QoS技術的研究與實現

馬素剛

（西安郵電大學 計算機學院，陜西 西安 710121）

隨著人們對網絡應用的需求不斷提高，除了傳統的WWW、E-mail、FTP等數據應用外，Internet還必須能夠承載一些非傳統數據業務，如遠程教學、可視電話、視頻會議等。不同的應用，要求網絡提供的服務質量 （Quality of Service，QoS）也不同。例如文件傳輸服務要求網絡提供準確的傳輸，任何一位數據都不允許被錯誤遞交，但是對網絡延遲并不敏感，而視頻會議有非常嚴格的延遲要求，如果在傳輸過程中出現少量錯誤卻可以接受。因此，針對網絡傳輸中的不同應用，應該為它們提供相應級別的服務質量保證。

1 網絡中存在的QoS問題

即使在整個多層交換網絡中都有足夠的帶寬，多種網絡設計屬性也可能影響網絡性能，即存在QoS問題[1]。不同的服務質量通常體現在帶寬、延遲、延遲抖動、丟包率等方面[2]。

網絡帶寬用于衡量網絡的吞吐能力，如果網絡上存在多個數據流，它們將互相競爭帶寬。網絡帶寬取決于物理鏈路的速率，但通過QoS技術可以提高網絡帶寬的利用效率。也就是說，QoS并不能增加網絡的帶寬資源，只是根據業務的需求和網絡管理配置來管理帶寬。

網絡延遲用于衡量數據包在網絡中傳輸時間的長短，一些實時應用（如視頻會議）比較關心延遲的大小。

抖動用于衡量網絡延時的穩定性。同一個數據流的不同數據包，在網絡中經歷的延遲可能不同，從而產生抖動。抖動對實時應用的影響較大，會造成失真。

網絡丟包率用于衡量網絡的可靠性。網絡發生擁塞時，由于緩沖隊列被占滿，必然導致部分數據包被丟棄。

2 QoS服務模型

傳統的IP網絡沒有使用QoS機制，提供 “盡力而為”（Best-Effort）服務。所有的報文都被無區別地同等對待，每個路由器對所有的報文均采用先進先出 （First In First Out，FIFO）的策略進行處理，盡最大努力將報文送到目的地，但對報文傳送的可靠性、穩定性等不提供任何保證。采用QoS技術能夠緩解延遲、抖動、數據包丟失等問題，其實現模型主要有 綜 合 服 務 （Integrated Service，IntServ）和 區 分 服 務（Differentiated Service，DiffServ）[3]兩種。

2.1 綜合服務

IntServ模型通過信令向網絡申請特定的QoS服務，網絡在流量參數描述的范圍內，預留資源以承諾滿足該請求。IntServ模型采用基于流的策略，傳輸路徑上的所有網絡元素（交換機、路由器等）都要顯式地為流提供預定的服務。IntServ模型使用RSVP（Resource reSerVation Protocol，資源預留協議）作為網絡中預留資源的控制協議。RSVP是一種信號機制，并不用于傳遞業務數據，可以實現基于每條流的資源預留。

在通過RSVP建立端到端通信的過程中，每個節點都要保存每個報文流的狀態信息，在某一時間會占用非常大的系統資源。盡管RSVP的控制粒度很細，但可擴展性很差，因此IntServ模型并沒有在流量匯集的Internet核心網上得以廣泛實施。

2.2 區分服務

與IntServ模型不同，DiffServ模型不需要信令，根據每個報文指定的QoS來提供特定的服務。在應用程序發出報文之前，不需要通知網絡為其預留資源，網絡也不需要為每個流維護狀態。DiffServ模型是一種基于類的QoS技術，它在網絡邊界將數據流按QoS要求進行簡單分類，并根據業務的不同服務等級約定，有差別地進行流量控制和轉發，以解決擁塞問題。區分服務還是基于逐跳行為（Per-Hop Behavior，PHB）的服務質量模型，它不是在轉發路徑上實施統一的資源預留，而是在每一跳上對不同標記的包實施不同的行為。

DiffServ模型的服務粒度不再是每個流，從而大大地緩解了可擴展性問題。另外，DiffServ模型可以將其大部分實現復雜度轉移到網絡的邊緣上，而在網絡核心只需實現最簡單的服務保證機制，因而降低了其實現復雜度。

DiffServ模型由多個組件組成，具有較復雜的體系結構，如圖1所示。在輸入端，需要對入站數據包進行分類、流量控制以及標記操作，在輸出端，需要確定標記后的數據包加入哪個傳輸隊列，以及如何調度這些隊列。

圖1 DiffServ模型體系結構Fig.1 Architecture of DiffServ model

1）分類。網絡設備可以使用第二層幀中CoS（Class of Service，服務類別）位，也可以使用第三層數據包中的IP優先級/DSCP（Differentiated Services Code Point，差異化服務編碼點）位來進行分類。在第二層，使用802.1Q或ISL（Inter-Switch Link，交換機間鏈路）幀中的 3位（CoS位）來分類，可以表示8個不同的服務級別，即0～7。在第三層，將IP報頭中的ToS（Type of Service，服務類型）字段的6個最高有效位作為DSCP字段，可以表示的服務級別范圍為0～63。CoS與DSCP值之間的映射關系分別如表1、表2所示。

表1 CoS到DSCP的映射Tab.1 The CoS to DSCP mapping

表2 DSCP到CoS的映射Tab.2 The DSCP to CoS mapping

2）流量控制。流量控制用于約束被分類的數據流所占用的傳輸帶寬，從而控制通信流通過交換機傳輸的速度。

3）標記。修改入站幀的CoS、IP優先級或DSCP值，確保被分類后的報文對應的標記值能夠傳遞給網絡上的下一跳設備。

4）入隊列。負責將數據流中的報文送往端口的某個輸出隊列中，進入不同輸出隊列的報文將獲得不同等級和性質的傳輸服務策略。

5）隊列調度。確定以什么樣的方式來處理被送到端口各個輸出隊列中的報文。每一種隊列調度技術都用來解決特定的問題，會對網絡性能產生特定的影響。常見的隊列調度算法包括 FIFO、PQ （Priority Queue， 優先級隊列）、CQ（Custom Queue，自定義隊列）、WFQ（Weighted Fair Queue，加權公平隊列）、WRR（Weighted Round Robin，加權輪詢）等[4]。

WRR將每個端口分為多個輸出隊列，在隊列之間進行輪流調度，保證每個隊列都能得到一定的服務時間。以Catalyst 3550交換機[5]為例，對一個100 Mb/s的端口使用了4個出站隊列，如果配置隊列1～4的加權值分別為50、30、10、10，這樣可以保證最低優先級隊列也能獲得至少10 Mb/s的帶寬。雖然多個隊列的調度是輪詢進行，但對每個隊列不是固定地分配服務時間片。如果某個隊列為空，那么馬上換到下一個隊列調度，這樣帶寬資源可以得到充分利用。

3 QoS原理實驗設計

使用 Catalyst 3550 交換機 1 臺、PC 機 4 臺（S1、S2、S3、PC）搭建如圖2所示網絡。正確配置PC機的網絡參數，確保4臺PC處于同一個局域網中。

3.1 實驗過程

1）啟用 QoS

S3550（config）#mls qos!----在交換機 S3550 上全局啟用QoS

圖2 網絡連接示意圖Fig.2 Structure of the network

2）配置訪問控制列表

S3550 （config）#access-list 100 permit ip any any!----配置訪問控制列表（ACL）

3）配置分類映射表

S3550 （config）#class-map match-all ANYIP1!----配置分類映射表ANYIP1

S3550 （config-cmap）#match access-group 100!----匹配編號為100的ACL

S3550 （config）#class-map match-all ANYIP2!----配置分類映射表ANYIP2

S3550 （config-cmap）#match access-group 100

4）配置策略映射表

S3550 （config）#policy-map POLICY1!----配置策略映射表POLICY1

S3550 （config-pmap）#class ANYIP1!----匹配分類映射表ANYIP1

S3550 （config-pmap-c）#set ip dscp 32!----設置 DSCP值為32

S3550 （config）#policy-map POLICY2!----配置策略映射表POLICY2

S3550 （config-pmap）#class ANYIP2!----匹配分類映射表ANYIP2

S3550 （config-pmap-c）#set ip dscp 40!----設置 DSCP值為40

5）在端口上應用策略

S3550 （config）#interface f0/2!----入口 f0/2

S3550 （config-if）#service-policy input POLICY1!----在端口f0/2上應用策略POLICY1

S3550 （config）#interface f0/3!----入口 f0/3

S3550 （config-if）#service-policy input POLICY1!----在端口f0/3上應用策略POLICY1

S3550 （config）#interface f0/4!----入口 f0/4

S3550 （config-if）#service-policy input POLICY2!----在端口f0/4上應用策略POLICY2

6）在端口上配置CoS映射關系

S3550 （config）#interface f0/1!----出口 f0/1

S3550 （config-if）#wrr-queue cos-map 1 0 1!----隊列1

S3550 （config-if）#wrr-queue cos-map 2 2 3!----隊列2

S3550 （config-if）#wrr-queue cos-map 3 4!----隊列 3

S3550 （config-if）#wrr-queue cos-map 4 5 6 7!----隊列4

7）配置WRR權重

S3550 （config）#interface f0/1!----出口 f0/1

S3550 （config-if）#wrr-queue bandwidth 5 5 5 85!----配置4個隊列的WRR權重[6]

3.2 測 試

分別把 S1、S2、S3配置為 FTP服務器[7]，在客戶端 PC上用FTP命令同時從S1、S2、S3上下載文件。為了保證從S1、S2、S3下載同樣大小的文件所花費的時間具有可比性，3臺FTP服務器應該采用相同的實現方法。實驗中使用的文件大小約為1.18 GB（準確大小為1269432320 B），4臺PC的配置均為：Intel Pentium CPU G630 2.70GHz （雙核）、2GB 內存、500GB硬盤、Windows XP（SP3）系統。記錄連續5次文件傳輸所用的時間及傳輸速率，如表3所示。

表3 未使用QoS策略Tab.3 Not applying the QoS policy

在Catalyst 3550交換機上，按照上述步驟啟用并配置QoS，從3臺FTP服務器上同時下載文件，記錄連續5次傳輸所用的時間與速率，如表4所示。可以看出，由于在端口f0/2、f0/3上應用了策略POLICY1，而在端口f0/4上應用了策略POLICY2，故從S3上下載同樣大小的文件所用時間最短，速率最大。

表4 在端口f0/4上應用策略POLICY2Tab.4 Applying the policy （POLICY2）in the interface f0/4

在Catalyst 3550交換機上，啟用并配置QoS，此時在端口f0/2、f0/4上應用策略POLICY1，而在端口f0/3上應用策略POLICY2，重新測試下載時間，如表5所示，從S2上下載同樣大小的文件所用時間最短，速率最大。

在Catalyst 3 550交換機上，啟用并配置QoS，此時在端口f0/3、f0/4上應用策略POLICY1，而在端口f0/2上應用策略POLICY2，重新測試下載時間，如表6所示，從S1上下載同樣大小的文件所用時間最短，速率最大。

表5 在端口f0/3上應用策略POLICY2Tab.5 Applying the policy （POLICY2）in the interface f0/3

表6 在端口f0/2上應用策略POLICY2Tab.6 Applying the policy （POLICY2）in the interface f0/2

4 結 論

未使用QoS策略時，從3臺FTP服務器下載文件所用的時間總體上相差不多。在交換機上啟用QoS，并把某個端口（如f0/4）優先級設置為最高時，則從該端口連接的FTP服務器（S3）上下載文件最快。測試結果表明，通過合理配置QoS機制，能夠為不同類別的數據流提供不同的傳輸優先級，從而提供不用級別的服務質量。文中設計的實驗，能夠幫助初學者更深刻地理解QoS的工作過程，從而更好地掌握計算機網絡相關原理。搭建的網絡拓撲及配置過程比較簡單，但是對于QoS技術在網絡中的部署具有一定的現實指導意義。

[1]劉大偉，張芳，譯.（美）Richard Froom，Balaji Sivasubramanian，Erum Frahim，著.CCNP自學指南：組建Cisco多層交換網絡（BCMSN）[M].3版.北京：人民郵電出版社，2006.

[2]張國清.QoS在IOS中的實現與應用[M].2版.北京：電子工業出版社，2012.

[3]（美）Michael Flannagan，Richard Froom，Kevin Turek，著.Cisco Catalyst QoS—園區網中的服務質量 [M].尹敏，張衛，譯.北京：人民郵電出版社，2004.

[4]梅創社.平面網絡中QOS多播路由算法研究與設計[J].電子設計工程，2012，20（6）:71-73.

[5]（美）David Hucaby，Steve McQuerry， 著.Cisco現場手冊：Catalyst交換機配置[M].張輝，譯.北京：人民郵電出版社，2004.

[6]蔣崢崢，王丹丹，陳曉紅.基于DiffServ技術的園區網QoS控制與實現[J].科技信息，2013（22）:16-17.

[7]何波，崔貫勛.計算機網絡實驗教程[M].北京：清華大學出版社，2013.