Основные модели обеспечения качества обслуживания в сетях IP

Технология дифференцированного обслуживания

Еще одна технология обеспечения качества обслуживания разработана рабочей группой IETF по дифференцированному обслуживанию (Differentiated Services, DiffServ). Эта группа выделилась из рабочей группы по интегрированному обслуживанию (Integrated Services, IntServ), задача которой состоит в разработке стандартов для поддержки трафика Internet реального времени.

Проводимая в рамках IntServ работа отражает некоторые из особенностей концепции RSVP. Интегрированное обслуживание предполагает сигнализацию из конца в конец и в действительности использует протокол RSVP между отправителями и получателями.

Технология IntServ определяет три класса обслуживания для IP-сетей:

· по мере возможности - это то, что сейчас предлагает Internet;

· с контролируемой загруженностью - приложение получает тот уровень обслуживания, какой оно имело бы в слабо загруженной сети;

· с гарантированным обслуживанием - необходимая пропускная способность в течение всего сеанса предоставляется с гарантией на параметры качества обслуживания.

     Как и RSVP, интегрированное обслуживание имеет проблемы с масштабированием, поэтому данная технология вряд ли покинет пределы корпоративных сетей. Как было отмечено, RSVP предполагает весьма значительные накладные расходы, так как каждый узел вдоль пути следования пакетов должен подтвердить предоставление запрошенного качества услуг[10].

  Дифференцированное обслуживание (DS) предлагает более простой и масштабируемый метод обеспечения качества обслуживания для приложений реального времени. Одним из ключевых моментов в работе над DiffServ является переопределение 8-битного поля «Тип сервиса» (Type of Service, ToS) в заголовке IPv4. В технологии DS это поле, имеющее наименование DS (Differentiated Services), может содержать информацию, на основании которой узлы вдоль маршрута определяют, как им следует обрабатывать пакеты и передавать их следующему маршрутизатору.

     В настоящее время только 6 из 8 бит в поле DS были определены, и только одно назначение было стандартизовано. Это назначение известно как принятое по умолчанию - Default (DE), оно определяет класс обслуживания "по мере возможности". Другое предполагаемое назначение, срочная отправка (Expedited Forwarding, EF), должно обеспечить сокращение задержек и потерь пакетов.

При поступлении трафика в сеть пограничный маршрутизатор классифицирует трафик в соответствии с информацией, содержащейся в поле DS. Он передает следующим за ним маршрутизаторам эту информацию, на основании которой они узнают, каким образом обрабатывать данный конкретный поток.

  Технология DiffServ, кроме того, сокращает служебный трафик по сравнению с RSVP и IntServ, опирающимися на сигнализацию из конца в конец. Технология DiffServ классифицирует потоки в соответствии с предопределенными правилами и затем объединяет однотипные потоки. Подобный механизм делает DiffServ гораздо более масштабируемым, чем его предшественника IntServ. Весь трафик с одинаковыми метками рассматривается одинаковым образом, поэтому реализация DiffServ в сети крупного предприятия или в глобальной сети оказывается более реальной задачей.

   Разумеется, преимущества DiffServ нельзя получить автоматически. Маршрутизаторы должны понимать «меченые потоки» и уметь соответствующим образом реагировать на них. Это потребует модернизации микропрограммного обеспечения маршрутизаторов.

MPLS

Конкурентом DiffServ на роль протокола для обеспечения QoS является другой проект IETF под названием «Многопротокольная коммутация меток» (Multiprotocol Label Switching, MPLS).

    Маршрутизатор IP анализирует первые несколько пакетов поступающего потока и, в случае небольшого объема данных, например, запроса службы имен доменов (Domain Name System, DNS) или простого протокола сетевого управления (Simple Network Management Protocol, SNMP), обрабатывает их как обычный маршрутизатор. Если же узел идентифицирует поток большой длины (представляющий, например, трафик Telnet, FTP, мультимедийных приложений или загрузку файлов через Web), то он переключается на нижележащую структуру ATM и применяет сквозную коммутацию для быстрой доставки данных адресату.

  Технология коммутации пакетов поддерживает различные уровни качества доставки информации (GoS).

Коммутация пакетов может быть реализована с помощью технологии ATM, имеющей многочисленные встроенные средства поддержки QoS, и RSVP.

  Конкуренцию IP-коммутации составила тег-коммутация. Как видно из названия, данная технология предполагает присоединение к пакетам меток для информирования коммутаторов и маршрутизаторов о природе трафика. Не углубляясь в анализ пакета, устройства просто считывают метку в заголовке для определения соответствующего маршрута потоку трафика.

   Если DiffServ задействует заголовок DS, уже имеющийся в пакетах IPv4, то MPLS использует 32-разрядную информационную метку, добавляемую к каждому IP-пакету. Эта метка, добавляемая при входе в сеть с поддержкой MPLS, сообщает каждому маршрутизатору вдоль пути следования, как надо обрабатывать пакет. В частности, она содержит информацию о требуемом для данного пакета уровне QoS.

   В отличие от поля DS, метка MPLS изначально не является частью пакета IP. Она добавляется при поступлении пакета в сеть и удаляется при выходе пакета из сети MPLS.

   В обычной ситуации маршрутизаторы анализируют заголовок пакета для определения его адресата. Ввиду того, что такой анализ проводится на каждом транзитном узле независимо, предсказать, каким маршрутом будет следовать пакет, практически невозможно, поэтому обеспечение гарантированного уровня QoS оказывается невероятно сложной задачей.

   При использовании меток MPLS маршрутизатор или коммутатор может присвоить метки записям из своих таблиц маршрутизации и в виде меток передать информацию о маршрутизации конкретным маршрутизаторам и коммутаторам. Считывая метку, каждый коммутатор или маршрутизатор узнает информацию о следующем адресате на пути, не анализируя заголовок пакета. Это экономит время и ресурсы ЦПУ. Пакеты с метками MPLS могут, следовательно, передаваться от отправителя (пограничного маршрутизатора домена) к получателю (другому пограничному маршрутизатору домена) без задержек на обработку, причем все промежуточные узлы (коммутирующие маршрутизаторы) имеют данные о том, как нужно обрабатывать каждый пакет, благодаря предварительно созданному пути (LDP) внутри домена.

   По сути, MPLS привносит способ коммутации каналов, какой мы имеем в ATM, в мир пакетных сетей, связанных с IP. На практике технологию MPLS можно использовать для доставки трафика IP-телефонии по сетям IP.

   Следует отметить, что DiffServ функционирует на третьем уровне, а технология MPLS - на втором, поэтому с технической точки зрения обе технологии могут мирно сосуществовать. Как уже упоминалось, DiffServ классифицирует пакеты при их поступлении на пограничный маршрутизатор, поэтому данный стандарт, скорее всего, будет использоваться на границе сети, например, между компанией и ее сервис-провайдером.

   Ввиду того, что MPLS предполагает включение дополнительных меток и использование коммутирующих маршрутизаторов, способных интерпретировать данную информацию, он, вероятно, найдет применение исключительно внутри корпоративных сетей или в транспортной сети оператора, где требуется высокий уровень качества для IP-трафика.

   Если DiffServ требует некоторой настройки сетевых маршрутизаторов, то MPLS предполагает более серьезную модернизацию, чтобы маршрутизаторы могли читать метки и направлять пакеты по конкретным маршрутам.

   В настоящее время DiffServ пользуется более широким вниманием, и он ближе к окончательной стандартизации, чем MPLS. Однако каждая из технологий имеет свои преимущества в конкретных областях сети, поэтому поставщики, скорее всего, будут поддерживать обе эти технологии

RSVP

  Одним из средств обеспечения качества IP-телефонии и особенно Интернет-телефонии является использование протокола резервирования ресурсов (Resource Reservation Protocol, RSVP), рекомендованного комитетом IETF. С помощью RSVP мультимедиа-программы могут потребовать специального качества обслуживания (Specific Quality of Service, SQoS) посредством любого из существующих сетевых протоколов - главным образом IP, хотя возможно использовать и UDP, чтобы обеспечить передачу видео- и аудио сигналов с высоким качеством. Протокол RSVP предусматривает гарантированное качество обслуживания благодаря тому, что через каждый узел (маршрутизатор), который связывает между собой участников телефонного разговора, может передаваться определенное количество данных.

  Протокол RSVP предназначен только для резервирования части пропускной способности линии. Используя RSVP, отправитель периодически информирует получателя о свободном количестве ресурсов сообщением RSVP Path (рисунок 14). Транзитные маршрутизаторы по мере прохождения этого сообщения также анализируют имеющееся у них количество свободных ресурсов и подтверждают его соответствующим сообщением RSVP Resv, передаваемым в обратном направлении. Если ресурсов достаточно, то отправитель начинает передачу. Если ресурсов не достаточно, получатель должен снизить требования или прекратить передачу информации[1].

             Рисунок 14 - Применение протокола RSVP

    Одна из интересных особенностей RSVP заключается в том, что запросы на резервирование ресурсов направляются только от получателей данных отправителям, а не наоборот. Такой подход обусловлен тем, что лишь устройство-получатель знает, с какой скоростью оно должно получать данные, чтобы надежно декодировать аудио- или видеосигналы. Другая уникальная особенность RSVP состоит в том, что резервирование производится лишь для одного направления. Кроме того, RSVP не допускает смешения аудио- и видеосигналов на зарезервированном канале.

   Когда RSVP-программы закончат сеанс связи, они должны вызвать функцию отмены, предусмотренную этим протоколом. Отмена аннулирует все запросы на ресурсы, сделанные программой, и позволяет другим прикладным программам использовать коммуникационные возможности Internet. Если программе не удается выполнить отмену, то предусмотренные протоколом средства по истечении некоторого промежутка времени обнаружат это и автоматически отменят запрос на ресурсы.

Недостатком протокола RSVP является то, что полоса пропускания, выделяемая источнику информации, при снижении активности источника не может быть использована для передачи другой информации.

  Поскольку протокол RSVP требует резервирования ресурсов или каналов связи, небрежные или безответственные пользователи могут захватить ресурсы сети, инициируя несколько сеансов подряд. Как только канал зарезервирован, он становится недоступным для других пользователей, даже если тот, кто его затребовал, ничего не передает. К сожалению, в RSVP отсутствует четкий механизм предотвращения подобных ситуаций, и решение этой проблемы возлагается на сетевых администраторов. Очевидно, что необходимо предусмотреть более жесткий контроль, чтобы использование RSVP имело успех.

   Как альтернатива этому способу может использоваться алгоритм управления потоками на основе системы приоритетов, однако в существующей версии IP этот механизм развит недостаточно. Механизм управления приоритетами должен быть реализован в следующей (шестой) версии IP, где предусматривается введение до 16 приоритетов, а также возможность организации нескольких логических потоков в рамках одного физического соединения. Однако в настоящее время аппаратура, реализующая IP версии 6, только начала появляться на рынке.

    Ввиду зависимости RSVP от совместимости промежуточных узлов - в большинстве случаев маршрутизаторов - это влечет за собой неизбежные проблемы, в частности, в глобальных сетях. Если какой-либо маршрутизатор достиг предела своих возможностей, когда он не может гарантировать запрошенный уровень качества обслуживания (Grade of Service, GoS), все последующие запросы будут игнорироваться и удаляться. Если только один узел отказывает в обслуживании запроса, то вся стройная система резервирования распадается.

   Протокол RSVP имеет весьма хорошие перспективы на корпоративном уровне, где администратор имеет возможность определить, какие параметры маршрутизатор будет использовать для обслуживания запросов, связанных с предоставлением требуемого качества обслуживания. В глобальных сетях маршрутизаторы вовсе не обязательно находятся под той же юрисдикцией, что приложения и хосты, инициирующие запросы. Это осложняет решение вопроса о гарантиях качества обслуживания вызова.

IPv6

    После нескольких лет тестирования организация Internet Assigned Numbers Authority приступила к развертыванию IPv6 (версии 6 Internet Protocol) - системы цифровой адресации Internet нового поколения.

     Начать разработку IPv6 организацию Internet Engineering Task Force побудили опасения, что Internet израсходует весь запас уникальных адресов. Первоначально сеть Internet была рассчитана на связь небольшого количества исследовательских сетей. Поэтому поле адреса в используемой в настоящее время системе адресации IPv4 может принимать около 4 млрд. уникальных значений. Число уникальных адресов, обеспечиваемых новой системой: десять в восемнадцатой степени, или миллиард миллиардов. Этого должно хватить на много лет вперед[1].

    Переход на IPv6 начат с трех крупнейших региональных регистрационных каталогов, которые приступают к выдаче новым пользователям удлиненных адресов; полный перевод на новую систему всей сети может быть завершен, как ожидается, в течение 6-10 лет.

IPv6 включает следующие возможности, отсутствующие в версии IPv4:

· расширенное адресное пространство: IPv6 использует 128-битовые адреса вместо 32-битовых IPv4. В результате адресное пространство увеличивается в 296 раз, что явно достаточно даже в случае неэффективного распределения сетевых адресов;

· улучшенные возможности маршрутизации: в связи с увеличением межсетевого трафика, связанного с обработкой больших объемов мультимедийной информации и расширением использования сети Интернет в различных сферах деятельности, весьма существенной является необходимость обеспечения высоких скоростей маршрутизации. Без применения эффективных алгоритмов обработки пакетов данных становится невозможным повышение скорости работы маршрутизаторов до уровня, сравнимого со скоростями передачи информации по каналам связи;

· управление доставкой информации: IPv6 позволяет отмечать соответствие конкретного пакета определенным условиям его передачи, заданным отправителем. В результате достигается регулирование скорости передачи определенных потоков данных, что позволяет обеспечивать эффективную поддержку специальных протоколов (например, видео в режиме реального времени и др.). За счет назначения приоритетов передачи данных по определенным протоколам, появляется возможность гарантировать первоочередность обработки наиболее критической информации и предоставления важным данным всей полосы пропускания канала связи. Другие особенности, имеющиеся у IPv6, позволяют протоколам этого семейства обеспечивать одновременную многоадресную доставку информации. Данная возможность находит свое применение в рассылке информации "по подписке" или "по требованию", а также в других приложениях;

· средства обеспечения безопасности: IPv6 предоставляет возможности защиты от атак, связанных с подменой исходных адресов пакетов, и от несанкционированного доступа к полям данных пакетов. Эти возможности достигаются за счет применения алгоритмов аутентификации и шифрования.

 Не вызывает сомнений тот факт, что переход от IPv4 к IPv6 не может быть мгновенным. Долгое время две версии IP будут сосуществовать. Более того, поначалу узлы, реализующие IPv6, не будут предоставлять всех необходимых услуг, а их расположение окажется напоминающим острова в океане IPv4. Следовательно, от узлов с IPv6 требуется выполнение двух функций:

· возможность взаимодействия с узлами IРv4;

· возможность передачи пакетов IPv6 через существующую инфраструктуру IPv4.

Чтобы выполнить эти требования, рабочая группа по переходу на IP нового поколения предлагает два основных метода:

· одновременная поддержка в узлах (в хостах и в маршрутизаторах) IPv6 двух стеков протоколов (IPv6/IPv4);

· туннелирование пакетов IPv6 для их передачи через инфраструктуру с IPv4.

Под процессом туннелирования (tunneling) понимают механизм прозрачной передачи данных (без анализа семантики и синтаксиса данных) между узлами разных сетей.