Курс лекций по сетевым технологиям. Часть IV

Современные приложения не могут допустить, чтобы их пакеты поступали с опозданием. Два протокола (RTP и PSVP) позволяют гарантировать своевременность доставки с обеспечением качества услуг.

Непрекращающийся рост Интернета и частных сетей предъявляет новые требования к пропускной способности. Клиент-серверные приложения далеко превосходят Telnet по объемам передаваемых данных. World Wide Web привел к гигантскому увеличению графика графической информации. Сегодня к тому же голосовые и видеоприложения выдвигают свои специфические требования к и без того перегруженным сетям.

Для того чтобы удовлетворить все эти запросы, одного увеличения емкости сети недостаточно. Что действительно необходимо, так это разумные эффективные методы управления графиком и контроль загруженности.

Исторически сети на базе IP предоставляли всем приложениям только простейшую услугу по доставке данных по мере возможности. Однако потребности со временем изменились. Организации, потратившие миллионы долларов на установку сети на базе IP для передачи данных между локальными сетями, сталкиваются теперь с тем, что такие конфигурации не способны эффективно поддерживать новые мультимедийные приложения реального времени с многоадресной рассылкой.

АТМ — единственная сетевая технология, которая изначально разрабатывалась для поддержки обычного трафика TCP и UDP наряду с трафиком реального времени. Однако ориентация на АТМ означает либо создание новой сетевой инфраструктуры для трафика реального времени, либо замену имеющейся конфигурации на базе IP, причем оба варианта обойдутся весьма недешево.

Поэтому потребность в поддержке нескольких типов трафика с различными требованиями к качеству услуг в рамках архитектуры TCP/IP весьма насущна. Эту задачу призваны решить два ключевых инструмента: транспортный протокол реального времени (Real-Time Transport Protocol, RTP) и протокол резервирования ресурсов (Resource Reservation Protocol, RSVP).

RTP гарантирует доставку данных одному или более адресатам с задержкой в заданных пределах. Это означает, что данные могут быть воспроизведены в реальном времени. RSVP позволяет конечным системам резервировать сетевые ресурсы для получения необходимого качества услуг, в особенности ресурсы для трафика реального времени по протоколу RTP.

Наиболее широко используемый протокол транспортного уровня — это TCP. Хотя TCP позволяет поддерживать множество разнообразных распределенных приложений, он не подходит для приложений реального времени.

В приложениях реального времени отправитель генерирует поток данных с постоянной скоростью, а получатель(-и) должен предоставлять эти данные приложению с той же самой скоростью. Такие приложения включают аудио- и видеоконференции, распространение живого видео (для немедленного воспроизведения), разделяемые рабочие области, удаленную диагностику в медицине, компьютерную телефонию, распределенное интерактивное моделирование, игры и мониторинг в реальном времени.

Использование TCP в качестве транспортного протокола для этих приложений невозможно по нескольким причинам. Во-первых, данный протокол позволяет установить соединение только между двумя конечными точками и, следовательно, не подходит для многоадресной передачи. Он предусматривает повторную передачу потерянных сегментов, прибывающих в то время, когда приложение реального времени уже их не ждет. Кроме того, у TCP нет удобного механизма привязки информации о синхронизации к сегментам, что также является требованием приложений реального времени.

Другой широко используемый протокол транспортного уровня — UDP не имеет первых двух

ограничений (соединение «точка-точка» и передача потерянных сегментов), но и он не предоставляет критической информации о синхронизации. Таким образом, UDP сам по себе не имеет каких-либо инструментов общего назначения для приложений реального времени.

Несмотря на то что каждое приложение реального времени может обладать своими собственными механизмами для поддержки передачи в реальном времени, они имеют много общих черт, что делает определение единого протокола весьма желательным. Стандартный протокол такого рода — RTP, определенный в RFC 1889.

В типичной среде реального времени отправитель генерирует пакеты с постоянной скоростью. Они отправляются им через одинаковые интервалы времени, проходят через сеть и принимаются получателем, воспроизводящим данные в реальном времени по их получении.

Однако ввиду вариации задержки при передаче пакетов по сети они прибывают через нерегулярные интервалы. Для компенсации этого эффекта поступающие пакеты буферизуются, придерживаются на некоторое время и затем предоставляются с постоянной скоростью программному обеспечению, генерирующему вывод. Чтобы такая схема работала, каждый пакет получает отметку о времени — таким образом получатель может воспроизвести поступающие данные с той же скоростью, что и отправитель.

RTP поддерживает передачу данных в реальном времени между несколькими участниками сеанса. (Сеанс — это логическая связь между двумя и более пользователями RTP, поддерживаемая в течение всего времени передачи данных. Процесс открытия сеанса выходит за рамки RTP.)

Хотя RTP может использоваться и для одноадресной передачи в реальном времени, его сила — в поддержке многоадресной передачи. Для этого каждый блок данных RTP содержит идентификатор отправителя, указывающий, кто из участников генерирует данные. Блоки данных RTP содержат также отметку о времени, чтобы данные могли быть с правильными интервалами воспроизведены принимающей стороной.

Кроме того, RTP определяет формат полезной нагрузки передаваемых данных. С этим напрямую связана концепция синхронизации, за которую частично отвечает микшер — механизм трансляции RTP. Принимая потоки пакетов RTP от одного или более источников, он комбинирует их и посылает новый поток пакетов RTP одному или более получателям. Микшер может просто комбинировать данные, а также изменять их формат.

Пример приложения для микшера — комбинирование нескольких источников звука. Например, предположим, что часть систем данного аудиосеанса генерирует каждая свой собственный поток RTP. Большую часть времени только один источник активен, хотя иногда одновременно «говорят» несколько источников.

Если новая система хочет принять участие в сеансе, но ее канал до сети не имеет достаточной точной емкости для поддержки всех потоков RTP, то микшер получает все эти потоки, объединяет их в один и передает последний новому члену сеанса. При получении нескольких потоков микшер складывает значения импульсно-кодовой модуляции. Заголовок RTP, генерируемый микшером, включает идентификатор(-ы) отправителя(-ей), чьи данные присутствуют в пакете.

Более простое устройство создает один исходящий пакет RTP для каждого поступающего пакета RTP. Этот механизм, называемый транслятором, может изменить формат данных в пакете или использовать иной комплект низкоуровневых протоколов для передачи данных из одного домена в другой. Например, потенциальный получатель может оказаться не в состоянии обрабатывать высокоскоростной видеосигнал, используемый другими участниками сеанса. Тогда транслятор конвертирует видео в формат более низкого качества, требующий не такой высокой скорости передачи данных.

Каждый пакет RTP имеет основной заголовок, а также, возможно, дополнительные поля, специфичные для приложения. Рис. 4 иллюстрирует структуру основного заголовка. Первые 12 октетов состоят из следующих полей:

• поле версии (2 бита): текущая версия — вторая;

• поле заполнения (1 бит): это поле сигнализирует о наличии заполняющих октетов в конце полезной нагрузки. (Заполнение применяется, когда приложение требует, чтобы размер полезной нагрузки был кратен, например, 32 битам.) В этом случае последний октет указывает число заполняющих октетов;

• поле расширения заголовка (1 бит): когда это поле задано, то за основным заголовком следует еще один, дополнительный, используемый в экспериментальных расширениях RTP;

• поле числа отправителей (4 бита): это поле содержит число идентификаторов отправителей, чьи данные находятся в пакете, причем сами идентификаторы следуют за основным заголовком;

• поле маркера (1 бит): смысл бита маркера зависит от типа полезной нагрузки. Бит маркера используется обычно для указания границ потока данных. В случае видео он задает конец кадра. В случае голоса он задает начало речи после периода молчания;

• поле типа полезной нагрузки (7 бит): это поле идентифицирует тип полезной нагрузки и формат данных, включая сжатие и шифрование. В стационарном состоянии отправитель использует только один тип полезной нагрузки в течение сеанса, но он может его изменить в ответ на изменение условий, если об этом сигнализирует протокол управления передачей в реальном времени (Real-Time Transport Control Protocol);

• поле порядкового номера (16 бит): каждый источник начинает нумеровать пакеты с произвольного номера, увеличиваемого затем на единицу с каждым посланным пакетом данных RTP. Это позволяет обнаружить потерю пакетов и определить порядок пакетов с одинаковой отметкой о времени. Несколько последовательных пакетов могут иметь одну и ту же отметку о времени, если логически они порождены в один и тот же момент (например, пакеты, принадлежащие одному и тому же видеокадру);

• поле отметки о времени (32 бита): здесь записывается момент времени, когда был создан первый октет данных полезной нагрузки. Единицы, в которых в этом поле указывается время, зависят от типа полезной нагрузки. Значение определяется по локальным часам отправителя;

• поле идентификатора источника синхронизации: генерируемое случайным образом число, уникальным образом идентифицирующее источник в течение сеанса.

За основным заголовком может следовать одно или более полей идентификаторов отправителей, чьи данные присутствуют в полезной нагрузке. Эти идентификаторы вставляются микшером.

Протокол RTP используется только для передачи пользовательских данных — обычно многоадресной — всем участникам сеанса. Отдельный протокол управления передачей в реальном времени (Real-Time Transport Control Protocol, RTCP) работает с несколькими адресатами для обеспечения обратной связи с отправителями данных RTP и другими участниками сеанса.

RTCP использует тот же самый базовый транспортный протокол, что и RTP (обычно UDP), но другой номер порта. Каждый участник сеанса периодически посылает RTCP-пакет всем остальным участникам сеанса. RFC 1889 описывает три функции, выполняемые RTCP.

Первая функция состоит в обеспечении качества услуг и обратной связи в случае перегрузки. Поскольку RTCP-пакеты являются многоадресными, то все участники сеанса могут оценить, насколько хороши работа и прием других участников. Сообщения отправителя позволяют получателям оценить скорость данных и качество передачи. Сообщения получателей содержат информацию о проблемах, с которыми они сталкиваются, включая утерю пакетов и избыточную неравномерность передачи. Например, скорость передачи для аудио-/видеоприложения может быть снижена, если линия не обеспечивает желаемого качества услуг при данной скорости передачи.

Обратная связь с получателями важна также для диагностирования ошибок при распространении.

Анализируя сообщения всех участников сеанса, администратор сети может определить, касается ли данная проблема одного участника или носит общий характер.

Вторая основная функция RTCP — идентификация отправителя. Пакеты RTCP содержат стандартное текстовое описание отправителя. Они предоставляют больше информации об отправителе пакетов данных, чем случайным образом выбранный идентификатор источника синхронизации. Кроме того, они помогают пользователю идентифицировать потоки, относящиеся к различным сеансам. Так, они дают пользователю возможность определить, что одновременно открыты отдельные сеансы для аудио и видео.

Третья функция состоит в оценке размеров сеанса и масштабировании. Для обеспечения качества услуг и обратной связи с целью управления загруженностью, а также с целью идентификации отправителя, все участники периодически посылают пакеты RTCP. Частота передачи этих пакетов снижается с ростом числа участников.

При небольшом числе участников один пакет RTCP посылается максимум каждые пять секунд. RFC 1889 описывает алгоритм, согласно которому участники ограничивают частоту RTCP-пакетов в зависимости от общего числа участников. Цель состоит в том, чтобы трафик RTCP не превышал 5% от общего трафика сеанса.

Назначение любой сети состоит в доставке данных получателем с гарантированным качеством услуг, включающих пропускную способность, задержку и допустимый предел вариации задержки. С ростом числа пользователей и приложений обеспечить качество услуг становится все труднее.

Всего лишь реагировать на перегрузку — уже недостаточно. Необходим инструмент, с помощью которого перегрузок можно было бы избежать вообще, то есть сделать так, чтобы приложения могли резервировать сетевые ресурсы в соответствии с требуемым качеством услуг.

Превентивные меры полезны как при одноадресной, так и при многоадресной передаче. При одноадресной передаче два приложения договариваются о конкретном уровне качества услуг для данного сеанса. Если сеть сильно загружена, то она может оказаться не в состоянии предоставить услуги необходимого качества. В этой ситуации приложениям придется отложить сеанс до лучших времен или попробовать снизить требования к качеству услуг, если это возможно.

Решение в данном случае состоит в резервировании одноадресными приложениями ресурсов для обеспечения требуемого уровня услуг. Тогда маршрутизаторы на предполагаемом пути выделяют ресурсы (например, место в очереди и часть емкости исходящей линии). Если маршрутизатор не имеет возможности выделить ресурсы вследствие ранее взятых на себя обязательств, то он извещает об этом приложение. При этом приложение может попытаться инициировать другой сеанс с меньшими требованиями к качеству услуг или перенести его на более поздний срок.

Многоадресная рассылка ставит гораздо более сложные задачи по резервированию ресурсов. Она ведет к генерации огромных объемов сетевого графика — в случае, например, таких приложений, как видео, или при наличии большой и рассредоточенной группы получателей. Однако трафик от источника многоадресной рассылки может быть в принципе значительно снижен.

Для этого есть два основания. Во-первых, некоторые члены группы могут не нуждаться в доставке данных от конкретного источника в определенный период времени. Так, члены одной группы могут получать информацию одновременно по двум каналам (от двух источников), но при этом получатель может быть заинтересован в приеме только одного канала.

Во-вторых, что некоторые члены группы в состоянии обрабатывать только часть передаваемой отправителем информации. Например, видеопоток может состоять из двух компонентов: один с низким качеством картинки, а другой — с высоким. Такой формат имеет ряд алгоритмов сжатия видео: они генерируют базовый компонент с картинкой низкого качества и дополнительный компонент с повышенным разрешением.

Некоторые получатели могут не иметь достаточной вычислительной мощи для обработки компонентов с высоким разрешением или быть подключены к сети через подсеть или канал, не обладающие достаточной емкостью, чтобы пропустить полный сигнал.

Резервирование ресурсов позволяет маршрутизаторам заранее определить, в состоянии ли они осуществить доставку многоадресного трафика всем получателям.

В предыдущих попытках реализации резервирования ресурсов и в принятых во frame relay и АТМ подходах необходимые ресурсы запрашивает источник потока данных. Этот метод достаточен в случае одноадресной передачи, потому что передающее приложение передает данные в определенном темпе, а необходимый уровень качества услуг заложен в схему передачи.

Однако такой подход нельзя использовать для многоадресной рассылки. У разных членов группы могут быть неодинаковые требования к ресурсам. Если исходный поток может быть разделен на подпотоки, то некоторые члены группы, вполне возможно, пожелают получать только один из них. В частности, некоторые получатели смогут обрабатывать только компонент видеосигнала низкого разрешения. Или если несколько отправителей вещают на одну группу, то получатель может выбрать только одного отправителя или некоторое их подмножество. Наконец, требования различных получателей к качеству услуг могут меняться в зависимости от оборудования вывода, мощности процессора и скорости канала.

По этой причине резервирование ресурсов получателем видится предпочтительным. Отправители могут предоставить маршрутизаторам общие характеристики трафика (например, темп передачи данных и вариабельность), но получатели должны сами определить требуемый уровень качества услуг. Маршрутизаторы затем сводят воедино запросы на выделение ресурсов на общих участках дерева распространения.

В основе RSVP лежат три концепции, касающиеся потоков данных: сеанс, спецификация потока и спецификация фильтра. Сеанс — это поток данных, идентифицируемый по адресату. Отметим, что эта концепция отличается от концепции сеанса RTP, хотя сеансы RSVP и RTP могут иметь взаимно однозначное соответствие. После резервирования маршрутизатором ресурсов для конкретного адресата он рассматривает это как начало сеанса и выделяет ресурсы на время этого сеанса.

Запрос на резервирование от конечной системы-получателя, называемый описателем потока, состоит из спецификации потока и фильтра. Спецификация потока определяет требуемое качество услуг и используется узлом для задания параметров планировщика пакетов. Маршрутизатор передает пакеты с заданным набором предпочтений, опираясь на текущую спецификацию потока.

Спецификация фильтра определяет набор пакетов, под которые запрашиваются ресурсы. Вместе с сеансом она определяет набор пакетов (или поток), для которых требуемое качество услуг должно быть обеспечено. Любые другие пакеты, направляемые этому адресату, обрабатываются постольку, поскольку сеть в состоянии это сделать.

RSVP не определяет содержания спецификации потока, он просто передает запрос. Спецификация потока обычно включает класс услуг, Rspec (R означает резерв) и Tspec (T означает трафик). Два других параметра представляют собой набор чисел. Параметр Rspec определяет требуемое качество услуг, а параметр Tspec описывает поток данных. Содержимое Rspec и Tspec прозрачно для RSVP.

В принципе, спецификация фильтра описывает произвольное подмножество пакетов одного сеанса (то есть тех пакетов, адресат которых определяется данным сеансом). Например, спецификация фильтра может определять только конкретных отправителей либо определять протоколы или пакеты, поля протокольных заголовков которых совпадают с заданными.

Рис. 3 иллюстрирует связь между сеансом, спецификацией потока и спецификацией фильтра. Каждый приходящий пакет относится по крайней мере к одному сеансу и рассматривается в соответствии с логическим потоком для этого сеанса. Если пакет не принадлежит к какому-либо сеансу, то он доставляется постольку, поскольку есть свободные ресурсы.

Основная сложность RSVP связана с многоадресной рассылкой. Пример многоадресной конфигурации приведен на рис. 6. Эта конфигурация состоит из четырех маршрутизаторов. Канал между двумя любыми маршрутизаторами, изображаемый линией, может представлять собой как прямой канал, так и подсеть. Три хоста — Gl, G2 и G3 — входят в одну группу и получают дейтаграммы с соответствующим групповым адресом. Данные по этому адресу передаются двумя хостами — S1 и S2. Красная линия соответствует дереву маршрутизации для S1 и данной группы, а синяя линия — для S2 и данной группы. Линии со стрелками указывают направление передачи пакетов от S1 (красная) и от S2 (синяя).

Рисунок показывает, что все четыре маршрутизатора должны знать о резервировании ресурсов каждым получателем. Таким образом, запросы на выделение ресурсов распространяются в обратном направлении по дереву маршрутизации.

RSVP использует два основных типа сообщений: Resv и Path. Сообщения Resv генерируются получателями и распространяются вверх по дереву, причем каждый узел по пути объединяет и компонует пакеты от разных получателей, когда это возможно. Эти сообщения приводят к переходу маршрутизатора в состояние резервирования ресурсов для данного сеанса (группового адреса). В конце концов все объединенные сообщения Resv достигают хостов-отправителей. Основываясь на полученной информации, они задают надлежащие параметры управления графиком для первого транзитного узла.

Рис. 7 показывает поток сообщений Resv. Обратите внимание: сообщения объединяются; следовательно, только одно сообщение передается вверх по любой ветви комбинированного дерева доставки. Однако эти сообщения должны периодически рассылаться вновь для продления срока резервирования ресурсов.

Сообщение Path используется для распространения информации об обратном маршруте. Всеми современными протоколами многоадресной маршрутизации поддерживается только прямой маршрут в виде дерева распространения (вниз от отправителя). Но сообщения Resv должны передаваться в обратном направлении через все промежуточные маршрутизаторы всем хостам-отправителям.

Поскольку протокол маршрутизации не предоставляет информации об обратном маршруте, она передается RSVP в сообщениях Path. Любой хост, желающий стать отправителем, посылает сообщение Path всем членам группы. По пути каждый маршрутизатор и каждый хост-адресат переходит в состояние path, указывающее, что пакеты для этого отправителя должны пересылаться на транзитный узел, с которого данный пакет получен. Рис. 5 показывает, что пакеты Path передаются по тем же самым путям, что и пакеты данных.

Рассмотрим работу протокола RSVP. С точки зрения хоста работа протокола состоит из следующих этапов (первые два этапа в этой последовательности имеют иногда обратную очередность).

1. Получатель вступает в группу многоадресной рассылки посредством отправки сообщения по протоколу IGMP соседнему маршрутизатору.
2. Потенциальный отправитель отправляет сообщение по адресу группы.
3. Получатель принимает сообщение Path, идентифицирующее отправителя.
4. Теперь, когда получатель имеет информацию об обратном пути, он может отправлять сообщения Resv с дескрипторами потока.
5. Сообщения Resv передаются по сети отправителю.
6. Отправитель начинает передачу данных.
7. Получатель начинает прием пакетов данных.

Вчерашние методы работы с большими объемами графика совершенно непригодны для современных систем. Без новых инструментов удовлетворять растущим требованиям к передаче данных в связи с ростом их объема, распространением приложений реального времени и многоадресной рассылки невозможно. RTP и RSVP обеспечивают надежный фундамент для сетей следующего поколения LAN.

В качестве примера реального применения этих протоколов можно привести модель VoIP (Voice over IP) – передачи голоса по IP-сетям, которая описана в стандарте H.232 и предусматривает передачу аудио-, видеоинформации и данных через IP-сеть. В этом случае протокол реального времени RTP используется для установления соединения, а протокол RSVP – для резервирования ресурсов сети.

В основу опубликованного цикла статей «Курс лекций по сетевым технологиям» положены курсы, читаемые в настоящее время в «Академии АйТи»:

1. А.В. Семенов — «Спектр решений Cisco Systems (обзор технологий, стандартов и продуктов)».
2. А.А. Грициенко — «Спектр решений Cabletron Systems (обзор технологий, стандартов и продуктов)».

Выражаем благодарность авторам данных курсов, а также «Академии АйТи», любезно предоставившей эти материалы.

КомпьютерПресс 6'2000