1. Język Wydajności Sieciowej

Jakość Usługi (QoS) nie jest pojęciem abstrakcyjnym, lecz dyscypliną opartą na danych. Aby zarządzać i poprawiać wydajność sieci, musimy najpierw być w stanie ją zmierzyć. Metryki QoS to konkretne, mierzalne parametry używane do opisu charakterystyki zachowania sieci z perspektywy transmisji danych. Dostarczają one słownictwa i punktów danych, które pozwalają administratorom sieci diagnozować problemy, wdrażać polityki i weryfikować, czy sieć spełnia potrzeby swoich aplikacji i użytkowników.

Bez tych metryk zarządzanie siecią opierałoby się na zgadywaniu. Nie wiedzielibyśmy, czy słaba jakość rozmowy wideo jest spowodowana niewystarczającą przepustowością, dużym opóźnieniem, czy nieregularnym dostarczaniem pakietów. Metryki QoS przekształcają te niejasne skargi użytkowników w konkretne problemy inżynieryjne, które można systematycznie rozwiązywać. Cztery fundamentalne metryki, które stanowią filary QoS, to Przepustowość, Opóźnienie (Latencja), Jitter i Utrata Pakietów.

2. Przepustowość: Przepływ Danych w Sieci

Przepustowość reprezentuje maksymalną pojemność łącza sieciowego, analogiczną do szerokości autostrady. Szersza autostrada może pomieścić więcej samochodów jednocześnie. Podobnie, łącze o wyższej przepustowości może przesyłać więcej danych w tym samym czasie. Jest zazwyczaj wyrażana w bitach na sekundę (bps), z popularnymi przedrostkami jak kilobity (kbps), megabity (Mbps) i gigabity (Gbps).

Ważne jest odróżnienie przepustowości od przepływności. Przepływność to rzeczywista, zmierzona szybkość, z jaką dane są pomyślnie przesyłane przez sieć. Podczas gdy przepustowość jest teoretycznym maksimum, przepływność jest rzeczywistą wydajnością, która często jest niższa z powodu czynników takich jak przeciążenie sieci, narzut protokołu i opóźnienia.

Dlaczego to jest ważne dla QoS

Przepustowość jest zasobem skończonym. Gdy wiele aplikacji rywalizuje o przepustowość na przeciążonym łączu, wydajność spada dla wszystkich. Mechanizmy QoS rozwiązują ten problem, zarządzając alokacją przepustowości:

• Gwarancja Przepustowości: QoS może zarezerwować minimalną ilość przepustowości dla krytycznej aplikacji. Na przykład, system do wideokonferencji w wysokiej rozdzielczości może wymagać gwarantowanych $2$ Mbps, aby działać poprawnie. QoS może zapewnić, że ten ruch zawsze będzie miał dostęp do wymaganej przepustowości, nawet jeśli inny, mniej ważny ruch musi zostać spowolniony.
• Ograniczanie Przepustowości: Odwrotnie, QoS może ograniczyć maksymalną przepustowość, jaką mogą zużywać niekrytyczne aplikacje. Zapobiega to monopolizowaniu całego łącza sieciowego przez duży transfer plików lub aplikację peer-to-peer i "głodzeniu" ważniejszych aplikacji.

3. Opóźnienie (Latencja): Prędkość Podróży

Opóźnienie (lub Latencja) mierzy czas, jaki pojedynczy pakiet danych potrzebuje na jednokierunkową podróż od nadawcy do odbiorcy. Jest to metryka najściślej związana z "prędkością" lub "responsywnością" sieci. Niższe opóźnienie oznacza bardziej responsywną sieć. Całkowite opóźnienie od końca do końca jest sumą kilku różnych rodzajów opóźnień na ścieżce sieciowej.

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, dokąd go przekazać. Nowoczesne, wysokowydajne routery mają bardzo niskie opóźnienia przetwarzania.
• 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.

Dlaczego to jest ważne dla QoS

Chociaż wszystkie aplikacje czerpią korzyści z niskiego opóźnienia, dla aplikacji interaktywnych, działających w czasie rzeczywistym, jest ono absolutnie krytyczne. Wysokie opóźnienie czyni je bezużytecznymi. Mechanizmy QoS zarządzają głównie opóźnieniem kolejkowania. Umieszczając ruch wrażliwy na czas w kolejkach o wysokim priorytecie, routery zapewniają, że pakiety te spędzają bardzo mało czasu na czekaniu, minimalizując w ten sposób ich całkowite opóźnienie od końca do końca. Powszechną wytyczną branżową dla wysokiej jakości głosu (VoIP) jest utrzymanie jednokierunkowego opóźnienia poniżej 150 ms. Opóźnienia powyżej tej wartości stają się zauważalne i mogą zakłócać naturalny przebieg rozmowy.

4. Jitter: Spójność Dostarczania

Jitter, czyli zmienność opóźnień, jest jedną z najważniejszych i często pomijanych metryk QoS. Nie mierzy on, jak długie jest opóźnienie, ale jak bardzo to opóźnienie zmienia się z pakietu na pakiet. W idealnej sieci wszystkie pakiety miałyby dokładnie takie samo opóźnienie. W rzeczywistości, zmienne poziomy przeciążenia powodują wahania opóźnień kolejkowania, więc pakiety docierają w nieregularnych odstępach czasu.

Dlaczego to jest ważne dla QoS

Jitter jest wrogiem aplikacji strumieniowych czasu rzeczywistego, takich jak VoIP i wideokonferencje. Aplikacje te działają poprzez odtwarzanie ciągłego strumienia danych. Jeśli pakiety docierają w nieregularnych odstępach czasu, aplikacja odbierająca nie będzie miała gotowego następnego fragmentu audio lub wideo, gdy będzie on potrzebny do odtworzenia. Rezultatem są słyszalne zakłócenia, poszarpane audio, zacinające się wideo i ogólnie słabe doświadczenie użytkownika.

Aby zwalczyć jitter, aplikacje używają bufora jittera (lub bufora de-jitter), który celowo opóźnia odtwarzanie pierwszego otrzymanego pakietu, tworząc mały rezerwuar pakietów. Bufor ten może wchłonąć wahania w czasach dotarcia pakietów, zapewniając płynny, ciągły strumień dla silnika odtwarzania. Jednak większy bufor wprowadza większe ogólne opóźnienie. Dlatego celem QoS jest minimalizacja jittera w samej sieci, aby aplikacje mogły używać mniejszych, bardziej responsywnych buforów jittera. Wytyczna dla wysokiej jakości wideo to utrzymanie jittera poniżej 6.5 ms.

5. Utrata Pakietów: Niezawodność Dostarczania

Utrata pakietów ma miejsce, gdy przeciążenie sieci staje się tak poważne, że wewnętrzne kolejki routera całkowicie się zapełniają. Gdy nowy pakiet przybywa, a w kolejce nie ma miejsca, router nie ma innego wyjścia, jak go odrzucić.

Jak Różne Aplikacje Radzą Sobie z Utratą Pakietów

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

• Aplikacje TCP (np. Transfer Plików, E-mail, Przeglądanie Stron): TCP jest protokołem niezawodnym. Używa potwierdzeń i numerów sekwencyjnych do śledzenia każdego pakietu. Jeśli pakiet zostanie utracony, nadawca wykrywa jego brak i retransmituje go. Dla tych aplikacji utrata pakietów nie powoduje uszkodzenia danych, ale znacząco obniża przepływność i wydłuża całkowity czas transferu.
• Aplikacje UDP (np. VoIP, Gry Online, Streaming na Żywo): UDP jest protokołem zawodnym. Nie ma wbudowanych mechanizmów retransmisji. Utracony pakiet jest stracony na zawsze. W przypadku rozmowy telefonicznej przekłada się to na moment ciszy; w strumieniu wideo oznacza to brakujący fragment obrazu (artefakt wizualny). Chociaż te aplikacje mogą tolerować bardzo małe ilości utraconych pakietów, cokolwiek więcej niż niewielki procent poważnie zdegraduje doświadczenie użytkownika.

Dlaczego to jest ważne dla QoS

Mechanizmy QoS zarządzają utratą pakietów poprzez priorytetyzację ruchu. Umieszczając pakiety o wysokim priorytecie (jak VoIP) w kolejkach, które są obsługiwane jako pierwsze, zapewnia się, że są one mniej narażone na odrzucenie w okresach przeciążenia. Ponadto polityki QoS można skonfigurować tak, aby odrzucały najpierw pakiety o niskim priorytecie, gdy przeciążenie staje się nieuniknione, chroniąc wydajność krytycznych aplikacji. Dopuszczalny poziom utraty pakietów jest różny, ale dla wysokiej jakości VoIP powinien być utrzymywany znacznie poniżej 1%.

6. Podsumowanie Wymagań Aplikacji

Rozumiejąc te cztery metryki, możemy mapować potrzeby różnych aplikacji i zrozumieć, dlaczego QoS jest niezbędny.