多業(yè)務企業(yè)網(wǎng)QoS保障技術

2019-11-04 20:10:08

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供稿：網(wǎng)友

　　在企業(yè)網(wǎng)絡的構建中，數(shù)據(jù)傳輸是一個基本的功能。但隨著技術的發(fā)展，應用需求的多樣化，網(wǎng)絡越來越多地需要考慮對多種業(yè)務的支持及保證，如保障三網(wǎng)合一構建中ip電話、IP視頻的實時性，金融業(yè)務網(wǎng)絡中電子匯兌的實時性等。

通常企業(yè)網(wǎng)絡中根據(jù)業(yè)務的重要程度，都可區(qū)分為要害業(yè)務與非要害業(yè)務，如銀行網(wǎng)絡中的實時交易為要害業(yè)務、公安網(wǎng)絡中IP電話為要害業(yè)務等。為了使要害業(yè)務能得到充分的服務質量保證（如時延小、丟包少等），避免因網(wǎng)絡擁塞而造成對業(yè)務的影響，在網(wǎng)絡的設計及構建中就需要考慮能提供合適的QoS保障方案。

以下對QoS的服務模型及其實現(xiàn)技術做一概述。

1 QoS服務模型

QoS方案的設計實施，首先需要考慮選擇合適的技術框架，也即服務模型。服務模型指的是一組端到端的QoS功能，目前有以下三種QoS服務模型：

* Best-Effort service——盡力服務

* Integrated service（Intserv）——綜合服務

1.1 Differentiated service（Diffserv）——區(qū)分服務

1、Best-Effort service

盡力服務是最簡單的服務模型。應用程序可以在任何時候，發(fā)出任意數(shù)量的報文，而且不需要事先獲得批準，也不需要通知網(wǎng)絡。網(wǎng)絡則盡最大的可能性來發(fā)送報文，但對時延、可靠性等不提供任何保證。

2、Integrated service

Intserv是一個綜合服務模型，它可以滿足多種QoS需求。這種服務模型在發(fā)送報文前，需要向網(wǎng)絡申請?zhí)囟ǖ姆铡＿@個請求是通過信令（signal）來完成的，應用程序首先通知網(wǎng)絡它自己的流量參數(shù)和需要的特定服務質量請求，包括帶寬、時延等，應用程序一般在收到網(wǎng)絡的確認信息，即網(wǎng)絡已經(jīng)為這個應用程序的報文預留了資源后，發(fā)送報文。而應用程序發(fā)出的報文應該控制在流量參數(shù)描述的范圍內(nèi)。

網(wǎng)絡在收到應用程序的資源請求后，執(zhí)行資源分配檢查（Admission control），即基于應用程序的資源申請和網(wǎng)絡現(xiàn)有的資源情況，判定是否為應用程序分配資源。一旦網(wǎng)絡確認為應用程序的報文分配了資源，則只要應用程序的報文控制在流量參數(shù)描述的范圍內(nèi)，網(wǎng)絡將承諾滿足應用程序的QoS需求。而網(wǎng)絡將為每個流（flow，由兩端的IP地址、端口號、協(xié)議號確定）維護一個狀態(tài)，并基于這個狀態(tài)執(zhí)行報文的分類、流量監(jiān)管（policing）、排隊及其調(diào)度，來滿足對應用程序的承諾，具有面向連接的特性。因此對網(wǎng)絡設備的處理能力有較高要求。

傳送QoS請求的信令是RSVP（資源預留協(xié)議），它通知路由器應用程序的QoS需求。

3、Differentiated service

Diffserv即區(qū)別服務模型，它可以滿足不同的QoS需求。與Integrated service不同，它不需要信令，即應用程序在發(fā)出報文前，不需要通知路由器。網(wǎng)絡不需要為每個流維護狀態(tài)，它根據(jù)每個報文指定的QoS，來提供特定的服務。可以用不同的方法來指定報文的QoS，如IP包的優(yōu)先級位（IP PRecedence)、報文的源地址和目的地址等。網(wǎng)絡通過這些信息來進行報文的分類、流量整形、流量監(jiān)管和排隊。

通常在配置Differentiated service時，在網(wǎng)絡邊界的路由器通過報文的源地址和目的地址等對報文進行分類，對不同的報文設置不同的IP優(yōu)先級，而其他路由器只需要用IP優(yōu)先級來進行報文的分類。

4、服務模型選擇

這三種服務模型中，只有Intserv與Diffserv這兩種能提供多服務的QoS保障。從技術上看，Intserv具有面向連接的特性及思想，這與IP技術本身無連接特性是不符合的，輕易導致網(wǎng)絡的復雜化；從實現(xiàn)看，Intserv需要網(wǎng)絡對每個流均維持一個軟狀態(tài)，因此會導致設備性能的下降，或實現(xiàn)相同的功能需要更高性能的設備，另外，還需要全網(wǎng)設備都能提供一致的技術才能實現(xiàn)QoS。而Diffserv則沒有這方面的缺陷，且處理效率高，部署及實施可以分布進行，它只是在構建網(wǎng)絡時，需要對網(wǎng)絡中的路由器設置相應的規(guī)則，會使配置治理比較復雜。

因此，一般來講，利用現(xiàn)有技術提供IP QoS時，為了實現(xiàn)規(guī)模適應性，在企業(yè)IP承載網(wǎng)往往采用Diffserv體系結構。

而且，無論是Diffserv，還是Intserv，在最終對服務進行保障時，都是通過以下一些成熟技術來實現(xiàn)：

* CAR。它根據(jù)IP包的優(yōu)先級或QoS組，來進行報文的分類、以及報文的度量和流量監(jiān)管。

* 隊列技術。WRED、PQ、CQ、WFQ等隊列技術進行擁塞避免及擁塞治理。

2 QoS實現(xiàn)技術

網(wǎng)絡設備對轉發(fā)報文進行QoS保障的處理，發(fā)生在報文從設備的一個接口進入，到從另一個接口出去的整個過程中。從技術上，這個過程按照處理順序分為報文分類、擁塞治理、擁塞避免、流量監(jiān)管與整形等部分。

2.1 報文分類

報文分類是QoS的基礎，只有區(qū)分了不同的報文業(yè)務，才能進行分別處理及保障相應業(yè)務的服務質量。一般在網(wǎng)絡邊界，利用ACL等技術，根據(jù)物理接口、源地址、目的地址、MAC地址、IP協(xié)議或應用程序的端口號等依據(jù)對報文進行分類，并同時設置報文IP頭的TOS字段作為報文的IP優(yōu)先級；在網(wǎng)絡的內(nèi)部則可使用邊緣設置好的IP優(yōu)先級作為分類的標準，以提高網(wǎng)絡的處理效率。

2.2 擁塞治理

網(wǎng)絡資源總是有限的，當網(wǎng)上業(yè)務流量超過網(wǎng)絡提供的能力時，即發(fā)生了擁塞。

在發(fā)生擁塞時，如何進行治理和控制呢？處理的方法是使用隊列技術。在一個接口沒有發(fā)生擁塞的時候，報文在到達接口后立即就被發(fā)送出去；在報文到達的速度超過接口發(fā)送報文的速度時，接口就發(fā)生了擁塞。擁塞治理就會將這些報文進行分類，送入不同的隊列；而隊列調(diào)度對不同優(yōu)先級的報文進行分別處理，優(yōu)先級高的報文會得到優(yōu)先處理。不同的隊列算法用來解決不同的問題，并產(chǎn)生不同的效果。常用的隊列有FIFO、PQ，CQ，WFQ等，下面簡單介紹各種隊列技術的特性。

1）先進先出隊列（FIFO）

顧名思義，先進先出隊列（簡稱FIFO）不對報文進行分類，按報文到達接口的先后順序讓報文進入隊列，在隊列的出口讓報文按進隊的順序出隊，先進的報文將先出隊，后進的報文將后出隊。

2）優(yōu)先隊列（PQ）

優(yōu)先隊列（簡稱PQ）對報文進行分類，將所有報文依據(jù)預先配置分成最多4類，按照先進先出的策略分別進入4個優(yōu)先級不同的隊列。在報文出隊的時候，高優(yōu)先級的隊列相對于低優(yōu)先級的隊列具有絕對的優(yōu)先權，只有高優(yōu)先級隊列報文發(fā)送完畢，較低優(yōu)先級才得到發(fā)送，而且較低優(yōu)先級的報文會在發(fā)生擁塞時被較高優(yōu)先級的報文搶斷。因此采用這種隊列機制可以保證在網(wǎng)絡發(fā)生擁塞的情況下，重要業(yè)務（高優(yōu)先級）的數(shù)據(jù)傳輸?shù)玫浇^對的優(yōu)先傳送。但在較高優(yōu)先級的報文的速度總是大于接口的速度時，會使較低優(yōu)先級的報文始終得不到發(fā)送的機會。

3）定制隊列（CQ）

定制隊列（簡稱CQ）根據(jù)設置將所有報文分成最多至17類，按照先進先出的策略分別進入1個系統(tǒng)隊列和16個用戶隊列。在出隊調(diào)度上，系統(tǒng)隊列具有絕對的優(yōu)先權，系統(tǒng)總是先處理完該隊列后再用處理用戶隊列；16個用戶隊列占用出口帶寬的比例可以設置，CQ按定義的比例使各隊列之間在占用的接口帶寬上滿足治理員預先配置的比例關系。采用這種隊列機制，當擁塞發(fā)生時，能保證不同業(yè)務根據(jù)比例獲得相應的帶寬占用，從而既保證要害業(yè)務能獲得較多的帶寬，又不至于使非要害業(yè)務得不到帶寬，避免PQ的一些缺點。另外，沒有擁塞時，各業(yè)務可以根據(jù)流量中業(yè)務的相對比例充分使用接口帶寬，提高資源利用率。

4）加權公平隊列（WFQ）

加權公平隊列（簡稱WFQ）對報文按流進行分類（相同源IP地址，目的IP地址，源端口號，目的端口號，協(xié)議號，TOS相同的報文屬于同一個流），每一個流被分配到一個隊列。在出隊發(fā)送的時候，WFQ根據(jù)報文分類時設置的流的優(yōu)先級（precedence）來分配每個流應占有出口的帶寬。優(yōu)先級的數(shù)值越小，所得的帶寬越少。優(yōu)先級的數(shù)值越大，所得的帶寬越多。在擁塞發(fā)生時，它能保證任何流量的流（業(yè)務），都能公平地得到一定的帶寬占用，減少這個網(wǎng)絡的時延，并當流（業(yè)務個數(shù)）的數(shù)目減少時，能自動增加現(xiàn)存流可占的帶寬。

2.3 擁塞避免

由于網(wǎng)絡資源有限，當擁塞發(fā)生時，按照傳統(tǒng)的隊列尾丟棄處理方式，對于TCP報文，會引發(fā)TCP的慢啟動和擁塞避免機制，使TCP減少報文的發(fā)送。當同時丟棄多個TCP連接的報文時，將造成多個TCP連接同時進入慢啟動和擁塞避免，稱之為：TCP全局同步。這使得發(fā)向網(wǎng)絡的報文流量總是忽大忽小，線路上的流量總在極少和飽滿之間波動，造成網(wǎng)絡利用率降低。

為了避免這種擁塞情況的發(fā)生，可以采用隨機早期檢測（RED）或加權隨機早期檢測（WRED）的丟棄策略。可避免使多個TCP連接同時降低發(fā)送速度，避免TCP的全局同步現(xiàn)象。這樣，無論什么時候，總有TCP連接在進行較快的發(fā)送，提高了線路帶寬的利用率，降低擁塞的發(fā)生。

丟棄策略對網(wǎng)絡中TCP方式的應用有比較好的效果，但對網(wǎng)絡中UDP數(shù)據(jù)產(chǎn)生的擁塞則不會有很大的改善。

2.4 流量監(jiān)管和整形

流量監(jiān)管的作用是限制進入網(wǎng)絡的某一連接流量與突發(fā)，在報文滿足一定的條件下，如某個連接的報文流量過大，流量監(jiān)管就可以選擇丟棄報文，或重新設置報文的優(yōu)先級。通常是使用CAR來限制某類報文的流量，如限制FTP報文不能占用超過50%的網(wǎng)絡帶寬。假如需要限制流出網(wǎng)絡的某一連接流量報文，以比較均勻的速度向外發(fā)送，則使用流量整形。

約定訪問速率（CAR）——是一種帶寬治理機制，利用令牌桶技術來實現(xiàn)帶寬的分配和測量。網(wǎng)絡治理員可以為不同的業(yè)務分配不同的帶寬，定義業(yè)務占用的帶寬超過分配額度時的處理策略，通過限制通過路由器某一端口的流量，很好地保證整個網(wǎng)絡的QOS。CAR既可用于網(wǎng)絡的入口也可用于網(wǎng)絡的出口，可以報文分類完成的結果區(qū)分不同的業(yè)務流。另外，它還可以對報文的IP優(yōu)先級根據(jù)需要加以重新標記。

在網(wǎng)絡中不出現(xiàn)資源爭用和擁塞時，并不需要復雜的QoS技術進行業(yè)務保障，因此網(wǎng)絡發(fā)展的一個方面是提高網(wǎng)絡傳輸帶寬及資源利用率，以減少網(wǎng)絡擁塞的出現(xiàn)。而當網(wǎng)絡帶寬不足發(fā)生擁塞時，就應綜合考慮網(wǎng)絡整體業(yè)務的需要，選擇使用合適的QoS技術，以消除網(wǎng)絡擁塞，提高網(wǎng)絡資源利用率，迅速恢復網(wǎng)絡及保證業(yè)務的正常運轉。

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