IP網(wǎng)絡(luò)QOS作用及其部署效果研究

賴云強(qiáng)

（杭州師范大學(xué)國(guó)際服務(wù)工程學(xué)院，浙江 杭州310012）

1 前言

Qos的全稱是Quality of Service服務(wù)質(zhì)量，在傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)狀況下，端到端報(bào)文傳遞時(shí)，報(bào)文所占的帶寬、傳遞的延遲、任意兩個(gè)報(bào)文間的延遲抖動(dòng)、丟包率是不能預(yù)期的：IP網(wǎng)絡(luò)對(duì)于所有的報(bào)文都無(wú)區(qū)別的對(duì)待，僅提供盡力而為(best-effort service)的傳送服務(wù)，對(duì)所有報(bào)文進(jìn)行同樣的傳遞。而隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展，我們對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)對(duì)于業(yè)務(wù)的服務(wù)期望是：對(duì)于重要業(yè)務(wù)的帶寬、延遲、抖動(dòng)、丟包率能得到一定的保證；對(duì)于非重要業(yè)務(wù)或者對(duì)時(shí)延不敏感的業(yè)務(wù)，在帶寬空閑時(shí)，可以占用大量帶寬：但在重要業(yè)務(wù)流量增大時(shí)，非重要業(yè)務(wù)的流量要變小，將帶寬留給高優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)使用。

QOS對(duì)于IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的主要目標(biāo)是：控制進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量，保證通信鏈路帶寬不會(huì)被用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)流量占滿，使其合理地使用網(wǎng)絡(luò)資源。IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的基本模式是：接入部分負(fù)責(zé)流量整形和流量監(jiān)管，而匯聚、核心部分負(fù)責(zé)對(duì)超過(guò)設(shè)定的流量進(jìn)行丟棄；或?qū)τ诟邇?yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)進(jìn)行保障。這樣就可以控制、調(diào)節(jié)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量。

傳統(tǒng)的QOS控制，是用TCP協(xié)議中滑動(dòng)窗口等機(jī)制進(jìn)行擁塞控制，但此類控制是基于傳輸層的控制，反映速度相對(duì)滯后，而目前比較流行的研究是在IP的TOS上區(qū)分業(yè)務(wù)的重要性，使用流量控制的漏桶原理，根據(jù)隊(duì)列調(diào)度算法，進(jìn)行報(bào)文丟棄?，F(xiàn)有的IntServ模型和DiffServ。模型是研究的熱點(diǎn)，還有分層QOS也是目前新興的研究課題。

2 QOS基本理論

2.1 QOS模型概述

目前比較流行的2種QOS模型是：IntServ模型IntServ和Diffserv模型。IntServ模型 (業(yè)務(wù)通過(guò)信令向網(wǎng)絡(luò)申請(qǐng)?zhí)囟ǖ腝oS服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)在流量參數(shù)描述的范圍內(nèi)，預(yù)留資源以承諾滿足該請(qǐng)求)和Diffserv模型(當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)，根據(jù)業(yè)務(wù)的不同服務(wù)等級(jí)約定，有差別地進(jìn)行流量控制和轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)解決擁塞問(wèn)題。)由于IntServ較難部署，固網(wǎng)電信運(yùn)營(yíng)商大部分采用過(guò)的是Diffserv。其核心接入層、核心層設(shè)備的QOS能力，在傳輸帶寬沒(méi)有擁塞的情況下，是可以滿足VIP、一般用戶服務(wù)的。但是在特定的情況下，當(dāng)VIP用戶流量發(fā)生擁塞，如何能夠最大程度上滿足VIP,VVIP用戶的要求，這是現(xiàn)在存在的很大的問(wèn)題。VIP用戶在流量擁塞的情況下，也會(huì)出現(xiàn)業(yè)務(wù)丟包的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)，其業(yè)務(wù)將不能使用。而對(duì)于VVIP用戶，如醫(yī)院、軍隊(duì)等會(huì)要求：在VIP用戶擁塞的情況下，VVIP用戶還可以正常使用。這就對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)的QOS實(shí)現(xiàn)的方式提出了新的要求。

對(duì)擁塞控制，一般有2種擁塞控制的方法，是流量監(jiān)管與流量整形。簡(jiǎn)單的對(duì)擁塞控制，一般有2種擁塞控制的方法，是流量監(jiān)管與流量整形。簡(jiǎn)單的說(shuō)，流量監(jiān)管作用是利用漏桶的原理，來(lái)進(jìn)行報(bào)文的丟棄；流量整形是利用緩存將超過(guò)峰值的流量?jī)?chǔ)存起來(lái)，等到鏈路不擁塞時(shí)再進(jìn)行發(fā)送。

6種調(diào)度算法是FIFO (First In First Out),PQ(Priority Queuing),WFQ(Weighted Fair Queuing),CQ(Custom Queueing)、CBQ(Class－BasedQueue)、RTPQ(Real-time Transport Protocol Queue)，其詳細(xì)的調(diào)度算法原理，是作為公認(rèn)的調(diào)度算法存在而被廣泛認(rèn)可的，在任何一木有關(guān)QOS基本論述的文章、書(shū)籍中都有關(guān)于這6種調(diào)度算法的詳細(xì)描述，在此就不做贅述了。

2.2 QOS在電信運(yùn)營(yíng)商的部署

Qos是一種調(diào)度機(jī)制，可以加快高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)速度，但在鏈路沒(méi)有擁塞的情況下，Qos并不能顯示出其強(qiáng)大的業(yè)務(wù)區(qū)分和服務(wù)能力。只有在鏈路發(fā)生擁塞的時(shí)候，才能體現(xiàn)Qos的相關(guān)功能。

對(duì)于Qos，理論上有非常多的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，如：輕載網(wǎng)絡(luò)、核心部分采用Diffserv、邊緣部分則采用業(yè)務(wù)感知、策略執(zhí)行、流量控制等這些多種方式綜合等。但以_L協(xié)議都是在非常理想的情況進(jìn)行部署的，隨著數(shù)通設(shè)備和芯片技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計(jì)可能在2-3年后能夠在固網(wǎng)電信運(yùn)營(yíng)商的城域網(wǎng)上部署。

目前比較現(xiàn)實(shí)的QOS方式是在接入層設(shè)備進(jìn)行標(biāo)記，在核心層設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)流量擁塞時(shí)，進(jìn)行QOS的保證。但這種方法的產(chǎn)生問(wèn)題是：當(dāng)在此設(shè)備上，優(yōu)先級(jí)最高的流量發(fā)生擁塞而丟包時(shí)，對(duì)于終端用戶的感知非常差一一可能會(huì)出現(xiàn)所有最高優(yōu)先級(jí)的用戶都不同程度的丟包，時(shí)多時(shí)少，最終引起所有最高優(yōu)先級(jí)的用戶的網(wǎng)絡(luò)性能變差，所有用戶都不滿意。而比較好的方式應(yīng)該是：在這種情況下，滿足相同優(yōu)先級(jí)中一部分用戶的需求，使其不丟包或丟很少的包，而對(duì)于其他相同優(yōu)的用戶，使其徹底中斷，直到前面有用戶釋放資源。一部分用戶不滿意，總比所有用戶都不滿意好。

這就類似于使用電路交換的方式來(lái)滿足分組交換的業(yè)務(wù)需求。WIP用戶的帶寬總是給這些用戶保留著，無(wú)論這些WIP用戶是否在使用。而給WIP預(yù)留的帶寬只占總帶寬的千分之幾，帶寬利用率不會(huì)明顯降低。

圖1 城域網(wǎng)典型組網(wǎng)

3 QOS現(xiàn)階段狀況

現(xiàn)階段IP網(wǎng)絡(luò)的QOS功能，在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的核心部分，基本可以滿足現(xiàn)在業(yè)務(wù)的需要?？梢詫?duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分類、進(jìn)行帶寬、流量方向的控制。但隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展隨著VOIP,3G的大規(guī)模部署，如何對(duì)這些高質(zhì)量業(yè)務(wù)做高質(zhì)量的保護(hù)，是現(xiàn)階段在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中存在的巨大的問(wèn)題。

以上圖為例：用戶A相對(duì)用戶B更優(yōu)先，在上行鏈路擁塞時(shí)，可以得到較好的服務(wù)：而用戶C相對(duì)用戶A更優(yōu)先，于是在A和C同時(shí)訪問(wèn)D時(shí)，C等到的服務(wù)就要比A好；這就要全網(wǎng)做非常細(xì)致、合理的QOS規(guī)劃。這些需求就要求網(wǎng)絡(luò)建設(shè)人員應(yīng)該從網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的初期就開(kāi)始就行業(yè)務(wù)流量的規(guī)劃，明確：哪些業(yè)務(wù)有上網(wǎng)需要、這些業(yè)務(wù)到哪里終結(jié)、哪些業(yè)務(wù)流量走哪些鏈路、當(dāng)某些鏈路發(fā)生中斷口業(yè)務(wù)流量該如何疏導(dǎo)等等。只有明確了這些內(nèi)容，QOS在部署上，才能取得最好的效果。

在城域網(wǎng)核心，完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于業(yè)務(wù)的不同區(qū)分，從而提供差異化的服務(wù)，但是所以量區(qū)分、報(bào)文丟棄等操作都有核心設(shè)備執(zhí)行，對(duì)于核心設(shè)備來(lái)說(shuō)，壓力非常大。最好的模型是：所有打標(biāo)簽、丟棄報(bào)文的動(dòng)作，由接入、匯聚層設(shè)備來(lái)執(zhí)行。如圖中的地市SR和地市BAS等。而給報(bào)文打標(biāo)簽、設(shè)置優(yōu)先級(jí)的動(dòng)作，就需要由接入層路由器、交換機(jī)、DSLAM設(shè)備完成。打標(biāo)簽、設(shè)置優(yōu)先級(jí)后，有匯聚層設(shè)備決定丟棄或轉(zhuǎn)發(fā)，核心層只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)匯聚層送到本身的報(bào)文。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)只能按照我們前期的規(guī)劃發(fā)揮它的作用，而不能代替我們的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，在何種情況下，使用何種技術(shù)：人類的智慧，在技術(shù)越來(lái)越發(fā)達(dá)的今天，顯得尤其更加重要。

從現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)情況上看，QOS只是解決網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)的一種方法，它不是萬(wàn)能的，不能把所有希望都放在QOS上。

4 QOS的展望

按需帶寬分配(Bandwidth on demand)業(yè)務(wù)等新的QOS研究正在進(jìn)行，和傳統(tǒng)的QOS相比，簡(jiǎn)單的說(shuō)：就類似靜態(tài)路由協(xié)議和動(dòng)態(tài)路由協(xié)議的區(qū)別。按需帶寬分配就是可以設(shè)備實(shí)時(shí)的流量和業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)來(lái)實(shí)時(shí)控制流量的大小、業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)。

但其實(shí)現(xiàn)涉及到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)報(bào)文的DPI技術(shù)、以及和網(wǎng)管配置的聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜。但其實(shí)現(xiàn)后，就可以由設(shè)備、網(wǎng)管動(dòng)態(tài)的掌握帶寬分配，在設(shè)置好的情況下，幾乎不用人為干涉。最終技術(shù)的發(fā)展，會(huì)不斷的將人們從繁重的、重復(fù)性勞動(dòng)中解放出來(lái)，去創(chuàng)造新的未來(lái)。

[1]RFC 791.Internet Protocol[S].US：Information Sciences Institute University of SouthernCalifornia,1981

[2]RFC 793-Transmission Control Protocol[S].US：Information Sciences Institute University of Southern California,1981