Jak zajistit přenos dat v LAN s požadovanou kvalitou

V současné době se stále více setkáváme s postupně rostoucím pronikáním interaktivních multimédií do datových s...


V současné době se stále více setkáváme s postupně rostoucím pronikáním
interaktivních multimédií do datových sítí. Zároveň s tím roste i tlak na
rozvoj nových mechanismů pro zajištění přenosů hlasových nebo obrazových
informací v lokálních počítačových sítích (LAN) v dostatečné kvalitě
poskytovaných služeb (Quality of Service QoS). V ideálním případě by proto v
blízké budoucnosti měla být každá lokální počítačová síť schopná přenášet nejen
dnes běžná data, ale i hlas (telefonie) či video (videokonference, distanční
vzdělávání atd.).
Odhlédneme-li od požadavků na přenos videa či hlasu, už jen stále rostoucí
objem přenášených dat v lokálních i rozlehlých sítích vede k nezbytnosti
specifikovat význam jednotlivých síťových služeb a oddělit je od sebe navzájem
do skupin podle jasně definovaných priorit (např. aby významná účetní data měla
přednost před doručováním elektronické pošty).
Základní parametry QoS
Základními parametry, které charakterizují vhodnost přenosové cesty v síti pro
transport významných dat se zajištěnou kvalitou (např. hlasu nebo videa), jsou
tyto: přenosové zpoždění, fluktuace přenosového zpoždění a ztrátovost přenosu.
Přenosové zpoždění (delay) se definuje jako celkový čas mezi vysláním informace
ze zdroje a příjmem v cílovém zařízení. V případě přenosu hlasu způsobuje velké
zpoždění vznik nežádoucí ozvěny nebo překrývání hovoru volaného a volajícího.
Fluktuace přenosového zpoždění (jitter) jsou dány změnami přenosového zpoždění
v průběhu času. Příčinou tohoto jevu je nerovnoměrnost přenosu, kdy některá
data projdou přenosovou cestou od zdroje k cíli rychleji než jiná.
Ztrátovost přenosu je dána poměrnou částí datových rámců, které se při jejich
přenosu nenávratně ztratí. Výpadky v toku dat mohou způsobit velmi nepříjemné
krátké vynechávání hlasu nebo nepěkné "trhání" obrazu.
Úrovně zajištění QoS
Podle toho, jaké požadavky je třeba při přenosu dat splnit, můžeme kvalitu
služeb v síti rozdělit do tří základních úrovní:
Služba s nejlepší snahou (Best Effort Service), která nepřináší žádné garance
pro kvalitu přenosu dat, jen využívá v daném okamžiku volných síťových
prostředků. Takto fungují sítě, kde není definována žádná záruka pro přenos
(např. klasický sdílený Ethernet nebo většina současných rozlehlých IP sítí).
Služba s rozlišením priorit (Differentiated Service), která již upřednostňuje
jeden typ provozu před druhým (dává mu k dispozici větší přenosové pásmo,
zajišťuje menší ztrátovost přenosu atd.). Tento typ služeb se začíná stále více
prosazovat jak v lokálních, tak v rozlehlých sítích (začínají umožňovat
definování priorit provozu).
Zaručená služba (Guaranteed Service) zaručuje absolutní rezervování přenosových
prostředků (většinou se jedná o zaručenou konstantní šířku pásma nebo
konstantní zpoždění).
Co potřebují LAN pro zajištění QoS
Aby byly dnešní lokální počítačové sítě schopny zajistit stále se rozvíjející
přenosy dat se zaručenou kvalitou, je třeba provést tyto základní kroky:
Zvýšit jejich přenosové kapacity (dobrou volbou pro současné lokální sítě může
být přepínaný Gigabitový Ethernet s přenosovou rychlostí až 1 000 Mb/s).
Zajistit, aby jednotlivé aplikace mohly definovat kvalitativní požadavky a od
sítě pak obdržely potvrzení dostupnosti žádaných prostředků.
Zavést do lokálních sítí možnosti pro definování priorit jednotlivých typů
provozovaných služeb.
Uplatnit prostředky pro správu rozdělení přenosového pásma uvnitř sítě (např. v
páteřních spojích sítě) a prostředky pro určení politiky zajištění QoS.
Rozdělení provozu v lokální síti do skupin
Abychom byli schopni správně definovat QoS v lokální síti, nejdříve je třeba
provoz správně rozdělit do oddělených tříd. V jedné z tabulek u tohoto textu
jsou uvedeny různé možnosti definování tříd provozu podle toho, co určuje
požadavky na přenos, čím lze provoz odlišit a v jaké vrstvě sítě se tak děje.
Zajištění kvality služeb v sítích ATM
Vzhledem k tomu, že ATM (Asynchronous Transfer Mode) je spojovou technologií,
která používá pro přenos dat malé buňky o stejné velikosti 53 bajtů (5 bajtů
hlavička, 48 bajtů data) ve spínaných virtuálních kanálech, je přímo předurčena
pro přenosy dat se zajištěnou kvalitou jak v rozlehlých, tak i v lokálních
počítačových sítích.
Úrovně zajištění kvality přenosu dat v síti ATM, které je možno zvolit podle
náročnosti konkrétní aplikace, jsou tyto:
Nespecifikovaná bitová rychlost (Unspecified Bit Rate UBR); v tomto případě se
využívá dostupná šířka pásma bez jakékoliv záruky, buňky tohoto typu čekají v
uzlu sítě na vyslání až jako úplně poslední.
Dostupná bitová rychlost (Available Bit Rate ABR); používá dostupné šířky pásma
podobně jako UBR jen s tím rozdílem, že se snaží eliminovat ztráty buněk.
Proměnná bitová rychlost (Variable Bit Rate VBR); nezaručuje pevnou šířku
pásma, má dvě základní varianty VBR-rt a VBR-nrt. VBR-rt je určena pro přenos
dat citlivých na zpoždění, na fluktuace zpoždění a ztráty buněk, VBR-nrt naopak
pro aplikace neběžící v reálném čase.
Konstantní bitová rychlost (Constant Bit Rate CBR); zcela garantuje šířku
pásma, minimalizuje zpoždění a jeho fluktuace v čase, buňky tohoto typu mají
při přenosu nejvyšší možnou prioritu. Služba konstantní bitové rychlosti je
určena pro významné aplikace běžící v reálném čase (přenos hlasových nebo
obrazových informací, např. pro videokonference).
Jistou nevýhodou technologie ATM je však relativně vysoká cena a větší
složitost (oproti ostatním užívaným technologiím v LAN). Je třeba také zmínit
to, že starší verze emulace klasické LAN v síti založené na technologii ATM
LANE 1.0 (LAN Emulation verze 1.0) neposkytuje výše uvedené možnosti QoS.
Kvalita přenosu dat v lokálních sítích typu Ethernet
Samotné nasazení přepínaného Ethernetu s dostatečnou rychlostí, jakou nabízí
100Mb Ethernet nebo Gigabitový Ethernet, může do jisté míry poskytnout možnost
kvalitních přenosů dat. (Koncem června 1999 byla již schválena dlouho očekávaná
norma 802.3ab pro provoz Gigabitového Ethernetu 1000BaseT na dnes běžně
používaných kroucených měděných párech kategorie 5.) Porty moderního
neblokujícího ethernetového přepínače lze plně vyhradit jednotlivým koncovým
stanicím, zejména výkonným serverům, což může poskytnout požadovanou kapacitu
přenosu dat. Problémem pak může být jen nedostatečné spojení mezi jednotlivými
přepínači v síti navzájem mezi sebou.
Možnost zajištění určitých priorit přenášených dat v přepínaných ethernetových
sítích přináší označení paketů určitou prioritou podle normy IEEE 802.1p
(Priority Tagging). Funguje však jen mezi přepínači při použití virtuálních
sítí (VLAN), kdy se využívá spolu s označením příslušnosti paketu k dané
virtuální síti (podle IEEE 802.1Q) i označení paketů k jejich zařazení do
definovaných tříd provozu. K tomuto účelu jsou v každé hlavičce ethernetového
rámce rezervovány 3 bity, které postačují k definování osmi různých priorit
(viz tab. v textu).
Ke zlepšení kvality ethernetových lokálních sítí přispívá také řízení toku dat
podle normy 802.3x (Flow Control), jehož cílem je zamezit zahlcení některé
části sítě nadměrným provozem. V takovém případě je třeba zdroj dat vhodným
způsobem upozornit na to, že nemůže vysílat tak rychle.
Kvalita služeb v IP sítích (QoS v 3. síťové vrstvě)
Dostatečnou kvalitu přenosu hlasových a obrazových dat v IP sítích může
zajistit protokol RSVP (Resource ReSerVation Protocol) podle návrhů RFC 2205-9.
Jedná se o pokus zajistit kvalitu služeb na úrovni protokolu IP, kdy si
příjemce snaží rezervovat přes všechna mezilehlá síťová zařízení (většinou
směrovače) maximální zpoždění a dostatečnou přenosovou šířku pásma po celé
cestě od zdroje dat až k sobě. Protokol RSVP je velmi vhodný pro skupinové
vysílání zároveň více stanicím z jednoho zdroje (multicast), kdy může ušetřit
přenosové kapacity sítě. Jeho problém je v tom, že neurčuje žádné priority
provozu; pokud již dojde k vyčerpání dostupného pásma v nějakém úseku sítě,
není schopen si uvolnit potřebné pásmo.
Objevuje se též snaha použít pole ToS (Type of Service) o délce 1 bajtu v
hlavičce protokolu IP verze 4 pro definování priorit jednotlivých typů služeb
při přenosu (pro definování priority dat jsou rezervovány 3 bity v poli "IP
Precedence"). Jednotlivé mezilehlé uzly v síti mohou tyto 3 bity využít pro
stanovení charakteru přenosu (3 bity určují maximálně 8 možných úrovní) a
zachovat se podle toho, poslat paket přednostně dál, pozdržet jej ve
vyrovnávací paměti nebo jej i odhodit. Nový protokol IP verze 6 podle RFC 2460
(značen IPv6 nebo také IPng) má k účelu definování QoS v hlavičce vyhrazeno 8
bitové pole "Traffic Class" pro označení typu přenosu a jeho budoucí využití
bude, jak se zdá, přínosem pro zajištění QoS v IP sítích.
Závěr
V lokálních počítačových sítích dnes existuje řada různých nástrojů a
mechanismů pro uspokojení náročných potřeb rozšiřujících se multimediálních
aplikací. Tato problematika se jistě bude i nadále velmi dynamicky rozvíjet
směrem k zajištění přenosu stále většího objemu dat v požadované kvalitě.
9 2506 / pen









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.