《Internet技术》第11章IP网络的服务质量保障.ppt

《《Internet技术》第11章IP网络的服务质量保障.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《Internet技术》第11章IP网络的服务质量保障.ppt（45页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第第11章章 IP网络的服务质量保障网络的服务质量保障 传统的IP网络只提供“尽力而为”的数据传输能力。随着网络规模的不断增加，网络服务的需求将超过网络提供的能力，出现了网络拥塞。为此，Internet必须具有为不同的业务提供相应QoS的能力。1.服务质量服务质量(QoS)的概念的概念 QoS是指网络为用户提供的一组可以测量的预定义的服务参数，具体可以量化为带宽、延迟、延迟抖动、丢失率、吞吐量等性能指标。RFC 2386将QoS看做网络从源结点到目的结点传输分组流时需要满足的一系列服务要求。(1)QoS的分类 IETF提出了两种不同的 Internet QoS体系结构,即集成服务和区分服务。Q

2、oS特征可以分为基于技术的QoS特征和基于用户(应用)的QoS特征。(2)当前Internet支持QoS保障的概况 Internet的初衷是网络结构尽可能简单，只提供“尽力而为”服务，由于交换机和路由器的接口速率相比于网络的带宽仍很低，随着带宽的增加大量带宽的新业务不断涌现，拥塞将是难以避免的,为了在Internet上提供有质量保证的服务。QoS机制不是用来增加网络带宽，而是通过最优化的使用和管理网络资源使其尽可能满足多种业务的需求。2.拥塞控制和资源分配拥塞控制和资源分配 资源分配和拥塞控制是很复杂的，资源分配一方面实现于网络内部的路由器和交换机中，另一方面又存在于主机的传输层协议里。资源分

3、配的一个任务就是要决定什么时候拒绝和接受哪些请求。拥塞控制是指网络结点为预防或响应超负荷的情况所做的努力，第一个目标就是预防拥塞，是保持某种公正。(1)拥塞控制的基本原理 传送的用户数据量超过了网络处理能力，网络服务性能出现下降，这种现象就是拥塞。节点输入1输入2输入3输出1)网络状态的监测 网管和结点机应对网络运行状态进行实时监测，一旦发生拥塞，就应采取拥塞控制和拥塞恢复策略进行控制。2)拥塞控制策略采用终点控制策略时，网络中结点机将前向传送帧的FECN比特置“1”，以传送拥塞通知。虚电路终点的用户终点应采取相应措施，以缓解拥塞状态。前向 通知用户应该对与收到的分组方向相同的通信量采取必要的

4、拥塞避免措施。它表示这个分组在其逻辑连接上遇到了拥塞的网络资源。采用源点控制策略时，网络中结点机将后向传送的帧的BECN比特置“1”进行传送,以通知其他结点机直至虚电路源点用户终端，以缓解拥塞状态。反向 通知源站应该对与收到的分组方向相反的通信量采取必要的拥塞避免措施。它表示用户在该逻辑连接上传输的分组遇到了拥塞的网络资源。3)拥塞恢复策略 进行拥塞恢复时，网络内结点机除采用源点或终点控制策略发出拥塞通知外，网络结点还要将DE比特置“1”的帧丢弃。丢弃这些帧时应遵循下述两个原则：对于具有不同优先级的用户信息帧，应先丢弃优先级低的用户信息帧。对于具有相同优先级的用户信息帧，应本着公平合理的原则同

5、等对待。4)终端拥塞管理(2)资源分配机制的分类1)以路由器为中心或以主机为中心 在网络内部进行的资源分配、在网络边缘进行的资源分配。2)基于预留或基于反馈 主机在建立流的过程中向网络申请一定的资源，每个路由器再为该请求分配足够的资源。3)基于窗口或基于速率 基于窗口的传输协议TCP接收者给发送者一个建议的窗口大小，即资源分配，业务流的速率是可调的，也就是发送者申请每秒一定比特的预留资源。(3)资源分配机制的评价标准1)资源分配的有效性 使用吞吐量和时延的比值来作为衡量资源分配机制有效性的尺度2)网络的能力0.0 0.5 1.0 1.51.00.50.0吞吐量负载加控制无控死锁拥塞2.资源分配

6、的公平性 Raj Jain 建议了一个可以用来评价拥塞控制机制的公平性的公平指数(FI)，对于给定集合中流的吞吐量(x1,x2,，xn)(以bps为单位),公平指数的函数为：该公平指数的值始终在01之间。其中1表示极大的公平。3.TCP/IP的拥塞控制机制的拥塞控制机制 拥塞控制是确保Internet稳定的关键因素，也是各种管理控制机制和应用的基础。(1)拥塞产生的原因 1)存储空间不足 2)带宽容量不足 3)处理器处理速度慢(2)TCP的拥塞控制 TCP所采用的基本策略是在没有预留的情况下直接向网络发送分组，然后观察网络状况并做出相应的反应。TCP的拥塞控制思想就是由每一个发送源来确定网络的

7、可用容量，从而知道有多少分组能够安全地被发送。网络的可用带宽是不断变化的，这意味着每个给定的源必须不断地调整分组发送的数量。1)基于窗口的TCP拥塞控制机制 TCP协议采用一种加法增加、乘法减少(AIMD)的拥塞控制算法。发送方维持一个拥塞窗口,若发送方发现窗口内的一个报文发生丢失，则认为这个丢失是由网络拥塞造成的，于是将窗口大小减半，以减小发送速率，从而避免拥塞的加重。如果窗口中的报文没有发生丢失，则表明目前网络状况良好，发送者将增大窗口，从而增加报文的发送速率。1988年Van Jacobson提出了慢启动和拥塞避免算法。1990年 TCP Reno 版本又增加了快速重传和快速恢复算法,避

8、免了网络拥塞不严重时采用慢启动算法而造成的过多减小发送窗口的现象。TCP拥塞控制的几个阶段(a)慢启动阶段：当建立新的TCP连接时，拥塞窗口被初始化为一个数据包大小。源端按窗口大小发送数据，每收到一个ACK确认，窗口就增加一个数据包发送量。(b)拥塞避免阶段：当发现超时或收到3个相同的ACK确认时，网络将发生拥塞，此时进入拥塞避免阶段。慢启动阈值将被设置为当前窗口的一半，当数据包发生超时，窗口被置为1。(c)快速重传和快速恢复阶段：当源端收到3个或3个以上重复的ACK确认时，判定数据包已经丢失，并重传数据包，同时将慢启动阈值设置为当前窗口的一半。TCP协议的公平性问题 在Internet中，面

9、向连接的TCP和无连接的UDP在拥塞发生时将做出不同反应和处理，从而在两者之间产生对网络资源不公平使用的问题。因此必须设法判断在拥塞发生时各个数据流是否遵守TCP拥塞控制机制，同时惩罚那些不遵守拥塞控制的数据流。(a)如果数据流遵守TCP拥塞控制方式，那么在拥塞发生时，它首先应将拥塞窗口减半，然后在每个RTT内按常数速率增加窗口。当发现某个数据流的发送速率大于TCP连接允许的最大速率时，可断定该数据流没有执行拥塞控制。(b)通过观察网络中占据高带宽的数据流是否对拥塞指示进行响应来判断它是否执行拥塞控制，也就是随着网络包丢失率的增加，其传送速率相应降低。(c)解决TCP拥塞控制公平性问题的根本出

10、路是在Internet上全面采用端到端的拥塞控制并融合IP层拥塞控制的有效算法。TCP协议的改进 TCP协议中，源端在检测到期拥塞后，重传从数据包丢失到检测到丢失时发送的全部数据包，而其中有些数据包已被正确地传到期接收端，不必重传。在大多数TCP实现中，准确估计超时时间和RTT值并不容易。近年来人们提出了New-Reno和SACK等算法。SACK算法是在Reno基础上进行扩展，对数据包进行有选择地确认和重传。从而避免不必要的重传。进而减少时延，提高网络吞吐量。New-Reno利用一个ACK确认部分发送窗口的方法来立即重传剩下的数据包。2)基于公式的TCP拥塞控制 随着实时媒体流应用的逐渐增多，

11、AIMD方式的拥塞控制算法已显得不不足。TCP的拥塞控制每发现一个报文丢失就将窗口减半的做法极大地破坏了这种数据流的平滑性，极大地影响了接收质量。基于公式的拥塞控制的原理是通过一个丢失事件率等为参数的公式来计算发送方的发送速率上限，发送方以此公式的计算结果为依据来对自身的发送速率进行调整，并保证发送速率不会超过上限值。拥塞控制公式 由Padhye 等人提出的拥塞控制公式(P391式11-3)，可以计算出在当前参数值的情况下一个TCP流的稳态的发送率。TERC协议 S.Floyd等人提出了一种应用基于公式的拥塞控制协议(TFRC)。TFRC采用Padhye提出的TCP平均速率计算公式作为拥塞控制

12、公式，其目的是使TFRC流与TCP流在相同环境下抢占带宽的能力相同，从而能够与TCP协议公平竟争，与TCP的AIMD的窗口变化策略相比，TFRC采用了丢失事件率而不是报文丢失率作为控制参数。3)IP拥塞控制机制 IP拥塞控制机制主要包括：先进先出队列(FIFO)随机早期检测算法(RED)在拥塞发生前主动丢弃一些数据包从而避免丢弃属于同一连接的更多的连接数据包，从而提高连接的吞吐量。显示拥塞指示算法(ECN)在源端数据包中嵌入ECN使能比特位，路由器根据网络情况设置ECN使能比特位。源端接收从网络中反馈回的这种EDN置位的数据包，然后将随后发出的数据包标记为可丢弃的数据包。加权公平排队算法(WF

13、Q)根据不同数据流应用的不同带宽要求，对每个队列采用加权方法分配缓存资源，从而增加FQ对不同应用的适应性。11.4 拥塞避免机制拥塞避免机制 TCP协议的策略是出现拥塞时再进行控制。另一种方法是预测何时拥塞将发生，然后在分组开始被丢弃之前降低主机的发送数据速率。1.基于DECbit的拥塞避免机制 尽可能在路由器和目标结点之间平均分配拥塞控制的职责，每个路由器监视其上流经的负载量并且显式地通知目标结点何时拥塞将要发生。通过在流经路由器的分组中设置一个拥塞比特位来实现这种通知，将这种比特位称做DECbit。然后目标主机将这一拥塞比特拷贝到返回源端的ACK消息中，最后源端通过调整其发送速率来避免拥塞

14、。2.RED算法 随机早期检测RED算法与DECbit方法相似，每个路由器被编程用于监视其队列长度，当检测到拥塞即将发生时通知源端调整其拥塞窗口。与DECbit方法相比主要有两点不同：(1)通过丢弃分组来稳式通知源拥塞发生。它通过超时的方法来检测拥塞。采用RED机制的网关在它们被强迫丢弃分组前就丢弃分组，以此来通知源端应提前减少其拥塞窗口。(2)RED可以决定无论什么时候队列长度超过了丢弃门限就以一定的概率丢弃每个到来的分组，而不是等到队列完全被填满再被迫丢弃每个到来的分组。3.RIO算法 RIO算法的机制与RED类似，基本思想是当路由器检测到拥塞时，高概率地丢弃低优先级分组。当一个新分组到达

15、时，路由器判别分组标志为In或Out。若为一个In分组，计算In分组的平均队列长度avg-in和所有分组的平均队列长度avg-total；若为一个Out分组，计算分组平均队列长度avg-total。然后根据avg-in或avg-total计算每一个新到达分组的丢弃概率。若为In分组，丢弃概率公式Pin(P395式11-4)若为Out分组，丢弃概率公式Pout(P396式11-4)4.基于源端的拥塞避免 这种技术的一般原理是观察来自网络的信号，发现一些即将出现拥塞的路由器如果不采取措施，那么拥塞很快会发生。一种特殊的算法是每隔两个RTT延迟检测当前的RTT值是否比到目前为止出现的最小RTT和最大

16、RTT两者的均值大，如果条件成立，那么算法将会使拥塞窗口减少1/8。第二种算法是否改变当前窗口的大小决定于RTT和窗口大小的变化。每隔两个RTT时延窗口基于下面的乘积进行调整。(CurrentWindowsOldWindow)(CurrentRTTOldRTT)如果该乘积结果为正，源端将窗口大小减小1/8；如果结果为负或等于0，源端将窗口大小增加一个最小分组的大小。第三种算法是如果该乘积结果为正，源端将窗口大小减少1/8；如果结果为负或等于0，源端将窗口大小增加一个最小分组的大小。这种算法是将窗口大小增加一个分组，然后比较当前的吞吐量和窗口增加一个分组前的吞吐量，如果它们的差值小于当只有一个分

17、组传送时所获得的吞吐量的一半，那么算法将窗口大小减1。第四种算法是观察吞吐量的改变，尤其是发送速率的改变，将测得的吞吐率与预期的吞吐率进行比较，如果源端发送过多的额外数据，这将会带来过长的时延甚至引起拥塞。期望的吞吐量为：ExpectedRate=Congestion Window/BaseRTT11.5 QoS的通用框架的通用框架1.QoS原则综合原则分离原则透明原则多种时间刻度原则性能原则2.QoS规范 QoS规范规定了应用层的QoS要求和管理策略，它可以用来指配和维护驻留在端系统和网络中的QoS机制。它具体包括以下规则：流同步用来规定多个相关流之间的同步程度。流性能用来说明用户流的性能要

18、求，保证业务的吞吐率、时延、时延抖动和丢失率对多媒体通信至关重要。服务级别规定所需的端到端资源保证的程度，可以分为确保性服务、可预测服务和尽力而为服务。QoS管理策略用来说明流可以容忍的QoS自适应程度和当发生违反QoS协定时应采取的相应措施。服务成本用来说明用户为了获得某个特定的服务级别所愿意付出的代价。3.QoS机制 近几年来，出现了很多针对服务质量(QoS)网络的机制。这些机制的最终目的在于为网络的应用程序提供更好的网络服务。(1)QoS配给机制 QoS配给机制包含以下功能部件：QoS映射用于实现不同系统级的QoS表示方法之间的翻译和转换功能。接入控制决定能否接收该流。资源预留按照用户的

19、QoS规范来合理地分配端系统和网络的资源。(2)QoS控制机制 具体包括以下机制：流整形基于用户提供的流性能规范来调节业务流，确保级性能的要求。流调度主要负责系统和网络中的业务流的转发。流警管用于识别用户已协商的QoS是否被遵守，通常用于管理域和计费域。流控制包括开环控制和闭环控制开环流控制，允许发送者按照于网络达成的协议发送数据。流同步用来控制事件发生的顺序和多媒体业务流之间的定时关系。(3)QoS管理机制 包括以下功能模块：QoS监控允许系统级跟踪由低层获得的QoS级别。QoS维护通过比较监控得到的QoS与预期的QoS级别来实现相应的资源调整。QoS降级用于当它发现低层无法维护业务流所需的

20、QoS并且通过实施QoS维护也无济于事时向用户发出一种降级指示。QoS可扩展性包含QoS过滤功能和QoS自适应机制。11.6 IP QoS服务模型服务模型 Internet工程任务组先后制定了两种QoS服务模型：集成服务模型和区分服务模型。1.集成服务(InterServ/RSVP)模型 集成服务模型中定义了两种服务类型：保障型业务用于需要固定时延限制的应用；控制负载业务用于可变时延限制的应用。主机应用分类器RSVP模块RSVP模块RSVPIP数据流调度器调度器分类器输入控制路由协议/数据库路由器集成服务(InterServ/RSVP)模型 InterServ包含以下4个功能部件：分类器用于将

21、每个进入网络的分组映射到不同的QoS类；分组调度器使用一系列队列和定时器来转发分组；接入控制器实现接入控制算法用来决定是否接纳新的流；定时器用来转发分组；资源预留协议用来在路由器中创建和维护与流相关的状态，并预留资源。(1)流规范 流规范包括两个部分，一部分用于描述流的业务特性，另一部分用于描述来自网络的服务请求(Rspec)。(2)接入控制 当某个新流想接受特定级别的服务，接入控制察看该流的Tspec和Rspec，根据当前可用资源并在以前被接纳的流的服务质量不受影响的前提下来决定能否向新流提供所要求的服务。(3)资源预留协议 RSVP以不降低无连接网络的健壮性前提，通过采用一种软状态的资源管

22、理方法来设法维持这种健壮性。(4)分组的分类和调度 它包括两个方面的问题：1)分组分类将每一个分组地正确的预留相联系以使它能得到相应的处理；2)分组调度管理队列中的分组使它们得到所请求的服务。(5)集成服务/RSVP模型的优点能够提供有绝对保证的QoS。RSVP在源和目的地之间可以使用现有的路由协议。能够像支持单播流那样方便地支持多播流。6.集成服务/RSVP模型存在的缺点扩展性不好。对路由器的要求较高，实现复杂。不适合用于业务较小的流。2.区分服务模型 集成服务模型通过信令协议将原本无连接的Internet改造为面向连接的网络，这种方式存在着开销大、可扩展性差等问题。为此，提出了区分服务Di

23、ffServ模型。DSCP分类器调度器边缘路由器核心路由器分类器核心路由器边缘路由器策略器分组标记器调度器区分服务模型 区分服务模型通过定义几种较少的服务类型和优先级来减少系统维护的开销，从而提高系统QoS维护的可扩展性。(1)技术特点 1)DiffServ简化了信令，对业务流的分类粒度更粗。它采用汇集和PHB的方式来提供一定程度的QoS保证。2)区分服务通过设置分组头中的保证比特位将分组分为奖赏分组和“尽力而为”分组。3)通过对一个包中的DSCP设置不同的值，并采用相应的处理来产生一些不同的服务级别。(2)区分服务码点 IETF把DS标记称为区分服务码点(DSCP)，这6比特DSCP位图用来

24、对应路由器的每一个转发处理，在网络的核心节结处，路由器根据分组上的DSCP用相应的PHB对其进行转发。目前，IETF定义了3种类别的DSCP：基于优先级的等级选择器、确保转发服务和加速转发服务码点。版本号头长TOS分组头的其他域数据DSCP(6位)未用位 4 4 8 3.InterServ和DiffServ相结合的QoS模型 InterServ和DiffServ作为IETF提出的两种QoS模型各有优势，分别适用于不同的场合。但两者都不能完全满足需要，因此可以通过将两种服务模型结合在一起来提供端到端的QoS保证。在网络边沿使用InterServ，而在网络核心使用DiffServ。11.7 流量工

25、程和流量工程和MPLS技术技术 由于Internet缺乏有效的流量和网络带宽管理手段，网络经常会发生拥塞；也无法提供服务质量(QoS)保证，新兴的多协议标记交换技术(MPLS)有望解决这一问题。1.流量工程提出的背景和目标 导致网络拥塞的原因可能是网络资源不足或通信流量分布不均匀。第一种情况，惟一的解决办法是升级基础设施；第二种情况，当前广泛使用的动态路由协议，总是选择最短的路径来转发数据包，结果造成两个结点之间最短路径上的路由器和链路可能发生拥塞。流量工程包括流量的测量、建模、特征化和控制等方面的技术以及为完成特定性能目标的知识和技术的应用。流量工程具有引导业务流量的能力，可以在网络中平均地

26、分配网络业务量负荷。2.MPLS技术及适合流量工程的特点 多协议标签交换(MPLS)技术将网络层的转发与链路层的交换相结合，通过一个位于第二层和第三层首部之间的固定长度的标签来选择路由，这样不仅解决了路由器中冗长的路由表在路由判决上时间耗费过大的问题，而且实现了网络层的分组转发到链路层交换的转换，使网络能够充分发挥链路层的效率和优势。路由LDP转发输入输出3.MPLS中LSP的建立策略 MPLS中LSP的建立有两种方法，一种是基于控制驱动的LSP，另一种是显式路由LSP(ELSP)或称基于约束路由的LSP(CR-LSP)。入口LSP1LSP2LSP3LSP4LDP（ELSP=1，2，3，4La

27、bel)(a)Patu(ELSP=1,2,3,4Label)RESV(QoS,Label)(b)MPLS分别采用CR-LDP和RSVP建立ELSP入口LSP1LSP2LSP3出口LSP44.MPLS的流量控制与管理机制(1)流量汇集与分支 具有相同转发特性的业务流可以汇聚在一起，使用同一条LSP传输；流量分支是将汇集和整合的业务量重新进行分解，使其发向各自不同的目的地。(2)业务流的分类和监管 根据不同的服务要求为每个队列设置合适的权值，以确定队列的最小服务速率，使每个队列都具有一定的QoS保证。(3)队列管理与拥塞控制5.MPLS在流量工程中的应用(1)MPLS和约束路由 MPLS是一种转发

28、机制，约束路由是一种高级的路由机制，约束路由根据资源可用性和拓扑信息确定两个结点之间的路由，并自动平均分配网络的业务负载以避免拥塞。在给定路由的情况下，MPLS利用标记分配协议建立LSP。(2)MPLS与区分模型集成 用MPLS支持DiffServ体系成为一种较为直观的方式。在这样的结构中，首先需要配置每个入口出口对之间的LSP。一种可能的方式是为每个业务流类型创建一个分开的LSP。11.8 QoS路由路由1.QoS路由的概念和作用 为了满足端到端的QoS要求，必须在业务流所经过的路径施加严格的资源约束，QoS路由就是用来查找满足QoS要求的路径。QoS参数又可以划分为3种尺度：加法、乘法和凹

29、性尺度。当路由选择的约束条件包含两个或两个以上的加法尺度或者包括加法尺度和/或乘法尺度的组合时，该路由选择将是NP全问题，如具有最小成本的最小路径和时延受限的最小成本路径问题，因此通常采用启发式算法来寻求次优化解。2.QoS路由策略 根据网络状态信息的保存方式和路由搜寻方式的不同，路由策略可分为3种：源路由、分布式路由和层次路由。(1)源路由 每个结点保存全局的网络状态信息，包括网络拓扑结构信息和每条链路的状态信息。根据此全局信息，源结点在本地计算出一条合适的路由。(2)分布式路由 路由选择的计算是分布计算完成的。其路径上的各点通过交互控制消息，并结合各结点所存储的状态信息，来完成路由选择的计

30、算。(3)层次路由 物理结点聚合为组，而组又反复不断地进一步聚合为更高一层的组，从而形成一种多层次结构。3.QoS路由的实现及其开销(1)QoS路由与传统路由的区别 传统的路由器是根据RIB来生成转发信息数据库(FIB)。为了支持QoS路由，必须对RIB做如下增强：IB必须存储更多更细的网络信息；信令协议(如预留协议和MPLS)；转发不能仅基于目的地址或目的地址前缀，必须基于其他分类准则。(2)QoS路由应用模型流量工程下的QoS路由；动态请求下的QoS路由。(3)实现QoS路由的开销4.约束路由 约束路由是从QoS路由演化而来的，在给定对业务流QoS要求的条件下，QoS路由给出最有可能满足QoS要求的路由。通过考虑其他约束条件，约束路由对QoS路由进行了扩展。约束路由使一个需求驱动预约资源的路由协议与现在的拓扑驱动逐跳转发的Internet内部路由协议可以共存。