高级计算机网络计网课件版第9讲ip qos

IP服务质量(QoS)袁华张凌华南理工大学计算机科学与工程学院广东省计算机网络重点实验室2本讲主要内容什么是QoS？为什么需要QoS？描述QoS的重要参数QoS的服务模型尽力传送服务综合服务（多协议标签交换）差分服务QoS相关的重要技术3为什么需要服务质量？互联服务质量早期应用无需质量保证（BestEffort）大多早期应用无需付费196519701975198019851990

199520002005军事/学术应用商用4EverythingoverIP！5高清、实时！每天早上，当安德鲁·菲克斯（AndrewFikes）坐在美国加州山景城谷歌总部的办公桌前时，他就会打开谷歌与纽约曼哈顿之间的“VC”连接。通过办公桌上的电脑屏幕，菲克斯能看到威尔逊·谢（WilsonHsieh）坐在谷歌曼哈顿办公室里，后者也能看到菲克斯。两人还会与谷歌在华盛顿州柯克兰（Kirkland，靠近西雅图）的一个办公室建立VC连接。他们的工程团队跨越这个国家三个不同地区的三个办公室，但所有人仍旧可以毫无延迟地聊天、进行“头脑风暴”和互相解答疑难问题6不同的应用要求不同的服务质量LowLow应用名称可靠性时延时延抖动带宽文件传输高低低中电子邮件高低低低Web访问高中低中视频点播低低高高视频会议低高高高主观上，每个传输者都希望得到有质量保证的服务客观上，不同的应用可以有不同的服务质量7现状却是这样的：提供的服务只是“尽力而为”的(BestEffort)所有的报文被“公平”处理（FIFO）不能保证充足的资源（resourceguarantees

）不能保证服务性能（有效性、带宽、延迟、抖动、丢包等）可能遇到拥塞8什么是QoS？（Qualityofservice）ITU-T：QoS是一个综合指标，用于衡量一个服务的满意程度。IETF：QoS是在传输一个“流”时，网络能够满足相应的服务需求Cisco：QoS是指一个网络能够利用各种底层技术向选定的网络业务提供更好的服务的能力。Tele-presence：<10ms9量度QoS有哪些参数？有效性（可靠性）带宽(bandwidth)更确切的说：吞吐量延时(delay)抖动(jitter)丢包率(lossrate)电子科技大学候孟书等，《QoS测量综述》，计算机科学，31（10）10有效带宽（吞吐量）BWmax=min(10M,256k,512k,100M)=256

kbpsBWavail=BWmax/FlowsIPIPIPIP10Mbps256kbps512kbps100Mbps11端到端的延迟跟交换设备（路由器）的处理性能密不可分！Delay=P1+Q1+P2+Q2+P3+Q3+P4=XmsIPPropagationDelay(P1)ProcessingandQueuingDelay(Q1)IPIPIPPropagationDelay(P2)ProcessingandQueuingDelay(Q2)PropagationDelay(P3)ProcessingandQueuingDelay

(Q3)PropagationDelay(P4)12抖动SequencenumberPacketgenerationNetworkdelayBufferPlayback(重放)TimePacketarrival13怎样提供QoS？带宽控制设备带宽控制设备L4 RRSWFRATMTDMRTP+RTCPTCP流控TCP/UDP端口号COS、Diff-servIEEE802.1p标记帧分片（FRF.12）业务类型（CBR、VBR等）带宽分割RRRSVP应用层传输层网络层

链路层物理层L4 RRSWFRATMTDMRTSP、数据压缩等路由器LAN交换机帧中继交换机ATM交换机时分复用设备CBR：ConstantBitRateVBR：VariableBitRateUBR：UnspecifiedBitRateFRF：FrameRelayForumTOS：TypeOfService Diff-serv：DifferentiatedserviceRTP：Real-timeTransportProtocolRTCP：RTPControlProtocolRTSP：RealTimeStreamingProtocol底层：真正的QoS实现高层：QoS参数协商和状态维护14我们关注IPQoS可以这样理解：IP网络按照应用的要求成功传输IP数据包的能力。ApplicationIPnetworkUserServer/applicationEnd-to-endQoS15为什么导致服务质量问题？用户需要的服务（负载）几乎是无限的承载服务的设施（资源）却是有限的当负载>资源的时候，就会产生QoS问题：拥塞路由器过载延迟加大抖动丢包。。。。。。如何扭转不等式？16如何保证服务质量？增大资源增加线路增大交换设备的处理能力增多交换设备降低负载准入控制（单双号限行，粗鲁却非常有效！）载荷脱落（随机、葡萄酒策略、牛奶策略）随机早期检测RED注意：增大资源不总是有效的！比如，增加Buffer，反而导致情况更加恶化！17所有人都要保证QoS是不可能的！服务质量是相对而言的，保证某些业务的服务质量，必然损坏其他业务的服务质量如某线路总带宽100M，BT业务流达90M，其他业务仅占10M。为了保证其他业务，必须打压BT业务，比如压缩到50M以牺牲一部分人的利益来保证其他人的利益！18综合服务RSVP区分服务MPLSIPIPIntServnetworkDiffServnetwork“信令机制”“设定优先权”RSVP(资源预留协议)DSCP(区分服务码点)MPLS,COSQoS模型19QoS模型的变迁NostateBestEffortPer-flowstateIntServ/RSVPAggregated

stateDiffServ1.TheoriginalIPservice2.FirsteffortsatIPQoS3.SeekingsimplicityandscaleTime4.BandwidthOptimization&e2eSLAs(IntServ+DiffServ+TrafficEngineering(流量工程))20综合服务（IntegratedServices）1991年，业界认为远程多媒体会议将成为杀手级应用，1994年，颁布RFC1633（IntegratedServicesintheInternetArchitecture

）在原始IP服务上，做了基本和根本的改变：以RSVP信令向网络提出业务流传输规格(FlowSpec)，并建立和拆除传输路径上的业务流状态。主机和路由器节点建立和保持业务流状态信息。以资源预留为核心（RSVP）21资源预留协议（RSVP）ReSourceReserVation

Protocol（RFC2205）发送者发送PATH

message（消息）沿途路由器记录路径信息（设置路径状态）接收者回发RESV

message（消息）发送者每30秒钟发送一次PATHmessages接收者也每30秒钟传回RESVmessage22RSVP工作机理

SenderReceiverPATH

messageRECV

messageDATA23综合服务在路由器内部24让我们设想一下：如果一根OC-48(2.5Gbps)

的骨干链路上要复用64k的语音流，共可提供：

(2.5109)/(64103)=39,000每条语音通信涉及到的状态信息都需要周期性的刷新！沿途路由器对每个达到的语音数据，按照状态数据进行分类、策略选择、排队调度、转发。。。。。25综合服务的缺点所有的路由器都必须为每个流维护状态信息完全的分布性导致极大的复杂性！在低速连接上造成高负载的低效工作模式扩展性和鲁棒性26最终，综合服务失败了。。。。。。经济因素部署代价过于昂贵可扩展性差每流状态难以维护面向组播的预留策略难以实现访问控制、认证、计费均实现困难27差/区分服务（DifferentiatedServices）试图克服综合服务的缺点，定义服务类（serviceclass）服务类ExpeditedForwarding(EF):RFC2598(加速转发)AssuredForwarding(AF):RFC2597(确保转发)nqueuesmdroppreferencesDefault(BestEffort，BE)28差分服务能够提供什么？为不同的组（例如客户或企业中的部门）提供不同的服务级别为提供给特定组或应用程序的网络服务设置优先级发现和消除网络瓶颈区域以及其它形式的拥塞监视网络性能并提供性能统计信息控制进出网络资源的带宽29差分服务是如何进行的？Differentiatebetweenedge(Ingressandegress)andcorerouters相对复杂的功能edgerouters(orhosts)Corerouter－逐跳行为（PerHopBehaviors-PHBs）无需信令signaling(RSVP需要)30差/区分服务（续）Forwardingclassismarked(标记)inthepacketheader.TheTypeofService(TOS)inIPv4,andTrafficClass(TS)inIPv631区分服务码点6bits用于标记转发流——

DifferentiatedServiceCodePoint(DSCP)(区分服务码点)Layer3

IPV470654321IPPrecedenceDSCPUnusedBits（flow）;VersionLengthToS1ByteLenIDoffsetTTLProtoFCSIP-SAIP-DAData32看得仔细点！101110DSCPCUEFxxxyy0DSCPCUAFxyClassDropPrecedence333bit的业务优先级（类别）-RFC791IP优先级（类别）值业务类型111NetworkControl110InternetworkControl101CRITIC/ECP100FlashOverride011Flash010Immediate001Priority000Routine346bit的类别：RFC2474ClassSelector(CS)：aaa000

ExpeditedForwarding(EF)：101110（interactivevoice,46,低延迟、低抖动、低丢包率、带宽保证）

AssuredForwarding(AF)：aaabb0（带宽和丢包率）Default(BE)：00000035AF类别

类1

类2

类3

类4

低丢弃优先级AF11=

10(001010)

AF21=

18(010010)

AF31=

26(011010)

AF41=

34(100010)

中丢弃优先级AF12=

12(001100)

AF22=

20(010100)

AF32=

28(011100)

AF42=

36(100100)

高丢弃优先级AF13=

14(001110)

AF23=

22(010110)

AF33=

30(011110)

AF43=

38(100110)

AF（业务流量在没有超过阈值的情况下，确保报文保持较低的丢包率）定义了4个服务类别IP报文优先级丢报优先级36802.1P

是IEEE802.1Q（VLAN）标准的扩充协议，它们协同工作。IEEE802.1Q标准定义了为以太网MAC帧添加的标签。VLAN标签有两部分：VLANID（12比特）和优先级（3比特）。IEEE802.1QVLAN标准中没有定义和使用优先级字段，而802.1P中则定义了该字段。幁头的分类：802.1Q3738802.1Q推荐的CoS类型跟队列的关系39802.1Q推荐的CoS类型跟队列的关系40差分服务体系结构IngressEgressIngressEgressDS-1DS-2EdgerouterCorerouter41边界路由器（端PC）的工作流程分类器（五元组及其它参数）计量器（为流控制的包指定一个通信符合值）标记器42核心路由器的工作流程OutputSchedulerRoutingAgentRoutingDatabaseInputForwarderSchedulerDSCPClassifier43差分服务的优点无需逐条信令（signalling）无需单个流或单个用户状态只有聚合的类别状态（classificationstate）转发行为较单纯（PHB）只有在边界路由器上分类/调节较复杂简单的分组处理（核心路由器）44三种服务类型的比较Best-EffortDiffservIntservService无保证聚合服务类保证每个流保证服务范围End-to-endDomainEnd-to-end复杂性NosetupLongtermsetupPerflowsetup扩展性HighlyscalableScalableNotscalable服务的差别45多协议标签交换（MPLS）什么是标签交换？在每个分组的前端加一个标签（Lable，tag），然后根据这个标签而不是根据目的地址进行路由。看起来，很简单，类似FR、X.25等，但却有本质的不同，否则就是走回头路！46面向连接的服务-虚电路子网LableSwitchLableSwitch47多协议标签交换（续）标签放在哪里？IP分组头部没有这个域（字段）放在分组头部之前！即不在2层，也不在3层，在2.5层PPPMPLSTCPIPDATACRCLableQoSTTLS转发等价类FEC，索引48MPLS如何工作？在MPLS网络入口的边沿路由器上打上标签沿途路由器检查标签，根据标签值查找转发表，转发（替换新的标签）在MPLS网络出口的边沿路由器上拆除标签，以后按照通常意义的三层路由转发问题：如何建立转发表？数据驱动或控制驱动49MPLS的工作情形标签边缘路由器常规！可以是非IP报文！50MPLS跟普通的标签交换有什么区别？是否在走回头路？肯定不是区别聚合水平：FEC（转发等价类）多标签是否需要连接建立标签转发表由MPLS路由器建立51QoS相关的重要技术拥塞管理和控制队列技术拥塞避免随机早期检测RED流量监管（CommitAccessRate）流量整形（漏桶、令牌桶）物理接口总速率限制其他QoS技术链路效率机制链路层QoS（ATM、FR等）52队列技术FirstinFirstOut(FIFO)PriorityQueuing(PQ)CustomQueuing(CQ)WeightedFairQueuing(WFQ)ClassBasedWeightedFairQueuing(CBWFQ)53如何学习队列技术？54FIFOQueuing每个接口一个队列，先进先出。简单，保证延时。关心的是队列长度，长度会影响延时、抖动和丢包率。Taildrop机制，长度太长太短都可能产生问题。55PriorityQueuing（优先队列PQ）通常有4个级别的队列：High，Medium，Normal，Low，不过很多设备都支持到8个优先级队列算法：只要高优先级队列有分组，就一直从这里取。优点：保证高优先级报文的带宽、延时和抖动缺点：低优先级的报文可能得不到调度而“饿死”56CustomQueuing（定制队列CQ）0～16号队列，0号队列（系统）优先处理可定义带宽（以字节数为单位），按照带宽从1～16号取分组转发（RoundRobin调度），避免被“饿死”采用taildrop的丢弃机制57WeightedFairQueuing(WFQ)分组流分类：相同的源IP、目的IP、源端口、目的端口、协议号、ToS值归为一个流（五元组）对于相同的标签和EXP域值的归为一个流每个流分配到一个队列，采用hash散列，最多4096队列数目可配，按优先级来分配带宽(体现权值W)58怎样体现“Fair”？WFQ给每个流分配的带宽可以是相同的：例如一个接口有10条流，接口总带宽是128Kbps，每条流分得12.8kbps。如果一条流的带宽没有用完，可以分给其他流使用“W”（加权）跟IP优先级连在一起保证了相同优先级业务之间的公平，体现了不同优先级业务之间的