1. Domyślne Działanie Internetu: Model "Best-Effort"

Fundamentalna konstrukcja internetu i większości sieci opartych na protokole IP bazuje na modelu dostarczania "best-effort" (najlepszej próby). Oznacza to, że sieć dokłada wszelkich starań, aby dostarczyć każdy pakiet danych do jego miejsca przeznaczenia, ale nie daje żadnych gwarancji, kiedy dotrze, jak długo to potrwa, ani czy w ogóle dotrze. W tym modelu wszystkie pakiety są traktowane z jednakowym priorytetem, niezależnie od tego, czy są częścią krytycznej wideokonferencji, ogromnego transferu plików, czy prostego e-maila.

Dla wielu zastosowań ten model działa doskonale. Na przykład, gdy pobierasz plik, protokół TCP zapewnia, że nawet jeśli niektóre pakiety zostaną utracone lub opóźnione, zostaną one retransmitowane, aż cały plik zostanie poprawnie złożony u odbiorcy. Całkowity czas pobierania nie jest tak krytyczny, jak ostateczna integralność danych. Jednakże, w miarę ewolucji sieci i przenoszenia przez nią zróżnicowanego ruchu, ograniczenia modelu best-effort stały się rażąco widoczne. Dla aplikacji czasu rzeczywistego, takich jak Voice over IP (VoIP), gry online czy streaming wideo, czas i spójność dostarczania pakietów są najważniejsze. Opóźniony lub utracony pakiet w rozmowie telefonicznej skutkuje przerwą lub zniekształceniem dźwięku i nie może być po prostu retransmitowany później.

Ten fundamentalny konflikt między potrzebami różnych aplikacji a podejściem sieci "jeden rozmiar dla wszystkich" jest problemem, który Jakość Usługi (QoS) została stworzona, aby rozwiązać.

2. Definicja Jakości Usługi (QoS)

Jakość Usługi (QoS) to zdolność sieci do zapewnienia lepszej lub specjalnej usługi wybranemu ruchowi sieciowemu w ramach różnych technologii. Celem QoS jest odejście od nieprzewidywalnego modelu best-effort na rzecz bardziej kontrolowanego, przewidywalnego środowiska sieciowego. Osiąga to poprzez dostarczanie mechanizmów do zarządzania kluczowymi zasobami sieciowymi, takimi jak przepustowość, opóźnienie i utrata pakietów.

Wdrożenie QoS pozwala administratorowi sieci definiować polityki, które traktują różne rodzaje ruchu w odmienny sposób. Na przykład, może on zapewnić, że wideokonferencja otrzyma niezbędną przepustowość i niskie opóźnienie, aby działać płynnie, nawet jeśli inni użytkownicy w tej samej sieci intensywnie pobierają pliki. QoS nie tworzy nowej przepustowości; inteligentnie zarządza istniejącą przepustowością, aby sprostać specyficznym wymaganiom aplikacji działających w sieci.

3. Główne Mierniki Wydajności Sieci

QoS polega fundamentalnie na zarządzaniu czterema kluczowymi parametrami, które definiują wydajność sieci.

• Przepustowość (Throughput)

  Przepustowość odnosi się do ilości danych, które mogą być przesłane przez łącze sieciowe w danym czasie, zazwyczaj mierzona w bitach na sekundę (bps). Chociaż łącze fizyczne ma maksymalną pojemność, mechanizmy QoS mogą być używane do zagwarantowania minimalnej ilości przepustowości dla krytycznej aplikacji lub do ograniczenia przepustowości zużywanej przez aplikację niekrytyczną.

• Opóźnienie (Latency/Delay)

  Opóźnienie to całkowity czas, jaki pakiet potrzebuje na podróż od źródła do miejsca przeznaczenia. Całkowite opóźnienie jest sumą kilku składników, w tym:

  • Opóźnienie transmisyjne: Czas potrzebny do "wypchnięcia" wszystkich bitów pakietu na łącze.
  • Opóźnienie propagacji: Czas potrzebny na pokonanie fizycznej odległości łącza z prędkością światła w danym medium.
  • Opóźnienie przetwarzania: Czas potrzebny routerom na przetworzenie nagłówka pakietu.
  • Opóźnienie kolejkowania: Czas, jaki pakiet spędza w buforze (kolejce) wewnątrz routera, zanim zostanie przesłany. Ten składnik jest najbardziej dotknięty przez przeciążenie sieci i to właśnie nim QoS głównie zarządza. Powszechny próg jakościowy dla wielu standardowych pakietów danych to opóźnienie poniżej 150 milisekund (ms).
• Jitter (Zmienność Opóźnień)

  Jitter to zmienność w opóźnieniu pakietów. W idealnej sieci pakiety docierałyby w dokładnie regularnych odstępach czasu. W rzeczywistości, z powodu zmiennego poziomu przeciążenia w routerach, opóźnienie dla każdego pakietu może być inne. Ta zmienność to jitter. Wysoki jitter jest niezwykle szkodliwy dla audio i wideo czasu rzeczywistego, ponieważ powoduje, że odtwarzanie dźwięku jest poszarpane, a wideo wygląda na zacinające się. Dla wielu aplikacji niski i stały jitter jest nawet ważniejszy niż niskie opóźnienie. W przypadku transmisji wideo jitter powinien zwykle wynosić poniżej 6,5 ms, aby zapewnić płynne odtwarzanie.

• Utrata Pakietów (Packet Loss)

  Utrata pakietów występuje, gdy jeden lub więcej pakietów danych podróżujących przez sieć komputerową nie dociera do miejsca przeznaczenia. Najczęściej jest to spowodowane przeciążeniem sieci, gdy bufory wejściowe routera przepełniają się i jest on zmuszony do odrzucania przychodzących pakietów. W przypadku aplikacji korzystających z TCP (jak transfery plików), utracone pakiety są wykrywane i retransmitowane, co skutkuje niższą przepustowością, ale bez utraty danych. W przypadku aplikacji czasu rzeczywistego korzystających z UDP (jak VoIP), utracone pakiety są zazwyczaj bezpowrotnie stracone, co skutkuje przerwami w dźwięku lub artefaktami wideo.

4. Wymagania Aplikacji i Rodzaje Ruchu

Różne aplikacje mają diametralnie różne wymagania co do wydajności sieci. Kluczowym aspektem QoS jest zrozumienie i klasyfikacja tego ruchu.

• Ruch Czasu Rzeczywistego (np. VoIP, wideokonferencje): Ten ruch jest niezwykle wrażliwy na opóźnienia i jitter, ale może tolerować niewielką ilość utraconych pakietów. Wymaga stałego, przewidywalnego dostarczania.
• Ruch Strumieniowy (np. wideo na żądanie): Ten ruch jest bardzo wrażliwy na jitter i wymaga gwarantowanego poziomu przepustowości. Jest mniej wrażliwy na opóźnienia niż VoIP, ponieważ bufor po stronie klienta może wchłonąć część opóźnienia.
• Dane Krytyczne (np. aplikacje medyczne, inżynieryjne): Ten ruch często wymaga transmisji bezstratnej (zero utraconych pakietów) i może potrzebować gwarantowanej przepustowości, ale może nie być tak wrażliwy na opóźnienia jak ruch czasu rzeczywistego.
• Ruch Transakcyjny (np. e-commerce, zapytania do baz danych): Ten typ ruchu jest impulsywny. Responsywność (niskie opóźnienie) jest kluczowa dla dobrego doświadczenia użytkownika, ale zazwyczaj nie wymaga wysokiej, stałej przepustowości.
• Ruch Danych Masowych (np. FTP, kopie zapasowe): Jest to często nazywane ruchem "resztkowym". Jego głównym wymaganiem jest wysoka przepustowość, aby zakończyć transfer jak najszybciej. Jest bardzo tolerancyjny na opóźnienia i jitter, ponieważ protokoły takie jak TCP zarządzają niezawodnością. Polityki QoS często przypisują temu typowi ruchu najniższy priorytet.

Charakterystyka Przepływu

Ruch można również klasyfikować według charakterystyki jego przepływu:

• CBR (Constant Bit Rate): Ruch generujący dane ze stałą szybkością, jak nieskompresowany strumień głosowy.
• VBR (Variable Bit Rate): Ruch generujący dane ze zmienną szybkością, jak skompresowane wideo, które produkuje więcej danych dla złożonych scen i mniej dla prostych.
• Ruch Elastyczny: Ruch, który może dostosować swoją szybkość transmisji w zależności od warunków sieciowych, jak transfer plików TCP.
• Ruch Nieelastyczny: Ruch, który nie może łatwo dostosować swojej szybkości i ma surowe wymagania wydajnościowe, jak VoIP.

5. Zestaw Narzędzi QoS: Mechanizmy Zarządzania Ruchem

Urządzenia sieciowe, takie jak routery i przełączniki, używają zestawu narzędzi do wdrażania polityk QoS. Ogólny proces obejmuje identyfikację ruchu, klasyfikację go do grup, a następnie stosowanie określonych zabiegów dla każdej grupy.

• Klasyfikacja i Oznaczanie: Pierwszym krokiem jest identyfikacja różnych typów ruchu. Można to zrobić, patrząc na różne pola w nagłówku pakietu, takie jak adresy IP źródłowe/docelowe, numery portów lub typ protokołu. Po zidentyfikowaniu ruch jest "oznaczany" poprzez ustawienie określonej wartości w nagłówku pakietu. W sieciach IP odbywa się to za pomocą pola Differentiated Services Code Point (DSCP) w nagłówku IP.
• Kolejkowanie i Planowanie: Gdy wiele pakietów dociera do interfejsu routera i jest przeznaczonych na to samo łącze wyjściowe, są one umieszczane w kolejce. Planista (scheduler) decyduje o kolejności, w jakiej pakiety są przesyłane. Jest to podstawowy mechanizm priorytetyzacji. Zamiast jednej kolejki "pierwszy wszedł, pierwszy wyszedł" (FIFO), routery mogą używać wielu kolejek z różnymi algorytmami planowania, takimi jak Kolejkowanie Priorytetowe (które zawsze obsługuje najpierw kolejkę o wysokim priorytecie) lub Ważone Sprawiedliwe Kolejkowanie (które przydziela określony procent przepustowości każdej kolejce).
• Kształtowanie Ruchu i Policyjność: Są to dwie metody kontrolowania szybkości ruchu.
  • Policyjność (Policing): Egzekwuje ścisły limit przepustowości. Pakiety przekraczające skonfigurowaną szybkość są albo odrzucane, albo oznaczane niższym priorytetem. Działa jak strażnik, który odrzuca nadmiar.
  • Kształtowanie (Shaping): Również egzekwuje limit przepustowości, ale zamiast odrzucać nadmiarowe pakiety, opóźnia je w buforze i wysyła później, gdy przepustowość będzie dostępna. Ma to na celu wygładzenie impulsów ruchu.
• Unikanie Przeciążeń: Są to proaktywne mechanizmy, które próbują zapobiec przeciążeniom, zanim staną się one poważne. Na przykład technika zwana Losowym Wczesnym Wykrywaniem (RED) monitoruje średnią głębokość kolejki w routerze. Gdy kolejka zaczyna się zapełniać (co wskazuje na zbliżające się przeciążenie), RED zaczyna losowo odrzucać niewielką liczbę pakietów z różnych przepływów. Sygnalizuje to nadawcom TCP, że powinni zmniejszyć swoje szybkości transmisji, pomagając w ten sposób uniknąć całkowitego przepełnienia bufora, które doprowadziłoby do masowej utraty pakietów.