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DP500021 IP QoS原理

DP500021 IP QoS原理. ISSUE 1.0. 前 言. 服务质量（ Quality of Service ，简称 QoS ）是各种存在服务供需关系的场合中普遍存在的概念，它评估服务方满足客户服务需求的能力 。 在因特网中， QoS 所评估的就是网络投递分组的服务能力。由于网络提供的服务是多样的，因此对 QoS 的评估可以基于不同方面。通常所说的 QoS ，是对分组投递过程中可为延迟、延迟抖动、丢包率等核心需求提供支持的服务能力的评估。. 目 标. 学习完此课程，您将会： Qos 的基本概念 几种主要的流量管理措施 IP QoS 模型 。. 内容介绍.

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DP500021 IP QoS原理

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Presentation Transcript

  1. DP500021 IP QoS原理 ISSUE 1.0

  2. 前 言 服务质量（Quality of Service，简称QoS）是各种存在服务供需关系的场合中普遍存在的概念，它评估服务方满足客户服务需求的能力 。 在因特网中，QoS所评估的就是网络投递分组的服务能力。由于网络提供的服务是多样的，因此对QoS的评估可以基于不同方面。通常所说的QoS，是对分组投递过程中可为延迟、延迟抖动、丢包率等核心需求提供支持的服务能力的评估。

  3. 目 标 学习完此课程，您将会： • Qos的基本概念 • 几种主要的流量管理措施 • IP QoS模型 。

  4. 内容介绍 QoS 的基本概念 流分类、流量监管及整形 拥塞管理及避免 链路有效性机制

  5. 传统的IP分组投递服务 • IP体系的设计目标就是实现网络的互连 • 分组投递过程中的差错控制、网络拥塞时的流量控制等功能，由发送和接收分组的源端和接收端来完成 。 • 早期的路由器在功能上只进行了简单的设计，分组能被正确地路由并转发。 • 所有用户的报文共同分享网络和路由器的带宽资源 ，采用Best-Effort 的服务策略。 • Best-Effort服务策略适用于对带宽、延迟性能不敏感的WWW文件传输、E-Mail等业务。

  6. 新的业务和需求 • 新业务的不断涌现对网络的服务能力提出了更高的要求 • 期望在延迟、延迟抖动、丢包率等传输性能上获得一定的承诺和保障 传统的IP网络 承载数据业务 当前的IP网络 承载多种业务 （VOIP、VPN、ERP）

  7. IP QoS的基本概念 • IP QoS ( Quality of Service ) 是指IP网络的一种能力，即在跨越多种底层网络技术（MP、FR、ATM、Ethernet、SDH、MPLS等）的IP网络上，为特定的业务提供其所需要的服务, 在丢包率、延迟、抖动和带宽等方面获得可预期的服务水平。 • IP QoS目标：有效控制网络资源及其使用 • 避免并管理IP网络拥塞 • 减少IP报文的丢失率 • 调控IP网络的流量 • 为特定用户或特定业务提供专用带宽 • 支撑IP网络上的实时业务

  8. 我 是 张 三 啊 …… 本地这么说 …... 我 是 三 啊 …… 对方听到的是 …... 丢包… ？ Internet

  9. 延时… Internet 发送的第一个bit 接收的最后一个bit A A 时间t 处理延时 处理延时 网络传输延时 端到端的延时

  10. 3 2 1 发送 3 2 1 接收 D3 D2 D1 D3=D2=D1 抖动… Internet

  11. Internet 带宽限制… 10M IP 我要100M 我要30M 我要2M

  12. IP QoS 两种模型 • IntServ模型：业务通过信令向网络申请特定的QoS服务，网络在流量参数描述的范围内，预留资源以承诺满足该请求 • DiffServ模型：当网络出现拥塞时，根据业务的不同服务等级约定，有差别地进行流量控制和转发来解决拥塞问题

  13. 集成服务 • IntServ（Integrated Service） Path消息：建立预留带宽的路径 Resv消息：预留带宽 IntServ域

  14. 差分服务 • DiffServ（Differentiated Service） 用户设备 DiffServ域 PHB 用户设备 PHB PHB PHB 在网络中根据分组的DSCP值，进行队列 调度、分组丢弃 在网络入口对分组 进行分类、流量控 制，设置DSCP

  15. IPv4报文头 Version Length Len ID Offset TTL Proto FCS IP-SA IP-DA Data ToS1 Byte 1 RFC1349 2 3 7 6 5 4 0 目前未用 IP Precedence ToS RFC2474 2 1 3 7 6 5 4 0 目前未用 DSCP 差分业务编码点 - DSCP • DSCP（DiffServ Code Point）

  16. 丢包优先级 AF1 AF2 AF3 AF4 低 001010 010010 011010 100010 中 001100 010100 011100 100100 001110 010110 011110 100110 高 单中继段行为 - PHB • PHB（Per-Hop Behaviors） • Default PHB，DSCP为“000000” • Class-Selector PHB，DSCP为“XXX000”，X为0或1 • Expedited Forwarding PHB，DSCP为“101110” • Assured Forwarding PHB • RFC2597定义了EF PHB，RFC2598定义了AF PHB

  17. 流量控制 用户网络 用户网络 DiffServ 模型体系结构 不同DS区域可有不同的PHB，以实现不同的服务提供策略，它们之间通过 SLA与TCA协调提供跨区域服务： . SLA：服务等级协定，关于业务流在网络中传递时所应当获得的待遇。 . TCA：流量调整协定，关于业务分类准则、业务模型及相应处理的协定。 DS区域的服务提供 策略由PHB决定。 DS节点根据PHB属性 转发。 DiffServ网络 DiffServ网络 SLA/TCA 内部节点 内部节点 在网络边缘进行业 务分类和流量调整。 - 业务分类 .基于DS域 . 基于其他特征 - 流量调整 . 测量 . 标记 . 丢弃 . 整形 边界节点 边界节点 边界节点 边界节点

  18. 服务等级协定 • 签订双方： 客户（A公司） 运营商（B运营商） • 时间： 2002/1/1 ~ 2002/12/30 • POP位置： 北京（XX大厦）——深圳（XX大厦） • 带宽： 10Mbps • 时延： 小于70毫秒 • 时延抖动： 小于20毫秒 • 丢失率： 小于0.1% • 可用性： 大于99.9 % • 判断标准： 源IP地址 - 10.110.10.10 • 目的IP地址 - 10.110.20.20 • 费用： 20000元/月，按月付费 服务等级协定 - SLA • SLA（Service Level Agreement）

  19. 内容介绍 QoS 的基本概念 流分类、流量监管及整形 拥塞管理及避免 链路有效性机制

  20. 报文分类及标记 • 报文分类及标记是QoS 执行服务的基础 • 报文分类使用技术：ACL和IP优先级 • 根据分类结果交给其它模块处理或打标记（着色）供核心网络分类使用 ACL , IP优先级

  21. 流量评估与令牌桶 • 令牌桶可以看是一个存放令牌的容器，它有一定的容量。 • 系统按设定的速度向桶中放置令牌，当桶中令牌满时，多出的令牌溢出，桶中令牌不再增加 。 • 用令牌桶进行流量评估有两种方法： • 简单评估：使用两个参数 • 承诺信息速率CIR（Committed Information Rate） • 承诺突发尺寸CBS（Committed Burst Size） • 复杂评估：使用三个参数 • 承诺信息速率CIR（Committed Information Rate） • 承诺突发尺寸CBS（Committed Burst Size） • 超出突发尺寸EBS（Excess Burst Size）

  22. 流量监管 令牌桶 流分类 drop • CAR (Committed Access Rate):约定访问速率 • 对流量进行控制 • 整形（shaping）使业务流输出的速率符合业务模型的规定 • 丢弃（droping）根据特定规则丢弃分组 • 打标记（marking）设置报文的DS域（或IP优先级）

  23. 流量监管示例 bps 没有流量监管 Rate Limit Time bps 有流量监管 Rate Limit Time

  24. 令牌桶 流量整形 128Kbps 256Kbps 流分类 队列 128Kbps FR • 流量整形（Traffic Shaping）: 解决链路两边的接口速率不匹配 • 对报文的流量进行限制,对超出流量约定的报文进行缓冲 • 流量整形可能会增加延迟

  25. 流量整形示例 bps 没有流量整形 Rate Limit Time bps 使用流量整形 Rate Limit Time

  26. LR (Line Rate): 在一个物理接口上，限制接口发送报文（包括紧急报文）的总速率 LR采用了令牌桶进行流量控制, 所有经由接口发送的报文首先要经过LR的令牌桶进行处理 利用QoS丰富的队列来缓存报文 令牌桶 调度 物理接口总速率限制 QoS队列 256Kbps 流分类 128Kbps

  27. 内容介绍 QoS 的基本概念 流分类、流量监管及整形 拥塞管理及避免 链路有效性机制

  28. 拥塞管理 流分类 输出队列 • 网络拥塞时，保证不同优先级的报文得到不同的QoS待遇，包括时延、带宽等。 • 将不同优先级的报文入不同的队列，不同队列将得到不同的调度优先级、概率或带宽保证 • 算法： • FIFO（ First In First Out ） • PQ（ Priority Queuing ） • CQ（ Custom Queuing） • WFQ（ Weighted Fair Queuing ）

  29. 调度 先进先出队列 • FIFO (First In First Out): 算法简单，转发的速度快 • 所有报文统一对待，先进现出，没有任何区别分 • Internet 的默认服务模式－Best-Effort采用的队列策略 转发数据包

  30. Top 调度 Middle Normal Bottom 优先队列 流分类 • PQ (Priority queuing): 优先队列，可以保障高优先级队列的服务质量 • PQ分为四个队列：top ，middle ，normal，bottom • 较高的优先级的队列优先调度 drop

  31. 调度 Queue 0 Queue 1 Queue 2 … Queue 16 定制队列 流分类 • CQ (Custom queuing): 定制队列，用户可配置队列占用的带宽比例关系 • CQ共分为17个队列: 0号队列为系统队列，优先调度; 1-16为用户队列，轮询调度 • 各队列在统计规率上满足用户配置的带宽比例 … drop

  32. 调度 Queue 1 Queue 1 Queue 2 … N=16,32…2048,4096 Queue N 加权公平队列 流分类 • WFQ (Weighted fair queuing): 加权公平队列，保证相同优先级业务间公平，不同优先级业务间加权 • 最大队列数目可配置(16-4096) • 采用HASH算法尽量将不同的数据流分入不同的队列，自动完成 • 权值依赖于IP报文头中携带的IP优先级 … drop 数据流: 源IP地址，目的IP地址，源端口号，目的端口号，协议号，优先级相同

  33. 调度 LLQ 1 BQ 2 BQ … 63 BQ 基于类的队列 分类 • CBQ(Class Based Queue):是对WFQ功能的扩展，为用户提供了定义类的支持 • CBQ提供一个紧急队列，采用FIFO调度，没有带宽限制，紧急报文入此队列 • LLQ（Low Latency Queueing，低延迟队列），将PQ特性引入CBQ，为语音报文这样的延迟敏感数据流提供严格优先发送服务。 • 对于尽力转发的缺省类数据，提供WFQ队列调度 … drop

  34. 调度 RTP实时队列 • RTPQ（实时传输协议队列，Real-time Transport Protocol Queue) • 对实时要求高的数据流，例如语音，提供较高的优先级和预留带宽 • RTPQ可与其他队列技术一同使用 RTP实时队列 流分类 优先出队 … 其他队列机制: FIFO、PQ、CQ、WFQ、CBQ

  35. 带宽利用率 时间 t 拥塞避免 • 传统的尾丢包在网络发生拥塞时对报文全部丢弃，并不加以区分 • TCP慢启动导致全局同步化 • 进行拥塞避免，在网络没有发生拥塞以前根据队列状态进行有选择性的丢包 • 算法：RED、WRED

  36. WRED (Weighted Random Early Detection): 加权随机早期检测 采用随机丢弃的策略，避免了尾部丢弃的方式而引起TCP全局同步 根据当前队列的深度来预测拥塞的情况 根据优先级定义不同的丢弃策略，定义上限阈值和下限阈值 相同的优先级不同的队列，队列长度越长丢弃概率越高 调度 Queue 1 Queue 1 Queue 2 … N=16,32…2048,4096 Queue N 拥塞避免 流分类 … drop 上限阀值 下限阀值

  37. 内容介绍 QoS 的基本概念 流分类、流量监管及整形 拥塞管理及避免 链路有效性机制

  38. 链路有效性机制 链路有效性机制，用于改善链路的性能，间接提高网络的QoS，如降低链路发包的时延（针对特定业务）、调整有效带宽 两种链路有效性机制 IP报文头压缩协议（IP Header Compression，IPHC） 链路分片与交叉（Link Fragmentation and Interleaving，LFI） 链路有效性机制

  39. cRTP，主要在低速链路上使用，可将40字节的IP/UDP/RTP头压缩到2~4个字节（不使用校验和可到2字节），提高链路的利用率；对于G.729 IP话音，采用cRTP后带宽占用可从24Kbps减少到11.2Kbps cRTP主要得益于语音分组头和语音分组头之间的差别往往是不变的 cRTP主要在低速链路上使用 IPHC - RTP报文压缩 IP1 UDP1 RTP1 ID1 IP2 UDP2 RTP2 ID2 . . . IPn UDPn RTPn IDn IP1 UDP1 RTP1 ID1 IP2 UDP2 RTP2 ID2 . . . IPn UDPn RTPn IDn ID及校验 载荷 2~4字节 报文到达 设备A 设备B 低速链路 IP UDP RTP 载荷 IP UDP RTP 载荷 40字节 20~160字节

  40. LFI，用来防止在低速链路上传送大包对实时报文造成的时延与抖动LFI，用来防止在低速链路上传送大包对实时报文造成的时延与抖动 除了RTP实时队列和LLQ中的报文外，其他队列出队一个报文后，将其采用MP分片机制分成若干小包放入TempQ（采用MP封装），先发一片；如果此时RTP实时队列和LLQ又缓存了报文，仍优先调度RTP实时队列和LLQ（采用PPP封装），否则继续调度TempQ 被分片的报文，到接收端要进行重组 LFI只能用于采用PPP/FR链路协议的单通道低速链路 LFI-链路分片与交叉 队列管理及拥塞避免模块 二层协议报文 RTP实时队列或LLQ 出队 入队 IP & MPLS 报文 发送 其他队列机制 调度 分类器 TempQ

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