Кузьменко Н.Г. Коммутаторы и IP телефония

Подождите немного. Документ загружается.

тетной очерёдности каждый пакет помещается в одну из четырех очередей, в

зависимости от присвоенного ему приоритета – высокого, среднего, нормаль-

ного или низкого. Пакеты, не классифицированные по этой системе, попада-

ют в нормальную очередь (рис.9.5). При передаче абсолютное предпочтение

отдаётся очередям высшего приоритета по сравнению с очередями низкого

приоритета.

Настраиваемая очерёдность обеспечивает гарантированную мини-

мальную полосу пропускания совместно работающим приложениям в сети в

потенциальной точке перегрузки, предоставляя каждому виду потоку пакетов

фиксированную часть доступной полосы пропускания. В таких средах полоса

пропускания пропорционально разделяется между приложениями и пользова-

телями, а остаток распределяется между другими типами пакетов. Каждому

классу пакетов в настраиваемой очереди отводится определённая часть, после

чего очередь обслуживается циклически (рис.9.6).

Алгоритм очерёдности размещает сообщения в одной из 17 очередей

(очередь 0 предназначена для системных сообщений и освобождается по

взвешенному приоритету). Маршрутизатор обслуживает очереди с 1 по 16 по

кругу, извлекая в течение каждого цикла определённое количество пакетов из

каждой очереди. Такой подход гарантирует, что никакое приложение (или

несколько приложений) не получит больше заранее определённой части поло-

162

Классовые очереди

Классифи-

катор

Входные

пакеты

Очередь

передачи

Взвешенный цикл

(счётчик бат)

Классификация по:

- протоколу

- входному порту

Управление ресурсами буфера

Выделение полосы пропускания

по приоритету источника

Рис. 9.6. Алгоритм настраиваемой очерёдности

Свыше 16

1/10

3/10

2/10

3/10

Степень

использования

канала

сы пропускания, если канал загружен. Очерёдность настраивается статически

и не может автоматически адаптироваться к изменениям условий в сети.

Потоковая взвешенная справедливая очередность позволяет созда-

ние равноправных потоков. Она применяется в тех случаях, когда желательно

обеспечить быстрый отклик, как для крупных, так и для мелких сетевых поль-

зователей, не увеличивая полосу пропускания. Это одна из главных техноло-

гий очередности, используемых Cisco представляющая собой потоковый ал-

горитм очерёдности, который устанавливает "битовое равенство": он обслу-

живает равное количество байт из каждой очереди. Например, если в очереди

номер 1 находятся 100 байтные пакеты, а в очереди номер 2 – 50 байтные, то

по алгоритму потоковой взвешенной справедливой очерёдности из второй

очереди будут выбираться по два пакета, а из первой – по одному. Таким об-

разом, все очереди обслуживаются одинаково, каждый раз из них выбирается

по 100 байт.

Алгоритм потоковой взвешенной справедливой очерёдности исключает

нехватку полосы пропускания для очередей и обеспечивает предсказуемое

обслуживание трафика. Потоки с низким трафиком (а таких большинство) об-

служиваются интенсивнее, передавая столько же байт, сколько потоки с вы-

163

Выбор количества

потоковых очередей

Классифи-

катор

Входные

пакеты

Очередь передачи

Взвешенное справедливое

распределение

Классификация по:

- адресам источника и

приёмника

- протоколу

- идентификатору сеанса

Управление ресурсами буфера

Выделение полосы пропускания

в равных пропорциях

Рис. 9.7. Алгоритм потоковой взвешенной справедливой очерёдности

соким трафиком. Это приводит к так называемому режиму благоприятствова-

ния для низкого трафика, но в действительности просто является установле-

нием равноправия (рис.9.7).

Алгоритм потоковой взвешенной справедливой очерёдности создаёт

потоки на основе ряда следующих характеристик пакета: адреса источника и

приёмника, номера разъёмов маршрутизатора и идентификаторы сеанса. Каж-

дому потоку (называемому также диалогом) предоставляется отдельная оче-

редь для буферизации в случае перегрузки.

Эффективность потоковой взвешенной справедливой очерёдности за-

ключается в возможности использования любой доступной полосы пропуска-

ния, для передачи пакетов из потоков с низким приоритетом, если потоки с

высоким приоритетом отсутствуют. В этом алгоритм потоковой взвешенной

справедливой очерёдности коренным образом отличается от обычной мульти-

плексной передачи с разделением времени, где полоса пропускания просто

делится и, если трафик определенного типа отсутствует, не используется.

Алгоритм потоковой взвешенной справедливой очерёдности распознает

приоритеты пакетов и обрабатывает их быстрее, обеспечивая уменьшенное

время отклика. Поле приоритета принимает значения от 0 (по умолчанию) до

7 (6 и 7 зарезервированы и обычно не устанавливаются сетевым администра-

тором). Чем выше приоритет, тем скорее обслуживается поток и тем большую

полосу пропускания выделяет алгоритм для данного потока пакетов, чтобы

обеспечить ему ускоренное обслуживание в случае перегрузки.

Он также решает задачи переменной задержки, связанной с подтвер-

ждением приема сигнала. Если присутствует несколько интенсивных пото-

ков, то скорости передачи и время между поступлением пакетов становятся

гораздо более предсказуемыми. Это достигается за счёт битового равнопра-

вия. Если потоки обслуживаются последовательно, циклически, то колебание

задержки (дребезг) стабилизируется. Результатом является более предсказуе-

мая производительность и время отклика для каждого активного потока.

Классовая взвешенная справедливая очередность позволяет сетево-

му администратору создавать классы с гарантированной минимальной поло-

сой пропускания. Вместо организации очереди для каждого потока создается

класс, состоящий из одного или нескольких потоков. Каждому классу гаран-

тируется минимальная полоса пропускания. Такой подход обеспечивает не-

возможность подавления одного потока с высоким приоритетом несколькими

потоками с низким приоритетом. Например, поток видео, требующий полови-

ну полосы пропускания, получит её при использовании потоковой взвешен-

ной справедливой очередности, только если потоков будет всего два. По мере

добавления новых потоков поток видео будет получать меньшую часть поло-

сы пропускания, поскольку алгоритм потоковой взвешенной справедливой

очередности является равноправным.

Для обеспечения необходимой полосы пропускания сетевой админи-

стратор определяет класс, помещает в него видеопоток и даёт команду марш-

164

рутизатору предоставить ему половину полосы пропускания. Теперь видеопо-

току предоставлена необходимая полоса пропускания. Для остальных пото-

ков используется основной класс. Он обслуживается по потоковым схемам,

распределяющим остаток полосы пропускания между потоками.

Кроме того, классовая взвешенная справедливая очередность позволяет

назначить приоритетную очередь – очередь с малой задержкой. Использова-

ние очереди с малой задержкой позволяет обслуживать класс как очередь со

строго определённым приоритетом. Трафик этого класса обслуживается рань-

ше остальных классов. Производится резервирование определённой части по-

лосы пропускания. Любой трафик сверх этой полосы пропускания отбрасыва-

ется.

Классовая взвешенная справедливая очередность позволяет зарезерви-

ровать для определённого класса минимальную полосу пропускания. Если до-

ступна большая полоса пропускания, класс может её использовать. Но в лю-

бом случае ему гарантирована минимальная полоса пропускания. Если же

класс не использует гарантированную ему полосу пропускания, её могут за-

нять другие приложения.

165

Входные

пакеты

Очередь передачи

Планировщик FIFO

Отбрасывание по:

- средней глубине очереди

- IP приоритету

- сеансу

Управление ресурсами буфера Средства перегрузки канала

Рис. 9.8. Алгоритм случайного раннего обнаружения

Отбрасы-

вание

Пропустить

Отбросить

9.3. Управление очередями

Устранение перегрузки является формой управления очередями. Мето-

ды устранения перегрузок контролируют интенсивность сетевого трафика и

стремятся предотвращать и избегать перегрузок в типичных "узких местах"

сети, в отличие от методов управления перегрузкой, которые берут на себя

контроль перегрузки после того, как она произойдет. Основным средством по

устранению перегрузок является взвешенное случайное раннее выявление.

Цель алгоритма случайного раннего обнаружения – избегать перегрузок

в объединенных сетях прежде, чем возникнут проблемы. Они следят за ин-

тенсивностью трафика в контрольных точках сети и случайным образом от-

брасывают пакеты в случае возрастания нагрузки. Результатом отбрасывания

является то, что источник обнаруживает отброшенные пакеты и замедляет его

передачу. Первоначально алгоритм случайного раннего обнаружения предна-

значался для протокола ТСР в IP средах. Он обеспечивает возможность прио-

ритетной обработки более скоростных пакетов, позволяет избирательно от-

брасывать пакеты с низким приоритетом, когда интерфейс начинает перегру-

жаться и обеспечивает дифференцированные параметры производительности

для разных классов обслуживания (рис.9.8).

166

Классифи-

катор

Входные

пакеты

Очередь передачи

Взвешенная равноправная

очерёдность

Классификация по:

- адресам источника и

приёмника

- протоколу

- идентификатору сеанса

Фрагментация пакетов

Фрагментированные кадры

чередуются с кадрами,

чувствительными ко времени

Рис. 9.9. Разбиение крупных пакетов на медленном канале

Большой

пакет

Речь по IP

Фрагментация

В каждой очереди есть возможность разместить определённое количе-

ство пакетов. Переполнение очереди может привести к отбрасыванию послед-

них пакетов. Это весьма нежелательно, поскольку отброшенные пакеты могут

иметь высокий приоритет, а маршрутизатор не сможет поместить их в оче-

редь. Если очередь не заполнена, маршрутизатор определяет приоритет по-

ступающих пакетов, отбрасывает пакеты с низким приоритетом и пропускает

пакеты с высоким приоритетом. Контролируя заполненность очереди (коли-

чество пакетов в ней) путём отбрасывания тех или иных пакетов, маршрути-

затор делает всё возможное, чтобы избежать переполнения очереди и отбра-

сывания последних пакетов. Это позволяет маршрутизатору отобрать пакеты

с минимальным уровнем порога приоритета для каждого уровня, которые

можно отбросить в случае заполнения очереди и избежать общей перегрузки

в объединенной сети.

Рассмотрим следующий пример. Глубина очереди 21 пакет Минималь-

ный порог отбрасывания для приоритета – 0 равен 22, а минимальный порог

отбрасывания для приоритета 1 – 22. Поскольку минимальный порог отбра-

сывания для приоритета, равного 0, превышен, пакеты с нулевым приорите-

том могут быть отброшены. Но минимальный порог отбрасывания для прио-

ритета, равного 1, превышен не был, так что эти пакеты отброшены не будут.

Если глубина очереди превысит 22, то пакеты с приоритетом, равным 1, так-

же могут быть отброшены. При превышении максимального порога все паке-

ты отбрасываются.

9.4. Механизмы повышения эффективности канала

Повысить эффективность канала можно двумя способами, организовав

фрагментацию пакетов с чередованием и сжатие заголовков протоколов.

Фрагментация и чередование пакетов. Голосовой поток очень чув-

ствителен к повышенной задержке (латентности) и дребезгу, когда сеть обра-

батывает большие пакеты, особенно если они поставлены в очередь медлен-

ного канала. Сократить задержку и дребезг на медленных каналах возможно

путём разбиения крупных и чередования получившихся пакетов меньшего

размера с пакетами с низкой задержкой (рис.9.9).

Этот метод был специально разработан для низкоскоростных каналов,

где задержки разбиения достаточно велики.

Сжатие заголовков RTP.Транспортный протокол реального времени

RTP – это протокол для передачи между узлами по IP сетям трафика новых

мультимедийным приложений, в том числе пакетированных аудио- и видео-

данных. Транспортный протокол реального времени обеспечивает сквозную

передачу информации для приложений, требующих обмена данными в реаль-

ном времени, таких как аудио, видео и данных моделирования по одиночному

167

адресу или по группе адресов. Благодаря сжатию заголовка эффективность

многих новых мультимедийных приложений и приложений, передающих

звук по IP сетям, повышается, в особенности на медленных каналах. Схема

сжатия заголовка показана на рис.9.10.

Пакет RTP со сжатыми данными аудио приложений имеет заголовок

размером в 40 байт и, как правило, от 20 до 150 байт полезной нагрузки. Учи-

тывая размер комбинированного заголовка IP/UDP/RTP, неэффективно пере-

давать несжатый заголовок. Сжатие заголовка RTP позволяет этому протоко-

лу действовать более эффективно, особенно на низкоскоростных каналах,

путём сжатия заголовка с 40 до 2 – 5 байт. Это особенно выгодно для не-

больших пакетов (таких, как речевой IP трафик) на медленных каналах, когда

сжатие заголовка может значительно снизить объём управляющих сигналов и

задержку передачи.

9.5. Протокол RSVP

Протокол резервирования ресурсов RSVP – это протокол управления

сетью, позволяющий Internet приложениям использовать различное качество

обслуживания для разных потоков данных. Требуемая скорость обработки

данных сетью зависит от приложения. Некоторые приложения, в том числе

традиционные интерактивные и пакетные, нуждаются в надёжной доставке

данных, но не предъявляющих строгих требований к её своевременности. Бо-

лее новые типы приложений, такие как видеоконференции, IP-телефония и

другие мультимедийные, требуют обратного – данные должны доставляться

вовремя, но не обязательно с гарантией. Протокол RSVP предназначен для

обеспечения в IP сетях возможности выполнять различные требования по

производительности, предъявляемые разными типами приложений.

168

IP UDP RTP IP данные

20 8 12

IP данные

VoIP 20 байт - 240%

SOL 256 байт - 13%

FTP 1500 байт - 2,3%

Полезная нагрузка

Сокращение

размеров пакета*

*Плюс дополнительное сокращение задержки

разбиения на - 5 мс на каждые 64 Кбит/с

Рис. 9.10. Сжатие заголовка транспортного протокола реального времени

Важно отметить, что протокол RSVP не является протоколом маршру-

тизации. Он работает совместно с протоколами маршрутизации и создаёт

вдоль маршрутов, вычисляемых при помощи последних, эквиваленты

списков динамического доступа. Поэтому применение протокола RSVP в су-

ществующей сети не требует перехода на новый протокол маршрутизации.

В протоколе RSVP поток данных (рис.9.11) – это последовательность

пакетов, имеющих один источник и приёмник (последний может представ-

лять собой как одну, так и несколько физических портов), а также качество

обслуживания. Требования QoS передаются по сети путём спецификации по-

тока. Спецификация потока определяет три типа трафика, соответствующих

классам обслуживания RSVP.

1. Гарантированная доставка.

2. Гарантированная скорость.

3. Гарантированная задержка.

Трафик гарантированной доставки применяется при передаче

файлов (например, электронной почты), монтировании дисков, интерактив-

ной регистрации, а также при электронных транзакциях. Эти приложения тре-

буют гарантированной доставки данных независимо от того, сколько времени

на это потребуется. Для упорядочения принятых вразброс пакетов и для

запроса повторной передачи потерянных и искаженных пакетов трафик га-

рантированной доставки опирается на собственные механизмы ТСР.

Трафик гарантированной скорости требует гарантированной скоро-

сти передачи от источника к приёмнику. Примером таких приложений яв-

ляются IP телефония и видеоконференции. Они требуют постоянной скорости

передачи, такой как в сети с коммутацией каналов, IP сети по своей природе

169

Рис. 9.11. Информация об отправителе доставляется

получателям вместе с потоком данных

Узел отправитель

Туннель

RSVP

RSVP получатели

являются сетями с коммутацией пакетов. Им не хватает механизмов для под-

держки постоянной битовой скорости обслуживания потоков данных. Прото-

кол RSVP обеспечивает постоянную битовую скорость обслуживания в сети с

коммутацией, благодаря уровню обслуживания с гарантированной скоро-

стью. Эту службу иногда называют службой гарантированной скорости.

Трафик гарантированной задержки, требующий своевременной до-

ставки и соответствующего изменения скорости. Например, скорость переда-

чи видео MPEG-II колеблется от 3 до 7 Мбит/с, в зависимости от того, на-

сколько интенсивно изменяется изображение. Если на экране показывают по-

крашенную стену, достаточно 3 Мбит/с, а для океанских волн потребуется 7

Мбит/с. Источник видеосигнала MPEG-II посылает ключевые и дельта-кадры.

Обычно в секунду передается 1 или 2 ключевых кадра с изображением всей

картинки и от 13 до 28 дельта-кадров, описывающих изменения ключевого

кадра. Дельта-кадры, как правило, значительно меньше ключевых. В ре-

зультате скорость передачи кадров может изменяется в широких пределах.

Однако для нормальной работы кодека (кодера-декодера) необходимо, чтобы

каждый кадр передавался в течение заданного времени. Необходимо согласо-

вать определённый приоритет трафика дельта-кадров.

В отличие от протоколов маршрутизации, протокол RSVP предназначен

для управления потоками данных, а не для принятия решений относительно

каждого пакета. Потоки данных состоят из дискретных сеансов связи между

источником и приёмниками. Сеансы идентифицируются адресом приёмника,

идентификатором протокола и портом приёмника. Протокол RSVP поддержи-

вает как одно, так и многоадресные симплексные сеансы.

При многоадресном сеансе копия каждого пакета, переданного одним

источником, отправляется нескольким приёмникам. Одноадресный сеанс ха-

рактеризуется одним источником и одним приёмником. Иногда адреса источ-

ника и приемника в протоколе RSVP указывают на один и тот же узел Inter-

net. Однако один узел может содержать несколько логических источников и

приёмников, различающихся номерами портов, так что каждый номер порта

соответствует отдельному приложению. Если протокол RSVP отслеживает та-

кую информацию о приложении, то одноадресный сеанс может привести к

передаче данных нескольким приложениям, расположенным на одном узле

приёмнике.

В контексте RSVP качество обслуживания является атрибутом, описан-

ным в спецификациях потока, которые используются для определения марш-

рута обмена данными между объектами (маршрутизаторами, приёмниками и

источниками). Протокол RSVP используется для определения качества обслу-

живания узлами и маршрутизаторами. Узлы используют протокол RSVP для

запросов уровня качества обслуживания потоков данных приложений. Марш-

рутизаторы применяют протокол RSVP для доставки запросов о качестве об-

служивания другим маршрутизаторам по маршруту следования потока дан-

170

ных. Таким образом, протокол RSVP поддерживает состояние маршрутизато-

ров и узлов для предоставления запрашиваемой службы.

Для того чтобы запустить многоадресный сеанс протокола RSVP,

приёмник первым присоединяется к многоадресной группе, определённой IP

адресом приёмника при помощи протокола IGMP. При одноадресном сеансе

одноадресная маршрутизация выполняет ту же роль, что и протокол IGMP

совместно с PIM адресом (независимый от протокола групповой адрес) для

многоадресного сеанса. После того как приёмник присоединится к группе,

потенциальный источник начинает посылать сообщения по маршруту прото-

кола RSVP на IP адрес приёмника. Приложение-приёмник получает маршрут-

ное сообщение и начинает посылать соответствующие запросы на резервиро-

вание, определяющие желаемые признаки потока, используя протокол RSVP.

После получения запроса на резервирование приложение-источник начинает

отправлять пакеты данных.

Стилем резервирования называют набор управляющих переменных, ко-

торые определяют количество поддерживаемых параметров. Протокол RSVP

поддерживает два основных класса резервирования: раздельное и совместное.

При раздельном резервировании каждому источнику в каждом сеансе выделя-

ется свой поток. Совместное резервирование применяется для нескольких ис-

точников, которые заведомо не пересекаются друг с другом.

Раздельное резервирование (фиксированная фильтрация) определяет

индивидуальное резервирование с явным указанием масштаба. При использо-

вании этого типа резервирования создаются отдельные запросы на резервиро-

вание для пакетов данных, поступающих из разных источников. Масштаб ре-

зервирования определяется явно, по списку источников. Общее резервирова-

ние канала для данного сеанса – это совокупность резервирований для всех

источников, указанных в запросе. Запросы на резервирование от разных

приёмников, но для одного источника, должны быть объединены для сов-

местного резервирования в данном узле.

Совместное резервирование (групповая фильтрация) заключается в

совместном, групповом резервировании, представляет собой одиночное ре-

зервирование, при котором смешиваются все источники. Резервирование

можно представить как "трубу" с совместным доступом, размер которой

определяется наибольшим из ресурсов, запрошенных всеми приёмниками

данного канала, независимо от количества источников. Резервирование рас-

пространяется на все узлы источников, в том числе автоматически – на новые

источники по мере их появления.

Совместное явное резервирование является разновидностью сов-

местного резервирования и определяет совместное резервирование среды с

явным указанием масштаба. При использовании совместного явного резерви-

рования создается одиночное резервирование, в котором смешиваются все ис-

точники. Набор источников (и, следовательно, масштаб) явно определяются

приёмником, создающим данное резервирование.

171