สาระน่ารู้ประจำสัปดาห์ "QoS การจัดการคุณภาพบริการในอินเทอร์เน็ต"

การออกแบบอินเทอร์เน็ตในยุคแรกเน้นการรับส่งข้อมูลระหว่างกันเป็นหลัก โดยไม่คำนึงถึงคุณภาพการให้บริการบางประการ โดยเฉพาะการกำหนดให้ไอพีแพ็กเก็ตมีลักษณะเป็นดาต้าแกรม คือ การจ่าหน้า แอดเดรสปลายทางให้กับแพ็กเก็ต แล้วส่งไปโดยไม่คำนึงว่าจะถึงปลายทางเมื่อไร การให้บริการในลักษณะนี้จึงเหมาะสมกับการบริการบางประเภท เช่น อีเมล์ ซึ่งจะถึงล่าช้าไปบ้างไม่เป็นไร แต่ในปัจจุบันการให้บริการบนอินเทอร์เน็ตมีหลายอย่างที่ต้องการคุณภาพ เช่น การส่งข้อมูลเสียง การใช้งานแบบ Voice over IP การใช้เป็น IP-TV การใช้งานเป็น IP-Phone การใช้งานมัลติมีเดียต่าง ๆ เช่น ระบบวิดีโอคอนเฟอเรนซ์ เป็นต้น งานเหล่านี้ต้องได้คุณภาพจึงจะใช้งานได้ตามวัตถุประสงค์

การกำหนดคำว่า QoS - Quality of Service จึงเป็นคำที่มีการกล่าวถึงกันมากในยุคนี้ เป็นมาตราที่ใช้ในการวัดการรับส่งข้อมูล การยอมรับในเรื่องคุณภาพ ซึ่งเป็นระดับที่บางครั้งก็ยากแก่การกำหนดว่า มาตรฐานคุณภาพบนอินเทอร์เน็ตเป็นอย่างไร แต่หากพิจารณา QoS ในเชิงเทคนิค พอจะนิยามได้ด้วยพารามิเตอร์หลาย ๆ ตัวดังนี้

การมีให้ใช้งานได้ (Availability) ในทางอุดมคติต้องได้ 100 เปอร์เซ็นต์ของเวลาการใช้งาน หรือกล่าวได้ว่า เวลาของดาวน์ไทม์ (Downtime) มีค่าเป็นศูนย์ แต่แน่นอนที่สุดว่า ไม่มีเครือข่ายใดจะให้บริการได้ 100 เปอร์เซ็นต์ หากกำหนดค่าควรมีให้ใช้งานได้เป็น 99.9999 เปอร์เซ็นต์ ก็แปลความได้ว่า ในหนึ่งเดือนจะต้องมีเวลาดาวน์ไทม์ หรือเครือข่ายขัดข้องได้ไม่เกิน 2.6 วินาที

ช่องสัญญาณที่ส่งได้ (Throughput) ค่านี้มีความหมายถึง การรับส่งข้อมูลจากปลายหนึ่งไปยังอีกปลายหนึ่งได้ด้วยอัตราเท่าไรในจำนวนบิตต่อวินาที ค่านี้มิได้หมายถึงค่าสูงสุดของช่องสัญญาณที่จะรับส่งได้ ทั้งนี้เพราะช่องสัญญาณที่ใช้รับส่งได้ มีแพ็กเก็ตและข้อมูลของผู้อื่นร่วมอยู่ด้วย ช่องสัญญาณของผู้ส่งต่อกับผู้รับ มีลักษณะการส่งรวมกับผู้อื่น ค่า Throughput นี้ อาจใช้ค่าที่ ISP รับประกันช่องสัญญาณน้อยที่สุดที่จะต้องส่งได้ หรือที่เรียกว่า minimum throughput guarantee เช่น เราเช่าสายวงจรเช่าขนาด 64 กิโลบิตต่อวินาที แต่มีการรับประกันว่าเราจะใช้ได้ไม่ต่ำกว่า 32 กิโลบิตต่อวินาที ค่า 32 จึงเป็นค่า Throughput แต่เมื่อใช้กับงานบริการเฉพาะบางอย่าง จำเป็นต้องมีการประกันช่องสัญญาณ เช่น การส่งสัญญาณเสียง สัญญาณวิดีโอ เป็นต้น

การหายของแพ็กเก็ต (Packet loss) เมื่อพิจารณาที่สวิตช์หรือเราเตอร์ที่ต้องรับแพ็กเก็ตไว้เป็นจำนวนมาก แต่ไม่สามารถให้บริการได้ทัน จำเป็นต้องนำแพ็กเก็ตบางส่วนทิ้งไป แพ็กเก็ตที่หายไปโดยไม่สามารถส่งจากผู้ส่งไปยังผู้รับได้เรียกว่า ค่าการหายของแพ็กเก็ต เมื่อแพ็กเก็ตหายไปก็ต้องส่งใหม่ ซึ่งจะทำให้ปริมาณของข้อมูลยิ่งเพิ่มมากขึ้น การเพิ่มมากขึ้นก็มีโอกาสที่จะสูญหายมากขึ้นด้วยเช่นกัน

เวลาลาเทนซี่ (Latency) ค่าเวลาลาเทนซี่เป็นค่าเวลาที่เกิดจากการเดินทางของแพ็กเก็ตข้อมูลจากต้นทางไปยังปลายทาง เช่น ข้อมูลอินเทอร์เน็ตเดินทางจากต้นทางไปยังสถานีเซิร์ฟเวอร์ที่อยู่ห่างออกไป 5,000 กิโลเมตร ต้องใช้เวลาไม่น้อยกว่า 150 มิลลิวินาที ค่า 150 มิลลิวินาทีที่วัดได้เป็นค่าลาเทนซี่ ค่าลาเทนซี่จะขึ้นกับวิธีการและเทคโนโลยี รวมถึงสูญเสียเวลาจากการหน่วงในอุปกรณ์เราเตอร์และสวิตชิ่งด้วย เช่น สัญญาณเดินทางผ่านดาวเทียม ซึ่งต้องเสียเวลาเพิ่มขึ้น เพราะดาวเทียมอยู่ห่างไกลต้องเสียเวลา

เวลาจิตเตอร์ (Jitter) อาจกล่าวได้ง่าย ๆ ว่าเป็นค่าการปรวนแปรของค่าเวลาลาเทนซี่ กล่าวคือ แพ็กเก็ตที่เคลื่อนที่จากต้นทางไปยังปลายทางหลาย ๆ แพ็กเก็ต ปรากฏว่าการไปถึงปลายทางใช้ระยะเวลาต่างกันทำให้ข้อมูลบางส่วนที่ไปก่อนอาจถึงทีหลัง หรือมีเวลาเหลื่อมกัน ทำให้การตรวจสอบลำดับของแพ็กเก็ตในผู้รับต้องกระทำด้วย

ข้อมูลที่ใช้ในการรับส่งบนเครือข่ายอินเทอร์เน็ตจึงมีลักษณะที่ต้องการในคุณสมบัติที่แตกต่างกัน ตารางที่ 1 แสดงให้เห็นถึงการประยุกต์แบบต่าง ๆ ที่ต้องคำนึงในเรื่อง QoS ด้วยพารามิเตอร์ต่าง ๆ

ตารางที่ 1 ข้อมูลบนอินเทอร์เน็ตมีความไวต่อพารามิเตอร์ต่าง ๆ

ชนิดของข้อมูล ช่องสัญญาณที่ส่งได้ การสูญหายของแพ็กเก็ต ลาเทนซี่
(การหน่วงเวลา) จิตเตอร์

เสียง ต่ำมาก ปานกลาง สูง สูง

พาณิชย์อิเล็กทรอนิกส์ ต่ำ สูง สูง ต่ำ

รายการย่อย (transaction) ต่ำ สูง สูง ต่ำ

อีเมล์ ต่ำ สูง ต่ำ ต่ำ

telnet ต่ำ สูง ปานกลาง ต่ำ

การเรียกจากบราวเซอร์ทั่วไป ต่ำ ปานกลาง ปานกลาง ต่ำ

การเรียกจากบราวเซอร์ในงานสำคัญ ปานกลาง สูง สูง ต่ำ

การโอนย้ายไฟล์ สูง ปานกลาง ต่ำ ต่ำ

วิดีโอคอนเฟอเรนซ์ สูง ปานกลาง สูง สูง

มัลติคาส สูง สูง สูง สูง

ชนิดของข้อมูล	ช่องสัญญาณที่ส่งได้	การสูญหายของแพ็กเก็ต	ลาเทนซี่ (การหน่วงเวลา)	จิตเตอร์
เสียง	ต่ำมาก	ปานกลาง	สูง	สูง
พาณิชย์อิเล็กทรอนิกส์	ต่ำ	สูง	สูง	ต่ำ
รายการย่อย (transaction)	ต่ำ	สูง	สูง	ต่ำ
อีเมล์	ต่ำ	สูง	ต่ำ	ต่ำ
telnet	ต่ำ	สูง	ปานกลาง	ต่ำ
การเรียกจากบราวเซอร์ทั่วไป	ต่ำ	ปานกลาง	ปานกลาง	ต่ำ
การเรียกจากบราวเซอร์ในงานสำคัญ	ปานกลาง	สูง	สูง	ต่ำ
การโอนย้ายไฟล์	สูง	ปานกลาง	ต่ำ	ต่ำ
วิดีโอคอนเฟอเรนซ์	สูง	ปานกลาง	สูง	สูง
มัลติคาส	สูง	สูง	สูง	สูง

จากข้อมูลในตารางที่ 1 พอสรุปได้ว่า ถ้ามีการรับส่งไฟล์ข้อมูลขนาดใหญ่หรือใหญ่มาก เราต้องการช่องสัญญาณที่ส่งได้สูง และงานบางอย่างเราต้องคำนึงถึงปัญหาเรื่องการสูญหายของแพ็กเก็ตด้วย

ปัญหาอยู่ที่การจัดลำดับ

การดำเนินการเกี่ยวกับ QoS ภายในเครือข่ายเป็นเรื่องที่มีการพัฒนาและหาหนทางที่จะให้ได้ผลดีที่สุด ดังนั้นผู้ผลิตเราเตอร์และอุปกรณ์สวิตชิ่ง และนักวิชาการได้ร่วมกันสร้างเป็นคณะกรรมการ เพื่อหามาตรฐานกลางและวิธีการในการจัดการกับ QoS โดยได้รวมกันเป็นกลุ่มที่เรียกว่า IETF - Internet Engineering Task Force คณะกรรมการนี้ได้จัดทำและสร้างข้อเสนอแนะต่าง ๆ เกี่ยวกับการจัดความสำคัญ และดำเนินการเกี่ยวกับระบบการสวิตชิ่งและเราติ้งบนเครือข่าย

รูปแบบของการจัดการ QoS ได้รับการกำหนดเป็นโปรโตคอลพิเศษให้ โปรโตคอลที่ IEIF ได้ประชุมตกลงกันและดำเนินการกำหนดข้อแนะนำตลอดจนมาตรฐานที่ทำให้ใช้ร่วมกันมีโครงสร้างดังรูปที่ 1

การจัดการโปรโตคอล Qos เพื่ออให้บริการบนอินเตอร์เน็ต

รูปที่ 1 การจัดการโปรโตคอล QoS เพื่อให้บริการบนอินเทอร์เน็ต ซึ่งแทรกเข้ามาระหว่างชั้นการประยุกต์การใช้งานบน IP

ความสำคัญของ QoS อยู่ที่การจัดการและการหาประสิทธิภาพโดยรวม เพื่อให้รูปแบบการรับส่งข้อมูลบนเครือข่ายได้ผลสมตามความมุ่งหมาย ประเด็นที่สำคัญจึงอยู่ที่การจัดลำดับหรือการจัดคิว เพื่อให้การทำ QoS ประสบผลสำเร็จได้ต้องพึ่งพากลไกการดำเนินการที่สำคัญคือ การกำหนดชนิดของการไหลของข้อมูลตามลำดับความสำคัญ และให้กลไกของเครือข่ายกระทำตามเงื่อนไขที่กำหนดไว้

ในบางเครือข่าย เช่น ATM มีการดำเนินการด้วยการกำหนดช่องสื่อสารเฉพาะสำหรับการประยุกต์บางอย่าง และสามารถกำหนดโดยการให้ช่องสื่อสารใช้งานได้ไม่น้อยกว่าที่กำหนด การทำในรูปแบบนี้ใช้ได้ แต่มีข้อเสียคือ ใช้ช่องสัญญาณโดยรวมไม่เต็มประสิทธิภาพ

หากพิจารณาที่ระบบ TCP/IP พบว่า การออกแบบอินเทอร์เน็ตแบบ TCP/IP นั้น ไม่มีการจัดการในเรื่องการตรวจสอบการรับค่าในระดับ IP แต่จะให้ตรวจสอบในระดับ TCP แทน ภายใต้ TCP เน้นให้ส่งข้อมูลถึงปลายทางได้ครบถ้วนถูกต้อง ซึ่งหากมีแพ็กเก็ตสูญหายหรือผิดพลาดปลายทางจะขอให้ส่งใหม่ จนกว่าจะได้ข้อมูลครบและถูกต้อง การประยุกต์บางชนิด เช่น ระบบโทรศัพท์ ไม่สามารถใช้วิธีการนี้ได้ บางการประยุกต์ที่เป็นเวลาจริง ต้องการให้ข้อมูลส่งถึงปลายทางอย่างต่อเนื่อง และหากมีแพ็กเก็ตใดสูญหาย อาจยอมให้มีการทิ้งได้โดยไม่ต้องส่งใหม่

เมื่อเป็นเช่นนี้ จึงมีการใช้งานโปรโตคอลในระดับสี่คือ UDP แทน โดยผู้ใช้สามารถกำหนดเงื่อนไขและวิธีการบางอย่างในโปรโตคอล UDP ทำให้การส่งข้อมูล และการได้รับได้ผลตามที่ต้องการได้ดีกว่า TCP

IETF ยังได้วางโครงร่างของการสร้างระบบ QoS ไว้ โดยหาทางที่จะปรับปรุงระบบการรับส่งข้อมูลบนอินเทอร์เน็ต เพื่อให้ได้ QoS ตามวัตถุประสงค์ โดยแบ่งแยกการบริการบนอินเทอร์เน็ตเป็นหลายประเภท และให้อุปกรณ์สวิตช์และเราเตอร์ มัลติเพลกซ์เซอร์ ทำงานตามเงื่อนไขต่าง ๆ ที่วางไว้

การแบ่งแยกระบบ QoS ที่ใช้งานจึงแบ่งแยกออกเป็น IntServ : Integrated Service DiftServ : Differentiated Service และ MPLS : Multiprotocol Labbel Switching

Intserv เป็นขบวนการทำงานที่ได้รับการนำมาประยุกต์ใช้ตั้งแต่เริ่มต้น โดยการแบ่งการเชื่อมโยงหรือการไหลเป็นลำดับชั้น และแบ่งแยกตามลำดับการให้บริการ มีการรับประกันช่องสื่อสารเพื่องานบางอย่าง ดังนั้นการรับประกันจึงต้องมีการกำหนดหรือแบ่งแยกช่องสื่อสารออกมา เมื่อมีการจัดลำดับหรือแบ่งแยกชนิดของการประยุกต์ใช้ ทำให้การใช้งานในระบบนี้จำเป็นต้องมีการกันทรัพยากรบางอย่างออกมาโดยมีโปรโตคอล RSVP - Resource Reservation Protocol และหากการกับทรัพยากรทำไม่ได้ก็จะส่งกลับไปให้ต้นทางรับรู้ในสภาพ error ที่เกิดขึ้น การกันทรัพยากรจึงเป็นการแยกทรัพยากรที่จำกัดออกมาอีก ทำให้การใช้งานอินเทอร์เน็ตอาจไม่เต็มประสิทธิภาพ

อีกวิธีหนึ่งที่รู้จักกันดีคือ DiftServ คือ การแบ่งแยกรูปแบบของข้อมูลออกจากันให้..... โดยการเพิ่มแท็ก (tag) ในแต่ละแพ็กเก็ต เพื่อแบ่งแยกระดับการให้บริการ

การใส่ tag ลงไปเป็นวิธีการที่ทำให้เราเตอร์ตรวจสอบและแบ่งแยกการจัดคำหรือการให้บริการ แต่การดำเนินการนี้จะกระทำได้เฉพาะส่วนของเราเตอร์ที่ edge ไม่ใช่ที่ Core โดยเน้นให้เราเตอร์ที่ Core หรือแกนหลักของแบ็กโบนสวิตช์ข้อมูลให้เร็ว โดยสวิตช์หรือเราเตอร์ที่ edge จะเป็นตัวแบ่งแยกข้อมูลตามชนิดของการให้บริการ

MPLS

MPLS - Multiprotocol Label Switching เป็นโปรโตคอลใหม่ที่ IETF ได้กำหนดขึ้นมา โดยปกติ การทำงานของสวิตช์เราเตอร์จะกระทำภายใต้ IP แพ็กเก็ต โดยมีส่วนหัวที่มีแอดเดรสและข้อมูลอยู่ การดำเนินการสวิตช์โดยใช้ข้อมูลส่วนหัวของ IP อาจล่าช้าเกินไป ทำให้ต้องเสียเวลาในการรับส่ง เพื่อให้การทำงานของสวิตช์และเราเตอร์เร็วขึ้น จึงนำเอา IP แพ็กเก็ต ใส่ลาเบล ซึ่งเป็นส่วนที่ปะหัวข้อมูลอีกครั้ง โดยเน้นให้การสวิตช์ข้อมูลไปในเส้นทางที่กำหนดได้เร็วกว่า

รูปที่ 2 การใช้ MPLS ทำให้มีการสวิตช์ที่แบ็กโบนหลักได้เร็ว และแยกกลุ่มเส้นทางตามที่ต้องการ

การดำเนินการในระบบ MPLS เน้นเรื่องประสิทธิภาพของระบบโดยรวม ดังนั้นที่เราเตอร์ที่ขอบติดกับตัวส่งข้อมูลจะทำการใส่ลาเบลส่วนหัวของแพ็กเก็ตข้อมูล โดยการกำหนดชนิดของข้อมูล ทิศทางแอดเดรสปลายทาง และลำดับความสำคัญของข้อมูลเอาไว้ ส่วนของลาเบลที่ปะไว้ในส่วนหัวมีขนาด 32 บิต เรียกว่า MPLS ลาเบล ส่วนของ MPLS นี้ จะมีข้อมูลที่ทำให้อุปกรณ์เราเตอร์ สวิตช์ ตัดสินใจได้ว่า จะสวิตช์ข้อมูลแบบแพ็กเก็ตเดิมหรือแบบ MPLS เมื่อตรวจดูว่าเป็นแบบ MPLS ก็จะส่งต่อไปยังเส้นทางต่อไป โดยข้อมูลจะได้รับการส่งต่อจนถึงปลายทาง

ข้อเด่นของ MPLS คือ เราเตอร์ระหว่างทางไม่จำเป็นต้องนำข้อมูลของแพ็กเก็ต IP เดิม มาวิเคราะห์หรือตรวจสอบ จึงเป็นการประหยัดเวลา และสวิตช์ได้เร็วขึ้น และการตัดสินใจในระดับต่อ ๆ ไป ก็จะดำเนินการได้อย่างต่อเนื่องและเป็นระบบ การจัดการในรูปแบบ MPLS เริ่มได้รับการพัฒนาและให้มีการดำเนินการได้ในระบบสวิตช์ชิ่งและเราเตอร์รุ่นใหม่ ๆ

หนทางของการปรับปรุงระบบ QoS ยังต้องดำเนินการต่อไป โดยเฉพาะความต้องการประยุกต์ด้านต่าง ๆ ลงบนเครือข่ายอินเทอร์เน็ตยังมีอีกมาก

สาระน่ารู้ประจำสัปดาห์, ฉบับที่ 44 : 13-19 พฤศจิกายน 2543