Обеспечение гарантированного QoS (Quality of Service, Качества Обслуживания)

Имеется ряд задач, критичных к условиям работы - при ухудшении условий работы система просто не обеспечивает требуемых функций. Основных критериев качества работы сети два:

Скорость передачи (она же ширина полосы пропускания). Обычно при подключении к сети пользователь предполагает, что сможет передавать определенный объем информации за разумное время. Если сеть не может передавать столько данных, сколько нужно пользователю, то ему либо придется смириться, либо искать другое подключение.

Время отклика (задержка при передаче данных). При работе "в реальном времени" требуется, чтобы информация не утрачивала актуальности за то время, пока она передается по сети. Иногда запаздывание можно частично компенсировать экстраполяцией поведения управляемой системы; иногда можно перенести часть вычислений "поближе к месту событий", но это действует в ограниченных пределах, так что для ряда задач задерки в сети очень критичны. К числу таких задач относятся:

- управление технологическими процессами;

- аудио/видео-конференции, в т.ч. и IP-телефония;

- интерактивные игры по сети - Quake, War/StarCraft, Ultima OnLine, ...

Эти два параметра не очень связаны между собой - например, при увеличении расстояния между взаимодействующими элементами растет задержка, но почти не страдает пропускная способность сети. Активность других участников сети наоборот, снижает пропускную способность, а задержку увеличивает только когда загрузка сети приближается к максимальной.

Сеть, гарантирующая качество сервиса, обладает рядом особенностей:

- каждый участок сети должен обеспечивать гарантированное качество сервиса, т.е. быть либо выделенным каналом, либо виртуальным каналом в сети, обеспечивающей гарантированное качество сервиса;

- пропускная способность каналов должна быть такой, чтобы её хватило для всех пользователей, если они одновременно захотят получить от сети все, что им гарантировано;

- все промежуточные устройства, сочленяющие каналы (хабы, коммутаторы, маршрутизаторы, мосты, посредники - обычно используется название "коммутатор"), должны поддерживать сессию, для которой обеспечивается качество сервиса:

- при гарантировании скорости передачи каждый коммутатор должен распределить имеющуюся пропускную способность канала между сессиями и в первую очередь передавать сообщения сессий, которые не исчерпали гарантированной им пропускной способности;

- при гарантировании времени отклика все коммутаторы, заключившие сессию, должны договориться о том, какую задержку каждый из них может себе позволить (очевидно, суммарная задержка не должна превышать гарантированной), и при отправке каждого сообщения ему указывается контролькое время, не позже которого он должен пройти каждый коммутатор, а тот должен в первую очередь отправлять те сообщения, контрольное время которых вот-вот истечет (из-за сложности этого механизма время отклика гарантируют только в очень коритичных к этому случаях).

При "падении" одного из каналов по пути следования сообщений сессию приходится устанавливать заново по альтернативному маршруту (если таковой имеется), а в момент переустановки сессии никаких гарантий не соблюдается, так что в сетях с гарантированным качеством сервиса отсутствует такой полезный механизм, как балансировка загрузки путем динамического изменения таблиц маршрутизации. Неэффективное использование имеющихся ресурсов является необходимой платой за предоставление гарантий, и каждый сам должен решить, стОит ли оплачивать избыточные (незадействуемые) ресурсы ради гарантий качества обслуживания.

Выделенный канал (эта номинация отсутствует в других разделах, а здесь введена для лучшего понимания проблемы) дает фиксированную пропускную способность и задержку, причем задержка, как правило, очень мала по сравнению с другими сетями. Оборотной стороной этого является невозможность использовать канал под другие нужды в те моменты, когда владелец не передаёт по каналу никаких данных - поэтому часто сеть коллективного пользования при тех же (или худших, но вполне устраивающих пользователя) параметрах обходится намного дешевле.

В простейших локальных сетях оказывается дешевле обеспечить такую пропускную способность, чтобы хватило всем, чем ставить устройства, способные гарантировать качество обслуживания. Если выясняется, что какие-то задачи узурпируют пропускную способность сети и мешают выполняться критически выжным задачам, администратор может

- волевым решением запретить выполнение задач, способных помешать критически важным процессам;

- перенести выполнение жадных до пропускной способности сети задач на безопасное для критически важных процессов время;

- заменить программы на аналогичные, но способные ограничить свой трафик безопасным для критически важных задач уровнем;

- изменить топологию сети так, чтобы обеспечить критически важным задачам свободные от "узурпаторов" каналы.

Способность обеспечить соответствующие условия критически важным процессам определяются топологией сети и методом доступа к среде передачи (полосе пропускания):

- в сетях с контролем несущей и обнаружением коллизий (Ethernet, Econet) практически невозможно предоставить кому-то приоритет - в протоколах сети нет способа, которым машина с приоритетом могла бы сообщить другим о возникшей у неё необходимости передать данные;

- сети с передачей маркера (TokenRing, Arcnet, ИОЛА) обеспечивают более равномерное распределение пропускной способности между нуждающимися в ней машинами; в TokenRing есть способ назначать приоритеты, когда данные критически важных процессов могут передаваться вне очереди;

- централизованное распределение доступа к сети (Switched Ethernet, ATM) позволяет предоставить критически важным процессам отдельные каналы; а вообще, современные тенденции ведут к появлению в локальных сетях гарантированного качества сервиса (хотя в локальных сетях есть более дешёвые методы предотвращения узурпации пропускной способности).

Территориальные сети были созданы как раз для замены выделенных каналов, поэтому в основе протоколов лежит предоставление гарантированного качества сервиса при том, что можно получить и лучшее качество за счет незадействованых другими пользователями ресурсов. С другой стороны, расходы на поддержание инфраструктуры, обеспечивающей гарантированное качество сервиса, столь велики, что некоторые владельцы территориальных сетей отказываются от гарантий качества сервиса, и пользователей это устраивает из-за низкой цены.

Предоставление гарантированного качества сервиса в глобальной сети затруднено из-за большого размера сети и отсутствия в ней единого хозяина, а также из-за наличия в глобальных сетях большого количества малообеспеченных пользователей, которым низкая цена важнее гарантий.