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1、ip网络的服务质量序言引 言 Internet的发展过程中有许多标志从令人振奋的“信息高速公路”到令人悲观的“世界范围的等待（World Wide Wait）”。作为一个给人以深刻印象的、世界范围内网络互连的集成，Internet以各种速度将大量的信息传送到各种不同的地点，因此可以说Internet可能真的就像高速公路一样。但是，大多数人经历过这个所谓高速公路给我们带来的不可预料的服务，我们几乎不能否认Internet发展中出现的“世界范围的等待”的存在。这条信息高速公路有时候就好像是一条到处是水没有修好的街道，为减轻交通流量，通常会根据其重要性选择一些分组，对其进行延迟发送或彻底丢弃。服务质
2、量（Quality of Service, QoS）就是要最大限度减少这类问题的发生。 我们为什么需要服务质量 大多数人在玩文字游戏的时候如果看见“尽力而为（Best Effort）”这个词，他们头脑里首先反应的可能就是Internet。网际协议（Internet Protocol, IP）族的发展历史清晰集中地反映出了这种能在各种情况下寻找和建立连接的网络技术的发展过程。一旦分组给定了其最终的目的地址，网络就将（尽最大可能）试图通过任何可用的内部链路确定一条通路，来完成分组向目的地的传送。网络完成传送的实际时间（传输延时）是我们应该考虑的第二个问题。如果由于网络中出现长期或短期的问题而造成网
3、络中没有能到达目的地址的通路，分组就可能会被丢弃（延迟的一种相当极端的形式）。在这两种情况下，网络不会向分组的源端返回任何信息来指示分组发送成功还是失败。这就像邮递普通的信件，邮递员会说“把信交给我吧”，然后只是尽最大努力去传送它。如果需要提供有保证的传递，源端和目的端之间一定要采用额外的端到端机制（例如传输控制协议或称为TCP）来确定分组是否被成功传送，如果失败还要重新传送丢失的分组。 当然，在现实世界中事件的及时性是很重要的。一个穿过IP网络产生分组流的应用程序常常需要满足其自身的某些要求，仅仅在某一些时刻将分组发送出去是远远不够的。一个自动的、每天运行一次的文件备份程序，可能要花数分钟甚
4、至数小时来完成备份任务，因此它可能根本不关心那些经过很长环形径路才到达的分组。如果你在Web上浏览或查询一个远程数据库，那么你会忍受以秒计的延迟；如果延迟超过几分钟，你就根本不可能接受。一些要求更严格的应用程序，例如会话聊天、实时的声音和图像等，必须满足用户的交互的要求这时可以忍受的延迟是以几分之一秒来衡量的。由网络引入的延迟通常被称为端到端的延迟时间（latency）。 在现实世界中的另一个常见需求是保持分组在时间上的序列特性（来自同一个源的分组到达的时间间隔）。如果一个应用程序按照规律间隔地发送分组流，而这些分组在到达远端目的地时发生分组聚集的突发，那么就说明网络已经破坏了分组源的时间序列
5、特性通常这种现象称为抖动（Jitter）。这也给那些用于实时音频和视频传送的应用程序带来一些十分棘手的要求（尽管在非实时应用程序中很少考虑这一点，如文件传送和邮件的传输）。一般来说，人们还是希望视频和音频的传输在接收端能够还原出连续平滑、正常的媒体内容。 为了防止抖动的出现，许多现有的网络视频/音频应用程序配置了播放（play-out）缓冲区，以便在对视频和音频内容进行解码时恢复最初的时间序列。然而，播放缓冲区会增加分组从源端发送到接收端的平均时间。交互式应用程序（如Internet电话）需要在大缓冲和小缓冲之间仔细平衡。大缓冲区用来应付网络的不可测行为，小缓冲区用来确保某种可以接受的通话效果
6、。为保证时间序列特性，有时丢弃那些在网络中延迟了很长时间的分组也是值得的。对于非交互式应用程序（如Internet电视广播），播放缓冲区可能会相对大一些，因为这并不会影响用户那端的使用效果。 目前的Internet既不能保证分组传输的及时性，也不能保证分组时间的序列特性这是因为Internet更关注向哪里发送分组，而较少注意发送分组的时间。在发展的早期这种做法是可以接受的，因为那时的应用程序通常是不要求实时性的。而对简单的实时服务如远端登录等，当时的网络一般情况下也已经能提供足够好的服务了。网络的设计和配置通常都遵循这样一句格言，“网络出现拥塞时就增加带宽”。共享可用带宽的工作完全交给了统计复
7、用的随机原理。只要任何一条链路的可用带宽远远大于平均的通信负载，大概每个人都会感满意。 然而，时代已经发生了变化。企业的IP intranet和商业IP骨干网同样都要面临许多新的需求，要求他们的网络在端到端的行为上具有更高的可预测性。这些需求是由一系列因素所引出的，这些因素包括运行网络多媒体应用程序的PC数量的爆炸式的增长，许多企业也正试图将其关键应用程序迁移到基于IP的网络中。中级和顶级IP骨干网的提供者也感到了压力，他们需要在其广域IP网络上提供可预测的和有保证的服务。只要用户仍然对IP互连有所需求，服务提供商就会一直处于不断改善其网络服务质量的巨大压力之下不仅要从其他网站那里吸引新的客户
8、，还要留住自己已有的客户。 IP的基本问题 与生活中的大多数事情一样，人们对QoS也存在着不同的看法。对于一个具有传统网络操作背景的人来说，QoS是网络的一个长期可靠性和可用性的问题。（连接网络的时间是一天几个小时、一星期几天还是一年几个月？）其引申的含义是用户在相当短的时间内即保持网络连接和传输分组的过程中对网络行为的看法。这时，QoS就变成了一系列问题，包括传输速度、分组传送的及时性、网络给分组流带来的抖动总量以及完全分组丢失的概率。 在这两个极端之间是关于在网络内部出现设备失效的时候如何使网络性能实现平稳降级的工程性问题。网络中单个组件（如路由器、交换机或链路）的可靠性到底有多高？关键设
9、备是否都需要进行冗余配置保证其连接性？当冗余设备投入运行的时候，其连接的质量如何（包括可用的带宽、延迟、突发性以及分组丢失的概率等）？在一个网络连接质量由短期问题转变成一个连接性丢失的长期性问题以前，可以容忍多大程度的网络性能的下降？ 当一般用户发送其分组的时候一般都不会去注意IP网络的内部情况。然而，在你能够决定什么技术适于增强网络的QoS能力之前，你必须理解现有IP网络的弱点。这些弱点可以总结如下： ?在发生瞬时拥塞时，路由器提供的时间响应是不可预测的。 ?对不同的业务流类型不能提供优先级的服务。 ?不能动态地请求（或修改）端到端的服务质量。 ?只有有限的机制可以用于审计网络资源使用情况。
10、 分组沿着由链路和路由器构成的通路传递。路由器和链路的互连可能构成任意的拓扑结构，它们需要使用路由协议来为每一个分组寻找其合适的通路到达目的地。路由器本身就像是一个数十、数百以至数千不相关分组流的汇聚点和分支点。数据应用程序可能产生许多具有数据突发（其中存在静态的间隔时间）或者有着均匀分组间隔的分组流。当分组的突发同时到达时，到达的分组数量会超过路由器的瞬时分组传送能力，这些试图通过该路由器的分组都将经历一个附加的延迟时间。（这与飞机起飞前机场检票以及在交通高峰期试图通过拥挤的交叉路口、收费站公路或隧道的等待情形没有什么不同。）路由器和交换机要承受瞬时的网络拥塞，并缓冲到达的过量分组，直到它们
11、被发送出去。（当瞬时的网络拥塞变得很严重时，缓冲区可能溢出导致分组被完全抛弃。）在提供QoS时最关键的两个因素如下： ?在发生瞬时网络拥塞时，路由器如何处理不同种类的分组。 ?路由器如何利用底层链路的QoS特性。 任何分组所经历的延迟时间都是由经过每一条链路的传输时延以及在每一个路由器中的处理时延（包括缓冲时延和排队时延）组成的。 抖动是路由器中由拥塞导致的不可预料的缓冲延迟造成的缓冲延迟每时每刻都是不断变化的，即使是对那些去往同一个目的地的分组也是同样。为尽力而为的Internet而建造的路由器并不能区分来自不同应用程序或不同用户的分组。但是，我们所需要的是路由器能够对不同种类的分组提供不同
12、的延迟和抖动特性参数。 机场的登机检票过程是一个很好的例子。若干检票员一起尽可能快地向乘客提供服务。但机场中有许多等级不同的旅客，他们希望得到更快捷的登机服务。为了达到这个目标，机场必须在登机柜台前建立多个队列针对航班中的每一个服务等级有一个队列（通常可根据乘坐航班的频繁程度）。把乘客分成不同的队列，这可以使服务员能够加速处理那些航班中付出了额外费用的旅客的登机手续。这样的机制所达到的效果就是，与那些经济舱的旅客相比，付出了额外费用的旅客可以得到更快捷的（排队短，因此延迟小）和更可预测的（更小的时延抖动）检票和登机服务。为了建立一个具有QoS能力的Internet，网络的设计者必须开发和配置新
13、型的路由器，这些路由器能够将分组划分成不同的类型，在网络拥塞的时候对不同类别的分组分别进行排队，并为每一类别分配唯一的处理优先级。有了这些工具以后，网络的设计者就可以开始控制那些付出了额外费用的客户的端到端的延迟和抖动。 然而，仅仅在单个的路由器中提供区分的分组处理能力还是不够的。在把具有QoS能力的Internet变成现实以前还需要进行两种功能的开发：信令和统计计费。从最广泛的意义上说，信令是指在端到端的通路上建立流分类和服务规则的过程。（实际中存在多种机制，在操作的不同时期其功能是不同的。）除此以外，还必须对每一个人使用资源的情况进行计费。路由器的容量和链路的带宽既不是免费的也不是无限的。
14、任何对某些业务类别提供的优先服务都意味着对其他的业务类别进行了与之相当的限制。如果没有一种相应的机制对用户使用的各种资源进行统计计费和控制，那么每一个人都会请求最好的服务，这将使网络回到最初的那种没有QoS的时代。 对资源的使用进行计费有两个组成部分。首先，申请使用特定资源的请求必须要经过鉴别（目的是要精确记录合法的请求，防止那些没有相应权限的用户恶意破坏资源分配过程）。其次，应当对用户使用资源的实际情况进行监视和跟踪（目的是记录用户对网络的实际需求），在可能情况下还要进行鉴别（以确保使用了特定用户所申请的资源的分组确实是来自于该用户的）。服务提供商最终将利用这些统计信息根据其市场和营销的计划
15、来对他们的客户进行计费。然而，不同级别QoS的价格模型本身是属于另外一个领域的内容，已经超出了本书的范围。 适合本书的读者 这本书适合的读者是：那些希望了解今天Internet中的技术问题的人；那些正在思考我们应该怎样来改善Internet等问题的人。你是否： ?正在试图了解如何在公司或企业的LAN上进行视频和声频的传输服务？ ?正在试图通过向你的IP服务客户提供有保证的服务级别来寻找一个新的经济增长点？ ?希望更清楚地了解厂商所提供技术？ 在本书的最后，你会对Internet的技术状况有一个清楚的了解，你也将能够形成一个用于评价每一种QoS新技术的框架，这将有助于创造一个更好的Internet。 这本书是如何组织的 本书的开始将对IP网络互连进行基本回顾（寻址、网络体系以及尽力而为的选路等），然后对导致现今IP网络局限性的技术问题进行了探讨。这些局限包括不可预测和可变的传输延迟（即我们所知的延迟和抖动）、不可预测的分组丢失和网络失效、以及它不能为共享网络资源的单个服务提供有保证的带宽。所有这些就是现有的IP网络在QoS方面存在的不足。 受到不断涌现的视频、音频以及关键任务等应用对服务需求的推动，本书探讨了IP路由器以及分组交换设备的各种发展道路
