Современная инфраструктура во многом держится на решениях для обеспечения качества обслуживания (QoS). Один из таких инструментов — PCEF, давно стал рабочей лошадкой сетевых операторов. В материале расскажем о том, как зародилась концепция QoS, и как она воплотилась в жизнь: начиная с первых телефонных линий на заре XX века и заканчивая выяснением вопроса, а что же считать «качеством обслуживания», над решением которого бились ученые 1970-х и 1980-х.
Все началось с телефонии
Одной из первых технологических сфер, где всерьез задумались о вопросах качества обслуживания, стала телефония. Причем поначалу речь шла не о скорости соединения или пропускной способности сетей, а о другом аспекте качества — единообразии. В начале XX века телефонная связь во многих странах, например, в США, была фрагментирована. Чтобы два абонента могли позвонить друг другу, их операторы должны были использовать единые стандарты и иметь общую инфраструктуру. В итоге качество связи зависело не только от техники, но и от того, к какой компании был подключен клиент.
Теодор Вейл, возглавлявший компанию AT&T в те годы, продвигал идею универсального сервиса, правда, довольно необычным способом. Он приложил серьезные усилия и убедил американское правительство, что телефонная связь по своей природе тяготеет к естественной монополии, а интересам общества лучше всего отвечает единый оператор — по аналогии с почтой, из которой, кстати, Вейл и пришел в телефонный бизнес. В итоге AT&T такой монополией и стала.
Хотя о важности пропускной способности сетей и станций связи в то время тоже говорили. В 1908 году датский инженер Агнер Краруп Эрланг устроился в Копенгагенскую телефонную компанию: его пригласили решить прикладную задачу — вычислить, сколько нужно линий и операторов, чтобы входящие вызовы не терялись. Эрланг собирал статистику, считал, как часто абоненты натыкались на сигнал «занято». Он даже лично спускался в канализационные люки Копенгагена вместе с рабочими, чтобы измерять блуждающие токи в кабелях.
В 1909 году Эрланг опубликовал научную работу под названием «Теория вероятности и телефонные разговоры», в которой показал, что случайные звонки подчиняются распределению Пуассона. В 1917-м вышла вторая его работа: в ней он вывел классические формулы потерь и времени ожидания вызовов. Сильно позже, в 1946 году, Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии (CCITT, предшественник ITU) назвал в честь ученого единицу измерения трафика — эрланг. Ее используют для оценки пропускной способности при транзите трафика и расчете числа необходимых каналов. Концепция является одним из ключевых компонентов QoS, однако само понятие «качество обслуживания» до 1982 года применительно к телефонии и смежным услугам использовалось лишь эпизодически.
Как было во времена ARPANET
В сфере телекоммуникаций концепция качества обслуживания зародилась еще во времена ARPANET. В заголовке IP-пакета имелось поле типа обслуживания — ToS. В нем было по одному биту на задержку, пропускную способность и надежность плюс три бита приоритета, делившие пакеты на восемь уровней: от обычного и срочного до особо экстренного и критического. Однако на практике последние практически не задействовали. Инженеры, развивавшие интернет (сотрудники университетов и исследовательских организаций), тяготели к «эгалитарному» подходу — за равное отношение к пакетам. Даже RFC 795 предписывала по умолчанию использовать «обычные/нормальные» значения битов приоритета.
В то время вопросам качества обслуживания уделяли не очень много внимания — как минимум потому, что скорости передачи трафика и его объемы оставались небольшими. Но несмотря на это все же появлялись реализации протоколов, целью которых была приоритизация устройств пользователей. В каком-то смысле эти решения служили своеобразным тестовым полигоном для «обкатки» механизмов управления нагрузкой в разных условиях.
Одним из первых таких протоколов был ICLC-03, разработанный британской компанией International Computers Limited. Он обеспечивал логические соединения и обмен данными между мейнфреймами и терминалами. Протокол позволял хосту по-разному обрабатывать трафик (например, интерактивный и пакетный) от конечных устройств в зависимости от их категории [как правило, категория определялась в момент установления связи].
Другой пример — концепция класса обслуживания (CoS), предложенная специалистами IBM в 1979 году. Она применялась на уровне управления маршрутами в архитектуре SNA. Виртуальный маршрут мог получить один из трех уровней приоритета: низкий, средний или высокий.
А что вообще значит «качество»?
В середине 1980-х произошел переход от чистого управления нагрузкой и расстановки уровней приоритета к обеспечению удовлетворенности пользователей. Так, в спецификации стандарта X.25 (впервые принятом CCITT в 1976 году, но доработанном в редакциях 1980 и 1984 годов) — были заложены механизмы, описывавшие желаемый уровень сервиса: класс пропускной способности, определяющий скорость передачи данных по виртуальным каналам, и механизм согласования допустимой сквозной задержки.
При этом считается, что во многом сформировать концепцию QoS в ее нынешнем виде помогли научные работы того времени, посвященные качеству широкого спектра товаров и услуг. Так, в 1984 году профессор из Гарварда Дэвид Гарвин выделил пять определений качества, три из которых, по мнению финских исследователей, вполне можно отнести к QoS: степень удовлетворенности пользователя, соответствие заявленным техническим требованиям и польза для клиента.
В том же году Кристиан Гренроос, профессор Школы экономики Ханкен, предложил выделять техническое качество, основанное на характеристиках услуги, и качество функциональное, зависящее от восприятия покупателя.
Параллельно к схожим формулировкам двигались и разработчики стандартов вроде ISO 8402. В частности, он утвердил ключевые термины в области управления качеством. Понятие качества было определено как: «Совокупность свойств и характеристик изделия или услуги, обеспечивающая удовлетворение обусловленных или предполагаемых потребностей».
С ростом сложности сетевой инфраструктуры задача обеспечения QoS становилась все более комплексной. Авторы одного из ретроспективных исследований истории QoS сравнивают трафик той эпохи с «диким зверем», которого нужно было приручить, а главным инструментом «дрессировки» служило математическое моделирование. Характерный пример — европейский исследовательский проект COST 242, посвященный изучению трафика в высокоскоростных телекоммуникационных сетях. Он объединил ученых и инженеров из разных стран для решения ключевой технической проблемы тех лет — как измерять, описывать и прогнозировать сетевой трафик, чтобы сети работали без сбоев.
Однако математическое моделирование не могло ответить на вопрос, какой именно пакет важнее для человека на другом конце провода. Так, в 1990 году в стандарте IEEE 802.1D появился QoS-параметр «пользовательский приоритет» (User Priority) — значение от нуля до семи. Правда, сам стандарт не объяснял, что делать с этими значениями на практике. Только спустя годы в приложении к документу был описан конкретный механизм, поясняющий, какие типы трафика соответствуют каждому уровню приоритета.
В следующем материале поговорим о том, как развивались первые проприетарные QoS-механизмы и их наиболее распространенные архитектуры (IntServ, DiffServ), которые операторы связи и интернет-провайдеры продолжают использовать сегодня.
Больше о работе сетей и операторов связи — в нашем блоге на Хабре:
Пузырьковая сетка, кошачья стая и не только — неожиданные источники вдохновения для QoS-алгоритмов. С каждым годом объемы веб-трафика растут в разы, неудивительно, что появляются новые методы обеспечения QoS. Мы собрали несколько свежих, и в каком-то смысле необычных, алгоритмов управления трафиком: один вдохновлен охотой китов, авторы другого ориентировались на повадки кошек.
К 2040 году 6G будут пользоваться миллиарды абонентов — какая судьба может ждать инфраструктуру 4G? Похоже, в обозримом будущем от 4G начнут избавляться так же активно, как сейчас от связи третьего поколения. Чтобы понять, насколько мы близки к такому сценарию, разбираемся, как быстро разворачивают инфраструктуру 5G в мире и готова ли она в ближайшее время потеснить 4G. Рассказываем про опыт Китая, Германии и США, а также обсуждаем перспективы 5G в России.
«Ловит даже на парковке»: что происходит в сфере VoWiFi. Технология VoWiFi известна еще с 2004 года, но сегодня она переживает новый всплеск интереса. Так, в России половина всего голосового трафика приходится как раз на звонки через интернет — за минувший год доля VoWiFi-трафика возросла у некоторых операторов на 49%. Обсудим, чем обусловлен рост популярности, почему провайдеры активнее присматриваются к технологии и как исследователи предлагают ее совершенствовать.
Как мы собрали сеть мобильного оператора у себя в лаборатории и зачем нам это понадобилось. Наш тимлид команды разработки мобильных продуктов собрал полноценную «провайдерскую лабораторию», где можно экспериментировать с трафиком и оценивать работу тестовых компонентов ядер сети. Она построена на основе открытого программного эмулятора srsRAN и станции промышленного уровня Baicells, на которой можно проводить испытания даже с VoLTE-звонками в максимально приближенных к реальности условиям.
Выйди и зайди нормально: как звонок передается из Wi-Fi на LTE. Рассказываем, что такое хендовер (handover) в мобильных сетях и как это работает — по фазам: от обнаружения и аутентификация в LTE до выделения bearer под VoLTE и закрытия Wi-Fi-сессии. Показываем не просто архитектуру, а с примерами на логах оператора связи.