华为VRP QoS技术白皮书(1)

华为VRP QoS技术白皮书(1)

概述

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。

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，传统IP网络的尽力服务已不能满足应用的需要。如VoIP业务，如果报文传送延时太长，将是用户所不能接受的相对而言，email和FTP对时间延迟并不敏感），为Internet提供支持QoS的能力是解决问题的可行方法。

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
避免和管理网络拥塞
流量监管和流量整形

QoS信令协议

下面的例子讲述了网络发生拥塞时，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队列来支持QoS的报文发送情况：

　

图2PQ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，总是在所有优先级高的队列发送完毕后，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非常低的时延，其报文的丢失率和通过率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各种网络应用要求，如：
1.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。
2.可裁剪的服务。对于一个ISP，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，并为他们提供不同的服务。
3.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：
1.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。
2.信令技术来协调端到端之间的网络元件为报文提供QoS。
3.QoS控制和管理端到端之间的报文在一个网络上的发送。

而每个网络元件提供如下功能：
1.报文分类，对不同类别的报文提供不同的处理。
2队列管理和调度来满足不同应用要求的不同服务质量。
3流量监管和流量整形限制和调整报文输出的速度。

4Admission control来确定是否允许用户信息流使用网络资源。

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：
1.Best-Effort service
2.Integrated serviceIntserv）
3.Differentiated serviceDiffserv）

Best-Effort service
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、EMAIL等，它通过先入先出FIFO）队列来实现。

Integrated service
Integrated service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Admission control），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。

传送QoS请求的信令是RSVP资源预留协议），它通知路由器应用程序的QoS需求。

Integrated service可以提供以下两种服务：

1.保证服务Guaranteed service） 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。
2.负载控制服务Controlled-Load service） 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。

Differentiated service
Differentiated service是一个多服务模型，它可以满足不同的QoS需求。与Integrated service不同，它不需要信令，即应用程序在发出报文前，不需要通知路由器。对Differentiated service，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包的优先级位IP Precedence)，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、流量监管和排队。

Differentiated service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IP包的优先级或QoS组来进行报文分类。CAR也完成报文的度量和流量监管。

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，实现队列管理。

通常在配置Differentiated service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IP优先级，而其他路由器只需要用IP优先级来进行报文的分类。

在MPLS上应用Differentiated service用以下两种方法来解决：

在以太网等MPLS报文中，由于在二层链路层和三层网络层之间有一个垫片shim），我们可以扩展shim中未用的字段：EXP包含三个bit），由这几个位来决定报文的调度及报文丢弃的优先级。

在ATM，FR等网络中，其MPLS报文没有shim，可针对FECForwarding Equivalance Class 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lable，就可以确定发出报文的lable及报文所要求的服务。