/812/309-03-21
12.11.2012 /Статьи
Смирнов Павел Игоревич
В основу концепции сети связи следующего поколения (NGN) [1] положена идея о создании универсальной сети, которая бы позволила переносить любые виды трафика, а также обеспечивать возможность предоставления неограниченного спектра инфокоммуникационных услуг. В рекомендации МСЭ-Т Y.2001 – General overview of NGN [1] технология коммутации пакетов определена как одна из основополагающих (фундаментальных) характеристик. Однако, технологию коммутации пакетов (IP) разработали для передачи неравномерного по времени и нечувствительного к задержкам потока данных, а для передачи трафика реального времени (чувствительного к задержке и вариации задержки пакетов) планировалось использовании классических систем коммутации каналов. Простота реализации, хорошая документированность и, следовательно, невысокая стоимость оборудования определили динамичное развитие технологии IP. Многочисленными тематическими группами разрабатывались и продолжают разрабатываться решения по обеспечению необходимого качества обслуживания (QoS) для передачи разнотипного трафика (реального времени, потокового и эластичного) по единой сети, это - дисциплины обслуживания PQ/CQ/WFQ/CBWFQ/LLQ/RPQ+, модели DiffServ/IntServ-RSVP, технология MPLS и т.д.
В рекомендации МСЭ-Т E.800 [2] качество обслуживания QoS определено как совокупность характеристик услуги электросвязи, которые имеют отношение к ее возможности удовлетворять установленные и предполагаемые потребности пользователя услуги. Оперируя приведенным определением объективную оценку получить невозможно. Тем не менее, на основе анализа требований к рабочим характеристикам приложений можно определить объективные показатели качества обслуживания. Рекомендация МСЭ G.1000 [3] разделяет рабочие характеристики QoS на функциональные компоненты и связывает их с сетевыми характеристиками, определенными в ряде рекомендаций МСЭ, таких как Y.1540 [4] и Y.1541 [5]. Основные параметры, характеризующие QoS в сетях IP, в соответствии с рекомендацией МСЭ-Т Y.1541 [5], представлены на рис.1.
Рис. 1. Основные параметры, характеризующие QoS в сетях IP
Сеанс связи состоит из трех фаз – установления соединения, передачи информации и разъединения соединения. Говоря о протоколе IP (3-ий уровень модели OSI, не учитывая протоколов вышележащих уровней) можно рассматривать только одну фазу – фаза доставки пакетов IP. Рекомендация МСЭ-Т Y.1540 [4] определяет следующие параметры, характеризующие доставку IP-пакетов:
- Задержка доставки пакета IP (IP packet transfer delay, IPTD). Параметр IPTD определяется как время доставки пакета между источником и получателем для всех пакетов - как успешно переданных, так и для пакетов, пораженных ошибками.
- Вариация задержки пакета IP (IP packet delay variation, IPDV). Вариация задержки пакета IP, или джиттер, проявляется в том, что последовательные пакеты прибывают к получателю в нерегулярные моменты времени.
- Коэффициент потери пакетов IP (IP packet loss ratio, IPLR). Коэффициент IPLR определяется как отношение суммарного числа потерянных пакетов к общему числу принятых пакетов в выбранном наборе переданных и принятых пакетов.
- Коэффициент ошибок пакетов IP (IP packet error ratio, IPER). Коэффициент IPER определяется как суммарное число пакетов, принятых с ошибками, к сумме успешно принятых пакетов и пакетов, принятых с ошибками.
В рекомендации МСЭ-Т Y.1541 [5] были предложены базовые параметры качества функционирования сети передачи данных и базовые классы сервиса. Также показатели качества обслуживания определены в национальной нормативной базе отрасли «Связь» - в документе «Требования к организационно-техническому обеспечению функционирования сети связи общего пользования», утвержденном приказом Мининформсвязи №113 от 27 сентября 2007 года [6]. Нормы на показатели функционирования сетей связи передачи данных приведены в таблице 1 с дифференциацией по типу передаваемого трафика.
Таблица 1. Технические нормы на показатели функционирования сетей передачи данных
Примечание:
Интерактивный трафик – тип трафика, для которого характерно непосредственное взаимодействие (диалог) пользователей услугой связи или пользовательского (оконечного) оборудования.
Потоковый трафик – тип трафика, для которого характерен просмотр и (или) прослушивание информации по мере ее поступления в пользовательское (оконечное) оборудование.
Указанные показатели являются объективными и измеряемыми характеристиками QoS. Приведенные в таблице 1 граничные значения применительно к разным классам обслуживания справедливы для уровня UNI-UNI (end-to-end QoS).
Как показывает практический опыт операторов связи, даже безусловное обеспечение определенных в [5,6] норм на показатели качества функционирования сети передачи данных, может привести к ненадлежащему качеству предоставления ряда услуг, к которым можно отнести следующие:
- потоковая передача мультимедийного контента в формате стандартного и высокого разрешения (высокие требования к коэффициенту потерь и ошибок);
- передача синхронного трафика (высокие требования к вариации задержки и коэффициенту потерь).
Возможным решением, ориентированным на регулирование отношений между участниками, ресурсы сетей которых задействованы при предоставлении услуг, с целью обеспечения заданных параметров качества услуг при межоператорском взаимодействии, служит соглашение об уровне обслуживания (SLA), и, в исключительных случаях - соглашение об уровне эксплуатационной поддержки (OLA), как механизм обеспечения качества в соответствии с SLA:
- SLA определяет показатели качества каждой услуги и устанавливает нормы на них;
- OLA определяет ответственность служб технической эксплуатации за устойчивость функционирования сети, обеспечивающее, в конечном счете, качество услуг связи, определяемое в SLA.
Соглашения должны учитывать специфические требования со стороны ведомства к качеству предоставления услуг, включая определение принципов и методик измерения показателей качества услуг, а также другие важные аспекты. Например, плату за оказание услуг передачи данных, санкции для оператора связи за нарушение или отклонение показателей качества оказываемых услуг связи, условия перехода к более качественному уровню услуг или оказание услуг связи с различным уровнем качества в зависимости от дня недели или времени суток или другие условия.
Как сказано в [6] - нормы (указанные в таблице 1) на показатели функционирования сетей связи используются при проектировании сети связи и подлежат контролю со стороны оператора связи в процессе эксплуатации сети связи. Таким образом, задача внедрения и использования систем контроля параметров QoS (контроля SLA) является актуальной.
Далее будет предложен подход к измерениям и контролю параметров QoS, а также архитектура подсистемы мониторинга показателей QoS. Предлагается следующий состав подсистемы контроля QoS – программные компоненты, расположенные в центре управления (сервер-менеджер) и аппаратно-программные компоненты в виде многофункциональных измерительных зондов (точки контроля). Методы измерений показателей QoS в эксплуатируемых системах описаны в рекомендации МСЭ-Т Y.1543 [7], которые являются основой некоторых предложений, представленных в настоящей статье.
На границах контролируемой сети (если контролируется end-to-end QoS, то на интерфейсах UNI) интегрируются точки контроля. Точка контроля может являться генератором или приемником трафика и может располагаться как на отдельной аппаратной платформе, так и на маршрутизаторах Provider Edge /Customer Edge или в оборудовании пользователей.
Точки контроля должны обеспечивать генерацию различных типов трафика (путем выставления значений длин пакетов, поля DSCP и скорости передачи). Точки контроля должны генерировать IP пакеты в соответствии с рекомендацией МСЭ-Т O.211 [8] (рис.2).
Рис. 2. Структура тестового пакета O.211 – формат IPPMS
Все элементы системы должны быть синхронизированы по времени с допустимой погрешностью 1мс. [7] Это возможно при использовании GPS/ГЛОНАСС или серверов NTP, обеспечивающих необходимую точность.
Точки контроля также должны обеспечивать прием сгенерированного трафика, сравнение временных штампов в пакетах IPPMS со временем получения и вычисление параметров IPTD/IPVD/IPLR. Вычисление значений IPTD и IPLR при измерениях должно соответствовать [9,10]. Для расчета параметра IPDV, в соответствии с рекомендацией МСЭ Y.1541, из 0,999-го квантиля функции распределения времени задержки IP-пакетов вычитается величина минимально возможной длительности передачи IP-пакетов [5].
Сервер-менеджер должен обеспечивать управление системой, задание плана измерений (дата/время начала и окончания тестирования), а также сбор статистики со всех точек контроля и представление результатов измерения в интегральном виде.
При задании правил в сервер-менеджере для интервалов оценки необходимо учитывать следующие требования [5]:
- интервал оценки должен быть достаточно длительным, чтобы содержать необходимое количество пакетов нужного потока по отношению к указанным скорости и квантилям.
- интервал оценки должен быть достаточно длительным, чтобы был отражен период характерного использования (время существования потока) или оценка пользователя.
- интервал оценки должен быть достаточно коротким для обеспечения баланса применяемых рабочих характеристик на протяжении каждого интервала (интервалы плохих рабочих характеристик не должны быть скрыты в слишком длинном оценочном интервале, они должны быть идентифицированы).
- интервал оценки должен быть достаточно коротким для обращения к фактическим аспектам измерения.
Для выполнения оценок, связанных с телефонией, минимальный интервал должен быть порядка 10-20 секунд с характерной скоростью передачи пакетов (от 50 до 100 пакетов в секунду), также интервал должен иметь верхнее ограничение в пределах нескольких минут.
Сервер-менеджер должен обеспечивать сбор статистики и формирование отчетов в т.ч. в виде графиков по запросу оператора. Возможно локальное подключение к сервер-менеджеру или через Web-интерфейс. Пример взаимодействия элементов системы показан на рис. 3.
Рис. 3. Взаимодействие элементов подсистемы мониторинга показателей QoS
Эффективным решением может являться организация взаимодействия системы управления сетью и подсистемы мониторинга показателей QoS. При таком взаимодействии система управления сетью, получая информацию о деградации системы связи, информирует оператора, который может запросить подробную информацию с сервер-менеджера и принять решение о реконфигурации сети для эффективного распределения ресурсов.
При сопряжении различных операторов связи существуют определенные проблемы, связанные с обеспечением качества обслуживания при предоставлении услуг связи. Предпосылками (рис. 4) для возникновения возможных проблем служат:
- число классов сервиса, используемое для предоставления услуг связи потребителям;
- уровень (канальный и/или сетевой), на котором обеспечивается качество обслуживания;
- используемая политика маркировки трафика при предоставлении различного вида услуг связи;
- политики управления трафиком: ограничения, фильтрация, формирование трафика на сетевых интерфейсах узлов;
- другие – например, использование защитных экранов (Firewall), глубокого анализа пакетов (DPI) в режиме реального времени, криптографические методы шифрования.
Рис. 4. Проблемные аспекты обеспечения качества обслуживания при сопряжении сетей
Часть проблем в плоскости обеспечения качества услуг при сопряжении может быть решена за счет разработки и применения эффективной схемы отображения (и перемаркировки) классов обслуживания, а также использования принципов иерархического QoS. Отображение классов обслуживания может выполняться для каждой услуги как в пределах одного уровня (канального или сетевого), так и между уровнями (например, отображение значений приоритетов 802.1q/p или битов MPLS EXP в значения ToS или DSCP).
Точки контроля могут располагаться как на интерфейсе UNI, так и на местах сопряжения различных сетей, т.е. можно контролировать как end-to-end QoS, так и Segment QoS [7]. Пример расположения точек контроля показан на рис. 5.
Рис. 5. Контроль показателей QoS при сопряжении сетей
Контроль качества предоставления услуг и контроль качества функционирования сети передачи данных являются важными составляющими процесса эксплуатации сети оператора связи.
При организации межсетевого взаимодействия критичными аспектами являются:
- разграничение зон ответственности служб технической эксплуатации;
- выбор размещения точек контроля показателей качества функционирования сети и качества предоставления услуг связи.
Рис. 6. Пример использования подсистемы для контроля end-to-end QoS на интерфейсах UNI
Существует более простой способ контроля показателей качества обслуживания в сетях, который зачастую используется операторами связи. Многие операторы и пользователи телекоммуникационных услуг используют для контроля показателей QoS простые методы, например ICMP PING или трассировка. При использовании данных методов можно измерить только задержку при передачи сигнала в IP-сети в прямом и обратном направлениях (IPRTD), а задержка при передаче сигнала в одном направлении для пакетной сети, конечно же, не равна точно половине IPRTD. Существуют также другие проблемы, связанные с PING: 1 – на маршрутизаторах PING иногда отключается для уменьшения вероятности проникновения хакера и воздействий, вызывающих отказ в обслуживании законных пользователей; 2 – PING имеет наименьший приоритет при обработке пакетов на маршрутизаторе. Следовательно, задержка, измеренная при помощи PING, не является точной мерой задержки трафика пользователя [8].
Таким образом, предложения по контролю показателей QoS с использованием описанных способов могут эффективно использоваться в процессе эксплуатации сетей, в том числе для контроля SLA, что позволит существенно повысить качество предоставляемых телекоммуникационных услуг.
Литература
1. ITU-T Recommendation Y.2001, General overview of NGN, 2004. (Next Generation Networks – Frameworks and functional architecture models).
2. ITU-T Recommendation E.800, Definitions of terms related to quality of service, 2008 (Quality of telecommunication services: concepts, models, objectives and dependability planning – Terms and definitions related to the quality of telecommunication services).
3. ITU-T Recommendation G.1000, Communications quality of service: A framework and definitions, 2001. (This Recommendation gives a framework and definitions for communications quality of service so as to establish a uniform approach to quality of service across the ITU-T and eliminate the confusion resulting from different frameworks and inconsistent definitions).
4. ITU-T Recommendation Y.1540, Internet protocol data communication service – IP packet transfer and availability performance parameters, 2011. (Recommendation ITU-T Y.1540 defines parameters that may be used in specifying and assessing the performance of speed, accuracy, dependability and availability of IP packet transfer of international Internet Protocol (IP) data communication services).
5. ITU-T Recommendation Y.1541, Network performance objectives for IP-based services, 2006. (This Recommendation defines classes of network Quality of Service (QoS) with objectives for Internet Protocol network performance parameters).
6. Министерство информационных технологий и связи РФ, Требования к организационно-техническому обеспечению функционирования сети связи общего пользования, утверждены 27.09.2007. (в том числе устанавливаются требования, обеспечивающие единство измерений в сетях связи).
7. ITU-T Recommendation Y.1543, Measurements in IP networks for inter-domain performance assessment, 2007. (Recommendation ITU-T Y.1543 specifies a set of IP performance parameters and methods of measurement applicable when assessing the quality of packet transfer on inter-domain paths).
8. ITU-T Recommendation O.211, Test and measurement equipment to perform tests at the IP layer, 2006. (This Recommendation specifies an IP performance measurement signature (IPPMS) and test packets which may be used to measure the performance and the availability of IP network services across administrative areas, composite networks and among heterogeneous devices).
9. IETF Recommendation RFC 2679, A One-way Delay Metric for IPPM, 1999.
10. IETF Recommendation RFC 2680, F One-way Packet Loss Metric for IPPM, 1999.
11. Е.А. Кучерявый, Управление трафиком и качество обслуживания в сети Интернет, Наука и Техника, 2004. 336 стр. (Излагаются вопросы построения механизмов, алгоритмов и протоколов, позволяющих реализовывать требуемое качество обслуживания для различных приложений и услуг сети связи, построенной на базе протокола IP).
12. Шринивас Вегешна, Качество обслуживания в сетях IP, Вильямс, 2003. 368 стр. (Автор проводит исчерпывающий обзор возможностей и функций QoS в сетях IР, также представлены практические упражнения и примеры конфигурации устройств. Основной акцент делается на обсуждении реальных задач).
