Телефонная связь через интернет возможна благодаря SIP-протоколу, который решает вопросы взаимодействия мультимедийных протоколов (видео/аудио). Более подробно этот процесс описан в статье . Когда один из собеседников говорит, звук его голоса кодируется и разбивается на пакеты, которые в течение разговора передаются другому устройству.
Но никто не использует интернет только ради IP-телефонии, поэтому через один канал передаются различные виды данных. Для роутера все они условно одинаковы, и такое “равноправие” иногда приводит к проблемам со связью.
Приведем упрощенный пример. Отец смотрит онлайн-трансляцию матча, сын слушает музыку в соцсети, а мать в это время хочет позвонить бабушке по скайпу. Но звук начинает прерываться, потому что аудио- и видео-трафик, который потребляют другие домочадцы, почти целиком “забил” канал. И пакеты с аудиоданными ожидают очереди на обработку, что приводит к проблемам со связью.
В большинстве случаев телефонный разговор гораздо важнее развлекательного ролика на Youtube или задержки в отправке письма, которая займет доли секунды. Но такая же задержка в случае со звуком ощутимо отразится на качестве связи. Поэтому желательно настраивать так называемую приоретизацию трафика , которая позволит пропускать данные IP-телефонии в первую очередь.
Quality of Service (QoS) - это технология предоставления различным классам данных различных приоритетов в обслуживании. QoS является встроенной функцией некоторых моделей роутеров.
Если настроить приоретизацию для данных IP-телефонии, то устройство будет определять их среди проходящего трафика и предоставлять им максимальный приоритет, что может значительно повысить качество связи. На картинке ниже наглядно показана разница в работе устройства с QoS и без него.
Источник изображения VAS Experts
Настройка QoS: что нужно учитывать
Перед тем, как настроить QoS, нужно учесть два момента. Во-первых, приоретизация оправдана, только если канал сильно загружен и возникает очередь на обслуживание пакетов. Если вам нужно лишь изредка звонить знакомым, то настройка QoS - лишняя трата времени. Но для компании, которая использует связь от оператора IP-телефонии, без этой технологии не обойтись. Аналогично, если вы используете коллтрекинг от Ringostat , поэтому ниже мы подготовили рекомендации по настройке.
Во-вторых, QoS - это не волшебная пилюля. Если канал слишком узкий, то приоретизация трафика все равно не поможет. Физический буфер устройства, куда помещаются все готовые к выходу пакеты, будет переполняться. И тогда вновь поступающие пакеты будут уничтожаться - даже если они важны для пользователя.
Поэтому обращайте внимание на характеристики роутера и максимальный размер очереди обработки пакетов. Например, на маршрутизаторах Cisco он составляет примерно 128–256 пакетов. Допустимо, если эта очередь превышает до 20% от его пропускной способности. Но если больше - то это повод заняться дизайном сети и прокладкой дополнительных маршрутов.
Настройка QoS
Чтобы избежать заторов в канале, мы должны “пометить” VoIP-данные и дать понять роутеру, что они важны для нас в первую очередь. Существует два варианта приоретизации трафика.
1. Выставление приоритета в веб-интерфейсе роутера
Не существует универсального способа настройки QoS для роутеров. Все зависит от конкретного устройства. Вот, например, как этот процесс описан в инструкции по настройке QoS для роутера TP-Link . В основном, приоритет назначается по протоколу - в случае с телефонией нам в первую очередь важен SIP/ RTP. RTP (Real-time Transport Protocol) - протокол, используемый для передачи звука.
Также приоретизацию можно настраивать по портам. В этом случае устройство будет понимать, что все данные, поступающие с конкретного порта, нужно пропускать в первую очередь. Так, при использовании программы для связи (диалера) VoIP-трафик будет поступать с порта 5060. Также доступна приоретизация по типу трафика. Выбор вида приоретизации зависит от количества трафика, его типа и настроек приложений, которые используются для связи и т. д.
2. Выставление приоритета в приложении для связи
Если говорить обобщенно, то в заголовках различных сетевых протоколов (Ethernet, IP, ATM, MPLS и др.) присутствуют специальные поля, выделенные для маркировки трафика. Вписывая туда нужные значения, вы отмечаете определенные данные как особенно важные. И роутер будет пропускать их в первую очередь.
В этом случае QoS настраивается не в устройстве для интернет-соединения, а в программе, с помощью которой вы звоните. Для этого нужно зайти в ее сетевые настройки и прописать нужные значения для пакетов с аудиоданными. Вот например, как это описано в инструкции для Zoiper .
Остановимся на этом способе подробней, потому что он позволяет быстрее обрабатывать информацию. В этом случае уже по самому IP-заголовку пакета роутер понимает, что это приоритетные данные, и пропускает их быстрее. А в первом случае ему дополнительно приходится “раскрывать” пакет, чтобы распознать, какое содержимое внутри. Кроме того, маркировать данные лучше всего ближе к их источнику. В нашем случае этим источником является программа для связи.
В качестве примера разберем настройку приоритетизации в приложении Zoiper. Для этого нужно найти в папке программы для связи конфигурационный файл. Например, для Zoiper это «Config.xml». С помощью редактора, совместимого с XML, найдите нужные строки и впишите в них значение EF, CS или AF . Выбор нужного значения зависит от возможностей роутера - более подробно свойства значений описаны в статье на Википедии , которая включает в себя список стандартов.
В настройках нужно указать значения для параметров:
EF
EF
Вот как выглядит содержимое пакета после настройки QoS в программе Zoiper. На скриншоте видны: протокол, его заголовок и значение, которое мы ввели. EF означает Expedited forwarding (англ. “ускоренная пересылка”) - т. е. в данном случае наивысший приоритет:
Единственный минус этого способа - хоть большинство роутеров и могут понимать приоритет по заголовку, но не все. Детали настройки зависят от устройства и сервиса, которые вы используете. Но инструкцию несложно найти, достаточно загуглить “как настроить QoS для N”.
Качество связи играет большую роль для бизнеса. У нас есть не один кейс о том, как настройка телефонии принесла увеличение количества заявок. Мы понимаем, что тема это непростая, поэтому не стесняйтесь - задавайте вопросы в комментариях. Если напишете в чат, расположенный справа, служба техподдержки ответит в течение пяти минут.
QoS это возможность сети обеспечить специальный уровень обслуживания для конкретных пользователей или приложений без ущерба остальному трафику. Главная цель QoS это обеспечение более предсказуемого поведения сети передачи данных при работе с тем, или иным типом трафика, путем обеспечения необходимой полосы пропускания, контролем над задержкой и джиттером и улучшением характеристик при потере пакетов. Алгоритмы QoS достигают этих целей путем ограничения трафика, более эффективным использованием каналов передачи, и назначением тех или иных политик к трафику. QoS обеспечивает интеллектуальную передачу поверх корпоративной сети, и, при правильной настройке, улучшает показатели производительности.
Политики QoS
| Тип трафика | QoS | Безопасность | Когда? |
|---|---|---|---|
| Голос | Задержка меньше 150 мс в одну сторону | Шифрование на уровне передаче голоса | Понедельник - Пятница |
| Система планирования ресурсов предприятия | Обеспечение доступной полосы пропускания минимум 512 кб/с | Зашифрован | 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, 365 дней в году |
| Трафик, создаваемый программным обеспечением станков и оборудования | Обеспечение доступной полосы пропускания минимум 256 кб/с | В открытом виде | Понедельник - Пятница |
| Трафик от использования интернет ресурсов HTTP/HTTPS | Негарантированная доставка по принципу Best Effort | HTTP прокси сервер | Понедельник – Пятница, с 8 утра до 9 вечера. |
Осуществление QoS в сетях унифицированных коммуникаций
Условно, процесс осуществления QoS в сетях Unified Communications (унифицированных коммуникаций), можно разделить на 3 этапа:
- Определение типа трафика в сети и его требований. На данном этапе необходимо научить сеть определять типы трафика чтобы применять к ним те или иные QoS алгоритмы;
- с одинаковыми требованиями QoS. Например, можно определить 4 типа трафика: голос, высоко – приоритетный трафик, низко – приоритетный трафик и трафик от пользования браузером для просмотра WEB страниц;
- Назначить политики QoS , применяемые к классам, определенным в п.2.
В современных корпоративных сетях, голосовой трафик всегда требует минимальную задержку. Трафик, который генерируют критически важные для бизнеса приложения требует маленькой задержки (например, информация, относящаяся к банковскому обслуживанию). Другие типы информации могут быть не так чувствительны к задержкам, например, передача файлов или электронная почта. Обычное использование интернета в личных целях на работе может быть так же ограничено или даже запрещено.
Согласно указанным принципам, можно условно выделить три QoS политики:
- Без задержки: Присваивается в голосовому трафику;
- Лучшее обслуживание: Присваивается к трафику с наивысшим приоритетом;
- Остальное: Присваивается к низко – приоритетному и трафику web – браузеров;
Шаг 1: Определение типа трафика
Первым шагом на пути к осуществлению QoS является идентификация типов трафика в сети и определение конкретных требований каждого из типов. Перед осуществлением QoS, настоятельно рекомендуется провести аудит сети, чтобы полностью понимать как и какие приложения работают в корпоративной сети. Если осуществить политики QoS не имея полного понимания корпоративного сегмента сети, то результаты могут быть плачевными.
Далее, необходимо определить проблемы пользователей при работе с теми или иными сетевыми приложениями: например, приложение медленно работает из-за чего имеет плохую производительности работы. Необходимо измерить сетевой трафик в часы наибольшей нагрузки, используя специальные утилиты. Для понимания процессов в сети, необходимым шагом является измерение загрузки процессора каждого из единиц активного сетевого оборудования в период наибольшей загруженности, чтобы четко знать, где потенциально могут возникать проблемы.
После этого, необходимо определить бизнес цели и модели работы и составить список бизнес – требований. По итогам этих действий, каждый из пунктов списка можно сопоставить с тем или иным классом трафика.
В конце, необходимо определить уровни обслуживания которые требуются для различного вида трафика в зависимости от требуемой доступности и быстродействия.
Шаг 2: Сгруппировать трафик в классы
После идентификации сетевого трафика, необходимо использовать список бизнес требований, составленный на первом этапе, чтобы определить классы трафика.
Голосовой трафик всегда определяется отдельным классом. Компания Cisco имеет разработанные механизмы QoS для голосового трафика, например, Low latency queuing (LLQ) , цель которого заключается в контроле за тем, чтобы голос получал преимущество в обслуживании. После того как определены наиболее критичные приложения, необходимо определить классы трафика использую список бизнес требований.
Не каждое приложение имеет свой собственный класс обслуживания. Довольно много приложений с похожими требованиями к QoS группируются вместе в единый класс.
Пример классификации трафика
Типичный корпоративный ландшафт определяет 5 классов трафика:
- Голос: Наивысший приоритет для трафика VoIP;
- Критически важные: Небольшой набор критически важных для бизнеса приложений;
- Транзакции: В данном классе присутствуют сервисы баз данных, интерактивный трафик и привилегированный сетевой трафик;
- Негарантированная доставка: Работает по принципу Best Effort, что дословно переводится как «лучшее усилие». В данный класс можно отнести интернет трафик и e-mail.
Шаг 3: Сгруппировать трафик в классы
Третьим шагом необходимо описать политики QoS для каждого из классов трафика, которые включают следующие действия:
- Назначить минимальный размер гарантированной полосы пропускания;
- Назначить максимальный размер полосы пропускания;
- Назначить приоритеты для каждого из классов;
- Использовать QoS технологии, такие как алгоритмы контроля очередей для управления перегрузками.
Рассмотрим на текущем примере определение политик QoS для каждого из классов:
- Голос: Доступна полоса пропускания – 1мбит/с. Использовать метку Differentiated Services Code Poin (DSCP) со значением EF . Метка EF (Expedited Forwarding) означает то, что пакеты с таким маркером получают приоритет в очереди согласно принципу наименьшей задержки. Дополнительно используется алгорит LLQ;
- Критически важные: Минимальная полоса пропускания – 1мбит/с. Использовать метку Differentiated Services Code Poin (DSCP) со значением AF31 (метка в поле DSCP 011010), что обеспечивает наименьшую вероятность отбрасывания пакета. Параллельное использование алгоритма CBWFQ гарантирует необходимую полосу пропускания для маркированного трафика;
- Негарантированная доставка: Максимальная полоса пропускания – 500кбит/с. Использовать метку Differentiated Services Code Poin (DSCP) со значением Default (метка в поле DSCP 000000), что обеспечивает обслуживание по умолчанию. Алгоритм CBWFQ обеспечивает «доставку по возможности», которая ниже по приоритету классов «Голос» и «Критически важные».
Полезна ли Вам эта статья?
Пожалуйста, расскажите почему?
Нам жаль, что статья не была полезна для вас:(Пожалуйста, если не затруднит, укажите по какой причине? Мы будем очень благодарны за подробный ответ. Спасибо, что помогаете нам стать лучше!
Рубрика «Консультация» cоздана на портале «Цифровая подстанция» для того, чтобы каждый читатель мог получить ответ на интересующий его вопрос. Свои вопросы участники могут направлять на адрес [email protected] . Сегодня мы рассматриваем следующий вопрос:
Когда речь идет о коммутаторах и о передаче данных по информационной сети Ethernet часто возникает такое понятие как QoS (Quality of Service). Что это такое?
Отвечает начальник отдела инжиниринга компании «ТЕКВЕЛ» Дмитрий Стешенко:
Под качеством обслуживания (QoS) понимается способность сетевой инфраструктуры предоставлять улучшенное обслуживание определенному виду передаваемого трафика при помощи различных технологий.
Качество обслуживания на втором уровне модели OSI (канальном) в пределах одного сетевого элемента обеспечивается за счет использования модели дифференцированного обслуживания (Differentiated Service – DiffServ) и обеспечивается:
- Классификацией и разметкой трафика.
- Управлением перегрузками (механизмы очередей).
Следует отметить, что данная модель начинает работать лишь в случае появления очередей и перегрузок.
Согласно стандарту МЭК 61850 все коммуникационные процессы передачи данных осуществляются посредством технологии Ethernet. Данная технология определяет формат Ethernet кадров (фреймов), линии соединения (среду передачи), электрические и световые сигналы на физическом уровне, протоколы управления доступом к среде - на втором уровне модели OSI (канальном). Основные методы и технологии Ethernet описываются семейством протоколов IEEE 802.3.
Протокол Ethernet в чистом виде не поддерживает функцию приоритезации трафика, поэтому наряду со стандартным протоколом Ethernet IEEE 802.3, организация IEEE разработала стандарт создания виртуальных локальных сетей VLAN IEEE 802.1q. В стандарте IEEE 802.1q предусматривается вставка дополнительного четырехбайтового тега VLAN в заголовок Ethernet исходного фрейма, содержащий метку приоритета (Priority) класса обслуживания (Class of Service – CoS) IEEE 802.1p (см. рис. 1).
Рис. 1. Структура кадра Ethernet согласно стандарту IEEE 802.1q
КЛАССИФИКАЦИЯ И РАЗМЕТКА ТРАФИКА
К примеру, коммутаторы 2–го уровня PULLNET семейства AGENT-2 позволяют различать кадры Ethernet (классифицировать трафик) по параметрам метки приоритета (Priority) IEEE 802.1p. Значения приоритета в зависимости от типа трафика приведены в таблице ниже. Стандарт МЭК 61850 по умолчанию предусматривает для GOOSE сообщений и выборок мгновенных значений SV приоритет равный 4.
Таблица 1. Классы трафика согласно стандарту IEEE 802.1p.
|
Биты приоритета |
Обозначение |
Класс приоритета трафика |
|
NC (Network Controlled) |
Критически важный для сети. Трафик управления сетью |
|
|
Интерактивный мультимедийный (видео) |
||
|
CL (Controlled Effort) |
Контролируемый. Потоковый мультимедийный |
|
|
EE (Excellent Effort) |
Приоритетный |
|
|
Стандартный (Экономный) |
||
|
BE (Best Effort) |
Низший. Трафик передаваемый с максимальными усилиями («по возможности»). Вариант по умолчанию |
Таким образом, классификация и разметка трафика решает две задачи:
- Отнесение передаваемых данных к определенному классу трафика.
- Назначение передаваемому фрейму соответствующего приоритета.
УПРАВЛЕНИЕ ПЕРЕГРУЗКАМИ (МЕХАНИЗМЫ ОЧЕРЕДЕЙ)
Перегрузка возникает в случае переполнения выходных буферов передающего трафик оборудования. Основными механизмами возникновения перегрузок (или, что равнозначно, скоплений – congestions) является агрегация трафика (когда скорость входящего трафика превышает скорость исходящего) и несогласованность скоростей на интерфейсах. Управление пропускной способностью в случае перегрузок (узких мест) осуществляется с помощью механизма очередей. Кадры Ethernet помещаются в очереди, которые упорядоченно обрабатываются по определенному алгоритму. Фактически, управление перегрузками – это определение порядка, в котором фреймы выходят из интерфейса (очередей) на основе приоритетов. Если перегрузок нет – очереди не работают.
Так как очереди не бесконечны, они могут заполняться и переполняться. Если очередь уже заполнена, то новые пакеты в нее не попадают и отбрасываются. Это явление называется концевыми потерями. Проблема концевых потерь заключается в том, что в этой ситуации коммутатор не может не отбрасывать данный фрейм, даже если он имеет высокий приоритет. Таким образом, необходим механизм, выполняющий следующие две операции:
- Выяснить, действительно ли очередь переполнена и нет ли в ней места для фреймов с высоким приоритетом.
- Сформировать политику, согласно которой в первую очередь будут отбрасываться фреймы с более низким приоритетом, и только потом – с более высоким.
Приоритезация используется для классификации фреймов путем их привязки к одной из очередей выхода. Метка приоритета IEEE 802.1p для назначений очереди определяется пользователем. Коммутаторы 2–го уровня PULLNET семейства AGENT-2 поддерживают 4 очереди приоритетов. В таблице ниже представлена подробная информация по меткам приоритета для параметров очереди, установленных на коммутаторе PULLNET по умолчанию.
Таблица 2. Привязка Class of Service (CoS) к очереди пересылки данных по умолчанию.
|
Значение приоритета CoS IEEE 802.1p |
IEEE 802.1p |
Номер очереди по умолчанию в PULLNET AGENT-2 |
|
q0 (низший приоритет) |
||
|
q3 (максимальный приоритет) |
||
После процесса классификации фреймы можно привязать к определенной очереди (очередям) в зависимости от метки приоритета CoS.
Настройка очередей выхода осуществляется с помощью схемы планирования одного из следующих способов:
- Строгий приоритет (Strict Priority – SP).
- Взвешенный циклический алгоритм (Weighted Round Robin –WRR).
Строгий приоритет (Strict Priority) – гарантирует, что чувствительные ко времени приложения передаются всегда. Строгий приоритет (Strict Priority) позволяет присвоить трафику, зависящему от целевого назначения и чувствительности ко времени, наивысший приоритет перед менее чувствительными ко времени данными. Т.е. фреймы, находящиеся в очереди с высоким приоритетом, обрабатываются первыми. Кадры Ethernet из следующей по приоритету обслуживания очереди начнут передаваться только после того, как опустеет высокоприоритетная очередь. Например, передача голоса по IP осуществляется до пересылки трафика FTP или электронной почты (SMTP). Недостатком данного метода является то, что данные с низким приоритетом могут длительное время не обрабатываться.
Рис. 2. Механизм обработки очередей “Строгий приоритет” (Strict Priority) при постановке фреймов в очередь в соответствии с настройками по умолчанию в коммутаторах PULLNET.
Взвешенный циклический алгоритм (WRR) − гарантирует, что отдельное приложение не будет использовать все ресурсы по пересылке, доступные посредством модуля коммутатора Ethernet. С помощью WRR осуществляется пересылка всех очередей в цикле.
При наличии нескольких очередей фреймы могут быть помещены в разные очереди и обслуживаться по взвешенному циклическому алгоритму (Weighted Round Robin – WRR). Внутри очереди устанавливаются весовые коэффициенты (Weight Value) – в коммутаторах AGENT-2 это значения от 1 до 20. Они играют роль исходных точек, по которым определяется, с какой вероятностью может быть отброшен пакет. Процесс обработки очередей осуществляется по круговому принципу, начиная с самой приоритетной очереди. Из каждой непустой очереди передается некоторый объем трафика, пропорциональный назначенному ей весовому коэффициенту, после чего выполняется переход к следующей по убыванию приоритета очереди и так далее по кругу.
Рис. 3. Механизм обработки очередей “Взвешенный циклический алгоритм” (Weighted Round Robin).
Все очереди, за исключением очередей SP, могут работать по схеме WRR. Очереди SP обслуживаются непосредственно перед очередями WRR. Если поток трафика минимален и очереди SP не занимают всю полосу пропускания, назначенную для порта, то очереди WRR используют полосу пропускания совместно с очередями SP. При этом оставшаяся часть полосы пропускания распределяется в соответствии с весовыми коэффициентами. Данный комбинированный механизм «SP+WRR» доступен в коммутаторах PULLNET AGENT-2.
Сегодня мы расскажем, как настроить QoS. Что это за компонент, также подробно опишем далее. Начнем мы с определения, а далее коснемся тонкостей настроек и различных подходов к применению правил для обработки трафика.
Определение
Quality of Service (QoS) - это технология предоставления определенным классам трафика заданных приоритетов при обслуживании. Такой подход имеет смысл лишь при возникновении очереди. Последняя образуется в особо «узких» местах. И часто называют ее «бутылочным горлышком». Типичным примером очереди можно считать Интернет в офисе, где компьютеры подключены к сети со скоростью около 100 Мбит/сек. При этом все они используют единый канал. Однако технологию QoS нельзя считать панацеей. Если «горлышко» слишком узкое, часто переполняется буфер интерфейса. Именно в него помещаются пакеты данных.
Параметры
Далее будет подробно рассмотрена настройка QoS. Внесение изменений в очереди заключается в корректировке классов. Далее для них следует определить параметры для Теперь следует применить на интерфейс созданную конструкцию. Дальнейшая настройка QoS заключается в сортировке пакетов на классы. Для этого можно использовать различные атрибуты. Например, основываясь на поле DSCP, выделяя соответствующий конкретный протокол либо указывая как шаблон ACL. Давайте разберемся, откуда маршрутизатору известна вся полоса. Данные поступают из атрибута bandwidth в интерфейсе. Даже когда он явно не сконфигурирован, какое-то его значение возникает обязательно. Его можно увидеть при помощи команды sh int.
Принцип работы
Когда осуществляется настройка QoS, важно учесть, что по умолчанию в нашем распоряжении не вся полоса, а лишь 75 %. Пакеты, не попавшие в состав других классов, поступают в class-default. Маршрутизаторы следят, чтобы администратор не выдал больше полосы, чем имеет в распоряжении. Подобные попытки пресекаются. Создаётся впечатление, будто политика намерена выдавать классам не более заданного показателя. Однако подобная ситуация создается лишь в том случае, если наполнены все очереди. В случае опустения какой-либо, предназначенную ей полосу пропорционально делят наполненные «соседи». Если данные идут из класса, имеющего статус priority, маршрутизатор сосредотачивается именно на передаче подобных пакетов. Причем приоритетных очередей бывает несколько. В таком случае полоса между ними делится пропорционально заданным процентам. Когда приоритетные пакеты заканчиваются, наступает очередь для CBWFQ.
За каждый временной отсчёт из всех очередей «зачерпывается» доля данных. Ее необходимо указать в настройке соответствующего класса. Если часть очередей по определенным причинам пустует, их полоса пропорционально делится. Теперь разберем, что делать, когда необходимо строго рубить данные из класса, которые выходят за указанную скорость. Важно помнить, что указание bandwidth только распределяет полосу, когда очереди полностью загружены. Вы можете указать необходимую среднюю скорость и максимальный «выброс». Чем больше последний показатель, тем быстрее передача может отклоняться в сторону. Мы коротко описали, на каких принципах основывается настройка QoS.
В настоящее время вместе с планомерным увеличением скоростей передачи данных в телекоммуникациях увеличивается доля интерактивного трафика, крайне чувствительного к параметрам среды транспортировки. Поэтому задача обеспечения качества обслуживания (Quality of Service - QoS) становится все более актуальной.
Рассмотрение вопроса подобной сложности лучше всего начинать с простых и понятных примеров настройки оборудования, например, фирмы Cisco. Представленный здесь материал, безусловно, не может конкурировать с www.cisco.com. Наша задача – начальная классификация огромного объема сведений в компактном виде с целью облегчения понимания и дальнейшего изучения.
1. Определения и термины.
Определений термина QoS настолько много, что мы выберем единственно верное - правильно, от Cisco: "QoS – QoS refers to the ability of a network to provide better service to selected network traffic over various underlying technologies…". Что можно литературно перевести как: "QoS – способность сети обеспечить необходимый сервис заданному трафику в определенных технологических рамках".
Необходимый сервис описывается многими параметрами, отметим среди них самые важные.
Bandwidth (BW) - полоса пропускания, описывает номинальную пропускную способность среды передачи информации, определяет ширину канала. Измеряется в bit/s (bps), kbit/s (kbps), mbit/s (mbps).
Delay - задержка при передаче пакета.
Jitter - колебание (вариация) задержки при передаче пакетов.
Packet Loss – потери пакетов. Определяет количество пакетов, отбрасываемых сетью во время передачи.
Чаще всего для описания пропускной способности канала проводят аналогию с водопроводной трубой. В ее рамках Bandwidth – это ширина трубы, а Delay – длина.
Время передачи пакета через канал Transmit time [s] = packet size / bw .
Например, найдем время передачи пакета размером 64 байта по каналу шириной 64 килобита/c:
Packet size = 64*8=512 (bit) Transmit Time = 512/64000 = 0.008 (c)
2. Сервисные модели QoS.
2.1. Best Effort Service.
Негарантированная доставка. Абсолютное отсутствие механизмов QoS. Используются все доступные ресурсы сети без какого-либо выделения отдельных классов трафика и регулирования. Считается, что лучшим механизмом обеспечения QoS является увеличение пропускной способности. Это в принципе правильно, однако некоторые виды трафика (например, голосовой) очень чувствительны к задержкам пакетов и вариации скорости их прохождения. Модель Best Effort Service даже при наличии больших резервов допускает возникновение перегрузок в случае резких всплесков трафика. Поэтому были разработаны и другие подходы к обеспечению QoS.
2.2. Integrated Service (IntServ).
Integrated Service (IntServ, RFC 1633) - модель интегрированного обслуживания. Может обеспечить сквозное (End-to-End) качество обслуживания, гарантируя необходимую пропускную способность. IntServ использует для своих целей протокол сигнализации RSVP. Позволяет приложениям выражать сквозные требования к ресурсам и содержит механизмы обеспечения данных требований. IntServ можно кратко охарактеризовать как резервирование ресурсов (Resource reservation).
2.3. Differentiated Service (DiffServ).
Differentiated Service (DiffServ, RFC 2474/2475) - Модель дифференцированного обслуживания. Определяет обеспечение QoS на основе четко определенных компонентов, комбинируемых с целью предоставления требуемых услуг. Архитектура DiffServ предполагает наличие классификаторов и формирователей трафика на границе сети, а также поддержку функции распределения ресурсов в ядре сети в целях обеспечения требуемой политики пошагового обслуживания (Per-Hop Behavior - PHB). Разделяет трафик на классы, вводя несколько уровней QoS. DiffServ состоит из следующих функциональных блоков: граничные формирователи трафика (классификация пакетов, маркировка, управление интенсивностью) и реализаторы PHB политики (распределение ресурсов, политика отбрасывания пакетов). DiffServ можно кратко охарактеризовать как приоритезацию трафика (Prioritization).
3. Базовые функции QoS.
Базовые функции QoS заключаются в обеспечении необходимых параметров сервиса и определяются по отношению к трафику как: классификация, разметка, управление перегрузками, предотвращение перегрузок и регулирование. Функционально классификация и разметка чаще всего обеспечиваются на входных портах оборудования, а управление и предотвращение перегрузок – на выходных.
3.1. Классификация и разметка (Classification and Marking).
Классификация пакетов (Packet Classification) представляет собой механизм соотнесения пакета к определенному классу трафика.
Другой не менее важной задачей при обработке пакетов является маркировка пакетов (Packet Marking) - назначение соответствующего приоритета (метки).
В зависимости от уровня рассмотрения (имеется в виду OSI) эти задачи решаются по-разному.
3.1.1. Layer 2 Classification and Marking.
Коммутаторы Ethernet (Layer 2) используют протоколы канального уровня. Протокол Ethernet в чистом виде не поддерживает поле приоритета. Поэтому на Ethernet портах (Access Port) возможна лишь внутренняя (по отношению к коммутатору) классификация по номеру входящего порта и отсутствует какая-либо маркировка.
Более гибким решением является использование стандарта IEEE 802.1P, который разрабатывался совместно с 802.1Q. Иерархия отношений здесь следующая: 802.1D описывает технологию мостов и является базовой для 802.1Q и 802.1P. 802.1Q описывает технологию виртуальных сетей (VLAN), а 802.1P обеспечение качества обслуживания. В целом, включение поддержки 802.1Q (транк с виланами), автоматически дает возможность использования 802.1P. Согласно стандарту используются 3 бита в заголовке второго уровня, которые называются Class of Service (CoS). Таким образом, CoS может принимать значения от 0 до 7.
3.1.2. Layer 3 Classification and Marking.
Маршрутизирующее оборудование (Layer 3) оперирует IP пакетами, в которых под цели маркировки предусмотрено соответствующее поле в заголовке - IP Type of Service (ToS) размером один байт. ToS может быть заполнен классификатором IP Precedence или DSCP в зависимости от задачи. IP precedence (IPP) имеет размерность 3 бита (принимает значения 0-7). DSCP относится к модели DiffServ и состоит из 6 бит (значения 0-63).
Кроме цифровой формы, значения DSCP могут быть выражены с использованием специальных ключевых слов: доставка по возможности BE – Best Effort, гарантированная доставка AF – Assured Forwarding и срочная доставка EF – Expedited Forwarding. В дополнение к этим трем классам существуют коды селектора классов, которые добавляются к обозначению класса и обратно совместимы с IPP. Например, значение DSCP равное 26 можно записать как AF31, что полностью равнозначно.
MPLS содержит индикатор QoS внутри метки в соответствующих битах MPLS EXP (3 бита).
Промаркировать IP пакеты значением QoS можно разными способами: PBR, CAR, BGP.
Пример 1. Маркировка PBR
Policy Based Route (PBR) можно использовать с целью маркировки, производя ее в соответствующей подпрограмме (Route-map может содержать параметр set ip precedence):
!
interface FastEthernet0/0
ip policy route-map MARK
speed 100
full-duplex
no cdp enable
!
!
route-map MARK permit 10
match ip address 1
set ip precedence priority
!
На выходе интерфейса можно увидеть результат (например, программой tcpdump под unix):
# tcpdump -vv -n -i em0
... IP (tos 0x20 ...)
Пример 2. Маркировка CAR.
Механизм Committed Access Rate (CAR) разработан для ограничения скорости, однако дополнительно может и маркировать пакеты (параметр set-prec-transmit в rate-limit):
!
interface FastEthernet0/0
ip address 192.168.0.2 255.255.255.252
rate-limit input access-group 1 1000000 10000 10000 conform-action set-prec-transmit 3 exceed-action set-prec-transmit 3
no cdp enable
!
access-list 1 permit 192.168.0.0 0.0.0.255
!
#sh interface FastEthernet0/0 rate-limit
3.2. Управление перегрузками (Congestion Management). Механизм очередей.
3.2.1. Перегрузки (Congestions).
Перегрузка возникает в случае переполнения выходных буферов передающего трафик оборудования. Основными механизмами возникновения перегрузок (или, что равнозначно, скоплений - congestions) является агрегация трафика (когда скорость входящего трафика превышает скорость исходящего) и несогласованность скоростей на интерфейсах.
Управление пропускной способностью в случае перегрузок (узких мест) осуществляется с помощью механизма очередей. Пакеты помещаются в очереди, которые упорядоченно обрабатываются по определенному алгоритму. Фактически, управление перегрузками – это определение порядка, в котором пакеты выходят из интерфейса (очередей) на основе приоритетов. Если перегрузок нет – очереди не работают (и не нужны). Перечислим методы обработки очередей.
3.2.2. Layer 2 Queuing.
Физическое устройство классического коммутатора можно упрощенно представить следующим образом: пакет приходит на входной порт, обрабатывается механизмом коммутации, который решает, куда направить пакет, и попадает в аппаратные очереди выходного порта. Аппаратные очереди представляет собой быструю память, хранящую пакеты перед тем, как они попадут непосредственно на выходной порт. Далее, согласно определенному механизму обработки, пакеты извлекаются из очередей и покидают коммутатор. Изначально очереди равноправны и именно механизм обработки очередей (Scheduling) определяет приоритезацию. Обычно каждый порт коммутатора содержит ограниченное число очередей: 2, 4, 8 и так далее.
В общих чертах настройка приоритезации заключается в следующем:
1. Изначально очереди равноправны. Поэтому предварительно необходимо их настроить, то есть определить очередность (или пропорциональность объема) их обработки. Чаще всего это делается привязкой приоритетов 802.1P к очередям.
2. Необходимо сконфигурировать обработчик очередей (Scheduler). Чаще всего используются взвешенный циклический алгоритм (Weighted Round Robin WRR) или строгая очередь приоритетов (Strict Priority Queuing).
3. Назначение приоритета поступающим пакетам: по входному порту, по CoS или, в случае дополнительных возможностей (Layer 3 switch), по каким-то полям IP.
Работает все это следующим образом:
1. Пакет попадает в коммутатор. Если это обычный Ethernet пакет (клиентский Access Port), то он не имеет меток приоритета и таковая может выставляться коммутатором, например, по номеру входного порта, если это нужно. Если входной порт транковый (802.1Q или ISL), то пакет может нести метку приоритета и коммутатор может ее принять или заменить на необходимую. В любом случае пакет на данном этапе попал в коммутатор и имеет необходимую разметку CoS.
2. После обработки процессом коммутации пакет в соответствии с меткой приоритета CoS направляется классификатором (Classify) в соответствующую очередь выходного порта. Например, критический трафик попадает в высокоприоритетную, а менее важный в низкоприоритетную очереди.
3. Механизм обработки (Scheduling) извлекает пакеты из очередей согласно их приоритетам. Из высокоприоритетной очереди за единицу времени будет выдано на выходной порт больше пакетов, чем из низкоприоритетной.
3.2.3. Layer 3 Queuing.
Маршрутизирующие устройства оперируют пакетами на третьем уровне OSI (Layer 3). Чаще всего поддержка очередей обеспечивается программно. Это означает в большинстве случаев отсутствие аппаратных ограничений на их число и более гибкое конфигурирование механизмов обработки. Общая парадигма QoS Layer 3 включает маркировку и классификацию пакетов на входе (Marking & Classification), распределение по очередям и их обработку (Scheduling) по определенным алгоритмам.
И еще раз подчеркнем, что приоритезация (очереди) требуется в основном только в узких, загруженных местах, когда пропускной способности канала не хватает для передачи всех поступающих пакетов и нужно каким-то образом дифференцировать их обработку. Кроме того, приоритезация необходима и в случае предотвращения влияния всплесков сетевой активности на чувствительный к задержкам трафик.
Проведем классификацию Layer 3 QoS по методам обработки очередей.
3.2.3.1. FIFO.
Элементарная очередь с последовательным прохождением пакетов, работающая по принципу первый пришел – первый ушел (First In First Out - FIFO), имеющему русский эквивалент кто первый встал того и тапки. По сути, здесь нет никакой приоритезации. Включается по умолчанию на интерфейсах со скоростью больше 2 мбит/с.
3.2.3.2. PQ. Очереди приоритетов.
Priority Queuing (PQ) обеспечивает безусловный приоритет одних пакетов над другими. Всего 4 очереди: high, medium, normal и low. Обработка ведется последовательно (от high до low), начинается с высокоприоритетной очереди и до ее полной очистки не переходит к менее приоритетным очередям. Таким образом, возможна монополизация канала высокоприоритетными очередями. Трафик, приоритет которого явно не указан, попадет в очередь по умолчанию (default).
Параметры команды.
распределение протоколов по очередям:
priority-list LIST_NUMBER protocol PROTOCOL {high|medium|normal|low} list ACCESS_LIST_NUMBER
определение очереди по умолчанию:
priority-list LIST_NUMBER default {high|medium|normal|low}
определение размеров очередей (в пакетах):
priority-list LIST_NUMBER queue-limit HIGH_QUEUE_SIZE MEDIUM_QUEUE_SIZE NORMAL_QUEUE_SIZE LOW_QUEUE_SIZE
обозначения:
LIST_NUMBER – номер обработчика PQ (листа)
PROTOCOL - протокол
ACCESS_LIST_NUMBER – номер аксесс листа
HIGH_QUEUE_SIZE – размер очереди HIGH
MEDIUM_QUEUE_SIZE - размер очереди MEDIUM
NORMAL_QUEUE_SIZE - размер очереди NORMAL
LOW_QUEUE_SIZE - размер очереди LOW
Алгоритм настройки.
1. Определяем 4 очереди
access-list 110 permit ip any any precedence network
access-list 120 permit ip any any precedence critical
access-list 130 permit ip any any precedence internet
access-list 140 permit ip any any precedence routine
priority-list 1 protocol ip high list 110
priority-list 1 protocol ip medium list 120
priority-list 1 protocol ip normal list 130
priority-list 1 protocol ip low list 140
priority-list 1 default low
priority-list 1 queue-limit 30 60 90 120
2. Привязываем к интерфейсу
!
interface FastEthernet0/0
ip address 192.168.0.2 255.255.255.0
speed 100
full-duplex
priority-group 1
no cdp enable
!
3. Просмотр результата
# sh queueing priority
Current priority queue configuration:
| List | Queue Args | - | - | 1 | low | default | - | 1 | high | protocol ip | list 110 | 1 | medium | protocol ip | list 120 | 1 | normal | protocol ip | list 130 | 1 | low | protocol ip | list 140 |
#sh interfaces fastEthernet 0/0
…
Queueing strategy: priority-list 1
…
Interface FastEthernet0/0 queueing strategy: priority
high/19 medium/0 normal/363 low/0
3.2.3.3. CQ. Произвольные очереди.
Custom Queuing (CQ) обеспечивает настраиваемые очереди. Предусматириваетмя управление долей полосы пропускания канала для каждой очереди. Поддерживается 17 очередей. Системная 0 очередь зарезервирована для управляющих высокоприоритетных пакетов (маршрутизация и т.п.) и пользователю недоступна.
Очереди обходятся последовательно, начиная с первой. Каждая очередь содержит счетчик байт, который в начале обхода содержит заданное значение и уменьшается на размер пакета, пропущенного из этой очереди. Если счетчик не ноль, то пропускается следующий пакет целиком, а не его фрагмент, равный остатку счетчика.
Параметры команды.
определение полосы пропускания очередей:
queue-list LIST-NUMBER queue QUEUE_NUMBER byte-count
BYTE_COUT
определение размеров очередей:
queue-list LIST-NUMBER queue QUEUE_NUMBER limit QUEUE_SIZE
обозначения:
LIST-NUMBER – номер обработчика
QUEUE_NUMBER – номер очереди
BYTE_COUT – размер очереди в пакетах
Алгоритм настройки.
1. Определяем очереди
access-list 110 permit ip host 192.168.0.100 any
access-list 120 permit ip host 192.168.0.200 any
queue-list 1 protocol ip 1 list 110
queue-list 1 protocol ip 2 list 120
queue-list 1 default 3
queue-list 1 queue 1 byte-count 3000
queue-list 1 queue 2 byte-count 1500
queue-list 1 queue 3 byte-count 1000
Дополнительно можно установить размеры очередей в пакетах
queue-list 1 queue 1 limit 50
queue-list 1 queue 2 limit 50
queue-list 1 queue 3 limit 50
2. Привязываем к интерфейсу
!
interface FastEthernet0/0
ip address 192.168.0.2 255.255.255.0
speed 100
full-duplex
custom-queue-list 1
no cdp enable
!
3. Просмотр результата
#sh queueing custom
Current custom queue configuration:
| List | Queue | Args | - | 1 | 3 | default | - | 1 | 1 | protocol ip | list 110 | 1 | 2 | protocol ip | list 120 | 1 | 1 | byte-count 1000 | - | 1 | 2 | byte-count 1000 | - | 1 | 3 | byte-count 2000 | - |
#sh interface FastEthernet0/0
…
Queueing strategy: custom-list 1
…
#sh queueing interface fastEthernet 0/0
Interface FastEthernet0/0 queueing strategy: custom
Output queue utilization (queue/count)
0/90 1/0 2/364 3/0 4/0 5/0 6/0 7/0 8/0
9/0 10/0 11/0 12/0 13/0 14/0 15/0 16/0
3.2.3.4. WFQ. Взвешенные справедливые очереди.
Weighted Fair Queuing (WFQ) автоматически разбивает трафик на потоки (flows). По умолчанию их число равно 256, но может быть изменено (параметр dynamic-queues в команде fair-queue). Если потоков больше, чем очередей, то в одну очередь помещается несколько потоков. Принадлежность пакета к потоку (классификация) определяется на основе TOS, протокола, IP адреса источника, IP адреса назначения, порта источника и порта назначения. Каждый поток использует отдельную очередь.
Обработчик WFQ (scheduler) обеспечивает равномерное (fair - честное) разделение полосы между существующими потоками. Для этого доступная полоса делится на число потоков и каждый получает равную часть. Кроме того, каждый поток получает свой вес (weight), с некоторым коэффициентом обратно пропорциональный IP приоритету (TOS). Вес потока также учитывается обработчиком.
В итоге WFQ а втоматически справедливо распределяет доступную пропускную способность, дополнительно учитывая TOS. Потоки с одинаковыми IP приоритетами TOS получат равные доли полосы пропускания; потоки с большим IP приоритетом – большую долю полосы. В случае перегрузок ненагруженные высокоприоритетные потоки функционируют без изменений, а низкоприоритетные высоконагруженные – ограничиваются.
Вместе с WFQ работает RSVP. По умолчанию WFQ включается на низкоскоростных интерфейсах.
Алгоритм настройки.
1. Помечаем трафик каким-либо способом (устанавливаем IP приоритет - TOS) или получаем его помеченным
2. Включаем WFQ на интерфейсе
interface FastEthernet0/0
fair-queue
interface FastEthernet0/0
fair-queue CONGESTIVE_DISCARD_THRESHOLD DYNAMIC_QUEUES
Параметры:
CONGESTIVE_DISCARD_THRESHOLD – число пакетов в каждой очереди, при превышении которого пакеты игнорируются (по умолчанию - 64)
DYNAMIC_QUEUES – число подочередей, по которым классифицируется трафик (по умолчанию - 256)
3. Просмотр результата
# sh queueing fair
# sh queueing interface FastEthernet0/0
3.2.3.5. CBWFQ.
Class Based Weighted Fair Queuing (CBWFQ) соответствует механизму обслуживания очередей на основе классов. Весь трафик разбивается на 64 класса на основании следующих параметров: входной интерфейс, аксесс лист (access list), протокол, значение DSCP, метка MPLS QoS.
Общая пропускная способность выходного интерфейса распределяется по классам. Выделяемую каждому классу полосу пропускания можно определять как в абсолютное значение (bandwidth в kbit/s) или в процентах (bandwidth percent) относительно установленного значения на интерфейсе.
Пакеты, не попадающие в сконфигурированные классы, попадают в класс по умолчанию, который можно дополнительно настроить и который получает оставшуюся свободной полосу пропускания канала. При переполнении очереди любого класса пакеты данного класса игнорируются. Алгоритм отклонения пакетов внутри каждого класса можно выбирать: включенное по умолчанию обычное отбрасывание (tail-drop, параметр queue-limit) или WRED (параметр random-detect). Только для класса по умолчанию можно включить равномерное (честное) деление полосы (параметр fair-queue).
CBWFQ поддерживает взаимодействие с RSVP.
Параметры команды.
критерии отбора пакетов классом:
class-map match-all CLASS
match access-group
match input-interface
match protocol
match ip dscp
match ip rtp
match mpls experimental
определение класса:
class CLASS
bandwidth BANDWIDTH
queue-limit QUEUE-LIMIT
random-detect
определение класса по умолчанию (default):
class class-default
bandwidth BANDWIDTH
bandwidth percent BANDWIDTH_PERCENT
queue-limit QUEUE-LIMIT
random-detect
fair-queue
обозначения:
CLASS – название класса.
BANDWIDTH – минимальная полоса kbit/s, значение независимо от bandwidth на интерфейсе.
BANDWIDTH_PERCENT - процентное соотношение от bandwidth на интерфейсе.
QUEUE-LIMIT – максимальное количество пакетов в очереди.
random-detect – использование WRED.
fair-queue – равномерное деление полосы, только для класса по умолчанию
По умолчанию абсолютное значение Bandwidth в классе CBWFQ не может превышать 75% значение Bandwidth на интерфейсе. Это можно изменить командой max-reserved-bandwidth на интерфейсе.
Алгоритм настройки.
1. Распределение пакетов по классам - class-map
class-map match-all Class1
match access-group 101
2. Описание правил для каждого класса - policy-map
policy-map Policy1
class Class1
bandwidth 100
queue-limit 20
class class-default
bandwidth 50
random-detect
3. Запуск заданной политики на интерфейсе - service-policy
interface FastEthernet0/0
bandwidth 256
4. Просмотр результата
#sh class Class1
#sh policy Policy1
#sh policy interface FastEthernet0/0
Пример 1.
Деление общей полосы по классам в процентном соотношении (40, 30, 20).
access-list 101 permit ip host 192.168.0.10 any
access-list 102 permit ip host 192.168.0.20 any
access-list 103 permit ip host 192.168.0.30 any
class-map match-all Platinum
match access-group 101
class-map match-all Gold
match access-group 102
class-map match-all Silver
match access-group 103
policy-map Isp
class Platinum
bandwidth percent 40
class Gold
bandwidth percent 30
class Silver
bandwidth percent 20
interface FastEthernet0/0
bandwidth 256
service-policy output Isp
Low Latency Queuing (LLQ) – очередность с низкой задержкой. LLQ можно рассматривать как механизм CBWFQ с приоритетной очередью PQ (LLQ = PQ + CBWFQ).
PQ в LLQ позволяет обеспечить обслуживание чувствительного к задержке трафика. LLQ рекомендуется в случае наличия голосового (VoIP) трафика. Кроме того, он хорошо работает с видеоконференциями.
Алгоритм настройки.
1. Распределение пакетов по классам - Class-map
access-list 101 permit ip any any precedence critical
class-map match-all Voice
match ip precedence 6
class-map match-all Class1
match access-group 101
2. Описание правил для каждого класса - Policy-map
Аналогично CBWFQ, только для приоритетного класса (он один) указывается параметр priority.
policy-map Policy1
class Voice
priority 1000
class Class1
bandwidth 100
queue-limit 20
class class-default
bandwidth 50
random-detect
3. Запуск заданной политики на интерфейсе - Service-policy
interface FastEthernet0/0
bandwidth 256
service-policy output Policy1
Пример 1.
Относим класс Voice к PQ, а все остальное к CQWFQ.
!
class-map match-any Voice
match ip precedence 5
!
policy-map Voice
class Voice
priority 1000
class VPN
bandwidth percent 50
class class-default
fair-queue 16
!
interface X
Sevice-policy output Voice
!
Пример 2.
Дополнительно ограничиваем общую скорость для PQ в LLQ, чтобы он не монополизировал весь канал в случае неправильной работы.
!
class-map match-any Voice
match ip precedence 5
!
policy-map Voice
class Voice
priority 1000
police 1024000 32000 32000 conform-action transmit exceed-action drop
class Vpn
bandwidth percent 50
class class-default
fair-queue 16
!
interface FastEthernet0/0
service-policy output Voice
!
