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1、延边大学工学院计算机科学与技术系第八章第八章 因特网上音频因特网上音频/视频服务视频服务(2)(2)延边大学工学院计算机科学与技术学科延边大学工学院计算机科学与技术学科李永珍李永珍E_mail:E_mail:计算机网络计算机网络延边大学工学院计算机科学与技术系第第8 8章章 因特网上的音频因特网上的音频/视频服务（续）视频服务（续）8.4 8.4 改进改进“尽最大努力交付尽最大努力交付”的服务的服务8.4.1 8.4.1 使因特网提供服务质量使因特网提供服务质量8.4.2 8.4.2 调度和管制机制调度和管制机制8.4.3 8.4.3 综合服务综合服务 IntServ IntServ 和资源和
2、资源预留协议预留协议 RSVPRSVP8.4.4 8.4.4 区分服务区分服务 DiffServDiffServ延边大学工学院计算机科学与技术系 8.4.1 8.4.1 使因特网提供服务质量使因特网提供服务质量n服务质量服务质量 QoS QoS 是服务性能的总效果，此效果决定了一个用户对服务的满意程度满意程度。因此在最简单的意义上，有服务质量的服务就是能够满足用户的满足用户的应用需求的服务应用需求的服务。n服务质量可用若干基本的性能指标来描述，包括可用性、差错率、响应时间、吞吐量、分组丢失可用性、差错率、响应时间、吞吐量、分组丢失率、连接建立时间、故障检测和改正时间率、连接建立时间、故障检测和
3、改正时间等。服务提供者可向其用户保证某一种等级的服务质量。延边大学工学院计算机科学与技术系主机主机 H H1 1 和和 H H2 2 分别向主机分别向主机 H H3 3 和和 H H4 4 发送数据发送数据 1.5 Mb/s 链路链路H1H2H3H4R2R1H1H21.5 Mb/s 链路链路输出队列输出队列1 Mb/s的实时音频数据的实时音频数据 FTP 文件数据文件数据 需要给不同性质的分组打上不同的标记。当需要给不同性质的分组打上不同的标记。当 H H1 1 和和 H H2 2 的分组进的分组进入入 R R1 1 时，时，R R1 1 应能识别实时数据分组，并使这些分组以高优先应能识别实时
4、数据分组，并使这些分组以高优先级进入输出队列，而仅在队列有多余空间时才准许低优先级的级进入输出队列，而仅在队列有多余空间时才准许低优先级的 FTP FTP 数据分组进入。数据分组进入。延边大学工学院计算机科学与技术系主机主机 H H1 1 和和 H H2 2 分别向主机分别向主机 H H3 3 和和 H H4 4 发送数据发送数据 1.5 Mb/s 链路链路H1H2H3H4R2R1H1H21.5 Mb/s 链路链路输出队列输出队列1 Mb/s的实时音频数据的实时音频数据 高优先级的高优先级的 FTP 文件数据文件数据 应当使路由器增加分类应当使路由器增加分类(classification)(c
5、lassification)机制，即路由器根据某机制，即路由器根据某些准则（例如，根据发送数据的地址）对输入分组进行分类，然些准则（例如，根据发送数据的地址）对输入分组进行分类，然后对不同类别的通信量给予不同的优先级。后对不同类别的通信量给予不同的优先级。延边大学工学院计算机科学与技术系主机主机 H H1 1 和和 H H2 2 分别向主机分别向主机 H H3 3 和和 H H4 4 发送数据发送数据 1.5 Mb/s 链路链路H1H2H3H4R2R1H1H21.5 Mb/s 链路链路输出队列输出队列数据率异常的实时音频数据数据率异常的实时音频数据 FTP 文件数据文件数据 路路由由器器应应能
6、能将将对对数数据据流流进进行行通通信信量量的的管管制制(policing)(policing)，使使该该数数据据流流不不影影响响其其他他正正常常数数据据流流在在网网络络中中通通过过。例例如如，可可将将 H H1 1 的的数数据据率率限限定定为为 1 1 Mb/sMb/s。R R1 1 不不停停地地监监视视 H H1 1 的的数数据据率率。只只要要其其数数据据率超过规定的率超过规定的 1 Mb/s1 Mb/s，R R1 1 就将其中的某些分组丢弃。就将其中的某些分组丢弃。延边大学工学院计算机科学与技术系主机主机 H H1 1 和和 H H2 2 分别向主机分别向主机 H H3 3 和和 H H4
7、 4 发送数据发送数据 1.5 Mb/s 链路链路H1H2H3H4R2R1H1H21.5 Mb/s 链路链路输出队列输出队列数据率异常的实时音频数据数据率异常的实时音频数据 FTP 文件数据文件数据 应应在在路路由由器器中中再再增增加加调调度度(scheduling)(scheduling)机机制制。利利用用调调度度功功能能给给实实时时音音频频分分配配 1.0 1.0 Mb/s Mb/s 的的带带宽宽，给给文文件件传传送送分分配配 0.5 0.5 Mb/s Mb/s 的的带带宽宽（相相当当于于在在带带宽宽为为 1.5 1.5 Mb/s Mb/s 的的链链路路中中划划分分出出两两个个逻逻辑辑链路
8、），因而对这两种应用都有相应的服务质量保证。链路），因而对这两种应用都有相应的服务质量保证。延边大学工学院计算机科学与技术系主机主机 H H1 1 和和 H H2 2 分别向主机分别向主机 H H3 3 和和 H H4 4 发送数据发送数据 1.5 Mb/s 链路链路H1H2H3H4R2R1H1H21.5 Mb/s 链路链路输出队列输出队列1 Mb/s 的实时数据的实时数据 总总数数据据率率已已超超过过了了 1.5 1.5 Mb/s Mb/s 链链路路的的带带宽宽。比比较较合合理理的的做做法法是是让让一一个个数数据据流流通通过过 1.5 1.5 Mb/s Mb/s 的的链链路路，而而阻阻止止另
9、另一一个个数数据据流流的的通通过过。这这就就需需要要呼呼叫叫接接纳纳(call(call admission)admission)机机制制。数数据据流流要要预预先先声声明明所所需需的的服服务务质质量量，然然后后或或者者被被准准许许进进入入网网络络，或或者者被被拒拒绝进入网络。绝进入网络。延边大学工学院计算机科学与技术系8.4.2 8.4.2 调度和管制机制调度和管制机制1.1.调度机制调度机制 “调度调度”就是指排队的规则。如不采用专门的调度机制，则默认排队规则就是先进先进先出先出 FIFO(First In First Out)。当队列已满时，当队列已满时，后到达的分组就被丢弃后到达的分组就
10、被丢弃。先进先出的最大缺点最大缺点就是不能区分时间敏感分组和一不能区分时间敏感分组和一般数据分组般数据分组，并且也不公平。在先进先出的基础上增加按优先级排队在先进先出的基础上增加按优先级排队，就能使优先级高的分组优先得到服务。延边大学工学院计算机科学与技术系分组按优先级排队分组按优先级排队高优先级队列高优先级队列低优先级队列低优先级队列分组到达分组到达路由器路由器调度调度分组离开分组离开路由器路由器分类器分类器（服务员）（服务员）路由器路由器高高 高高 高高低低延边大学工学院计算机科学与技术系高优先级分组优先接受服务高优先级分组优先接受服务t1235到达到达离开离开接受接受服务服务413254
11、13254t高高高高高高低低低低延边大学工学院计算机科学与技术系分组离开分组离开路由器路由器加权公平排队加权公平排队 WFQWFQ分组到达分组到达路由器路由器调度调度分类器分类器w1w2w3123路由器路由器延边大学工学院计算机科学与技术系加权公平排队加权公平排队 WFQ WFQ n分组到达后就将分组进行分类，然后送交与其类别对应的队列。队列按顺序依次将队首的分组发送到链路。遇到队列空就跳过去。n给队列 i 指派一个权重 wi。队列 i 得到的平均服务时间为 wi/(wj)，这里wj 是对所有的非空队列的权重求和。n队列 i 将得到的有保证的带宽 Ri 应为（8-1）延边大学工学院计算机科学与
12、技术系WFQ WFQ 与与 FIFO FIFO 的比较的比较 11111111111211123456789 10 11 1111111111123456789 10 11 1111111111分组流分组流 1分组流分组流 2分组流分组流 11FIFOWFQ(a)分组流分组流 1 的分组连续输入的分组连续输入ttttt延边大学工学院计算机科学与技术系WFQ WFQ 与与 FIFO FIFO 的比较的比较 11111111111211123456789 10 11 11111111111234567891011 1111111111分组流分组流 1分组流分组流 2分组流分组流 11FIFOWFQ
13、ttttt(b)分组流分组流 1 的分组断续输入的分组断续输入延边大学工学院计算机科学与技术系2.2.管制机制管制机制 (1)平均速率：平均速率：网络需要控制一个数据流的平均速率。这里的平均速率是指在一定的时间间隔内通过的分组数。(2)峰值峰值速率：速率：峰值速率限制了数据流在非常短的时间间隔内的流量。(3)突发长度：突发长度：网络也限制在非常短的时间间隔内连续注入到网络中的分组数。延边大学工学院计算机科学与技术系分组到达分组到达漏桶管制器漏桶管制器漏桶中最多漏桶中最多装入装入 b b 个权标个权标拿走拿走权标权标准许分组进入网络准许分组进入网络等待权标等待权标在任何时间间隔在任何时间间隔 t
14、 t 内准许进入网络的分组数内准许进入网络的分组数 =r tr t+b b标记注入漏桶的速率为每秒标记注入漏桶的速率为每秒 r r 个权标个权标延边大学工学院计算机科学与技术系3.3.漏桶机制与加权公平排队相结合漏桶机制与加权公平排队相结合 n现假定有 n 个分组流输入到一个路由器，复用后从一条链路输出。每一个分组流使用漏桶机制进行管制，漏桶参数为 bi 和 ri，i=1,2,n。n设漏桶 I 已装满了 bi 个权标。因此 bi 个分组可马上从路由器输出。但分组流 I 得到的带宽是由公式(8-1)给出。这 bi 个分组中的最后一个分组所经受的时延最大，它等于传输这 bi 个分组所需的时间 dm
15、ax，即 bi 除以公式(8-1)给出的传输速率：(8-2)延边大学工学院计算机科学与技术系用漏桶机制进行管制用漏桶机制进行管制 分组离开分组离开路由器路由器分组到达分组到达路由器路由器调度调度分类器分类器w1wn队列队列 1b1r1bnrn队列队列 n路由器路由器延边大学工学院计算机科学与技术系8.4.3 8.4.3 综合服务综合服务IntServIntServ与资源预留协议与资源预留协议 RSVPRSVPnIntServ(Integrated Services)可对单个的应用会话提供服务质量的保证提供服务质量的保证，其主要特点：资源预留资源预留。路由器需要知道不断出现的会话已预留了多少资源
16、（即链路带宽链路带宽和缓存空间缓存空间）。呼叫建立呼叫建立。需要服务质量保证的会话必须首先在源站到目的站的路径上的每个路由器预留足够的资源，以保证其端到端的服务质量要求。延边大学工学院计算机科学与技术系IntServ IntServ 定义了两类服务定义了两类服务 n有保证的服务有保证的服务(guaranteed service)，可保证一个分组在通过路由器时的排队时延有一个严格的上限。n受控负载的服务受控负载的服务(controlled-load service)，可以使应用程序得到比通常的“尽最大努力”更加可靠的服务。延边大学工学院计算机科学与技术系IntServ IntServ 由四个组成
17、部分由四个组成部分(1)资源预留协议资源预留协议 RSVPRSVP，它是 IntServ 的信令协议。(2)接纳控制接纳控制(admission control)，用来决定是否同意对某一资源的请求。(3)分类器分类器(classifier)，用来将进入路由器的分组进行分类，并根据分类的结果将不同类别的分组放入特定的队列。(4)调度器调度器(scheduler)，根据服务质量要求决定分组发送的前后顺序。延边大学工学院计算机科学与技术系流流(flow)(flow)n“流流”是在多媒体通信中的一个常用的名词，一般定义为:n具有同样的源 IP IP 地址、源端口号、目的 IP IP 地址、目的端口号、
18、协议标识符以及服务质量需求的一连串分组。延边大学工学院计算机科学与技术系RSVP RSVP 协议的工作原理协议的工作原理 H1H2 50 kb/sR2R1H3 100 kb/sH4 3 Mb/sR3R4H5 3 Mb/s源站源站(a)源点用多播发送源点用多播发送PATH报文报文 表示表示 PATH 报文报文3 Mb/s3 Mb/s3 Mb/s100 kb/sH1H2 50 kb/sR2R1H3 100 kb/sH4 3 Mb/sR3R4H5 3 Mb/s源站源站(b)各终点向源点返回各终点向源点返回 RESV 报文报文 表示表示 RESV 报文报文延边大学工学院计算机科学与技术系IntServ
19、 IntServ 体系结构在路由器中的实现体系结构在路由器中的实现 路由选择协议路由选择协议路由选择数据库路由选择数据库RSVP接纳控制接纳控制管理代理管理代理通信量控制通信量控制数据库数据库分类器分类器与与分组转发分组转发调度器调度器分组入分组入分组出分组出延边大学工学院计算机科学与技术系综合服务综合服务 IntServ IntServ 体系结构存在的主要问题体系结构存在的主要问题 (1)状态信息的数量与流的数目成正比状态信息的数量与流的数目成正比。因此在大型网络中，按每个流进行资源预留会产生很大的开销。(2)IntServ IntServ 体系结构复杂体系结构复杂。若要得到有保证的服务，所
20、有的路由器都必须装有 RSVP、接纳控制、分类器和调度器。(3)综合服务 IntServ 所定义的服务质量等级数量太少，不够灵活。延边大学工学院计算机科学与技术系8.4.4 8.4.4 区分服务区分服务 DiffServDiffServ1.区分服务的基本概念由于综合服务 IntServ 和资源预留协议 RSVP 都较复杂，很难在大规模的网络中实现，因此 IETF 提出了新的策略，即区分服务 DiffServ(Differentiated Services)。区分服务有时也简写为 DS。因此，具有区分服务功能的结点就称为 DS 结点。延边大学工学院计算机科学与技术系区分服务区分服务 DiffSe
21、rv DiffServ 的要点的要点 (1)DiffServ 在路由器中增加区分服务的功能。DiffServ 将 IPv4 协议中原有的服服务务类类型型字字段段和 IPv6 的通通信信量量类类字字段段定义为区区分分服服务务字字段段 DSDS。路由器根据 DS 字段的值来转发分组。利用 DS 字段可提供不同等级的服务质量。DS 字段现只使用前 6 bit，即区分服务码点区分服务码点 DSCP(Differentiated Services Code Point)。CU DSCP 比特比特 0 5 6 7暂不使用暂不使用延边大学工学院计算机科学与技术系服务等级协定服务等级协定SLASLAn在使用
22、DS 字段之前，因特网的 ISP 要和用户商定一个服务等级协定服务等级协定 SLA(Service Level Agreement)。在 SLA 中指明了被支持的服务类别（可包括吞吐量吞吐量、分组丢失率丢失率、时延时延和时延抖动时延抖动、网络的可用性网络的可用性等）和每一类所容许的通信量通信量。延边大学工学院计算机科学与技术系DS DS 域域 (DS Domain)(DS Domain)(2)网络被划分为许多个 DS 域 DiffServ 将所有的复杂性放在 DS 域的边界结点边界结点(boundary node)中，而使 DS 域内部路由器工作得尽可能地简单。内部路由器内部路由器边界路由器边
23、界路由器内部路由器内部路由器BBBBDS 域域DS 域域延边大学工学院计算机科学与技术系(3)(3)边界路由器中的功能边界路由器中的功能 边界路由器中的功能较多，可分为：分类器(classifier)通信量调节器(conditioner)。调节器的组成：标记器(marker)整形器(shaper)测定器(meter)延边大学工学院计算机科学与技术系边界路由器中的各功能块的关系边界路由器中的各功能块的关系 内部路由器内部路由器边界路由器边界路由器（入口）（入口）边界路由器边界路由器（出口）（出口）分类器分类器标记器标记器整形器整形器测定器测定器根据根据 DS 值值进行转发进行转发调节器调节器分组
24、入分组入分组出分组出丢弃丢弃延边大学工学院计算机科学与技术系(4)(4)聚合聚合(aggregation)(aggregation)nDiffServDiffServ 提供了一种聚合聚合功能。nDiffServ DiffServ 不是为网络中的每一个流维持供转发时使用的状态信息，而是将若干个流根据其 DS 值聚合成少量的流。n路由器对相同路由器对相同 DS DS 值的流都按相同的优先级进行值的流都按相同的优先级进行转发转发。这就大大简化了网络内部的路由器的转发机制。n区分服务 DiffServ 不需要使用 RSVP 信令。延边大学工学院计算机科学与技术系2.2.每跳行为每跳行为 PHB(Per
25、-Hop Behavior)PHB(Per-Hop Behavior)n“行为行为”是在转发分组时路由器对分组的处理。n“每跳每跳”是强调这里所说的行为只涉及到本路由本路由器转发的这一跳的行为器转发的这一跳的行为，而下一个路由器再怎样处理则与本路由器的处理无关。n每跳行为 PHB和 IntServ/RSVP 考虑的服务质量是“端到端”的不一样。延边大学工学院计算机科学与技术系DiffServ DiffServ 定义的两种定义的两种 PHB PHB n迅速转发迅速转发 PBH 即 EF PHB，或 EFEF。EF 指明离开一个路由器的通信量的数据率必须等于或大于某一数值。因此 EF PHB 用来构造通过 DS 域的低丢失率、低时延、低时延抖动、确保带宽的端到端服务。像点对点连接或“虚拟租用线”，又称为 Premium 服务。n确保转发确保转发 PHB 即 AF PHB，或 AFAF。AF 用 DSCP DSCP 的比特的比特0-2 0-2 将通信量划分为四个等级，并给每一种等级提供最低数量的带宽和缓存空间最低数量的带宽和缓存空间。对于其中的每一个等级再用 DSCP DSCP 的比特的比特3-53-5划分出三个“丢弃优先级丢弃优先级”。当发生网络拥塞发生网络拥塞时，对于每个等级的 AF，路由器路由器首先把“丢弃优先级丢弃优先级”较高的分组丢弃较高的分组丢弃。