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1、QoS技术的研究与实现毕 业 论 文论文题目：QoS技术的研究与实现 目 录1、 QoS技术概述-11.1、 QoS的含义-11.2、 QoS的发展背景-12、 QoS技术的效率机制-22.1、 链路效率机制-22.2、 链路层QoS技术-33、 QoS技术的关键指标-43.1、可用性-43.2、吞吐量-43.3、时延-43.4、时延变换-53.5、丢包-54、 改善流媒体传输质量-54.1、 影响流媒体传输质量的因素-54.2、 改善流媒体传输质量的途径-55、 QoS技术在网络上的应用-66、 结束语-7注释-8参考文献-9致 谢-10内 容 摘 要 随着互联网络的飞速发展,网络传输速度越
2、来越慢,网络服务质量成为人们的关注点. 在信息化社会中，人们对计算机网络的依赖日益增强。越来越多的信息和重要数据资源存储和传输于网络中，通过网络获取和交换信息的方式已成为当前主要的信息沟通方式之一。本文先介绍了 QoS 的意义及背景，再说明了效率机制和关键指标，其次介绍了改善流媒体传输质量的因素和方法，最后说明了QoS技术在网络中的应用和发展。网络传输质量在我们社会生活中占据很重要的作用，我们要重视起来。关键词 QoS 网络服务质量 流媒体Abstract The clauses jeopardizing the interests of the counterpart commonly ex
3、ist in the format contract. Depending on the absolutely dominating economic or legal status, the user of the format contract makes the clause ignoring the possibility of negotiation between both sides. Therefore, this kind of clause is vividly called the “overlords clause”. The existence of the “ove
4、rlords clause” influences the stability of social economic order to a certain extent, violates the equitable principle and furthermore, goes against the building of a harmonious society. The article studies the using system, the using measures as well as the making procedure of the format contract,
5、and explores the managing method of it from a few sides so as to eradicate the “overlords clause”, nip its appearance in the bud and realize social justice and righteousness. Key words: format contract, overlords clause, legal system在信息化社会中，人们对计算机网络的依赖日益增强。越来越多的信息和重要数据资源存储和传输于网络中，通过网络获取和交换信息的方式已成为当前
6、主要的信息沟通方式之一。与此同时，由于网络服务质量件频繁发生，使得网络服务成为倍受关注的问题。尤其是网络上各种新业务(如电子商务、网络银行等)的兴起以及各种专用网络(如金融网)的建设，对网络的安全性提出了更高的要求。网络拥堵、数据丢失以及网络延时严重威胁着网络中各类资源的安全性，极大地损害了网络使用者的利益，也为网络应用的健康发展带来巨大的障碍。因此，网络服务质量问题已成为各国政府普遍关注的问题。1 QoS技术概述1.1 QoS的含义QoS（Quality of Service）即服务质量。对于网络业务，服务质量包括传输的带宽、传送的时延、数据的丢包率等。在网络中可以通过保证传输的带宽、降低传
7、送的时延、降低数据的丢包率以及时延抖动等措施来提高服务质量。网络资源总是有限的，只要存在抢夺网络资源的情况，就会出现服务质量的要求。服务质量是相对网络业务而言的，在保证某类业务的服务质量的同时，可能就是在损害其它业务的服务质量。例如，在网络总带宽固定的情况下，如果某类业务占用的带宽越多，那么其他业务能使用的带宽就越少，可能会影响其他业务的使用。因此，网络管理者需要根据各种业务的特点来对网络资源进行合理的规划和分配，从而使网络资源得到高效利用1。1.2 QoS的发展背景在因特网创建初期，没有意识到QoS应用的需要。因此，整个因特网运作如一个“竭尽全力”的系统。每段信息都有4个“服务类别”位和3个
8、“优先级”位，但是他们完全没有派上用场。依发送和接收者看来，数据包从起点到终点的传输过程中会发生许多事情，并产生如下有问题的结果：丢失数据包- 当数据包到达一个缓冲器（buffer）已满的路由器时，则代表此次的发送失败，路由器会依网络的状况决定要丢弃、不丢弃一部份或者是所有的数据包，而且这不可能在预先就知道，接收端的应用程序在这时必须请求重新传送，而这同时可能造成总体传输严重的延迟。延迟- 或许需要很长时间才能将数据包传送到终点，因为它会被漫长的队列迟滞，或需要运用间接路由以避免阻塞；也许能找到快速、直接的路由。总之，延迟非常难以预料。传输顺序出错- 当一群相关的数据包被路由经过因特网时，不同
9、的数据包可能选择不同的路由器，这会导致每个数据包有不同的延迟时间。最后数据包到达目的地的顺序会和数据包从发送端发送出去的顺序不一致，这个问题必须要有特殊额外的协议负责刷新失序的数据包【2】。出错- 有些时候，数据包在被运送的途中会发生跑错路径、被合并 甚至是 毁坏的情况，这时接收端必须要能侦测出这些情况，并将它们统统判别为已遗失的数据包，再请求发送端再送一份同样的数据包。2 QoS技术的效率机制2.1 链路效率机制链路效率机制，用于改善链路的性能，间接提高网络的QoS，如降低链路发包的时延（针对特定业务）、调整有效带宽。链路效率机制有很多种，下面介绍两种比较典型的链路效率机制及其基本原理。对于
10、低速链路，即使为语音等实时业务报文配置了高优先级队列（如RTP优先队列或LLQ），也不能够保证其时延与抖动，原因在于接口在发送其他数据报文的瞬间，语音业务报文只能等待，而对于低速接口发送较大的数据报文要花费相当的时间。采用LFI以后，数据报文（非RTP实时队列和LLQ中的报文）在发送前被分片、逐一发送，而此时如果有语音报文到达则被优先发送，从而保证了语音等实时业务的时延与抖动。LFI主要用于低速链路。应用LFI技术，在大报文出队的时候，可以将其分为定制长度的小片报文，这就使RTP优先队列或LLQ中的报文不必等到大片报文发完后再得到调度，它等候的时间只是其中小片报文的发送时间，这样就很大程度的降
11、低了低速链路因为发送大片报文造成的时延。cRTP主要在低速链路上使用，可将40字节的IP/UDP/RTP头压缩到24个字节（不使用校验和可到2字节），提高链路的利用率。cRTP主要得益于同一会话的语音分组头和语音分组头之间的差别往往是不变的，因此只需传递增量。RTP协议用于在IP网络上承载语音、视频等实时多媒体业务。RTP报文包括数据部分和头部分，RTP的数据部分相对小，而RTP的报头部分较大。12字节的RTP头，加上20字节的IP头和8字节的UDP头，就是40字节的IP/UDP/RTP头。而RTP典型的负载是20字节到160字节。为了避免不必要的带宽消耗，可以使用cRTP特性对报文头进行压缩
12、。cRTP可以将IP/UDP/RTP头从40字节压缩到25字节，对于40字节的负载，头压缩到5字节，压缩比为（40+40）/（40+5），约为1.78，可见效果是相当可观的，可以有效的减少链路，尤其是低速链路带宽的消耗。2.2 链路层QoS技术 链路层QoS技术主要针对ATM（Asynchronous Transfer Mode，异步传输模式）、帧中继、令牌环等链路层协议支持QoS。作为一种面向连接的技术，ATM提供对QoS最强有力的支持，而且可以基于每个连接提供特定的QoS保证。帧中继网络确保连接的CIR（Committed Information Rate，承诺信息速率）最小，即在网络拥塞
13、时，传输速度不能小于这个值。令牌环和更新的IEEE802.1p标准具有区分服务的机制。ATM是一种大小固定的信元交换和多路复用技术，它是面向连接的，任何用户数据在两个或更多ATM连接设备之间传输之前，都必须建立虚电路（VC，Virtual Circuit）。ATM有两种主要的连接方式（或VC）：永久虚电路（PVC，Permanent Virtual Circuit）和交换虚电路（SVC，Switched Virtual Circuit）。PVC通常是静态的，需要手工或外部配置来建立；而SVC是动态，根据需要创建。它们的创建需要在ATM端点和ATM交换机之间运行信令协议。ATM通过使ATM端系统
14、显示流量合同来提供QoS保证，流量合同描述了希望的通信流指标。流描述符包括QoS参数，例如峰值信元速率（PCR，Peak Cell Rate）、持续信元速率（SCR，Sustained Cell Rate）以及突发量。ATM端系统负责确保传输的流量符合QoS合同。ATM端系统通过缓冲数据来对流量进行整形，并按约定的QoS参数传输通信。ATM交换机控制每个用户的通信指标，并将其与QoS合同进行比较。对于超过了QoS合同的通信，交换机可以设置不顺从通信的CLP位。在网络拥塞时，CLP位被设置的信元被丢弃的可能性更大【3】。FR（Frame Relay，帧中继）是一种流行的适用于数据通信的广域网（W
15、AN）分组技术。它是一种较简单的协议，消除了X.25网络中链路层流控和纠错功能，这些功能被留给端点站的应用程序处理。这种协议最适合于数据通信，因为它可以传送偶然的突发。帧中继使用VC（Virtual Circuit）运行，VC提供了帧中继网络上两个端点之间的逻辑连接，网络可以使用帧中继VC代替私有的租用线。PVC是网络操作员在网络管理站创建的，而SVC是基于呼叫动态建立的。帧中继报头中的3个位提供了帧中继网络中的拥塞控制机制，这3个位分别叫做向前显式拥塞通知（FECN，Forward Explicit Congestion Notification）位、向后显式拥塞通知（BECN，Backwa
16、rd Explicit Congestion Notification）位和丢弃合格（DE，Discard Eligible）位。可以通过交换机将FECN位置1来告知诸如路由器等目标数据终端设备（DTE，Data Terminal Equipment），在帧从源传送到目的地的方向发生了拥塞。交换机将BECN位置1则告知目标路由器，在帧从源传送到目的地的反方向上发生了拥塞。DE位由路由器或其他DTE设备设置，指出被标记的帧没有传输的其他帧那么重要，它在帧中继网络中提供了一种基本的优先级机制，如果发生拥塞时，DE位被设置的帧将在DE位没有被设置的帧之前被丢弃。帧中继流量整形（FRTS，Frame
17、Relay Traffic Shaping）对从帧中继VC输出的通信进行整形，使之与配置速率一致，它将超出平均速率的分组放到缓冲区来使突发通信变得平滑。根据配置的排队机制，当有足够的可用资源时，这些缓冲的分组出队并等候被传输。排队算法是基于单个VC配置的，它只能针对接口的出站通信进行设置。FRTS可对每个VC的流量进行整形，将其峰值速率整形为承诺信息速率（CIR，Committed Information Rate）或其他定义的值，如超额信息速率（EIR，Excess Information Rate）。自适应模式的FRTS还能够根据收到的网络BECN拥塞指示符降低帧中继VC的输出量，将PVC
18、的输出流量整形为与网络的可用带宽一致4。3 QoS技术的关键指标3.1可用性 是当用户需要时网络即能工作的时间百分比。可用性主要是设备可靠性和网络存活性相结合的结果。对它起作用的还有一些其他因素，包括软件稳定性以及网络演进或升级时不中断服务的能力。3.2吞吐量 是在一定时间段内对网上流量(或带宽)的度量。对IP网而言可以从帧中继网借用一些概念。根据应用和服务类型，服务水平协议(SLA)可以规定承诺信息速率(CIR)、突发信息速率(BIR)和最大突发信号长度。承诺信息速率是应该予以严格保证的，对突发信息速率可以有所限定，以在容纳预定长度突发信号的同时容纳从话音到视像以及一般数据的各种服务。一般讲
19、，吞吐量越大越好。3.3时延 指一项服务从网络入口到出口的平均经过时间。许多服务，特别是话音和视像等实时服务都是高度不能容忍时延的。当时延超过200-250毫秒时，交互式会话是非常麻烦的。为了提供高质量话音和会议电视，网络设备必须能保证低的时延。产生时延的因素很多，包括分组时延、排队时延、交换时延和传播时延。传播时延是信息通过铜线、光纤或无线链路所需的时间，它是光速的函数。在任何系统中，包括同步数字系列(SDH)、异步传输模式（ATM）和弹性分组环路(RPR)，传播时延总是存在的。3.4时延变换 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
20、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。 3.5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
21、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，当超过预定门限时就向网络管理人员告警【5】。4 改善流媒体传输质量4.1 影响流媒体传输质量的因素影响流媒体传输质量的因素主要包含以下几个：端到端的延迟：包括传输时延、传播时延
22、、排队时延。它是影响流媒体质量最重要的因素之一。必须根据网络的负载情况，控制在一个合理的范围之内。时延抖动：是两个相邻分组的数据在网络传输过程中由于经过不同的网络延迟产生的。由于网络传输的不确定性，时延抖动是没法避免的，解决的方法通常是在接收端设置缓冲区，在数据流到达后，并不立即播放，而是保存在缓冲区，等到规定播放时间到来才进行播放。丢包率：是指网络拥塞时，数据流没有及时到达接收端。这时丢失的数据包将直接影响到接收播放的质量，一般情况下，丢包率不得超过1%。数据包的失序：每个数据帧都有一个序列号，以标记在流中正确的序号。在网络传输过程中，由于数据包经过不同的线路或丢包等原因，致使数据的顺序发生
23、变化。解决的方法也是在接收端设置缓冲区，将接收到的数据进行重新组合，恢复原来的顺序。4.2 改善流媒体传输质量的途径提高流媒体QoS控制上考虑。根据功能的不同，提高流媒体QoS控制大体上可以从拥塞控制、错误控制和缓存机制几个方面入手。(1)拥塞控制：主要是通过某种速度控制机制，在网络拥塞时，降低数据传输时延和丢包率。目前主要有速率控制和速率整形两种方式。基于速率控制机制主要包括基于源码率的、基于接收者码率的以及混合码率控制。基于源码率的控制机制主要是通过收集视频传输反馈信息，动态改变数据流的发送速率。基于接收者码率的控制机制主要是通过接收到的数据流的情况，向应用层反映相应的统计信息，动态改变接
24、收信道和播放效果。混合码率控制结合二者的特点，动态改变数据流的发送速率及数据接收信道，再达到最佳播放效果。基于速率整形机制主要是将码流压缩以适应网络带宽的要求。目前主要有编解码滤波器、弃帧滤波器、弃层滤波器、频率滤波器和再量化滤波器等几种方式。(2)错误控制：如前面所述，丢包、延时等问题在网络传输过程中是无法避免的，那么在这种已发生的情况下，如何更好地、更高质量地来控制错误，保证音视频文件的顺序播放。错误控制，其主要解决在丢包、延时等情况下，对流媒体数据的纠错，达到最佳播放效果。错误控制机制包括向前纠错机制、重发机制、错误恢复编码机制和错误隐藏机制。(3)缓存机制：主要有在服务器端设置缓存和在
25、客户端设置缓存两种方式。在服务器端设置缓存，可以在整个网络对所有客户端的请求作优化处理，是一种调度策略，可以使服务器处理能力达到最佳。在客户端设置缓存，能够消除由于网络传输带来的延时抖动、数据包的失序等因素，保证播放的质量6。改善流媒体传输质量的关键就是要使系统保证有较好的QoS。5 QoS技术在网络上的应用 QoS是网络与用户之间以及网络上互相通信的用户之间关于信息传输与共享的质的约定，例如，传输延迟允许时间、最小传输画面失真度以及声像同步等,是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。现在的路由器一般均支持QoS。QoS 是网络的一种安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。在正常
26、情况下，如果网络只用于特定的无时间限制的应用系统，并不需要QoS，比如 Web应用，或E-mail设置等。但是对关键应用和多媒体应用就十分必要。当网络过载或拥塞时，QoS 能确保重要业务量不受延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行。在Internet等计算机网络上为用户提供高质量的QoS必须解决以下问题：1 QoS的分类与定义。对QoS进行分类和定义的目的是使网络可以根据不同类型的QoS进行管理和分配资源。例如 ，给实时服务分配较大的带宽和较多的CPU处理时间等，另一方面，对QoS进行分类定义也方便用户根据不同的应用提出QoS需求。2准入控制和协商。即根据网络中资源的使用情况，允许用户进入网络进行
27、多媒体信息传输并协商其QoS。3 资源预约。为了给用户提供满意的QoS，必须对端系统、路由器以及传输带宽等相应的资源进行预约，以确保这些资源不被其他应用所强用。4 资源调度与管理。对资源进行预约之后，是否能得到这些资源，还依赖于相应的资源调度与管理系统。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
28、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。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
29、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7。6 结束语经过仔细的琢磨与认真的研究，我的论文就这样踉踉跄跄的写完了，虽然我的论文不是很精彩，但我可以自信的说这里面的每一句都是我的辛勤劳动成果。我会继续努力，迎接未来的挑战，走好人生的每一步。本论文论述了QoS技术研究及实现，通过我进一步的论述说明，让我们更深的了解网络安全的重要性。注释1计算机网络（第4版）英文影印版 Andrew S. Tanenbaum著 清华大学出版社2、3同上，第300页。4计算机网络（第5版）谢希仁 编著 电子工业出版社5 计
30、算机网络操作系统原理与应用全国高等工科教育计算机类规划教材 孔宪君，吕滨 编著 机械工业出版社6 计算机网络安全大学本科计算机专业应用型规划教材 顾巧论 等编著7 计算机网络技术与应用 董吉文，徐龙玺 主编 电子工业出版社8 计算机网络实验技术（第2版）石硕 主编 电子工业出版社9、10 计算机网络技术与应用 董吉文，徐龙玺 主编 电子工业出版社参考文献高敬瑜，王其量，吴冬燕，范荣真，计算机网络安全技术，北京大学出版社，2006（8），第一版庞萍，田隽，张剑英. 流媒体的拥塞控制技术研究综述J. 电脑知识与技术，2007，(5)任斌. 影响流媒体数据传输质量的因素与解决途径J. 电脑知识与技术
31、，2006，(36)杜昱. 关于QoS视频传输系统中QoS协商模块的设计J. 计算机系统应用，2007，(3)冯登国. 计算机通信网络安全. 北京：清华大学出版社, 2001单国栋, 戴英侠, 王航. 计算机研究. 计算机工程,2002,28(10):3-6段钢 编著 加密与解密（第二版） 电子工业出版社俊杰 著 计算机深入浅出 第2 版 华中科技大学出版社致 谢本研究论文是在我的导师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。我还要感谢在一起愉快的度过毕业论文小组的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢！10