Стандарты по качеству обслуживания в IP-сетях

Одним из важнейших направлений перспективных сетей связи, является пакетно-коммутируемая сеть на базе протокола IP, позволяющей передавать как голос, так и данные. Одной из задач этой конвергенции является обеспечение качества обслуживания QoS, поскольку современные IP-сети не гарантируют никакого качества. Для того чтобы реализовать конвергенцию IP-сетей и сетей ТфОП, IP-сети должны обеспечить качество обслуживания из «конца в конец». В рамках работ ITU-T по стандартизации качества обслуживания предполагаются следующие этапы решения задачи обеспечения QoS для конвергированных сетей ТфОП/IP с учетом перехода к сетям нового поколения NGN (New Generation Network):

1. создание согласованного общего набора рабочих характеристик сетей IP и норм для этого набора характеристик;

2. внедрение сетевых механизмов, которые будут обеспечивать заданные показатели качества обслуживания в конфигурации «терминал - терминал»;

3. вложение нормированных показателей качества обслуживания в протоколы сигнализации;

4. разработка архитектуры сетевых механизмов поддержки.

В 2002г. 13-я Исследовательская Комиссия ITU-T опубликовала два международных стандарта, которые отвечают первому из перечисленных этапов. Рекомендация ITU-T Y.1540 описывает стандартные сетевые характеристики для передачи пакетов в сетях IP. Рекомендация ITU-T Y.I541 определяет нормы для параметров, определённых в рекомендации Y.1540, между двумя граничными сетевыми интерфейс - точками подключения оконечных терминальных устройств.

Эти рекомендации важны для операторов и провайдеров, производителей оборудования и конечных пользователей. Сетевые провайдеры будут использовать данные рекомендации при планировании, развёртывании и оценке сетей IP в соответствии с требованиями конечных пользователей к качеству обслуживания. Производители будут опираться на эти рекомендации при создании оборудования, которое должно отвечать спецификациям сетевых провайдеров. Наконец, конечные пользователи (в первую очередь корпоративные) смогут применить рекомендации Y.1540 и Y.1541 при оценке характеристик реально функционирующих IP-сетей с позиций соответствия этих характеристик требованиям потребителей. Рассмотрим некоторые детали рекомендаций Y.1540 и Y.1541, касающиеся основных сетевых характеристик качества обслуживания QoS в IP-сетях.

Рекомендация ITU-T Y.1540

Следующие пять сетевых характеристик рассматриваются в рекомендации ITU-T Y.1540 как наиболее важные по степени их влияния на сквозное качество обслуживание (от источника до получателя), оцениваемое пользователем на субъективной основе:

· производительность сети;

· надёжность сети/сетевых элементов;

· задержка;

· вариация задержки (джиттер);

· потери пакетов.

Производительность сети

Производительность сети, или скорость передачи данных пользователя, определяется как эффективная скорость передачи, измеряемая в бит/с. Следует иметь в виду, что значение этого параметра не совпадает с максимальной пропускной способностью сети. В рекомендации ITU-T Y.1540 не приведены нормативные характеристики производительности сети, которые отличаются для различных приложений. Вместе с тем в рекомендации ITU-T Y.I541 отмечено, что параметры, связанные с эффективной скоростью передачи, могут быть определены методом, описанным в рекомендации ITU-T Y.1221.

Надёжность сети/сетевых элементов

Пользователи обычно ожидают высокого уровня надёжности от систем связи. Надёжность сети может быть определена через ряд параметров, из которых наиболее часто используется коэффициент готовности, вычисляемый как отношение времени простоя объекта к суммарному времени работы. Как определено в Y.1540, коэффициент готовности относится к однонаправленному IP-потоку между определённой парой (или набором) точек измерений МР (Measurement Point). Сеть моделируется как объединение сетевых сегментов, соединённых каналами передачи данных. МР - являются функциональными границами сегмента.

Параметры доставки пакетов IP

В общем, сеанс связи состоит из трёх фаз - установления соединения, передачи информации и разъединения соединения. В рекомендации ITU-T Y.1540 из трёх фаз сеанса связи рассматривается только вторая фаза - фаза доставки IP-пакета. Такой подход отражает природу сетей IP, неориентированных на установление соединений. Спецификацию рабочих характеристик и параметров QoS для двух других фаз (установление и разъединение соединения) планируется провести в дальнейшем. Рекомендация ITU-T Y.1540 определяет следующие параметры, характеризующие доставку IP –пакетов:

· задержка доставки IP-пакета (IP packet transfer delay, IPTD);

· параметр IPTD определяется как время (t2 – t1) между двумя событиями - вводом пакета во входящую точку сети в момент t1 и выводом пакета из выходной точки сети в момент t2, где t2 > t1 и (t2 - t1) < Tmax;

· параметр IPTD определяется как время доставки пакета между источником и получателем для всех пакетов как успешно переданных, так и для пакетов, поражённых ошибками.

Средняя задержка доставки пакета IP – параметр, специфицированный в рекомендации Y.1540, определяется как среднее арифметическое задержек пакетов в выбранном наборе переданных и принятых пакетов. Величина средней задержки зависит от передаваемого в сети трафика и доступных сетевых ресурсов, в частности, от пропускной способности. Рост нагрузки и уменьшение доступных сетевых ресурсов ведут к росту очередей в узлах сети и, как следствие, к увеличению средних задержек доставки пакетов. Речевая информация и, отчасти, видеоинформация является примерами трафика, чувствительного к задержкам, тогда как большинство приложений данных менее чувствительно к задержкам.

Вариация задержки IP-пакета (IP packet delay variation, IPDV)

Параметр IPDV, Vk(входной и выходной) для IP-пакета с индексом k определяется между двумя точками сети (входной и выходной) как разность между абсолютной величиной задержки Хkпри доставке пакета с индексом k, и определённой эталонной (или опорной) величиной задержки доставки пакета d1,2для тех же самых сетевых точек: Vk= Xk− d1,2. Эталонная задержка доставки пакета d1,2между источником и получателем определяется как абсолютное значение задержки доставки первого пакета между данными сетевыми точками. Флуктуация задержки пакета, или джиттер, проявляется в том, что последовательные пакеты прибывают к получателю в нерегулярные моменты времени. В системах IP-телефонии это, к примеру, ведёт к искажениям звука и в результате к тому, что речь становится неразборчивой.

Коэффициент потери пакетов IP (IP packet loss ratio, IPLR)

Коэффициент IPLR определяется как отношение суммарного числа потерянных пакетов к общему числу принятых пакетов в выбранном наборе переданных и принятых пакетов. Потери пакетов в сетях IP возникают в том случае, когда значение задержек при передаче пакетов превышает нормированное значение, определённое выше как Tmax. Если пакеты теряются, то в режиме передачи данных возможна их повторная передача по запросу принимающей стороны. В системах VoIP пакеты, пришедшие к получателю с задержкой, превышающей Tmax, отбрасываются, что ведет к провалам в принимаемой речи. Среди причин, вызывающих потери пакетов, необходимо отметить рост очередей в узлах сети, возникающий при перегрузках.

Коэффициент ошибочных пакетов IP (IP packet error ratio, IPER)

Коэффициент IPER определяется как суммарное число пакетов, принятых с ошибками, к сумме успешно принятых пакетов и пакетов, принятых с ошибками.

Рекомендация ITU-T Y.1541

Рекомендация ITU-T Y.1541 определяет численное значение параметров, специфицированных в рекомендации Y.1540, для служб, основанных на протоколах IP. Эти параметры являются основной при согласовании между провайдерами сетей, а также конечными пользователями и привайдерами. Нормы на параметры разделены по различным классам QoS, которые определены в зависимости от приложений и сетевых механизмов, применяемых для обеспечения гарантированного качества обслуживания. В таблице 14.1 представлены нормы на определённые выше сетевые характеристики. Значения параметров, приведённые в таблице, представляют собой, соответственно, верхние границы для средних задержек, джиттера, потерь и ошибок пакетов. В рекомендации Y.1541 представлены спецификации набора параметров, связанных с измерением реальных значений сетевых характеристик - периода наблюдений, длины тестовых пакетов, числа пакетов и т.д. В частности при оценке качества передачи пакетов речи в IP - телефонии минимальный интервал наблюдения должен быть порядка 1-20 с при скорости передачи 50 пакетов/с. Рекомендуемый интервал измерений для задержки, джиттера и потерь должен составлять не менее 60 с.

Таблица 14.1. Нормы для характеристик сетей IP с распределением по классам качества обслуживания

Сетевые характеристики	Классы QoS
Задержка доставки пакета IP, IPTD	100мс	400мс	100мс	400мс	1с	Н
Вариации задержки пакета IP, IPDV	50мс	50мс	Н	Н	Н	Н
Коэффициент потери пакетов IP, IPLR	1*10-3	1*10-3	1*10-3	1*10-3	1*10-3	Н
Коэффициент ошибок пакетов IP, IPER	1*10-4	1*10-4	1*10-4	1*10-4	1*10-4	Н

Примечание: Н – не нормировано.

Рекомендация Y.1541 устанавливает соответствие между классами качества обслуживания и приложениями:

· Класс 0 – приложения реального времени, чувствительные к джиттеру, характеризуемые высоким уровнем интерактивности (VoIP, видеоконференции);

· Класс 1 – приложения реального времени, чувствительные к джиттеру, (VoIP, видеоконференции);

· Класс 2 – передача данных, характеризуемая высоким уровнем интерактивности (например, сигнализация);

· класс 3 - передача данных, интерактивные (диалоговые);

· класс 4 - приложения, допускающие низкий уровень потерь и довольно высокий уровень задержки (короткие массивы данных, потоковое видео);

· класс 5 - традиционные применения сетей IP, не представляющие никаких гарантий QoS.