Квалитет на услуга

Квалитет на услуга (QoS) се однесува на неколку поврзани аспекти од телефонијата и Компјутерски мрежи кои дозволуваат пренос на сообраќај со посебни побарувања. Поточно, голем број на технологии се развиени за да овозможат компјутерските мрежи да станат исто толку добри за звучни разговори како и телефонските мрежи, како и поддршка на нови апликации со уште построги побарувања.

Дефиниции
Во полето на телефонијата, квалитет на услуга е дефинирано од ITU-T во 1994 година. Квалитет на услуга се состои од повеќе аспекти на една врска, како што се: време на одговор, загуба на сообраќај, однос сигнал-врска, преслушување, ехо, прекини, гласност итн.

Во полето на Компјутерски мрежи и други телекомуникациски мрежи кои користат пакетен пренос, терминот Квалитет на услуга подразбира механизми за резервација на ресурси наместо постигнатиот квалитет на услуга. Квалитет на услуга е способноста да се обезбеди различен приоритет на различни апликации, корисници, или податоци, или да се гарантираат одредени перформанси на протокот на податоци. На пример може да се гарантира одредена брзина на пренос, доцнење, веројатност за отфрлање на пакети или број на грешки во преносот. Квалитетот на услуга е важен доголку капацитетот на мрежата е недоволен, посебно за апликации во реално време, како на пример Voice over IP, онлајн игри или Дигитална телевизија, бидејќи овие често побаруваат константна брзина и се осетливи на задоцнување.

Мрежниот протокол кој поддржува Квалитет на Услуга може да се договори со апликацијата и да го резервира потребниот капацитет во јазлите на мрежата, на пример за време на воспоставување на сесијата. За време на преносот протоколот може да ја наблудува состојбата на врската и динамички да ги приспособува јазлите во мрежата, исто така може да ги ослободи резервираните ресурси откако ќе заврши сесијата.

Мрежите кои работат на принцип "best-effort" не поддржуваат квалитет на услуга. Кај нив се користи алтернатива на сложените Квалитет на услуга механизми која овозможува висок квалитет на комуникација со доделување на поголем капацитет отколку што е потребно, за да биде доволно и за најголемиот товар. Слободниот капацитет на мрежата од ваквото доделување ја елиминира потребата од механизми за Квалитет на услуга.

Историја
Насочувачите и Преклопниците најчесто работат на принцип "best effort". Ваквата мрежна опрема е поевтина, поедноставна и побрза, а со тоа и повеќе популарна од посложените технологии кои овозможуваат механизми за квалитет на услуга. Како дел од заглавјето на IPv4 протоколот постоеја 4 бита наменети за Тип на услуга, и 3 наменети за "предност", но тие претежно не беа почитувани.

Со развојот на дигиталната телевизија и семрежната телефонија, механизмите за квалитет на услуга се почесто се достапни на крајните корисници.

Бројни обиди за развој на технологии од Податочно Ниво кои додаваат белези за квалитет на услуга на податоците станале популарни за време на годините, но подоцна го загубиле вниманието. Некои од нив се Пренос со рамки и Асинхрон режим на пренос. Во поскоро време популарна е и MultiProtocol Label Switching,техника  помеѓу Второто и Третото ниво која овозможува брзо насочување и контрола на јазлите.

Во Етернет мрежите може да се користат Виртуелни мрежи за да се обезбедат различни нивоа на квалитет на услуга.На пример од еден насочувач може да излегуваат повеќе виртуелни мрежи, една за пристап до семрежјето со најмал приоритет, една за дигитална телевизија и една за семрежна телефонија.

Квалитети на сообраќај
Во мрежи со пакетен пренос, на Квалитетот на услугата влијаат повеќе фактори, кои можат да бидат поделени на Човечки и Технички фактори.
Човечките фактори вклучуваат: стабилност на услуга, достапност на услуга, задоцнувања и кориснички информации. Техничките фактори вклучуваат: доверливост, проширивост, делотворност, одрживост итн.Peuhkuri M., IP Quality of Service, Helsinki University of Technology, Laboratory of Telecommunications Technology, 1999.

Многу работи можат да им се случат на пакетите како што патуваат од потеклото до одредиштето, резултирајќи со следните проблеми, набљудувани од страната на праќачот и примачот:
 Низок проток Заради променливоста на товарот врз мрежата од другите корисници кои ги користат истите мрежни ресурси, брзината на пренос која може да биде обезбедена за одреден податочен проток може да биде премала за некои сервиси доколку сите податочни протоци добиваат ист приоритет.
 Изгубени пакети Насочувачите може да не успеат да испорачат некои пакети ако нивните податоци се корумпирани или пристигнат кога меморијата на насочувачите веќе е полна. Апликацијата која ги прима податоците може да побара истите информации да се испратат повторно, притоа предизвикувајќи големи задоцнувања во целиот пренос.
 Грешки Некогаш пакетите се корумпирани заради грешки во битовите предизвикани од шум и мешање од други извори, особено во безжична комуникација и долги бакарни жици. Примачот мора да ги детектира овие грешки исто како да бил изгубен целиот пакет, и да праша оваа информација да биде пратена одново.
 Доцнење Можно е да треба долго време за секој пакет да стигне до својата цел, бидејќи е задржан во долги редици, или се движи по споредна патека за да избегне застои. Ова е различно од вкупен проток, бидејќи задоцнувањето може да се собере со тек на времето, дури и ако протокот е нормален. Во некои случаи, големо доцнење може да оневозможи некои апликации како VoIP или онлајн игри.
 Нерамномерен Проток ("Jitter") Пакетите од изворот ќе стигнат до целта со различни задоцнувања. Задоцнувањето на пакетите се разликува со неговата позиција во редиците на насочувачите кои се наоѓаат на неговиот пат од изворот до одредиштето и оваа позиција може да се менува непредвидливо. Овие разлики во задоцнувањето се нарекуваат ("Jitter") и сериозно можат да влијаа на квалитетот на звукот или видеото кое се пренесува.
 Вонредна достава Кога група на поврзани пакети се насочува низ мрежа, различни пакети можат да одат по различни патеки, секој со различно доцнење. Резултатот е тоа што пакетите пристигнуваат во различен редослет од оној во кој биле пратени. Овој проблем бара дополнители протоколи задолжени за подредување на вонредните пакети во оригиналниот редослед кога ќе пристигнат кај целта. Ова е особено важно за видео и VoIP протоци каде што доцнењето и недостатокот на редослед влијаат значително.

Примена
Одреден предефиниран квалитет на услуга може да биде побаран за одреден вид на мрежен сообраќај, на пример:

 Емитување на податоци
 IP телефонија исто така позната како VOIP
 Видеоконференции
 Апликации за складирање како iSCSI и FCoE
 Емулирање на кола
 Апликации каде што безбедноста е во прашање како хирургија од далечина каде проблеми со достапноста можат да бидат опасни
 Системи за поддршка на мрежата, или за самата мрежа или за корсиници со строги барања
 Семрежни игри каде доцнењето може да биде фактор
 Системи за индустриска контрола кои се користат за контролирање на машинерија во реално време

Овие видови на услуга се наречени не-еластични што значи дека тие побаруваат одредено минимално ниво на проток и одредено максимално доцнење за да функционираат. За констраст, еластичните апликации можат да работат без разлика колку мал проток е достапен. Апликациите за префрлање на големи фајлови со податоци кои се потпираат на TCP се најчесто еластични.

Начин на работа
Кај мрежите со комутација на кола, посебно оние кои се наменети за пренос на говор, како на пример Асинхрон режим на пренос или GSM, имаат квалитет на услуга во јадрото на својот протокол и не им се потребни дополнителни процедури за да го постигнат. Пократки податочни целини и вграден QoS биле некои од нивните главни предности за апликации како видео по потреба.

Кога цената на механизмите за овозможување на квалитет на услуга е оправдан, потрошувачите и услужниците можат да склучат договор наречен Договор за ниво на услуга, кој ги назначува гаранциите за способноста на прежата или протоколот да овозможи гарантирани преформанси/проток/задоцнување основани на взаемно договорени мерки, обично преку задавање на приоритет на сообраќајот.
Кај други пристапи, ресурсите се резервирани на секој чекор во мрежата за секој повик како што е поставен.

Обезбедување повеќе од потребно
Алтернатива на сложените механизми за контрола на квалитетот на услугата е да се овозможи висок квалитет на комуникацијата со дарежливо додавање на ресурси на мрежата така да капацитетот на мрежата да биде основан на врвот на очекуваниот товар. Овој пристап е едноставен за мрежи со предвидлив товар. Перформансите овозможени овака се разумни за многу апликации. Тоа може да вклучува побарувачки апликации кои можат да надокнадат за промените на протокот и задоцнувањето со големи приемни баффери, кое е често возможно на пример во стримување на видео. Овој пристап не е доволно кога се работи за алчни протоколи како Протоколот за контрола на пренос кој со тек на времето го зголемува протокот сè додека не го зафати целиот слободен простор и започне да губи пакети. Вакви алчни протоколи имаат тенденција да го зголемуваат доцнењето и загубата на пакети за сите корисници.

Комерцијалните VoIP услуги често се споредливи со традиционалните телефонски услуги во смисла на квалитетот на повикот дури и кога механизмите за квалитет на услуга не се употребуваат кај корисникот. Но во ситуации при зголемен товар, квалитетот на VoIP може да се намали до ниво на мобилната телефонија или уште полошо. Математиката на пакетниот сообраќај покажува дека мрежата побарува само 60% поголем капацитет при конзервативни претпоставки.

Количината на ресурси кои треба да се додадат на внатрешните врски потребно за да ги замени мерките за Квалитет на услуга зависи од бројот на корисници и нивната потреба за сообраќај. Ова ја ограничува корисноста на овој пристап. Новите апликации кои користат сè повеќе сообраќај како и зголемувањето на бројот на корисници резултира со неуспешност на овој пристап. Притоа ова бара физичка надградба на мрежата за која станува збор што е скап процес. Затоа дарежливото доделување на ресурси не може слепо да се прати на семрежјето.

IP и Етернет
За разлика од мрежите поседувани од единечни лица, семрежјето е низа точки за размена кои поврзуваат приватни мрежи.An Evening With Robert Kahn , from Computer History Museum, 9 Jan 2007 Притоа јадрото на семрежјето е поседуван и раководен од неколку различни семрежни услужници, а не единствено тело. Ваквата организација придонесува за непредвидливо и самостојно однесување. Затоа, се продолжува со истражување во нови процедури за квалитет на услуга кои можат да се применат во големи и разнолики мрежи.

Постојат два главни пристапи за овозможување на квалитет на услуга во модерните IP мрежи со пакетен пренос, параметризиран систем основан на побарувањата на апликациите со мрежата, и приоритизиран систем каде секој пакет назначува пожелено ниво на услуга на мрежата.
 Пристапот со интегрирани сервиси(IntServ) го применува параметарскиот пристап. Во овој модел, апликациите го користат протоколот за резервирање на ресурси за да побараат и резервираат ресурси од мрежата.
 Пристапот со диференцирани сервиси(DiffServ) го применува моделот со приоритизирање. Овој модел ги обележува пакетите во однос на типот на услуга кои го бараат. Во однос на овие обележја, насочувачите и преклопниците користат различни стратегии за редење за да ги приспособат преформансите на очекувањата. Белезите на овој сервис ги користат првите 6 битови од заглавјето на IPv4 во полето тип на услуга (Type of service).

Раната работа ја користела филозовијата на интегрираните сервиси за резервирање на мрежни ресурси. Во овој модел апликациите го користеле протоколот за резервирање на ресурси за да побараат и резервираат ресурси низ мрежата. Иако овие механизми работат како што е очекувано, се открило дека во мрежите на поголемите семрежни услужници, главните насочувачи би требало да прифаќаат, одржуваат и овозможуваат илјадници или десетина илјади резервации. Се верувало дека овој пристап не би се проширувал со растот на семрежјето, а и во секој случај овој пристап се противречел со целта за дизајнирање мрежи така што работата на главните насочувачи би се сведувала на насочување на пакети со големи брзини.

Вториот и моментално прифатен е пристапот со диференцирани сервиси. Во овој модел, пакетите се обележени според типот на услуга која им треба. Во однос на овие обележја, насочувачите и преклопниците користат различни стратегии за редење за да ги приспособат преформансите на побарувањата. На IP нивото, белезите на овој сервис ги користат првите 6 битови од заглавјето на IPv4 во полето тип на услуга (Type of service). Додека на MAC нивото, VLAN, IEEE 802.1Q и IEEE 802.1p можат да бидат употребени за да се пренесе во основа истата информација.
Насочувачите кои го поддржуваат DiffServ користат повеќе редици за пакети кои чекаат пренос низ оптоварени посредници. Производителите на насочувачи овозможуваат различни способности за нагодување на ова однесување, бројот на редици поддржани, релативниот приоритет на редиците, и протокот резервиран за секоја редица.

Во пракса, кога пакет мора да се насочува низ интерфејс со редица, на пакетите кои бараат ниска варијација во доцнењето(пр., VoIP или видеоконференцирање) им е даден приоритет пред пакетите во другите редици. Типично, малку од протокот им е доделен на контролните пакети и протоколи на мрежата( како IMCP пакетите), додека на останатиот сообраќај ќе му се даде протокот кој останал.

На MAC нивото, VLAN, IEEE 802.1Q и IEEE 802.1p можат да бидат употребени за да се пренесе истата информација како и DiffServ. Теоретски модели за редици се развиени за анализа на перформансите на квалитетот на услуга за протоколите на MAC ниво.

Дополнителни механизми за Контрола на проток можат да се употребат за дополнително да се подобрат перформансите, некои од нив се:

 Моделирање на сообраќај
 Алгоритми за закажување
 Избегнување Застој на мрежата

Иако DiffServ се користи во многу софистицирани претпријатиски мрежи, тој не нашироко применет на семрежјето. Врските меѓу корисниците на семрејжето веќе се сложени, а помеѓу семрежните услужници нема желба за поддршка на квалитет на услуга на врските помеѓу корисниците.

Еден од поважните примери за потребата на квалитет на услуга на семрежјето се поврзува со целосен застој на мрежата. Семрежјето се потпира на протоколи за избегнување на застои, како оние кои се вградени во TCP, за намалување на сообраќајот при услови во кои доколку не се намали сообраќајот би довело до пад на мрежата. Договорите за квалитет на услуга го ограничуваат сообраќајот кој е понуден на семрежјето и притоа спроведуваат моделирање на сообраќајот што спречува преоптоварување на мрежата, и оттаму се незаменлив дел од способноста на семрежјето да спроведе мешавина на различен вид на сообраќај без пад на мрежата.

Протоколи 
 Полето Тип на услуга (TOS) во заглавјето на IPv4 (сега заменет од DiffServ)
Диференцирани сервиси (DiffServ)
Интегрирани сервиси (IntServ)
Протокол за резервација на ресурси (RSVP)
Multiprotocol Label Switching (MPLS) овозможува избор на 8 различни класи на сообраќај
RSVP-TE
Frame relay
X.25
Асинхрон пренос (ATM)
IEEE 802.1p
IEEE 802.1Q
IEEE 802.11e
HomePNA Домашно вмрежување преку телефонски кабли
Стандардите ITU-T G.hn овозможуваат квалитет на услуга по принцип "Можност за пренос без Загушување"(CFTXOPs) кои се доделени на протоци кои бараат квалитет на услуга и имаат доделено "договор" со мрежниот контролер. G.hn исто така поддржува квалитет на услуга преку "Временски слотови засновани на загушување".
Спојување звук и видео

Квалитет на услуга од-Крај-до-Крај
За да се обезбеди квалитет на услуга од еден до друг крај потребен е начин за координирање на резервацијата на ресурси од еден независен систем до друг.
IETF го дефинирале Протоколот за резервација на ресурси (RSVP), како предложен стандард во 1997.

RSVP е протокол за резервација на проток од крај до крај. Верзијата за контрола на сообраќај RSVP-TE, се користи во многу мрежи за да се воспостават контролирани MPLS (MPLS) Патеки.

IETF исто така го дефинирале NSIS (NSIS))“Next Steps in Signaling” Charter како метод за сигнализирање за квалитет на услуга. NSIS е развиена и поедноставена верзија на RSVP.

Конзорциумите за истражување како "поддршка од крај до краз преку различни мрежи" (EuQoS, од 2004 до 2007) and fora such as the IPsphere Forum Развиле повеќе механизми за повикување на Квалитет на услуга од еден реон до следниот. IPsphere го дефинирале Service Structuring Stratum (SSS) со цел за поставување, повикување, и осигурување на мрежни услуги.

EuQoS извршиле експерименти за да се вградат Протоколот за започнување на сесија, NSIS и SSS на IPsphere со пресметана цена од околу 15,6 милиони евра и издале книга.

Истражувачкиот проект Multi Service Access Everywhere (MUSE) дефинирал друг концепт за квалитет на услуга со прва фаза која траела од јануари 2004 до февруари 2006, и втора фаза од јануари 2006 до 2007.

Друг истражувачки проект именуван PlaNetS бил предложен за финансирање од Европа околу 2005 г.

Поширок европски проект именуван „Архитектура и дизајн за идното семрежје“ познат како 4WARD имал буџет предвиден на 23,4 милиони евра, и бил финансиран од јануари 2008 до јуни 2010.

Во него била вклучена и "тема за квалитет на услуга" и издадена е книга.

Друг европски проект, именуван WIDENS(Безжичен преносив мрежен систем) предложил пристап за резервација на проток за мобилни безжични Ad-hoc Мрежи.

Избегнување
Мрежните протоколи кои користат Криптографија Како на пример SSL, I2P, и Виртуелните мрежи ги прекриваат податоците кои се пренесуваат преку нив, што оневозможува инспекција на пакетите за да се одреди нивната класа за постигнување квалитет на услуга, при што се намалуваат перформансите на апликациите кои ги користат овие протоколи.

Сомневања за квалитет на услуга преку IP
Проектот Internet2 откри, во 2001 година, дека протоколите за Квалитет на услуга најверојатно не би биле распоредиви во неговата мрежа со опремата која била достапна во тоа време.

Опремата достапна во тоа време, се потпирала на софтвер за имплементација на квалитет на услуга. Групата исто така предвидела дека логистички, финансиски и организациски бариери ќе го блокираат патот кон какви било гаранции за проток, со модификации на протоколот наменети за Квалитет на услуга.

Тие верувале дека економијата би ги охрабрувала услужниците на мрежни услуги намерно да го ограничуваат квалитетот на услуга како начин да ги натераат корисниците да плаќаат поскапи услуги. Наместо тоа тие предложиле зголемување на капацитетот како поефективно решение на времето.

Истражувањата околу мрежата абилејн, била основата за сведочењето на Гери Бачула при сослушувањето на Комитетот за трговија при Сенатот на САД во врска со неутралноста на мрежата, во 2006 г. Тој го изразил мислењето дека додавање на повеќе проток бил поефикасен од било кои од другите шеми за постигнување на Квалитет на услуга кои тие ги истражиле.

Сведочењето на Бачула било цитирано од поддржувачите за забрана на квалитет на услуга, како доказ дека не постои легитимна цел од такви понуди. Овој аргумент зависи на претпоставката дека додавање повеќе проток не е форма на квалитет на услуга и дека е секогаш возможно. Цената и други фактори влијаат на способноста на услужниците да изградат и одржуваат трајни мрежи со вишок на проток.

Квалитет на услуга во мобилните мрежи

Мобилните услужници на услуги можат да понудат Квалитет на услуга на своите корисници исто како услужниците на фиксни линии и семрежните услужници. Механизмите за квалитет на услуга се секогаш достапни на линии со комутација на кола, и се битни за не-еластичните услуги, како на пример Стримување на видео.

Подвижноста додава компликации на механизмите за Квалитет на услуга, од повеќе причини:
Телефонски повик, или друга сесија може да биде прекината после предавање, ако новата базна станица е претоварена. Непредвидливи префрлања оневозможуваат апсолутни гаранции за квалитетот на услугата при фазата на започнување на сесијата.
 Структурата за наплата е најчесто основана на плаќање по минута или по МегаБајт, наместо рамномерна цена, и може да биде различна за различни услуги.
 Битен дел од Квалитетот на услугата во мобилните комуникации ја вклучува веројатност за излегување од покриеноста на мрежата и веројатноста дека одреден степен на квалитет на услугата едноставно не може да биде овозможена.

Стандарди 
Квалитетот на услугата во полето на телефонијата, бил дефиниран во 1994 во препораките E.800 на ITU-T. Оваа дефиниција е многу општа, набројувајќи 6 главни компоненти: Поддршка, оперативност, пристапност, задржување, интегритет и безбедност. Updated September 2008 as Definitions of terms related to quality of service

Препорака X.902 во 1995 вклучувала дефиниција во OSI референтниот модел. Updated October 2009.
Во 1998 ITU издала документ во врска со Квалитетот на услугата во полето на податочните мрежи. X.641 нуди начин на развој или збогатување на стандардите поврзани со квалитетот на услугата и даваат концепти и терминологија која ќе помага во одржувањето на консистентоста на поврзаните стандарди.

Главните барања за коментари од страна на IETF се:  Definition of the Differentiated Services Field (DS Field) in the IPv4 and IPv6 Headers  (RFC 2474), и Resource ReSerVation Protocol (RSVP)  (RFC 2205). IETF исто така издала двe RFC давајќи позадина на Квалитетот на услугата: RFC 2990: Next Steps for the IP QoS Architecture, и RFC 3714: IAB Concerns Regarding Congestion Control for Voice Traffic in the Internet.

Open source софтвер
 Linux Напредно насочување и контрола на сообраќај
 Линукс контолер за проток
 Zero Shell
mod qos Додава Квалитет на услуга за Apache HTTP Server

Поврзано

Application service architecture
Best-effort
BSSGP
Bufferbloat
Class of service
Deep packet inspection (DPI)
Grade of service (GoS)
Low Latency Queuing (LLQ)
Mean opinion score (MOS)
Network neutrality
QPPB
Quality of experience (QoE)
Series of tubes
Семрежно емитување
Subjective video quality
Tiered Internet
Traffic classification
Traffic shaping

Наводи

Дополнително читање
 Deploying IP and MPLS QoS for Multiservice Networks: Theory and Practice by John Evans, Clarence Filsfils (Morgan Kaufmann, 2007, ISBN 0-12-370549-5)
 Lelli, F. Maron, G. Orlando, S. Client Side Estimation of a Remote Service Execution. 15th International Symposium on Modeling, Analysis, and Simulation of Computer and Telecommunication Systems, 2007. MASCOTS '07.
 QoS Over Heterogeneous Networks by Mario Marchese (Wiley, 2007, ISBN 978-0-470-01752-4)

 RFC 1633: Integrated Services in the Internet Architecture: an Overview 
 RFC 2475: An Architecture for Differentiated Services
 RFC 3209: RSVP-TE: Extensions to RSVP for LSP Tunnels

Надворешни врски

Cisco's Internetworking Technology Handbook 




Категорија:Комуникациско инженерство
Категорија:Семрежна архутектура
Категорија:Сметачки мрежи