IP网络QoS技术研究

IP网络QoS技术研究QoS综述影响QoS的因素QoS的关键指标IP网中主要的QoS机制IPQoS实现模型及技术目录•随着IP网络的不断扩大和网络承载业务的不断增加，用户对网络服务质量的要求也在不断的提高。然而传统的IP网络只提供“尽力而为”的数据传输能力，并不能保证服务质量，虽然充分增加网络的带宽是解决IPQoS(IPQuality-of-Service)问题最直接、最有效的方法，但新业务的不断增长决定了IP网络带宽的增加也无法完全满足业务发展的需求。•因此QoS质量保证已成为网络设备必须具备的特性，但如何根据不同的用户类别和业务类别来提供相应的带宽、时延、抖动和丢包率等参数，并且在全网端到端的业务传输中如何保证端到端的网络QoS服务质量成为了研究的关键。QoS综述•QoS是一些服务于网络质量技术的总和，可以通过这些技术优化网络资源的利用，转发设备上对流量进行转发的接口的容量，是一种基本的网络资源。•QoS机制通过在流量之间分配这种资源来提供不同的服务质量，由于网络层次之间、对等层次之间都存在服务和被服务关系。因此，QoS不只局限于网络层和应用层，它存在于网络的各个协议层次之间。它的目的就是向用户提供端到端的服务质量保证。QoS综述影响QoS的因素第一是网络带宽，即每秒网络所能传输的数据量。带宽对网络服务质量的影响是显而易见的，带宽越宽，就能允许更多的数据传输，从而会提供更好的音视频QoS。虽然目前的互联网的带宽，但与此同时，这些宽带的质量却是参差不齐，很多时候用户使用的带宽即便较宽，但由于技术的不完善或其他原因还经常会出现较高的网络丢包率和较大的网络抖动等情况，这些都会对QoS产生严重的影响。第二是网络提供的数据传输能力，传统的IP网络只提供“尽力而为”的数据传输能力。随着网络上主机数量的不断增加，网络服务的需求将超过网络提供的能力，从而造成传输时延变化(抖动)、传输时延过大甚至引起分组丢失也就是说出现了大塞车(网络拥塞)。网络拥塞对一些Internet应用，如电子邮件、文件传输和Web应用一般不会造成太大影响，但对传输时延要求比较苛刻的实时应用，如音视频传输来说却是不能容忍的。无线网络方面移动通信系统的共同点是误码率高，这对音视频传输会造成很大的影响，必须要求视频编解码和传输系统能够克服信道的高误码比、包丢失以提供音频QoS保证。影响QoS的因素第三是网络排队。网络中存在很多的节点，如路由器、网关等。这些节点采用排队机制决定数据发放的顺序。如果在瞬间某节点数据排队较长，该节点就会采取丢弃数据包的方式保证节点的正常工作。即使没有被丢弃，经过较长的排队之后，这些数据包往往要花很长的时间才能到达目的地，由此就产生了网络的时延以及时延抖动。丢包、时延、时延抖动都会对QoS产生很大的影响。影响QoS的因素第四是网络传输协议的选择。传输层对端到端的QoS有直接影响。当前互联网传输层的网络传输协议主要是传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)。因为本身的特性，TCP不适合使用在实时业务中。因此，实时业务的开发者都使用UDP在互联网上传输数据包。但由于UDP没有任何拥塞避免控制算法，因而会对网络造成大危害。这样，UDP的广泛使用就会如同互联网上的一匹脱缰野马，很容易导致网络过载和高丢包率还会大量侵占带宽，从而大大地影响传输质量。影响QoS的因素•可用性•是当用户需要时网络即能工作的时间百分比。可用性主要是设备可靠性和网络存活性相结合的结果。对它起作用的还有一些其他因素，包括软件稳定性以及网络演进或升级时不中断服务的能力。•吞吐量•是在一定时间段内对网上流量(或带宽)的度量。对IP网而言可以从帧中继网借用一些概念。根据应用和服务类型，服务水平协议(SLA)可以规定承诺信息速率(CIR)、突发信息速率(BIR)和最大突发信号长度。承诺信息速率是应该予以严格保证的，对突发信息速率可以有所限定，以在容纳预定长度突发信号的同时容纳从话音到视像以及一般数据的各种服务。QoS的关键指标•时延•指一项服务从网络入口到出口的平均经过时间。许多服务，特别是话音和视像等实时服务都是高度不能容忍时延的。当时延超过200-250毫秒时，交互式会话是非常麻烦的。为了提供高质量话音和会议电视，网络设备必须能保证低的时延。•时延变化•是指同一业务流中不同分组所呈现的时延不同。高频率的时延变化称作抖动，而低频率的时延变化称作漂移。抖动主要是由于业务流中相继分组的排队等候时问不同引起的，利用缓存可以克服过量的抖动，但这将增加时延，造成其他问题。漂移是任何同步传输系统都有的一个问题。在SDH系统中是通过严格的全网分级定时来克服漂移的。QoS的关键指标IP网中主要的QoS机制•接纳控制•根据请求资源用户的流量约定，QoS要求及网络当前的负载情况，决定是否接纳该用户。如果现有资源可以接纳该用户，就进行相应的资源预留；否则，可以和用户协商降低其QoS要求。接纳控制在QoS的实现中非常重要，它决定了网络资源的利用率和用户的QoS是否能够得到保证。•分类•对分组进行分类的目的就是要按类别提供不同的QoS。分组的分类可通过IP分组头中的字段和高层协议头中的字段来实现。高效、一致的分组分类器是当前—个热门的研究课题。队列调度IP网络节点在分组的处理和转发过程中，须为不同业务的分组提供不同的服务。队列调度的目的是在各类业务之间按照一定的策略分配资源。传统路由器使用单一队列的FIFO调度算法，无法保证实时业务的转发时延。基于多队列的加权公平排队算法能够较好地解决这一问题，可为最高优先级数据提供最小时延的服务，同时使其他优先级较低的数据共享剩余带宽。IP网中主要的QoS机制QoS策略QoS策略是一组网络为特定业务类别提供特定QoS服务而进行配置和信令支持的行为。策略是一条或多条规则，用来描述当满足一定条件时应该如何行动，策略框架按照功能可以分为策略执行点和策略决策点两个部分。PDP根据从策略信息库中取出的策略来决策，而PEP则是执行决策。它们之间的策略信息交换由公共开放策略服务协议来实现。IP网中主要的QoS机制IPQoS实现模型及技术综合服务模型IntServ模型采用资源预留协议信令，建立—条从源端到目的端的数据传输通道，并在该通道的各个节点上进行资源预留，以满足沿该通道传输的业务流的QoS要求，从而实现端到端的QoS服务。IntServ模型规定了三种不同等级的服务类别：保证服务、可控负载服务、“尽力而为”服务。为了实现IntServ，网络中的每个路由器皆需要包含信令协议、接纳控制模块、分类模块和分组调度模块四个组成部分。需要保证服务或可控负载服务的业务流在发送数据前必须在沿途路由器上通过RSVP信令协议预留资源。区分服务模型为了解决IntServ的缺点，IETF提出了DiffSer模型，旨在定义一种可实施IPQoS且更容易扩展的方式。在DiffServ中引入了域(DS域)的概念。一个DS域在一个管理实体的控制下实现同样的区分服务策略。位于DiffServ域内部的路由器称为内部路由器，位于DiffServ域边界的称为边界路由器。内部路由器只负责数据包的转发而不保存状态信息；边界路由器中的功能较多，如下图所示。IPQoS实现模型及技术多协议标记交换多协议标记交换(MPLS)将第二层的快速转发引入第三层，引入了基于标记的机制，把路由选择和数据转发分开，由标记来规定一个分组通过网络的路径。MPLS网络由核心部分的标记交换路由器(LSR)、边缘部分的标记边缘路由器(LER)组成。LSR的作用可以看作是ATM交换机与传统路由器的集合，由控制单元和交换单元组成。LER的作用是分析IP包头，用于决定相应的传送级别和标记交换路径(LSP)。多协议标记交换技术为IP网络引入了一个定长(8个字节)标记，如下图所示。IPQoS实现模型及技术MPLS的基本工作过程如下：(1)MPLS域中的各LSR使用专门的标记分配协议LDP，和传统路由协议(OSPF等)一起在LSR中建立路由表和标记映射表。(2)当一个分组进入MPLS域时，LER接收IP包，完成第三层功能，并给IP包加上标记，按照转发表将分组转发给下一个LSR。(3)以后所有的LSR都按照标记进行转发。每经过一个LSR，要换一个新的标记。(4)当分组离开MPLS域时，出口处的LER就将分组的标记去除，再以后就按照一般分组的转发方式进行转发。IPQoS实现模型及技术流量工程流量工程是一种间接实现QoS的技术，是指根据各种数据业务流量的特性选取传输路径的处理过程，其目的在于有效地引导业务流通过网络，以消除由于业务量分布不均造成的网络拥塞。它能将业务量映射到实际物理通路上，同时又可以自动优化网络资源以满足承诺的QoS请求并提高链路利用率。通过对资源的合理配置和对路由过程的有效控制，使网络资源能够得到最优的利用，使路由在网络的运行中能够自动绕开网络故障、网络拥塞与网络瓶颈。在避免拥塞和提供良好的性能方面，流量工程其实是对DiffServ的补充。IPQoS实现模型及技术约束路由约束路由用来计算受到多种约束时的路由，它从QoS路由发展而来，只是对QoS路由的限制参数进行了一定的扩充。约束路由扩展了QoS路由，考虑了管制等其他约束。约束路由的目标是：选择能够满足特定QoS需求的路由以提高网络的利用率。当决定—个路由时，约束路由不仅涉及网络的拓扑结构，而且还包括业务流提出的需求、链路资源可用性以及网络管理员规定的—些可能的管制。约束路由可能会找到—条较长且负载较轻的路径，这条路径优于负载重的最短路径，使网络流量更为均匀。约束路由的有效实现需要各个路由器之间相互配合。IPQoS实现模型及技术