Качество обслуживания (QoS)

Управление перегрузками и механизмы обслуживания очередей

Наиболее часто перегрузка сети возникает в местах соединения коммутаторами сетей с разной полосой пропускания. В случае возникновения перегрузки сети пакеты данных начинают буферизироваться и распределяться по очередям. Порядок передачи через выходной интерфейс поставленных в очередь пакетов на основе их приоритетов определяется механизмом обслуживания очередей (Queueing mechanism), который позволяет управлять пропускной способностью сети при возникновении перегрузок.

Рис. 15.4. Возникновение перегрузки в сети

Механизм управления перегрузками (Congestion management) включает следующие механизмы обслуживания очередей:

• механизм FIFO (First-In, First-Out);
• очереди приоритетов (Priority Queueing);
• взвешенный алгоритм кругового обслуживания (Weighted Round Robin, WRR);
• настраиваемые очереди (Custom Queueing).

В коммутаторах D-Link для обслуживания очередей используются взвешенный алгоритм кругового обслуживания, очереди приоритетов и комбинации этих методов.

Механизм обслуживания очередей FIFO ("первым пришел, первым ушел") передает пакеты, поставленные в очередь в том порядке, в котором они поступили в нее. Этот механизм не обеспечивает классификации пакетов и рассматривает их как принадлежащие одному классу.

Рис. 15.5. Очередь FIFO

Очереди приоритетов со строгим режимом (Strict Priority Queue) предполагают передачу трафика строго в соответствии с приоритетом выходных очередей. В этом механизме предусмотрено наличие 4-х очередей — с высоким, средним, обычным и низким приоритетами обслуживания. Пакеты, находящиеся в очереди с высоким приоритетом, обрабатываются первыми. Пакеты из следующей по приоритету обслуживания очереди начнут передаваться только после того, как опустеет высокоприоритетная очередь. Например, пакеты из средней по приоритету очереди не будут передаваться до тех пор, пока не будут обслужены пакеты из высокоприоритетной очереди. Пакеты из очереди с нормальным приоритетом не начнут передаваться до тех пор, пока не опустеет очередь со средним приоритетом и т.д.

Следует отметить, что пакеты очереди с высоким приоритетом всегда получают предпочтение при обслуживании независимо от количества пакетов в других очередях и времени, прошедшего с момента передачи последнего пакета из очереди с низким приоритетом. В некоторых случаях это может привести к "зависанию" обслуживания низкоприоритетного трафика, т.е. пакеты из очередей с низким приоритетом долго не будут обрабатываться.

По умолчанию на коммутаторах D-Link настроены очереди приоритетов со строгим режимом.

Рис. 15.6. Очереди приоритетов со строгим режимом

Еще одним механизмом обслуживания очередей является взвешенный алгоритм кругового обслуживания (Weighted Round Robin, WRR). Этот механизм исключает главный недостаток очередей приоритетов, обеспечивая обработку очередей в соответствии с назначенным им весом и предоставляя полосу пропускания для пакетов из низкоприоритетных очередей.

Рис. 15.7. Обслуживание очередей с использованием алгоритма WRR

Процесс обработки очередей осуществляется по круговому принципу, начиная с самой приоритетной очереди. Из каждой непустой очереди передается некоторый объем трафика, пропорциональный назначенному ей весу, после чего выполняется переход к следующей по убыванию приоритета очереди и т.д. по кругу.

Механизм предотвращения перегрузок

Механизм предотвращения перегрузок (Congestion avoidance) — это процесс выборочного отбрасывания пакетов во избежание перегрузок в сети в случае достижения выходными очередями своей максимальной длины (в пакетах).

Традиционной политикой обработки пакетов коммутаторами в случае переполнения всех выходных очередей является их отбрасывание, которое продолжается до тех пор, пока длина очередей не уменьшится за счет передачи находящихся в них пакетов. Такой алгоритм управления длиной выходных очередей получил название "отбрасывание хвоста" (Tail-Drop). Отбрасывание пакета будет служить сигналом о перегрузке сети источнику ТСР-соединения, т.к. он не получит подтверждения о доставке пакета от приемника ТСР-соединения. В этом случае он уменьшит скорость передачи путем уменьшения размера окна перегрузки до одного сегмента и перезапустит алгоритм медленного старта (slow start).

Поскольку коммутатор обрабатывает множество ТСР-потоков в один момент времени, отбрасывание пакетов послужит сигналом о перегрузке тысячам источникам ТСР-соединений, которые снизят скорость передачи. При этом почти все источники ТСР-соединений будут использовать одинаковое время таймеров задержки перед началом увеличения скорости передачи. Значения этих таймеров достигнут своего лимита практически одновременно, что вызовет увеличение интенсивности трафика и переполнение очередей, которое приведет к отбрасыванию пакетов, и весь процесс повторится вновь.

Процесс, когда каждый источник ТСР-соединения уменьшает и увеличивает скорость передачи одновременно с другими источниками ТСР-соединений, получил название эффекта глобальной синхронизации (global synchronization). Эффект глобальной синхронизации приводит к неэффективному использованию полосы пропускания, а также к возрастанию задержки передачи пакетов.

Для решения проблемы поведения источников ТСР-соединения в момент отбрасывания пакетов был разработан алгоритм произвольного раннего обнаружения (Random Early Detection, RED).

В отличие от алгоритма "отбрасывания хвоста", алгоритм RED отбрасывает поступающие пакеты вероятностно, на основе оценки среднего размера очередей. Он не дожидается полного заполнения очередей, а начинает отбрасывать пакеты с некоторой вероятностью, когда средний размер очереди превысит определенное минимальное пороговое значение. Это позволяет избежать эффекта глобальной синхронизации, т.к. будут отбрасываться не все пакеты, а только пакеты произвольным образом выбранных потоков.

В коммутаторах D-Link поддерживается простой алгоритм произвольного раннего обнаружения (Simple Random Early Detection, SRED), который является расширенной версией алгоритма RED, реализованной на основе ASIC, и выполняет вероятностное отбрасывание входящих "окрашенных" пакетов. "Окрашивание" пакетов позволяет реализовать разные политики обслуживания пакетов (различную вероятность отбрасывания) на основе их приоритетов. Так пакеты, "окрашенные" в зеленый цвет обладают наивысшим приоритетом. Пакеты "окрашенные" в желтый цвет — средним, в красный цвет — низшим приоритетом.

Алгоритм SRED позволяет задавать два пороговых значения размера для каждой очереди — минимальное и максимальное. Если длина очереди меньше минимального порогового значения, то пакеты будут помещаться в очередь. Если размер очереди будет находиться в интервале между минимальным и максимальным пороговыми значениями, т.е. будет наблюдаться умеренная перегрузка, то пакеты, "окрашенные" в красные и желтые цвета, будут отбрасываться с заданной вероятностью. Если длина очереди превысит максимальное пороговое значение, то пакеты любых цветов будут отбрасываться с заданной вероятностью. Т.е. алгоритм SRED обеспечивает возможность настройки более интенсивного отбрасывания пакетов низкоприоритетного трафика и менее интенсивного отбрасывания пакетов высокоприоритетного трафика.

В коммутаторах D-Link при настройке SRED существует возможность выбора из восьми значений скоростей (вероятностей) отбрасывания пакетов: