Проблемы, связанные с осуществлением телефонных переговоров по сетям с пакетной передачей и коммутацией
Базовые понятия IР-телефонии и ее основные сценарии. Межсетевой протокол IP: структура пакета, правила прямой и косвенной маршрутизации, типы и классы адресов. Автоматизация процесса назначения IP-адресов узлам сети. Обобщенная модель передачи речи.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 02.04.2013 |
| Размер файла | 2,0 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Рис. 3.8 Функциональные зависимости различных видов разборчивости речи
Самым популярным и широко применяемым тестом на разборчивость является диагностический тест на рифмы (DRT, Diagnostic Rhyme Test). В этом тесте представлено одно слово из каждой группы рифмованных слов, и слушателя просят определить, какое слово было произнесено. Слова каждой группы, например «дом - том», различаются только первым согласным. Затем представляется оценка этого теста в процентном соотношении правильно определённых слов Q:
где NR- число верных ответов; Nw - число неверных ответов; N - общее число использованных слов.
Обычно оценка этого теста колеблется от 75 до 95 %. Для определения смысла полученных результатов с оценками разборчивости обычно связывают категории характеристик. Например, 95... 100 соответствует «превосходно», 87...95 - «хорошо», 79...87 - «посредственно», 70...79 -«недостаточно», меньше 70 рассматривается как недопустимый результат или «плохо».
Для большинства стандартных кодеров речи, работающих на скоростях выше 4 кбит/с, оценка DRT выше 90%.
К недостаткам перечисленных методов оценки качества речи в первую очередь следует отнести низкую оперативность и сложность получения результатов. Поэтому чаще всего предпочитают использовать объективные (формализованные показатели) качества.
Объективные измерения эффективны с точки зрения цены и повторяемости результатов, однако много внимания должно быть уделено выбору правильного метода измерения для данных типов кодеров. Примеры объективных измерений речи включают:
· отношение сигнал/шум и воспринимаемое взвешенное отношение сигнал/шум;
· индекс артикуляции (AI);
· искажения логарифмического спектра (LSD) и логарифмическое кепстральное расстояние (LCD).
Наиболее общим измерением искажений является среднеквадратическая ошибка (Mean Square Error, MSE), определяемая как:
где х - вектор входных значений, у - вектор оценок, N - общее число отсчетов.
Популярность среднеквадратической ошибки связана с её простотой. В методе среднеквадратической ошибки допускается, что искажения, вносимые каждым элементом вектора х, имеют равный вес. В общем случае можно ввести неравные веса, чтобы отразить вклады отдельных элементов в искажение как более важные, чем другие. Таким образом, взвешенная среднеквадратическая ошибка определяется как:
где W-- положительно определённая взвешивающая матрица.
Для количественной оценки качества речевого сигнала обычно используют нормированный показатель погрешности, характеризующий средний квадрат ошибки воспроизведения , усреднённой по времени и приведённой к дисперсии сообщения :
(1)
Величина, обратная нормированному показателю погрешности, является отношением мощности сигнала к мощности шумов:
При объективных методах оценки для анализа качества систем передачи речи необходимо оценивать отношение мощности сигнала к суммарной мощности шума - ОСШE и знать взаимосвязь между ОСШE и S.
Известно, что значения ОСШ имеют устойчивую связь с субъективными оценками качества восприятия речи. При субъективных оценках наиболее часто используются численные характеристики разборчивости фрагментов речи, в частности слогов. Для слоговой разборчивости S* найдены функции взаимосвязи с другими видами разборчивости: слов, фраз, фонем.
Поскольку в выражении (1) используется дисперсия сигнала и шума , вычисленные (или измеренные) за время речевого теста, данный показатель будем именовать долгосрочным ОСШ.
Следует отметить, что исследование цифровых методов передачи речи и особенно различных адаптивных методов кодирования, выявили серьёзные расхождения субъективных оценок при одинаковых значениях ОСШ. Это объясняется различным характером искажений, создаваемых адаптивными и неадаптивными системами передачи. В неадаптивных системах имеет место стационарный шум с уровнем, независящим от уровня сигнала. Качество тракта передачи при этом определяется, главным образом, по восприятию шума в паузах речи. В адаптивных системах шумы незанятого канала могут быть неощущаемыми на слух. Восприятие искажений будет определяться нестационарным сопровождающим шумом, дисперсия которого определяется и уровнем сигнала и его спектральными характеристиками. В связи с этим при объективной оценке различных алгоритмов кодирования и восстановления речи используются специальные устройства, генерирующие шум, коррелированный с речевым сигналом. Такие устройства называются MNRU (Modulated Noise Reference Unit).
Использование MNRU позволяет учесть нестационарность возникновения шумов при изменении текущей мощности речевого сигнала. Отметим, однако, что не учитывается изменение модели спектра сигнала при произношении вокализованных и невокализованных звуков.
Кроме того, при использовании адаптивных кодеров, например АДИКМ, выявились значительные расхождения субъективных и объективных оценок. В результате для оценки качества предложена более корректная оценка, получившая название сегментного ОСШ:
где и - дисперсии ошибок речевого сообщения и ошибки, вычисленные на i-м сегменте длительностью Т, М -- общее количество сегментов в испытуемом сигнале.
Взаимосвязь качества речи в баллах и значений ОСШ - суммарного и сегментного ОСШ сег представлена в табл. 3.4
Таблица 3.4 Распределение оценки качества речи в баллах
|
Балл |
ОСШE, Дб |
ОСШсег , Дб |
|
|
5 4 3 2 1 |
25 20.0 15.4 10.7 5.9 |
29 23.3 17.8 12.8 6.7 |
3.4 Требования различных типов приложений к качеству обслуживания
Основной движущей силой развития сети являются приложения. В ответ на постоянно растущие требования приложений к пропускной способности сети появляются новые высокоскоростные технологии. Перенос в компьютерные сети новых видов трафика: IP-телефонии, аудио- и видеовещания, привел к появлению новых требований, связанных с обеспечением низкого уровня задержек пакетов, поддержкой групповой доставки пакетов и т. д. Простое повышение пропускной способности сети уже больше не является гарантией того, что разнообразные приложения, работающие в сети, получат то обслуживание, которое им требуется. Нужны новые механизмы обеспечения качества обслуживания, учитывающие всё многообразие требований, предъявляемых приложениями к сети.
К настоящему времени проделана большая работа по классификации трафика различных приложений. В качестве основных критериев классификации были приняты три характеристики трафика:
· относительная предсказуемость скорости передачи данных;
· чувствительность трафика к задержкам пакетов;
· чувствительность трафика к потерям и искажениям пакетов.
В отношении предсказуемости скорости трафика приложения делятся на два больших класса.
Приложения, трафик которых представляет собой равномерный поток (Stream). Этот класс приложений характеризуется высокой степенью предсказуемости порождаемого трафика, который поступает в сеть со сравнительно постоянной битовой скоростью (Constant Bit Rate, CBR). Хотя скорость потока может изменяться, тем не менее, она имеет легко вычисляемую верхнюю границу. Например, аудиопотоки данных являются трафиком CBR, и для элементарного голосового потока верхняя граница известна - она равна 64 Кбит/с.
Приложения с пульсирующим трафиком (Burst). Отличаются высокой степенью непредсказуемости, когда периоды молчания сменяются пульсацией, соответствующей доставке больших «блоков данных». В результате трафик характеризуется переменной битовой скоростью (Variable Bit Rate, VBR). Так, при работе приложений файлового сервиса интенсивность трафика, требуемая приложению, может увеличиться от нуля, когда файлы не передаются, до бесконечности, когда после передачи запроса с координатами файла приложению требуется как можно более быстрая передача данных файла. (Понятно, что реальная скорость передачи ограничена возможностями сети.) Строго говоря, любые приложения генерируют пульсирующий трафик, в том числе и потоковые. Просто коэффициент пульсации (то есть отношение максимальной мгновенной скорости к средней) у этих двух приложений существенно отличается. Если у приложений с пульсирующим трафиком они обычно находится в пределах от 10:1 до 100:1 и более, то у приложений с CBR этот коэффициент не превышает 1:8, в обычных условиях 1:1, 5...7.
Критерий классификации приложений по типу трафика учитывает их чувствительность к задержкам пакетов. Основные типы приложений в порядке повышения чувствительности к задержкам пакетов следующие:
· Асинхронные приложения: практически нет ограничений на время задержки («эластичный» трафик). Пример такого приложения - электронная почта.
· Синхронные приложения: чувствительны к задержкам, но допускают их.
· Интерактивные приложения: задержки могут быть замечены пользователями, но они не сказываются негативно на функциональности приложений. Пример: текстовый редактор, работающий с удалённым файлом.
· Изохронные приложения: имеется порог чувствительности к задержкам, при превышении которого резко снижается функциональность приложения. Пример: передача голоса, когда при превышении порога задержек в 100-150 мс резко снижается качество воспроизводимого голоса.
· Сверхчувствительные к задержкам приложения: задержка доставки данных сводит к нулю функциональность приложения. Пример: приложения, управляющие техническим объектом в реальном времени.
Вообще говоря, интерактивность приложения всегда повышает его чувствительность к задержкам. Например, широковещательное распространение аудиоинформации может выдерживать значительные задержки передачи пакетов, а интерактивный телефонный разговор не терпит их.
Наряду с приведённой выше классификацией, тонко дифференцирующей чувствительность приложений к задержкам и их вариациям, существует и более грубое деление приложений по этому же признаку на два класса: асинхронные и синхронные приложения. К асинхронным относят те приложения, которые не чувствительны к задержкам передачи данных в очень широком диапазоне, вплоть до нескольких секунд, а все остальные приложения, на функциональность которых задержки влияют существенно относят к синхронным приложениям. К синхронным приложениям в этом широком смысле относятся такие типы приложений приведенной выше тонкой классификации, как изохронные и сверхчувствительные. Интерактивные приложения могут относиться как к асинхронным (например, текстовый редактор), так и к синхронным (например, видеоконференция).
И, наконец, третьим критерием классификации приложений является их чувствительность к потерям пакетов. Здесь обычно делят приложения на две группы.
Чувствительные к потерям пакетов приложения. Практически все приложения, передающие алфавитно-цифровые данные (к которым относятся текстовые документы, коды программ, числовые массивы и т.п.), обладают высокой чувствительностью к потере отдельных, даже небольших, фрагментов данных. Такие потери часто ведут к полному обесцениванию остальной, успешно принятой информации. Например, отсутствие хотя бы одного байта в коде программы делает её совершенно неработоспособной. Все традиционные сетевые приложения (файловый сервис, сервис баз данных, электронная почта и т.д.) относятся к этому типу приложений.
Устойчивые к потерям приложения. К этому типу относят многие приложения, передающие трафик, несущий информацию об инерционных физических процессах. Устойчивость к потерям объясняется тем, что небольшое количество отсутствующих данных можно определить на основе принятых. Так, при потере одного пакета, несущего несколько последовательных замеров голоса, отсутствующие замеры при воспроизведении голоса могут быть заменены аппроксимацией на основе соседних значений. К такому типу приложений относится большая часть приложений, работающих с мультимедийным трафиком (аудио- и видеоприложения). Однако устойчивость к потерям имеет свои пределы, поэтому процент потерянных пакетов не может быть большим, например не более 1%. Можно отметить также, что не любой мультимедийный трафик так устойчив к потерям данных, например, компрессированный голос или видеоизображение очень чувствительны к потерям, поэтому относятся к первому типу приложений.
Вообще говоря, между значениями трёх, приведенных выше, характеристик качества обслуживания нет строгой взаимосвязи. То есть, приложение с равномерным потоком может быть как асинхронным, так и синхронным, синхронное приложение может быть как чувствительным, так и нечувствительным к потерям пакетов. Однако практика показывает, что из всего многообразия возможных сочетаний этих трех характеристик есть несколько таких, которые охватывают большинство используемых сегодня приложений.
Например, следующее сочетание характеристик приложения «порождаемый трафик -- равномерный поток, изохронное, устойчивое к потерям» соответствует таким популярным приложениям, как IP-телефония, поддержка видеоконференций, аудиовещание через Internet.
3.5 Факторы, влияющие на качество речи, передаваемой по сетям передачи данных с пакетной коммутацией
Передача телефонного трафика по сетям с пакетной коммутацией сопряжена с определенными трудностями, которые вытекают из естественных особенностей телефонного разговора.
Основное нежелательное явление - задержка передачи речевого сигнала от одного абонента другому. Задержка вызывает два нежелательных явления - эхо и наложение речи.
Под эхом понимается физический процесс отражения звуковых сигналов, поступающих на дифференциальную систему, осуществляющую согласование 4-проводного и 2-проводного каналов. Отраженные таким образом сигналы поступают обратно к говорящему абоненту и ухудшают разборчивость принимаемой речи.
Эхо становится существенной проблемой, если задержка распространения звукового сигнала от источника к приемнику и обратно становится большей 50 мс. В сетях с пакетной коммутацией такая задержка почти всегда выше 50 мс, и в связи с этим должен быть предусмотрен механизм устранения эха.
Наложение речи - процесс, при котором речь одного говорящего прослушивается в телефоне другого в тот момент, когда он ведет активный разговор, в отличие от эха, когда абонент прослушивает собственный голос. Согласно рекомендации ITU-T G.114 [12] данная проблема становится существенной, если односторонняя задержка становится большей 150 миллисекунд.
Общая задержка в сети является величиной, состоящей из следующих компонентов.
а) Задержка накопления. Эта задержка вызвана необходимостью подготовки кадра из последовательности речевых отсчетов, который будет обрабатываться вокодером. Величина данной задержки будет равна размеру (длительности) кадра выбранного типа вокодера.
б) Задержка кодирования. Для того, чтобы не вносить дополнительную задержку в результате собственно процесса кодирования, необходимо подобрать цифровой процессор обработки сигналов такой производительности, чтобы задержка кодирования была меньше или, по крайней мере, равна задержке накопления. Выбор ЦПОС можно сделать на основании данных о сложности применяемого алгоритма кодирования. Эти данные приведены в табл. 3.5. Производительность ЦПОС должна быть выше или равна указанным величинам.
Таблица 3.5 Показатели сложности алгоритмов
|
Стандарт |
Сложность алгоритма (млн. оп/с) |
|
|
G.726 (ADPCM) |
8 |
|
|
G.728 (LD-CELP) |
40 |
|
|
G.729 (CS-ACELP) |
30 |
|
|
G. 723.1 (ACELP, MP-MLQ) |
20 |
в) Задержка формирования пакетов. Эта задержка вызвана процессом подготовки речевых пакетов (как информационных единиц протоколов). Например, в одном пакете могут быть собраны три речевых кадра, полученных в результате преобразования G.729 (30 мс речи). Это приводит к тому, что задержка пакета составит 30 мс, а не 10 мс, как если бы в нем передавался 1 кадр.
г) Сетевая задержка. Эта задержка возникает при передаче пакетов по сети и зависит от используемых в сети каналов и протоколов передачи, а также приемных буферов для удаления джиггера. Данная задержка может занимать существенную часть общей задержки, и в некоторых сетях IP и Frame Relay составляет 70 - 100 мс и больше.
Рассмотрим проблему удаления джиггера в приемном буфере, так как эта операция может существенно влиять на задержку сети. По определению, джиггер - это величина, равная разнице во времени между моментами времени поступлений пакетов в приемный буфер, которая возникает вследствие передачи пакетов по сети. Процедура удаления джиггера заключается в объединении пакетов и удержании их некоторое время в буфере, чтобы позволить самым «медленным» пакетам успеть прибыть и занять соответствующее место в последовательности. Естественно, это приводит к дополнительной задержке. Таким образом, две противоречивые цели уменьшения задержки и удаления джиггера привели к созданию различных схем оптимизации размера приемного буфера. Эта оптимизация имеет цель уменьшения размера приемного буфера и вносимой задержки, а также предотвращает приемный буфер от переполнения. Возможны два подхода к оптимизации размера приемного буфера.
Первый подход состоит в наблюдении изменения уровня (порядкового номера) пакета в приемном буфере за некоторый период времени и постепенно приводить размер буфера в соответствие с расчетным джиттером. Этот подход более всего пригоден для сетей, которые обеспечивают последовательное изменение джиггера во времени.
Второй подход состоит в том, чтобы подсчитать число пакетов, прибывших с опозданием, и определить отношение таких пакетов к числу успешно обработанных пакетов. Этот коэффициент затем используется, чтобы отрегулировать приемный буфер. Это подход лучше всего использовать в сетях, для которых характерны большие изменения интервалов между прибываемыми пакетами, например, в сетях IP.
Для того, чтобы обеспечить гарантированное качество речевой связи, сеть должна быть конфигурируема и управляема таким образом, чтобы обеспечивать минимальную задержку и джиттер.
При передаче сообщений по сетям передачи данных с пакетной коммутацией нередко случаются потери отдельных пакетов. Это явление возникает вследствие искажения пакетов в канале связи, а также при применении схем удаления джиттера приемного буфера. При передаче данных эта проблема легко решается соответствующими протоколами, но в случае передачи речи эти протоколы могут быть неприменимы из-за вносимых ими задержек.
Получили распространение следующие подходы решения данной проблемы.
а) Замена потерянного пакета предыдущим успешно принятым пакетом. Этот подход применим, когда количество потерянных пакетов невелико (до 5%).
б) Передача избыточной информации за счет дополнительного использования полосы пропускания. В этом случае вместе с n+1-м пакетом посылается и n-й пакет. Однако в случае использования этого подхода нерационально используется полоса пропускания и создается большая задержка.
3.6 Меры по обеспечению гарантированного качества передачи речи
Для того, чтобы привести все нежелательные факторы, возникающие при передаче речи по сетям с пакетной коммутацией, в соответствие с допустимыми нормами, необходимо придерживаться ряда мер по обеспечению гарантированного качества услуг (Quality of Service, QoS).
Обеспечить гарантированное качество услуг - значит распределить внутренние сетевые ресурсы коммутаторов и маршрутизаторов таким образом, чтобы данные могли передаваться точно по назначению, быстро, стабильно и надежно. Существует несколько способов обеспечения QoS. Самый простой из них - увеличение полосы пропускания сети. Можно использовать и такие приемы, как задание приоритетов данных, организация очередей, предотвращение перегрузок и формирование трафика. Управление сетью по заданным правилам в перспективе должно объединить все эти способы в единую автоматизированную систему, которая будет гарантировать качество услуг абсолютно на всех участках сети.
Базовая архитектура службы QoS включает элементы трех основных типов, представленных на рис. 3.9
Рис. 3.9 Базовая архитектура средств QoS
1) Средства QoS узла сети, выполняющие обработку поступающего в узел трафика в соответствии с требованиями качества обслуживания.
2) Протоколы QoS-сигнализации для координации работы сетевых элементов по поддержке качества обслуживания «из-конца - в-конец».
3) Централизованные функции политики, управления и учёта QoS, позволяющие администраторам сети централизованно воздействовать на сетевые элементы для разделения ресурсов сети между различными видами трафика с требуемым уровнем QoS.
Средства QoS узла - основной исполнительный механизм службы QoS, так как именно они непосредственно влияют на процесс продвижения пакетов между входными и выходными интерфейсами коммутаторов и маршрутизаторов и, следовательно, определяют вклад данного устройства в характеристики качества обслуживания сети. Средства QoS узла в свою очередь могут включать компоненты двух типов:
· механизмы обслуживания очередей;
· механизмы кондиционирования трафика.
Механизмы обслуживания очередей являются необходимым элементом любого устройства, работающего по принципу коммутации пакетов. Когда скорость поступления трафика становится больше скорости его продвижения, возникают очереди. Как раз в такие периоды и нужны механизмы обслуживания очередей: варьируя выборкой пакетов, они влияют на время их нахождения в очереди, а значит, и на величину задержки - один из важнейших параметров качества обслуживания. По умолчанию в сетевых устройствах очереди обслуживаются по простейшему алгоритму FIFO ("первым пришел - первым обслужен"), что достаточно только для реализации сервиса "по мере возможности", для поддержки же "истинных" сервисов QoS нужны более сложные механизмы, обрабатывающие несколько классов потоков, например алгоритмы приоритетного или взвешенного обслуживания.
Механизмы кондиционирования трафика решают задачу создания условий для качественного обслуживания трафика другим способом - не за счет выбора оптимального алгоритма обслуживания очереди, а за счет ее сокращения. При этом сокращение очереди достигается путем воздействия на входной трафик: например, снижения скорости поступления потока в данный узел, уменьшения его неравномерности и т. п. Механизм кондиционирования трафика обычно включает выполнение следующих функций.
§ Классификация трафика выделяет из общей последовательности пакетов, поступающих в устройство, пакеты одного потока с общими требованиями к качеству обслуживания. Классификация может выполняться на основе различных формальных признаков пакета - адресов источника и назначения, значений портов TCP/UDP, значения приоритета, значения метки потока (в версии IPv6).
§ Профилирование трафика на основе правил (policing) подразумевает проверку соответствия каждого входного потока параметрам его профиля. В случае нарушения параметров профиля (в частности, при превышении длительности посылки или средней скорости) происходит отбрасывание или маркировка пакетов этого потока. Отбрасывание нечастых пакетов снижает интенсивность потока и приводит его параметры в соответствие с указанными в профиле. Маркировка пакетов без отбрасывания нужна для того, чтобы они все же были обслужены данным узлом (или последующими по потоку), пусть и с более низким качеством (например, с увеличенным значением задержки). Для проверки соответствия входного трафика заданному профилю механизм кондиционирования выполняет измерение параметров потока. Для этого, например, используется алгоритм "дырявого ведра" (leaky bucket).
§ Формирование трафика (shaping) предназначено для придания прошедшему профилирование трафику нужного распределения по времени. С помощью данной функции стремятся сгладить пульсации трафика, чтобы поток пакетов на выходе из устройства был более равномерным, чем на входе. Сглаживание пульсаций уменьшает очереди в сетевых устройствах, которые будут обрабатывать трафик далее по потоку. Формирование трафика целесообразно и для восстановления временных соотношений трафика приложений, работающих с равномерными потоками, например голосовых приложений.
Механизмы кондиционирования трафика могут быть реализованы в каждом узле сети либо только в пограничных устройствах. Последний вариант часто используют провайдеры при кондиционировании трафика своих клиентов.
Протоколы сигнализации QoS нужны для того, чтобы механизмы QoS в отдельных узлах могли обмениваться служебной информацией для координации усилий по обеспечению параметров качества обслуживания на всем пути следования потока, т. е. "из конца в конец". Например, с помощью средств сигнализации приложение может зарезервировать себе вдоль всего маршрута следования требуемую среднюю пропускную способность (для сетей IP эту функцию поддерживает протокол RSVP).
Одно из примитивных средств сигнализации - маркировка пакета признаком с информацией о требуемом для него качестве обслуживания. Наиболее часто для этого используется поле приоритета (в пакете IPv4 - первые три бита поля Type Of Service, TOS). Перемещаясь от устройства к устройству, пакет переносит вдоль пути следования свои требования к качеству обслуживания, правда, в достаточно обобщенной форме - так как поле приоритета имеет всего несколько возможных значений, то и качество обслуживания будет предоставляться дифференцированно по нескольким агрегированным потокам сети.
Инициировать работу протокола сигнализации может не только конечный узел, но и промежуточное устройство. Например, пограничный маршрутизатор в сети провайдера способен выполнить классификацию трафика и зарезервировать данному потоку клиента некоторую пропускную способность. В этом случае координация сетевых устройств будет происходить не на всем пути следования трафика, а только в пределах сети данного провайдера, что, конечно, снижает качество обслуживания трафика.
Централизованные функции политики, управления и учета QoS не обязательно присутствуют в архитектуре службы QoS, но они очень желательны в крупных сетях. Каждый пользователь и каждое приложение стремятся получить обслуживание с максимально высоким уровнем качества (например, пропускной способности). Следовательно, необходимы средства, с помощью которых администратор мог бы задавать рациональный уровень качества обслуживания для отдельных пользователей и приложений или для их групп. Функции политики позволяют администратору создавать правила, по которым сетевые устройства могут формально, на основании набора признаков, распознавать отдельные типы трафика и применять к ним определенные возможности QoS.
Правила могут конфигурироваться и храниться отдельно в каждом сетевом устройстве. Однако это требует от администратора крупной сети значительных усилий и служит источником большого количества ошибок, что приводит к несогласованной работе сетевых устройств. К примеру, одно из них выделило некоторому потоку пропускную способность 1 Мбит/с, а другое - 1 Кбит/с.
Для крупной сети необходимость централизации средств QoS достаточно очевидна. В этом случае единые правила, справедливые для всех устройств сети, хранятся на сервере политики (или нескольких серверах, что позволяет обеспечить надежность и производительность системы поддержки политики). Администратор конфигурирует правила в одной точке, что снижает затраты его труда и количество ошибок. Затем с помощью специального протокола они распространяются по всем сетевым устройствам, поддерживающим качество обслуживания, а те, в свою очередь, применяют их для кондиционирования трафика и управления очередями в соответствии с указанными параметрами.
Службы QoS с централизованными системами поддержки политики, называются службами QoS на базе правила (policy-based QoS). Правила политики, координирующие работу сетевых устройств, полезны не только для управления QoS, но и для выполнения других функций, например защиты трафика. Поэтому централизованная система политики сети обычно базируется на общей справочной службе сети (Directory Service, DS), где традиционно хранятся все учетные данные о пользователях. В последнее время ее назначение расширено для хранения самых разнообразных данных о сети, в том числе и данных о политике QoS, политике безопасности и т. п.
3.6.1 Назначение приоритетов
Способы приоритезации данных можно условно подразделить на явные и неявные. При неявном назначении приоритетов маршрутизатор или коммутатор автоматически присваивает передаваемым пакетам соответствующие уровни, исходя из заданных администратором сети критериев (например, типа приложения для применяемого протокола передачи или адреса источника). Каждый входящий пакет анализируется (фильтруется) на соответствие этим критериям. Механизм неявной приоритезации поддерживают практически все маршрутизаторы.
При явной приоритезации данных соответствующее приложение запрашивает определенный уровень службы, а коммутатор или маршрутизатор пытается удовлетворить запрос. Вероятно, самым популярным механизмом явной приоритезации станет протокол IP Precedence (протокол старшинства), получивший второе название IP TOS (IP Type Of Service). IP TOS резервирует ранее не используемое поле TOS в стандартном заголовке пакета IP, где могут быть указаны признаки QoS, определяющие время задержки, скорость передачи и уровень надежности передачи пакета.
Три первых бита этого поля (0 -- 2) позволяют устанавливать восемь уровней приоритета (IP Precedence):
111 - управление сетью (Network Control);
110 - межсетевое управление (Internetwork Control);
101-CRITIC/ECP;
100 - сверхсрочный (Flash Override);
011 - срочный (Flash);
010 - неотложный (Immediate);
001 - приоритетный (Priority);
000 - обычный (Routine).
В документе RFC 791 биты 3, 4 и 5 были выделены для указания трёх классов обслуживания:
бит 3: задержка 0 - нормальная, 1 - низкая;
бит 4: пропускная способность 0 - нормальная, 1 - высокая;
бит 5: надёжность 0 - обычная, 1 - высокая.
Биты 6 и 7 были зарезервированы для будущего использования. Однако после принятия документа RFC 1349 ранее разобщённые биты 3,4,5 и 6 стали рассматриваться как единое целое и называться полем toss. Они служат для указания следующих классов обслуживания:
1000 - с низкой задержкой;
0100 - с высокой пропускной способностью;
0010 - с высокой надёжностью;
0001-е низкой стоимостью;
0000 - стандартный (normal).
Принципиальная разница между двумя указанными в байте ToS параметрами - уровнем приоритета (IP Precedence) и классом обслуживания (поле ToS) - заключается в следующем: первый предназначен для указания приоритета конкретной дейтаграммы и учитывается при обслуживании очередей; второй позволяет определять, какое соотношение между пропускной способностью, задержкой, надёжностью и стоимостью оптимально для данного типа трафика, и соответствующим образом выбирать маршрут его передачи.
Протокол резервирования ресурсов RSVP предусматривает более сложный, чем в IP TOS, механизм передачи от приложения к машрутизатору запроса на гарантированное качество услуг. Как и IP TOS, протокол RSVP пока не получил широкой поддержки разработчиков - он реализован лишь в отдельных типах маршрутизаторов. Распространение RSVP сдерживается из-за того, что не решены некоторые вопросы, связанные с совместимостью различных сетей. К тому же применение RSVP значительно увеличивает нагрузку на маршрутизаторы и может привести к снижению быстродействия этих устройств.
Видимо, в обозримом будущем неявная приоритезация, не требующая серьезных вычислительных мощностей маршрутизатора, останется более популярной, чем явная. Кроме того, при явном задании приоритетов значительно усложняется управление сетью. Конечные пользователи, скорее всего, будут настраивать свое программное обеспечение на запрос наивысшего из возможных уровней услуг. Соответственно, администратору сети придется разрабатывать правила управления пользователями и, возможно, даже настраивать службы с гарантированным качеством для каждого пользователя в отдельности.
3.6.2 Организация и обслуживание очередей
После того, как передаваемым по сети данным назначены соответствующие приоритеты (при помощи явных или неявных методов), требуется определить порядок передачи этих данных, задав алгоритм обслуживания очередей с необходимым качеством (уровнем QoS). По сути, очереди представляют собой области памяти коммутатора или маршрутизатора, в которых группируются пакеты с одинаковыми приоритетами передачи. Алгоритм обслуживания очереди определяет порядок, в котором происходит передача хранящихся в ней пакетов. Смысл применения всех алгоритмов сводится к тому, чтобы обеспечить наилучшее обслуживание трафика с более высоким приоритетом при условии, что и пакету с низким приоритетом гарантируется соответствующее внимание.
Наиболее известными алгоритмами обработки очередей являются алгоритмы: FIFO (First In First Out) «первым пришел - первым обслужен», PQ (Priority Queuing) - с абсолютным приоритетом, CQ (Custom Queuing) - настраиваемый, WFQ (Weighted Fair Queuing) - равномерного пропорционального (или взвешенного) обслуживания. Каждый из этих механизмов был создан для решения конкретных задач и по-разному воздействует на потоки данных и производительность сети.
Механизм FIFO, по сути, не предполагает никакого управления трафиком и предназначен для обслуживания одной очереди. Но он работает очень быстро и при отсутствии перегрузок его использование на скоростных интерфейсах (более 2 Мбит/с) вполне оправданно.
Механизм PQ предоставляет безусловный приоритет доступа к каналу для трафика, определенного списком доступа. Деление трафика может быть выполнено на основании разных критериев, например по типу протокола, адресу подсети или конкретного хоста, номеру протокольного порта TCP. Передача трафика из менее приоритетных очередей начинается только после полного освобождения более приоритетных. Механизм PQ предусматривает наличие всего четырех очередей.
Механизм CQ делит полосу пропускания между разными очередями пропорционально их весу. Очереди обслуживаются в циклическом порядке, причем из каждой берется число байт, пропорциональное ее весу. При отсутствии трафика в очереди начинается обработка следующей, таким образом пропускная способность канала связи динамически распределяется между очередями с трафиком. Наполнение очередей, как и в случае механизма PQ, осуществляется на основе списков доступа. Механизм CQ поддерживает до 16 очередей.
Для обработки трафика реального времени, в первую очередь речевого и видео, лучше всего подходит механизм WFQ. При использовании WFQ весь трафик с одинаковым уровнем приоритета попадает в очереди одного класса обслуживания, в пределах которого все потоки получают равные права на доступ к каналу, что обеспечивает им приблизительно равную задержку.
Алгоритм WFQ работает с учетом двух основных механизмов сигнализации QoS - IP Precedence и RSVP. На этапе классификации трафика, в ходе которой могут учитываться разные характеристики потока, например номера протокольных портов TCP, каждому потоку назначается вес, определяющий порядок его отправки. Протокол RSVP использует WFQ для того, чтобы выделить буферное пространство и гарантировать в будущем полосу пропускания для обслуживаемых им (RSVP) потоков. Механизм WFQ минимизирует необходимость настройки, автоматически адаптируясь к изменению состояния сети и уровня загрузки интерфейса. Он позволяет эффективно использовать полосу пропускания канала, передавая трафик из очередей с малым приоритетом, если высокоприоритетные очереди пусты.
Еще одним достоинством механизма WFQ является то, что он заметно улучшает работу других алгоритмов, например, по контролю за перегрузкой, и «медленный старт» (оба относятся к TCP). Все это обеспечивает более предсказуемую загрузку каналов и стабилизирует время ответа для всех активных потоков. Данный эффект объясняется тем, что WFQ вынуждает источники TCP-потоков, способные адаптироваться к состоянию сети, передавать данные как можно более равномерно (в рамках своего веса), сглаживая выбросы в обе стороны и перераспределяя полосу пропускания при завершении потоков или появлении новых. Это приводит к более «организованному» использованию канала и, следовательно, к более эффективному расходованию его ресурсов.
Следует отметить, что основные производители маршрутизаторов сами разрабатывают алгоритмы обслуживания очередей и используют для их описания собственную терминологию.
3.6.3 Управление нагрузкой
Служба QoS дает возможность использовать для управления сетью два важных механизма - управления в условиях перегрузки и предотвращения перегрузок. Первый из них позволяет конечной станции сразу снижать скорость передачи данных, когда в сети начинается потеря пакетов. В протоколах TCP/IP и SNA этот механизм поддерживается уже в течение нескольких лет. И хотя сам по себе он не гарантирует качества передачи, при его использовании совместно с механизмом предотвращения перегрузок результаты оказываются намного лучшими. В сетях TCP/IP механизм предотвращения перегрузок применяется достаточно давно.
Стандартным способом предотвращения перегрузок в сети стало применение механизма случайного выделения пакетов (Random Early Detection, RED). При заполнении очередей выше определенной критической отметки этот механизм заставляет маршрутизатор выбирать из очереди по случайному закону некоторые пакеты и «терять» их. Скорость передачи данных станциями-отправителями снижается, что и позволяет избежать переполнения очереди.
Механизм пропорционального случайного выделения пакетов -- WRED (Weighted RED) можно считать следующей, более совершенной «версией» RED. Он базируется на алгоритме RED и учитывает значения битов IP Precedence. Учет механизмом WRED значений битов IP Precedence позволяет «оберегать» пакеты с более высоким приоритетом и обеспечивать разные уровни производительности для потоков с разным классом сервиса.
Последние усовершенствования, внесенные в алгоритм WRED (Flow-WRED), позволяют учитывать значимость каждого потока так же, как это делается в механизме WFQ. Как только поток превышает предустановленный лимит буферного пространства выходного интерфейса, вероятность сброса его пакетов повышается. Благодаря этому предотвращается захват полосы пропускания канала теми потоками, которые не способны реагировать на перегрузки.
3.6.4 Формирование трафика
Формирование трафика -- это общий термин, которым принято обозначать различные способы манипулирования данными для повышения качества их передачи. Один их таких способов - сегментация пакетов. В сетях ATM гарантированно высокий уровень QoS достигается в том числе и за счет малого размера передаваемых пакетов (ячеек - в терминологии ATM). Максимальное время задержки при передаче любого пакета сети ATM - это время передачи одной ячейки.
Заимствуя полезные механизмы технологии ATM, производители маршрутизаторов и коммутаторов начинают обеспечивать в своих продуктах возможность сегментации пакетов. Например, маршрутизаторы Cisco серии 12000 имеют встроенный механизм сегментации пакетов на ячейки размером 64 байта, что позволяет гарантировать качество передачи данных маршрутизатором. Некоторые устройства, предназначенные для сетей Frame Relay, сегментируют пакеты, передаваемые по каналам глобальных сетей, чтобы гарантировать конкретное время передачи и минимизировать задержки.
Еще одним способом повышения качества передачи данных является сжатие заголовков RTF-пакетов (Compressed Real-Time Protocol -GRTP). Использование протокола CRTP позволяет уменьшить размер заголовка RTP-пакета с 40 до 2 - 4 байт, что, в свою очередь, примерно в два раза уменьшает полосу пропускания, необходимую для передачи речевого потока, обработанного, например, кодеком G.729
3.6.5 Объединение всех средств реализации QoS
Независимо от того, с помощью каких средств реализуется QoS в маршрутизаторе или коммутаторе, это устройство выполняет свою часть работы по передаче данных отдельно от других элементов сети. Пакет, успешно миновавший несколько узлов, может «застрять» в устройстве, не поддерживающем необходимые механизмы гарантии качества услуг. Устройства, через которые пакет уже прошел, не могут повлиять на его маршрут, чтобы предотвратить попадание пакета в несовершенный элемент сети.
Однако в настоящее время уже разрабатываются так называемые policy-based management systems, т. е. системы управления сетью по заданным правилам. В их функции входит объединение всех средств и формирование алгоритмов управления, обеспечивающих QoS на всех участках сети.
Специальное ПО, которое использует данные мониторинга и параметры администрирования, будет следить за работой сети, определять оптимальные способы реализации заданного уровня QoS и динамически настраивать маршрутизаторы и коммутаторы. Серверы правил будут "опираться" и на данные сетевых каталогов, устанавливая с их помощью, какие уровни служб соответствуют уровню запроса пользователя или приложения. Для связи серверов и каталогов чаще всего будет служить протокол LDAP (Lightweight Directory Access Protocol - облегченный протокол доступа к каталогам).
3.7 Обобщенная модель передачи речи по сетям с коммутацией пакетов
В результате, проанализировав основные этапы передачи речи по сети с коммутацией пакетов, я разработал обобщенную модель передачи речи по сетям с коммутацией пакетов (см рис.3.10). Опираясь на эту модель я составил порядок передачи речи по сетям с коммутацией пакетов (см рис 3.11).
Рис.3.11 Порядок передачи речи по сетям с коммутацией пакетов
Глава 4. Анализ возможности передачи речи по сети передачи данных Frame Relay
Целью настоящего анализа является оценка вместимости каналов корпоративной сети передачи данных (КСПД) для организации в них речевых трактов, при передаче речи согласно методу VoFR, а также анализ задержки передачи речи по сети передачи данных Frame Relay, как основного показателя качества передачи речи.
4.1 Метод передачи речи по сетям передачи данных Frame Relay
Метод передачи речи по сетям передачи данных - Voice over Frame Relay (VoFR), принятый Форумом Frame Relay в качестве стандарта FRF.11 [19], расширяет область применения сетей передачи данных Frame Relay, и предусматривает набор мер (протоколов), позволяющих передавать по ним речевой трафик и некоторые другие виды информации.
Данный стандарт предусматривает:
· поддержку множества алгоритмов кодирования речи;
· эффективное использование низкоскоростных соединений Frame Relay;
· мультиплексирование до 255 подканалов в одном логическом соединении;
· поддержку различных речевых информационных элементов различных подканалов в пределах одного кадра;
· мультиплексирование подканалов данных и речевых подканалов в единственном DLC (Data Link Connection).
Транспортировка речи обеспечивается универсальным форматом кадра, который поддерживает мультиплексирование речевых подканалов и подканалов данных в единственном DLC.
Доступ к сети осуществляется посредством специального устройства - VFRAD (Voice Frame Relay Access Device), которое использует метод Frame Relay в интерфейсе ”пользователь - сеть” (UNI) как средство передачи речи, телефонной сигнализации и данных. VFRAD подключаются к UNI через физические интерфейсы.
Подобные документы
Структура протокола TCP/IP. Взаимодействие систем коммутации каналов и пакетов. Характеристика сети с коммутацией пакетов. Услуги, предоставляемые ОАО "МГТС" с использованием сети с пакетной коммутацией. Расчет эффективности внедрения проектируемой сети.
дипломная работа [2,3 M], добавлен 22.05.2012Основные понятия IP телефонии, строение сетей IP телефонии. Структура сети АГУ. Решения Cisco Systems для IP-телефонии. Маршрутизаторы Cisco Systems. Коммутатор серии Catalyst 2950. IP телефон. Настройка VPN сети. Способы и средства защиты информации.
дипломная работа [1,1 M], добавлен 10.09.2008История деятельности Московской городской телефонной сети. Структура протокола TCP/IP. Взаимодействие систем коммутации каналов и пакетов. Характеристика сети с коммутацией пакетов. Услуги перспективной сети, экономическая эффективность ее внедрения.
дипломная работа [2,5 M], добавлен 10.07.2012Создание топологии соединения офисов в разных частях города. Настройки IP адресов, маршрутизации, безопасности. Конфигурация Web сервера и E-mail с сопоставлением символьных имен IP адресов. Оборудование, необходимое для создания корпоративной сети.
курсовая работа [3,5 M], добавлен 25.02.2015Зарождение концепции многоуровневой иерархической структуры сети телефонной связи. Электронная технология, позволившая перевести все средства телефонии на элементную базу. Развитие IР-телефонии, обеспечивающей передачу речи по сетям пакетной коммутации.
реферат [25,4 K], добавлен 06.12.2010Описание архитектуры компьютерной сети. Описание и назначение адресов узлам сети. Выбор активного сетевого оборудования, структурированной кабельной системы сети. Расчет конфигурации и стоимости сети. Возможность быстрого доступа к необходимой информации.
контрольная работа [878,1 K], добавлен 15.06.2015Цель, сферы использования и основные этапы построения систем видеоконференцсвязи. Системы передачи данных в сети Internet, в том числе беспроводные. Возможности пакетной IP-телефонии. Экономическое обоснование пакета оборудования для видеоконференции.
дипломная работа [1,6 M], добавлен 18.06.2011Алгоритмы сети Ethernet/Fast Ethernet: метод управления обменом доступа; вычисления циклической контрольной суммы (помехоустойчивого циклического кода) пакета. Транспортный протокол сетевого уровня, ориентированный на поток. Протокол управления передачей.
контрольная работа [149,6 K], добавлен 14.01.2013Построение логической схемы локальной-вычислительной сети для организации. Выбор технологии, топологии, кабельной среды и программного обеспечения. Настройка модели сети, адресов, статической маршрутизации. Подключение устройств файлового и web-серверов.
курсовая работа [2,9 M], добавлен 17.11.2017Проектирование информационной вычислительной сети организации, состоящей из нескольких территориально разнесенных подразделений. Схема логической адресации сетевого уровня. Разработка схемы автоматизации назначения логических адресов сетевого уровня.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 21.11.2012
