网络中的QoS实现技术

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1、网络中的QoS实现技术1QoS 概述无论是语音还是视频，在IP网上都以IP数据包方式传输，其所需带宽完全 可以由宽带多业务网络满足。但为了保证在其它数据的干扰下，或在高峰拥 塞期间，在多对一的流量汇聚点上，满足关键业务的带宽、时延、抖动和丢 包等要求，就需要网络提供必要的QoS（服务质量保证）技术。不同的数据类型，例如语音、图像，在网络中的成功传送具有不同的要求。IP网络中的QoS赋予设备一种智能，使他们能够依据网络策略优先处理某 些数据。QoS可以让网络管理者们控制网络带宽、延迟、抖动和数据丢失。QoS不是设备上的功能，也不仅是数据链路层的功能，QoS是一个端到端 的系统体系，一个功能强大的

2、 QoS解决方案包括广泛的技术，并在整个网 络中提供良好的扩展性和不依赖于任何介质的服务，并且具有系统功能检测 能力。QoS技术的框架可以大致分为：分类、入流控制、排队、出流控制。 分类技术使得我们从众多的信息包中选出重要/不重要、安全/不安全等地流 量，从而区别对待。它可以用于 QoS保障，也可以用于安全过滤。典型的 分类方法有基于Ip地址、基于TCP/UCP协议类型及端口号等。高级分类可 以基于时间（例如夜间启动的某种特殊应用）、基于数据包大小、电子商务 应用等，还可以根据内容分类，例如含有反动的、色情内容的Web页面等。 分类技术比较损耗CPU资源，因此一般在网络边缘完成，分类后打上统一

3、 的标签（如IP Precedence或DSCP等），使得网络上的其它设备不必再重 新做分类，而直接根据标签实现QoS。于是标签的编号范围将决定全网可以 区分多少种流量类别。对于公安高速网络，建议不必区分太多类别，因为太多的类别意味着复杂的 队列管理、复杂的带宽控制和额外的交换处理。类别不必多，但对某类别流 量的智能控制，如带宽范围、丢包策略、审计等功能却非常重要。常用的分 类技术包括CAR、ACL等。流量分类后要进行流量调整，即根据其类别设定允许的传输带宽范围，包括 输入带宽和输出带宽控制等。常用技术包括 CBWFQ、CAR、WRED等。 排队功能保证重要的流量类别优先传送，在拥塞时不丢包，

4、同等类别的不同 数据获得公平处理等。常用技术有 WFQ、CBWFQ、MDRR等。考察QoS技术时还必须考虑其对网络性能的影响，成熟的网络设备可以在 激活各种QoS技术后仍保持高速的转发率。要使得网络中QoS正确部署并发挥最大功效，需要各部分协调工作。由于 QoS需要大量处理计算，这些工作分配到边缘和核心设备，它们可能是交换 机或路由器，这种方法就好象一个低速高接触的边缘设备和高速、低接触的 核心设备去优化网络效率和扩展性。边缘交换机和路由器做了大量处理工作， 进行数据流的识别和基于用户策略的数据包的分类，边缘设备提供带宽管理， 核心设备加速具有QoS数据包的转发。2Qos 技术与 QoS 解决

5、方案QoS的目的是提供更好、更具有预测性的网络服务，它可提供专用带宽、可 控的抖动和时延，并可改善丢失特性。QoS实现这些目标的方法是提供一套工具来管理网络拥塞。对网络流量进行整形、更加有效地使用昂贵的广域链路，并且在网络中设置流量策略。QoS工具具有三种主要功能拥塞管理（排队和排程）、拥塞避免、流量整形和政策制定。这些工具用于单一网络元件内。一般来说，可在某个接口商启动这些工具来为特殊网络应用提供正确的 QoS特性。另外，网络设备软件还提供与其它 三种功能集成的链路效率机制，不同的工具可以协调工作，可改进QoS服务。拥塞管理工具网络元件处理到达流量溢出的办法之一就是使用一种排队算法来对流量进

6、 行分类，然后选定某种方法将其进行优先级分类，送入输出链路。可采用下 列排队算法来实现排队：先进先出（FIFO ）排队优先级排队（PQ）定制排队（CQ）加权公平排队（WFQ）每种排队算法的设计都是为了解决特定的网络流量问题，对网络性能都有不同的影响，具体说明如下：1FIFO具有基本的存储转发功能FIFO是最简单的排队方式。当网络发生拥塞时，它可存储信息包，并在拥塞消失时按其到达顺序将其转发出去。在某些情况下，FIFO是缺省的排队算法， 因此无需进行配置。但它有几个缺点，最重要的是 FIFO排队不考虑信息包 的优先级，信息包到达顺序将决定其使用带宽、处理速度和缓冲器分配。它 还不能防止应用（源）

7、的恶意行为。成组的信息源在传送对时间敏感的应用 流量时将产生很大延迟，将潜在影响网络控制和信令信息的传送。在控制网 络流量方面，FIFO排队只是必需的第一步，而今天的智能网络需要更加成熟 的算法。2 . PQ对流进行优先化PQ保证重要的流量可在其使用处得到最快处理。它的设计是为重要流量提 供严格的优先处理。优先级排队算法可根据网络协议（如IP、IPX或 AppleTalk ）、输入接口、信息包大小、源/目的地址等对流量进行灵活的优 先化。在PQ算法中，根据所分配的优先级，每个信息包被置于四个队列中的一个： 高、中、一般或低级队列。没有优先级列表分类的信息包将进入一般队列。 在进行传输时，算法将

8、为较高优先级队列提供绝对的优先处理。这是一种简 单直观的方法，但是这却会将较高优先级流量本可能经历的延迟随机地转移 给较低优先级的流量，从而加大较低优先级流量的抖动。为解决这一问题， 可对较高优先级的流量进行速率限制。PQ在确保通过各种广域网链路的关键任务流量获得优先处理方面能起到极 大作用。PQ目前使用静态配置，因此不能自动调整，以适应不断变化的网络需求。3 . CQ保证了带宽的使用定制排队（CQ）算法的设计允许各种应用或机构与具有指定最小带宽或时 延需求的应用共享网络。在这种环境中，带宽必须按比例在应用和用户之间 分配。用户可使用CQ特性在潜在拥塞点提供带宽保障，确保指定流量获得 固定比例

9、的可用带宽，剩余带宽则由其它流量使用。定制排队对流量的处理 是向每类信息包特定数量的队列空间，然后按轮循的方式为每个队列服务。 本排队算法可将信息放入17个队列中的一个（队列0存放系统信息，如保 持激活、信令等），并按加权优先级腾空。路由器按轮循方式对队列1到16 依次服务，在每个周期中按配置好的字节从每个队列中取出数据。这一特性 可保证在线路负荷较重时，任何应用（或指定的应用组）都不能使用超过预 定比例的容量。与PQ 样，CQ也是静态配置的，不能自动进行调整，以 适应不断变化的网络要求。4 . WFQ :适用于当今网络智能排队工具在某些情况下，需要对流量较多和较少的网络用户提供一致的响应时间

10、，且 不增加带宽，其解决方案便是 WFQ。WFQ是一种主要排队技术，它是一种 基于流的排队算法，可同时两件事情：将交互式流量安排到队列前部较少响 应时间，并使各高带宽流公平分享剩余容量。WFQ设计使配置工作减至最少，并可根据变化的网络流量情况自动调整。事实上，WFQ为大部分应用提供了优良服务，已成为大多数配置为以 E1或 低于E1速率运行的串行接口上的缺省排队模式（2.048M bps ）。WFQ效率极高，在没有较高优先级流出现的情况下，它可使用任何可用带宽来发送来自较低优先级流的流量。这与时分复用（TDM）是不同的，因为 TDM只是对带宽进行简单划分，如果网络中没有出现某种特定流量类型， 带

11、宽即会出现浪费现象。WFQ与IP优先和RSVP共同使用，可以提供差别 化QoS和保障QoS服务。WFQ算法还解决了轮循延迟可变性问题。如果多个高容量会话处于激活状 态，那么其传输速率和间隔时间就更容易预测。WFQ大大改进了某些算法， 如SNA逻辑链路控制（ILC）、传输控制协议（TCP ）拥塞和慢启动特性等。 产生的效果是对每个激活流都拥有可预测性更强的吞吐量和响应时间。WFQ和QoS信令技术的共用，是当前最有效的排队技术。WFQ是通晓IP优先的，也就是说，它可以检测到由IP转发器标为优先的高 优先级信息包，并为这些流量提供更快的排程和出色的响应时间。IP优先级 的取值为0 （缺省值）到7。随

12、着该优先值得增加，算法将为其分配更多的 带宽，以确保拥塞出现时，它能得到更快服务。WFQ向每个流分配一个权值，此权值确定了排队的信息包的传输顺序。在这种方法中，数值较低的信 息流量最先得到服务。Ip优先值将作为该权值的除数。举例来说，IP优先域 值为7的流量，其权值较IP优先域值为3的流量要低，因此在传输顺序上 它占优先地址。例如：假定在一个接口上的每一个优先级别都有一个信息流，每个都获得占 总数的优先值+ 1部分的链路，即：1+2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 = 36也就是 说每个流将获得链路容量的8/36、7/36、6/36、5/36等等。然而，如果有18个优先值为2的

13、流，则上式将成为：1+18x2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8二70则每个流将获得链路容量的8/70、7/701/70 ,另外18个流将分别获得大约2/70的链路容量。另外，在帧中继网中，拥塞出现可由前向明确拥塞通知（FECN ）和后向拥 塞通知（BECN ）位来标识。当流量由帧中继交换模块进行交换时，帧中继 丢弃资格（DE）、FECN和BECN位将影响WFQ权值。一旦拥塞被标识， 算法中的数值将发生改变，这样碰到拥塞的会话就会降低其传输频率。拥塞避免工具拥塞避免技术通过监视网络流量负荷，可预测和避免公共网络瓶颈处发生的 拥塞。这与在拥塞出现时对其进行管理的拥塞管理技术不同。避

14、免拥塞的主 要工具是加权随机检测（WRED），下面将对其进行描述。1WRED避免拥塞随机早期检测（RED ）算法可在网络出现拥塞问题之前，避免拥塞。RED在 网络中各点监视流量负荷，如果拥塞开始增加，将采取随机的信息包丢弃措 施。丢弃的结果是信息源将发现有流量丢失，从而降低其传输速率。RED主要是在IP互连网环境中TCP协议共用。2WRED与QoS信令技术共用WRED结合了 IP优先和RED算法的功能。这种结合可为较高优先级信息包提供优先流量处理。当接口开始出现拥塞时，它将有选择地丢弃较低优先级的流量，并为不同服务等级提供不同的性能特性。流整形和政策工具QoS软件解决方案包括两个流量整形工具-

15、通用流量整形（GTS ）和帧中继流量整形（FRTS ）工具，可管理网络中的流量和拥塞。1GTS控制、输出信息流通用流量整形（GTS ）提供的机制可在特定接口上控制信息流。通过限制指定流量的速率（也称为令牌存储桶法），它可减少输出量，从而避免了拥塞的发生，同时对特定流量的突发进行排队。这样，遵守特定标准的流量就可得到整形以满足下行流的要求，消除数据速率不匹配产生的网络拓扑瓶颈。GTS能在每个接口上进行，可使用访问列表来选择要整形的流量，并可与各 种第二层技术，如帧中继、ATM、交换式多兆位数据服务（SMDS）和以太 网等共用。在一个帧中继子接口上，通过BECN信号的集成，GTS可进行设置，动态地

16、 适应可用带宽的变化，或者直接设置整形为某个预定速率。GTS也可在 ATM/AIP接口卡上配置，对静态配置的 ATM永久虚拟电路（RVC）上的 RSVP信号作出响应。2FRTS 理帧中继流量帧中继流量整形（FRTS ）提供的参数可用来管理网络流量拥塞。其功能包括： 承诺信息速率（CIR）、前向和后向明确拥塞通知（FECN/BECN ）和丢弃资 格（DE）位。借助可提高帧中继网络的扩展性和性能，增加虚拟电路密度， 加快响应时间的其它功能，FRTS特性可建立在这种帧中继支持之上。例如，用户可将速率强制（配置的峰值速率，可限制输出流量）配置成CIR或其它定义值，如在每条虚拟电路上都配置为过度信息速率（EIR）。用户也可在VC或子接口级定义优