Miary jakości usług sieci
teleinformatycznych

Wymagania



Dwa istotne punkty widzenia na wymagania są punktami widzenia

użytkownika i projektanta (operatora), których efektem są, często

odmienne, zbiory wymagań i ograniczeń.



Wymagania i ograniczenia są formułowane w różny sposób. Względnie

łatwe jest sformułowanie wymagań ilościowych. Sformułowanie

wymagań jakościowych jest trudniejsze, zwykle bowiem wiąże się z

koniecznością znajomości możliwości i ograniczeń różnych technologii

oraz technik informatycznych i telekomunikacyjnych.



Konsekwencją formułowania wymagań ilościowych i jakościowych jest

wbudowanie do sieci narzędzi pozwalających wymuszać spełnienie

wymagań oraz monitorować zmiany wartości parametrów opisujących te

wymagania.



Zwiększenie liczby i rodzaju aplikacji jednocześnie obsługiwanych w sieci

oraz wzrost złożoności sieci związane są m.in. ze zwiększeniem liczby

miar jakości stosowanych przez użytkowników sieci i dostawców usług

do formułowania wymagań i ograniczeń dotyczących działania sieci oraz

pomiaru stopnia spełniania przez nie wymagań ilościowych i

jakościowych.

Miary jakości usług



Dwie klasy miar jakości usług (ang. QoS metrics) w sieciach

komputerowych:



miary jakości połączeń (ang. call control parameters),



mają zastosowanie zarówno w sieciach, w których transfer ruchu

generowanego przez źródła jest poprzedzany ustanawianiem

fizycznego lub logicznego połączenia pomiędzy źródłem i ujściem,

tzn. w sieciach z komutacją łączy (ang. circuit-switched ), jak i w

sieciach

z

komutacją

jednostek

danych

zorientowanych

połączeniowo (ang. connection-oriented).



miary jakości transferu (ang. information transfer parameters).



są stosowane w sieciach, niezależnie od sposobów udostępniania

ich zasobów do obsługi ruchu, tzn. zarówno w sieciach

zorientowanych połączeniowo, jak i w sieciach datagramowych.

Różne miary jakości transferu stosuje się w zależności od klasy

transferowanego w sieci ruchu.



Na ogół przyjmuje się podział miar jakości obsługi ruchu wrażliwego na

straty (ang. loss-sensitive) i wrażliwego na opóźnienia (ang. delay-

sensitive).

Miary jakości połączeń



Czas ustanowienia połączenia



Czas rozłączenia połączenia



Prawdopodobieństwo akceptacji połączenia



Prawdopodobieństwo blokady (dla różnych
typów blokad)

Miary jakości transferu



Do charakteryzowania wymagań użytkowników, opisu usług

dostarczanych przez sieci, podejmowania decyzji o akceptacji lub

odrzuceniu żądań dostępu, podejmowania decyzji o rozdziale

zasobów itp. stosuje się różne miary jakości transferu.



Nie wszystkie możliwe miary jakości transferu są stosowane i

jednakowo przydatne do formułowania wymagań wszystkich

możliwych aplikacji i szacowania jakości usług dostarczanych przez

różne sieci.



Od zbiorów miar jakości, definiowanych dla poszczególnych

aplikacji i sieci, wymaga się ich dopasowania do specyfiki aplikacji i

sieci oraz zdolności do transformacji odpowiednich charakterystyk

aplikacji na odpowiednie charakterystyki sieci i odwrotnie. Miary

jakości mogą mieć różny zakres zastosowania i inną interpretację.



Zastosowanie i interpretacja takiej samej miary jakości transferu

zależą od aplikacji, klas ruchu generowanego przez te aplikacje

oraz typu sieci obsługującej generowane klasy ruchu.

Miary jakości transferu



Przykłady miar jakości, których przydatność zależy od klasy aplikacji:



prawdopodobieństwo strat jednostek danych w czasie ich transmisji w sieci - jest

stosowana do aplikacji niewrażliwych na straty i wrażliwych na opóźnienia (np.

transmisja głosu), nie jest natomiast przydatna do charakteryzowania aplikacji

niewrażliwych na opóźnienia i wrażliwych na straty (np. transmisja danych),



opóźnienie jednostek danych – gdy jest większe od założonej wartości, może być

interpretowane jako błąd w obsłudze aplikacji czasu rzeczywistego, nie jest

natomiast częścią definicji błędu w obsłudze aplikacji niewrażliwych na

opóźnienia.



Wymagania stawiane definiowanym zbiorom miar jakości są następujące:



dopasowane do aplikacji (gwarancja możliwości charakteryzacji klasy aplikacji i

dokładnego opisu jej wymagań),



dopasowane do procedur i mechanizmów stosowanych w sieci (gwarancja

możliwości opisu tych procedur i mechanizmów na potrzeby szacowania ich

wpływu na jakość obsługi ruchu w sieci),



skalowalne przestrzennie (gwarancja możliwości opisu lokalnych, jak i globalnych

charakterystyk sieci, bez konieczności specyfikacji architektury sieci),



elastyczne (tzn. gwarancja możliwości uzyskania różnej precyzji i dokładności dla

różnej złożoności obliczeniowej).

Miary jakości transferu



Stopa błędów (pojedynczych i grupowych)



Współczynnik strat jednostek danych



Współczynnik „wtrącania” jednostek danych



Opóźnienie transferu jednostek danych



Zmienność opóźnienia



Asymetria



Czas oczekiwania na odtwarzanie



Wierność odtwarzania



...

Stopa błędów



Elementarna stopa błędów BER (ang. bit error ratio) - wartość

średnia ilorazu liczby błędów elementarnych w polu informacyjnym

jednostki danych i całkowitej liczby bitów w nim transmitowanych.



Ze względu na to, że nie ma systemu transmisyjnego

gwarantującego bezbłędną transmisję, stopa błędów jest zawsze

różna od zera.



Stosowane metody kompensacji błędów zależą od wrażliwości na

błędy aplikacji obsługiwanych przez dany system transmisyjny oraz

architektury sieci. Na ogół stosowane są trzy klasy rozwiązań:



detekcja i korekcja błędów są realizowane przez protokół łącza transmisji danych,



detekcja i korekcja błędów są realizowane w jednej z warstw nadrzędnych

warstwy transmisji danych, tzn. w protokole warstwy transmisji danych nie ma

mechanizmów detekcji i kompensacji błędów,



błędy transmisji nie są wykrywane i korygowane ani w warstwie transmisji

danych, ani w żadnej innej warstwie architektury sieci; zadania detekcji i korekcji

błędów są zadaniami użytkownika sieci.

Współczynnik strat



Współczynnik strat jednostek danych (ang. loss ratio) - wartość średnia

ilorazu liczby jednostek danych traconych w sieci i liczby wszystkich

jednostek wysyłanych przez źródło (w ramach połączenia, przepływu, w

sieci itd.).



Wyróżnia się dwie przyczyny strat jednostek danych w sieci:



przepełnienie buforów odbiorczych w węzłach komutacji ruchu,



występowanie niewykrywalnych i niekorygowalnych błędów elementarnych w nagłówkach

jednostek danych,



Efekty strat jednostek danych i działania podejmowane w razie wystąpienia

straty jednostki danych są różne i zależą od klasy aplikacji obsługiwanych w

sieci.



Poziom strat jednostek danych na ogół rośnie wraz ze zwiększeniem

szybkości transmisji i komutacji, wymuszając stosowanie rozwiązań

zapobiegających stratom lub niwelującym konsekwencje strat dla aplikacji.



Ze względu na klasę aplikacji oraz architekturę sieci można wyróżniać mniej

lub bardziej korzystne rozkłady strat jednostek danych (np. w transmisji

wideo korzystniejsze są pojedyncze straty jednostek danych, natomiast w

systemach transmisji danych korzystniejsze jest ich występowanie w postaci

„paczek”).

Współczynnik „wtrącania”



Współczynnik wtrącania jednostek danych (ang. insertion ratio) - wartość

ilorazu liczby dostarczanych jednostek danych do liczby wszystkich wysłanych

jednostek danych (w połączeniu, w przepływie, w sieci itd.).



Przyczyna - w sieciach, wraz ze zwiększeniem szybkości transmisji i komutacji,

rośnie prawdopodobieństwo wystąpienia błędów elementarnych, powodujących

niewykrywalne i niekorygowalne zmiany w nagłówkach jednostek danych,

których rezultatem jest dostarczanie jednostek danych pod niewłaściwy adres.



Przykładem znaczenia omawianej miary jakości są sieci ATM, gdzie

współczynnik „wtrącenia” komórki CIR (ang. cell insertion rate) jest jedną z

podstawowych miar jakości.



Inną wyróżnianą przyczyną „wtrącania” jest identyfikacja jednostek danych

przepływów na podstawie zredukowanej reprezentacji nagłówka jednostki

danych.



Wykrywanie, zapobieganie i kompensacja „wtrącenia” jednostek danych, są

zadaniami trudniejszymi od analogicznych zadań w przypadku strat.



W zależności od klasy aplikacji odebranie nieoczekiwanej, „wtrąconej” jednostki

danych przez ujście może powodować zaburzenia lub utratę synchronizacji,

wzrost ilości ruchu obsługiwanego przez połączenia, przeciążenia będące

źródłem degradacji jakości usług.

Opóźnienie



Opóźnienie



kodowania



pakietyzacji



propagacji



transmisji



komutacji



kolejkowania



przetwarzania



Odtwarzania



...

Model opóźnienia

Algorytm cieknącego wiadra



całkowita liczba jednostek danych n(t), które mogą być
wysłane przez źródło w przedziale czasu o długości T, jest
ograniczona liniowo: n (T )  v

ZN

+ b

ZN

,



szybkość napływu znaczników (v

ZN

) odpowiada średniej

szybkości transferu pakietów,



możliwe jest wysłanie paczki jednostek danych przez źródło,
ale maksymalny rozmiar paczki nie może być większy od
pojemności bufora znaczników (b

ZN

),



jeżeli źródło wysyła jednostki danych z szybkością mniejszą od
szybkości nadchodzenia znaczników (v

ZN

), to liczba znaczników

w buforze znaczników rośnie; w granicznym przypadku liczba
znaczników w buforze znaczników może być równa jego
pojemności (b

ZN

).

Opóźnienie





















































C

v

C

b

C

v

v

C

v

v

v

C

C

v

b

v

C

v

C

b

d

ZN

ZN

ZN

ZN

ZN

ZN

ZN

gdy

gdy

0

gdy

)

(

)

(

,

gdy

max

max

max

max

max

max

Zmienność opóźnienia

Zmienność opóźnienia

Obsługa opóźnienia

Obsługa opóźnienia

Obsługa opóźnienia

Asymetria



Asymetrię (ang. skew) definiuje się jako
różnicę czasów prezentacji dwóch wzajemnie
związanych strumieni jednostek danych, np.
obrazu i głosu.



Dla aplikacji multimedialnych wymagania w
omawianym zakresie są formułowane w
postaci asymetrii zgrubnej (ang. coarse skew) i
asymetrii dokładnej (ang. fine skew).

Czas oczekiwania na odtwarzanie



Czas oczekiwania na odtwarzanie (ang. latency) - różnica pomiędzy

czasem generowania sygnału przez nadajnik i czasem odtwarzania go

w odbiorniku. W aplikacjach odtwarzania dźwięku (ang. playback)

czas oczekiwania na odtwarzanie jest równy przesunięciu opóźnienia.



Czas oczekiwania na odtworzenie jest sumą czasów: oczekiwania na

transfer, transferu przez sieć i oczekiwania na wyprowadzenie z

pamięci buforowej odbiornika.



Różne aplikacje charakteryzują się różną wrażliwością na długość

czasu oczekiwania na odtwarzanie; niektóre z nich (np. transmisja

głosu) są bardzo wrażliwe na czas oczekiwania na odtwarzanie

nadanego sygnału.



Wartość górnej granicy czasu oczekiwania na odtwarzanie, po

przekroczeniu której jakość aplikacji gwałtownie spada, jest pojęciem

subiektywnym lub obiektywnym. W przypadku transmisji głosu

wartość górnej granicy czasu oczekiwania na odtwarzanie jest

determinowana fizjologią słuchu i zawiera się w przedziale 100300

ms.

Wierność odtwarzania



Straty jednostek danych (straty w sieci, przekroczenia wartości górnej

granicy przesunięcia opóźnienia i odkształcenia podstawy czasu jednostek

danych) powodują degradację wierności odtwarzania (ang. fidelity).



Niezależnie od tego, czy wzrost opóźnienia jednostek danych powoduje

zwiększanie przesunięcia opóźnienia, czy też utratę jednostki danych i

zastępowanie jej jednostką zastępczą, wierność odtwarzania spada.



Zależność pomiędzy przesunięciem opóźnienia a wiernością odtwarzania

jest zamienna (ang. trade-of). Zwiększanie wierności odtwarzania jest

możliwe przez zwiększanie (w najgorszym razie do maksymalnej,

dopuszczalnej wartości) przesunięcia opóźnienia (minimalizującego liczbę

traconych jednostek danych), powodującego spadek jakości odbioru.



Zmniejszanie przesunięcia opóźnienia, które powoduje wzrost jakości

odbioru, odbywa się za cenę zwiększenia liczby traconych jednostek

danych, powodującego spadek wierności odtwarzania.



Jakość odbioru jest następstwem kompromisu pomiędzy przesunięciem

opóźnienia i wiernością odtwarzania.

Podsumowanie



Wybór miar jakości usług dostarczanych w sieciach zależy od celu

gromadzenia informacji dotyczących jakości działania sieci.



Z punktu widzenia użytkownika sieci istotne są tylko te miary jakości

usług, które charakteryzują procesy wymiany danych pomiędzy

systemami końcowymi i których wartość wpływa na jakość

użytkowania aplikacji, tzn. miary jakości transferu danych w sieci.



Istotne jest, aby stosowane miary jakości były dopasowane do aplikacji

implementowanych w systemach końcowych. Celem wyboru miar

istotnych dla użytkownika jest monitorowanie stopnia realizacji

wymagań ilościowych i jakościowych w obsłudze generowanego ruchu.



Z punktu widzenia operatora sieci wartości miar jakości istotnych dla

użytkownika są ograniczeniami, które muszą być spełnione w

zadaniach maksymalizacji stopnia wykorzystania zasobów.



Liczba miar jakości stosowanych w systemach zarządzania i

monitorowania ruchu jest znacznie większa od liczby miar jakości

transferu danych.