Характеристики производительности сетевого соединения

Внедрение механизмов QoS предполагает обеспечение со стороны сети соединения с определенными ограничениями по производительности. Основными характеристиками производительности сетевого соединения являются полоса пропускания, задержка, дрожание и уровень потери пакетов.

Полоса пропускания

Термин полоса пропускания (bandwidth) используется для описания номинальной пропускной способности среды передачи информации, протокола или соединения.

Как правило, каждое соединение, нуждающееся в гарантированном качестве обслуживания, требует от сети резервирования минимальной полосы пропускания. К примеру, приложения, ориентированные на передачу оцифрованной речи, создают поток информации интенсивностью 64 Кбит/с. Эффективное использование таких приложений становится практически невозможным вследствие снижения полосы пропускания ниже 64 Кбит/с на каком-либо из участков соединения.

Задержка при передаче пакета (packet delay), или латентность (latency), на каждом переходе состоит из задержки сериализации, задержки распространения и задержки коммутации. Ниже приведены определения каждого из названных выше типов задержки.

Задержка сериализации (serialization delay). Время, которое требуется устройству на передачу пакета при заданной ширине полосы пропускания. Задержка сериализации зависит как от ширины полосы пропускания канала передачи информации, так и от размера передаваемого пакета. Например, передача пакета размером 64 байт при заданной полосе пропускания 3 Мбит/с занимает всего лишь 171 нc. Обратите внимание, что задержка сериализации очень сильно зависит от полосы пропускания: передача того же самого пакета размером 64 байт при заданной полосе пропускания 19,2 Кбит/с занимает уже 26 мс. Довольно часто задержку сериализации называют еще задержкой передачи (transmission delay).

Задержка распространения (propagation delay). Время, которое требуется переданному биту информации для достижения принимающего устройства на другом конце канала. Эта величина довольно существенна, поскольку в наилучшем случае скорость передачи информации соизмерима со скоростью света. Задержка распространения зависит от расстояния и используемой среды передачи информации, а не от полосы пропускания. Для линий связи глобальных сетей задержка распространения измеряется в миллисекундах. Для трансконтинентальных сетей Соединенных Штатов характерна задержка распространения порядка 30 мс.

Задержка коммутации (switching delay). Время, которое требуется устройству, получившему пакет, для начала его передачи следующему устройству. Как правило, это значение меньше 10 нс.

Обычно каждый из пакетов, принадлежащий одному и тому же потоку трафика, передается с различным значением задержки. Задержка при передаче пакетов меняется в зависимости от состояния промежуточных сетей.

Если сеть не испытывает перегрузки, то пакеты не ставятся в очередь в маршрутизаторах, а общее время задержки при передаче пакета состоит из суммы задержки сериализации и задержки распространения на каждом промежуточном переходе. В этом случае можно говорить о минимально возможной задержке при передаче пакетов через заданную сеть. Следует отметить, что задержка сериализации становится незначительной по сравнению с задержкой распространения при передаче пакета по каналу с большой пропускной способностью.

Если же сеть перегружена, задержки при организации очередей в маршрутизаторах начинают влиять на общую задержку при передаче пакетов, и приводят к возникновению разницы в задержке при передаче различных пакетов одного и того же потока. Колебание задержки при передаче пакетов получило название джиттер-пакетов (packet jitter).

Данный параметр имеет большую важность, поскольку именно он определяет максимальную задержку при приеме пакетов в конечном пункте назначения. Принимающая сторона, в зависимости от типа используемого приложения, может попытаться компенсировать дрожание пакетов за счет организации приемного буфера для хранения принятых пакетов на время, меньшее или равное верхней границе дрожания. К этой категории относятся приложения, ориентированные на передачу/прием непрерывных потоков данных, например IP-телефония или приложения, обеспечивающие проведение видеоконференций.

Потеря пакетов

Уровень потери пакетов (packet loss) определяет количество пакетов, отбрасываемых сетью во время передачи. Основными причинами потери пакетов являются перегрузка сети и повреждение пакетов во время передачи по линии связи. Чаще всего отбрасывание происходит в местах перегрузки, где число поступающих пакетов намного превышает верхнюю границу размера выходной очереди. Кроме того, отбрасывание пакетов может быть вызвано недостаточным размером входного буфера. Как правило, уровень потери выражается как доля отброшенных пакетов за определенный интервал времени.

Некоторые приложения неспособны нормально функционировать или же функционируют крайне неэффективно в случае потери пакетов. Подобные приложения требуют от сети гарантии надежной доставки всех пакетов.

Как правило, хорошо спроектированные сети характеризуются очень низким значением потери пакетов. Потеря пакетов также несвойственна приложениям, для которых были заранее зарезервированы требуемые этими приложениями ресурсы. Что касается волоконно-оптических линий связи со значением частоты появления ошибочных битов (Bit Error Rate – BER) 10е-9, то здесь потеря пакетов возможна только в случае их отбрасывания в местах перегрузки сети. Отбрасывание пакетов, к сожалению, является неизбежным явлением при негарантированной доставке трафика, хотя и в этом случае оно обусловливается крайней необходимостью.

Технология ATM с самого начала разрабатывалась для транспорта различных видов нагрузки, в том числе телефонной, и в нее были заложены средства обеспечения QoS. Технология же IP была создана для негарантированной доставки данных, поэтому требует для обеспечения QoS некоторых дополнительных механизмов, особенно для транспорта трафика реального времени, в том числе телефонного. Однако на сегодняшний день, как показывает анализ общемировых тенденций в развитии телекоммуникаций, технология IP является более перспективной. Это подтверждается и результатами испытаний оборудования Softswitch различных производителей в Технопарке ЦНИИС, которые показали, что оборудование Softswitch большинства производителей ориентировано на применение в среде IP. Исходя из указанных обстоятельств, ниже более подробно будет рассмотрено обеспечение QoS в транспортных сетях IP.

В соответствии с Рекомендацией МСЭ-Т I.380/Y.1540 основными параметрами, характеризующими QoS в сетях IP, являются:

· задержка переноса пакетов;

· вариация задержки пакетов (джиттер);

· коэффициент потери пакетов;

· коэффициент ошибок по пакетам.

Последний параметр зависит в основном от используемых на физическом уровне сети систем передачи, и проблем с ним, как правило, не возникает. Механизмы обеспечения QoS в сетях IP направлены на улучшение первых трех из указанных параметров. Именно они и являются основными характеристиками транспортной сети, определяющими качество передачи речи (рис. 4.1). Эти же параметры, как правило, используются и в соглашениях об уровне обслуживания (Service Level Agreement — SLA ), предлагаемых ведущими операторами своим клиентам.

Рис. 4.1. Взаимовлияние факторов, определяющих качество передачи речи

Категории и классы качества передачи речи

Документ ETSI TS 102 024 – 2, разработанный в рамках проекта TIHPON (Release 5, сентябрь 2003 г.), определяет три класса качества:

· широкополосный (wideband), обеспечивающий пользователям качество лучшее, чем в ТфОП. Он требует использования широкополосных кодеков (обрабатывающих аналоговые сигналы с полосой более 3,1 кГц) и сетей IP, спроектированных в соответствии с требованиями QoS ;

· узкополосный (narrowband), обеспечивающий пользователям качество, подобное ТфОП. Он требует использования спроектированных в соответствии с требованиями QoS сетей IP;

· негарантированный (best effort), предоставляющий пригодные для использования услуги, но без гарантий на характеристики соединения. Могут быть периоды значительного ухудшения качества речи и большие задержки из конца в конец, которые отрицательно влияют на общую диалоговую интерактивность. Этот класс качества обеспечивается в сетях IP, разработанных без учёта требований QoS, например, общедоступного Интернета.

Широкополосный и узкополосный классы обеспечивают гарантии характеристик для 95% всех соединений.

Узкополосный класс делится на три подкласса:

· высокий (high), обеспечивающий качество, эквивалентное тому, которое предоставляется услугами ЦСИС;

· средний (medium), обеспечивающий качество, эквивалентное тому, которое предоставляется услугами беспроводной мобильной телефонии в условиях хорошей радиосвязи, например в сетях GSM, использующих кодеки EFR, или системами, использующими кодеки по Рекомендации МСЭ-Т G.726 на скорости 32 Кбит/с;

· приемлемый (acceptable), обеспечивающий качество, эквивалентное тому, которое предоставляется обычными услугами беспроводной мобильной телефонии, например в сетях GSM, использующих кодеки FR, или системами, включающими геостационарные спутники.

Каждый из вышеуказанных классов определяется тремя характеристиками:

· общим рейтингом качества передачи (R);

· качеством речи, воспринимаемым слушателем (качество односторонней неинтерактивной передачи речи из конца в конец);

· задержкой из конца в конец (средней односторонней).

Значения этих характеристик для каждого из классов качества приведены в следующей таблице.

Услуга телефонной связи сети общего пользования должна обеспечивать пользователям качество передачи речи, соответствующее наилучшей и высокой категориям по Рекомендации МСЭ-Т G.109 или широкополосному и узкополосному высокому классам по ETSI TS 102 024 – 2.

Качество из конца в конец, соответствующее средней категории или узкополосному среднему классу, может предоставляться при соединениях с абонентами сетей подвижной связи или корпоративным клиентам при наличии с ними соответствующих договоров. Более низкое качество в телефонных сетях общего пользования допускаться не должно.