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Transition Networksは、Lantronix、Incが完全に所有しています。

Transition Networks

サービス品質(QoS)

概要
Voice over IPやデジタルビデオなどの新しいテクノロジーの導入により、ネットワーク管理者と管理者は、増え続ける帯域幅要件に対応するのに苦労していることは明らかです。このような技術は、信頼性と品質に対する歴史的に高い期待を持ってもたらされます。今日のネットワークでは、これらのサービスを優先度の高いものとして扱う必要があります。これらの従来の「ベストエフォート」ローカルエリアネットワークプロトコル(イーサネットなど)は、これらの高優先度要件を処理するのに困難な時期に直面しています。サービス品質(QoS)は、これらの新しい課題のより良い処理を約束します。信頼性と品質の向上。

ネットワーク管理者は、2つの主要なタイプのQoS技術を利用できます。特定のタイプのサービスの容量のネゴシエーション、予約、およびハードセット(ハードQoS)を試行したり、「容量設定」(ソフトQoS)を予約せずにデータに優先順位を付けたりすることができます。このホワイトペーパーでは、802.1P、IP優先順位、差別化サービス、リソース予約プロトコル(RSVP)、ATM固有の優先リソースなどのハードQoS技術とソフトQoS技術の両方について説明します。また、TransitionNetworksのManagementAggregationConverterにQoS機能を実装する方法についても説明します。

QoS 101

QoSはQualityofServiceの略です。 QoSでは、帯域幅、エラー率、および遅延を監視、サンプリングし、場合によっては改善することができます。 QoSは、ネットワークがフルキャパシティーに近づいているピーク時の遅延の影響を減らすことにより、データを効率的に配信するのに役立つ一連のツールも提供します。 QoSは容量を追加しません。また、WDMのように信号を多重化することもありません。最優先のトラフィックが危険にさらされないように、データトラフィックをより適切に管理しようとするだけです。 QoSは、優先順位スキームなどの一連のツールを適用することで帯域幅の使用を管理するのに役立ちます。そのため、特定のパケット(ミッションクリティカル-パケットを送信する必要があります)が最初に転送されます。

QoSとサービスクラス(CoS)

QoSは、多くの場合、サービスクラスと組み合わせて使用されます。 CoSの最短の定義は、「グループ化」です。 CoSは特定のタイプのサービスでトラフィックのグループを定義し、QoSはこのタイプのサービスを管理し、それが確実に配信されるようにします。音声、ライブビデオ、ストリーミングビデオ、大容量ファイル転送などの同様のタイプのデータをサービスクラスにグループ化し、同じレベルのサービス優先度で処理できます。

QoSの必要性

多くのユーザーは、帯域幅を増やすと問題が解決すると考えています。より多くの帯域幅をスローすると、機能しなくなる可能性があります。 Voice over IP Telephonyや、ネットワーク化されたビデオセキュリティ、リモートモニタリング、IPネットワークを介した記録などの他の新しいテクノロジの人気が高まっています。彼らは従来のデータ指向のネットワークに浸透し始めており、ネットワーク管理者と管理者は、既存のネットワークのパフォーマンスに影響を与えることなく、これらのテクノロジーに効率的に対応するためにQoSなどの手段を採用する必要があります。

マルチサービストラフィックは、トラフィックの種類ごとに異なる転送速度が必要であり、遅延またはパケットシーケンスに対する許容度が異なるため、効率的に処理するのは困難です。オリジナルのベストエフォートLANプロトコルは、ステーション間の基本的な接続、ファイル転送、電子メール、MRP、およびその後のインターネットなどのアプリケーション向けに設計されました。

図1:VoIP統合

これらのアプリケーションは、接続が確立され、データの転送がそれほど刺激的でない方法で行われる限り、パケット遅延によって危険にさらされることはなく、ネットワークはその目的を果たしました。また、マルチサービストラフィックは、適切なインフラストラクチャと平和的に共存する必要があります。多くの場合、必要な通話を完了するためにVoIPをPSTNにルーティングする必要があります(図1を参照)。または、IPビデオを既存の監視カメラ(CCTV)でブロードキャストする必要があります。

ネットワーク帯域幅は依然として重要ですが、将来のテクノロジーを実装するために考慮すべき唯一の要素ではなくなりました。このトラフィックの新しい特定の特性(遅延、ジッターなど)を読み取り、理解し、実装する必要があります。

メディアを介して音声またはビデオを配信する際の鍵の1つは、品質レベルの維持です。音声またはビデオの品質は、次の3つの要因の結果として低下する可能性があります。

過圧縮

圧縮率は、ネットワークを介して送信される音声信号の品質に反比例し、ユーザーが一般電話(POTS)に慣れているものよりも劣ります。圧縮率が低いほど、音声パケットの送信に必要なスループットが高くなり、ネットワークの輻輳が発生して品質が低下する可能性が高くなります。圧縮はユーザーが簡単に制御できます。

ネットワークでのパケット損失

パケットはネットワーク上で失われますが、これは従来のアプリケーションでは問題になりません。ファイル転送などの従来のアプリケーションの品質は、パケット損失の影響を受けません。これらの損失はネットワークによって認識され、再送信されるためです。 VoIP製品は、数が最小の場合にパケットを再構築します。経験則では、VOIPネットワークで失われるパケットは10%を超えないようにする必要があります。そうしないと、音声品質が低下します。

レイテンシー

データネットワークの遅延はそれほど重要ではありません。重要な会話の最中に、Webページが読み込まれるのを待つことは、受信者の沈黙ほどイライラすることではありません。 150msの最大遅延は、POTS音声と同様の品質を実現するための一方向の遅延の経験則です。

ネットワーク管理者は、音声およびセキュリティアプリケーションで新たな課題に直面しています。従来のPOTSは、輸送と信頼性の点で非常に信頼性があります。最悪の嵐の中でも電話にダイヤルトーンが聞こえない状況を想像するのは難しいです。 Webページの読み込みを5秒間待つことは許容されましたが、顧客との電話会議中にこのような遅延を許容することは不可能です。音声の途切れや目立った遅延を受け入れることは不可能です。

このような期待は、QoSの必要性を生み出す「日和見主義–ベストエフォート」ネットワークにもたらされています。日和見ネットワークで一般的に使用されている先入れ先出し(FIFO)システムは、802.1PからRSVPに至るまで、より高度で動的なリソース割り当てツールに置き換える必要があります。

QoSを成功させるために満たす必要のある重要な条件の1つは、複数のLANおよびWANにわたって、エンドツーエンドでQoSを採用および管理する必要があることです(図2を参照)。これにより、すべてのボトルネックに対処し、音声/ビデオが歪まないことが保証されます。 QoSがネットワークの一部でのみ使用されている場合、「ボトルネック」を介してこのネットワークから出なければならないものはすべて、受信された順序で、利用可能な速度で、可能な遅延で処理および転送されます。

図2:エンドツーエンドのVoIPアプリケーション

プロトコルは、大量のトラフィックを適切に処理する本来の能力が異なり、従来より高い「信頼性」を提供するものもあります。 ATMは、音声またはビデオ伝送にとって非常に価値のある保証されたレートと接続を提供できるため、マルチメディアアプリケーションで非常に成功したプロトコルです。 ATMは、トラフィックを4つのサービスクラスのいずれかに割り当てることにより、トラフィックに優先順位を付けます。各クラスは優先度レベルを受け取ることができます。次の4つのATMサービスの優先順位/キューがあります。

  • サービスレベル(VoIPまたは標準音声回線)の固定ビットレート(CBR)の絶対保証。
  • 非常に優れたスループットを備えた可変バースト可能伝送速度の可変ビットレート(VBR)ですが、時間の経過に伴う一貫性(FTP、ストリーミング)については保証されません。
  • 利用可能なビットレート(ABR)は、最小限の保証を提供します。
  • 残された帯域幅に関係なく、保証を行わない不特定のビットレート(UBR)を使用できます。

ATMは、イーサネットLANで行われる優先順位設定に沿って機能します。ただし、ATMは、LANの普及率が低いため、すべてのLANQoSの問題を解決できるわけではありません。これは、「LANに最適なプロトコル」であるイーサネットによって実行する必要があります。

イーサネットは、より日和見的なプロトコルを表しています。イーサネットはコネクションレス型のブロードキャストプロトコルであり、「ベストエフォート–できるだけ早く」です。イーサネットは、より複雑でなく、したがってより安価になるように設計されました。データが送信されると、イーサネットは、ネットワークが帯域幅を使い果たすまで、この転送に可能な最大の帯域幅を割り当てます。その結果、「重要なトラフィック」は他の転送と同様に扱われるため、重要性の低い/重要性の低いデータの海に溺れています。これは、混雑がない時間帯に音声とビデオで問題なく動作することを意味します。

企業におけるQoS

ネットワークが最悪のシナリオ(最大過負荷)用に設計されることはめったにないため、QoSは、帯域幅を魔法のように追加することなく、自由に使用できるものを効果的に管理するのに役立ちます。

今日のエンタープライズネットワークはますます複雑になり、パケットの平等は過去の歌になっています。以下(表1)では、さまざまなタイプのトラフィック、それらの帯域幅要件、およびそれぞれの遅延許容度を定義しています。許容スコアは、物事が私たちが望むほどスムーズに進まない場合に、各サービスに対してどの程度寛容なユーザーであるかを説明します

メディアタイプ別のパフォーマンス要件の図については、PDFを参照してください。

遅延に対する許容度によって、実装する時間要素の種類が決まります。インターネットブラウジング、Webホスティング、データ転送、ファックスなどのサービスの遅延に対するユーザーの比較的高い許容度により、ネットワーク設計者はそのようなサービスのトランスポートバッファリングを可能にします。リアルタイムアプリケーションでは、サービスのベンチマークを確立する必要があります。

図3:VoIP実装で考えられるボトルネック

明らかに、上記の帯域幅要件は、中小企業の運営に支障をきたすことはありません。 100Mbpsファストイーサネットはこれらのサービスをサポートできますが、大規模な組織ではどうなりますか?データがエンタープライズLANの「外部」に移動する場合、エンドツーエンドについてはどうでしょうか。繰り返しになりますが、QoSの重要な技術的問題の1つは、QoSを効果的にするには、エンドツーエンドでサポートする必要があることです(図2を参照)。 IPテレフォニーとビデオ会議は、基本的なインターネットサーフィンとは異なり、正しく機能するために最小転送速度が保証されている必要があります。

100Mbps LAN接続では、128KbpsWAN接続を介した別のLANとの音声接続を保証できません。この通信の性質と要件により、接続は継続的である必要があり、音声バッファリングの余地はありません。

それで、混雑の時に–それらの重要な部分が流れていて、遅れが最小であることを確実にするために何ができるでしょうか?

最初に、ボトルネックの原因となるトラフィックの種類と、ボトルネックがどこにあるかを定義する必要があります。これにより、次の輻輳の原因の1つが特定される可能性があります。

ピーク使用量。 ユーザーがネットワーク経由で送信しているパケットが多すぎます。大規模なトラフィックパターンを詳しく調べると、不要と見なされた場合に原因をすばやく特定できる場合があります。既存のネットワークでは十分なトラフィックを提供できないため、必要なトラフィックも輻輳を引き起こす可能性があります スイッチングおよびルーティング機能。ネットワークをセグメント化すると役立つ場合があります。

ネットワークがまだ混雑していて、それ以上の帯域幅を投入できない場合は、次のツールのセットを適用できます。

  • ユーザーの優先順位付け
  • セグメントに優先順位を付ける
  • アプリケーションに優先順位を付ける
  • 特定のユーザーの帯域幅を予約/制限する
  • 特定のアプリケーションの帯域幅を予約/制限する
  • 停止できるアプリケーションを選択してください

誰が何を優先するかを定義すると、ネットワーク管理者はこれらのルールを実装するための一連のツールを利用できます。たとえば、IPアドレス(送信元アドレス)に基づいて特定のユーザーに優先順位を付けることができます。または、サブネットマスクまたは宛先アドレスのいずれかを介してセグメントごとに優先順位を付ける場合があります。アプリケーションの優先順位付けとは、すべてのVoice overIPサービスが電子メールなどよりも高い優先順位を取得することを意味します。

デバイスは、優先度または帯域幅の割り当てに関する指示を読み取り、次の4種類のキューでパケットをキューに入れます。

  • 高優先度キューから低優先度キューへの優先度キューイング。パケットは、優先度の高いキューから最初に送信されます(IEEE 802.1Pで説明されています)。
  • 重み付き公平キューイング。保証された帯域幅サービスを可能にしますが、同じ共有リンクを介します。
  • クラスベースのキューイングは、ユーザートラフィックをクラスに分割します。これらのクラスは、IPアドレス、プロトコル、およびアプリケーションタイプに基づいて割り当てられます

 

図4:IEEE®802.1P

LANでのQoSIEEE®802.1Pの優先順位付け

IEEE 802.1Pは、データリンク/ MACサブレイヤー(OSI参照モデルレイヤー2)でネットワークトラフィックに優先順位を付けるためのシグナリング技術です。 802.1Pヘッダーには、優先順位付け用の3ビットフィールドが含まれています。これにより、パケットをさまざまなトラフィッククラスにグループ化できます。 IEEE 802.1P準拠のスイッチは、このタグを取得し(パケットには、宛先アドレスヘッダーと送信元アドレスヘッダーの後にある32ビットタグヘッダーが含まれます)、それを読み取り、適切なプライオリティキューに入れます。この手法では、帯域幅は予約も要求もされません。

優先度には8つのレベル(0〜7)があり、その結果、作成できるキューは8つあります(図4を参照)。レベル7は最高の優先順位を表します。これは、ミッションクリティカルなアプリケーションに割り当てられます。レベル6および5は、インタラクティブなビデオや音声など、遅延の影響を受けやすいアプリケーション向けに設計されています。レベル4以下は、通常のエンタープライズデータ転送やストリーミングビデオに適しています。レベル0は、ベストエフォートプロトコルのすべての欠点を許容できるトラフィックに割り当てられます。

スイッチは「P」タグに基づいてパケットを分析し、送信のために適切な優先度キューに配置します。ユーザーは最大8つの優先度キューを持つことができます。調整可能なアルゴリズムを使用して、優先度の低いキューのパケットが送信される前に、各キューから送信されるパケットの数を選択します。

図5:パケットキューイングの調整可能なアルゴリズム

Transition Networks Management Aggregation Converter(MAC)は、ネットワークのリモートエンドを管理できるようにするコンバーターです。 MACの多くの機能の1つには、802.1Pパケットのサポートが含まれます。 MACは802.1Pタグを読み取り、着信パケットを高優先度キューまたは低優先度キューのいずれかに配置します。ネットワークマネージャは、パケットを高優先度キューまたは低優先度キューのどちらに配置するかを決定する優先度レベルしきい値(0〜7)を定義します。優先度の低いキュー。 。たとえば、しきい値が4に設定されている場合、5の「P」タグは高優先度キューに転送され、「3」のタグを持つパケットは低優先度キューに配置されます。 MACコンバーターは、パケットキューを選択するためのユーザー調整可能なアルゴリズムも実装しています。図5に示すように、高優先度キューから15パケットが送信され、次に低優先度キューから1パケットが送信されてから、MACコンバータが再び高優先度キューに戻ります。

図6:ポートの優先順位の設定

ユーザーは特定のポート(IP電話など)に高優先度を設定することもできます。これにより、このポートのすべてのパケットが自動的に高優先度キューに入れられます。 (図6を参照)MACコンバーターは、キューイングに加えて、ユーザーが優先度の高いアプリケーションで一時停止を無効/有効にして、輻輳時にリアルタイムトラフィック(音声)が一時停止されないようにすることもできます。 (図7を参照)

すべてのコンバーター管理は、完全にSNMPに準拠したグラフィカルユーザーインターフェイス(GUI)ソフトウェア– FocalPoint™によって実行できます。または、任意のWebブラウザーを使用したWebベースの管理を介して管理することもできます。 QoS 802.1Pは、LAN内で優先順位を付けるための効率的なツールです。 QoSには、IP優先順位または差別化サービス–LAN間優先順位付けを実現するためのレイヤー3QoSメカニズムを伴うこともできます。

IPの優先順位

IPプロトコルには、パケットの優先順位付けで使用することを目的とした8ビットフィールドのType of Service(ToS)が含まれています。 3つのToSビットを割り当てて最大8つの優先度レベルを作成し、3ビットを割り当てて遅延感度とパケット損失を記述します。 Transition NetworksのMACコンバーターは、これらのパケットに対して透過的です。

図7:IEEE®802.1Pの一時停止

差別化されたサービス

企業で非常に人気のあるもう1つのQoS方法は、DifferentiatedServicesです。これは、クラスに基づいてトラフィックを管理する効率的な方法です。差別化サービス(Diffserv)は、音声トラフィックなどの特定のタイプのトラフィックを他のタイプの通信よりも優先します。これは、IPパケットをクラスに分類することによって機能します。各パケットのIPヘッダーに含まれるType-of-Serviceバイトの6ビットは、パケット転送スキームと優先度を決定する特定の動作タイプを指定します。

差別化されたサービスは、以下を提供できます。

  • 最小遅延とジッターを定義する優先転送(EF)。 VoIPの優先モード。
  • 3つの選択可能なパケットドロップレートを導入するアシュアードフォワーディング(AF)。輻輳中、ドロップ優先度の高いパケットは破棄されます。したがって、ドロップ優先度が低いとマークされたより重要なトラフィックが通過できるようになります。
  • ベストエフォートは、EFおよびAFに割り当てられていない帯域幅の残りをピックアップします。

DiffServは、エンタープライズネットワークのQoSメカニズムとして使用できます。スケーラブルです。ほとんどすべての新しいルーター製品とVoIP電話などの最終製品は、DiffServをサポートしており、適切なホップごとの動作タイプでパケットにタグを付けることができます。エッジでのDifferentiatedServicesマーキングはコアで読み取られて理解され、パケットは上記の優先順位スキームに基づいて転送されます。 TransitionNetworksのMacConverterは、これらのパケットを透過的に渡します。

このようなQoSサービスは、デバイス自体間のネゴシエーションまたはシグナリングの一部ではありません。これらのルールは、上記の輻輳の理由を理解し、それに応じてユーザー、アプリケーション、またはサービスの優先順位を調整するローカルネットワーク管理者によって割り当てられます。これらの割り当てられたタグはパケットで渡され、自動ネゴシエーションまたは他の形式のシグナリングのプロセス中に変更されることはありません。このようなアプローチは、SOFTQoSと呼ばれます。 802.1P、IP Precedence、DiffServは、ソフトQoS技術の例です。

ハードQoS

ハードQoSは、シグナリングを介してネットワーク上のデバイスが、以前に合意された値に基づいて、さまざまなタイプのトラフィックの優先度レベルをネゴシエート、要求、および調整できるプロセスを表します。ハードQoSには、統合サービス/リソース予約プロトコルなどのプロトコルが含まれます。

図8:出欠確認

RSVPを使用すると、ルーターやスイッチなどのネットワークデバイスが、特定のトラフィックタイプ(VoIPなど)に対してネットワーク上の他のデバイスに必要な/保証された帯域幅を要求できます。このアプローチでは、必要な遅延分散も定義できます。 RSVPは、ネットワーク上の他のデバイスから特定の帯域幅またはスイッチング/転送機能を予約する要求を送信します。ネットワークを介して送信されるこの要件は、フロー仕様と呼ばれます。要件により、次の3つの望ましい転送タイプが発生する可能性があります。

  1. 伝統的なベストエフォート
  2. レートセンシティブ– VoIPには、ビデオストリーミングアプリケーション用に保証されたビットレートサービスで確立された帯域幅が必要です。
  3. 遅延に敏感– VoIPでは最大遅延を定義する必要があり、この最大値を超えることはできません。

概要

音声、オーディオ、およびビデオトラフィックは、LANネットワークとWANネットワークの両方にますます圧力をかけています。ユーザーは、標準的な音声およびビデオ技術の高い信頼性と高品質に慣れています。輸送媒体は変化していますが、私たちの期待は変わりません。 VoIPは、ユーザーが外出先で電話を持っているという利便性のために高品質を犠牲にするモバイルテクノロジーほど幸運ではありません。 LANとそのほとんどの場合、オポチュニスティック/ベストエフォートプロトコルは、これらの高い期待と要件を処理するのに困難な時期に直面しています。

一方、IPビデオと電話の実装プロジェクトは、企業がこれらのテクノロジーによって生み出されるコスト削減をすでに完全に受け入れ始めているため、ペースが速くなります。この加速するプロセスは、ネットワーク容量の適切な増加とは一致しません。 QoSは、ネットワークに意図せずに帯域幅を追加するための魅力的な代替手段です。

音声データがネットワークの一部になると、期待される高品質の音声通話に「対応」するために、音声パケットを優先する必要があります。 ATMは、QoSを成功させる機能を設計しましたが、イーサネットはLANの85%で実行されるため、QoSはこのプラットフォームでも効率的に実行する必要があります。 802.1P、IP優先順位、およびDiffServ –(ソフトQoS技術)は、管理者がリソースを予約せずにさまざまなタイプのトラフィックに優先順位を付けるのに役立ちます。ハードQoS技術のRSVPは、QoSの取り組みをサポートするために必要なレベルの容量を予約するのに役立ちます。これらの手法はいずれも障害に耐えるものではありません。ボトルネックを特定して取り除くために、QoSをエンドツーエンドで計画する必要があります。

最後に、QoSは魔法のようには機能せず、それに応じてリソースを計画および割り当てるネットワーク管理者の責任を軽減しません。ただし、QoSを構成するさまざまな要素は、ネットワーク管理者がネットワークパフォーマンスを向上できるようにする強力なツールを提供できます。

私は何年もの間、お客様のインストールでTransitionNetworksの製品を使用してきました。私は常に彼らの製品、カスタマーサービス、販売、および技術サポートが一流であることに気づきました。他のブランドを使うことすら考えません。

ITソリューションプロバイダーのシニアプロジェクトマネージャー

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