第33讲 QoS概述与调度策略
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QoS机制与拥塞控制机制的关系
拥塞控制的目的是防止网络来不及处理用户 的负载，并且在出现拥塞的情况下将拥塞的 影响减至最少，并且尽可能快地从拥塞恢复。 QoS机制则是为不同的用户提供不同的服务 质量保证，通过对于不同用户的分组进行区 别对待来完成。
12.2.1 调度策略概述
一条重要的设计原则是网络层尽可能地简单， 而将许多包括流量控制、可靠递交、拥塞控制 等复杂的功能交给高层来处理。 由于采用数据报服务，分组可能会采用不同的 路径到达目的地，因此分组经历的延迟可能会 各不相同，到达也可能会不按序到达。 而当链路出现拥塞时候，排队延迟会显著增加， 从而分组经历的延迟会增大，当队列满时分组 将被丢弃。
12.1.1 实时和非实时应用（续）
交互式批量应用（Interactive bulk applications）对于延迟的要求和交互式应用 类似，但是可能有较高的吞吐量要求。 异步应用允许相对大的延迟，因为它一般是 采用存储转发方式来工作，用户并不需要实 时的交互，这个方面的例子是E-mail。 实时应用 实时应用又被称为无弹性应用（Inelastic Application），一般对于延时、延时抖动、 吞吐量的变化等相对敏感一些。
《数据通信与计算机网络（第二版）》 电子教案
笫三十三讲 QoS概述与调度策略 概述与调度策略
本讲内容
第12章 服务质量控制QoS
12.1 QoS概述
12.1.1 实时和非实时应用 12.1.2 QoS的定义 12.1.3 QoS模型和QoS机制
12.2 调度策略和队列管理
12.2.1 调度策略概述 12.2.2 FIFO 12.2.3 优先级队列 12.2.4 轮转调度
12.1.1 实时和非实时应用
问题的提出：
传统的Internet采用一种尽力递交的服务模型， 它并不确保会及时正确地递交。随着多媒体 技术和网络带宽的进一步提高，包括音频和 视频等在内的多媒体信息也开始在Internet上 进行传输，但是除了要求比较高的带宽外， 也具有一些新的特性，也就是说要求音频数 据能够及时地递交。
12.1.1 实时和非实时应用（续）
Over-dimensioning虽然非常简单，但是代价 也非常高，由于用户通过网络传输的负载可 动态变化，严格的over-dimensioning技术要 求在任何时候都有充足的网络资源，这也意 味着必须按照峰值负载来进行网络的配置。 在冗余尺寸网络中，网络可以通过和用户之 间进行协商以限制用户发送的平均负载以及 允许的突发程度，但是这种方法并没有最优 地利用网络的容量，因为用户的服务质量要 求可能会各不相同。
12.1.1 实时和非实时应用（续）
按照是否能够容忍分组的“丢失”，实时应 用进一步又可以分为容错（Tolerant）应用 和不容错（Intolerant）应用。 实时容错应用可以根据是否能够对网络的当 前情况进行响应而进一步分为自适应和非自 适应两种。 通过改变播放延迟而对分组延迟的变化进行 自适应的机制称为延迟自适应（Delayadaptive）。
12.2.1 调度策略概述（续）
• 有N个流，首先把每个流按照所要求的资源 按序排列，流n要求的资源为 xn，其 中x1 ≤ x2 ≤ K≤ x N ，资源的总量为C，我们用 m n 表示实际分配给流n的资源。首先我们根据 剩下的资源按照平均分配的方法计算，我们 用M n 表示可以分配给流n的资源数，显然：
12.1.1 实时和非实时应用（续）
冗余尺寸网络
实时应用的一个最主要的特性是它要求数据 能够及时到达。 非实时应用一般可以通过一个端到端的重传 机制来保证数据能够正确地到达。 在尽力递交的服务模型下面提供好的服务质 量的一种方法是网络提供大量的缓冲区和带 宽等资源，保证分组快速地转发，不出现拥 塞，分组的延时和延时抖动非常小，也不会 出现分组的丢失，这种方法称为冗余尺寸 冗余尺寸 （over-dimensioning）。 ）
分组丢失
分组丢失的三个原因： • 网络拥塞； • 分组太迟到达；
12.1.2 QoS的定义（续）
• 分组在通过通信链路传输时出现错误。
吞吐率
吞吐率指的是通过网络传输的数据速率，一 般用每秒传输多少比特来描述，又被称为比 特率或者带宽。 固定速率（Constant Bit Rate，CBR）应用按 照恒定的数据速率产生负载； 可变速率（Variable Bit Rate，VBR）应用有 最低的带宽要求以保证应用可以正常进行。
12.2.1 调度策略概述（续）
排队机制
排队机制包括对带宽和缓冲区这两种资源的 合理分配。 • 带宽的分配指的是选择那个分组来传输，一 般被称为调度机制。 • 分配指的是何时丢弃队列中的分组，丢弃哪 个分组，一般被称为队列管理机制。 路由器包括的功能单元： • 转发/路由策略：由网络管理人员设置的策 略控制；
12.1.2 QoS的定义（续）
服务
服务指的是分组在通过网络传递过程中所获 得的预先定义好的对待，一般说来服务质量 可以通过定性或者定量的方法进行描述。 定量方法： • 通过一些具体的QoS参数的定量来描述的， 常用的QoS参数包括延迟、延迟抖动、丢失 率和带宽等。 定性方法：
12.1.2 QoS的定义（续）
12.1.3 QoS模型和QoS机制（续）
IP QoS的两种主要体系结构：
集成服务（Integrated Services，IntServ） • IntServ模型提供的是基于流的服务，它通过 预留相应的网络资源来提供QoS支持， RSVP协议用于传递相应的信令信息来进行 资源的预留，是IntServ模型的核心部分。 • 集成服务为每个流提供相应的服务质量保障。 • QoS要求一般包括两个负载描述字：
12.2.1 调度策略概述（续）
转发/路由策略
路由表
调度器
分组分类器
交换结构
输出队列
一个简单的路由器模型
12.2.1 调度策略概述（续）
调度算法
算法的特点： • 灵活性：不同的用户具有不同的服务质量要 求； • 公平性：不能因为某几个用户的不当行为而 导致别的用户的服务质量得不到保障； • 有效性：有效地利用包括链路带宽和缓冲区 在内的空闲的网络资源。
12.1.3 QoS模型和QoS机制（续）
QoS机制的分类
负载处理机制 带宽管理机制
通信量控制机制
了防止其占用过多的网络资源，路由器一般 要对于用户的负载进行监控，如果发送的负 载超过了协商值，则路由器可能丢弃这些额 外的分组或者降级处理，这种机制被称为通 信量控制机制。
12.1.3 QoS模型和QoS机制（续）
12.1.2 QoS的定义（续）
服务类型（Type-of-Service，ToS）
ToS是IPv4中IP头部的一个字段，目的是为 了使得根据ToS字段的取值来对分组进行不 ToS 同的处理。
0 1 2 3 4 5 6 7
优先级
T
D
R
0
0
IPv4 ToS字段
12.1.2 QoS的定义（续）
服务类（Class of Service，CoS）
12.1.2 QoS的定义
什么是QoS
对于通信网络来说，QoS指的是网络提供给 用户或者应用的服务的等级或者质量描述； 而对于应用程序来说QoS指的是用户感受到 的应用质量
问题的提出
基于网络的QoS策略提供各种不同的服务质 量支持，但它并不能完全取代基于应用的 QoS控制策略。网络的状况会动态改变，在 这种环境下进行端到端的自适应QoS控制就 显得尤其重要。
• 采用定性的方法来描述QoS的原因有很多， 比如某些应用很难把它要求的服务质量进行 量化，或者它只是要求能够获得比别的应用 更好的服务等。
延迟
延迟指的是分组在传输过程中所花的时间。 分组在网络中4种不同类型的延迟的： • 传输延迟 • 传播延迟
12.1.2 QoS的定义（续）
• 处理延迟 • 排队延迟 延迟抖动 •Βιβλιοθήκη Baidu延迟抖动指的是网络延迟的变化。 • 端到端的延迟可能会动态变化。
12.2.1 调度策略概述（续）
• 转发/路由表：通过路由协议来构建； ： • 输入队列：一般假设分组按照线速到达； • 分组分类器：基于相应的策略控制来对分组 进行分类； • 交换结构：分组从输入队列转移到相应的输 出队列； • 输出队列：等待传输的分组在此排队； ： • 调度器：决定为哪个输出队列进行服务。 ： 下图给出了一个简单的路由器模型
12.1.1 实时和非实时应用（续）
另外一种自适应方式被称为速率自适应 （Rate-adaptive），比如一个视频应用可以 在网络的带宽足够的情况下采用更好的视频 编码而达到更高的画面质量，而在网络带宽 下降时采用一个相对低速的视频编码。 不容错的实时应用无法接受分组丢失，有些 应用也可以通过检测吞吐率的变化而进行动 态地响应，而大多数应用则属于非自适应的。
根据是否要求数据的及时递交，可以把 应用分为两大类：实时应用和非实时应 用。
交互式 非实时 交互式批量 异步 自适应 应用 容错 非自适应 实时 速率自适应 不容错 非自适应 延迟自适应 速率自适应
应用分类
12.1.1 实时和非实时应用（续）
非实时应用
非实时应用又被称为弹性应用（Elastic Application Application），因为它允许数据经历相对大 一点的延迟抖动。 基本要求是能够得到一个可靠的、有序的端 到端的数据递交服务。 交互式非实时应用要求几乎实时的交互，理 想的延迟是在200毫秒之内，但是也可以容 忍一个稍长的延时。
12.1.1 实时和非实时应用（续）
另外一种方法是对于不同服务质量要求的数 据分别通过不同的物理链路进行传输。 尽力递交再加上冗余尺寸技术虽然可以提供 分组的及时递交，但是由于需要大量的网络 资源，一般只在某些特殊的环境下才使用。 传统的Internet应用只需要网络提供尽力递交 服务， 而实时的应用则希望网络能够提供数 据的及时递交。 网络应该对这些要求不同服务的应用的分组 进行区别对待，一个网络如果能够提供不同 类型的服务，我们经常说它支持QoS。
CoS允许根据流的QoS把不同的流汇集在一 起，汇集在一起的各个流有不同的延迟、带 宽等QoS参数，类的划分不是通过定量的东 西，而是定性地确定。
12.1.3 QoS模型和QoS机制
QoS服务的划分：
根据网络提供的服务类型：这包括通过定量 地描述QoS参数的取值的定量服务、通过定 QoS 性描述的定性服务和尽力递交服务等； 根据网络提供服务的实体是什么？是对于每 个负载流提供服务？还是对于每个负载类型 提供服务？ 应用根据QoS要求、应用类型等可以分成不 同的类，基于类的服务为每个类提供定性或 者定量的服务。
Mn 剩余资源数 = 尚未满足需求的流的个 = C - ∑ mi
i =1 n −1
12.2.1 调度策略概述（续）
调度器 • 工作原理 有N个流等待调度，每个流n( 1 ≤ n ≤ N )的带宽 为λn，流n的平均服务率为 µn ，这样流n的平 λ ρ n = n 。假设属于流n的分 均链路利用率为 µn 组的平均等待时间为 q n 。
∑ρ
n =1
N
n
q n = C，其中C为常量
12.1.3 QoS模型和QoS机制（续）
TSpec：描述了用户发送的负载的特性。 RSpec：则描述了用户希望的服务质量。
区分服务（Differentiated Services， Diffserv）
• 区分服务利用IP分组头部中的字段把IP分组 映射成相应的服务类。 • 那个IP头部的字段被称为DSCP，DSCP在 IPv4中通过ToS字段来表示，而IPv6中则通 过负载类型来表示。
上面的公式对于任何连续工作型的调度算法 都适用
12.2.1 调度策略概述（续）
断续工作（non-work-conserving）的调度器 而言，尽管有分组在等待传输，也可能会空 闲一段时间，以等待该分组满足传输的条件。 最大最小公平（max-min fairness）标准： • 首先把每个流要求的资源按顺序进行排列； • 资源被首先分配给具有最低要求的流 ； • 同时注意每个流不会获得它所要求之外的额 外资源，在剩下来的资源中，那些还没有达 到其要求的流平均分配剩余的资源。
拥塞控制的目的是防止网络来不及处理用户 的负载，并且在出现拥塞的情况下将拥塞的 影响减至最少，并且尽可能快地从拥塞恢复。 QoS机制则是为不同的用户提供不同的服务 质量保证，通过对于不同用户的分组进行区 别对待来完成。
12.2.1 调度策略概述
一条重要的设计原则是网络层尽可能地简单， 而将许多包括流量控制、可靠递交、拥塞控制 等复杂的功能交给高层来处理。 由于采用数据报服务，分组可能会采用不同的 路径到达目的地，因此分组经历的延迟可能会 各不相同，到达也可能会不按序到达。 而当链路出现拥塞时候，排队延迟会显著增加， 从而分组经历的延迟会增大，当队列满时分组 将被丢弃。
12.1.1 实时和非实时应用（续）
交互式批量应用（Interactive bulk applications）对于延迟的要求和交互式应用 类似，但是可能有较高的吞吐量要求。 异步应用允许相对大的延迟，因为它一般是 采用存储转发方式来工作，用户并不需要实 时的交互，这个方面的例子是E-mail。 实时应用 实时应用又被称为无弹性应用（Inelastic Application），一般对于延时、延时抖动、 吞吐量的变化等相对敏感一些。
《数据通信与计算机网络（第二版）》 电子教案
笫三十三讲 QoS概述与调度策略 概述与调度策略
本讲内容
第12章 服务质量控制QoS
12.1 QoS概述
12.1.1 实时和非实时应用 12.1.2 QoS的定义 12.1.3 QoS模型和QoS机制
12.2 调度策略和队列管理
12.2.1 调度策略概述 12.2.2 FIFO 12.2.3 优先级队列 12.2.4 轮转调度
12.1.1 实时和非实时应用
问题的提出：
传统的Internet采用一种尽力递交的服务模型， 它并不确保会及时正确地递交。随着多媒体 技术和网络带宽的进一步提高，包括音频和 视频等在内的多媒体信息也开始在Internet上 进行传输，但是除了要求比较高的带宽外， 也具有一些新的特性，也就是说要求音频数 据能够及时地递交。
12.1.1 实时和非实时应用（续）
Over-dimensioning虽然非常简单，但是代价 也非常高，由于用户通过网络传输的负载可 动态变化，严格的over-dimensioning技术要 求在任何时候都有充足的网络资源，这也意 味着必须按照峰值负载来进行网络的配置。 在冗余尺寸网络中，网络可以通过和用户之 间进行协商以限制用户发送的平均负载以及 允许的突发程度，但是这种方法并没有最优 地利用网络的容量，因为用户的服务质量要 求可能会各不相同。
12.1.1 实时和非实时应用（续）
按照是否能够容忍分组的“丢失”，实时应 用进一步又可以分为容错（Tolerant）应用 和不容错（Intolerant）应用。 实时容错应用可以根据是否能够对网络的当 前情况进行响应而进一步分为自适应和非自 适应两种。 通过改变播放延迟而对分组延迟的变化进行 自适应的机制称为延迟自适应（Delayadaptive）。
12.2.1 调度策略概述（续）
• 有N个流，首先把每个流按照所要求的资源 按序排列，流n要求的资源为 xn，其 中x1 ≤ x2 ≤ K≤ x N ，资源的总量为C，我们用 m n 表示实际分配给流n的资源。首先我们根据 剩下的资源按照平均分配的方法计算，我们 用M n 表示可以分配给流n的资源数，显然：
12.1.1 实时和非实时应用（续）
冗余尺寸网络
实时应用的一个最主要的特性是它要求数据 能够及时到达。 非实时应用一般可以通过一个端到端的重传 机制来保证数据能够正确地到达。 在尽力递交的服务模型下面提供好的服务质 量的一种方法是网络提供大量的缓冲区和带 宽等资源，保证分组快速地转发，不出现拥 塞，分组的延时和延时抖动非常小，也不会 出现分组的丢失，这种方法称为冗余尺寸 冗余尺寸 （over-dimensioning）。 ）
分组丢失
分组丢失的三个原因： • 网络拥塞； • 分组太迟到达；
12.1.2 QoS的定义（续）
• 分组在通过通信链路传输时出现错误。
吞吐率
吞吐率指的是通过网络传输的数据速率，一 般用每秒传输多少比特来描述，又被称为比 特率或者带宽。 固定速率（Constant Bit Rate，CBR）应用按 照恒定的数据速率产生负载； 可变速率（Variable Bit Rate，VBR）应用有 最低的带宽要求以保证应用可以正常进行。
12.2.1 调度策略概述（续）
排队机制
排队机制包括对带宽和缓冲区这两种资源的 合理分配。 • 带宽的分配指的是选择那个分组来传输，一 般被称为调度机制。 • 分配指的是何时丢弃队列中的分组，丢弃哪 个分组，一般被称为队列管理机制。 路由器包括的功能单元： • 转发/路由策略：由网络管理人员设置的策 略控制；
12.1.2 QoS的定义（续）
服务
服务指的是分组在通过网络传递过程中所获 得的预先定义好的对待，一般说来服务质量 可以通过定性或者定量的方法进行描述。 定量方法： • 通过一些具体的QoS参数的定量来描述的， 常用的QoS参数包括延迟、延迟抖动、丢失 率和带宽等。 定性方法：
12.1.2 QoS的定义（续）
12.1.3 QoS模型和QoS机制（续）
IP QoS的两种主要体系结构：
集成服务（Integrated Services，IntServ） • IntServ模型提供的是基于流的服务，它通过 预留相应的网络资源来提供QoS支持， RSVP协议用于传递相应的信令信息来进行 资源的预留，是IntServ模型的核心部分。 • 集成服务为每个流提供相应的服务质量保障。 • QoS要求一般包括两个负载描述字：
12.2.1 调度策略概述（续）
转发/路由策略
路由表
调度器
分组分类器
交换结构
输出队列
一个简单的路由器模型
12.2.1 调度策略概述（续）
调度算法
算法的特点： • 灵活性：不同的用户具有不同的服务质量要 求； • 公平性：不能因为某几个用户的不当行为而 导致别的用户的服务质量得不到保障； • 有效性：有效地利用包括链路带宽和缓冲区 在内的空闲的网络资源。
12.1.3 QoS模型和QoS机制（续）
QoS机制的分类
负载处理机制 带宽管理机制
通信量控制机制
了防止其占用过多的网络资源，路由器一般 要对于用户的负载进行监控，如果发送的负 载超过了协商值，则路由器可能丢弃这些额 外的分组或者降级处理，这种机制被称为通 信量控制机制。
12.1.3 QoS模型和QoS机制（续）
12.1.2 QoS的定义（续）
服务类型（Type-of-Service，ToS）
ToS是IPv4中IP头部的一个字段，目的是为 了使得根据ToS字段的取值来对分组进行不 ToS 同的处理。
0 1 2 3 4 5 6 7
优先级
T
D
R
0
0
IPv4 ToS字段
12.1.2 QoS的定义（续）
服务类（Class of Service，CoS）
12.1.2 QoS的定义
什么是QoS
对于通信网络来说，QoS指的是网络提供给 用户或者应用的服务的等级或者质量描述； 而对于应用程序来说QoS指的是用户感受到 的应用质量
问题的提出
基于网络的QoS策略提供各种不同的服务质 量支持，但它并不能完全取代基于应用的 QoS控制策略。网络的状况会动态改变，在 这种环境下进行端到端的自适应QoS控制就 显得尤其重要。
• 采用定性的方法来描述QoS的原因有很多， 比如某些应用很难把它要求的服务质量进行 量化，或者它只是要求能够获得比别的应用 更好的服务等。
延迟
延迟指的是分组在传输过程中所花的时间。 分组在网络中4种不同类型的延迟的： • 传输延迟 • 传播延迟
12.1.2 QoS的定义（续）
• 处理延迟 • 排队延迟 延迟抖动 •Βιβλιοθήκη Baidu延迟抖动指的是网络延迟的变化。 • 端到端的延迟可能会动态变化。
12.2.1 调度策略概述（续）
• 转发/路由表：通过路由协议来构建； ： • 输入队列：一般假设分组按照线速到达； • 分组分类器：基于相应的策略控制来对分组 进行分类； • 交换结构：分组从输入队列转移到相应的输 出队列； • 输出队列：等待传输的分组在此排队； ： • 调度器：决定为哪个输出队列进行服务。 ： 下图给出了一个简单的路由器模型
12.1.1 实时和非实时应用（续）
另外一种自适应方式被称为速率自适应 （Rate-adaptive），比如一个视频应用可以 在网络的带宽足够的情况下采用更好的视频 编码而达到更高的画面质量，而在网络带宽 下降时采用一个相对低速的视频编码。 不容错的实时应用无法接受分组丢失，有些 应用也可以通过检测吞吐率的变化而进行动 态地响应，而大多数应用则属于非自适应的。
根据是否要求数据的及时递交，可以把 应用分为两大类：实时应用和非实时应 用。
交互式 非实时 交互式批量 异步 自适应 应用 容错 非自适应 实时 速率自适应 不容错 非自适应 延迟自适应 速率自适应
应用分类
12.1.1 实时和非实时应用（续）
非实时应用
非实时应用又被称为弹性应用（Elastic Application Application），因为它允许数据经历相对大 一点的延迟抖动。 基本要求是能够得到一个可靠的、有序的端 到端的数据递交服务。 交互式非实时应用要求几乎实时的交互，理 想的延迟是在200毫秒之内，但是也可以容 忍一个稍长的延时。
12.1.1 实时和非实时应用（续）
另外一种方法是对于不同服务质量要求的数 据分别通过不同的物理链路进行传输。 尽力递交再加上冗余尺寸技术虽然可以提供 分组的及时递交，但是由于需要大量的网络 资源，一般只在某些特殊的环境下才使用。 传统的Internet应用只需要网络提供尽力递交 服务， 而实时的应用则希望网络能够提供数 据的及时递交。 网络应该对这些要求不同服务的应用的分组 进行区别对待，一个网络如果能够提供不同 类型的服务，我们经常说它支持QoS。
CoS允许根据流的QoS把不同的流汇集在一 起，汇集在一起的各个流有不同的延迟、带 宽等QoS参数，类的划分不是通过定量的东 西，而是定性地确定。
12.1.3 QoS模型和QoS机制
QoS服务的划分：
根据网络提供的服务类型：这包括通过定量 地描述QoS参数的取值的定量服务、通过定 QoS 性描述的定性服务和尽力递交服务等； 根据网络提供服务的实体是什么？是对于每 个负载流提供服务？还是对于每个负载类型 提供服务？ 应用根据QoS要求、应用类型等可以分成不 同的类，基于类的服务为每个类提供定性或 者定量的服务。
Mn 剩余资源数 = 尚未满足需求的流的个 = C - ∑ mi
i =1 n −1
12.2.1 调度策略概述（续）
调度器 • 工作原理 有N个流等待调度，每个流n( 1 ≤ n ≤ N )的带宽 为λn，流n的平均服务率为 µn ，这样流n的平 λ ρ n = n 。假设属于流n的分 均链路利用率为 µn 组的平均等待时间为 q n 。
∑ρ
n =1
N
n
q n = C，其中C为常量
12.1.3 QoS模型和QoS机制（续）
TSpec：描述了用户发送的负载的特性。 RSpec：则描述了用户希望的服务质量。
区分服务（Differentiated Services， Diffserv）
• 区分服务利用IP分组头部中的字段把IP分组 映射成相应的服务类。 • 那个IP头部的字段被称为DSCP，DSCP在 IPv4中通过ToS字段来表示，而IPv6中则通 过负载类型来表示。
上面的公式对于任何连续工作型的调度算法 都适用
12.2.1 调度策略概述（续）
断续工作（non-work-conserving）的调度器 而言，尽管有分组在等待传输，也可能会空 闲一段时间，以等待该分组满足传输的条件。 最大最小公平（max-min fairness）标准： • 首先把每个流要求的资源按顺序进行排列； • 资源被首先分配给具有最低要求的流 ； • 同时注意每个流不会获得它所要求之外的额 外资源，在剩下来的资源中，那些还没有达 到其要求的流平均分配剩余的资源。