Як забезпечити QoS в телефонних мережах з комутацією пакетів
Е.А. АРТЮХОВА, ЦНДІЗ

    Останнім часом телефонні оператори стали активно модернізувати свої мережі на базі технології комутації пакетів. При цьому вони стикаються з новими для себе проблемами, серед них - забезпечення QoS при передачі голосової інформації з оновленим мереж.

    Вирішити завдання можна за допомогою технології ATM, в якій спочатку були закладені засоби забезпечення якості. А ось більш популярна технологія IP такими можливостями не володіє, оскільки була створена для негарантованої доставки даних. Тому при її використанні для передачі голосу необхідно застосовувати додаткові механізми забезпечення якості (див. «ІКС» № 8'2004, с. 63). Найпростіший з них (до нього часто вдаються зарубіжні оператори)-створення надлишкової пропускної здатності мережі. Але цей ресурс дуже обмежений і доріг, і на цій підставі такий метод не завжди виправданий.

Якість передачі голосової інформації

    Розглянемо альтернативні методи забезпечення QoS, що застосовуються в мережі IP.

    Резервування ресурсів (на час з'єднання запитуються і резервуються необхідні для виконання програми ресурси).

    Пріоритизація трафіку (поділ трафіка в мережі на класи з пріоритетним порядком обслуговування деяких з них).

    Перемаршрутізація (дозволяє при перевантаженні в мережі перевести трафік на резервний маршрут; саме цим способом забезпечується QoS у переважній більшості контролерів SBC).

    У сучасних IP-мережах перераховані методи реалізуються за допомогою технологій IntServ, DiffServ і MPLS з використанням протоколу RSVP. Кожна має свої особливості і свою область застосування (див. таблицю). Порівняємо ці технології за наступними критеріями:
- Метод забезпечення якості;
- Кількість обслуговуваних класів QoS;
- Перелік поширених показників якості;
- Необхідність використання додаткових протоколів;
- Вплив технології на продуктивність маршрутизаторів;
- Ефективність масштабування мережі;
- Сумісність обладнання різних виробників;
- Гарантованість забезпечення якості.

    IntServ (технологія інтегрованого обслуговування) реалізує метод резервування ресурсів. Вона заснована на протоколі сигналізації RSVP і передбачає три класи якості.

    Якщо користувач вибирає гарантоване обслуговування (Guaranteed Service), він може запросити для свого застосування необхідні значення смуги пропускання, максимальної мережної затримки і джитер. Ці показники якості, що задаються в абсолютних величинах, будуть зарезервовані для програми користувача протягом всього з'єднання.

    Контрольована завантаження (Controlled Load) дозволяє не тільки контролювати завантаженість мережі в момент встановлення з'єднання, але і задавати конкретні значення показників якості.

    Пакети класу негарантованого обслуговування (Best Effort) мережа приносить тільки при наявності вільних ресурсів в момент їх передачі, Протокол RSVP характеризується високою інтенсивністю обміну сигнальними повідомленнями. Наприклад, для контролю стану з'єднання Періодично спеціальні повідомлення (рекомендується - кожні 30 с).

    Тому з-за великого обсягу сигнальної інформації, яку постійно повинні обробляти маршрутизатори, що підтримують технологію IntServ, вимоги до їх продуктивності дуже високі. У результаті неминуче виникають проблеми при масштабуванні мережі, так як обсяг сигнальної інформації збільшується пропорційно зростанню числа встановлених з'єднань.

    IntServ більше підходить для концентрації трафіку в прикордонній мережі IP і не рекомендована для застосування в транзитних мережах IP (з-за проблем з масштабованістю). Технологія стандартизована робочою групою IETF.

    Тому проблеми з сумісністю обладнання IntServ різних виробників виникають в основному в разі відхилення від специфікацій.

    DiffServ (диференційоване обслуговування). Технологія більш проста в реалізації і легко масштабована, але при її використанні у оператора немає жорстких вимог до якості при передачі інформації.

    Технологія заснована на методі пріоритезації трафіку. На кордоні домену DiffServ пакети IP об'єднуються в групи зі схожими характеристиками трафіку. Транспортна мережа обробляє невелике число груп, завдяки чому при використанні технології DiffServ не потрібна висока продуктивність маршрутизаторів.

Передбачені наступні класи QoS.

    Термінова доставка пакетів (Expedited Forwarding PHR) характеризується низьким рівнем втрат пакетів, низьким значенням мережної затримки і високою пропускною здатністю.

    У класі гарантованої доставки пакетів (Assured Forwarding PHB) виділено 4 рівня пріоритету, для кожного з яких у свою чергу визначено три пріоритети відкидання пакетів.

    А також негарантована доставка (Best Effort).

    Для маркування пакетів використовується поле в заголовку стандартного пакета IP. У цьому полі встановлюються пріоритет пакету і контрольовані показники якості (затримка, швидкість передачі трафіку і цілісність даних). На відміну від попередньої технології, в DiffServ показники якості задаються не в абсолютних значеннях, а у відносних, для уточнення порядку обслуговування пакетів.

    При обробці трафіку використовуються алгоритми керування чергами. Передбачено формування черг пакетів в залежності від їх пріоритетності відповідно до правил, які задаються адміністративно для кожного маршрутизатора. Тобто правила обробки пакетів з однаковими пріоритетами на різних маршрутизаторах можуть відрізнятися, що не дозволяє строго гарантувати якість передачі.

Порівняння технологій IntServ, DiffServ, MPLS
Параметр IntServ DiffServ MPLS

    Метод забезпечення QoS Резервування Пріоритизація Перемаршрутізація
Число обслуговуються класів QoS 3 березня

    Перелік поширених показників якості Смуга пропускання Швидкість передачі трафіку -Максимальна мережна затримка Мережева затримка

Джиттер Коефіцієнт втрати пакетів

Необхідність використання додаткових протоколів RSVP Ні LDP, CR-LDP, RSVP

Вимоги до продуктивності маршрутизаторів Високі Низькі Середні

Ефективність масштабування мережі Невисока Висока Висока

Працює обладнання різних виробників Середня Висока Середня

Гарантованість забезпечення якості Висока Середня Висока з використанням RSVP

Так як для забезпечення якості тільки аналізується поле заголовка пакету IP і не використовуються ніякі допоміжні протоколи сигналізації, то проблема сумісності обладнання різних виробників неактуальна.

    Технологія DiffServ може використовуватися в транзитній мережі. Але в умовах однорідного трафіку, наприклад тільки голосового, принцип застосування пріоритетів втрачає сенс, і мережа починає працювати в режимі Best Effort.

    MPLS (багатопротокольна комутація по мітках). Технологія призначена для прискорення комутації пакетів в транспортних мережах. Основна відмінність цієї технології від розглянутих раніше в тому, що, всупереч сформованій думці, MPLS спочатку не є технологією забезпечення якості і стає такою тільки при використанні протоколу RSVP-TE.

    На кордоні мережі MPLS маршрутизатори позначають пакунки спеціальними позначками, визначальними подальший маршрут пакета до місця призначення. У результаті аналізуються не адреси IP, a короткі цифрові мітки, що істотно знижує мережеву затримку і вимоги до продуктивності маршрутизаторів. Для коректної взаємодії їх між собою та обміну інформацією про створюваних мітки використовуються протоколи розподілу міток (LDP, CR-LDP, RSVP-TE та ін.)

    Маршрут може також задаватися адміністративно. У цьому випадку заздалегідь визначається весь перелік вузлів, через які він буде проходити. Якщо для з'єднання вимагається гарантія певного рівня якості, то для розподілу міток використовується протокол RSVP-TE, і на маршруті резервуються необхідні ресурси. У RSVP-TE передбачені контроль і оновлення встановленого з'єднання, так що в разі пошкодження в мережі можна динамічно перевести потоки трафіку на резервний маршрут.

    Технологія MPLS характеризується високою масштабованістю і розглядається як найбільш перспективної для передачі трафіку IP. Вона стандартизована IETF, тому, як і у випадку з IntServ, при відхиленні від специфікацій можуть виникнути проблеми із сумісністю обладнання різних виробників.

Оптимізація навантаження в транспортній мережі

    Крім забезпечення необхідної якості для телефонного навантаження важливим є питання оптимізації навантаження в транспортній мережі. У розглянутих технологіях передбачена процедура агрегування даних, що відносяться до різних джерел. При цьому під агрегованими потоками розуміється об'єднання декількох інформаційних потоків, що вимагають подібного обслуговування і мають ідентичні вимоги до QoS.

    У технології IntServ передбачено резервування смуги пропускання для спільного використання декількома відправниками. У цьому випадку замість однієї адреси відправника можуть бути задані кілька - списком або по масці.

    У технології DiffServ пакети на кордоні мережі класифікуються, маркуються кодом і заголовку IР-пакету і на підставі цього коду зараховуються до певного агрегованим потоку. У кожного агрегованого потоку свій пріоритет і очікуваний рівень обслуговування.

    У технології MPLS пакети, наступні по одному і тому ж маршруту, об'єднуються в класи. Якщо на деяких ділянках мережі маршрути декількох з'єднань різного класу збігаються - ці сполуки агрегуються. Кожен агрегований потік утворює новий клас зі своєю системою міток.

    Таким чином, розглянуті технології забезпечують якість обслуговування, дозволяючи оптимально використовувати ресурси мережі зв'язку. Методи забезпечення якості, що лежать в основі цих технологій, визначають область їх застосування в існуючих мережах. Технологія IntServ більше підходить для невеликих прикордонних мереж, в той час як у великих транзитних мережах краще використовувати DiffServ та MPLS. Тому важливо забезпечити чітку взаємодію цих технологій між собою.

    Однак різноманітність можливостей кожної технології, неузгодженість параметрів якості в різних мережах і відмінності в реалізаціях у різних виробників обладнання ускладнюють зазначені взаємодії і поки не дозволяють гарантувати необхідний рівень обслуговування.

Список літератури

Журнал ІнформКУРЬЕРсвязь № 9, 2005 р