Metryki QoS

1. Metryki QoS

Jakość Usługi (QoS) opisuje się za pomocą pomiarów. Metryki QoS to mierzalne parametry zachowania sieci podczas transmisji danych. Administratorzy wykorzystują je do diagnozowania problemów, konfigurowania polityk i sprawdzania, czy sieć odpowiada wymaganiom aplikacji oraz użytkowników. Ten sam parametr może mieć inne znaczenie dla rozmowy, transmisji pliku i gry interaktywnej.

Pomiary pozwalają odróżnić problemy z przepustowością, opóźnieniem i nieregularnym dostarczaniem pakietów. Dane pomiarowe pozwalają powiązać obserwowaną jakość rozmowy wideo z konkretnym parametrem sieci. Wynik pomiaru wskazuje, czy problem dotyczy pojemności łącza, czasu przejścia, rozrzutu czasów lub dostarczania pakietów. Porównanie wyników z kilku punktów pomaga wskazać odcinek odpowiedzialny za pogorszenie. Cztery często używane metryki QoS to przepustowość, opóźnienie (latencja), jitter i utrata pakietów.

2. Przepustowość i przepływność

Przepustowość oznacza maksymalną zdolność przesyłową łącza. Wyraża się ją w bitach na sekundę (bps), z przedrostkami takimi jak kilobity (kbps), megabity (Mbps) i gigabity (Gbps). Wyższa przepustowość pozwala przesłać więcej bitów w jednostce czasu. Sama nie opisuje rzeczywistego wyniku transmisji. Na przepływność wpływają także okna transportowe i dostępne bufory.

Przepływność oznacza zmierzoną szybkość pomyślnego transferu danych. Przepustowość opisuje limit łącza, a przepływność zależy także od przeciążenia, narzutu protokołów, opóźnień i utraty pakietów. Jest więc wynikiem obserwowanym podczas konkretnej transmisji. Sama pojemność interfejsu nie opisuje tego wyniku.

Znaczenie przepustowości dla QoS

Przepustowość jest zasobem skończonym. Gdy wiele aplikacji korzysta z przeciążonego łącza, mechanizmy QoS mogą przydzielać jego część zgodnie z polityką. Przydział minimalny wymaga określenia profilu ruchu i warunków jego obowiązywania:

• Gwarancja przepustowości: Mechanizm rezerwacji może przydzielić minimalną przepustowość aplikacji. System wideokonferencyjny w wysokiej rozdzielczości może wymagać $2$ Mbps. Przy zgodnym profilu ruchu rezerwacja utrzymuje ten udział podczas obsługi pozostałych danych.
• Ograniczanie przepustowości: QoS może ograniczyć maksymalną przepustowość aplikacji o niższym priorytecie. Duży transfer plików lub aplikacja peer-to-peer zużywa wtedy ustalony udział łącza, pozostawiając zasoby dla pozostałego ruchu. Ograniczenie zmniejsza wpływ pojedynczego strumienia na pozostałe aplikacje.

3. Opóźnienie (latencja)

Opóźnienie (lub latencja) mierzy czas jednokierunkowego przejścia pakietu od nadawcy do odbiorcy. RFC 7679 definiuje taki pomiar jako opóźnienie jednokierunkowe. Opóźnienie od końca do końca obejmuje składniki występujące na kolejnych odcinkach ścieżki. Interpretacja wyniku zależy od punktów pomiarowych i synchronizacji zegarów.

Składowe opóźnienia

• Opóźnienie Transmisyjne: Czas potrzebny routerowi na umieszczenie wszystkich bitów pakietu w łączu sieciowym. Zależy od rozmiaru pakietu i przepustowości łącza. Większy pakiet na wolniejszym łączu będzie miał wyższe opóźnienie transmisyjne.
• Opóźnienie Propagacji: Czas potrzebny sygnałowi na przebycie fizycznej długości medium. Jest to ograniczone prędkością światła w medium (np. światłowodzie lub miedzi). Opóźnienie to jest znaczące na dużych odległościach, jak połączenia transkontynentalne czy satelitarne.
• Opóźnienie przetwarzania: Czas potrzebny routerowi na przetworzenie nagłówka pakietu, sprawdzenie błędów i określenie następnego interfejsu. Wartość zależy od urządzenia oraz wykonywanych funkcji. Kontrola nagłówka i wybór trasy mogą mieć różny czas w różnych urządzeniach.
• Opóźnienie Kolejkowania: Czas, jaki pakiet spędza, czekając w buforze (kolejce) w routerze, zanim będzie mógł zostać przesłany. To opóźnienie jest bardzo zmienne i jest główną przyczyną opóźnień w zatłoczonej sieci. Gdy do routera dociera więcej ruchu, niż może on od razu wysłać, tworzą się kolejki, a pakiety muszą czekać na swoją kolej. Harmonogramowanie i rozmiar bufora wpływają na ten składnik.

Znaczenie opóźnienia dla QoS

Aplikacje interaktywne reagują na opóźnienie, szczególnie gdy działają w czasie rzeczywistym. Mechanizmy QoS zarządzają głównie opóźnieniem kolejkowania przez dobór kolejek i harmonogramowanie. ITU-T G.114 podaje 150 ms jako wartość orientacyjną dla jednokierunkowego opóźnienia głosowego w wielu połączeniach. Wartość dotyczy całego odcinka ocenianego dla głosu, dlatego nie jest samodzielnym limitem dla każdej sieci. Ocena wymagań obejmuje także opóźnienia terminali i kodeka.

4. Jitter, czyli zmienność opóźnienia

Jitter, czyli zmienność opóźnienia, opisuje różnice w czasie przejścia wybranych pakietów. RFC 3393 definiuje IP Packet Delay Variation jako różnicę opóźnień jednokierunkowych wybranej pary pakietów. Zmienność może wynikać z kolejek, zmian trasy i sposobu obsługi ruchu. W pomiarze IPDV wybór pary pakietów oraz punktów pomiarowych wpływa na otrzymany wynik.

Znaczenie jittera dla QoS

Zmienność opóźnienia utrudnia aplikacjom czasu rzeczywistego odtwarzanie ciągłego strumienia danych. Gdy pakiety docierają w różnych odstępach, odbiornik może nie mieć kolejnego fragmentu audio lub wideo w chwili odtwarzania. Skutkiem są przerwy w dźwięku i zatrzymania obrazu.

Aplikacja może użyć bufora jittera, który opóźnia odtwarzanie pierwszego pakietu i przechowuje kolejne pakiety. Bufor absorbuje część różnic czasu dostarczenia i zwiększa opóźnienie całkowite. Bufor może ukryć krótkie różnice między kolejnymi przyjściami, ale nie odzyskuje trwale utraconych pakietów. Wartość 6.5 ms w tabeli jest orientacyjnym celem dla przykładu wideo. Wymaganie zależy od kodeka, sposobu odtwarzania i rozmiaru bufora.

5. Utrata pakietów

Utrata pakietów oznacza brak dotarcia przesłanego pakietu do celu w czasie określonym metodą pomiaru. Częstą przyczyną jest zapełnienie kolejki podczas przeciążenia. Wpływ mają także błędy łącza i zmiany stanu sieci. RFC 7680 definiuje pomiar jednokierunkowej utraty pakietów. Wynik pomiaru należy odnosić do określonego kierunku i zbioru pakietów.

Obsługa utraty pakietów przez aplikacje

Wpływ utraty pakietów w dużej mierze zależy od protokołu transportowego używanego przez aplikację:

• Aplikacje TCP, na przykład transfer plików, e-mail i przeglądanie stron: TCP używa potwierdzeń i numerów sekwencyjnych. Po wykryciu braku segmentu nadawca retransmituje dane. Aplikacja zachowuje spójność strumienia. Retransmisje zmniejszają przepływność i wydłużają transfer. Mechanizm ten przenosi koszt utraty na czas oczekiwania i ponownego przesłania.
• Aplikacje UDP, na przykład VoIP, gry online i transmisja na żywo: UDP nie zapewnia wbudowanej retransmisji. Utracony pakiet nie wraca w ramach samego UDP. Aplikacja może jednak dodać własny mechanizm odzyskiwania. W rozmowie strata powoduje przerwę, a w wideo brakujący fragment obrazu. Skutki zależą od kodeka i sposobu maskowania brakujących danych.

Znaczenie utraty pakietów dla QoS

QoS może ograniczać straty przez priorytetyzację ruchu i wybór kolejki. W okresie przeciążenia polityka może odrzucać pakiety o niższym priorytecie, chroniąc ruch czasu rzeczywistego. Wartość 1% w tabeli jest orientacyjnym celem dla przykładu VoIP. Wymagania zależą od kodeka, mechanizmu odzyskiwania i warunków transmisji. Ocena jakości wymaga podania okresu pomiaru i punktów obserwacji.

6. Orientacyjne wymagania aplikacji

Tabela zestawia przykładowe wymagania aplikacji względem czterech metryk. Podane wartości są celami planistycznymi, a dobór parametrów zależy od kodeka, protokołu transportowego, bufora odbiorczego i warunków sieci. Wartości w tabeli nie zastępują pomiaru dla konkretnej usługi. W praktyce należy mierzyć parametry w obu kierunkach i przy obciążeniu odpowiadającym planowanemu użyciu. Pojedyncza próbka nie opisuje zmienności usługi w dłuższym oknie czasowym dla sieci IP. Powtarzane pomiary wspierają planowanie pojemności i diagnozowanie w dłuższych okresach.