Qos что это в коммутаторе

Обновлено: 06.07.2024

В сетях передачи данных присутствует различный тип трафика, нуждающийся в определенном качестве обслуживания. Есть приложения, критичные к задержкам при передаче данных. Например, голосовая передача данных или управление устройствами в промышленных сетях. Для других приложений важно отсутствие потерь, при этом время передачи данных не влияет на работу. Например, сбор данных с устройств учета.

Основные параметрами определения качества связи:

Задержка – время, за которое данные доходят от отправителя до получателя.
Джиттер «дрожание» - разница задержек при передаче данных.
Потери – количество пакетов, потерянных во время передачи данных по сети.
Полоса пропускания – количество пакетов, проходящие по сети за определенный период времени

Чтобы обеспечить приоритетное обслуживание определенного типа трафика, используют технологию QoS (Quality of Service). QoS обеспечивает выделенную полосу пропускания, контролирует задержку и джиттер, а также ограничивает потери данных.

Модели QoS

Best Effort — негарантированная доставка. В такой системе не различают категории трафика. Весь трафик получает наилучшее на данный момент обслуживание. Подходит для сетей с большой пропускной способностью и отсутствием перегрузок.
Integrated Service (IntServ) — гарантия качества для каждого потока. Резервирование полосы пропускания для каждого потока на пути от источника до получателя. За резервирование ресурсов отвечает протокол RSVP. Такие сети не получили широкого практического применения, так как из-за резервирования каналов для каждого соединения сеть становится не масштабируемой.
Differentiated Service (DiffServ) — Весь трафик сети разделяется на классы и устанавливаются правила для их обработки. В результате чего каждый класс трафика получает разный уровень обслуживания. На всем пути следования трафика каждый узел самостоятельно определяет правила обслуживания, т.е. одни и те же данные могут получить разное обслуживание на своем пути.

Маркировка трафика согласно обслуживанию DiffServ

Существует несколько способов промаркировать трафик сети:

Маркировка на 2 уровне - CoS (Class of Service)

На канальном уровне маркировка пакетов происходит в соответствии со стандартом 802.1p. Поле CoS занимает 3 бита в 4-байтовом заголовке 802.1Q, который содержит p-тег, определяющий приоритет и идентификатор VLAN. Всего может быть установлено до 8 классов обслуживания данных, описанных в стандарте 802.1D. Исходя из всего этого, необходимым условием маркировки CoS является тегирование трафика по технологии VLAN. Такая маркировка QoS возможно только в пределах локальной сети, так как при прохождении пакетов сквозь маршрутизатор VLAN теги удаляются.

Маркировка на 3 уровне - ToS (Type of Service) /DSCP (Differentiated Services Code Point)

Поле ToS занимает 8 бит в заголовке IP. Состоять может из идентификатора приоритета (IP Precedence - IPP, 3 бита) или DSCP (6 бит). Первоначально было достаточно делить потоки трафика на 8 классов обслуживания с помощью IPP, но со временем появилась необходимость в более гибкой системе деления. Так был разработан метод DSCP, идентификатор которого занимает 6 бит и содержит кроме приоритета пакета значения для требований к задержкам, пропускной способности и надежности передачи данных. DSCP позволяет разделять потоки на 64 класса. DSCP имеет обратную совместимость с IPP.

При получении пакета определяется к какому классу QoS он относится. Затем в соответствии с уровнем обслуживания данный пакет помещается в свою очередь, где ожидает отправки.

Основные методы обработки очередей:

FIFO (first in – first out, первый пришел – первый вышел) - отсутствие очередей. Пакет, который пришёл на коммутатор первым, первым и будет отправлен. В этом случае коммутатор не разделяет трафик на классы обслуживания и QoS не работает.

Если технология QoS на коммутаторе отключена, пакеты будут обрабатываться именно по правилу FIFO.

Strict Priority queuing (PQ – строгий приоритет очереди) – Пакеты распределяются по очередям в соответствии с классом обслуживания. Первыми отправляются пакеты из очереди с наивысшим приоритетом, затем со следующей очереди и так до очереди с наименьшим приоритетом. То есть пока все пакеты из очереди с наивысшим приоритетом не будут переданы, остальные находятся в режиме ожидания.

Минус: если очередь с наивысшим приоритетом заполнена пакетами, то трафик из остальных очередей вообще не будет передаваться.

Round Robin – У каждой очереди равное время обработки пакетов. Если очередь станет пустой до того, как достигнет своего собственного времени обработки, ход обработки перейдет к следующей очереди.

Fair Queuing (FQ – справедливая очередь) – принцип как у Round Robin, но из каждой очереди по порядку обрабатывается одинаковый объем данных, обработка идет не по пакетам, а по определенному количеству бит.

Weighted Round Robin (WRR) – Похожа на Round Robin, но каждая очередь имеет свое собственное время обработки, при чем у разных очередей оно разное. Так время обработки очереди с наивысшим приоритетом больше, чем у последующих очередей.

Weighted Fair Queuing (WFQ – взвешенная справедливая очередь) – данные из каждой очереди обрабатывается последовательно, но в зависимости от приоритета очереди определяется количество передаваемого трафика за один цикл.

Со временем были созданы гибридные методы обработки очередей.

QoS в коммутаторах Moxa

Модели коммутаторов	Способ работы
EDS-510E, EDS-518E, EDS-G512E-8PoE, EDS-G508E, EDS-G512E-4GSFP, EDS-G516E4GSFP, IKS-6726A, IKS-6728A, IKS-6728A-8PoE	Тип 1
IKS-G6524A, IKS-G6824A, ICS-G7526A, ICS-G7826A, ICS-G7528A, ICS-G7828A, ICS-G7748A, ICS-G7848A, ICS-G7750A, ICS-G7850A, ICS-G7752A, ICS-G7852A	Тип 2

Коммутаторы Moxa поддерживают стандартные методы маркировки потоков данных: CoS (в соответствии со стандартом IEEE 802.1D) и ToS (DSCP).

Приоритет очередей:

Коммутаторы Moxa поддерживают несколько приоритетов очередей

Способ работы	CoS	ToS	Приоритет порта
Тип 1	4 очереди	8 очередей	8 очередей
Тип 2	8 очередей	8 очередей	8 очередей

Стратегии обработки очередей:

Настройка QoS

Все настройки, относящиеся к механизмам QoS осуществляются через web-интерфейс в разделе QoS.

Параметр Scheduling Mechanism определяет механизм обработки очередей.

Галочками в таблице Ingress Classification Setting можно включить или отключить проверку входящего трафика по ToS, CoS или Port Priority. Также в этой таблице указывается какой приоритет присвоен трафику того или иного порта коммутатора.

Если входящий трафик не промаркирован согласно ToS или CoS, но есть необходимость в разделении уровня обслуживания между потоками трафика, то можно использовать функцию Port Priority. Важно помнить, что при этом исходящий трафик не будет маркироваться.

Определяется соотношение классификации трафика по CoS с очередями исходящего трафика

Определится соотношения классификации трафика по DSCP с очередями исходящего трафика

IEC 61850 QoS

Коммутаторы серии Power-Plant (PT-7000) для энергетики поддерживают технологию IEC 61850 QoS, которая гарантирует доставку критически важных пакетов с наивысшим приоритетом. Данные стандарта IEC 61850 помещаются в отдельную очередь и передаются независимо от остального трафика.

Тип пакетов в очереди МЭК 61850: GOOSE, SMV, PTP

Уровень приоритета пакетов внутри очереди МЭК 61850: High, Medium, Normal, Low

Использование QoS в кольцевых топологиях Turbo Ring/Chain

Quality of Service (с англ. «качество обслуживания») — это набор технологий, которые запускают высокоприоритетные приложения и трафик при лимитированной пропускной способности. Это означает, что более важный трафик будет обработан быстрее, а задержки по сети будут минимальны.

Измерения, касающиеся QoS, включают:

Дрожание (отклонение в задержке);

Благодаря технологии QoS можно научить маршрутизатор разделять пропускную способность и тогда ни потоковое видео, ни звонок в Skype не будут заикаться.

Как работает

Механизмы QoS для упорядочивания пакетов и выделения полосы пропускания:

управление полосой пропускания.

Необходимо разделить трафик с помощью инструментов классификации. Так организации смогут контролировать доступность ресурсов для приоритетных приложений. Трафик может быть классифицирован по порту, IP-адресу или с использованием более сложного подхода, такого как приложение или пользователь.

Затем для инструментов управления очередями и управления полосой пропускания назначают правила для обработки потоков трафика, характерных для классификации, которую они получили при входе в сеть.

Механизм организации очереди предназначен для хранения пакетов в потоках трафика до тех пор, пока сеть не будет готова их обработать. Это гарантирует, что наиболее важные приложения не будут лишены пропускной способности в сети из-за приложений с меньшим приоритетом.

Механизм управления пропускной способностью измеряет и контролирует потоки трафика, чтобы избежать перегруженности сети. Этот механизм включает в себя:

увеличение полезной полосы пропускания;

другие методы для обеспечения пропускной способности.

В зависимости от поставщика QoS перечисленными средствами можно управлять и объединять в блоки.

Когда используется

Каждый день корпоративные сети перегружаются натиском трафика. Часть этого трафика имеет решающее значение для успеха бизнес-операций. Особенно это может быть важно для IP-телефонии. Поэтому, когда возникает переполнение очереди на сетевых устройствах, QoS необходим, чтобы увеличить скорость обработки данных и убрать переполнение буфера памяти на сетевых устройствах.

Большинство организаций используют протокол передачи файлов (FTP) и приложения для видеоконференций, такие как Zoom или GoToMeeting. Хотя оба показателя важны для производительности сотрудников, пакеты FTP не так чувствительны к задержкам, как пакеты передачи голоса по Интернет-протоколу (VoIP). В случае задержки FTP-пакеты все равно будут доставлены без изменений. Но задержанный VoIP-пакет приведет к разобщенным видеозвонкам и сорванным деловым встречам.

Сервисные модели

Существуют три модели для реализации QoS:

Best-Effort (Негарантированная доставка);

IntServ (Интегрированное обслуживание);

DiffServ (Дифференцированные услуги).

Best-Effort — это модель сервиса по умолчанию, которая применяется к различным сетевым приложениям, таким как протокол передачи файлов (FTP) и электронная почта. Приложение может отправлять любое количество пакетов в любое время без уведомления сети. Затем сеть пытается передать пакеты. Модель Best-Effort подходит для услуг, которые предъявляют минимальные требования к задержке и скорости потери пакетов.

В модели IntServ приложение использует протокол сигнализации для уведомления сети о параметрах трафика и применения уровня QoS перед отправкой пакетов. Сеть резервирует ресурсы для приложения на основе параметров трафика. После того, как приложение получает подтверждение о зарезервированных ресурсах, оно начинает отправлять пакеты в пределах указанного диапазона.

DiffServ — часто используемая модель QoS, классифицирует пакеты в сети и выполняет установленные действия для каждого класса. Когда происходит перегрузка сети, пакеты классов обрабатываются на основе приоритетов, что приводит к неодинаковой частоте потери пакетов, неоднородным задержкам и дрожанию. Пакеты одного и того же класса объединяются и отправляются одним блоком.

В отличие от IntServ, модель DiffServ не требует протокола сигнализации. В этой модели приложение не запрашивает сетевые ресурсы перед отправкой пакетов. Вместо этого приложение устанавливает параметры QoS в пакетах, через которые сеть может узнать требования QoS приложения. Сеть предоставляет дифференцированные услуги на основе параметров QoS каждого потока данных.

Классификация и маркировка

Классификация и маркировка трафика – основа дифференцированных услуг.

Критерии для классификации данных:

IP-адрес источника или назначения;

значение класса CoS в заголовке;

значение типа услуги ToS в заголовке IP (приоритет IP или DSCP);

значение MPLS EXP в заголовке MPLS.

На этапе классификации маршрутизатор распознает трафик, который будет сопоставлен с каждым из классов.

После классификации маршрутизатор выполняет маркировку пакетов: связывает пакет с оригинальным параметром. Этот параметр используется в последующих маршрутизаторах для идентификации трафика. Маркировка может быть сделана:

на уровне 2 в заголовке Ethernet;

на уровне 2.5 в заголовке MPLS;

на уровне 3 в заголовке IP;

в верхних слоях.

Благодаря этим изменениям трафик быстро распознается в любой точке сети.

Параметры, которые могут быть установлены или изменены:

значение CoS исходящего пакета;

значение DSCP в байте типа ToS;

значение поля MPLS EXP в верхней метке на интерфейсе ввода или вывода;

экспериментальное поле EXP многопротокольной коммутации по MPLS на введенных записях меток;

значение приоритета в заголовке пакета;

идентификатор группы QoS (ID);

биты ToS в заголовке IP-пакета.

Например, чтобы разместить голосовой и информационный трафик в отдельных очередях, используют классификацию. Метод маркировки помогает QoS изменять биты в заголовке пакета и указывать приоритет, понятный для других инструментов. Инструменты маркировки для голосовых пакетов используют для гарантии, что программа распознает их в сетевом потоке.

Настройка сервиса на роутере

Перед настройкой сервиса на роутере заходят на портал изготовителя, чтобы узнать, какие функции QoS поддерживаются и как получить к ним доступ.

Алгоритм включения QoS на роутере:

Открыть панель администрирования.

В адресную строку браузера ввести IP-адрес маршрутизатора.

Войти под персональным именем и паролем (указано в руководстве к маршрутизатору).

После входа выбрать вкладку «NAT», затем «QoS».

Нажать «Включить», оставив порт установленным на WAN, а Packet Scheduler и Queueing Discipline в состоянии по умолчанию.

Заполнить значения восходящую и нисходящую линии связи (вводные данные составляют 80-95% значения, полученного в ходе теста скорости).

Платформа продуктивно работает, если может искусственно создать узкое место для перенаправления трафика. Если пользователь выставляет значения, равные или превышающие скорость соединения, тогда программе не остается пространства для маневра.

QoS в IP-телефонии

Настройка QoS в IP-телефонии важна для бизнеса, ведь качество связи влияет на количество звонков и, соответственно, конверсию.

Чтобы не допустить помехи связи и задержки звука, можно настроить приоритезацию для данных IP-телефонии. Перед настройкой обратите внимание на характеристики роутера и максимальный размер очереди обработки пакетов. Если канал узкий, то буфер устройства будет переполняться, а новые пакеты удаляться и приоритизация трафика в таком случае бесполезна. Необходимо проложить дополнительные маршруты.

Настроить приоритезацию в IP-телефонии можно двумя способами:

В веб-интерфейсе роутера:

По протоколу SIP/RTP (используется для передачи звука).

По типу трафика

В приложении для звонков:
Необходимо открыть сетевые настройки (Ethernet, IP, ATM, MPLS и др.) и промаркировать трафик. Так роутер поймет, какие данные пропускать быстрее.

Единственный минус — не все роутеры понимают приоритет по заголовку, настройка будет зависеть от устройства и сервиса.

Заключение

Технология QoS помогает поддерживать производительность сети, гарантировать бесперебойную передачу трафика, а также регулярно оценивать состояние IT-инфраструктуры компании. QoS в IP-телефонии влияет на количество и качество звонков, а значит на конверсию.

Основные параметрами определения качества связи:

Задержка – время, за которое данные доходят от отправителя до получателя.
Джиттер «дрожание» - разница задержек при передаче данных.
Потери – количество пакетов, потерянных во время передачи данных по сети.
Полоса пропускания – количество пакетов, проходящие по сети за определенный период времени

Модели QoS

Best Effort — негарантированная доставка. В такой системе не различают категории трафика. Весь трафик получает наилучшее на данный момент обслуживание. Подходит для сетей с большой пропускной способностью и отсутствием перегрузок.
Integrated Service (IntServ) — гарантия качества для каждого потока. Резервирование полосы пропускания для каждого потока на пути от источника до получателя. За резервирование ресурсов отвечает протокол RSVP. Такие сети не получили широкого практического применения, так как из-за резервирования каналов для каждого соединения сеть становится не масштабируемой.
Differentiated Service (DiffServ) — Весь трафик сети разделяется на классы и устанавливаются правила для их обработки. В результате чего каждый класс трафика получает разный уровень обслуживания. На всем пути следования трафика каждый узел самостоятельно определяет правила обслуживания, т.е. одни и те же данные могут получить разное обслуживание на своем пути.

Маркировка трафика согласно обслуживанию DiffServ

Существует несколько способов промаркировать трафик сети:

Маркировка на 2 уровне - CoS (Class of Service)

Для обеспечения улучшенного качества передачи данных, имеющих повышенное значение, в сетях применяется специальный механизм Quality of Service (QoS). Поэтому любой специалист, занимающийся сетями, должен знать, что это — QoS, и как работает эта технология.

О технологии

Технология QoS используется для предотвращения потери и увеличения скорости обработки важных данных при отправке по сети. Ее суть заключается в приоритизации трафика. Умное распределение QoS — это предоставление деление трафика на классы с предоставлением им разных приоритетов в обслуживании. При этом трафик, которому присвоен более высокий класс, обрабатывается сетевым оборудованием в первую очередь. Поэтому он проходит по сети с минимальными задержками.

Что такое качество обслуживания?

При передаче данных по сетям качество обслуживания оценивается по следующим ключевым параметрам:

Bandwidth — полоса пропускания, характеризует ширину канала.
Delay — уровень задержки при отправке пакета.
Jitter — колебание задержки при отправке пакетов.
Packet Loss — потери пакетов, характеризует число пакетов, которые отбрасываются сетью при передаче.

Поддержка QoS — это возможность сетевого оборудования контролировать все эти параметры. Этот механизм, который выделяет для информации заданную полосу пропускания, снижает уровень джиттера и задержки, защищает важные пакеты от потери.

Использовать технологию QoS можно при условии, что она поддерживается всеми сетевыми устройствами между получателем и отправителем.

Зачем использовать приоритизацию трафика?

Приоритизация трафика дает следующие плюсы:

Повышение производительности сети, обеспечение контроля над передачей данных, управления потоком трафика при перегрузках.
Поддерживает прогнозируемую ширину канала для мультимедиа, IP-телефонии и ТВ, видеоконференций, сводим к минимуму джиттер и задержки.
Обеспечивает защиту от DoS атак при проникновении в сеть червей.

Приоритизация необходима, главным образом в особо нагруженных, узких местах, в которых пропускная способность канала не позволяет одновременно передавать большой объем поступающих пакетов. Также она позволяет защитить трафик, чувствительный к задержкам, от воздействия всплесков активности в сети.

Механизм работы QoS

Чтобы понять, что такое QoS в сетях, необходимо разобрать механизм его работы. Для реализации технологии применяется маркировка трафика, благодаря которой каждый передаваемый пакет имеет поле с указанной отметкой о его приоритете.

В сетевых коммутаторах применяются два стандартных способа маркировки:

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

Особенности маркировки IEEE 802.1p — Class of Service

Стандарт IEEE 802.1Q предусматривает тегирование трафика, что необходимо для передачи данных о принадлежности к VLAN. В кадр Ethernet включается тег 802.1Q размерностью 4 байта. Он содержит информацию о VLAN, а также сведения об установленном уровне приоритета трафика. Таким образом, IEEE 802.1p можно назвать частью IEEE 802.1Q.

В стандарте IEEE 802.1p предусматривается 8 классов приоритета трафика, которые приведены в таблице:

Качество передачи не гарантировано, но поддерживается на лучшем уровне из возможного

Приоритетный трафик. Не критичные к задержке, но критичные к потерям данные. Менее приоритетные, чем контролируемый трафик

Excellent Effort (business critical)

Контролируемый трафик. Критичный к потерям, но не критичный к задержке. Мультимедийные потоки

Controlled Load (streaming multimedia)

Видеопотоки. Критичной является задержка свыше 100 мс

Голосовой трафик. Критичной является задержка свыше 10 мс

Данные управления сетью

Network Control Reserved traffic

Несмотря на достаточно частое использование в локальных сетях, приоритизация по стандарту IEEE 802.1p имеет ряд существенных ограничений:

Для работы системы в кадре необходим дополнительный тег, обычно не обязательный для Ethernet.
Требуется поддержка тегов IEEE 802.1Q VLAN.
Поддержка технологии возможна только в локальных сетях, поскольку при прохождении пакетов через маршрутизатор происходит удаление тегов IEEE 802.1Q.

Особенности маркировки Differentiated Services (DiffServ) — Type of Service

QoS Type of Service — это маркировка, которая применяется в коммутаторах 3 уровня и маршрутизаторах. Она предусматривает включение специального байта ToS (Type of Service) в заголовок IP. В этом байте прописаны сведения о приоритете трафика.

Преимущества DiffServ перед IEEE 802.1p:

Возможность настройки алгоритма обработки сетевым оборудованием выбранных типов трафика и приложений, путем назначения для них разных типов обслуживания.
Не требуется добавлять в кадр Ethernet дополнительные теги.
Использование заголовка IP для сохранения приоритета при отправке данных через интернет.
Обратная совместимость с IPv4 ToS, которая дает возможность работы с действующими устройствами 3 уровня, применяющих схему ToS.

Очереди трафика

В коммутаторах поступающие на порт пакеты помещаются в несколько очередей трафика для ожидания их обработки устройством. Наиболее важный трафик помещается в первую очередь, менее важный — в последующие очереди по убыванию степени важности. Чем большее количество очередей поддерживает коммутатор, тем точнее он балансирует передачу данных.

Порядок работы коммутатора:

Пакет данных приходит в коммутатор. Обычный пакет Ethernet (Access Port) не отмечен метками приоритета, поэтому метка при необходимости ставится коммутатором. При поступлении пакета на транковый порт он может иметь метку приоритета. Коммутатор принимает такую метку или выполняет ее замену на нужную.
Проходит процесс коммутации, после которого пакет отправляется классификатором в нужную очередь выходного порта в соответствии с установленной меткой приоритета CoS.
Пакеты извлекаются из очередей механизмом обработки (Scheduling), который работает на основе своих правил и установленных приоритетов.

Существую разные механизмы очередей. Управляемыми коммутаторами применяется два типа таких механизмов: Weighted Fair Queuing (WFQ) и Strict Priority Queuing (SPQ).

При использовании механизма WFQ (взвешенная справедливая очередь) выполняется циклическое обслуживание очередей. Объем трафика, передаваемого за цикл, определяется в зависимости от приоритета очереди. Из высокоприоритетных очередей в единицу времени на выходной порт выдается больше пакетов, чем из очередей с меньшим приоритетом. Плюс этого механизма заключается в выделении определенного минимума пропускной способности всем классам трафика при полной загруженности полосы пропускания. Это исключает потерю менее приоритетного трафика при перегрузках.

Механизм SPQ (строгая очередь приоритетов) предусматривает первоочередную передачу трафика с высоким приоритетом. Менее приоритетный трафик начинает передаваться только после полной передачи данных с высшим приоритетом. Этот подход гарантирует отправку высокоприоритетных данных, но может приводить к потере менее приоритетного трафика при перегрузках канала.

В неуправляемых коммутаторах применяется механизм Weighted Round Robin (WRR), или взвешенный циклический алгоритм. Он предусматривает последовательное и циклическое обслуживание очередей. Каждой из очередей, в соответствии с ее приоритетом, задается определенное время обработки. Плюсом алгоритм можно назвать гарантию доступа к передаче в установленных пропорциях для каждой очереди.

Настройка приоритизации трафика на коммутаторах TING

Понимая, что такое тип QoS, нужно разобраться с настройкой трафика на сетевом оборудовании.

Настройка приоритизации на коммутаторах TING предусматривает назначение коэффициентов типам трафика. Они вступают в силу при полной загрузке канала. В результате пропускная способность распределяется для разных типов трафика в соответствии с установленными значениями коэффициентов, которые могут варьироваться от 1 до 100. Чем более высокий коэффициент присвоен трафику, тем более высокая доля пропускной способности канала предоставляется ему в случае повышенной нагрузки.

Настройка выполняется путем задания правил, ссылающихся на очереди, которые, в свою очередь, ссылаются на каналы (пайпы).

Для создания канала нужно перейти по пути Межсетевой экран — Ограничитель трафика — Настройки. После этого необходимо вызывать окно редактирования канала, кликнув на «+» на вкладке «Каналы». Здесь задается пропускная способность канала.

Далее нужно перейти на вкладку «Очереди» и нажать на значок «+». В появившемся окне редактирования ввести данные для очереди. Основным параметром для очереди будет ее весовой коэффициент.

Использование QoS в кольцевых топологиях Turbo Ring/Chain

Читайте также: