IP QoS性能分析仿真研究.docx

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IPQoS性能分析仿真研究

毕业论文

IPQoS性能分析仿真研究

学生姓名：

张少芳学号：

0705074113

学院：

信息与通信工程学院

专业：

通信工程

指导教师：

韩慧莲

2011年6月

IPQoS性能分析仿真研究

摘要：

QoS（QualityofService）即服务质量是一个综合指标,用于衡量使用一个服务的满意程度。

随着网络技术的飞速发展,互联网应用的普及,网络服务类型也呈现出多样化特点,由传统的单一数据传输服务发展到视频、音频等多媒体服务。

网络服务类型差异,对网络资源提出的需求也就不同。

而IP网络的初衷仅仅是提供一种称之为“尽力而为”（Best-Effort）的服务,对IP包传递的可靠性和时延等不提供任何保证,这对于只要求准确率而对时延没有严格要求的数据业务来说是合适的,而对于话音、视频等各种实时性新型业务,其服务质量（QualityofService,QoS）是难以保证的。

如何实现端到端的QoS已经成为一个棘手的课题摆在人们面前。

IP网络不能保证业务特定的QoS要求已经成为IP网络向宽带综合服务网络发展的巨大障碍。

如何解决IP网络的QoS要求,以使网络能够灵活地根据业务的具体特点提供给客户满意的服务,是IP业界亟待解决的问题。

本课题介绍了在IP网上实现多媒体数据传输时服务质量（QoS）的服务标准和服务种类,并介绍了IPQoS的主要参数和IPQoS需要实现的功能。

分析了IPQoS的体系结构:

IntServ体系结构、DiffServ体系结构、MPLS体系结构。

在IntServ结构中重点分析了其核心协议RSVP,同时在DiffServ结构中着重分析了系统结构、核心路由器的服务质量和PHB。

最后，在学习网络仿真软件OPNET的基础上，对RSVP进行了仿真实现。

关键词：

服务质量（QoS）；区分服务（DiffServ）；综合服务（IntServ）；MPLS（多协议标记交换）；OPNET

PerformanceAnalysisandSimulationofIPQOS

Abstract：

QualityofServiceisaCompositeIndicator,whichisusedtomeasurethesatisfactionofaservice.AlongwiththerapiddevelopmentofnetworktechnologyandthewiderapplicationofInternet,thenetworkservicealsopresentsthecharacteristicsofdiversification,fromtraditionaldatatransferringbusinesstomulti-mediabusinesssuchasvideo,audioandsoon.Differentnetworkservicesresultindifferentnetworkresourcerequests.However,theoriginalintensionofIPisjusttosupplyakindof"BestEffort"servicewithoutguaranteeofthereliabilityandtimedelayoftheIPpassage.Itissuitableforthosedataoperationthatdemandsaccuracy,butnottimedelay;whileforthosereal-timeoperations,suchasvoiceandvideo,thequalityoftheservicecannotbeguaranteed.HowtodealwithQoS（QualityofService）frompeertopeer?

WithpresentIPRoutingTechnologyandNetworkstructure,itisnoteasytoexpandthewholenetworkandtoprovidevariousservices.NotundertakingQoSrequirementhasbecometheobstacleoftheIPNetwork’sdevelopment.Howtoresolvetheproblemandprovidethesatisfiedserviceaccordingtothespecialproceedingflexiblyneedsinstantanswers.DiscussedinthepaperarethestandardsofservicequalityandkindsofmultimediadatatranfissionrealizedonIPnetwork,AnddescribesthemainparametersofIPQoSandIPQoSfeaturesneededtoachieve，andanalyzethesystemstructuresofIPQoS,IntServ，DiffServ,MPLS。

InInteServstructure,forcusismadeonitskernelprolocolRSVPandinDiffServstructure,systemstructure,theservicequalityofkernelRouterandPHB.Finally,learnOPNETnetworksimulationsoftwareandasimulationimplementationofRSVPbasedonit.

Keyword：

qualityofservice（QoS）;differentiatedservice（DiffServ）;integratedservice（IntServ）;MPLS;OPNET

目录

1引言1

1.1研究背景1

1.2国内外研究现状2

1.3研究意义3

1.4研究内容4

2IPQOS技术1

2.1IPQOS基本概念1

2.1.1IPQoS的定义1

2.1.2IPQoS的参数1

2.2IPQOS的三种主要服务模型2

2.2.1IntServ/RSVP（综合服务/资源预留）2

2.2.2DiffServ（区分服务）4

2.2.3WPLS（多协议标记交换）6

2.3IPQOS实现功能9

3OPNET仿真软件10

3.1OPNET简介10

3.2OPNET网络仿真软件的使用10

3.2.1仿真过程10

3.2.2结果分析11

4IPQoS仿真20

4.1FIFO，PQ，WFQ三种队列的仿真比较20

4.1.1仿真过程20

4.1.2结果分析26

4.2RSVP仿真实现29

4.2.1仿真过程29

4.2.2结果分析36

5结论1

参考文献39

致谢40

1引言

随着网络技术的飞速发展,互联网应用的普及,网络服务类型也呈现出多样化特点,由传统的单一数据传输服务发展到视频、音频等多媒体服务。

网络服务类型差异,对网络资源提出的需求也就不同。

QoS（QualityofService）即服务质量是一个综合指标,用于衡量使用一个服务的满意程度。

而IP网络的初衷仅仅是提供一种称之为“尽力而为”（Best-Effort）的服务,对IP包传递的可靠性和时延等不提供任何保证,这对于只要求准确率而对时延没有严格要求的数据业务来说是合适的,而对于话音、视频等各种实时性新型业务,其服务质量（QualityofService,QoS）是难以保证的。

如何实现端到端的QoS已经成为一个棘手的课题摆在人们面前。

IP网络不能保证业务特定的QoS要求已经成为IP网络向宽带综合服务网络发展的巨大障碍。

如何解决IP网络的QoS要求,以使网络能够灵活地根据业务的具体特点提供给客户满意的服务,是IP业界亟待解决的问题。

1.1研究背景

目前，多数运营商对于电信业务网的承载主要采用IP专网的方法，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。

另一种常用的方法是加大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实施，QoS和流量的管理都没有得到很好的解决，多播业务几乎没用应用。

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WWW、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，运营商为增加盈利空间、扩展用户群，也正在尝试在此当一而庞大的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媒体通信，因此如何合理利用IP网络的有限带宽，保证网络的服务质量（QoS），就成了IP网络继续向实时应用和宽带应用领域扩展，进而成为支撑所有业务的统一平台的关键。

1.2国内外研究现状

IPQoS的研究范围十分广泛，不仅包含路由和业务流量控制，还涉及到网络管理、计费和网络测量。

当前有主要的IPQoS技术，QoS管理和测量技术。

IPQoS技术有集成服务（IntServ），区分服务（DiffServ），MPLS。

综合服务（IntServ）：

基本思想是在传送数据之前，根据业务的QoS需求进行网络资源预留，从而为该数据流提供端到端的QoS保证。

资源预留协议RSVP是集成服务的核心，是一种信令协议，用来通知网络节点预留资源。

如果资源预留失败，RSVP协议会向主机发回拒绝消息。

集成服务能够在IP网上提供端到端的QoS保证，但是集成服务对路由器的要求很高，当网络中的数据流数量很大时，路由器的存储和处理能力会遇到很大的压力。

因此，集成服务可扩展性很差，难以在Internet核心网络实施，目前业界普遍认为集成服务有可能会应用在网络的边缘上。

区分服务（DiffServ）：

基本思想是将用户的数据流按照服务质量要求来划分等级，任何用户的数据流都可以自由进入网络，但是当网络出现拥塞时，级别高的数据流在排队和占用资源时比级别低的数据流有更高的优先权。

区分服务只承诺相对的服务质量，而不对任何用户承诺具体的服务质量指标。

在区分服务机制下，用户和网络管理部门之间需要预先商定服务等级合约（SLA），根据SLA,用户的数据流被赋予一个特定的优先等级，当数据流通过网络时，路由器会采用相应的方式（称为每跳行为PHB）来处理流内的分组。

区分服务只包含有限数量的业务级别，状态信息的数量少，因此实现简单，扩展性较好，它的不足之处是很难提供基于流的端到端的质量保证。

目前，区分服务是业界认同的IP骨干网的QoS解决方案，但是由于标准还不够详尽，不同运营商的DiffServ网络之间的互通还存在困难。

多协议标签交换（MPLS）：

MPLS并不是主要的QoS机制，也不是QoS的体系结构，但MPLS的显式路由功能大大增强了在IP网络中实施流量工程的能力。

对于骨干网业务提供者来说，这是目前使用最普遍，可实现性最强的一种QoS机制。

以上三种QoS技术可以结合使用。

例如IntServ和Diffserv结合，在核心网采用Diffserv，在接入网采用IntServ。

又如MPLS和Diffserv结合，或MPLS和QoS路由结合。

目前MPLS+DiffServ技术最有可能成为IP网络运营商首选的QoS方案。

目前IP网没有标准的IPQoS管理模型，只有两个很好的参考模型。

一个是电信管理论坛TMF提出的TOM（TelecomOperationsMap）模型。

TOM在电信管理网（TMN）的四层结构基础上，对每个管理层面的功能和操作进行了具体的描述，使其适合IP网络的管理。

在这个模型中，IPQoS管理主要在业务管理层实现。

TOM还将业务的生命周期分为三个阶段：

业务开通，业务保障和业务计费。

业务开通将用户的QoS要求传送到网络中，并进行相应的配置；业务保障维护协商好的QoS，是IPQoS管理的主要阶段；业务计费进行公平合理的计费。

TOM模型最有可能成为运营商和设备制造商提供QoS业务的参考标准。

另一个模型是IETF提出的基于策略的管理框架。

这个框架将网络中的一些操作和管理抽象出来，称为策略（Policy）。

网络管理者事先定义好一些管理策略，存放到策略信息库中，网络设备根据这些策略自动地进行网络操作。

由于策略由网络管理者统一制定，因此采用不同QoS技术的异构网能够实现统一的QoS管理。

QoS资源管理：

在QoS管理过程中，需要对用户的业务进行接纳控制。

InterServ可以通过资源预留来达到这一目标，但DiffServ还不能实现端到端的资源预留和接纳控制。

为了解决这个问题，出现了带宽代理BB（BandwidthBroker）。

BB实际上就是一个资源管理器，它收集网络的拓扑和节点及链路状态信息，管理网络资源，并结合策略服务器规定的策略进行接纳控制。

DiffServ域之间通过BB进行SLA协商,使DiffServ能够实现端到端的接纳控制和QoS保障。

当前，BB的研究是实现QoS管理的又一个重要环节。

QoS测量的目的是用测量手段取得网络的性能和服务质量指标。

显然，网络的QoS控制、维护、管理和计费都需要QoS测量的支持。

QoS测量有不同的分类方法，按照测量过程中测试设备是否主动发送探测包可分为主动测量和被动测量两类；按照测试设备所处的位置，又可分为基于路由器的测量，端到端测量，以及路由器协助的测量。

QoS测量的内容很广泛，包括网络拓扑发现，时延、丢包率、带宽测量，网络距离测量，路由器调度策略和瓶颈缓冲器容量测量，以及路由器流量监测。

QoS测量需要复杂的技术，特别是端到端QoS测量，在没有路由器参与，两端设备时钟又不同步的情况下，利用信号处理技术和数学分析方法，可以推测网络拓扑，端到端的单向传输时延、链路时延，链路带宽、路径上的瓶颈带宽及可用带宽，甚至还可以推测网络中路由器的调度策略和缓冲器容量。

端到端QoS测量具有特别重要的意义，它可以测出网络的整体性能指标，而且不需要对路由器进行改造，也不需要网络运营商公开内部资料（如网络拓扑、设备配置、传输容量等）。

目前QoS测量技术还不成熟，国外有一些研究成果报道，国内在此领域的研究则刚刚开始。

目前QoS控制研究已有不少成果，需要解决的主要问题是算法复杂性和QoS控制效果之间的权衡。

QoS管理、计费和QoS测量的研究则还处于起步阶段，研究成果较少，标准尚未形成，是IPQoS研究的新热点。

QoS研究的另一发展趋势是多种技术的结合，即多层次（应用层、传输层、网络层、链路层、物理层），多平面（数据平面、控制平面和管理平面）的QoS研究相结合，研究各层、各面之间的交互作用，将各种QoS机制综合起来，改善IP网的服务质量。

1.3研究意义

Internet正在向一个多业务数据网络演进，实现统一的支持IPQoS能力的电信级多业务IP网络是发展的趋势。

通过IPQoS，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。

在传统的IP网络中，对所有的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，也可能很差，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、图像、重要数据同时在网上传输，使得网络资源极大的丰富，但是同时人们对网络传输数据质量的要求越来越高，人们期待报文在吞度量、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，它只能在一定程度上缓解这个问题，提供IPQoS将是人们对未来网络的基本要求。

1.4研究内容

IPQoS技术有集成服务（IntServ），区分服务（DiffServ），MPLS。

综合服务（IntServ）：

基本思想是在传送数据之前，根据业务的QoS需求进行网络资源预留，从而为该数据流提供端到端的QoS保证。

资源预留协议RSVP是集成服务的核心，是一种信令协议，用来通知网络节点预留资源。

区分服务（DiffServ）：

基本思想是将用户的数据流按照服务质量要求来划分等级，任何用户的数据流都可以自由进入网络，但是当网络出现拥塞时，级别高的数据流在排队和占用资源时比级别低的数据流有更高的优先权。

区分服务只承诺相对的服务质量，而不对任何用户承诺具体的服务质量指标。

多协议标签交换（MPLS）：

MPLS并不是主要的QoS机制，也不是QoS的体系结构，但MPLS的显式路由功能大大增强了在IP网络中实施流量工程的能力。

本文主要是研究这三种技术的主要实现过程，并在学习网络仿真软件OPNET的基础上，对网络三种队列处理先进先出（FIFO）、优先权队列（PQ）、加权公平队列（WFQ）进行了仿真，对丢包率，延迟、延迟抖动进行了仿真比较，在此基础上，对RSVP进行了仿真，与无RSVP进行了比较。

通过具体的仿真实例，来看出RSVP保证IPQoS。

2IPQoS技术

2.1IPQos基本概念

2.1.1IPQoS定义

IPQoS即IP服务质量，是指IP数据流通过网络时的性能，它的目的就是向用户提供端到端的QoS保证。

IPQoS网络在传输数据时要满足的一系列服务要求，具体可以量化为传输延迟、抖动、丢失率、宽带要求、吞吐量等指标。

QoS是网络的一种安全机制,是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。

IP网络的QoS是指某个主机上的应用向其它主机上的应用发出一系列数据分组流时的平均速度、最大速度、数据分组的延迟时间、抖动、数据分组的丢失率等。

2.1.2IPQoS的参数

可用性：

是当用户需要时网络即能工作的时间百分比。

可用性主要是设备可靠性和网络存活性相结合的结果。

对它起作用的还有一些其他因素，包括软件稳定性以及网络演进或升级时不中断服务的能力。

吞吐量：

是在一定时间段内对网上流量（或带宽）的度量。

根据应用和服务类型，服务水平协议（SLA）可以规定承诺信息速率（CIR）、突发信息速率（BIR）和最大突发信号长度。

承诺信息速率是应该予以严格保证的，对突发信息速率可以有所限定，以在容纳预定长度突发信号的同时容纳从话音到视像以及一般数据的各种服务。

一般讲，吞吐量越大越好。

时延：

指一项服务从网络入口到出口的平均经过时间。

许多服务，特别是话音和视像等实时服务都是高度不能容忍时延的。

当时延超过200-250毫秒时，交互式会话是非常麻烦的。

为了提供高质量话音和会议电视，网络设备必须能保证低的时延。

时延变化：

　是指同一业务流中不同分组所呈现的时延不同。

高频率的时延变化称作抖动，而低频率的时延变化称作漂移。

抖动主要是由于业务流中相继分组的排队等候时间不同引起的，是对服务质量影响最大的一个问题。

某些业务类型，特别是话音和视像等实时业务是极不容忍抖动的。

分组到达时间的差异将在话音或视像中造成断续。

所有传送系统都有抖动，只要抖动落在规定容差之内就不会影响服务质量。

丢包：

不管是比特丢失还是分组丢失，对分组数据业务的影响比对实时业务的影响都大。

在通话期间，丢失一个比特或一个分组的信息往往用户注意不到。

在视像广播期间，这在屏幕上可能造成瞬间的波形干扰，然后视像很快恢复如初。

即便是用传输控制协议（TCP）传送数据也能处理丢失，因为传输控制协议允许丢失的信息重发。

2.2IPQoS的三种主要服务模型

2.2.1IntServ/RSVP（综合服务/资源预留）

资源预留协议（RSVP）最初是IETF为QoS的综合服务模型定义的一个信令协议，用于在流（flow）所经路径上为该流进行资源预留，从而满足该流的QoS要求。

资源预留的过程从应用程序流的源节点发送Path消息开始，该消息会沿着流所经路径传到流的目的节点，并沿途建立路径状态；目的节点收到该Path消息后，会向源节点回送Resv消息，沿途建立预留状态，如果源节点成功收到预期的Resv消息，则认为在整条路径上资源预留成功。

RSVP（资源预留协议）是一个在ip上承载的信令协议，它允许路由器网络任何一端上终端系统或主机在彼此之间建立保留带宽路径，为网络上的数据传输预定和保证QoS。

它对于需要保证带宽和时延的业务，如语音传输，视频会议等具有十分重要的作用。

RSVP协议中涉及到发送者和接收者的概念，这两个概念是在逻辑上进行区分的，发送者指发送路径消息的进程，而接收者是指发送预留消息的进程，同一个进程可以同时发送这两种消息，因此既可以是发送者，也可以是接收者。

RSVP是由接收者提出资源预留申请的，这种申请是单向的，也就是说为从主机a到主机b的数据流预留的资源，对于从主机b到主机a的数据流是不起作用的。

因为在当前的internet中，双向的路由是不对称的：

从主机a到主机b的路径并不一定是从主机b到主机a的路径的反向；另外一个，两个方向的数据传输特征和对应申请预留的资源也未必相同。

IntServ/RSVP的基本思想在于以资源预留的方式来实现QoS保障。

该模型的原理是对于每一个需要进行QoS处理的数据流，通过一定的信令机制，在其经由的每一个路由器上进行资源预留，以便实现端到端的QoS业务服务。

它在发送方和接收方之间用RSVP作为每个流的信令。

RSVP跨越整个网络，从接收方到发送方之间沿途的每个路由器都要为每一个要求的QoS的数据流预留资源,沿途的每个路由器必须为RSVP数据流维护其状态。

通过RSVP，用户可以给每个业务流申请预留资源，要预留的资源包括缓冲区及带宽的大小。

资源预留建立过程大致如图1.1所示。

图1.1RSVPQoS原理：

RSVPPath和RESV报文

源主机定义通信量带宽、延迟和抖动等参数的范围，然后发送RSVPPath报文，该报文包含通信量声明信息（trafficspecification,TSpec）。

Path报文被封装在IP数据报或UDP数据报转发。

在转发过程中，中间路由器把必要的信息（称为通路状态）填入PATH报文。

这样，PATH到达目的主机时，PATH报文就记录了从源主机到目的主机的完整的通路信息，如路由器的地址和路由器的QoS特性。

目的主机产生RSVPRESV报文。

与TSpec对应，RESV报文包含请求声明（requestspecification,RSpec），它指明需要的集成服务类型。

RESV报文还包含过滤声明（f