Fakultet prometnih znanosti PROMET U INTERNET MREŽI Doc.dr.sc. Štefica Mrvelj 2009
1. OSNOVNE ZNAČAJKE I RAZVITAK INTERNETA Pojam (naziv) Internet 1 ( od Interworking) može imati različite interpretacije ovisno o kontekstu razmatranja: definicija Internet (the Internet) globalna računalna mreža (network of networks) velikog broja podmreža sa slijedećim svojstvima: > bezkonekcijsko prometno, meñumrežno povezivanje (horizontalno i vertikalno) > protokoli TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) > zajednička (unificirana) adresna struktura > za razliku od X.25, FR i dr., Internet omogućuje "end-to-end" aplikacije i proširenje mogućnosti uporabe računala (global interconnection) > "overlay network", "surf on other network" 1.1. Značajke povezanosti Za Internet se kaže da je sastavljen od skupa meñusobno povezanih mreža koje se sastoje od elemenata za prospajanje i usmjeravanje prometnih tokova, a oni su meñusobno povezani fizičkim linkovima. Osim spomenute fizičke povezanosti mrežnih elemenata, u literaturi se razlikuju logička i aplikacijska povezanost. Logičku povezanost čine protokoli kao skup pravila kojima se odreñuje kako ureñaji na mreži komuniciraju i o njima će biti riječi u sljedećem potpoglavlju. Što se tiče aplikacijske povezanosti, ona se odnosi na same aplikacije i gotove programe koji služe za predstavljanje podataka u obliku razumljivom korisniku. Zadatak fizičkih linkova je omogućiti podacima upakiranim u pakete različite veličine da budu preneseni izmeñu rutera. Paketi se prenose linkovima fiksnom brzinom koja se naziva brzina linka ili kapacitet. Kada je odlazni link iz nekog čvora mreže u potpunosti iskorišten, on će prenositi pakete najbrže što može, odnosno ovisno o implementiranim mehanizmima rasporeñivanja kapaciteta odlaznog linka. Kapacitet linka predstavlja fizičko ograničenje izmeñu dvaju rutera koje povezuje i povezan je s kašnjenjem u prijenosu podataka i vjerojatnosti izgubljenih paketa. Paketi ulaze u ruter u takozvanom ulaznom port-u, gdje se ispituje njegovo odredište da bi se moglo utvrditi koji je odgovarajući odlazni port. Paketi se spremaju u meñuspremnicima rutera dok odluka o tome gdje usmjeriti paket ne bude donesena. U slučaju da je kapacitet meñuspremnika u potpunosti iskorišten, tada paketi bivaju odbačeni. Brzina kojom ruter može prosljeñivati pakete prema odlaznom portu je ograničena i ovisi o brzini kojom može donositi odluke o usmjeravanju paketa, dok brzina kojom prosljeñuje pakete prema sljedećem čvoru ovisi o kapacitetu odlaznog linka. To uzrokuje dodatno zadržavanje paketa pri prolazu kroz ruter. Ruteri dobivaju saznanje o tome gdje usmjeriti paket koristeći dvije metode: statičku i dinamičku. Prema prvoj metodi administratori unose naredbe ruteru gdje usmjeriti pakete, dok po drugoj metodi ruter komunicira s ostalim ruterima u mreži da bi dobio saznanje o tome gdje može naći različite adrese. Temeljni princip dizajniranja Interneta je ideja arhitekturâ otvorenog umrežavanja koja se temelji na sljedeća četiri pravila: svaka zasebna mreža treba stajati samostalno i ne zahtijevaju se nikakve unutarnje promjene prije nego što se spoji na Internet; komunikacija se zasniva na Best Effort osnovi. ako paket ne doñe na svoje odredište, tada se brzo ponovno šalje paket iz izvorišta; crne kutije (kasnije nazvane prospojnici i ruteri) upotrebljavaju se za povezivanje mreža (prospojnici ne pamte nikakve informacije o individualnim paketima koji prolaze kroz njih); ne postoji globalna kontrola na svim operativnim razinama. Ta pravila dovela su do razvoja prvih komunikacijskih protokola za Internet. 1 Postoje razlike izmeñu termina: Internet, intranet, internet. Intranet-predstavlja privatnu mrežu unutar poduzeća ili odjela i obično je odijeljen vatrozidom (firewall). Intranet je vrsta interneta, a internet može ali ne mora koristiti TCP/IP i može ali ne mora biti dio Interneta. 2
1.2. Struktura i funkcionalnosti Interneta Struktura i funkcije (funkcionalnosti) Interneta mogu se promatrati kroz poopćeni model telekomunikacijske mreže prikazano slikom l. IP - protokol Slika 1. Poopćeni model Interneta > korisnik (client) biranjem (dial-up) ili drugim načinom (dedicated access, ) ostvaruje konekciju do "mjesta priključenja" PoP (Point of Presence) opreme Internet operatora ili davatelja usluga > davatelji usluga (ISP-Internet Service Provider) pružaju jednu ili više usluga (e-mail, www, ) > različite noseće mreže (bearer network) ili iznajmljeni vodovi koriste se za "transport" IP datagrama > dodatne funkcionalnosti locirane su u odgovarajućim poslužiteljima (servers) > za upravljanje mrežom (NM- Network Management) najvažniji su protokoli SNMP (Simple Network Management Protocols ) i (SNMP v2) Jedna Internet "konekcija" predočena je slikom 2. Budući da se u Internet mreži ne uspostavlja veza, komunikacijski put se može mijenjati od jednog do drugog paketa iste veze. Internet Podmreža Podmreža Podmrež a (User ) (User ) Apl. Ruteri Apl. TCP TCP IP IP IP IP Link Link Link Link Link Link Fiz. Fiz. Fiz. Fiz. Fiz. Fiz. LAN - Ethernet, Token ring i dr.) Mreže (LAN) Slika 2. Internet konekcija 3
2. PROTOKOLI TCP/IP SLOŽAJA 2.1. Pregled protokola Mreže koje tvore Internet imaju zajedničko to da koriste istu skupinu protokola. TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) je standard koji je definiran u Internet Request for Comments (RFC). Tu je definiran skup protokola rasporeñen u razine koje odgovaraju grupama razina kod OSI (Open Systems Interconnection) referentnog modela. Prvi razvijeni komunikacijski protokol, TCP/IP, kasnije je razdvojen u dva odvojena entiteta: IP protokol, koji je zaslužan za adresiranje paketa i njihovo prosljeñivanje, te TCP protokol, čija je uloga posluživanje paketa najbolje što se može u danom trenutku, kontrola toka i pouzdana isporuka paketa. Drugi protokol prijenosa naziva se UDP (User Datagram Protocol), koji je dodan da bi osigurao izravan pristup za IP usluge bez pouzdanosti koju osigurava TCP. Oba protokola koriste broj porta, a brojevi portova se koriste za identifikaciju aplikacija koja je odgovorna za rukovanje odreñenim konekcijama. Pri uspostavi konekcije s udaljenim ureñajem (npr. poslužiteljem) klijent odabire proizvoljni broj izvorišnog porta s kojim komunicira (prolazni port). Broj porta na udaljenom kraju je obično poznat broj i može se koristiti za identifikaciju dobro poznatih aplikacija. Kako je ranije rečeno, Internet je sastavljen od skupa meñusobno poveznih rutera. Oni mogu dinamički ažurirati rute tako da komuniciraju jedan s drugim. Da bi to učinili, koriste protokole koji su temeljeni na UDP protokolu, a to su BGP, RIP i OSPF. Svaki ruter u mreži koristi jedan od tih protokola da bi poslao informacije o poznatom odredištu za svoje razine. To je ključna ideja Internet tehnologije. Korištenjem tih metoda nije potrebno poznavati cjelokupnu mrežu za usmjeravanje paketa. Drugi ključni dio arhitekture naziva se rezolucija. DNS (Domain Name Service), omogućuje da prirodna imena budu konvertirana u IP adrese, i na taj način omogućuju korisniku da ne mora pamtiti duge nizove brojeva koji predstavljaju adresu nekog elementa mreže. DNS i protokoli rutiranja su dio jezgre Internet arhitekture. Zatim, potrebno je navesti skupinu protokola koja je zaslužna za tradicionalne aplikacije temeljene na TCPu. To su WWW, rad na udaljenom računalu (Telnet), SSH (Secure Shell), prijenos datoteka FTP (File Transfer Protocol), te elektronička pošta SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), POP3 (Post Office Protocol) i IMAP (Internet Message Access Protocol). Za te aplikacije je poznato da rade dobro u Best Effort okolini, ali za vrijeme vršnih opterećenja postaju ''spore''. Konačno, postoje i relativno nove aplikacije, kao što su prijenos govora, videa i prijenos podataka strujanjem (streaming). Te aplikacije imaju stvarnovremenska ograničenja koja bi mreža trebala zadovoljiti. Njihove performance uglavnom ovise o opterećenju mreže. I TCP i UDP se koriste za podršku tim aplikacijama i u većini slučajeva se takoñer koristi RTP (Transport Protocol for Real-Time Applications). Ta vrsta aplikacija postaje sve više rasprostranjena, kako raste popularnost Interneta. Skupina TCP/IP Internet protokola (IP suite) može se promatrati kroz 3 razine: > Internet protokol (IP) koji korespondira sloju 3 OSI/RM 2 (i dijelom sloju 2) > TCP protokol koji korespondira 4. sloju OSI modela > aplikacijski protokoli koji korespondiraju OSI slojevima 5-7 Komparacija OSI/RM i TCP/IP prikazana je slikom 3a), a pripadajući protokoli pojedinog sloja za pet-slojni TCP/IP model prikazani su slikom 3b). 2 OSI Open System Interconnection - standardi za razmjenu informacija izmeñu komunikacijskih sustava koji su "otvoreni" jedan prema drugom zahvaljujući inkorporiranju ISO (Meñunarodna organizacija za standardizaciju) standarda. 4
5. Application layer DHCP DNS FTP Gopher HTTP IMAP4 IRC NNTP XMPP MIME POP3 SIP SMTP SNMP SSH TELNET BGP RPC RTP RTCP TLS/SSL SDP SOAP a) 4. Transport layer TCP UDP DCCP SCTP GTP 3. Network layer IP (IPv4 IPv6) IGMP ICMP RSVP IPsec ARP RARP 2. Data link layer 802.11 ATM DTM Ethernet FDDI Frame Relay GPRS EVDO HSPA HDLC PPP L2TP PPTP 1. Physical layer Ethernet physical layer ISDN Modems PLC SONET/SDH G.709 b) Slika 3. Komparacija OSI modela i TCP/IP 2.2. Internet protokol (IP) Internet protokol IP je standardni internetski protokol, čije su osnovne funkcije adresiranje i usmjeravanje 3, tj. prijenos datagrama kroz mrežu. IP je jednostavni mrežni protokol 4 koji se prilagoñava različitim izvedbama prijenosne mreže. IP osigurava prijenos jedinica podataka, datagrama izmeñu računala i usmjeritelja, kao i izmeñu usmjeritelja. Izvor i odredište su označeni adresom fiksne duljine od 32 bita. Ako je veličina podataka koji dolaze iz transportnog sloja veća od maksimalne veličine, IP provodi fragmentiranje i ponovno sklapanje podataka. IP ne sadrži funkcije za kontrolu toka, održavanje slijeda informacijskih jedinica i ponovni prijenos, koje bi povećale pouzdanost prijenosa, već su one prepuštene višim slojevima. IP se isključivo brine o isporuci datagrama, to jest da svaki datagram stigne na odredište. Sadašnja verzija Internet protokola IPv4 postaje ograničavajuća pojavom novih, zahtjevnijih aplikacija i usluga. Zbog sve većeg broja ureñaja koji se žele povezati na Internet, smanjuje se adresni prostor. Sadašnjem protokolu nedostaju odreñene funkcije i nema dovoljno sigurnosnih mehanizama vezanih uz zaštitu podatka. Ovom problemu doskočilo se nekim mehanizmima 5, no ta rješenja su privremena i na duže vrijeme nedovoljna. Rješenje ovog problema je u novoj verziji Internet protokola verzije 6 (IPv6). Najvažnije novosti koje se uvode ovim protokolom su: Moguće adresiranje većeg broja računala i ureñaja - koristi se 128 bitno adresiranje 6 Pojednostavljenje formata zaglavlja - osnovno zaglavlje paketa je smanjeno i fiksne je duljine od 40 okteta. Ovime je omogućeno brže usmjeravanje paketa u usmjeriteljima. Pojednostavljeno usmjeravanje - dodana su posebna zaglavlja kako bi se unaprijedilo usmjeravanje Podrška za dodatne mogućnosti i opcije Mogućnost označavanja tokova Kvaliteta usluge (QoS - Quality of Service) - dolazi do izražaja kod prijenosa podataka u stvarnom vremenu Mehanizmi provjere autentičnosti i zaštite privatnosti. 3 Usmjeravanje je postupak pronalaženja puta i prosljeñivanja paketa od izvorišnog do odredišnog čvora u mreži (koji su odreñeni IP adresom). 4 Protokoli ovoga sloja (mrežnog) su i sljedeći tzv. kontrolni protokoli: ICMP (djeluje kada u mreži doñe do neočekivanih dogañajanedohvatljivo ili isključeno odredišno računalo, krivo usmjeren paket i sl.),igmp (omogućava grupno adresiranje),arp,rarp (pronalaze vezu izmeñu IP adrese i fizikalne adrese). 5 To su metode stvaranja podmreža, metode pretvorbe adresa (NAT), korištenje privatnih adresa, itd. 6 Moguće adresirati 2 128 ureñaja za razliku od 2 32, koliko omogućuje IPv4 5
2.3. Protokoli transportnog sloja 2.3.1. TCP Protokol za nadzor prijenosa (TCP - Transmission Control Protocol) je konekcijski orijentirani protokol transportnog sloja OSI modela, mreži koja se bazira na IP, koji uspostavlja logičku vezu izmeñu procesa u mreži. TCP sadrži sljedeće funkcije: Osnovni prijenos podataka: dvosmjerni prijenos kontinuiranog niza podataka pakiranjem okteta podataka u segmente koje prenosi protokol mrežnog sloja. Adresiranje i multipleksiranje: više procesa na istom računalu može koristiti TCP simultano uporabom dodatne adresne informacije, tzv. broj vrata (port number) koji jednoznačno odreñuje IP korisnika. Ovisnost jedinica podataka: TCP ne tolerira gubitak, udvostručenje, pogrešan redoslijed i pogrešni sadržaj paketa jer dodjeljuje slijedni broj (sequence number) svakom oktetu koji predaje i traži da prijamna strana potvrdi ispravan prijem. Pogrešna informacija se mora ponovno prenijeti. Kontrola toka: svaka potvrda popraćena je s informacijom o veličini prozora (window) koji označuje koliko okteta smije predajnik odaslati prije prijema potvrde. Kontrola veze: veza izmeñu procesa se uspostavlja prije i raskida po obavljenoj komunikaciji uporabom posebnih statusnih podataka. Prioritet i sigurnost: specificiraju ih procesi. 2.3.2. UDP Protokol korisničkih datagrama (UDP-User Datagram Protocol) je nekonekcijski protokol transportnog sloja OSI modela, mreži koja se bazira na IP. Za razliku od TCP protokola, UDP ne omogućava pouzdan prijenos paketa. Mehanizmi za pouzdanost su izgrañeni na slojevima iznad UDP protokola. Paketi nisu numerirani, a zaštitna suma nije obavezna tako da se prilikom prijenosa ne provjerava ispravnost sadržaja paketa. Ako se paket iz nekog razloga odbaci, ne javlja se poruka o grešci. UDP je pogodan za prijenos podataka koji zahtijevaju prijenos u stvarnom vremenu. U standardnim IP mrežama Internetskog tipa prevladava TCP promet. TCP je napravljen tako da se "pristojno" ponaša u uvjetima zagušenja. Na samoj razini protokola TCP se automatski brine o sprječavanju zagušenja, odnosno o smanjenju njegova trajanja. Za razliku od TCP-a, UDP nema nikakvu kontrolu toka, i zbog toga će automatski zauzeti sav višak kapaciteta koji mu prepusti TCP. Scenarij koji se dogaña u mreži je sljedeći: TCP zbog zagušenja u mreži smanjuje brzinu odašiljanja, UDP uskače u taj prostor i zauzima osloboñeni kapacitet, TCP dodatno smanjuje brzinu odašiljanja, UDP zauzima prepuštene resurse. Zbog ovakvog ponašanja u mrežama sa znatnom količinom UDP prometa mora se voditi računa o ovoj problematici, tj. mora se konstantno pratiti i kontrolirati količina UDP prometa. 2.4. Protokoli sloja aplikacije Ovdje će biti objašnjeni neki protokoli sloja aplikacije ključni za prijenos govora u IP mreži. Sloj aplikacije ili procesa sadrži različite aplikacijske protokole (npr. protokol za e-mail i prijenos datoteka) koji koriste protokole ispod za izvoñenje prijenosa usluge, (slika 4). Procesi npr. HTTP Procesi Host računalo Host računalo (Pod)Mreža (Pod)Mreža Ruter Ruter Ruter Slika 4. Aplikacijski procesi povezani su jedan s drugim na sloju procesa 6
2.4.1. Signalizacijski protokoli u VoIP mreži Zahtjevi koje moraju zadovoljiti signalizacijski protokoli u VoIP mrežama su sljedeći: Omogućiti potrebnu funkcionalnost za uspostavljanje, upravljanje i raskidanje komunikacijskih veza Skalabilnost, mogućnost podrške za velik broj registriranih krajnjih ureñaja i istodobnih poziva Fleksibilnost, mogućnost brzog uvoñenja nove funkcionalnosti Standardiziranost, podržavanje interoperabilnosti izmeñu rješenja različitih proizvoñača Omogućiti upravljanje mrežom, naplaćivanje usluga Iz mnoštva standarda koji su se pojavili, dva protokola su se izdvojila. Starije rješenje je H.323, koje je kao standard uvela Svjetska Telekomunikacijska Udruga. Novije rješenje je SIP kojeg je kao standard uvela Internet radna grupa (IETF - Internet Engineering Task Force). Na slici 5. prikazan je protokolni složaj za VoIP. Slika 5. VOIP protokolarni složaj 2.4.1.1. H.323 H.323. je ITU-ov standard pisan za ISDN mreže, pa kasnije proširen na IP mreže. Puni naziv H.323 preporuke je ITU-T Recommendation H.323: Packet based multimedia communication systems. Preporuka opisuje globalnu arhitekturu, elemente, protokole i procedure za višemedijske konferencijske sustave preko paketnih mreža i njihovu integraciju s mrežama s komutacijom kanala. Podrška za govornu komunikaciju je obavezna, dok je ona za podatkovnu i video komunikaciju moguća, ali nije obavezna. Na slici 6 prikazan je osnovni tijek uspostave veze izmeñu dva H.323 terminala. Slika 6. Uspostava veze izmeñu dva H.323 terminala 7
2.4.1.2. SIP Protokol za pokretanje sesije (SIP - Session Initiation Protocol) je signalizacijski protokol koji se koristi za uspostavu, modifikaciju i raskidanje višemedijskih sesija u mrežama koje se baziraju na Internet protokolu. SIP poziv koristi se za kreiranje sesije i definiranje parametara sesije. Protokol je koncipiran neovisno o transportnom mediju tako da se može implementirati na bilo kojoj vrsti mreže. Podržana je mobilnost korisnika pomoću posrednih i preusmjerenih poslužitelja koji preusmjeravaju poziv na trenutnu lokaciju korisnika. Korisnici se mogu jednostavno registrirati na svoje nove lokacije, koje se zatim bilježe na SIP poslužiteljima. SIP protokol je jednostavan protokol koji se temelji na HTTP (Hypertext Transport Protocol) transakcijskom modelu zahtjeva i odgovora (tablica 1). Tablica 1. Popis poruka i RFC-a u kojima su definirane Metoda References ACK RFC 3261 BYE RFC 3261 CANCEL RFC 3261 INFO RFC 2976 INVITE RFC 3261 MESSAGE RFC 3428 NOTIFY RFC 3265 OPTIONS RFC 3261 PRACK RFC 3262 PUBLISH RFC 3903 REFER RFC 3515 REGISTER RFC 3261 SUBSCRIBE RFC 3265 UPDATE RFC 3311 SIP se temelji na standardiziranim tekstualnim porukama. Razlikuju se dvije vrste poruka: zahtjevi i odzivi. Zahtjevi i odzivi koriste generički oblik poruke koji se sastoji od: početne linije, jednog ili više zaglavlja, prazne linije za odvajanje zaglavlja poruke, i tijela poruke. Osnovni tok poziva kod SIP sesije prikazan je slikom 7. Slika 7. Osnovni tok pri uspostavi SIP sesije SIP može koristiti TCP ili UDP kao transportni protokol. Ako se koristi UDP potrebno je u aplikacijskom sloju implementirati mehanizme za pouzdanost kao što su retransmisija i detekcija gubitaka. 2.4.2. Protokol prijenosa u stvarnom vremenu Protokol prijenosa u stvarnom vremenu (RTP Real-Time Transport Protocol) opisan je preporukom RFC 1889 (Request For Comments) i uključuje: Protokol za prijenos u stvarnom vremenu RTP pruža uslugu prijenosa podataka sa stvarnovremenskim svojstvima (npr. audio i video) s kraja na kraj, koristeći skupno ili pojedinačno odašiljanje na mrežnom sloju. Pogodan je za korištenje za interaktivne usluge kao što je IP telefonija. RTP uključuje i neke mehanizme kojima pospješuje kvalitetu prijenosa kao što su vremenske rekonstrukcije, detekcija gubitaka, sigurnost i identifikacija sadržaja. RTP radi na transportnom sloju i neovisan je standard, pa ga koristi i SIP za prijenos. Protokol upravljanja u stvarnom vremenu (RTCP RTP Control Protocol) uloga protokola je prikupljanje povratne informacije od sudionika u vezi o kvaliteti usluge i mogućim zagušenjima u 8
mreži. U suradnji s RTP-om pruža podršku konferenciji u stvarnom vremenu u IP mrežama za grupu bilo koje veličine. Protokol sinkronizira različite medijske tokove (govor, video), a može identificirati i opisati izvor. Opis izvora uključuje ime sudionika, broj telefona, adresu elektroničke pošte itd. U mrežama za prijenos stvarno-vremenskih informacija koje zahtijevaju malo kašnjenje trebali bi postojati mrežni elementi koji prepoznaju RTP promet. Ako pritom ti elementi imaju ugrañeno razvrstavanje prometa, moguće je izvesti kompresiju RTP zaglavlja. crtp označava RTP protokol s komprimiranim zaglavljem. Princip kompresije dan je slikom 8. Slika 8. Princip kompresije RTP zaglavlja 9
3. KORISNIČKE USLUGE (User Services / Applications) 3.1. Pregled korisničkih usluga Ono što karakterizira današnje usluge na Internetu je da su korisniku prilagoñene i da stalno raste ponuda usluga/aplikacija, a još uvijek su najprihvaćeniji: e-mail i www. Izvornim odnosno početnim uslugama smatraju se (slika 9.): > e-mail (elektronička pošta) > file-transfer (prijenos datoteka) > remote logon (daljinska prijava/rad) (e mail ) (Remote Logon) (File Transfer) Files Ukupna ponuda Internet usluga/aplikacija: Slika 9. Početne usluge Interneta izvorne (originalne) Internet usluge diskusijske grupe (News groups, Chat, ) usluge pretraživanja pohranjenih informacija (WWW World Wide Web) usluge trgovanja posredovanjem Interneta (e-commerce) telefonija putem Interneta multimedijske usluga (multimedia, videoconferencing) poslovne (mrežne) usluge: o Intranet (zaštita Firewall) o Extranet (limitirani pristup partnerima) U početku Internet je smatran "podatkovnom mrežom" tj. osmišljen kao mreža za prijenos podatkovnog prometa, a pod tim se podrazumijeva prijenos i procesiranje alfanumeričkih podataka u off-line režimu rada: o nisu osjetljivi na kašnjenje prilikom prijenosa o nisu osjetljivi na varijacije kašnjenja prilikom prijenosa o potrebna propusnost malo zavisi od količine podataka koju generira izvor. Nove aplikacije i interesi su vezani za telefoniju, video, multimedijske usluge, dok usluge dodatne vrijednosti (VAS-Value Added Service) danas čine značajan dio ponude usluga. 3.2. Tehnologija obavljanja internetskih usluga Davatelj Internet usluga ili ISP omogućuje svojim korisnicima pristup i obavljanje jedne ili više usluga/aplikacija. Dominantnu ulogu imaju serveri (poslužitelji) i klijenti (PC, WS) a, mrežna konfiguracija može biti vrlo kompleksna. Postupak obavljanja usluge prijenosa HTML-dokumenta prikazan slikom 10. 10
Slika 10. Prijenos HTML dokumenta sa servera do klienta Klijent ne mora znati ništa o dokumentu osim URL-a (Uniform Resource Locator) Postupak obavljanja usluge prijenosa e-maila prikazan je slikom 11. Slika 11. Sudionici kod jedne e-mail konekcije kada se e-mail šalje od korisnika A do korisnika B 11
4. KVALITETA USLUGE U IP MREŽI U kontekstu IP tehnologije, kvaliteta usluga QoS (Quality of Service) definira se kao sposobnost pružanja usluga različite razine raznim Internet aplikacijama, u skladu sa njihovim zahtjevima. QoS se kvantitativno izražava pomoću mjera performansi kao što su: raspoloživost usluge vjerojatnost greške propusna sposobnost kašnjenje vjerojatnost gubitka paketa vrijeme uspostave veze vrijeme detekcije i ispravljanja greške i dr. Davatelji usluga mogu garantirati pretplatnicima odreñenu razinu QoS-a, koji se definira ugovorom o razini usluge SLA (Service Level Agreement). S obzirom na raznovrsnost telekomunikacijskih usluga i aplikacija koje ih koriste, podrška različitih razina QoS-a je preduvijet za primjenu IP tehnologije u multiservisnim (višeuslužnim) telekomunikacijskim mrežama. 4.1. Kvaliteta i očekivanje korisnika Internet je brzo evoluirao u vrlo kritičnu komunikacijsku infrastrukturu koja podržava ekonomske, edukativne i društvene aktivnosti. Usporedno s tim, isporuka komunikacijskih usluga je postala konkurentna i krajnji korisnici očekuju vrlo visoku kvalitetu usluge od svojih davatelja usluga. Stoga, kao važan problem pojavljuje se optimizacija performanci kralježnice/okosnice Interneta (backbone). Zahtjevi koji se odnose na mrežne performance su višedimenzionalni, kompleksni, a ponekad i kontradiktorni. Dostupnost kompleksne terminalne opreme i softvera rezultirala je dostupnošću sofisticiranih aplikacija. To je rezultiralo u jednako sofisticiranim QoS zahtjevima od različitih segmenata populacije. Stoga se stratificiranje zahtjeva pojavljuje kao ključni čimbenik koji bi morao biti naznačen od mrežnih operatera i davatelja usluga. Analiza telekomunikacijskog tržišta pokazuje da različiti segmenti korisnika imaju različite zahtjeve na kvalitetu što rezultira različitom pozicijom na mjernoj skali i razinom performanci QoS parametara. Različiti korisnički sektori mogu imati različite prioritete za performansama parametara QoS-a. Razina performanci može takoñer biti različita za različite korisničke sektore, kao i izmeñu korisnika unutar istog sektora korisnika. Zahtjevi za kvalitetom ne moraju biti statički, nego mogu biti dinamički, tako da prioriteti parametara i njihove razine mogu varirati s vremenom. Skup rangiranih parametara po važnosti za danu uslugu može biti različit za različitu populaciju korisnika. Npr., internacionalne novinske agencije zahtijevaju veze visoke pouzdanosti i bez grešaka, 24 sata dnevno 7 dana u tjednu. Za putničke agencije, brzo vrijeme odziva 7 bit će vrlo visoko na rangirnoj ljestvici, dok će novinske agencije prenositi informacije samo u jednom smjeru. Iz izloženoga proizlazi da je potrebno identificirati preferiranu razinu performanci za svaki parametar, za svaki jedinstveni segment populacije koji se može identificirati. Potrebno je uočiti i da se parametri koji su rangirani prema korisničkim potrebama i razina preferiranih performanci može mijenjati tijekom vremena. S napretkom u tehnologiji i promjenama uvjeta tvrtke ili pojedinca, preferirani zahtjevi kvalitete mogu se mijenjati s vremenom. S razvojem novih aplikacija koje vode porastu sofisticiranih usluga, postaje sve više potrebno postaviti standarde za performance. S povećanom kompleksnošću u tehnologiji, parametri postaju sve kompliciraniji. Korisnici koji sklapaju ugovore o razini kvalitete usluge (SLA-ove) s jednim davateljem usluga danas uglavnom žele znati zadovoljavaju li se njihovi parametri performanci definirani u ugovoru o razini kvalitete usluge. 4.2. Osnovni mehanizmi QOS-a Internet je originalno dizajniran da podrži tzv. Best Effort (BE) posluživanje. Značajke takvog načina posluživanja su da se ne pravi nikakva razlika izmeñu korisnika i aplikacija, i dovoljno je dobro za elastični promet, kao što je e-mail, prijenos datoteka i web promet. Te aplikacije imaju mala ograničenja na ciljeve QoS-a (tj. vremenske zahtjeve). Meñutim, s vremenom su se promijenile usluge koje omogućuje Internet. Umjesto tradicionalnih usluga prijenosa podataka pojavile su se mnogo naprednije aplikacije i aplikacije osjetljive na performance mreže, kao što su videokonferencija, video na zahtjev (VoD) i Internet telefonija (VoIP). Te nove 7 Razdoblje od kraja poruke zahtjeva do početka poruke odziva. 12
aplikacije uglavnom imaju striktne zahtjeve vezane uz parametre kvalitete, kao što su: potrebni kapacitet prijenosa 8, intenzitet gubljenja paketa, kašnjenje i varijacije kašnjenja, odnosno jitter. Poznato je da tradicionalno BE posluživanje ne dotiče zahtjeve koji se odnose na isporuku usluge za stvarnovremenske usluge i usluge osjetljive na performance mreže. Postoji povećanje zahtjeva za osiguranjem kvalitete usluge u Internetu. Za multimedijalnu komunikaciju postoji povećan interes s obje strane, i sa strane korisnika i sa strane davatelja usluga (Service Provider). Davatelji Internet usluga (ISP Internet Service Provider) su pod pojačanim pritiskom svojih korisnika da osiguraju niz razina QoS-a u Internetu. QoS se mjeri ne samo za stvarnovremensku komunikaciju, nego i za prijenos dokumenata različitih tipova podataka koji mogu imati zahtjeve za odreñenim kapacitetom prijenosa. Zajednički put k povezivanju zahtijevanoga kapaciteta prijenosa i zahtjeva za kvalitetom usluge je upotreba prekapacitirane mreže. Meñutim, dodatno povećanje kapaciteta može biti brzo ''pojedeno'' povećanjem količine prometa. Usprkos upotrebi prekapacitiranja, poznato je da neke napredne aplikacije trebaju jamstva QoS-a u smislu da budu efektivne za njihove korisnike, posebno u slučaju trenutačnih prometnih opterećenja. Budući da se mrežni promet koji generiraju odreñene konekcije može opisati značajkom usnopljenost, odnosno praskovitost (burstiness) i s obzirom na to da ukupni mrežni promet varira tijekom dana, to znači da iako u prosjeku postoji dovoljan kapacitet, bit će potrebno osigurati velik dodatni kapacitet gotovo sve vrijeme. Slikom 12. prikazane su varijacije prometnog opterećenja linka tijekom analiziranog perioda. Iz slike se vidi da na prosječno opterećenje linka utječe i interval uzimanja uzoraka o iskorištenju linka. Sljedeće što se može primijetiti iz slike je da je bilo intervala kada je link bio u potpunosti iskorišten/opterećen (slika 12 a)), a prosječno opterećenje pokazuje 80% iskorištenja linka. a) Interval 1 ms 1,2 iskorištenje ukupnoga kapaciteta linka u ms 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 iskorištenje ukupnoga kapaciteta prosječno iskorištenje linka ar.sred.+st.de v. ar.sred-st.dev b) Interval 0,1 s 1 1 51 101 151 201 251 301 351 401 451 501 551 601 651 701 751 801 851 901 951 1001 1051 1101 1151 1201 1251 1301 1351 1401 1451 1501 1551 1601 1651 1701 1751 1801 1851 1901 1951 vrijeme [ms] iskorištenje ukupnoga kapaciteta linkau 0,1 ms 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 iskorištenje ukupnoga kapaciteta linka prosječno iskorištenje ar.sred.+st.de v. 0,4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 vrijeme 100 [ms] Slika 12: Prosječno opterećenje linka: a) interval 1 ms, b) interval 0,1 s 8 U literaturi se često koristi izraz širina pojasa (bandwidth). 13
Drugi način k povezivanju zahtijevanoga kapaciteta prijenosa i zahtjeva za kvalitetom usluge je u uvoñenju mehanizama koji će upravljati situacijama kada se dogode vršna prometna opterećenja od svih korisnika u isto vrijeme. U osnovi postoje dva mehanizma koji mogu biti upotrijebljeni za osiguravanje dopuštenih ili ugovorenih vrijednosti parametara kvalitete usluge. Jedan se temelji na IntServ (Integrated Services) modelu, a drugi na DiffServ (Differentiated Services) modelu. 4.2.1. IntServ mehanizmi IntServ mehanizmi temeljeni su na RFC 2205 9 i njegovim poboljšanjima, a mogu se upotrijebiti za rezervaciju resursa za pojedini tok paketa ili višestruke tokove paketa. Za osiguranje resursa koristi se poruka za najavljivanje zahtjeva za rezervacijom resursa (path message) i poruka kojom se rezervacija obavlja (resv message). Jednom kada kontrola pristupa omogući toku ulazak u mrežu, bit će mu dodijeljen zahtijevani kapacitet i bit će mu osigurane vrijednosti parametara kvalitete (slika 13). Prema IntServ konceptu definirane su dvije klase usluga: jamčene usluge (GS Guaranteed Service) i usluge s kontroliranim opterećenjem (CLS Controlled Load Service). Za jamčene usluge definirano je najveće dopušteno kašnjenje i minimalna propusnost na mrežnim elementima od jednoga do drugoga kraja mreže. Ta usluga namijenjena je za vremenski osjetljive aplikacije. Usluga s kontroliranim opterećenjem omogućuje dijeljenje zajedničkoga propusnog opsega izmeñu više prometnih tokova u uvjetima velikog opterećenja mreže. Namijenjena je za aplikacije osjetljive na preopterećenje. Slika 13. Interserv scenarij osiguranja kvalitete usluge S ciljem realizacije zahtijevane razine kvalitete usluge za nezavisne prometne tokove, neophodna je rezervacija resursa od jednoga do drugoga kraja mreže za svaki prometni tok, a za tu svrhu se tipično primjenjuje RSVP (Resource reservation Protocol). Iako se tim konceptom postiže precizno definiranje zahtjeva i realizacija tražene razine QoS-a, čuvanje i ažuriranje stanja svakog toka u svim ruterima unosi veliko dodatno opterećenje, ali i temeljnu promjenu u postojeću arhitekturu Interneta. To i jest presudan nedostatak IntServ-a, zbog kojega se primjena te arhitekture ne preporučuje u velikim, skalabilnim mrežama. 9 Braden, R., Zhang, L., Berson, S., Herzog, S., Jamin, S.: RFC 2205 Resource ReSerVation Protocol (RSVP), September 1997 14
4.2.2. DifServ mehanizmi Osnovni cilj razvoja modela diferencijacije usluga je da bi se osigurao QoS za korisnike mreže. DiffServ modeli se temelje na pretpostavci da je Internet skup neovisnih mreža koje su upravljane/administrirane od jednog ISP-a. Pod jednom mrežom može se smatrati homogeno područje s odreñenim nadzorom upravljanja, odreñenom tehnologijom i kapacitetom prijenosa. DiffServ arhitektura sadrži mnogo elemenata kao što su krajnji elementi i elementi core mreže. Zbog toga što su ti elementi logički specificirani u DiffServ standard, a to daje ISP-ovima slobodu kreiranja širokog skupa usluga. Temeljne komponente za DiffServ arhitekturu u ruterima core mreže su: klasifikacija prometa prilagoñavanje prometa uvjetima upravljanje redovima tehnike rasporeñivanja. DiffServ arhitektura se temelji na jednostavnom modelu gdje se promet prolaskom kroz DiffServ mrežu mjeri, klasificira u različite klase usluga i označuje na granicama mreže, prema ugovoru o razini kvalitete usluge. Nakon što su paketi klasificirani na granici mreže, oni se prosljeñuju kroz čvorove core mreže prema PHB (Per-Hop Behaviors) 10 koji se odnosi na polje DSCP (Differentiated Service CodePoint) 11. PHB zapravo označuje kakav tretman imaju paketi pri prosljeñivanju u čvoru mreže, kad se prenose kroz core mrežu koja podržava diferencijaciju usluga. Core mreža je obično homogeno područje jedne domene i njen osnovni zadatak je prosljeñivanje paketa prema danim pravilima. Očekuje se da paketi, koji pripadaju istoj klasi,a koji se nalaze u mreži imaju gotovo jednak tretman dok prolaze domenom kroz čvorove core mreže. Posluživanje paketa u čvorovima core mreže temelji se na informacijama koje se nalaze u DSCP polju. U čvorovima mreže su implementirane funkcije rasporeñivanja (scheduling), privremenog pospremanja (buffering) i prosljeñivanja (forwarding). Združivanje tokova (aggregation) i označavanje paketa čine core mrežu jednostavnijom. Paketi se tretiraju prema DSCP vrijednosti. Paketi s istim tretmanom (s istom DSCP vrijednosti) i istim smjerom 12 formiraju skupinu prema kojoj se jednako ponaša (BA Behavior Aggregate). Upotreba BA-ova u core mreži domene ne zahtijeva toliko mnogo resursa i inteligencije, kao što to zahtijevaju mehanizmi koji se temelje na toku. Štoviše, znatno su skalabilniji i efektivniji od primjerice IntServ arhitekture i rješenja koja se temelje na rezervaciji resursa (RSVP Resource reservation Protocol). Nije potrebna signalizacija, niti ti BA-ovi znače rezervaciju. Bitna razlika DiffServ modela u usporedbi s drugim QoS modelima jest da se tako formirane skupine paketa prije prosljeñuju nego tokovi. Arhitektura DiffServ definira dva tipa PHB: PHB sa ubrzanim prosljeñivanjem (EF- Expedited Forwarding) i PHB sa sigurnim prosljeñivanjem ( AF-Assured Forwarding). PHB sa ubrzanim prosljeñivanjem je posluživanje koje garantira vršni protok i koristi se da osigura posluživanje apsolutno garantirane kvalitete od jednog do drugog kraja sa malim gubicima, kašnjenjem i jitterom i garantiranim propusnim opsegom. Ovakvo posluživanje se u krajnjim sustavima vidi kao veza točka-točka, odnosno kao virtualna iznajmljena linija. PHB sa sigurnim prosljeñivanjem pruža relativne garancije QoS-a, zasnovane na statističkim preduvjetima. Predviñeno je postojanje više klasa, unutar kojih se odreñuju prioriteti, sa ciljem da se spriječi dugotrajno zagušenje mreže. Struktura tipičnog DiffServ čvora prikazana je na slici 14. Da bi se podržala klasifikacija (classification) usluga za individualne ili skupne tokove, DiffServ arhitektura sadrži klasifikaciju prometa i funkcije prilagodbe uvjetima (conditioning). Prilagoñivači prometa mogu sadržavati elemente za mjerenje, označavanje, doziranje i oblikovanje. 10 Oznaka PHB je definirana u DiffServ standard, a PHB definira kako se tretira promet koji pripada odreñenoj skupini. PHB-ovi se implementiraju u mrežne čvorove pomoću mehanizama za upravljanje meñuspremnicima i za rasporeñivanje paketa. 11 DSCP je polje IP zaglavlja čija lokacija ovisi o verziji IP protokola. 12 Isti smjer u ovom kontekstu znači od izvora do odredišta, zapravo od čvora do drugog čvora. 15
Klasifikacija prometa i akcije koje se odnose na prilagoñavanje uvjetima uglavnom se rade u graničnim čvorovima, ali te funkcije mogu biti implementirane i na unutarnjim čvorovima DS domene 13. Paketi se klasificiraju na ulasku u granični čvor. Klasifikacija je proces odabira paketa prema specificiranim pravilima. Slika 14. DiffServ scenarij osiguranja kvalitete usluge u čvoru Granični čvorovi, odnosno ulazni čvorovi izvode prilagoñavanje prometa uvjetima upotrebljavajući mjerenje, oblikovanje i funkcije upravljanja. To se provodi kako bi se osiguravalo da se promet koji ulazi u DS domenu ponaša prema pravilima specificiranim u ugovoru o prilagodbi prometa uvjetima (TCA Traffic Conditioning Agreement). TCA odreñuje akcije koje će se dogoditi u klasifikatoru i prilagoñivaču. TCA se obično izvodi iz SLA. Osnovna funkcija kod mjerenja je odrediti jesu li paketi unutar profila (in-profile 14 ) ili izvan profila (out-of profile). Tu se razvrstava klasificirani promet prema razinama različite važnosti. Mjerač prometa mjeri klasificirani promet i usporeñuje ga s prometnim profilima. Postoji mnogo načina mjerenja dolaznoga prometnog toka. Najviše upotrebljavani mjerači su Token bucket i eksponencijalna ponderirana pomična sredina (EWMA Exponencial Weighted Moving Average). Marker postavlja odgovarajuću DSCP vrijednost za paket. On uzima u obzir stanje mjerača. Ako je paket označen kao izvan profila, on će primiti veću vrijednost prioriteta pri ispuštanju unutar iste klase usluge. U slučaju da je paket označen kao unutar profila, on će primiti manju vrijednost prioriteta ispuštanja i bit će zadnji koji će biti ispušten unutar te klase usluge u slučaju zagušenja. Upravljanje redovima ili meñuspremnicima (buffer management) odnosi se na ispuštanje paketa u slučaju zagušenja. Što se tiče rasporeñivanja posluživanja paketa na linku (packet scheduling), pod tim se podrazumijeva poredak u kojemu se paketi poslužuju. Najjednostavnija metoda rasporeñivanja paketa na posluživanje (disciplina posluživanja) je FIFO. Takav način posluživanja nezadovoljavajući je za višeuslužne mreže kao što je Internet, budući da takav način rasporeñivanja paketa ne može osigurati više kapaciteta za nekog korisnika ili klasu usluge, manja kašnjenja paketa, manji intenzitet gubljenja paketa itd. Različite aplikacije su osjetljive na različite parametre kvalitete i stoga je važno te parametre upotrebljavati u klasifikaciji aplikacija u klase usluge. U tablici 2 su istaknuti neki zahtjevi QoS-a za najčešće korištene aplikacije na Internetu, odnosno opisno je prikazano koliko neke aplikacije ''podnose'' kašnjenje, jitter i gubitak paketa, te koliki kapacitet zahtijevaju. Nedostaci DiffServ su: nedovoljno precizno definiranje zahtjeva za QoS i odsustvo rezervacije resursa, zbog čega se ne može u potpunosti garantirati traženi end-to-end QoS. 13 Prema definiciji, DS (Differentiated Services) domena je skup jedne ili više mreža koje imaju istu zajedničku administraciju, npr. intranet neke organizacije ili ISP. Obično samo jedan operater administrira DS domenu. K tomu, DS domena ima zajedničke PHB definicije i strategiju posluživanja (service policy). 14 Profil ovdje označava mjere koje su postavljene u SLA. 16
Tablica 2: QoS zahtjevi pojedinih aplikacija IP telefonija Videokonferencija Video streaming Audio streaming E-poslovanje E-mail Transfer podataka Osjetljivost na: Potreban bandwidth Kašnjenje Varijacije kašnjenja Gubitke Mali Veliko Veliko Srednje Velik Veliko Veliko Srednje Velik Srednje Srednje Srednje Mali Srednje Srednje Srednje Srednji Srednje Mali Veliko Mali Malo Malo Veliko Srednji Malo Malo Veliko 4.3. Analiza disciplina posluživanja u internetskom čvoru U paketno komutiranoj mreži kao što je Internet gotovo je nemoguće predvidjetii koliko će korisnika i kada i u kojoj količini početi slati podatke pa su neki dijelovi mreže zagušeni, a neki nisu. Postavljenjem memorije za prihvat paketa moguće je kompenzirati naglo povećanje mrežnog prometa i gomilanje paketa na vezama. Nadalje osiguranje zahtijevanog kapaciteta, minimlanog kašnjenja i kolebanja kašnjenja (jitter) postiže se pavilnim dimenzioniranjem kapaciteta odlaznog linka i pravilnim rasporeñivanjem kapaciteta pojedinom toku. Kojim redom će paketi bitii posluženi ovisi o disciplini posluživanja, tj. pravilu prema kojem se odabiru i poslužuju paketi. Najjednostavnija disciplina i najčešće susretana u praksi je disciplina "prvi došao prvi poslužen". Postoje i druge discipline kao što su: slučajno posluživanje, zadnji došao prvi poslužen, grupno posluživanje i disciplina posluživanja s prioritetom. Razlozi zbog kojih se u internetskom čvoru implementiraju razni mehanizmi upravljanja redovima mogu se prikazati slikom 15. Razlozi za upravljanje redovima u čvoru Zbog ublažavanja zagušenja u mreži Zbog održavanja i poštovanja prioriteta pri raspoređivanju raspoloživog kapaciteta Zbog održavanja garancije određene kvalitete usluge Postiže se: odbacivanjem paketa iz prepunjene memorije ilii zbog isteklog životnog vremena paketa Postiže se: identifikacijom klasifikacijom i raspoređivanjem paketa Slika 15. Razlozi i načini upravljanja redovima čekanja 17
Upravljanje redovima čekanja nastoji ublažiti zagušenje mreže pa ako je potrebno i odbacivanjem paketa. Ako se u prijenosu pojave paketi koji su uslijed kašnjenja postali neupotrebljivi npr. prijenos slike i zvuka tada i takvi paketi (stale packets) bivaju odbačeni kako bi oslobodili kapacitete jer će ih primatelj podataka ionako odbaciti. Algoritam rasporeñivanja (scheduling algorithms) odreñuje koji paket će biti slijedeći poslan kako bi se održao i poštovao prioritet rasporeñivanja raspoloživih kapaciteta. Upravljanje redovima čekanja takoñer je dio QoS-a (Quality of Service) koji se odnosi na garanciju odreñene propusnosti veze. Tok podataka se identificira i klasificira i tada se smješta u red čekanja koji jamči odgovarajući nivo usluge prijenosa podataka. Za svaku disciplinu posluživanja se moraju specificirati pravila za donošenje sljedeće dvije odluke: 1) Koju jedinicu/paket odabrati na posluživanje odmah nakon što poslužitelj bude slobodan da prihvati sljedeću jedinicu? 2) Da li prekinuti ili nastaviti posluživanje jedinice koja se poslužuje? Odluka koji paket sljedeći odabrati na posluživanje može biti uvjetovana izvana (exogenously) tj. može ovisiti samo o prioritetu klase kojojj paket pripada pa se tada govori i disciplini posluživanja s prioritetom. S druge strane može biti uvjetovana unutarnjim uzrocima (endogenously) tj. odluka se može bazirati isključivo ili parcijalno na drugim razmatranjima koja se odnose na trenutno stanje u kome se sustav nalazi, kao na primjer tip paketa koji je zadnji poslužen, jedan od primjera je round robin odnosno njegove inačice 15 (WFQ,W 2 Q). Pored navedenoga uvjeta može odluka o odabiru paketa koji će se sljedeći poslužiti biti izvedena na temelju vremena koje je paket čekao do sada u redu. 4.3.1. Disciplina posluživanja s prioritetom Promotri li se situacija u kojoj u sustav posluživanja dolazi n (>1) klasa paketa koji mogu biti rasporeñeni prema nekoj "mjeri važnosti" 16. U cilju naznačavanja relativne mjere važnosti može se povezati svaka klasu sa njenim indeksom prioriteta i ( 1 i n ), gdje 1 označava klasu s najvišom mjeromm važnosti i n s najnižom. Disciplina prema kojoj poslužitelj odabire sljedeću jedinicu i poslužuje ju označena je kao disciplina posluživanja s prioritetom. Budući da kod discipline posluživanja s prioritetom kada je odluka o odabiru sljedećeg paketa uvjetovana izvana tj. odabir sljedećeg paketa na posluživanje ovisi samo o prioritetu klase kojoj paket pripada, paket i-te klase ako postoji će uvijek biti uzet na posluživanje prije nego paket j-te klase (i<j) (slika 16). Meñutim ako se paket j-te klase poslužuje, a jedinica i-te klase dolazi na posluživanje mogu postojati različite kombinacije. i. S prekidom: posluživanje paketa j-te klase se prekida i započinje se s posluživanjem paketa i-te klase (preemtive) ii. Bez prekida: Posluživanje jedinice j-te klase se nastavlja do dovršetka, engleski nazivi za ovu disciplinu su: nonpreemptive i postponable. iii. Na volju sustavu: poslužitelj može slobodno odlučiti da li će slijediti (i.) ili (ii.) ovisno o tome koliko je proteklo vremena od kada je paket j-te klase na posluživanju. Disciplina s prekidom može se dalje podijeliti u sljedeće kategorije, ovisno o načinu na koji će se paket j-te klase ponovno posluživati kada uñe u sustav. Slika 16. Komparacija disciplina posluživanja: FIFO vs Prioritett 15 Neki autori ovu metodu svrstavaju u me etode posluživanja s prioritetom, s obzirom da se odreñenoj klasi ovom metodom može garantirati odreñena propusnost i maksimalna kašnjenja u čvoru. 16 Paketi se na ulasku u red klasificiraju prema vrsti informacijama koje prenose te se smještaju u red čekanja na posluživanje. 18
Problem kod ove discipline posluživanja se pojavljuje ako je previše paketa sa višim prioritetom jer u tom slučaju paketi s manjim prioritetom uopće ne bivaju posluženi, odnosno kašnjenja postaju prevelika. Grafovima na slici 17 prikazana su vremena čekanja paketa u čvoru mreže u kome se poslužuju paketi, prema disciplini posluživanja s prioritetom, razvrstani u tri klase prometa. Kako je vidljivo iz grafova čekanje na posluživanje bitno ovisi o tome koliko je opterećenje sustava klasom prometa koja ima najveći prioritet. Nadalje se može vidjeti i utjecaj distribucija vremena posluživanja na čekanje paketa u čvoru (D-deterministička i M- eksponencijalna). 10 1 0,699/0,999 čekane paketa u sekundama 0,1 0,01 0,001 0,0001 0,24/0,54 0,12/0,42 0,06/0,36 0,48/0,78 0,6/0,9 0,69/0.99 klasa 2/DDD klasa 3/DDD 1E-05 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Opterećenje linka klasom prometa 1 10 1 0,699/0,999 čekanje paketa u sekundama 0,1 0,01 0,001 0,0001 0,06/0,36 0,12/0,42 0,24/0,54 0,48/0,78 0,6/0,9 0,69/0,99 klasa 2/DDD klasa 3/DDD klasa 2/dmm klasa 3/dmm 1E-05 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Opterećenje linka klasom prometa 1 Slika 17. Čekanje paketa u čvoru za drugu i treću klasu prometa pri različitim opterećenjima linka prvom klasom prometa i za različite razdiobe vremena posluživanja paketa 4.3.2. Disciplina posluživanja round robin Round-robin (RR) je jedan od najjednostavnijih algoritama dijeljenja kapaciteta resursa, odnosno algoritama rasporeñivanja posluživanja (scheduling algorithms). Njegova značajka je da doznačuje kapacitet resursa svakom toku odreñeni jednaki dio vremena i da to čini u kružnom procesu, bez davanja prioriteta odreñenom toku. ''Ponderirano pravedno rasporeñivanje kapaciteta linka''- WFQ (Weighted Fair Queueing) je dinamička metoda rasporeñivanja paketa odnosno dodjeljivanja kapaciteta resursa (prijenosnog linka), koja omogućava pravednu raspodjelu kapaciteta svim prometnim tokovima. Ta pravednost se očituje u mogućnosti odreñivanja potrebnog 19
kapaciteta svakoj klasi prometa. Redovi se prazne kružnom metodom (rund robin) ali na način da se svaki red ne poslužuje jednako dugo vremena (slika 18) kao kod FQ (Fair Queueing) metode. Slika 18. Weighted Fair Queuing metoda posluživanja paketa Komparacija metoda posluživanja prikazana je slikom 19 gdje se može vidjeti utjecaj discipline posluživnja na redoslijed posluživanja paketa koji pripadaju različitim klasama prometa (na slici obojani različitim bojama). Slika 19. Redoslijed posluživanja paketa i vremena čekanja za različite discipline posluživanja 20
4.4. Kvaliteta prijenosa govora Meñunarodna Telekomunikacijska Unija (ITU) je u svojoj preporuci P.800 definirala standard za subjektivno mjerenje kvalitete govora - MOS (Mean Opinion Score) 17. Rezultat srednje subjektivne ocjene (MOS) je važna komponenta u valoriziranju i optimizaciji mreže. MOS testovi se daju grupi ispitanika. Zbog subjektivnosti doživljaja govora kao i zvuka važno je provesti test na što većem broju osoba. Nakon što poslušaju uzorak govora, ispitanici ga ocjenjuju. MOS rezultat može biti u granicama od 5 (vrlo zadovoljavajuća kvaliteta) do 1 (loša kvaliteta). Svaki kodek kojim se komprimira govor se ocjenjuje na temelju nekoliko faktora uključujući kašnjenje zbog paketizacije i smanjivanje kvalitete govora zbog digitalizacije glasa. Najveći MOS rezultat koji može postići kodek je 4.5. Svakom kodeku se pridjeljuje MOS vrijednost na temelju brzine pretvaranja signala (analogno-digitalno i obrnuto), kvalitete govora, te gubitku paketa. Sljedeća tablica prikazuje nekoliko najčešće korištenih kodeka za prijenos govora i njihove MOS vrijednosti (Tablica 3.) Tablica 3. Maksimalne MOS vrijednosti nekih kodeka Kodek Bandwidth Vrijeme izmeñu paketa Kašnjenje zbog paketizacije Kašnjenje zbog korištenja jitter meñuspremnika Teoretski maksimalni MOS G.711 64 kb/s 20 ms 1.5 ms 2 datagrama (40 ms) 4.4 G.729 8 kb/s 20 ms 15 ms 2 datagrama (40 ms) 4.07 G.723.1 MPMLQ 6.3 kb/s 30 ms 37.5 ms 2 datagrama (60 ms) 3.87 G.723.1 ACELP 5.3 kb/s 30 ms 37.5 ms 2 datagrama (60 ms) 3.69 Svaka će mreža imati različitu vrijednost MOS-a ovisno o kvaliteti usluge, kašnjenju i kodeku korištenom za digitalizaciju govora. Pri implementaciji mreže IP telefonije cilj je postići maksimalnu MOS vrijednost u mreži, tj. što bolju kvalitetu govornog prometa. Sve MOS vrijednosti veće od četiri mogu se smatrati komercijalnom kvalitetom govora. 4.4.1. Kašnjenje Kašnjenje (delay, latency) je prosječno vrijeme prijenosa entiteta od ulaska do izlaska iz mreže. Mnoge usluge u stvarnom vremenu, kao što je telefonija, jako su osjetljive na kašnjenje. Razgovori postaju teško razumljivi kada je vrijeme kašnjenja veće od 100 ms, a kada je kašnjenje signala veće od 200 ms, kvaliteta usluge je neprihvatljiva. ITU-T preporuka G.114 limitira maksimalno prihvatljivo kašnjenje izmeñu dva gatewaya na 300 ms (150 ms u jednom smjeru), (slika 20.). Slika 20. Dozvoljeno kašnjenje prema ITU-T Komponente koje utječu na kašnjenje su: o Kašnjenje na predajnom terminalu: Kodiranje Paketizacija Izlazno čekanje o Kašnjenje u mreži: Transmisija na pristupnoj vezi (izvorište) Transmisija u jezgri mreže Transmisija na pristupnoj vezi (odredište) o Kašnjenje na odredišnom terminalu: Ulazni red čekanja Meñuspremnik za uklanjanje varijacija (jitter) Dekodiranje 17 Recommendation P.800: Methods for subjective determination of transmission quality 8/96, ITU-T 21
Kašnjenja u mreži teško se mogu predvidjeti, jer ovise o trenutnom opterećenju čvorova kao i o performansama, a kako su ti parametri nepoznati tako se ni kašnjenje u mreži ne može točno izračunati. Razlikuju se fiksna i varijabilna kašnjenja. U fiksne komponente kašnjenja se ubrajaju: Propagacija - propagacijsko kašnjenje je vrijeme potrebno električnom (ili fotonskom) signalu da savlada duljinu vodiča. Brzina ovih signala uvijek je manja od brzine svjetlosti. Propagacijsko kašnjenje uvijek postoji, ali do izražaja najviše dolazi kod velikih udaljenosti. Procesiranje - kodiranje/kompresija, dekodiranje/dekompresija, paketizacija. Jedan od izvora kašnjenja je vrijeme potrebno krajnjim točkama da kreiraju pakete potrebne za govornu uslugu. Paketizacijsko kašnjenje je prouzrokovano vremenom potrebnim da se paketi ispune potrebnim podacima. Generalno, što su veći paketi, to je potrebno i više vremena da se oni napune. Paketizacijsko kašnjenje najviše ovisi o korištenom kodeku. Ovaj problem javlja se takoñer i na prijamnoj strani zbog toga što pristupnik mediju (MG- Media Gateway) mora maknuti i ponovno dalje procesirati pakete. Ovisno o stupnju kompresije, kašnjenje može varirati od 1.5 ms (G.711) do 37.5 ms (G.723.1) Serijalizacija - serijalizacijsko kašnjenje je vrijeme koje je potrebno da se serijaliziraju digitalni podaci na fizičkom vodu različite spojne opreme. Ovo kašnjenje je manje što je brzina medija veća. Vrijednost kašnjenja ponekad ovisi o tehnologiji koja se rabi za pristup mediju. Iako je ovo kašnjenje neizbježno, zadržavajući broj promjena putova čim manjim, i korištenjem širokopojasnih sučelja smanjuje se sveukupno kašnjenje. U varijabilne komponente kašnjenja se ubrajaju: Kašnjenje zbog čekanja u redovima (čekanje na posluživnaje)- količina prometa u mreži rezultira varijabilnim duljinama čekanja u redovima. Veličina spremnika (buffer) kojeg koriste redovi najčešće je parametar koji se može konfigurirati, i što je on manji to su i čekanja manja ali premali meñuspremnici mogu uzrokovati povećane gubitke paketa. Ako se redovi koji se koriste za govorni promet ne poslužuju dovoljno brzo i ako se dozvoli redu da jako naraste, rezultat je veće kašnjenje (odnosno na kašnjenje utječe disciplina polsuživanja). Grafovima na slici 21 prikazano je ponašanje vremena čekanja i duljina reda za izolirani period simuliranog procesa posluživanja pakete u internetskom čvoru (govorni promet). Mogu se uočiti znatne varijacije vremena provedenog na čekanju za promatrane pakete (pakete koji pripadaju istoj klasi prometa, ne istoj sesiji). Takoñer se mogu uočiti i znatne varijacije u duljini reda u svakom trenutku odnosno u trenutku uzimanja uzorka (1μs). 250 čekanje paketa [µs] 200 150 100 50 0 čekanje paketa maksimalno čekanje paketa prosječno čekanje 1 45 89 133 177 221 265 309 353 397 441 485 529 573 617 661 705 749 793 837 881 925 969 1013 1057 1101 1145 1189 1233 1277 1321 1365 1409 1453 1497 1541 redni broj paketa duljina reda[paketa] 40 35 30 25 20 15 10 5 0 duljina reda maksimalna duljina reda prosječna duljina reda 1 116 231 346 461 576 691 806 921 1036 1151 1266 1381 1496 1611 1726 1841 1956 2071 2186 2301 2416 2531 2646 2761 2876 2991 3106 3221 3336 3451 3566 3681 3796 3911 4026 4141 4256 4371 4486 4601 4716 4831 4946 5061 vrijeme[µs] Slika 21. Kašnjenje paketa i duljina reda Kašnjenje zbog varijabilne veličina paketa -duljina paketa za pojedinu aplikaciju ovisi o korištenom kodeku. Premda je govor prva aplikacija koja zahtijeva QoS, pri prijenosu preko Interneta i ostale aplikacije koje uključuju više medija pojavljuju se na Internetu u sve većem broju 22