Технология QoS

  • Гарантированная пропускная способность канала
  • Уменьшение джиттера и задержки
  • Гарантированный уровень надёжности

Содержание:

В статье рассказываем о том, что такое QoS в целом и об особенностях его работы в коммутаторах Moxa.

О технологии QoS

Для того, чтобы повысить вероятность доставки важных данных, в коммутаторах Moxa реализована поддержка технологии Quality of Service (QoS).

QoS – технология приоритизации трафика, т.е. предоставление различным классам трафика различных приоритетов в обслуживании. Это означает, что более важный трафик будет обработан коммутатором быстрее, и задержки при его прохождении по сети будут минимальны.

Что такое качество обслуживания?

Под качеством обслуживания при передаче информации по сетям связи понимают следующие параметры:

  • Bandwidth – полоса пропускания, описывает номинальную пропускную способность среды передачи информации (определяет ширину канала).
  • Delay – задержка при передаче пакета.
  • Jitter – колебание задержки при передаче пакетов.
  • Packet Loss – потери пакетов, определяет количество пакетов, отбрасываемых сетью во время передачи.

Все эти параметры позволяет контролировать механизм QoS: выделяет определенную полосу пропускания, уменьшает задержку и джиттер при передаче пакетов, предотвращает отбрасывание важных пакетов.

Важно: для работы QoS все сетевые устройства между отправителем и получателем должны поддерживать эту технологию.

Зачем использовать приоритизацию трафика?

Трафик в сети бывает нескольких видов: данные от web-приложений, электронной почты, видео, голоса, мессенджеров, телеметрии и т.д. Голосовой и видео трафик чувствителен к задержкам, а трафик телеметрии нет, но требует гарантированной доставки. Чтобы учесть и обеспечить все эти требования, каждому типу трафика присваивается свой приоритет, который и определяет очередность обработки его коммутатором.

В целом можно сказать, что приоритизация дает следующие преимущества:

  • Улучшает производительность сети, дает контроль над всем трафиком, позволяет управлять потоком данных в моменты перегрузки.
  • Обеспечивает предсказуемую ширину канала для мультимедийных приложений, видеоконференций или IP-телефонии, и минимизирует задержки и джиттер.
  • В случае заражения сети червями защищает от атак типа Deny of Service, DoS - “отказ в обслуживании”.

Стоит отметить, что приоритизация требуется в основном только в узких, загруженных местах, когда пропускной способности канала не хватает для передачи всех поступающих пакетов и нужно каким-то образом дифференцировать их обработку. Кроме того, приоритизация необходима для предотвращения влияния всплесков сетевой активности на чувствительный к задержкам трафик.

Механизм работы QoS

Для реализации QoS придумали маркировку трафика, и теперь каждый пакет в Ethernet имеет специальное поле с отметкой о приоритете. В коммутаторах MOXA реализованы два стандартных метода маркировки трафика:

  • IEEE 802.1p CoS — маркировка на 2 уровне.
  • Differentiated Services (DiffServ) или ToS — маркировка на 3 уровне.

Маркировка трафика по стандарту IEEE 802.1p – Class of Service

В стандарте IEEE 802.1Q описана процедура тегирования трафика для передачи информации о принадлежности к VLAN. Для этого в Ethernet-кадр добавляется специальный тег 802.1Q длиной 4 байта. Помимо информации о VLAN, в этом же кадре передается информация о приоритете передаваемого трафика. Это записано в стандарте IEEE 802.1p - CoS.

Можно сказать, что IEEE 802.1p как бы является частью IEEE 802.1Q.

Структура Ethernet кадра. Тег 802.1p внутри тега 802.1Q

Структура Ethernet кадра. Тег 802.1p внутри тега 802.1Q


Стандарт IEEE 802.1p описывает 8 различных классов приоритета

Уровень приоритета IEEE 802.1p Уровень обслуживания Тип трафика
0 (наименьший) Best Effort Вариант по умолчанию. Качество не гарантируется, но поддерживается лучшим из возможного
1 Background Фоновый
2 Standard (spare) Стандартный
3 Excellent Effort (business critical) Приоритетный. (Данные не критичные к задержке, но критичные к потерям, но менее приоритетные, чем Контролируемая нагрузка)
4 Controlled Load (streaming multimedia) Контролируемый. (Потоковые мультимедийные данные не критичные к задержке, но критичные к потерям)
5 Video Видео (данные, для которых критична задержка более 100 мс)
6 Voice Голос (данные, для которых критична задержка более более 10 мс)
7 (наивысший) Network Control Reserved traffic Трафик управления сетью.

Хотя стандарт IEEE 802.1p наиболее часто используется для приоритизации в локальных сетях, у него есть несколько ограничений:

  • Требуется дополнительный 4-байтовый тег в кадре, который обычно является необязательным для сетей Ethernet. Без этого тега схема не будет работать.
  • Этот тег является частью заголовка IEEE 802.1Q, поэтому для реализации QoS на втором уровне вся сеть должна понимать теги IEEE 802.1Q VLAN.
  • Технология поддерживается только в локальной сети, а не через маршрутизированные WAN соединения, поскольку теги IEEE 802.1Q удаляются, когда пакеты проходят через маршрутизатор.

Маркировка трафика на 3 уровне - Differentiated Services (DiffServ) или Type of Service

На уровне 3 модели OSI: в маршрутизаторах и коммутаторах 3-го уровня, – применяется другой вид приоритизации, при котором в заголовок IP добавляется специальный байт ToS – Type of Service, в котором указывается информация о приоритете.

Поле ToS состоит из 6 бит DiffServ Code Point (DSCP) и 2 бит Explicit Congestion Notification.

DSCP использует 64 значения для уровней сервиса, что позволяет настроить приоритеты очень гибко.

Структура пакета IP. Расположение байта ToS в заголовке IP.

Структура пакета IP. Расположение байта ToS в заголовке IP.


Структура байта ToS несколько раз пересматривалась, поэтому для совместимости с предыдущими версиями поля ToS первые 3 бита определяют приоритет.

DSCP имеет следующие преимущества над IEEE 802.1p:

  • Можно настроить, как коммутатор будет обрабатывать выбранные приложения и типы трафика, назначив им различные типы обслуживания
  • Не нужно добавлять дополнительные теги в Ethernet пакет
  • DSCP использует IP заголовок для сохранения приоритета при передаче по сети Internet
  • DSCP обратно совместим с IPv4 ToS, что позволяет работать с существующими устройствами layer 3, использующими схему приоритетов ToS

Очереди трафика

Аппаратное обеспечение коммутаторов имеет несколько очередей трафика, в которые помещаются приходящие на порт коммутатора пакеты и ожидают, когда коммутатор их обработает. В коммутаторах MOXA таких очередей четыре. Вы можете увидеть этот параметр в спецификации устройства: Priority queues или Кол-во очередей приоритетов на порт. Чем больше очередей, тем более точно коммутатор может балансировать передачу трафика. Соответственно более важный трафик помещается в первую очередь, и так далее.

Коммутатор работает следующим образом:

  1. Пакет попадает в коммутатор. Если это обычный Ethernet-пакет (клиентский Access Port), то он не имеет меток приоритета и таковая может выставляться коммутатором, например, по номеру входного порта, если это нужно. Если входной порт транковый (Trunk по 802.1Q или ISL), то пакет может нести метку приоритета и коммутатор может ее принять или заменить на необходимую. В любом случае пакет на данном этапе попал в коммутатор и имеет необходимую разметку CoS.
  2. После обработки процессом коммутации пакет в соответствии с меткой приоритета CoS направляется классификатором (Classify) в соответствующую очередь выходного порта. Например, критический трафик попадает в высокоприоритетную, а менее важный в низкоприоритетную очереди.
  3. Механизм обработки (Scheduling) извлекает пакеты из очередей согласно своим настроенным правилам и приоритетам пакетов.

Схема обработки трафика коммутатором

Схема обработки трафика коммутатором


Управляемые коммутаторы MOXA поддерживают два различных механизма организации очередей:

Weighted Fair Queuing (WFQ) – Взвешенная справедливая очередь:

В этом случае все очереди обслуживаются циклически, в зависимости от приоритета очереди определяется количество передаваемого трафика за цикл. В коммутаторах MOXA трафик обрабатывается в соотношении: 8-4-2-1. Это значит, что из высокоприоритетной очереди за единицу времени будет выдано на выходной порт больше пакетов, чем из низкоприоритетной.

Взвешенная справедливая очередь

Преимущество такого подхода в том, что при полной загруженности канала всем классам трафика выделен определенный минимум пропускной способности. Т.е. в моменты перегрузки менее приоритетный трафик не потеряется, а тоже будет передаваться.

Strict Priority Queuing (SPQ) – Строгая очередь приоритетов:

В этой схеме в первую очередь передается высокоприоритетный трафик. Пока весь трафик с наивысшим приоритетом не будет передан, менее приоритетный трафик не будет передаваться. Такой подход может привести к тому, что при большой загрузке канала высокоприоритетным трафиком, менее приоритетный будет отбрасываться и никогда не будет передан. В тоже время у высокоприоритетный трафик всегда будет гарантировано отправлен.

Строгая очередь приоритетов

В неуправляемых коммутаторах MOXA реализован механизм

Weighted Round Robin (WRR) – Взвешенный циклический алгоритм:

В этой схеме очереди обслуживаются последовательно и циклически. Каждая очередь имеет свое время обработки, чем выше приоритет очереди, тем больше времени выделяется на передачу.

Взвешенный циклический алгоритм

Преимуществом такой организации является отсутствие монополизации полосы пропускания, все очереди получают доступ к полосе, в заданных пропорциях.

Читайте также: Технология МЭК 61850 QoS – передачи критически важных пакетов на цифровых подстанциях.

Настройка приоритизации трафика на коммутаторах MOXA

Настройка QoS в неуправляемых коммутаторах

Традиционно поддержка QoS была только у управляемых коммутаторов и ее можно было настроить только через командную строку или веб-интерфейс. Компания MOXA пошла дальше, и внедрила технологию QoS и в неуправляемые коммутаторы новой линейки.

Для настройки используются DIP-переключатели на корпусе устройства.

Настройка QoS в неуправляемых коммутаторах

При установке переключателя QoS с положение ON, активируется механизм QoS – 4 очереди приоритетов по схеме WRR.

3 бита приоритета QoS 7,6 5,4 3,2 1,0
Очереди 3 2 1 0
WRR 8 4 2 1

Настройка QoS в управляемых коммутаторах

Все настройки находятся в разделе QoS.

Вкладка QoS Classification

Вкладка QoS Classification

Egress Scheduling Setting (Планировщик выходных пакетов)

Scheduling Mechanism – выбор механизма обработки очередей: Weighted Fair Queuing (WFQ) или Strict Priority Queuing (SPQ).

Ingress Classification Setting (Классификатор входящих пакетов)

В этой таблице установлены правила обработки входящего трафика.

Приоритет входных кадров определяется в следующем порядке:

  1. Проверка ToS/DSCP
  2. Инспекция СоS
  3. Приоритет

Т.е. сперва проверяется наличие тегов ToS и CoS в заголовках, а при их отсутствии в кадр добавляется тег CoS со значением из таблицы.

Если отключить галочками проверку ToS и CoS, тогда все входящие кадры будут маркироваться значением приоритета из таблицы.

Вкладка Port Priority

Тут можно настроить распределение входящего трафика по очередям в соответствии со значением в теге CoS.

В управляемых коммутаторах MOXA есть 2 типа настроек QoS в зависимости от модели.

Тип Модель
Тип 1 EDS-510E, EDS-518E, EDS-G512E-8PoE EDS-G508E, EDS-G512E-4GSFP, EDS-G516E-4GSFP, IKS-6726A, IKS-6728A, IKS-6728A-8PoE
Тип 2 IKS-G6524A, IKS-G6824A, ICS-G7526A, ICS-G7826A, ICS-G7528A, ICS-G7828A, ICS-G7748A, ICS-G7848A, ICS-G7750A, ICS-G7850A, ICS-G7752A, ICS-G7852A

Для моделей коммутаторов 1 типа можно задать отношение CoS Priority для 4 очередей.

Отношение CoS Priority для 4 очередей

Для моделей коммутаторов 2 типа можно задать отношение CoS Priority для 8 очередей:

Отношение CoS Priority для 8 очередей

Вкладка DSCP Mapping

Тут можно настроить распределение входящего трафика по очередям в соответствии со значением в байте ToS.

Распределение входящего трафика по очередям

Использование QoS в кольцевых топологиях Turbo Ring/Chain

Весь служебный трафик протоколов резервирования Turbo Ring/Turbo Chain всегда имеет наивысший приоритет. Поэтому, если в сети есть другой трафик с наивысшим приоритетом, то служебные сообщения могут не быть доставлены вовремя, что скажется на работе и времени восстановления резервированной сети, особенно в моменты перегрузок по высокоприоритетному трафику. В резервированных сетях Turbo Ring/Chain компания MOXA рекомендует не назначать никакому трафику в сети наивысший приоритет.

Оборудование с поддержкой технологии QoS