Q

QoS

QoS (англ. quality of service) — это возможность сети обработать особо важный трафик при ограниченных текущих возможностях. QoS предоставляет приоритет в обработки некоторым классам данных при ограниченной пропускной способности маршрутизатора.

Технология умеет расставлять приоритеты, определять, какой трафик в данный момент важнее для пользователя и предоставлять ему значительный объем ширины канала. При грамотной отладке QoS потоковое видео будет воспроизводиться без задержек, пока загружается большой файл, а видеоконференция в ZOOM не будет заикаться, даже если коллеги в соседнем кабинете смотрят Netflix.

Рассказываем, как это работает подробнее.

Как работает QoS

Почти всегда качество интернет-трафика определяется 4 параметрами:

  1. Битрейтом или скоростью передачи данных — определяет максимально допустимую скорость обработки трафика. Обычно измеряется в мегабитах в секунду — Mbit/s
  2. Длительностью задержки при передаче пакета данных. Обычно измеряется в миллисекундах
  3. Показателем джиттера — фазовых колебаний цифрового сигнала
  4. Объемом утраченных данных

Если в офисе высокая нагрузка на сеть, каждый из этих параметров может пострадать, в результате пользователь получает некачественное интернет соединение — видео тормозит, файлы не загружаются, звонки прерываются. QoS помогает решить эту проблему. Он эффективно разделяет пропускную способность и выделяет приоритетный трафик.

Представим, что канал связи — это труба, а диаметр — это его пропускная способность. Интенсивный трафик может создавать заторы на входе в эту трубу, такой себе эффект «бутылочного горлышка». Обычно в такой ситуации при приеме и отправке данных через маршрутизатор работает принцип обычной очереди: кто первый пришел, тот первый прошел. Если данных слишком много, все пакеты, не вошедшие в буфер очереди, утрачиваются.

QoS устраняет эту проблему, применяя принцип «умной очереди». Он выстраивает пакеты данных в порядке приоритета в зависимости от метки типа сервиса, присвоенной каждому пакету.QoS дает приоритет пакетам данных с меткой конкретного типа и выделяет им большую часть полосы сети. Данные с меткой более низкого приоритета становятся очередь и ждут, пока пропускная способность улучшится

Классификация данных. QoS предполагает деление входящего трафика с помощью инструментов классификации. Это позволяет администратору сети контролировать доступ и отдавать приоритет более важным приложениям. Входящие пакеты данных могут быть классифицированы по порту, IP-адресу, названию приложения, пользователю.

Управление очередью. Когда трафик классифицирован, инструменты управления очередью и полосой пропускания получают правила для управления трафиком. Администратор определят, какой тип пакетов данных получает больший приоритет и какая ширина полосы выделяется для приоритетных очередей.

QoS держит пакеты данных с меньшим приоритетом в очереди до тех пор, пока сеть не будет готова их принять. Это значит, что приложения с большим приоритетом получат необходимую им пропускную способность в полосе, а менее приоритетные пакеты данных не потеряются и при готовности сети будут обработаны.

Инструменты контроля трафика. QoS позволяет избежать перегрузки сети. Он управляет трафиком посредством набора инструментов. В процессе применения этого механизма, технология управления очередью из пакетов данных может:

  • формировать трафик
  • ограничивать скорость соединения
  • увеличивать используемую полосу пропускания
  • планировать пропускную способность и т.д.

Когда QoS важен

Некоторые сетевые приложения, для обеспечения их корректной работы, нуждаются в приоритетном обслуживании пакетов входящих данных. В их числе:

  • потоковые мультимедиа-приложения и стриминг-сервисы, например, приложения IPTV или Netflix. Они потребляют значительную часть пропускной способности сети и без приоритета при высокой нагрузке могут не работать
  • сервисы IP-телефонии и видеоконференций, такие как Zoom или Slack. При высоких значениях задержки и колебаний сети пакеты VoIP утрачиваются, что приводит к разобщенным видеозвонкам и сорванным конференциям
  • приложения, требующие гарантированного уровня надежности и бесперебойной передачи данных. Например, веб-камеры охранных систем, инструменты удаленной хирургии, системы автоматизированного управления производством и т.д.

Модели QoS

BES — best effort service. Модель простого усиления пропускной способности, не связанная с приоритезацией трафика и маркировкой отдельных типов данных. Обычно используется в отношении нетребовательных приложений, которые неуязвимы к низкой скорости передачи данных, длительным задержкам и фазовым колебаниям.

IntServ — Integrated Service. Модель резервирования ресурсов через протокол RSVP:

  1. Перед отправкой пакета данных протокол сообщает сети параметры трафика и уровень применения QoS
  2. Получив вводные, сеть бронирует определенный объем полосы под запрошенные протоколом нужды и с учетом заданных параметров
  3. Получив информацию о зарезервированных ресурсах, приложение отправляет в сеть пакеты данных по заданным параметрам

DiffServ — Differentiated Service. Модель дифференциации ресурсов и классификации пакетов данных. Технология делит трафик на классы и для каждого задает и выполняет определенный набор действий, присваивает уровень QoS. Эта модель является наиболее удачным примером умного управления очередью из пакетов данных и приоритезации трафика. Она маркирует пакеты данных, управляет интенсивностью прохождения по сети, распределяет ресурсы и применяет политику отбрасывания пакетов данных.

Как QoS делит трафик

Классификация — основа работы технологии QoS. В зависимости от заданных администратором параметров, пакеты данных могут классифицироваться по:

  • IP-адресу
  • назначению данных
  • входящему интерфейсу
  • значению MРLS EХР
  • коду классификации CoS и т.д.

Маршрутизатор классифицирует входящий трафик и сопоставляет с каждым из классов, а затему маркирует пакетыданных. Маркировка помогает последующим маршрутизаторам сети идентифицировать данные и формировать из них очередь. С помощью маркировки сеть распознает трафик на любом участке, а QoS поможет устройствам в сети корректно применять правила приоритета.

Как QoS может обрабатывать очереди

1. FIFO — очереди отсутствуют. Модель обработки, которая применяется, когда QoS отключен. Работает простой принцип: пакет данных, который пришел в сеть первым, будет первым и обработан в этой модели приоритетов нет.Схема модели FIFO — отсутствие очередей и приоритетов. Действует, если QoS для сети отключена

2. PQ — строгий приоритет очереди. Модель, при которой сеть делит пакеты данных на классы — у каждого класса свой приоритет. Первыми сеть обрабатывает данные сети с наивысшим приоритетом, и так по мере убывания. Пока пакеты данных самого приоритетного класса не будут обработаны, остальной трафик заморожен и ждет своей очереди.Схема модели PQ, при которой данные обрабатываются в порядке приоритета. Если сеть загружена приоритетным трафиком, любой другой вообще н еюбудет обрабатываться

3. Round Robin. Модель, в которой каждая очередь равнозначна для сети и каждой выделено равное время на обработку. Очереди формируются на этапе классификации. Если пакеты данных в очереди иссякнут до того, как закончится время обработки этой очереди, сеть переключается на следующую очередь.Схема модели Round Robin. Чем больше в очереди пакетов, тем дольше времени занимает ее обработка

4. FQ – справедливая очередь. Принцип формирования и обработки очередей такой же, как и у Round Robin. С той лишь разницей, что одновременно из каждой очереди обрабатывается одинаковый пакет данных. Сеть обрабатывает данные не по времени или количеству пакетов, а по определенному объему бит. Чем больше по объему пакет данных в конкретной очереди, тем дольше она будет обрабатываться.Схема модели FQ. Основана на принципе справедливой обработки данных. Дольше в очереди стоит та очередь, которая больше по объему

5. WRR — взвешенный Round Robin. Модель, при которой каждой очереди присваивается свое время на обработку данных, при этом у каждой очереди свое значение. Чем выше время обработки данных для конкретной очереди, тем выше ее приоритет.Схема модели WRR. Сеть обрабатывает пакеты данных с наивысшим приоритетом дольше других, независимо от порядка поступления этих пакетов данных в сеть

6. WFQ — взвешенная справедливая очередь. Модель, при которой пакеты данных из каждой очереди воспринимаются сетью последовательно. При этом очередям присваивается приоритет в зависимости от объема данных в очереди. Учитывая этот приоритет, сеть определяет объем данных из конкретной очереди, который она обработает за один цикл.Схема модели WFQ. Сеть обрабатывает данные на основе принципа справедливости, с учетом присвоенных очередям приоритетов

Перечисленные выше 6 моделей обработки очередей пакетов данных являются классическими. В разных системах используются гибридные способы работы с информацией, комбинирующие представленные выше модели.

Как включить QoS на домашнем роутере

Стоит ли это делать. Обычные пользователи чаще всего сталкиваются с QoS, когда копаются в настройках домашнего маршрутизатора — роутера. Учитывая особенности технологии, относительно высокую скорость домашнего интернета и низкие требования к пропускной способности домашней сети, потребности в использовании QoS в домашних условиях нет. Эта технология полезна для предприятий и офисов, где наблюдается интенсивный трафик, но не для дома.

Иногда это будет даже вредно. Некоторые маршрутизаторы урезают скорость для домашних устройств по умолчанию, независимо от уровня нагрузки и количества подключенных устройств. В результате вы получите не приоритезацию трафика, а снижение скорости соединения.

Алгоритм подключения. Если вы все же решили включить QoS для домашней сети, вам стоит:

  1. Зайти на сайт производителя роутера и найти информацию о поддерживаемых функциях QoS и получении к ним доступа
  2. Включить панель управления роутером. Обычно это можно сделать, если ввести в адресной строке браузера IP-адрес маршрутизатора — он указан на тыльной стороне устройства на наклейке с сервисными данными. Например, http://192.168.1.1
  3. Войти в панель под своим логином и паролем. Обычно они указаны в руководстве к роутеру или сформированы при его первой настройке
  4. Найти на панели раздел NAT — это сетевые настройки. Если маршрутизатор поддерживает QoS, в сетевых настройках будет соответствующий раздел
  5. Включить QoS, поставить минимальные и максимальные скорости загрузки и выгрузки. Задавайте объективные значения, ниже текущей скорости. Предварительно проверить скорость интернета можно на speedtest.net. Если задать значения, равные или превышающие текущую скорость соединения, маршрутизатор не сможет урезать скорость и создавать узкие места для приоритизации трафика. Остальные настройки оставьте по умолчанию

Коротко про QoS

  1. QoS — это способность сети обеспечить особо важному трафику необходимый сервис при ограниченной пропускной способности. Эта технология позволяет выделить пакеты данных, более полезные для пользователя в текущей ситуации, и предоставить им приоритет
  2. Принцип работы QoS строится на классификации трафика по разным параметрам и маркировке пакетов данных. В зависимости от приоритета, сеть присваивает разным пакетам данных разные маркеры. В результате данные выстраиваются в очередь, а сеть управляет этой очередью
  3. Существует несколько моделей реализации QoS и моделей обработки очередей с помощью QoS. Самая распространенная модель QoS — Differentiated Service, а модель обработки очереди — PQ, строгий приоритет очереди
  4. QoS преимущественно полезен для корпоративного использования и на предприятиях, где наблюдается особо интенсивный трафик, требующий управления. Некоторые домашние маршрутизаторы тоже поддерживают технологию QoS, но ее использование для дома не рекомендуется — в этом почти всегда нет необходимости