نیازمندیهای کیفیت سرویس در اینترنت

عنوان مطالب اين مبحث از5 قسمت تشكيل شده است: 1وضعيت ترافيك در اينترنت و نيازمنديهاي آن 2محدوديتهاي مدل سرويس Best Effort 3 معرفي كيفيت سرويس 4 نيازمنديهاي يك معماري كيفيت سرويس 5 اجزا يك معماري كيفيت سرويس

منابع 1- Xipeng Xiao and Lionel M. Ni, Internet QoS: A Big Picture, IEEE Network • March/April 1999 2- W. Zhao, D. Olshefski and H.Schulzrinne, Internet Quality of Service: an Overview, 2000 3- D.D. Clark, et. al, “Supporting Real-Time Applications in an Integrated Service Packet Network,” 1992

6-1-وضعيت ترافيك در اينترنت و نيازمنديهاي آن انگيزه _ در حال حاضر اينترنت تنها يك نوع سرويس بنام Best Effort را ارايه مي كند. در اين مورد كنترل دسترسي به شبكه انجام نميگيرد وتضميني نيز به ترافيك پذيرفته شده داده نميشود. _ كاربردهاي موجود عمد تا انعطاف پذير هستند: +تاخير و دورريزي بسته ها را تحمل مي كنند. +نرخ ارسال خود را با وضعيت شبكه تنظيم مي كنند. _ كاربردهاي جديد در اينترنت قابليت انعطاف كاربردهاي سنتي داده بر مبنايTCP را ندارند. _آيا بايد كاربردها را تغيير داد يا اينترنت را كه بتواند كاربردهاي جديد را حمايت كند؟

انواع كاربردها كاربردهاي انعطاف پذير كاربردهاي با جريان پيوسته _مانند ترافيك داده و ترافيكFTP _حساس به نرخ ارسال نيستند اگر چه نرخ بالاتر بهتر است ولي فراهم بودن يك نرخ مشخص براي عملكرد آنها ضروري نيست. كاربردهاي با جريان پيوسته _گاه بنام كاربردهاي بلادرنگ تحمل پذير خوانده مي شوند. _مانند ترافيك ويديو. _يك حد بالا و پايين براي كارايي قابل قبول شبكه وجود دارد. كاربردهاي بلادرنگ حساس _نيازمند كيفيت سرويس در سطح مشخص و تعريف شده هستند. _در صورت فراهم نبودن منابع مورد نياز عملكرد كاربر با اختلال روبرو ميشود.

كاربردهاي Playback اكثريت كاربردهاي بلادرنگ از نوع Playback هستند. اطلاعات بصورت بسته هاي داده از طريق شبكه ارسال ميشود. هر بسته با تاخير آماري در سطح شبكه مواجه ميشود. گيرنده با شروع به دريافت اطلاعات آنها را با خبر ميكند. اينكار تا مدت زمان تعريف شده ادامه مي يابد. سپس گيرنده شروع به نمايش اطلاعات به كاربر ميكند. Playback Point ميزان تاخير قابل قبول براي هر بسته را نشان مي دهد. اگر بسته اي پس از زمان تعريف شده براي نمايش اطلاعات آن بسته به گيرنده برسد, غير مفيد و بلا استفاده خواهد بود.

Application Buffers Data Distribution of Deliveries in Time نقطه Playback شكل زير نمودار معمول توزيع احتمال تاخير در شبكه را نشان ميدهد. Playback Point در نقطه اي تنظيم مي شود كه امكان تاخير بيش از آن بسيار كم باشد. Typical Delivery Playback Point Transmission Time Unless It’s Too Late… Application Buffers Data to Ensure Consistency Distribution of Deliveries in Time

نيازمنديهاي سرويس كاربردهايPlayback 1-بخاطر ماهيت بلادرنگ ترافيك و دو طرفه بودن ارتباط مانند مكالمه صوتي, كاربرد حساس به تاخير در شبكه است. تاخير كمتر هميشه بهتر است. 2-براي تنظيم نقطه Playback , گيرنده لازم است در مورد ميزان تاخير در شبكه اطلاعاتي را بصورت دقيق يا آماري داشته باشد. 3- تاخير بسته ها تا سطح Playback Point قابل تحمل است, لذا شبكه مي تواند از اين خاصيت جهت اولويت دهي سرويس بسته ها استفاده كند. بسته هايي كه نزديك نقطه Playback خود هستند بايد زودتر ارسال شوند. 4-اكثر كاربردها تلفات بسته را بطور محدودي تحمل مي كنند, لذا نقطه Playback نياز نيست خيلي زياد تنظيم شود تا هيچ بسته اي ديرتر وارد نشود.

انواع كاربردهاي بلادرنگ كاربردهاي بلادرنگ را از دو ديد مي توان دسته بندي كرد: A . غيرقابل انعطاف يا قابل انعطاف: بسته به اين كه آيا كاربرد امكان تنظيم نقطه Playback بر اساس وضعيت شبكه را دارد. B . تحمل پذير يا تحمل ناپذير در مقابل وقفه هاي كوتاه در سرويس شبكه. چهار حالت از ترکيب A و B بوجود می آيد ولی در عمل دو حالت از چهار حالت فوق وجود دارد: 1- كاربردهاي غير قابل انعطاف و تحمل ناپذير: نيازمند يك سطح تضمين شده سرويس است. 2- كاربردهاي قابل انعطاف تحمل پذير: نيازمند سرويس با سطح تضمين قابل انعطاف تري است. سئوال : چرا دو تركيب ديگر مورد استفاده قرار نمي گيرد؟

بهبود كيفيت سرويس در اينترنت _IETF كار بهبود امكانات كيفيت سرويس در اينترنت را در دست انجام دارد. _پروتكلهاي متعددي در اين رابطه تعريف شده است كه شامل موارد زير است: Differentiated Service Integrated Service RSVP

كيفيت سرويس چيست؟ از ديد كاربر: عبارت است از تضمين سرويس انتها به انتها براي كاربر مانند تضمين تاخير بين دو كاربر در ارتباط صوتي (VOIP ) و يا تضمين پهناي باند بين دروازه هاي يك شبكه خصوصي مجازي (VPN ). از ديد شبكه: عبارت است از امكان اولويت بندي بسته ها و تنظيم رفتار شبكه براي اولويت هاي مختلف به تناسب نياز آنها. دو نکته در اين رابطه حائز اهميت است: امكان تضمين سرويس انتها به انتها در صورتيكه اولويت بندي با رزرو كردن منابع همراه باشد وجود خواهد داشت. امكانات فوق در شبكه اينترنت امروزي وجود ندارد و افزودن آنها بسادگي امكان پذير نيست.

تركيب ترافيك اينترنت IP شكل زير نشان دهنده اين است كه ترافيك شبكه هاي داده امروزه بطور غالب از جنس IP مي باشد و ترافيك IPX و SNA با كاهش شديدي روبرو بوده اند. بنابراين اينترنت انواع كاربردهاي حساس را در بر خواهد داشت كه نيازمند ارايه سرويس مناسب هستند. 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% IP IP SNA IPX Others RFC 1490

ترافيك اينترنت انواع عمده ترافيك اينترنت عبارتند از: TCP و IP Telephony و H.323 audio/video و در مورد ترافيكTCP , كاربردهاي زير نقش اصلي را بازي ميكنند: _Web و FTP و Mail. Transport Breakout TCP Applications

تركيب ترافيك شبكه هاي خصوصي تركيب ترافيك شبكه هاي خصوصي در شبكه هاي سازماني, حجم ترافيك وب و چند رسانه اي در حال رشد بوده است: 20 40 60 80 100 Numbers in Percent Multimedia Dynamic WWW 2% 7% Static WWW 7% 14% 16% FTP and Telnet 27% E-Mail and News 28% 23% Other 15% 39% 23% 12% 18% 17% 17% 13% 14% 8% 1996 1998 2000

شكل ترافيك ويديو كدينگ ويديو با استاندارد MPEG منجر به توليد سيگنال با نرخ متغير مي شود. فريمها به دو دسته فريمهاي اصلي و فريمهاي تفاضلي تقسيم مي شوند. فريمهاي تفاضلي نرخ بيت كمتري توليد مي كنند. Key Frame Key Frame Delta Frames

شكل ترافيك ويديو محدوديت پهناي باند موجب كاهش تغييرات نرخ سيگنال و در مقابل افزايش تاخير ارسال مي شود و لذا نقطه Playback بالاتري بايد تنظيم شود. Key Frame Key Frame Delta Frames

ترافيك صوت داراي يك نقطه Playback مانند ويديو است. محدوديت تاخير کمتری نسبت به ويديو دارد چون گوش آدمي حساسيت كمتري به تاخير دارد. تاخير بيش از حدود ms 150موجب احساس قطع شدن ارتباط و يا تاخير در پاسخ, در شنونده مي شود. در كاربردهاي چند رسانه اي, صوت بايد با ويديو از نظر زماني همگام شود.

6-2-محدوديت هاي مدل سرويس Best Effort شبكه سعي خود را براي ارسال سريعتر بسته ها خواهد كرد ولي عليرغم اين, ممكن است برخي از بسته ها از بين بروند. مدل ديتاگرام سنتي: عدم تضمين مسير- عدم تضمين منابع. اصل برقراري ارتباط بين شبكه هاي گوناگون غير همگن, موجب رشد ساير ابعاد اقتصاد ميشود. نقش برقراري ارتباط يك گام بجلو است. تضمين سرويس يك كالاي لوكس است. با استفاده از TCP , كاربردهايي كه نياز به تضمين سالم رسيدن بسته ها دارند, مي توانند با ارسال مجدد و تنظيم نرخ ارسال با وضعيت شبكه, از منابع موجود حداكثر بهره برداري را بكنند.

فلسفه طراحيTCP فرض مي كنيم شبكه اكثرا ترتيب بسته ها را رعايت ميكند. فرض ميكنيم بسته ها اكثرا سالم مي رسند مگر در مواقع ازدحام. از بين رفتن بسته ها نشانه آن است كه اين كاربر بيش از ظرفيت شبكه از آن مي خواهد استفاده كند و بايد نرخ ارسال خود را كاهش دهد. مديريت پنجره ازدحام بر اساس مكانيسم هاي Slow-Start Fast Retransmit و Fast Recovery انجام مي شود( براي اطلاعات بيشتر به [1] مراجعه شود).

Congestion Avoidance Phase رفتار يك ارتباطTCP شكل زير طول پنجره ازدحام (نرخ ارسال) يك ارتباط TCP را نشان مي دهد. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Slow Start Exponential Growth Congestion Avoidance Phase Linear Growth

تاثير عملكرد روترها بر TCP _حذف يك بسته : موجب كاهش نرخ يك ارتباط مي شود. _ حذف تعدادي از بسته ها: + اگر از ارتباطهاي مختلف باشند, موجب همگام شدن و افزايش همزمان آنها و ايجاد ازدحام مي گردد. +اگر از يك ارتباط باشند, موجب Time-out به جاي Fast Retransmit مي شود. _تاخير بسته ها: بخاطر انتظار در صف ارسال انجام ميشود. اين كار موجب تاخير افتادن ارسال Ack ها و تاخير در ارسال بسته هاي بعدي و در نتيجه كاهش نرخ ارسال مي شود.

علت خراب شدن كيفيت سرويس در اينترنت _بخشي از مشكل به رفتارTCP مربوط مي شود: + مكانيسم Slow Start/ Fast Retransmit موجب ايجاد صفهاي طولاني در گلوگاههاي شبكه ميشود. _بسياري از اوقات طولاني بودن زمان پاسخ مثلا در استفاده از وب بخاطر دورريزي پشت سر هم بسته ها و Time out شدن است و نه ازدحام.

آيا مي توان كيفيت سرويس اينترنت Best Effort را بهبود داد؟ سه نوع راه حل براي اين منظور ارايه شده است: 1-صف بندي: موجب تاخير انداختن تلفات بسته ميشود به اين اميد كه وضعيت شبكه بهبود يابد. 2-مديريت هوشمند بافر: روشهايي مانند Random Early Discard(RED) موجب جلوگيري از افزايش زياد نرخ ارتباطهاي TCP و از بين بردن هم زماني آنها مي شود. 3-بهبود رفتار TCP : روشهاي متعددي ارائه شده است كه بعدا به آنها خواهيم پرداخت: -استفاده از Selective Acknowledgement . -افزايش مقدار اوليه پنجره TCP از يك سگمنت به 4 سگمنت براي وارد شدن به Fast Retransmit در صورت از بين رفتن بسته بجاي Time Out. -ماندن در فاز Fast Recovery در تمام طول ارتباط.

محدوديت هاي مدل Best Effort راه حل هاي فوق براي بهبود كيفيت سرويس در اينترنت كافي نيستند: _حجم روزافزوني از ترافيك از TCP استفاده نمي كند مانند: +Internet Telephony H.323/MBONE(audio/viodes)+ _استفاده وسيع از تجهيزات مياني تاخير در شبكه را افزايش مي دهد: + ديواره هاي آتش + سرورهاي, Proxy, NAT ... _رفتار معمول TCP براي برخي كاربردها اصولا مناسب نيست. بسياري از اوقات نياز به افزايش سريع نرخ ارسال نيست مانند VPN ها ولي در عين حال نياز به رزرو كردن منابع به منظوركاهش تاخير ارسال است.

6-3- معرفي كيفيت سرويس در ارزيابي عملكرد سيستم ها چهار سئوال اساسي پيش مي آيد كه به آنها لازم است پاسخ داده شود: How quickly : با چه سرعتي به يك درخواست پاسخ داده ميشود. How effectively : راندمان استفاده از منابع چقدر است. How fairly : منابع موجود چگونه بين درخواستهاي موازي تقسيم شده است. How well : سيستم چگونه با خطا ها و خرابيها روبرو مي شود.

معيارهاي ارزيابي كيفيت ليست زير تعدادي از معيارهاي عمومي ارزيابي كيفيت عملكرد يك شبكه را نشان مي دهد: ظرفيت بهینه سطح استفاده (منظور utilization است.) گذردهي نرخ تلفات بسته ها راندمان ميزان سربار تاخير تغييرات تاخير زمان پاسخ عدالت در تخصيص منابع

پارامترهاي كيفيت سرويس كيفيت سرويس در دو سطح تعريف مي شود: 1-در سطح نشست يا ارتباط: نرخ مسدود بودن (Blocking Probability) احتمال دريافت پاسخ مثبت براي برقراري يك ارتباط چقدر است. 2-در سطح بسته ها: سه پارامتر اصلي براي تعريف كيفيت سرويس در سطح بسته عبارتند از: تاخير (Delay) : ميزان تاخير بر سر راه ترافيك بخاطر صف بندي , پردازش و يا ازدحام. تغييرات تاخير (Jitter) : بهم ريختن و تغييرات فاصله زماني بين ورود بسته ها درگيرنده را نشان مي دهد. كاربردهای چند رسانه اي به تغييرات تاخير حساسيت بيشتري دارند. تلفات: نرخ دورريزي بسته ها بخاطر وقوع ازدحام در شبكه.

دسته بندي روشهاي ارايه كيفيت سرويس Provisioned QoS : منابع شبكه بصورت استاتيك براي يك كلاس ترافيك يا يك جریان تخصيص مي يابد. Signalated QoS : كاربردها در صورت نياز از شبكه درخواست رزرو منابع ميكنند. Per-Flow QoS : كيفيت سرويس در سطح يك جريان ترافيك مشخص تضمين مي شود. Per-aggregate QoS : حمايت از كيفيت سرويس نه براي هر جريان بلكه براي مجموعه اي از جریانها كه تشكيل يك كلاس ترافيك را مي دهند بطور جمعي انجام ميشود.

مشكلات ارايه كيفيت سرويس ساختار پشته پروتكل اينترنت بدون QoS ساده است. اينترنت با QoS پيچيدگيهاي فراواني را همراه مي آورد. مي توان با افزايش پهناي باندها مشكل QoS را تا حدي رفع كرد. حمايت از كيفيت سرويس از طرف ديگر باعث استفاده بهينه منابع شبكه ميشود. آيا مي توان مصالحه اي بين پيچيدگي و راند مان انجام داد؟ جهت گيري به سمت روشهاي Per-aggregate به جاي Per- Flow است.

6-4-نيازمنديهاي يك معماري كيفيت سرويس مثال ساده زير را در نظر بگيريد. دو جريان H2-H4 و H1-H3 خط بين مسيريابهاي R2 و R1 با ظرفيت 1.5Mbps را بطور اشتراكي استفاده مي كنند. برای انجام اينکار بصورت بهينه بايد چهار اصل اساسی رعايت گردد.

اصل1-علامت گذاري بسته ها روشي براي علامت گذاري بسته ها به منظور اولويت بندي و تمايز بين آنها لازم است. در مثال فوق اگر ارتباط H1-H3 مربوط به يك مكالمه تلفني و ارتباط H2-H4 مربوط به يك كاربرد FTP باشد, بدون الويت دهي, ارسال يك فايل بزرگ مي تواند براي مدتي ارتباط صوتي را مختل كند.

اصل2-ايزولاسيون ارتباطها از هم يك جريان با رفتار نامتعارف (ارسال داده بيش از حد مجاز) نبايد موجب اختلال ساير جريانها بشود. كنترل نرخ ورود ترافيك به شبكه در سطح جريان لازم است (Policing).

اصل3- راندمان استفاده از منابع همزمان با ايزولاسيون , بايد استفاده از منابع شبكه نيز با راندمان خوبي انجام شود. براي تامين ايزولاسيون مي توان از مدل سویيچينگ مداري استفاده كرد و پهناي باند خط را بين دو جريان بطور ثابت تقسيم كرد ولي اينكار راندمان استفاده از شبكه را كاهش مي دهد.

اصل4- كنترل پذيرش ارتباطها شبكه نبايد بيش از ظرفيت ترافيك بپذيرد. كنترل پذيرش ترافيك معمولا در سطح ارتباط يا نشست صورت مي پذيرد. كاربر مشخصات ترافيك و نيازمنديهايي كيفيت سرويس خود را اعلام مي كند و شبكه تصميم مي گيرد آيا امكانات لازم براي پذيرش ارتباط را در اختيار دارد يا نه.

مثلثQoS فرستنده ها تمايل به ارسال حجم بالاي ترافيك بصورت ناگهاني در هر لحظه دلخواه دارند. گيرنده ها انتظار تاخير كم و گذردهي بالا دارند. فراهم كننده ها (Providers) مي خواهند بيشترين حجم ترافيك را با حداقل منابع بپذيرند.

6-5- اجزا يك معماري كيفيت سرويس 1- تعريف انواع سرويس ها با نيازمنديهاي QoS مختلف. -امكان مشخص كردن بسته هاي مربوط به سرويس هاي مختلف (Packing Marking). 2- وجود قراردادي براي ارتباط كاربر و شبكه. _ يك پروتكل Signaling براي مذاكره و رزرو منابع. 3- تعريف يك قرارداد سطح سرويس شامل مشخصات ترافيك و پارامترهاي كيفيت سرويس. 4- تعريف الگوريتمي براي كنترل پذيرش ارتباطها (Admission Control ). 5- امكان كنترل مشخصات ترافيك جريانها .(Traffic Policing / Shaping). 6- امكان مسيريابي حساس به كيفيت سرويس براي يافتن يك مسير مناسب. 7- امكانات پردازش حساس به كيفيت سرويس بسته ها: Drop Policy/ Buffer Allocation _ Queuing Discipline & Service Policy_ Traffic Management_

مكانيسم هاي ارايه كيفيت سرويس A . قرارداد بين كاربران و شبكه Service Level Agreement (SLA)_ Traffic Contract_ QoS Contract_ B . در لبه شبكه (Network Edge) Signaling & Admission Control_ Packet Classification/Marking_ Traffic Shaping_ Traffic Policing_ C .در روترها Classification & Scheduling_ Routing_ Buffer Management_ Traffic Monitoring ( metering)_

دسته بندي مكانيسم هاي كيفيت سرويس اين مكانیسم ها به سه دسته مكانيسم هاي صفحه داده، مكانيسم هاي صفحه كنترلي و مكانيسم هاي صفحه مديريت تقسيم مي شوند: 1-صفحه داده: شامل مجموعه پروتكلها و مكانيسم هايي است كه براي تحويل به موقع بسته ها به گيرنده به كار مي رود مانند buffering, priority scheduling , ,error control framing. 2- صفحه كنترلي: شامل كليه پروتكلها و مكانيسم هاي لازم جهت برقراري, نگهداري و قطع ارتباط بين كاربران است مانند پروتكل سيگنالينگ براي رزرو منابع. 3- صفحه مديريت: شامل پروتكلها و مكانيسم هاي لازم براي نظارت , نگهداري و اطمينان از سالم بودن تجهيزات و منابع شبكه است مانند نظارت بر استفاده از منابع (metering).

Quality of Service شمای کلی ساختار

مقايسه اي از مكانيسم هاي QoS جدول زير مقايسه اي بين شبكه هاي ATM و IP انجام مي دهد.

نتیجه گیری فصل 6 در این فصل موارد زیر مورد بررسی قرار گرفت کاربردهای بلادرنگ و به طور خاص playbackها بررسی شد. نشان داده شد که کاربردها را می توان به دو دسته قابل انعطاف و غیر قابل انعطاف تقسیم کرد. سرویس Best Effort در اینترنت توضیح داده شد. کیفیت سرویس و پارامترهای مربوطه تعریف گردید. نیازمندیهای یک معماری کیفیت سرویس تشریح گردید. اجزای یک معماری کیفیت سرویس بیان شد و مکانیسم های مربوطه برای پیاده سازی این اجزا و نقش هر یک از تجهیزات شبکه در این پیاده سازی توضیح داده شد.