qos技术白皮书.docx

qos技术白皮书.docx

《qos技术白皮书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《qos技术白皮书.docx（32页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

qos技术白皮书

摘要

  本文对Internet的三种服务模型：

Best-Effort、Intserv和Diffserv，以及服务模型的发展历程进行了简单介绍，较为详细地介绍了华为3Com公司系列数据通信产品所支持的QoS特性和相关技术，内容包括：

报文分类、拥塞管理、拥塞避免、流量监控、流量整形及物理接口总速率限制和链路效率机制等技术。

并且简要描述了在相关应用中的实际QoS解决方案。

网络运营商及行业用户等通过对这些QoS特性的灵活运用，可以在Internet或任何基于IP的网络上为客户提供有保证的区分服务。

     关键词

  QoS，服务模型，Intserv，Diffserv，拥塞管理，拥塞避免，队列技术，流量监管，流量整形，链路效率机制

缩略语清单：

名词

英文解释

中文解释

ACL

AccessControlList

访问控制列表，用于对IP报文进行流分类。

AF

AssuredForwarding

确保转发

CAR

CommittedAccessRate

约定访问速率

CBWFQ

ClassBasedWeightedFairQueuing

基于类的加权公平队列

CQ

CustomQueuing

定制队列

DiffServ

DifferentiatedService

区分服务

DSCP

DifferentiatedServicesCodepoint

区分服务编码点

DS-TE

DiffServ-AwareTrafficEngineering

DiffServ感知的流量工程

EF

ExpeditedForwarding

加速转发

FIFO

FirstinFirstout

先入先出

FTP

FileTransferProtocol

文件传输协议

GTS

GenericTrafficShaping

通用流量整形

IntServ

IntegratedService

综合服务

IPHC

IPHeaderCompression

IP头压缩

ISP

InternetServiceProvider

Internet服务提供商

LFI

LinkFragmentation&Interleaving

链路分片与交叉

LLQ

LowLatencyQueueing

低时延队列

MPLS

MultiprotocolLabelSwitching

多协议标签交换

PHB

Per-hopBehavior

单中继段行为，指IP转发中每一跳的转发行为

PQ

PriorityQueuing

优先队列

QoS

QualityofService

服务质量，指报文传送的吞吐量、时延、时延抖动、丢失率等性能

RSVP

ResourceReservationProtocol

资源预留协议

SQC

StructualQoSCLI

结构化命令行

TE

TrafficEngineering

流量工程

VoIP

VoiceoverIP

通过IP报文传递语音包

VPN

VirtualPrivateNetwork

虚拟私网

VRP

VersatileRoutingPlatform

通用路由平台，是华为3Com数据通信产品软件系统的总称。

WFQ

WeightedFairQueuing

加权公平队列

WRED

WeightedRandomEarlyDetection

加权随机早期检测

1          概述

1.1     QoS及其功能

   在传统的IP网络中，所有的报文都被无区别的等同对待，每个路由器对所有的报文均采用先入先出（FIFO）的策略进行处理，它尽最大的努力（Best-Effort）将报文送到目的地，但对报文传送的可靠性、传送延迟等性能不提供任何保证。

   网络发展日新月异，随着IP网络上新应用的不断出现，对IP网络的服务质量也提出了新的要求，例如VoIP（VoiceoverIP，IP语音）等实时业务就对报文的传输延迟提出了较高要求，如果报文传送延时太长，将是用户所不能接受的（相对而言，E-Mail和FTP业务对时间延迟并不敏感）。

为了支持具有不同服务需求的语音、视频以及数据等业务，要求网络能够区分出不同的通信，进而为之提供相应的服务。

传统IP网络的尽力服务不可能识别和区分出网络中的各种通信类别，而具备通信类别的区分能力正是为不同的通信提供不同服务的前提，所以说传统网络的尽力服务模式已不能满足应用的需要。

QoS（QualityofService，服务质量）技术的出现便致力于解决这个问题。

   QoS旨在针对各种应用的不同需求，为其提供不同的服务质量，例如：

提供专用带宽、减少报文丢失率、降低报文传送时延及时延抖动等。

为实现上述目的，QoS提供了下述功能：

   报文分类和着色

   网络拥塞管理

   网络拥塞避免

   流量监管和流量整形

   QoS信令协议

   下面用简单的例子对比了在网络发生拥塞时，报文在无QoS保证和有QoS保证网络中的不同处理过程。

   图1所示为发生拥塞时，网络设备的一个接口在不支持QoS的情况下，报文的发送情况：

图1 先进先出队列示意图

   所有要从该接口输出的报文，按照到达的先后顺序进入接口的FIFO队列尾部，而接口在发送报文时，从FIFO（FirstinFirstout，先入先出）队列的头部开始，依次发送报文，所有的报文在发送过程中，没有任何区别，也不对报文传送的质量提供任何保证。

   图2则是一个用PQ（PriorityQueuing）队列来支持QoS的报文发送情况：

图2 PQ队列示意图

   在报文到达接口后，首先对报文进行分类，然后按照报文所属的类别让报文进入所属队列的尾部，在报文发送时，按照优先级，总是在所有优先级较高的队列中的报文发送完毕后，再发送低优先级队列中的报文。

这样在每次发送报文时，总是将优先级高的报文先发出去，保证了属于较高优先级队列的报文有较低的时延，报文的丢失率和时延这两个性能指标在网络拥塞时也可以有一定的保障。

   QoS可以控制各种网络应用和满足多种网络应用要求，如：

   控制资源：

如可以限制骨干网上FTP使用的带宽，也可以给数据库访问以较高优先级。

   可裁剪的服务：

对于ISP（InernetServiceProvider，Internet服务提供商），其用户可能传送语音、视频或其他实时业务，QoS使ISP能区分这些不同的报文，并提供不同服务。

   多种需求并存：

可以为时间敏感的多媒体业务提供带宽和低时延保证，而其他业务在使用网络时，也不会影响这些时间敏感的业务。

   在一个网络中，需要以下的三个部分来完成端到端的QoS：

●        各网络元件（路由器、以太网交换机等）支持QoS，提供队列调度、流量整形等功能。

●        信令技术来协调端到端之间的网络元件，为报文提供QoS。

●        QoS技术控制和管理端到端之间的报文在一个网络上的发送。

   每个网络元件提供如下功能：

●        报文分类，对不同类别的报文提供不同的处理。

●        队列管理和调度来满足不同应用要求的不同服务质量。

●        流量监管和流量整形限制和调整报文输出的速度。

●        接入控制来确定是否允许用户信息流使用网络资源。

1.2     服务模型

   服务模型，是指一组端到端的QoS功能，通常QoS提供以下三种服务模型：

●        Best-Effortservice（尽力而为服务模型）

●        Integratedservice（综合服务模型，简称Intserv）

●        Differentiatedservice（区分服务模型，简称Diffserv）

   1.2.1  Best-Effort服务模型

   Best-Effort是一个单一的服务模型，也是最简单的服务模型。

应用程序可以在任何时候，发出任意数量的报文，而且不需要事先获得批准，也不需要通知网络。

对Best-Effort服务，网络尽最大的可能性来发送报文，但对时延、可靠性等性能不提供任何保证。

Best-Effort服务是现在Internet的缺省服务模型，它适用于绝大多数网络应用，如FTP、E-Mail等，它通过先入先出（FIFO）队列来实现。

  1.2.2  Intserv服务模型

   Intserv是一个综合服务模型，它可以满足多种QoS需求。

这种服务模型在发送报文前，需要向网络申请特定的服务。

这个请求是通过信令（signal）来完成的。

应用程序首先通知网络它自己的流量参数和需要的特定服务质量请求，包括带宽、时延等，应用程序一般在收到网络的确认信息，即确认网络已经为这个应用程序的报文预留了资源后，才开始发送报文。

同时应用程序发出的报文应该控制在流量参数描述的范围以内。

   网络在收到应用程序的资源请求后，执行资源分配检查（Admissioncontrol），即基于应用程序的资源申请和网络现有的资源情况，判断是否为应用程序分配资源。

一旦网络确认为应用程序的报文分配了资源，则只要应用程序的报文控制在流量参数描述的范围内，网络将承诺满足应用程序的QoS需求。

而网络将为每个流（flow，由两端的IP地址、端口号、协议号确定）维护一个状态，并基于这个状态执行报文的分类、流量监管（policing）、排队及其调度，来实现对应用程序的承诺。

   在IntServ服务模型中，负责传送QoS请求的信令是RSVP（ResourceReservationProtocol，资源预留协议），它通知路由器应用程序的QoS需求。

RSVP是在应用程序开始发送报文之前来为该应用申请网络资源的，所以是带外（out-bind）信令。

   IntServ可以提供以下两种服务：

   保证服务（Guaranteedservice）它提供保证的带宽和时延限制来满足应用程序的要求。

如VoIP应用可以预留10M带宽和要求不超过1秒的时延。

   负载控制服务（Controlled-Loadservice）它保证即使在网络过载（overload）的情况下，能对报文提供近似于网络未过载类似的服务，即在网络拥塞的情况下，保证某些应用程序的报文低时延和高通过。

 1.2.3  DiffServ服务模型

   DiffServ是一个多服务模型，它可以满足不同的QoS需求。

与IntServ不同，它不需要使用RSVP，即应用程序在发出报文前，不需要通知路由器为其预留资源。

对DiffServ服务模型，网络不需要为每个流维护状态，它根据每个报文指定的QoS，来提供特定的服务。

可以用不同的方法来指定报文的QoS，如IP报文的优先级位（IPPrecedence），报文的源地址和目的地址等。

网络通过这些信息来进行报文的分类、流量整形、流量监管和队列调度。

   DiffServ一般用来为一些重要的应用提供端到端的QoS。

它通过下列技术来实现：

   CAR：

它根据报文的ToS或CoS值（对于IP报文是指IP优先级或者DSCP，对于MPLS报文是指EXP域等等）、IP报文的五元组等信息进行报文分类，完成报文的标记和流量监管。

   队列技术：

WRED、PQ、CQ、WFQ、CBWFQ等队列技术对拥塞的报文进行缓存和调度，实现拥塞管理。

   通常在配置DiffServ时，边界路由器通过报文的源地址和目的地址等对报文进行分类，对不同的报文设置不同的CoS值，而其他路由器只需要用CoS值来进行报文的分类。

   在MPLS上应用DiffServ用以下两种方法来解决：

   在以太网等网络中，MPLS报文在二层链路层和三层网络层之间有一个薄层（shim），我们扩展薄层中未用的字段?

?

EXP（包含三个位），由这几个位来决定报文的队列调度及丢弃的优先级。

   在ATM，FR等网络中，其MPLS报文没有薄层（shim），可针对FEC（ForwardingEquivalanceClass转发等价类）和QoS请求的组合来分配标签，而不同于以前仅针对FEC分配标签（lable）。

这样在收到一个MPLS报文后，根据收到报文的标签，就可以确定发出报文的标签及报文所要求的服务。

 1.2.4  Intserv与Diffserv之间的互通

   一般来讲，在提供IP网络的QoS时，为了实现规模适应性，在IP骨干网往往需要采用Diffserv体系结构，在IP边缘网可以有两种选择：

采用Diffserv体系结构或采用Intserv体系结构。

目前在IP边缘网络采用哪一种QoS体系结构还没有定论，也许这两种会同时并存于IP边缘网中。

在IP边缘网采用Diffserv体系结构的情况下，IP骨干网与IP边缘网之间的互通没有问题。

在IP边缘网采用Intserv体系结构的情况下，需要解决Intserv与Diffserv之间的互通问题，包括RSVP在Diffserv域的处理方式、Intserv支持的业务与Diffserv支持的PHB（Per-HopBehavior，单中继段行为）之间的映射。

   RSVP在Diffserv域的处理可以有多种可选择的方式。

例如一种方式为RSVP对Diffserv域透明，RSVP在Intserv域边界路由器终结，Diffserv域对Intserv域采用静态资源提供方式；一种方式为Diffserv域参与RSVP协议处理，Diffserv域对Intserv域采用动态资源提供方式。

前一种互通方式实现相对简单，可能造成Diffserv域资源的浪费，后一种互通方式实现相对复杂，可以优化Diffserv域资源的使用。

   除此以外，还需要解决Intserv支持的业务与Diffserv支持的PHB之间的映射问题，映射标准为两者支持的应用是否相同或相近。

为了说明这个问题我们首先回顾一下Intserv支持的业务，它支持的业务包括：

保证服务（GuaranteedService）、负载控制服务（Controlled-LoadService），前者可以为用户应用提供严格的端到端时延及带宽保证，适用于实时应用；后者在网络负荷较重的情况下为用户应用提供与网络轻负荷情况下相近似的性能，不能保证端到端的时延。

Diffserv提供的PHB包括：

EF（ExpeditedForwarding，加速转发）、AF（AssuredForwarding，确保转发）。

EF用于支持低丢失率、低时延、确保带宽的应用，AF可以保证在应用向网络发送的业务流量没有超过约定值的情况下，该应用的报文丢失概率非常低，AF有4类，每一类可以设置3个不同的丢弃优先级。

从上面的叙述易于获得Diffserv与Intserv之间的映射关系：

   将Intserv中的保证服务映射为Diffserv中的EF。

   将Intserv中的负载控制服务映射为Diffserv中的AF。

   华为3Com公司路由器的QoS采用了上述Intserv支持的业务与Diffserv支持的PHB之间的映射关系。

1.2.5  服务模型的发展历程

   随着人们认识问题的逐步深入，QoS技术的发展经历了一个漫长、曲折的过程，如图3：

图3 QoS技术的发展历程

   1）20世纪80年代，当时的Internet主要承载数据业务，网络采用尽力而为的服务、无QoS保障。

   2）到了20世纪90年代初期，由于受到VoIP等实时业务的驱动，IETF组织在IPQoS领域做了第一次尝试，在1994年推出了基于RSVP的IntServ解决方案，这是一种端到端基于流的QoS技术。

   IntServ主要借鉴了窄带PSTN领域的成功经验，通信前先通过信令协议建立端到端的通信路径、解决QoS问题，但同样的思想在IP领域却没有获得成功，其中一个重要的原因在于IP网络与PSTN网络的流量模型和业务模型是不同的，参见表1。

 表1 IP网络和PSTN网络流量模型和业务模型的比较

流量模型

业务模型

PSTN网络

以本地网范围内的业务（市话）为主，少量的业务（长话）要穿透本地网

对于一个源电话号码和目的电话号码对，只需提供一条64Kbps的电路交换路径

IP网络

大量的业务都要穿透本地网

对于一个源IP地址和目的IP地址对，可并发存在多种业务，如FTP、WWW、E-Mail、VOIP等，各类业务的QoS要求也不相同

   由于IP网络流量模型和业务模型的特点，使得Internet骨干网瞬间要为成千上万的业务流提供服务，因此粒度为单个流的路径预留的解决思路在Internet骨干网上无法扩展，这严重制约了IntServ在实际网络中的应用。

当然还存在其他一些限制IntServ应用的因素，包括RSVP信令大规模的部署、不同厂商设备之间的互通以及基于业务的管理（认证、计费）等。

可以说基于RSVP的IntServ解决方案是在IPQoS方面一次失败的尝试，IntServ从1994年推出至今并没有获得任何规模的商用。

   3）为了寻求扩展性和简易性，IETF组织在1998年推出了基于DSCP的DiffServ解决方案，这是一种基于类的QoS技术。

使用DiffServ，在网络入口处根据服务要求对业务进行分类、流量控制，同时设置报文的DSCP域；在网络中根据实施好的QoS机制来区分每一类通信（依据分组的DSCP值）、并为之服务（包括资源分配、队列调度、分组丢弃策略等，统称为PHB），DiffServ域中的所有节点都将根据分组的DSCP字段来遵守PHB。

DiffServ通过将业务定义为有限的类、可以很好地解决扩展性的问题。

4）MPLS网络本身的QoS技术可以采用两种思路，首先可以采用IntServ方案，提供基于流的QoS，但由于IntServ存在的问题，这条路在一开始就没有走通。

MPLSQoS的另一种思路是采用DiffServ方案。

   MPLS与DiffServ都具有很好的可扩展性，处理过程也类似：

在网络边缘聚合（DSCP或标签）、在网络核心处理（基于DSCP的PHB或基于标签的转发）；如果将DSCP字节的设置融入MPLS的标签分配过程中，MPLS的标签将具备区分分组服务质量的能力。

   IP报文头的DSCP对MPLS设备（LSR）是不可见的，因此必须存在某种机制让DSCP对LSR是可见的，根据将IPDiffServ信息通过标签传达给LSR方式的不同，业界存在两种MPLSQoS的解决方案：

   E-LSP：

在LER上将IPDSCP映射到MPLS的EXP位，通过EXP位向LSR表示分组的QoS要求，这样一个LSP最多可支持8个服务等级；LSR根据标签和EXP对分组进行队列调度，根据EXP进行报文丢弃，同一LSP中的分组可能被分到不同的队列；E-LSP是通过LDP协议建立的普通的LSP。

   L-LSP：

在LER上将IPDSCP映射为一个LSP，通过标签和EXP位向LSR表示分组的QoS要求；LSR根据标签对分组进行队列调度，根据EXP进行报文丢弃，同一LSP中的分组被分到同一个队列。

L-LSP需要通过CR-LDP或RSVP扩展来建立。

   选择上述两种方案主要取决网络所规划的业务类别数目、分组丢弃值以及MPLS运行的模式（帧模式或信元模式）；当采用信元模式的MPLS操作时，标签与VPI/VCI相对应，只能采用L-LSP，此时将标签的EXP映射为信元的CLP；当采用帧模式的MPLS操作时，采用E-LSP或L-LSP方案都可以；目前大部分网络运营商所使用的业务等级都在4个以内（话音、视频、VPN与高质量上网、普通上网），所以E-LSP基本能够满足应用，又能很容易与IP优先级和802.1p做到互通；L-LSP与MPLSDS-AwareTE使用了很多相同的机制，DS-TE本身就使用L-LSP，两者都可以为不同服务等级的业务提供不同的LSP、满足业务要求，但DS-TE比L-LSP功能更为强大，例如DS-TE可以对整个网络的资源进行优化；目前业界趋向于采用E-LSP方式。

   5）MPLSTE是一种间接改善网络QoS的技术。

传统路由协议（如OSPF或IS-IS）主要是保障网络的连通性和可达性，通常选取不是非常灵敏的参数作为SPF计算根据，导致网络负载不均衡、路由动荡等缺陷；MPLSTE在网络资源有限的前提下，将网络流量合理引导，达到实际网络流量负载与物理网络资源相匹配的目的，间接改善了网络的服务质量。

   根据用户需求（显示路由、带宽等）及网络资源的情况，MPLSTE能够自动通过CR-LDP信令（或RSVP扩展）建立一条跨越骨干网的从LER到LER的隧道，同时可完成隧道的维护、统计、属性修改（如带宽）及备份等功能；LER与LER设备之间，可以认为通过一个隧道直连；MPLSTE隧道可广泛应用于VPN、各类接入及互联业务中。

   通过MPLSTE，可为用户创建具有带宽保证的隧道，但如果在隧道中同时传送EF、AF及BE业务时，业务之间会相互干扰，也就是说MPLSTE存在一个严重的问题?

?

MPLSTE隧道不能够感知业务类型。

   6）2002年业界提出了一种MPLSDiffServ-AwareTE的解决方案。

   DiffServ提供了基于类的QoS，具有良好的可扩展性，但缺乏有效的端到端部署的机制；MPLSTE通过有效地管理带宽资源间接改善网络服务质量，但其带宽管理以及MPLSTE隧道都无法做到基于业务类别，如果EF、AF、BE业务都承载在一个MPLSTE隧道中，EF和AF业务将受到严重的影响。

MPLSDiffServ-AwareTE在原来MPLSTE的基础上，增加了基于类别的资源管理，例如可根据带宽及时延的不同将接口资源划分为EF、AF、BE三类，通过IGP协议对每个类别的资源使用情况进行收集、分别建立TED，通过信令协议携带类别建立LSP。

   MPLSDS-TE充分利用了DiffServ的可扩展性以及MPLS的显示路由能力，是解决骨干网QoS的有效技术，网络资源可根据用户的需求得到最优的利用。

   通过上面的分析我们可以看出，在众多的QoS技术中，IPDiffServ、MPLSDiffServE-LSP及MPLSDiffServ-AwareTE将成为主流的QoS技术，这也是华为3Com公司研究与开发的重点。

   同时我们也应看到，IP网络的QoS技术即使发展到今天，也不存在这样一种技术可以提供类似于PSTN网络的、全网范围的、端到端的、基于流的QoS，原因是多方面的，涉及到IP网络业务、技术及设备等多方面的因素。

因此解决现有网络的QoS问题，需要详细分析网上各类业务的流量模型、业务模型，详细分析现有网络的各个环节、找出影响业务QoS的关键因素所在，充分运用各种QoS技术（如IP网络QoS及各种二层网络的QoS技术），从IP承载网、业务终端和应用程序以及用户管理（包括认证与计费等）等多方面着手，提供QoS解决方案。

1.3     信令

   信令技术给网络通讯的两端和网络的中间节点提供了一种方法，让它们向相邻的网络节点请求对一类报文的特殊处理。

QoS的信令协调了端到端通讯的中间节点包括交换机、路由器等为这个通讯提供服务。

   信令技术包括两种，即带内（in