کیفیت خدمات یا QoS چیست؟

کیفیت خدمات (QoS)، به هر فناوری که ترافیک داده را برای کاهش از دست دادن بسته‌ها، تأخیر و نوسان در شبکه مدیریت می‌کند، اطلاق می‌شود. QoS با تعیین اولویت برای انواع خاصی از داده‌ها در شبکه، منابع شبکه را کنترل و مدیریت می‌کند.

شبکه‌های سازمانی نیاز به ارائه خدمات قابل پیش‌بینی و اندازه‌گیری به صورت برنامه‌های کاربردی (مانند صدا، ویدیو و داده‌های حساس به تأخیر) برای ارسال از طریق شبکه دارند.

سازمان‌ها از QoS برای تامین نیازهای ترافیکی برنامه‌های حساس، مانند صدا و ویدیوی بلادرنگ، و جلوگیری از افت کیفیت ناشی از از دست دادن بسته‌ها، تاخیر و نوسان استفاده می‌کنند.

سازمان‌ها می‌توانند با استفاده از ابزارها و تکنیک‌های خاصی مانند Jitter Buffer و شکل‌دهی ترافیک به QoS برسند. برای بسیاری از سازمان‌ها، QoS در قراردادِ سطح سرویس (SLA)، با ارائه دهنده خدمات شبکه آنها گنجانده شده است تا سطح مشخصی از عملکرد شبکه را تضمین کند.

گاهی به جای QoS از اصطلاح Class of Service) CoS) نیز استفاده می‌شود. هر چند که تفاوت کمی با هم دارند.

فناوری CoS به طور خاص سطحی از خدمات را از نظر پهنای باند تضمین نمی‌کند و به کنترل ترافیک با حفظ جزئیات کمتر تمایل دارد. اگرچه در بسیاری از موارد، کسی که به CoS یا QoS اشاره کند، احتمالاً در مورد یک موضوع مشترک صحبت می‌کند.

پارامترهای QoS

سازمان‌ها می‌توانند تا حدودی QoS را با استفاده از پارامترهای زیر اندازه‌گیری کنند:

• از دست دادن بسته:

این امر زمانی اتفاق می‌افتد که لینک‌های شبکه متراکم شده و روترها و سوییچ‌ها شروع به رها کردن بسته‌ها می‌کنند. هنگامی که بسته‌ها در طول ارتباط بلادرنگ، مانند تماس‌های صوتی یا ویدیویی، از بین می‌روند، این جلسات می‌توانند باعث ایجاد نوسان و وقفه در ارتباط شوند.

هنگامی که یک صف یا صف بسته‌هایی که منتظر ارسال هستند، سرریز شود، ممکن است بسته‌ها حذف شوند.

• نوسان (Jitter):

نتیجه ازدحام شبکه، تغییر زمان و تغییر مسیر است. نوسان بیش از حد می‌تواند کیفیت ارتباطات صوتی و تصویری را کاهش دهد.

• تاخیر (Latency):

مدت زمانی است که یک بسته از مبدا به مقصد می‌رسد. تأخیر باید تا حد امکان نزدیک به صفر باشد. اگر تماس صوتی از طریق IP دارای تاخیر بالایی باشد، کاربران دچار اکو و همپوشانی صدا خواهند شد.

• پهنای باند:

ظرفیت یک پیوند ارتباطی شبکه برای انتقال حداکثر مقدار داده از یک نقطه به نقطه دیگر در مدت زمان معین است. QoS عملکرد شبکه را با مدیریت پهنای باند و تخصیص منابع بیشتر به برنامه‌های کاربردی با اولویت بالا به همراه الزامات سختگیرانه‌تر نسبت به سایرین بهینه می‌کند.

• میانگین امتیاز نظر (MOS):

معیاری برای ارزیابی کیفیت صدا است که از مقیاس پنج نقطه‌ای استفاده می‌کند که پنج ویژگی بالاترین کیفیت را تعیین می‌کند.

چرا QoS مهم است؟

بدون QoS، داده‌های شبکه می‌توانند از هم گسیخته شده و تا حدی شبکه‌ها را مسدود کنند که باعث کاهش عملکرد و یا در موارد خاص، خاموشی کامل شبکه می‌شود.

کیفیت خدمات مهم است زیرا شرکت‌ها باید خدمات پایداری را برای استفاده کارکنان و مشتریان ارائه دهند. کیفیت خدمات تعیین کننده کیفیت تجربه (QoE) است. اگر خدماتی که یک سازمان ارائه می‌دهد قابل اعتماد نباشد، ممکن است روابط مشتری و کارمند در معرض خطر قرار گیرد.

علاوه بر این، یکپارچگی و امنیت داده‌ها در شرکتی با QoS ضعیف بیشتر به خطر می‌افتد. به طور کلی، کارمندان و مشتریان برای انجام کارهای خود به خدمات ارتباطی وابسته هستند. هنگامی که کیفیت خدمات کاهش می‌یابد، کیفیت کار و تجربه نیز آسیب می‌بیند.

QoS چگونه کار می‌کند؟

وقتی سازمان‌ها از شبکه‌های خود برای ارسال اطلاعات بین نقاط پایانی شبکه استفاده می‌کنند، اطلاعات یا داده‌ها در بسته‌ها قالب‌بندی می‌شوند. رایانه‌ها اطلاعاتی را که می‌خواهند از طریق یک شبکه ارسال کنند در قالب بسته‌ها سازمان‌دهی می‌کنند، مانند زمانی که فردی اقلامی را برای ارسال از طریق سیستم پست فیزیکی بسته‌بندی می‌کند.

ابزارهای کیفیت خدمات، مسئولیت اولویت‌بندی بسته‌ها را بر عهده می‌گیرند تا حداکثر استفاده را از پهنای باند محدود در شبکه خود ببرند. به عبارت دیگر، شبکه تنها می‌تواند اطلاعات زیادی را در مدت زمان معینی انتقال دهد.

بنابراین، ابزار QoS بسته‌ها را به‌گونه‌ای اولویت‌بندی می‌کند که تضمین شود از پهنای باند برای ارائه بهترین سرویس اینترنت ممکن در آن مدت زمان ثابت استفاده می‌شود.

برای مثال، بسته‌های مربوط به تماس ویدیویی نسبت به بسته‌های مربوط به دانلود ایمیل اولویت دارند. این به این دلیل است که تماس ویدیویی شکل ارتباطی هماهنگ‌تری نسبت به ایمیل دارد و ویدیو باید در زمان اصلی خود اتفاق بیفتد، در حالی که ارسال ایمیل لزوماً به زمان حساس نیست.

اگر بسته‌ای در حین چت ویدیویی از بین برود یا به تأخیر بیفتد، کاربر نهایی ممکن است دچار نوسان یا تأخیر در چت شود. ولی اگر بسته‌ها در فرآیند ارسال ایمیل از بین بروند یا به تأخیر بیفتند، باز هم می‌توانند پس از ارسال، مجدد ارسال شوند و کاربر نهایی متوجه هیچ‌گونه نقصی در سرویس نخواهد شد.

آنها زمانی ایمیل را دریافت می‌کنند که همه بسته‌ها کنار هم چیده شده و کامل شوند، درحالی‌که شخصی که ویدیو را پخش می‌کند، بسته‌ها را هنگام رسیدن می‌بیند.

یک ابزار QoS برای اولویت‌بندی بسته‌ها به هدر بسته‌ها نگاه می‌کند. هدر‌های بسته اطلاعاتی هستند که به ابزار و سایر اجزای شبکه می‌گویند که بسته حاوی چه چیزی است، به کجا می‌رود (آدرس IP مقصد) و برای چه مواردی استفاده خواهد شد.

ابزار QoS همچنین می‌تواند هدر بسته را خوانده و تعیین کند که یک بسته به جریان ویدئو مرتبط است و آن را بر بسته‌هایی که به زمان حساسیت کمتری دارند، اولویت دهد. یک هدر بسته را می‌توان به عنوان آدرس‌های پستی و بازگشتی در یک بسته فیزیکی در نظر گرفت. ابزار QoS می‌تواند بخشی از هدر بسته را برای تعیین اولویت تغییر دهد.

مزایای QoS چیست؟

مزیت اصلی QoS این است که در دسترس بودن شبکه یک سازمان و برنامه‌هایی که در آن شبکه اجرا می‌شوند را تضمین می‌کند و انتقال امن و کارآمد داده‌ها را از طریق آن شبکه فراهم می‌کند. QoS همچنین به سازمان‌ها این امکان را می‌دهد که به جای ارتقای زیرساخت شبکه برای گسترش پهنای باند، از پهنای باند موجود خود به طور موثرتر استفاده کنند.

سایر مزایا عبارتند از:

• برنامه‌های کاربردی حیاتی به منابع مورد نیاز خود دسترسی دارند.
• مدیران می‌توانند ترافیک شبکه را بهتر مدیریت کنند.
• سازمان‌ها می‌توانند بدون نیاز به خرید زیرساخت‌های جدید شبکه، هزینه‌ها را کاهش دهند.
• تجربه کاربری بهبود یافته است.

پیاده‌سازی QoS

هنگام پیاده‌سازی ابزارها و استراتژی‌های QoS، سازمان‌ها باید این مراحل را دنبال کنند:

1. برنامه‌ریزی

سازمان باید درک درستی از نیازها و الزامات خدمات هر بخش به دست آورد، مدل مناسبی را انتخاب و از طرف ذینفعان استقبال کند.

2. طراحی

سپس سازمان باید تمام تغییرات مهم نرم افزاری و سخت افزاری را مورد توجه قرار داده و مدل QoS انتخابی را در مشخصات معماری شبکه خود اعمال کند.

3. آزمایش

سازمان باید تنظیمات و خط‌مشی‌های QoS را در یک محیط آزمایشی کنترل‌شده و ایمن که در آن می‌توان ایرادات را برطرف کرد، آزمایش کند.

4. استقرار

سیاست‌ها باید وارد مرحله اجرا شوند. یک سازمان ممکن است تصمیم بگیرد که خط‌مشی‌ها را بر اساس بخش شبکه یا تابع QoS جداگانه (آنچه هر خط‌مشی انجام می‌دهد) اجرا کند.

5. نظارت و تجزیه و تحلیل

سیاست‌ها باید برای بهبود عملکرد با توجه به داده‌های اجرایی تنظیم شوند.

سه مدل برای اجرای QoS وجود دارد: بهترین تلاش، خدمات یکپارچه و خدمات متمایز.

– بهترین تلاش (Best Effort):

یک مدل QoS که در آن همه بسته‌ها اولویت یکسانی دارند و هیچ تحویل تضمینی برای بسته‌ها وجود ندارد. بهترین تلاش زمانی انجام می‌شود که شبکه‌ها خط‌مشی‌های QoS را پیکربندی نکرده باشند یا زمانی که زیرساخت از QoS پشتیبانی نمی‌کند.

– خدمات یکپارچه (IntServ):

یک مدل QoS که پهنای باند را در طول یک مسیر خاص در شبکه ذخیره می‌کند. برنامه‌ها از شبکه درخواست رزرو منابع می‌کنند و دستگاه‌های شبکه جریان بسته‌ها را نظارت می‌کنند تا مطمئن شوند که منابع شبکه می‌توانند بسته‌ها را بپذیرند.

پیاده‌سازی IntServ به روترهایی با قابلیت IntServ نیاز دارد و از پروتکل رزرو منابع (RSVP) برای رزرو منابع شبکه استفاده می‌کند. IntServ مقیاس‌پذیری محدود و مصرف بالایی از منابع شبکه دارد.

– خدمات متمایز (DiffServ):

یک مدل QoS که در آن عناصر شبکه، مانند روترها و سوییچ‌ها، برای سرویس‌دهی چندین کلاس ترافیک با اولویت‌های مختلف پیکربندی شده‌اند. ترافیک شبکه باید بر اساس پیکربندی شرکت به کلاس‌هایی تقسیم شود.

به عنوان مثال، ترافیک صوتی می‌تواند اولویت بیشتری نسبت به سایر انواع ترافیک داشته باشد. بسته‌ها با استفاده از نقطه کد خدمات متمایز (DSCP) برای طبقه‌بندی، اولویت‌ها را تعیین می‌کنند.

DiffServ همچنین از رفتار per-hop برای اعمال تکنیک‌های QoS، مانند صف‌بندی و اولویت‌بندی، برای بسته‌ها استفاده می‌کند.

معماری شبکه همچنین بر نحوه پیاده‌سازی QoS توسط یک سازمان تأثیر می‌گذارد. یک شبکه تعویض برچسب چندپروتکلی (MPLS) شامل یک پیوند خصوصی است که QoS سرتاسری را در یک مسیر واحد ارائه می‌کند.

SLA برای MPLS پهنای باند، QoS، تأخیر و زمان آپدیت را مشخص می‌کند. با این حال، MPLS می‌تواند برای سازمان‌ها هزینه‌بر باشد.

SD-WAN از انواع اتصالات متعدد از جمله MPLS و پهنای باند استفاده می‌کند. SD-WAN وضعیت اتصالات شبکه فعلی را برای مسائل مربوط به عملکرد نظارت کرده و از انواع اتصالات متعدد خود برای خرابی بر اساس وضعیت استفاده می‌کند.

به عنوان مثال، اگر از دست دادن بسته در یک اتصال از یک سطح معین بیشتر شود، قابلیت‌های SD-WAN با یک اتصال جایگزین می‌گردند.

مکانیسم‌های QoS

مکانیسم‌های QoS خاصی می‌توانند کیفیت ترافیک داده را مدیریت و الزامات QoS مشخص شده در SLA را حفظ کنند. مکانیسم‌های QoS بسته به نقشی که در مدیریت شبکه ایفا می‌کنند، تحت دسته‌بندی‌های خاصی قرار می‌گیرند.

• طبقه‌بندی و علامت گذاری

این ابزارها بین برنامه‌ها تفاوت قائل شده و بسته‌ها را در انواع مختلف ترافیک مرتب می‌کنند. علامت گذاری هر بسته را به صورت عضوی از یک کلاس شبکه نشان می‌دهد که به دستگاه‌های موجود در شبکه امکان می‌دهد کلاس بسته را تشخیص دهند.

طبقه‌بندی و علامت گذاری بر روی دستگاه‌های شبکه مانند روترها، سوییچ‌ها و نقاط دسترسی اجرا می‌شود.

• مدیریت ازدحام

این ابزارها از طبقه‌بندی بسته‌ها و علامت‌گذاری برای تشخیص اینکه بسته‌ها در کدام صف قرار می‌گیرند استفاده می‌کنند. ابزارهای مدیریت ازدحام شامل صف اولویت‌بندی، اولین ورود، اول خروج و صف با تأخیر کم است.

• اجتناب از ازدحام

این ابزارها ترافیک شبکه را برای ازدحام کنترل می‌کنند و در صورت ازدحام بسته‌های با اولویت پایین را رها می‌کنند. ابزارهای جلوگیری از تراکم شامل تشخیص زود هنگام تصادفی وزنی و تشخیص زود هنگام تصادفی است.

• شکل دادن

این ابزارها ترافیک جاری به شبکه را دستکاری کرده و برنامه‌های بلادرنگ را بر برنامه‌های کاربردی که حساسیت کمتری به زمان دارند مانند ایمیل و پیام‌ها اولویت می‌دهند. ابزارهای شکل‌دهی ترافیک شامل بافرها، شکل‌دهی عمومی ترافیک و شکل‌دهی ترافیک قاب رله است.

• کارایی پیوند

این ابزارها استفاده از پهنای باند را به حداکثر ‌رسانده و تاخیر برای دسترسی بسته‌ها به شبکه را کاهش می‌دهند. ابزارهای کارایی پیوند در ارتباط با سایر مکانیسم‌های QoS استفاده می‌شوند و به طور انحصاری برای QoS نیست.

ابزارهای کارآیی پیوند عبارتند از پروتکل حمل و نقل بلادرنگ، فشرده‌سازی هدر، پروتکل کنترل انتقال، فشرده‌سازی هدر و فشرده‌سازی لینک.

ابزارهای QoS

ابزارهای QoS به طور کلی در این دسته قرار می‌گیرند:

• طبقه بندی: ترافیک را شناسایی کرده و آن را علامت‌گذاری می‌کند تا مطمئن شود که سایر دستگاه‌های شبکه می‌توانند آن را شناسایی و اولویت‌بندی کنند.
• صف بندی: پهنای باند را برای نگهداری بسته‌ها در بافر ذخیره می‌کند تا بعدا پردازش شود.
• سیاست‌گذاری: پهنای باند و محدودیت خاصی را اعمال می‌کند و بسته‌هایی را که به قانون پایبند نیستند حذف می‌کند. که به عنوان بخشی از جلوگیری از ازدحام است.
• شکل دادن: مشابه سیاست‌گذاری است، اما به جای حذف کامل ترافیک، در یک بافر صف می‌کشد. این، همراه با صف، بخشی از مدیریت ازدحام است.
• دور انداختن اولیه تصادفی وزنی (WRED): جریان‌های داده با اولویت پایین را حذف می‌کند تا داده‌های با اولویت بالا را از اثرات منفی تراکم شبکه حفظ کند.
• تکه تکه شدن و فشرده‌سازی: پهنای باند شبکه را کاهش می‌دهد تا از تأخیر و نوسان جلوگیری کند.

ابزار QoS ممکن است فقط یک یا ترکیبی از این عملکردها را انجام دهد. بسیاری از ابزارهای QoS مدیریت می‌شوند و این عملکردها را به‌طور خودکار انجام می‌دهند و به مدیران اجازه می‌دهند تنظیمات و سیاست‌ها را در صورت نیاز تغییر دهند.

برخی از ابزارهای محبوب نظارت بر QoS عبارتند از:

• SolarWinds NetFlow Traffic Analyzer
• Paessler PRTG Network Monitor
• تحلیلگر شبکه Nagios
• ManageEngine NetFlow Analyzer
• OpenNMS (متن باز)
• Ntopng (متن باز)
• BandwidthD (متن باز)