Quality of Service: приоритизация трафика

Содержание:

• О технологии QoS
• Что такое качество обслуживания?
• Зачем использовать приоритизацию трафика?
• Механизм работы QoS
  • Маркировка трафика по стандарту IEEE 802.1p – Class of Service
  • Маркировка трафика на 3 уровне - Differentiated Services (DiffServ) или Type of Service
• Очереди трафика
• Настройка приоритизации трафика на коммутаторах MOXA
  • Настройка QoS в неуправляемых коммутаторах
  • Настройка QoS в управляемых коммутаторах
• Использование QoS в кольцевых топологиях Turbo Ring/Chain
• Использование QoS в кольцевых топологиях Turbo Ring/Chain

В статье рассказываем о том, что такое QoS в целом и об особенностях его работы в коммутаторах MOXA.

О технологии QoS

Для того, чтобы повысить вероятность доставки важных данных, в коммутаторах MOXA реализована поддержка технологии Quality of Service (QoS).

QoS – технология приоритизации трафика, т.е. предоставление различным классам трафика различных приоритетов в обслуживании. Это означает, что более важный трафик будет обработан коммутатором быстрее, и задержки при его прохождении по сети будут минимальны.

Что такое качество обслуживания?

Под качеством обслуживания при передаче информации по сетям связи понимают следующие параметры:

• Bandwidth – полоса пропускания, описывает номинальную пропускную способность среды передачи информации (определяет ширину канала).
• Delay – задержка при передаче пакета.
• Jitter – колебание задержки при передаче пакетов.
• Packet Loss – потери пакетов, определяет количество пакетов, отбрасываемых сетью во время передачи.

Все эти параметры позволяет контролировать механизм QoS: выделяет определенную полосу пропускания, уменьшает задержку и джиттер при передаче пакетов, предотвращает отбрасывание важных пакетов.

Важно: для работы QoS все сетевые устройства между отправителем и получателем должны поддерживать эту технологию.

Зачем использовать приоритизацию трафика?

Трафик в сети бывает нескольких видов: данные от web-приложений, электронной почты, видео, голоса, мессенджеров, телеметрии и т.д. Голосовой и видео трафик чувствителен к задержкам, а трафик телеметрии нет, но требует гарантированной доставки. Чтобы учесть и обеспечить все эти требования, каждому типу трафика присваивается свой приоритет, который и определяет очередность обработки его коммутатором.

В целом можно сказать, что приоритизация дает следующие преимущества:

• Улучшает производительность сети, дает контроль над всем трафиком, позволяет управлять потоком данных в моменты перегрузки.
• Обеспечивает предсказуемую ширину канала для мультимедийных приложений, видеоконференций или IP-телефонии, и минимизирует задержки и джиттер.
• В случае заражения сети червями защищает от атак типа Deny of Service, DoS - “отказ в обслуживании”.

Стоит отметить, что приоритизация требуется в основном только в узких, загруженных местах, когда пропускной способности канала не хватает для передачи всех поступающих пакетов и нужно каким-то образом дифференцировать их обработку. Кроме того, приоритизация необходима для предотвращения влияния всплесков сетевой активности на чувствительный к задержкам трафик.

Механизм работы QoS

Для реализации QoS придумали маркировку трафика, и теперь каждый пакет в Ethernet имеет специальное поле с отметкой о приоритете. В коммутаторах MOXA реализованы два стандартных метода маркировки трафика:

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

Маркировка трафика по стандарту IEEE 802.1p – Class of Service

В стандарте IEEE 802.1Q описана процедура тегирования трафика для передачи информации о принадлежности к VLAN. Для этого в Ethernet-кадр добавляется специальный тег 802.1Q длиной 4 байта. Помимо информации о VLAN, в этом же кадре передается информация о приоритете передаваемого трафика. Это записано в стандарте IEEE 802.1p - CoS.

Можно сказать, что IEEE 802.1p как бы является частью IEEE 802.1Q.

Структура Ethernet кадра. Тег 802.1p внутри тега 802.1Q

Стандарт IEEE 802.1p описывает 8 различных классов приоритета

Хотя стандарт IEEE 802.1p наиболее часто используется для приоритизации в локальных сетях, у него есть несколько ограничений:

• Требуется дополнительный 4-байтовый тег в кадре, который обычно является необязательным для сетей Ethernet. Без этого тега схема не будет работать.
• Этот тег является частью заголовка IEEE 802.1Q, поэтому для реализации QoS на втором уровне вся сеть должна понимать теги IEEE 802.1Q VLAN.
• Технология поддерживается только в локальной сети, а не через маршрутизированные WAN соединения, поскольку теги IEEE 802.1Q удаляются, когда пакеты проходят через маршрутизатор.

Маркировка трафика на 3 уровне - Differentiated Services (DiffServ) или Type of Service

На уровне 3 модели OSI: в маршрутизаторах и коммутаторах 3-го уровня, – применяется другой вид приоритизации, при котором в заголовок IP добавляется специальный байт ToS – Type of Service, в котором указывается информация о приоритете.

Поле ToS состоит из 6 бит DiffServ Code Point (DSCP) и 2 бит Explicit Congestion Notification.

DSCP использует 64 значения для уровней сервиса, что позволяет настроить приоритеты очень гибко.

Структура пакета IP. Расположение байта ToS в заголовке IP.

Структура байта ToS несколько раз пересматривалась, поэтому для совместимости с предыдущими версиями поля ToS первые 3 бита определяют приоритет.

DSCP имеет следующие преимущества над IEEE 802.1p:

• Можно настроить, как коммутатор будет обрабатывать выбранные приложения и типы трафика, назначив им различные типы обслуживания
• Не нужно добавлять дополнительные теги в Ethernet пакет
• DSCP использует IP заголовок для сохранения приоритета при передаче по сети Internet
• DSCP обратно совместим с IPv4 ToS, что позволяет работать с существующими устройствами layer 3, использующими схему приоритетов ToS

Очереди трафика

Аппаратное обеспечение коммутаторов имеет несколько очередей трафика, в которые помещаются приходящие на порт коммутатора пакеты и ожидают, когда коммутатор их обработает. В коммутаторах MOXA таких очередей четыре. Вы можете увидеть этот параметр в спецификации устройства: Priority queues или Кол-во очередей приоритетов на порт. Чем больше очередей, тем более точно коммутатор может балансировать передачу трафика. Соответственно более важный трафик помещается в первую очередь, и так далее.

Коммутатор работает следующим образом:

1. Пакет попадает в коммутатор. Если это обычный Ethernet-пакет (клиентский Access Port), то он не имеет меток приоритета и таковая может выставляться коммутатором, например, по номеру входного порта, если это нужно. Если входной порт транковый (Trunk по 802.1Q или ISL), то пакет может нести метку приоритета и коммутатор может ее принять или заменить на необходимую. В любом случае пакет на данном этапе попал в коммутатор и имеет необходимую разметку CoS.
2. После обработки процессом коммутации пакет в соответствии с меткой приоритета CoS направляется классификатором (Classify) в соответствующую очередь выходного порта. Например, критический трафик попадает в высокоприоритетную, а менее важный в низкоприоритетную очереди.
3. Механизм обработки (Scheduling) извлекает пакеты из очередей согласно своим настроенным правилам и приоритетам пакетов.

Схема обработки трафика коммутатором

Управляемые коммутаторы MOXA поддерживают два различных механизма организации очередей:

Weighted Fair Queuing (WFQ) – Взвешенная справедливая очередь:

В этом случае все очереди обслуживаются циклически, в зависимости от приоритета очереди определяется количество передаваемого трафика за цикл. В коммутаторах MOXA трафик обрабатывается в соотношении: 8-4-2-1. Это значит, что из высокоприоритетной очереди за единицу времени будет выдано на выходной порт больше пакетов, чем из низкоприоритетной.

Преимущество такого подхода в том, что при полной загруженности канала всем классам трафика выделен определенный минимум пропускной способности. Т.е. в моменты перегрузки менее приоритетный трафик не потеряется, а тоже будет передаваться.

Strict Priority Queuing (SPQ) – Строгая очередь приоритетов:

В этой схеме в первую очередь передается высокоприоритетный трафик. Пока весь трафик с наивысшим приоритетом не будет передан, менее приоритетный трафик не будет передаваться. Такой подход может привести к тому, что при большой загрузке канала высокоприоритетным трафиком, менее приоритетный будет отбрасываться и никогда не будет передан. В тоже время у высокоприоритетный трафик всегда будет гарантировано отправлен.

В неуправляемых коммутаторах MOXA реализован механизм

Weighted Round Robin (WRR) – Взвешенный циклический алгоритм:

В этой схеме очереди обслуживаются последовательно и циклически. Каждая очередь имеет свое время обработки, чем выше приоритет очереди, тем больше времени выделяется на передачу.

Преимуществом такой организации является отсутствие монополизации полосы пропускания, все очереди получают доступ к полосе, в заданных пропорциях.

Настройка приоритизации трафика на коммутаторах MOXA

Настройка QoS в неуправляемых коммутаторах

Традиционно поддержка QoS была только у управляемых коммутаторов и ее можно было настроить только через командную строку или веб-интерфейс. Компания MOXA пошла дальше, и внедрила технологию QoS и в неуправляемые коммутаторы новой линейки.

Для настройки используются DIP-переключатели на корпусе устройства.

При установке переключателя QoS с положение ON, активируется механизм QoS – 4 очереди приоритетов по схеме WRR.

Настройка QoS в управляемых коммутаторах

Все настройки находятся в разделе QoS.

Вкладка QoS Classification

Egress Scheduling Setting (Планировщик выходных пакетов)

Scheduling Mechanism – выбор механизма обработки очередей: Weighted Fair Queuing (WFQ) или Strict Priority Queuing (SPQ).

Ingress Classification Setting (Классификатор входящих пакетов)

В этой таблице установлены правила обработки входящего трафика.

Приоритет входных кадров определяется в следующем порядке:

1. Проверка ToS/DSCP
2. Инспекция СоS
3. Приоритет

Т.е. сперва проверяется наличие тегов ToS и CoS в заголовках, а при их отсутствии в кадр добавляется тег CoS со значением из таблицы.

Если отключить галочками проверку ToS и CoS, тогда все входящие кадры будут маркироваться значением приоритета из таблицы.

Вкладка Port Priority

Тут можно настроить распределение входящего трафика по очередям в соответствии со значением в теге CoS.

В управляемых коммутаторах MOXA есть 2 типа настроек QoS в зависимости от модели.

Для моделей коммутаторов 1 типа можно задать отношение CoS Priority для 4 очередей.

Для моделей коммутаторов 2 типа можно задать отношение CoS Priority для 8 очередей:

Вкладка DSCP Mapping

Тут можно настроить распределение входящего трафика по очередям в соответствии со значением в байте ToS.

Использование QoS в кольцевых топологиях Turbo Ring/Chain

Весь служебный трафик протоколов резервирования Turbo Ring/Turbo Chain всегда имеет наивысший приоритет. Поэтому, если в сети есть другой трафик с наивысшим приоритетом, то служебные сообщения могут не быть доставлены вовремя, что скажется на работе и времени восстановления резервированной сети, особенно в моменты перегрузок по высокоприоритетному трафику. В резервированных сетях Turbo Ring/Chain компания MOXA рекомендует не назначать никакому трафику в сети наивысший приоритет.

Оборудование с поддержкой технологии QoS

Неуправляемые коммутаторы:

Управляемые коммутаторы: