преимущества приходится платить, и прежде всего, отказом от гарантии сквозной поддержки параметров QoS. Даже если каждый поставщик услуг обеспечит дифференцированное обслуживание в своей сети, общая картина получится фрагментированной, так как за каждый фрагмент отвечает отдельный администратор, и согласование параметров резервирования остается исключи­тельно субъективной процедурой, не поддерживаемой никакими протоколами.

Ведутся также работы по комбинированному применению технологий IntServ и DiffServ. Каждая технология в этих моделях работает в своей области, IntServ — в сетях доступа, где количество микропотоков относительно невелико, a DiffServ — в магистральных сетях. Еще одним компонентом, дополняющим DiffServ, является технология MPLS (см. главу 20).

Обе технологии (IntServ и DiffServ) опираются на одни и те же базовые механизмы QoS. В частности, в IP-маршрутизаторах для профилирования и формирования трафика при­меняется алгоритм ведра маркеров.

Алгоритм ведра маркеров

Алгоритм ведра маркеров позволяет оценить и ограничить среднюю скорость и величину пульсации потока пакетов. Этот алгоритм основан на сравнении потока пакетов с неко­торым эталонным потоком. Эталонный поток представлен маркерами, заполняющими условное «ведро» маркеров (рис. 18.1).

Рис. 18.1. Алгоритм ведра маркеров

Под маркером в данном случае понимается некий абстрактный объект, носитель «порции» информации, используемый для построения эталонного потока. Генератор маркеров перио­дически с постоянным интервалом w направляет очередной маркер в «ведро» с ограничен­ным объемом b байт. Все маркеры имеют одинаковый объем т байт, а генерация маркеров происходит так, что «ведро» заполняется со скоростью гбит/с. Нетрудно подсчитать, что r = 8 m/w. Эта скорость r и является максимальной средней скоростью для трафика пакетов, а объем ведра соответствует максимальному размеру пульсации потока пакетов. Если ведро заполняется маркерами «до краев» (то есть суммарный объем маркеров в ведре становится равным b), то поступление маркеров временно прекращается. Фактически, ведро маркеров представляет собой счетчик, который наращивается на величину т каждые w секунд. При применении алгоритма ведра маркеров профиль трафика определяется средней ско­ростью r и объемом пульсации b.

Сравнение эталонного и реального потоков выполняет сервер — абстрактное устройство, которое имеет два входа. Вход 1 связан с очередью пакетов, а вход 2 — с ведром маркеров. Сервер также имеет выход, на который он передает пакеты из входной очереди пакетов. Вход 1 сервера моделирует входной интерфейс маршрутизатора, а выход — выходной интерфейс.

Пакет из входной очереди продвигается сервером на выход только в том случае, если к моменту его поступления на сервер «ведро» заполнено маркерами до уровня не ниже М байт, где М — объем пакета.

При продвижении пакета из ведра удаляются маркеры общим объемом в Мбайт (с точно­стью до размера одного маркера, то есть до т байт).

Если же ведро заполнено недостаточно, то пакет обрабатывается одним из двух описанных далее нестандартных способов, выбор которых зависит от цели применения алгоритма.

§ Если алгоритм ведра маркеров применяется для сглаживания трафика, то пакет просто задерживается в очереди на некоторое дополнительное время, ожидая поступления в ведро нужного числа маркеров. Таким образом, даже если в результате пульсации в систему приходит большая группа пакетов, из очереди пакеты выходят более равно­мерно — в темпе, задаваемом генератором маркеров.

§ Если же алгоритм ведра маркеров используется для профилирования трафика, то пакет отбрасывается, как не соответствующий профилю. Более мягким решением может быть повторная маркировка пакета, понижающая его статус при дальнейшем обслуживании. Например, пакет может быть помечен особым признаком «удалять при необходимости», в результате чего при перегрузках маршрутизаторы будут отбрасывать этот пакет в пер­вую очередь. При дифференцированном обслуживании пакет может быть переведен в другой класс, который обслуживается с более низким качеством.

Алгоритм ведра маркеров допускает пульсацию трафика в определенных пределах. Пусть пропускная способность выходного интерфейса, который моделируется выходом сервера, равна R. Это значит, что сервер не может передавать данные на выход со скоростью, пре­вышающей R бит/с. Можно показать, что на любом интервале времени t средняя скорость исходящего с сервера потока равна минимуму из двух величин: R и r + b/t. При больших значениях t скорость выходного потока стремится к t — это и говорит о том, что алгоритм обеспечивает желаемую среднюю скорость. В то же время в течение небольшого време­ни t пакеты могут выходить из сервера со скоростью, большей r. Если r + b/t<R, то они выходят из сервера со скоростью r+ b/t, впротивном случае интерфейс ограничивает эту скорость до величины R. Период времени t соответствует пульсации трафика. Эта ситуация наблюдается тогда, когда в течение некоторого времени пакеты не поступали в сервер, так что ведро полностью заполнилось маркерами (то есть времени, большего, чем b/r). Если после этого на вход сервера поступит большая группа пакетов, следующих один за другим, то эти пакеты будут передаваться на выход со скоростью выходного интерфейса R также один за другим, без интервалов. Максимальное время такой пульсации составляет b/(R - r) секунд, после чего обязательно наступит пауза, необходимая для наполнения опустевшего ведра. Объем пульсации составляет Rb/(R - r) байт. Из приведенного соотношения видно, что алгоритм ведра маркеров начинает плохо работать, если средняя скорость r выбирается близкой к пропускной способности выходного интерфейса. В этом случае пульсация может продолжаться очень долго, что обесценивает алгоритм.