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湖北大学计算机控制系 杨浚
QoS是指一个网络能够利用各种多样的基础技术向选定的网络通信提供更好的服务的能力，它是一种合理分配交换机和路由器资源，使数据快速、连续且可靠地到达目的地的方法。具体说是指网络管理者对网络的一种标准设置。对一个网络来说，提供端到端的QoS十分关键，端到端的QoS指的是网络从一端到另一端传送特殊网络通信所要求的服务的能力。它包括一系列机制，使网络管理者能够控制网络中的带宽、延迟、以及分组丢失等。
要提供端到端的QoS保证就要配置整个网络的QoS功能，如果需要在一个异种网络上传送QoS，则必须具备以下几个组件：
* 单个网络元素内部的QoS，包括：排队、时序安排以及通信流量的规定等功能。
* QoS信令技术，用于在网络元素之间从端到端的协调QoS。
* QoS监视和管理功能，用于控制和管理网络上端对端的通信。
一、 解决QoS的方法
IETF目前对于IP上QoS的研究主要集中在两个基本模型：综合业务模型（Int-Serv）和分类业务模型（Diff-Serv）。
1．Int-Serv的基本概念和技术概述
Int-Serv框架使IP网能够提供具有QoS的传输，以用于对QoS要求较为严格的实时业务（声音/视频）。
Int-Serv为应用提供其所要求的端到端行为，使应用能够为其数据包的传送选择服务等级。Int-Serv所采用的技术包括：加权的随机早期检测（WRED）阻塞控制机制，它可为不同的业务类型提供不同的业务保证；限制延迟、抖动以及网络内带宽消耗的加权公平排队算法（WFQ）；以及能够为特定应用预留带宽的资源顾留协议（RSVP）。
Int-Serv以RSVP作为信令的工作协议，该协议为每个流预先申请其所要求的网络资源，在IP包从发送者到接收者之间将要经过的每个路由器上为每个业务流申请所需的带宽、缓冲等资源，而路由器则必须为RSVP流保持所需的“软状态”。Int-Serv利用RSVP协议提供的端到端的信令控制，使面向无连接的Internet网对于某些业务变成有连接的网络。但存在以下问题：由于RSVP要求端到端的信令支持，且必须在沿途每个路由器上为每个请求预留资源的数据流保持软状态，使每个路由器的负担会随着网络的扩大，业务流的增多而加重。
2．Diff-Serv概述
Diff-Serv模型重新利用了IPV4中的服务类型（TOS）字段（或IPV6中的业务类型字段）。当数据流进入Diff-Serv网络时，边缘路由器通过标识该字段，将IP包分为不同的服务类别，而网络中的其它传送路由器在收到该IP包时，则根据该字段所标识的服务类别将其放入不同的队列，即给与不同的每一跳行为（PHB），其中最主要的就是对每个队列的出带宽分配，以及发生阻塞时如何丢包，这些资源的分配规则都是预先设定好的。
Int-Serv类型的业务适合于那些对带宽和延迟有特定数量要求并持续很长时间的应用，如会议电视应用，它要求至少384kbps的带宽，并能持续较长时间。Diff-Serv业务提供优先级机制，在网络的输入端检测出应用的特性，并为该应用分配服务级别协定（SLA）。根据SLA，路由器确定使用什么样的QoS机制，例如把该业务流放在哪个排队队列，在发生拥塞时的丢失优先级等。
Diff-Serv并不提供从发送者到接收者的端到端的服务质量保证，百是在域的范围内保证与业务分类相对应的服务质量，每个域之间对于不同类别业务的服务质量都应有一定的约定和包标识的翻译机制。因此要提供端到端的服务质量仅选择Diff-Serv是不够的。
3．MPLS
MPLS（多协议标记交换）通过简化核心设备的实际转发功能，在内部引入面向连接的机制而不是与连接无关的IP技术，为每个路由建立一条标记交换路径，当数据包转发到出口时，出口边缘路由器分析IP信头，确定下一个标记交换路径，后续的节点只需沿着标记确定的路径转发数据包即可。可以采用这种技术用来解决QoS问题，其覆盖范围是核心网络路由器，为建立核心路由器间的交换路径，核心路由器间需要定时交换流量等状况信息。通过MPLS在内部引入面向连接的机制，使主干网更好的支持QoS，但它需要对现有的网络结构进行改变，从本质上来看，它体现了网络层和传输层的结合，提出了一种新的构造IP主干网的方法，通过这种技术在内部引入面向连接的机制。
二、端到端的QoS的解决
对于IP网上提供端到端的QoS来说，最大的问题在于基于IP的连接体系结构，它是面向无连接的，不能对网络提供预定义的环路或路径，到达同一目的的数据包可能经过完全不同的路由。而租用专线的服务在两点间提供物理的连接，帧中继。ATM则通过逻辑的虚拟环路提供类似的端到端的连接，因此解决IP网上端到端的QoS的方法就是要在一个没有真正的预定义的端到端的连接的环境中建立端到端的控制，它采用Diff-Serv模型和MPLS技术。具体实现这种端到端的服务质量包括以下几部分：
1． QoS定义
它指用户、服务提供者及网络本身对于QoS的定义，即在概念上对所采用的QoS达成一致。通过分析将采用有区别的服务（Diff-Serv）和多协议标记交换（MPLS）实现IP的QoS的标准：Diff-Serv是第三层的解决方案，MPLS则为一种基于2/3层的IP传输的策略，Diff-Serv和MPLS互为补充从两个不同的方向来提高QoS。
Diff-Serv通过边缘网络设备的访问和主干网中支持Diff-Serv的路由来实现QoS保证，虽然它是纯第三层的操作，但它也可在第二层的结构上发展，支持Diff-Serv和不支持Diff-Serv的路由器和服务可在同一环境中结合，而通过MPLS技术使主干网更好的支持QoS。
Diff-Serv和MPLS互相独立发展，但它们也可互相配合，实现访问控制和主干网相结合提供QoS的保证。
2．访问QoS
带宽使用的控制和基于策略的传输是访问QoS的关键，它在用户的数据进入网络的进入点进行设置提供QoS保证。QoS保证的要点在于带宽的提供、使用和控制，当数据流进入网络，能够为不同的数据流提供基于策略的和优先权，这些需求由网络提供者通过标记不同的服务级别来提供。
Diff-Serv通过在网络边缘的设置来提供QoS的功能，在这其中较为关键的有以下几点：
Traffic Classification：对于流入网络的IP数据流，根据其TOS字段将其放入不同的队列。
Marking：通过配置的策略来设置DS字段，通过这一步，数据包就成了Diff-Serv业务型数据包。
Shaping：允许通过再次调用缓冲空间来加强带宽策略
Policing：策略设置可以监视数据传输情况，管理数据包的标记或数据包的丢失。
3．主干QoS保证
有两种方式提供主干网络支持端到端的QoS保证，一种方式是从根本上替代IP的向前的结构，使它更象环路交换环境，这种方法混合了第2层和第3层的解决方案，即MPLS技术。另一种途径是在主干网上提供足够的带宽，来提供对服务质量的保证，这是解决目前IP网上服务质量问题最根本有效的方法。
MPLS将提高IP网的主干工程，但下一步对IP网来说如何通过Diff-Serv进行访问控制将是最关键的一点，通过在网络边缘对QoS定义和管理的访问控制，网络提供者将为用户提供不同的服务级别。所以访问控制和主干网的保证是解决IP的QoS的关键。
三、结束语
目前IP网络中出现的所有服务质量问题，归根到底是带宽不足带来的。因此充分加大目前网络的带宽（包括骨干网和接入网两部分）以使其超过应用的需要，是解决IP网中服务质量最有效的办法。然而带宽的增加要受到各种因素的制约，事实上，新应用的不断出现决定了IP网带宽的增长几乎永远无法完全满足所有业务的需求。因此如何合理利用目前IP网络的有限带宽，使其尽量能够保证各种应用所需的QoS才是解决问题的关键。
QoS是指一个网络能够利用各种多样的基础技术向选定的网络通信提供更好的服务的能力，它是一种合理分配交换机和路由器资源，使数据快速、连续且可靠地到达目的地的方法。具体说是指网络管理者对网络的一种标准设置。对一个网络来说，提供端到端的QoS十分关键，端到端的QoS指的是网络从一端到另一端传送特殊网络通信所要求的服务的能力。它包括一系列机制，使网络管理者能够控制网络中的带宽、延迟、以及分组丢失等。
要提供端到端的QoS保证就要配置整个网络的QoS功能，如果需要在一个异种网络上传送QoS，则必须具备以下几个组件：
* 单个网络元素内部的QoS，包括：排队、时序安排以及通信流量的规定等功能。
* QoS信令技术，用于在网络元素之间从端到端的协调QoS。
* QoS监视和管理功能，用于控制和管理网络上端对端的通信。
一、 解决QoS的方法
IETF目前对于IP上QoS的研究主要集中在两个基本模型：综合业务模型（Int-Serv）和分类业务模型（Diff-Serv）。
1．Int-Serv的基本概念和技术概述
Int-Serv框架使IP网能够提供具有QoS的传输，以用于对QoS要求较为严格的实时业务（声音/视频）。
Int-Serv为应用提供其所要求的端到端行为，使应用能够为其数据包的传送选择服务等级。Int-Serv所采用的技术包括：加权的随机早期检测（WRED）阻塞控制机制，它可为不同的业务类型提供不同的业务保证；限制延迟、抖动以及网络内带宽消耗的加权公平排队算法（WFQ）；以及能够为特定应用预留带宽的资源顾留协议（RSVP）。
Int-Serv以RSVP作为信令的工作协议，该协议为每个流预先申请其所要求的网络资源，在IP包从发送者到接收者之间将要经过的每个路由器上为每个业务流申请所需的带宽、缓冲等资源，而路由器则必须为RSVP流保持所需的“软状态”。Int-Serv利用RSVP协议提供的端到端的信令控制，使面向无连接的Internet网对于某些业务变成有连接的网络。但存在以下问题：由于RSVP要求端到端的信令支持，且必须在沿途每个路由器上为每个请求预留资源的数据流保持软状态，使每个路由器的负担会随着网络的扩大，业务流的增多而加重。
2．Diff-Serv概述
Diff-Serv模型重新利用了IPV4中的服务类型（TOS）字段（或IPV6中的业务类型字段）。当数据流进入Diff-Serv网络时，边缘路由器通过标识该字段，将IP包分为不同的服务类别，而网络中的其它传送路由器在收到该IP包时，则根据该字段所标识的服务类别将其放入不同的队列，即给与不同的每一跳行为（PHB），其中最主要的就是对每个队列的出带宽分配，以及发生阻塞时如何丢包，这些资源的分配规则都是预先设定好的。
Int-Serv类型的业务适合于那些对带宽和延迟有特定数量要求并持续很长时间的应用，如会议电视应用，它要求至少384kbps的带宽，并能持续较长时间。Diff-Serv业务提供优先级机制，在网络的输入端检测出应用的特性，并为该应用分配服务级别协定（SLA）。根据SLA，路由器确定使用什么样的QoS机制，例如把该业务流放在哪个排队队列，在发生拥塞时的丢失优先级等。
Diff-Serv并不提供从发送者到接收者的端到端的服务质量保证，百是在域的范围内保证与业务分类相对应的服务质量，每个域之间对于不同类别业务的服务质量都应有一定的约定和包标识的翻译机制。因此要提供端到端的服务质量仅选择Diff-Serv是不够的。
3．MPLS
MPLS（多协议标记交换）通过简化核心设备的实际转发功能，在内部引入面向连接的机制而不是与连接无关的IP技术，为每个路由建立一条标记交换路径，当数据包转发到出口时，出口边缘路由器分析IP信头，确定下一个标记交换路径，后续的节点只需沿着标记确定的路径转发数据包即可。可以采用这种技术用来解决QoS问题，其覆盖范围是核心网络路由器，为建立核心路由器间的交换路径，核心路由器间需要定时交换流量等状况信息。通过MPLS在内部引入面向连接的机制，使主干网更好的支持QoS，但它需要对现有的网络结构进行改变，从本质上来看，它体现了网络层和传输层的结合，提出了一种新的构造IP主干网的方法，通过这种技术在内部引入面向连接的机制。
二、端到端的QoS的解决
对于IP网上提供端到端的QoS来说，最大的问题在于基于IP的连接体系结构，它是面向无连接的，不能对网络提供预定义的环路或路径，到达同一目的的数据包可能经过完全不同的路由。而租用专线的服务在两点间提供物理的连接，帧中继。ATM则通过逻辑的虚拟环路提供类似的端到端的连接，因此解决IP网上端到端的QoS的方法就是要在一个没有真正的预定义的端到端的连接的环境中建立端到端的控制，它采用Diff-Serv模型和MPLS技术。具体实现这种端到端的服务质量包括以下几部分：
1． QoS定义
它指用户、服务提供者及网络本身对于QoS的定义，即在概念上对所采用的QoS达成一致。通过分析将采用有区别的服务（Diff-Serv）和多协议标记交换（MPLS）实现IP的QoS的标准：Diff-Serv是第三层的解决方案，MPLS则为一种基于2/3层的IP传输的策略，Diff-Serv和MPLS互为补充从两个不同的方向来提高QoS。
Diff-Serv通过边缘网络设备的访问和主干网中支持Diff-Serv的路由来实现QoS保证，虽然它是纯第三层的操作，但它也可在第二层的结构上发展，支持Diff-Serv和不支持Diff-Serv的路由器和服务可在同一环境中结合，而通过MPLS技术使主干网更好的支持QoS。
Diff-Serv和MPLS互相独立发展，但它们也可互相配合，实现访问控制和主干网相结合提供QoS的保证。
2．访问QoS
带宽使用的控制和基于策略的传输是访问QoS的关键，它在用户的数据进入网络的进入点进行设置提供QoS保证。QoS保证的要点在于带宽的提供、使用和控制，当数据流进入网络，能够为不同的数据流提供基于策略的和优先权，这些需求由网络提供者通过标记不同的服务级别来提供。
Diff-Serv通过在网络边缘的设置来提供QoS的功能，在这其中较为关键的有以下几点：
Traffic Classification：对于流入网络的IP数据流，根据其TOS字段将其放入不同的队列。
Marking：通过配置的策略来设置DS字段，通过这一步，数据包就成了Diff-Serv业务型数据包。
Shaping：允许通过再次调用缓冲空间来加强带宽策略
Policing：策略设置可以监视数据传输情况，管理数据包的标记或数据包的丢失。
3．主干QoS保证
有两种方式提供主干网络支持端到端的QoS保证，一种方式是从根本上替代IP的向前的结构，使它更象环路交换环境，这种方法混合了第2层和第3层的解决方案，即MPLS技术。另一种途径是在主干网上提供足够的带宽，来提供对服务质量的保证，这是解决目前IP网上服务质量问题最根本有效的方法。
MPLS将提高IP网的主干工程，但下一步对IP网来说如何通过Diff-Serv进行访问控制将是最关键的一点，通过在网络边缘对QoS定义和管理的访问控制，网络提供者将为用户提供不同的服务级别。所以访问控制和主干网的保证是解决IP的QoS的关键。
三、结束语
目前IP网络中出现的所有服务质量问题，归根到底是带宽不足带来的。因此充分加大目前网络的带宽（包括骨干网和接入网两部分）以使其超过应用的需要，是解决IP网中服务质量最有效的办法。然而带宽的增加要受到各种因素的制约，事实上，新应用的不断出现决定了IP网带宽的增长几乎永远无法完全满足所有业务的需求。因此如何合理利用目前IP网络的有限带宽，使其尽量能够保证各种应用所需的QoS才是解决问题的关键。