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1、第第12章章 QoS技术技术（讲师用（讲师用PPT）中国网通（集团）有限公司2006年12月22日中国网通运维人员岗位培训丛书数据专业内部资料注意保密目标目标了解QoS的体系结构熟悉QoS的流分类和标记掌握QoS的队列管理技术熟悉QoS的流量监管和流量整形掌握QoS的拥塞避免机制熟悉MPLS网络对QoS的处理12.112.2QoSQoS技术概述技术概述流分类和标记流分类和标记312.3队列管理队列管理流量监管和流量整形流量监管和流量整形12.4目录目录 12.5拥塞避免拥塞避免 12.6MPLS MPLS QoSQoS12.1.1 QoS技术的产生技术的产生12.1 QoS技术概述技术概述 在
2、因特网中，QoS所评估的就是网络投递分组的能力。由于网络提供的服务是多样的，因此对QoS的评估可以基于不同方面。通常所说的QoS，是对分组投递过程中对延迟、延迟抖动、丢包率等核心需求提供支持的服务能力的评估。传统的分组投递业务传统的分组投递业务 传统的IP网络无区别地对待所有的报文，路由器处理报文采用的策略是先入先出FIFO（First In First Out），它依照报文到达时间的先后顺序分配转发所需要的资源。传统的Best-Effort服务策略只适用于对带宽、延迟性能不敏感的WWW、文件传输、E-Mail等业务。12.1 QoS技术概述技术概述新业务引发的新需求新业务引发的新需求 除了传
3、统的WWW、E-Mail、FTP应用外，用户还尝试在Internet上拓展新业务，比如远程教学、远程医疗、可视电话、电视会议、视频点播等。企业用户也希望通过VPN技术，将分布在各地的分支机构连接起来，开展一些事务性应用。用户已不再满足于能够简单地将报文送达目的地，而是还希望在投递过程中得到更好的服务，诸如支持为用户提供专用带宽、减少报文的丢失率、管理和避免网络拥塞、调控网络的流量、设置报文的优先级。拥塞的产生拥塞的产生10010M100 M100 M100M100M不同速率接口流量的拥塞相同速率接口流量的拥塞M12.1 QoS技术概述技术概述拥塞的影响拥塞的影响 1、拥塞增加了报文传输的延迟和
4、延迟抖动。2、过高的延迟会引起报文重传。3、拥塞使网络的有效吞吐率降低，造成网络资源的浪费。4、拥塞加剧会耗费大量的网络资源（特别是存储资源），不合理的资源分配甚至可能导致系统陷入资源死锁而崩溃。12.1 QoS技术概述技术概述几种主要的流量管理技术几种主要的流量管理技术 1、流分类：依据一定的匹配规则识别出对象。流分类是有区别地实施服务的前提。2、流量监管：对进入路由器的特定流量的规格进行监管。当流量超出规格时，可以采取限制或惩罚措施，以保护运营商的商业利益和网络资源不受损害。3、流量整形：一种主动调整流的输出速率的流控措施，通常是为了使流量适配下游路由器可供给的网络资源，避免不必要的报文丢
5、弃和拥塞。4、队列管理：网络拥塞时必须采取的解决资源竞争的措施。通常是将报文放入队列中缓存，并采取某种调度算法安排报文的转发次序。5、拥塞避免：过度的拥塞会对网络资源造成损害。拥塞避免监督网络资源的使用情况，当发现拥塞有加剧的趋势时采取主动丢弃报文的策略，通过调整流量来解除网络的过载。12.1.2 IP QoS的体系结构的体系结构12.1 QoS技术概述技术概述两个部分两个部分1、局域网中的、局域网中的IP QoS 主要是对第二层的以太网帧头加入了优先级字段,以区分不同的优先级。严格地讲,在局域网中只能简单地区分业务的优先级,并不能像ATM QoS那样有精确的定义和详细的参数指标来衡量。2、广
6、域网中的广域网中的IP QoS 在广域网上,IETF(Internet Engineering Task Force)定义了两种IP QoS结构综合业务结构(Int-Serv )和业务区分结构(Diff-Serv)。两种结构各有其特点和优势,目前还无法互通。12.1 QoS技术概述技术概述Diffserv特点特点首先，路由器无须维护每个连接的信息，对系统资源要求低；其次，对网络上的多种业务进行优先级归类并合并成有限的几个优先级类别，对于IP网络设备来讲，处理更简单；再次，采用IP包中的ToS字段进行优先级标示，没有附加的标签，这种做法兼容性好，易于实现。另外，随着网络的扩展，优先级类别无须扩展
7、。12.1 QoS技术概述技术概述RSVP工作原理工作原理1、RSVP从发送端发送一个资源请求到目的地址，每一个支持RSVP的路由器沿着下行路由建立一个“路径状态表”；2、为了获得资源预留，接收端发送一个上行的RESV消息，表明所要求的综合服务类型，还通知为分组预留的资源，如传输协议和端口号；当每个支持RSVP的路由器沿着上行路径接收RESV的消息时，它采用输入控制过程证实请求，并且配置所需的资源。如果这个请求得不到满足，路由器向接收端返回一个错误消息，而如果这个消息被接受，路由器就发送上行RESV到下一个路由器；3、当最后一个路由器接收RESV，同时接受请求的时候，它再发送一个证实消息给接收
8、端。12.1.3 IP QoS的未来的未来12.1 QoS技术概述技术概述IP QoS将成为运营商级IP联网解决方案的基础,这种解决方案既可以十分可靠地传输公共Internet等一般性数据业务,同时又能传输关键业务应用。分析家普遍认为,在今后两年中IP业务将迅速增长,并将成为大多数服务提供商网络中的主导业务,而不仅仅是ISP。随着IP业务的进一步商业化,产业结构将发生较大变化。新一代的IP产品还将提供不断增多的队列,以实现更精细的业务区分。将来,还可以实现为特定的数据流定义并分配队列。12.112.2QoSQoS技术概述技术概述流分类和标记流分类和标记312.3队列管理队列管理流量监管和流量整
9、形流量监管和流量整形12.4目录目录 12.5拥塞避免拥塞避免 12.6MPLS MPLS QoSQoS12.2.1 流分类流分类12.2 流分类和标记流分类和标记 流分类规则可以使用IP报文头的ToS字段的优先级位或区分服务编码点DSCP（Differentiated Services Codepoint），识别出有不同优先级特征的流量；也可以由网络管理者设置流分类的策略，例如综合源地址、目的地址、MAC地址、IP协议或应用程序的端口号等信息对流进行分类。分类的结果是没有范围限制的，它可以是一个由五元组（源地址、源端口号、协议号码、目的地址、目的端口号）确定的狭小范围，也可以是到某网段的所有
10、报文。进行流分类是为了有区别地提供服务，它必须与某种流控或资源分配动作关联起来才有意义。具体采取何种流控动作，与所处的阶段以及网络当前的负载状况有关。例如，当报文进入网络时依据承诺速率对它进行监管；流出结点之前进行整形；拥塞时的队列调度管理；拥塞加剧时要采取拥塞避免措施等。12.2.2 标记标记12.2 流分类和标记流分类和标记 标记是将IP报文的IP优先级或者DSCP进行设置。对于MPLS QoS，所谓标记就是MPLS报文中的EXP域进行设置。对于VLAN QoS，所谓标记就是VLAN报文中的8021P域进行设置。下游（downstream）网络可以选择接收上游（upstream）网络的分类
11、结果，也可以按照自己的标准重新进行分类。12.2.3 DSCP12.2 流分类和标记流分类和标记在RFC791、RFC134和RFC1349中定义了IPv4报文头的ToS（Type of Service）字段，如图所示，ToS字段包含3bits的优先级（Precedence）、D bit、T bit、R bit和C bit，ToS字段的最高位bit必须为0。D bit代表延迟（Delay），T bit代表吞吐量（Throughput），R bit代表可靠性（Reliability），C bit代表花费（Cost）。在实施QoS时，路由器会检查报文的优先级。其余的比特位未被充分利用。12.2.4
12、 标准的标准的PHB12.2 流分类和标记流分类和标记 PHB（Per-Hop Behavior）是DS节点作用于数据流的行为。网络管理员可以配置DSCP到PHB的映射关系。如果DS节点接收到一个报文，检查其DSCP，发现未定义到PHB的映射，则DS节点将选择采用缺省PHB（即Best-Effort，DSCP=000000）进行转发处理。每个DS节点必须支持该缺省PHB。目前，IETF定义了三种标准的PHB：加速转发EF（Expedited Forwarding）、确保转发AF（Assured Forwarding）和尽力而为BE（Best-Effort），BE是缺省的PHB。12.112.2
13、QoSQoS技术概述技术概述流分类和标记流分类和标记312.3队列管理队列管理流量监管和流量整形流量监管和流量整形12.4目录目录 12.5拥塞避免拥塞避免 12.6MPLS MPLS QoSQoS12.3.1 队列管理策略队列管理策略12.3 队列管理队列管理先入先出队列先入先出队列FIFO（First In，First Out Queue）12.3 队列管理队列管理优先队列优先队列PQ（Priority Queue）12.3 队列管理队列管理定制队列定制队列CQ（Custom Queue）12.3 队列管理队列管理加权公平队列加权公平队列WFQ（Weighted Fair Queue）基于
14、类的队列基于类的队列CBQ（Class Based Queue）CBQ为用户提供了定义类的支持。CBQ为每个用户定义的类分配一个单独的FIFO预留队列，用来缓冲同一类的数据。在网络拥塞时，CBQ对输出报文根据用户定义的类规则进行匹配，并使其进入相应的队列，在入队列之前进行拥塞避免机制（尾部丢弃或WRED，Weighted Random Early Detection，加权随机早期检测）和带宽限制的检查。在报文出队列时，加权公平调度每个类对应的队列中的报文。12.3.2 队列管理技术的对比队列管理技术的对比12.3 队列管理队列管理类型类型队列数队列数优点优点缺点缺点FIFO11、不需要配置，易
15、于使用。2、处理简单，延迟小。1、所有的报文，无论紧急与否，语音还是数据，均进入一个“先进先出”的队列，发送报文所占用的带宽、延迟时间、丢失的概率均由报文到达队列的先后顺序决定。2、对不配合的数据源（如UDP报文发送）无约束力，不配合的数据源会造成配合的数据源（如TCP报文发送）带宽受损失。对时间敏感的实时应用（如VoIP）的延迟得不到保证。PQ4可对不同业务的数据提供绝对的优先，对时间敏感的实时应用（如VoIP）的延迟可以得到保证。对优先业务的报文的带宽占用可以绝对优先。1、需配置，处理速度慢。2、如果不对高优先级的报文的带宽加限制，会造成低优先级的报文得不到带宽。CQ161、可对不同业务的
16、报文按带宽比例分配带宽。2、当没有某些类别的报文时，能自动增加现存类别的报文可占的带宽。需配置，处理速度慢。12.3.2 队列管理技术的对比队列管理技术的对比12.3 队列管理队列管理类型类型队列数队列数优点优点缺点缺点WFQ可配置1、配置容易。2、可以保护配合（交互）的数据源（如TCP报文发送）的带宽。3、可以减小延迟抖动。4、可以减小数据量小的交互式应用的延迟。5、可以为不同优先级的流分配不同的带宽。6、当流的数目减少时，能自动增加现存流可占的带宽。处理速度比FIFO要慢。但比PQ、CQ要快。CBQ可配置（064）1、可以对数据根据灵活、多样的分类规则进行划分，分别为EF（加速转发）、AF
17、（确保转发）、BE（尽力转发）业务提供不同的队列调度机制。2、可以为AF业务提供严格、精确的带宽保证，并且保证各类AF业务之间根据权植按一定的比例关系进行队列调度。3、可以为EF业务提供绝对优先的队列调度，确保实时数据的时延；同时通过对高优先级数据流量的限制，克服了PQ的低优先级队列可能“饿死”的弊病。4、对于尽力转发的缺省类数据，提供WFQ队列调度。系统开销比较大。12.112.2QoSQoS技术概述技术概述流分类和标记流分类和标记312.3队列管理队列管理流量监管和流量整形流量监管和流量整形12.4目录目录 12.5拥塞避免拥塞避免 12.6MPLS MPLS QoSQoS12.4.1 流
18、量监管流量监管12.4 流量监管和流量整形流量监管和流量整形利用利用CAR进行流量监管进行流量监管根据预先设置的匹配规则来对报文进行分类，如果是符合流量规定的报文，就直接继续发送，如果是超出流量规定的报文，则会被丢弃或重新标记。如下图CAR利用令牌桶实现流量监管。12.4 流量监管和流量整形流量监管和流量整形流量监管的动作流量监管的动作流量监管依据不同的评估结果，实施预先设定好的监管动作。这些动作可以是：1、转发：对测量结果为“符合”的报文继续正常转发的处理，也可以为Diff-Serv提供带有标记DSCP的服务再转发。2、丢弃：对测量结果为“不符合”的报文进行丢弃。3、改变优先级并转发：对测量
19、结果为“不符合”的报文，将之标记为其它的优先级后再进行转发。4、进入下一级的监管：流量监管可以逐级堆叠，每级关注和监管更具体的目标。12.4.2 流量整形流量整形12.4 流量监管和流量整形流量监管和流量整形流量整形TS（Traffic Shaping）的典型作用是限制流出某一网络的某一连接的流量，使这一流量的报文以比较均匀的速度向外发送，是一种主动调整流量输出速率的措施。12.4.3 接口限速接口限速12.4 流量监管和流量整形流量监管和流量整形利用接口限速LR（Limit Rate）可以在一个物理接口或Tunnel接口上限制发送报文的总速率。12.112.2QoSQoS技术概述技术概述流分
20、类和标记流分类和标记312.3队列管理队列管理流量监管和流量整形流量监管和流量整形12.4目录目录 12.5拥塞避免拥塞避免 12.6MPLS MPLS QoSQoS12.5.1 传统的丢包策略传统的丢包策略12.5 拥塞避免拥塞避免 传统的丢包策略采用尾部丢弃（Tail-Drop）的方法。当队列的长度达到某一最大值后，所有新到来的报文都将被丢弃。这种丢弃策略会引发TCP全局同步现象当队列同时丢弃多个TCP连接的报文时，将造成多个TCP连接同时进入拥塞避免和慢启动状态以降低并调整流量，而后又会在某个时间同时出现流量高峰，如此反复，使网络流量忽大忽小。12.5.2 RED和和WRED12.5 拥
21、塞避免拥塞避免 为避免TCP全局同步现象，可使用RED（Random Early Detection，随机早期检测）或WRED（Weighted Random Early Detection，加权随机早期检测）。RED在RED类算法中，为每个队列都设定一对低限和高限值，并规定：1、当队列的长度小于低限时，不丢弃报文；2、当队列的长度超过高限时，丢弃所有到来的报文；3、当队列的长度在低限和高限之间时，开始随机丢弃到来的报文。方法是为每个到来的报文赋予一随机数，并用该随机数与当前队列的丢弃概率比较，如果大于丢弃概率则被丢弃。队列越长，被丢弃的概率越高，但有一个最大被丢弃的概率。12.5 拥塞避免拥
22、塞避免WRED与RED不同，WRED生成的随机数是基于优先权的，它引入IP优先权区别丢弃策略，考虑了高优先权报文的利益并使其被丢弃的概率相对较小。WRED和队列机制关系示意图：12.112.2QoSQoS技术概述技术概述流分类和标记流分类和标记312.3队列管理队列管理流量监管和流量整形流量监管和流量整形12.4目录目录 12.5拥塞避免拥塞避免 12.6MPLS MPLS QoSQoS12.6.1 MPLS网络对网络对QoS流量的处理流量的处理 12.6 MPLS QoSEXP字段字段RFC3032中定义的MPLS报文头部如图所示，其中3bits的EXP字段可以表示流量类别。EXP的取值从0
23、到7，默认情况下，EXP与IPv4报文中优先级一一对应。12.6 MPLS QoSQoS流量在流量在MPLS域上的处理域上的处理1、在入口路由器上的处理、在入口路由器上的处理在MPLS域的入口路由器（即Ingress LER）上要通过CAR等技术对用户数据流进行限制，确保数据流符合MPLS域带宽约定，同时根据策略将IP报文标记为不同的优先级。2、MPLS域内的路由器的处理域内的路由器的处理在MPLS域内的路由器（即LSR）在进行MPLS标签转发时，根据接收到的报文的标签中的EXP字段所携带的信息实施各种队列调度，从而保证高优先级的报文获得更好的服务。3、在出口路由器上的处理、在出口路由器上的处
24、理在MPLS域的出口路由器（即Egress LER）需要将EXP字段映射回IP报文的DSCP字段，标准的映射是DSCP的前3位（即CSCP）取EXP的值，而后3位取0。12.6.2 VPN QoS 12.6 MPLS QoSVPN QoS是通过BGP传递私网路由的QoS策略，是QPPB在L3VPN环境中应用的一个扩展。VPN QoS可应用于VPN Instance和VPNV4上。对指定的VPN Instance的私网路由应用VPN QoS时，需要在指定的VPN Instance上应用入方向和出方向的路由策略，如果对所有的VPN Instance的私网路由应用VPN QoS，则需要在BGP 的VPNV4邻居上应用入方向和出方向的路由策略。