QoS – Приоритизация трафика

В сетях передачи данных присутствует различный тип трафика, нуждающийся в определенном качестве обслуживания. Есть приложения, критичные к задержкам при передаче данных. Например, голосовая передача данных или управление устройствами в промышленных сетях. Для других приложений важно отсутствие потерь, при этом время передачи данных не влияет на работу. Например, сбор данных с устройств учета.

Основные параметрами определения качества связи: 

• Задержка – время, за которое данные доходят от отправителя до получателя.
• Джиттер «дрожание» - разница задержек при передаче данных.
• Потери – количество пакетов, потерянных во время передачи данных по сети.
• Полоса пропускания – количество пакетов, проходящие по сети за определенный период времени

Чтобы обеспечить приоритетное обслуживание определенного типа трафика, используют технологию QoS (Quality of Service). QoS обеспечивает выделенную полосу пропускания, контролирует задержку и джиттер, а также ограничивает потери данных.

Модели QoS

• Best Effort — негарантированная доставка. В такой системе не различают категории трафика. Весь трафик получает наилучшее на данный момент обслуживание. Подходит для сетей с большой пропускной способностью и отсутствием перегрузок.
• Integrated Service (IntServ) — гарантия качества для каждого потока. Резервирование полосы пропускания для каждого потока на пути от источника до получателя. За резервирование ресурсов отвечает протокол RSVP. Такие сети не получили широкого практического применения, так как из-за резервирования каналов для каждого соединения сеть становится не масштабируемой.
• Differentiated Service (DiffServ) — Весь трафик сети разделяется на классы и устанавливаются правила для их обработки. В результате чего каждый класс трафика получает разный уровень обслуживания. На всем пути следования трафика каждый узел самостоятельно определяет правила обслуживания, т.е. одни и те же данные могут получить разное обслуживание на своем пути.

Маркировка трафика согласно обслуживанию DiffServ

Существует несколько способов промаркировать трафик сети:

• Маркировка на 2 уровне - CoS (Class of Service)

На канальном уровне маркировка пакетов происходит в соответствии со стандартом 802.1p. Поле CoS занимает 3 бита в 4-байтовом заголовке 802.1Q, который содержит p-тег, определяющий приоритет и идентификатор VLAN. Всего может быть установлено до 8 классов обслуживания данных, описанных в стандарте 802.1D. Исходя из всего этого, необходимым условием маркировки CoS является тегирование трафика по технологии VLAN. Такая маркировка QoS возможно только в пределах локальной сети, так как при прохождении пакетов сквозь маршрутизатор VLAN теги удаляются.

• Маркировка на 3 уровне - ToS (Type of Service) /DSCP (Differentiated Services Code Point)

Поле ToS занимает 8 бит в заголовке IP. Состоять может из идентификатора приоритета (IP Precedence - IPP, 3 бита) или DSCP (6 бит). Первоначально было достаточно делить потоки трафика на 8 классов обслуживания с помощью IPP, но со временем появилась необходимость в более гибкой системе деления. Так был разработан метод DSCP, идентификатор которого занимает 6 бит и содержит кроме приоритета пакета значения для требований к задержкам, пропускной способности и надежности передачи данных. DSCP позволяет разделять потоки на 64 класса. DSCP имеет обратную совместимость с IPP.

При получении пакета определяется к какому классу QoS он относится. Затем в соответствии с уровнем обслуживания данный пакет помещается в свою очередь, где ожидает отправки.

Основные методы обработки очередей:

• FIFO (first in – first out, первый пришел – первый вышел) - отсутствие очередей. Пакет, который пришёл на коммутатор первым, первым и будет отправлен. В этом случае коммутатор не разделяет трафик на классы обслуживания и QoS не работает.

Если технология QoS на коммутаторе отключена, пакеты будут обрабатываться именно по правилу FIFO.

• Strict Priority queuing (PQ – строгий приоритет очереди) – Пакеты распределяются по очередям в соответствии с классом обслуживания. Первыми отправляются пакеты из очереди с наивысшим приоритетом, затем со следующей очереди и так до очереди с наименьшим приоритетом. То есть пока все пакеты из очереди с наивысшим приоритетом не будут переданы, остальные находятся в режиме ожидания. 

Минус: если очередь с наивысшим приоритетом заполнена пакетами, то трафик из остальных очередей вообще не будет передаваться.

• Round Robin – У каждой очереди равное время обработки пакетов. Если очередь станет пустой до того, как достигнет своего собственного времени обработки, ход обработки перейдет к следующей очереди.

• Fair Queuing (FQ – справедливая очередь) – принцип как у Round Robin, но из каждой очереди по порядку обрабатывается одинаковый объем данных, обработка идет не по пакетам, а по определенному количеству бит.

• Weighted Round Robin (WRR) – Похожа на Round Robin, но каждая очередь имеет свое собственное время обработки, при чем у разных очередей оно разное. Так время обработки очереди с наивысшим приоритетом больше, чем у последующих очередей.

• Weighted Fair Queuing (WFQ – взвешенная справедливая очередь) – данные из каждой очереди обрабатывается последовательно, но в зависимости от приоритета очереди определяется количество передаваемого трафика за один цикл.

Со временем были созданы гибридные методы обработки очередей.

QoS в коммутаторах Moxa

Коммутаторы Moxa поддерживают стандартные методы маркировки потоков данных: CoS (в соответствии со стандартом IEEE 802.1D) и ToS (DSCP). 

Приоритет очередей:

Коммутаторы Moxa поддерживают несколько приоритетов очередей

Стратегии обработки очередей: 

• Strict Priority queuing (PQ – строгий приоритет очереди) – предпочтение всегда отдается очереди с наивысшим приоритетом.
• Weighted Fair Queuing (WFQ – взвешенная справедливая очередь) – все очереди обслуживаются поочередно. Объем данных обрабатывается в соотношении: 8-4-2-1

Настройка QoS

Все настройки, относящиеся к механизмам QoS осуществляются через web-интерфейс в разделе QoS.

• Вкладка QoS Classification

Параметр Scheduling Mechanism определяет механизм обработки очередей.

Входящий трафик по умолчанию анализируется сначала на идентификатор ToS, затем CoS, последним проверяется приоритет порта (Port Priority).

Галочками в таблице Ingress Classification Setting можно включить или отключить проверку входящего трафика по ToS, CoS или Port Priority. Также в этой таблице указывается какой приоритет присвоен трафику того или иного порта коммутатора.

Если входящий трафик не промаркирован согласно ToS или CoS, но есть необходимость в разделении уровня обслуживания между потоками трафика, то можно использовать функцию Port Priority. Важно помнить, что при этом исходящий трафик не будет маркироваться.

• Вкладка Priority Mapping

Определяется соотношение классификации трафика по CoS с очередями исходящего трафика

• Вкладка DSCP Mapping

Определится соотношения классификации трафика по DSCP с очередями исходящего трафика

 IEC 61850 QoS

Коммутаторы серии Power-Plant (PT-7000) для энергетики поддерживают технологию IEC 61850 QoS, которая гарантирует доставку критически важных пакетов с наивысшим приоритетом. Данные стандарта IEC 61850 помещаются в отдельную очередь и передаются независимо от остального трафика.

Тип пакетов в очереди МЭК 61850: GOOSE, SMV, PTP

Уровень приоритета пакетов внутри очереди МЭК 61850: High, Medium, Normal, Low

Использование QoS в кольцевых топологиях Turbo Ring/Chain

При использовании QoS в сетях Turbo Ring/Chain важно помнить, что служебные сообщения Turbo Ring/Chain по умолчанию имеют наивысший приоритет. Если при настройке QoS другой трафик также имеет наивысший приоритет, то при загруженности приоритетной очереди служебные пакеты Turbo Ring/Chain могут потеряться. Потеря служебной информации приведет к нестабильной работе резервированной сети. Исходя из этого, рекомендуется, чтобы в кольцевых топологиях наивысший приоритет имели только служебные пакеты Turbo Ring/Chain.