Как обеспечить QoS в телефонных сетях с коммутацией пакетов

Е.А. АРТЮХОВА, ЦНИИС

В последнее время телефонные операторы стали активно модернизировать свои сети на базе технологии коммутации пакетов. При этом они сталкиваются с новыми для себя проблемами, среди них - обеспечение QoS при передаче голосовой информации по обновленным сетям.

Решить задачу можно с помощью технологии ATM, в которой изначально были заложены средства обеспечения качества. А вот более популярная технология IP такими возможностями не обладает, так как была создана для негарантированной доставки данных. Поэтому при ее использовании для передачи голоса необходимо применять дополнительные механизмы обеспечения качества (см. «ИКС» № 8'2004, с. 63). Самый простой из них (к нему часто прибегают зарубежные операторы) -создание избыточной пропускной способности сети. Но этот ресурс весьма ограничен и дорог, и на этом основании такой метод не всегда оправдан.

Качество передачи голосовой информации

Рассмотрим альтернативные методы обеспечения QoS, применяемые в сети IP.

Резервирование ресурсов (на время соединения запрашиваются и резервируются необходимые для выполнения приложения ресурсы).

Приоритизация трафика (разделение трафика в сети на классы с приоритетным порядком обслуживания некоторых из них).

Перемаршрутизация (позволяет при перегрузке в сети перевести трафик на резервный маршрут; именно этим способом обеспечивается QoS в подавляющем большинстве контроллеров SBC).

В современных IP-сетях перечисленные методы реализуются с помощью технологий IntServ, DiffServ и MPLS с использованием протокола RSVP. Каждая имеет свои особенности и свою область применения (см. таблицу). Сравним эти технологии по следующим критериям:

- метод обеспечения качества;

- число обслуживаемых классов QoS;

- перечень задаваемых показателей качества;

- необходимость использования дополнительных протоколов;

- влияние технологии на производительность маршрутизаторов;

- эффективность масштабирования сети;

- совместимость оборудования разных производителей;

- гарантированность обеспечения качества.

IntServ (технология интегрированного обслуживания) реализует метод резервирования ресурсов. Она основана на протоколе сигнализации RSVP и предусматривает три класса качества.

Если пользователь выбирает гарантированное обслуживание (Guaranteed Service), он может запросить для своего приложения необходимые значения полосы пропускания, максимальной сетевой задержки и джиттера. Эти показатели качества, задаваемые в абсолютных величинах, будут зарезервированы для приложения пользователя на протяжении всего соединения.

Контролируемая загрузка (Controlled Load) позволяет не только контролировать загруженность сети в момент установления соединения, но и задавать конкретные значения показателей качества.

Пакеты класса негарантированного обслуживания (Best Effort) сеть доставляет только при наличии свободных ресурсов в момент их передачи, Протокол RSVP характеризуется высокой интенсивностью обмена сигнальными сообщениями. Например, для контроля состояния соединения периодически посылаются специальные сообщения (рекомендуется - каждые 30 с).

Поэтому из-за большого объема сигнальной информации, которую постоянно должны обрабатывать маршрутизаторы, поддерживающие технологию IntServ, требования к их производительности очень высоки. В результате неизбежно возникают проблемы при масштабировании сети, так как объем сигнальной информации увеличивается пропорционально росту числа установленных соединений.

IntServ больше подходит для концентрации трафика в пограничной сети IP и не рекомендована для применения в транзитных сетях IP (из-за проблем с масштабируемостью). Технология стандартизована рабочей группой IETF.

Поэтому проблемы с совместимостью оборудования IntServ разных производителей возникают в основном в случае отклонения от спецификаций.

DiffServ (дифференцированное обслуживание). Технология более проста в реализации и легко масштабируема, но при ее использовании у оператора нет строгих гарантий качества при передаче информации.

Технология основана на методе приоритизации трафика. На границе домена DiffServ пакеты IP объединяются в группы со схожими характеристиками трафика. Транспортная сеть обрабатывает небольшое число групп, благодаря чему при использовании технологии DiffServ не требуется высокая производительность маршрутизаторов.

Предусмотрены следующие классы QoS.

Срочная доставка пакетов (Expedited Forwarding PHR) характеризуется низким уровнем потерь пакетов, низким значением сетевой задержки и высокой пропускной способностью.

В классе гарантированной доставки пакетов (Assured Forwarding PHB) выделены 4 уровня приоритета, для каждого из которых в свою очередь определены три приоритета отбрасывания пакетов.

А также негарантированная доставка (Best Effort).

Для маркировки пакетов используется поле в заголовке стандартного пакета IP. В этом поле устанавливаются приоритет пакета и контролируемые показатели качества (задержка, скорость передачи трафика и целостность данных). В отличие от предыдущей технологии, в DiffServ показатели качества задаются не в абсолютных значениях, а в относительных, для уточнения порядка обслуживания пакетов.

При обработке трафика используются алгоритмы управления очередями. Предусмотрено формирование очередей пакетов в зависимости от их приоритетности в соответствии с правилами, задаваемыми административно для каждого маршрутизатора. То есть правила обработки пакетов с одинаковыми приоритетами на разных маршрутизаторах могут различаться, что не позволяет строго гарантировать качество передачи.

Сравнение технологий IntServ, DiffServ, MPLS

Параметр	IntServ	DiffServ	MPLS
Метод обеспечения QoS	Резервирование	Приоритизация	Перемаршрутизация
Число обслуживаемых классов QoS	3	3	0
Перечень задаваемых показателей качества	Полоса пропускания	Скорость передачи трафика	-
	Максимальная сетевая задержка	Сетевая задержка
	Джиттер	Коэффициент потери пакетов
Необходимость использования дополнительных протоколов	RSVP	Нет	LDP, CR-LDP, RSVP
Требования к производительности маршрутизаторов	Высокие	Низкие	Средние
Эффективность масштабирования сети	Невысокая	Высокая	Высокая
Совместимость оборудования разных производителей	Средняя	Высокая	Средняя
Гарантированность обеспечения качества	Высокая	Средняя	Высокая с использованием RSVP

Так как для обеспечения качества только анализируется поле заголовка пакета IP и не используются никакие вспомогательные протоколы сигнализации, то проблема совместимости оборудования разных производителей неактуальна.

Технология DiffServ может использоваться в транзитной сети. Но в условиях однородного трафика, например только голосового, принцип применения приоритетов теряет смысл, и сеть начинает работать в режиме Best Effort.

MPLS (многопротокольная коммутация по меткам). Технология предназначена для ускорения коммутации пакетов в транспортных сетях. Основное отличие этой технологии от рассмотренных ранее в том, что, вопреки сложившемуся мнению, MPLS изначально не является технологией обеспечения качества и становится таковой только при использовании протокола RSVP-TE.

На границе сети MPLS маршрутизаторы помечают пакеты специальными метками, определяющими дальнейший маршрут следования пакета к месту назначения. В результате анализируются не адреса IP, a короткие цифровые метки, что существенно снижает сетевую задержку и требования к производительности маршрутизаторов. Для корректного взаимодействия их между собой и обмена информацией о создаваемых метках используются протоколы распределения меток (LDP, CR-LDP, RSVP-TE и др.).

Маршрут может также задаваться административно. В этом случае заранее определяется весь перечень узлов, через которые он будет проходить. Если для соединения требуется гарантия определенного уровня качества, то для распределения меток используется протокол RSVP-TE, и на маршруте резервируются необходимые ресурсы. В RSVP-TE предусмотрены контроль и обновление установленного соединения, так что в случае повреждения в сети можно динамически перевести потоки трафика на резервный маршрут.

Технология MPLS характеризуется высокой масштабируемостью и рассматривается в качестве наиболее перспективной для передачи трафика IP. Она стандартизована IETF, поэтому, как и в случае с IntServ, при отклонении от спецификаций могут возникнуть проблемы с совместимостью оборудования разных производителей.

Оптимизация нагрузки в транспортной сети

Помимо обеспечения требуемого качества для телефонной нагрузки важным является вопрос оптимизации нагрузки в транспортной сети. В рассматриваемых технологиях предусмотрена процедура агрегирования данных, относящихся к разным источникам. При этом под агрегированными потоками понимается объединение нескольких информационных потоков, требующих сходного обслуживания и имеющих идентичные требования к QoS.

В технологии IntServ предусмотрено резервирование полосы пропускания для совместного использования несколькими отправителями. В этом случае вместо одного адреса отправителя могут быть заданы несколько - списком или по маске.

В технологии DiffServ пакеты на границе сети классифицируются, маркируются кодом и заголовке IР-пакета и на основании этого кода причисляются к определенному агрегированному потоку. У каждого агрегированного потока свой приоритет и ожидаемый уровень обслуживания.

В технологии MPLS пакеты, следующие по одному и тому же маршруту, объединяются в классы. Если на некоторых участках сети маршруты нескольких соединений разного класса совпадают - эти соединения агрегируются. Каждый агрегированный поток образует новый класс со своей системой меток.

Таким образом, рассмотренные технологии обеспечивают качество обслуживания, позволяя оптимально использовать ресурсы сети связи. Методы обеспечения качества, лежащие в основе этих технологий, определяют область их применения в существующих сетях. Технология IntServ больше подходит для небольших пограничных сетей, в то время как в крупных транзитных сетях предпочтительнее использовать DiffServ и MPLS. Поэтому важно обеспечить четкое взаимодействие этих технологий между собой.

Однако разнообразие возможностей каждой технологии, несогласованность параметров качества в разных сетях и различия в реализациях у различных производителей оборудования затрудняют указанные взаимодействия и пока не позволяют гарантировать необходимый уровень обслуживания.

Список литературы

Журнал ИнформКУРЬЕРсвязь №9, 2005 г.