Miary jakości usług sieci
teleinformatycznych
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 100300
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.