Многоклассовая модель обслуживания в гетерогенных Metro Ethernet сетях

Текущая «best effort» инфраструктура в сетях масштаба города (далее - "сетях") обладает недостатками с точки зрения таких характеристик как задержка, джиттер, потери пакетов, значения которых должны быть минимальными для мультимедийных приложений (голос, видео, и данные) в моменты возникновении перегрузок в канале. Относительно недавно, получены результаты в разделении сервисов, для обеспечения поддержки не только мультимедийных приложений, но и важных данных. В этой статье мы определим основные типы трафика, обсудим их особенности и требования, а также постараемся получить соответствие типов трафика классам обслуживания.

Введение

В современных сетях происходит развертывание новых мультимедийных приложений: VoIP, видеоконференции, видео по запросу (Video on Demand), аудио по запросу (Music on Demand), телерадиовещание (ТРВ), появление множества интерактивных сетевых игр. Эти приложения производят трафик с характеристиками, сильно отличающимися от производимого обычными приложениями данных, а также предъявляют более строгие требования к задержке и потерям. Качество голоса, например, очень чувствительно к потере, задержке и колебанию задержки в очереди для буфера узла сети (свитча, маршрутизатора). Качество работы видеоприложений сильно ухудшается в моменты загрузки сети, и генерируемый этими приложениями трафик чувствителен к потерям. В дополнение к появляющимся приложениям, генерирующим потоковый трафик, сеть должна также поддерживать интерактивные приложения данных. Комфортная для пользователя работа этих приложений (telnet, веб-серфинг, интерактивные сетевые игры) требует небольших значений задержки. Однако, эти требования часто не выполняются из-за характера работы протокола TCP с потерянными пакетами

Типы трафика

Определим основные типы трафика, встречаемые в сетях масштаба города:

Интерактивное аудио и видео
Потоковое видео
Потоковое аудио
Интерактивный трафик данных
Игровой трафик
Административный
Остальной трафик

Рассмотрим по порядку каждый из выделенных типов трафика и определим характеристики каждого из них. Согласно Y.1540 [1] и Y.1541 [2] выбираем параметры производительности IP-сетей:

• IPLR - количество потерянных IP-пакетов;
• IPER - количество пакетов с ошибками;
• IPTD — задержка (временной интервал между начальной передачей и окончательным приемом пакета);
• IPDV — джиттер (изменение запаздывания, задержки).

Необходимо также, для каждого типа трафика поставить в соответствие класс обслуживания [1] (табл.1).

Табл. 1. ITU-T Y.1541 — соответствие классов обслуживания параметрам производительности IP-сетей.

Интерактивное аудио и видео

Данный тип сервиса в основном определяется телефонными звонками (VoIP), аудио- и видеоконференциями с низким разрешением. Согласно различным исследованиям [12], [13] и стандартам [11], [14] односторонняя задержка не должна превышать 150мс, джиттер 30-50мс, так как превышение этого порога сильно сказывается на качестве восприятия речи. При значениях задержки меньших 100мс пользователи услуги ее не замечают. Значения потерь пакетов не должны превышать порог 1 — 5% в зависимости от кодека. Класс обслуживания, наиболее оптимально соответствующий этим требованиям согласно [1] — 0.

Потоковое видео

Прежде всего это такие услуги как телевещание, видео по запросу (Video on Demand). Для них верны следующие общие требования [2]:

• Хорошее качество видео
• Высокая готовность
• Средняя интерактивность - определяется для обратного потока (от пользователя).

Эти требования должны быть переведены в величины для требований, предъявляемых к транспортировке данных по сети IP.

В связи с большим размером единичного потока (от 3,5 Мбит для MPEG-2 и от 2 Мбит для H.264 ) и используемыми принципами кодирования предъявляются повышенные требования к потерям пакетов. Из рекомендации J.241 [2] для превосходного качества обслуживания (ESQ) значение IPLR должно быть минимальным. Также следует отметить , что параметр задержки может сильно отличаться в зависимости от сервиса потокового видео. В частности, для видео по запросу, «сетевого видеомагнитофона» и близких по архитектуре сервисов эти требования возрастают, так как требуется бОльшая интерактивность. Так как последние сервисы более требовательны к параметрам производительности IP-сетей, то пороговое значение имеет смысл определять и для этих сервисов. Согласно Дополнения 3 от 05.2008г. к рекомендации Y.1541 [3] значения IPTD, IPDV, IPLR, IPER соответствуют классам обслуживания 6 и 7 самой рекомендации. Исследования [15], [16] подтверждают значения, указанные в [7].

К классу 6 следует отнести услуги телевещания, а к классу 7 — услуги видео по запросу и аналогичных.

Потоковое аудио

Прежде всего, это такие услуги как радиовещание, аудио по запросу (Music on Demand). Для этого типа трафика значения параметров производительности IP-сети согласно [1], [17] вписываются в классы 0, 1. Для интерактивных сервисов (Music on Demand) класс обслуживания — 0, для услуг радиовещания класс обслуживания — 1.

Интерактивный трафик данных

К этому классу трафика следует отнести веб-серфинг, telnet, ssh, интерактивный обмен сообщениями (например, чат)[5]. Класс данного трафика — 3.

Игровой трафик

Значения параметров производительности IP-сети согласно исследованиям [6], [8], [9] соответствуют классу обслуживания 0, что противоречит рекомендации [7]. Значение задержки для хорошего и отличного качества сервиса не должны превышать 100 мс, значение джиттера должно быть меньше 50 мс, а уровень потерь пакетов должен оставаться ниже 1%.

Административный

Служит для обеспечения функционирования сети, мониторинга, управления сетевым оборудованием (OSPF, RIP, SNMP, telnet, http, ssh). Как правило, подобный трафик выделяется в отдельную виртуальную сеть (VLAN). Собственно, это самый важный трафик и посему класс обслуживания у него должен быть самый высокий. Согласно [1] самым строгим является класс 6.

Остальной трафик

Как правило, это трафик файлообмена, почтовых сервисов и прочих, менее важных служб. Класс обслуживания — 5.

Тип трафика - класс обслуживания

Получаем следующую таблицу (Табл. 2) соответствия классов обслуживания — типам трафика.

Табл. 2. Соответствие типов трафика классам обслуживания.

Как видно из таблицы - распределение типов трафика по классам обслуживания не равномерное. Важным вопросом для рассмотрения является возможность смешивания различных типов трафика. Выделение класса трафика, в большинстве используемом для построения сетей масштаба города, оборудовании — это отдельная очередь, так как используется таблица соответствия маркирования пакета и очереди. То бишь, каждый класс обслуживания [1] соответствует номеру очереди в сетевом узле.

Из Табл. 1 видно, что существуют пересечения между различными типами трафика.

В нашем случае происходит смешение (варианты):

1. игрового трафика, потокового аудио, интерактивного аудио и видео (классы 0)
2. административного трафика и потокового видео (класс 6).

Согласно исследованию «Service Differentiaition in the Internet to Support Multimedia Traffic » [11] рассмотрим вариант 1 — игровой трафик, потоковое аудио, интерактивное аудио и видео:

• для каналов меньших, чем 1,5Мбит/c смешение этих типов трафика недопустимо;
• для каналов 10Мбит возможно только при существенном сокращении общей пропускной способности и совсем низком потоке данных;
• для каналов 100Мбит возможно при использовании не более чем 20% пропускной способности канала

Таким образом, необходимо определить игровой, потоковое аудио, интерактивное аудио и видео в различные классы. Классы для этих типов трафика следует выбрать исходя из важности каждого из трафиков и его востребованности в конкретной сети. Определим для игрового трафика класс 4, потоковое аудио определим в класс 1, а интерактивное аудио и видео в класс 0.

Теперь рассмотрим вариант 2. В конечном итоге, вывод, для ситуации смешивания административного и потокового видео повторяет вариант 1. А также, согласно безопасности и обеспечения стабильности функционирования сети, крайне непригодным является смешивание административного трафика с любым другим. Так как класс обслуживания 6 является самым строгим, то следует оставить за ним административный трафик, а для трафика потокового видео использовать только 7 класс.

Таким образом, получаем следующую таблицу (Табл. 3) соответствия типов трафика классам обслуживания.

Табл. 3. Соответствие типов трафика классам обслуживания после учета смешения.

Заключение

Из-за попадания разных типов трафика в один класс обслуживания и невозможности их смешения, классы обслуживания с указанными в стандарте Y.1541 параметрами производительности IP-сетей не соответствуют типам трафика. Однако, проведенная оптимизация и разделение типов трафика по классам (Табл. 3) позволяет повысить эффективность и производительность мультисервисной сети, а также повысить безопасность работы сети

Библиография
1.ITU-T Y.1540. Internet protocol data communication service – IP packet transfer and availability performance parameters, 2007.
2.ITU-T Y.1541. Network Performance objectives for IP-based services, Amendment 3, 2008.
3.ITU-T J.241. Quality of service ranking and measurement methods for digital video services delivered over broadband IP networks, 2005.
4.Focus Group On IPTV. Quality of Experience Requirements for IPTV, 5th FG IPTV meeting, 23-31 July 2007.
5.IPTV Focus Group Proceedings. Traffic management mechanisms for the support of IPTV services, 249с.
6.Grenville Armitage, Lawrence Stewart. Some Thoughts on Emulating Jitter for User Experience Trials, 2005.
7.IPTV Focus Group Meeting. Classification of IPTV services based on network QoS requirements, 2006.
8.Johannes Farber. Traffic Modelling for Fast Action Network Games, MTAP, 2004.
9.Sebastian Zander, Grenville Armitage. Empirically Measuring the QoS Sensitivity of Interactive Online Game Players, ATNAC, 2004.
10.Fouad Tobagi. Service Diffirentiation in the Internet to Support Multimedia Traffic, 2002.
11.ITU-T G.114. One-way transmission time, 2003.
12.Peter Caky, Martin Klimo, Onrey Skvarek. End to end voip quality measurement, Acta Electrotechnica et Informatika N1 Vol.6, 2006.
13.Tim Szigeti, Christina Hattingh. Quality of Service Design Overview, Cisco Press, 2004.
14.ETSI TS 101329. Telecommunications and Internet Protocol Harmonization Over Networks (TIPHON) Release 3, 2002.
15.Jason Greengrass, John Evans, Ali C. Begen. Streaming Video Coding and SLA Requerments, Cisco, 2009.
16.Marc Todd. Quality of Video over IP Measuring the Quality of Streaming MPEG-2 Transport Streams over IP, IneoQuest Technologies, 2001.
17.Rishikesh S. Gokhale. Packet Loss Concealment in Voice Over Internet, 2003.