第七章 IP 网络的服务质量

Resource Xiao Xipeng, Lionel M Ni. Internet QoS:The Big Picture. IEEE Netwo

rk Magazine, 1999,13(2) :8-18 R. Braden, D. Clark, and S. Shenker. Integrated services in the Inter

net architecture: an overview. RFC 1633, July, 1994 S. Blake, D. Black, M. Carlson. An Architecture for Differentiated Ser

vices. RFC 2475, December 1998 Y. Bernet, P. Ford, etc. A Framework for Integrated Services Operati

on over Diffserv Networks, RFC 2998, November 2000 IETF NSIS (Next Steps in Signaling) Working Group

Standardizing an IP signaling protocol with QoS signaling as the first use case

G. Armitage, Revisiting IP QoS: why do we care, what have we learned ? ACM SIGCOMM 2003 RIPQOS workshop report, Computer Communication Review

X. Masip-Bruin, M. Yannuzzi, etc. Research challenges in QoS Routing, Computer Communications 29(2006) 563-581

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…

按层次对 QoS 技术分类

带宽控制设备 带宽控制设备

L4

R

R

SW

FR

ATM

TDM

RTP+RTCP

TCP 流控

TCP/UDP 端口号

COS 、 Diff-serv

IEEE 802.1p 标记

帧分片（ FRF.12 ）

业务类型（ CBR 、 VBR 等）

带宽分割

R RRSVP

应用层

传输层

网络层

链路层

物理层

L4

R

R

SW

FR

ATM

TDM

RTSP 、数据压缩等

路由器

LAN 交换机

帧中继交换机

ATM 交换机

时分复用设备

CBR ： Constant Bit Rate VBR ： Variable Bit Rate UBR ： Unspecified Bit RateFRF ： Frame Relay Forum TOS ： Type Of Service Diff-serv ： Differentiated serviceRTP ： Real-time Transport Protocol RTCP ： RTP Control Protocol RTSP ： Real Time Streaming Protocol

底层：真正的

QoS 实现

高层：QoS 参数

协商和状态维护

服务质量 定义

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 的度量参数 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，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 模型

综合服务 (IntServ) 模型区分服务 (DiffServ) 模型 Diff-IntServ 综合模型

All Proposed by IETF

IntServ 模型

概述参考实现框架业务量控制机制服务类型资源预留协议（ RSVP ： Resource Reser

vation Protocol ）IntServ 和 IPv6IntServ 特点

概述

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、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”：来自单一用户具有相同 QoS 需求，且可识别的数据分组 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。

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：概述

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 分组分类（ Packet Classify ） 接纳控制（ Admission Control ） 分组调度 （ Packet Schedule ） 分组丢弃（ Packet Drop ）

业务量控制机制：分组分类

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 / 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：接纳控制

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：测量现有分组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：分组调度

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）

• 映射到高优先权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 ）

根据权重来确定每个队列所获得的链路带宽的百分比• FQ ： Fi = Max(Fi-1 ， Ai) + Pi

业务量控制机制：分组丢弃

当路由器队列（缓冲区）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

Qavg＝（ 1－Wq ） × Qavg＋ Qinst × Wq

服务类型保证型服务（ 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 ）

资源预留协议：处理模型

RSVP 不在分组转发路径上，并不是一个路由协议 IPv4 基于 UDP 实现 IPv6 基于 IP 实现

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

资源预留协议：运行机制

PATH 描述业务流特征的参数 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

发送者

路由器

路由器

接收者

Path Path Path

RESV RESV RESV

DATA DATA DATA

资源预留协议：特点

面向接收（ Receiver-Oriented ）：由接收方根据需要预留

软状态（ soft state ）：定期发送 PATH 和RESV消息维护

组播支持

发送方 1 路由器 1

接收方 1

接收方 2

路由器 1

PATHRESV

RESV

RESV（已合并）

IntServ 和 IPv6

流的源端可以用流标记来标识流路由器可以根据分组头中的流标记对分组

进行快速处理

IntServ 特点

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 需要对每个流进行接纳控制、分类等操作

存储、处理开销随着流的数量的增加而急剧增长

DiffServ 模型

概述结构模型区分服务域（ DS Field ）定义与区分服务码点（ DSCP ： Differentiated Service CodePoint ）

逐跳行为（ PHB ： Per-Hop Behavior ）DiffServ与 IPv6DiffServ 特点

概述

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的边界时，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

结构模型（ 1 ）

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

非DS区域

非DS区域

非DS区域

多个DS区域组成的DS区

边缘路由器 中心路

由器

DS区域之间通过SLA进行协调

结构模型（ 2 ）

边缘路由器

核心路由器

核心路由器

边缘路由器

DATA DATA DATA DATA

DS字段分类器 调度器

分类器

度量器

标记器 整形 / 丢弃

流量调节器

传输调度

DS域定义与 DSCP

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

逐跳行为描述根据 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 Forwarding ），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

EF PHB: 加速转发型 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

需要以下两部分功能模块 : 调节这个集合的业务量（通过监控和整形）使它

在任意节点上的到达速率总是小于那个节点配置的最小离开速率。

配置节点，使得某个集合的业务量有一个独立于节点其他业务量的离开速率（配置速率）。

推荐 DSCP 为 101110

流量调节器完成 ,丢弃超过预定带

宽的业务量

调度算法 (WFQ) 来实现

AF PHB:确定转发型 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 服务等级丢弃优先级 等级 1 等级 2 等级 3 等级 4

低 001010 010010 011010 100010

中 001100 010100 011100 100100

高 001110 010110 011110 100110

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

DiffServ与 IPv6

流标记 根据流标记进行快速分类

DiffServ 特点

基于聚合类的粗粒度资源分配 具有较好的可扩展性。 DS 字段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。只在网络的边界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

Diff-IntServ 综合模型

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

Mobility and QoS

移动节点选择满足 QoS 需求的网络

移动节点切换导致分组传输路径改变 快速重新建立 QoS 路径

移动节点转交地址地址变化 刷新路由器上的软状态

QoS ： Is it really necessary?

No QoS guarantee by traffic control and resource managem

ent is too complicated to be practical Over-provision of bandwidth will provide QoS

Yes Traffic growth is always faster than bandwidth growth Bandwidth available can not be infinite, especially at the

edge (including wireless access) QoS control should be end-to-end, otherwise must mov

e the problem elsewhere Seamless handover and roaming of mobile hosts need

strict QoS Qos differentiation and tariff need QoS guarantee

QoS: Research Issues

QoS 技术的应用和开发无线环境下的 QoS研究

MAC 层机制 网络层 传输层

自组织网络（ Ad Hoc ）中的 QoS研究