Классы QoS

• QoS Class 1 (называемый также классом услуг А) имеет те же характеристики, что и выделенный цифровой канал точка-точка
• QoS Class 2 (называемый также классом услуг В) обеспечивает режим, приемлемый для аудио и видео при видеоконференициях или передачи мультимедиа
• QoS Class 3 (называемый также классом услуг 3) обеспечивает режим, приемлемый для передачи, ориентированной на соединение, например, через посредство frame relay.
• QoS Class 4 (называемый также классом услуг 4) эквивалентен режиму IP-передачи в условиях наилучших усилий (best efforts) при отсутствии гарантии доставки.

Следует помнить, что в Интернет нет гарантий ни по задержке, ни вообще по доставке, что неприемлемо для передачи голоса ( пропускная способность ≥ 16 кбит/с, максимально допустимая задержка <100мсек), видеоконференций и приложений виртуальной реальности.

Приложение в этой модели не будет осуществлять передачу, пока не получит подтверждения резервирования. Инициатором резервирования в этой модели всегда является получатель. Получатель в рамках RSVP анализирует параметры потока отправителя (Tspec) и посылает ему запрос резервирования Resv, который должны воспринять все промежуточные узлы (если они способны это сделать). Этот запрос специфицирует желательные параметры QoS. Для поддержания резервирования вдоль всего пути это сообщение должно периодически повторяться. В протоколе RSVP всего предусмотрено семь разных типов сообщений. Вообще RSVP превоначально предназначался для организации IP-телефонии. Если с помощью RSVP произведено резервирование всей полосы канала, никакая передача прочих данных через этот канал будет невозможна, пока хотя бы часть резервирований не будет отменена. Характер резервирования определяется спецификацией потока (flow spec). Если запрашивается лишь контроль загрузки, flow spec будет тождественна Tspec. Если же требуется гарантированный вид услуг, flow spec содержит Tspec и Rspec. Надо учитывать, что RSVP не очень удобен при работе с каналами малой пропускной способности. WFQ может начать работать, когда пакеты имеют разный приоритет. Существует 8 уровней приоритета (чем больше номер, тем выше приоритет):

Приоритеты управления

• Приоритет управления сетью (7)
• Приоритет управления Интернет = межсетевое управление (6)
• Критический приоритет (5)
• Экстренный приоритет (4)
• Немедленный приоритет (2)
• Предпочтительный приоритет (1)
• Ординарный приоритет (0)

Не ищите разъяснения смысла этих определений, его пока не существует... Значению 000 соответствует услуга наилучших усилий (best efforts). Архитектура intserv ориентирована на получение минимального временного разброса доставки при гарантии пропускной способности не ниже требуемой. Listserv предназначен для работы с приложениями, требующими низкой полосы и малых задержек (передача голоса или видео).

Дифференциальный вид услуг (DiffServ)

Дифференциальный вид услуг (RFC-2474 и RFC-2475) предполагает наличие определенного набора средств классификации и механизмов организации очередей, обеспечивающих работу с приоритетами. Дифференциальный вид услуг обычно предполагает использование 6-битового поля DSCP (DiffServ Code Point) и определяет по-шаговое поведение вируального канала PHB (Per Hop Behavior). PHB задается сервис-провайдером и определяется на основе кода в поле DSCP. Запись в поле DSCP обычно осуществляется на входе сети. Поле DS (Differentiated Services), где размещается DSCP, фактически замещает поле TOS (RFC-791) в IP-заголовке. Стандартизации значений поля DS пока не произведено. Любая сеть должна поддерживать, по крайней мере, два класса PHB. Express Forwarding PHB (экспрессная переадресация) относится к наивысшему уровню услуг, возможному в модели Diffserv. Здесь для обеспечения низких потерь, малого временного разброса и гарантированной полосы используется RSVP. Diffserv достаточно хорошо адаптируется для работы в каналах с малой пропускной способностью.

Методы и алгоритмы реализации QoS в разных средах

Компания CISCO разработала специальную технологию для обеспечения нужного уровня QoS - CISCO Content Networkig (транспортировка через сеть с учетом содержимого). В рамках этой технологии решается фундаментальная проблема - классификации транспортируемых пакетов с учетом содержимого их заголовков. Сетевые технологии стремительно усложняются. Раньше было достаточно определить приоритет для определенного адреса или для заданного протокола, теперь этого мало. Один и тот же пользователь с фиксированным IP может в одно и то же воемя реализовать через сеть передачу голоса, осуществлять поиск информации в WEB-сети и т.д., причем все это делать в рамках одного и того же протокола. Понятно, что эти задачи имеют разную значимость. Все это требует классификации трафика по большему числу параметров, чем адрес и протокол. Здесь следует учитывать динамическое присвоение кодов номера порта, которое усложняет распознавание приложений.

CISCO для решения этой проблемы в IP-среде разработала специальное средство, называемое NBAR (Network Based Application Recognition - распознавание приложения по сетевым параметрам). Техника NBAR применима только к такому трафику, который может быть переадресован с помощью технологии CEF (Cisco Express Forwarding). NBAR может классифицировать HTTP-трафик не только по адресам и номерам портов, но и по информации, содержащейся в URL (до 400 байт). Реально NBAR просматривает 512 байт (сюда помимо URL входят заголовки L2, L3, L4 и HTTP). В рамках NBAR предусматривается классификация субпортов. NBAR классифицирует HTTP-трафик по mime-типу или get-запросам. Предельное число одновременно обслуживаемых URL-ЭВМ или mime-типов не должно превышать 24. Анализ NBAR 400 байт URL-заголовка способствует уменьшению вероятности злоупотреблений сетевыми ресурсами. Здесь появляется возможность выявления неавторизованной пересылки пользователями больших файлов mp3 и пр.. NBAR может классифицировать TCP и UDP-протоколы, использующие стандартизованные номера портов, а также и прочие протоколы (например, маршрутные, ICMP, IPSec, IPINIP, Kerberos, IMAP/SIMAP, HTTPS, L2TP, LDAP, NETBIOS, RSVP, SNNTP, NTP, POP3/SPOP3, SFTP, SSH, X-Windows, SOCKS и т.д.).

Алгоритм NBAR

NBAR позволяет загружать в маршрутизатор шаблоны классификации в любой момент времени. Это осуществляется с помощью использования PDLM (Packet Description Language Module - модуль языка описания пакетов). PDLM копируется в флэш-память с консоли маршрутизатора или каким-то другим способом. Список поддерживаемых протоколов постоянно обновляется. Следует помнить, что NBAR сам по себе не обеспечивает QoS, а лишь выделяет определенный класс трафика из общего информационного потока. Раз трафик классифицирован, могут быть применены определенные механизмы для обеспечения определенного уровня сервиса. В перечень таких услуг входят:

• Минимальная гаранитрованная полоса на основе класса, определенного с помощью WFQ.
• Организация очередей с малой задержкой LLQ (Low Latency Queuing)
• Формирование политики трафика для ограничения загрузок
• Формирование трафика для избежания перегрузок.
• Исключение перегрузок, используя WRED (Weighted Random Early Detection)
• Пометка пакетов для использования архитектур diffserv или intserv
• Реализация WFQ (Flow-based Weighted Fair Queuing)

Использование NBAR для классификации 500 потоков потребует дополнительно 1 Мбайт памяти. В младших моделях маршрутизаторов, например 2600, применение NBAR займет до 15% мощности процессора. Это обстоятельство следует учитывать, если нужно обеспечить определенный уровень QoS, ведь это потребует дополнительной мощности процессора. Применение CEF потребует еще больше ресурсов процессора. NBAR не поддерживает трафик, отличный от IP. NBAR не может таже использоваться для VLAN, многоканальных PPP (multilink PPP).

Стандарт 802.1Q (Virtual Bridged Local Area Network)

В стандарте 802.1Q (Virtual Bridged Local Area Network) определен тип маркированного кадра путем введения метки, содержащей следующие поля:

Приоритеты доступа в LAN

Таблица 1. Выходной приоритет доступа для разных технологий LAN

Приоритет пользователя	Выходной приоритет для МАС-технологий
	802.3	802.4	802.5	802.6	802.11	802.12	FDDI
0	0	0	0	0	0	0	0
1	0	1	1	1	0	0	1
2	0	2	2	2	0	0	2
3	0	3	3	3	0	0	3
4	0	4	4	4	0	4	4
5	0	5	5	5	0	4	5
6	0	6	6	6	0	4	6
7	0	7	7	7	0	4	6

802.3	CSMA/CD
802.4	Token Bus
802.5	Token Ring
802.6	DQDB - Double Queue, Double Bus
802.11	Беспроводные локальные сети
802.12	100VGAnyLAN (с приоритетным запросом)
FDDI	Fiber Distributed Data Interface (token ring)

Параметр Access_priority используется в LAN для управления доступом со стороны других сетевых устройств (оконечных устройств и прочих переключателей), когда доступ к среде хотят получить несколько устройств.

Переключатель может быть сконфигурирован так, чтобы можно было поддеживать несколько очередей. Для определения относительного приоритета очередей вводится класс трафика, так чтобы кадры с высоким классом передавались раньше. Кадр низкого класса может быть передан, если очереди более высокого класса пусты. Документ IEEE 802.1D определяет соответствие между классами трафика и приоритетами пользователя.

Ниже перечислены типы трафика, начиная с высоко приоритетного:

• Управление сетью (7). Передача данных для поддержания сетевой инфраструктуры (кадры маршрутных протоколов).
• Голос (6). Критичен по задержке (< 10мсек) при интерактивных переговорах.
• Видео (5). Критичен по задержке (< 100мсек) при интерактивных видео обменах.
• Контролируемая нагрузка (4). Работа в ситуации некритической по задержке, но критической по потерям (например, деловой трафик, поточный трафик с резервированием).
• Максимальные усилия (3). Работа в ситуации некритической по задержке, но критической по потерям, но в условиях с меньшим приоритетом, чем контролируемая нагрузка. В случае информационной службы этот режим может использоваться для привилигированных клиентов.
• Наилучшие усилия (2). Это трафик обычный трафик LAN.
• Фоновый режим (0, Background). Массовые пересылки данных и любая другая активность, не влияющая негативно на работу остальных.

Восьмой тип (1) оставлен на будущее, он имеет приоритет выше фонового, но ниже наилучших усилий. Это означает, что в каждом из выходных портов формируется до 8 очередей. Ниже в табл. 2 перечислены рекомендуемые приоритнты пользователя для указанных выше классов трафика.

Таблица 2. Рекомендуемые приоритеты пользователя для существующих классов трафика

Приоритет пользователя	Число доступных классов трафика
	1	2	3	4	5	6	7	8
0 по умолчанию	0	0	0	1	1	1	1	2
1	0	0	0	0	0	0	0	0
2	0	0	0	0	0	0	0	1
3	0	0	0	1	1	2	2	3
4	0	1	1	2	2	3	3	4
5	0	1	1	2	3	4	4	5
6	0	1	2	3	4	5	5	6
7	0	1	2	3	4	5	6	7

Документ IEEE 802.1D предлагает установить соответствие между приоритетом пользователя =0 и классом трафика =2. Когда имеется 8 кодов класса трафика, то приоритету пользователя 1 и 2 ставится в соответствие код класса трафика 0 и 1, соответственно. В таблице 3 представлено соответствие классов трафика и числа очередей. Если реализуется только одна очередь, то все классы трафика реализуются через нее. Если имеется две очереди (вторая строка таблицы 3), рекомендуется отнести классы с кодами 7, 6, 5 и 4 к высоко приоритетной очереди, а остальные - низко приоритетной. В нижней строке табл. 3 представлены значения кода приоритета пользователя.

Рекомендуемое число очередей для разных классов трафика

Таблица 3. Рекомендуемое число очередей для разных классов трафика

Число очередей	Типы трафика
1	BE (EE,BK,Vo,CL,VI,NC)
2	BE(EE,BK)				VO(CL,VI,NC)
3	BE(EE,BK)				CL(VI)		VO(NC)
4	BK		BE(EE)		CL(VI)		VO(NC)
5	BK		BE(EE)		CL	VI	VO(NC)
6	BK		BE	EE	CL	VI	VO(NC)
7	BK		BE	EE	CL	VI	VO	NC
8	BK	-	BE	EE	CL	VI	VO	NC
Приоритет пользователя	1	2	0	3	4	5	6	7

Надписи полужирным шрифтом относятся к типу трафика, который определяет типы классов.