1、本文对 Internet 的三种服务模型：Best-Effort、Intserv 和 Diffserv，以及服务模型的发展历程进行了简单介绍，较为详细地介绍了华为 3Com 公司 系列数据通信产品所支持的 QoS 特性和相关技术，内容包括：报文分类、拥塞管理、拥塞避免、流量监控、流量整形及物理接口总速率限制和链路效率机制等技 术。并且简要描述了在相关应用中的实际 QoS 解决方案。网络运营商及行业用户等通过对这些 QoS 特性的灵活运用，可以在 Internet 或任何基于 IP 的 网络上为客户提供有保证的区分服务。关键词QoS，服务模型，Intserv，Diffserv，拥塞管理，拥塞避免
2、，队列技术，流量监管，流量整形，链路效率机制缩略语清单：名词 英文解释 中文解释ACL Access Control List 访问控制列表，用于对 IP 报文进行流分类。AF Assured Forwarding 确保转发CAR Committed Access Rate 约定访问速率CBWFQ Class Based Weighted Fair Queuing 基于类的加权公平队列CQ Custom Queuing 定制队列DiffServ Differentiated Serve 区分服务DSCP Differentiated Services Codepoint 区分服务编码点DS-T
3、E DiffServ-Aware Traffic Engineering DiffServ 感知的流量工程EF Expedited Forwarding 加速转发FIFO First in First out 先入先出FTP File Transfer Protocol 文件传输协议GTS Generic Traffic Shaping 通用流量整形IntServ Integrated Service 综合服务IPHC IP Header Compression IP 头压缩ISP Internet Service Provider Internet 服务提供商LFI Link Fragmen
4、tation & Interleaving 链路分片与交叉LLQ Low Latency Queueing 低时延队列MPLS Multiprotocol Label Switching 多协议标签交换PHB Per-hop Behavior 单中继段行为，指 IP 转发中每一跳的转发行为PQ Priority Queuing 优先队列QoS Quality of Service 服务质量，指报文传送的吞吐量、时延、时延抖动、丢失率等性能RSVP Resource Reservation Protocol 资源预留协议SQC Structual QoS CLI 结构化命令行TE Traffic
5、 Engineering 流量工程VoIP Voice over IP 通过 IP 报文传递语音包VPN Virtual Private Network 虚拟私网VRP Versatile Routing Platform 通用路由平台，是华为 3Com 数据通信产品软件系统的总称。WFQ Weighted Fair Queuing 加权公平队列WRED Weighted Random Early Detection 加权随机早期丢弃1 概述1.1 QoS 及其功能 在传统的 IP 网络中，所有的报文都被无区别的等同对待，每个路由器对所有的报文均采用先入先出（FIFO）的策略进行处理，它尽最大
6、的努力（Best-Effort）将报文送到目的地，但对报文传送的可靠性、传送延迟等性能不提供任何保证。网络发展日新月异，随着 IP 网络上新应用的不断出现，对 IP 网络的服务质量也提出了新的要求，例如 VoIP（Voice over IP，IP 语音）等实时业务就对报文的传输延迟提出了较高要求，如果报文传送延时太长，将是用户所不能接受的（相对而言，E-Mail和 FTP 业务对时间 延迟并不敏感）。为了支持具有不同服务需求的语音、视频以及数据等业务，要求网络能够区分出不同的通信，进而为之提供相应的服务。传统 IP 网络的尽力服务 不可能识别和区分出网络中的各种通信类别，而具备通信类别的区分能
7、力正是为不同的通信提供不同服务的前提，所以说传统网络的尽力服务模式已不能满足应用的 需要。QoS（Quality of Service，服务质量）技术的出现便致力于解决这个问题。QoS 旨在针对各种应用的不同需求，为其提供不同的服务质量，例如：提供专用带宽、减少报文丢失率、降低报文传送时延及时延抖动等。为实现上述目的，QoS 提供了下述功能：报文分类和着色网络拥塞管理网络拥塞避免流量监管和流量整形QoS 信令协议下面用简单的例子对比了在网络发生拥塞时，报文在无 QoS 保证和有 QoS 保证网络中的不同处理过程。图 1 所示为发生拥塞时，网络设备的一个接口在不支持 QoS 的情况下，报文的发送
8、情况：图 1 先进先出队列示意图所有要从该接口输出的报文，按照到达的先后顺序进入接口的 FIFO 队列尾部，而接口在发送报文时，从 FIFO（First in First out，先入先出）队列的头部开始，依次发送报文，所有的报文在发送过程中，没有任何区别，也不对报文传送的质量提供任何保证。图 2 则是一个用 PQ（Priority Queuing）队列来支持 QoS 的报文发送情况：图 2 PQ 队列示意图在 报文到达接口后，首先对报文进行分类，然后按照报文所属的类别让报文进入所属队列的尾部，在报文发送时，按照优先级，总是在所有优先级较高的队列中的报文 发送完毕后，再发送低优先级队列中的报文
9、。这样在每次发送报文时，总是将优先级高的报文先发出去，保证了属于较高优先级队列的报文有较低的时延，报文的丢 失率和时延这两个性能指标在网络拥塞时也可以有一定的保障。QoS 可以控制各种网络应用和满足多种网络应用要求，如：控制资源：如可以限制骨干网上 FTP 使用的带宽，也可以给数据库访问以较高优先级。可裁剪的服务：对于 ISP（Inernet Service Provider，Internet 服务提供商），其用户可能传送语音、视频或其他实时业务，QoS 使 ISP 能区分这些不同的报文，并提供不同服务。多种需求并存：可以为时间敏感的多媒体业务提供带宽和低时延保证，而其他业务在使用网络时，也不
10、会影响这些时间敏感的业务。在一个网络中，需要以下的三个部分来完成端到端的 QoS： 各网络元件（路由器、以太网交换机等）支持 QoS，提供队列调度、流量整形等功能。 信令技术来协调端到端之间的网络元件，为报文提供 QoS。 QoS 技术控制和管理端到端之间的报文在一个网络上的发送。每个网络元件提供如下功能： 报文分类，对不同类别的报文提供不同的处理。 队列管理和调度来满足不同应用要求的不同服务质量。 流量监管和流量整形限制和调整报文输出的速度。 接入控制来确定是否允许用户信息流使用网络资源。1.2 服务模型服务模型，是指一组端到端的 QoS 功能，通常 QoS 提供以下三种服务模型： Best
11、-Effort service（尽力而为服务模型） Integrated service（综合服务模型，简称 Intserv） Differentiated service（区分服务模型，简称 Diffserv）1.2.1 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。应用程序可以在任何时候，发出任意数量的报文，而且不需要事先获得批准，也不需要通知网络。 对 Best-Effort 服务，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 服务是现在 Internet 的缺省服务模型，它适用于绝大
12、多数网络应用，如 FTP、E-Mail 等，它通过先入先出（FIFO）队 列来实现。1.2.2 Intserv 服务模型Intserv 是一个综合服务模型，它可以满足多种 QoS 需求。这种服务模型在发送报文前，需要向网络申请特定的服务。这个请求是通过信令（signal）来完成的。应 用程序首先通知网络它自己的流量参数和需要的特定服务质量请求，包括带宽、时延等，应用程序一般在收到网络的确认信息，即确认网络已经为这个应用程序的报 文预留了资源后，才开始发送报文。同时应用程序发出的报文应该控制在流量参数描述的范围以内。网络在收到应用程序的资源请求后，执行资源分配检查（Admission contr
13、ol），即基于应用程序的资源申请和网络现有的资源情况，判断是否为应用程序分配资源。一旦网络确认为应用程序的报文分配了资源，则只要应用程 序的报文控制在流量参数描述的范围内，网络将承诺满足应用程序的 QoS 需求。而网络将为每个流（flow，由两端的 IP 地址、端口号、协议号确定）维护一 个状态，并基于这个状态执行报文的分类、流量监管（policing）、排队及其调度，来实现对应用程序的承诺。在 IntServ 服务模型中，负责传送 QoS 请求的信令是 RSVP（Resource Reservation Protocol，资源预留协议），它通知路由器应用程序的 QoS 需求。RSVP是在应用
14、程序开始发送报文之前来为该应用申请网络资源的，所以是带外 （out-bind）信令。IntServ 可以提供以下两种服务：保证服务（Guaranteed service） 它提供保证的带宽和时延限制来满足应用程序的要求。如 VoIP 应用可以预留 10M 带宽和要求不超过 1 秒的时延。负载控制服务（Controlled-Load service） 它保证即使在网络过载（overload）的情况下，能对报文提供近似于网络未过载类似的服务，即在网络拥塞的情况下，保证某些应用程序的报文低时延和高通过。1.2.3 DiffServ 服务模型DiffServ 是一个多服务模型，它可以满足不同的 QoS
15、 需求。与 IntServ 不同，它不需要使用 RSVP，即应用程序在发出报文前，不需要通知路由器为其预留资源。 对DiffServ 服务模型，网络不需要为每个流维护状态，它根据每个报文指定的 QoS，来提供特定的服务。可以用不同的方法来指定报文的 QoS，如 IP 报文的优先级位（IP Precedence)，报文的源地址和目的地址等。网络通过这些信息来进行报文的分类、流量整形、流量监管和队列调度。DiffServ 一般用来为一些重要的应用提供端到端的 QoS。它通过下列技术来实现：CAR：它根据报文的 ToS 或 CoS 值（对于 IP 报文是指 IP 优先级或者 DSCP，对于MPLS
16、报文是指 EXP 域等等）、IP 报文的五元组等信息进行报文分类，完成报文的标记和流量监管。队列技术：WRED、PQ、CQ、WFQ、CBWFQ 等队列技术对拥塞的报文进行缓存和调度，实现拥塞管理。通常在配置 DiffServ 时，边界路由器通过报文的源地址和目的地址等对报文进行分类，对不同的报文设置不同的 CoS 值，而其他路由器只需要用 CoS 值来进行报文的分类。在 MPLS 上应用 DiffServ 用以下两种方法来解决：在以太网等网络中，MPLS 报文在二层链路层和三层网络层之间有一个薄层（shim），我们扩展薄层中未用的字段?EXP（包含三个位），由这几个位来决定报文的队列调度及丢弃
17、的优先级。在 ATM， FR 等网络中，其 MPLS 报文没有薄层（shim），可针对FEC（Forwarding Equivalance Class 转发等价类）和 QoS 请求的组合来分配标签，而不同于以前仅针对 FEC 分配标签（lable）。这样在收到一个 MPLS 报文后，根据收到报文的标签，就可 以确定发出报文的标签及报文所要求的服务。1.2.4 Intserv 与 Diffserv 之间的互通一般来讲，在提供 IP 网络的 QoS 时，为了实现规模适应性，在 IP 骨干网往往需要采用 Diffserv 体系结构，在 IP 边缘网可以有两种选择：采用 Diffserv 体系结构或
18、采用 Intserv 体系结构。目前在 IP 边缘网络采用哪一种 QoS 体系结构还没有定论，也许这两种会同时并存于 IP 边缘网中。在 IP 边缘网采用 Diffserv 体系结构的情况下，IP 骨干网与 IP 边缘网之间的互通没有问题。在 IP 边缘网采用 Intserv 体系结构的情况下，需要解决 Intserv 与 Diffserv 之间的互通问题，包括 RSVP 在 Diffserv 域的处理方式、Intserv 支持的业务与 Diffserv 支持的 PHB （Per-Hop Behavior，单中继段行为）之间的映射。RSVP 在 Diffserv 域的处理可以有多种可选择的方式
19、。例如一种方式为 RSVP 对Diffserv 域透明，RSVP 在 Intserv 域边界路由器终结， Diffserv 域对 Intserv 域采用静态资源提供方式；一种方式为 Diffserv 域参与 RSVP 协议处理，Diffserv 域对Intserv 域 采用动态资源提供方式。前一种互通方式实现相对简单，可能造成Diffserv 域资源的浪费，后一种互通方式实现相对复杂，可以优化 Diffserv 域资 源的使用。除此以外，还需要解决 Intserv 支持的业务与 Diffserv 支持的 PHB 之间的映射问题，映射标准为两者支持的应用是否相同或相近。为了说明这个问题我们首先回
20、顾一下 Intserv 支 持的业务，它支持的业务包括：保证服务（Guaranteed Service）、负载控制服务（Controlled-Load Service），前者可以为用户应用提供严格的端到端时延及带宽保证，适用于实时应用；后者在网络负荷较重的情况下为用户应用提供与网络轻负荷情况下相 近似的性能，不能保证端到端的时延。 Diffserv 提供的 PHB 包括：EF（Expedited Forwarding，加速转发）、AF（Assured Forwarding，确保转发）。EF 用于支持低丢失率、低时延、确保带宽的应用，AF 可以保证在应用向网络发送的业务流量没有超过约定值的情况下
21、，该 应用的报文丢失概率非常低，AF 有 4 类，每一类可以设置 3 个不同的丢弃优先级。从上面的叙述易于获得 Diffserv 与 Intserv 之间的映射关系：将 Intserv 中的保证服务映射为 Diffserv 中的 EF。将 Intserv 中的负载控制服务映射为 Diffserv 中的 AF。华为 3Com 公司路由器的 QoS 采用了上述 Intserv 支持的业务与 Diffserv 支持的PHB 之间的映射关系。1.2.5 服务模型的发展历程随着人们认识问题的逐步深入，QoS 技术的发展经历了一个漫长、曲折的过程，如图 3：图 3 QoS 技术的发展历程1）20 世纪 8
22、0 年代，当时的 Internet 主要承载数据业务，网络采用尽力而为的服务、无 QoS 保障。2）到了 20 世纪 90 年代初期，由于受到 VoIP 等实时业务的驱动，IETF 组织在 IP QoS 领域做了第一次尝试，在 1994 年推出了基于 RSVP 的 IntServ 解决方案，这是一种端到端基于流的 QoS 技术。IntServ 主要借鉴了窄带 PSTN 领域的成功经验，通信前先通过信令协议建立端到端的通信路径、解决 QoS 问题，但同样的思想在 IP 领域却没有获得成功，其中一个重要的原因在于 IP 网络与 PSTN 网络的流量模型和业务模型是不同的，参见表 1。表 1 IP
23、网络和 PSTN 网络流量模型和业务模型的比较流量模型 业务模型PSTN 网络以本地网范围内的业务（市话）为主，少量的业务（长话）要穿透本地网对于一个源电话号码和目的电话号码对，只需提供一条 64Kbps 的电路交换路径IP 网络 大量的业务都要穿透本地网 对于一个源 IP 地址和目的 IP 地址对，可并发存在多种业务，如FTP、WWW、E-Mail、VOIP 等，各类业务的 QoS 要求也不相同由于 IP 网络流量模型和业务模型的特点，使得 Internet 骨干网瞬间要为成千上万的业务流提供服务，因此粒度为单个流的路径预留的解决思路在 Internet 骨干网上无法扩展，这严重制约了 In
24、tServ 在实际网络中的应用。当然还存在其他一些限制IntServ 应用的因素，包括 RSVP 信令大规模的部署、不 同厂商设备之间的互通以及基于业务的管理（认证、计费）等。可以说基于 RSVP 的 IntServ 解决方案是在 IP QoS 方面一次失败的尝试，IntServ 从 1994 年推出至今并没有获得任何规模的商用。3） 为了寻求扩展性和简易性，IETF 组织在 1998 年推出了基于 DSCP 的 DiffServ解决方案，这是一种基于类的 QoS 技术。使用 DiffServ， 在网络入口处根据服务要求对业务进行分类、流量控制，同时设置报文的 DSCP 域；在网络中根据实施好
25、的 QoS机制来区分每一类通信（依据分组的 DSCP 值）、并为之服务（包括资源分配、队列调度、分组丢弃策略等，统称为 PHB），DiffServ 域中的所有节点都将根据分组的DSCP 字段来遵守 PHB。 DiffServ 通过将业务定义为有限的类、可以很好地解决扩展性的问题。4）MPLS 网络本身的 QoS 技术可以采用两种思路，首先可以采用 IntServ 方案，提供基于流的 QoS，但由于 IntServ 存在的问题，这条路在一开始就没有走通。MPLS QoS 的另一种思路是采用 DiffServ 方案。MPLS 与 DiffServ 都具有很好的可扩展性，处理过程也类似：在网络边缘聚
26、合（DSCP 或标签）、在网络核心处理（基于 DSCP 的 PHB 或基于标签的转发）；如果将DSCP 字节的设置融入 MPLS 的标签分配过程中，MPLS 的标签将具备区分分组服务质量的能力。IP 报文头的 DSCP 对 MPLS 设备（LSR）是不可见的，因此必须存在某种机制让DSCP 对 LSR 是可见的，根据将 IP DiffServ 信息通过标签传达给 LSR 方式的不同，业界存在两种 MPLS QoS 的解决方案：E-LSP：在 LER 上将 IP DSCP 映射到 MPLS 的 EXP 位，通过 EXP 位向 LSR 表示分组的 QoS 要求，这样一个 LSP 最多可支持 8 个
27、服务等级；LSR 根据标签和 EXP 对分组进 行队列调度，根据 EXP 进行报文丢弃，同一 LSP 中的分组可能被分到不同的队列；E-LSP 是通过 LDP 协议建立的普通的 LSP。L-LSP：在 LER 上将 IP DSCP 映射为一个 LSP，通过标签和 EXP 位向 LSR 表示分组的 QoS 要求；LSR 根据标签对分组进行队列调度，根据 EXP 进行报文丢弃，同一 LSP中的分组被分到同一个队列。 L-LSP 需要通过 CR-LDP 或 RSVP 扩展来建立。选择上述两种方案主要取决网络所规划的业务类别数目、分组丢弃值以及 MPLS 运行的模式（帧模式或信元模式）；当采用信元模式
28、的 MPLS 操作时，标签与 VPI/VCI相对应，只能采用 L-LSP，此时将标签的 EXP 映射为信元的 CLP；当采用帧模式的MPLS 操作时，采用 E-LSP 或 L-LSP 方案都可以；目前大部分网络运营商所使用的业务等级都在 4 个以内（话音、视频、VPN 与高质量上网、普通上网），所以 E-LSP 基本能够满足应用，又能很容易与 IP 优先级和 802.1p 做到互通； L-LSP 与 MPLS DS-Aware TE 使用了很多相同的机制，DS-TE 本身就使用 L-LSP，两者都可以为不同服务等级的业务提供不同的 LSP、满足业务要求，但 DS-TE 比 L-LSP 功能更为
29、强大，例如DS-TE 可以对整个网络的资源进行优化；目前业界趋向于采用 E-LSP 方式。5） MPLS TE 是一种间接改善网络 QoS 的技术。传统路由协议（如 OSPF 或 IS-IS）主要是保障网络的连通性和可达性，通常选取不是非常灵敏的参数作为 SPF 计 算根据，导致网络负载不均衡、路由动荡等缺陷；MPLS TE 在网络资源有限的前提下，将网络流量合理引导，达到实际网络流量负载与物理网络资源相匹配的目的，间接改善了网络的服务质量。根据用户需求（显示路由、带宽等）及网络资源的情况，MPLS TE 能够自动通过CR-LDP 信令（或 RSVP 扩展）建立一条跨越骨干网的从 LER 到
30、LER 的隧道，同时可完成隧道的维护、统计、属性修改（如带宽）及备 份等功能；LER 与 LER 设备之间，可以认为通过一个隧道直连；MPLS TE 隧道可广泛应用于 VPN、各类接入及互联业务中。通过 MPLS TE，可为用户创建具有带宽保证的隧道，但如果在隧道中同时传送EF、AF 及 BE 业务时，业务之间会相互干扰，也就是说 MPLS TE 存在一个严重的问题? MPLS TE 隧道不能够感知业务类型。6）2002 年业界提出了一种 MPLS DiffServ-Aware TE 的解决方案。DiffServ 提供了基于类的 QoS，具有良好的可扩展性，但缺乏有效的端到端部署的机制；MPL
31、S TE 通过有效地管理带宽资源间接改善网络服务质量，但其带宽管理以及 MPLS TE 隧道都无法做到基于业务类别，如果 EF、AF、BE 业务都承载在一个 MPLS TE 隧道中，EF 和 AF 业务将受到严重的影响。MPLS DiffServ-Aware TE 在原来 MPLS TE 的基础上，增加了基于类别的资源管理，例如可根据带宽及时延的不同将接口资源划分为 EF、AF、BE 三类，通过 IGP 协议对每个类别的资源使用情况进 行收集、分别建立 TED，通过信令协议携带类别建立 LSP。MPLS DS-TE 充分利用了 DiffServ 的可扩展性以及 MPLS 的显示路由能力，是解决
32、骨干网 QoS 的有效技术，网络资源可根据用户的需求得到最优的利用。通过上面的分析我们可以看出，在众多的 QoS 技术中，IP DiffServ、MPLS DiffServ E-LSP 及 MPLS DiffServ-Aware TE 将成为主流的 QoS 技术，这也是华为3Com 公司研究与开发的重点。同时我们也应看到，IP 网络的 QoS 技术即使发展到今天，也不存在这样一种技术可以提供类似于 PSTN 网络的、全网范围的、端到端的、基于流的 QoS，原因是多方面的，涉及到 IP 网络业务、技术及设备等多方面的因素。因此解决现有网络的 QoS 问题，需要详细分析网上各类业务的流量模型、业务
33、模型，详细分析现有网络的各个环节、 找出影响业务 QoS 的关键因素所在，充分运用各种 QoS 技术（如 IP 网络 QoS 及各种二层网络的 QoS 技术），从 IP 承载网、业务终端和应用程序以及用户 管理（包括认证与计费等）等多方面着手，提供 QoS 解决方案。1.3 信令信令技术给网络通讯的两端和网络的中间节点提供了一种方法，让它们向相邻的网络节点请求对一类报文的特殊处理。QoS 的信令协调了端到端通讯的中间节点包括交换机、路由器等为这个通讯提供服务。信令技术包括两种，即带内（in -band）和带外（out-band）信令技术。带内信令通过每个报文中携带的 IP 优先级、DSCP、M
34、PLS EXP、802.1p CoS 等信息，通知网络节点为这个报文提供相应服务。带外信令则是通过一个独立的协议 RSVP，来为不同的报文流申请网络资源。带内信令应用于 Differentiated service，RSVP 则应用于IntServ。1.3.1 RSVP 简介RSVP 是第一个标准 QoS 信令协议，它用来动态地建立端到端的 QoS，它允许应用程序动态地申请网络带宽等。RSVP 协议不是一个路由协议，相反，它按照路由协 议规定的报文流的路径为报文申请预留资源，在路由发生变化后，它会按照新路由进行调整，并在新的路径上申请预留资源。RSVP 只是在网络节点之间传递 QoS 请求，它
35、本身不完成这些 QoS 的要求实现，而是通过其他技术如 WFQ，CBWFQ 等技术来完成这些要求的实现。RSVP 的处理是接收方发出资源请求，按照报文发送的反向路径发送资源请求，所以它可以满足非常大的多播组，多播组的成员也可以动态变化。RSVP 协议是针对多播设计的，单播可以看作是多播的一个特例。由于 RSVP 在 Internet 上还没有得到广泛的推广，在主机不支持 RSVP 的情况下，我们可以通过配置 RSVP 代理，即代替不支持 RSVP 的主机发送 RSVP 报文 来获得这种服务。对报文流路径上不支持 RSVP 的路由器，它只需要简单的转发 RSVP 报文，所以对 RSVP 协议不会
36、有太大影响，但这些节点不会对报文提供 所要求的 QoS。1.3.2 资源预留RSVP 信令在网络节点之间传送资源请求，而网络节点在收到这些请求后，需要为这些请求分配资源，这就是资源预留。网络节点比较资源请求和网络现有的资源，确定是否接受请求，在资源不够的情况下，这个请求可以被拒绝。可以对每个资源请求设置不同的优先级，这样，优先级较高的资源请求可以在网络资源不够的情况下，抢占较低优先级的预留资源，来优先满足高优先级的资源请求。资源预留判断是否接受资源请求，并承诺对接受了的资源请求提供请求的服务。但资源预留本身不实现承诺的服务，需要通过队列等其他技术来实现。2 VRP QoS 特性及相关技术华为 3Com 公司的网络产品已经全面提供对 IP DiffServ 解决方案的支持：完全兼容 IETF DiffServ 解决方案的相关标准，包括RFC2474、RFC2475、RFC2497、RFC2498；支持以 IP Precedence 或 DSCP 作为 QoS 带内信令，可灵活配置；支持 DiffServ 相关的功能组件，包括流量调节器（包括分类器、标记器、测量单元、 整形器和丢弃器等）和各类 PHB（拥塞管理、拥塞避免等）。
