1、 本科毕业设计 （ 20 届） 企业级网络 QoS 设计 所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 QoS（ Quality of Service）服务质量，是网络的一种安全机制 , 来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术 ， 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。 本文 主要讨论通过交换机 QoS 配置和路由器 QoS，通过流量监管、接口限速、队列调度、拥塞管理等实现提高网络服务质量。 关键词： 服务质量 ； 服务模型 ；流量监管 - 2 - Abstr
2、act The QoS (Quality of Service) Service Quality, is a kind of network security mechanisms used to solve problems such as network latency and obstruction of a kind of technology. If the network is used only in particular has no time limit, it doesnt need the application system, such as the Web appli
3、cation, authored QoS or E-mail setting, etc. But for critical applications and multimedia applications is very necessary. When the network overload or congestion, QoS can make sure the important business from delayed or discarded, while ensuring network efficient operation. This article mainly discu
4、ssed through the switch configuration and router QoS, authored QoS speed by flow supervision, interface, queue scheduling, congestion management improve its network service quality. Keywords: The quality of service； service model； flow regulation - 3 - 目 录 1 引言 . 1 2 QOS 简介 . 2 2.1 QoS 含义 . 2 2.2 Qo
5、S 需要解决的问题 . 2 2.3 QoS 参数 . 3 2.4 QoS 服务 模型 . 3 2.4.1 Best-Effort 服务模型 . 3 2.4.2 Int-Serv 服务模型 . 3 2.4.3 Diff-Serv 服务模型 . 4 2.5 数据包分类 . 4 2.6 数据包 标注 . 4 2.7 优先级设置 . 4 2.8 路由器上的 QoS 获得 . 5 3 QOS 技术介绍 . 6 3.1 QoS 技术在网络中的位置 . 6 3.2 QoS 技术在设备中的处理顺序 . 7 3.3 QoS配置方式 . 7 3.3.1 非 QoS 策略配置方式 . 7 3.3.2 策略 配置 方
6、式 . 8 3.4 优先级 映射 . 8 3.5 流量监管 . 9 3.6 流量整形 . 9 3.7 接口限速 . 10 3.8 拥塞 管理 . 11 4 交换机上实现 QOS 配置 . 13 4.1 基于流的端口镜像 . 13 4.2 流量统计 . 15 4.3 队列调度 . 16 4.4 流量监管 . 17 5 路由器实现 QOS 配置 . 19 5.1 实验组网图 .错误 !未定义书签。 5.2 GTS 实验 .错误 !未定义书签。 5.3 PQ 实验 .错误 !未定义书签。 致 谢 . 30 参考文献 . 31 - 1 - 1 引言 进入 20 世纪 90 年代以，微电子技术，计算机技
7、术，光通信技术以及大规模和超大规模集成电路技术，多媒体技术等技术的不断发展，为计算网络的迅猛发展提供了有力的保障。尤其是 20世纪 90年代中期， WWW 技术的成熟和广泛运用，更是开创了一个 Internet 迅猛发展的时代。 中国虽然在互联网上起步 比较晚，但是却在近几年发展速度相当快。根据中国互联网络信息中心 2010 年 1 月发表的中国互联网络发展状况统计报告显示截止 2009 年 12 月 30 日， 中国网民规模达到 3.84 亿人，普及率达到 28.9%。网民规模较 2008 年底年增长 8600 万人，年增长率为 28.9%。 09 年中国的网站数，即域名注册者在中国境内的网
8、站数（包括在境内接入和境外接入）达到 323 万个，网页数量达到 336 亿个。中国国际出口带宽继续发展， 2009 年底达到866,367Mbps。 也正因为互联网的快速发展，互联网必然成为了国家信息的基础设施。从21 世纪的发展方向上来看，新型应用向计算机网络提出了高速化，智能化，多媒体化和综合化等要求和 国际 IP地址面临被分配殆尽的形势。 在 因特网 创建初期， 人们并 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 “ 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
9、终点的传输过程中会发生许多事情，并产生丢失数据包 、 延迟 、 传输顺序出错 、出错 1。 对交换机和路由器进行 QoS 配置，通过流分类、流量监管、流量整形、接口限速、拥塞管理、拥塞避免 等可以有效的解决这些问题，提高网络传输的服务质量。所以当今世界，提高网络服务质量已经成为了一个必然的趋势。各个大小企业也对 QoS 配置越来越重视。 - 2 - 2 QoS 简介 2.1 QoS 含义 QoS 是 Quality of Service 的缩写，就是 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、降低传送的时延、降低数据的丢包率以及
10、时延抖动等措施来提高服务质量 1。 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 2。 2.2 QoS 需要解决的问题 在现在的网络传输的中存在着很多问题，只有解决了这些问题才能保证网络传输的安全及高效。 当数据包到达一个缓冲器（ buffer）已满的路由器
11、时，路由器会 按照 网络的状况决定要丢弃一 部份、不丢弃或者是所有的数据包， 造成了 丢失数据包 。 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 3。 当 很多 相关的数据包被路由经过因特网时，不同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 会造成传输顺序颠倒出。也会造成数据出错等等。 通过 QoS 配置可以 用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。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
12、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。 - 3 - 2.3 QoS 参数 QoS 的主要基本参数有吞吐量、时延、可靠性、优先级、流量监管（ CAR）、流量整形（ GTS）、接口限速、拥塞管理、拥塞避免（ WRED）等，性能 参数包括 信元时延抖动 (CDV)、 Qos Classes（ Qos 分类） 、 ALL service classes（服务类别） 、traffic control（传输控制）、 traffic contract（传输协议）、等 。 根据这些参数可以对数据和路由进行分类然后对路由进行 QoS 的配置。 2.4 QoS 服务模型 不同的网络
13、进行 QoS 需要不同的服务模型。通常 QoS 提供的有 Best-Effort service（尽力而为服务模型）、 Integrated service（综合服务模型，简称Int-Serv）、 Differentiated service（区分服务模型，简称 Diff-Serv）三种模型 3。 2.4.1 Best-Effort 服务模型 Best-Effort 是一个单一的服务模型，也是最简单的服务模型。对Best-Effort 服务模型，网络尽最大的可能性来发送报文。但对时延、可靠性等性能不提供任何保证。 Best-Effort 服务模型是网络的缺省服务模型，通过 FIFO 队列来实现
14、。它适用于绝大多数网络应用，如 FTP、 E-Mail 等。 2.4.2 Int-Serv 服务模型 Int-Serv 是一个综合服务模型，它可以满足多种 QoS 需求。该模型使用资源预留协议（ RSVP）， RSVP 运行在从源端到目的端的每个设备上，可以监视每个流，以防止其消耗资源 过多。这种体系能够明确区分并保证每一个业务流的服务质量，为网络提供最细粒度化的服务质量区分。 但是 Inter-Serv 模型对设备的要求很高，当网络中的数据流数量很大时，设备的存储和处理能力会遇到很大的压力。 Inter-Serv 模型可扩展性很差，难以在 Internet 核心网络实施。 - 4 - 2.4
15、.3 Diff-Serv 服务模型 Diff-Serv 是一个多服务模型，它可以满足不同的 QoS 需求。与 Int-Serv不同，它不需要通知网络为每个业务预留资源。区分服务实现简单，扩展性较好。本文提到的技术都是基于 Diff-Serv服务模型。 2.5 数据包分类 数据包分类是指具有 QoS 的网络能够识别哪种数据包 由 哪种应用产生。没有分类，网络就不能确定对特殊数据包要进行的处理。所有应用都会在数据包上留下可以用来识别应用源的标识。分类就是检查这些标识，识别数据包是由哪个应用产生的。 数据包通常是通过数数据包的 协议 、 TCP 和 UDP 端口号码 、 源 IP 地址 、 物理端口
16、号码 进行分类。 2.6 数据包 标注 在识别数据包之后，要对它进行标注，这样 有利于其 他网络设备方便地识别这种数据。由于分类可能非常复杂，因此最好只进行一次。识别应用之后就必须对其数据包进行标记处理，以便确保网络上的交换机或 路由器 可以对该应用进行优先级处理。通过采纳标注数据的两种行业标准，即 IEEE802.1p 或差异化服务编码点 (DSCP)，就可以确保多厂商网络设备能够对该业务进行优先级处理 4。 2.7 优先级设置 只要 网络可以区分电话通话和网上浏览 时 ，优先级处理就可以确保进行Internet 上大型下载的同时不中断电话通话。为了确保准确的优先级处理，所有业务量都必须在网
17、络骨干内进行识别。在工作站终端进行的数据优先级处理可能会因人为的差错或恶意的破坏而出现问题。黑客可以有意地将普通数据标注为高优先级，窃取重要商业应用的带宽，导致商业应用的失效。这种情况称为 拒绝服务攻击 。通过分析进入网络的所有业务量，可以检查安全攻击，并且在它们导致任何危害之前及时阻止 4。这样对企业也可以更好的保护企业机密和安全。 - 5 - 优先级设置 一般通过排队方式来设置，而排队方式可以分为 严格优先队列(SPQ)和 加权循环 (WRR)。 严格优先队列 (SPQ)这是一种最简单的排队方式，它首先为最高优先级的队列进行服务，直到该队列为空，然后为下一个次高优先级队列服务，依此类推。这
18、种方法的优势是高优先级业务总是在低优先级业务之 前处理。但是，低优先级业务有可能被高优先级业务完全阻塞 5。 加权循环 (WRR)这种方法为所有业务队列服务，并且将优先权分配给较高优先级队列。在大多数情况下，相对低优先级， WRR 将首先处理高优先级，但是当高优先级业务很多时，较低优先级的业务并没有被完全阻塞 5。 2.8 路由器上的 QoS获得 (1)通过大带宽得到 在路由器上除增加接口带宽以外不作任何额外工作来保障 QoS。由于数据通信没有相应公认的数学模型作保障，该方法只能粗略地使用经验值作估计。通常认为当带宽利用率到达 50以后就应当扩容，保证接口带宽 利用率小于 50。 (2)通过端
19、到端带宽预留实现 该方法通过使用 RSVP 或者类似协议在全网范围内通信的节点间端到端预留带宽。该方法能保证 QoS，但是代价太高，通常只在企业网或者私网上运行，在大网公网上无法实现。 (3)通过接入控制、拥塞控制和区分服务等方式得到 该方式无法完全保证 QoS， 这能与增加接口带宽等方式结合使用，在一定程度上提供相对的 QoS。 (4)通过 MPLS 流量工程得到 。 该方法 是提供每个 IP 数据包一个标记，并由此决定数据包的路径以及优先级 。 - 6 - 3 QoS 技术介绍 QoS 技术包括流分类、流量 监管、流量整形、接口限速、拥塞管理、拥塞避免等。下面对常用的技术简单进行一下介绍。
20、 3.1 QoS 技术在网络中的位置 图 3-1 QoS 技术在网络中位置 如图 3-1所示，数据刚进入传输系统要先流分类，当数据包传输进入交换机（ A 点）和进入路由器（ C 点）主要进流量监管，当数据包从交换机（ B 点）和路由器（ D 点）流出时主进行流量整形、拥塞管理流量监管、和拥塞避免。 如果不限制用户发送的流量，那么大量用户不断突发的数据只会使 网络更拥挤。为了使有限的网络资源能够更好地发挥效用，更好地为更多的用户服务，必须对用户的流量加以限制。比如限制每个时间间隔，某个流只能得到承诺分配给它的那部分资源，防止由于过分突发所引发的网络拥塞。 (1)流分类 采用一定的规则识别符合某类特征的报文，对网络业务进行区分服务的前提和基础。 (2)流量监管 对进入或流出设备的特定流量进行监督和管理。当流量过量时，可以采取限制等措施，以保护网络资源不受损害。可以作用在接口入方向和出方向。 A B C D 广域网
