СРЕДСТВА РЕЗЕРВИРОВАНИЯ ЕМКОСТИ КАНАЛОВ ДЛЯ ПРИКЛАДНЫХ СЛУЖБ НАУЧНО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СЕТИ

СРЕДСТВА РЕЗЕРВИРОВАНИЯ ЕМКОСТИ КАНАЛОВ ДЛЯ ПРИКЛАДНЫХ СЛУЖБ
НАУЧНО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СЕТИ
А.А. Букатов, О.В. Шаройко
Ростовский государственный университет, г.Ростов-на-Дону
В докладе предлагается обзор основных проблем, связанных с обеспечением качества предоставляемых
услуг (QoS- Quality of Service) для прикладных служб научно-образовательных сетей и рассматриваются разработанные авторами средства, позволяющие предоставлять определенный уровень качества обслуживания, в том числе
при условии перегруженности каналов и в случае невозможности использования традиционных методов обеспечения QoS.
В настоящее время требования к телекоммуникационным сетям по части QoS заметно возросли. Как результат непрекращающихся попыток найти решение проблем, связанных с обеспечением QoS в сетях, основанных
на передаче пакетов данных, появилось несколько протоколов разного уровня, нацеленных на приоритезацию трафика и гарантирование определенного уровня QoS. Широко известны такие протоколы как RSVP, DiffServ, MPLS.
Однако становится все более очевидным тот факт, что добиться приемлемого уровня QoS можно только тогда, когда QoS поддерживается по всему маршруту следования данных. Причем очень важно, что поддержка QoS должна
распространяться не только в ширину, т.е. из конца в конец сети, но и в глубину, т.е. от самого нижнего уровня стека протоколов до самого верхнего. Кроме того, средства QoS разных уровней необходимо "синхронизировать" друг
с другом, так как в противном случае ни на какой заметный выигрыш от применения технологий QoS надеяться не
стоит.
Две наиболее широко распространенные на данный момент технологии построения сетей передачи, не
имеющие встроенной поддержки QoS, – это технологии IP и Ethernet (эти технологии относятся к разным уровням
стека протоколов). Обеспечение QoS в сетях Ethernet полностью ложится на коммутаторы. Для научнообразовательной сети приемлемы два способа решения проблемы QoS в сетях Ethernet. Первый – это установка
коммутаторов, обеспечивающих возможность приоритезации трафика и соответствующая их настройка. Второй –
простое увеличение емкости каналов. В виду того, что коммутаторы с поддержкой QoS достаточно дороги, имеет
смысл устанавливать такие устройства только в магистральной части сети, тем более, что именно на магистрали
требования к канальной емкости обычно ощутимо выше, чем на периферии. Конечно, может оказаться, что возможности расширения магистральные каналов исчерпаны. Однако доступность высокоскоростной и относительно
дешевой технологии Gigabit Ethernet наряду с предоставляемой развитыми коммутаторами возможностью агрегирования нескольких физических каналов в один логический существенно повышает доступные емкости каналов.
Поэтому зачастую и на магистральных участках сети можно добиться приемлемого уровня QoS вторым способом.
Этот способ, хотя и не решает напрямую проблемы QoS, тем не менее, позволяет отодвинуть их на второй план
простой разгрузкой сети и обеспечением для всех потребителей высокого качества обслуживания.
Для рассмотрения проблемы QoS в IP сети удобно логически выделить в ней магистральный участок, периферию и пограничные каналы. Для магистрального участка и периферии повысить уровень QoS можно либо
применением специальных протоколов на маршрутизаторах (что так же, как и в случае с сетью Ethernet удобно
сделать на магистральном участке) либо простым увеличением емкости каналов. С пограничными каналами сети
дело обстоит далеко не так просто. Улучшение уровня QoS на пограничных каналах за счет увеличения их емкости
не всегда приемлемо, так как их дополнительная емкость имеет слишком высокую цену. Обычно внешние каналы
научно-образовательной сети работают с существенными перегрузками, особенно в часы наивысшей загруженности и на оплату резерва их емкости средств обычно не хватает. Кроме того, с экономической точки зрения нецелесообразно оплачивать большой запас канальной емкости при условии, что большую часть времени он не будет использоваться в полном объеме. Применить на пограничных каналах протоколы обеспечения QoS тоже проблематично, так как каналы обычно перегружены в сторону научно-образовательной сети, а протоколы QoS необходимо
настраивать на первом, по ходу следования трафика маршрутизаторе, т.е. на маршрутизаторе, управляемом сервис
провайдером. Российские сервис провайдеры обычно не предоставляют услуг QoS, или требуют дополнительной
оплаты таких услуг. Даже если с сервис провайдером достигнуто определенное соглашение о поддержке на его
стороне QoS любые изменения конфигурации потребуют изменений настроек маршрутизатора провайдера и, следовательно, повлекут необходимость дополнительных организационных усилий и потребуют достаточно большого
времени. Таким образом, проблема обеспечения QoS для пограничных каналов остается для научнообразовательных сетей, в основном, не решенной.
Один из вариантов решения проблемы QoS для пограничных каналов заключается в использовании механизма обратной связи стека протоколов TCP/IP. Для того, чтобы задействовать этот механизм достаточно установить на ближней к получателю стороне канала ограничения доступной канальной емкости. Если эти ограничения
3
задать в соответствии с приоритетами получателей, то распределение канальной емкости будет примерно соответствовать этим приоритетам. Но существующие маршрутизаторы не предоставляют средств для автоматического
динамического изменения таких ограничений. В результате потребители с низким приоритетом не смогут использовать канальную емкость, даже если в данный момент она свободна, и не востребована потребителями с более высокими приоритетоми. Разработанные авторами средства позволяют динамически изменять канальную емкость,
доступную той или иной группе потребителей при этом учитывая особенности некоторых прикладных служб научно-образовательных сетей. Группы потребителей определяется множествами их IP адресов и задаются в конфигурационной информации. Динамическое изменение доступной емкости выполняет специальная программа-демон,
которая периодически вычисляет канальную емкость, потребляемую каждой из заданных групп, и пересчитывает, в
соответствии с приоритетами, заданными для них, ограничения емкости в каналах. Ограничения канальной емкости пересчитываются дискретно, с заданным интервалом. Дискретный пересчет ограничений, конечно, допускает в
ряде случаев кратковременные всплески, нарушающие заданную приоритетность, но в целом позволяет соблюдать
необходимое разделение каналов. Для вычисления текущей потребности и непосредственного изменения ограничений используется программный комплекс учета и регулирования загруженности каналов IP сети [1].
Для учета особенностей тех или иных прикладных служб, разработана специальная программа-монитор.
Она исполняется на серверах, обеспечивающих функционирование служб, для которых необходимо обеспечить
резервирование емкости каналов. В настоящий момент программа-монитор реализована для центра высокопроизводительных вычислений (ЦВВ) РГУ. Реализация монитора для ЦВВ предполагает существование одного или нескольких компьютеров, через которые осуществляется удаленный доступ к ЦВВ (серверы удаленного доступа к
ЦВВ). Работающая на каждом из этих серверов программа ведет учет активных соединений удаленных пользователей с этими серверами, при этом предполагается существование соединений двух типов: соединения интерактивной работы (telnet/ssh) и соединения файлового обмена (ftp/sftp/scp). При вычислении потребности в канальной емкости для интерактивных соединений учитывается применение методов статистического мультиплексирования
емкости однонаправленных соединений и вычисляется суммарная потребность таких соединений, которая в итоге и
резервируется. В то же время для протоколов передачи файлов емкость резервируется индивидуально, с ограничением как снизу, так и сверху, чтобы предотвратить чрезмерную загрузку каналов передачей файлов. Такой подход
обусловлен особенностями протоколов соответствующих типов. Так, для протоколов передачи файлов характерно
стремление полностью занять всю доступную им емкость в канале, в то время как протоколы интерактивной работы характеризуются кратковременными пиками, чередующимися с низким уровнем потребления канальной емкости. С учетом этого для интерактивных соединений логичнее резервировать не отдельную независимую полосу на
каждое соединение, а полосу на все соединения сразу. Причем эта полоса должна позволять одновременно передавать информацию, соответствующую низкому уровню потребления всех интерактивных протоколов и иметь резерв, равный средней величине пика. В этом случае качественная передача пиков разных соединений будет возможна за счет их разреженности во времени, т.е. по сути, при таком подходе используется мультиплексирование
пиков по времени.
В виду того, что для управления пропускной способностью применяются технологии, основанные на механизме обратной связи стека протоколов TCP/IP, разработанные средства, к сожалению, не могут обеспечить высокой динамичности. Однако, они позволяют задать приоритеты использования каналов там, где не могут работать
стандартные протоколы QoS, как это имеет место, например, для пограничных каналов.
ЛИТЕРАТУРА:
1.
Букатов А.А., Шаройко О.В. Программный комплекс учета и регулирования уровня загрузки каналов IP-сетей
сложной топологии // Материалы конференции <Relarn-2001>, Петрозаводск, 2001, с. 6-8.
4