Обеспечение качества обслуживания (QoS)

Приоритетная обработка кадров (802.1р)

Построение сетей на основе коммутаторов позволяет использовать приоритезацию трафика, причем делать это независимо от технологии сети. Эта возможность является следствием того, что коммутаторы буферизуют кадры перед их отправкой на другой порт.

Коммутатор обычно ведет для каждого входного и выходного порта не одну, а несколько очередей, причем каждая очередь имеет свой приоритет обработки. При этом коммутатор может быть сконфигурирован, например, так, чтобы передавать один низкоприоритетный пакет на каждые 10 высокоприоритетных пакетов.

Поддержка приоритетной обработки может особенно пригодиться для приложений, предъявляющих различные требования к допустимым задержкам кадров и к пропускной способности сети для потока кадров.

Способность сети обеспечивать различные уровни обслуживания, запрашиваемые теми или иными сетевыми приложениями, может быть классифицирована по трем различным категориям:

• Негарантированная доставка данных (best effort service). Обеспечение связности узлов сети без гарантии времени и самого факта доставки пакетов в точку назначения. На самом деле негарантированная доставка не является частью QoS, поскольку отсутствует гарантия качества обслуживания и гарантия доставки пакетов.

• Дифференцированное обслуживание (differentiated service). Дифференцированное обслуживание предполагает разделение трафика на классы на основе требований к качеству обслуживания. Каждый класс трафика дифференцируется и обрабатывается сетью в соответствии с заданными для этого класса механизмами QoS (быстрее обрабатывается, выше средняя полоса пропускания, ниже средний уровень потерь). Подобная схема обеспечения качества обслуживания часто называется схемой CoS (Class of Service). Дифференцированное обслуживание само по себе не предполагает обеспечение гарантий предоставляемых услуг. В соответствии с этой схемой трафик распределяется по классам, каждый из которых имеет собственный приоритет. Этот тип обслуживания удобно применять в сетях с интенсивным трафиком. В этом случае важно обеспечить отделение административного трафика сети от всего остального и назначить ему приоритет, позволяющий в любой момент времени быть уверенным в связности узлов сети.

• Гарантированное обслуживание (guaranteed service). Гарантированное обслуживание предполагает резервирование сетевых ресурсов с целью удовлетворения специфических требований к обслуживанию со стороны потоков трафика. В соответствии с гарантированным обслуживанием выполняется предварительное резервирование сетевых ресурсов по всей траектории движения трафика. Например, такие схемы используются в технологиях глобальных сетей Frame Relay и ATM или в протоколе RSVP для сетей TCP/IP. Однако для коммутаторов такого рода протоколов нет, так что гарантий качества обслуживания они пока дать не могут.

Основным вопросом при приоритетной обработке кадров коммутаторами является вопрос назначения кадру приоритета. Так как не все протоколы канального уровня поддерживают поле приоритета кадра, например, у кадров Ethernet оно отсутствует, то коммутатор должен использовать какой-либо дополнительный механизм для связывания кадра с его приоритетом. Наиболее распространенный способ - приписывание приоритета портам коммутатора. При этом способе коммутатор помещает кадр в очередь кадров соответствующего приоритета в зависимости от того, через какой порт поступил кадр в коммутатор. Способ несложный, но недостаточно гибкий - если к порту коммутатора подключен не отдельный узел, а сегмент, то все узлы сегмента получают одинаковый приоритет.

Более гибким является назначение приоритетов кадрам в соответствии со стандартом IEEE 802.1р. Этот стандарт разрабатывался совместно со стандартом 802.1q. В обоих стандартах предусмотрен общий дополнительный заголовок для кадров Ethernet, состоящий из двух байт. В этом дополнительном заголовке, который вставляется перед полем данных кадра, 3 бита используются для указания приоритета кадра. Существует протокол, по которому конечный узел может запросить у коммутатора один из восьми уровней приоритета кадра. Если сетевой адаптер не поддерживает стандарт 802.1p, то коммутатор может назначать приоритеты кадрам на основе порта поступления кадра. Такие помеченные кадры будут обслуживаться в соответствии с их приоритетом всеми коммутаторами сети, а не только тем коммутатором, который непосредственно принял кадр от конечного узла. При передаче кадра сетевому адаптеру, не поддерживающему стандарт 802.1p, дополнительный заголовок должен быть удален.

Коммутаторы обеспечивают дифференцированное обслуживание, поэтому необходима идентификация пакетов, которая позволит отнести их к соответствующему классу трафика CoS, включающему, как правило, пакеты из разных потоков. Указанная задача выполняется путем классификации.

Классификация пакетов (packet classification) представляет собой средство, позволяющее отнести пакет к тому или иному классу трафика в зависимости от значений одного или нескольких полей пакета.

В управляемых коммутаторах используются различные способы классификации пакетов. Ниже перечислены параметры, на основании которых пакет идентифицируется:

• Биты класса приоритета 802.1p;

• Поля байта TOS, расположенного в заголовке IP-пакета и поле кода дифференцированной услуги (DSCP);

• Адрес назначения и источника IP-пакета;

• Номера портов TCP/UDP.

Поскольку высокоприоритетные пакеты должны обрабатываться раньше низкоприоритетных, в коммутаторах поддерживается несколько очередей приоритетов CoS. Кадры, в соответствии со своим приоритетом, могут быть помещены в разные очереди. Для обработки очередей приоритетов могут использоваться различные механизмы обслуживания:

• строгая очередь приоритетов (Strict Priority Queuing, SPQ);

• взвешенный циклический алгоритм (Weighted Round Robin, WRR).

В первом случае (алгоритм SPQ), пакеты, находящиеся в самой приоритетной очереди начинают передаваться первыми. При этом пока более приоритетная очередь не опустеет, пакеты из менее приоритетных очередей передаваться не будут. Второй алгоритм (WRR) устраняет это ограничение, а также исключает нехватку полосы пропускания для очередей с низким приоритетом. В этом случае для каждой очереди приоритетов задается максимальное количество пакетов, которое может быть передано за один раз и максимальное время ожидания, через которое очередь снова сможет передавать пакеты. Диапазон передаваемых пакетов: от 0 до 255. Диапазон времени оживания: от 0 до 255.