1、第六章IP網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量,IP網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量,概述 綜合服務(wù)模型 區(qū)分服務(wù)模型 綜合-區(qū)分服務(wù)模型 移動性和服務(wù)質(zhì)量,主要內(nèi)容,IP網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量,概述 綜合服務(wù)模型 區(qū)分服務(wù)模型 綜合-區(qū)分服務(wù)模型 移動性和服務(wù)質(zhì)量,主要內(nèi)容,1. 概述,背景,IP將成為未來各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和業(yè)務(wù)的融合平臺 QoS: Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量,盡力服務(wù)模型,支持服務(wù)質(zhì)量模型,數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),綜合業(yè)務(wù) （數(shù)據(jù)視頻語音）,IP網(wǎng)絡(luò),以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)、IEEE 802.11、3G,1. 概述,ITU-T：QoS是一個綜合指標，用于衡量一個服務(wù)的滿意程度。 IETF：QoS是在傳輸一個“流”時，網(wǎng)絡(luò)能夠

2、滿足相應(yīng)的服務(wù)需求 Cisco：QoS是指一個網(wǎng)絡(luò)能夠利用各種底層技術(shù)向選定的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供更好的服務(wù)的能力。這些底層技術(shù)包括：幀中繼（Frame Relay）、異步傳輸模式（ATM）、以太網(wǎng)、SONET以及IP-路由網(wǎng)絡(luò)等,QoS定義,1. 概述,帶寬（bandwidth）：給定介質(zhì)、協(xié)議或連接的額定吞吐量，實際上指應(yīng)用程序在網(wǎng)絡(luò)中通信所需要的“管道大小”，也可以認為是用戶對網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的要求。 最小帶寬（最小分組速率（Least Packet Rate）：傳輸中的最小瞬時速率，可用產(chǎn)生兩個相鄰分組的最大時間間隔的倒數(shù)來表示 峰值帶寬（峰值分組速率（Peak Packet Rate）：傳輸中的

3、最大瞬時速率，可用產(chǎn)生兩個相鄰分組的最短時間間隔的倒數(shù)來表示； 平均帶寬（平均分組速率（Sustained Packet Rate）：一段時間內(nèi)分組傳輸?shù)钠骄俾剩?延時（delay）：分組從發(fā)送端到達接收端的時間間隔 傳輸延時：transmission delay）：發(fā)送分組的第一個比特到發(fā)送最后一個比特的時間間隔，取決于發(fā)送接口的速率和分組的大小。 傳播延時：（propagation delay）：發(fā)送分組的一個比特到接收端接收到該比特的時間間隔，取決于傳輸介質(zhì)和傳輸距離。 處理延時（processing delay）：分組從到達節(jié)點到進入輸出隊列的時間間隔，包括對分組頭標處理，路由查找等

4、，取決于節(jié)點的處理能力和分組處理的復(fù)雜度。 排隊延時（queuing delay）：分組從進入輸出隊列到開始輸出的時間間隔，取決于隊列長度和調(diào)度策略。 延時抖動（delay jitter）：端到端延時的變化特性，由延時的可變部分的變化導(dǎo)致的，流量的突發(fā)、不公平的隊列調(diào)度算法都可能導(dǎo)致較大的延時抖動。,QoS度量參數(shù),1. 概述,模型,QoS保證原則,1. 概述,1Mbps的VoIP應(yīng)用和FTP應(yīng)用共享1.5Mbps帶寬的鏈路 突發(fā)的FTP可能引起路由器擁塞并且導(dǎo)致VoIP分組延遲增加或者丟失 應(yīng)該給予VoIP更高的優(yōu)先級,QoS保證原則,原則1：路由器需要標記分組，以區(qū)分不同類別的業(yè)務(wù)，并且需

5、要相應(yīng)的策略對分組進行處理,1. 概述,應(yīng)用不遵守約定行為，例如VoIP的分組發(fā)送速率超過了約定的1Mbps,QoS保證原則,原則2：需要將各種類型的業(yè)務(wù)相隔離，也就是說保護一種類型的業(yè)務(wù)不受其它業(yè)務(wù)的影響，這就需要一種策略機制來確保發(fā)送分組的主機遵循約定的帶寬，在邊緣需要執(zhí)行標記和相應(yīng)的策略,1. 概述,對于標記和策略機制，還需考慮：當給每個應(yīng)用分配一部分帶寬以后，如果某個應(yīng)用沒有完全使用分配的帶寬，將會導(dǎo)致帶寬利用率降低,QoS保證原則,原則3：當提供業(yè)務(wù)隔離時，應(yīng)該盡可能地有效利用網(wǎng)絡(luò)資源,1. 概述,應(yīng)用的需求不能超過鏈路容量,QoS保證原則,原則4：需要接入控制機制，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)應(yīng)用

6、的需求以及網(wǎng)絡(luò)資源狀況來決定是否接受或者拒絕一個應(yīng)用,1. 概述,總結(jié),QoS保證原則,1. 概述,綜合服務(wù)模型 區(qū)分服務(wù)模型 綜合-區(qū)分服務(wù)模型,QoS模型,All Proposed by IETF,IP網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量,概述 綜合服務(wù)模型 區(qū)分服務(wù)模型 綜合-區(qū)分服務(wù)模型 移動性和服務(wù)質(zhì)量,主要內(nèi)容,2. 綜合服務(wù)模型,綜合服務(wù)：IntServ IETF的IntServ工作組于1994年提出 同時支持實時和非實時業(yè)務(wù) 在每個實時業(yè)務(wù)開始之前，由終端設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出請求，為它預(yù)留必要的網(wǎng)絡(luò)資源（帶寬、處理、存儲），通過在網(wǎng)絡(luò)中使用擁塞控制和隊列調(diào)度機制，使實時業(yè)務(wù)的帶寬和延遲得到保證 “流”：來

7、自單一用戶具有相同QoS需求，且可識別的數(shù)據(jù)分組序列 IntServ中能識別的最小粒度 流是單向的，它具有單一的發(fā)送端和N個接收端,概述,2. 綜合服務(wù)模型,參考實現(xiàn)框架,資源預(yù)留協(xié)議負責逐跳（hop-by-hop）建立或拆除每個流的資源預(yù)留軟狀態(tài)（soft state） 接納控制根據(jù)鏈路和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的資源使用情況以及具體的QoS請求決定是否接受一個資源預(yù)留請求 分組分類器對到達的數(shù)據(jù)分組進行分類，然后分別放入不同的輸出隊列 分組調(diào)度器根據(jù)不同的策略和分配的資源對各個隊列中的分組進行調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā),分組轉(zhuǎn)發(fā)路徑,后臺執(zhí)行代碼,業(yè)務(wù)量控制機制,2. 綜合服務(wù)模型,資源預(yù)留協(xié)議處理模型,RSVP: Res

8、ource ReSerVation Protocol ，用來在源和目的之間路徑上預(yù)留資源 RSVP位于協(xié)議棧的傳輸層，但是不傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)，更像一個Internet控制協(xié)議 資源預(yù)留請求是單向的，也就是僅在一個方向上進行資源預(yù)留,2. 綜合服務(wù)模型,資源預(yù)留協(xié)議運行機制,PATH 發(fā)送主機的IP地址，UDP/TCP端口號等參數(shù)組成的Template 描述發(fā)送方發(fā)送的業(yè)務(wù)流特征的參數(shù)TSpec 沿途節(jié)點QoS控制能力與需求信息的描述參數(shù)ADSpec RESV 接收端預(yù)留的資源參數(shù)FLOWSpec 描述業(yè)務(wù)流特征的參數(shù)TSpec 描述所要求服務(wù)的參數(shù)RSpec,發(fā)送主機,路由器,路由器,接收主機,2

9、. 綜合服務(wù)模型,面向接收（Receiver-Oriented）：由接收主機根據(jù)需要預(yù)留 軟狀態(tài)（soft state）：定期發(fā)送PATH和RESV消息維護 組播支持：1對多通信,資源預(yù)留協(xié)議特點,發(fā)送主機1,路由器1,接收主機1,接收主機2,路由器1,PATH,RESV,RESV,RESV （已合并）,2. 綜合服務(wù)模型,傳統(tǒng)的Internet分組轉(zhuǎn)發(fā) FIFO：First In First Out 業(yè)務(wù)無區(qū)分 業(yè)務(wù)量控制機制為流提供不同的服務(wù)質(zhì)量 接納控制（Admission Control） 分組分類（Packet Classify） 分組調(diào)度 （Packet Schedule） 分組丟

10、棄（Packet Drop）,業(yè)務(wù)量控制機制概述,2. 綜合服務(wù)模型,接納控制：Admission Control 根據(jù)當前資源情況，判斷是否同意接入一個新的流的QoS請求 兩種接納控制算法 基于資源預(yù)留參數(shù)的接納控制：根據(jù)節(jié)點以前同意接入的所有請求的服務(wù)參數(shù)，用每個服務(wù)最壞情況的邊界值來進行計算 基于資源實際使用情況的接納控制：測量現(xiàn)有數(shù)據(jù)流的實際鏈路帶寬利用率，據(jù)此來判定是否接納一個新的流,業(yè)務(wù)量控制機制接納控制,2. 綜合服務(wù)模型,分組分類：Packet Classify 將輸入分組映射到某個類，放入不同的輸出隊列 一個類可能包含有多個流 多字段（MF：Multi-Field）分類器 源

11、/目的IP地址、源/目的端口、協(xié)議類型 原則：考慮分類粒度和處理開銷之間的平衡 用于分類的字段越多，處理開銷越大,業(yè)務(wù)量控制機制分組分類,2. 綜合服務(wù)模型,分組調(diào)度 ：Packet Schedule 從多個輸出隊列中選擇下一個要轉(zhuǎn)發(fā)的分組 分組調(diào)度算法 嚴格優(yōu)先級調(diào)度（Strict Priority Scheduling） 隊列按優(yōu)先級遞減排序，只有在高優(yōu)先級的隊列為空時，才服務(wù)下一個優(yōu)先級的隊列 低優(yōu)先級隊列的分組可能被完全阻止發(fā)送（處于饑餓狀態(tài)） 映射到高優(yōu)先級隊列的業(yè)務(wù)量不超出允許的局部輸出鏈路的容量 加權(quán)公平隊列WFQ（Weighted Fair Queuing） FQ：公平隊列 F

12、i = Max(Fi-1，Ai) + Pi，下一個被傳送的分組具有最小的Fi Fi：路由器發(fā)送分組i的結(jié)束時間 Ai：分組i到達路由器的時間 Pi：發(fā)送分組i所需的時間 WFQ：根據(jù)權(quán)重來確定每個隊列所獲得的鏈路帶寬的百分比 為每個隊列制定一個權(quán)重，對于FQ，每個隊列權(quán)重為1,業(yè)務(wù)量控制機制分組調(diào)度,每個輸出隊列都是FIFO隊列,2. 綜合服務(wù)模型,分組丟棄：Packet Drop,業(yè)務(wù)量控制機制分組丟棄,當路由器隊列（緩沖區(qū)）溢出或者將要溢出時將開始丟棄分組 被動丟棄：隊尾丟棄（Drop Tail） 主動丟棄：隨機早期檢測（RED：Random Early Detection ）丟棄,Qav

13、g（1Wq） QavgQinst Wq,2. 綜合服務(wù)模型,保證型服務(wù)（GS：Guaranteed Service ） 提供完全保證的服務(wù)質(zhì)量，用于要求低延時的業(yè)務(wù)，其最大延時和帶寬能夠得到定量保證 受控負載型服務(wù)（CLS：Controlled-Load Service ） 沒有固定的時延保證，能夠提供一種相當于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在低負載情況下的盡力服務(wù) 受控負載業(yè)務(wù)與其它業(yè)務(wù)分離：WFQ調(diào)度算法 鏈路上的受控負載業(yè)務(wù)總量：接納控制 盡力服務(wù)（Best Effort）,服務(wù)類型,2. 綜合服務(wù)模型,提供端到端的QoS保證 基于流的細粒度資源分配 存在可擴展性問題 必須建立和維護“每流”的預(yù)留狀態(tài)信息 需

14、要對每個流進行接納控制、分類等操作,IntServ的特點,存儲、處理開銷隨著流的數(shù)量的增加而急劇增長,IP網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量,概述 綜合服務(wù)模型 區(qū)分服務(wù)模型 綜合-區(qū)分服務(wù)模型 移動性和服務(wù)質(zhì)量,主要內(nèi)容,3. 區(qū)分服務(wù)模型,區(qū)分服務(wù)：DiffServ IETF的DiffServ工作組于1998年提出 解決IntServ的可擴展性問題，在分組中攜帶的信息決定如何處理，而不需要使用RSVP協(xié)議 基于類的QoS保證，通常在核心網(wǎng)中使用 當業(yè)務(wù)到達區(qū)分服務(wù)區(qū)域（DS區(qū)域）的邊緣時，邊緣路由器使用分組頭標中的區(qū)分服務(wù)標記域（DS field）對其進行聚類，網(wǎng)絡(luò)對同類業(yè)務(wù)給予相同的QOS保證,概述,DS區(qū)

15、域：連續(xù)的多個實現(xiàn)相同服務(wù)策略的DS路由器組成的組,3. 區(qū)分服務(wù)模型,結(jié)構(gòu)模型,邊緣路由器：業(yè)務(wù)量分類和調(diào)節(jié)，對分組頭標中的DS域進行標記，標記值被稱為DSCP 中心路由器：根據(jù)IP分組DS域中所標記的DSCP值，來選擇所對應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)處理，即逐跳行為（PHB），從而對分組進行調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā) SLA（Service Level Agreement）協(xié)商：不同DS區(qū)域之間的分類規(guī)則、重新標記規(guī)則以及業(yè)務(wù)流應(yīng)該符合的業(yè)務(wù)量配置文件,3. 區(qū)分服務(wù)模型,結(jié)構(gòu)模型,邊緣 路由器,中心 路由器,中心 路由器,邊緣 路由器,DATA,DATA,DATA,DATA,分類器,度量器,標記器,整形/丟棄,業(yè)務(wù)量調(diào)節(jié)器,

16、傳輸調(diào)度,行為匯聚分類器（BA）：根據(jù)DS域?qū)Ψ纸M進行分類 多域分類器（MF）：根據(jù)不同的頭標域或者頭標域的組合來分類分組,3. 區(qū)分服務(wù)模型,DS域定義 IPv4頭標的TOS（Type of Service，TOS）域或IPv6頭標的業(yè)務(wù)量等級（Traffic Class）域的前6比特 DSCP：DS域中的具體值，DS節(jié)點根據(jù)DSCP選擇特定的PHB,DS域定義與DSCP,復(fù)習,3. 區(qū)分服務(wù)模型,在每個節(jié)點上描述根據(jù)DSCP對特定類進行資源分配的方式 具體由相應(yīng)的隊列調(diào)度算法例如WFQ來實現(xiàn) 四種PHB BE（Best Effort ），缺省型PHB EF（Expedited Forwar

17、ding ），加速轉(zhuǎn)發(fā)型PHB AF（Assured Forwarding ），確定轉(zhuǎn)發(fā)型PHB CS （Class Selector ），兼容IP優(yōu)先級的類選擇型PHB,逐跳行為概述,3. 區(qū)分服務(wù)模型,加速轉(zhuǎn)發(fā)型PHB： EF PHB 為某種業(yè)務(wù)量集合提供低丟失率、低延時和低延時抖動的服務(wù) 嚴格限制EF分組到達路由器的速率小于路由器轉(zhuǎn)發(fā)EF分組的速率 通過在DS域的邊緣配置邊緣路由器，使得進入到DS域內(nèi)的EF分組達到某一最大速率，從而實現(xiàn)對EF分組速率的限制 EF實現(xiàn)策略 嚴格優(yōu)先級隊列：EF分組具有高于其它分組的優(yōu)先級 加權(quán)公平隊列WFQ：設(shè)置EF分組的權(quán)重足夠大 推薦DSCP為1011

18、10,逐跳行為加速轉(zhuǎn)發(fā),3. 區(qū)分服務(wù)模型,確定轉(zhuǎn)發(fā)型PHB： AF PHB 為用戶提供不同級別的轉(zhuǎn)發(fā)保證,定義了四個等級 IP分組轉(zhuǎn)發(fā)保證取決于: 多少資源分配給此分組所屬的AF等級 此AF等級當前的負載和擁塞情況 分組的丟棄優(yōu)先級 DSCP,逐跳行為確定轉(zhuǎn)發(fā)型,3. 區(qū)分服務(wù)模型,兼容IP優(yōu)先級的類選擇型PHB: CS PHB 向后兼容IP優(yōu)先級隊列,歷史上IPv4 TOS域的前3比特曾作為優(yōu)先級隊列調(diào)度的標志,共定義了8個優(yōu)先級 可通過嚴格優(yōu)先級、循環(huán)優(yōu)先級隊列等較為粗略的調(diào)度機制實現(xiàn) DSCP: xxx000,逐跳行為兼容IP優(yōu)先級的類選擇型,000 Routine 001 Prior

19、ity .,3. 區(qū)分服務(wù)模型,基于聚合類的粗粒度資源分配 具有較好的可擴展性。DS域只是規(guī)定了有限數(shù)量的業(yè)務(wù)級別，狀態(tài)信息的數(shù)量正比于業(yè)務(wù)級別，而不是流的數(shù)量 易于實現(xiàn)。一般只在網(wǎng)絡(luò)的邊緣上才需要復(fù)雜的分類、標記、整形等操作 無法提供端到端的QoS保證,DiffServ特點,IP網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量,概述 綜合服務(wù)模型 區(qū)分服務(wù)模型 綜合-區(qū)分服務(wù)模型 移動性和服務(wù)質(zhì)量,主要內(nèi)容,4.綜合-區(qū)分服務(wù)模型,Int-DiffServ,IntServ模型：接入網(wǎng)絡(luò) DiffSev模型：核心網(wǎng)絡(luò) IntServ和DiffServ網(wǎng)絡(luò)之間的映射機制,端到端QoS,IP網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量,概述 綜合服務(wù)模型 區(qū)分服務(wù)模型 綜合-區(qū)分服務(wù)模型 移動性和服務(wù)質(zhì)量,主要