Недавно мы рассказывали, как зародилась концепция QoS, начиная с первых телефонных линий. Сегодня продолжим тему и поговорим о том, как появились архитектуры IntServ и DiffServ, и как работали с качеством обслуживания в беспроводных сетях.
Так просто взять и передать аудио/видео?
Ранняя интернет-архитектура, выросшая из ARPANET, имела механизмы приоритезации, но на практике их почти не использовали. Для файлов и почты такой подход работал, но для аудио и видео — нет. Для передачи подобного контента важна не только пропускная способность, но и предсказуемость задержки и джиттера, а гарантировать их сеть, не умеющая резервировать ресурсы заранее, попросту не могла. Справедливости ради аудио по сети передавали еще с начала 1970-х, однако проблемой надежной доставки такого трафика занялись позже.
В марте 1992-го на заседании IETF в Сан-Диего прошла первая интернет-аудиотрансляция. В том же году один из пионеров интернета Дэвид Кларк совместно с коллегами из Xerox опубликовал работу о «приложениях реального времени» (Real-Time Applications) в сетях с интегрированными сервисами (ISPN). Их поддержку авторы назвали одной из самых мучительных технических проблем. Там же они предложили делить трафик на два класса: с гарантированным и прогнозируемым обслуживанием. Первый давал жесткие гарантии — фиксированный верхний предел задержки «из конца в конец» (delay bound) и обеспеченную полосу. Второй же был гибким и оценивал задержки по реальной производительности сети.
Два года спустя эти идеи легли в основу архитектуры IntServ, призванной добавить в развивающийся интернет механизм предсказуемости при передаче трафика реального времени. Документ, описывающий архитектуру IntServ (RFC 1633), Инженерный совет Интернета опубликовал в июне 1994 года. Его подготовили Боб Брейден из ISI, все тот же Дэвид Кларк и Скотт Шенкер, сотрудник исследовательского центра Xerox PARC.
IntServ заранее выделяет полосу под каждый поток данных, чтобы гарантировать QoS. Для этого протокол RSVP формирует запрос, в котором описаны параметры трафика (полоса, пиковая скорость) и требования к обслуживанию (максимальная задержка). Он последовательно проходит по цепочке маршрутизаторов на пути к получателю, которые проверяют наличие свободных ресурсов. Если их достаточно, узел резервирует полосу и транслирует запрос дальше, в противном случае — отклоняет его. Когда пакеты данных поступают в сеть, маршрутизаторы дополнительно следят, не превышает ли отправитель заявленную скорость: лишние пакеты отбрасываются или помечаются как низкоприоритетные.
Хотя такой подход и гарантировал обработку трафика, он имел недостаток: маршрутизаторам приходилось хранить состояние потоков, поэтому систему было трудно масштабировать. Чтобы обойти это ограничение, в декабре 1998 года IETF выпустил RFC 2475 с альтернативной архитектурой — DiffServ. Вместо «поштучного» бронирования ресурсов инженеры предложили объединять похожий трафик в классы. Маршрутизатор записывает в заголовок IP-пакета код DSCP из шести битов, который определяет характер обработки: ускоренная пересылка, гарантированная или все тот же Best Effort. Эта схема используется в сетях до сих пор: ее адаптировали под современные условия, но базовые принципы остались прежними.
QoS и беспроводная связь
Изначально IntServ и DiffServ проектировались под проводные сети — использовать их на радиоканалах не планировалось. Первая спецификация IEEE 802.11, определившая правила работы беспроводных сетей, была утверждена лишь в 1997 году, и дифференциации трафика в ней, по сути, не было. Только в 2005 году появилась поправка 802.11e, которая решала вопрос организации очередей в эфире, введя четыре категории приоритета [через два года ее вместе с рядом других поправок объединили в стандарт IEEE 802.11-2007].
Этот период породил интерес исследователей к теме QoS в беспроводных сетях. С 2003 по 2009 год примерно половина из десятки наиболее цитируемых работ по теме приходилась на беспроводные сети, тогда как проводному IP была посвящена лишь пара исследований. Неудивительно, что во второй половине нулевых внимание специалистов привлекла система WiMAX — альтернатива выделенным телефонным линиям и DSL, построенная на стандарте 802.16 и рассчитанная на связь на дальних расстояниях. Качество обслуживания здесь также обеспечивала система из пяти классов: трафик реального времени с фиксированным размером пакетов, потоковое видео, передача голоса, передача больших файлов (допускают задержки, но не потери пакетов) и все тот же Best Effort без гарантий полосы. Сегодня стандарт теряет популярность по мере распространения 4G и 5G. Так, в Южной Корее до 2019 года работал WiBro, технически почти идентичный WiMAX, но сеть закрыли: масштабировать ее на глобальном уровне не вышло, а правительство сделало ставку на новое поколение связи.
Любопытно, что исследования шли и в куда более экзотических направлениях. Так, в 2007–2008 годах на короткое время вошло в моду «когнитивное радио». Саму концепцию предложил Джозеф Митола третий из Королевского технологического института в Стокгольме еще в 1998 году — как способ решить проблему дефицита частот. Идея заключалась в том, чтобы мониторить эфир, с помощью алгоритмов машинного обучения находить в спектре свободные полосы и временно их занимать. Однако применение оказалось нишевым: в основном это гражданская авиация и военная связь; используют когнитивное радио и в космосе. Сказалось отсутствие единых стандартов, уязвимость к кибератакам и регуляционные сложности с лицензированными частотами.
От QoS к QoE
С развитием QoS специалисты начали обращать внимание на QoE — качество пользовательского опыта. Как самостоятельное направление оно оформилось во второй половине нулевых, а к началу 2010-х уже во всю проводились профильные профессиональные и научные семинары. В отличие от традиционного QoS, сфокусированного на задержках и потерях пакетов, QoE смотрит на то, как услугу оценивает сам пользователь.
Но и с QoS, и с QoE наблюдается интересная динамика: далеко не все согласны с необходимостью развивать это направление в принципе. Еще в нулевых зародился разговор о сетевом нейтралитете — причем возник он именно как реакция на планы операторов внедрять QoS в коммерческих сетях. Согласно этой концепции, провайдеры должны обрабатывать данные без дискриминации по типу контента, приложения или пользователя, а значит, расставлять приоритеты между видами трафика не получится. Предложение сторонников нейтралитета чем-то напоминает возврат к исходной точке развития интернета — к тем временам, когда инженеры в университетах и исследовательских центрах придерживались «эгалитарного подхода» к сетевым ресурсам.
Однако QoE до сих пор остается важным компонентом сетевой инфраструктуры — работать с ним помогают решения вроде PCEF. Совместно с модулем управления политиками обслуживания в сети (PCRF) они следят, чтобы абоненты получали услугу должного уровня.
Что еще почитать в нашем блоге на Хабре:
Откуда берут начало современные QoS-решения? История вопроса — первые телефонные линии в США, эрланг и ARPANET. Первая часть материала, в которой мы разбираем историю QoS начала XX века. Начинаем с телефонии и работы Агнера Эрланга. Дальше, времена ARPANET и появление поля приоритета в заголовке IP-пакета, а также середина 1980-х, когда индустрия всерьез начала прорабатывать вопрос — а что вообще считать «качеством обслуживания»?
«Мертвый интернет» против «замерзшего» — обсуждаем популярные конспирологические теории о будущем сети. Разбираем теорию «мертвого интернета», которая на фоне свежей статистики перестает выглядеть чистой спекуляцией: боты генерируют от 50 до 70% трафика. С другой стороны, некоторые называют теорию параноидальной и указывают на вполне себе живой инди-веб.
MVNO: от первых проектов 90-х до современных бизнес-моделей. Рассказываем про нишевых мобильных операторов, которые в один момент перестали быть таковыми. К концу 2010-х количество MVNO, которые базируются уже на готовой инфраструктуре других провайдеров, перевалило за несколько тысяч. История MVNO начинается с попыток ограничить монополию крупных игроков, а сегодня они запускают собственных виртуальных операторов как часть экосистемы: например, для футбольных болельщиков.
«Увидеть» сигнал, «нарисовать» комнату, построить виртуальное пространство — исследования и эксперименты с Wi-Fi. Подборка любопытных исследований о Wi-Fi в задачах визуализации. Рассказываем про энтузиаста, который построил карту силы сигнала, используя простой диод и камеру с длинной выдержкой. Также смотрим на работу специалистов из Токийского университета, которые с помощью данных о состоянии канала сгенерировали фотореалистичные изображения комнаты — с текстурами и объектами (которые вдобавок можно править промптами).
Что это было? Куда пропал китайский протокол IPV9. Говорим про китайскую разработку конца 1990-х, задуманную как ответ на зависимость от «американского» интернета: 256-битная адресация, десятизначные телефонные номера вместо привычных идентификаторов и заглавная V в названии — чтобы подчеркнуть отличие от IPv4 и IPv6. Проект с самого начала путали то с реализациями IETF, то с первоапрельским RFC про вымышленный протокол (даже сам Винтон Серф посчитал китайскую разработку шуткой).