QoS设计方案

1 QoS 设计1.1 概述IP QoS ( Quality of Service ) 是指IP 网络的一种服务质量能力，即在跨越多种底层网络技术（FR 、ATM 、Ethernet 、SDH 等）的IP 网络上，为特定的业务提供其所需要的服务。

衡量IP QoS 的技术指标包括：● 带宽/吞吐量：指网络的两个节点之间特定应用业务流的平均速率；● 时延：指数据包在网络的两个节点之间传送的平均往返时间；● 抖动：指时延的变化；● 丢包率：指在网络传输过程中丢失报文的百分比，用来衡量网络正确转发用户数据的能力； ● 可用性：指网络可以为用户提供服务的时间的百分比。

不同的业务对IP QoS 技术指标的要求是不同的，通过有效地实施各项IP QoS 技术，使得网络管理人员能够有效地控制网络资源及其使用，能够在单一IP 网络平台上更好的融合语音、视频及数据等多种业务。

1.2 IP QoS 服务模型选择随着人们认识问题的逐步深入，IP QoS 技术的发展经历了一个漫长、曲折的过程，如下图所示：No state Best Effort Aggregated state Per-flowstate Bandwidth Optimization DiffServIntServ /RSVP IntServ+DiffServ+Traffic EngineeringQOS 的演进1.2.1Best Effort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，通过先入先出FIFO 队列来实现。

1.2.2IntServ模型IntServ的实现目前主要是通过RSVP信令协议。

IntServ模式要求在IP网络中为每个Flow提供独立的QoS，包括时延、丢包等参数。

由于IP网络中的Flow数量巨大，路由器需要为每个Flow维护一个状态表，就需要耗费极大的CPU性能和内存，以目前路由器的性能来讲是不现实的，而且随着IP 网络流量和用户的增加，路由器需要处理的Flow数量将随之增加，也会带来扩展性问题。

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，进而出现了DiffServ 形式的“粗粒度”模式。

1.2.3DiffServ模型区分服务（DiffServ）是IETF工作组为了克服InterServ的可扩展性差在1998年提出的另一个服务模型，目的是制定一个可扩展性相对较强的方法来保证IP的服务质量。

DiffServ 将流量分成少量等级并按每个等级分配网络资源，从而解决了QoS可扩展性问题。

为了避免采用信令协议，它以6位DiffServ差分服务标记字段（Different Service Code Point，简称DSCP）字段，直接在数据包上标记等级。

DSCP决定网络中特定节点上数据包的QoS 行为，称之为逐跳行为(PHB) ，按照数据包的调度和丢弃优先级来表示。

从实施的角度看，PHB 可看成是用于转发的数据包队列、当队列超出限制条件时的丢弃可能性、分配给每个队列的资源（缓冲和带宽）、以及为一个队列服务的频率。

IETF 定义了14个标准的PHB：●尽力而为（BE）。

不需要进行特殊处理的流量。

●快速转发（EF）。

延迟最小，丢包率低的流量。

从实际的角度看，这意味着用于EF 流量的队列，其数据包到达阿速率低于服务速率，因此不可能由于拥塞造成抖动、延迟和丢包。

话音和视频流是典型的映射到EF的流量：它们的传输速率恒定，并要求最低的延迟和丢包率。

12个有保证转发（AF）的PHB。

每个PHB按队列号和丢弃优先级定义。

IETF 建议使用四个不同队列，每个队列应用三个优先级，总共12个不同的AF PHB 。

AF PHB 的命名惯例是Afxy，x 指队列号，y指丢弃优先级的级别。

因此，AF1y的所有数据包都将放置在同一个转发队列中，确保当来自单一应用的数据包只在丢弃优先级方面存在差别时，不会乱序。

AF PHB适用于需要速率保证，但不需要延迟或抖动限制的流量。

虽然IETF 为每个标准的PHB都定义了推荐的DSCP值，但设备厂家允许网络运营商重新定义DSCP与PHB 之间的映射，并定义非标准的PHB。

需要注意的重要事情是，一旦为数据包标记了特殊的DSCP值，就定义了其通过的每一跳的QoS 处理。

因此，为了确保一致的QoS 行为，必须维护一致的DSCP-to-PHB 映射。

这种要求产生了DiffServ 域的概念，它是一系列具备DiffServ 能力的节点，其特征如下：1)一套通用定义的PHB；2) 相同的DSCP-to-PHB 映射；和3)统一的业务提供策略。

DiffServ 域通常运行在单一管理权限下。

在DiffServ 域的边缘，流量被标记了DSCP值，以形成所需的逐跳行为和最终所需的QoS 。

DiffServ模型只包含有限数量的业务级别，状态信息的数量少，实现简单，是一种可扩展的QoS 解决方案。

但是需要注意的问题，如果流量的传输路径不能提供足够的资源，它将无法保证QoS 。

因此DiffServ模型常常应用于轻载的网络环境下。

DiffServ模型可应用于IP网络及MPLS 网络，MPLS与DiffServ的结合称为MPLS DiffServ。

1.2.4MPLS DiffServDiffServ的基本机制是在网络边缘，根据业务的服务质量要求将该业务映射到一定的业务类别中，利用IP分组中的DS字段（由TOS域而来）唯一标记该类业务，然后，骨干网络中的各节点根据该字段对各种业务采取预先设定的服务策略，保证相应的服务质量。

DiffServ的这种对服务质量的分类和标签机制和MPLS的标签分配十分相似，事实上，基于MPLS的DiffServ就是通过将DS的分配与MPLS的标签分配过程结合来实现的。

MPLS DiffServ在RFC3270定义，要求通过MPLS包头中的EXP值携带DiffServ PHB，标签交换路由器（LSR）在做出转发决策时要考虑MPLS EXP值。

但是DiffServ PHB最多可以支持64个编码值，如何承载在只有8个不同值的EXP字段中？MPLS DiffServ 提供两种解决方案，E-LSP与L-LSP方案。

可参考下图：L-LSP和E-LSP方案E-LSP路径，即由EXP位决定PHB的LSP。

该方法适用于支持少于8个PHB的网络，特定的DSCP 直接映射为特定的EXP，标识到特定的PHB。

在转发过程中，LSP决定转发路径，但是EXP决定在每一跳LSR上的调度和丢弃优先级，因此同一条LSP可以承载8类不同PHB的流，通过MPLS头部的EXP域来进行区分。

EXP可以直接从IP报文的DSCP直接映射得到，也可以在转发的过程中重新更改。

这种方法不需要信令协议转PHB信息，而且标签使用率较高，状态易于维护。

L-LSP路径，即由标签和EXP共同决定PHB的LSP。

该方法适用于支持任意数量PHB的网络。

在转发过程中，标签不仅用于决定转发路径而且决定在LSR上的调度行为，而EXP位则用于决定数据包的丢弃优先级。

由于通过标签来区分业务流的类型，因此需要为不同的流建立不同的LSP。

这种方法需要使用更多的标签，保存更多的状态。

目前业界主流厂家MPLS DiffServ方案多采用E-LSP方案。

而L-LSP更多的用于传统ATM、Frame-Relay网络和DS Aware TE中。

同IP DiffServ类似，如果流量的传输路径不能提供足够的资源，它将无法保证QoS 。

因此MPLS DiffServ模型也常常应用于轻载的网络环境下。

1.2.5MPLS TE流量工程用于实现性能目标，如网络资源优化以及将流量放置在特殊链路上等等。

从实际角度看，这意味着要从源到目的地来计算路径（路径要受一定的限制），并沿这条路径转发流量。

沿此类路径转发流量不可能通过IP实现，因为IP转发决策是在每一跳中独立决定的，而且只基于数据包的IP目的地址。

MPLS TE可沿任意路径轻松实现流量转发。

MPLS TE的显式路由功能允许LSP的发送方进行路径计算，沿路径建立MPLS转发LSP，并将数据包映射到这个LSP中。

数据包一旦映射到LSP 中，便可基于标签对其进行转发，任何中间跳将不会基于数据包的IP目的地来做出独立的转发决策。

当网络中存在多条并行或可选的路径时，MPLS TE就可以不按照最短路径来设计LSP，从而达到资源的有效利用。

需要注意的是：MPLS-TE是将所有DiffServ 服务类别汇聚在一个级别上进行操作，换句话讲，MPLS TE 不能区分一个LSP内不同业务服务等级，它不可能基于每个服务类别提供带宽保证。

因此IETF开发DS-Aware TE来解决DiffServ模型以及TE所不能解决的一些问题。

1.2.6DS-Aware TEDiff-Serv作为一种QoS解决方案，其主要实现机制是对流量按照服务类型（Class of Service）进行划分，基于服务类型提供不同的QoS保证。

而MPLS TE作为流量工程解决方案，主要用于对网络资源的使用进行优化。

Diff-Serv-Aware TE即DS-TE结合上述两者的优势，能够基于按服务类型划分的流量进行网络资源优化，即，对不同的服务类型进行不同的带宽约束。

概括来说，DS-TE将不同服务类型的流量与LSP进行映射，使流量经过的路径符合对其服务类型的流量工程约束条件。

MPLS DS-TE解决了以下几个方面的QOS问题：1) 如何为不同服务类型的流提供不同的带宽并合理分配QOS队列2) 如何为不同服务类型的流建立所需带宽的路径3) 如何保证链路带宽的有效利用4) 如何保证不同服务类型的流在每一跳节点上的PHB5) 如何限制LSP转发的流量超过分配给它的资源限制1.2.7总结通过上面的分析可以看出，在众多的QoS技术中，DiffServ 及MPLS TE、MPLS DiffServ-Aware TE将成为主流的QoS技术。

同时也应看到，IP 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 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。