QoS技术原理及实现
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QoS原理及实现
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QoS原理
产生背景 基本概念 业务模型 流量管理技术
报文分类和标记 流量监管 流量整形 拥塞管理 拥塞避免
/ 2
产生背景
在传统的IP网络中，所有的报文都被无区别的等同对待， 每个转发设备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。 但在实际应用中，网络上存在各种各样的问题，比如网 络上的丢包现象、网络抖动、网络延迟以及受限的网络带宽， 随着网络发展及新兴业务的出现，这些问题会极大地影响网 络业务（比如VoIP、IPTV等）。VoIP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，用户将 不能接受（相对而言，E-Mail和FTP业务对时间延迟并不敏 感）。
报文分类和标记
IP QoS
TOS是在第三层IP数据包中的8位TOS数据位，以来标识优先级。 这8位中前3位表示优先级，后4位表示服务类型(分别为：最小延迟、 最大吞吐量、最高可靠性、最小费用。只能其中一位为1，即生效。如 果全为0就表示一般服务）。最后一位一般不用，置0 DSCP也是三层IP中的8位TOS字段表示优先级。不同的是用了前 6位表示优先级，可设0--63，共64个等级。（把前6位中的前3位设为 优先级，后3位设为0，就可以实现DSCP和TOS互相映射兼容）。 最 后两位为早期拥塞通知。 / 29
产生背景
网络丢包
Internet
？
我 是 张 三 啊
本地这么说 …...
… … 三 啊 … …
/ 6
我 是
对方听到的是 …...
产生背景
带宽限制
10M
IP
我要2M
/ 7
产生背景
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。 传统网络所面临的服务质量问题，主要是由网络拥塞 引起的。所谓拥塞，是指由于供给资源的相对不足而造成 服务速率下降（引入了额外的延迟）的一种现象。 QoS技术的出现便致力于解决这个问题。
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QoS原理
产生背景 基本概念 业务模型 流量管理技术
报文分类和标记 流量监管 流量整形 拥塞管理 拥塞避免
/ 23
流量管理技术
/ 24
QoS原理
产生背景 基本概念 业务模型erv模型
不同DS区域可有不同的PHB，以实现不同的服务提供策略，它们之间 通过SLA与TCA协调提供跨区域服务： SLA：服务等级协定，关于业务流在网络中传递时所应当获得的待遇。 TCA：流量调整协定，关于业务分类准则、业务模型及相应处理的协定。
/ 13
Bets-Effort模型
Best-Effort是单一的服务模型，也是最简单的服务 模型。应用程序可任意发送任意报文，不需要事先 得到批准或通知网络，网络尽最大可能发送这些报 文，但对时延，可靠性等性能不提供任何保障。 Best-Effort service是目前Internet的缺省服务模型， 主要实现技术是先进先出队列(FIFO)，它适用于绝 大多数网络应用，如FTP、 E-Mail等。 其实best-effort并非是什么QOS，就是互联网的简单 数据传输方式而已，有什么传什么，阻塞也就阻塞 了，丢且也就丢弃了。只不过QOS指一种全局网络 通讯的质量保证机制，不得不把这种低智商的服务 模式提及一下。
DS区域的服务提供 策略由PHB决定。 DS节点根据PHB属性 转发。
内部节点
DiffServ网 络
边界节点
SLA/TCA
DiffServ网 络
边界节点
内部节点
在网络边缘进行业 务分类和流量调整。 - 业务分类 . 基于DS域 . 基于其他特征 - 流量调整 . 测量 . 标记 . 丢弃 . 整形
边界节点
报文分类和标记 流量监管 流量整形 拥塞管理 拥塞避免
/ 25
报文分类和标记
流量分类是将数据报文划分为多个优先级或多个服务 类。网络管理者可以设置流量分类的策略，这个策略除可 以包括IP报文的IP优先级或DSCP值、802.1p的CoS值等 带内信令，还可以包括输入接口、源IP地址、目的IP地址、 MAC地址、IP协议或应用程序的端口号等。 分类的结果是没有范围限制的，它可以是一个由五元 组（源IP地址、源端口号、协议号、目的IP地址、目的端 口号）确定的流这样狭小的范围，也可以是到某某网段的 所有报文。 下游网络可以选择接受上游网络的分类结果，也可以 按照自己的分类标准对数据流量重新进行分类。
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产生背景
/ 9
QoS原理
产生背景 基本概念 业务模型 流量管理技术
报文分类和标记 流量监管 流量整形 拥塞管理 拥塞避免
/ 10
基本概念
基本概念： QoS（Quality of Service）即服务质量。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时延抖动等措施来 提高服务质量。 技术优点： 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。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。 对于 ISP，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。 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，也不会影响这些时间敏感的业务。
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Int-Serv模型
我要预留 2Mbps带宽
我要预留 2Mbps带宽
OK！
OK！
OK！
OK！
工作原理 1、通过信令层面通知所有路由器为即将通过的流量预留多少带宽 2、真实数据发送
两个控件 1、admission control 检查节点是否有足够的资源可以提供预留，这是准入控 制 2、policy control 描述设备是否有权力去预留资源，即是否运行RSVP
报文分类和标记
/ 30
报文分类和标记
IPv6在报头中保留了类似IPv4的ToS域，称为传输级别域（TC）， 以继续为IP提供差分QoS服务，可以基于IPv6 ToS域进行业务分类与 标记。同时IPv6报头中增加20比特流标签（Flow Label）域，可供后 续扩展用。
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报文分类和标记
以太网QoS
COS是在第二层ISL或802.1Q数据帧中的ISL或802。1Q的报 头中的3位用于COS，即优先标识。3bit，0--7个级别。
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报文分类和标记
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QoS原理
产生背景 基本概念 业务模型 流量管理技术
报文分类和标记 流量监管 流量整形 拥塞管理 拥塞避免
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业务模型
Best-Effort 模型：是目前Internet的缺省服务 模型，主要实现技术是先进先出队列(FIFO) Int-Serv模型(集成服务)：业务通过信令向网 络申请特定的QoS服务，网络在流量参数描 述的范围内，预留资源以承诺满足该请求 Diff-Serv模型(差分服务)：当网络出现拥塞 时，根据业务的不同服务等级约定，有差别 地进行流量控制和转发来解决拥塞问题
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Int-Serv模型
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Int-Serv模型
要求端到端所有设备支持这一协议 网络单元为每个应用保存状态信息，可扩展性差 周期性同相邻单元交换状态信息，协议报文开销 大 不适合在大型网络中应用
/ 18
Diff-Serv模型
DiffServ是一个多服务模型，它可以满足不同的QoS 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。 区分式QoS模型中定义的行为有两大类： (1) TCB：traffic classification and conditioning，流量 的区分和调节 (2) PHB：per-hop behavior，逐跳行为
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报文分类和标记
报文分类和标记配置：
/ 32
报文分类和标记
端口信任字段： 设置端口信任COS或者DSCP(IPv6报文中Traffic Class)
优先级映射： COS映射到本地优先级 DSCP映射到本地优先级 本地优先级映射到队列
/ 3
产生背景
网络延迟
Internet
发送的第一个bit
接收的最后一个bit
A
处理延时
A
网络传输延时
处理延时 时间t
端到端的延时
/ 4
产生背景
网络抖动
Internet
3
2
1
发送
3
D3 D2
2
D1
1
接收
D3=D2=D1
/ 5
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Int-Serv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，InterServ 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。
边界节点
流量控制
用户网络
用户网络
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Diff-Serv模型
常用QoS 技术在网络中的位置
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Diff-Serv模型
Diff-Serv模型中QoS功能包括流分类和标记、流量监管、流量整形、 拥塞管理和拥塞避免主要完成如下功能： ������ 流分类和标记：采用一定的规则识别符合某类特征的报文，它是 对网络业务进行区分服务的前提和 基础。 ������ 流量监管：对进入或流出设备的特定流量进行监管。当流量超出 设定值时，可以采取限制或惩罚措施，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。 ������ 流量整形：一种主动调整流的输出速率的流量控制措施，用来使 流量适配下游设备可供给的网络资源，避免不必要的报文丢弃，通常 作用在接口出方向。 ������ 拥塞管理：就是当拥塞发生时如何制定一个资源的调度策略，以 决定报文转发的处理次序，通常作用在接口出方向。 ������ 拥塞避免：监督网络资源的使用情况，当发现拥塞有加剧的趋势 时采取主动丢弃报文的策略，通过调整队列长度来解除网络的过载， 通常作用在接口出方向。
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QoS原理
产生背景 基本概念 业务模型 流量管理技术
报文分类和标记 流量监管 流量整形 拥塞管理 拥塞避免
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产生背景
在传统的IP网络中，所有的报文都被无区别的等同对待， 每个转发设备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。 但在实际应用中，网络上存在各种各样的问题，比如网 络上的丢包现象、网络抖动、网络延迟以及受限的网络带宽， 随着网络发展及新兴业务的出现，这些问题会极大地影响网 络业务（比如VoIP、IPTV等）。VoIP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，用户将 不能接受（相对而言，E-Mail和FTP业务对时间延迟并不敏 感）。
报文分类和标记
IP QoS
TOS是在第三层IP数据包中的8位TOS数据位，以来标识优先级。 这8位中前3位表示优先级，后4位表示服务类型(分别为：最小延迟、 最大吞吐量、最高可靠性、最小费用。只能其中一位为1，即生效。如 果全为0就表示一般服务）。最后一位一般不用，置0 DSCP也是三层IP中的8位TOS字段表示优先级。不同的是用了前 6位表示优先级，可设0--63，共64个等级。（把前6位中的前3位设为 优先级，后3位设为0，就可以实现DSCP和TOS互相映射兼容）。 最 后两位为早期拥塞通知。 / 29
产生背景
网络丢包
Internet
？
我 是 张 三 啊
本地这么说 …...
… … 三 啊 … …
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我 是
对方听到的是 …...
产生背景
带宽限制
10M
IP
我要2M
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产生背景
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。 传统网络所面临的服务质量问题，主要是由网络拥塞 引起的。所谓拥塞，是指由于供给资源的相对不足而造成 服务速率下降（引入了额外的延迟）的一种现象。 QoS技术的出现便致力于解决这个问题。
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QoS原理
产生背景 基本概念 业务模型 流量管理技术
报文分类和标记 流量监管 流量整形 拥塞管理 拥塞避免
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流量管理技术
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QoS原理
产生背景 基本概念 业务模型erv模型
不同DS区域可有不同的PHB，以实现不同的服务提供策略，它们之间 通过SLA与TCA协调提供跨区域服务： SLA：服务等级协定，关于业务流在网络中传递时所应当获得的待遇。 TCA：流量调整协定，关于业务分类准则、业务模型及相应处理的协定。
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Bets-Effort模型
Best-Effort是单一的服务模型，也是最简单的服务 模型。应用程序可任意发送任意报文，不需要事先 得到批准或通知网络，网络尽最大可能发送这些报 文，但对时延，可靠性等性能不提供任何保障。 Best-Effort service是目前Internet的缺省服务模型， 主要实现技术是先进先出队列(FIFO)，它适用于绝 大多数网络应用，如FTP、 E-Mail等。 其实best-effort并非是什么QOS，就是互联网的简单 数据传输方式而已，有什么传什么，阻塞也就阻塞 了，丢且也就丢弃了。只不过QOS指一种全局网络 通讯的质量保证机制，不得不把这种低智商的服务 模式提及一下。
DS区域的服务提供 策略由PHB决定。 DS节点根据PHB属性 转发。
内部节点
DiffServ网 络
边界节点
SLA/TCA
DiffServ网 络
边界节点
内部节点
在网络边缘进行业 务分类和流量调整。 - 业务分类 . 基于DS域 . 基于其他特征 - 流量调整 . 测量 . 标记 . 丢弃 . 整形
边界节点
报文分类和标记 流量监管 流量整形 拥塞管理 拥塞避免
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报文分类和标记
流量分类是将数据报文划分为多个优先级或多个服务 类。网络管理者可以设置流量分类的策略，这个策略除可 以包括IP报文的IP优先级或DSCP值、802.1p的CoS值等 带内信令，还可以包括输入接口、源IP地址、目的IP地址、 MAC地址、IP协议或应用程序的端口号等。 分类的结果是没有范围限制的，它可以是一个由五元 组（源IP地址、源端口号、协议号、目的IP地址、目的端 口号）确定的流这样狭小的范围，也可以是到某某网段的 所有报文。 下游网络可以选择接受上游网络的分类结果，也可以 按照自己的分类标准对数据流量重新进行分类。
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QoS原理
产生背景 基本概念 业务模型 流量管理技术
报文分类和标记 流量监管 流量整形 拥塞管理 拥塞避免
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基本概念
基本概念： QoS（Quality of Service）即服务质量。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时延抖动等措施来 提高服务质量。 技术优点： 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。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。 对于 ISP，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。 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，也不会影响这些时间敏感的业务。
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Int-Serv模型
我要预留 2Mbps带宽
我要预留 2Mbps带宽
OK！
OK！
OK！
OK！
工作原理 1、通过信令层面通知所有路由器为即将通过的流量预留多少带宽 2、真实数据发送
两个控件 1、admission control 检查节点是否有足够的资源可以提供预留，这是准入控 制 2、policy control 描述设备是否有权力去预留资源，即是否运行RSVP
报文分类和标记
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报文分类和标记
IPv6在报头中保留了类似IPv4的ToS域，称为传输级别域（TC）， 以继续为IP提供差分QoS服务，可以基于IPv6 ToS域进行业务分类与 标记。同时IPv6报头中增加20比特流标签（Flow Label）域，可供后 续扩展用。
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报文分类和标记
以太网QoS
COS是在第二层ISL或802.1Q数据帧中的ISL或802。1Q的报 头中的3位用于COS，即优先标识。3bit，0--7个级别。
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报文分类和标记
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QoS原理
产生背景 基本概念 业务模型 流量管理技术
报文分类和标记 流量监管 流量整形 拥塞管理 拥塞避免
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业务模型
Best-Effort 模型：是目前Internet的缺省服务 模型，主要实现技术是先进先出队列(FIFO) Int-Serv模型(集成服务)：业务通过信令向网 络申请特定的QoS服务，网络在流量参数描 述的范围内，预留资源以承诺满足该请求 Diff-Serv模型(差分服务)：当网络出现拥塞 时，根据业务的不同服务等级约定，有差别 地进行流量控制和转发来解决拥塞问题
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Int-Serv模型
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Int-Serv模型
要求端到端所有设备支持这一协议 网络单元为每个应用保存状态信息，可扩展性差 周期性同相邻单元交换状态信息，协议报文开销 大 不适合在大型网络中应用
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Diff-Serv模型
DiffServ是一个多服务模型，它可以满足不同的QoS 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。 区分式QoS模型中定义的行为有两大类： (1) TCB：traffic classification and conditioning，流量 的区分和调节 (2) PHB：per-hop behavior，逐跳行为
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报文分类和标记
报文分类和标记配置：
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报文分类和标记
端口信任字段： 设置端口信任COS或者DSCP(IPv6报文中Traffic Class)
优先级映射： COS映射到本地优先级 DSCP映射到本地优先级 本地优先级映射到队列
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产生背景
网络延迟
Internet
发送的第一个bit
接收的最后一个bit
A
处理延时
A
网络传输延时
处理延时 时间t
端到端的延时
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产生背景
网络抖动
Internet
3
2
1
发送
3
D3 D2
2
D1
1
接收
D3=D2=D1
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Int-Serv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，InterServ 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。
边界节点
流量控制
用户网络
用户网络
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Diff-Serv模型
常用QoS 技术在网络中的位置
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Diff-Serv模型
Diff-Serv模型中QoS功能包括流分类和标记、流量监管、流量整形、 拥塞管理和拥塞避免主要完成如下功能： ������ 流分类和标记：采用一定的规则识别符合某类特征的报文，它是 对网络业务进行区分服务的前提和 基础。 ������ 流量监管：对进入或流出设备的特定流量进行监管。当流量超出 设定值时，可以采取限制或惩罚措施，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。 ������ 流量整形：一种主动调整流的输出速率的流量控制措施，用来使 流量适配下游设备可供给的网络资源，避免不必要的报文丢弃，通常 作用在接口出方向。 ������ 拥塞管理：就是当拥塞发生时如何制定一个资源的调度策略，以 决定报文转发的处理次序，通常作用在接口出方向。 ������ 拥塞避免：监督网络资源的使用情况，当发现拥塞有加剧的趋势 时采取主动丢弃报文的策略，通过调整队列长度来解除网络的过载， 通常作用在接口出方向。