QoS

Аббревиатура QoS — что это такое? Термин относится к специальным и в буквальном переводе означает качество обслуживания, Quality of Service. Он относится к любой технологии, которая управляет трафиком данных с целью уменьшения потери пакетов, задержек и отклонений передаваемого сигнала в сети. QoS контролирует и управляет сетевыми ресурсами, устанавливая приоритеты для определенных типов данных.

Корпоративные сети должны предоставлять предсказуемый сервис по передаче данных — таких как голос, видео и пакеты информации. Все они чувствительны к помехам, которые могут возникать при прохождении через сеть. Компании применяют стандарты качества обслуживания, чтобы управлять трафиком, в том числе при передаче голосовых сообщений или трансляции видеочатов в режиме реального времени. Также QOS предотвращает потери, помехи и задержки в передаче данных, что ведет к ухудшению качества связи.

Компании могут управлять QoS с помощью определенных инструментов и методов, таких, например, как буферизация и формирование трафика. Многие включают QoS как отдельный пункт в соглашение об уровне обслуживания — Service-Level Agreement, SLA, с поставщиком сетевых услуг, чтобы гарантировать определенный уровень производительности сети.

Иногда как синоним QoS используется термин CoS, Class of Service — класс обслуживания. Формально они немного отличаются. Технология CoS ​​ не гарантирует уровень обслуживания с точки зрения пропускной способности и подходит к управлению трафиком менее детально. Однако во многих случаях, если речь идет о CoS или QoS, под этим подразумевается один и тот же процесс.

Тип QoS и критерии оценки

Организации могут количественно измерить QoS, используя несколько критериев оценки для разных типов:

  • Потеря пакетов данных. Это происходит, когда сетевые каналы перегружены, а маршрутизаторы и коммутаторы начинают сбрасывать пакеты данных. Когда пакеты пропускаются во время связи в реальном времени, например, при голосовых или видеозвонках, в этих сеансах может наблюдаться дрожание и разрывы речи. Пакеты также могут исчезать при переполнении очереди ожидающих отправки данных.
  • Джиттер. Джиттером называют любые отклонения в передаваемых сигналах, частотные или фазовые, которые проявляются, если меняются условия передачи — например, параметры линии или скорость распространения. Это результат перегрузки сети, смещения времени передачи или изменения маршрута данных. Слишком большое значение джиттера ухудшает показатели качества видеосвязи или голосовых сообщений.
  • Задержка. Пакету с данными нужно время, чтобы добраться от источника до места назначения. Чем меньше время задержки, тем лучше. Если голосовой вызов имеет большую задержку, пользователи могут слышать эхо и посторонние помехи.
  • Пропускная способность. Это способность сетевого канала связи передавать максимальный объем данных из одной точки в другую за заданный промежуток времени. QoS в роутере и источнике данных оптимизирует производительность сети, управляя пропускной способностью. Высокоприоритетным приложениям с более строгими требованиями к производительности предоставляется больше ресурсов, чем другим.
  • Средняя оценка мнения — Mean Opinion Score, MOS. Это показатель для оценки качества голоса, который использует пятибалльную шкалу, где 5 указывает на самое высокое качество.

Почему QoS важен

Провайдерам и сервисным компаниям необходимо предоставлять стабильные услуги для своих клиентов. Без QoS сетевые данные могут стать хаосом, «засоряя» сеть до такой степени, что её производительность существенно ухудшится или работа вообще прекратится.

Качество обслуживания также определяет качество опыта — Quality of Experience, QoE. Если услуги, предоставляемые организацией, ненадежны, то и отношения с клиентами могут быть поставлены под угрозу. Большая часть персонала и сотрудников полностью зависят от качества услуг связи при выполнении своих обязанностей. Когда снижается QoS, страдает качество работы и пользовательского опыта.

Кроме того, низкий QoS негативно отражается на целостности и безопасности данных. Пример того, как плохое качество обслуживания может негативно повлиять на безопасность сети, встречается часто. Это использование удаленным сотрудником другой общедоступной сети — например, бесплатного Wi-Fi без какой-либо защиты, когда корпоративное подключение плохо работает. Компьютер, с которого ведется работа, может содержать конфиденциальные данные — они становятся доступными и их легко использовать для взлома.

Другой пример — взлом самой сервисной компании. Например, недавний провал SolarWinds в 2020 году. Когда компания-поставщик услуг по мониторингу производительности была взломана. Это поставило под угрозу все корпоративные сети её клиентов.

Как работает QoS

Когда организации используют корпоративные сети для передачи информации между конечными точками, все данные форматируются в пакеты. Пакеты — это способ, которым компьютеры организуют информацию для передачи по сети. Это похоже на то, как люди упаковывают какие-то товары в посылки для отправки через физическую почтовую службу.

Инструменты QoS берут на себя ответственность за определение приоритетов каждого пакета, чтобы максимально использовать ограниченную пропускную способность сети. Другими словами, сеть может передавать только определенное количество информации за определенный промежуток времени. Технология QoS определяют приоритеты пакетов так, чтобы гарантировать эффективное использование всей сети и предоставить наилучший возможный результат в течение фиксированного промежутка времени.

Например, пакеты, относящиеся к видеовызовам, будут иметь приоритет над теми, что отвечают за загрузку электронной почты. Это связано с тем, что видеозвонок является более синхронной формой общения. Видео должно отображаться в режиме реального времени, тогда как отправка писем не обязательно зависит от срока. Если пакет задерживается во время видеочата, конечный пользователь может увидеть неприятные помехи, задержки или обрывы связи.

Задержка при отправке пакетов, задействованных в отправке электронной почты, как правило, некритична. Они просто отправятся позже, и отправитель не заметит особых перемен. Он получит почту, когда все пакеты будут собраны. А вот трансляция потокового видео при видеочате, например, обработает пакеты сразу по мере их поступления. Иначе разница во времени будет заметна конечному пользователю.

Технология QoS сортирует заголовки пакетов, чтобы расставить приоритеты. Заголовки — это биты информации, которые сообщают QoS и другим сетевым компонентам, что содержит пакет, куда он идет — IP-адрес пункта назначения, и для чего он будет использоваться. Например, QoS может считать заголовок пакета, определить, что он связан с потоковой передачей видео, и назначить ему приоритет над остальными пакетами, которые менее чувствительны ко времени. Заголовок пакета можно рассматривать как почтовый и обратный адреса физической посылки. QoS также может изменить часть заголовка пакета, чтобы указать его приоритет.

Преимущества QoS

Основное преимущество QoS заключается в том, что технология обеспечивает постоянную доступность сети и приложений, работающих в этой сети, а также безопасную передачу данных. QoS также позволяет более эффективно использовать существующую пропускную способность.

К преимуществам QoS относятся следующие факторы:

  • Критически важные приложения имеют доступ к необходимым им ресурсам.
  • Администраторы могут лучше управлять трафиком.
  • Компании могут снизить затраты, избавившись от необходимости покупать новую сетевую инфраструктуру для увеличения пропускной способности.
  • Улучшается пользовательский опыт.

Настройка QoS

Существуют 3 основных модели для реализации технологии QoS: Best Effort, Integrated Services и Differentiated Services.

1. Негарантированное обслуживание, Best Effort

Модель QoS, в которой все пакеты данных получают одинаковый приоритет и нет их гарантированной доставки. Модель Best Effort применяется, когда в сетях не настроены политики QoS или когда инфраструктура не поддерживает QoS.

2. Интегрированный сервис, IntServ

Модель QoS, которая резервирует в сети полосу пропускания по определенному пути. Приложения запрашивают у сети «разрешение» на использование резервной полосы. Сетевые устройства отслеживают все потоки пакетов, чтобы убедиться, что могут их принять и что какие-то из них «достойны» пройти по более короткому пути. Если сравнить эту модель с дорожным движением, то пакеты с «мигалкой» могут проехать по встречной полосе, остальные — нет.

Для реализации IntServ требуются маршрутизаторы с поддержкой IntServ, а для резервирования сетевых ресурсов используется протокол резервирования ресурсов — Resource Reservation Protocol, RSVP. Модель IntServ имеет ограниченную масштабируемость и отличается высоким потреблением сетевых ресурсов.

3. Дифференцированный сервис, DiffServ

Модель QoS, которая содержит сетевые элементы и устройства — такие как коммутаторы и маршрутизаторы, настроенные на разделение трафика по классам с разными приоритетами. Сетевой трафик делится по степени важности, которую определяет нужная для компании конфигурации.

Высший приоритет, например, могут иметь все голосовые сообщения. Пакеты классифицируются с использованием технологии DSCP — Differentiated Services Code Point или кодовой точки дифференцированных услуг. DiffServ также сортирует пакеты на каждом этапе, организуя очередь по заранее определенным приоритетам.

При внедрении инструментов и стратегий QoS в компании следует выполнить следующие шаги:

  • Планирование. Организация должна получить представление о потребностях и требованиях к услугам, выбрать подходящую модель и привлечь к обсуждению все заинтересованные стороны — от подрядчиков до отдела IT и персонала.
  • Дизайн. Следует принять к сведению все существенные изменения программного и аппаратного обеспечения, применить выбранную модель QoS к особенностям своей сетевой архитектуры.
  • Тестирование. Нужно проверить все параметры и политики QoS в безопасной контролируемой среде тестирования и устранить выявленные ошибки.
  • Развертывание. Внедрение должно проводиться поэтапно. Организация может выбрать развертывание отдельных этапов по сегментам сети или по отдельной функции QoS.
  • Мониторинг и анализ. Технологию следует скорректировать для повышения производительности в зависимости от наработанных данных.

Инструменты QoS

Инструменты QoS делятся на 5 основных категорий.

  • Систематизация. Различают приложения, сортируют и маркируют пакеты данных, в зависимости от типа трафика. Это позволяет сетевым устройствам распознавать класс поступивших данных. Такие задачи реализуются в сетевых устройствах, таких как коммутаторы, маршрутизаторы, роутеры и точки доступа.
  • Управление перегрузками. Используют данные о систематизации пакетов, чтобы определить, в какую очередь их помещать. Инструменты управления перегрузками включают организацию очередей с приоритетом, организацию очередей по принципу «первым пришел», «первым вышел» или с малой задержкой.
  • Предотвращение перегрузок. Контролируют сетевой трафик на предмет перегрузки и отбрасывают пакеты с низким приоритетом при возникновении перегрузки. Инструменты предотвращения перегрузок включают раннее обнаружение и предсказание проблем.
  • Формирование трафика. Управляют трафиком, поступающим в сеть, и устанавливают приоритеты приложений, работающих в режиме реального времени, над другими — такими как электронная почта или обмен сообщениями. Инструменты формирования трафика включают буферы и принципы универсального формирования трафика.
  • Повышение эффективности. Максимизируют использование пропускной способности сети и сокращают задержку для всех пакетов, получающих к ней доступ. Инструменты повышения эффективности используются не только для QoS, но для решения других сетевых задач. К ним относятся сетевой транспортный протокол в реальном времени — Real-time Transport Protocol, сжатие заголовков пакетов, протокол управления передачей данных — Transmission Control Protocol, сжатие каналов связи.

Сервисы для QoS

Программные сервисы для QoS обычно решают следующие задачи:

  • Классификация. Определяют трафик и маркируют его, чтобы другие сетевые устройства могли его идентифицировать — назначать ему классы и приоритеты.
  • Постановка в очередь. Обеспечивают буферизацию пакетов и расположение их в правильном порядке для последующей обработки.
  • Контроль. Обеспечивают определенную полосу пропускания, управляют ограничениями и отбрасывают данные, не соответствующие правилам. Это часть предотвращения перегрузки.
  • Обслуживание. Подобны контролю, но не полностью отбрасывают «лишний» трафик, а помещают его в конец очереди. Это также является частью управления перегрузками.
  • Взвешенный случайный ранний сброс — WRED, Weighted Random Early Discard. Отбрасывают потоки данных с низким приоритетом, чтобы защитить более важные пакеты от негативных последствий перегрузки сети.
  • Фрагментация и сжатие. Снижают пропускную способность сети для предотвращения задержек и помех.

Сервисы для QoS могут решать только одну задачу или комбинировать сразу несколько возможностей. Многие из них выполняют свои функции автоматически, без необходимости ручного управления.

Вот популярные инструменты платного мониторинга QoS:

Помимо платных, существуют и проекты с открытым исходным кодом — системы мониторинга:

Блог