QOS概述（一）服务模型

1、影响网络通信的因素

2、QOS的服务模型

2.1 尽力而为的服务模型

2.2 综合服务模型

2.3 区分服务模型

3、三种模型的比较

随着网络的不断发展，网络规模及流量类型的不断增加，使得互联网流量激增，产生网络拥塞，增加转发时延，严重时还会产生丢包，导致业务质量下降甚至不可用。所以，要在IP网络上开展这些实时性业务，就必须解决网络拥塞问题，而解决网络拥塞的最直接的办法就是增加网络带宽，但从网络的建设成本考虑，这是不现实的。QoS ( Quality of Service )技术就是在这种背景下发展起来的。在带宽有限的情况下，该技术应用一个“有保证”的策略对网络流量进行管理，并实现不同的流量可以获得不同的优先服务。

具体来说QOS就是指在通信过程中，允许用户业务在带宽、时延、时延抖动、丢包率等方面获得可预期的服务水平。

1、影响网络通信的因素

传统的IP网络无区别地对待所有的报文，网络设备处理报文采用的策略是先入先出FIFO（First In First Out），它依照报文到达时间的先后顺序分配转发所需要的资源。所有报文共享网络和设备的带宽等资源，然而最终得到资源的多少完全取决于报文到达的时机。 FIFO尽最大的努力将报文送到目的地，但对报文的延迟、抖动、丢包率和可靠性等需求不提供任何承诺和保证，故对于一些关键业务（如语音、视频等）的通信质量无法进行保证。

网络带宽

网络带宽是指在单位时间内能传输的数据量，如图所示一条路径上的最大带宽取决于传输路径上的最小带宽。所以带宽小的链路是影响传输速率的关键。

网络时延

时延是指一个报文从网络的一端传递到另一端的所需的时间。实时应用通信质量都比较关注时延大小，如语音、视频。以语音传输为例，时延是指从说话者开始说话到对方听到所说内容的时间。若时延太大，会引起通话声音不清晰、不连贯或破碎。

抖动

由于每个报文的端到端时延不一样，就会导致这些报文不能等间隔到达目的端，这种现象叫做抖动。一般来说，时延越小则时延抖动的范围越小。某些业务类型（特别是语音和视频等实时业务）是极其不能容忍抖动的。报文到达时间的差异将在语音或视频中造成断续；另外，抖动也会影响一些网络协议的处理，有些协议是按固定的时间间隔发送交互性报文，抖动过大就会导致协议震荡，而实际上所有传输系统都有抖动，但只要抖动在规定容差之内就不会影响服务质量，另外，可利用缓存来克服过量的抖动，但这将会增加时延。

丢包率

丢包率是指在网络传输过程中丢失报文占传输报文的百分比，丢包率可衡量网络的可靠性。丢包（packet loss）可能在所有环节中发生，例如：

处理过程：路由器在收到报文的时候可能由于CPU繁忙，无法处理报文而导致丢包。
排队过程：在把报文调度到队列的时候可能由于队列被装满而导致丢包。
传输过程：报文在链路上传输的过程中，可能由于种种原因（如链路故障等）导致的丢包。

2、QOS的服务模型

2.1 尽力而为的服务模型

在尽力而为的服务模型中可以通过增大网络带宽、升级网络设备等方式来提升网络通信质量。

增大网络带宽：可以增大单位时间内传输的数据量，使其按照传统先进先出的方式在单位时间内传输更多的数据，改善网络拥塞问题。
升级网络设备：可以增大数据处理能力，使其按照传统先进先出的方式在单位时间内能够处理更多的数据，改善网络拥塞问题。

传统的先进先出转发即Best-Effort（尽力而为）服务模型：

Best-Effort是一个单一的服务模型，也是最简单的服务模型，应用程序可以在任何时候，发出任意数量的报文，而且不需要事先获得批准，也不需要通知网络。
应用Best-Effort服务模型的网路尽最大可能性来发送报文，但对时延，可靠性等性能不提供任何保证；但它适用于大多数网络应用，如FTP、Email等。
Best-Effort服务是现在Internet的缺省服务模型，它是通过先入先出队列实现的。

2.2 综合服务模型

使设备运行一些协议来保障关键业务的通信质量。优点：可以为某些特定的业务提供带宽、延时保障。缺点：实现复杂；当无流量发送时，任然独占带宽，使用率较低；该方案要求端到端所有节点都支持并运行RSVP协议。所以该模型在现实网络中并不多见。

综合服务模型（Integrated Services Model）：

IntServ是一种最为复杂的服务模型，它需要用到RSVP（Resource Reservation Protocol）协议（资源预留协议）。RSVP协议工作过程：在应用程序发送报文前，需要向网络申请特定的带宽和所需的特定服务质量的请求，等收到了确认消息后才发送报文。

一旦认可并为应用程序的报文分配了资源，则只要应用程序的报文控制在流量参数描述的范围内，网络节点将承诺满足应用程序的 QoS 需求。预留路径上的网络节点可以通过执行报文的分类、流量监管、低延迟的排队调度等行为，来满足对应用程序的承诺。IntServ 模型常与组播应用结合，适用于需要保证带宽、低延迟的实时多媒体应用，如电视会议、视频点播等

目前采用RSVP协议的IntServ模型定义了两种业务类型：

保证型服务提供保障的时延和带宽限制来满足应用程序的要求。如VoIP（Voice over IP）应用可以预留10M带宽和要求不超过1秒的时延。
负载均衡型服务保证即使在网络过载的情况下，仍能对报文提供类似best Effort模型在未过载时的服务质量，即在网络拥塞的情况下，保证某些应用程序报文的低延时和低丢包率需求。

可以提供端到端的QOS投递服务是Intserv模型的最大优点。Intserv模型最大的缺点是可扩展性不好。网络节点需要为每个资源预留维护一些必要的软状态信息。在与组播应用相结合时，还要定期的向网络发送资源请求和路径更新的信息，以支持组播成员的加入和退出。以上操作在网络规模扩大时，维护开销大幅度增加，对网络节点报文的处理性能造成严重影响。IntServ模型不适于在流量汇集的骨干网上大量应用。

2.3 区分服务模型

为解决综合服务模型的协议实现复杂性及带宽利用率低的问题，在网络中可部署Diffserv区分服务模型来保证业务的通信质量。这也是目前应用最广泛的模型。

DiffServ区分服务工作过程：首先将网络中的流量分成多个类，然后为每个类定义相应的处理行为，使其拥有不同的优先转发、丢包率、时延等。

DiffServ服务模型概述：

业务流分类和标记由边缘路由器来完成。边界路由器可以通过多种条件（比如报文的源地址和目的地址、ToS域中的优先级、协议类型等）灵活的对报文进行分类，然后对不同类型的报文设置不同的标记字段，而其他路由器只需要简单的识别报文中的这些标记，然后对其进行相应资源分配和流量控制即可。因此，DiffServ是一种基于报文流的QOS模型。
它包含有限数量的服务等级，少量的状态信息来提供有差别的流量控制和转发。
DS节点：实现DiffServ功能的网络节点称为DS节点。
DS边界节点：负责连接另一个DS域或者连接一个没有DS功能的域的节点。DS边界节点负责将进入此DS域的业务流进行分类和流量调整。
DS内部节点用于在同一个DS域中连接DS边界节点和其他内部节点。DS内部节点仅需要基于报文中的EXP、802.1P、IPP等字段进行简单的流分类以及相对应的流进行流量控制。
DS域：一组采用相同的服务提供策略和实现了相同PHB的相连DS节点组成。一个DS域由相同管理部门的一个或多个网络组成，如一个DS域可以是一个ISP，也可以是一个企业的内部网络。

DiffServ模型充分考虑了IP网络本身所具有的灵活性、可扩展性强等特点，将复杂的服务质量保证通过报文自身携带的信息转换为单跳行为，从而大大减少了信令的工作，该模型是目前应用最广泛的服务模型。

另：差分服务模型的功能组件

流分类、流量监管、流量整形、拥塞管理、拥塞避免是构造有区别的实施服务的基石，它们主要完成如下功能：

流分类：依据一定的匹配规则识别出对象。流分类是有区别的实施服务的前提。
流量监管：对进入路由器的特定流量的规格进行监管。当流量超出规格时，可以采取限制或惩罚措施，以保护网络资源不受损害。
流量整形：一种主动调整流输出速率的流控措施，通常是为了使流量适配下游路由器可供给的网络资源，避免不必要的报文丢弃和拥塞。
拥塞管理：网络拥塞时必须采取的解决资源竞争的措施。通常是将报文放入队列中缓存，并采取某种调度算法安排报文的转发次序。
拥塞避免：拥塞避免监督网络资源的使用情况，当发现拥塞有加剧的趋势时采取主动丢弃报文的策略，通过调整流量来解除网络的过载。

在这些功能组件中：流分类是基础，它依据一定的匹配规则识别出报文，是有区别地实施服务的前提；流量监管、流量整形、拥塞管理和拥塞避免从不同方面对网络流量及其分配的资源实施控制，是有区别地提供服务具体的体现。

3、三种模型的比较

	优点	缺点
尽力而为的模型	实现机制简单	对不同业务流量不能进行区分对待
综合服务模型	可提供端到端QOS服务，并保证带宽、延时	需要跟踪和记录每个数据流的状态，实现较复杂，且扩展性较差，带宽利用率较低
区分服务模型	不需要跟踪每个数据流状态；资源占用较少，扩展性较强；且实现不同业务流提供不同的服务质量	需要在端到端每个节点都进行手工部署，对人员能力要求较高。