Приоритетное обслуживание

Алгоритмы приоритетного обслуживания очень популярны во многих областях вычислительной техники, в частности в операционных системах, когда одним приложениям нужно отдать предпочтение перед другими при обработке их в муль­типрограммной смеси. Применяются эти алгоритмы и для преимущественной по сравнению с другими обработки одного класса трафика.

Механизм приоритетного обслуживания основан на разделении всего сетевого трафика на небольшое количество классов и последующего назначения каждому классу некоторого числового признака — приоритета.

Классификация трафика представляет собой отдельную задачу. Пакеты могут разбиваться на приоритетные классы на основании различных признаков: адреса назначения, адреса источника, идентификатора приложения, генерирующего этот трафик, любых других комбинаций признаков, которые содержатся в заголовках пакетов. Правила классификации пакетов представляют собой часть политики администрирования сети.

Точка классификации трафика может размещаться в каждом коммуникационном устройстве. Более масштабируемое решение — размещение функций классифи­кации трафика в одном или нескольких устройствах, расположенных на границе сети (например, в коммутаторах корпоративной сети, к которым подключаются компьютеры пользователей, или во входных маршрутизаторах сети поставщика услуг). В этом случае необходимо специальное поле в пакете, в котором можно запомнить назначенное значение приоритета, чтобы им могли воспользоваться остальные сетевые устройства, обрабатывающие трафик после классифицирую­щего устройства. Такое поле имеется в заголовке многих протоколов. В тех же случаях, когда специального поля приоритета в заголовке нет, разрабатывается
дополнительный протокол, который вводит новый заголовок с таким полем (так произошло, например, с протоколом Ethernet).

Приоритеты могут назначаться не только коммутатором или маршрутизатором, но и приложением на узле-отправителе. Необходимо также учитывать, что если в сети отсутствует централизованная политика назначения приоритетов, каждое сетевое устройство может не согласиться с приоритетом, назначенным данному пакету в другой точке сети. В этом случае оно перепишет значение приоритета в соответствии с локальной политикой, принятой непосредственно на данном устройстве.

В сетевом устройстве, поддерживающем приоритетное обслуживание, имеется несколько очередей (буферов), по одной для каждого приоритетного класса. Па­кет, поступивший в период перегрузок, помещается в очередь, соответствующую его приоритетному классу^[18]. На рис. 7.9 приведен пример использования четырех приоритетных очередей с высоким, средним, нормальным и низким приори­тетом. До тех пор пока из более приоритетной очереди не будут выбраны все имеющиеся в ней пакеты, устройство не переходит к обработке следующей, ме­нее приоритетной очереди. Поэтому пакеты с низким приоритетом обрабатыва­ются только тогда, когда пусты все вышестоящие очереди: с высоким, средним и нормальным приоритетами.

Размер буфера сетевого устройства определяет максимальную длину очереди ожидающих обслуживания пакетов, если пакет поступает при заполненном бу­фере, то он просто отбрасывается. Обычно по умолчанию всем приоритетным очередям отводятся одинаковые буферы, но многие устройства разрешают адми­нистратору назначать каждой очереди буфер индивидуального размера. Размер буфера определяется в идеальном случае таким образом, чтобы его хватало с неко­торым запасом для хранения очереди среднестатистической длины. Однако ус­тановить это значение достаточно сложно, так как оно изменяется в зависимости
от нагрузки сети, поэтому требуется постоянное и длительное наблюдение за ра­ботой сети. В общем случае, чем выше значимость трафика для предприятия, чем больше его интенсивность и пульсации, тем больший размер буфера требу­ется этому трафику. В примере, приведенном на рис. 7.9, для трафика высшего и нормального приоритета выбраны большие размеры буферов, а для остальных двух классов — меньшие. Мотивы принятого решения для высшего приоритета очевидны, а трафик нормального приоритета имеет, очевидно, высокую интен­сивность и значительный коэффициент пульсаций.

Приоритетное обслуживание очередей обеспечивает высокое качество обслужи­вания для пакетов из самой приоритетной очереди. Если средняя интенсивность их поступления в устройство не превосходит пропускной способности выходно­го интерфейса (и производительности внутренних продвигающих блоков самого устройства), то пакеты высшего приоритета всегда получают ту пропускную способность, которая им нужна. Уровень задержек высокоприоритетных пакетов также минимален. Однако он не нулевой и зависит в основном от характеристик потока этих пакетов — чем выше пульсации потока и его интенсивность, тем ве­роятнее возникновение очереди, образованной пакетами данного высокоприори­тетного потока. Трафик всех остальных приоритетных классов почти прозрачен для пакетов высшего приоритета. Слово «почти» относится к ситуации, когда высокоприоритетный пакет вынужден ждать завершения обслуживания низко­приоритетного пакета, если его приход совпадает по времени с началом продви­жения низкоприоритетного пакета на выходной интерфейс.

Что же касается остальных приоритетных классов, то качество их обслуживания будет ниже, чем у пакетов самого высокого приоритета, причем уровень сниже­ния может быть очень существенным. Если коэффициент нагрузки выходного интерфейса, определяемый только трафиком высшего приоритетного класса, приближается в какой-то период времени к единице, то трафик остальных клас­сов просто на это время замораживается. Поэтому приоритетное обслуживание обычно применяется для класса трафика, чувствительного к задержкам, имею­щего небольшую интенсивность. При таких условиях обслуживание этого класса не слишком ущемляет обслуживание остального трафика. Например, голосовой трафик чувствителен к задержкам, но его интенсивность обычно не превышает 8-16 Кбит/с, так что при назначении ему высшего приоритета ущерб остальным классам трафика будет не очень значительным.

Однако в сети могут наблюдаться и другие ситуации. Например, видеотрафик также требует приоритетного обслуживания, но имеет гораздо более высокую интенсивность. Для таких случаев разработаны алгоритмы обслуживания очере­дей, дающие низкоприоритетному трафику некоторые гарантии даже в периоды повышения интенсивности высокоприоритетного трафика.

Внимательный читатель, очевидно, уже обратил внимание на то, что при описа­нии работы приоритетных очередей фигурировали не отдельные потоки, а клас­сы трафика. Это важная особенность, которая относится не только к приоритет­ным алгоритмам, но и ко многим другим механизмам поддержания качества обслуживания.

Сеть может обслуживать трафик с различной степенью гранулярности. Отдель­ный поток представляет собой минимальную единицу обслуживания, которую принимают во внимание механизмы обеспечения заданных параметров QoS. Если мы обеспечиваем каждому потоку собственные параметры QoS, то это поддержа­ние качества обслуживания на уровне потоков. Если мы объединяем несколько потоков в единый поток и перестаем различать отдельные потоки при обеспе­чении параметров QoS, то это поддержание качества обслуживания на уровне классов трафика. Такие классы также называют агрегатами трафика.

ВНИМАНИЕ --------------------------------------------------------------------------------------------------------

Для того чтобы потоки можно было объединить в агрегат, нужно, чтобы они предъявляли одинаковые требования к качеству обслуживания и имели общие точки входа в сеть и вы­хода из сети.