第五章网络服务质量ppt课件

.,第五章网络服务质量,5.1网络服务质量概述5.2网络服务质量的衡量指标5.3综合服务模型IntServ和资源预留协议RSVP5.4区分服务模型DiffServ5.5InterServ和DiffServ相结合的QoS模型5.6多协议标记交换MPLS,.,第5章网络服务质量,.,5.1网络服务质量（QoS,QualityofService）概述1、问题的提出互联网本身只能提供“尽力而为的服务”或称“尽最大努力交付的服务”。对于早期以纯数据传输业务为主的互联网来说？是可以保障传输质量的。当互联网越来越多的用于传输多媒体信息时？由于这些实时业务对网络的传输延时、延时抖动等特性较为敏感，这样网络的传输质量就难以保障了。后果？IP网络不能保证特定业务的QoS要求，已经成为IP网络发展的巨大障碍。网络的服务质量越来越多的引起人们的关注，甚至成为网络技术研究的热点问题。2、什么是网络服务质量：指IP分组或数据流通过网络时网络所表现出来的性能。,.,如何衡量QoS？通过一系列可度量的参量：带宽、分组延迟、延迟抖动和分组丢失率。3、问题的分析QoS涉及用户的要求和网络服务提供者的响应两个方面。（1）用户的要求不同类型的业务对服务质量的要求是不同的，典型的网络服务对QoS的要求如表1所示。,表1典型的网络服务对QoS的要求,.,（2）网络服务提供者的响应指互联网针对某一类服务所能够提供和达到的服务质量如何匹配？协商解决方案：需要提供什么样的网络服务质量QoS，双方之间协商解决。当用户的QoS要求太高，网络无法满足时：将要求用户降低其QoS要求，甚至为了保证其它用户的服务质量而拒绝用户的QoS要求。准入控制过程。,用户与用户之间及用户与网络之间的相互协商机制图示：,.,如何实现协商？为了便于实现协商，双方首先必须定义一个相互协商的机制；其次，定义一系列协商的参数。IETF的做法：将QoS定义为一个2维的空间：其中，服务类型和参数类型都是整型数，取值范围：1254。,.,（1）服务类型其取值范围被划分为3个区间：1，2，127，128，254。1：用于指定通用参数。即：当服务类型的值为1时，参数类型中给定的任何参数都可以被所有的服务所使用。区间2，127：用于表示由IETF定义的各种服务。例如，2表示保证型服务，5表示控制负载型服务。当前，IETF尚未定义更多的服务类型。区间128，254：为研究和实验而预留，可在本地范围任意使用。（2）参数类型区间1，12：保留区间，用于指定那些供所有服务公用和共享的参数。例如，当前可利用的带宽等。服务类型1和该区间的参数值一起组成公用共享参数。例如，(1，5)表示一个可供各种服务共享的QoS参数。区间128，254：由服务规范的设计人员针对特定的服务类型给定，不是共享的。,.,4、适于采用的传输层协议（1）TCP协议，一种面向连接的可靠传输协议。分析发现：重传纠错机制对实时业务的传输很有害，因为重传分组的延迟要远远大于其正常传送的延迟，这将带来相当大的延迟波动。TCP的滑动窗口流控制机制也会带来相当大的延迟波动。采用TCP协议进行实时业务的传输是有害而无益的。（2）UDP协议，一种无连接的不可靠传输协议。分析发现：无重传纠错和流量控制机制，但延迟和延迟波动都非常小采用UDP协议适于进行实时业务的传输结论：采用UDP协议，并在此基础上增加服务质量协商机制。其它解决方案：增大带宽？应用的需求是无止境的，不管网络有多大的带宽都有可能耗尽,.,5、研究现状为了较好地解决网络的QoS问题，各研究团体纷纷开始组织大规模的QoS研究，一些大的通信厂商甚至还联合成立了QoS论坛，协商各种QoS技术标准的实施方案。Internet工程任务组（IETF）则专门成立了：综合业务（IntegratedServices）工作组，1994提出综合业务模型区分业务（DifferentiatedServices）工作组，1998提出区分业务模型。综合+区分：IntServoverDiffServ模型QoS研究的目的是针对不同的业务，通过最优化的使用和管理网络资源，使其尽可能满足多种业务的需求。在当前的网络环境中，QoS的研究内容主要体现在确保实时业务的通信质量这一方面。,.,5.2网络服务质量的衡量指标1、带宽和传输速率带宽（Bandwidth)：指信道所具有的频带宽度，是描述媒介物理特性的一个参数，单位用HZ表示。传输速率(DataRate)：指每秒种传输的二进制比特数，是描述数据流的一个参数，单位用BPS表示。相互关系：受信道物理特性的影响和信号识别对衰减程度的要求，具有一定带宽的信道，其信号传输速率是有限的。一般来说，信号传输的速率越快，要求信道的带宽就越高。信道的带宽越高，信号的传输速率就越快。两者成正比关系。因此，信号传输速率与信道带宽两个概念经常互换使用。计算方法：,.,（1）对于无干扰的理想信道，用奈奎斯特(Nyquist)公式计算：极限传输速率（信道容量）C2Flog2S其中，F为信道带宽(Hz)，S为单位周期内数字信号的状态数（2）对于有干扰的实际信道，用香农(Shannon)公式计算：极限传输速率（信道容量）CFlog2(1+S/N)其中，S为数据信号平均功率（W），N为干扰信号平均功率（W）。一般的数据通信系统都必须保证S/N的比值2、分组延迟和延迟抖动分组延迟：分组的第一个bit离开发送端与分组的最后一个bit到达接收端的时间间隔分组延迟可以细分为4个部分：（1）发送时延（传输时延，transmissiondelay）：发送数据时，数据分组从结点进入网络所需的时间。也就是从所发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间。它取决于发送接口的速率和分组的大小。发送时延分组长度/信道带宽,.,（2）传播时延：分组在网络中传播而花费的时间，即发送端发送出分组中的某一个比特到接收端接收到该比特所经过的时间间隔，它取决于传输介质和传输距离。注意：信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。（3）处理时延（processingdelay）：交换结点为存储转发分组而进行一些必要的处理所花费的时间，即分组从到达节点到进入输出队列的时间间隔，包括对分组头处理，路由查找等，它取决于节点的处理能力和分组处理的复杂度。（4）排队时延（queuingdelay）：分组从进入队列到开始传输所经过的时间间隔，或者说分组在路由器等结点的缓存队列中排队所经历的时延。排队时延取决于平均队列长度（反映的是网络中的数据流量）和调度策略。分组总时延发送时延传播时延处理时延排队时延如何减少时延？提高网络的带宽、增加路由器等结点的缓存空间和处理能力,.,延迟抖动：分组延迟的变化程度。反映的是端到端延时的变化特性。产生原因？由延时的可变部分的变化导致的。如：流量的突发、不公平的队列调度算法。影响程度：延迟抖动越大，网络服务质量越难以控制，网络越容易出现拥塞。3、分组丢失率和超时重传率丢失原因：因为出现拥塞而被迫丢失因避免出现拥塞而被主动丢弃。分组丢失率：单位时间内丢失的分组数量与所传输的分组数量的比值。取平均值(因为不同时刻，网络中的数据流量以及拥塞程度不同)超时重传率：单位时间内被重传的分组数量与发送的分组总数的比率。取一段时间内的平均值。,.,误码率：二进制符号在传输系统中被传错的概率。误码率Pe接收的错误比特数/传输的总比特数分组丢失率、超时重传率和误码率都是衡量网络传输质量的一个重要参数。4、网络吞吐量和网络利用率吞吐量(throughput)：单位时间内通过网络(或信道、接口)的数据量。信道利用率：信道的使用效率。网络利用率：网络中全部信道的利用率的加权平均值。考虑到可能出现的网络拥塞，信道利用率或网络利用率并非越高越好。,.,5.3综合服务模型IntServ和资源预留协议RSVP1、IntServ/RSVP的体系结构模型和工作原理IntServ/RSVP综合服务体系结构模型基本思想：一个应用要想获得某种服务质量，必须在向网络传送流量之前请求网络为其预留所需资源。实现方式：在会话开始之前，源端和目的端之间建立一条专用链路。IntServ/RSVP实际上提供了一种类似于电路级(circuitlevel)的服务质量，理论上是可以实现完全的端到端QoS。籍此，IntServ/RSVP可以支持多种不同级别的服务类型。服务类型的定义：（1）有保证的服务（GuaranteedService，GS）：对带宽、时延、丢包率提供定量的质量保证。例如，可以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。,.,（2）受控负载的服务（Controlled_LoadService，CLS）：没有固定的服务质量（带宽、时延、丢包率）保证，能够提供一种相当于网络节点在低负载情况下的尽力服务。（3）尽力而为的服务（BestEffort，BE）：类似于Internet提供的尽力而为的服务，基本没有质量保证。IntServ的4个功能部件：（1）分类器（PacketClassifier）：根据预置的一些规则，对进入路由器中的分组进行分类。分组经过分类以后被放到不同的队列中等待提供服务。（2）调度器(PacketScheduler)：基于一些调度算法，对分类的分组队列进行调度。（3）接纳控制器(AdmissionControl)：基于用户和网络达成的协议，对用户的访问进行一定的监视和控制，以利于保证双方的共同利益。（4）资源预留协议（RSVP：ResourceReservationProtocol）：Internet上的信令协议。,.,预留的资源：缓冲区及带宽的大小等。实现过程：在路由的每一跳上进行，由此提供端到端的QoS保证。适用环境：由于RSVP是单向的资源预留，因此适用于点到点以及点到多点的通信环境。RSVP的属性：不属于传输层的协议，而是属于网际层的控制类协议（在此称为信令协议），只用于预留资源、不用于携带应用数据。资源预留时间：为了适应网络拓扑路由及QoS要求的变化，各路由器中的预留信息只存储有限的时间。RSVP请求及路由器维护的状态信息要做周期性的刷新。IntServ/RSVP综合服务体系结构模型：,.,.,.,2IntServRSVP模型的优点（1）IntServ/RSVP可提供严格的端到端细粒度的服务质量，能够提供绝对有保证的QoS。RSVP运行在从源端到目的端的每个路由器上，因此可以监视每个业务流，从而可以防止其消耗的资源比它请求预留的资源要多的情况。（2）能够像支持单播流那样方便地支持多播流。RSVP采用了面向接收者的方法，它能够识别多播流中的所有接收端，然后发送PATH消息给它们。并且它可以把来自多个接收端的REVP消息汇聚到一个网络汇聚点上。3IntServRSVP模型的缺点（1）扩展性不好。由于它是基于流的、与状态相关的服务模型，随着流数目的增加，状态信息的数量将成比例地增长，因此它会占用过多的路由器存储空间和处理开销。,.,（2）对路由器的要求较高，实现复杂。由于需要进行端到端的资源预留，因此必须要求从发送者到接收者之间的所有路由器都支持必要的信令协议，所有这些路由器都必须实现RSVP、接纳控制、分类和调度。（3）不适用于业务量较小的“流”。因为这种情况下为该“流”预留资源的开销很可能大于处理流中有效数据的开销。但是，目前Internet流量绝大多数是由业务量较小的突发流构成的（如Web应用），当这些流只需要一定程度的QoS保证时，集成业务模型的效率很低。IntServ/RSVP模型是对提高Internet的QoS性能做出的最初尝试，是为了保证视频会议这一类长生存期(long_lasting)的实时应用。对于一些随机的突发性实时业务流来说，如果对每一个短暂的会话都启动资源预留就有些得不偿失了。（4）综合服务IntServ所定义的服务质量等级太少，不够灵活,.,4关于资源预留的争议预留是必要的呢，还是因特网保持原来的尽力而为服务更好一些？反：增加了网络中路由器的复杂性，开销较大并且难以管理。光纤和密集波分复用（DWDM）技术使网络带宽充裕和便宜到可以自动保证QoS的程度，采用尽力而为服务比资源预留协议所带来的复杂性和成本要低得多。实现方式：只需在接收端增加一个较大的缓冲区以及通过编写能够适应网络拥塞变化的自适应性程序来改善实时业务的质量。正：基于资源预留的各种QoS机制与TCP那种基于反馈的拥塞控制机制相比能提供更多的和可变的QoS保证。高可靠度的多媒体应用比传统的Internet所提供的尽力而为服务有更高的质量和更加可预测的网络服务要求。带宽总是稀少的资源，不管网络所提供的带宽充裕到何种程度，都会被不断涌现的新业务所吞噬。,.,数据网络界支持“尽力而为”，强调在现有的网络环境中为用户提供各种可能的服务；通信界支持“连接和预留”，更强调QoS的保证。争论的结果：提供QoS机制。目前几乎所有主要的路由器交换机生产厂商都在它们的高端产品中提供了一些QoS机制。存在的问题：引入QoS机制带来了管理和计费等方面的问题，改变了数据网络界所倡导的“Internet是自由的”理念，而正是这种理念在某种程度上促成了Internet近年来的爆炸式增长。很难对两种技术进行简单的取舍，而只能根据实际情况在两者之间做出一个适当的折衷。,.,5.4区分服务模型DiffServ1、区分服务模型DiffServ的基本原理在流进入网络传输之前，Internet服务提供商（InternetServiceProvider，ISP）要和用户通过协商形成一个服务等级协定（ServiceLevelAgreement，SLA），确定所支持的业务级别（也可称之为服务类别，包括吞吐量、分组丢失率、时延和时延抖动、网络的可用性等），连同在每个业务级别中所允许的通信量。在网络入口处，根据用户和ISP签订的服务等级协定SLA，为每个分组分配一个区分服务码点（DiffServCodePoint，DSCP），并填入每个分组的DS域。SLA可以采用静态和动态两种方式确定：（1）静态SLA需要定期地协商，如以月或按年为单位；（2）动态SLA的客户可用某种信令协议（如RSVP）动态地请求所要求的服务。,.,DS域：在1998年IETF推出区分服务模型DiffServ后，就重新命名了IPv4报头的TOS域和IPv6报头的TC域，统一定义为DS域。DS域被分割为一个6比特的DSCP字段和一个2比特的未用（CurrentUnused，CU）字段。每个DSCP值就对应了一种特定的服务等级。DS域的构成和使用情况如下：,.,处理过程：在网络的核心处，路由器就根据该DSCP值来决定分组的逐跳行为（PerHopBehavior，PHB）。具有相同DSCP值的分组将接受相同的处理，按相同的优先级进行转发。这样，还可以实现行为聚合（BehaviorAggregate，BA）。DiffServ可以将网络中的若干个流根据其DS域中的DSCP值聚合成少量等级的流，以减少调度算法处理的队列数量，减少路由器转发机制的复杂程度。DiffServ域的概念：一个DiffServ域由许多路由器组成。处于域边缘的路由器称之为边缘路由器(EdgeRouter，ER)，处于域核心的路由器称之为核心路由器(CoreRouter，CR)。DiffServ将对流的复杂处理推向网络的边缘，由边缘路由器ER来完成分组的分类和流量调节等大量的工作。核心路由器CR的工作相对简单，不再维护节点的状态信息，仅完成相应的逐跳行为PHB操作。对于DiffServ模型来说，具有很好的扩展性和伸缩性。,.,边缘路由器可以扩展为边缘结点，除路由器外，也可以是主机或防火墙。当分组进入核心路由器后，核心路由器只要根据DSCP的值进行转发即可。但是当一个分组从一个域（domain）进入另外一个域时，其DS字段可能会被重新标记，这由两个域之间的SLA确定。,.,DiffServ模型的工作原理,.,DiffServ中定义了三种业务类型：（1）快速转发（ExpeditedForwarding，EF）：指离开路由器的速率不小于一个定值，DSCP推荐值为101110。通过快速转发EF可以提供低时延、低时延抖动、低丢失率和确保带宽的端到端有保证的服务。这种服务又称为最优（Premium）服务，类似专线或租用线的业务，如虚拟专用线路VLL的端到端服务。EF分组具有高于其它分组的优先级，因此，对于实时业务应采用快速转发EF类型。（2）尽力而为（BestEffort，BE）：类似目前Internet中尽力而为的服务。这种服务又称为默认服务，具有最低的优先级，DSCP推荐值为000000。（3）保证转发(AssuredForwarding，AF)：利用DSCP的低3位将通信量分为四类，即4个服务等级(分别为001，010，011，100)，并给每一类提供最低数量的带宽和缓存空间。对于其中的每一个类再用DSCP的高3位划分成三种不同的丢弃优先级(分别为010，100和110，从最低到最高)。,.,服务等级和丢弃优先级之间的组合关系：,进行IP分组转发取决于：多少资源分配给此分组所属的AF等级；此AF等级当前的负载和拥塞情况；分组的丢弃优先级。当网络发生拥塞时，路由器就首先将最低服务等级和最高丢弃优先级的分组丢弃。,.,1.区分服务DiffServ模型的优点（1）扩展性好：DS域只是规定了有限数量的业务级别，并没有定义特定的服务或特定的服务类别。当新的服务类别出现而旧的服务类别不再使用时，区分服务DiffServ机制不发生任何变化，仍然正常工作。DiffServ的服务粒度不再是每个流，而是比流更“粗”的粒度，如按用户而不是按用户应用进行粒度区分。因此，状态信息的数量正比于业务级别，而不是流的数量。（2）便于实现：DiffServ将其大部分实现复杂度转移到网络的边缘上，只在网络的边界上才需要复杂的分类、标记、测定和整形操作。而在网络核心只需实现最简单的服务保证机制。更为重要的一点是DiffServ模型通过约定的DSCP值来表示不同的服务等级，从而只需在网络边缘进行用户服务请求到DSCP的映射，免去了网络核心结点显式预留信令的必要，从而降低了其实现复杂度。并且区分服务模型对路由器的要求较小，这些都有利于在Internet上实现区分服务。,.,（3）不影响路由：与一些以虚电路方式实现QoS的方案(如ATM)不同，区分服务结点提供服务的方法仅限于队列调度和缓冲管理，不涉及路由选择机制。因此，可广泛用于骨干网中。2.区分服务DiffServ模型的缺点由于Diffserv仍采用了逐跳路由的分组转发方式，因而对端到端的QoS支持显得不足，自身无法提供端到端的QoS保证。3.展望目前，DiffServ仍在不断向前发展，一些新的业务类型不断涌现，有的已经形成标准，如兼容优先级队列的类型选择型（ClassSelector，CS）业务。有的仍在讨论中，如允许丢失的快速型EFD。但DiffServ的体系结构已经比较明确，有关服务提供的相关问题也在逐步清晰化，大量的路由器等产品都提供对区分服务DiffServ的支持。,.,5.5InterServ和DiffServ相结合的QoS模型1、质量/效率因子的概念网络管理者在提供各种QoS服务时必须要面临的一个问题是在QoS和资源使用效率上进行折衷。在一个网络中，如果采用固定的QoS机制，那么QoS和资源使用效率近似成反比。QoS的提高在很大程度上依赖于网络中存在的可以利用的资源，如果网络资源缺乏时，QoS将相应地下降。一个网络中QoS和资源使用效率倒数的乘积称为该网络的质量/效率（QE）因子。采用不同的QoS机制对网络增加的额外开销是不同的，所以当网络管理者决定实施某种QoS机制时必须考虑到这种情况为此，IP网络中不仅需要通过采用多种QoS机制来满足多种业务对QoS的要求。而且我们还应最优化地组合这些QoS机制来进一步提高网络的QE因子。并尽可能通过与网络结构的匹配，达到支持QoS的端到端及顶到底的通信保障的目的。,.,2、IntServoverDiffServ模型模型的基本思想：在网络的边缘处采用IntServ/RSVP机制，而在网络的核心处采用DiffServ机制。终端主机可以采用具有很高量化程度(如带宽、时延抖动门限等)的RSVP请求，然后由边缘路由器将此RSVP预留的资源映射到相应的服务级别上去。模型形式：,.,关键：在于域交界处的处理。这又将包括两个方面：（1）控制面的资源预留（2）数据面的服务类型映射，即如何把一个IntServ服务类型的分组分类映射为一个DiffServ的PHB。资源预留的过程，有两种模式：静态的资源供给：DiffServ域对PATH报文和回传的RESV报文做透明传输。只是RESV报文到达边缘路由器ER时，将触发接纳控制，以决定DS域能否接收指定的flowspec。动态的资源供给：Diffserv域中的每个节点都是标准的IntServ/RSVP节点，这样DiffServ网络是一个能感知RSVP的网络。同时采取一些策略来决定哪些分组由RSVP处理，哪些分组由DiffServ处理。但到目前为止，动态的资源供给还没有一个完善的解决方案。对于服务类型的映射，IntServ中有保证的业务GS可以完全映射为DiffServ中的快速转发EFPHB。对于受控负载的业务CLS可映射为保证转发AFPHB。,.,今后的可能情况：（1）综合业务模型会因为扩展性等问题而无法在WAN上使用，但是它可以在企业网中很好地运行。在LAN上使用InterServ和DiffServ的混合模形来提供端到端的QoS保证；（2）区分服务模型(配合MPLS)在WAN上占有主导地位。两种模型的互通问题：当发送者和接收者之间的通路同时需要LAN和WAN时，如何才能够确保端到端的QoS呢？IETF针对这个问题提出的两种互操作方法：（1）将集成业务覆盖在区分业务网上，同时RSVP信令可以完全透明地通过区分业务网进行传递。而由位于两种网络边缘的设备来处理RSVP信令，并且根据区分业务网络中的资源可用性来提供许可控制。（2）进行简单地并行处理。区分业务网中的每个节点可以具有RSVP功能，同时采取一些策略来决定哪些分组由RSVP处理，哪些分组由DiffServ处理。但是这种模型通常只适用于小型网络。,.,5.6多协议标记交换MPLS,如何使高速骨干网络更快？提速：带宽1G2.5G10G；效果？有限！已有的技术：帧中继，ATM风靡一时，但与IP网络缺少兼容性。现状：90年代初，IETF提出高速骨干网络交换标准MPLS,与IP网络具有很好的兼容性，并于近些年广泛采用。MPLS？MPLS提供的是一种简单的交换机制，在第二层执行硬件式交换，从而减小了数据包处理和转发的延迟。,5.6.1MPLS（MultiProtocolLabelSwitching）的产生背景,.,MPLS的特点：,(1)支持多种链路层协议(帧中继、ATM、以太网、PPP等)；(2)支持面向连接的服务质量；(3)有效地支持虚拟专用网VPN；(4)支持流量工程，平衡网络负载。,.,5.6.2MPLS的工作原理1.概述,实现思想：不用可变长度的IP地址前缀来查找转发表中的匹配项目，而是给每一个IP数据报打上固定长度的“标记”，MPLS对打上固定长度“标记”的分组用硬件进行转发，使分组在转发过程中省去了每到达一个路由结点都要上升到第3层软件查找路由表的过程，而是根据第二层的标记用硬件进行转发，因而分组转发的速率大大加快。相关概念：标记交换：采用硬件技术对打上标记的分组进行转发。标记交换路由器LSR：具有标记交换和路由选择两种功能；MPLS域：内部所有路由器都是标记交换路由器LSR。标记分配协议LDP：MPLS域中的LSR使用。标记分配路径LSP：和特定标记对应的路径。,.,标号转发接口01102131,0,1,S1,S2,S3,0,S1的转发表,0,1,每个分组携带一个叫做标记(label)的小整数。当分组到达交换机时，交换机读取分组的标记，并用标记值来检索分组转发表提高了速度。,MPLS的实现思想,.,MPLS协