Авторы:
А.К. Леваков, директор по эксплуатации сетей связи макрорегионального филиала «Центр» ОАО «Ростелеком», к.т.н.
А.В. Федоров, начальник отдела ЛО ЦНИИС,
Н.А. Соколов, главный научный сотрудник ЛО ЦНИИС, д.т.н.
Особенности нормирования показателей качества обслуживания
Слово «качество» трактуется в технической литературе по-разному. Для телекоммуникационных сетей уместно использовать трактовку термина «качества» (Quality) из рекомендации сектора стандартизации Международного союза электросвязи ITU-T E.800. Версия этой рекомендации на русском языке содержит следующее определение качества: совокупность характеристик объекта, которые имеют отношение к его возможности удовлетворять установленные и предполагаемые потребности. К этому определению дано существенное примечание. Во-первых, упомянутые характеристики должны поддаваться экспериментальной оценке и/или измерению. Во-вторых, когда характеристики определены, они становятся параметрами и выражаются метриками. После завершения соответствующих работ нормируются показатели качества обслуживания.
Для обсуждения особенностей, объективно присущих нормированию показателей качества обслуживания, полезна модель, которая содержится в тексте рекомендации ITU-T E.800. Она воспроизведена на рисунке 1 с небольшими изменениями. Внутри каждого элемента модели указано его название на английском языке. Иллюстрация подразумевает наличие пользователей (User) на каждом конце соединения. Тем не менее, предлагаемая конструкция применима также и в том случае, когда на одном из концов соединения находится Поставщик услуг (Service Provider).
Рисунок 1. Модель, определяющая сквозное качество обслуживания
Стрелка, фиксирующая сферу сквозного качества обслуживания, выходит за границы телекоммуникационной сети, которая заканчивается оконечным оборудованием. Такое решение авторов рекомендации ITU-T E.800, по всей видимости, объясняется необходимостью учитывать влияние на качество обслуживания внешних (по отношению к телекоммуникационной сети) факторов. В частности, в рекомендации ITU-T P.10 сквозное качество для телефонной связи определяется на участке «рот говорящего — ухо слушающего» (mouth-to-ear), что требует учитывать, например, возможные шумы в помещениях пользователей.
Показатели, характеризующие качество обслуживания, делятся на две большие группы. В первую группу входят показатели, относящиеся к процессам функционирования сети. Их примером служат потери вызовов и задержки IP-пакетов, часто используемые для оценки показателей качества обслуживания трафика в сетях с коммутацией каналов и пакетов соответственно. Во вторую группу включаются показатели, которые напрямую не связаны с процессами функционирования сети. В качестве примера таких показателей обычно называют тарифы на услуги электросвязи и время реакции на жалобы пользователей. В этой статье рассматриваются показатели, образующие первую группу.
Принципам нормирования показателей качества обслуживания свойственны специфические особенности, среди которых следует выделить различия в требованиях игроков (участников) рынка телекоммуникационных и инфокоммуникационных услуг. Модель, изображенная на рисунке 1, в большей мере отражает (что представляется справедливым) интересы пользователей. Действительно, именно пользователи заинтересованы в обеспечении тех показателей, которые относятся к сквозному качеству обслуживания. Формально в этом заинтересованы и другие игроки рынка услуг. С другой стороны, им для построения, эксплуатации и развития своих технических средств необходимо опираться на нормы, заданные в границах ответственности за собственные фрагменты общей системы.
Под «общей системой» понимается комплекс средств, обеспечивающий всю совокупность технических, экономических и организационных операций, которые необходимы для предоставления пользователям телекоммуникационных и информационных услуг. Этот комплекс представляет собой типичный пример большой и сложной системы.
Особенности развития телекоммуникационной системы
Идеализированный процесс нормирования показателей качества обслуживания может быть представлен как последовательное решение двух задач. Первая задача заключается в установлении норм на сквозное качество обслуживания. Вторая задача — декомпозиция этих норм на показатели, определяющие качество облуживания для всех основных компонентов общей системы. К сожалению, такой подход не всегда возможен в силу ряда причин объективного и субъективного характера.
Причины объективного характера можно проиллюстрировать при помощи трех состояний телекоммуникационной системы: «as is» (как есть), «as should be» (как должно быть) и «as will» (как получится). Состояние «as is» характеризуется фазовым пространством телекоммуникационной системы к текущему моменту времени. Это состояние определяется решениями (и правильными, и ошибочными), принятыми при модернизации системы электросвязи на предыдущих этапах ее развития. Если к моменту времени, который определяет завершение нового этапа развития телекоммуникационной системы, был выбран приемлемый сценарий, то можно говорить о переходе к состоянию «as should be». Одно из важных условий перехода к этому состоянию — проведение полноценных научных исследований, завершающихся разработкой практических рекомендаций для всех участников рынка. Два последних десятилетия упомянутые исследования не проводились. По этой причине развитие телекоммуникационной системы все еще осуществляется на основе парадигмы «as will».
Из причин субъективного характера следует выделить сложность согласования технической политики основных участников рынка. Это утверждение справедливо и для задач, относящихся к обеспечению показателей качества обслуживания. Телефонная сеть общего пользования (ТфОП) развивалась, в основном, по стратегии «as should be». Интернет — от начала своего создания вплоть до настоящего времени — формируется, в основном, по принципу «as will», что существенно усложняет решение задач по обеспечению приемлемого уровня качества обслуживания мультисервисного трафика.
Еще одной важной особенностью развития телекоммуникационной системы следует считать длительный период сосуществования фрагментов сетей электросвязи, построенных на разных технологиях передачи и коммутации. Подобная ситуация обусловлена объективными свойствами тех консервативных сложных технических систем, для которых характерен длительный жизненный цикл.
Ограниченный объем статьи не позволяет остановиться на других особенностях современного этапа развития телекоммуникационной системы, но они, по мнению авторов, менее значимы с точки зрения рассматриваемых ниже задач. Предлагается выделить пять крупных задач. Суть двух первых задач кратко сформулирована в первом абзаце этого раздела статьи.
Первая задача
Составление перечня нормируемых показателей сквозного качества обслуживания и его согласование с игроками инфокоммуникационного рынка составляет предмет первой задачи. На первый взгляд, поставленная задача представляется очень простой. Действительно, ее решение не требует применения сложных экономико-математических методов. С другой стороны, получение желаемых результатов связано с принятием решений из-за неоднозначности ситуаций, порождаемых причинами различной природы. Среди этих причин следует выделить три:
- географические и связанные с ними особенности Российской Федерации;
- длительный период сосуществование нескольких технологий передачи, коммутации и обработки информации;
- различия в подходах и в численных значениях норм, предлагаемых международными организациями по стандартизации в области электросвязи.
Следствием географических и связанных с ними особенностей страны стало применение систем спутниковой связи, использование которых увеличивает время распространения сигналов. Эта величина влияет на качество предоставления ряда услуг. В первую очередь, данное утверждение касается телефонной связи. Различие в технологиях передачи, коммутации и обработки информации порождает необходимость использования нескольких неидентичных наборов тех показателей, которые характеризуют качество обслуживания одного и того же вида трафика. Такая ситуация усложняет задачи нормирования показателей и их контроля. Похожие проблемы возникают из-за различий в подходах и в численных значениях норм, предлагаемых ITU (Международным союзом электросвязи), ETSI (Европейским институтом телекоммуникационных стандартов), IETF (Целевой группой исследований Интернет).
Составление перечня нормируемых показателей сквозного качества обслуживания и его согласование с игроками инфокоммуникационного рынка должны осуществлять с учетом изложенных выше соображений. Важнейшими источниками информации для проведения необходимых работ, по мнению авторов, остаются рекомендации ITU-T. К уже упомянутым рекомендациям следует добавить, по крайней мере, еще шесть источников.
Вторая задача
Декомпозиция показателей сквозного качества обслуживания по элементам общей системы, на первый взгляд, сводится к набору процедур, которые могут быть выполнены при помощи методов теории вероятностей. Правда, эти методы не всегда просты. В частности, в рекомендации ITU-T Y.1542 предложен простой и логичный способ декомпозиции среднего значения (математического ожидания) времени задержки IP-пакетов на компоненты, определяющие аналогичные показатели для всех сетей, ресурсы которых задействованы для организации тракта обмена информацией между интерфейсами пользователь-сеть. Для вариации задержки, оценка которой предусматривает расчет квантиля распределения, процесс декомпозиции представляет собой очень сложную задачу.
Следует также учитывать, что декомпозиция показателей сквозного качества обслуживания напрямую связана с экономическими аспектами функционирования рынка телекоммуникационных и инфокоммуникационных услуг. Разработка согласованных решений по декомпозиции показателей сквозного качества обслуживания усложняется еще и необходимостью учета требований, входящих в соглашения об уровне обслуживания, более известных по аббревиатуре SLA (Service Level Agreement).
В общем случае поставленная задача не может быть решена формализованными методами. Тем не менее, для обеспечения показателей сквозного качества обслуживания необходимо сформулировать понятные требования к используемым ресурсам всех участников рынка телекоммуникационных и инфокоммуникационных услуг. Скорее всего, декомпозицию следует рассматривать как периодически возобновляемый процесс, что позволит учесть возрастающие требования пользователей к качеству предоставляемых им услуг (включая соответствующие разделы SLA), а также изменения, происходящие вследствие эволюции телекоммуникационных сетей и информационных систем.
Третья задача
Третья задача может быть сформулирована как контроль характеристик качества обслуживания. Он напрямую связан с мониторингом трафика, обслуживаемого телекоммуникационными сетями и системами обработки информации. Принято различать активные и пассивные методы измерения трафика. Очевидно, что максимально возможный полезный эффект может быть достигнут при разумном сочетании обоих методов.
Значительную часть XX века основные диалоговые услуги обеспечивались ТфОП. Для этой сети в рекомендациях ITU-T серии «E» (в частности, E.490 — E.505) были тщательно проработаны предложения по измерению трафика для решения задач по планированию ТфОП, ее эксплуатации и развитию. К сожалению, для мультисервисных сетей, основанных на пакетных технологиях, столь же подробные и научно обоснованные рекомендации отсутствуют. Существует несколько причин объективного и субъективного характера, приведших к сложившейся ситуации, но их анализ — предмет отдельного обсуждения.
Многие современные узлы коммутации и средства обработки информации располагают программными продуктами, позволяющими тщательно отслеживать процессы изменения мультисервисного трафика. В противном случае подобные программные продукты могут быть установлены в узлах коммутации и в средствах обработки информации. Иными словами, принципиальные ограничения на реализацию мониторинга трафика отсутствуют. Таким образом, пассивные методы измерения трафика могут быть использованы в необходимом объеме.
Активные методы измерения трафика позволяют выявить «узкие места» в составе инфокоммуникационной системы. В частности, применение модели Тьюки-Хьюбера позволяет, в определенном смысле этого выражения, «провоцировать» события, способствующие выявлению потенциальных проблем, которые обусловлены резким ростом трафика. Особая значимость подобных искусственных приемов связана с исследованием функционирования сети связи общего пользования в чрезвычайных ситуациях.
Четвертая задача
Результаты контроля характеристик качества обслуживания становятся полезными только после корректной обработки полученной информации. Разработка методов обработки этой информации — суть четвертой задачи. Появление в составе ТфОП автоматических телефонных станций стимулировало разработку методов измерения трафика и анализа полученных результатов. Эта тематика стала важным направлением в работе научных коллективов по теории телетрафика в организациях Академии наук (ИППИ), в научно-исследовательских институтах (ЦНИИС, ЛОНИИС, КОНИИС), а также в вузах связи (МЭИС, ЛЭИС, НЭИС, КЭИС, ОЭИС, ТЭИС).
В результате совместных усилий были созданы добротные рекомендации по организации сбора и обработки статистических данных о трафике, что позволило решить ряд важных задач развития ТфОП. К сожалению, в эпоху становления мультисервисных сетей необходимые исследования проводятся инициативными малочисленными группами специалистов, а их работы, как правило, не финансируются. Результаты сложившейся ситуации пока проявляются как рост жалоб пользователей на качество связи, но это только верхушка того айсберга, который может нанести заметный урон всей отрасли «Связь».
Изменения мультисервисного трафика формализуются сложными стохастическими процессами. Следовательно, для разработки методов обработки результатов измерения должен использоваться новый (по сравнению с применяемым для ТфОП) математический аппарат. Полученные результаты необходимо довести до инженерных методик, позволяющих эксплуатационному персоналу оперативно принимать решения, близкие к оптимальным. По всей видимости, заметная роль в решении подобных задач отводится когнитивным технологиям.
Пятая задача
Пятая задача заключается в корректном использовании доступной информации. Сферы применения результатов, полученных в процессе контроля исследуемых показателей, весьма разнообразны. Они могут быть представлены такими примерами:
- выявление «узкого места» в конкретном фрагменте телекоммуникационной сети по жалобам пользователей;
- прогнозирование трафика на перспективу для решения задач по модернизации эксплуатируемых технических средств.
В первом случае полученные сведения зачастую позволяют выявить создавшуюся проблему. Во втором случае доступные данные могут служить лишь частью информационной базы для дальнейших исследований. Тем не менее, следует тщательно изучить возможность и целесообразность разработки общих принципов применения результатов, полученных в процессе решения предыдущей (четвертой) задачи. Данное предложение обосновывается тем обстоятельством, что аппаратно-программные средства, выполняющие обработку полученной информации, уместно создавать как единый комплекс. Более того, подобные средства, работающие в сетях разных Операторов связи, желательно интегрировать в единую информационную систему, что позволит принимать эффективные решения, опираясь на имеющийся опыт. Конечно, принципы построения предлагаемой системы требуют дополнительного исследования.
Телекоммуникационные сети, как уже было отмечено выше, относятся к сложным системам. Одна из особенностей сложной системы заключается в том, что неполная информация о ее состоянии может порождать ошибочные решения по устранению выявленных недостатков. Мультисервисному трафику присуща стохастическая природа. Это означает, что информация о состоянии телекоммуникационной сети должна собираться и обрабатываться с учетом закономерностей, характерных для случайных величин. Иначе могут быть сделаны ошибочные выводы.
Заключение. Сформулированные задачи представляются авторам весьма актуальными, но их перечень может быть расширен. Решение перечисленных и дополнительных задач будет хорошим фундаментом для эффективной работы всех участников рынка телекоммуникационных и инфокоммуникационных услуг. Размещение на сайте Международного союза электросвязи в открытом доступе (http://www.itu.int/ru/ITU-T/publications/Pages/recs.aspx) текстов рекомендаций упрощает поиск необходимой информации. Существенно хуже обстоит дело с формированием (реанимацией) научных коллективов, способных проводить исследования на должном уровне. Если такие коллективы буду воссозданы, их работа начнет финансироваться, а полученные результаты станут востребованными Операторами связи, Поставщиками услуг и Производителями оборудования, то появится реальная возможность обеспечить заданные показатели, определяющие качество функционирования телекоммуникационных сетей.
ЛИТЕРАТУРА
- ITU-T. Recommendation E.800 «Definitions of terms related to quality of service». — Geneva, 2008.
- ITU-T. Recommendation P.10 «Vocabulary for performance and quality of service». — Geneva, 2006.
- ITU-T. Recommendation G.107 «The E-model, a computational model for use in transmission planning». — Geneva, 2014.
- Новосельцев В.И., Тарасов Б.В. Теоретические основы системного анализа. — М.: Майор, 2013.
- Sokolov A., Sokolov N. Rational solutions for development of telecommunications networks // T-Comm «Телекоммуникации и транспорт». — 2014. — № 6.
- Математическая энциклопедия. Под ред. И. М. Виноградова. — М.: Советская энциклопедия, 1977 — 1985.
- Булгак В.Б., Варакин Л.Е., Ивашкевич Ю.К. и др. Концепция развития связи Российской Федерации. — М.: Радио и связь, 1995.
- Федюкин В.К. Управление качеством процессов. — СПб.: Питер, 2004.
- Ларичев О.И. Теория и методы принятия решений. — М.: Логос, 2002.
- ITU-T. Recommendation G.114 «One-way transmission time». — Geneva, 2003.
- ITU-T. Recommendation E.802 «Framework and methodologies for the determination and application of QoS parameters». — Geneva, 2007.
- ITU-T. Recommendation Y.1560 «Parameters for TCP connection performance in the presence of middleboxes». — Geneva, 2003.
- ITU-T. Recommendation E.651 «Reference connections for traffic engineering of IP access networks». — Geneva, 2000.
- ITU-T. Recommendation E.721 «Network grade of service parameters and target values for circuit-switched services in the evolving ISDN». — Geneva, 1999.
- ITU-T. Recommendation Y.1521 «Framework for achieving end-to-end IP performance objectives». — Geneva, 2010.
- ITU-T. Recommendation Y.1541 «Network performance objectives for IP-based services». — Geneva, 2011.
- Вентцель Е.С. Теория вероятностей. — М.: Издательский центр «Академия», 2005.
- ITU-T. Recommendation Y.1542 «Framework for achieving end-to-end IP performance objectives». — Geneva, 2010.
- Мохаммед А. Распределение доходов операторов мультисервисных услуг: учет QoS. — Первая миля. — 2015. — № 1.
- Фаерберг О.И., Шварцман В.О. Качество услуг связи. — М.: ИРИАС, 2005.
- Passive and Active Network Measurement: Proceedings of 8th International Conference. — Belgium, Springer, 2007.
- Маршак М.А., Соколов Н.А. Об одной актуальной задаче обеспечения QoS трафика в NGN // Вестник связи. — 2010. — № 1.
- Леваков А.К. Особенности функционирования сети следующего поколения в чрезвычайных ситуациях. — М.: ИРИАС, 2012.
- Комашинский В.И., Соколов Н.А. Когнитивные системы и телекоммуникационные сети // Вестник связи. — 2011. — № 10.