6 Τι είναι η Ποιότητα Υπηρεσίας (Quality of Service-QOS)

Η ποιότητα υπηρεσίας αναφέρεται στη δυνατότητα ενός στοιχείου του δικτύου να έχει κάποιου τύπου επιβεβαίωση ότι η κυκλοφορία και οι απαιτήσεις της υπηρεσίας που προσφέρει θα ικανοποιηθούν. Η εφαρμογή της ποιότητας υπηρεσίας απαιτεί τη συνεργασία όλων των επιπέδων του δικτύου καθώς και κάθε στοιχείου του δικτύου από άκρη σε άκρη.

Η ποιότητα υπηρεσίας δεν μπορεί να δημιουργήσει εύρος ζώνης, αλλά διαχειρίζεται το υπάρχον εύρος ζώνης ανάλογα με τις απαιτήσεις της εφαρμογής και στις ρυθμίσεις διαχείρισης του δικτύου.

6.1 Τύποι ποιότητας υπηρεσίας

Υπάρχουν δύο τύποι ποιότητας υπηρεσίας:

• Η δέσμευση των πόρων (resource reservation): ανήκει στην κατηγορία των ενσωματωμένων υπηρεσιών (integrated services), όπου οι πόροι του δικτύου διαμερίζονται σύμφωνα με την απαίτηση μια εφαρμογής για εύρος ζώνης.  Εδώ η εφαρμογή προχωράει μόνο αν το δίκτυο υποδείξει ότι μπορεί να μεταφέρει το επιπλέον φορτίο στο επίπεδο που του ζητείται. Η δέσμευση παραμένει εν ενεργεία, μέχρι η εφαρμογή να απαιτήσει τον τερματισμό της ή μέχρι το δίκτυο να υποδείξει ότι δεν μπορεί να συνεχίσει τη δέσμευση. Το βασικό στοιχείο αυτού του μοντέλου είναι «όλα ή τίποτα». Είτε το δίκτυο αναλαμβάνει τη δέσμευση, οπότε και η εφαρμογή δεν χρειάζεται να ελέγχει το επίπεδο απόκρισης του δικτύου στην υπηρεσία, είτε το δίκτυο υποδεικνύει ότι δεν μπορεί να αναλάβει τη δέσμευση. Η προσέγγιση αυτή επιβάλλει τον έλεγχο της κατάστασης για κάθε εφαρμογή, και για μεγάλα δίκτυα, όπως το Διαδίκτυο, δεν φαίνεται να επαρκεί. Το πρωτόκολλο που χρησιμοποιείται εδώ είναι το Πρωτόκολλο Δέσμευσης Πόρων (Resource Reservation Protocol-RSVP).

• Παραχώρηση Προτεραιότητας (prioritization): ανήκει στην κατηγορία των διαφοροποιημένων υπηρεσιών (differentiated services). Εδώ  το δίκτυο παρέχει μικρότερο αριθμό ενσωματωμένων υπηρεσιών και ενοποιεί τις παρόμοιες απαιτήσεις υπηρεσίας από μία ομάδα εφαρμογών σε μια μονή τάξη υπηρεσίας. Οι ενοποιημένες υπηρεσίες συνήθως αντιμετωπίζονται από το δίκτυο ως ένα φίλτρο εισόδου, όπου στην είσοδο του δικτύου το κάθε πακέτο κατηγοριοποιείται σε ένα συγκεκριμένο προφίλ υπηρεσίας. Η κατηγοριοποίηση αυτή μεταφέρεται μέσα στην επικεφαλίδα του πακέτου IP, χρησιμοποιώντας 6 bit από το TOS τμήμα της για τη μεταφορά της κωδικοποίησης της υπηρεσίας. Το δίκτυο μετά χρησιμοποιεί αυτόν τον κωδικό υπηρεσίας που βρίσκεται στην επικεφαλίδα του πακέτου, για να διαχειριστεί το πακέτο με τον ίδιο ακριβώς τρόπο με όλα τα άλλα πακέτα που έχουν τον ίδιο κωδικό υπηρεσίας. Ενώ αυτή η προσέγγιση έχει τη δυνατότητα να καλύψει ολόκληρο το Διαδίκτυο, υπάρχουν πολλά άλυτα θέματα τα οποία σχετίζονται με την αποστολή σήματος μεταξύ των ξεχωριστών εφαρμογών και του δικτύου. Το μοντέλο της ενοποιημένης υπηρεσίας δεν επιτρέπει σε μια μεμονωμένη εφαρμογή να καταλάβει αν λαμβάνει την απαραίτητη απόκριση υπηρεσίας από το δίκτυο. Η υπηρεσία αυτή παρέχεται από το πρωτόκολλο Diffserv.

Τα δύο παραπάνω πρωτόκολλα δεν αποκλείουν το ένα το άλλο, αλλά μπορούν να συνεργαστούν. Για το λόγο αυτό είναι σχεδιασμένα για συνδυασμένη χρήση, έτσι ώστε να μπορούν να εξυπηρετήσουν τις διάφορες λειτουργίες ενός δικτύου.

6.2 Η μέθοδος RSVP

Το RSVP είναι ένα πρωτόκολλο που καθιερώθηκε από τον IETF για να επιτρέπει σε μία εφαρμογή να δεσμεύει το εύρος ζώνης του δικτύου δυναμικά. Επιτρέπει σε εφαρμογές να κάνουν αίτηση για συγκεκριμένη ποιότητα υπηρεσίας για μία ροή δεδομένων, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Οι εξυπηρετητές και οι δρομολογητές χρησιμοποιούν το RSVP για την παράδοση των αιτήσεων ποιότητας υπηρεσίας στους δρομολογητές που βρίσκονται στο μονοπάτι του ρεύματος δεδομένων και για να διατηρήσουν την κατάσταση του δρομολογητή και του εξυπηρετητή ώστε να μπορεί να προσφέρει την ζητούμενη υπηρεσία, που είναι συνήθως το εύρος ζώνης και ο χρόνος που απαιτείται για να διανύσει ένα σήμα την απόσταση μεταξύ δύο σημείων του δικτύου (latency).

To RSVP χρησιμοποιεί τη μέση τιμή μετάδοσης δεδομένων, το μεγαλύτερο αριθμό δεδομένων που μπορεί να κρατήσει σε ουρά ο δρομολογητής, και το ελάχιστο QOS για τον καθορισμό του δεσμευμένου εύρους ζώνης.

6.3 Τι είναι η προτεραιότητα IP

Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιεί τα 3 bit προτεραιότητας που υπάρχουν στο Type of Service της επικεφαλίδας του IΡv4 για να καθορίσει την τάξη της υπηρεσίας για κάθε πακέτο, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Με τη χρήση της προτεραιότητας IP, η κυκλοφορία μπορεί να χωριστεί σε έξι διαφορετικές τάξεις υπηρεσιών. Οι τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για δημιουργία ουρών μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιήσουν αυτό το σήμα για τον κατάλληλο χειρισμό των δεδομένων.

Χαρακτηριστικά όπως η δρομολόγηση σύμφωνα με την πολιτική που έχει χαραχτεί από την εταιρία και το δεσμευμένο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων (committed access rate- CAR) μπορούν να χρησιμοποιηθούν ώστε να καθοριστεί η προτεραιότητα βάσει της ταξινόμησης που καθορίζεται από μια διευρυμένη λίστα πρόσβασης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να υπάρχει μεγάλη ελαστικότητα στην εκχώρηση προτεραιότητας, κάτι που περιλαμβάνει εκχώρηση κατά εφαρμογή ή χρήστη, ή κατά το υποδίκτυο προορισμό και προέλευσης, κ.λ.π. Τυπικά, η λειτουργία αυτή εκτελείται όσο πιο κοντά γίνεται στην άκρη του δικτύου (στον τομέα διαχείρισης), έτσι ώστε κάθε διαδοχικό στοιχείο του δικτύου να μπορεί να προσφέρει υπηρεσίες ανάλογα με την προκαθορισμένη πολιτική.

Η προτεραιότητα ΙΡ μπορεί να καθοριστεί στο στον εξυπηρετητή ή στον πελάτη του δικτύου.  Επίσης με την υπηρεσία αυτή μπορούν να δημιουργηθούν τάξεις υπηρεσιών με χρήση των υπαρχόντων μηχανισμών δημιουργίας ουρών που έχει το δίκτυο (π.χ. WFQ), χωρίς να γίνουν αλλαγές στις υπάρχουσες εφαρμογές ή στις απαιτήσεις του δικτύου.

Η μέθοδος αυτή μπορεί να επεκταθεί ώστε να υποστηρίζει και το IPv6.

6.4 Παραχώρηση Προτεραιότητας-Το πρωτόκολλο DiffServ

Το πρωτόκολλο αυτό παρέχει μία απλή μέθοδο για την ταξινόμηση των διάφορων εφαρμογών. Υπάρχουν δύο διαφορετικές ανά βήμα συμπεριφορές (per hop behaviors-PHBs) οι οποίες αντιπροσωπεύουν τα δύο επίπεδα υπηρεσίας:

· Η εσπευσμένη προώθηση (Expedited Forwarding-EF), όπου υπάρχει μια μοναδική τιμή του DiffServ (ονομάζεται codepoint). Το EF ελαχιστοποιεί την καθυστέρηση και το θόρυβο και προσφέρει το υψηλότερο επίπεδο ενοποιημένης ποιότητας υπηρεσίας. Όλη η κυκλοφορία που υπερβαίνει το προφίλ που έχει καθοριστεί από την τοπική πολιτική που υπάρχει για το δίκτυο απορρίπτεται.

· Η επιβεβαιωμένη προώθηση (Assured Forwarding-AF), η οποία έχει τέσσερις τάξεις και σε κάθε μία υπάρχουν τρεις διαφορετικές προτεραιότητες απόρριψης (άρα τελικά έχουμε δώδεκα codepoints). Το περίσσευμα της κυκλοφορίας AF δεν παραδίδεται με την ίδια υψηλή πιθανότητα όπως η κυκλοφορία που βρίσκεται μέσα στο προφίλ. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να υποβιβαστεί αλλά όχι να απορριφτεί.

Το πρωτόκολλο θεωρεί δεδομένη την ύπαρξη μια Συμφωνίας Επιπέδου Υπηρεσίας (Service Level Agreement-SLA) μεταξύ γειτονικών δικτύων. Η συμφωνία αυτή καθορίζει τα κριτήρια πολιτικής του δίκτυο και καθορίζει το προφίλ για την κυκλοφορία σε αυτό. Η κυκλοφορία στο δίκτυο ρυθμίζεται στα σημεία εξόδου σύμφωνα με τη συμφωνία αυτή και κάθε είδους κυκλοφορία σε ένα σημείο εισόδου που είναι εκτός προφίλ (π.χ πάνω από το υψηλότερο εύρος ζώνης που καθορίζεται στο SLA), υπάρχει περίπτωση να μην φτάσει στον προορισμό της.

Ο μηχανισμός του πρωτοκόλλου που χρησιμοποιεί η υπηρεσία αυτή είναι για το IP η οκτάδα Τύπου Υπηρεσίας (Type of Service-TOS) και για το IPv6 η αντίστοιχη οκτάδα Τάξης Κυκλοφορίας (Traffic Class).

Όταν το πρωτόκολλο DiffServ χρησιμοποιεί παραμέτρους RSVP ή συγκεκριμένους τύπους εφαρμογών για να προσδιορίσει και να κατατάξει την κυκλοφορία που μεταφέρεται με το σταθερό ρυθμό μετάδοσης (constant bit rate-CBR), δίνεται η δυνατότητα να δημιουργηθούν καλά ορισμένες ενοποιημένες ροές δεδομένων, οι οποίες μπορούν να κατευθυνθούν προς κανάλια με σταθερό εύρος ζώνης. Έτσι μπορούμε να έχουμε το διαμοιρασμό των πόρων ταυτόχρονα με εγγυημένη υπηρεσία.

6.5 Εναλλαγή Ετικέτας με Πολλαπλό Πρωτόκολλο

Η μέθοδος εναλλαγής ετικέτας με πολλαπλό πρωτόκολλο (Multi-Protocol Label Switching-MPLS) είναι παρόμοια με τη μέθοδο Διαφοροποιημένων Υπηρεσιών σε μερικά σημεία, καθώς βάζει σημάδι  στα δεδομένα στα σημεία εισόδου το δίκτυο και το αφαιρεί στα σημεία εξόδου. Σε αντίθεση όμως με το DiffServ τα σημάδια του MPLS (ετικέτες των 20 bit) είναι σχεδιασμένα για να καθορίσουν το βήμα προς τον επόμενο δρομολογητή. Το MPLS δεν καθορίζεται από την εφαρμογή και σε αντίθεση με τα υπόλοιπα πρωτόκολλα ποιότητας υπηρεσίας βρίσκεται μόνο στους δρομολογητές. Επίσης είναι ανεξάρτητο από το πρωτόκολλο του δικτύου (multi protocol) και μπορεί να χρησιμοποιηθεί με πρωτόκολλα διαφορετικά από το IP ή να χρησιμοποιηθεί απευθείας στο επίπεδο διασύνδεσης δεδομένων.

Το MPLS απλοποιεί την διαδικασία δρομολόγησης (μειώνει τις γενικές επιβαρύνσεις-overhead- για να αυξήσει την απόδοση). Παρακάτω περιγράφεται η διαδικασία που χρησιμοποιούν οι δρομολογητές  με MPLS, οι οποίοι ονομάζονται Δρομολογητές Εναλλαγής Ετικέτας (Label Switching Routers-LSR):

• Στον πρώτο δρομολογητή του δικτύου ο δρομολογητής αποφασίζει που θα προωθήσει το πακέτο σύμφωνα με τη διεύθυνση αποστολής του και μετά καθορίζει την τιμή της ετικέτας. Έτσι καθορίζεται η Τάξη Ισοδυναμίας Προώθησης (Forwarding Equivalence Class-FEC). Η τιμή της ετικέτας προσαρτείται στο πακέτο το οποίο στη συνέχεια προωθείταί στον επόμενο δρομολογητή.
• Στον επόμενο δρομολογητή, η ετικέτα χρησιμοποιείται ως δείκτης σε ένα πίνακα ο οποίος καθορίζει τον επόμενο δρομολογητή και μία νέα ετικέτα. Το LSR προσαρτεί την νέα αυτή ετικέτα και το πακέτο προωθείται ξανά.

Η διαδρομή που ακολουθεί ένα MPLS πακέτο ονομάζεται Μονοπάτι Εναλλαγής Ετικέτας (Label Switch Path-LSP).