IP QOS原理与实现机制

IP分组
MPLS 支持的DiffServ
• MPLS支持的DiffServ能够把DiffServ的多个BA映射到 MPLS的一条LSP上，根据BA的PHB来转发LSP上的流 量。LSP与BA的映射有两种方式： E-LSP和L-LSP。
– E-LSP
• E-LSP用EXP字段把多个BA指派到一条LSP上， 使用MPLS垫层头的EXP字段表示一个包的 PHB。最多可以把8个BA映射到EXP字段中。
为什么需要QOS（2）
• 包转发的特性－流量突发
端口流入流量 当前值：1.16 Gbits/sec 平均值：1.15 Gbits/sec 最大值：1.57 Gbits/sec
端口流出流量 当前值：1.31 Gbits/sec 平均值：1.05 Gbits/sec 最大值：1.71 Gbits/sec
AF 确保型转发
EFD 允许丢包的加速型
BE 缺省型转发
DiffServ 模型－缺点
• 在拥塞发生时，区分服务模型只能采取 丢弃报文的方式。 • 对相同优先级的业务而言，设备在拥塞 时随机地丢弃报文，其结果是所有业务 的服务质量都受到影响。无法为用户提 供严格的QOS保证。
MPLS-帧结构
通常，MPLS包头有32Bit，其中有： 20Bit用作标签（Label） 3个Bit的EXP, 协议中没有明确，通常用作COS 1个Bit的S,用于标识是否是栈底，表明MPLS的标签可以嵌套。 8个Bit的TTL
层次化QOS实例
语音 数据
实时业务调度
话音调度
视频 语音 数据 视频 语音 数据 视频
40％
数据调度
60％
所有业务调度
视频调度
通过对入口数据流按一定的规则进行匹配，区分出需要QoS保 障的业务流来 标记就是前面所说的根据SLA对业务流打上类别标记，
标记 Mark & emark 流量监管
Meter or CAR
根据服务协定限制用户接入速率，对每个流可依据SLA单独配置承诺 速率、峰值速率、承诺突发尺寸、峰值突发尺寸等流量参数，将违约 报文配置为pass（通过）、drop（丢弃）、Mark down（降级）等处理
Diffsrv
0
1
2
3
4
5
6
7
DSCP:区分服务点码
DiffServ 模型－业务类型
EF 加速型转发
有一个单独的码点，EF可以把延迟和抖动减到最小，因而能提供 服务质量的最高等级。 有四个等级，每个等级有三个下降过程(总共有12个码点)。超过 AF范围的业务不会象“业务范围内”的业务那样以尽可能高的概 率传送出去。这意味着业务量有可能下降，但不是绝对的 除了EFD允许丢包而EF几乎没有丢包外， EFD与EF的外特性几乎相同。EFD的应用主要是在无线移动网络 中 相当于传统的极力而为调度转发行为的PHB
– L-LSP
• L-LSP把一条LSP指派给一个BA（表现出多个包 丢弃优先级），根据MPLS标签确定包的调度策 略，根据垫层头或二层包丢弃机制确定丢弃优先 级。
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为什么需要QOS QOS基本模型 QOS相关机制 层次化QOS简介
PHB－QOS机制
流分类
Traffic Classification
为什么需要QOS（3）
• 业务发展的需要
– IP网络将成为统一承载网络 Everything over IP，在IP网上同时承载语音、视频、数据及企 业互连等业务。 – 体现“以客户为中心” 面向客户细分提供差异化的等级服务（服务质量）
• 网络安全的需求
– 保障网络控制信息的畅通，防止DOS攻击。 – 防止垃圾流量冲击高等级业务流量 – 链路故障，网络拥塞情况下，保证高等级业务的服务质量。
QOS机制－拥塞控制（续） 丢包策略－Wred参数
• 平均队列长度大于最小阈值时，队列开始丢包； • 当平均队列长度达到最大阈值时，队列按照相应的丢包概 率对到达的分组进行丢包； • 当平均队列长度大于最大阈值时，队列丢弃所有的到达的 分组。
QOS机制－队列调度
队列调度
• 不同等级的分组放入不同的队列中，路由器按照一定的队列 调度算法，决定从哪个队列中取出数据分组进行服务。 • 队列调度算法直接影响路由器的性能和QOS效果。
拥塞控制
WRED& SARED
当某网络节点出现拥塞时，采用一种及时有效的手段来缓解 和排除暂时的拥塞，并对级别较高的付费业务进行保护
队列调度 Scheduler
队列调度策略是QOS中针对接收报文和发送报文，按一定优 先级策略调度入队和发送，从而保障特定内容的报文，按需 发送的机制
。
QOS机制－分类和标记
IntSrv 模型
Int-Srv模型基本思想就在于以资源预留的方式来实现QoS保障，RSVP是其 核心心部分 ，它基于每个流（单个的或是汇聚的）提供端到端的保证
其基于流的资源预留、调度处理以及缓冲区管理，有利于提供QoS保证，但状态 信息随业务流数 量的增长而增长，沿途的路由器要为每个数据流都维持一个 “软状态”，而路由器的存储器容量 有 限,可保存的软状态信息都是有限 的，在一个运营商规模的网络中几乎不可能实现这一要求
可扩展性差
对路由器 的要求过 高
网络中所有的路由器都必须支持RSVP信令协议，接入控制程序， 分类器以及调度器
因为为短生存期包预留资源的开销很可能大于处理流中所有包的开销。但因特 网流量绝大多数是由短生存期的流构成的。在短生存期的流需要一定程度的QoS 保证时，综合业务模型就显得得不偿失了
不适合短生存 期的流
为什么需要QOS（4）
业务
QOS IP网 安全 流量
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为什么需要QOS QOS基本模型 QOS相关机制 层次化QOS简介
什么是QOS？
IP QoS的研究目标是有效地为用户提供端到端的服务质量控制或保证。 QoS就是网络单元（例如，应用程序，主机或路由器）能够在一定级别上确保用户 的业务流和服务要求得到满足。
管制 标记
FIB转发表
wk.baidu.com交换单元
队列调度
分组分类
IP分组
IP净荷
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为什么需要QOS QOS基本模型 QOS相关机制 层次化QOS简介
普通QOS模型
QOS 策略
层次化QOS模型
QOS 策略
业务队列
层次化调度
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用户可以根据实际需要，设置调度器之间的层次关系。 由上级调度器控制一组下级调度器的总带宽 上级调度器能够根据下级调度器的级别和权重合理分配下级调度器 的承诺带宽和峰值带宽。 真正实现了控制一个业务或多个业务总的服务质量。
QOS机制－流量监管
流量监管
• 限速将超过带宽限额的突发数据简单丢弃或降为低等级流 量转发。 • 整形将超过带宽限额的突发数据缓冲起来，等流量下降后 再发送出去，使发送出去的流量变得平滑。
QOS机制－拥塞控制
丢包策略－Wred
• 网络发生拥塞之前便随机丢包 • 加大低优先级数据分组的丢弃概率，而降低高优先级的丢 弃概率 • 消除了全局同步现象 • 减少拥塞对高优先级业务的影响。
综合业务的特点是 资源预留，实时应用在 传输数据前必须首先建 立 通道和预留资源。 RSVP是用来建立通道和 预留资源的协议。
在区别型业务中，把 包加以标记，产生不同 的级别，每个级别的包 得到不同的服务级别。
MPLS是一种前向转 发策略，在进入MPLS作 用域时给包赋予一定的 标签，随后包的分类、 转发和服务都将基于标 签完成。
DiffServ 模型－架构
DiffServ体系采用分类和聚合思想，由边缘路由器根据业务类型重 新填写IP包的DSCP字段，核心路由器则根据代表业务分类的字段提供相应 的服务质量保证。
DiffServ 模型－帧结构
IP包
0
1
优先级
2
3
4
TOS
5
6
7
1000-最小延迟 0100－最大吞吐量 0010－最大可靠性
分类和标记
• 将QOS需求相近的业务流分成一类，并做相应的标记。 • 各网络节点根据标记执行相应的PHB（Per-Hop Behavior ） • 网络边缘执行分类和标记
分类依据：各种标记字段 、端口、源/目的IP地址、 IP层协议端口、应用层源/ 目的端口和BGP属性等。
标记字段：IP Precedence 、IP DSCP、MPLS EXP 和802.1p 等。
0 20 23 24 32
标签
CoS S
TTL
32比特
2层头部
2层 头 部
MPLS头部
M PLS头
IP头部
M PLS头 IP 头 部
数据
数据
MPLS-LER
转发表
LSP表
分组标记
队列调度 分组分类
IP头
IP净荷
MPLS标签
IP分组
MPLS-LSR
管制 标记
标签交换表
交换单元
队列调度
分类
MPLS标签
IP QOS 技术原理
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为什么需要QOS QOS基本模型 QOS相关机制 层次化QOS简介
为什么需要QOS（1）
• 现有IP 网络
– 智能终端＋简单网络 – “尽力而为”（best-effort）的服务
• 所有的业务流“一视同仁”地公平地竞争网络资源 • 路由器对所有的IP包都采用先来先处理（First Come First Service FCFS）的工作方式，它尽最大努力将IP 包送达目的地。但对IP包传递地可靠性、延迟等不能 提供任何保证。
时延
指两个参照点之间发送和接收数据包的时间间隔
抖动
延迟抖动，指在同一条路由上发送的一组数据流中 数据包之间的时间差异
丢包率
在网络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率。一般 是由网络拥塞引起的
什么是QOS？
QOS模型
综合业务模型（Int-Serv） 区分业务模型（Diff-serv） 多协议标记交换（MPLS)
QOS机制－队列调度（续） 队列调度算法
PQ(Priority Queueing)：算 法简单，有利于保障实时业 务。但欠公平，可能“饿死” 低等级队列，需要对高优先 队列进行限速。
WRR(Weighted Round Robin)： 算法公平性好 ，可以弥补PQ算法在公 平性上的欠缺。
QOS机制应用