IP网络的服务质量 QOS 优先级 流量管理

1、第六章IP网络的服务质量,IP网络的服务质量,概述 综合服务模型 区分服务模型 综合-区分服务模型 移动性和服务质量,主要内容,IP网络的服务质量,概述 综合服务模型 区分服务模型 综合-区分服务模型 移动性和服务质量,主要内容,1. 概述,背景,IP将成为未来各种网络技术和业务的融合平台 QoS: Quality of Service，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、IEEE 802.11、3G,1. 概述,ITU-T：QoS是一个综合指标，用于衡量一个服务的满意程度。 IETF：QoS是在传输一个“流”时，网络能够

2、满足相应的服务需求 Cisco：QoS是指一个网络能够利用各种底层技术向选定的网络业务提供更好的服务的能力。这些底层技术包括：帧中继（Frame Relay）、异步传输模式（ATM）、以太网、SONET以及IP-路由网络等,QoS定义,1. 概述,带宽（bandwidth）：给定介质、协议或连接的额定吞吐量，实际上指应用程序在网络中通信所需要的“管道大小”，也可以认为是用户对网络传输速率的要求。 最小带宽（最小分组速率（Least Packet Rate）：传输中的最小瞬时速率，可用产生两个相邻分组的最大时间间隔的倒数来表示 峰值带宽（峰值分组速率（Peak Packet Rate）：传输中的

3、最大瞬时速率，可用产生两个相邻分组的最短时间间隔的倒数来表示； 平均带宽（平均分组速率（Sustained Packet Rate）：一段时间内分组传输的平均速率； 延时（delay）：分组从发送端到达接收端的时间间隔 传输延时：transmission delay）：发送分组的第一个比特到发送最后一个比特的时间间隔，取决于发送接口的速率和分组的大小。 传播延时：（propagation delay）：发送分组的一个比特到接收端接收到该比特的时间间隔，取决于传输介质和传输距离。 处理延时（processing delay）：分组从到达节点到进入输出队列的时间间隔，包括对分组头标处理，路由查找等

4、，取决于节点的处理能力和分组处理的复杂度。 排队延时（queuing delay）：分组从进入输出队列到开始输出的时间间隔，取决于队列长度和调度策略。 延时抖动（delay jitter）：端到端延时的变化特性，由延时的可变部分的变化导致的，流量的突发、不公平的队列调度算法都可能导致较大的延时抖动。,QoS度量参数,1. 概述,模型,QoS保证原则,1. 概述,1Mbps的VoIP应用和FTP应用共享1.5Mbps带宽的链路 突发的FTP可能引起路由器拥塞并且导致VoIP分组延迟增加或者丢失 应该给予VoIP更高的优先级,QoS保证原则,原则1：路由器需要标记分组，以区分不同类别的业务，并且需

5、要相应的策略对分组进行处理,1. 概述,应用不遵守约定行为，例如VoIP的分组发送速率超过了约定的1Mbps,QoS保证原则,原则2：需要将各种类型的业务相隔离，也就是说保护一种类型的业务不受其它业务的影响，这就需要一种策略机制来确保发送分组的主机遵循约定的带宽，在边缘需要执行标记和相应的策略,1. 概述,对于标记和策略机制，还需考虑：当给每个应用分配一部分带宽以后，如果某个应用没有完全使用分配的带宽，将会导致带宽利用率降低,QoS保证原则,原则3：当提供业务隔离时，应该尽可能地有效利用网络资源,1. 概述,应用的需求不能超过链路容量,QoS保证原则,原则4：需要接入控制机制，网络可以根据应用

6、的需求以及网络资源状况来决定是否接受或者拒绝一个应用,1. 概述,总结,QoS保证原则,1. 概述,综合服务模型 区分服务模型 综合-区分服务模型,QoS模型,All Proposed by IETF,IP网络的服务质量,概述 综合服务模型 区分服务模型 综合-区分服务模型 移动性和服务质量,主要内容,2. 综合服务模型,综合服务：IntServ IETF的IntServ工作组于1994年提出 同时支持实时和非实时业务 在每个实时业务开始之前，由终端设备向网络发出请求，为它预留必要的网络资源（带宽、处理、存储），通过在网络中使用拥塞控制和队列调度机制，使实时业务的带宽和延迟得到保证 “流”：来

7、自单一用户具有相同QoS需求，且可识别的数据分组序列 IntServ中能识别的最小粒度 流是单向的，它具有单一的发送端和N个接收端,概述,2. 综合服务模型,参考实现框架,资源预留协议负责逐跳（hop-by-hop）建立或拆除每个流的资源预留软状态（soft state） 接纳控制根据链路和网络节点的资源使用情况以及具体的QoS请求决定是否接受一个资源预留请求 分组分类器对到达的数据分组进行分类，然后分别放入不同的输出队列 分组调度器根据不同的策略和分配的资源对各个队列中的分组进行调度转发,分组转发路径,后台执行代码,业务量控制机制,2. 综合服务模型,资源预留协议处理模型,RSVP: Res

8、ource ReSerVation Protocol ，用来在源和目的之间路径上预留资源 RSVP位于协议栈的传输层，但是不传输应用数据，更像一个Internet控制协议 资源预留请求是单向的，也就是仅在一个方向上进行资源预留,2. 综合服务模型,资源预留协议运行机制,PATH 发送主机的IP地址，UDP/TCP端口号等参数组成的Template 描述发送方发送的业务流特征的参数TSpec 沿途节点QoS控制能力与需求信息的描述参数ADSpec RESV 接收端预留的资源参数FLOWSpec 描述业务流特征的参数TSpec 描述所要求服务的参数RSpec,发送主机,路由器,路由器,接收主机,2

9、. 综合服务模型,面向接收（Receiver-Oriented）：由接收主机根据需要预留 软状态（soft state）：定期发送PATH和RESV消息维护 组播支持：1对多通信,资源预留协议特点,发送主机1,路由器1,接收主机1,接收主机2,路由器1,PATH,RESV,RESV,RESV （已合并）,2. 综合服务模型,传统的Internet分组转发 FIFO：First In First Out 业务无区分 业务量控制机制为流提供不同的服务质量 接纳控制（Admission Control） 分组分类（Packet Classify） 分组调度 （Packet Schedule） 分组丢

10、弃（Packet Drop）,业务量控制机制概述,2. 综合服务模型,接纳控制：Admission Control 根据当前资源情况，判断是否同意接入一个新的流的QoS请求 两种接纳控制算法 基于资源预留参数的接纳控制：根据节点以前同意接入的所有请求的服务参数，用每个服务最坏情况的边界值来进行计算 基于资源实际使用情况的接纳控制：测量现有数据流的实际链路带宽利用率，据此来判定是否接纳一个新的流,业务量控制机制接纳控制,2. 综合服务模型,分组分类：Packet Classify 将输入分组映射到某个类，放入不同的输出队列 一个类可能包含有多个流 多字段（MF：Multi-Field）分类器 源

11、/目的IP地址、源/目的端口、协议类型 原则：考虑分类粒度和处理开销之间的平衡 用于分类的字段越多，处理开销越大,业务量控制机制分组分类,2. 综合服务模型,分组调度 ：Packet Schedule 从多个输出队列中选择下一个要转发的分组 分组调度算法 严格优先级调度（Strict Priority Scheduling） 队列按优先级递减排序，只有在高优先级的队列为空时，才服务下一个优先级的队列 低优先级队列的分组可能被完全阻止发送（处于饥饿状态） 映射到高优先级队列的业务量不超出允许的局部输出链路的容量 加权公平队列WFQ（Weighted Fair Queuing） FQ：公平队列 F

12、i = Max(Fi-1，Ai) + Pi，下一个被传送的分组具有最小的Fi Fi：路由器发送分组i的结束时间 Ai：分组i到达路由器的时间 Pi：发送分组i所需的时间 WFQ：根据权重来确定每个队列所获得的链路带宽的百分比 为每个队列制定一个权重，对于FQ，每个队列权重为1,业务量控制机制分组调度,每个输出队列都是FIFO队列,2. 综合服务模型,分组丢弃：Packet Drop,业务量控制机制分组丢弃,当路由器队列（缓冲区）溢出或者将要溢出时将开始丢弃分组 被动丢弃：队尾丢弃（Drop Tail） 主动丢弃：随机早期检测（RED：Random Early Detection ）丢弃,Qav

13、g（1Wq） QavgQinst Wq,2. 综合服务模型,保证型服务（GS：Guaranteed Service ） 提供完全保证的服务质量，用于要求低延时的业务，其最大延时和带宽能够得到定量保证 受控负载型服务（CLS：Controlled-Load Service ） 没有固定的时延保证，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 受控负载业务与其它业务分离：WFQ调度算法 链路上的受控负载业务总量：接纳控制 尽力服务（Best Effort）,服务类型,2. 综合服务模型,提供端到端的QoS保证 基于流的细粒度资源分配 存在可扩展性问题 必须建立和维护“每流”的预留状态信息 需

14、要对每个流进行接纳控制、分类等操作,IntServ的特点,存储、处理开销随着流的数量的增加而急剧增长,IP网络的服务质量,概述 综合服务模型 区分服务模型 综合-区分服务模型 移动性和服务质量,主要内容,3. 区分服务模型,区分服务：DiffServ IETF的DiffServ工作组于1998年提出 解决IntServ的可扩展性问题，在分组中携带的信息决定如何处理，而不需要使用RSVP协议 基于类的QoS保证，通常在核心网中使用 当业务到达区分服务区域（DS区域）的边缘时，边缘路由器使用分组头标中的区分服务标记域（DS field）对其进行聚类，网络对同类业务给予相同的QOS保证,概述,DS区

15、域：连续的多个实现相同服务策略的DS路由器组成的组,3. 区分服务模型,结构模型,边缘路由器：业务量分类和调节，对分组头标中的DS域进行标记，标记值被称为DSCP 中心路由器：根据IP分组DS域中所标记的DSCP值，来选择所对应的转发处理，即逐跳行为（PHB），从而对分组进行调度转发 SLA（Service Level Agreement）协商：不同DS区域之间的分类规则、重新标记规则以及业务流应该符合的业务量配置文件,3. 区分服务模型,结构模型,边缘 路由器,中心 路由器,中心 路由器,边缘 路由器,DATA,DATA,DATA,DATA,分类器,度量器,标记器,整形/丢弃,业务量调节器,

16、传输调度,行为汇聚分类器（BA）：根据DS域对分组进行分类 多域分类器（MF）：根据不同的头标域或者头标域的组合来分类分组,3. 区分服务模型,DS域定义 IPv4头标的TOS（Type of Service，TOS）域或IPv6头标的业务量等级（Traffic Class）域的前6比特 DSCP：DS域中的具体值，DS节点根据DSCP选择特定的PHB,DS域定义与DSCP,复习,3. 区分服务模型,在每个节点上描述根据DSCP对特定类进行资源分配的方式 具体由相应的队列调度算法例如WFQ来实现 四种PHB BE（Best Effort ），缺省型PHB EF（Expedited Forwar

17、ding ），加速转发型PHB AF（Assured Forwarding ），确定转发型PHB CS （Class Selector ），兼容IP优先级的类选择型PHB,逐跳行为概述,3. 区分服务模型,加速转发型PHB： EF PHB 为某种业务量集合提供低丢失率、低延时和低延时抖动的服务 严格限制EF分组到达路由器的速率小于路由器转发EF分组的速率 通过在DS域的边缘配置边缘路由器，使得进入到DS域内的EF分组达到某一最大速率，从而实现对EF分组速率的限制 EF实现策略 严格优先级队列：EF分组具有高于其它分组的优先级 加权公平队列WFQ：设置EF分组的权重足够大 推荐DSCP为1011

18、10,逐跳行为加速转发,3. 区分服务模型,确定转发型PHB： AF PHB 为用户提供不同级别的转发保证,定义了四个等级 IP分组转发保证取决于: 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 DSCP,逐跳行为确定转发型,3. 区分服务模型,兼容IP优先级的类选择型PHB: CS PHB 向后兼容IP优先级队列,历史上IPv4 TOS域的前3比特曾作为优先级队列调度的标志,共定义了8个优先级 可通过严格优先级、循环优先级队列等较为粗略的调度机制实现 DSCP: xxx000,逐跳行为兼容IP优先级的类选择型,000 Routine 001 Prior

19、ity .,3. 区分服务模型,基于聚合类的粗粒度资源分配 具有较好的可扩展性。DS域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 易于实现。一般只在网络的边缘上才需要复杂的分类、标记、整形等操作 无法提供端到端的QoS保证,DiffServ特点,IP网络的服务质量,概述 综合服务模型 区分服务模型 综合-区分服务模型 移动性和服务质量,主要内容,4.综合-区分服务模型,Int-DiffServ,IntServ模型：接入网络 DiffSev模型：核心网络 IntServ和DiffServ网络之间的映射机制,端到端QoS,IP网络的服务质量,概述 综合服务模型 区分服务模型 综合-区分服务模型 移动性和服务质量,主要