QoS基本概念|《计算机网络—原理、技术与应用》

QoS（Quality of Service，服务质量）是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术或机制，主要涉及对网络资源分配与使用管理问题。正常情况下，如网络只用于特定无时间限制的应用系统，并不需要QoS，如Web应用或E-mail服务等。但对网络关键应用与多媒体应用，QoS就十分必要。当网络过载或拥塞时，QoS能通过确保传输带宽、降低传送时延、降低数据丢包率及时延抖动等措施提高服务质量，使重要业务不受延迟或丢弃的影响，保证网络高效运行。

网络资源总是有限的，只要存在抢夺网络资源的情况，就会出现服务质量问题。服务质量相对网络业务而言，在保证某类业务服务质量的同时，就会降低其他业务的服务质量。因此，在网络总带宽固定情况下，如某类业务占用带宽越多，那么其他业务能使用的带宽就会越少，可能影响其他业务。因此，网管需根据各种业务特点来对网络资源进行合理规划与分配，从而使网络资源得到高效利用。图9-11为网络中的QoS。目前的路由设备一般都支持QoS。

图9-11 网络中的QoS

在互联网初期，整个网络运行属于“尽力而为”的系统。虽然每段信息都有4个服务类别位和3个优先级位，但基本未使用，这是因为当时QoS的需求并不强烈。

从数据包发送与接收者的过程看，数据包从起点至终点的传输过程中可能会产生和出现下列传输质量问题：

●丢失数据包。当数据包到达一个缓冲器已满的路由器时，则表示此次发送失败，路由器会依网络状况决定丢弃、丢弃部分或所有数据包。这种情况不可预知，而接收端应用程序此时必须请求重传，因此就造成了总体传输严重延迟。

●传输延迟。因数据包被漫长队列迟滞，或需间接路由以避免阻塞，因此需较长时间才能将数据包从始发端传送至终端，对此延迟将难以预料。

●传输顺序出错。当数据包被路由网络时，不同的数据包可能选择不同路由器，导致每个数据包存在不同延时。最后数据包到达目的地顺序会和数据包从发送端发送出顺序不一致，对该问题必须要有特殊额外的协议负责完成失序的数据包重组。

●传输出错。有时数据包在被运送途中会发生跑错路径、被合并，甚至出现毁坏情况，这时接收端必须要侦测出这些情况，并将其判别为已遗失的数据包，请求发送端重发。

1.QoS服务模型

通常QoS可提供3种服务。这里对使用最多、最成熟的QoS技术进行分析。

（1）Best-Effort service（Best-Effort，尽力而为的服务）

该模型为单一服务模型，也是最简单的服务模型。网络尽最大可能性发送报文。但对时延、可靠性等性能不提供任何保证。该服务模型是网络默认服务模型，通过FIFO（First In First Out，先入先出）队列实现，适用于绝大多数网络应用，如FTP、E-Mail等。

（2）Integrated service（Int-Serv，综合服务）

该服务模型是一种综合服务模型，可满足多种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，可监视每个流，以防止其消耗资源过多。这种体系能明确区分并保证每一业务流的服务质量，为网络提供最细粒度的服务质量区分。该模型对设备要求很高，当网络中数据流数量很大时，设备的存储和处理能力将遇到很大压力。该模型可扩展性差，难以在互联网核心网络实施。

（3）Differentiated service（Diff-Serv，区分服务）

该服务模型是一个多服务模型，可满足不同QoS需求，与Int-Serv不同，它不需要通知网络为每个业务预留资源。区分服务实现简单，扩展性较好。

2.分类数据包

这里的分类指具有QoS的网络能识别哪种应用将产生哪种数据包。若无分类，网络就不能确定对这类特殊数据包要进行的处理。所有应用都会在数据包上留下可用的标识，即源应用标识。分类检查这些标识、识别数据包是由哪种应用所产生。通常有4种分类：

●根据协议。有些协议只要其存在就会导致业务延迟，因根据协议对数据包进行识别和优先级处理可降低延迟。例如，AppleTalk协议采用0x809B，IPX使用0x8137。根据协议进行优先级处理是可控制或阻止少数老设备所使用的“健谈”协议的强有力手段。

●依据TCP和UDP端口号。应用采用TCP或UDP端口通信，如HTTP使用TCP端口80。通过检查IP数据包端口号，可确定数据包由哪类应用产生，这种方法也称第4层交换，因TCP与UDP都位于OSI模型第4层。

●依据源IP地址。应用通过其源IP地址进行识别，由于服务器有时为专门针对单一应用而配置的，如电子邮件服务器，所以分析数据包的源IP地址可识别该数据包由何应用产生。当识别交换机与应用服务器不直接相连时，且许多不同服务器的数据流都到达该交换机时，该方法很有用。

●根据物理端口号。与源IP地址类似，物理端口号可指示哪个服务器正在发送数据。这种方法取决于交换机物理端口和应用服务器的映射关系。

3.标注数据包(www.xing528.com)

识别应用之后就须对其数据包进行标记，这样其他网络设备才能方便识别这类数据，以便确保网络上的交换机或路由器对该应用进行优先级处理。采纳标注数据包依据两种标准：IEEE 802.1p或差异化服务编码点（DSCP）。据此确保多家厂商网络设备对该业务进行优先级处理。在选择交换机或路由器等产品时，应确认其具有可识别两种标记的方案。DSCP可替换在局域网环境下主导的标注方案IEEE802.1p，但与IEEE802.1p相比，实施DSCP存在一定局限。在一定时期内，作为过渡机制，与IEEE 802.1p设备的兼容将十分重要，应选择可以从一种方案向另一种方案转换的交换设备。

4.优先级设置

QoS将网络带宽根据不同应用进行分配，如语音通信和网上浏览等，如图9-12所示。

图9-12 QoS功能示意

当网络能区分语音通话和网上浏览，优先级处理就能确保网上大流量下载同时而不中断语音通话。为确保准确的优先级处理，所有业务量都必须在网络内进行识别。多种业务队列允许数据包优先级存在，较高优先级业务可在不受较低优先级业务影响下通过交换机，减少对诸如语音或视频等对时间敏感业务的延时。

为提供优先级，交换机每端口必须至少有2个队列。虽每端口有更多队列可提供更精细的优先级选择，但在局域网环境中，每端口需要4个以上队列的可能性并不很大。当每个数据包到达交换机时，都要根据其优先级别分配到适当的队列，然后该交换机再从每个队列转发数据包。交换机通过其排队机制确定下一个要服务的队列。

通常采用两种排队方法：①严格优先队列（SPQ）。首先为最高优先级队列进行服务，直到该队列为空，然后为下一个次高优先级队列服务，依此类推。这种方法优点是高优先级业务总是在低优先级业务之前处理，但低优先级业务有可能被高优先级业务完全阻塞。②加权循环（WRR）。这种方法为所有业务队列服务，并将优先权分配给较高优先级队列。多数情况下，WRR将首先处理高优先级，但当高优先级业务很多时，较低优先级的业务并不被完全阻塞，并可保持一定的业务处理量。

Qos根据报文中的802.1Q来判断优先级。流量约定（SLA，Service Level Agreement）服务等级协议给数据流设定优先级，在网络或协议层面，根据商定，设定有保障的性能、通过量及延迟等参数。

5.QoS的应用

随着网络多媒体技术飞速发展，互联网上的多媒体应用层出不穷，如IP电话、视频会议、视频点播、远程教育、远程医疗等多媒体实时性业务和电子商务（网上交易）等。互联网已逐步从单一数据传送网络向数据、语音、图像等多媒体信息综合传输网络演变。这些不同的应用需要不同的QoS要求，各种应用对服务质量的需求迅速增长。QoS用带宽、时延、时延抖动和分组丢失率进行服务质量衡量。一些特定形式的网络数据流需要定义服务质量。如多媒体流要求有保障的通过量；IP电话需严格的抖动控制和延迟限制；性命攸关的应用系统，如远程医疗外科手术要求有高可靠性保证的可用性（硬性QoS）等。这些类型服务称为非弹性的，意味着需固定带宽才能保证正常运行。

从上述观点看，可认为QoS是网络与用户之间以及网络上互相通信的用户之间关于信息传输与共享的质量的约定，解决这类应用中的网络延迟和阻塞等问题。

提供高质量QoS必须要解决的问题是：

●QoS分类定义。对QoS进行分类和定义的目的是使网络可根据不同类型QoS进行管理和网络资源的分配。如给实时服务分配较大的带宽和较多CPU处理时间，对QoS进行分类和定义也方便用户根据不同的应用提出对QoS的需求。

●准入控制和协商。根据网络资源使用情况，允许用户入网进行多媒体传输并协商QoS。

●资源预约。为给用户提供满意的QoS，必须对端系统、路由器以及传输带宽等相应资源进行预约，以确保这些资源不被其他应用强制占用。

●资源调度与管理。在对资源进行预约后，是否能得到资源，还依赖于相应资源调度与管理系统。

6.关键指标

QoS关键指标包括：可用性、吞吐量、时延、时延变化（抖动和漂移）和丢失率。

●可用性。为用户需要时网络即能工作的时间百分比，主要是设备可靠性和网络存活性相结合的结果。起作用的还有一些因素，如软件稳定性及网络演进或升级时不中断服务的能力。

●吞吐量。是在一定时间段内对网上流量（或带宽）的度量。对IP网而言可从帧中继网借用某些概念。根据应用和服务类型，服务水平协议可规定承诺信息速率、突发信息速率和最大突发信号长度。承诺信息速率是应予以严格保证的，对突发信息速率可有所商定，以在容纳预定长度突发信号同时容纳从话音到视频及一般数据的服务，吞吐量越大越好。

●时延。指一项服务从网络入口到出口的平均经过时间。许多服务，特别是语音与视频等实时服务都高度不容忍时延。当时延超过200～250ms时，会话将出现问题。为保证高质量语音与电视会议，网络设备必须要做到较低时延。产生时延的因素很多，包括分组时延、排队时延、交换时延和传播时延。传播时延是数据通过铜缆、光纤或无线链路所需的时间。任何系统，包括同步数字系列、异步传输模式与弹性分组环路，传播时延总是存在的。

●时延变化。指同一业务流中不同分组所呈现的时延不同。高频率的时延变化称为抖动，而低频率的时延变化称为漂移。抖动主要是因业务流中相继分组的排队等候时间不同引起的，是对服务质量影响最大的问题。某些业务类型，特别是话音和视频等实时业务是极不容忍抖动的，分组到达时间的差异将在话音或视频中造成断续。所有传送系统都有抖动，但只要抖动落在规定容差之内就不会影响服务质量。利用缓存可克服过量抖动，但这将增加时延，造成其他问题。漂移是任何同步传输系统都有的一个问题，漂移会造成基群失帧，使服务质量的要求不能得到满足。在SDH系统中通过严格的全网分级定时来克服漂移，在异步系统中，漂移一般不是问题。

●丢包。不管是比特丢失还是分组丢失，对分组数据业务的影响比对实时业务的影响都大。语音交互期间，丢失一个比特或一个分组的信息往往用户察觉不到。视频广播期间，此时屏幕上可能造成瞬间波形干扰，然后很快恢复正常。即便采用TCP传送数据也可能丢包，TCP协议允许丢失信息重发。事实上，称为随机早丢的拥塞控制机制在故意丢失分组，其目的是在流量达到设定门限时抑制TCP传输速率，减少拥塞，同时还使得TCP流失去同步，以防止因速率窗口闭合引起吞吐量的摆动。但分组丢失多了，就会影响传输质量。需保持统计数字，当超过预定门限时向网管人员发出告警，以便处理。