IP网络的服务质量(QoS)

1第14章IP网络的服务质量（QoS）14.1引言随着Internet规模的不断扩大，网上的实时业务量也在不断增长,下一代IP网络上的应用类型将会是各种各样，不同的应用对网络的需求也有所不同，应用层以变化的速率产生业务量，也希望网络以相应的速率传输这些业务量。另外，不同的应用对网络传输的延时和延时抖动的敏感程度也不一样，有的应用能容忍少量的业务量丢失，而有的应用则要求可靠传输。例如实时话音传输有严格的延时需求，但却能容忍少量的分组丢失；而FTP应用却不能容忍分组的丢失，但对延时没有严格的要求。更进一步地说，由于实时业务对网络传输的延时、延时抖动等特性较为敏感，当突发性高的FTP或含有图象文件的HTTP等业务量在网络上传输时，实时业务会受到影响。这些高速率的多媒体实时业务（如动图象传输）既占用网络的大量的带宽资源，又不能容忍网络的延时。因此应在IP网络上导入QoS技术，以确保实时业务的通信质量，使网上资源获得昀佳利用，降低成本，改善对用户的服务。各种应用对QOS的需求可由下列参数描述：z带宽：网络能提供给用户的数据发送速率z延时：两个参照点之间发送和接收分组的时间间隔z延时抖动：分组之间的延时差异z分组丢失率：分组在网络传输过程中丢失的比率如果网络的资源是无限的，那么，所有的应用都可以得到所需的带宽、极少的固定延时、零延时抖动和零丢失率。然而，网络的资源是有限的，不能满足所有的业务对QOS的需求，QOS控制机制就是通过对网络资源的合理分配来尽量满足各种业务对它的需求。昀初，QoS是与ATM技术紧密相连的，随着IP网络上实时业务的增多，人们开始研究IP网络上的QoS技术。早期的许多工作都源于资源预留协议(RSVP，ResourceReservationProtocol)，但是由于RSVP的实现比较复杂，用户在通信前必须通过信令在收发两端沿途各转发节点上进行资源预留，也就是说，沿途各节点上的路由器都要支持RSVP协议。这种实现方法既会加重路由器的处理负担，又会增加网络的数据量，而传统路由器大多用软件完成分组的转发处理，因此没能得到普及。近两年来，随着IP电话、可视电话、远程教学等多媒体实时业务的开发和普及，对IP网上的服务质量的要求更加迫切，并相继提出了各种与QoS有关的技术。IETF还成立了区分服务(Diff-serv,Differentiatedservice)工作组，专门从事区分服务的标准化工作。一些大的通信厂商也联合成立了QoS论坛，协商各种QoS技术标准的实施方案。14.1.1按层次对QoS技术分类广义的讲QoS技术的种类有很多，由于处理的层次及采用的技术的不同，其效果也不一样。如图14-1所示，从物理层到应用层，QoS利用了各式各样的技术，每一层都试图通过对业务流的适当控制来改善或保证通信质量。物理层中按业务量分配固定带宽的TDM（时分复用）技术，虽然能够严格保证QoS，但往往不称其为QoS技术；在ATM网络中，各种业务流可分成四种不同的业务类型，终端在通信前首先要建立连接，网络根据用户所申请的带宽等参数对业务量进行QoS控制，以确保通信质量；链路层及网络层实现QoS是通过对帧或分组进行优先级的处理来保证服务质量的，也就是说，按优先级将各个帧或分组分成多个队列，减少特定业务量的时延并吸收延时抖动；有时还象帧中继中的报片化（fragment）那样，将长数据作截短处理来降低转发处理所带来的延时；传输层以上的QoS控制与网络层以下的技术不同，它与网络设备无关，传输层的TCP流控只在用户终端对发送速率进行适当的控制，以防止网络的拥塞和数据的丢失；在应用层通过各种数据压缩技术减少待传输的数据量，同时采用RTP/RTCP技术可对实时业务进行适当的控制，以保证实时多媒体业务的质量。2CBR：ConstantBitRateVBR：VariableBitRateUBR：UnspecifiedBitRateFRF：FrameRelayForumTOS：TypeOfServiceDiff-serv：DifferentiatedserviceRTP：Real-timeTransportProtocolRTCP：RTPControlProtocolRTSP：RealTimeStreamingProtocol图14-1QoS控制技术在不同层上采用不同的方式14.1.2按分组处理方式对QoS技术分类IETF建议了数种支持QoS的方案，主要有：综合服务(Int-serv)/资源预留协议（RSVP）；区分服务(Diff-serv)；多协议标记交换（MPLS）；业务流量工程（TrafficEngineering）和基于约束的寻路。综合服务模型的主要特征就是资源预留，它使用RSVP作为信令协议来建立通道和进行资源预留。区分服务通过给分组打上不同的标记，把分组分成不同的类别，对不同类别带宽控制设备带宽控制设备L4RSWFRATMTDMRTP+RTCPTCP流控TCP/UDP端口号COS、Diff-servIEEE802.1p标记帧分片（FRF.12）业务类型（CBR、VBR等）带宽分割RRRSVP应用层传输层网络层数据链路层物理层L4RSWFRATMTDMRTSP、数据压缩等第四层交换机路由器LAN交换机帧中继交换机ATM交换机时分复用设备的分组给予不同的服务。MPLS是一种转发方案。分组在进入MPLS域时被赋予一个标签，以后就根据这个标签对分组流进行分类、转发、服务。业务流量工程的目的是让网络上的业务流量更加均衡。基于约束的寻路要解决的是根据某些约束条件，如：带宽和延时要求，寻找一条合适的路径。QoS技术可以分为“保证型”和“尽力型”。保证型的QoS在终端双方通信之前先要预留资源，确保通信过程中的网络带宽。如ATM业务类型、IP网络中的RSVP。一旦资源预留的请求被网络接受，通信中所需的带宽就能保证，与连接相关的应答时间、时延要求也能保证。如果网络不能提供所需的带宽，它就会拒绝资源预留请求。因此，这种技术的线路利用率相对要低一些。在非连接型通信中，常常使用的是一种不能确保带宽的尽力型QoS技术。例如，在IEEE802.1Q/p的标记帧或IP分组头中的TOS域有3比特的优先级（参见图14-2），供LAN交换机或路由器进行优先级控制，由于采用这种方法不能在通信中确保带宽，只是按优先级顺序进行交换或转发，因此也称为“COS（classofservice）”，以区别能保证带宽的狭义QoS技术。这种方法的线路利用率高，但具体的效果难于预测。a)IEEE802.1Q/p对应的MAC帧33比特图14-2带IEEE802.1Q/p标记的MAC帧和IP分组头中的COS域与DS域IP优先级只支持8个不同的等级或类别，这对某些网络来说是不够的。网络上的业务量有的是实时多媒体业务，对延时有很高的要求，但却能容忍少量的分组丢失；有的对延时的要求不高，但却不能容忍分组的丢失，一旦丢失，必须重传，这又加重了网络的负担。因此不是简单地定义成高、中、低等级别就能解决网络的QOS问题。于是IETF又提出了区分服务等服务质量控制机制。字节目的地址源地址TPIDTCI帧长数据6622446~15002IEEE802.1QFCS优先级CFIVIDTCI：标记控制信息TPID：标记协议标识符VID：VLAN标识符CFI：规范格式标识符3bitsb)IP分组头中的优先级比特和DS域448bits版本号头长TOS分组头的其他域等数据优先级其他TOS域区分服务的DS域DSCP（6比特）未用14.1.3网络设备上QOS资源的分配网络设备通过对资源的智能分配来支持QOS。例如，在拥塞情况下，网络设备选择对延时不敏感的业务量进行排队，优先发送那些对延时敏感的业务，结果对延时敏感的业务能立即转发到下一个网络设备。也就是说，接口的转发速率是延时敏感业务的一种主要资源，而设备上的缓存器则是延时不敏感业务的一种主要资源。为了合理分配这些资源，必须能识别不同的业务量，向它们分配某些资源。典型的做法有：采用分组分类技术将接收到的业务量分成不同的流，每一个流对应于一个队列，采用队列调度算法按每个业务量所约定的速率来管理每个队列中业务量的发送。因此，为了提供QOS，网络设备必须包含以下模块：分类模块、队列调度模块和管理模块。网络设备的资源主要有网络带宽、设备的CPU和内存。随着计算机技术的发展和生产工艺的进步，CPU的计算能力越来越强，目前在一些高速路由器上，又有许多大规模专用集成芯片（ASIC）用于分组处理，因此网络设备的处理能力与内存大小及实际配置密切相关。我们这里所讨论的资源分配实际上是设备每一个端口上链路带宽资源的分配。在一条链路上带宽资源的分配方法可以有以下几种：(1)按业务分配资源。在一条链路上，将带宽资源分配给不同的业务，以保证实时的音、视频流的传输质量。如图14-3所示。链路100%4图14-3按业务分配带宽资源图14-4按机构分配带宽资源(2)按实体分配资源。如果几个实体（机构或公司企业）共同租用一条链路，他们自然希望本实体网上业务的传输质量不会受到其它实体的突发业务量的影响。在链路负载较轻的情况下，大家共享链路资源；在链路超载时，网络以一条可控的规则，约束超载Audio20%50%5%10%5%10%VideoTelnetFTPE-mail其它链路机构A机构B机构C实时业务TelnetFTP...IP电话TelnetFTPTelnetFTP100%50%40%10%3%5%...20%10%10%10%2%30%5%5%的业务量，以保证其它业务量的服务质量。如图14-4所示，在各个机构中，又可以按业务分配带宽，例如，机构A中又可分为实时业务、TELNET和FTP等。如果机构A的实时业务空闲，剩余的带宽应首先被机构A中的其它业务所共享。(3)按QoS服务种类分配资源。当前IP网络迫切需要支持各种QoS技术，因此也可以按网络所支持的QoS服务划分资源，如图14-5所示。图中的比例只是举例，应按实际需要划分。其中对综合服务中的保证型服务和区分服务中的加速服务应严格限制申请这种服务的业务量，以保证其高质量的服务。而尽力服务可以享受剩余的资源。链路100%链路100%5图14-5综合服务和区分服务的带宽资源分配14.2综合服务（Int-Serv）资源预留协议RSVP（ResourceReservationProtocol）是为综合服务而设计的，作为综合服务框架的一部分，它使用户能够在网络上为各种业务建立资源保留状态。除了IP网络固有的尽力服务外，综合服务模型提出了两种服务：一种是保证型服务（GuaranteedService）,能够提供完全保证的服务，用于需要低延时的业务；另一种是负载受控服务（ControlledLoadService），提供一种类似于网络低负载下的尽力传递服务。支持综合服务的路由器必须包含以下四部分：信令协议（即RSVP），接纳控制模块，分类模块和分组调度模块。需要保证服务或负载受控服务的应用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；路由器的接纳控制模块根据所剩资源情况决定是否接受资源预留请求；当一个路由器接受了资源预留请求，分类模块将对转发的分组完成多字段（MF，Multi-Field）分类，例如根据分组的源/目的地址、源/目的端口号以及协议类型进行分类，并将分类后的结果放到相应的调度队列中去；调度器根据它们预留的资源对分组进行调度。14.2.1RSVP协议RSVP是用于预留资源的信令协议。为了适用于组播环境，RSVP协议规定了资源的预留由接收方发起，当一个组成员要加入或退出组播组时，网络能灵活地控制组播树上的预留资源进行资源共享，在已存在的组播树上添加或删除一个节点。资源预留的过程如图14-6所示，发送端在发送业务流之前向接收端发送一个路径报文（PATHMessage），报文中包含了发送端用于描述业务流特征的参数TSpec（trafficspecifier）保证型服务30%负载受控服务尽力服务加速服务确定型服务40%30%20%20%20%优先级服务4