1.4 宽带IP网络的QoS

1.4.1 宽带IP网络的QoS性能指标

1.IP网络服务质量的概念

IP网络服务质量（Quality of Service，QoS）是指IP数据包在一个或多个网络传输的过程中所表现的各种性能，它是对各种性能参数的具体描述。这些性能参数包括带宽、时延、时延抖动、吞吐量和包丢失率等。

2.宽带IP网络的QoS性能指标

反映宽带IP网络的QoS性能指标主要有以下几种。

（1）带宽

过去的通信线路传输的是模拟信号，带宽本来是指信号具有的频段宽度，即该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围，单位是赫（Hz）、千赫（kHz）、兆赫（MHz）、吉赫（GHz）等。

在IP网络中，信道一般传输的是数据信号，带宽用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力。因此网络带宽表示从网络中的某一点到另一点所能通过的最高信息传输速率，单位是bit/s、kbit/s、Mbit/s、Gbit/s等。

（2）时延

IP 网络的时延是指 IP 数据从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。网络中的时延是由以下几个不同的部分组成的。

① 发送时延

发送时延（也叫传输时延）是主机或路由器发送数据包所需要的时间。也就是从发送数据包的第一个比特算起，到该数据包的最后一个比特发送完毕所需的时间。发送时延的计算公式是：

发送时延=数据包长度（bit）/信道带宽（bit/s）　　　　　（1-1）

② 传播时延

传播时延是电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。传播时延的计算公式是：

传播时延=信道长度（m）/信号在信道上的传播速率（m/s）　　　（1-2）

值得注意的是：信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。

③ 处理时延

处理时延是交换节点为存储-转发而进行一些必要的处理所花费的时间或路由器对数据包处理所花费的时间。

④ 排队时延

排队时延是交换节点或路由器缓存队列中数据包排队所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。

数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和：

总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延　　　　 （1-3）

（3）时延抖动

时延抖动的定义是连续两个数据包时延的最大差值，用于描述数据包时延的变化程度。IP网络是无连接的，可能导致同一传输流的数据包由于转发路径和网络状况的差异而产生不同的时延。

（4）吞吐量

吞吐量表示在单位时间内通过某个网络的数据量，它反映实际上到底有多少数据量能够通过网络。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

（5）包丢失率

包丢失率反映了传输期间数据包的丢失程度，其定义是在特定时间间隔内丢失的数据包占传输数据包总数的比例。

1.4.2 IP网络保证QoS的措施

要满足各种网络运营业务的服务特性要求，提供 IP 网络的 QoS（服务质量）保障，IP网络就必须协调各种网络设备的 QoS 控制和管理机制，从而达到全网基础上的统一的 QoS保障要求，因此在IP网络上确立扩展性良好的QoS体系结构，实现IP网络的QoS管理也是一个非常重要的问题。

互联网工程任务组（Internet Engineering Task Force，IETF）通过一系列的RFC（Request For Comments）提出了多种解决网络QoS的技术方案，如综合服务（IntServ）模型、区分服务（DiffServ）模型、多协议标签交换（MPLS）技术和QoS路由。下面分别加以介绍。

1.综合服务模型

（1）综合服务的基本思想

综合服务（Integrated Service，IntServ）的基本思想是在传送数据之前，根据业务的服务质量需求进行网络资源预留，从而为该数据流提供端到端的服务质量保证，这种预留主要是通过引入资源预留协议（Resource Reservation Protocol，RSVP）实现的。

（2）资源预留协议

资源预留协议（RSVP）是一种在主机和路由器之间进行数据流的 QoS 服务信息传递的协议，它与Internet网络结构及路由协议相互兼容，并能够将数据流的QoS状态传递给主机或路由器，通过彼此的协商进行资源预留。

资源预留过程如图1-7所示。

① 发送方应用程序通过程序接口将数据流的特征和期望的 QoS 要求送到主机的RSVP 部件，RSVP 部件根据这些信息形成路径（Path）消息送到下一跳（指下一个路由器）。

② IP网络中间的路由器的RSVP部件收到Path 消息后，保存该数据流的参数和前一跳的 IP 地址，这样做的目的是为预留消息（Resv）请求提供路径信息；而且该路由器根据自己可用资源的信息，形成新的Path消息。

③ 接收方的RSVP部件收到Path消息后，通过RSVP应用程序接口送到接收方应用程序。该应用程序根据收到的业务特征和可用资源参数形成 Resv 消息，然后将该消息按保存过的前一跳IP地址转发出去（Resv消息沿着Path消息转发的反方向）。

④ IP网络中间的路由器的RSVP部件收到Resv消息后，为数据流预留资源，同时设置数据流分类器和数据转发器的参数，并将该消息按保存的前一跳IP地址进行转发。

⑤ 发送方的RSVP部件收到Resv消息后通过应用程序接口送到相应的应用程序。

经过上述过程，资源预留的通路就已经建立起来并可以进行数据的发送了。

在数据传输过程中，当某个具有RSVP的路由器收到数据包时，它首先对数据包进行分类，按照RSVP建立资源预留时的数据流分类标准将该数据包送到相应的输出队列中，然后由转发机制按一定的算法转发出去。另外，该路由器还要监测数据流，确定其是否符合预先约定的服务标准。如果不符合，对于负载受控服务，要将不符合的数据包通过尽力而为服务传送转发；而对于确保服务，则一般会对该业务进行重新整形使之符合规定的业务特征再转发。

（3）综合服务模型的优缺点

① 综合服务模型的优点

综合服务模型的主要优点如下。

●能够在IP网络环境上对多种类型的服务提供端到端的QoS保障。

●资源预留协议（RSVP）可以利用软状态来动态维护主机和路由器的状态，所以可以较好地适应动态组成员的变化和路由信息的变化。

●IntServ模型既支持单播，也能够很好地支持组播业务中网络资源的有效分配。

② 综合服务模型的缺点

综合服务模型具有以下几个缺点。

●IntServ模型是针对单个业务流提供资源预留，可扩展性不强。

●要求网络中的每一个路由器都具有支持RSVP的功能，实现复杂。

●对于短生存周期的数据流，IntServ模型的资源预留的开销比较大。

●IntServ 模型资源预留机制可能会与传统路由协议之间产生矛盾，致使网络性能受到影响。

由于上述缺点，IntServ模型没有在IP网络中被广泛采用。

2.区分服务模型

（1）区分服务的基本思想

区分服务（Differentiated Service，DiffServ）的基本思想是将用户的数据流按照服务质量要求进行等级划分并进行流量控制。任何用户的数据流都可以自由进入网络并被分配到某一个业务等级上，不同类型的业务流具有不同的优先权，当网络出现拥塞时，级别高的数据流在排队和占用资源时比级别低的数据流有更高的优先权。

DiffServ 不是面向单个业务流提供服务，而是要对业务流进行分类，将具有相同特性的若干业务流汇聚起来，为整个汇聚流提供服务。DiffServ 业务流的分类标识和流量控制是在网络的边缘入口处完成的，网络内部的核心路由器中只保存一些简单分类和分类处理信息，从而实现DiffServ业务流的快速转发和流量控制。

（2）区分服务模型的优缺点

① 区分服务模型的优点

区分服务模型的主要优点如下。

●DiffServ模型采用业务流汇聚的机制将具有相同特性的若干业务流汇聚起来，为整个汇聚流提供服务，使业务流的状态信息数大量减少，所以扩展性较强。

●在 DiffServ 模型中，复杂的业务流分类、标记等操作由网络的边界路由器或主机完成，而网络内部的核心路由器只需要实现简单的业务流按类型转发，减轻了核心网络设备的处理压力，降低了网络管理和维护的成本，实现和部署比较容易。

●与IntServ模型中的单个业务流相比，DiffServ模型的汇聚流不需要使用额外的信令控制开销。

② 区分服务模型的缺点

区分服务DiffServ模型的缺点如下。

●DiffServ模型只能保证边界到边界的QoS，很难提供基于流的端到端的QoS质量保证。

●DiffServ模型只承诺相对的服务质量，不能对用户提供绝对的服务质量保证，即当优先业务所需要的资源超出网络的承受能力时，优先业务的服务质量也难以得到保证。因为在网络发生拥塞时，DiffServ 模型只能采取丢弃数据包的方式，而不能采取如旁路的方式使部分流量通过其他路径到达终点。

●汇聚后的DiffServ业务流还无法保证完全实现汇聚流中业务微流之间的业务公平性。

●由于标准还不够详尽，不同运营商的DiffServ网络之间的互通不方便。

以上介绍了IntServ模型和DiffServ模型，它们各有利弊，都无法完全满足互联网多种业务的需要。为此，业界提出了将这两种模型结合使用以保证全网服务质量的解决方案。即在边缘网采用IntServ模型，解决端到端的QoS；核心网采用DiffServ模型，以提供良好的扩展性。

3.多协议标签交换技术

多协议标签交换（Multi-Protocol Label Switch，MPLS）的关键思想是用标签来识别和标记IP数据报，并把标签封装后的数据报转发到已升级改善过的路由器或交换机，由它们在网络内部继续交换标签、转发数据报。

利用MPLS可以使网络能够达到较为理想的QoS保证。其优势主要在于：

（1）能够提供以往IP网中无法保证的流量工程业务，可最佳利用链路和节点平衡负荷，确保某些业务留有必要的带宽，使宽带IP网络能够具备一定的QoS能力，这对于日益增长的互联网业务与IP网的规模是至关重要的。

（2）能够增强网络的性能，它可以实现许多以往技术所无法实现的路由功能，如显式路由功能、环路控制、组播和VPN等。

（3）能够很容易地和DiffServ结合，实现利用业务分类来保证某些实时业务的QoS。

有关MPLS的详细内容，请参见本书第5章。

4.QoS路由

QoS路由是能够依据网络上可用的实际资源和用户业务的QoS参数需求进行路径计算、选择的路由机制。

QoS 路由比传统的路由选择要复杂，需要考虑诸多的因素，如网络拓扑结构、业务的 QoS要求、链路上的可用资源和网络管理层面所规定的其他策略等。QoS路由要达到以下的主要目标。

（1）能够动态地选择路由，为每一个 QoS 业务连接请求，找到能够满足 QoS 需求的可行路径。

（2）优化资源配置，平衡网络负载，提高网络全局资源利用率。

（3）与传统的路由机制相比，能够改善网络的吞吐量和网络性能的退化。