Введение в MPLS, TE и QoS
Семёнов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ), book.itep.ru
1. Базовые предпосылки
Интернет - это система взаимодействия удаленных программ. Совместимость этих программ гарантируется тем, что они следуют определенным регламентациям (протоколам). Управление трафиком представляет собой проблему, ставшую актуальной за последние несколько лет (если не считать составляющую, сопряженную с управлением перегрузкой).
Период экстенсивного развития сети Интернет завершился несколько лет тому назад даже в РФ. Сейчас многие сервис-провайдеры пытаются привлечь клиентов дополнительными информационными услугами IP-телефония, интерактивные игры, доступ к разнообразным базам данных и депозитариям, электронным магазинам, видеоконференции, видео-телефония и т. д. Клиенты же ищут не просто доступа к Интернет, а интересуются полосой пропускания, безопасностью, стабильностью связи. Именно с этим сопряжен бум разработок основополагающих документов (RFC) в последние 5 лет. По этой причине многие компании, в первую очередь производящие сетевое оборудование, уделяют повышенное внимание средствам управления трафиком (ТЕ) и QoS.
Если рассмотреть ситуацию на уровне L2, здесь имеется сильная зависимость от физического уровня (L1). В сетях с маркерным доступом (Token Ring или FDDI, см. ) существуют механизмы управления приоритетом и способы контроля доступа, гарантирующие определенное значение задержек сетевого отклика. В сетях ISDN и в особенности в ATM предусмотрен целый арсенал средств управления, работающих на фазе установления виртуального канала (процедура SETUP). Для Ethernet до последнего времени ситуация была много хуже. Здесь только некоторые переключатели поддерживают VLAN. Технология виртуальных сетей L2 позволяет сформировать в локальной сети соединение точка-точка. В таком соединении можно гарантировать пропускную способность на уровне 10/100Мбит/c. К сожалению VLAN L2 создаются и модифицируются, как правило администратором, но можно эту проблему перепоручить сценарию, например, на PERL, работающему с демоном SNMP сетевого прибора. В такой сети можно также гарантировать низкий уровень разброса времени реакции сети. Если сформировать VLAN с числом узлов (N) больше двух, можно гарантировать полосу лишь не ниже (10/100)/N. Для произвольной сети Ethernet никаких гарантий на уровне L2 предоставить нельзя. Здесь можно рассчитывать только на вышележащие уровни (IP/TCP/UDP).
Принципы организации приоритетного трафика на уровне L2 рассмотрены в стандарте 802.1р. Стандарт 802.1р является частью стандарта 802.1D (мостовые соединения). В протоколе 802.1Q определена 4-байта метки (смотри рис.1). Поле EtherType=TPID (Tagged Protocol Identifier) содержит код 0x8100. Это поле соотвествует полю тип протокола стандартного поля кадра Ethernet и указывает на необходимость обработки кадра согласно требованиям IEEE 802.1Q. Смотри .
Рис. 1. Формат меток VLAN на уровне L2 (стандарт 802.1р).
Поле приоритета пользователя - 3 бита, 1-битовое поле CFI (Canonical Format Identifier) и 12-битовое поле VID (идентификатор виртуальной сети) называются TCI (Tagged Control Information). 3-битовое поле IP-приоритета размещается здесь без проблем. После введения метки в кадр нужно пересчитать контрольную сумму FCS. Канальный уровень в этом случае должен поддерживать множественные очереди. Добавление метки может привести к превышению предельно допустимой длины кадра (1518 байт). В этой связи IEEE разрабатывает спецификацию 802.3ас, где максимальная длина кадра равна 1522 октета. Группа IETF, разрабатывающая систему обеспечения требуемого уровня услуг на специфических нижних уровнях ISSLL (Integrated Services over Specific Lower Layers), предлагает способы отображения запросов протокола резервирования уровня L3 (RSVP) на 802.1р с помощью системы управления полосой пропускания субсети SBM (Subnet Bandwidth Manager). Смотри . Протокол SBM предполагает, что одна из станций в субсети выполняет функцию DSBM (Designated SBM), и осуществляет управление доступом для всех запросов на резервирование ресурсов, посылаемых DSBM-клиентами. При работе протокола SBM используются мультикатсинг-адреса 224.0.0.17 (все станции прослушивают этот адрес), а DSBM-кандидаты прослушивают - 224.0.0.16. Данная технология может использоваться, например, в IP-телефонии (TDMoIP - Time Division Multiplexing over IP)). В этом случае UDP-порт порт получателя = 2142.
Топология связей в локальной сети на уровне L3 определяется протоколами маршрутизации (статическими или динамическими - RIP, OSPF, IGRP). В последнее время поставщики сетевого оборудования стали предлагать устройства уровня L2, способные осуществлять отбор пакетов на уровне L3 и даже L4 (TCP/UDP). В принципе ничто не мешает создать сетевые переключатели уровня L2, способные гарантировать пропускную способность, минимизировать вероятность потери пакета и т.д.
Любые способы управления трафиком на уровне L3 для сетей, работающих в рамках стека протоколов TCP/IP, в настоящее время базируются на возможностях этих транспортных протоколов (IP, UDP, TCP).
Протокол (см. ) предусматривает задание значение ToS, определяемое соответствующим полем заголовка. Одно-октетное поле тип сервиса (TOS - Type Of характеризует то, как должна обрабатываться дейтограмма.
Субполе приоритет предоставляет возможность присвоить код приоритета каждой дейтограмме. Значения приоритетов приведены в таблице (в настоящее время это поле не используется).
0 Обычный уровень
1 Приоритетный
2 Немедленный
3 Срочный
4 Экстренный
5 CEITIC/ECP
6 Межсетевое управление
7 Сетевое управление
В новейших разработках (RFC-2474, Definition of the Differentiated Services Field (DS Field) in the IPv4 and IPv6 Headers) поле TOS заменено на поле DSCP (Differentiated Services Code Point), где младшие 6 бит выделены для кода DS (Differentiated Services), а старшие два бита пока не определены и их следует обнулять.
До середины 90-х годов поле TOS в большинстве реализаций игнорировалось. Но после начала разработок средств обеспечения качества обслуживания (QoS) внимание к этому возрасло. Появилось предложение замены поля TOS на поле DSCP (Differenciated Services Code Point), которое также имеет 8 бит (см. RFC-2474). Смотри рис. 2. Биты CU пока не определены. Иногда это поле называется байтом DS (Differenttiated Services).
Рис. 2. Формат поля DSCP.
Биты DS0-DS5 определяют селектор класса. Значения этого кода представлены в таблице ниже. Стандартным значением DSCP по умолчанию является 000000.
| Селектор класса | DSCP |
| Приоритет 1 | 001000 |
| Приоритет 2 | 010000 |
| Приоритет 3 | 011000 |
| Приоритет 4 | 100000 |
| Приоритет 5 | 101000 |
| Приоритет 6 | 110000 |
| Приоритет 7 | 111000 |
На базе DSCP разработана технология "пошагового поведения" PHB (per Hop Behavior). В рамках этой политики определяются коды DSCP внутри классов. Например, для политики немедленной переадресации EF рекомендуемое значение DSCP=101110. Эта политика соответствует наиболее высокому уровню обслуживания.
В маршрутизаторах компании CISCO Systems для классификации пакетов и выбора очередей используются два младших бита из трех. По умолчанию классу 0 выделяется 10% полосы, а классам 1, 2 и 3 - 20%, 30% и 40%, соответственно. Для очередей, основанных на классах QoS, пакеты, не принадлежащие ни одной группе, относятся к группе 0 и автоматически получают 1% от общей пропускной способности группы. Общий вес остальных групп не может превышать 99%. При наличии нераспределенной полосы, она относится к группе 0.
В протоколе IPv6 поле приоритет имеет 4 бита (см. ). Биты C, D, T и R характеризуют пожелание относительно способа доставки дейтограммы. В таблице 1 приведены стандартизованные значения поля Type of Service (TOS) IP-пакета.
Таблица .1. Значения TOS для разных протоколов (DTRC)
Процедура
FTP данные
UDP
TCP
SMTP данные
Помимо перечисленных значений может рассматриваться значение “Максимальная безопасность”. Строго говоря, значения TOS и QOS не эквивалентны, но именно значение ToS является базой для задания QoS. Присваивая при формировании IP-пакета определенное значение поля ToS, прикладная программа может попытаться реализовать определенные ограничения на QoS. Это поле может анализироваться маршрутизаторами, которые поддерживают протокол RSVP. В протоколе UDP нет никаких механизмов управления трафиком. Кое-что предлагает набор протоколов RTP/RTCP, предназначенный для мультимедийных приложений (например, позволяет ликвидировать влияние разброса времени доступа в каналах Ethernet на качество воспроизведения изображения и звука.). Некоторые приложения и сетевые приборы способны сигнализировать о перегрузке (потере пакетов из-за переполнения буферов), посылая ICMP(4).
Протокол (смотри ) имеет в заголовке 6-битовое поле флаги (значения представлены в таблице 2). Значения битов флаги предоставляет дополнительные возможности управления.
Таблица 2. Значения бит поля флаги
Обозначение битов (слева на право) поля флаги
Указанные выше поля заголовков представляют собой основу существующих методов управления трафиком. Конечно, можно использовать и поля данных, но для этого нужно, чтобы это стало международным стандартом.
Существенную проблему составляет необходимость идентифицировать пакеты, принадлежащие определенному процессу. Эта задача легко решается только в рамках протокола IPv6. Там в заголовке предусмотрено поле метка потока. Некоторые возможности предоставляет также протокол MPLS.
