IP QoS 技術介紹

        隨着INTERNET和IP網絡的迅猛發展,越來越多的應用業務開始通過IP網絡來實現傳輸。但是,IP網絡提供的是“盡力而爲(Best Effort)”的服務,沒有QoS(Quality of Service)的保證。因此,業務流量在傳輸過程中很容易由於網絡的擁塞而產生延遲、丟包等現象。而實時性業務對延遲是相當敏感的,如:VoIP、視頻會議、視頻監控等,如果一旦網絡發生擁塞,這些業務就無法正常地展開了。所以,要在IP網絡上開展這些實時性業務,就必須解決網絡擁塞這個問題。

    網絡擁塞一般是由於線路速度不匹配而造成的。例如:在一個多路訪問的網絡中,N個遠端點的接入帶寬爲1M,中心點的接入帶寬也是1M,當所有遠端點同時向中心點發送數據時,就會在中心點造成擁塞。我們再舉一個例子,我們通過路由器連接廣域網和局域網。一般來說局域網的帶寬(100M)會比廣域網(2M或更底)高得多。當局域網用戶試圖通過廣域網發送大量數據的時候在網絡邊緣(路由器)就會發生擁塞。由此可以看出,解決網絡擁塞的最好的辦法是增加網絡的帶寬。但從運營、維護的成本來考慮,這顯然是不現實的。因此,在這種情況下最有效的解決方案就是應用一個“有保證”的策略對網絡擁塞進行管理。QoS就是一種應用於IP網絡中的,對延遲敏感流量進行保護的策略。
    QoS目前被分爲兩大服務類型:集成服務類型(InterServ)和區分服務類型(DiffServ)。
InterServ(RFC1633 RSVP)是指在整個網絡中爲某一業務流量保留一定的帶寬,爲該業務提供一條端到端的透明通道。這種服務類型能對業務應用提供完全的QoS保證。但是這種保留策略會消耗原本就不多的廣域網帶寬,當業務流量不是很頻繁的時候會造成帶寬的浪費。一般只有在擁有相對固定的業務流量的時候,纔會使用到InterServ服務類型。
DiffServ是一種基於每一跳的QoS策略,網絡上的每一臺數據中繼設備(路由器或交換機)通過檢查每一個數據包的包頭信息對流量進行分類,再根據調度策略來決定如何轉發。因此,我們可以根據實際情況,在每一臺數據中繼設備上設置不同的QoS策略。相對於InterServ,DiffServ的應用更加靈活,效率更高。DiffServ服務是目前廣泛應用一種的QoS類型。
在DiffServ的服務中,有擁塞管理和擁塞避免兩種策略。擁塞管理策略一般應用於外出接口,根據需要將不同的業務流量按一定的順序發送出去,來保證某些業務的正常運行。典型的擁塞管理策略有:WFQ(加權公平隊列)、PQ(優先級隊列)、CQ(可定製隊列)等。
WFQ(加權公平隊列)是一種自動調度的隊列機制。它根據數據流(IP地址+端口)將流量分類,然後根據加權公平算法對各種業務流量進行公平調度。防止出現某一突發性×××將帶寬全部佔用的現象。這種隊列機制配置方便,應用簡單。但是無法對關鍵的業務提供確定的帶寬保證。
PQ(優先級隊列)是對不同數據流標記不同的優先級別,然後再根據優先級別進行調度的隊列機制。PQ總共有四個優先級別,依次爲:高優先級,中等優先級,一般優先級和低優先級。高優先級的數據永遠優先發送,當高優先級隊列空時,則輪到中等優先級的數據。以次類推,低優先級的數據始終最後發送。這種隊列機制一般應用於線路帶寬較窄的場景下,可以有效地保證實時性業務的數據流優先發送。
    CQ(可定製隊列)則是一種輪選的調度方式,我們可以設置各個輪選隊列的發送的大小。例如:隊列1發送1500字節後由隊列2發送;隊列2發送500字節以後由隊列3發送;隊列3發送1000字節後由隊列4發送……。CQ最大可以支持16個輪選隊列。當線路帶寬比較充裕的時候,通過CQ可以實現動態的帶寬分配。
    以上談到的幾種隊列調度機制都是對總數據隊列中的數據進行分類,然後再進行調度。但是,當出現網絡擁塞的時候,入口帶寬往往是高於出口帶寬的。在這樣的情況下,總數據隊列很快就會溢出。這個時候數據設備默認會對進入的數據包實施尾部丟棄,丟棄所有入站數據包直至總數據隊列不再溢出爲止。這樣的尾部丟棄機制同樣會對實時性業務產生影響。所以我們需要一種策略來防止總數據隊列的溢出,這就是擁塞避免策略。其中最常見的擁塞避免策略是WRED(加權公平早期檢測)。WRED可以根據用戶的需要,對不同的數據流設置不同的丟棄閥值。例如:當總隊列達到50%時,開始丟棄級別最低的數據包;當總隊列達到70%時,開始丟棄第二級別的數據包;當總隊列達到90%時,開始丟棄第三級別的數據包;以次類推。通過丟棄低級別的數據包來避免總數據隊列的溢出,保證高優先級的數據包始終能夠進入數據總隊列接受調度。從而保證高優先級業務的順利展開。擁塞避免策略一般用於入站接口,防止因爲線路擁塞而使數據中繼設備的隊列溢出。一般來說,根據實際情況,將擁塞避免策略和擁塞管理策略結合使用可以得到比較好的效果。
    以上兩種QoS服務類型,都位於在OSI/RM模型中的第三層----網絡層。要實施QoS策略,需要設備的支持和複雜的配置。尤其是DiffServ的服務,對數據包的分類和調度都是通過軟件的方式來實現的。這就需要數據中繼設備擁有更強勁的CPU和更大的內存容量。而且,當數據中繼設備的處理負擔較重的時候,同樣會影響到QoS的質量。至於InterServ服務,不僅需要在整個網絡中所有的數據中繼設備上進行統一的InterServ配置。而且對終端設備也有一定的要求。由此可見,第三層的QoS技術雖然對流量有了一定的改善,但是實現的花費比較高,效果不穩定。
   雖然IP QoS在目前的應用並不完善,但對於用戶來說,多種業務在同一線路的傳輸還是最爲廉價的解決方案。針對當前IP QoS的現狀,科達DSL-4000系列綜合複用設備融和IP和TDM技術,不僅支持全部標準的第三層QoS技術,還融和了基於物理層的QoS技術,其實現效果大大優於純IP的QoS技術。
    在綜合業務通信專網中應用最多的線路是從運營商租用的E1線路,若採用純IP的解決方案,一般方法是由路由器把E1線路設置爲一條通道,各類業務同時在此通道中傳輸,這樣QoS保證就只能由第三層的設備來提供。而綜合複用設備則把E1線路在物理層分割爲32個時隙,每個時隙的帶寬爲64Kbps。其中TS0和TS16分別用於傳送幀編、同步和控制信令。可由用戶分配的總共爲30個時隙,TS1-TS15和TS17-TS31。這30個時隙可以根據用戶需求設置成不同的捆綁方式,分別提供給不同的業務流量。如語音業務佔4個時隙(256K)、數據業務佔6個時隙(384K)、視頻業務佔20個時隙(1280K)。由於不同業務的傳輸通道之間是通過底層技術實現物理層隔離的,不同的業務流量之間不會相互干擾,擁有確定的QoS保證。這樣的方式,初一看類似IP QoS的InterServ類型,但它比InterServ類型更加優秀的地方,就是能靈活地對業務通道進行釋放和重組。當不使用視頻會議或視頻碼流變小的時候,綜合複用設備就能將原來視頻業務的帶寬釋放或壓縮,提供給數據或其他業務使用。另外,由於採用半固定連接方式,這種QoS的實現是基於硬件的,不會出現IP QoS中遇到的處理能力限制的問題。
    另外,針對基於光纖直聯線路的專用網,綜合複用設備也提供了QoS支持,主要是把語音、視頻和數據業務隔離,讓語音和視頻等實時業務佔用獨立的通道,不與數據業務共享帶寬。
    綜合複用技術在專用網領域良好的解決了QoS問題,並提供通用的IP QoS技術與公用網絡及其它相關網絡兼容,爲當前的專網建設提供了一種高性價比的多業務解決方案。
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