Миф о QoS
Нет ни одного человека, который бы хоть раз не прочитал какой-нибудь FAQ по Windows XP. А раз так, то каждый знает, что есть такая вредная служба Quality of Service — сокращенно QoS. При настройке системы ее настоятельно рекомендуется отключать, потому что она по умолчанию ограничивает сетевую пропускную способность на 20%, и как будто бы эта проблема существует и в Windows 2000.Вот эти строки:
"Q: Как полностью отключить службу QoS (Quality of Service)? Как ее настроить? Правда ли, что она ограничивает скорость сети? A: Действительно, по умолчанию Quality of Service резервирует для своих нужд 20% от пропускной способности канала (любого — хоть модем на 14400, хоть гигабитный Ethernet). Причем даже если удалить службу QoS Packet Scheduler из Properties-соединения, этот канал не освобождается. Освободить канал или просто настроить QoS можно здесь. Запускаем апплет Group Policy (gpedit.msc). В Group Policy находим Local computer policy и нажимаем на Administrative templates. Выбираем пункт Network — QoS Packet Sheduler. Включаем Limit reservable bandwidth. Теперь снижаем Bandwidth limit 20% до 0% или просто отключаем его. При желании здесь же можно настроить и другие параметры QoS. Для активации произведенных изменений остается только перезагрузиться".
20% — это, конечно, очень много. Воистину Microsoft — "маздай". Утверждения подобного рода кочуют из FAQ в FAQ, из форума в форум, из СМИ в СМИ, используются во всевозможного рода "твикалках" — программах по "настройке" Windows XP (кстати говоря, откройте "Групповые политики" и "Локальные политики безопасности", и ни одна "твикалка" не сравнится с ними по богатству вариантов настройки). Разоблачать голословные утверждения такого рода нужно осторожно, что мы сейчас и сделаем, применив системный подход. То есть основательно изучим проблемный вопрос, опираясь на официальные первоисточники.
Что такое сеть с качественным сервисом?
Давайте примем следующее упрощенное определение сетевой системы. Приложения запускаются и работают на хостах и обмениваются данными между собой. Приложения отправляют данные операционной системе для передачи по сети. Как только данные переданы операционной системе, они становятся сетевым трафиком.
Сетевая служба QoS опирается на способность сети обработать этот трафик так, чтобы гарантированно выполнить запросы некоторых приложений. Это требует наличия фундаментального механизма по обработке сетевого трафика, способного идентифицировать трафик, имеющий право на особую обработку и право управлять этими механизмами.
Функциональные возможности QoS призваны удовлетворить двух субъектов сети: сетевые приложения и сетевых администраторов. Они часто имеют разногласия. Администратор сети ограничивает ресурсы, используемые специфическим приложением, в то же время приложение пытается захватить как можно больше сетевых ресурсов. Их интересы могут быть согласованы, принимая во внимание тот факт, что сетевой администратор играет главенствующую роль по отношению ко всем приложениям и пользователям.
Основные параметры QoS
Различные приложения имеют различные требования по обработке их сетевого трафика. Приложения в большей или меньшей степени терпимы к задержкам и потерям трафика. Эти требования нашли применение в следующих параметрах, связанных с QoS:
- Bandwidth (полоса пропускания) — скорость, с которой трафик, генерируемый приложением, должен быть передан по сети
- Latency (задержка) — задержка, которую приложение может допустить в доставке пакета данных.
- Jitter — изменение времени задержки.
- Loss (потеря) — процент потерянных данных.
Если бы были доступны бесконечные сетевые ресурсы, то весь трафик приложения можно было бы передать с требуемой скоростью, с нулевым временем задержки, нулевым изменением времени задержки и нулевыми потерями. Однако сетевые ресурсы не безграничны.
Механизм QoS контролирует распределение сетевых ресурсов для трафика приложения, чтобы выполнить требования по его передаче.
Фундаментальные ресурсы QoS и механизмы обработки трафика
Сети, которые связывают хосты, используют разнообразные сетевые устройства включая сетевые адаптеры хостов, маршрутизаторы, свичи и хабы. Каждый из них имеет сетевые интерфейсы. Каждый сетевой интерфейс может принять и передать трафик с конечной скоростью. Если скорость, с которой трафик направлен на интерфейс, выше, чем скорость, с которой интерфейс передает трафик дальше, то возникает перегрузка.
Сетевые устройства могут обработать состояние перегрузки, организуя очередь трафика в памяти устройства (в буфере), пока перегрузка не пройдет. В других случаях сетевое оборудование может отказаться от трафика, чтобы облегчить перегрузку. В результате приложения сталкиваются с изменением времени ожидания (так как трафик сохраняется в очередях на интерфейсах) или с потерей трафика.
Способность сетевых интерфейсов к пересылке трафика и наличие памяти для сохранения трафика в сетевых устройствах (до тех пор, пока трафик не может быть послан дальше) составляют фундаментальные ресурсы, требующиеся для обеспечения QoS для потоков трафика приложений.
Распределение ресурсов QoS по сетевым устройствам
Устройства, поддерживающие QoS, разумно используют ресурсы сети для передачи трафика. То есть трафик приложений, более терпимых к задержкам, становится в очередь (сохраняется в буфере в памяти), а трафик приложений, критичных к задержкам, передается далее.
Для выполнения этой задачи сетевое устройство должно идентифицировать трафик путем классификации пакетов, а также иметь очереди и механизмы их обслуживания.
Механизм обработки трафика
Механизм обработки трафика включает в себя:
- 802.1p
- Дифференцированные услуги per-hop-behaviors (diffserv PHB).
- Интегрированные услуги (intserv).
- ATM и др.
Большинство локальных сетей основано на технологии IEEE 802 включая Ethernet, token-ring и др. 802.1p — это механизм обработки трафика для поддержки QoS в таких сетях.
802.1p определяет поле (уровень 2 в сетевой модели OSI) в заголовке пакета 802, которое может нести одно из восьми значений приоритета. Как правило, хосты или маршрутизаторы, посылая трафик в локальную сеть, маркируют каждый посланный пакет, присваивая ему определенное значение приоритета. Предполагается, что сетевые устройства, такие, как свичи, мосты и хабы, обработают пакеты соответствующим образом, используя механизмы организации очередей. Область применения 802.1p ограничена локальной сетью (LAN). Как только пакет пересекает локальную сеть (через уровень 3 OSI), приоритет 802.1p удаляется.
Diffserv — это механизм уровня 3. Он определяет поле в уровне 3 заголовка пакетов IP, названных diffserv codepoint (DSCP).
Intserv — это целый комплекс услуг, определяющий гарантированный сервис и сервис, управляющий загрузкой. Гарантированный сервис обещает нести некоторый объем трафика с измеримой и ограниченной задержкой. Сервис, управляющий загрузкой, соглашается нести некоторый объем трафика с "появлением легкой загруженности сети". Это — измеримые услуги в том смысле, что они определены, чтобы обеспечить измеримый QoS к определенному количеству трафика.
Поскольку технология ATM фрагментирует пакеты в относительно маленькие ячейки, то она может предложить очень низкое время задержки. Если необходимо передать пакет срочно, интерфейс ATM может всегда освобождаться для передачи на время, которое требуется, чтобы передать одну ячейку.
QoS имеет еще много разных сложных механизмов, обеспечивающих работу этой технологии. Отметим лишь один важный момент: для того, чтобы QoS заработала, необходима поддержка этой технологии и соответствующая настройка на всем протяжении передачи от начальной точки до конечной.
Для наглядности рассмотрим рис. 1.
Принимаем следующее:
- Все маршрутизаторы участвуют в передаче нужных протоколов.
- Один QoS-сеанс, требующий 64 Kbps, инициализирован между хостом А и хостом B.
- Другой сеанс, требующий 64 Kbps, инициализирован между хостом А и хостом D.
- Для упрощения схемы полагаем, что маршрутизаторы сконфигурированы так, что могут резервировать все сетевые ресурсы.
В нашем случае один запрос о резервировании 64 Kbps достиг бы трех маршрутизаторов на пути данных между хостом А и хостом B. Другой запрос о 64 Kbps достиг бы трех маршрутизаторов между хостом А и хостом D. Маршрутизаторы выполнили бы эти запросы на резервирование ресурсов, потому что они не превышают максимума. Если вместо этого каждый из хостов B и C одновременно инициализировал бы 64 Kbps QoS-сеанс с хостом A, то маршрутизатор, обслуживающий эти хосты (B и C), запретил бы одно из соединений.
Теперь предположим, что администратор сети отключает обработку QoS в трех нижних маршрутизаторах, обслуживающих хосты B, C, D, E. В этом случае запросы о ресурсах до 128 Kbps удовлетворялись бы независимо от месторасположения участвующего в соединении хоста. При этом гарантии качества были бы низки, поскольку трафик для одного хоста подвергал бы риску трафик другого. Качество обслуживания могло бы быть сохранено, если бы верхний маршрутизатор ограничивал все запросы до 64 Kbps, однако это привело бы к неэффективному использованию сетевых ресурсов.
С другой стороны, пропускную способность всех сетевых связей можно было бы увеличить до 128 Kbps. Но увеличенная пропускная способность будет использоваться только когда хосты B и C (или D и E) одновременно затребуют ресурсы. Если это не так, то ресурсы сети опять будут использоваться неэффективно.
QoS-компоненты Microsoft
Windows 98 содержит компоненты QoS только пользовательского уровня включая:
- Компоненты приложений.
- GQoS API (часть Winsock 2).
- QoS service provider.
Операционная система Windows 2000/XP/2003 содержит все описанное выше и следующие компоненты:
- Resource Reservation Protocol Service Provider (Rsvpsp.dll) и службы RSVP (Rsvp.exe) и QoS ACS. В Windows XP, 2003 не используются. Управление трафиком (Traffic.dll).
- Generic Packet Classifier (Msgpc.sys). Классификатор пакетов определяет класс сервиса, которому принадлежит пакет. При этом пакет будет поставлен в соответствующую очередь. Очереди управляются Планировщиком пакетов QoS.
- Планировщик пакетов QoS (Psched.sys). Определяет параметры QoS для специфического потока данных. Трафик помечается определенным значением приоритета. Планировщик пакетов QoSпределяет график постановки в очередь каждого пакета и обрабатывает конкурирующие запросы между поставленными в очередь пакетами, которые нуждаются в одновременном доступе к сети.
Диаграмма на рис.2 иллюстрирует стек протоколов, компоненты Windows и их взаимодействие на хосте. Элементы, использовавшиеся в Windows 2000, но не использующиеся в Windows XP/2003, на диаграмме не показаны.
Приложения находятся наверху стека. Они могут знать или не знать о QoS. Чтобы использовать всю мощь QoS, Microsoft рекомендует использовать в приложениях вызовы Generic QoS API. Это особенно важно для приложений, требующих высококачественных гарантий обслуживания. Некоторые утилиты могут использоваться для вызова QoS от имени приложений, которые не знают о QoS. Они работают через API управления трафиком. Например, NetMeeting использует GQoS API. Но для таких приложений качество не гарантируется.
Последний гвоздь
Вышеизложенные теоретические моменты не дают однозначного ответа на вопрос, куда деваются пресловутые 20% (которые, замечу, никто еще точно не измерял). Исходя из вышесказанного, такого быть не должно. Но оппоненты выдвигают новый довод: система QoS хорошая, да реализация кривая. Стало быть, 20% все-таки "отжираются". Видать, проблема допекла и софтверного гиганта, поскольку он уже довольно давно отдельно опроверг подобные измышления.
Впрочем, дадим слово разработчикам и изложим избранные моменты из статьи "316666 — Windows XP Quality of Service (QoS) Enhancements and Behavior" литературным русским языком:
"Сто процентов сетевой полосы пропускания доступны для распределения между всеми программами, если какая-либо программа явно не запрашивает приоритетную полосу пропускания. Эта "зарезервированная" полоса пропускания доступна другим программам, если программа, которая ее затребовала, не отправляет данные.
По умолчанию программы могут резервировать до 20% основной скорости соединения на каждом интерфейсе компьютера. Если программа, которая резервировала полосу пропускания, не посылает достаточно много данных, чтобы использовать ее полностью, неиспользованная часть зарезервированной полосы пропускания доступна для других потоков данных.
Были заявления в различных технических статьях и телеконференциях, что Windows XP всегда резервирует 20% доступной полосы пропускания для QoS. Эти заявления неверны".
Если теперь у кого-то все еще "отжирается" 20% полосы пропускания, что ж, я могу посоветовать и дальше использовать побольше всевозможных "твикалок" и кривых сетевых драйверов. Еще и не столько будет "отжираться".