第4讲--网络服务质量控制

4.1 QoS的基本概念


QoS需求示例

语音业务QoS需求

视频业务QoS需求



丢包率不超过1% 单向时延不超过150 ～200ms 平均抖动不应超过 30ms 每个呼叫需要21～ 106kb/s的保证优先 带宽


丢包率不应超过2％ 单向时延不应超过1s 平均抖动不应超过1s 带宽需求依赖于视频 流的编码和速率

主要承载数据业务，采用尽力传送（Best Effort）的方式， 服务质量显得无关紧要

当前的IP网络

由一个单纯的数据网络转变为具有商业价值的多业务承载网， IP网络必须为其所承载的每一类业务提供相应的服务质量
4.1 QoS的基本概念
1.为什么需要QoS？





应用对延时、丢包、抖动等参数非常敏感； 在网络中总有一些诸如传输时延、处理延时、CRC错 误之类不可调整的因素存在； 在网络中还存在如缓冲延时、丢包率等和链路有关的 因素存在； 在绝大多数的网络中都存在一定程度的拥塞； 不能总用增加带宽的方式来解决问题； 在这种情况下最好的解决方案就是应用一个“可保证 ”的策略。
4.1 QoS的基本概念
2. QoS的基本测度

抖动
Jitter=abs(T1-T2)

抖动用于衡量网络时延的稳定性，单位为ms。 同一个数据流的不同数据包，在网络中经历的延迟可能不同， 从而产生抖动。 抖动对实时应用的影响较大，如语音、视频等应用，会造成失 真。

4.1 QoS的基本概念
2. QoS的基本测度

网络丢包

网络丢包用于衡量网络的可靠性，单位为pps或者百分比。 网络发生拥塞的情况下，由于所有队列被占满，必然导致部分数据包被丢 弃。 通过拥塞管理技术可以实现区分式服务，保证关键数据流优先转发。


通过早期丢弃技术可以平滑网络流量，防止网络流量的全局同步问题。
4.1 QoS的基本概念

各种应用的QoS需求
4.2 拥塞控制
2. TCP的拥塞控制

2) TCP协议中的拥塞控制 TCP协议中的拥塞控制机制RFC2581/RFC2582



4.2 拥塞控制
2. TCP的拥塞控制

1) 基于滑动窗口的拥塞控制 基于滑动窗口的拥塞控制
RTT 的估算
TCP 保留了平均往返时间 RTT 的一个加权平均往返时间 RTTS（这又称为 平滑的往返时间）。 第一次测量到 RTT 样本时，RTTS 值就取为所测量到的 RTT 样本值。以后 每测量到一个新的 RTT 样本，就按下式重新计算一次 RTTS： 新的 RTTS (1 ) (旧的 RTTS) (新的 RTT 样本) 式中，0 1。若 很接近于零，表示 RTT 值更新较慢。若选择 接近 于 1，则表示 RTT 值更新较快。 RFC 2988 推荐的 值为 1/8，即 0.125。

每个网络元件提供如下功能：

4.1 QoS的基本概念
6. QoS控制粒度


分组级（时间粒度大约为1到100微秒） 分组是互联网QoS控制机制的最小单位 流量调节机制（包括分组分类器、分组标记器和流量整形器 等），分组调度机制 和主动队列管理机制 等 分组的往返时间（round trip time），大约为1到100毫秒 在这个粒度工作的是拥塞控制和流量控制 等基于反馈的控制
第四讲：网络服务质量控制
LIXIUQIN
本讲主要的内容

QoS的基本概念 拥塞控制 队列管理 QoS网络模型 QoS路由
4.1 QoS的基本概念
1.为什么需要QoS？
QoS是指服务方和用户应用程序方之间的一种定量或定性的约定。 一种QoS连接请求具有一系列的给定约束。

传统的IP网络
4.2 拥塞控制
1. 拥塞控制的基本概念

拥塞处理 拥塞控制

对发生网络超载的反映


拥塞避免
过载发生前的检测和预防行动
4.2 拥塞控制
1. 拥塞控制的基本概念

拥塞控制与资源分配的主体



在网络设备中可用各种排队规则控制分组传送的顺序 和丢弃那些分组。排队规则还可以隔离通信量，使一 个用户的分组不会过分影响另一个用户的分组。 在端主机，协调控制源端发送分组速度 尽量避免拥塞出现，一旦出现，尽快消除。 资源分配是一个过程，通过它，网络设备尽量满足应 用对网络资源的竞争需求。
机制

会话级的（以秒和分钟为单位），也就是用户会话持续的 时间（会话可以采用各种方式定义） 在这个粒度工作的QoS机制包括准入控制和QoS路由
长期的QoS控制机制 主要包括流量工程，能力规划和服务定价 等

4.1 QoS的基本概念
6. QoS控制信息

QoS控制机制使用的控制信息的粒度 （granularity）
4.1 QoS的基本概念
2. QoS的基本测度

广义的网络服务质量

包括网络性能、可用性、可靠性 和安全性等各种 指标

本讲研究的QoS控制都是为了提高网络保证性 能 的能力

和性能相关的主要的QoS参数有带宽、延迟/延迟抖 动和分组丢失率 等
4.1 QoS的基本概念
2. QoS的基本测度

4.2 拥塞控制
2. TC控制
发送窗口并不总是和接收窗口一样大（因为有一定的时 间滞后） TCP 标准没有规定对不按序到达的数据应如何处理。通 常是先临时存放在接收窗口中，等到字节流中所缺少的 字节收到后，再按序交付上层的应用进程。 TCP 要求接收方必须有累积确认的功能，这样可以减小 传输开销。





4.2 拥塞控制
2. TCP的拥塞控制

1) 基于滑动窗口的拥塞控制 基于滑动窗口的拥塞控制
超时重传时间 RTO
RTO 应略大于上面得出的加权平均往返时间 RTTS。 RFC 2988 建议使用下式计算 RTO： RTO RTTS + 4 RTTD


RTTD 是 RTT 的偏差的加权平均值。


4.2 拥塞控制
2. TCP的拥塞控制

1) 基于滑动窗口的拥塞控制 滑动窗口的概念
发送方传输一个分组后，在传输另一个分组前要等待响应的确认 滑动窗口协议允许发送方在等待一个确认到达时发送多个分组

一个窗口中包含8个分组的滑动窗口协议，在分组1的确认收到 后窗口向后滑动一格，从而使分组9能被发送。只有未被确认的 分组才会重传。
4.2 拥塞控制
1. 拥塞控制的基本概念


资源分配的基本方式
依据处理对象 Router centric：由路由器决定报文的发送和丢弃，以及允许主 机发送的报文数量。 Host centric：由主机提供端－端的流量控制机制。 依据分配的时间 Reservation-based：传输开始前在传输路径上预留资源。 Feedback-based：在传输过程中动态调整资源分配。 依据使用策略 Window-based：使用窗口机制控制资源的使用。 Rate-based：根据接受者的处理能力确定传输路径的资源分配


带宽bandwidth：预期完成时间的保证 延迟delay/抖动jitter：传输的可用性 丢包率loss rate：数据的传输效率 稳定性burst

拥塞控制的最重要目标。
4.1 QoS的基本概念
2. QoS的基本测度

网络带宽
100M 2M 10M
PC2 1000M
RTA
PC1
RTB 数据流
4.2 拥塞控制
1. 拥塞控制的基本概念

拥塞现象
拥塞会导致传输时延 的急剧增加并造成大 量的分组丢失，更为 严重的是拥塞还可能 导致恶性循环造成网 络崩溃的发生。 拥塞不会随着网络处 理能力的提高而自动 消除。
4.2 拥塞控制
1. 拥塞控制的基本概念

拥塞控制的目的
Avoid global synchronization

控制状态的携带者和控制本身的位置

核心路由器
4.2 拥塞控制
1. 拥塞控制的基本概念

网络拥塞定义

网络或其一部分由于超载而引起性能严重下降的现象称为拥塞。

拥塞的原因－资源相对不足




过多的突发报文：在无连接服务的情况下，有大量报文突然涌向同一个 端口而来不及处理或输出，引起报文排队而且造成缓冲不够，于是报文 开始丢失，形成拥塞。报文的重发可能会恶化拥塞的情况 系统处理能力不够：路由器的CPU处理能力不够，或信道带宽不够，或 路由器的缓冲容量不足，均可能造成报文来不及处理而丢失，从而引发 拥塞。 重传处理不当：网络的链路层、网络层和运输层的超时计时器间隔，流 量控制的窗口大小，重发的选择（选择重发还是退回重发），应答报文 是否搭载（piggy back）等因素都会影响网络内重发报文的数量。 路由不合理：路由策略不能使网络的流量比较均匀，造成流量相对集中 于几条链路。
4.1 QoS的基本概念
3. 怎样保证QoS？



保证服务质量的第一步是使网络有较合理的设计和配 置.尽量避免瓶颈。 目前，用不断提高网络容量的方法来支持QoS是不现 实的。 两种方法可以用来缓解网络拥塞，提高服务质量： 1)为每个用户建立端到端的资源预留，当资源不够时 ，禁止一些用户向网络发送IP包 呼叫抑制 2) 所有用户都可以向网络发送IP包, 但当网络拥塞时, 某些用户的IP包有更好的机会来穿过网络 设定优先权