Резервирование ресурсов

Резервирование ресурсов
Список ключевых слов: механизм обслуживания очередей, протокол резервирования ресурсов, сигнальный протокол, профиль трафика, протокол установления виртуального канала, кондиционирование трафика, классификация трафика, профилирование трафика, формирование трафика.

Резервирование ресурсов и коммутация пакетов

Как уже было сказано выше, еще одним механизмом предотвращения перегрузки в сети, наряду с обратной связью, является резервирование ресурсов. Главная идея резервирования состоит в том, чтобы ограничить уровень перегрузок некоторой приемлемой величиной. Эта величина должна быть такой, чтобы алгоритмы контроля перегрузки, работающие в коммутаторах сети, справлялись с кратковременными перегрузками и без обратной связи обеспечивали требуемые значения характеристик QoS.
Резервирование ресурсов в сетях с коммутацией пакетов принципиально отличается от подобной процедуры в сетях с коммутацией каналов. В сетях с коммутацией каналов для каждого канала резервируется (выделяется) фиксированная доля пропускной способности линии связи (физического канала). Поток передается через сеть с постоянной скоростью, равной зарезервированной для него пропускной способности. При этом пропускная способность соединения всегда закреплена за этим потоком, она не может динамически перераспределяться среди других потоков. Предварительное резервирование является неотъемлемым свойством сети с коммутацией каналов.
В сетях с коммутацией пакетов резервирование не является обязательным. Иногда в определении метода коммутации пакетов отсутствие резервирования фигурирует как основное свойство этого типа сетей. Но и в тех случаях, когда резервирование в сетях с коммутацией пакетов выполняется, оно отличается от резервирования ресурсов в сетях с коммутацией каналов тем, что здесь учитывается пульсирующий характер трафика и возможность динамического перераспределения пропускной способности сети между потоками (агрегатами).
Резервирование заключается в том, что все сетевые устройства вдоль следования потока должны выделить этому потоку (агрегату) некоторую часть пропускной способности своих интерфейсов и производительности процессоров, равную средней требуемой скорости передачи данных потока. Поясним это на примере.

Пример
Предположим, что в исходном состоянии ресурсы сети, показанной на рис. 7.12, не были зарезервированы. Затем было решено выделить некоторые ресурсы сети потоку 1. Для этого необходимо знать, по крайней мере, такой параметр потока, как среднюю требуемую скорость передачи данных. Предположим, что эта скорость для потока 1 равна 15 Мбит/с, а пропускные способности всех каналов связи (а значит, и интерфейсов коммутаторов) равны 100 Мбит/с. Будем для упрощения считать, что каждый входной интерфейс оснащен собственным процессором, производительность которого превышает производительность данного интерфейса, так что процессор не может быть узким местом, и мы не будем принимать его в расчет при принятии решения о выделении ресурсов.

Рис. 7.12. Резервирование ресурсов в сетях с коммутацией пакетов

Поток 1 может быть принят на обслуживание, потому что все интерфейсы на его пути обладают достаточной для его обслуживания производительностью (15 < 100). Поэтому резервирование выполняется, и каждый интерфейс вдоль пути потока запоминает, что он уже выделил 15 Мбит/с своей производительности потоку 1.

Допустим, что после этого возникла потребность в резервировании ресурсов для потока 2, который обладает средней скоростью передачи данных 70 Мбит/с. Такое резервирование также может быть сделано, так как у всех интерфейсов вдоль маршрута потока 2 свободная (не зарезервированная) пропускная способность интерфейсов превышает 70 Мбит/с. У тех интерфейсов, через которые проходят как поток 1, так и поток 2 (интерфейсы i₃ и i₁ коммутаторов S₂ и S₃ соответственно), остается 85 Мбит/с свободной пропускной способности, а у остальных интерфейсов — 100 Мбит/с. После резервирования у интерфейсов i₃ и i₁ остается по 15 Мбит/с свободной пропускной способности.
Также оказывается успешной попытка резервирования пропускной способности для потока 3, средняя скорость которого равна 10 Мбит/с. Однако резервирование для потока 4, средняя скорость которого 20 Мбит/с, оказывается невозможным, так как у интерфейсов i₃ и i₁ осталось только по 5 Мбит/с свободной пропускной способности.

Этот пример показывает, что сеть отказывается принять на обслуживание поток, если она не может гарантировать ему требуемый уровень качества обслуживания. Мы, конечно, упростили схему резервирования ресурсов. В действительности, сеть может гарантировать потоку не только соблюдение его средней скорости, о которой мы говорили в примере, но и обеспечить другие характеристики QoS, такие как максимальная задержка, максимальная вариация задержки и допустимый уровень потерь данных. Однако для этого сеть должна знать некоторые дополнительные параметры потока, например его максимальный уровень пульсации, чтобы зарезервировать необходимое пространство в буфере.

Свободная пропускная способность для чувствительного к задержкам трафика и для эластичного трафика должна при резервировании учитываться отдельно. Чтобы обеспечить для приоритетного трафика приемлемый уровень задержек и их вариаций, максимальная суммарная резервируемая пропускная способность не должна превышать 30-50 % от общей пропускной способности каждого ресурса. Для иллюстрации этого воспользуемся предыдущим примером. Пусть мы решили отвести чувствительному к задержкам трафику 30 % пропускной способности ресурсов. Тогда, если чувствительными к задержкам являются потоки 1 и 3, то резервирование для них возможно. Если же такими потоками являются потоки 1 и 2, то нет, так как суммарная средняя скорость этих потоков равна 85 Мбит/с, что больше чем 30 Мбит/с (30 % от 100 Мбит/с).
Если мы подразумеваем, что чувствительный к задержкам трафик будет обслуживаться в приоритетной очереди, то при резервировании пропускной способности для эластичного трафика нужно учитывать, что ему может быть выделена только та часть пропускной способности, которая осталась от чувствительного к задержкам трафика. Например, если потоки 1 и 3 являются чувствительными к задержкам и мы выделили им требуемую среднюю пропускную способность 30 Мбит/с, то для эластичных потоков остается только 70 Мбит/с свободой пропускной способности.
Что же меняется в сети после того, как в ней выполнено резервирование? Ничего принципиально нового. Просто сеть оказывается загруженной рациональным образом. В ней нет ресурсов, которые работают с перегрузкой. Механизмы организации очередей по-прежнему обеспечивают временную буферизацию пакетов в периоды пульсаций. Так как мы планировали загрузку ресурсов из расчета средних скоростей передачи данных, то на периодах пульсаций в течение некоторого ограниченного времени скорости потоков могут превышать средние скорости, так что механизмы борьбы с перегрузками по-прежнему нужны. Для обеспечения требуемых средних скоростей потоков на периодах перегрузок соответствующие потоки могут обслуживаться с помощью взвешенных очередей.
Главное преимущество метода коммутации пакетов также сохраняется: если некоторый поток не расходует отведенной ему пропускной способности, то она может быть использована для обслуживания другого потока. Нормальной практикой является резервирование пропускной способности только для части потоков, в то время как другие потоки обслуживаются без резервирования, получая обслуживание по возможности (с максимальными усилиями). Временно свободная пропускная способность может для таких потоков выделяться динамически, без нарушения взятых обязательств по обслуживанию потоков, для которых ресурсы зарезервированы.
Сеть с коммутацией каналов подобного перераспределения ресурсов выполнить не может, так как у нее в распоряжении нет независимо адресуемых единиц информации — пакетов!

Пример
Проиллюстрируем принципиальное отличие резервирования ресурсов в сетях с коммутацией пакетов и в сетях с коммутацией каналов на примере автомобильного трафика. Пусть в некотором городе решили обеспечить некоторые привилегии для движения машин скорой помощи. В ходе обсуждения этого проекта возникли две конкурирующие идеи его реализации. Первый вариант предусматривал выделение для автомобилей скорой помощи отдельной полосы на всех дорогах города, недоступной для другого транспорта ни при каких условиях, даже если в какой-то период времени машин скорой помощи на дороге нет. Во втором случае для машин скорой помощи также выделялась отдельная полоса, но в отсутствии привилегированных машин по ней разрешалось двигаться и другому транспорту. В случае же появления машины скорой помощи автомобили, занимающие выделенную полосу, обязаны были ее освободить. Нетрудно заметить, что первый вариант соответствует принципу резервирования в сетях с коммутацией каналов — пропускная способность выделенной полосы монопольно используется автомобилями скорой помощи и не может быть перераспределена даже тогда, когда она им не нужна. Второй вариант является аналогией резервирования в сетях с коммутацией пакетов. Пропускная способность дороги здесь используется более эффективно, но для потока автомобилей скорой помощи такой вариант менее благоприятен, так как при необходимости освобождения полосы возникают помехи, создаваемые непривилегированными машинами.

Возвращаясь от автомобильного трафика к сетям с коммутацией пакетов, следует отметить: для того чтобы соблюсти гарантии обслуживания каждого потока, описанной схемы резервирования недостаточно. Мы предположили, что точно знаем среднюю пропускную способность и параметры пульсаций потоков. На практике такие сведения не всегда бывают достоверными. А что случится, если поток будет поступать в сеть со скоростью, превышающей ту, которую мы учитывали при резервировании? И еще один немаловажный вопрос остается открытым — как обеспечить автоматическое резервирование пропускной способности вдоль маршрута следования потока?

Для решения поставленных задач в сети необходима система обеспечения качества обслуживания, в которую помимо механизмов управления очередями входят некоторые дополнительные механизмы.

Системы обеспечения качества обслуживания, основанные на резервировании

Система обеспечения качества обслуживания имеет распределенный характер, так как ее элементы должны присутствовать на всех сетевых устройствах, продвигающих пакеты: коммутаторах, маршрутизаторах, серверах. С другой стороны, работу отдельных сетевых устройств по поддержанию характеристик QoS нужно координировать, чтобы качество обслуживания было однородным вдоль всего пути, по которому следуют пакеты потока. Поэтому служба QoS должна включать также элементы централизованного управления, с помощью которых администратор сети мог бы согласованно конфигурировать механизмы поддержания характеристик QoS в отдельных устройствах сети.
Система обеспечения качества обслуживания, базирующаяся на резервировании ресурсов, состоит из подсистем нескольких типов (рис. 7.13):

• 
  механизмов обслуживания очередей;
  
• 
  протокола резервирования ресурсов;
  
• 
  механизмов кондиционирования трафика.
  

Рис. 7.13. Архитектура системы обеспечения качества обслуживания,

основанная на резервировании ресурсов