IP-QOS技术概述

IPQOS技术概述烽火通信科技股份有限公司2007-1内容技术背景QoS的概念IPQoS电信网络架构中的关键构件QoS技术分类现有QoS技术介绍QoS需要实现的功能配置实例一、技术背景目前，多数运营商对于电信业务网的承载主要采用IP专网的方式，如专门的VoIP网和专门的视频会议网。其主要思路是将IP专网直接架构在SDH或ATM网之上。这是非常浪费资源的方式，还加大了运维成本，不利于新业务的推出。另一种常用方法就是加大IP层之下SDH和ATM的传送能力，即“过带宽解决方式”。这种方式也是以牺牲运营商巨大投资为代价的。为此，电信运营商一直致力于采用IP网技术来作为下一代网络技术的统一平台，但随时间的推移，人们设想中的基于ＩＰ和ＭＰＬＳ的多业务网并未真正得以实施，ＱｏＳ和流量管理都没有得到很好解决，多播业务几乎没有应用，这些问题导致简单的将Internet技术用于电信网是行不通的。其根本原因是，现有的因特网只适合传送非实时的数据类业务，如、FTP、E-mail等。而今，宽带接入的迅速增长已导致了运营商的IP网络架构得以膨胀式地扩张。几年前，VoIP业务首先被引入到IP网络中来，但其服务质量未得到解决。更进一步的是，运营商为增加赢利空间、拓展用户群，也正在尝试在此单一而庞大的IP网络上能够提供越来越多的新型增值服务，尤其是交互式的个人多媒体通信。技术背景(续)Internet正在向一个多业务数据网络演进，实现统一的支持QoS能力的电信级多业务IP网络是发展的趋势。通过QoS，运营商或用户能够对网络上传输的视频/音频流等对实时性要求较高的数据提供优先服务，从而保证较低的延迟。传统的IPv4缺乏对QoS足够的支持机制。当前，IETF（InternetEngineeringTaskForce）建议了多种协议来实现QoS支持，包括综合服务、资源预留协议(RSVP)、区分服务(DiffServ)、多协议标签交换(MPLS)以及业务流量工程(TrafficEngineering)等，IPv6中也包含了QoS的支持特性。现在普遍采用的QoS支持机制，多是在IP报文中增加标示其优先级的标志位，供传输路径中的网络设备识别并区别对待。技术背景(续)在传统IP网络中，对所有报文都无区别地等同对待，每个路由器对所有报文都采用先入先出的策略（FIFO）处理，也就是说：它尽力而为（Best-effort）地将报文送到目的地，但是对报文的吞吐量、延迟、延迟抖动、丢包率等都不能预期，可能很好，也可能极差，一切都要视网络状况而定。随着计算机网络的高速发展，对带宽、延迟、抖动敏感的且实时性强的语音、图象、重要数据同时在网上传输，使得网络资源极大地丰富。但是同时人们对于网络传输数据质量的要求也越来越高，人们期望报文在吞吐量、延迟、延迟抖动、丢包率等方面获得一定程度上的服务保证，期望可以根据客户类型提供有差别的服务。解决这些问题的一个途径是增加网络的带宽，但带宽的增加毕竟是有限的，且代价昂贵，它也只能在一定程度上缓解这个问题。提供QoS将是人们对未来IP网络的基本要求。技术背景(续)在IP网络中支持端到端QoS能力的标准化方面，IETF和ITU-T发挥了各自的作用，其中IETF致力于各种具体实施协议的制定，而ITU-T则更偏重于整体框架的制定和IP性能指标体系的构建。内容技术背景QoS的概念QoS技术分类现有QoS技术介绍QoS需要实现的功能配置实例二、QOS的概念QoS（QualityofService），又称服务质量，是指为使用户在吞吐量、延迟抖动、延迟，丢包率等方面获得预期服务水平所采取的一系列技术的集合。更简单地说：QoS就是针对各种不同的客户类型，提供不同服务质量的网络服务。内容技术背景QoS的概念IPQoS电信网络架构中的关键构件QoS技术分类现有QoS技术介绍QoS需要实现的功能配置实例三、IPQoS电信网络架构中的关键构件IPQoS电信网络架构的关键构件可归属于三个平面，即控制平面、数据平面和管理平面。IPQoS电信网络架构中的关键构件（续）其中，控制平面包含了与业务流行走路径相关的机制，这些机制包括了允许控制、QoS路由及资源预留；数据平面包含了与用户数据流处理相关的机制，这些机制包括了缓存器管理、拥塞避免、包标记、队列和调度、业务流分类、业务流策略和流量整形；管理平面包含了与运营、管理相关的机制，这些机制包括了服务等级合同(SLA)、业务流恢复，计量和记录。允许控制是一个关键机制。借助这一机制可以控制进入网络中的业务流量。是否允许业务流进入网络取决于用户与业务提供者签订的SLA及可得的网络资源情况。内容技术背景QoS的概念IPQoS电信网络架构中的关键构件QoS技术分类现有QoS技术介绍QoS需要实现的功能配置实例三、QOS技术分类Qos技术可分为保证型和尽力型两种。保证型的QoS在终端双方通信之前先要建立连接，确保通信过程中的网络带宽，如ATM业务类型、IP网络中的RSVP。一旦连接建立，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，它就会拒绝建立连接。尽力型的QoS技术不能确保带宽，通常用在非连接型通信中，例如在IEEE802．1p／Q的标记帧或IP分组头中的TOS域有3位的优先级，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的QoS技术。内容技术背景QoS的概念IPQoS电信网络架构中的关键构件QoS技术分类现有QoS技术介绍QoS需要实现的功能配置实例四、现有QOS技术方案简介IETF建议的QoS技术方案主要有：综合服务／资源预留、差分服务、多协议标记交换、流量工程1、综合服务模型（Int－serv：Integratedservice）综合服务模型的基本思想是将RSVP(ResourceReSerVationProtocol,资源预留协议)作为Int－Serv结构中的主要信令协议，它基于每个流提供端到端的保证或是受控负载的服务。Int－Serv使用一种类似ATM的SVC(SwitchedVirtualCircuit,交换虚电路)的方法，它在发送方和接收方之间用RSVP作为每个流的信令。RSVP信息跨越整个网络。这种服务模型在发送报文前，需要向网络申请特定的服务。应用程序先通知网络发送报文的流量参数和所需的服务质量请求（如带宽、时延等）。应用程序在收到网络预留资源的确认信息后，才开始发送报文，发送报文被控制在流量参数规定的范围内。1、综合服务模型（Int－serv：Integratedservice）综合服务模型的优点是：它具有很好的QoS保证，由于引入了RSVP资源预留协议，所以可以知道网络状态的动态改变，设备相邻节点的退出和加入，实现网络资源更加有效的分配；综合服务模型的缺点是：网络的扩展性不好，随着网络的扩大业务流的增加，每一个使用这种QOS技术节点的负担会越来越大。1、综合服务模型（Int－serv：Integratedservice）2、流量工程（TETrafficEngineer）为业务流选择路径的处理过程，以在网络中不同的链路、路由器和交换机之间平衡业务流负载。3、MPLS流量管理利用多协议标签交换MPLS（Multi-ProtocolLabelSwitching）技术，可以协助解决QoS问题。MPLS是一种结合第二层和第三层的交换技术，引入了基于标签的机制，把路由选择和数据转发分开，由标签来规定一个分组通过网络的路径。MPLS网络由核心部分的标签交换路由器（LSR）、边缘部分的标签边缘路由器（LER）组成。由于MPLS采用标签交换来进行MPLS转发，因此其转发效率高于传统IP通过路由器的转发，从而通过减少转发时间来提高QoS。此外，MPLS的报文头中包含一个3bit的EXP字段，通过该字段可以标记该MPLS报文的优先级，从而使设备在转发该MPLS报文时能根据优先级标志进行区别对待。4、差分服务差分服务模型的基本思想是可以根据预先确定的规则对数据流进行分类，以便将多种应用数据流综合为有限的几种数据流等级。差分服务是由综合服务发展而来的，它采用了IETF的基于RSVP的服务分类标准，抛弃了分组流沿路节点上的资源预留。IPQoS的业务区分结构使用IPv4报头中的业务类型（ToS）字段，并将8位ToS字段重新命名，作为DS字段，其中6位可供目前使用，其余2位以备将来使用。Diff－Serv将整个网络分成若干个域。。在Diff－Serv域中，节点大致分为以下两类：边缘节点和内部节点。其中边缘节点根据数据流的方向分为入口边缘节点和出口边缘节点。在入口处根据用户业务等级协定（SLA），分类并标志输入的每个业务包，对每个IP包指定一个类型以标志DSCP（Diff－Serv代码点），并分别将其分别排入相应的队列。内部节点负责查看DSCP值，将进入的数据包按级别排队，并按事先设定的带宽、缓冲处理进行下一跳转发（PHB）。4、差分服务4、差分服务--------差分服务示意图流量整型非法流丢弃流量分类标记高中低高中低高中低入口边缘节点中间节点出口边缘节点Diff-serv域边界IPV4包的TOS字段定义如下图所示：4位版本号4位报头长度8位服务类型TOS16位全长（字节）3位优先级4位业务类型1位预留4、差分服务Diff－Serv也定义了三种业务类型：尽力而为的业务（BestEffort）：类似目前Internet中尽力而为的业务；最优的业务（Premium）：类似于传统运营商网络的专线业务；）分等级的业务（Tiered）：这一类别的业务严格讲不仅仅是一种业务，而是一个大的类别，可以根据发展的需要制定不同的业务等级。4、差分服务差分服务模型的优点是：可扩展性好，DS字段只是规定了有限数量的业务级别，状态信息的数量正比于业务级别，而不是流的数量。便于实现，只需要在网络的边界上才需要复杂的分类、标记、管制和整形操作。因此实现和部署区别型业务都比较容易。4、差分服务内容技术背景QoS的概念IPQoS电信网络架构中的关键构件QoS技术分类现有QoS技术介绍QoS需要实现的功能配置实例五、QOS需要实现的功能QOS应该可以为不同的网络应用和网络流量提供可控的和可预见的服务。它对网络的作用主要有报文分类，控制网络资源、流量整形、为特定请求提供特定的网络服务等。1、报文分类使用数据包类型或者是内容对数据包进行分类，以便这个数据包能够适合网络上的QOS服务，应用数据包分类可以将为网络上的数据流分成多个层次的优先级或者服务等级。网络管理者可以设置报文分类规则，可以依据MAC地址、IP地址、物理端口号、协议类型、协议端口号等规则为数据流分类。2、流量监控、整形和限速流量监控：网络上存在这用户送入网络的各种类型的请求，对用户送入网络的流量进行监控是非常必要的。QOS应该能够提供网络流量监控的功能，来限制网络上主要数据流类型的规格，例如我们规定发往设备的所有HTTP请求不能超过上联总带宽的30％，对于超过流量的该类请求则选择丢弃、设置为丢弃优先或者是设置低优先级。流量整形：通过流量整形技术，可以控制网络中的流量和拥塞，使用令牌桶技术避免指定类型数据流的流量突发，使之能够平缓的输出避免了拥塞的可能。2、流量监控、整形和限速接口限速上述的流量监控和流量整形功能事实上都会使用到令牌桶技术，它们都是针对某一特定类型的数据流进行操作。另外QOS还应该支持基于物理接口的限速功能，可以直接限制一个物理端口上总的带宽，从而以最直接的方式避免了拥塞的发生。2、流量监控、整形和限速3、拥塞管理当数据包到达的速率大于物理接口的处理能力时就会产生拥塞，对于拥塞问题的解决一般采用优先级队列的管理办法，主要有以下几种FIFO：先进先出，该模式是目前