Мультисервисная сеть: качество обслуживания и мультикаст. Часть 1

Часть 1, Часть 2, Часть 3

Как повысить эффективность использования сети и увеличить производительность важных сервисов? Внедряя новые мультимедийные сервисы, вы обеспечиваете их стабильное функционирование в сети? Получите реальную выгоду от использования технологии качества обслуживания.

Введение

Современные мультисервисные сети операторов связи интенсивно охватывают все бOльшие территории, увеличивается база их абонентов, внедряются новые сервисы. Небезызвестная технология Triple Play одними провайдерами уже освоена, а другим предстоит еще познакомится с ней и с трудностями ее внедрения.

За внедрением Triple Play следует еще более возросшая нагрузка на пропускную способность каналов. Сами же каналы часто подвержены перегрузкам в часы пик, из-за чего в итоге страдает конечный пользователь.

Прежде всего, страдает трафик, чувствительный к задержкам, искажениям, времени передачи. К чувствительному трафику следует отнести трафик VoIP и IPTV. Не стоит забывать и о служебном (административном) трафике, без которого работа сети не представляется возможной. К нему следует отнести сервисы маршрутизации (RIP, OSPF), доменных имен (DNS), сервис DHCP, SNMP и прочие. Некоторые компании в ранг важного относят трафик приложений, от стабильной и быстрой работы которых, зависит вся деятельность и прибыль компании. Например, для провайдеров — это интернет трафик. Вследствие вызванных перегрузок естественно и уменьшается время доступа к сервисам.

Конечно, перегрузки можно предупреждать увеличением пропускной способности каналов передачи данных, но есть ряд существенных ограничений, из за чего данный метод не всегда может быть применим.

1. Это не всегда возможно в связи с используемой физической средой передачи данных.
2. Экономически неоправданно, то есть требует новых вложений (в частности - замена оборудования), что значительно может увеличить стоимость предоставляемых услуг.
   
3. Тяжело предсказать поведение трафика, его интенсивность, скорость увеличения, так как все это зависит от большого числа параметров. Особенно, это касается развивающейся, быстро растущей сети. Рост сети подразумевает не только увеличение количества абонентов, но и появление новых сервисов.

Но не все так грустно, как может показаться на первый взгляд. Еще «основатели» Интернет предполагали о необходимости управления качеством обслуживания в сетях IP. Внедрение (Добавление) в заголовок IP-пакета байта типа обслуживания (ToS - Type of Service), положило начало созданию целого набора технологий качества обслуживания (QoS - Quality of Service).

С течением времени, они развивались и дополнялись новыми алгоритмами, механизмами обслуживания очередей и механизмами предотвращения перегрузки, и в настоящее время, позволяют (иногда даже в корне) изменить ситуацию в IP-сетях в лучшую сторону.

QoS

Допустим, необходимо предоставить возможность получать трафик пользователями в соответствии с его важностью. Тогда, необходимы механизмы отделения важного трафика от всего остального, механизмы обработки этого важного трафика в соответствии с политикой провайдера, а также возможность предотвращения перегрузки сети. Таким образом, мы подходим к теме функционирования технологии QoS.

Маркировка пакетов и их классификация

Маркировка пакетов служит для идентификации определенного типа трафика и может осуществляться следующим образом:

• установкой в заголовке IP-пакета значения поля IP-приоритета (8 классов сервиса);
• установкой в заголовке IP-пакета значения поля кода дифференцированной услуги (DSCP) (64 класса сервиса);
• установкой значения в Ethernet фрейме с использованием 802.1p приоритета в заголовке 802.1Q (8 классов сервиса);
• установкой значения MPLS EXP в MPLS метке.

Классификация служит для разделения IP-пакетов относящихся к различным типам трафика в зависимости от значений полей заголовка IP-пакета.

Обработка пакетов

Сетевые устройства обладают буфером, благодаря которому есть возможность накапливать необходимое количество пакетов и обрабатывать их в зависимости от установленных приоритетов. Алгоритмы управления очередями начинают работать только в моменты переполнения буфера.

На данный момент используется несколько основных алгоритмов обработки очередей.

• Weighted Fair Queuing (WFQ) взвешенный алгоритм равномерного обслуживания.
• Weighted Round Robin (WRR) взвешенный алгоритм кругового обслуживания. Используется механизм с учетом назначения каждому потоку трафика своего веса и обработка потока пропорционально этому весу.
• Weighted Random Early Detection (WRED) взвешенный алгоритм произвольного раннего обнаружения. Используется для предотвращения перегрузки сети.

Также существуют всевозможные модификации и дополнения к этим алгоритмам, которые могут отличаться у разных производителей сетевого оборудования.

Возможности QoS

1. Выделение из общего потока данных требуемого трафик и задание для него приоритета.
2. Повышение доступности приоритетного сервиса, вне зависимости от загруженности каналов.
3. Обработка приоритетного трафика в зависимости от установленной политики компании.
4. Улучшение характеристик трафика.
5. Возможность гибко изменять ценовую политику провайдерам, предоставляя различный уровень сервиса в зависимости от потребностей клиентов.

Постановка задачи

Перейдем собственно к описанию реальной задачи.

1. Необходимо подготовить существующую «домовую» сеть к внедрению сервиса теле- и радиовещания в сети.
2. Учесть влияние этого нового трафика на основные сетевые сервисы компании - предоставление выхода в сеть Интернет и услуги VoIP, учесть влияние быстро растущей базы абонентов и p2p трафика внутри локальной (пользовательской) сети.
   
3. Необходимо также решить как проводить модернизацию и масштабирование сети. Решение должно быть экономически оправданным.

Для начала, определим требования к сети.

Требования, предъявляемые для сервисов к сети

В традиционных сетях, где трафик создают приложения файлового обмена, почтовые сервисы, сервисы баз данных, требования, предъявляемые к сети и качеству обслуживания не столь высоки.

VoIP, видеоконференции

Для работы сервисов VoIP и видеоконференций требования к сети и качеству обслуживания сильно возрастают, так как необходимо обеспечить в сети для них:

1. низкие задержки для VoIP и интерактивного видео (видеоконференции) максимум 150 мс (милисекунд) в одну сторону (следуя International Telecommunication Union);
2. максимальное значение джиттера менее 10 мс для VoIP и 30 мс для интерактивного видео;
3. максимальные потери пакетов не более 0,25%;

Следует понимать, что пиковая нагрузка на каналы передачи данных в мультисервисных сетях в основном приходится на вечер, выходные дни недели и праздники.

VoD, AoD, ТРВ

Следует разделить эти сервисы на две категории:

• предоставление услуги VoD (Video on Demand), AoD (Audio on Demand) - видео/аудио по заказу (запросу);
• теле- и/или радиовещание - ТРВ (потоковое видео или аудио).

Для этих сервисов необходима различная пропускная способность. Для технологии VoD/AoD пропускная способность прямо пропорциональна количеству заказанных различных видеопотоков. Например, уже при заказе 100 пользователями различных фильмов при потоке 4-5 Мбит/с каждый, сформируется общий поток на магистрали 400-500 Мбит/с. Для снижения нагрузки на магистраль используется технология кеширующих серверов, располагающихся как можно ближе к абоненту.

Для сервиса ТРВ (потокового видео) используется технология multicast, которая существенно снижает нагрузку на магистраль. Однако, появляется требование поддержки оборудованием протокола групповой адресации IGMP и протоколов мультикаст маршрутизации (PIM, DVMRP).

Важные требования к сети для VoD/AoD и ТРВ:

• задержка не более 4-5 секунд. Столь большая задержка возможна благодаря использованию буферизации в видеоприложениях;
• по той же причине, не существует значительных требований к колебанию задержки;
• потери должны составлять максимум 1-2%.

Решение задачи

Исходя из вышеназванных критериев перейдем к практике и решим поставленную задачу. Разобьем решение на несколько этапов:

1. Представление структуры и логической схемы сети;
2. Внедрение технологии мультикастинга;
3. Реализация технологии QoS;
4. Тестирования QoS;

Структура сети

Сеть на данный момент представляет собой многоуровневую иерархическую структуру.

На рисунке 1 представлена схема сети и используемое оборудование. В нашем случае, сеть построена на оборудовании компании D-Link.

Как видно из схемы, к роутеру west DGS-3612G подключен видеосервер. Роутеры techcenter, west, nord, nord-mk9 связаны оптическими линиями связи на скорости 1 Гбит/c. Свитчи nord-sw04 и nord-sw03 подключены на скорости 100 Мбит/c. Клиентское оборудование подключается на скорости 10 Мбит/c.

Физическая структура разбита на несколько уровней:

• Ядро системы — techcenter
• Район города — nord,west
• Квартал — nord-mk9
• Дом — nord-sw04
• Подъезд — nord-sw03

Каждый дом подключен оптическим каналом связи. Внутри дома подъезды и клиенты подключены по технологии 100BASE-T Ethernet.

Достоинства сетевого оборудования этой компании применительно к нашим задачам:

• низкая стоимость;
• адекватная служба технической поддержки.

Недостатки:

• сыроватость программного обеспечения, что со временем исправляется, если сообщать о неполадках;
• не всегда соответствуют в полной мере заявленные возможности реальным;
• реализация функционирования работы протоколов не всегда соответствует стандартам из теории, что влечет за собой проблемы.

В таблице 1 приведена информация о некоторых возможностях используемого оборудования. Подробное описание оборудования можно найти на официальном сайте компании D-Link.

Имя	Модель	Интерфейсы	Мультикаст	QoS	Уровень	Производительность
main	DGS-3612G	8 портов SFP 4 комбо-порта SFP/1000BASE-T	IGMP v1,v2,v3 PIM	Class of Service на основе: - МАС-адреса; - TOS; - DSCP; - IP-адреса; - Номера порта TCP/UDP; - VLAN ID; - Содержимого пакетов, определяемых пользователем. WRED	3	24 Гбит/с
nord	DXS-3326GSR	20 SFP портов 4 комбо-порта SFP/10/100/1000BASE-T Gigabit	IGMP v1,v2,v3 PIM	Class of Service на основе: - МАС-адреса; - TOS; - DSCP; - IP-адреса; - Номера порта TCP/UDP; - VLAN ID; - Содержимого пакетов, определяемых пользователем. WRED	3	128 Гбит/с
nord-mk1	DES-3828	24 порта 10/100BASE-TX 2 комбо-порта 10/100/1000BASE-T/SFP	IGMP v1,v2,v3 PIM	Class of Service на основе: - МАС-адреса; - TOS; - DSCP; - IP-адреса; - Номера порта TCP/UDP; - VLAN ID; - Содержимого пакетов, определяемых пользователем. WRED;	3	12.8 Гбит/с
nord-mk-sw04,sw03	DES-2108	8 портов 10/100BASE-TX	IGMP Snooping v2	QoS на основе портов	2	1.6Гбит/с
-	DES-3526	24 порта 10/100BASE-TX 2 комбо-порта 1000BASE-T/MiniGBIC (SFP)	IGMP Snooping v3	Class of Service на основе: - МАС-адреса; - TOS; - DSCP; - IP-адреса; - Номера порта TCP/UDP; - Содержимого пакетов; определяемых пользователем - портов.	2	8.8 Гбит/с

Таблица 1. Используемое оборудование

Стоит упомянуть, что настроить более-менее корректную конфигурацию в сетевом оборудовании удалось лишь при активном общении со службой технической поддержки из-за "глюков" и "особенностей" работы оборудования.

Далее >>