QoS - Quality of Service

Jiří Šádek sadekj1(at)feld(dot)cvut(dot)cz

1. Úvod

Rozlišení paketů v síti je zpravidla dáno toky, které tyto pakety vytváří. Best-effort službou sítě je zajištěna základní konektivita avšak bez jakýchkoliv garancí. Chceme-li však provozovat v síti služby multimediálního charakteru - voice, telephony, video streaming - či obecně aplikace s různými specifickými požadavky na službu od sítě, musíme mít v síti mechanismy, které je zaručí. To si davá za cíl právě Quality of Service.

1.1 Co je tedy "QoS"

Jedná se o soubor technik, které řídí zpoždění (delay), fázové chvění (jitter), ztrátovost paketů (packet loss) a šířku pásma (bandwidth) pro toky v síti.

1.2 Úrovně QoS

• Best-effort - služba klasického internetu, poskytující základní konektivitu bez garancí
• Differentiated - služba rozdělující provoz v síti do tříd podle požadavků
  • CoS - pro každou třídu je konfigurovatelný QoS mechanismus podle, kterého je poté obsloužena
  • Soft QoS - bez garancí pro službu jako takovou, diferencuje pouze provoz
• Guaranteed - požadavek pro přidělení určitého množství síťových zdrojů
  • Hard QoS - vyžaduje přísné garance od sítě

1.2.1 Qos na linkové vrstvě

Některé z technologií 2. vrstvy je podpora QoS přímo dostupná. Jedná se především o ATM technologii, která je zde nejsilnější avšak její nevýhodou je, že pokud je použita jedná se především o páteřní sítě a nikdy nedosáhne ke koncovým uživatelům. Zde je nejrozšířenější technologií ethernet, který ve své nedávné specifikaci 802.1p také přidal možnosti použití QoS. Dále můžeme zmínit Frame Relay (minCIR) a Token Ring.

Všechny výše zmíněné technologie mají však své uplatnění zhlediska QoS v sítích rozsahu LAN či WAN. Nejedná se však o řešení postačující pro celý Internet.

1.2.2 QoS z hlediska End-to-End konektivity

V síti Internet je použito velké množství heterogeních technologií linkové vrstvy a proto End-to-End konektivita začíná na 3. (síťové) vstvě. Pro Internet založený na TCP/IP je QoS založen na IP tak, že mapuje své funkce QoS do mechanismů linkové vrstvy.

2. IP QoS

2.1 Historie

Myšlenku o rozlišování typů paketů a nasledné možnosti jeho zpracování v rámci QoS, byla již v počáteční době specifikaci IP (RFC791) a jedná se o pole ToS (Type of Service, 1 Byte) v hlavičce IP paketu. V raných dobách internetu nebyla podpora ToS důležitá a proto ji většina IP implementací ignorovala.

Počátkem 90. let 20. století se začaly uplatňovat mechanismy pro plánování front paketů na routerech - WFQ, WRED - pro eliminaci stavů jejich zahlcení. Dále rozšířením aplikací mající striktní požadavky na šíři pásma byl zaveden model integrated services (RFC1633) pro garance predikovatelného chování sítě těmto aplikacím (protokoly RSVP, COPS). Zatímco u integrated services signalizují požadavky na specifický QoS aplikace, u následného modelu differentiated services (RFC2430) síť rozpoznává jednotlivé třídy, které vyžadují specifický QoS.

2.2 Modely pro IP QoS

• Best-effort
• Integrated services - IntServ
• Differentiated services - DiffServ

2.2.1 Integrated services - IntServ model

Resource reservation se používá k identifikaci toku (daného aplikací) a signalizaci zda je pro ni dostatek zdrojů. Admission control určuje zda může aplikace dostat požadované zdroje.

RSVP - Resource reservation protocol (RFC2205) byl vyvinut právě pro vyjednávání potřeb aplikací na síťové zdroje mezi síťovými zařízeními. Je typicky používán aplikacemi přenášejícími voice či video přes IP sítě. Dále RSVP s rozšířením je také používáno MPLS traffic engineeringem pro sestavení MPLS/TE tunelů.

Mezi výhody použití IntServ modelu a tedy protokolu RSVP patří zmíněný resource admission control, který podporuje end-to-end řešení. Nevýhodou je nepřetžité signalizování a špatná škálovatelnost.

2.2.2 Differentiated services - DiffServ model

Tento model popisuje služby asociované s třídami provozu. Za účelem lepší škálovatelnosti se veškerá klasifikace a úprava daného provozu přesunula pouze na hranici sítě - v každém paketu hodnota DSCP (differentiated services code point) slouží k výběru per-hop behavior (PHB). Ve vlastní síti se vykonávají pouze pravě PHB, implemetované použitím určirého QoS mechanismu. Provisioning prvek DiffServ modelu alokuje zdroje pro třídy provozu. Dalším požadavky pro DiffServ model bylo zrušení vazby mezi službou a aplikací, potlačení hop-by-hop signalizování a slučitenost s uzly sítě neiterpretující DS pole korektně.

2.2.2.1 DS pole, DSCP kódování

DSCP je 6 bitová hodnota části DS pole což je dnešní název pro bývalý ToS Byte a využívá se pro určení PHB - metody pro forwarding a fronty. DS pole je oktet v IP hlavičce třídy provozu pokud je interpretován podle definice RFC2427. Při použití horních 3 bitů DSCP zpětně kompatibilní s IP precedence. Zbývající bity nejsou v současné době využity.

DSCP kódování má tři rozsahy:

• xxxxx0 - standardní akce
• xxxx11 - experimentální užití
• xxxx01 - EXP/LU - budoucí využití

Defaultně je DSCP - 000000 a PHB - FIFO, tail-drop

Výběr per-hop behavior:

• default PHB
• class selector (IP precedence) PHB
• expedited forwarding PHB
  • zajišťuje minimální departure rate (odchozí rychlost)
  • garance šíře pásma - třída má garantováno množství šíře pásma s prioritizovaným forwardingem
  • hlídá šíři pásma - po překročení garantovaného množství je nadměrný provoz zahozen
• assured PHB
  • garance šíře pásma
  • umožní rozšířit pásmo (bandwidth) činných tříd jsou-li k dospozici volné zdroje, způsob rozdělení musí být specifikován

2.2.2.2 Traffic conditioners (kondicionéři provozu)

Uplatňují se na hranicích sítě a jsou proto velice důležitou součástí pro zajištění diferencovaných služeb uvnitř síťové domény. Poskytuje:

• Klasifikaci paketů (packet classifier)
• Označování paketů (packet marker)
• Traffic rate manager

Klasifikace paketů

Je prostředkem pro identifikaci paketu určité třídy podle jednoho či více polí v hlavičce paketu. Těmi mohou být:

• IP flow identifikace podle:
  • zdrojové a cílové IP adresy
  • zdrojového a cílového čísla portu
  • pole IP protokolu
• IP precedence nebo DSCP pole
• TCP/IP parametry hlavičky (např. délka paketu)
• Zdrojová a cílová MAC
• URL adresa, NBAR (Network Based Application Recognition)

Označování paketů

Klasifikovaný paket lze označit pro indikaci jeho třídy provozu. Na routeru máme k dispozici možnost označit (někdy termín obarvit) paket podle jeho IP precedence nebo DSCP polem v IP hlavičce, nebo QoS group polem paketu v interní datové struktuře routeru.

Traffic rate manager

Na hranici domény QoS sítě je vstupující zátěž hlídána routery, zaručující, že rychlost zůstane v limitu pro danou službu. V případě, že vstupní zátěž vzroste nad možnosti páteřní sítě, vede degradovaný výkon k znemožnění poskytovaní QoS pro celý síťový provoz. Z toho důvodu jsou implementovány policing a shaping funkce.

2.2.2.2 Per-Hop Behavior, alokace zdrojů

Jedná se především o mechanismy plánování front paketů pro podporu QoS na síťových prvcích uvnitř DiffServ domény.

• FIFO
• Multi-priority Queuing
• Fair Queuing
• Weighted Fair Queuing

2.2.2.3 Per-Hop Behavior, politika zahazovaní paketů

• RED - Random Early Detection

• WRED - Weighted RED = více front rozdílné zahazování při RED