(QoS (Quality of service یا کیفیت خدمات سرویس چیست؟

کیفیت خدمات یا QOS چیست؟

شاید برای شما هم پیش آمده باشد که هنگام مطالعه برخی از تجهیزات شبکه به کلمه QoS برخورده باشید اما معنای واقعی آن را ندانید. ما در این مقاله سعی داریم شما را با مفهوم کیفیت خدمات سرویس آشنا نماییم.

QoS یا کیفیت خدمات سرویس به هر تکنولوژی كه ترافيك داده ها را براي كاهش از بین رفتن بسته های اطلاعاتی، زمان تأخير و jitter بر روي شبکه مدیریت می کند، اطلاق می شود. QoS با تعیین اولویت های انواع خاص داده ها در شبکه، منابع شبکه را کنترل و مدیریت می کند.

مفهوم کیفیت سرویس همراه با توسعه شبکه های ارتباطی، تغییرات زیادی نموده است. در روزهای آغازین ایجاد شبکه های کامپیوتری، ارسال بسته ها از مبدأ به مقصد مهمترین و برجسته ترین هدف یک شبکه و دسترسی قابل اطمینان به شبکه مسأله اصلی در زمینه کیفیت سرویس بود. 

امروزه با رشد سریع شبک ها، مفاهیمی چون نیاز روز افزون به پهنای باند و پشتیبانی همزمان کلاس های مختلف سرویس در درجه اول اهمیت قرار گرفته اند. در نتیجه کیفیت سرویس به فاکتورهای کلیدی در به کارگیری شبکه ها و سرویس های امروزه تبدیل شده است.

کیفیت خدمات یا QoS مجموعه ای از فناوری هایی است که بر روی یک شبکه کار می کند و از اجرای مطمئن برنامه ها و ترافیک های با اولویت بالا با ظرفیت محدود اطمینان حاصل می کند.

فن آوری های QoS این کار را با ارائه کاربری متفاوت و تخصیص ظرفیت جریان های خاص در ترافیک شبکه انجام می دهند. با این کار مدیر شبکه ترتیب دستیابی به بسته ها را تعیین کرده و مقدار پهنای باند برنامه ها یا جریان های ترافیکی را مشخص می کند.

سازمان ها از کیفیت خدمات یا QOS برای رفع نیازهای ترافیکی اپلیکیشن های حساس مانند تماس های زنده صوتی و تصویری استفاده کرده و به کمک آن از کاهش کیفیت ناشی از حذف بسته ها، تأخیر و jitter جلوگیری می کند. سازمان ها می توانند با استفاده از ابزارها و تکنیک های خاصی مانند jitter buffer و traffic shaping به QoS دست یابند.

تنظیمات پیکربندی کیفیت سرویس (QoS) به دو صورت Manual توسط کاربر و هوشمند به صورت خودکار توسط پردازنده تجهیزات شبکه انجام می شود. در حالت خودکار یا هوشمند، احتمال خطا و افت دقت به منظور تخصیص پهنای باند بهینه وجود دارد و به همین دلیل برخی از برند ها، قابلیت پیکربندی دستی را ارائه می دهند.

 به طور معمول پیکربندی QoS بر اساس دستگاه یا Client و اپلیکیشن امکان پذیر است و محدودیت ها نیز بر همین اساس اعمال می شوند.کیفیت سرویس را می توان از دو دیدگاه مشاهده نمود: کاربران شبکه و تأمین کنندگان سرویس شبکه که هر یک از این دو دارای اهداف کیفیت سرویس متفاوتی هستند.

آنچه که یک کاربر شبکه نیاز دارد، دسترسی به حداکثر پهنای باند با کمترین هزینه ممکن است. از طرف دیگر، هدف تأمین کننده شبکه به حداکثر رساندن کارایی شبکه همزمان با برطرف کردن نیازهای کیفیت سرویس همه کاربران به صورت همزمان است. 

بیشتر بخوانید: شبکه چیست؟ آشنایی با انواع شبکه ها کامپیوتری همراه با ویدئو و پادکست

پارامترهای متداول کیفیت سرویس یا QoS:

پارامترهای متداول کیفیت خدمات یا QOS که برای توصیف کارایی شبکه به کار می روند عبارتند از:

1. پهنای باند: تعدا بایت هایی که در یک دوره تناوب خاص از طریق شبکه انتقال می یابد.
2. تأخیر: زمانیکه طول می کشد تا یک بسته داده از مبدأ  خود به سمت مقصد حرکت کند. تأخیر شامل سه مؤلفه است: تأخیر انتشار، تأخیر انتقال و تإخیر صف بندی
3. واریانس تأخیر: واریانس تأخیری که یک بسته داده با آن مواجه است برابر با تفاوت بین حداکثر و حداقل تأخیر ممکن برای بسته می باشد.
4. درصد دور ریختن: شانس دور ریخته شدن بسته در شبکه می باشد. حالت هایی وجود دارد که منجر به دور ریخته شدن بسته های می شوند. مانند سر ریز شدن بافر در نودهای سوئیچ شبکه.
5. بهره وری: نسبت زمان مشغول بودن اتصال، به کل زمان در یک دوره تناوب می باشد. میزان بهره وری را می توان در هر یک از عناصر شبکه مانند مسیریاب هاو اتصالات اندازه گیری کرد. 

بیشتر بخوانید: درباره‌ی Cisco TrustSec بیشتر بدانید

اهمیت سرویس کیفیت خدمات یا QOS در چیست؟

برخی از سرویس ها یا برنامه های کاربردی که در بستر شبکه اجرا می شوند، به تاخیر یا Delay حساس هستند. این سرویس ها برای انتقال بسته های اطلاعاتی خود در شبکه از پروتکل UDP استفاده می کنند و از پروتکل TCP بهره ای نمی برند.

تفاوت اصلی بین پروتکل TCP و UDP این است که پروتکل TCP بسته هایی که در راه از بین می روند را مجدداً ارسال می کند. اما پروتکل UDP بسته های اطلاعاتی آسیب دیده  را مجدد در شبکه ارسال نمی کند.

اما برای سرویس هایی که از پروتکل UDP استفاده می کنند مانند سرویس VOIP، هرگونه بسته اطلاعاتی صوتی که از بین برود دیگر نمی تواند در شبکه ارسال شود زیرا بسته های صوتی در بستر شبکه Stream می شوند و ارسال دوباره آن بسته ها در بستر شبکه بی فایده می باشد.

به همین دلیل، به تأخیر افتادن ارسال بسته های اطلاعاتی که با پروتکل UDP در شبکه ارسال می شوند، یک مشکل جدی محسوب می شود. حتی اگر تعداد کمی از بسته های صوتی در هنگام ارسال در بستر شبکه از بین بروند کیفیت صدا را پایین می آورد بطوریکه صدا به صورت نامفهوم شنیده می شود. بسته های اطلاعاتی حساس به تاخیر بهJitter معروف هستند.

درواقع Jitter اختلاف زمان تاخیر رسیدن بسته های اطلاعاتی Stream شده در شبکه می باشد. اگر شبکه شما پهنای باند زیادی دارد، Delay یا تأخیر در شبکه شما تا حد زیادی وجود نخواهد داشت و در نتیجه نیاز به راه اندازی سرویس QoS در شبکه نخواهید داشت.

اما در شبکه های سازمانی و بزرگ در زمان هایی روتر ها و سوئیچ ها شروع به Drop کردن بسته های اطلاعاتی خواهند کرد در این گونه موارد سرویس های نظیر VOIP و … در شبکه دچار اختلال می شود و آن سرویس ها نمی توانند به طور موثر و کارآمد به فعالیت خود ادامه دهند. در اینجاست که به کیفیت خدمات یا QOS نیاز پیدا می کنیم.

انواع Delay ها در شبکه:

Serialization Delay: زمانی که یک اینترفیس اولین بیت یک پکت تا آخرین بیت یک پکت را از اینترفیس خارج کرده و رو ی کابل میفرستد.

Propagation Delay:  چقدر طول میکشد تا دیتا از یک سر لینک به سر دیگر لینک برود. ( به سرعت نور وابسته است).

Queuing Delay: مدت زمانی که پکت در Queue می ماند. ( به مکانیزم اعمال شده Queuing  بستگی دارد).

Processing Delay: مدت زمانی که بسته در روتر پردازش میشود . پردازش هایی مثل کنترل ACL، کنترل NAT و … 

Serialization Delay: زمانی که یک اینترفیس اولین بیت یک پکت تا آخرین بیت یک پکت را از اینترفیس خارج کرده و رو ی کابل میفرستد.

Shaping Delay: با استفاده از shaping می توان Bw ترافیک را محدود کرد، این Queue حاصل از shape  کردن ترافیک است. اگر shaping را روی اینترفیس راه اندازی نکرده باشیم، این delay وجود خارجی نخواهد داشت.

Network Delay: تاخیری که در شبکه Provider موجود است.

ابزار هایی که Delay را تحت تاثیر قرار میدهند عبارتند از:

Queuing: میتوان ترافیک را داخل Queue مختلف قرار داد ،بعد به هر یک اولویت قائل شد. دو نوع صف داریم، hard warw queue و softwarw queue. هاردوار فقط به صورت FIFO عمل میکند در صورتی سافت وار کار خواهد کرد که هاردوار پر شده باشد.

Compression: فشرده سازی serialization delay را کم کند. البته کمی processing اضافه میکند.

Traffic Shaping: اگر ترافیک بیشتر از ظرفیت shape ارسال شود Queue میشود و این Queue خود باعث delay  میشود.

Link Fragmention: وقتی پکت های با سایز بزرگ میخواهند روی لینک های با سرعت پایین ارسال شوند به سگمنت هایی تقسیم میشوند و ترافیک های مهم بین این سگمنت ها ارسال میشوند.

ابزارهایی که Jitter  را تحت تاثیر قرار میدهند:

هر Toolی که بتواند مشکل delay  را حل کند ، میتواند مشکل jitter  را نیز حل کند.

A jitter buffer: used to smoth out arrival times – increases total network delay

ابزار هایی که PAKET LOST را تحت تاثیر قرار می دهند:

• Queuing
• RRED یا RED- RANDOM EALY DETECTION 

 ابزارهایی هستند که اجازه نمیدهند QUEUE پر شود تا پکت DROP شوند.

جهت آشنایی بیشتر با پروتکل TCP و UDP به لینک زیر مراجعه نمایید:

مشاهده ویدئو تفاوت میان پروتکل TCP و UDP

اهداف کیفیت خدمات یا QOS:

ـ ایجاد اولویت با شاخصه هایی شامل:

• پهنای باند اختصاص یافته
• لرزش کنترل شده
• تأخیر کنترل شده
• ارتقاء در میزان اطلاعات از دست رفته

ـ ایجاد اطمینان برای آنکه قرار دادن اولیت برای یک یا چند ترافیک سبب از بین رفتن ترافیک های دیگر نشود:

QoS با دادن افزایش حق تقدام به یک ترافیک و یا با استفاده از کم کردن حق تقدم سایر ترافیک ها، یک سریس بهتر و مطمئن تر را برای ترافیک های موجود در شبکه فراهم می کند. QoS از ابزارهای زیر برای این منظور استفاده می کند:

• Congestion management: با صف بندی و سرویس دهی صف به طرق گوناگون حق تقدم بالا می رود.
• Policing یا shaping: با محدود کردن حق تقدم سایر ترافیک ها
• Link Efficiency: با محدود کردن جریان های بزرگ به جریان های کوچک حق تقدم می دهد.

نحوه پیاده سازی کیفیت خدمات یا QOS:

سه مدل ، سرویس های یکپارچه و خدمات متمایز برای پیاده سازی QoS در دسترس می باشد که شامل: 

1ـ تحویل معمولی (Best Effort):

شبکه ای که ارسال و تحویل بست ها را با همان ترتیب ورود آنها انجام میدهد( هر بسته ای که زودتر آمده زودتر هم به مقصد تحویل خواهد شد) عملا هیچ پباده سازی از کیفیت سرویس ندارد. بیشترین تلاش مسیریاب ها و سوئیچ ها بر این مبنا صورت میگیرد که بسته هاب دریافت شده هر چه سریع تر به مقصد برسند. در چنین شرایطی هیچ فرقی بین ترافیک صوت،دیتا،مدیریتی و غیره وجود ندارد.

برای درک بهتر عملکرد QOS در شبکه مثالی را باهم بررسی خواهبم کرد. آمبولانس یا ماشین آتش نشانی را در نظر بگیرید که باید برای انجام ماموریتشان هرچه سریع تر خود را به نقطه دور دست در یک شهر شلوغ و پر ترافیک برساند.

چراغ هایش چشمک میزند و صدای آژیرش هم بلند اعلام میکند که من کار مهمی دارم و اولویتم نسبت به دیپر خودروها بیشتر است. این خودرو با شرایطی که دارد حتی ملزم به رعایت قوانین راهنمایی و رانددگی هم نیست و ضمنا بقیه افراد نیز باید راه را برای او باز کنند.

در روش معمول که در حال بررسی آن هستیم، این آمبولانس یا ماشین آتش نشانی عملا هیچ برتری نسبت به بقیه خودرو ها ندارد. او هم مثل بقیه در خط حرکت کند، پشت چراغ های قرمز بماند و آژیر و چراغش هیچ کمکی به او نمیکند. به موقع رسیدن و انجام موفقیت آمیز ماموریت آن کاملا بستگی به شرایط شهر و ترفیک و تعداد خودرو ها دارد.

این روش در حقیقت QOS را برای شما فراهم نمیکند. در خواست مجدد بسته ها در اینجا صورت نمیگیرد. در Best effort  از استراتژیهای صف آرایی اولین ورودی آخرین خروجی FIFO استفاده می شود، که در آن بسته ها به همان ترتیب که وارد صف شده اند ( در فضاهای ذخیره مسیریاب قرار گرفته اند)، به همان ترتیب نیز ار آن خارج میشود.

2ـ سرویس های یکپارچه (IntServ):

یکی دیگر از روش های QOS سرویس یکپارچه است در این روش فراهم کردن یک مسیر اختصاصی برای بسته ها ااز ابتدا تا انتهای مسیر است (بهترین مثال برای این روش اتوبوس های بی آر تی است که دارای مسیر اختصاصی خود هستند).برای این کار از RWC1633 و پروتکل رزرو کردن منابع RSVP استفاده میشود.

برنامه مدنظر ما استفاده از پروتکل RSVP و پارامتر های QOS در خوایت یک مسیر اختصاصی و آزاد را می نماید. هر دستگاهی در شبکه باید این درخواست را بررسی کرده و ببینید آیا میتواند بع آن پاسخگو باشد یا خیر زمانی که یک مسیر کامل با حداقل نیازمندی های فراهم شد. به در خواست کننده اطلاعا داده میشود و پس از آن می تواند این پهنای باند اختصاصی را مورد بهره برداری قرار دهد.

این مدل را در مثال آمبولانس بررسی میکنیم آمبولانس پیش از حرکت با افسر پلیس مستقر در اولین چهارراه ارتباط برقرار میکند و در خواست یک مسیر ازاد تا مقصد خود را  می نماید . این افسر به نوبه ی خود با پلیس مستقر در چهار راه بعدی تماس میگیرد و مساله را به اطلاعا وی می راند .

همه پلیس ها شرایط ترافیکی را بررسی میکنند و در صورت امکان یک مسیر اختصاصی از ابتدا تا انتها برای آمبولانس فراهم میکند و نتیجه به آموبلانی منتظر در مبدا گزارش میشود. به طور کلی سرویس های یکپارچه (IntServ) یک مدل QoS است که یک قسمت از پهنای باند را برای مسیر خاصی در شبکه در نظر می گیرد.

برای هر اپلیکیشن یک پهنای باند مشخص در نظر گرفته می شود تا اطمینان حاصل شود که منابع شبکه قادر به پاسخگویی به نیاز بسته های آن برنامه هستند و مشکلی از نظر منابع برای ارسال بسته های این برنامه خاص وجود ندارد.

البته پیاده سازی این مدل از QoS نیازمند این است که روترها و مسیریاب های شبکه قادر به پشتیبانی از RSVP باشند. IntServ دارای مقیاس پذیری محدود و مصرف زیاد از منابع شبکه می باشد.

3ـ خدمات متمایز (DiffServ):

خدمات متمایز (DiffServ) یک مدل QoS است که در آن عناصر شبکه از جمله روترها و سوئیچ های شبکه را برای سرویس دهی به چند کلاس طبقه بندی می کند و این طبقه بندی بر اساس اولویت ترافیک ها مشخص خواهد شد.

ترافیک شبکه براساس نیازمندی های یک سازمان به کلاس های متعددی تقسیم می شود. برای مثال ترافیک صوتی اولویت بالاتری نسبت به ترافیک های دیگر دارد. اولویت بسته ها با استفاده از کد DSCP تعیین خواهد شد.

DiffServ همچنین از شیوه های per-hop مانند صف بندی و اولویت بندی برای اعمال مکانیسم های QoS  استفاده خواهد کرد. معماری شبکه بر چگونگی اجرای کیفیت خدمات یا QOS در سازمان ها نیز تاثیر می گذارد.

شبکه های MPLS دارای یک لینک خصوصی هستند که end-to-end QoS را در یک مسیر واحد ارائه می دهد. در قراردادهای MPLS  میزان پهنای باند، QoS، زمان تاخیر و زمان اجراء مشخص می شود. بنابراین استفاده از لینک های MPLS برای سازمان ها هزینه بر خواهد بود.

SD-WAN از اتصال های مختلفی از جمله MPLS و broadband استفاده می کند. با SD-WAN می توانید بر وضعیت اتصالات فعلی شبکه و عملکرد آن ها نظارت داشته باشید. به عنوان مثال، اگر تعداد بسته های از دست رفته در یک اتصال از یک سطح مشخصی بالاتر رود، SD-WAN به دنبال یک اتصال جایگزین خواهد بود.

در این قسمت باز هم مثال آمبولانس را در نظر میگیریم. باز هم پلیس ها در تقاطع مستقر شده اند اما این بار از رسیدن یک آمبولانس خبر ندارند. آمبولانس با چراغ گردان و آژیر خود نزدیک شدن به چهارراه را اعلام میکند.

به محض اطلاعا از نزدیک شدت آمبولانس پلیس سریعا ترافیک را مدیریت کرده و بقیه خودرو ها را متوفق میکند تا مسیری مطمعن و آزاد برای حرکت آمبولانس فراهم گردد. همین اتفاق در دیگر تقاطعغ ها هم رخ میدهد تا آمبولانس به مقصد برسد. در نتیجه میتوان گفت اکثر سرویس های صوتی در شبکه براساس مدل Diffserv کار میکنند.

مکانیسم های سرویس کیفیت خدمات یا QOS:

مکانیسم های کیفیت خدمات یا QOS خاص می توانند کیفیت ترافیک داده را مدیریت کنند. مکانیسم های QoS بسته به نقشی که در مدیریت شبکه ایفاء می کنند، در دسته بندی های خاصی قرار می گیرند.

• ابزار طبقه بندی و علامت گذاری بین اپلیکیشن ها تفاوت قائل می شود و بسته های اطلاعاتی را در گروه بندی های مختلف ترافیکی طبقه بندی می کند. علامت گذاری، هر بسته را به عنوان عضوی از کلاس شبکه علامت گذاری می کند و به دستگاه های موجود در شبکه اجازه می دهد تا کلاس بسته را تشخیص دهند. طبقه بندی و علامت گذاری روی تجهیزات شبکه مانند روتر، سوئیچ و اکسس پوینت اجرا می شود.
• ابزارهای مدیریت تراکم با استفاده از طبقه بندی و علامت گذاری بسته ها مشخص می کنند که بسته های داده در کدام صف قرار بگیرند. این ابزار دارای صف هایی بر اساس اولویت first-in، first-out و تاخیر پایین هستند.
• ابزار جلوگیری از ایجاد تراکم، ترافیک شبکه را کنترل می کند و در صورت بروز ازدحام بسته های با اولویت پایین را drop می کند. در این حالت می توانیم تا حدود زیادی مطمئن شویم که بسته های موجود در صف دارای اولویت بالایی هستند و به موقع به مقصد می رسند.
• ابزارهای شکل دهی ترافیک، ترافیک ورودی را تغییر می دهد و برنامه های زمان واقعی را در اولویت بالاتری نسبت به برنامه هایی که حساسیت کمتری به زمان دارند مانند ایمیل و پیام رسانی در اولویت قرار می دهند.
• ابزارهای شکل دهی ترافیک شامل بافر، Generic Traffic Shaping و شکل دهی Frame Relay Traffic می باشد. ابزارهای کنترل ترافیک هم مانند ابزارهای شکل دهی ترافیک بر روی تراکم ترافیکی تمرکز می کنند و در صورت نیاز بسته ها را drop می کنند.
• ابزارهای بهره وری لینک، استفاده از پهنای باند را به حداکثر می رسانند و زمان تأخیر را کاهش می دهند. در حالی که این ابزارها انحصاراً برای QoS نمی باشند اما در کنار سایر ابزارهای QoS مورد استفاده قرار می گیرند. این ابزارها شامل Real-Time Transport Protocol header compression، Transmission Control Protocol header compression و فشرده سازی لینک می باشد.

بیشتر بخوانید: مقایسه میان سرعت شبکه و پهنای باند