什么是QoS？

QoS（Quality of Service）即服務(wù)質(zhì)量。在有限的帶寬資源下，QoS為各種業(yè)務(wù)分配帶寬，為業(yè)務(wù)提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。例如，語音、視頻和重要的數(shù)據(jù)應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中可以通過配置QoS優(yōu)先得到服務(wù)。

圖1-1 什么是QoS？QoS是如何工作的？

QoS的重要性

在IP網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)可以分為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)往往占據(jù)固定帶寬，對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量變化感知明顯，對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的穩(wěn)定性要求高，例如語音業(yè)務(wù)。非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)所占帶寬難以預(yù)測(cè)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)突發(fā)流量。突發(fā)流量會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量下降，會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)擁塞，增加轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生丟包，導(dǎo)致業(yè)務(wù)質(zhì)量下降甚至不可用。

解決網(wǎng)絡(luò)擁塞的最好的辦法是增加網(wǎng)絡(luò)的帶寬，但從運(yùn)營、維護(hù)的成本考慮，這是不現(xiàn)實(shí)的，最有效的解決方案就是應(yīng)用一個(gè)“有保證”的策略對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行管理。

QoS一般針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中有突發(fā)流量時(shí)需要保障重要業(yè)務(wù)質(zhì)量的場(chǎng)景。如果業(yè)務(wù)長時(shí)間達(dá)不到服務(wù)質(zhì)量要求（例如業(yè)務(wù)流量長時(shí)間超過帶寬限制），需要考慮對(duì)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容或使用專用設(shè)備基于上層應(yīng)用去控制業(yè)務(wù)。

近幾年，視頻的應(yīng)用出現(xiàn)了爆炸式的增長，現(xiàn)在幾乎每個(gè)人都擁有一部能夠隨時(shí)隨地拍攝高分辨率視頻的智能手機(jī)。同時(shí)隨著社交網(wǎng)站的涌現(xiàn)，分享和發(fā)布視頻成了每個(gè)人的日常行為，人們不論身在何處都可以將自己制作的視頻發(fā)布出去與他人分享。對(duì)于企業(yè)來說，高清視頻會(huì)議，高清視頻監(jiān)控等應(yīng)用，也在網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生了大量的高清視頻流量。與語音流量相比，視頻流量占用的帶寬更多，也更不穩(wěn)定，特別是一些交互類視頻，對(duì)實(shí)時(shí)性要求非常高。另外，隨著無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，越來越多的用戶和企業(yè)都開始使用無線終端，而無線終端會(huì)隨著用戶的移動(dòng)而不斷變化位置，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的流量更加的不可預(yù)測(cè)。因此QoS方案設(shè)計(jì)也面臨更多的挑戰(zhàn)。

QoS的度量指標(biāo)

影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的因素包括傳輸鏈路的帶寬、報(bào)文傳送時(shí)延和抖動(dòng)、以及丟包率等，它們也就成為了QoS的度量指標(biāo)。

（1）帶寬

帶寬也稱為吞吐量，是指在一個(gè)固定的時(shí)間內(nèi)（1秒），從網(wǎng)絡(luò)一端傳輸?shù)搅硪欢说淖畲髷?shù)據(jù)位數(shù)，也可以理解為網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間特定數(shù)據(jù)流的平均速率。帶寬的單位是比特/秒（bit/s）。在網(wǎng)絡(luò)中，有兩個(gè)常見的與帶寬有關(guān)的概念：上行速率和下行速率。上行速率是指用戶向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速率，下行速率是指網(wǎng)絡(luò)向用戶發(fā)送信息時(shí)的傳輸速率。例如，用戶通過FTP上傳文件到網(wǎng)絡(luò)，影響上傳文件速度的就是上行速率；而從網(wǎng)絡(luò)下載文件，影響下載文件速度的就是下行速率。

（2）時(shí)延

時(shí)延是指一個(gè)報(bào)文或分組從網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送端到接收端所需要的延遲時(shí)間，一般由傳輸延遲及處理延遲組成。以語音傳輸為例，時(shí)延是指從說話者開始說話到對(duì)方聽到所說內(nèi)容的時(shí)間。一般人們察覺不到小于100毫秒的延遲。當(dāng)延遲在100毫秒和300毫秒之間時(shí)，說話者可以察覺到對(duì)方回復(fù)的輕微停頓，這種停頓可能會(huì)使通話雙方都感覺到不舒服。超過300毫秒，延遲就會(huì)很明顯，用戶開始互相等待對(duì)方的回復(fù)。當(dāng)通話的一方不能及時(shí)接收到期望的回復(fù)時(shí)，說話者可能會(huì)重復(fù)所說的話，這樣會(huì)與遠(yuǎn)端延遲的回復(fù)碰撞，導(dǎo)致重復(fù)。

（3）抖動(dòng)

如果網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞，導(dǎo)致通過同一連接傳輸?shù)姆纸M延遲各不相同。抖動(dòng)用來描述延遲變化的程度，也就是最大延遲與最小延遲的時(shí)間差。抖動(dòng)對(duì)于實(shí)時(shí)性的傳輸是一個(gè)重要參數(shù)，特別是語音和視頻等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)是極不容忍抖動(dòng)的，抖動(dòng)會(huì)造成話音或視頻的斷續(xù)。抖動(dòng)也會(huì)影響一些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的處理。有些協(xié)議是按固定的時(shí)間間隔發(fā)送交互性報(bào)文，抖動(dòng)過大會(huì)導(dǎo)致協(xié)議震蕩。所有傳輸系統(tǒng)都有抖動(dòng)，只要抖動(dòng)在規(guī)定容差之內(nèi)就不會(huì)影響服務(wù)質(zhì)量。利用緩存可以克服過量的抖動(dòng)，但這將增加時(shí)延。

（4）丟包率

丟包率是指在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中丟失報(bào)文的數(shù)量占傳輸報(bào)文總數(shù)的百分比。少量的丟包對(duì)業(yè)務(wù)的影響并不大，例如，在語音傳輸中，丟失一個(gè)比特或一個(gè)分組的信息，通話雙方往往注意不到。在視頻的傳輸中，丟失一個(gè)比特或一個(gè)分組可能造成在屏幕上瞬間的波形干擾，但能很快恢復(fù)正常。使用TCP傳送數(shù)據(jù)可以處理少量的丟包，因?yàn)門CP允許丟失的信息重發(fā)。但大量的丟包會(huì)影響傳輸效率。在QoS中，我們關(guān)注的是丟包的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，也就是丟包率。所以正常傳輸時(shí)，網(wǎng)絡(luò)丟包率應(yīng)該控制在一定范圍內(nèi)即可。

QoS的應(yīng)用場(chǎng)景

以企業(yè)辦公為例，除了基本的網(wǎng)頁瀏覽、工作郵件外，在較集中的工作時(shí)間段內(nèi)還需要保證Telnet登錄設(shè)備、異地的視頻會(huì)議、實(shí)時(shí)語音通話、FTP文件的上傳和下載，以及視頻播放等業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。對(duì)于不同網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求的業(yè)務(wù)，可以配置不同的QoS子功能，或者不部署QoS。

（1）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和管理協(xié)議（如OSPF、Telnet）

這類業(yè)務(wù)要求低時(shí)延和低丟包率，但對(duì)帶寬的要求不高。因此可以通過QoS的優(yōu)先級(jí)映射功能，為此類報(bào)文標(biāo)記較高的服務(wù)等級(jí)，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)此類報(bào)文。

（2）實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)（如視頻會(huì)議、VoIP）

視頻會(huì)議要求高帶寬、低時(shí)延和低抖動(dòng)。因此可以通過QoS的流量監(jiān)管功能，為視頻報(bào)文提供高帶寬；通過QoS的優(yōu)先級(jí)映射功能，適當(dāng)調(diào)高視頻報(bào)文的優(yōu)先級(jí)。

VoIP是指通過IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)語音通話，它要求網(wǎng)絡(luò)做到低丟包、低時(shí)延和低抖動(dòng)，否則通話雙方可以明顯感知質(zhì)量受損。因此一方面可以調(diào)整語音報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，使其高于視頻報(bào)文；另一方面通過流量監(jiān)管功能，為語音報(bào)文提供最大帶寬，在網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生擁塞時(shí)，可以保證語音報(bào)文優(yōu)先通過。

（3）大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)（如FTP、數(shù)據(jù)庫備份、文件轉(zhuǎn)儲(chǔ)）

大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)是指存在長時(shí)間大量數(shù)據(jù)傳輸行為的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，這類業(yè)務(wù)需要盡可能低的網(wǎng)絡(luò)丟包率。因此可以為這類報(bào)文配置流量整形功能，通過數(shù)據(jù)緩沖區(qū)緩存從接口發(fā)送的報(bào)文，減少由于突發(fā)流量導(dǎo)致?lián)砣a(chǎn)生的丟包現(xiàn)象。

（4）流媒體（如在線音頻播放、視頻點(diǎn)播）

由于這些音視頻節(jié)目都是提前制作好的，觀看者的終端通常可以先進(jìn)行緩存再進(jìn)行播放，因此降低了對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、丟包和抖動(dòng)的要求。如果需要降低這類業(yè)務(wù)的丟包和時(shí)延，可以通過QoS的優(yōu)先級(jí)映射功能，適當(dāng)提高對(duì)應(yīng)報(bào)文的優(yōu)先級(jí)。

（5）普通業(yè)務(wù)（如HTML網(wǎng)頁瀏覽、郵件）

這類業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)無特殊要求、重要性也不高。管理員可以對(duì)其保持默認(rèn)設(shè)置，不需要額外部署QoS功能。

QoS的服務(wù)模型

如何在網(wǎng)絡(luò)中通過部署來保證QoS的度量指標(biāo)在一定的合理范圍內(nèi)，從而提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量呢？這就涉及到QoS模型。需要說明的是，QoS模型不是一個(gè)具體功能，而是端到端QoS設(shè)計(jì)的一個(gè)方案。例如，網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)主機(jī)通信時(shí)，中間可能會(huì)跨越各種各樣的設(shè)備。只有當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備都遵循統(tǒng)一的QoS服務(wù)模型時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)端到端的質(zhì)量保證。

下面介紹主流的三大QoS模型。其中，華為公司的交換機(jī)、路由器、防火墻、WLAN等產(chǎn)品均支持配置基于DiffServ服務(wù)模型的QoS業(yè)務(wù)。

（1）Best-Effort服務(wù)模型：盡力而為

Best-Effort是最簡單的QoS服務(wù)模型，用戶可以在任何時(shí)候，發(fā)出任意數(shù)量的報(bào)文，而且不需要通知網(wǎng)絡(luò)。提供Best-Effort服務(wù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)盡最大的可能來發(fā)送報(bào)文，但對(duì)時(shí)延、丟包率等性能不提供任何保證。Best-Effort服務(wù)模型適用于對(duì)時(shí)延、丟包率等性能要求不高的業(yè)務(wù)，是現(xiàn)在Internet的缺省服務(wù)模型，它適用于絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如FTP、E-Mail等。

（2）IntServ服務(wù)模型：預(yù)留資源

IntServ模型是指用戶在發(fā)送報(bào)文前，需要通過信令（Signaling）向網(wǎng)絡(luò)描述自己的流量參數(shù)，申請(qǐng)?zhí)囟ǖ腝oS服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)根據(jù)流量參數(shù)，預(yù)留資源以承諾滿足該請(qǐng)求。在收到確認(rèn)信息，確定網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)為這個(gè)應(yīng)用程序的報(bào)文預(yù)留了資源后，用戶才開始發(fā)送報(bào)文。用戶發(fā)送的報(bào)文應(yīng)該控制在流量參數(shù)描述的范圍內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要為每個(gè)流維護(hù)一個(gè)狀態(tài)，并基于這個(gè)狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的QoS動(dòng)作，來滿足對(duì)用戶的承諾。

IntServ模型使用了RSVP（Resource Reservation Protocol）協(xié)議作為信令，在一條已知路徑的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖项A(yù)留帶寬、優(yōu)先級(jí)等資源，路徑沿途的各網(wǎng)元必須為每個(gè)要求服務(wù)質(zhì)量保證的數(shù)據(jù)流預(yù)留想要的資源，通過RSVP信息的預(yù)留，各網(wǎng)元可以判斷是否有足夠的資源可以使用。只有所有的網(wǎng)元都給RSVP提供了足夠的資源，“路徑”方可建立。

（3）DiffServ服務(wù)模型：差分服務(wù)

DiffServ模型的基本原理是將網(wǎng)絡(luò)中的流量分成多個(gè)類，每個(gè)類享受不同的處理，尤其是網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)不同的類會(huì)享受不同級(jí)別的處理，從而得到不同的丟包率、時(shí)延以及時(shí)延抖動(dòng)。同一類的業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中會(huì)被聚合起來統(tǒng)一發(fā)送，保證相同的時(shí)延、抖動(dòng)、丟包率等QoS指標(biāo)。

Diffserv模型中，業(yè)務(wù)流的分類和匯聚工作在網(wǎng)絡(luò)邊緣由邊界節(jié)點(diǎn)完成。邊界節(jié)點(diǎn)可以通過多種條件（比如報(bào)文的源地址和目的地址、ToS域中的優(yōu)先級(jí)、協(xié)議類型等）靈活地對(duì)報(bào)文進(jìn)行分類，對(duì)不同的報(bào)文設(shè)置不同的標(biāo)記字段，而其他節(jié)點(diǎn)只需要簡單地識(shí)別報(bào)文中的這些標(biāo)記，即可進(jìn)行資源分配和流量控制。

與Intserv模型相比，DiffServ模型不需要信令。在DiffServ模型中，應(yīng)用程序發(fā)出報(bào)文前，不需要預(yù)先向網(wǎng)絡(luò)提出資源申請(qǐng)，而是通過設(shè)置報(bào)文的QoS參數(shù)信息，來告知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)它的QoS需求。網(wǎng)絡(luò)不需要為每個(gè)流維護(hù)狀態(tài)，而是根據(jù)每個(gè)報(bào)文流指定的QoS參數(shù)信息來提供差分服務(wù)，即對(duì)報(bào)文的服務(wù)等級(jí)劃分，有差別地進(jìn)行流量控制和轉(zhuǎn)發(fā)，提供端到端的QoS保證。DiffServ模型充分考慮了IP網(wǎng)絡(luò)本身靈活性、可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，將復(fù)雜的服務(wù)質(zhì)量保證通過報(bào)文自身攜帶的信息轉(zhuǎn)換為單跳行為，從而大大減少了信令的工作，是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的主流服務(wù)模型。

基于DiffServ模型的QoS組成

基于Diffserv模型的QoS業(yè)務(wù)主要分為以下幾大類：

（1）報(bào)文分類和標(biāo)記

要實(shí)現(xiàn)差分服務(wù)，需要首先將數(shù)據(jù)包分為不同的類別或者設(shè)置為不同的優(yōu)先級(jí)。報(bào)文分類即把數(shù)據(jù)包分為不同的類別，可以通過MQC配置中的流分類實(shí)現(xiàn)。報(bào)文標(biāo)記即為數(shù)據(jù)包設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)，可以通過優(yōu)先級(jí)映射和重標(biāo)記優(yōu)先級(jí)實(shí)現(xiàn)。不同的報(bào)文使用不同的QoS優(yōu)先級(jí)，例如VLAN報(bào)文使用802.1p，IP報(bào)文使用DSCP，MPLS報(bào)文使用EXP。

（2）流量監(jiān)管、流量整形和接口限速

流量監(jiān)管和流量整形可以將業(yè)務(wù)流量限制在特定的帶寬內(nèi)，當(dāng)業(yè)務(wù)流量超過額定帶寬時(shí)，超過的流量將被丟棄或緩存。其中，將超過的流量丟棄的技術(shù)稱為流量監(jiān)管，將超過的流量緩存的技術(shù)稱為流量整形。接口限速分為基于接口的流量監(jiān)管和基于接口的流量整形。

（3）擁塞管理和擁塞避免

擁塞管理在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，將報(bào)文放入隊(duì)列中緩存，并采取某種調(diào)度算法安排報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)次序。而擁塞避免可以監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)資源的使用情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)擁塞有加劇的趨勢(shì)時(shí)采取主動(dòng)丟棄報(bào)文的策略，通過調(diào)整流量來解除網(wǎng)絡(luò)的過載。

其中，報(bào)文分類和標(biāo)記是實(shí)現(xiàn)差分服務(wù)的前提和基礎(chǔ)；流量監(jiān)管、流量整形、接口限速、擁塞管理和擁塞避免從不同方面對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量及其分配的資源實(shí)施控制，是提供差分服務(wù)的具體體現(xiàn)。

各種QoS技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的處理順序如下圖所示。

圖1-2?QoS技術(shù)處理流程

對(duì)比QoS和HQoS

傳統(tǒng)QoS技術(shù)可以滿足語音、視頻以及數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)的不同服務(wù)需求，可以針對(duì)不同的業(yè)務(wù)提供不同的服務(wù)。但是隨著網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的高速發(fā)展，接入用戶數(shù)量和每個(gè)用戶的業(yè)務(wù)量不斷增多，傳統(tǒng)的QoS在應(yīng)用中遇到了新問題：

傳統(tǒng)QoS是基于端口帶寬進(jìn)行調(diào)度的，因此流量管理可以基于服務(wù)等級(jí)進(jìn)行業(yè)務(wù)區(qū)分，卻很難基于用戶進(jìn)行區(qū)分，因此比較適合部署在網(wǎng)絡(luò)核心側(cè)，但不適合部署在業(yè)務(wù)接入側(cè)。

傳統(tǒng)QoS無法做到同時(shí)對(duì)多個(gè)用戶的多個(gè)業(yè)務(wù)進(jìn)行流量管理和調(diào)度。

圖1-3?傳統(tǒng)QoS vs HQoS調(diào)度模型

為了解決上述問題，人們需要一種既能區(qū)分用戶流量又能根據(jù)用戶業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度的技術(shù)，HQoS（Hierarchical Quality of Service，層次化QoS）應(yīng)運(yùn)而生。HQoS通過多級(jí)隊(duì)列進(jìn)一步細(xì)化區(qū)分業(yè)務(wù)流量，對(duì)多個(gè)用戶、多種業(yè)務(wù)等傳輸對(duì)象進(jìn)行統(tǒng)一管理和分層調(diào)度，在現(xiàn)有的硬件環(huán)境下使設(shè)備具備內(nèi)部資源的控制策略，既能夠?yàn)楦呒?jí)用戶提供質(zhì)量保證，又能夠從整體上節(jié)約網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

來源：https://support.huawei.com/enterprise/en/doc/EDOC1100219443

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