【正文】 ? 報文分類和著色? 避免和管理網(wǎng)絡擁塞? 流量監(jiān)管和流量整形? QoS信令協(xié)議下面的例子講述了網(wǎng)絡發(fā)生擁塞時，報文在無QoS保證和有QoS保證網(wǎng)絡中的不同處理過程。圖1所示為發(fā)生擁塞時，網(wǎng)絡設備的一個接口在不支持QoS的情況下，報文的發(fā)送情況：圖1先進先出隊列示意圖所有要從該接口輸出的報文，按照到達的先后順序進入接口的FIFO隊列尾部，而接口在發(fā)送報文時，從FIFO隊列的頭部開始，依次發(fā)送報文，所有的報文在發(fā)送過程中，沒有任何區(qū)別，也不對報文傳送的質(zhì)量提供任何保證。圖2則是一個用PQ隊列來支持QoS的報文發(fā)送情況：圖2 PQ隊列示意圖在報文到達接口后，首先對報文進行分類，然后按照報文所屬的類別讓報文進入所屬隊列的尾部，在報文發(fā)送時，按照優(yōu)先級，總是在所有優(yōu)先級高的隊列發(fā)送完畢后，再發(fā)送低優(yōu)先級隊列中的報文。這樣在每次發(fā)送報文時，總是將優(yōu)先級高的報文先發(fā)出去，保證了屬于較高優(yōu)先級隊列的報文有非常低的時延，其報文的丟失率和通過率這兩個性能指標在網(wǎng)絡擁塞時也可以有一定的保障。QoS可以控制各種網(wǎng)絡應用和滿足各種網(wǎng)絡應用要求，如：? ? 控制資源。如可以限制骨干網(wǎng)上FTP使用的帶寬，也可以給數(shù)據(jù)庫訪問以較高優(yōu)先級。? ? 可裁剪的服務。對于一個ISP，其用戶可能傳送語音、視頻或其他實時業(yè)務，QoS使ISP能區(qū)分這些不同的報文，并為他們提供不同的服務。? ? 多種需求并存，可以為時間敏感的多媒體業(yè)務提供帶寬和低時延保證，而其他業(yè)務在使用網(wǎng)絡時，也不會影響這些時間敏感的業(yè)務。在一個網(wǎng)絡中，需要以下的三個部分來完成端到端的QoS：? ? 各網(wǎng)絡元件（路由器、以太網(wǎng)交換機等）支持QoS，提供隊列調(diào)度、流量整形等功能。? ? 信令技術來協(xié)調(diào)端到端之間的網(wǎng)絡元件為報文提供QoS。? ? QoS控制和管理端到端之間的報文在一個網(wǎng)絡上的發(fā)送。而每個網(wǎng)絡元件提供如下功能：? ? 報文分類，對不同類別的報文提供不同的處理。? ? 隊列管理和調(diào)度來滿足不同應用要求的不同服務質(zhì)量。? ? 流量監(jiān)管和流量整形限制和調(diào)整報文輸出的速度。? ? Admission control來確定是否允許用戶信息流使用網(wǎng)絡資源。 服務模型服務模型，是指一組端到端的QoS功能，通常QoS提供以下三種服務模型：? BestEffort service? Integrated service（Intserv）? Differentiated service（Diffserv）BestEffort serviceBestEffort是一個單一的服務模型，也是最簡單的服務模型。應用程序可以在任何時候，發(fā)出任意數(shù)量的報文，而且不需要事先獲得批準，也不需要通知網(wǎng)絡。對BestEffort服務，網(wǎng)絡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。 BestEffort服務是現(xiàn)在Internet的缺省服務模型，它適用于絕大多數(shù)網(wǎng)絡應用，如FTP、EMAIL等，它通過先入先出（FIFO）隊列來實現(xiàn)。Integrated serviceIntegrated service是一個綜合服務模型，它可以滿足多種QoS需求。這種服務模型在發(fā)送報文前，需要向網(wǎng)絡申請?zhí)囟ǖ姆?。這個請求是通過信令（signal）來完成的，應用程序首先通知網(wǎng)絡它自己的流量參數(shù)和需要的特定服務質(zhì)量請求，包括帶寬、時延等，應用程序一般在收到網(wǎng)絡的確認信息，即確認網(wǎng)絡已經(jīng)為這個應用程序的報文預留了資源后，才開始發(fā)送報文。同時應用程序發(fā)出的報文應該控制在流量參數(shù)描述的范圍以內(nèi)。網(wǎng)絡在收到應用程序的資源請求后，執(zhí)行資源分配檢查（Admission control），即基于應用程序的資源申請和網(wǎng)絡現(xiàn)有的資源情況，判斷是否為應用程序分配資源。一旦網(wǎng)絡確認為應用程序的報文分配了資源，則只要應用程序的報文控制在流量參數(shù)描述的范圍內(nèi)，網(wǎng)絡將承諾滿足應用程序的QoS需求。而網(wǎng)絡將為每個流（flow，由兩端的IP地址、端口號、協(xié)議號確定）維護一個狀態(tài)，并基于這個狀態(tài)執(zhí)行報文的分類、流量監(jiān)管（policing）、排隊及其調(diào)度，來實現(xiàn)對應用程序的承諾。傳送QoS請求的信令是RSVP（資源預留協(xié)議），它通知路由器應用程序的QoS需求。Integrated service可以提供以下兩種服務：? 保證服務（Guaranteed service） 它提供保證的帶寬和時延限制來滿足應用程序的要求。如VoIP應用可以預留10M帶寬和要求不超過1秒的時延。? 負載控制服務（ControlledLoad service） 它保證即使在網(wǎng)絡過載（overload）的情況下，能對報文提供近似于網(wǎng)絡未過載類似的服務，即在網(wǎng)絡擁塞的情況下，保證某些應用程序的報文低時延和高通過。Differentiated serviceDifferentiated service是一個多服務模型，它可以滿足不同的QoS需求。與Integrated service不同，它不需要信令，即應用程序在發(fā)出報文前，不需要通知三層設備。對Differentiated service，網(wǎng)絡不需要為每個流維護狀態(tài)，它根據(jù)每個報文指定的QoS，來提供特定的服務?？梢杂貌煌姆椒▉碇付▓笪牡腝oS，如IP包的優(yōu)先級位（IP Precedence)，報文的源地址和目的地址等。網(wǎng)絡通過這些信息來進行報文的分類、流量整形、流量監(jiān)管和排隊。Differentiated service一般用來為一些重要的應用提供端到端的QoS。它通過下列技術來實現(xiàn)：CAR：它根據(jù)IP包的優(yōu)先級或QoS組來進行報文分類。CAR也完成報文的度量和流量監(jiān)管。隊列技術：WRED、PQ、CQ、WFQ、CBWFQ等隊列技術對擁塞的報文進行緩存和調(diào)度，實現(xiàn)隊列管理。通常在配置Differentiated service時，邊界路由器通過報文的源地址和目的地址等對報文進行分類，對不同的報文設置不同的IP優(yōu)先級，而其他路由器只需要用IP優(yōu)先級來進行報文的分類。在MPLS上應用Differentiated service用以下兩種方法來解決：在以太網(wǎng)等MPLS報文中，由于在二層鏈路層和三層網(wǎng)絡層之間有一個墊片（shim），我們可以擴展shim中未用的字段：EXP（包含三個bit），由這幾個位來決定報文的調(diào)度及報文丟棄的優(yōu)先級。在ATM，F(xiàn)R等網(wǎng)絡中，其MPLS報文沒有shim，可針對FEC（Forwarding Equivalance Class 轉(zhuǎn)發(fā)等價類）和QoS請求的組合來分配標簽，而不同于以前僅針對FEC分配標簽（lable）。這樣在收到一個MPLS報文后，根據(jù)收到報文的lable，就可以確定發(fā)出報文的lable及報文所要求的服務。 華為VRP的QOS特性及實現(xiàn)技術H3C公司H3C系列路由器及交換機均以VRP為軟件平臺，VRP的QoS具有以下特性：? 報文分類? 擁塞管理? 擁塞避免? 流量監(jiān)管和流量整形? 物理接口總速率限制分類報文分類是將報文劃分為多個優(yōu)先級或多個服務類，如使用IP報文頭的TOS字段（Type of service）的前三位（即優(yōu)先權(quán)子字段），可以將報文最多分成八類。在報文分類后，就可以將其它的QoS特性應用到不同的分類，如擁塞管理、帶寬分配等。網(wǎng)絡管理者可以設置報文分類的策略，這個策略可以包括物理接口、源地址、目的地址、MAC地址、IP協(xié)議或應用程序的端口號等。一般的分類算法都局限在IP報文的頭部，鏈路層（Layer 2）、網(wǎng)絡層（layer 3）、甚至傳輸層（layer 4）。使用報文的內(nèi)容作為分類的標準是比較少見的。分類的結(jié)果是沒有范圍限制的，它可以是一個由五元組（源地址、源端口號、協(xié)議號碼、目的地址、目的端口號）確定的流這樣狹小的范圍，也可以是到某某網(wǎng)段的所有報文。報文分類使用如下技術：ACL和IP優(yōu)先級。一般在網(wǎng)絡的邊界，使用ACL來進行報文的分類，如以下分類：? 所有的HTTP的報文置為最低的優(yōu)先級? 某指定接口收到的報文置為最高優(yōu)先級一般在網(wǎng)絡邊界，對報文進行分類時，同時設置報文的IP頭的TOS字段的前三位作為報文的IP優(yōu)先級，這樣，在網(wǎng)絡的內(nèi)部就可以簡單的使用IP優(yōu)先級作為分類的標準。而隊列技術如WFQ就可以使用這個優(yōu)先級來對報文進行不同的處理。下游（downstream）網(wǎng)絡可以選擇接收上游（upstream）網(wǎng)絡的分類結(jié)果，也可以按照自己的分類標準重新進行分類。擁塞管理什么是擁塞和擁塞管理圖3網(wǎng)絡擁塞示意圖在計算機數(shù)據(jù)通信中，通信信道是被多個計算機共享的，并且，廣域網(wǎng)的帶寬通常要比局域網(wǎng)的帶寬小，這樣，當一個局域網(wǎng)的計算機向另一個局域網(wǎng)的計算機發(fā)送數(shù)據(jù)時，由于廣域網(wǎng)的帶寬小于局域網(wǎng)的帶寬，數(shù)據(jù)將不可能按局域網(wǎng)發(fā)送的速度在廣域網(wǎng)上傳輸。此時，處在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)之間的路由器將不能發(fā)送一些報文，即網(wǎng)絡發(fā)生了擁塞。 如圖3所示，當公司局域網(wǎng)1向公司局域網(wǎng)2以10M的速度發(fā)送數(shù)據(jù)時，將會使路由器1的串口s1發(fā)生擁塞。擁塞管理是指網(wǎng)絡在發(fā)生擁塞時，如何進行管理和控制。處理的方法是使用隊列技術。將所有要從一個接口發(fā)出的報文 進入多個隊列，按照各個隊列的優(yōu)先級進行處理。不同的隊列算法用來解決不同的問題，并產(chǎn)生不同的效果。常用的隊列有FIFO、PQ，CQ，WFQ等。擁塞管理的處理包括隊列的創(chuàng)建、報文的分類、將報文送入不同的隊列、隊列調(diào)度等。在一個接口沒有發(fā)生擁塞的時候，報文在到達接口后立即就被發(fā)送出去，在報文到達的速度超過接口發(fā)送報文的速度時，接口就發(fā)生了擁塞。擁塞管理就會將這些報文進行分類，送入不同的隊列；而隊列調(diào)度對不同優(yōu)先級的報文進行分別處理，優(yōu)先級高的報文會得到優(yōu)先處理。擁塞管理技術對于擁塞的管理，一般采用排隊的技術，使得報文在路由器中按一定的策略暫時排隊，然后再按一定的調(diào)度策略把報文從隊列中取出，在接口上發(fā)送出去。根據(jù)排隊和出隊策略的不同，擁塞管理分為以下幾種：1. 先進先出隊列（First In First Out Queueing, FIFO）圖4 先進先出隊列示意圖如圖4所示，先進先出隊列（以后簡稱FIFO）不對報文進行分類，當報文進入接口的速度大于接口能發(fā)送的速度時，F(xiàn)IFO按報文到達接口的先后順序讓報文進入隊列，同時，F(xiàn)IFO在隊列的出口讓報文按進隊的順序出隊，先進的報文將先出隊，后進的報文將后出隊。在如圖3所示的網(wǎng)絡圖中，假設局域網(wǎng)1的服務器向局域網(wǎng)2的服務器發(fā)送關鍵業(yè)務的數(shù)據(jù)，局域網(wǎng)1的PC向局域網(wǎng)2的PC發(fā)送非關鍵業(yè)務的數(shù)據(jù)，則FIFO不會對這兩種不同業(yè)務的報文做任何區(qū)別對待，報文的出隊完全依賴于報文到來的先后順序。2. 優(yōu)先隊列（Priority Queueing, PQ）圖5 優(yōu)先隊列示意圖如圖5所示，優(yōu)先隊列（以后簡稱PQ）對報文進行分類，將所有報文分成最多至4類，分別屬于PQ的4個隊列中的一個，然后，按報文的類別將報文送入相應的隊列。PQ的4個隊列分別為高優(yōu)先隊列、中優(yōu)先隊列、正常優(yōu)先隊列和低優(yōu)先隊列，它們的優(yōu)先級依次降低。在報文出隊的時候，PQ首先讓高優(yōu)先隊列中的報文出隊并發(fā)送，直到高優(yōu)先隊列中的報文發(fā)送完，然后發(fā)送中優(yōu)先隊列中的報文，同樣，直到發(fā)送完，然后是正常優(yōu)先隊列和低優(yōu)先隊列。這樣，分類時屬于較高優(yōu)先級隊列的報文將會得到優(yōu)先發(fā)送，而較低優(yōu)先級的報文將會在發(fā)生擁塞時被較高優(yōu)先級的報文搶先，使得關鍵業(yè)務（如ERP）的報文能夠得到優(yōu)先處理，非關鍵業(yè)務（如EMail）的報文在網(wǎng)絡處理完關鍵業(yè)務后的空閑中得到處理，既保證了關鍵業(yè)務的優(yōu)先，又充分利用了網(wǎng)絡資源。在如圖3所示的網(wǎng)絡圖中，假設局域網(wǎng)1的服務器向局域網(wǎng)2的服務器發(fā)送關鍵業(yè)務的數(shù)據(jù)，局域網(wǎng)1的PC向局域網(wǎng)2的PC發(fā)送非關鍵業(yè)務的數(shù)據(jù)，如果對路由器1的串口1配置PQ進行擁塞管理，同時配置服務器間的數(shù)據(jù)流的進入較高優(yōu)先級的隊列，PC間的數(shù)據(jù)流進入較低優(yōu)先級的隊列，則PQ將對這兩種不同業(yè)務的報文做區(qū)別對待，首先讓較高優(yōu)先級隊列中的報文出隊并發(fā)送，直到此隊列中的報文發(fā)送完，然后再發(fā)送較低優(yōu)先級隊列中的報文。即服務器間的報文總是被先發(fā)送，直到暫時沒有服務器間的報文，路由器才發(fā)送PC間的報文。（Custom Queueing, CQ）圖6 定制隊列示意圖如圖6所示，定制隊列（以后簡稱CQ）對報文進行分類，將所有報文分成最多至17類，分別屬于CQ的17個隊列中的一個，然后，按報文的類別將報文送入相應的隊列。CQ的17個隊列中，0號隊列是優(yōu)先隊列，路由器總是先把0號隊列中的報文發(fā)送完，然后才處理1到16號隊列中的報文，所以0號隊列一般作為系統(tǒng)隊列，把實時性要求高的交互式協(xié)議報文放到0號隊列。1到16號隊列可以按用戶的定義分配它們能占用接口帶寬的比例，在報文出隊的時候，CQ按定義的帶寬比例分別從1到16號隊列中取一定量的報文在接口上發(fā)送出去。現(xiàn)在我們將CQ和PQ做個比較。PQ賦予較高優(yōu)先級的報文絕對的優(yōu)先權(quán)，這樣雖然可以保證關鍵業(yè)務的優(yōu)先，但在較高優(yōu)先級的報文的速度總是大于接口的速度時，將會使較低優(yōu)先級的報文始終得不到發(fā)送的機會。采用CQ，則可以避免這種情況的發(fā)生。CQ可以把報文分類，然后按類別將報文分配到CQ的一個隊列中去，而對每個隊列，又可以規(guī)定隊列中的報文所占接口帶寬的比例，這樣，就可以讓不同業(yè)務的報文獲得合理的帶寬，從而既保證關鍵業(yè)務能獲得較多的帶寬，又不至于使非關鍵業(yè)務得不到帶寬。在如圖3所示的網(wǎng)絡圖中，假設局域網(wǎng)1的服務器向局域網(wǎng)2的服務器發(fā)送關鍵業(yè)務的數(shù)據(jù)，局域網(wǎng)1的PC向局域網(wǎng)2的PC發(fā)送非關鍵業(yè)務的數(shù)據(jù)，如果對路由器1的串口1配置CQ進行擁塞管理，同時配置服務器間的數(shù)據(jù)流的進入隊列1，隊列1中的報文占有60%的帶寬，例如每次出隊6000個字節(jié)的報文，PC間的數(shù)據(jù)流進入隊列2，隊列2 中的報文占有20%的帶寬，例如每次出隊2000個字節(jié)的報文，則CQ對這兩種不同業(yè)務的報文將做區(qū)別對待。報文的發(fā)送采用輪詢調(diào)度的方式，首先讓隊列1中的報文出隊并發(fā)送，直到此隊列中的報文被發(fā)送的字節(jié)數(shù)不少于6000字節(jié)，然后才開始發(fā)送隊列2中的報文， 直到此隊列中的報文被發(fā)送的字節(jié)數(shù)不少于2000字節(jié)，然后是其他隊列。路由器1的串口1的物理