【文章內(nèi)容簡介】 rated services， IntServ） 模型和區(qū)分服務 （ differentiated services， DiffServ） 模型，以及 二者的優(yōu)缺點。 第三部分是在 OPNET 仿真環(huán)境下 仿真比較三種隊列 ，對 QoS 的個別性能參數(shù)進行仿真，比較檢測結(jié)果。 第四部分做最終總結(jié)， 總結(jié) 全文所做的工作及不足之處。 第五部分是作者的致謝說明、參考文獻。 武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 7 第 2 章 QoS 體系結(jié)構(gòu) QoS 簡介 QoS（ Quality of Service） 是服務性能的總效果，此效果決定了用戶與用戶之間或者用戶與網(wǎng)絡節(jié)點質(zhì)之間的約定 （ 例如 ， 傳輸延遲允許時間、最小傳輸畫面失真度以及聲像同步等 ） 。反映了網(wǎng)絡在保證信息傳輸和滿足服務要求方面的能力。簡單地說，服務質(zhì)量 （ QoS）就是網(wǎng)絡提供給應用程序所需要的功能性等級。在計算機系統(tǒng)，特別是計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)，作為計算和信息等服務的提供者，同樣存在服務質(zhì)量 （ QoS） 優(yōu)劣的問題。從計算機系統(tǒng)誕生開始，人們就一直致力于提高系統(tǒng)的服務性能和服務質(zhì)量。也可將 QoS 定義描述為：網(wǎng)絡在傳輸數(shù)據(jù)流時要求滿足的一系列服務請求，具體可以量化為帶寬、延遲、延遲抖動、丟失率、吞吐量等性能指標。 服務質(zhì)量 （ QoS） 是一組服務要求，網(wǎng)絡必須滿足這些要求才能確保數(shù)據(jù)傳輸達到適當服務的級別，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中傳輸?shù)倪^程中， QoS 機制通過各種手段將業(yè)務流加以區(qū)分并定制不同的策略，采取立即發(fā)送、延遲發(fā)送、丟棄等不同策略，來保障不同優(yōu)先級別的數(shù)據(jù)業(yè)務的不同服務質(zhì)量要求。這些機制包括流量分類，訪問控制，流量整形，擁塞控制與管理，調(diào)度機制等。 QoS 的提供增加網(wǎng)絡的性能可預知性，網(wǎng)絡資源能夠有效地分配，提高網(wǎng)絡的吞吐量，減少網(wǎng)絡丟棄數(shù)據(jù)包尤其是較重要的數(shù)據(jù)包的概率。 現(xiàn)有的 Inter 最初是面向非實時的、單一數(shù)據(jù)類型通信 （ 如文件傳輸、 Email） 而設計的。 IP 協(xié)議提供一種無連接的網(wǎng)絡層服務 ， 必須輔以其他的高層端到端的協(xié)議 （ 如 TCP）才能更好的實現(xiàn)端到端的可靠傳輸 。因為缺少必要的服務質(zhì)量控制或保證 ， 這種傳統(tǒng)的 IP傳輸被稱為“盡力而為 （ Best Effort） ”的服務。它只將分組遞送到目的端， 盡最大的可能性來發(fā)送報文 ， 但對時延、可靠性等性能不提供任何保證 ，不為任何分組的遞送提供保證或為其實現(xiàn)分配資源。 因此，這種服務無法為多媒體通信提供 QoS 保證，為了滿足 Inter 多媒體應用實時傳輸?shù)囊螅搽S著服務質(zhì)量概念的提出，目前已有許多 QoS 控制機制，包括集成服務（ IntServ） 和區(qū)分服務 （ DiffServ） 體系結(jié)構(gòu)、擁塞控制機制、分度調(diào)度和隊列管理算法、MPLS 技術 等。本文將主要介紹較為典型的 IntServ 和 DiffServ 兩種模型，以及各自的優(yōu)缺點，同時仿真比較 QoS 的個別性能參數(shù) 。 QoS 主要參數(shù) 一般在 QoS 保證的實現(xiàn)中，可以根據(jù)具體應用的不同要求將 QoS 的一些 參數(shù)組合起來構(gòu)成不同的服務等級。 其性能參數(shù)主要包括下面幾個： 可用性：用戶與網(wǎng)絡連接的可靠性。主要 由 設備可靠性、網(wǎng)絡存活性軟件穩(wěn)定性等因素作用。 武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 8 可變延遲：也稱為延遲抖動，指接收的一組數(shù)據(jù)流中數(shù)據(jù)包之間的時間差異。 帶寬：網(wǎng)絡能提供給用戶的數(shù)據(jù)發(fā)送率。 時延 ：發(fā)送和接收分組的平均時間間隔。像話音、視像等此類服務是嚴格要求不能有時延的。因此，設備必須保證盡可能低的延時來提高語音、視頻的質(zhì)量。產(chǎn)生延時的因素一般有分組時延、排隊時延、交換時延和傳播時延。 時延變化： 通信 業(yè)務流不同分組之間的延時差異。高頻率時延變化稱為抖動。低頻率的時延變化稱為漂移。業(yè)務流中分組的排隊等候時間的不同引起了抖動，這是對服務質(zhì)量影響最大的一個問題。有些業(yè)務類型中決不允許定容差之外抖動的存在，尤其在話音和視像中，存在抖動就會在話音和視像中造成中斷，嚴重影響服務質(zhì)量。緩存可以克服過量的抖動，但 會增多時延，造成其他方面的問題。 吞吐量：網(wǎng)絡中發(fā)送數(shù)據(jù)包的速率，可用平均速率或峰值速率表示。 一般來說，吞吐量越大越好。 丟包率：在網(wǎng)絡中傳輸數(shù)據(jù)包時 因網(wǎng)絡擁塞 丟棄數(shù)據(jù)包的最高比率。 不管比特還是分組丟失，對業(yè)務的影響都是相當大的。丟失一個比特或一個分組，在通話中，不會產(chǎn)生明顯的影響，但是在視像中就可能造成屏幕瞬間的干擾 [9]。 對于 QoS 的參數(shù)描寫越多，對其特征了解越清楚，控制可以更完善的實現(xiàn)。但實際應用中并不一定要用所有參數(shù)，根據(jù)不同的服務等級要求的特點，我們要具體應用其某些參數(shù)，來達到所 要實現(xiàn)的目標。 集成服務體系模型 集成服務體系模型 （ IntServ） 一般應用于企業(yè)網(wǎng)絡的邊沿，是一種通過使用帶寬預留技術在因特網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)上提供 QoS 的模型。它解釋了如何在主機和路由器之間進行資源預留以及相關參數(shù)的控制。 IntServ 是面向單個數(shù)據(jù)流的一種模型結(jié)構(gòu)， 它的目的是單播和多播應用 ，它的基本思想是在傳送數(shù)據(jù)之前，根據(jù)會話的 QoS 需求進行網(wǎng)絡資源預留，從而為該會話提供端到端的 QoS 保證。預留所希望的帶寬數(shù)以支持流的需要，并保護它不受網(wǎng)絡擁塞而導致的損壞。預留是通過與前往目的地的路線上的每個網(wǎng)絡 設備協(xié)商的。如果每個設備都有支持流的資源，則會建立預留路徑。 IntServ 基于資源預留的模型，資源預留協(xié)議 （ RSVP） 的使用是 IntServ 重要的特點，即每個數(shù)據(jù)流在通信之前先在沿途的每個節(jié)點上預留一定的資源，這樣在通信過程中數(shù)據(jù)流就能獲得滿意的服務質(zhì)量。在 IntServ 模型中，核心協(xié)議資源預留協(xié)議 （ RSVP） 的使用使其完成通信雙方資源的預留。 RSVP 是正向發(fā)送消息以請求預留，然后逆向發(fā)送消息以建立預留的信令協(xié)議（如果路線上的所有設備都同意預留資源的話）。 武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 9 IntServ 模型如圖 所示。 圖 IntServ 模型 IntServ 模型有以下幾個組成部分： 資源預留設置協(xié)議使主機或路由器能夠預留網(wǎng)絡中的資源以滿足特定業(yè)務流的 QoS要求的信令協(xié)議。 RSVP 是最常用的信令協(xié)議。 流量控制在網(wǎng)絡設備中存在的一些組件以控制和管理為支持特定 QoS 所需的網(wǎng)絡資源接納控制規(guī)則， 是 決定一個網(wǎng)絡設備 （ 主機、路由器或交換機 ） 是否授予一個新的業(yè)務流所要求的 QoS 而不影響以前的 QoS 保證。當一個主機要求 QoS 業(yè)務時，路由上的每個結(jié)點都要做出接受或拒絕決策。 分類器根據(jù)分組頭內(nèi)容或附加在分組 上的分類信息，輸入的分組被分為某種業(yè)務類型。相同的業(yè)務類型在分組調(diào)度器中得到相同的處理，獲得相同的 QoS。 分組調(diào)度器管理和調(diào)度不同類型分組流的轉(zhuǎn)發(fā) ， 實現(xiàn)相應的 QoS。分組調(diào)度機制可以是優(yōu)先級排隊或者加權公平排隊 （ WFQ ） 。 資源預留協(xié)議 資源預留協(xié)議（ Resource ReSerVation Protocol； RSVP）是一種用于互聯(lián)網(wǎng)上質(zhì)量整合服務的協(xié)議 。 RSVP 允許 主 機 在網(wǎng)絡上請求特殊服務質(zhì)量用于特殊應用程序 數(shù)據(jù)流 的傳輸。路由器 也使用 RSVP 發(fā)送服務質(zhì)量（ QoS）請求給所有結(jié)點（沿著流 路徑 ）并建立和維持這種狀態(tài)以提供請求服務 。 RSVP 允許多個發(fā)送者傳送到多個 組接收器，允許單獨的接收武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 10 器自由切換頻道，并優(yōu)化帶寬的使用，而在同一時間消除擁塞。 資源預留協(xié)議（ RSVP）最初是 IETF 為 QoS 的綜合服務模型定義的一個信令協(xié)議，用于在流（ flow）所經(jīng)過路徑上為該流進行資源預留，從而滿足該流的 QoS 要求。資源預留協(xié)議（ RSVP）的引入使得 IP 網(wǎng)絡為應用提供所要求的端到端的 QoS 保證成為可能。在實時數(shù)據(jù)開始傳輸之前，先設定路由和資源預留。為了支持這種能力，數(shù)據(jù)包所經(jīng)過的每一個網(wǎng)絡節(jié)點都必須能夠支持 RSVP 協(xié)議控制服務質(zhì)量的機制。也就是說，網(wǎng)絡元素在收到RSVP 預留資源請求后 ，需要為數(shù)據(jù)業(yè)務流保留所需的“軟狀態(tài)”（有關該數(shù)據(jù)業(yè)務流的源地址、目標地址、路由信息和需要占用該路由器的資源信息等）。 RSVP 的特性可用圖 說明。 該 圖是一個多目標廣播叔，它的數(shù)據(jù)流從樹的頂部到 6個主機。雖然數(shù)據(jù)源來自發(fā)送端 ， 但保留消息則發(fā)自接收端。當路由器向上給發(fā)送端 發(fā)保留消息時 ， 路由器可以合并來自下面的保留消息。 圖 RSVP 的特征 RSVP 的工作過程如下： 數(shù)據(jù)源周期性的向目標端發(fā)送路徑消息， 保留 消息中包含有描述業(yè)務流的傳輸屬性和路由的信息。所有途徑的支持 RSVP 協(xié)議的中間節(jié)點都對路徑消息進行傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)，并將自身的地址寫入路徑消息。如果中間節(jié)點不能支持 RSVP 協(xié)議，則將此消息透明轉(zhuǎn)發(fā)。當目標接收端接收到 保留 消息后，朝著 保留 消息成功建立的反方向回送一個資源預留消息 （ RSVP） ，要求沿途的各中間節(jié)點進行資源預留。各個中間節(jié)點根據(jù)其自身的狀態(tài)和適當?shù)倪B接接納算法決定是否接受資源預留的請求，如果拒絕資源預留請求，則向目標端返 回錯誤信息， RSVP 會話將被終結(jié)；如果接受資源預留請求，則必須為業(yè)務流保持所需的鏈路資源“軟狀態(tài)”，這種預約的“軟狀態(tài)”不需要明確的刪除請求，而由 RSVP 控制信息周期性地刷新。在無刷新信息情況下，“軟狀態(tài)”會超時并刪除 [11]。 IntServ 的優(yōu)缺點 IntServ 模型的提出對網(wǎng)絡服務質(zhì)量的控制具有重要的意義，它主要具有以下優(yōu)點： 一、 IntServ 的提出，使得 QoS 得到了理論上最可靠的保證， RSVP 的引入使得網(wǎng)絡為業(yè)務流提供所要求的端到端的資源保證成為可能， RSVP 協(xié)議在 此模型中可以運行在從源端到目的端的每個路由器上。用戶可預訂所需的資源，由網(wǎng)絡接入服務商負責分配資源。 武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 11 二、詳細的設計使 RSVP 用戶能夠仔細地規(guī)定自身數(shù)據(jù)業(yè)務種類，并且網(wǎng)絡接入服務商和其他網(wǎng)絡節(jié)點可以監(jiān)視每個流，以防止其消耗比它請求、預留要多的資源，而且可以隨時在當前網(wǎng)絡節(jié)點終止非法的資源占用。 三、由于 RSVP 協(xié)議使用“軟狀態(tài)”，通過周期性的重傳 保留 和 RSVP 信息來刷新網(wǎng)絡鏈路，因此，能對網(wǎng)絡拓撲的變化做出反應。 即使 IntServ 模型對網(wǎng)絡服務質(zhì)量的控制具有重要的意義，同時 也存在許多不可避免的、致命的缺點 : 一、可擴展性是 IntServ 結(jié)構(gòu)最致命的一個問題，因為 IntServ 要求端到端的信令，此模型適用于長期的穩(wěn)定的業(yè)務流 （ 如音頻或視頻流 ） 。但是網(wǎng)絡中大部分業(yè)務流為短期、突發(fā)的，這在一個實際運行的運營商網(wǎng)絡中幾乎無法實現(xiàn)。 二、資源預留協(xié)議還要求沿途的每個路由器 （ 包括邊緣路由器和核心路由器 ） 都要支持 RSVP 控制協(xié)議，為業(yè)務流保持“軟狀態(tài)”，這對路由器的實現(xiàn)造價要求太高。無疑也限制了這種結(jié)構(gòu)的可擴展性，因為每個路由器的內(nèi)存有限，可以保存的軟狀態(tài)信息都是有限的，在一個運 營商規(guī)模的網(wǎng)絡中幾乎不可能實現(xiàn)真正意義上的資源預留，所希望達到的QoS 保證也就大打折扣。 三、如何為資源預留申請授權并確定優(yōu)先權也是 IntServ 結(jié)構(gòu)本身很難克服的問題。 四、從 IntServ 結(jié)構(gòu)的實質(zhì)來看，資源預留本身就與 IP 網(wǎng)絡的最大特點“無連接”相沖突。無連接的 IP 網(wǎng)絡最大的優(yōu)點就是不需要復雜的信令，只要網(wǎng)絡有資源可以利用，因此人們通常將這種方式叫做“盡力而為”的傳送方式。顯然，這種方式的可擴展性很強。 因而，單純的 IntServ 結(jié)構(gòu)模型實際上無法被用戶滿意的接受，在商業(yè)界 更會受到發(fā)展的制約。所以，以上述單純的 IntServ 結(jié)構(gòu)模式將不會在通信網(wǎng)絡中得到廣泛應用。 區(qū)分服務體系模型 區(qū)分服務體系模型（ DiffServ）定義了一 種 可以在互聯(lián)網(wǎng)上實時可擴展、健全性、簡單性的服務分類的體系結(jié)構(gòu)。 DiffServ 一般用于大型網(wǎng)絡的骨干核心，在運營網(wǎng)絡中發(fā)揮著重要的作用。 DiffServ 是一個多服務模型，它可以滿足不同的 QoS 需求。與 IntServ 不同，DiffServ 不需要通知網(wǎng)絡為每個業(yè)務預留資源 ，解決了 IntServ 模型擴展性差這一存在的問題。與 IntServ 第二個不同是 ， DiffServ 模型將網(wǎng)絡分為核心部分和邊緣部分，大大的簡化了網(wǎng)絡的復雜度。 武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 12 DiffServ 是基于優(yōu)先級的，不同的數(shù)據(jù)流在進入網(wǎng)絡的時候被邊緣節(jié)點打上不同的標記，分為不同的類別，網(wǎng)絡核心節(jié)點根據(jù)分組的不同標記提供不同的服務。節(jié)點路由器并不保存每個數(shù)據(jù)業(yè)務流的狀態(tài)信息，而是只保留有限個業(yè)務類的狀態(tài)信息。這樣，在網(wǎng)絡節(jié)點中的處理狀態(tài)信息的負擔將大大降低，從而簡化了網(wǎng)絡的復雜度，保證了大型網(wǎng)絡的可實現(xiàn)性和可擴展性。目前，關于 DiffServ 模型的研究仍然是 IP 網(wǎng)絡 QoS 研究的熱點。區(qū)分服務模型如