Студент Зуитин Адиль,

Донецкий национальный технический университет

АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ QOS ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГОЛОСОВОГО ТРАФИКА В IP-СЕТЯХ

Целью данной работы является анализ характеристик различных механизмов планирования трафика.

Задачой работы является исследование различных алгоритмов планирования трафика на основе имитационного моделирования системы.

В современных сетях значительную часть трафика составляют мультимедийные данные, для передачи которых очень важны показатели качества транспорта пакетов. Для некоторых услуг, например, услуги голосовой связи, требуются низкая задержка, а для услуг передачи данных требуется низкий уровень потерь и отсутствие повторных передач.

Показатели качества IP-телефонии зависят от показателей качества IP-сети, которые включают пропускную способность, задержку, джиттер и вероятность потерь пакетов.

Проблема передачи данных от различных приложений состоит в том, что разные услуги требуют разные показатели качества, например: передача файлов, где трафик имеет большую интенсивность, нечувствительна к задержкам, но чувствительна к потерям, а телефонный трафик – наоборот, чувствителен к задержкам, особенно – к неравномерности задержки (джиттеру). В то же время потеря 1% пакетов не влияет заметно на качество услуги. Для решения такой проблемы можно использовать механизмы QоS, которые будут исключать захват всей пропускной способности канала низкоприоритетным трафиком и гарантировать необходимую полосу для высокоприоритетного трафика. В данной работе рассматривается модель, разделяющая все виды трафика на 3 класса: файловый, интерактивный и мультимедийный (голосовой). Требования к качеству обслуживания этих видом трафика представлены в таблице 1.

Таблица 1- Требования к качеству обслуживания классов трафика
Класс трафика	Пропускная способность	Задержка	Джиттер	Вероятность потерь
Файловый	Высокая	Несущественно	Несущественно	Низкая
Интерактивный	Средняя	Средняя	Несущественно	Низкая
Мультимедийный	Низкая	Минимальная	Минимальный	Высокая

Для обеспечения качества транспорта данных служат механизмы управлении QоS в IP сетях, требующие набора различных режимов, которые привязываются либо к источнику трафика, либо к узлу сети. Основные механизмы показаны ниже на рисунке 1.

Рисунок 1 - Общая архитектура сети QoS

Согласно рисунку 1 можно выделить следующие механизмы:

· Traffic shaping (формирование трафика): заключается в введении задержки между пакетами с целью избежать перегрузки или ограничить ее.

· Traffic policing (управление трафика): заключается в проверке того, что трафик отправляются в соответствии с описанием источника.

· Buffer management (управление буфером): заключается в выборочной ликвидации пакетов в случае перегрузки выходного буфера.

· Traffic scheduling (планирование трафика): реализуется через трафик передачи пакетов, имеющихся в буфере выходного интерфейса, на основе параметров QoS, связанных с потоком.

Управление маршуртизаторами осуществляется с помощью механизмов управления буфером и планирования трафика. Выбор соответствующего механизма управления буфера и планировщика может значительно облегчить выполнение требований QoS.

Механизм управления буфером заключается в ликвидации пакетов из буфера выходного порта маршрутизатора во время перегрузок. Ликвидация осуществляется выборочно, на основе критериев QoS. Существует несколько алгоритмов управления буфером для сетей с QoS: RED, WRED, RIO и FRED. 

Планирование трафика – это один из наиболее критичных операций в архитектуре QoS. Даже в отсутствие заторов пакеты из различных потоков претерпевают задержку. Такие задержки, обусловленные очередью в буфере, неблагоприятны для чувствительных к задержкам приложений, особенно для приложений, чувствительных к джиттеру (IP-телефония). Идея планирования трафика заключается в адаптации тактики передачи пакетов в буфер. Выбор такой тактики влияет не только на задержки и джиттер, но и на размер буфера и, таким образом, гарантированные показатели QoS будут детерминированными или статистическими.

Каждый из алгоритмов представленых ниже, можно рассматривать в двух вариантах: IntServ, который заключаются в обработке каждого потока независимо, и DiffServ, где объединяются все потоки по классам обслуживания.

Существует несколько алгоритмов планирования трафика для сетей с QoS:

1. FIFO (демократическая очередь): это простейшая дисциплина обработки очереди. Пакеты помещаются в очередь в соответствии с порядком их прибытия и затем направляются в выходной порт после обработки в том же порядке;

2. PQ (приоритетная очередь): алгоритм позволяет дифференцировать услуги. Пакеты, входящие в систему, сначала классифицируется по видам трафика и отправляется в очередь соответствующей сессии, к которой они принадлежат. Пакеты, содержащие высший приоритет очереди, отправляются через выходной порт в первую очередь. Средняя очередь обрабатывается только в том случае, когда очередь с высшим приоритетом пустая. Пакеты с низким приоритетом очереди не обрабатываются, пока очереди с более высоким приоритетом непустые. Главный недостаток алгоритма заключается в том, что если некоторые трафики имеют более высокий приоритет, то средний и низкий не будут рассматриваться вообще;

3. WFQ (взвешенные справедливые очереди): Этот алгоритм сочетает в себе приоритетное и взвешенное обслуживание. Входящий трафик делится на несколько классов, для каждого из которых ведется отдельная очередь пакетов (количество очередей может быть заранее определено – от 16 до 4096). Принадлежность пакета к какому-либо классу определяется на основании приоритета TOS, протокола, адреса источника, адреса назначения, порта источника, порта назначения. Каждой очереди назначается вес, и на основании этого веса автоматически справедливо назначается процент пропускной способности выходного интерфейса, гарантируемый данному классу трафика при перегрузках. В алгоритме WFQ веса назначаются автоматически, на основании некоторой адаптивной стратегии;

4. MDRR (модифицированный взвешенный циклический алгоритм): в это алгоритме выделяется высокоприоритетная очередь и низкоприоритетные (7 приоритетов – от 0 до 6). Если в приоритетной очереди нет пакетов, то остальные очереди обслуживаются по алгоритму WRR (последовательно обслуживаются все очереди в циклическом режиме). Если в приоритетной очереди появляются пакеты, то они могут обслуживаться в одном из двух вариантов:

· Strict priority mode — приоритетная очередь обслуживается сразу, как только там появляются пакеты;

· Alternate mode — приоритетная очередь обслуживается после каждой не приоритетной очереди (PQ, Q1, PQ, Q2, PQ, Q3, PQ, Q4).

Сравнительная характеристика различных планировщиков выполнена с помощью инструментов программного обеспечения (ПО) «OPNET Modeler 14» для небольшого участка сети (рисунок 2). В этом исследовании проводилось исследование планировщиков PQ, WFQ и MDRR. Проводить исследование планировщика FIFO нет смысла – ясно, что его достаточно простой алгоритм работы не будет обеспечивать выполнение необходимых показателей качества. Что касается FQ и WRR, то они подобны WFQ и MDRR, но последние более усовершенствованы.

Рисунок 1– Схема участка сети для исследования характеристик работы планировщиков трафика

Сравнение планировщиков проводилось по нескольким показателям:

1. задержка пакетов VoIP;

2. усредненная задержка пакетов VoIP;

3. вариация задержки, джиттер.

Рисунок 3 – Зависимость текущей задержки пакетов VoIP

(Point-to-Point) от времени моделирования

Задержка пакетов при обработке маршрутизатором зависит от вида планировщика. Для VoIP трафика наблюдается следующая закономерность – при использовании PQ задержка минимальна, при использовании WFQ – максимальна (рисунок 3, 4).

Рисунок 4 –Зависимость усредненной задержки пакетов VoIP

(Point-to-Point) от времени моделирования

При использовании PQ планировщика высокоприоритетный трафик (то есть VoIP) будет обслуживаться в первую очередь, трафики с более низким приоритетом обслуживаются только тогда, когда очередь VoIP трафика будет пустая. Поэтому время задержки для пакетов IP-телефонии минимально для PQ планировщика на протяжении всего времени моделирования.

Что касается WFQ, время задержки, при котором для VoIP оказалось максимальным, то здесь пакеты всех классов трафика передаются с некоторой долей пропускной способности канала, в отличие от PQ, где сначала передаються только пакеты VoIP. Похожая ситуация и для MDRR, где неприоритетные очереди также обслуживаются, однако, в меньшей степени, чем для WFQ.

Как видно из рисунка 6 требования к джиттеру в случае PQ дают наилучшее результаты. В то время, требования к джиттеру MDRR хоть и являются менее лучшими, чем PQ, зато он не уступают WFQ.

Рисунок 5 – Зависимость вариация задержки, джиттер пакетов VoIP

(Point-to-Point) от времени моделирования

Рисунок 6 – Гистограмм (временной распределения) вариация задержки пакетов VoIP (Point-to-Point) от времени моделирования

Вывод: в работе был произведен анализ характеристик различных механизмов планирования трафика. Исходя из полученных результатов моделирования было выяснено, что использование алгоритма PQ дает наибольший выгрыш в плане минимального джиттера, нежели алгаритмов MDRR и WFQ. Алгоритм MDRR хоть и являются менее лучшими, чем PQ, зато он приведенным признакам не уступают WFQ.

Перечень ссылок

1. В. Олифер, Н. Олифер. Новые технологии и оборудование IP-сетей. БХВ-Санкт-Петербург. - 2000. 864 с.

2. Vegesna S. IP Quality of Service. / Srinivas Vegesna. – Cisco Press. – 2001. – 368 p.

3. Implementing Quality of Service Policies with DSCP / Электронный ресурс. Способ доступа: URL:http://www.cisco.com/en/US/docs/ios/11_2/feature/guide/wred_gs.html#wp6484.

4. Differentiated Service on Cisco HOWTO / Электронный ресурс. Способ доступа: URL: http://www.opalsoft.net/qos/index.htm.

5. Шринивас Вегешна. Качество обслуживания в сетях IP. Вильямс.- 2003.-368с