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IP QoS 技術介紹 - 紅③白②藍① - 51CTO技術博客

 昵稱2807 2011-01-14
IP QoS 技術介紹 2006-12-12 13:35:29
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隨著INTERNET和IP網(wǎng)絡的迅猛發(fā)展,越來越多的應用業(yè)務開始通過IP網(wǎng)絡來實現(xiàn)傳輸。但是,IP網(wǎng)絡提供的是“盡力而為(Best Effort)”的服務,沒有QoS(Quality of Service)的保證。因此,業(yè)務流量在傳輸過程中很容易由于網(wǎng)絡的擁塞而產(chǎn)生延遲、丟包等現(xiàn)象。而實時性業(yè)務對延遲是相當敏感的,如:VoIP、視頻會議、視頻監(jiān)控等,如果一旦網(wǎng)絡發(fā)生擁塞,這些業(yè)務就無法正常地展開了。所以,要在IP網(wǎng)絡上開展這些實時性業(yè)務,就必須解決網(wǎng)絡擁塞這個問題。
    網(wǎng)絡擁塞一般是由于線路速度不匹配而造成的。例如:在一個多路訪問的網(wǎng)絡中,N個遠端點的接入帶寬為1M,中心點的接入帶寬也是1M,當所有遠端點同時向中心點發(fā)送數(shù)據(jù)時,就會在中心點造成擁塞。我們再舉一個例子,我們通過路由器連接廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)。一般來說局域網(wǎng)的帶寬(100M)會比廣域網(wǎng)(2M或更底)高得多。當局域網(wǎng)用戶試圖通過廣域網(wǎng)發(fā)送大量數(shù)據(jù)的時候在網(wǎng)絡邊緣(路由器)就會發(fā)生擁塞。由此可以看出,解決網(wǎng)絡擁塞的最好的辦法是增加網(wǎng)絡的帶寬。但從運營、維護的成本來考慮,這顯然是不現(xiàn)實的。因此,在這種情況下最有效的解決方案就是應用一個“有保證”的策略對網(wǎng)絡擁塞進行管理。QoS就是一種應用于IP網(wǎng)絡中的,對延遲敏感流量進行保護的策略。
    QoS目前被分為兩大服務類型:集成服務類型(InterServ)和區(qū)分服務類型(DiffServ)。
InterServ(RFC1633 RSVP)是指在整個網(wǎng)絡中為某一業(yè)務流量保留一定的帶寬,為該業(yè)務提供一條端到端的透明通道。這種服務類型能對業(yè)務應用提供完全的QoS保證。但是這種保留策略會消耗原本就不多的廣域網(wǎng)帶寬,當業(yè)務流量不是很頻繁的時候會造成帶寬的浪費。一般只有在擁有相對固定的業(yè)務流量的時候,才會使用到InterServ服務類型。
DiffServ是一種基于每一跳的QoS策略,網(wǎng)絡上的每一臺數(shù)據(jù)中繼設備(路由器或交換機)通過檢查每一個數(shù)據(jù)包的包頭信息對流量進行分類,再根據(jù)調(diào)度策略來決定如何轉(zhuǎn)發(fā)。因此,我們可以根據(jù)實際情況,在每一臺數(shù)據(jù)中繼設備上設置不同的QoS策略。相對于InterServ,DiffServ的應用更加靈活,效率更高。DiffServ服務是目前廣泛應用一種的QoS類型。
在DiffServ的服務中,有擁塞管理和擁塞避免兩種策略。擁塞管理策略一般應用于外出接口,根據(jù)需要將不同的業(yè)務流量按一定的順序發(fā)送出去,來保證某些業(yè)務的正常運行。典型的擁塞管理策略有:WFQ(加權(quán)公平隊列)、PQ(優(yōu)先級隊列)、CQ(可定制隊列)等。
WFQ(加權(quán)公平隊列)是一種自動調(diào)度的隊列機制。它根據(jù)數(shù)據(jù)流(IP地址+端口)將流量分類,然后根據(jù)加權(quán)公平算法對各種業(yè)務流量進行公平調(diào)度。防止出現(xiàn)某一突發(fā)性大數(shù)據(jù)流將帶寬全部占用的現(xiàn)象。這種隊列機制配置方便,應用簡單。但是無法對關鍵的業(yè)務提供確定的帶寬保證。
PQ(優(yōu)先級隊列)是對不同數(shù)據(jù)流標記不同的優(yōu)先級別,然后再根據(jù)優(yōu)先級別進行調(diào)度的隊列機制。PQ總共有四個優(yōu)先級別,依次為:高優(yōu)先級,中等優(yōu)先級,一般優(yōu)先級和低優(yōu)先級。高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)永遠優(yōu)先發(fā)送,當高優(yōu)先級隊列空時,則輪到中等優(yōu)先級的數(shù)據(jù)。以次類推,低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)始終最后發(fā)送。這種隊列機制一般應用于線路帶寬較窄的場景下,可以有效地保證實時性業(yè)務的數(shù)據(jù)流優(yōu)先發(fā)送。
    CQ(可定制隊列)則是一種輪選的調(diào)度方式,我們可以設置各個輪選隊列的發(fā)送的大小。例如:隊列1發(fā)送1500字節(jié)后由隊列2發(fā)送;隊列2發(fā)送500字節(jié)以后由隊列3發(fā)送;隊列3發(fā)送1000字節(jié)后由隊列4發(fā)送……。CQ最大可以支持16個輪選隊列。當線路帶寬比較充裕的時候,通過CQ可以實現(xiàn)動態(tài)的帶寬分配。
    以上談到的幾種隊列調(diào)度機制都是對總數(shù)據(jù)隊列中的數(shù)據(jù)進行分類,然后再進行調(diào)度。但是,當出現(xiàn)網(wǎng)絡擁塞的時候,入口帶寬往往是高于出口帶寬的。在這樣的情況下,總數(shù)據(jù)隊列很快就會溢出。這個時候數(shù)據(jù)設備默認會對進入的數(shù)據(jù)包實施尾部丟棄,丟棄所有入站數(shù)據(jù)包直至總數(shù)據(jù)隊列不再溢出為止。這樣的尾部丟棄機制同樣會對實時性業(yè)務產(chǎn)生影響。所以我們需要一種策略來防止總數(shù)據(jù)隊列的溢出,這就是擁塞避免策略。其中最常見的擁塞避免策略是WRED(加權(quán)公平早期檢測)。WRED可以根據(jù)用戶的需要,對不同的數(shù)據(jù)流設置不同的丟棄閥值。例如:當總隊列達到50%時,開始丟棄級別最低的數(shù)據(jù)包;當總隊列達到70%時,開始丟棄第二級別的數(shù)據(jù)包;當總隊列達到90%時,開始丟棄第三級別的數(shù)據(jù)包;以次類推。通過丟棄低級別的數(shù)據(jù)包來避免總數(shù)據(jù)隊列的溢出,保證高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包始終能夠進入數(shù)據(jù)總隊列接受調(diào)度。從而保證高優(yōu)先級業(yè)務的順利展開。擁塞避免策略一般用于入站接口,防止因為線路擁塞而使數(shù)據(jù)中繼設備的隊列溢出。一般來說,根據(jù)實際情況,將擁塞避免策略和擁塞管理策略結(jié)合使用可以得到比較好的效果。
    以上兩種QoS服務類型,都位于在OSI/RM模型中的第三層----網(wǎng)絡層。要實施QoS策略,需要設備的支持和復雜的配置。尤其是DiffServ的服務,對數(shù)據(jù)包的分類和調(diào)度都是通過軟件的方式來實現(xiàn)的。這就需要數(shù)據(jù)中繼設備擁有更強勁的CPU和更大的內(nèi)存容量。而且,當數(shù)據(jù)中繼設備的處理負擔較重的時候,同樣會影響到QoS的質(zhì)量。至于InterServ服務,不僅需要在整個網(wǎng)絡中所有的數(shù)據(jù)中繼設備上進行統(tǒng)一的InterServ配置。而且對終端設備也有一定的要求。由此可見,第三層的QoS技術雖然對流量有了一定的改善,但是實現(xiàn)的花費比較高,效果不穩(wěn)定。
   雖然IP QoS在目前的應用并不完善,但對于用戶來說,多種業(yè)務在同一線路的傳輸還是最為廉價的解決方案。針對當前IP QoS的現(xiàn)狀,科達DSL-4000系列綜合復用設備融和IP和TDM技術,不僅支持全部標準的第三層QoS技術,還融和了基于物理層的QoS技術,其實現(xiàn)效果大大優(yōu)于純IP的QoS技術。
    在綜合業(yè)務通信專網(wǎng)中應用最多的線路是從運營商租用的E1線路,若采用純IP的解決方案,一般方法是由路由器把E1線路設置為一條通道,各類業(yè)務同時在此通道中傳輸,這樣QoS保證就只能由第三層的設備來提供。而綜合復用設備則把E1線路在物理層分割為32個時隙,每個時隙的帶寬為64Kbps。其中TS0和TS16分別用于傳送幀編、同步和控制信令??捎捎脩舴峙涞目偣矠?0個時隙,TS1-TS15和TS17-TS31。這30個時隙可以根據(jù)用戶需求設置成不同的捆綁方式,分別提供給不同的業(yè)務流量。如語音業(yè)務占4個時隙(256K)、數(shù)據(jù)業(yè)務占6個時隙(384K)、視頻業(yè)務占20個時隙(1280K)。由于不同業(yè)務的傳輸通道之間是通過底層技術實現(xiàn)物理層隔離的,不同的業(yè)務流量之間不會相互干擾,擁有確定的QoS保證。這樣的方式,初一看類似IP QoS的InterServ類型,但它比InterServ類型更加優(yōu)秀的地方,就是能靈活地對業(yè)務通道進行釋放和重組。當不使用視頻會議或視頻碼流變小的時候,綜合復用設備就能將原來視頻業(yè)務的帶寬釋放或壓縮,提供給數(shù)據(jù)或其他業(yè)務使用。另外,由于采用半固定連接方式,這種QoS的實現(xiàn)是基于硬件的,不會出現(xiàn)IP QoS中遇到的處理能力限制的問題。
    另外,針對基于光纖直聯(lián)線路的專用網(wǎng),綜合復用設備也提供了QoS支持,主要是把語音、視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務隔離,讓語音和視頻等實時業(yè)務占用獨立的通道,不與數(shù)據(jù)業(yè)務共享帶寬。
    綜合復用技術在專用網(wǎng)領域良好的解決了QoS問題,并提供通用的IP QoS技術與公用網(wǎng)絡及其它相關網(wǎng)絡兼容,為當前的專網(wǎng)建設提供了一種高性價比的多業(yè)務解決方案。

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