Marcin Skowronek - Katedra Informatyki i Ekonometrii

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ
Seria: INFORMATYKA z. 35
2004
Nr kol. 1402
Jarosław KARCEWICZ
Politechnika Śląska, Katedra Informatyki i Ekonometrii
ZAPEWNIENIE JAKOŚCI TRANSMISJI DANYCH SYSTEMÓW
INFORMATYCZNYCH W ROZLEGŁYCH SIECIACH
KOMPUTEROWYCH
Streszczenie. We współczesnych czasach notuje się bardzo dynamiczny rozwój
rozległej sieci komputerowej Internet i jej wykorzystania w sektorze komercyjnym,
szczególnie przez przedsiębiorstwa rozproszone do przesyłania danych. W artykule
omówiono zagadnienia związane z zapewnieniem jakości usług przesyłanych danych
za pośrednictwem tej sieci.
ASSURANCE OF QUALITY OF COMPUTER SYSTEMS DATA
BROADCAST IN WIDE NETWORK
Summary. At present day is notified more and more dynamic growth of wide
computer network Internet and it utilization in commercial sector, particularly by
distracted companies to sending data. The paper specifies problems, related with the
assuring of quality of data broadcast through that network.
1. Wstęp
We współczesnych czasach coraz bardziej istotny staje się łatwy i szybki dostęp
do informacji, szczególnie jeśli weźmie się pod uwagę coraz większe rozproszenie
przedsiębiorstw. Celem umożliwienia takiego przepływu informacji powstała rozległa sieć
komputerowa Internet. Jakkolwiek protokół TCP/IP gwarantuje dostarczenie informacji
z jednego punktu do drugiego, coraz częściej jednak sama gwarancja dostarczenia informacji
stała się już niewystarczająca, i oprócz niej zaczęto wymagać także innych kryteriów jakości.
W odpowiedzi na te wymagania wprowadzony został w życie QoS (Quality of Service).
2
J. Karcewicz
Celem niniejszej pracy jest analiza aspektów Quality of Service oraz omówienie dwóch jego
mechanizmów: modelu IntServ oraz modelu DiffServ.
2. Zagadnienie Quality of Service
Istnieje dziś bardzo wiele definicji Quality of Service. Na przykład w [3] QoS „znaczy
zapewnianie stałej, przewidywalnej usługi dostarczania danych. Inaczej mówiąc, zaspokojenie
wymaganych życzeń klienta”. W [4] natomiast QoS „jest pojęciem sieciowym, które określa
poziom gwarantowanych osiągów parametrów sieciowych”. W [5] QoS określono jako
„zbiorowy efekt osiągów usługi, który określa stopień satysfakcji użytkownika usługi”. W [7]
scharakteryzowano QoS jako „zespół miar poziomu usługi dostarczanej do klienta”. W [6]
zebrano wiele definicji QoS z punktu widzenia technologii ATM i aplikacji czasu rzeczywistego.
Można uogólnić, że definicje te określają QoS jako zbiór mechanizmów, które mają
zapewnić dostarczenie przewidywalnego poziomu jakości usług sieciowych, poprzez
zapewnienie określonych parametrów transmisji danych, w celu osiągnięcia satysfakcji
użytkownika.
Jak można zauważyć definicje te koncentrują się na aspektach zapewnienia określonych
parametrów technicznych transmisji danych. Jakkolwiek inne podejście mogą mieć użytkownicy
sieci, dla których najistotniejsze jest uzyskanie jak najbardziej zadowalającej jakości
użytkowania danych usług, inne z kolei dostawców, dla których istotne jest z jednej strony
uzyskanie wysokiej oceny zadowolenia użytkownika, lecz z drugiej strony także zapewnienie
możliwości technicznej jej realizacji. Dla pogodzenia tych dwóch przeciwstawnych punktów
widzenia, w [2] zaproponowano trzy podstawowe pojęcia:
− wrodzoną jakość usług (intrisinc QoS),
− postrzegalną jakość usług (perceived QoS),
− ocenianą jakość usługi (assessed QoS).
Wrodzona jakość usług jest związana ze stricte aspektami technicznymi, tj. od
zastosowanego fizycznego łącza transmisji danych, poprzez zastosowane protokoły transmisyjne
do zastosowanych mechanizmów mających zapewnić jakość usługi.
Postrzegana jakość usług dotyczy użytkownika, który z niej korzysta. Na jego ocenę wpływ
ma nie tylko zastosowanie określonych mechanizmów jakości usługi, ale także inne czynniki jak
jego własne oczekiwania, doświadczenia przy korzystaniu z danej usługi u innego dostawcy, czy
doświadczenia i opinie innych użytkowników. Także samo zastosowanie odpowiedniej
wrodzonej jakości usługi, czyli odpowiednich parametrów technicznych, może być
niewystarczające.
Zapewnienie jakości transmisji danych systemów informatycznych …
3
Oceniana jakość usługi jest już konkretną decyzją użytkownika czy chce on z niej korzystać
czy z niej rezygnuje.
W [1] podsumowuje się, iż można stwierdzić, że wrodzona jakość usługi jest tym co czyni ją
atrakcyjną dla potencjalnego użytkownika. Postrzegana jakość usługi determinuje, czy
użytkownik uzna ją za satysfakcjonującą, zaś oceniana jej jakość decyduje o ewentualnej
kontynuacji bądź rezygnacji z korzystania z tej usługi. Można z tego zauważyć, że bezpośredni
związek z projektowaniem sieci ma wrodzona jakość usług. Pozostałe dwa pojęcia są raczej
związane z polityką marketingową operatora, a zapewnienie wysokiej jakości usług na tych
poziomach, należy do zadań marketingu, projektantów usług czy obsługi technicznej.
3. Parametry Quality of Service
Jak zostało przedstawione w definicji, QoS ma głównie za zadanie zapewnić określone
parametry transmisji danych. Mówiąc więc o zapewnieniu określonych parametrów należy
wyszczególnić jakie są to parametry.
3.1. Przepustowość
Najczęściej wskazywanym parametrem QoS jest przepustowość, inaczej zwana też
pojemnością transmisyjną. Z wielu różnych definicji jakie można znaleźć w [1], [9], [4], [13],
[11], [7], [3], [10], [9] można uogólnić, że jest to ilość informacji jaka może być skutecznie
przesłana między dwoma punktami końcowymi przez sieć w danej jednostce czasu.
Przepustowość mierzona jest w bitach na sekundę (bits/s) lub też w jednostkach pochodnych
(kilobit na sekundę, megabit na sekundę, itd.).
Parametr przepustowości jest najczęściej wskazywany, gdy rozważa się aspekt QoS,
szczególnie przez użytkowników, dla których jest on z reguły podstawowym wyznacznikiem
jakości usługi jaką jest dostęp do sieci Internet. Dla większości rozwiązaniem problemów
jakości jest właśnie poprawa tego parametru. Najczęściej odbywa się to poprzez dołożenie
kolejnego łącza danych, jednakże jak zauważono w [8] zgodnie z prawem Moore’a: „Jeśli
zwiększy się pojemność jakiegokolwiek systemu w celu sprostania żądań użytkowników,
żądania użytkowników wzrosną tak, że spożytkują zwiększoną pojemność systemu”.
Najlepszym obecnie rozwiązaniem wydaje się być podział posiadanej przepustowości
wszystkich łącz pomiędzy użytkowników bądź usług sieciowych. Jednakże nie likwiduje to
problemu w przypadku bardziej wymagających aplikacji, które wymagają także zapewnienia
jakości innych parametrów.
4
J. Karcewicz
3.2. Opóźnienie
Wraz z pojawieniem się aplikacji interaktywnych takich jak np. ssh czy telnet, istotny stał
się kolejny parametr jakim jest opóźnienie. Istotę tego parametru najlepiej oddaje definicja
zawarta w [1], gdzie opóźnienie jest to „odstęp czasu pomiędzy chwilą wysłania pakietu
z jednego punktu w sieci i odebrania go w innym punkcie w sieci”.
3.3. Jednorodność opóźnienia
Jednorodność opóźnienia (ang. jitter) jest parametrem, na który szczególnie wrażliwe są
aplikacje czasu rzeczywistego, takich jak np. transmisja głosu czy sygnału wideo. Parametr
ten w [1] jest zdefiniowany jako „zakres w którym zmienia się wartość opóźnienia mierzona
dla pakietów należących do tego samego strumienia”.
Parametr ten jest związany z własnością sieci IP, która polega na tym, że informacje
dzielone są na pewną ilość pakietów, z których następnie każdy może być przesłany przez
sieć inną trasą pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem, co powoduje że każdy pakiet może
posiadać odmienne opóźnienie. Także nie ma gwarancji, że pakiety dotrą do odbiornika
w kolejności, w jakiej zostały wysłane z nadajnika.
3.4. Straty pakietów
Parametr ten istnieje od początku technologii IP i oznacza niedostarczenie do odbiornika
pakietu wysłanego przez nadajnik.
Do podstawowych źródeł strat pakietów zaliczamy [9]:
− straty wynikające z błędów transmisyjnych w sieci. Powstają w sieciach o złej
jakości, w momencie uszkodzenia sieci oraz w wyniku dostania się do sieci
transmisyjnej niepożądanych sygnałów. Ogranicza się je poprzez stosowanie łączy
wysokiej jakości.
− przepełnienie buforów wyjściowych w węzłach sieci IP, nazywane spiętrzeniem (ang.
congestion). Aby zminimalizować prawdopodobieństwo wystąpienia przeciążenia,
należy doprowadzić do zwolnienia pracy nadajnika. Niestety protokół IP nie
przewiduje takich mechanizmów, możliwe jest jedynie pośrednie wpłynięcie na
nadawanie danych w sesji TCP, poprzez odrzucenie (ang. drop) pakietów tej sesji.
− przekroczenie możliwości kanału transmisyjnego ATM lub Frame Relay.
Optymalizację pracy na takim łączu można uzyskać poprzez wyposażenie węzłów IP
w możliwość posługiwania się mechanizmami sterowania przepływem sieci
i ograniczania prędkości nadajnika w zależności od możliwości transmisyjnych
kanału wirtualnego Frame Relay lub ATM.
Zapewnienie jakości transmisji danych systemów informatycznych …
5
4. Mechanizmy zapewnienia Quality of Service
W odpowiedzi na zapotrzebowanie zapewnienia powyżej rozważanych parametrów,
w ramach IETF (Internet Engineering Task Force) opracowano dwa modele:
− model usług zintegrowanych IntServ
− model usług zróżnicowanych DiffServ
4.1. Model Intserv
IntServ [14] jest modelem QoS zorientowanym na odbiorcę transmisji, wymagającym
od stacji końcowych sygnalizacji żądanego poziomu gwarancji jakości usług za pomocą
protokołu RSVP omówionego w [12]. Poszczególne węzły sieci (np. routery) honorują te
żądania i rezerwują zasoby (np. pasmo) wzdłuż całej ścieżki transmisyjnej. Stacja końcowa,
np. komputer, serwery proxy lub gateway VoIP, rozpoczyna sygnalizację RSVP, wysyłając
komunikat PATH zawierający parametry identyfikujące daną konwersację (flow), takie jak:
adres źródłowy, docelowy, porty TCP lub UDP oraz wymagane pasmo. Każde kolejne
urządzenie sieciowe (np. router), do którego dotrze komunikat PATH, odczytuje go,
zapamiętuje stan konwersacji i przekazuje w kierunku odbiorcy. Po odebraniu komunikatu
PATH odbiorca transmisji odsyła w odpowiedzi komunikat RESV opisujący niezbędne dla
danej konwersacji pasmo. Komunikat ten wraca do nadawcy ścieżką wytyczoną przez PATH,
a każde urządzenie sieciowe po drodze podejmuje decyzję o akceptacji lub odrzuceniu danej
konwersacji (jest to tzw. mechanizm admission control).
Jeżeli dostępne wolne pasmo jest wystarczające, konwersacja zostanie przyjęta, a pasmo
zarezerwowane. Ustawiane są także odpowiednie kolejki, wagi itp. Proces sygnalizacji
kończy się z chwilą, kiedy komunikat RESV dociera do nadawcy, a pasmo zostało
zarezerwowane wzdłuż całej ścieżki transmisji. Pakiety wysyłane teraz przez nadawcę
zostaną rozpoznane jako należące do danej konwersacji, będą więc umieszczane
w odpowiednich kolejkach i będą korzystać z zarezerwowanych wcześniej zasobów sieci.
Model IntServ sprawdza się doskonale w przypadku ruchu wrażliwego na opóźnienie,
wahania opóźnienia (jitter) i utraty pakietów, czyli na przykład w przypadku transmisji głosu
i obrazu. Może też być stosowany do transmisji danych, choć w praktyce ma to miejsce
niezwykle rzadko. IntServ ma pewne unikatowe zalety, nieobecne w innych rozwiązaniach
QoS, które czynią go niezastąpionym w tego rodzaju zastosowaniach. Pierwszą jest ścisła
gwarancja pasma od końca do końca. Druga to mechanizm admission control, umożliwiający
dopuszczenie nowych połączeń tylko wtedy, gdy na całej drodze transmisji jest
wystarczająco dużo pasma. Dzięki temu unika się sytuacji, w których przyjęcie nowej
konwersacji jest powodem obniżenia jakości konwersacji już zestawionych. Trzecia
6
J. Karcewicz
unikatowa cecha to utrzymanie połączenia w sytuacjach wyjątkowych (np. podczas dużej
awarii sieci), gdy konieczne są posunięcia prewencyjne, zapewniające działanie połączeń
priorytetowych kosztem połączeń zwykłych [10].
4.2. Model DiffServ
W odróżnieniu od IntServ model ten nie traktuje każdej konwersacji oddzielnie, lecz
kategoryzuje cały ruch, dzieląc go na tak zwane klasy jakości usług (Class of Service),
którym są przypisane parametry QoS. Pakiety są klasyfikowane i znaczone na wejściu sieci,
do czego wykorzystywane jest pole Type of Service w nagłówku pakietu IPv4 lub Traffic
Class w nagłówku pakietu IPv6. Sześć najmłodszych bitów tego pola uzyskało nazwę
Differentiated Services CodePoint i umożliwia identyfikację 64 różnych klas usług. Kolejne
urządzenia wykorzystują niezależnie od siebie zawartość tego pola do zapewnienia
odpowiedniego poziomu opóźnienia, wahań opóźnienia czy pasma. Proces ten nosi nazwę
PHB (Per-Hop Behaviour) i zachodzi niezależnie w każdym węźle sieci. Podejście PHB
umożliwiło rezygnację z sygnalizacji QoS będącej podstawą IntServ, a zarazem jej wąskim
gardłem. Węzły sieci nie muszą już zapamiętywać stanu każdej konwersacji, a jedynie
informacje o jednej z 64 klas ruchu. W efekcie ruch jest traktowany mniej dokładnie, ale za
to cały proces jest dużo wydajniejszy.
Mechanizm PHB stosowany w DiffServ polega na kolejkowaniu, kształtowaniu
i ewentualnym ograniczaniu przepływu pakietów w sieci, zgodnie z polityką zdefiniowaną
dla każdej klasy. Dotychczas IETF zdefiniował cztery główne rodzaje PHB, które mają być
podstawą do wdrożenia usług DiffServ w urządzeniach sieciowych. Są to: Default PHB
(RFC-2472), Class-Selector PHB (RFC-2474), Expedited Forwarding PHB (RFC-2598)
i Assured Forwarding PHB (RFC-2597).
Default PHB oznacza brak gwarancji jakości usług (ruch odbywa się na zasadzie Best
Effort) i odnosi się do pakietów, których DSCP zawiera same zera lub nie został w danym
węźle przypisany do żadnego innego PHB. Class-Selector odnosi się do pakietów, w których
trzy najstarsze bity DSCP są wyzerowane (000xxx). Służy on do zapewnienia
kompatybilności z mechanizmem IP Precedence - poprzednikiem mechanizmu DiffServ,
w którym były wykorzystywane tylko 3 najmłodsze bity pola ToS. Sposób obsługi pakietu
w węźle zależy wówczas od definicji klas zgodnych z IP Precedence. Trzeci mechanizm
PHB, Expedited Forwarding, jest odpowiednikiem gwarancji jakości usług oferowanej
w modelu IntServ. Ruch tej kategorii jest traktowany priorytetowo, z niskim opóźnieniem,
małymi wahaniami opóźnienia i minimalną stopą gubionych pakietów. Najczęściej takie
warunki zapewniają mechanizmy priorytetowego kolejkowania pakietów, ale także
ograniczanie pasma dostępnego dla EF. Usługa Expedited Forwarding jest stosowana przede
Zapewnienie jakości transmisji danych systemów informatycznych …
7
wszystkim do transmisji głosu i obrazu. W polu DSCP pakiety tej kategorii powinny
zawierać wartość "101110".
Czwarty i ostatni typ PHB nosi nazwę Assured Forwarding. Mechanizm ten umożliwia
różnicowanie poziomu obsługi, mieszczącego się w zakresie od całkowitego braku gwarancji
do poziomu zapewnianego przez usługi klasy EF. W ramach AF ruch może być dzielony na
klasy (na przykład brązową, srebrną i złotą), z których każda może uzyskać inną część pasma
i zasobów urządzenia. Ruch przekraczający limity określone dla danej klasy może zostać
"zdegradowany" do klasy niższej.Klasyfikacja i oznaczenie pakietów oraz mechanizm PHB
zachodzą niezależnie w każdym urządzeniu. Pakiet, który już został oznakowany jakąś
wartością DSCP, jest traktowany tak, jak wszystkie inne pakiety o tej samej wartości DSCP,
niezależnie od tego, skąd i dokąd zmierza.[10]
5. Podsumowanie
Przedstawione mechanizmy pozwalają na znaczne poprawienie jakości usług
przesyłanych danych w relacji od końca do końca, czyli dokładnie pomiędzy dwoma
punktami w sieci, co czyni je atrakcyjne dla przedsiębiorstw rozproszonych przesyłających
dane przez sieć rozległą Internet.
Mechanizmy te nie są także pozbawione wad. Model IntServ wymaga aby wszystkie
węzły pośredniczące w ruchu obsługiwały protokół RSVP, oprócz tego wymaga aby rutery
utrzymywały w swojej pamięci informacje odnośnie rezerwacji zasobów, ich stanu, itd. co
może powodować ich znaczne obciążenie. Wymaga też przesyłania dość sporej ilości
informacji kontrolnych, co praktycznie czyni ten mechanizm nieużyteczny w przypadku
ruchu unicastowego, bardzo dobrze zaś nadaje się do ruchu multicastowego. Odwrotnie jest
w przypadku modelu DiffServ, w którym pośredniczące rutery niemuszą kontrolować stanu
transmisji, a nawet fakt nieobsługiwania tego modelu przez jeden z węzłów nieoznacza
niepowodzenia całego mechanizmu, dzięki czemu jest on dużo bardziej przydatny do ruchu
unicastowego. Model DiffServ jednak nie jest w stanie zapewnić tak mocno gwarancji
jakości jak model IntServ.
LITERATURA
1.
Stankiewicz R., Jajszczyk A.: Sposoby zapewnienia gwarantowanej jakości usług
w sieciach IP. Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne, Nr
2/2002.
8
J. Karcewicz
2.
Hardy W. C.: „QoS” Measurement and Evaluation of Telecomunications Quality of
Service. John Willey & Sons Ltd., England 2001.
3.
IP QoS FAQ. QoSforum.com, Wrzesień 1999.
4.
E. Brent Kelly: Quality of Service In Internet Protocol (IP) Networks. Infocomm 2002.
5.
Gautam R.: Quality of Service in Data Networks: Products. http://www.cse.ohiostate.edu/~jain/cis788-99/.
6.
Quality of Service (QoS). http://www.objs.com/survey/QoS.htm.
7.
Johnson V.: Quality of Service – Glossary of Terms. QoSforum.com, Maj 1999.
8.
Ferguson P., Huston G.: Quality of Service: Delivering QoS on the Internet and in
corporate networks. John Willey & Sons Ltd., England 2001.
9.
Szarecki R.: QoS – jakość transmisji w Internecie. Nowoczesne Technologie w Sieciach
Teleinformatycznych, Numer Specjalny 01/2001.
10.
Sikorski I.: Sieci szkieletowe: Jakość usług gwarantowana. Telenet Forum. Wrzesień
2002.
11.
Ferguson P., Huston G.: Quality of Service in the Internet: Fact, fiction, or Compromise?
INET’98.
12.
Braden R., Zhang L., Berson S., Herzog S., Jamin S.: Resource Reservation Protocol
(RSVP) – Version 1 Functional Specification. RFC 2205, Wrzesień 1997.
13.
Turski J.: Gwarantowana jakość usług (QoS) w sieciach IP. Praca mgr, Politechnika
Łódzka, Łódź 2003.
14.
Braden R., Clark D., Shenker S.: Integrated Services In the Internet Architecture: An
Overview. RFC 1633, Czerwiec 1994.
Recenzent: tytuły Imię Nazwisko
Wpłynęło do Redakcji 16 września 2004 r.
Abstract
At present day becomes more and more essential easy and pane access to information,
particularly if will take under attention more and more larger enterprises dispersion.
To make possible such flow of information arised computer network Internet. Although
TCP / IP protocol guarantees delivering information with one point to second, more and more
often yet only guarantee delivering information become insufficient, and except it was begun
requiring also another different criterions of quality. In answer on these requirements was put
QoS (Quality of Service) into effect. The aim of that work is the analysis of the Quality the of
Service aspects as well as of two its mechanisms: IntServ model and DiffServ model.