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CCIE那点事-李萧明

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日志

 
 

VOIP中QOS技术综述  

2011-05-19 18:49:00|  分类: Voice |  标签: |举报 |字号 订阅

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   Internet在过去5年所取得的巨大成就和未来所蕴涵的巨大发展潜力几乎没有人怀疑。当人们在思考未来Internet的发展时,如何在IP网络上保证用户信息传输的质量就成为一个不容忽视的重要问题。为解决这一问题,IP QoS(服务质量)便应运而生。
  IP业务多样化和快速增长已成为一个不争的事实。因此, IP QoS已成为网络基础研究的一个重点,也是未来IP网络发展的关键技术,因为IP QoS 是IP网络增加服务内容、提高服务质量的关键技术,也是未来网络运营商竞争的一个焦点。

  IP QoS是指IP的服务质量,也是指IP数据流通过网络时的性能。它的目的就是向用户提供端到端的服务质量保证。它有一套度量指标,包括业务可用性、延迟、可变延迟、吞吐量和丢包率。IP QoS在可预测、可测量性方面比传统 IP有了很大的提高,基本解决了商业用户的基本需求,因而势必可以吸引更多的商业用户,形成一个新的利润增长点,带来可增值的业务种类。另外,IP QoS还可提高带宽的使用率。

VoIP中主要采用资源预留协议(RSVP)以及进行服务质量监控的实时传输控制协议RTCP来避免网络拥塞,保障通话质量。

IP QoS——IP网络的核心技术


 

  在过去的25年中,Internet从一个美国政府建立的研究性网络发展成为今天全球性的商用网络。Internet是第一个IP(Internet Protocol)的大规模应用。IP技术现在已经成为网络话音 (Webtone)世界的基础平台。人们普遍认为,无论是在公用网络还是专用网络(如企业 Intranet)的演进过程中,IP技术都将发挥着举足轻重的作用。 为什么需要IP QoS?

  IP网络上多媒体业务的出现对IP环境中的服务质量 (QoS)提出了更高的要求。通过Intel和Microsoft等公司的努力,多媒体应用已经成为PC 结构中的一个有机组成部分,推动了公用和专用网络迅速地向多样化的、更具挑战性的业务组合发展。

  Internet上的分组话音和传真业务极大地降低了成本,使通信产业发生了彻底的变化。所有这些实时多媒体应用所需要的QoS远比目前Internet可以提供的尽力而为的服务等级保证要高。

  目前,Internet 远远不能提供企业所需要的且已经在其专用网络中习惯的可靠性和性能。商业客户在安全性、可预测性、可测量性等方面得到保证之前,还不大可能把关键业务的数据、话音和多媒体应用放到公用IP网络上。IP QoS 就是在这种环境下应运而生的。

  IP QoS是指IP的服务质量,是指IP数据流通过网络时的性能。它的目的就是向用户的业务提供端到端的服务质量保证。它有一套度量指标,包括业务可用性、延迟、可变延迟、吞吐量和丢包率。IP QoS在可预测、可测量性方面比传统IP有了很大提高,基本解决了商业用户的需求,因而势必可以吸引更多的商业用户,形成一个新的利润增长点,带来可增值的业务种类。另外,IP QoS还带来了更高效的带宽使用率等。因此可以说IP QoS将是今后一段时间促进IP网络增长的关键技术。

  有了IP QoS,服务提供商就可以通过吸引更多的商业用户、更高价位的业务级别以及更高效的带宽使用等来获得更大的收益。它们还可以通过增强不同业务的区分能力、Better-than-best-effort (优于尽力而为的传输) 的业务和客户化解决方案来获得更大竞争优势。

  尽管IP QoS的研究工作已经进行了一段时间,但是人们普遍认为目前还未出现一个成熟的体系架构、支持硬件以及相应的操作技术。但无论怎样,在IP网络中保证QoS将会是一个重要的发展方向。

  IP QoS的机遇

  将数据业务以及IP的话音业务转移到公用IP网络上是服务提供商最近几年寻找到的一个卖点或业务突破口。随着公网技术的不断成熟,一些商业用户已经开始将其应用逐渐地转移到了公用IP网络上来。吸引商业客户的最重要的一个条件就是这些关键业务都提供基于IP的QoS。IP QoS给运营商带来了很多好处。首先运营商通过IP QoS的引入,可以从性能上保证商业用户关键应用在运营网络中传输的服务质量,以提供原来无法提供的关键性业务,获得高额的利润;其次,由于IP QoS的引入,网络的带宽将会得到更有效的使用,可以根据商业用户的不同应用要求提供不同的带宽保证,使运营成本进一步降低。另外,如果从竞争的角度考虑,能够根据用户的需要来提供多种优于尽力而为的业务级别,为用户量体裁衣,提供个性化服务的运营商无疑最有竞争力。

  然而,要想实现上述几点并非易事。IP QoS仍然是一个比较新的概念,不同厂商提供了多种不同的专有解决方案,而且标准还未统一。因此,互连互通对运营商是一个不得不考虑的问题。除此之外,在这种不确定的环境中,服务提供商在实施IP QoS解决方案时,应该首先考虑以下几个问题: 应该为我的客户提供什么样的业务水平? 如何提供端到端的IP QoS?如何经济高效地管理IP QoS? 如何充分利用现有的IP或ATM基础设施? 如何将IP QoS与企业虚拟专用网业务结合?

  这些问题都是运营商在采用或实施IP QoS之前必须充分考虑的问题。

  IP QoS的定义

  大多数的业内专家都认为,QoS是区分服务提供商的一个重要标准。然而,与业务相关的一些重要概念和术语至今仍未达成普遍的一致,而这些概念和术语又恰恰是建立标准化的业务的重要前提。例如,IP QoS本身经常被误用,即使是业内的专家也不例外;所宣传的IP QoS往往只是IP CoS(Class of Service,服务级别)。它只能简单地将业务区分开来,而无法准确完善地定义和保证每一个服务级别。在一般的通信用语中,CoS的含义很广泛,它既包括一套已经标准化了的特性,也包括其他一些现在已经有效但还没有标准化的业务或业务集。而QoS的含义则很明确,主要用于度量与某种业务相关的一整套性能特点。

  QoS可以用一系列可度量的参数来描述: 业务可用性:用户到Internet业务之间连接的可靠性。 延迟:也称为时延(Latency),指两个参照点之间发送和接收数据包的时间间隔。 可变延迟:也称为抖动(Jitter),指在同一条路由上发送的一组数据流中数据包之间的时间差异。 吞吐量:网络中发送数据包的速率,可用平均速率或峰值速率表示。 丢包率:在网络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率。数据包丢失一般是由网络拥塞引起的。

  IP QoS的体系结构

  IP QoS的概念应该分为两个部分,这两部分的IP QoS 定义和侧重点均有所不同。

  局域网中的IP QoS主要是对第二层的以太网帧头加入了优先级字段,以区分不同的优先级。严格地讲,在局域网中只能简单地区分业务的优先级,并不能像ATM QoS那样有精确的定义和详细的参数指标来衡量。

  这种解决方案是根据对IEEE 802.1p/q协议字段的处理来区分不同优先级业务的。IEEE 802.1p/q同属于一个子集,它在传统的以太网帧头中加入了4个字节,其中802.1p占3位。802.1p延伸了802.1d的协议,利用3位优先级位可以最多提供8个优先等级。而802.1q利用VI(VLAN Identifier,虚拟网标识)位识别传送的帧究竟属于哪一个虚网。VI位共有12位,最大可以支持的虚网个数不会超过4096个。 802.1p/q的具体定义可以参见图1。

 

  在广域网上,IETF(Internet Engineering Task Force)定义了两种IP QoS结构——综合业务结构(Int-Serv )和业务区分结构(Diff-Serv)。两种结构各有其特点和优势,目前还无法互通。

  Int-Serv 一般应用在企业网络的边沿,如图2所示,它使用一种类似ATM SVC的方法,在发送端和接收端之间用RSVP(资源预留协议)作为每个流(Flow)的信令。RSVP的信息跨越整个网络,请求/预留资源。路径沿途的各路由器(包括核心路由器)必须为每个要求服务质量保证的数据流维护一个“软状态”。所谓的“软状态” 就是一种临时性状态,由资源预留定期失效来控制,因此无需申请拆除显式路径。软状态被定期的RSVP信息更新。通过RSVP信息的预留,各路由器可以判断是否有足够的资源可以预留。只有所有的路由器都给RSVP提供了足够的资源,“路径”方可建立;否则,将返回并拒绝信息。

 

  Diff-Serv比Int-Serv 更具可扩展性,如图3所示,它可用于企业的广域网中,并在运营商网络中发挥重要的作用,因为它可以根据应用或业务类型排出不同的优先级别。业务区分结构使用IPv4报头中的业务类型(ToS)字段,并将8 位ToS字段重新命名,作为DS字段,其中6位可供目前使用,剩余2位以备将来使用,如图4所示。通过该字段的标记,下行节点可以获取足够的服务质量信息,以对到达该端口的数据包做出相应的“处理”,将它们正确地转发给下一跳的路由器。这里需要注意, ToS字段和DS字段的定义是不同的。边缘路由器可以将ToS字段映射到DS字段。

 

 

  IP QoS的未来

  IP QoS将成为运营商级IP联网解决方案的基础,这种解决方案既可以十分可靠地传输公共Internet等一般性数据业务,同时又能传输关键业务应用。分析家普遍认为,在今后两年中IP业务将迅速增长,并将成为大多数服务提供商网络中的主导业务,而不仅仅是ISP。随着IP业务的进一步商业化,产业结构将发生较大变化。

  目前还没有一个路由协议可以根据不同的业务特点来计算最优路径。众所周知,不同类型的业务,其特点不同。如视频和话音业务虽然对传输时延和时延抖动都十分敏感,但对数据的丢失却有一定的忍耐度;相反,一般的数据业务虽然对时延和时延抖动都不十分在意,但对数据本身的丢失和差错却十分敏感。因此,不同的业务在通过运营网络时对最优路径的理解是不同的。对于数据业务来说,最短的路径就是最优的路径;而对于实时业务来说却未必如此。这些分歧是为纯粹数据业务设计的传统路由协议很难弥补的。因此,与之相关的问题就会影响到IP网络的业务质量,这是一个难以解决的问题。所幸的是,新的路由协议出现了,使得这一问题的解决指日可待。

  新一代的IP产品还将提供不断增多的队列,以实现更精细的业务区分。将来,还可以实现为特定的数据流定义并分配队列。

  策略管理算法将完全符合网络拓扑及其他环境因素,使网络能够使用尖端的高级策略、更有效地控制SLA、网络和业务的管理以及业务恢复。

  IP业务模式定义将更为明确,IP的业务控制功能将进一步增强,它们的结果就是服务的质量和级别将迅速提高,使更多的用户群可以享用到功能更为丰富的IP业务。

  总之,尽管今天的IP QoS还有很多问题没有解决,但就像今天的IP业务一样,IP QoS将不可避免地成为运营商IP 网络中一项关键的核心技术。

IP QoS的流量管理


 

  一、 为什么需要流量管理

  用户的各种业务在经过网络时,会受到各种因素的影响,如节点延迟、可变延迟以及丢包率等。IP QoS的宗旨就是解决这些问题,使网络通过控制这些参数来保证业务在网络中的性能。那么,对于那些高于尽力而为的业务,究竟保持什么样的水平才是比较合适的?可以说这里没有统一的规定,不同的业务对网络的要求不一样,不同的业务级别对指标的要求也不一样。因此,需要一个可以在用户和运营商之间达成一种默契的桥梁,用户的业务可以定量地以节点延迟、可变延迟等指标来描述;而对于运营商,可以根据协议中所商定的这些量化指标,保证用户业务在运营网络中的性能。这个协议就是业务等级协议(SLA)。

  业务等级协议实质上就是要分清用户与运营商之间的责、权、利。对于一般用户而言,SLA可以是非常简化的标准协议,以方便使用;而对于商业用户来说,SLA可以是为其专门定制的多方位协议。当然,如果一般用户愿意为细化的服务而额外支付费用,那么也可以为他们定制专门的协议。

  一般地说,SLA定义了端到端的业务规程,它包括以下几个方面的内容:

  可用性——有保证的正常运行时间。 提供的业务——提供业务级别的规程。

  服务保证——对每种级别,提供包括吞吐量、丢包率、延迟、延迟偏差以及对超额预定的处理等方面的保证。

  责任——违反合同条款的后果。

  定价——为每项具体的业务级别定制的价格。

  业务等级协议的核心是运营商可以给最终用户提供的业务水平或级别。不同业务级别的业务可获得不同级别的质量保证。因此,SLA的一个重要内容就是将业务映射到不同的业务等级上。例如,我们就可以将现在所遇到的业务大体分为三级,如下表所示。

 

  有了这些量化的指标,运营商就可以根据这些指标来实现对业务的保证,以达到业务等级协议的要求。当然,如何实现这些指标的要求,使业务能够在保证性能的情况下通过网络,必须满足两个最基本的条件:

  首先,良好的网络设计是达到SLA的前提之一。

  其次,在实际网络中有一个很好的流量管理机制。流量管理是保证实现SLA的关键。

  二、 流量管理的过程

  IP QoS的流量管理从一个业务数据包进入网络到退出网络,可以分为几个过程,即业务的分类、业务的监管、业务的调节以及业务的过滤。

  1.业务的分类

  对进入Diff Serv域的业务进行分类,以便在网络中得到相应的适当处理。业务必须由客户预先标记或在运营商网络一端与客户最临近的路由器上进行标记。

  数据包进入某一域时,可以有多种方法对它进行分类,但并不是所有方法对于每一种业务都是必需的。我们可以根据SLA规定的一些策略给每个数据包加上DS字段标记,从而对数据包进行分类。

  例如,客户网络到运营商的路由器之间的连接是以太网而不是广域网接口(ATM、FR等)时,客户可使用以太网的802.1p优先权方案在自己的局域网内部对业务进行分类;在进入运营商网络边缘时,再根据SLA中的规定将优先权映射到该数据包的DS字段中。

  当然,运营商的边缘路由器还可以根据其他多种手段对客户业务进行分类,如IP数据包头的ToS (业务类型)字段、ATM QoS等。

  2.业务的监管

  业务监管(Traffic policing)是为了监督用户是否根据SLA中所赋予的权利来使用运营商网络,一方面是保证运营商自己的利益不受侵害,另一方面也从间接上保证了其他用户在网络中的权利。

  业务的监管可以采用一个较为简单的方法——令牌漏桶 (Token Bucket)算法,当然也可以采用其他类似的机制来监控每一个级别的输入业务量。如下图所示,每一种业务都有相应数量的令牌(Token),令牌按照SLA所规定的速率发出。如果用户的业务到达的速度快于令牌发出的速度,则说明用户没有遵守SLA,因此就需要对用户超出SLA的这些业务数据有一个策略。例如,可以将它们加上标记,在网络不拥塞的情况下允许它们通过网络,而在网络拥塞时首先将它们丢弃。当然,也可以在一开始就将这部分数据丢弃,完全取决于运营商和用户之间所达成的协议和策略。

 

  3.业务的调节

  实际上,业务的分类和业务的监管都发生在运营网络的边缘。而业务的调节阶段则是完全的运营网络行为。它的好坏直接决定了IP QoS能否实现的问题。

  一般来说,业务调节主要有两个手段,一个是预防拥塞的排队和调节机制,另一个就是遇到拥塞时的丢弃机制。

  去往输出接口的业务都被分类并插入到相应的输出队列中,每个队列都具有可设置的调节程序,这些程序可以利用加权公平排队(WFQ)、循环方式(RR:Round Robin)及严格优先权等算法实现;同样,每个队列也有多种可选择的丢弃算法,如随机早期检测(RED)或尾部丢弃(Tail-drop),均可通过业务级别进行配置。

  (1) 排队调节机制 严格的优先级调节:某一级别的业务只有在当队列中没有更高优先权业务时才被发送。这一方法实施起来较为简单;缺点是永远只传输一个级别(最高优先权的)的业务。 公平排队或循环方式:简单地从多个队列中进行循环,这有助于使不同队列公平地使用带宽,但缺点是大量的数据流不得不需要更多的带宽。 加权公平排队:对公平排队的一种改进。在这种方案中,我们给每个队列分配权限,该权限确定队列中的哪些数据包优先使用链路带宽。 基于级别的排队:可以分为几个队列,每个队列与不同的业务级别相对应(可能由PHB 定义),可以使用不同方法发送或调节队列。 分级的基于级别的排队(CBQ):业务被分成不同级别,每种级别又可细分成若干子级 (Sub-class)。这种分级形成一种树状结构,若一个子级使用的链路带宽超过它应得的份额,那么它将首先向姊妹子集(Sister sub-class)借用带宽,依此类推。在分级结构中这一树形结构可以用来区分各种业务类型。

  (2) 丢弃机制 尾部丢弃:只有分配的缓冲器空间被全部占用时才丢弃到达的数据包。这种方法易于实施,但众所周知,它会导致网络的崩溃,因为它可触发TCP全局同步。 随机早期探测:防止TCP全局同步的有效方法。该方法主要是在队列占用率(Queue occupancy)开始上升时(但又在真正发生拥塞之前)随机丢弃到达的数据包,从而始终保持一个较小的队列。但这只能在一定程度上通过降低TCP源拥塞的概率,缓解网络的拥塞。一旦当队列的平均尺寸增大时,那么到达的数据包被丢弃的概率仍会随着队列的增大而增高。 加权RED(WRED):是RED的一种变体,它可以更加合理地选择将被丢弃的数据包。

  4.业务的过滤

  业务过滤一般用于退出一个域的行为,一方面是出于安全性考虑而进行过滤,而另一方面也是防止低优先权业务阻塞接入链路而进行过滤。

  例如,过滤策略可从其他站点分出业务终接容量,使关键的高优先权业务可优先于低优先权业务被终接;同时,为防止非法业务进入专用域,也有必要使用安全过滤功能。过滤必须在接入链路的运营商一端进行,否则心怀恶意的用户有可能向网络上输送大量业务,使合法用户的业务得不到传输。过滤是在运营商一端的边缘路由器上进行的。

QoS术语说明
    

 
两种主要的IP QoS服务模型
为满足Internet上多种业务对QoS的需求,Internet工程任务组(IETF)先后制定了两种QoS服务模型:集成服务(InterServ)/RSVP模型和区分服务(DiffServ)模型,用来在不同的场合提供相应的质量保证。

Type-of-service (ToS) 比特

在IP数据包头的8位的空间,IP Precedence优先级、DSCP(Differentiated Services Code Point)和ToS 域都使用这一字节。(虽然看上去中文的翻译和英文都有些类似,都使用这个字段,都是0和1,但是有不同的标准对0和1的含义加以定义。

Differentiated Services Code Point (DSCP)

IETF 在RFC2472、RFC2475中提出DiffServ(Differentiated Services Architecture) 体系结构,旨在定义一种实施IP QoS且更容易扩展的方式,以解决IntServ 扩展性差的缺点。

DiffServ力图通过对业务流的分类、整形、标记、调度来实现对业务QoS一定程度上的保证。目前在DiffServ上主要提出了下面两种业务:Expedited Services(EF-RFC 2598) 提供类似于专线或租用线的服务。Assured Services(AF-RFC 2597)提供比Best-Effort尽量好的QoS。

DiffServ 利 用 了IPv4 数据包头的ToS字段(或IPv6的COS字段),作为DSCP(DiffServ 编 码 点) 使用。DSCP使用了前面的6位。

DSCP面临的一个问题是对这一协议支持的网络设备比较少,同时DSCP与早先的IP Precedence不兼容。.

IP Precedence 域

在IP数据包头的ToS字节中,有三位被使用了,RFC 791对此进行了定义(从RFC的编号上可以看出年代久远)。使用IP Precedence,网络管理员可以将网络中传输的数据分为从0到7的八个优先级,并进行标记,网络设备可以依次提供不同服务质量的服务,现今很多应用和路由器支持这一协议。

ToS 域

RFC1349对ToS字段又进行了新的定义,一共定义了从0到15个优先级的值(分为16种),根据这些值,网络设备可以对数据包进行不同的操作,比如尽快转发或者是最大的吞吐量。同上两个标准一样与DSCP不兼容。

Multi-protocol Label Switching (MPLS)

MPLS给数据包打上了标记,用来做路由等处理,同样也可以对数据包进行区分和提供优先级服务,RFC3031对这一技术进行了定义。

IEEE 802.1p

一个支持IEEE 802.1Q协议的主机,在发送数据包时,都在原来的以太网帧头中的源地址后增加了一个4字节的802.1Q帧头。这4个字节的802.1Q标签头包含了2个字节的标签协议标识(TPID--Tag Protocol Identifier,它的值是8100),和两个字节的标签控制信息(TCI--Tag Control Information),TPID是IEEE定义的新的类型,表明这是一个加了802.1Q标签的本文。

这其中,VLAN ID和Priority经常被用到,解释如下:

VLAN Identified( VLAN ID ): 这是一个12位的域,指明VLAN的ID,一共4096个,每个支持IEEE 802.1Q协议的主机发送出来的数据包都会包含这个域,以指明自己属于哪一个VLAN。

Priority:这3 位指明帧的优先级。一共有8种优先级,主要用于当交换机阻塞时,优先发送哪个数据包。之所以称之为IEEE 802.1p优先级,是因为有关这些优先级的应用是在802.1p规范中被详细定义。

IEEE 802.1p优先级位于二层报文头部,适用于不需要分析三层报头,而需要在二层环境下保证QoS的场合。

这一协议于IP Precedence非常类似,通常的情况下,以太网帧到达第一个路由器的时候会实现与IP Precedence或者DSCP的替换。

数据包丢失

当一个队列被充满的时候,数据包丢失会出现。当数据包丢失出现,面向连接的协议,比如TCP会降低他们的传输速率,让队列中的数据包被服务。

带宽预留

把一部分的带宽留给一些特定的应用,不论是产生拥塞的时候,这部分带宽也不会被其他的应用所使用,在一些QoS的算法比如WFQ已经启用的时候,这一功能也不应该受到影响。
 


本篇文章来源于 中国协议分析网|www.cnpaf.net 原文链接:http://www.cnpaf.net/Class/voip/200511/10182.html

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