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1、QoS的基本概念、路由及研究现状和发展 阅读提示：随着网络多媒体技术的飞速发展，Internet上的多媒体应用层出不穷，如IP电话、视频会议、视频点播(VOD)、远程教育等多媒体实时业务、电子商务在Internet上传送等。Internet已逐步从单一的数据传送网向数据、语音、图像等多媒体信息的综合传输网演化。这些不同的应用需要有不同的Qos(quality of service)要求，Qos通常用带宽、时延、时延抖动和分组丢失率来衡量。各种应用对服务质量的需求在迅速增长。 0、概述目前的Internet仅提供尽力而为(best-effort service)的传送服务，业务量尽快传送，没有明
2、确的时间和可靠性保障。随着网络多媒体技术的飞速发展，Internet上的多媒体应用层出不穷，如IP电话、视频会议、视频点播(VOD)、远程教育等多媒体实时业务、电子商务在Internet上传送等。Internet已逐步从单一的数据传送网向数据、语音、图像等多媒体信息的综合传输网演化。这些不同的应用需要有不同的Qos(quality of service)要求，Qos通常用带宽、时延、时延抖动和分组丢失率来衡量。各种应用对服务质量的需求在迅速增长。Internet上一些主要应用的业务特征及其QoS如表1所示。显然，现有的尽力传送服务已无法满足各种应用对网络传输质量的不同要求，需要Internet
3、提供多种服务质量类型的业务。而尽力而为的服务仍将提供给那些只需要连通性的应用。服务质量Qos系指用来表示服务性能之属性的任何组合。为了使其具有价值，这些属性必须是可提供的、可管理的、可验证和计费的，而且在使用时它们必须是始终如一的、可预测的、有的属性甚至是起决定性作用的。为了满足各种用户应用的需要，构建对IP最优并具备各种服务质量机制的网络是完全必要的。专线服务、语音、文件传递、存储转发、交互式视频和广播视频是现有应用的一些例子。0.1QoS的关键指标QoS的关键指标主要包括：可用性、吞吐量、时延、时延变化(包括抖动和漂移)和丢失。下面详细叙述。可用性 是当用用户需要要时网络络即能工工作的时时
4、间百分分比。可可用性主主要是设设备可靠靠性和网网络存活活性相结结合的结结果。对对它起作作用的还还有一些些其他因因素，包包括软件件稳定性性以及网网络演进进或升级级时不中中断服务务的能力力。吞吐吐量 是在一一定时间间段内对对网上流流量(或或带宽)的度量量。对IIP网而而言可以以从帧中中继网借借用一些些概念。根根据应用用和服务务类型，服服务水平平协议(SLAA)可以以规定承承诺信息息速率(CIRR)、突突发信息息速率(BIRR)和最最大突发发信号长长度。承承诺信息息速率是是应该予予以严格格保证的的，对突突发信息息速率可可以有所所限定，以以在容纳纳预定长长度突发发信号的的同时容容纳从话话音到视视像以及
5、及一般数数据的各各种服务务。一般般讲，吞吞吐量越越大越好好。时延延 指一项项服务从从网络入入口到出出口的平平均经过过时间。许许多服务务，特别别是话音音和视像像等实时时服务都都是高度度不能容容忍时延延的。当当时延超超过2000-2250毫毫秒时，交交互式会会话是非非常麻烦烦的。为为了提供供高质量量话音和和会议电电视，网网络设备备必须能能保证低低的时延延。产生生时延的的因素很很多，包包括分组组时延、排排队时延延、交换换时延和和传播时时延。传传播时延延是信息息通过铜铜线、光光纤或无无线链路路所需的的时间，它它是光速速的函数数。在任任何系统统中，包包括同步步数字系系列(SSDH)、异步步传输模模式（A
6、ATM）和和弹性分分组环路路(RPPR)，传传播时延延总是存存在的。时延变化 是指同一业务流中不同分组所呈现的时延不同。高频率的时延变化称作抖动，而低频率的时延变化称作漂移。抖动主要是由于业务流中相继分组的排队等候时间不同引起的，是对服务质量影响最大的一个问题。某些业务类型，特别是话音和视像等实时业务是极不容忍抖动的。分组到达时间的差异将在话音或视像中造成断续。所有传送系统都有抖动，只要抖动落在规定容差之内就不会影响服务质量。利用缓存可以克服过量的抖动，但这将增加时延，造成其他问题。漂移是任何同步传输系统都有的一个问题。在SDH系统中是通过严格的全网分级定时来克服漂移的。在异步系统中，漂移一般
7、不是问题。漂移会造成基群失帧，使服务质量的要求不能满足。丢包 不管是比特丢失还是分组丢失，对分组数据业务的影响比对实时业务的影响都大。在通话期间，丢失一个比特或一个分组的信息往往用户注意不到。在视像广播期间，这在屏幕上可能造成瞬间的波形干扰，然后视像很快恢复如初。即便是用传输控制协议(TCP)传送数据也能处理丢失，因为传输控制协议允许丢失的信息重发。事实上，一种叫做随机早丢(RED)的拥塞控制机制在故意丢失分组，其目的是在流量达到设定门限时抑制TCP传输速率，减少拥塞，同时还使TCP流失去同步，以防止因速率窗口的闭合引起吞吐量摆动。但分组丢失多了，会影响传输质量。所以，要保持统计数字，当超过预
8、定门限时就向网络管理人员告警。0.2研究QoS的推动力网络中，服务质量(QoS)的研究有三个主要的推动力。是对QoS有严格要求业务的出现，如交互式实时多媒体业务、BP电话等；是通过QoS研究，有助于提高网络效率，降低网络成本；是运营商可以通过QoS机制，按照不同用户对服务质量的不同要求，提供多种有区别的服务，提高用户的满意度，同时提高网络运营商的收益。因此，服务质量的研究重点是如何提高网络提供QoS保证的能力，而最终研究的目标是保证用户对QoS的要求。1、IP Qos主要体系结构及其实现机制Internet如何提供QoS支持（即IP QoS问题）已成为业界关注的焦点。IP QoS是指IP数据流
9、通过网络时表现出来的特性，这种特性可以用下列指标来表示：传输服务的可靠性、延时、延时抖动、吞吐量、丢包率。到目前为止，IP QoS主要有3种体系结构。(1)intserv集成业务intserv主要引入了一个重要的网络控制协议RSVP(资源预留协议)。RSVP的引入使得IP网络为应用提供所要求的端到端的QoS保证成为可能。Intserv尽管提供QoS保证，但其扩展性差。因为其工作方式是基于每个流的，这就需要保存大量的与分组队列数成正比的状态信息。此外，RSVP的有效实施必须依赖于分组所经过路径上的每个路由器。在骨干网上，业务流的数目可能很大，因此要求路由器的转发速率很高，这使得intserv难于
10、在骨干网上得到实施。(2)Diffserv区分业务IETF（互联网工程任务组）在RFC2475中提出diffserv体系结构，旨在定义一种能实施QoS且更易扩展的方式，以解决intserv扩展性差的缺点。diffserv简化了信令，对业务流的分类颗粒度更粗。Diffserv通过汇聚(aggregate)和PHB(per hop behavior)的方式提供QoS。汇聚是指路由器把QoS需求相近的业务流看成一个大类，以减少调度算法所处理的队列数。PHB是指逐跳的转发方式，每个PHB对应一种转发方式或QoS要求。由于diffserv采用对数据流分类聚集后提供差别服务的方法实现对数据流的可预测性传输
11、，所以对QoS的支持粒度取决于传输服务的分级层次，各网络节点中存储的状态信息数量仅正比于服务级别的数量而不是数据流的数量，由此diff-serv获得了良好的扩展性。3)MPLS多协议标签交换多协议标签交换(MPLS)将灵活的3层IP选路和高速的2层交换技术完美地结合起来，从而弥补了传统IP网络的许多缺陷。它引入了“显式路由”机制，对QoS提供了更为可靠的保证。多协议标签转换MPLS在路由寻址方面同传统路由器有明显的不同。MPLS支持特殊路由，到达同一目的地的数据包可沿不同路径进行转发。MPLS网络主要由标签交换边缘路由器LER和标签交换路由器LSR组成；MPLS技术的Qos 保证机理如下：标签
12、交换，LabeISwap)机制当数据流进入M PLS网络时，入口标签交换边缘路由器LER首先将数据流映射到某个转发等价类FEC(转发等价类是指网络中沿相同路径进行转发的一类分组的集合)。再根据FEC为每个分组加上固定长度的短标签。每个FEC对应的标签是由基于限制路由的标签分发协议CRLDP根据路由协议(如OSPF、RIP、BGP协议)以及考虑到带宽的可用性和业务特性分发给各个LSR和LER的。进入MPLS网络以后，标签交换路由器LSR不再根据原来的分组中的信息转发数据，而只是仅仅根据分组所携带的标签进行交换式转发。由于分组在通过网络时只需一次路由，转发时无需做传统意义上的路由判断(如查找路由表
13、)，从而提高了转发速度。另外，CRLDP避免了以前LDP协议分发标签时只是根据传统路由协议来分发标签：而传统路由协议是基于最短路径算法的，容易导致多条标签交换路径LSP选用同一系列LSR，进而可能使部分网络出现拥塞，而网络的其它部分仍有可用资源，极大地浪费了网络资源。CR LDP在分发标签时充分考虑了带宽的可用性和业务特性，避免了拥塞的发生，充分利用了网络带宽资源。M PLS技术对QoS的保证M PLS有两种途径对Qos支持：一是让标记本身就具有服务质量ToS(Type of Service)的意义：LER事先把标记空间分成多个区间，不同区间的标记具有不同的服务质量，在为新数据流分配标记时，根
14、据其Qos的不同为其分配相应区间的标记；另一途径是让标记条目中的ExP域来标示传送分组的Tos。M PLS数据包的服务质量类型就由Tos等参数来决定。LER根据T0s来决定输出队列和丢包优先级，如对于到达同一目的地的IP包，可根据设置在标签中ExP域的Tos值来建立不同的转发路径，不同的转发路径对应不同的拥塞控制机制和丢包优先级，达到其对传输质量的要求。同时，通过对特殊路由的管理，还能有效的解决网络中的负载分担和拥塞问题，如当网络中出现拥塞时，MPLS可实时的建立新的转发路由来分担其流量，或通过强制丢包、通知信源降低数据发送率等手段来缓解网络拥塞。虽在MPLS之前的综合服务和区分服务能解决一部
15、分服务质量问题，但只有MPLS才是一种最全面的服务质量保证体系。以上3种体系结构仅仅是提供了一种在子网络域内实施QoS的框架结构，而具体的一些策略和相应的实现机制则由不同的厂商来决定。目前有关IP QoS的4种实现机制大致可归纳为：队列管理机制，队列调度机制，基于约束的路由(CBR)和流量工程。其中CBR是对QoS的限制参数进行一定的扩充。CBR需各路由器间相互配合，如相互通知网络的状态信息等。CBR的难点在于如何在状态信息的精确发布和发布频率之间取得一个折衷。CBR包括QoS路由(QoS-based routing)和策略性路由(poIicy routing)。2、QoS路由目前网络研究主要
16、通过两个途径提高QoS，一个是节点控制；另一个是整网或局部网络控制。节点控制在单节点或单链路完成，主要控制业务对单节点共享资源的占用，包括共享的链路、缓存区、处理器资源。节点控制主要的策略包括：业务流整形、业务调度、节点缓冲区管理，整网或局部网络控制通常通过对路由与信令的控制达到对业务流或业务连接在网络中传输的直接控制，因路由直接关系到网络性能，所以QoS路由成为解决QoS问题的一项关键技术。QoS路由的主要目标是为接入的业务选择满足其服务质量要求的传输路径，同时保证网络资源的有效利用一般路由选择过程由两个部分组成：一是为到达业务选择路径并发送数据包的过程，本文称之为寻路过程；一是节点问路由信息的交互过程，与传统的尽力而为的路由过程相比，QoS寻路过程涉及两个方面的问题：一是依据哪些度量参数作为寻路标准，这里简称为度量参数选择问题；另一个是在寻路标准
