计算机服务质量.doc

基于IP网络的服务质量(QoS)研究The Research Of The QoS Based On IP Netwo 摘要：IP 网络最初设计用来进行数据通信，但现在却越来越多地被用于实时应用，这就要求IP 网络能为用户提供更好的服务质量，而不只是“尽最大努力交付”的服务。本文对QoS参数和网络测量进行分析研究,并 针对IP网络上多媒体应用的特点,提出了应用层、系统层和网络层三组QoS参数, 并给出了部分参数的计算方法。关键词： IP 服务质量 QoS参数 测量Abstract： As IP network originally developed for data communications is now used more and more for real-time applications, there is a nee d for better quality of service than the “best effort”. his paper mainly solves the problem of the QoS parameter and QoS parameter mapping to network According to the IP network on the characteristics of multimedia applications, it puts forward the application layer, system layer and network layer three groups QoS parameters, and gives part of the parameter calculation method.Key words: IP QoS QoS parameters metric0引言当今世界时代网络技术大发展的时代，特别是以互联网（Internet）为代表的IP网络更是突飞猛进和多媒体通信技术的进步，IP网络的服务质量已经变得极为重要，服务质量（Quality of Server,Qos）是网络提供给用户的性能保证，其主要性能保证参数有延迟，延迟抖动，丢失率等，保证多媒体应用的服务质量正成为网络必须具备的特征。 从理论上讲，分组交换技术能够综合实时业务与非实时业务、宽带和窄带业务，是实现电信业务综合的最佳技术。IP技术作为分组传输的一种，采用了不面向连接的工作方式，简化了信令，又克服了为端到端连接提供资源保证而带来节点设备复杂化的问题，自产生以来获得了极为广泛的应用，IP技术也被业界认为是下一代核心网络的主要承载技术。但必须承认，传统的IP技术在QoS方面还存在较多缺陷，由于业界的愿望与自身不足之间的矛盾，使得IP QoS问题倍受关注，并提出了电信级IP网络等一些新的概念。目前许多专家倾向认为下一代网络是以基于IP分组的数字通信技术为核心技术的综合通信网络，但前提是必须对目前的IP技术进行改进，其中要改进的一个重要方面就是可以满足未来核心网络的QoS要求。因此我们必须对服务质量的参数和测量方法进行研究。 由于不同类型的业务具有不同的业务特性和服务质量（QoS）要求，需要网络能够提供相应的机制，使其能够在高效地提高资源利用率的同时保证不同类型业务的QoS, QoS参数测量目的是用测量手段取得网络的性能和服务质量指标。网络的QoS管理、维护、控制和计费都需要QoS参数测量的支持。服务质量( QoS) 的概念和机制是解决这个问题的有效方法. 所谓QoS机制是包括QoS参数定义、QoS参数映射、QoS管理和维护、QoS协商、QoS监控等一系列机制的综合其中QoS参数定义是基础, 它用定性或定量的方式描述应用对服务质量的要求, 其余的QoS机制都是建立在明确定义的QoS参数之上。1、网络应用分类从方便资源调度的角度考虑， 可将IP网络上的各种应用按照它们的周期性及实时性特征进行分类(不考虑工业控制类应用) 。分为以下三类：( 1) 实时周期性应用：这一类应用要求任务在规定的时间内完成, 且每个周期必须执行任务一次.这一类应用通常就是视听(audio-video)类应用。( 2) 实时非周期应用：任务的执行没有周期性，但必须在尽可能短的时间内完成。 如视频会议白板区的文件传输即属于这一类。( 3) 非实时应用:这一类应用不需要延时保证。传统的网络应用基本上属于这一类.在非实时应用中，根据应用的性能对延时特征的依赖程度，又可以分为交互式应用和非交互式应用.交互式应用虽然不要求保证延时，但较小的延时会获得较好的性能，易为用户接受,如WWW浏览.非交互式应用对延时一般没有要求,如电子邮件、文件传输。在本文的剩余部分,将针对实时周期性应用、实时非周期应用和非实时应用进行QoS参数的研究. 这些应用对服务质量的要求大致如下:实时周期性应用:往往要求定量的服务质量保证,如端-端延迟、可靠性、同步等. 实时非周期应用:保证延迟尽可能小.非实时应用:对延迟没有特别的要求,但交互式应用希望延迟尽可能小.2、IP QoS体系结构与影响因素分析QoS从概念上来说，可以看作是为一项或一类网络业务而定义的一组网络性能参数。IP QoS则是指数据包在网络传输中得到的服务质量，其研究目标是有效地为用户提供端到端的服务质量控制或保证。QoS并没有创造带宽，只是根据应用程序的需求以及网络状况来管理带宽。IP QoS有一套性能参数，主要包括：* 可用性：用户与网络连接的可靠性。* 传输延迟：两个参照点之间发送和接收数据包的时间间隔。* 可变延迟：也称为延迟抖动，指接收的一组数据流中数据包之间的时间差异。* 吞吐量：网络中发送数据包的速率，可用平均速率或峰值速率表示。* 丢包率：在网络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率。数据包丢失一般是由网络拥塞引起的。一般在QoS保证的实现中，可以根据具体应用的不同要求将这些参数组合起来构成不同的服务等级。 针对以上QoS具体指标，结合业务需求分析现网中的主要QoS表征，当前影响IP技术作为下一代网络核心的主要因素如下。2.1丢包率当网络健康状况下降时，分组包频繁丢失造成控制层不断发起重传，一方面所承载业务的用户感受显著下降；另一方面会使得网络整体负荷有较大增加，对所承载的其他业务造成冲击。其形成原因有两点：一是物理传输过程中的误码，这种情况发生的概率极低；另一个是传统IP技术不能保障业务带宽造成的，而且越是当网络流量拥塞时，影响更为强烈，其发生概率也就越大。2.2可变时延即抖动，它会对语音、视频流等实时业务造成较大影响，严重时甚至会造成业务质量无法被用户接受。其形成原因可能是IP网络路由状态频繁变化，使得各数据包分别经由不同物理路由到达；网络节点流量超忙，数据包在各节点缓存时间过长，使得到达速率变化较大。在核心网络中，后一种情况更为常见。2.3 业务时延测试结果表明，如果网络中数据包的整体到达速率较为稳定，即使对于语音等较为敏感的实时业务，在传输时延较大时仍能维持相对较好的用户感受。影响时延的因素主要有：物理传输时延、包处理时延和缓存排队时延，前二者相对稳定，而后者是造成抖动的原因之一。2.4业务带宽对于未来核心网络中的承载业务而言，其对带宽的需求分为两类：一类以背景类业务为代表，对总体时延和抖动等实时指标并不敏感，只关心在单位时间内能否将数据送达接收方，其体现在带宽需求上就是平均带宽；另一类以交互式业务为代表，对抖动等实时指标敏感，强调尽可能保障其最大带宽需求。3、QoS分层模型为了全面考察多媒体通信系统中端到端的QoS, K.Nahrstedt 等人提出了一个分层的QoS模型。 该模型分为三个层次:应用层, 系统层(包括操作系统服务和通信服务)和设备层(包括网络和多媒体设备)，其中在设备层上主要关注网络及其QoS, 因为这是多媒体通信系统所关心的。每一层上都需要引入QoS参数来描述该层提供的服务。应用QoS参数描述对应用服务的要求， 系统QoS参数描述由应用QoS导出的对通信服务和操作系统服务的要求, 网络QoS参数则描述对于网络服务的要求，多媒体设备QoS参数典型地指定媒体数据单元的时序和吞吐量要求，它往往可在应用QoS参数中找到相应的表示.以下我们仅考虑三类QoS 参数: 应用QoS 参数, 系统QoS参数和网络QoS参数。3.1应用QoS参数应用QoS参数是与特定应用相关的。非实时应用不需要延时保证，但交互式应用与非交互式应用对延时的敏感程度不同。非实时应用的可靠性由TCP协议保证，不属于我们考虑的范围.因而可定义非实时应用的应用QoS参数为“延时敏感性。3.2系统QoS参数系统QoS参数包括数据流特征参数、数据流性能参数、数据流控制参数和代价描述参数，可以定量或定性的方式描述。3.3网络QoS参数网络QoS参数通常以网络负载和网络性能的形式来描述.网络负载描述网络业务的特征，网络性能描述网络服务必须满足的要求。 网络QoS参数依赖于网络类型及所采用的业务模型. 针对IP网络，IETF提出了一种综合业务模型，一个流规范建议，和两个服务规范保证的服务(Guaran-teedService,GS)和控制负载的服务( Controlled-Loadser-vice, CLS)。 将IP 网络上的各种应用按照周期性及实时性特征进行分类，分析各类应用对服务质量的要求。 然后按照QoS的分层模型,提出了应用层、系统层和网络层三组QoS参数，并给出了选择这些参数的依据、参数定义及参数计算方法。4、QoS 测量方法分类 相应于网络测量的多种方法，QoS 测量的分类标准有多种。QoS 的测量方法可以按以下的方式进行分类。 第一种方法分为直接测量和间接测量，间接测量的方法依赖于网络模型和假定，如测量只在网络的入口点，而且关于模型的进一步的评估贯穿整个结构，这种评估有其固有的不确定性。直接测量不依赖于任何的模型或者预期行为，只取决于直接的流量观察。 第二种方法分为基于聚合的测量和基于采样的测量。基于聚合的测量在提供结果之前就收集分析数据(如NetFlow) 。这种测量方法在测量丢包率的情况下有些不足。基于采样的测量方法提供了更为详细的结果或者是观测结果的子集。 第三种方法分为主动测量和被动测量。被动测量不会影响网络流量，如 TCPDumP，NetFlow，但是比较被动，是不可预测的上的数据情况，被动测量主要用于单点监测，难以进行端至端的行为分析。主动测量会影响网络流量，但是比较灵活。两种方法有不同的缺点。被动测量方式涉及沿网络通路对多点实际用户业务流监视，然后在这些测量基础上计算先前决定的标准度量。在主动测量中，由测量设备将试验业务流注入网络。然后，沿通路各主要点为测量监视此测试业务流。通过主被动测试应用的结合，可充分描述网络支持许多依赖QoS 的应用的能力。虽然被动监视能容易识别可用带宽，但在保证网络支持对时间敏感业务流的能力几乎无用。鉴于被动监视取决于用户业务的出现，它最适于运行网络对业务级协议(sLA) 监视和网络告警功能那样的应用。相反，主动测试可用在开通前在定时和带宽要求两个方面使网络预先达到要求质量。为此，主动测试常在新业务安装和配置期间使用，此时还没有用户业务流。主动测试在寻找故障中也非常有用，因为它能很快决定问题所在位置，因为测试业务流可沿怀疑通路注入，然后加以监视。与被动方式相比它通常降低了修复的平均时间，在被动方式中通常技术人员必须设置陷阱，等待问题发生之后才能捕获用户业务流作离线分析。 采取哪一种测量方法取决于特定的条件和测量的原因，由于被动测量涉及到测试点的选择问题并且难于进行端对端的行为分析，而且要求对所测网络均具有较高的管理员权限，所以本文采用了主动测量方法，这种方法在端对端QoS 测量中实现简单，灵活性较强，不需要所有网络元素提供内部资料，只涉及发送方与接收方两方。5、IP 网络测量 近年来，网络测量技术的研究受到国际上的广泛关注。网络测量是网络行为建模分析的基础和验证手段，测量结果是进行宏观网络控制（如接纳控制/ 拥塞检测等）和管理（如业务QoS （Quality of Service）评估/ 业务 QoS 管理和计费等）、微观应用性能优化（如利用测量信息优化终端多媒体业务等）的重要依据。网络测量总的目标是将Internet 网络拓扑、带宽、性能等映射成随时间空间变化的函数。但是，Internet 分布化、不协作（Uncooperative ）、异质（Heterogeneous ）的特点以及流量特征的复杂性，使得 Internet测量研究是极具挑战性的工作。 按照是否主动发送探询包（探针probe），测量技术分为主动测量和被动测量：主动测量技术能按照测量目标灵活地设计探针，达到不同的测量目的，但它额外地发送测量包将影响网络负荷, 因此, 产生大量探针的主动测量方法无法实用；被动测量不向网络发送探针，而是通过监听网络中的分组流来推测网络的情况，被动测量不影响网络的负荷，但只能被动地获取信息，在某些测量问题上灵活性受到一定限制。在主动测量中，根据探针结构的差异，又可分成：单数据包探测、数据包串探测、等长和非等长数据包对探测等。 根据测量方法是否基于路由器，可分为基于路由器的测量和端到端测量: 基于路由器的测量通过路由器网管软件的接口，直接获取路由器软件的统计数据，因而具有较高的测量精度，但必须具备网络的管理权; 端到端测量只需端系统(一个或两端主机)的支持，它的测量精度低于基于路由器的测量，但具有很好的灵活性，对于某些跨越多个运营商的测量问题，端到端测量技术可能是唯一的选择。鉴于这两种测量方式的优缺点，可以考虑二者的结合，使测量技术获得网路节点更多的支持，同时又不影响(或影响程度尽可能小)网络节点的性能，这是当前网络测量中的重要研究课题。 按照测量的内容，网络测量技术分为: 路由拓扑、时延( 单向/ 双向) 和时延抖动测量、带宽(链路物理带宽、路径容量带宽、可用带宽)测量、丢包率测量。目前，通过路由器管理软件获取测量参数的方法(通过路由器厂商提供的各种网管接口)已经比较成熟，网络测量技术的研究主要集中在端到端带宽测量上，包括测量基本原理和测量噪声的滤波技术。 目前，Internet 测量研究工作大致可划分为三部分：端到端性能测量(主要包括性能拓扑推测、时延、丢包率测量、带宽测量等)、路由/ 路由器相关测量(包括流量抽样技术、根据路由器端口流量推测端到端流量特征、路由器参数推测、路由器协作测量协议、路由测量、网络距离推测等)、应用层测量(web 测量、DNS 系统性能测量等)。这里主要介绍端到端性能测量。端到端性能测量的研究最初是由MINC 项目中组播树丢包相关的研究引发，而后推广到单播网络以及其他性能的研究中。在端到端测量技术中，时间测量是许多测量工作的必需因素，这使得测量主机间时钟同步是许多端到端测量技术的重要基础; 在网络拓扑是不可知的情况下，端到端拓扑推测是端到端性能推测的基础，此外，它还是基于性能角度对复杂物理拓扑进行抽象简化的有效手段; 性能测量(时延、丢包)的研究主要集中于树型拓扑的性能推测，对于一般网络，可将其划分成多个树型拓扑分别进行测量，而后将这些树型拓扑上获得的性能参数恢复成整个网络的性能; 网络带宽测量的研究包括链路带宽、瓶颈带宽和可用带宽三部分，带宽测量中引入的一些探针技术，如PacketPair，也被运用在时延丢包测量中。6、QoS 参数到网络性能测量的映射 在QoS 参数的测量当中，如何将现有的网络测量和 QoS 测量结合起来，可以通过映射来完成这一目标。将映射分为两个步骤：测量映射和评估映射。QoS 参数到网络性能测量（NPM）映射示意图如下：测量映射是决定网络性能测量到QoS 参数的过程。QoS 的可用性可映射到NPM的可用性。QoS 的可用性参数表示在每个特定服务请求时的可用性，NPM的可用性指出了网络元素和网络元素功能性中的连接性。功能性说明了网络元素是否正常工作。QoS 转发的参数映射为NPM的丢包率或延迟，但是这依赖于服务提供商的决定。QoS 的参数Lantency 映射为NPM延迟：单项延迟，环路延迟以及延迟变量。QoS 的带宽通常通过NPM的利用率来测量。利用率意味着链路吞吐量的百分比。相对于这些具体的技术参数，QoS 的参数平均无故障时间（MTBF）和平均恢复时间（MTRS）是不能直接从NPM中得到的。因此服务提供商必须在NPM发生故障后通过计算相关时间来提供这两个QoS 参数。7、网络测量中的关键技术端到端时延模型：网络端到端的时延是各段链路传输(transmission) 、处理(processing) 、排队(queuing) 传播(Propagation) 时延的总和。网络的随机性以及网络传输控制机制等使得时延模型难以建立，但在确定性的近似下，可以建立时延的解析式，而且通过确定性时延模型建立的测量工具得到的结果和实测数据基本吻合。8、小结为了IP 网络能为用户提