Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум

этом разделе мы продолжим разговор о производительности сети с акцентом на методах обеспечения качества обслуживания, отвечающего требованиям конкретных приложений. Уже долгое время в данной области интернета происходят значительные изменения. В последнее время важную роль приобретает QoE (Quality of Experience — качество пользовательского опыта), поскольку в конечном итоге важен лишь полученный пользователем опыт взаимодействия, а у разных приложений пороговые значения и требования к производительности сети могут сильно различаться. Все большее внимание уделяется способам оценки QoE, когда для наблюдения доступен только зашифрованный сетевой трафик.

5.4.1. Требования приложений к QoS

Последовательность пакетов, передающихся от источника к получателю, называется потоком (flow) (Кларк; Clark, 1988). При этом в сетях, ориентированных на установление соединения, его могут составлять все пакеты канала, а в сетях без установления соединения — все пакеты, отправленные от одного процесса к другому. Каждый поток требует определенных условий, которые можно охарактеризовать четырьмя основными параметрами: пропускная способность, задержка, джиттер и потери. Все вместе они формируют необходимый потоку QoS (Quality of Service — качество обслуживания).

Некоторые часто используемые приложения и их требования к сети приведены в таблице на илл. 5.27. Следует отметить, что требования приложений более строгие, чем требования к сети, так как в некоторых случаях приложение может само улучшить уровень обслуживания, предоставленный сетью. В частности, для надежной передачи файлов сеть не обязана работать без потерь, а время задержки не должно быть одинаковым при передаче пакетов аудио и видео. Потери можно компенсировать за счет повторной передачи, а для сглаживания джиттера можно сохранять пакеты в буфере получателя. Но при слишком низкой пропускной способности или слишком большой задержке приложения бессильны.

Приложение

Пропускная способность (bandwidth)

Задержка (delay)

Джиттер (jitter)

Потери (loss)

Электронная почта

Низкая

Низкая

Низкая

Средняя

Передача файлов

Высокая

Низкая

Низкая

Средняя

Веб-доступ

Средняя

Средняя

Низкая

Средняя

Удаленный доступ

Низкая

Средняя

Средняя

Средняя

Аудио по запросу

Низкая

Низкая

Высокая

Низкая

Видео по запросу

Высокая

Низкая

Высокая

Низкая

Телефония

Низкая

Высокая

Высокая

Низкая

Видеоконференции

Высокая

Высокая

Высокая

Низкая

Илл. 5.27. Строгость требований приложений к QoS

У приложений могут быть разные требования к пропускной способности: для электронной почты, аудио в различных форматах и удаленного доступа они незначительны, тогда как передача файлов и видео в любых формах требует больших ресурсов.

С задержкой дело обстоит иначе. Приложения передачи файлов, включая электронную почту и видео, нечувствительны к задержкам. Даже если все пакеты будут доставляться с задержкой в несколько секунд, ничего страшного не произойдет. Интерактивные приложения — например, веб-поиска или удаленного доступа — более критичны к задержкам. Что касается приложений, работающих в реальном времени, их требования очень строги. Если при телефонном разговоре все слова собеседников будут приходить с большой задержкой, пользователи сочтут такую связь неприемлемой. С другой стороны, проигрывание видео- или аудиофайлов, хранящихся на сервере, допускает наличие некоторой задержки.

Колебание (то есть стандартное отклонение) времени задержки или времени прибытия пакета называется джиттером (jitter). Первые три приложения на илл. 5.27 спокойно отнесутся к неравномерной задержке доставки пакетов. При организации удаленного доступа этот фактор имеет большее значение, поскольку при сильном джиттере обновления экрана будут происходить скачками. Видео- и особенно аудиоданные крайне чувствительны к джиттеру. Если пользователь смотрит видео по сети и все фреймы приходят с задержкой ровно 2,000 с, проблем не возникнет. Но если время передачи колеблется от 1 до 2 с и приложению не удается скрыть джиттер, результат будет просто ужасен. При прослушивании звукозаписей заметен джиттер даже в несколько миллисекунд.

Первые четыре приложения на илл. 5.27 предъявляют высокие требования к потерям, так как для них (в отличие от аудио и видео) важен каждый бит информации. Обычно потерянные пакеты передаются транспортным уровнем повторно. Однако это неэффективно; было бы лучше, если бы сеть отвергала те пакеты, которые, скорее всего, будут утеряны. Для аудио- и видеоприложений потеря пакета не всегда требует повторной передачи: короткие паузы и пропущенные фреймы могут остаться незамеченными.

Чтобы удовлетворить требования различных приложений, сеть может предлагать разные категории QoS. Яркий пример — сети ATM, которые когда-то считались перспективными, но впоследствии стали нишевой технологией. Они поддерживают:

1. Постоянную битовую скорость (например, телефония).

2. Переменную битовую скорость в реальном времени (например, передача сжатых видеоданных во время видеоконференций).

3. Переменную битовую скорость не в реальном времени (например, просмотр фильмов по запросу).

4. Доступную битовую скорость (например, передача файлов).

Такое разбиение по категориям может пригодиться для иных целей и в других сетях. Постоянная битовая скорость — это попытка имитации проводной сети путем предоставления фиксированной пропускной способности и равномерной задержки. Битовая скорость может быть переменной, к примеру, при передаче сжатого видео, когда одни фреймы сжимаются в большей степени, чем другие. Для передачи видеокадра, содержащего множество деталей, может потребоваться много битов, тогда как видеокадр, запечатлевший белую стену, сожмется очень хорошо. Фильмы по запросу на самом деле проигрываются не в реальном времени: часто несколько секунд видеозаписи буферизуется на стороне получателя. Поэтому джиттер всего лишь приводит к колебаниям полученного объема видео, но не мешает его просмотру. Доступная битовая скорость подходит для электронной почты и других подобных приложений; они нечувствительны к задержкам и джиттеру и используют столько пропускной способности, сколько возможно.

5.4.2. Избыточное обеспечение

Существует простой способ предоставления QoS высокого уровня — создание сети с пропускной способностью, позволяющей передавать любой трафик. Этот метод называется избыточным обеспечением (overprovisioning). Такая сеть сможет передавать трафик приложений без особых потерь, а при хорошей схеме маршрутизации пакеты будут доставляться с низкой задержкой. Этим ограничиваются преимущества такого алгоритма с точки зрения производительности. В какой-то мере телефонная сеть является системой с избыточным обеспечением. Ситуация, когда абонент поднимает трубку и не слышит гудка, маловероятна. Дело в том, что в систему заложена настолько большая пропускная способность, что превысить ее тяжело.

Единственная проблема — такой способ обходится очень дорого. Конечно, ее можно решить путем крупных финансовых вливаний. Но с тем же успехом сеть с более низкой пропускной способностью может удовлетворить требования приложений при меньших затратах благодаря механизмам QoS. Более того, избыточное обеспечение основывается на данных об ожидаемом трафике. Ситуация кардинально меняется, если схема трафика слишком сильно отличается от предполагаемой. С помощью QoS сеть может выполнить свои обязательства даже при резком увеличении объема трафика за счет отклонения некоторых запросов.

Чтобы обеспечить QoS, необходимо ответить на следующие вопросы.

1. Что приложениям нужно от сети?

2. Как регулировать трафик, поступающий в сеть?

3. Как зарезервировать ресурсы на маршрутизаторах, необходимые для обеспечения производительности?

4. Может ли сеть принять больший объем трафика?

Ни