Необходимость во множественном доступе к разделяемым вычислительным ресурсам обусловила создание распределенных систем, которые со временем стали представлять чрезвычайно сложные технические комплексы, состоящие из объединенного в сеть посредством среды распространения и находящегося под управлением сетевой операционной системы разнообразного оборудования. Однако, со стороны конечного пользователя, такая система является не чем иным, как совокупностью сетевых служб, обеспечивающих возможность посылки, получения, обработки и хранения информации или, что то же, доступа к необходимым ему услугам. Естественно, что для выполнения данных функций распределенная система должна не только предоставлять пользователю необходимые услуги, но и обеспечивать их должное качество - "качество обслуживания" (Quality of Service, QoS). В упрощенном виде это сводится к тому, что информация, представленная аналоговыми или цифровыми сигналами речи, данных или видео поступала строго по назначению, как можно быстрее и, естественно, с высокой надежностью и достоверностью. Последнее подразумевает минимизацию на стороне приема шумов и искажений для аналоговых сигналов и ошибок - для цифровых сигналов, определяя тем самым требования к оборудованию и программному обеспечению, непосредственно принимающим участие в передаче. Поэтому, учитывая непрерывное повышение требований пользователей к объему, временным задержкам и скорости передачи информации, на первый план выходит задача обеспечения и поддержания необходимого пользователю QoS, что может быть осуществлено наращиванием, модернизацией или распределением сетевых ресурсов путем соответствующего управления сетью.

В принципе, сетевая служба распределенной системы может либо гарантировать соблюдение определенного QoS, либо стремиться повысить его, не гарантируя поддержания в процессе пользования услугой. Применение того или иного подхода, а также определение состава и области допустимых значений показателей качества устанавливаются в соглашении об уровне предоставляемых услуг (Service Level Agreement, SLA) с учетом позиций и пользователя, и сетевых служб распределенной системы. Учитывая данную особенность QoS, а именно необходимость его рассмотрения как с позиций приложений, так и с позиций сети телекоммуникаций, к вопросу контроля качества следует подходить как к контролю соответствия установленным нормам, например, значениям тех или иных сетевых параметров и показателей, отражающих это качество.

Концепция качества обслуживания в области телекоммуникаций и связи в настоящее время разрабатывается в рамках работ по производительности сетей в исследовательской группе SG12 отделения Телекоммуникаций Международного Союза по Электросвязи (МСЭ-Т), а базовые понятия QoS даются в рекомендациях МСЭ-Т E.430 [1], E.800 [2] и получают свое прикладное развитие в рекомендациях серий E, G, I, P, X, например, [3-5]. Учитывая сложность построения концепции качества услуг электросвязи, в первую очередь, связанную с необходимостью рассмотрения широкого спектра взаимозависимых аспектов данной предметной области, ниже приводится попытка решения такой задачи с учетом данных рекомендаций и контроля соответствия качества услуги установленной норме.

Базовые понятия

Для определения структуры, методов описания и путей реализации QoS, вначале выделим его информационные и функциональные аспекты, включающие характеристики, показатели, требования, параметры, контекст, семантику, категории, фазы и функции управления QoS, базовые механизмы реализации последних и политику управления QoS предусмотренную для решения вопросов обеспечения QoS [3]. При этом услугу, для которой собственно и определяется QoS, будем рассматривать в самом широком смысле, включая, помимо прочего, возможности:

• обеспечения функций обработки и хранения информации с помощью объектов, приложений, прикладных процессов и т.д.;
• взаимодействия между элементами объекта;
• взаимодействия между объектами, приложениями и т.д., то есть коммуникационных услуг;
• предоставления информации, используемой системой;
• использования оборудования.

С целью общности дальнейшего изложения примем, что пользователи услуг, запрашиваемых с помощью требований QoS, представляют собой некое окружение для объекта, предоставляющего эти услуги либо непосредственно, либо через третью сторону, которая, в свою очередь, может использовать эти или иные услуги объекта. В связи с неоднозначностью функций третьей стороны примем, что она в первом случае является компонентой объекта, участвующей в предоставлении и обеспечении требуемого QoS, а во втором случае, когда третья сторона является пользователем услуги, - компонентой окружения, формирующей и согласующей требования к QoS с другими составляющими окружения. Это позволяет остановиться на рассмотрении отношений между окружением и объектом, конкретизируя отношения с третьей стороной и между компонентами окружения или объекта, только по необходимости. Для обеспечения однозначности выражения требований окружения и отражения свойств объекта будем использовать понятия характеристики QoS и показателя QoS объекта, соответственно.

Исходя из введенных допущений, задача построения концепции QoS сводится к установлению взаимосвязи (рис. 1) требований окружения и тех свойств объекта, которые, с одной стороны, могут быть выражены известным способом, а с другой - могут подвергаться изменениям для достижения указанных требований.

Рис. 1

Характеристики и показатели QoS

В отличие от услуги характеристика QoS выражает одну из особенностей ее качества, которую можно выделить явно и представить количественно при отражении не реального (наблюдаемого) поведения объекта, приближенно определяемого с помощью измерений, а его истинного поведения. Последнее, согласно теории измерений, можно соотнести с определением идеального поведения, в связи с чем характеристика QoS может рассматриваться как одна из величин, отражающих фундаментальные аспекты QoS абстрактной модели услуги. Данная модель может быть выражена в виде формулы, схемы, условного описания с указанием скалярных или векторных характеристик, использующих такие количественные категории, как числа, функции, функционалы, операторы и т. д. С учетом изложенного, характеристики услуг, определяемые окружением, могут служить только формированию требований к услуге, а характеристики услуг, определяемые объектом, могут применяться для описания его свойств и управления этими свойствами с позиций QoS предоставляемой услуги.

Другое, не менее важное понятие концепции QoS связано с качеством работы систем, ее элементов или служб и определяется как показатель QoS, который также имеет количественное выражение, но в отличие от характеристики отражает некий аспект качества объекта, описывая наблюдаемое, а не идеальное его поведение. Отсюда, показатель QoS может рассматриваться как одна из измеряемых величин, вводимых по модели объекта при соответствующей идеализации его свойств. Здесь моделью также может служить математическое выражение, схема, условное описание с указанием скалярных или векторных показателей использующих соответствующие количественные категории.

Таким образом, если характеристика QoS количественно отражает тот или иной аспект качества услуг, описываемого математическими моделями пользователя и объекта, то показатель QoS количественно выражает фактические возможности предоставления того же аспекта качества услуги и, по этой причине, может быть подвергнут контролю и изменению путем соответствующего управления.

Нельзя не отметить различия рассматриваемых показателей - показателей качества услуги, характеризующих потребительские свойства объекта, от показателей, определяющих качество предоставления услуги, которые учитывают качество работы всех элементов объекта и обслуживания пользователей. Однако пока мы не будем разделять эти показатели, как, впрочем, и услуги, которые обычно делятся на основные, например, услуги местной телефонной связи и дополнительные - предоставляемые в дополнение к основным на основе договора, которые могут быть как платными, например, подключение модема для доступа в Internet, так и бесплатными - пользование некоторыми справочно-информационными услугами.

Требования, параметры, контекст и семантика QoS

В общем случае требование QoS может формулироваться как количественно, так и в виде выражений "высокое качество", "низкое качество" и т.д., что для некоторых характеристик может привести к заблуждению, так как в некоторых случаях высокое числовое значение означает также и высокое качество, а для иных, например, для транзитной задержки, высокое числовое значение соответствует низкому качеству.

Если количественные категории позволяют однозначно определить требования окружения, то формулирование требований с использованием выражений, воспринимаются неоднозначно. В то же время, и такие формулировки могут быть строго определены, для чего достаточно установить соответствие данных выражений и количественно определяемых характеристик QoS.

Примем, что характеристики, которые используются при передаче требований от окружения к объекту, определяются параметрами характеристик QoS, а при сохранении требований в окружении и объекте - контекстом характеристик QoS. При этом требования QoS могут определяться несколькими характеристиками QoS, отражая в том числе компромиссы между ними, и могут относиться как к одному отдельному сеансу взаимодействия в рамках собственно предоставления услуги, так и к нескольким, например, имеющим место в определенный период времени.

Очевидно, что понятие характеристики QoS и понятия определяющих ее параметров и контекста отличаются, так как последние могут выражать, например:

• желаемый уровень характеристики;
• определяемые по характеристике минимальное и максимальное предельные значения;
• уровни граничных значений;
• величины, используемые для передачи накопленной информации;
• предупреждения или сигналы, требующие корректирующего действия,
• последовательность действий различных аспектов QoS.

Учитывая разнообразие параметров, определяющих характеристику QoS, для формирования требований QoS необходимо иметь семантическую модель представления этих требований. Такая модель должна включать одно и более значений параметров характеристик QoS и учитывать влияние данных значений на установление QoS, что обеспечивается введением:

• максимально и минимально допустимых уровней QoS;
• верхнего или нижнего граничного значения QoS;
• рабочего уровня QoS;
• вспомогательных параметров QoS, например, в виде ограничения возможных значений;
• действий, определяемых при достижении граничного значения QoS;

При отсутствии в требованиях QoS некоторых характеристик или выражении последних в статистическом виде такие требования, соответственно, пропускаются или представляются в терминах производных статистических характеристик. Те же требования, которые формируются на основе предельных и граничных уровней, включающих указание ассоциированных с ними действий, выражаются соответствующими "точками реагирования", при этом допускается возможность указания или установления в результате переговоров нескольких таких точек и соответствующих рабочих уровней (рис. 2), определив затем связанные с ними действия и вид соглашения [3,4].

Рис. 2

Понятие рабочего уровня QoS вводится в результате соглашения сторон об уровне качества услуги (QoS) и отражает "нормальное" значение характеристики в процессе предоставления услуги. Поэтому введение предварительно согласованного или принудительно устанавливаемого рабочего уровня позволяет определить исходный уровень QoS, где его поддержка согласована путем определения двух типов предельных уровней качества, в виде:

• минимально допустимого уровня (LQA), ниже которого QoS не должно опуститься;
• максимального допустимого уровня (CHQ), выше которого поддержка качества не предусматривается.

Здесь рамки допустимых нарушений предельных значений и действия, выполняемые при их возникновении, определяются соглашением.

Граничные значения представляют собой точки, которые находятся в диапазоне между LQA и CHQ и требуют выполнения определенных действий, не устанавливая, в отличие от предельных значений, санкций за нарушение заданных условий. Обычно граничное значение задается двумя уровнями: верхним и нижним (рис. 2), с каждым из которых ассоциируется действие, выполняемое в случае пересечения текущим значением установленной границы, причем, для верней границы - в направлении увеличения, а для нижней границы - в направлении уменьшения. Возможно также использование простых граничных значений, определяемых как подмножество общих описанных граничных значений с минимальными действиями или с присутствием только одного фиксированного значения. В последнем случае необходимо указывать, является это значение верхним или нижним уровнем, с тем, чтобы знать направление пересечения значения уровня, при котором следует выполнять действие.

Учитывая изложенное, требование окружения к QoS объекта и их взаимодействию представляет собой некую формулировку необходимого поведения объекта при определенных значениях QoS-характеристик. Очевидно, что для установления соответствия требований и возможностей QoS, необходимо обеспечить их согласованное выражение.

Соответствие требований и возможностей QoS

С этой целью введем, согласно [7], так называемые QoS-отношения (QoS relation), которые обеспечивают согласование сформулированных окружением требований QoS с возможностями QoS объекта, позволяя выразить требования в виде:

• ожидаемое поведение объекта при его участии во взаимодействии;
• ожидаемое нештатное поведение объекта и т.д.

Аналогично, возможности объекта по обеспечению QoS (QoS capabilities), которые отражают совокупность обеспечиваемых объектом значений параметров характеристик QoS, так же могут включать некую формулировку необходимого поведения окружения, определяемую с помощью QoS-отношений, позволяя выразить представление возможностей системы в виде:

• требуемое поведение объекта при пользовании услугами;
• требуемое нештатное поведение объекта при использовании услуги и т.д.

Таким образом и формулирование требований к QoS, и представление возможностей по обеспечению QoS могут выполняться в различных формах и выражаться как в терминах объектов, так и в терминах отношений между ними. При этом отношение QoS выражает то, что объект ожидает от окружения и те обязательства, которые взяты объектом по отношению к окружению. Иными словами, отношение QoS определяет взаимные обязательства между объектом и его окружением и представляет собой способ выражения взаимосвязи требований и возможностей системы по обеспечению QoS

а с другой стороны, позволяет определить QoS объекта с позиций предоставления услуги из QoS-отношения, означающего, что обязательства по QoS будут выполняться объектом до тех пор, пока окружение выполняет свои обязательства или не изменит требований к ожидаемому QoS, т. е.

Так как при выполнении требований (ожиданий) следует реализация возможностей (обязательств), отношения QoS могут сочетаться.

Соглашения о задачах и уровне обслуживания и категории QoS

Чтобы гарантировать выполнение объектом всех обязательств, которые связаны с предоставляемыми окружению услугами, введем такие понятия, как:

• предложение QoS (QoS offer), отражающее устанавливаемые в зависимости от характеристик компонентов и конфигурации объекта возможности по обеспечению QoS;
• контракт на QoS (QoS contract), который включает соглашения, включающие соответствия требований QoS, которые выражены набором отношений QoS из подмножества возможностей обеспечения QoS;

Последний заключается на основе соглашения об уровне обслуживания (SLA, Service Level Agreements), которое включает требования окружения к QoS, предложения объекта по обеспечению QoS и выраженные с помощью отношений их взаимные обязательства.

Такой контракт предполагает возможность финансовых компенсаций или разрыва отношений между пользователем и сетевой службой в случае невыполнения последней взятых обязательств. Данный вид контракта не следует путать с контрактом, базирующимся на задачах уровня обслуживания (SLO, Service Level Objectives), которые отражают лишь намерения сетевой службы решить связанные с QoS проблемы и в случае их не решения не предполагает предоставления никаких компенсаций. Отсюда можно заключить, что, SLA фактически отражает гарантии, которые предоставляет сетевая служба на основе возможностей по QoS, а включение в соглашение большего числа показателей увеличивает количество путей повышения QoS.

Как правило стороны, вовлеченные в обеспечение QoS, имеют не достаточно полное представление о действительно достигнутых соглашениях, так как существующие стандарты не требуют информирования всех сторон об общем наборе согласованных значений. Так, в некоторых случаях значения общих характеристик QoS могут меняться в разных ее частях, например, в широковещательных системах скорость восприятия информации может являться суммой скоростей передачи данных другими системами, и при установленном фильтре входная скорость может быть выше выходной. В таких случаях важно определять соответствующие специализации характеристик QoS с тем, чтобы ясно выразить отношения между ними и избежать такого описания, когда разные характеристики QoS воспринимаются как одинаковые.

С целью определения характеристик, которые наиболее полно отражали бы близкие по соответствующему критерию качества услуги требования, используется понятие категорий QoS. Данное понятие отражает как общие, так и специфические характеристики потребностей окружения, например, в объектах, отличающихся с позиций окружения безопасностью, сохранностью информации, стабильностью, высокой надежностью, простотой использования, гибкостью, расширяемостью и возможностью контроля (мониторинга и аудита).

Функции и механизмы управления QoS

Не останавливаясь на особенностях каждой из перечисленных категорий отметим, что управление QoS (QoS management) можно определить как совокупность действий, которые направлены на выполнение объектом требований по поддержанию необходимого уровня QoS, а так же процедур его контроля и администрирования [4]. Иными словами, управление QoS представляет собой любой вид деятельности, касающийся контроля, управления и администрирования QoS в рамках объекта и его компонентов. Для этого используются различные функции управления QoS (QMF, Quality Management Function), которые основаны на заложенных в объект требованиях к QoS и относятся к любой функции, предназначенной для удовлетворения требований окружения к QoS. QMF определяется типом объектов, выполняемой функции, затрагиваемых характеристик, используемых механизмов, фаз управления и т.д., а само управление QoS включает следующие возможности:

• установку (организацию) QoS по характеристикам QoS;
• контроль наблюдаемых параметров QoS;
• сигнализацию QoS;
• поддержание необходимого уровня QoS;
• управление объектами QoS;
• запросы относительно некоторой информации или действия QoS;
• предупреждения на основе событий, относящихся к управлению QoS.

Соответствие требованиям QoS обычно обеспечивается по показателям и параметрам, заложенным в проектирование услуги объекта или по его ресурсам, однако уже настало время, когда QMF начинает применяться для контроля и управления QoS. QMF, в общем случае, может включать несколько механизмов QoS, которые используются объектом и его компонентами для достижения соответствия одному или нескольким требованиям, и поэтому могут быть представлены этим объектом, обеспечивая доступ к показателям QoS, выраженным через параметры QoS.

Действия механизмов QoS могут быть как направлены как локально, например, для резервирования ресурсов, установления размеров окна передачи и т.д., так и на формирование новых требований, например, путем трехсторонних переговоров и соглашений по QoS, с другими объектами и окружением, в том числе с включением и других механизмов QoS.

Таким образом, с помощью рассмотренных функций и механизмов осуществляется уточнение контракта, проверка прав доступа, резервирование ресурсов, сбор статистической информации, формирование запросов на эту информацию, обработка событий и т.д. Сам же процесс управления QoS делится на фазы опроса требований окружения, определения и корректировки предлагаемого QoS, контроля и формирования показателей QoS, установления связи последних с одноименными параметрами, формулирования воспринятого QoS и последующей его обработки.

Фазы управления QoS

QMF могут использовать услуги, предоставляемые системным менеджментом, в частности, многоцелевым управлением системами OSI, поддерживающими и обеспечивающими:

• опрос и предупреждение с использованием операций и уведомлений управления по QoS, для чего достаточно дать соответствующие определения администрируемым объектам согласно модели представления информации управления X.720 и определения управляемых объектов по X.722 (ISO/IEC 10165-4);
• функции контроля, присущие администрируемым объектам определенных классов (Metric Objects and Attributes, X.739 и Summarisation Function, X.738);
• планирование управления, которое поддерживается функцией планирования, X.746;
• синхронизацию во времени, с помощью функций управления временными показателями, X.743.

QMF могут также использовать услуги поддержки, предоставляемые для распределенной обработки, например, для ODP (Open Distributed Processing) - распределенной обработки в открытой системе.

Для использования приведенных и иных подходов при реализации QMF последние необходимо рассматривать с учетом механизмов, реализуемых последовательно или параллельно работающими объектами в трех основных фазах управления QoS [3,4]:

• фазе прогнозирования, предназначенной для предсказания поведения объекта с тем, чтобы он мог правильно включать механизмы QoS, создавая, как правило, запросы касающиеся текущей загруженности элементов объекта, предыдущего достигнутого уровня QoS и т. д.;
• фазе организации QoS, служащей для создания условий достижения определенных значений показателей QoS, например, выражая требования на QoS, вступая в переговоры или возобновляя их, заключая соглашения по предоставляемому QoS и действиям, предпринимаемым в случае его снижения, и включая необходимые на рабочей фазе механизмы;
• рабочей фазе QoS, предназначенной для слежения за выполнением достигнутых на фазе установления соглашений и выполнения действий при невозможности таких соглашений, например, посредством осуществления контроля, поддержки и запросов QoS.

Естественно, что такое разбиение на фазы ни в коей мере не подразумевает, что выполнение QMF всегда может быть разбито на последовательно исполняемые этапы, а только классифицирует механизмы QoS. Например, при взаимодействии открытых систем для организации соединения на одном уровне может потребоваться другая фаза для иного уровня. Так же не обязательна реализация QMF на всех трех фазах, так как, например, в некоторых простейших случаях для обеспечения требуемого QoS оказывается достаточной рассмотрение только фазы установления QoS.

Очевидно, что для реализации QMF и механизмов QoS необходима информация о QoS, которая в соответствии с вышеизложенным и в зависимости от использования делится на:

• контекст QoS - при содержании в окружении и в объекте;
• требование QoS - при выражении требований окружения к объекту на QoS;
• показатели QoS - при содержании в объекте;
• параметры QoS:
  • параметры характеристик QoS - при передаче от окружения к объекту;
  • параметры показателей QoS - при передаче от объекта к окружению;

При наличии такой информации инициация QMF и механизмов QoS требует определения типов и задач взаимодействия окружения, объекта и третьей стороны (рис. 1), которые могут быть представлены как взаимодействие, направленное от:

• окружения к окружению - для соглашения о QoS, с которым они будут работать, и о QoS, требуемом от услуг, лежащих в основе взаимодействия;
• окружения к объекту - для запроса соответствия услуги QoS, или для изменения текущего QoS услуги;
• объекта к окружению - для передачи ответов на сервисные запросы, а также информации, полученной в результате контроля QoS услуги;
• окружения к третьей стороне - для установления, опроса окружения и запроса информации о полученном в результате контроля QoS услуги;
• третьей стороны к окружению - для информирования окружения о наличии информации, полученной в результате контроля услуги;
• объект к третей стороне - для запроса содействия для обеспечения соответствия требованиям QoS окружения;
• третьей стороны к объекту - для ответа на такие запросы.

Независимо от вида инициализации QMF она может производиться несколькими способами, а именно:

• полностью средствами объекта;
• средствами, запрашиваемыми окружением, например, прикладным процессом, которому необходима полная гарантия предоставления определенной полосы пропускания;
• средствами, вызываемыми третей стороной.

Точно также и механизм QoS может инициироваться окружением или третей стороной, например, при обнаружении деградации качества.

Инициализация QMF приводит к инициализации управления QoS, осуществляемого:

• полностью объектами, участвующими в нормальной работе системы;
• частично механизмами управления, например, для OSI это подразумевает использование управления уровнями OSI или управления системами OSI.

С учетом изложенного функции, выполняемые в отмеченных фазах управления QoS можно определить следующим образом.

Фаза прогнозирования QoS. Данная фаза предназначена для предсказания в результате опросов и анализа информации, возможности предъявления требований, включающих те или иные характеристики предполагаемого контекста QoS. На этой фазе возможно установление уровней и идентификация в результате определенных воздействий допустимых изменений параметров QoS, а также проверка возникновения конфликтных ситуаций между запросами и управлением доступом.

Фаза организации QoS. На этой фазе участвующие в управлении объектом стороны договариваются о требованиях QoS, характеристики которых соответствуют параметрам QoS, а также инициируются механизмы, необходимые для поддержания рабочей фазы. Порядок проведения таких договоренностей зависит от самих участвующих сторон и не может быть установлен единым образом.

Обычно, активизация данной фазы производится окружением или третьей стороной, желающей установить или изменить в требованиях какие либо характеристики QoS, передавая эти требования соответствующим сторонам для проведения переговоров с целью достижения соглашения о предлагаемых уровнях QoS, действиях по контролю и поддержанию QoS, или к сигнализации действительно достигнутых изменений.

Сам процесс согласования требований QoS включает определение относящихся к переговорам и сопутствующим действиям семантической модели требований с получением результата переговоров, который может привести к необходимости определенных действий на рабочей фазе.

Из действий, производимых при инициации фазы установления QoS, можно указать выделение и резервирование ресурсов для окружения или третьей стороны, а так же инициализацию механизмов, необходимых для поддержания рабочей фазы QoS.

Рабочая фаза QoS. Это основная фаза процесса управления, в течение которой объект производит отслеживание QoS, полученного в результате фазы установления соглашения, и проводит инициализацию действий при невозможности соблюдения этого соглашения, выполняя:

• контроль QoS, который может быть инициирован и проведен:
  • полностью объектом, для которого производится контроль QoS, называемый в этом случае локальным контролем;
  • частично механизмами управления;
• поддержку QoS, которая используется для обеспечения приемлемого уровня QoS;
• запрос QoS, служащий для осуществления соответствующими механизмами запроса информации о QoS;
• формирование предупреждений, связанных с QoS, посредством которых проводится информирование о происшедших событиях.

Рассмотрим наиболее важные вопросы рабочей фазы управления QoS.

Контроль и управление QoS

Отслеживание QoS в рабочей фазе, являющейся основной фазой процесса управления осуществляется по значению QoS, полученному в результате фазы установления SLA с помощью процедуры, которая носит название контроль QoS. Функции контроля задаются в зависимости от наблюдаемых ресурсов, информация о которых может запрашиваться либо с помощью чтения атрибутов, либо посредством других действий сферы управления с предоставлением полученных результатов - по запросам или в виде извещения. Процесс контроля может быть спланирован либо путем определения управляемых объектов (X.721), в соответствующих прикладных пакетах, либо использованием функции планирования процесса управления (X.746). При этом для временной привязки процедур контроля, своевременной сигнализации событий пересечения граничных уровней и предоставления отчетной информации эти механизмы синхронизируются согласно (X.743).

Для соблюдения SLA в течение времени предоставления услуги осуществляется управление QoS, заключающееся в его поддержании на необходимом уровне используя такие механизмы, как:

• управление доступом к объекту;
• выделение ресурсов;
• регулирование работы объекта;
• опрос, предупреждение, фильтрация;
• синхронизацию, обеспечивающую:
  • временное соответствие действий или событий;
  • гарантию реализации других механизмов целостности и связности.

Первые два механизма служат для управления запросами на услугу и требуемыми для нее ресурсами, соответственно:

• ограничивая посредством механизмов управления доступом прием от окружения запросов на услугу, что необходимо для предупреждения перегрузки ресурсов или нарушения текущих временных рамок;
• осуществляя с помощью механизмов выделения ресурсов их перераспределение, например, в целях противодействия обнаруженной деградации QoS или для поддержки приоритетной активности объекта.

Последние механизмы обычно действуют в фазе установления QoS, но могут использоваться и в рабочей фазе нередко вместе с механизмами настройки QoS.

Механизм регулирования (настройки) QoS служит для соблюдения SLA путем управления QoS в условиях его динамического поведения и основан на использовании обратной связи (рис. 3), осуществляющей изменение показателя QoS по отклонению между достигнутым в результате согласования (согласованным) QoS и QoS, полученным путем вычислений по результатам контроля параметров объекта. Очевидно, что для функционирования обратной связи вначале необходимо для характеристик Si установить ряд параметров Pj,i, а затем выполнить:

• вычисление и задание согласованного QoS, показателя Rт = F(Si);
• определение полученного показателя Rд = F(Pj,i) по контролируемым параметрам;
• вычисление разности ?Ri между требуемым и полученным значениями показателей;
• воздействие на объект (изменение уровня, сброс и т. д.) для достижения требуемого показателя.

Рис. 3

Для получения информации и оповещения об изменении QoS, здесь могут использоваться механизмы опроса и предупреждения QoS, которые поддерживаются управлением OSI системами и устанавливаются путем определения в управляемых объектов (X.720 и X.722). При необходимости преобразования каких-либо свойств элементов передаваемых данных с тем, чтобы содействовать поддержке QoS, используются механизмы фильтрации. Примером могут служить сжатие и интеллектуальные методы удаления ("отбрасывания") пакетов информации, которые позволяют снизить требования на быстродействие, скорость передачи и пропускную способность объекта. Некоторые типы фильтрации нуждаются в компромиссе между несколькими свойствами QoS так как, например, отмеченное удаление информации может снизить качество передачи речи и видео.

Верификация QoS

Согласно рис. 3, процедура определения адекватности полученного QoS согласованному QoS, определяемая как верификация QoS [4], реализует процесс установления соответствия QoS в процессе предоставления услуги, продолжительность которого делится на три стадии:

• проектирования услуги, когда устанавливается соответствие QoS предлагаемой услуги требованиям QoS, которые выражает окружение;
• тестирования услуги, когда путем контроля и управления параметрами производительности услуги (SP) устанавливается соответствие реализации услуги ее спецификации;
• функционирования услуги, когда путем контроля, менеджмента и настройки QoS в реальном масштабе времени устанавливается соответствие действительно предоставляемой пользователям услуги с услугами, согласованными в контрактах по QoS.

Результат верификации QoS формулируется в виде логического выражения:

которое означает, что все результаты контроля QoS, передаваемые в виде значений параметров (или их диапазонов или средних значений) должны быть проверены согласно рис. 4 после того, как было организовано управление сетью в соответствии с указанными ограничениями SP.

Рис. 4

Здесь ограничения SP - это логические функции, которые принимают значение "истина" если результаты контроля QoS соответствуют определенным пользователем отношениям.

Здесь следует обратить внимание на тот факт, что выбор и определение показателей QoS требует предварительного установления связи последних с непосредственно контролируемыми или получаемыми на их основе посредством расчетов параметрами QoS. В связи с этим следует различать:

• единичный показатель QoS, который характеризует работу одного объекта или его компонента и получен путем расчета из соответствующих результатов контроля;
• обобщенный показатель QoS, который характеризует работу объекта в целом и/или услугу и формируется из единичных показателей QoS;
• интегральный показатель QoS, который характеризует объект с позиций предоставляемых услуг в части контракта QoS.

Отсюда можно заключить, что используемые при управлении QoS, средства определения значений параметров могут охватывать не все существующие параметры, а только те из них, которые имеют отношение к формированию перечисленных показателей QoS.

На основании полученных показателей, выражаемых набором характеристик QoS, определяются возможности объекта по обеспечению QoS, которые позволяют установить связь предлагаемого QoS с показателями полученного QoS. Последнее очень важно для управления QoS, так как обрабатывая показатели полученного QoS с целью корректировки предлагаемого QoS и обеспечения его соответствия показателям объекта необходимо знать, как проводить эту корректировку для улучшения воспринимаемого окружением QoS.

Обобщая изложенное, механизмы управления QoS можно свести к трем аспектам:

• уточнению и согласованию контракта, осуществляемым путем проведения переговоров на основе имеющихся возможностей - совокупности характеристик QoS;
• контролю, реализуемому как самой системой, так и путем формирования новых требований, определяющих их взаимодействие с механизмами управления;
• регулированию параметров объектов с целью поддержания имеющихся возможностей объекта по обеспечению QoS.

Связность и целенаправленность этим механизмам придает политика управления QoS (QoS policy), включающая определение действий и их последовательность с целью обеспечения согласованного QoS, для контроля QoS и при обнаружении событий, связанных с QoS.

Модель качества обслуживания

С учетом вышеизложенного качество обслуживания такой распределенной системы, как сеть телекоммуникаций, может быть представлена с позиций SLA, сформированного на основе требований QoS пользователя услуги, и предложений поставщика услуги [1-7], а также:

• ожидаемого QoS и предлагаемого QoS, которые отражают качество услуги определяемое, соответственно, пользователем и поставщиком до заключения соглашения;
• полученного QoS и воспринимаемого QoS, которые отражают качество реальной услуги со стороны поставщика и пользователя, соответственно;
• согласованного QoS, которое отражает подтвержденное сторонами в SLA соответствие полученного и воспринимаемого QoS.

При таком подходе вначале (до заключения SLA) помимо имеющихся в виде предлагаемого QoS возможностей поставщика услуги, а также требований в виде ожидаемого QoS пользователя и полученного в результате SLA согласованного QoS, вводятся воспринимаемое пользователем и полученное поставщиком услуги QoS. Это позволяет разграничить априори понимаемые пользователем и поставщиком QoS, учесть этап согласования QoS и установить взаимосвязь между предъявляемыми к QoS требованиями и свойствами объекта, определяющими показатели QoS, которые подлежат контролю и используются для управления объектом. Модель QoS, которая учитывает связь пользователя с оператором через поставщика услуги и фактически отражает зависимость ожидаемого и воспринимаемого пользователем QoS от показателей и параметров QoS сети оператора, выраженных предлагаемым (согласованным) и полученным QoS поставщика услуги, представлена на рис. 5.

Рис. 5

Пусть окружение, в лице пользователя услуги, и объект, в лице поставщика услуги и оператора сети, планируют заключить контракт на предоставление определенных услуг, которые формулируются пользователем на базе некой абстрактной модели услуги, а поставщиком услуги - как возможность предоставления услуги с QoS, определенном путем расчетов полученных результатов контроля.

Проведя согласование параметров характеристик модели услуги, выраженных в требованиях QoS пользователя с параметрами показателей QoS поставщика услуги, выраженными в предложениях QoS, устанавливается соответствие сформулированных требований и скорректированного предложения. В результате достигнутого соответствия подготавливается SLA, в результате которого пользователь понимает достигнутые соглашения как получение услуг с некоторым ожидаемым QoS, а поставщик услуги придерживается достигнутого в результате соглашения QoS, принимая его как обязательство по предоставлению согласованной услуги. Для подготовки контракта на предоставление такой услуги, проводится либо ее демонстрация пользователю, с тем чтобы окончательно удостовериться в соответствии предложения поставщика требованиям пользователя с последующим принятием согласованного QoS, либо осуществляется дополнительная корректировка требований и/или возможностей, в результате которой также устанавливается согласованное QoS. При установлении согласованного QoS, заключается соответствующий контракт на поставку оговоренной в SLA услуги, в противном случае, естественно, такой контракт не может быть заключен.

В процессе предоставления услуги данная модель позволяет установить соответствие воспринимаемого пользователем QoS полученному оператором связи QoS, а именно:

при этом она разделяет показатели, имеющие отношение к услуге связи (несетевые аспекты) и показатели, определяемые особенностями сети (сетевые аспекты), связанные, например, с сетевой производительностью. В результате с позиций контроля соответствия характеристики QoS реальной открытой распределенной системы могут быть определены:

• путем абстрактного тестирования на отдельном или на соседних уровнях модели системы процесса выполнения одного или более связанных протоколов, с последующим установлением количественного показателя результата тестирования;
• путем абстрактного тестирования на одном из уровней модели системы информационного процесса с последующим установлением соответствующих частных, обобщенных и интегральных количественных показателей.

Это позволяет выявить связь между характеристикой QoS, выраженной, например, некоторым числом C, и показателем, определяющим сетевую производительность, выраженную функционалом F[f(x)], в виде соответствия

Здесь F[f(x)] равен некоторому числу, зависящему от каждой функции f(x) из множества {f(x)} параметров, определяющих производительность реализующего услугу объекта.

Очевидно, что эти соответствия являются определяющими при управлении сетью с позиций QoS. Так, в случае отличия из-за неадекватной модели пользователя ожидаемого QoS от согласованного QoS или, что то же, недопонимания пользователем согласованного QoS, в соответствии с данной моделью осуществляется корректировка параметров QoS пользователя, приводящая к изменению требований, а затем ожидаемого QoS, SLA и контракта. Информация о несоответствии ожидаемого и согласованного QoS, здесь устанавливается через параметры характеристик требований QoS в процессе предоставления услуги по воспринимаемому QoS.

В случае отличия воспринимаемого и полученного QoS по вине провайдера услуги производится корректировка предложенного QoS и затем согласованного QoS. Изменение последнего приведет к активизации управления на стороне оператора, с соответствующим изменением параметров, показателей сетевых и несетевых аспектов и, как следствие, к установлению вновь полученного QoS. Это QoS, естественно, будет либо равно согласованному QoS, либо такое равенство не будет обеспечено из-за ограниченных возможностей сети оператора, что приведет, соответственно, к изменению предложения с адекватными последствиями, либо к разрыву контракта.

Таким образом, данная модель позволяет рассмотреть вопросы QoS на всех стадиях его обеспечения, начиная от разработки предоставляющего услугу объекта, собственно услуги и установления соглашений до управления различными сетевыми аспектами с целью достижения требуемого качества услуг, что неразрывно связано с политикой управления QoS.

Политика управления QoS

По сути политика управления QoS является набором правил и функций управления показателями QoS, осуществляемого путем воздействия на определенные события, допуская возможность сосредоточения на отдельных аспектах услуги, например, на скорости передачи данных, безопасности и т.д. Поэтому любой из этих аспектов подразумевает определение QoS, формирование и передачу информации о QoS и представление QoS.

Определение QoS представляет собой получение показателя QoS на основе QoS-параметров, устанавливаемых путем выполнения математических операций над результатами измерений, анализа, тестирования и мониторинга параметров сети. Формирование и передача информации о QoS служат для регулирования QoS и обеспечения представления сведений о QoS, отражая возможности системы управления QoS. При этом если для определения отношений QoS и моделирования ресурсов может применяться, например, формальная семантическая модель Абади-Лампорта, для представления QoS должны использоваться методы, позволяющие отражать требования к QoS с использованием всех QoS-параметров (интервальных, в виде коэффициентов, вероятностных характеристик), изменения их во времени, а так же взаимосвязи событий. Последнее, естественно, требует рассмотрения статики и динамики QoS, определения сквозного QoS, а также вопросов управления ресурсами и адаптации приложений с позиций QoS.

Здесь статика QoS отражает, особенности и структуру ПО и ОС, например, приоритеты, размеры памяти, возможности по обработке информации, пропускную способность системы обработки и т.д., в то время, как динамика QoS отражает особенности обработки требований к QoS, проведения "переговоров" по QoS, а так же использования таких механизмов, как контроль, резервирование ресурсов, маршрутизация, управление доступом, фильтрация, адаптация приложений и т.д. Отсюда, статика и динамика QoS характеризуют, соответственно, системы с предсказуемым поведением и системы с изменяющимися требованиями пользователей, хотя на практике определение QoS реально находится в диапазоне между этими полярными аспектами QoS. Очевидно, что в данном ракурсе статика и динамика не относятся к принятыми понятиям статических и динамических параметров, а отражает не изменяемые и изменяемые во времени аспекты QoS более высокого уровня, которые, естественно, тесно связаны и с соответствующими параметрами.

Понятие сквозного QoS, непосредственно связано со сквозным контролем [8,9] параметров, которые определяют обеспечение в распределенных системах минимального времени ответа, должной пропускной способности, эффективности обработки информации и достоверности приема - надежности передачи данных и обработки транзакций. Это, естественно, требует обеспечения соответствия [10] показателей QoS на всех промежуточных пунктах системы как по статике, так и по динамике и, как следствие, соблюдения соответствия связанных с ними параметров QoS, включая те из них, которые определяют процедуру "переговоров". Последнее вызвано тем, что реализуемая посредством канала сигнализации процедура "переговоров" предназначена для установления связи требований к сквозному QoS, полученному на основе соответствующих характеристик, с требованиями к QoS, полученными на основе других (своих) характеристик, а так же необходимостью передачи текущей информации о QoS и SLA.

Рассмотрение вопросов управления ресурсами и адаптации приложений обусловлено тем, что в рассматриваемых системах данные механизмы очень важны с позиций снижения числа неисправностей оборудования, устранения очередей и "всплесков" трафика, перераспределения последнего по приоритетам и, главное, реагирования на снижение QoS, что отражает возможности системы по обеспечению QoS. При этом первый метод подразумевает необходимость выделения дополнительных ресурсов, а второй - адаптацию приложения с позиций предоставления услуги без перерыва и с более низким качеством.

Следовательно, для определения возможностей системы по обеспечению QoS необходимо реализовать: модульность ограничений QoS (для возможности их отнесения к отдельным объектам системы), возможность наблюдения QoS (для организации контроля и обратной связи), гарантированность QoS в течение определенного времени и возможность установления QoS в результате "переговоров". Для этого на этапах проектирования, инсталляции и эксплуатации системы, должны быть предусмотрены:

• прогнозирование QoS, необходимое для установления ограничений на построение системы;
• конфигурирование средств QoS - для выбора используемых с целью его обеспечения средств;
• исследование динамики QoS - с целью установления, например, поведения объекта при контроле QoS и т.д.

Для моделирования взаимодействия объектов с учетом QoS можно использовать неявный метод, заключающийся во введении связующих объектов с заданными QoS-свойствами, описывая категории требований к QoS на этих трех стадиях (прогнозирование, установление, исследование) соответствующими QoS определениями (требованием к QoS, предложением по QoS, контрактом на QoS).

Литература:

1. ITU-T Recommendation E.430. Quality of service framework. 06, 92.
2. ITU-T Recommendation E.800. Terms and definition related to quality of service and network performance including dependability. 08, 94.
3. ITU-T Recommendation X.641. Information technology - Quality of Service Framework. 12, 97.
4. ITU-T Recommendation X.642. Information technology - Quality of Service - Guide to methods and mechanisms. 09, 98.
5. ITU-T Recommendation I.350: ISDN - General Aspects of Quality of Service and Network Performance in Digital Networks, including ISDNs. 03, 93.
6. ETSI Technical Report 003: Network Aspects (NA): Quality of Service and Network Performance. 10, 94.
7. ISO/IEC JTC1/SC33: Information Technology: Open Distributed Processing - Reference Model - Quality of Service. 07, 98.
8. Иванов А. Б. Сквозной контроль в электросвязи как совокупность измерений, анализа и тестирования. Электросвязь, 1999, 11, с. 31-37
9. Иванов А. Б., Соколов И. В. От разрозненных измерений, анализа и тестирования к сквозному контролю сети. Электросвязь, 1999, 12, с. 35-40
10. Иванов А. Б. Контроль соответствия в телекоммуникациях и связи. Измерения, анализ, тестирование, мониторинг. М.: Сайрус Системс, 2000, с. 375.