服务质量控制QoS

11第六章：服务质量控制1课程目标(1)分析当今网络需求及何时需要服务质量（QOS）；(2)理解QOS的概念(3)描述QOS体系结构，两种QoS解决方案（集成服务和区分服务）(4)理解QOS的原理组成部分：分类、标记、流量调节、拥塞管理和拥塞避免(5)掌握网络设备上常用的QOS限速、排队技术(6)了解分组调度算法(7)了解动态分组状态（了解核心无状态网络体系结构SCORE）(8)实施QOS的配置操作，能在VOIP中应用QOS(9)在专线（PPP）上实施VOIPQOS示例2本章内容一、网络中常见的问题二、QOS基本概念三、集成服务与区分服务四、分组调度算法五、动态分组状态六、MPLS多协议标签交换七、QOS的应用设计八、结论和进一步的研究工作34Internet网络QoS的业务需求传统的Internet网络主要承载数据业务，采用尽力传送（BestEffort）的方式，服务质量显得无关紧要当前的Internet网络近年来，随着IP技术的飞速发展，以及各种新业务的出现，Internet网络由一个单纯的数据传输网络转变为具有商业价值的多业务承载网，向数据、语音、图像和视频等多媒体信息的综合传输网演化。Internet网络必须为其所承载的每一类业务提供相应的服务质量（QualityofService,QoS）56网络带宽（Bandwidth）RTAPC1RTBRTCPC22M数据流BWmax=min(100M,2M,10M,1000M)=2M10M1000M100M网络带宽用于衡量网络的吞吐能力，单位为bps。网络带宽的最大值为数据转发路径上最小链路的带宽值。如果网络上存在多个数据流，它们将互相竞争带宽。网络带宽取决于物理链路的速率，通过QoS技术可以提高网络带宽的利用效率。7带宽限制…IP我要2M10M8网络延迟（Delay）RTAPC1RTBRTCPC2Delay=(T1+P1+S1)+(T2+P2+S2)+(T3+P3+S3)传输延迟T1调度延迟P1串行延迟S1传输延迟T2调度延迟P2串行延迟S2传输延迟T3调度延迟P3串行延迟S3数据流网络延迟用于衡量网络传输时间长短，单位为ms。单个网络设备的延迟包括传输延迟、调度延迟、串行延迟。网络延迟为数据转发路径上所有网络设备延迟的总和。实时应用比较关注延迟大小，如语音、视频等应用。910延时…InternetAA发送的第一个bit接收的最后一个bit处理延时处理延时网络传输延时端到端的延时时间t11抖动（Jitter）RTAPC1RTBRTCPC2Jitter=abs(T1-T2)数据包一数据包二时延T1时延T21212抖动用于衡量网络时延的稳定性，单位为ms。同一个数据流的不同数据包，在网络中经历的延迟可能不同，从而产生抖动。抖动对实时应用的影响较大（如语音、视频等应用），会造成失真。12抖动…Internet132发送接收321D3D2D1D3=D2=D113网络丢包（PacketLoss）网络丢包用于衡量网络的可靠性，单位为pps或者百分比。网络发生拥塞的情况下，由于所有队列被占满，必然导致部分数据包被丢弃。通过拥塞管理技术可以实现区分式服务，保证关键数据流优先转发。通过早期丢弃技术可以平滑网络流量，防止网络流量的全局同步问题。100M10M4FIFOQueue1234DropQueueLength=314丢包…我啊三张是……本地这么说…...我啊三是……对方听到的是…...？Internet为什么这些参数无法得到满足呢？资源相对不足，拥塞传统网络所面临的服务质量问题，主要是由网络拥塞引起的。所谓拥塞，是指由于供给资源的相对不足而造成服务速率下降（引入了额外的延迟）的一种现象。传统QoS也就是如何事先避免拥塞（拥塞避免流量监管），在拥塞发生时如何减少损失（拥塞管理）15各种应用的QoS需求1617本章内容一、网络中常见的问题二、QOS基本概念三、集成服务与区分服务四、分组调度算法五、动态分组状态六、MPLS多协议标签交换七、QOS的应用设计八、结论和进一步的研究工作18IPQoS的定义IPQoS的定义：是指IP网络的一种能力，即在跨越多种底层网络技术（MP、FR、ATM、Ethernet、SDH、MPLS等）的IP网络上,满足其在丢包率、延迟、抖动和带宽等方面的要求，为特定的业务提供其所需要的服务。更简单地说：QoS:针对各种不同需求，提供不同服务质量的网络服务。IPQoS的目标避免并管理IP网络拥塞减少IP报文的丢失率调控IP网络的流量为特定用户或特定业务提供专用带宽支撑IP网络上的实时业务IPQoS的内涵带宽/吞吐量:网络的两个节点之间特定应用业务流的平均速率时延:数据包在网络的两个节点之间传送的平均往返时间抖动:时延的变化丢包率:在网络传输过程中丢失报文的百分比，用来衡量网络正确转发用户数据的能力可用性:网络可以为用户提供服务的时间的百分比19InternetQoS的定义QoS的定义最初由CCITT(ITU-T)(国际电信联盟远程通信标准化组)E.800给出，它将QoS定义为一个衡量用户对服务满意程度的性能综合指标。也就是说，QoS的最终目标就是保证终端用户能得到某种特定应用或服务的最佳体验效果。从网络的角度而言，可以将QoS看做一种进行业务差异性管理的机制；从用户的角度而言，可以将QoS看做是一种衡量网络为用户和应用提供相应服务能力的标准。和提供尽力而为服务的网络相比，支持QoS的网络可以更好地提供服务保证。服务保证的具体形式由网络服务提供者（ISP）和客户之间的服务级别协商（ServiceLevelAgreement,SLA）机制决定。在互联网上为用户提供QoS保证需要解决QoS分类、流量控制和监管、资源预约及资源调度和管理等问题。端到端QoS需要三个部分来完成端到端的QoS：·网络元件（交换机、路由器）·信令技术（协调端到端之间的网络元件为报文提供QoS）·传送管理（QoS控制和管理端到端之间的报文在一个网络上的发送）每个网络元件提供如下功能：·报文分类（对不同类别的报文提供不同类别的处理）·队列管理和调度（来满足不同应用要求的不同服务质量）·流量监管和整形（限制和调整报文输出的速度）2021QoS控制机制目前已经提出了许多QoS控制机制：ISO/OSI提出的基于开放式分布处理（OpenDistributedProcessing,ODP）的QoS控制，IETF提出的集成服务（IntServ）和区分服务（DiffServ）体系结构，分组调度和队列管理算法，核心无状态体系结构SCORE(StatelessCORE)多协议标签（Multi-ProtocolLabelSwitching,MPLS）技术流量工程（TrafficEngineering）QoS路由（QoS-basedRouting）网络微积分（NetworkCalculus）等面向服务质量控制的基础理论也得到了长足的发。QoS两大模型QoS的实现模型主要有IntServ（IntegratedService，集成服务）和DiffServ（DifferentiatedService，区分服务）。尽力而为服务（Best-EffortService）IntServ模型是端到端的基于流的QoS技术，它通过信令向网络申请特定的QoS服务，网络在流量参数描述的范围内，预留资源以承诺满足该请求。DiffServ模型是一种基于类的QoS技术，它在网络边界将数据流按QoS要求进行简单分类，并根据业务的不同服务等级约定，有差别地进行流量控制和转发来解决拥塞问题。22尽力而为服务（Best-Effort）·最简单，路由器的默认行为·尽最大的可能性发送报文·对时延可靠性等性能不提供保证·它通过先入先出（FIFO）队列来实现。·不存在优先处理的概念2324QoS的基本框架1.流量分类与标记2.流量监管与整形3.队列调度（拥塞管理及拥塞避免）为了保证端到端应用的服务质量（最小时延、最大带宽等），QoS首先需要进行流分类，即采用一定规则识别和区分不同特征的报文，然后根据网络的状况对流量进行不同的处理，具体的处理形式包括流量监管、流量整形、拥塞管理及拥塞避免等。采用令牌桶技术和WFQ（加权队列公平）技术就可以保证最基本的端到端最小时延要求，当分组到达时，在入口经过令牌捅缓冲，保证其流量到达符合约定的规范，然后通过出口的WFQ调度算法进行发送，保证端到端的带宽和时延，实现端到端的QoS保证。251.流量分类与标记QoS的基本框架网络无论采用哪种技术手段实现QoS,都需要路由器能够根据事先规定的规则对报文头的某些字段进行分类识别，判断其对应的流量规范，然后设置不同优先级以便实现不同的转发处理，这就是流分类和标记。流分类和标记是实现QoS服务的前提条件和基础，其目的是将报文映射到不同的服务类，属于同一类别、同一优先级的报文应该匹配事先规定的规则并以相同的方式进行标记和处理。这些事先规定的规则就称为过滤规则，所有规则的集合则称为分类器，其中每个规则对应一个流类型/服务类，每个服务类则对应一种特定的处理行为或方式，当一个报文成功匹配一个规则时，就按照对应的行为对报文进行操作和处理。规则匹配的方式有3种：精确匹配、前缀匹配和范围匹配流量分类问题的核心是查找算法，它需要满足速度快、消耗资源小、易于更新等需求。26QoS的基本框架2.流量监管与整形如果不限制用户发送的流量，网络中可能出现大量的突发报文导致拥塞和数据丢失，实施QoS策略可以改善这一情况：定义：QoS的流量监管（CommitAccessRate,CAR）与流量整形（GenericTrafficShaping,GTS）：QoS策略可以检测或主动限制进入某一网络的某一连接的流量，当某个连接的流量过大以至超过约定带宽时，就可以根据报文的类别采取不同的方式进行处理，如丢弃或进行缓存等。衡量流量是否超过约定带宽、进行QoS的流量监管与整形需要使用令牌桶算法或漏桶算法。27QoS的基本框架2.流量监管与整形令牌桶算法令牌桶算法是QoS进行流量监管和流量整形的基本算法，它用于控制网络中的某类流量或实现突发报文的发送。IETF定义了两种令牌桶算法来对流量进行检测，即单速率三色标记算法（srTCM）和双速率三色标记算法（trTCM）。令牌桶算法有两种工作模式：色盲模式（Color-Blind）和感色模式（Color-Aware）28令牌桶算法需要依据一些参数来实现分组的转发，这些参数包括：1）CIR(CommittedInformationRate):承诺信息速率，即令牌发放的速率，表示为每秒的IP分组字节数。2）CBS(CommittedBurstSize):承诺突发尺寸，即允许突发的最大流量尺寸，它等于令牌桶的容量。3）EBS(ExcessBurstSize):超额突发尺寸，EBS或CBS应大于等于最大分组长度，且EBS应大于CBS。4）PIR(PeakInformationRate):峰值信息速率，仅用于trTCM算法中。5）PBS(PeakBurstSize):峰值突发尺寸，仅用于trTCM算法中。QoS的基本框架2.流量监管与整形令牌桶算法29QoS的基本框架2.流量监管与整形漏桶算法漏桶算法也是用于流量整形的一种常用算法，它的主要目的是控制数据注入到网络的速率。漏桶算法将用户进程中不均匀的分组数据流调整为均匀的数据流发送到网络中。漏桶算法与令牌桶算法都能限制数据的平均传输速率，不同的是漏桶算法的主要目的在于平滑突发流量，它对于存在突发特性的流量来说缺乏效率。令牌桶算法则不同，它在限制数据的平均传输速率的同时还允许一定程度的流量突发，能够满足具有突发特性的流量。流量监管30QoS的基本框架2.流量监管与整形流量整形流量整形与流量监管的使用方式和目的不同。首先，流量监管可用于分组的入口和出口