网络服务质量要点.ppt

IP网络服务质量 1概述 计算机网络最初是为传送数据信息设计的 因特网IP层提供的 尽最大努力交付 服务对传送数据信息也是很合适的 当我们从因特网下载文件时 过长的网络响应时间虽然令人颇为烦恼 但这至少不会对我们产生有害的结果 因特网使用的TCP协议可以很好地解决网络不能提供可靠交付这一问题 IP将成为未来各种网络技术和业务的融合平台QoS QualityofService 服务质量 尽力服务模型 支持服务质量模型 数据业务 综合业务 数据视频语音 IP网络 以太网 令牌环网 IEEE802 11 3G 多媒体信息的特点 多媒体信息 包括声音和图像信息 与不包括声音和图像的数据信息有很大的区别 多媒体信息的信息量往往很大 在传输多媒体数据时 对时延和时延抖动均有较高的要求 多媒体数据往往是实时数据 realtimedata 它的含义是 在发送实时数据的同时 在接收端边接收边播放 因特网是非等时的 模拟的多媒体信号经过采样和模数转换变为数字信号 再组装成分组 这些分组的发送速率是恒定的 等时的 传统的因特网本身是非等时的 因此经过因特网的分组变成了非恒定速率的分组 接收端需设置适当大小的缓存 当缓存中的分组数达到一定的数量后再以恒定速率按顺序把分组读出进行还原播放 缓存实际上就是一个先进先出的队列 图中标明的T叫做播放时延 在接收端设置缓存 缓存使所有到达的分组都经受了迟延 早到达的分组在缓存中停留的时间较长 而晚到达的分组在缓存中停留的时间则较短 以非恒定速率到达的分组 经过缓存后再以恒定速率读出 就能够在一定程度上消除了时延的抖动 但我们付出的代价是增加了时延 缓存的影响 需要解决的问题 在传送时延敏感 delaysensitive 的实时数据时 不仅传输时延不能太大 而且时延抖动也必须受到限制 对于传送实时数据 很少量分组的丢失对播放效果的影响并不大 因为这是由人来进行主观评价的 因而是可以容忍的 丢失容忍 losstolerant 也是实时数据的另一个重要特点 如何改造现有的因特网 大量使用光缆和高速路由器 网络的时延和时延抖动就可以足够小 在因特网上传送实时数据就不会有问题 把因特网改造为能够对端到端的带宽实现预留 reservation 把使用无连接协议的因特网转变为面向连接的网络 部分改动因特网的协议栈所付出的代价较小 而这也能够使多媒体信息在因特网上的传输质量得到改进 IPQoS定义和目标 定义 即IP服务质量 它是指IP分组或流通过网络时的性能 这种性能通过一系列可度量的参量来描述 目标 提供端到端的服务质量保证 提高网络资源利用率 可度量的参量 用户需求 user sQoSrequirements 带宽 bandwidth 延迟 delay 延迟抖动 delayjitter 丢包率 lossrate 网络性能 networkperformance 吞吐量 throughput 在不丢包的情况下 被测对象 系统 设备 特定连接 特定服务类等 所能达到的最大传输速度 可以用带宽来度量吞吐量 实用带宽 额定带宽 带宽利用率 保证 的含义 确定型保证 bound例 对于某类数据包P 端到端延迟D不会超过Dmax统计型保证 probability例 对于某类数据包P 端到端延迟D不超过Dmax的概率是x 2因特网的多媒体体系结构 TCP UDP AAL3 4 AAL5 PPP SDH SONET ATM 以太网 调制解调器 信令 服务质量 IPv4 IPv6 RTSP RTCP RSVP H 323 SIP RTP PPP 应用层协议 声音 视像 SDP 2 1实时运输协议RTP Real timeTransportProtocol RTP为实时应用提供端到端的运输 但不提供任何服务质量的保证 多媒体数据块经压缩编码处理后 先送给RTP封装成为RTP分组 再装入运输层的UDP用户数据报 然后再交给IP层 RTP是一个协议框架 只包含了实时应用的一些共同的功能 RTP自己并不对多媒体数据块做任何处理 而只是向应用层提供一些附加的信息 让应用层知道应当如何进行处理 RTP的层次 从应用开发者的角度看 RTP应当是应用层的一部分 在应用的发送端 开发者必须编写用RTP封装分组的程序代码 然后把RTP分组交给UDP插口接口 在接收端 RTP分组通过UDP插口接口进入应用层后 还要利用开发者编写的程序代码从RTP分组中把应用数据块提取出来 RTP也可看成是运输层的一个子层 RTP封装了多媒体应用的数据块 由于RTP向多媒体应用程序提供了服务 如时间戳和序号 因此也可以将RTP看成是在UDP之上的一个运输层的子层 运输层 应用层 IP 数据链路层 物理层 RTP UDP RTP分组的首部格式 12字节 序号 比特01381631 有效载荷类型 版本 P X M 参与源数 时间戳 同步源标识符 SSRC 参与源标识符 CSRC 0 15 发送 RTP分组 UDP用户数据报 IP数据报 IP首部UDP首部RTP首部RTP数据部分 应用层数据 2 2实时运输控制协议RTCP RTPControlProtocol RTCP是与RTP配合使用的协议 RTCP协议的主要功能是 服务质量的监视与反馈 媒体间的同步 以及多播组中成员的标识 RTCP分组也使用UDP传送 但RTCP并不对声音或视像分组进行封装 可将多个RTCP分组封装在一个UDP用户数据报中 RTCP分组周期性地在网上传送 它带有发送端和接收端对服务质量的统计信息报告 RTCP使用的五种分组类型 结束分组BYE表示关闭一个数据流 特定应用分组APP使应用程序能够定义新的分组类型 接收端报告分组RR用来使接收端周期性地向所有的点用多播方式进行报告 发送端报告分组SR用来使发送端周期性地向所有接收端用多播方式进行报告 源点描述分组SDES给出会话中参加者的描述 2 3实时流式协议RTSP Real TimeStreamingProtocol RTSP协议以客户服务器方式工作 它是一个多媒体播放控制协议 用来使用户在播放从因特网下载的实时数据时能够进行控制 如 暂停 继续 后退 前进等 因此RTSP又称为 因特网录像机遥控协议 要实现RTSP的控制功能 我们不仅要有协议 而且要有专门的媒体播放器 mediaplayer 和媒体服务器 mediaserver 流式 streaming 音频和视频 媒体服务器与媒体播放器的关系是服务器与客户的关系 媒体服务器与普通的万维网服务器的最大区别就是媒体服务器支持流式音频和视频的传送 因而在客户端的媒体播放器可以边下载边播放 当然需要先将节目存储一小段时间 但从普通万维网服务器下载多媒体节目时 是先将整个文件下载完毕 然后再进行播放 RTSP与RTP和RTCP的关系 RTSP播放器 RTSP服务器 RTSP控制分组 TCP RTP数据分组 UDP RTCP分组 UDP 客户 服务器 RTSP仅仅是使媒体播放器能控制多媒体流的传送 因此 RTSP又称为带外协议 而多媒体流是使用RTP在带内传送的 3改进 尽最大努力交付 的服务 服务质量QoS是服务性能的总效果 此效果决定了一个用户对服务的满意程度 因此在最简单的意义上 有服务质量的服务就是能够满足用户的应用需求的服务 服务质量可用若干基本的性能指标来描述 包括可用性 差错率 响应时间 吞吐量 分组丢失率 连接建立时间 故障检测和改正时间等 服务提供者可向其用户保证某一种等级的服务质量 主机H1和H2分别向主机H3和H4发送数据 1 5Mb s链路 H1 H2 H3 H4 R2 R1 H1H2 1 5Mb s链路 输出队列 1Mb s的实时音频数据 FTP文件数据 需要给不同性质的分组打上不同的标记 当H1和H2的分组进入R1时 R1应能识别实时数据分组 并使这些分组以高优先级进入输出队列 而仅在队列有多余空间时才准许低优先级的FTP数据分组进入 主机H1和H2分别向主机H3和H4发送数据 1 5Mb s链路 H1 H2 H3 H4 R2 R1 H1H2 1 5Mb s链路 输出队列 1Mb s的实时音频数据 高优先级的FTP文件数据 应当使路由器增加分类 classification 机制 即路由器根据某些准则 例如 根据发送数据的地址 对输入分组进行分类 然后对不同类别的通信量给予不同的优先级 主机H1和H2分别向主机H3和H4发送数据 1 5Mb s链路 H1 H2 H3 H4 R2 R1 H1H2 1 5Mb s链路 输出队列 数据率异常的实时音频数据 FTP文件数据 路由器应能将对数据流进行通信量的管制 policing 使该数据流不影响其他正常数据流在网络中通过 例如 可将H1的数据率限定为1Mb s R1不停地监视H1的数据率 只要其数据率超过规定的1Mb s R1就将其中的某些分组丢弃 主机H1和H2分别向主机H3和H4发送数据 1 5Mb s链路 H1 H2 H3 H4 R2 R1 H1H2 1 5Mb s链路 输出队列 数据率异常的实时音频数据 FTP文件数据 应在路由器中再增加调度 scheduling 机制 利用调度功能给实时音频分配1 0Mb s的带宽 给文件传送分配0 5Mb s的带宽 相当于在带宽为1 5Mb s的链路中划分出两个逻辑链路 因而对这两种应用都有相应的服务质量保证 主机H1和H2分别向主机H3和H4发送数据 1 5Mb s链路 H1 H2 H3 H4 R2 R1 H1H2 1 5Mb s链路 输出队列 1Mb s的实时数据 总数据率已超过了1 5Mb s链路的带宽 比较合理的做法是让一个数据流通过1 5Mb s的链路 而阻止另一个数据流的通过 这就需要呼叫接纳 calladmission 机制 数据流要预先声明所需的服务质量 然后或者被准许进入网络 或者被拒绝进入网络 1 调度机制 调度 就是指排队的规则 如不采用专门的调度机制 则默认排队规则就是先进先出FIFO FirstInFirstOut 当队列已满时 后到达的分组就被丢弃 先进先出的最大缺点就是不能区分时间敏感分组和一般数据分组 并且也不公平 在先进先出的基础上增加按优先级排队 就能使优先级高的分组优先得到服务 按优先级排队的例子 高优先级队列 低优先级队列 分组到达路由器 调度 分组离开路由器 分类器 服务员 路由器 低 低 低 低 高 高 高 高 高 高 t 分组到达路由器 分组离开路由器 路由器 高高高高 低低低低 加权公平排队WFQ WeightedFairQueuing 分组到达路由器 调度 分组离开路由器 分类器 w1 w2 w3 1 2 3 路由器 2 分组调度策略 分组调度策略是一种选择策略 3 管制机制 1 平均速率网络需要控制一个数据流的平均速率 这里的平均速率是指在一定的时间间隔内通过的分组数 2 峰值速率峰值速率限制了数据流在非常短的时间间隔内的流量 3 突发长度网络也限制在非常短的时间间隔内连续注入到网络中的分组数 漏桶管制器 leakybucketpolicer 分组到达 漏桶中最多装入b个权标 拿走权标 准许分组进入网络 等待权标 在任何时间间隔t内准许进入网络的分组数 rt b 标记注入漏桶的速率为每秒r个权标 IETF于1994年提出 rfc1633IntServ IntegratedServices 可对单个的应用会话提供服务质量的保证 其主要特点有二 即 资源预留 路由器需要知道不断出现的会话已预留了多少资源 即链路带宽和缓存空间 呼叫建立 需要服务质量保证的会话必须首先在源站到目的站的路径上的每个路由器预留足够的资源 以保证其端到端的服务质量要求 4综合服务IntServ与资源预留协议RSVP IntServ定义了两类服务 有保证的服务 guaranteedservice 可保证一个分组在通过路由器时的排队时延有一个严格的上限 受控负载的服务 controlled loadservice 可以使应用程序得到比通常的 尽最大努力 更加可靠的服务 IntServ由四个组成部分 1 资源预留协议RSVP 它是IntServ的信令协议 2 接纳控制 admissioncontrol 用来决定是否同意对某一资源的请求 3 分类器 classifier 用来将进入路由器的分组进行分类 并根据分类的结果将不同类别的分组放入特定的队列 4 调度器 scheduler 根据服务质量要求决定分组发送的前后顺序 IntegratedServices 服务模型 主机 路由器 应用 RSVP处理模块 分类器 调度器 RSVP处理模块 调度器 分类器 路由协议 数据库 接纳 策略控制 RSVP IP数据流 IntegratedServices 工作过程 发送者 路由器 路由器 接收者 RSVPPath RSVPPath RSVPPath RSVPRESV RSVPRESV RSVPRESV DATA DATA DATA RSVP Resourcereservationprotocol IETF于1997年提出 rfc2205端到端信令协议资源预留是接收端驱动的软状态 定时刷新通路消息 业务流的传输特性 路由信息 自身地址 传统转发资源预留消息 预留资源 回溯资源预留单位 每一个数据流 流 flow 流 是在多媒体通信中的一个常用的名词 一般定义为 具有同样的源IP地址 源端口号 目的IP地址 目的端口号 协议标识符以及服务质量需求的一连串分组 RSVP协议的工作原理 H1 H250kb s R2 R1 H3100kb s H43Mb s R3 R4 H53Mb s 源站 a 源点用多播发送PATH报文 表示PATH报文 IntServ体系结构在路由器中的实现 路由选择协议 路由选择数据库 RSVP 接纳控制 管理代理 通信量控制数据库 分类器与分组转发 调度器 分组入 分组出 IntegratedServices 评价 优点 可以实现端到端的QoS缺点 端到端的信令协议使得这种模型难以在Internet上部署在途经的每个中转节点上都留有对每个流进行资源预留的软状态信息 存储开销定时刷新的PATH RESV消息 通信开销RSVP协议无法预留资源并不等于网络上没有足够的资源可扩展性问题 综合服务IntServ体系结构存在的主要问题 1 状态信息的数量与流的数目成正比 因此在大型网络中 按每个流进行资源预留会产生很大的开销 2 IntServ体系结构复杂 若要得到有保证的服务 所有的路由器都必须装有RSVP 接纳控制 分类器和调度器 3 综合服务IntServ所定义的服务质量等级数量太少 不够灵活 5区分服务DiffServ DifferentiatedServices 1 区分服务的基本概念由于综合服务IntServ和资源预留协议RSVP都较复杂 很难在大规模的网络中实现 因此IETF提出了新的策略 即区分服务DiffServ 区分服务有时也简写为DS 因此 具有区分服务功能的结点就称为DS结点 DifferentiatedServices IETF于1998年提出 rfc2475主要思想 边缘节点 类聚合 准入控制 流量调节内部节点 基于类的调度转发数据流聚合与分类 DS字段 TOS或TrafficClass 在支持DiffServ的网络节点中 DS字段被映射到一类转发行为 PHB 中 DifferentiatedServices 服务模型 DifferentiatedServices 服务模型 边缘路由器 核心路由器 核心路由器 边缘路由器 DATA DATA DATA DATA DS字段分类器 调度器 DifferentiatedServices DS域 边界 内部DS字段DS行为集 DSBA 转发行为 PHB 服务等级协定 SLA 区分服务DiffServ的要点 1 DiffServ在路由器中增加区分服务的功能 DiffServ将IPv4协议中原有的服务类型字段和IPv6的通信量类字段定义为区分服务字段DS 路由器根据DS字段的值来转发分组 利用DS字段可提供不同等级的服务质量 DS字段现只使用前6bit 即区分服务码点DSCP DifferentiatedServicesCodePoint CU DSCP 比特0567 暂不使用 服务等级协定SLA ServiceLevelAgreement 在使用DS字段之前 因特网的ISP要和用户商定一个服务等级协定SLA 在SLA中指明了被支持的服务类别 可包括吞吐量 分组丢失率 时延和时延抖动 网络的可用性等 和每一类所容许的通信量 DS域 DSDomain 2 网络被划分为许多个DS域 DiffServ将所有的复杂性放在DS域的边界结点 boundarynode 中 而使DS域内部路由器工作得尽可能地简单 内部路由器 边界路由器 内部路由器 B B B B DS域 DS域 3 边界路由器中的功能 边界路由器中的功能较多 可分为 分类器 classifier 通信量调节器 conditioner 两大部分 调节器的组成 标记器 marker 整形器 shaper 测定器 meter 边界路由器中的各功能块的关系 内部路由器 边界路由器 入口 边界路由器 出口 分类器 标记器 整形器 测定器 根据DS值进行转发 调节器 分组入 分组出 丢弃 4 聚合 aggregation DiffServ提供了一种聚合功能 DiffServ不是为网络中的每一个流维持供转发时使用的状态信息 而是将若干个流根据其DS值聚合成少量的流 路由器对相同DS值的流都按相同的优先级进行转发 这就大大简化了网络内部的路由器的转发机制 区分服务DiffServ不需要使用RSVP信令 每跳行为PHB Per HopBehavior 行为 就是指在转发分组时路由器对分组是怎样处理的 每跳 是强调这里所说的行为只涉及到本路由器转发的这一跳的行为 而下一个路由器再怎样处理则与本路由器的处理无关 这和IntServ RSVP考虑的服务质量是 端到端 的很不一样 DiffServ定义的两种PHB 迅速转发PHB即EFPHB 或EF EF指明离开一个路由器的通信量的数据率必须等于或大于某一数值 因此EFPHB用来构造通过DS域的低丢失率 低时延 低时延抖动 确保带宽的端到端服务 像点对点连接或 虚拟租用线 又称为Premium服务 DiffServ定义的两种PHB 确保转发PHB即AFPHB 或AF AF用DSCP的比特0 2将通信量划分为四个等级 并给每一种等级提供最低数量的带宽和缓存空间 对于其中的每一个等级再用DSCP的比特3 5划分出三个 丢弃优先级 当发生网络拥塞时 对于每个等级的AF 路由器首先把 丢弃优先级 较高的分组丢弃 DifferentiatedServices 评价 优点 可以实现对IP分组的区分服务业务流聚合成服务类型 种类少 复杂操作由边缘节点完成 对核心路由器要求低在网络中不用维护每一个流的信令和状态可扩展性好缺点 自身无法完成端到端QoS保证网络资源管理复杂协议的简单带来网络规划的复杂 6多协议标记交换MPLS6 1MPLS的产生背景 在20世纪90年代问世的面向连接的ATM技术在传送实时数据时能够保证服务质量QoS 但ATM网络未能取代现有的电信网络和计算机网络 这不仅是因为ATM网络价格昂贵 而且还因为ATM网络和上层的应用结合得很不好 相反 基于IP的因特网与各种应用已经结合得很好 因此ATM网络必须与IP网络相结合才有出路 在90年代中期ATM交换机已广泛地使用在宽带因特网的主干网中 ATM用作主干网 PoP PoP PoP ATM交换机 ATM主干网 PoP 汇接点 主干路由器 PoP 接入路由器 覆盖模型很难协调IP和ATM网络的巨大差异 IP是无连接的 而ATM是面向连接的 IP只提供尽最大努力交付的服务 而ATM能确保服务质量QoS 随着网络规模的不断扩大 和ATM主干网连接的主干路由器的数目就大大增多 以致需要建立非常多的永久虚通路 导致难以维持庞大的ATM地址到VCI的映射表 从分组转换为信元时每一个信元的5字节首部开销相当大 这常称为信元税 celltax 同时维护两种体系结构完全不同的网络也很不方便 多协议标记交换MPLS MultiProtocolLabelSwitching IETF于1997年成立了MPLS工作组 MPLS使用综合模型 它把第三层的路由选择功能与面向连接的第二层的交换功能综合在一起 MPLS的特殊功能 1 支持面向连接的服务质量 2 支持流量工程 平衡网络负载 3 有效地支持虚拟专用网VPN 4 支持多种网络协议 6 2MPLS的工作原理1 基本工作过程 MPLS对打上固定长度 标记 的分组用硬件进行转发 使分组转发过程中省去了每到达一个结点都要查找路由表的过程 因而分组转发的速率大大加快 采用硬件技术对打上标记的分组进行转发称为标记交换 交换 也表示在转发分组时不再上升到第三层用软件分析IP首部和查找转发表 而是根据第二层的标记用硬件进行转发 MPLS的基本工作过程 1 MPLS域中的各LSR使用专门的标记分配协议LDP交换报文 并找出标记交换路径LSP 各LSR根据这些路径构造出分组转发表 2 分组进入到MPLS域时 MPLS入口结点把分组打上标记 并按照转发表将分组转发给下一个LSR 3 以后的所有LSR都按照标记进行转发 每经过一个LS