Heading

Czym jest QoS w sieci?

QoS czyli Quality of Service w sieci to proces zarządzania zasobami sieciowymi w celu zmniejszenia utraty pakietów, jak również obniżenia jittera i opóźnień w sieci. Technologia QoS umożliwia zarządzanie zasobami poprzez przypisywanie różnym typom danych sieciowych różnych poziomów priorytetu.

QoS jest zwykle stosowany w sieciach, które obsługują ruch przenoszący dane wymagające dużych zasobów, takie jak:

• Wideo na żądanie
• Voice over IP (VoIP)
• Telewizja internetowa (IPTV),
• Media strumieniowe
• Wideokonferencje
• Gry online

Tego rodzaju dane muszą być przesyłane w jak najkrótszym czasie, aby mogły być skonsumowane po stronie odbiorcy.

Sieciowy QoS rzeczywisty przypadek użycia

Aby wszystko było bardziej zrozumiałe, weźmy przykład korka na autostradzie w godzinach szczytu. Wszyscy kierowcy siedzący w środku korka mają jeden plan – dotrzeć do celu. I tak, w ślimaczym tempie, wciąż poruszają się wzdłuż.

Wtedy dźwięk syreny karetki alarmuje ich do pojazdu, który musi dostać się do miejsca przeznaczenia pilniej – i przed nimi. I tak, kierowcy przesuwają się z tego, co teraz staje się „kolejką priorytetową” karetki i pozwalają jej przejechać.

Podobnie, kiedy sieć transportuje dane, również ma konfigurację, w której pewien rodzaj danych jest traktowany preferencyjnie w stosunku do wszystkich innych. Pakiety ważnych danych muszą dotrzeć do miejsca przeznaczenia znacznie szybciej niż pozostałe, ponieważ są wrażliwe na czas i „wygasną”, jeśli nie zdążą na czas.

Dlaczego QoS sieci ma znaczenie?

W dawnych czasach sieć firmowa i sieci komunikacyjne były oddzielnymi bytami. Rozmowy telefoniczne i telekonferencje były zwykle obsługiwane przez sieć podłączoną do złącza RJ11; połączenia były monitorowane przez system PABX. Działała ona oddzielnie od sieci IP podłączonej za pomocą złącza RJ45, która łączyła laptopy, komputery stacjonarne i serwery. Te dwa typy sieci rzadko się krzyżowały, chyba że, na przykład, komputer potrzebował linii telefonicznej, aby połączyć się z Internetem. Przykład takiej sieci wygląda następująco:

Gdy sieci przenosiły tylko dane, szybkość nie była tak krytyczna. Obecnie interaktywne aplikacje, które przenoszą dźwięk i obraz, muszą być dostarczane przez sieci z dużą szybkością i bez utraty pakietów lub różnic w szybkości dostarczania.

Ludzie prowadzą obecnie rozmowy biznesowe przy użyciu aplikacji do wideokonferencji, takich jak Skype, Zoom i GoToMeeting, które wykorzystują protokół transportowy IP do wysyłania i odbierania komunikatów wideo i audio. Ze względu na szybkość działania, te krytyczne aplikacje obywają się bez procedur zarządzania transportem, z których zazwyczaj korzystają standardowe transfery danych.

Zanim przejdziemy dalej do tematu QoS, musimy porozmawiać o RTP.

Co to jest RTP?

Real-Time Transport Protocol lub RTP jest standardem protokołu internetowego, który określa sposoby zarządzania przez aplikacje transmisjami danych multimedialnych w czasie rzeczywistym. Protokół obejmuje zarówno komunikację typu unicast (jeden do jednego), jak i multicast (jeden do wielu).

RTP jest częściej stosowany w telefonii internetowej, gdzie obsługuje transmisje danych audiowizualnych w czasie rzeczywistym.

Pomimo, że RTP sam w sobie nie gwarantuje dostarczenia pakietów danych – tym zadaniem zajmują się przełączniki i routery – to ułatwia zarządzanie nimi, gdy już dotrą do urządzeń sieciowych.

QoS jest konfiguracją transportu hop-by-hop zaimplementowaną w urządzeniach sieciowych, aby umożliwić im identyfikację i nadawanie priorytetów pakietom RTP. Każde włączone urządzenie pomiędzy nadawcą a odbiorcą (odbiorcami) powinno być również skonfigurowane tak, aby rozumiało, że pakiet jest pakietem „VIP” i musi zostać przepchnięty w pasie priorytetowym. Jeśli nawet jedno z urządzeń sieciowych w przekaźniku nie jest skonfigurowane prawidłowo, QoS nie będzie działać. Pakiety stracą swój priorytet i zwolnią do prędkości transmisji danych tego urządzenia.

Co się stanie, jeśli nie będziemy używać QoS w sieci?

Brak poprawnie skonfigurowanego QoS może spowodować jeden (lub wszystkie) z poniższych problemów:

• Opóźnienia: Jeśli pakietom RTP nie zostały przypisane wymagane priorytety, będą one dostarczane z domyślnymi prędkościami urządzeń. W zatłoczonej sieci pakiety te muszą podróżować razem z pozostałymi, niepilnymi pakietami. O ile samo opóźnienie sieci nie będzie miało wpływu na jakość dostarczanych danych audiowizualnych per se, o tyle będzie miało wpływ na komunikację między użytkownikami końcowymi. Przy 100ms opóźnienia, zaczną oni rozmawiać jeden na drugim, ponieważ pakiety będą docierać niezsynchronizowane, a przy 300ms rozmowa przestanie być zrozumiała.

• Jitter: Aplikacje czasu rzeczywistego usuwają standardowe buforowanie na poziomie transportu, więc nie ma mechanizmu do ponownego składania przychodzących pakietów w odpowiedniej kolejności. Jitter to nieregularna prędkość pakietów w sieci. Może on powodować, że pakiety docierają z opóźnieniem i poza kolejnością. Ponieważ aplikacja nie czeka, aż strumień zostanie poprawnie zmontowany, pakiety poza kolejnością są porzucane, co powoduje zniekształcenia lub przerwy w dostarczanym audio lub wideo.
• Utrata pakietów: Jest to najgorszy scenariusz, w którym okazuje się, że pewna liczba (lub część) pakietów jest tracona z powodu zbyt dużego przeciążenia urządzeń sieciowych. Kiedy kolejka wyjściowa przełącznika lub routera zapełnia się, następuje zrzucenie ogona, w którym urządzenie odrzuca wszelkie nowe przychodzące pakiety do czasu, aż miejsce stanie się ponownie dostępne.

We wszystkich przypadkach, które właśnie widzieliśmy, QoS może pomóc poprzez sortowanie danych, zarządzanie kolejkami i zapobieganie utracie danych.

Zobacz także: The Ultimate Guide to Packet Loss

Nie potrzeba wiele wyobraźni, aby zobaczyć, jak komunikacja i przesyłanie mediów lub strumieniowanie może zostać źle odebrane, gdy zrezygnujemy z używania QoS – szczególnie w sieciach, które obsługują protokoły RTP. Nawet gdyby była ona doskonale zaprojektowana, w końcu komunikacja stanie się najpierw trudna, potem będzie się pogarszać wraz ze wzrostem ruchu w sieci, aż w końcu stanie się niemożliwa.

Trzy wady – opóźnienie, jitter i utrata pakietów – są w rzeczywistości tak krytyczne dla określenia, jak dobrze działa wdrożenie, że firmy produkujące oprogramowanie QoS i monitorujące sieci, takie jak SolarWinds, używają ich jako metryk do pomiaru jakości ruchu opartego na protokole RTP.

Narzędzia sieciowe do monitorowania QoS

SolarWinds NetFlow Traffic Analyzer (FREE TRIAL)

Byłoby niesprawiedliwe kontynuować bez wspomnienia o jednym z najlepszych narzędzi do monitorowania sieci: SolarWinds NetFlow Traffic Analyzer.

Ten pakiet aplikacji do monitorowania sieci pomaga rozwiązać problemy, które mogą być spowodowane przez:

• Wolna sieć: Powolna sieć może stać się zakładnikiem całej firmy, ponieważ stale zmniejsza prędkość przepływu danych. Jeśli wąskie gardła sieci nie zostaną usunięte, cała organizacja będzie doświadczać okropnej łączności.
• Powolna komunikacja audiowizualna: Firma, która nie może ustanowić jasny kanał komunikacyjny w swoim kanale sieciowym będzie sparaliżowany. Co gorsza, nie będąc w stanie komunikować się jasno z klientami, prawie na pewno rzuci ją na kolana.
• Niemonitorowane sieci: Administrator, który nie może prawidłowo monitorować sieć nie będzie w stanie dowiedzieć się o jego aktualnym stanie lub jak zrobić plany na jego przyszłą ekspansję. Bez dokumentowania sieci i śledzenia wydajności każdego elementu wyposażenia, administrator sieci nie może podejmować świadomych decyzji i prawdopodobnie pogłębi problemy z wydajnością sieci.

Zbrojeni w Netflow Traffic Analyzer, administratorzy sieci będą mogli pozbyć się problemów, które właśnie zaobserwowaliśmy poprzez:

• Pomoc we wdrożeniu QoS i jego optymalizacji – poprzez informacje zwrotne o przepływie danych
• Przegląd i raportowanie bieżącej konfiguracji polityki QoS, informując o decyzjach projektowych.
• Monitorowanie wykorzystania pasma w celu zidentyfikowania aplikacji i urządzeń, które obciążają zasoby sieciowe – mogą one zostać odizolowane, przesunięte w czasie lub wyłączone. Zobacz także: 6 najlepszych darmowych narzędzi do monitorowania przepustowości

Typowy pulpit nawigacyjny Netflow Traffic Analyzer zawiera istotne informacje, których administrator potrzebuje do monitorowania statusów i szybkiego wprowadzania zmian ustawień. Przykład:

Raporty i analizy obejmują: opóźnienie, jitter i utratę pakietów.

SolarWinds NetFlow Traffic Analyzer Download 30 day FREE TRIAL at SolarWinds.com

Paessler QoS Monitoring with PRTG

Inną opcją, którą można zbadać pod kątem monitorowania QoS jest Paessler PRTG. Ten pakiet do monitorowania sieci posiada specjalną sekcję, która śledzi wydajność QoS. Funkcja ta pokazuje oznaczone przepływy ruchu w czasie rzeczywistym, a także przechowuje dane do analizy wydajności i planowania przepustowości.

Oprogramowanie PRTG zawiera cztery czujniki śledzące, które obejmują trzy różne metodologie QoS. Są one uzupełnione czujnikiem Ping Jitter, który śledzi regularność dostarczania pakietów w strumieniu.

Trzy rodzaje QoS, które PRTG może śledzić, to standardowy QoS, Cisco IP-SLA oraz Cisco CBQoS. Śledzenie standardowego QoS jest zaimplementowane jako czujnik jednokierunkowy lub okrążający. Te trackery mogą działać na połączeniach w całym Internecie. Aby uzyskać dokładny zapis wydajności w miejscu docelowym, należy umieścić czujnik w tej zdalnej lokalizacji dla usługi czujnika jednokierunkowego. Usługa „round-trip” wymaga reflektora w zdalnej lokalizacji, aby działać.

Sensor Cisco IP-SLA jest przeznaczony do monitorowania oznakowanego ruchu VoIP w sieci. Rejestruje on szereg metryk dla ruchu głosowego, w tym czas obiegu, opóźnienia, jitter, opóźnienia i średni wynik opinii (MOS).

Sensor Cisco CBQoS działa zgodnie z implementacjami Class-based Quality of Service. CBQoS to metodologia kolejkowania i jeśli chcesz ją wdrożyć, będziesz musiał śledzić więcej punktów wejściowych do routerów i przełączników. Dla każdego urządzenia tworzysz co najmniej trzy wirtualne kolejki, więc jest znacznie więcej do monitorowania.

PRTG jest w stanie skonfigurować się i zmapować całą infrastrukturę sieciową automatycznie. Wdrożenia QoS wymagają jednak podejmowania decyzji, więc będziesz musiał samodzielnie skonfigurować tę metodę, decydując, które typy ruchu sieciowego mają mieć priorytet.

Paessler pozwala używać PRTG za darmo, jeśli aktywujesz maksymalnie 100 czujników. W przypadku większej liczby czujników można otrzymać 30-dniową darmową wersję próbną systemu, w tym monitor QoS.

Jak skonfigurować QoS?

Routery kablowe i przełączniki, które mogą być skonfigurowane do nadawania priorytetów protokołom, są zwykle dostępne przez oprogramowanie do zarządzania routerami. Cały proces konfigurowania preferencji QoS jest całkiem prostą sprawą, która obejmuje:

• Zalogowanie się do aplikacji i połączenie się z koncentratorem lub przełącznikiem za jej pośrednictwem
• Przejście do menu konfiguracji QoS
• Ustawienie preferencji priorytetów pakietów

I tak po prostu, pakiety multimedialne będą mogły płynnie przemierzać sieci. Hardkorowi inżynierowie sieciowi mogą wykonać wszystkie wymienione powyżej zadania za pomocą interfejsów konfiguracyjnych linii poleceń.

Jak nadawane są priorytety pakietom RTP?

Priorytety pakietów RTP mogą być nadawane za pomocą dwóch głównych metod:

• Klasyfikacja: Ta skuteczna metoda identyfikuje typy pakietów i przypisuje im priorytet poprzez ich oznaczenie. Identyfikacja może być przeprowadzona przy użyciu list ACL (Access Control Lists), implementacji LAN wykorzystujących CoS (Class of Service) lub przy pomocy przełączników, które wykorzystują sprzętowe oznaczenia QoS.
• Kolejkowanie: Kolejki są wysokowydajnymi buforami pamięci występującymi w routerach i przełącznikach. Pakiety przechodzące przez nie są przechowywane w dedykowanych obszarach pamięci w oczekiwaniu na wysłanie ich w dalszą drogę. Kiedy protokołom, takim jak RTP, przypisywany jest wyższy priorytet, są one przenoszone do dedykowanej kolejki, która przesuwa dane dalej w szybszym tempie, zmniejszając tym samym szanse na ich porzucenie. Kolejki o niższym priorytecie nie mają tego luksusu.

Ważną rzeczą, o której należy pamiętać jest to, że oznaczenia priorytetu pakietu są ważne tylko w sieci, w której został utworzony. Gdy opuści on sieć, właściciele sieci odbiorcy określą jego nowy priorytet.

Pomysły do rozważenia przy nadawaniu priorytetów pakietom

Pewne myśli i wskazówki, które mogą pomóc przy podejmowaniu decyzji jak nadawać priorytety pakietom zawierają:

• Powszechnie dobrym pomysłem jest nadawanie priorytetów przez urządzenia znajdujące się najbliżej źródła danych To zapewnia, że pakiety podróżują przez całą sieć z odpowiednim priorytetem.
• Urządzeniem z wyboru do nadawania priorytetów przychodzącym pakietom powinny być zawsze przełączniki. Dzieje się tak dlatego, że urządzenia te mogą równoważyć obciążenie sieci i dzielić obciążenie z innymi przełącznikami, zmniejszając w ten sposób obciążenie ich procesorów.
• Ruch przychodzący jest prawie zawsze większy niż ten, który zmierza w przeciwnym kierunku. Dostawcy usług internetowych zazwyczaj przydzielają mniejszą przepustowość dla ruchu wychodzącego swoich klientów, i to właśnie tam (na wychodzącej ścieżce sieciowej) należy przede wszystkim zastosować QoS.
• Cisco posiada rekomendację, jak pakiety powinny być oznaczane, jak pokazano na tym diagramie:

Wreszcie, sukces wdrożenia QoS zawsze zależy od jakości polityki, która reguluje, jak pakiety są klasyfikowane, oznaczane i kolejkowane. Polityka ta musi być starannie opracowana, aby wdrożenie QoS zakończyło się sukcesem.

Do czego nie należy używać QoS

Po przeczytaniu o QoS może się wydawać, że jest to magiczny eliksir, który może wyleczyć wszystkie dolegliwości powodujące przeciążenie sieci. Cóż, do pewnego stopnia, może on sprawić, że większość komunikacji RTP będzie płynniejsza i będzie się wydawało, że usprawnił ruch w sieci. Niestety, nie jest to uniwersalne rozwiązanie dla każdego problemu sieciowego.

QoS nigdy nie powinien być używany do następujących celów:

Powiększanie przepustowości

Ale QoS pomaga usprawnić priorytet pakietów RTP i sprawia wrażenie, że sieć nagle zwiększyła swoją przepustowość, nigdy nie powinien być interpretowany jako taki. QoS nigdy nie powinno być używane jako narzędzie do „zwiększenia przepustowości”, gdy wszystko co robi to wykorzystuje istniejące zasoby trochę bardziej efektywnie (i na korzyść pakietów RTP).

Zamiast tego, należy rozważyć przyjrzenie się buforowaniu plików, aby zmniejszyć ilość danych, które przychodzą i odchodzą. Jeśli to nie zadziała, może to oznaczać, że określone limity przepustowości zostały osiągnięte. Kiedy firma osiąga swoje limity szerokopasmowego, jedyną realną rzeczą do zrobienia jest wyjść i kupić trochę więcej – nie używać QoS.

Unclogging sieci

Jeśli nieuczciwe aplikacje są pozostawione do uruchomienia i kończą się hogging sieci przepustowość, wdrożenie QoS nie jest rozwiązaniem. Podczas gdy rozmowy Skype może w końcu zacząć przechodzić, QoS nie będzie miał adresowany problem root. Ostatecznie, nieuczciwych aplikacji będzie połknąć żadnych zasobów mogą być dostępne, wyczerpując korzyści z QoS.

Jednym z rozwiązań, które mogłoby tu zadziałać, byłoby upolowanie aplikacji pożerających zasoby i albo ich wyłączenie, albo zmiana harmonogramu ich działania na uruchamiane po godzinach.

Powtarzam, całym celem konfigurowania QoS w sieci jest upewnienie się, że strumieniowe połączenia wideo i audio nie opóźniają się (lub nawet nie są porzucane) z powodu przeciążonej sieci. To nie jest narzędzie, które może faktycznie zwiększyć przepustowość. Nie może również tunelować przez zatkaną sieć.

Dobra implementacja QoS poprawi jakość i szybkość danych o znaczeniu krytycznym poprzez optymalizację przydzielonego pasma i ułatwienie znakowania pakietów, dzięki czemu są one identyfikowane i otrzymują przypisane im priorytety. Wykorzystuje dostępną przepustowość; nie rozszerza jej.

QoS w sieciowych FAQ

Przypisy do obrazów:

1. Feature image by John Carlisle on Unsplash
2. „Red and white car light trails on an urban highway at night in Röddingsmarkt” by CBX. on Unsplash
3. „Mixed network design” – Wikimedia, domena publiczna
4. „Netflow Traffic Analyzer Summary” – zrzut ekranu wykonany 28/05/2018
5. „Cisco’s QoS Baseline Marking Recommendations” – Courtesy of Cisco Systems, Inc. Unauthorized use not permitted (Image captured on 28/05/2018)

.