來源：全棧云技術(shù)架構(gòu)
1 QoS的產(chǎn)生
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，IP網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)從當(dāng)初的單一數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)向集成數(shù)據(jù)、語音、視頻、游戲的多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變。網(wǎng)絡(luò)中所承載的數(shù)據(jù)呈幾何級倍數(shù)增長，而且這些業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)帶寬、時延有著極高的要求。同時，由于硬件芯片研發(fā)的難度大、周期長、成本高等原因，帶寬逐漸成為互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的瓶頸，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞，產(chǎn)生丟包，業(yè)務(wù)質(zhì)量下降，嚴(yán)重時甚至造成業(yè)務(wù)不可用。要在IP網(wǎng)絡(luò)上開展這些業(yè)務(wù)，就必須解決網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，最好的解決辦法是增加網(wǎng)絡(luò)帶寬。但從運(yùn)營、維護(hù)的成本考慮，一味增加網(wǎng)絡(luò)帶寬是不現(xiàn)實(shí)的。QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）技術(shù)就是在這種背景下發(fā)展起來的。QoS技術(shù)本身不會增加網(wǎng)絡(luò)帶寬，而是在有限的帶寬資源下，如何平衡地為各種業(yè)務(wù)分配帶寬，針對各種業(yè)務(wù)的不同需求，為其提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。2 QoS的度量標(biāo)準(zhǔn)
既然要提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，首先我們需要了解一下哪些因素會影響網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。從傳統(tǒng)意義上來講，影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的因素包括傳輸鏈路的帶寬、報(bào)文傳送時延和抖動、以及丟包率等。因此，要提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，就可以從保證傳輸鏈路的帶寬，降低報(bào)文傳送的時延和抖動，降低丟包率等方面著手。而這些影響網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的因素，也就成為QoS的度量指標(biāo)。2.1 帶寬
帶寬也稱為吞吐量，是指在一個固定的時間內(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)送信息時的傳輸速率。例如，用戶用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。通常情況下，帶寬越大，數(shù)據(jù)通行能力就越強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量就越好。這就好比高速公路，車道越多，車輛通行能力就越強(qiáng)，發(fā)生堵車的概率就越低。對于網(wǎng)絡(luò)用戶而言，都希望帶寬越大越好，但是與其相應(yīng)的，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營和維護(hù)成本也就越高。因此，在互聯(lián)網(wǎng)日益強(qiáng)大和業(yè)務(wù)多樣化的情況下，帶寬成為了嚴(yán)重的瓶頸。2.2 時延
時延是指一個報(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間，一般由傳輸延遲及處理延遲組成。以語音傳輸為例，時延是指從說話者開始說話到對方聽到所說內(nèi)容的時間。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，說話者可以察覺到對方回復(fù)的輕微停頓，這種停頓可能會使通話雙方都感覺到不舒服。超過300毫秒，延遲就會很明顯，用戶開始互相等待對方的回復(fù)。當(dāng)通話的一方不能及時接收到期望的回復(fù)時，說話者可能會重復(fù)所說的話，這樣會與遠(yuǎn)端延遲的回復(fù)碰撞，導(dǎo)致重復(fù)。圖1 時延對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的影響2.3 抖動
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間差。如下圖所示，員工A向員工B發(fā)送一句語音“我留，他不留“。假設(shè)每個字是一個分組，發(fā)送端將語音分割為6個分組，以均勻的時間間隔順序發(fā)出。由于IP網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，每個分組時延可能不同，導(dǎo)致在接收端收到分組時各分組之間的時間間隔與發(fā)送時的時間間隔不一致。加上說話者的語氣等因素，員工B可能會將接收到的語音理解成“我留他？不留！”，從而造成語義上的誤解。圖2 抖動對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的影響所以抖動對于實(shí)時性的傳輸是一個重要參數(shù)，特別是語音和視像等實(shí)時業(yè)務(wù)是極不容忍抖動的，抖動會造成語音或視像的斷續(xù)。抖動也會影響一些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的處理。有些協(xié)議是按固定的時間間隔發(fā)送交互性報(bào)文，抖動過大會導(dǎo)致協(xié)議震蕩。所有傳輸系統(tǒng)都有抖動，只要抖動在規(guī)定容差之內(nèi)就不會影響服務(wù)質(zhì)量。利用緩存可以克服過量的抖動，但這將增加時延。2.4 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。少量的丟包對業(yè)務(wù)的影響并不大，例如，在語音傳輸中，丟失一個比特或一個分組的信息，通話雙方往往注意不到。在視頻的傳輸中，丟失一個比特或一個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，網(wǎng)絡(luò)丟包率應(yīng)該控制在一定范圍內(nèi)即可。3 QoS服務(wù)模型
現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了QoS的度量指標(biāo)。那么，如何在網(wǎng)絡(luò)中通過部署來保證這些指標(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模型不是一個具體功能，而是端到端QoS設(shè)計(jì)的一個方案。例如，網(wǎng)絡(luò)中的兩個主機(jī)通信時，中間可能會跨越各種各樣的設(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，才能實(shí)現(xiàn)端到端的質(zhì)量保證。IETF、ITU-T等國際組織都為自己所關(guān)注的業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)了QoS模型。下面就來介紹一下主流的三大QoS模型。3.1 Best-Effort服務(wù)模型
Best-Effort是最簡單也是最早出現(xiàn)的QoS服務(wù)模型。在這種模型中，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備上除了保證網(wǎng)絡(luò)之間路由可達(dá)之外，不需要部署額外的功能。應(yīng)用程序可以在任何時候發(fā)出任意數(shù)量的報(bào)文，而且不需要通知網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)只是盡最大的可能性來發(fā)送報(bào)文，但對時延、可靠性等性能不提供任何保證。在理想狀態(tài)下，如果有足夠的帶寬，Best-Effort是最簡單的服務(wù)模式。而實(shí)際上，這種“簡單“帶來一定的限制。因此，Best-Effort適用于對時延、可靠性等性能要求不高的業(yè)務(wù)，如FTP、E-Mail等。3.2 IntServ服務(wù)模型
由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，Best-Effort服務(wù)模型不能為一些實(shí)時性要求高的業(yè)務(wù)提供有力的質(zhì)量保障，于是IETF在1994年的RFC1633中提出了InterServ模型。IntServ模型是指應(yīng)用程序在發(fā)送報(bào)文前，首先通過RSVP（Resource Reservation Protocol）信令向網(wǎng)絡(luò)描述它的流量參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)在流量參數(shù)描述的范圍內(nèi)，預(yù)留資源（如帶寬、優(yōu)先級）以承諾滿足該請求。在收到確認(rèn)信息，確定網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)為這個應(yīng)用程序的報(bào)文預(yù)留了資源后，應(yīng)用程序才開始發(fā)送報(bào)文。應(yīng)用程序發(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)需要為每條數(shù)據(jù)流維護(hù)一個狀態(tài)，并基于這個狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的QoS動作，來滿足對應(yīng)用程序的承諾。簡單來說，InterServ模型下，網(wǎng)絡(luò)需要為某個業(yè)務(wù)預(yù)留一條專用通道。這種資源預(yù)留的狀態(tài)稱為“軟狀態(tài)”。為了保證這條通道不被占用，RSVP會定期發(fā)送大量協(xié)議報(bào)文進(jìn)行探測。通過RSVP，各網(wǎng)元可以判斷是否有足夠的資源可以預(yù)留。只有所有的網(wǎng)元都預(yù)留了足夠的資源，專用通道方可建立。IntServ模型為業(yè)務(wù)提供了一套端到端的保障制度，其優(yōu)點(diǎn)顯而易見，但是其局限性一樣明顯。3.3 DiffServ服務(wù)模型
為了克服InterServ的可擴(kuò)展性差的問題，IETF在1998年提出了DiffServ服務(wù)模型。DiffServ服務(wù)模型，也叫差分服務(wù)模型，意思就是提供有差別的服務(wù)。就好比銀行有黑金卡用戶、金卡用戶和普通卡用戶，銀行為不同用戶提供的服務(wù)也不相同：黑金卡用戶享有專人專區(qū)服務(wù)；金卡用戶不能享有專人專區(qū)的服務(wù)，但是可以享受優(yōu)先辦理業(yè)務(wù)的特權(quán)；普通卡用戶則只能按照正常的排隊(duì)順序辦理業(yè)務(wù)。這就銀行提供的差分服務(wù)。DiffServ模型中，網(wǎng)絡(luò)中的流量可以根據(jù)多種條件被分成多個類，或者標(biāo)記不同的優(yōu)先級。這個過程類似于將報(bào)文分為黑金卡用戶、金卡用戶和普通卡用戶。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時，不同的類會享受不同的優(yōu)先處理，從而實(shí)現(xiàn)差分服務(wù)。同一類的業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中會被聚合起來統(tǒng)一發(fā)送，保證相同的延遲、抖動、丟包率等QoS指標(biāo)。DiffServ模型不需要信令，也不需要預(yù)先向網(wǎng)絡(luò)提出資源申請。業(yè)務(wù)分類和匯聚工作在網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，后續(xù)設(shè)備根據(jù)分類識別出不同的業(yè)務(wù)，并提供相應(yīng)的服務(wù)。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中承載的業(yè)務(wù)類型越來越多，DiffServ模型顯得相當(dāng)靈活，可以說是為現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)量身定做的。因此，DiffServ模型成為QoS設(shè)計(jì)和應(yīng)用的主要方案。4 基于DiffServ模型的QoS組成及應(yīng)用
DiffServ模型包含了四大組件，通過這四大組件實(shí)現(xiàn)端到端的QoS：要實(shí)現(xiàn)差分服務(wù)，首先需要將報(bào)文分為不同的類別。類別確定好了，設(shè)備才能針對性地提供服務(wù)。
流量監(jiān)管是將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，超過的流量將被丟棄。這樣可以防止個別業(yè)務(wù)或用戶無限制地占用帶寬。
流量整形是一種主動調(diào)整流的輸出速率的流控措施，使流量比較平穩(wěn)地傳送給下游設(shè)備，避免不必要的報(bào)文丟棄和擁塞。流量整形通常在接口出方向使用。
接口限速是對一個接口上發(fā)送或者接收全部報(bào)文的總速率進(jìn)行限制。當(dāng)不需要對報(bào)文類型進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化分類而要限制通過接口全部流量的速率時，接口限速功能可以簡化配置。
擁塞管理是在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時，通過一定的調(diào)度算法安排報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)次序，保證網(wǎng)絡(luò)可以盡快恢復(fù)正常。擁塞管理通常在接口出方向使用。
擁塞避免可以監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)資源（如隊(duì)列或內(nèi)存緩沖區(qū)）的使用情況。在擁塞有加劇的趨勢時，主動丟棄報(bào)文，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞繼續(xù)加劇。擁塞管理通常在接口出方向使用。
綜上所述，報(bào)文分類是基礎(chǔ)，是有區(qū)別地實(shí)施服務(wù)的前提，流量監(jiān)管、流量整形和接口限速主要用于預(yù)防擁塞，擁塞管理和擁塞避免是用來解決擁塞。QoS各個組件在設(shè)備上的處理順序如下圖所示。5 QoS在企業(yè)網(wǎng)中的應(yīng)用
在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，QoS的一系列技術(shù)不要求在同一臺設(shè)備上應(yīng)用，而應(yīng)根據(jù)業(yè)務(wù)需要在不同位置應(yīng)用。圖5 QoS技術(shù)在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用接入交換機(jī)LSW1作為邊界交換機(jī)，在接入側(cè)需要擔(dān)負(fù)數(shù)據(jù)流的識別、分類以及流標(biāo)記的工作；在網(wǎng)絡(luò)側(cè)需要擔(dān)負(fù)不同應(yīng)用數(shù)據(jù)流的擁塞管理、擁塞避免、流量整形等工作。
匯聚層和核心層設(shè)備端口信任基于接入層標(biāo)識的QoS參數(shù)，通過隊(duì)列調(diào)度、流量整形、擁塞避免等方式實(shí)施QoS策略，保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)優(yōu)先獲得調(diào)度。
而實(shí)際應(yīng)用時，具體功能的部署完全取決于業(yè)務(wù)需求。在圖5的組網(wǎng)中，可以在SwitchA應(yīng)用報(bào)文分類和標(biāo)記，用以區(qū)分不同部門的報(bào)文，然后在接口GE1/0/2出方向應(yīng)用流量監(jiān)管，限制進(jìn)入廣域網(wǎng)的流量。如果不需要區(qū)分來自不同部門的報(bào)文，可以直接在接口GE1/0/2出方向應(yīng)用接口限速，限制進(jìn)入廣域網(wǎng)的流量。當(dāng)然，同一種QoS技術(shù)，也可能因?yàn)閼?yīng)用的位置不同而作用范圍不同。如圖5所示，如果在LSW1的接口GE0/0/1和GE0/0/2應(yīng)用出方向接口限速，則可以分別保證部門1、部門2可以使用的最大帶寬。如果在SwitchA的接口GE1/0/1應(yīng)用入方向接口限速，則保證的是部門1和部門2一共可以使用的最大帶寬，并不能保證部門1、部門2分別可以使用的最大帶寬。6 結(jié)束語
QoS的各個組成部分與QoS的度量指標(biāo)并不是一一對應(yīng)的。也就是說，并不是一個QoS組成就能保證一項(xiàng)QoS指標(biāo)。實(shí)際上，QoS的各個組成部分是通過相互結(jié)合使用來保證服務(wù)質(zhì)量的。例如，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是根據(jù)分類或標(biāo)記結(jié)果，從不同方面對網(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)。下一期，我們將詳細(xì)介紹實(shí)現(xiàn)QoS差分服務(wù)的一種工具—MQC。
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