馬素剛

（西安郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710121）

隨著人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求不斷提高，除了傳統(tǒng)的WWW、E-mail、FTP等數(shù)據(jù)應(yīng)用外，Internet還必須能夠承載一些非傳統(tǒng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如遠(yuǎn)程教學(xué)、可視電話、視頻會(huì)議等。不同的應(yīng)用，要求網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)質(zhì)量 （Quality of Service，QoS）也不同。例如文件傳輸服務(wù)要求網(wǎng)絡(luò)提供準(zhǔn)確的傳輸，任何一位數(shù)據(jù)都不允許被錯(cuò)誤遞交，但是對(duì)網(wǎng)絡(luò)延遲并不敏感，而視頻會(huì)議有非常嚴(yán)格的延遲要求，如果在傳輸過程中出現(xiàn)少量錯(cuò)誤卻可以接受。因此，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸中的不同應(yīng)用，應(yīng)該為它們提供相應(yīng)級(jí)別的服務(wù)質(zhì)量保證。

1 網(wǎng)絡(luò)中存在的QoS問題

即使在整個(gè)多層交換網(wǎng)絡(luò)中都有足夠的帶寬，多種網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)屬性也可能影響網(wǎng)絡(luò)性能，即存在QoS問題[1]。不同的服務(wù)質(zhì)量通常體現(xiàn)在帶寬、延遲、延遲抖動(dòng)、丟包率等方面[2]。

網(wǎng)絡(luò)帶寬用于衡量網(wǎng)絡(luò)的吞吐能力，如果網(wǎng)絡(luò)上存在多個(gè)數(shù)據(jù)流，它們將互相競爭帶寬。網(wǎng)絡(luò)帶寬取決于物理鏈路的速率，但通過QoS技術(shù)可以提高網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用效率。也就是說，QoS并不能增加網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源，只是根據(jù)業(yè)務(wù)的需求和網(wǎng)絡(luò)管理配置來管理帶寬。

網(wǎng)絡(luò)延遲用于衡量數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)間的長短，一些實(shí)時(shí)應(yīng)用（如視頻會(huì)議）比較關(guān)心延遲的大小。

抖動(dòng)用于衡量網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的穩(wěn)定性。同一個(gè)數(shù)據(jù)流的不同數(shù)據(jù)包，在網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)歷的延遲可能不同，從而產(chǎn)生抖動(dòng)。抖動(dòng)對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用的影響較大，會(huì)造成失真。

網(wǎng)絡(luò)丟包率用于衡量網(wǎng)絡(luò)的可靠性。網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，由于緩沖隊(duì)列被占滿，必然導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)包被丟棄。

2 QoS服務(wù)模型

傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)沒有使用QoS機(jī)制，提供 “盡力而為”（Best-Effort）服務(wù)。所有的報(bào)文都被無區(qū)別地同等對(duì)待，每個(gè)路由器對(duì)所有的報(bào)文均采用先進(jìn)先出 （First In First Out，F(xiàn)IFO）的策略進(jìn)行處理，盡最大努力將報(bào)文送到目的地，但對(duì)報(bào)文傳送的可靠性、穩(wěn)定性等不提供任何保證。采用QoS技術(shù)能夠緩解延遲、抖動(dòng)、數(shù)據(jù)包丟失等問題，其實(shí)現(xiàn)模型主要有 綜 合 服 務(wù) （Integrated Service，IntServ）和 區(qū) 分 服 務(wù)（Differentiated Service，DiffServ）[3]兩種。

2.1 綜合服務(wù)

IntServ模型通過信令向網(wǎng)絡(luò)申請(qǐng)?zhí)囟ǖ腝oS服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)在流量參數(shù)描述的范圍內(nèi)，預(yù)留資源以承諾滿足該請(qǐng)求。IntServ模型采用基于流的策略，傳輸路徑上的所有網(wǎng)絡(luò)元素（交換機(jī)、路由器等）都要顯式地為流提供預(yù)定的服務(wù)。IntServ模型使用RSVP（Resource reSerVation Protocol，資源預(yù)留協(xié)議）作為網(wǎng)絡(luò)中預(yù)留資源的控制協(xié)議。RSVP是一種信號(hào)機(jī)制，并不用于傳遞業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)基于每條流的資源預(yù)留。

在通過RSVP建立端到端通信的過程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要保存每個(gè)報(bào)文流的狀態(tài)信息，在某一時(shí)間會(huì)占用非常大的系統(tǒng)資源。盡管RSVP的控制粒度很細(xì)，但可擴(kuò)展性很差，因此IntServ模型并沒有在流量匯集的Internet核心網(wǎng)上得以廣泛實(shí)施。

2.2 區(qū)分服務(wù)

與IntServ模型不同，DiffServ模型不需要信令，根據(jù)每個(gè)報(bào)文指定的QoS來提供特定的服務(wù)。在應(yīng)用程序發(fā)出報(bào)文之前，不需要通知網(wǎng)絡(luò)為其預(yù)留資源，網(wǎng)絡(luò)也不需要為每個(gè)流維護(hù)狀態(tài)。DiffServ模型是一種基于類的QoS技術(shù)，它在網(wǎng)絡(luò)邊界將數(shù)據(jù)流按QoS要求進(jìn)行簡單分類，并根據(jù)業(yè)務(wù)的不同服務(wù)等級(jí)約定，有差別地進(jìn)行流量控制和轉(zhuǎn)發(fā)，以解決擁塞問題。區(qū)分服務(wù)還是基于逐跳行為（Per-Hop Behavior，PHB）的服務(wù)質(zhì)量模型，它不是在轉(zhuǎn)發(fā)路徑上實(shí)施統(tǒng)一的資源預(yù)留，而是在每一跳上對(duì)不同標(biāo)記的包實(shí)施不同的行為。

DiffServ模型的服務(wù)粒度不再是每個(gè)流，從而大大地緩解了可擴(kuò)展性問題。另外，DiffServ模型可以將其大部分實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)的邊緣上，而在網(wǎng)絡(luò)核心只需實(shí)現(xiàn)最簡單的服務(wù)保證機(jī)制，因而降低了其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

DiffServ模型由多個(gè)組件組成，具有較復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在輸入端，需要對(duì)入站數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類、流量控制以及標(biāo)記操作，在輸出端，需要確定標(biāo)記后的數(shù)據(jù)包加入哪個(gè)傳輸隊(duì)列，以及如何調(diào)度這些隊(duì)列。

圖1 DiffServ模型體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of DiffServ model

1）分類。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以使用第二層幀中CoS（Class of Service，服務(wù)類別）位，也可以使用第三層數(shù)據(jù)包中的IP優(yōu)先級(jí)/DSCP（Differentiated Services Code Point，差異化服務(wù)編碼點(diǎn)）位來進(jìn)行分類。在第二層，使用802.1Q或ISL（Inter-Switch Link，交換機(jī)間鏈路）幀中的 3位（CoS位）來分類，可以表示8個(gè)不同的服務(wù)級(jí)別，即0～7。在第三層，將IP報(bào)頭中的ToS（Type of Service，服務(wù)類型）字段的6個(gè)最高有效位作為DSCP字段，可以表示的服務(wù)級(jí)別范圍為0～63。CoS與DSCP值之間的映射關(guān)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(shù)據(jù)流所占用的傳輸帶寬，從而控制通信流通過交換機(jī)傳輸?shù)乃俣取?/p>

3）標(biāo)記。修改入站幀的CoS、IP優(yōu)先級(jí)或DSCP值，確保被分類后的報(bào)文對(duì)應(yīng)的標(biāo)記值能夠傳遞給網(wǎng)絡(luò)上的下一跳設(shè)備。

4）入隊(duì)列。負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)流中的報(bào)文送往端口的某個(gè)輸出隊(duì)列中，進(jìn)入不同輸出隊(duì)列的報(bào)文將獲得不同等級(jí)和性質(zhì)的傳輸服務(wù)策略。

5）隊(duì)列調(diào)度。確定以什么樣的方式來處理被送到端口各個(gè)輸出隊(duì)列中的報(bào)文。每一種隊(duì)列調(diào)度技術(shù)都用來解決特定的問題，會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生特定的影響。常見的隊(duì)列調(diào)度算法包括 FIFO、PQ （Priority Queue， 優(yōu)先級(jí)隊(duì)列）、CQ（Custom Queue，自定義隊(duì)列）、WFQ（Weighted Fair Queue，加權(quán)公平隊(duì)列）、WRR（Weighted Round Robin，加權(quán)輪詢）等[4]。

WRR將每個(gè)端口分為多個(gè)輸出隊(duì)列，在隊(duì)列之間進(jìn)行輪流調(diào)度，保證每個(gè)隊(duì)列都能得到一定的服務(wù)時(shí)間。以Catalyst 3550交換機(jī)[5]為例，對(duì)一個(gè)100 Mb/s的端口使用了4個(gè)出站隊(duì)列，如果配置隊(duì)列1～4的加權(quán)值分別為50、30、10、10，這樣可以保證最低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列也能獲得至少10 Mb/s的帶寬。雖然多個(gè)隊(duì)列的調(diào)度是輪詢進(jìn)行，但對(duì)每個(gè)隊(duì)列不是固定地分配服務(wù)時(shí)間片。如果某個(gè)隊(duì)列為空，那么馬上換到下一個(gè)隊(duì)列調(diào)度，這樣帶寬資源可以得到充分利用。

3 QoS原理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用 Catalyst 3550 交換機(jī) 1 臺(tái)、PC 機(jī) 4 臺(tái)（S1、S2、S3、PC）搭建如圖2所示網(wǎng)絡(luò)。正確配置PC機(jī)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，確保4臺(tái)PC處于同一個(gè)局域網(wǎng)中。

3.1 實(shí)驗(yàn)過程

1）啟用 QoS

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

圖2 網(wǎng)絡(luò)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(hào)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(shè)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(shè)置 DSCP值為40

5）在端口上應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用策略POLICY2

6）在端口上配置CoS映射關(guān)系

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

S3550 （config-if）#wrr-queue cos-map 1 0 1!----隊(duì)列1

S3550 （config-if）#wrr-queue cos-map 2 2 3!----隊(duì)列2

S3550 （config-if）#wrr-queue cos-map 3 4!----隊(duì)列 3

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

7）配置WRR權(quán)重

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

S3550 （config-if）#wrr-queue bandwidth 5 5 5 85!----配置4個(gè)隊(duì)列的WRR權(quán)重[6]

3.2 測(cè) 試

分別把 S1、S2、S3配置為 FTP服務(wù)器[7]，在客戶端 PC上用FTP命令同時(shí)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(fèi)的時(shí)間具有可比性，3臺(tái)FTP服務(wù)器應(yīng)該采用相同的實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)中使用的文件大小約為1.18 GB（準(zhǔn)確大小為1269432320 B），4臺(tái)PC的配置均為：Intel Pentium CPU G630 2.70GHz （雙核）、2GB 內(nèi)存、500GB硬盤、Windows XP（SP3）系統(tǒng)。記錄連續(xù)5次文件傳輸所用的時(shí)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(jī)上，按照上述步驟啟用并配置QoS，從3臺(tái)FTP服務(wù)器上同時(shí)下載文件，記錄連續(xù)5次傳輸所用的時(shí)間與速率，如表4所示?？梢钥闯?，由于在端口f0/2、f0/3上應(yīng)用了策略POLICY1，而在端口f0/4上應(yīng)用了策略POLICY2，故從S3上下載同樣大小的文件所用時(shí)間最短，速率最大。

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

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

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

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

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

4 結(jié) 論

未使用QoS策略時(shí)，從3臺(tái)FTP服務(wù)器下載文件所用的時(shí)間總體上相差不多。在交換機(jī)上啟用QoS，并把某個(gè)端口（如f0/4）優(yōu)先級(jí)設(shè)置為最高時(shí)，則從該端口連接的FTP服務(wù)器（S3）上下載文件最快。測(cè)試結(jié)果表明，通過合理配置QoS機(jī)制，能夠?yàn)椴煌悇e的數(shù)據(jù)流提供不同的傳輸優(yōu)先級(jí)，從而提供不用級(jí)別的服務(wù)質(zhì)量。文中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，能夠幫助初學(xué)者更深刻地理解QoS的工作過程，從而更好地掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)原理。搭建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼芭渲眠^程比較簡單，但是對(duì)于QoS技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中的部署具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

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

[2]張國清.QoS在IOS中的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[3]（美）Michael Flannagan，Richard Froom，Kevin Turek，著.Cisco Catalyst QoS—園區(qū)網(wǎng)中的服務(wù)質(zhì)量 [M].尹敏，張衛(wèi)，譯.北京：人民郵電出版社，2004.

[4]梅創(chuàng)社.平面網(wǎng)絡(luò)中QOS多播路由算法研究與設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（6）:71-73.

[5]（美）David Hucaby，Steve McQuerry， 著.Cisco現(xiàn)場手冊(cè)：Catalyst交換機(jī)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(shù)的園區(qū)網(wǎng)QoS控制與實(shí)現(xiàn)[J].科技信息，2013（22）:16-17.

[7]何波，崔貫勛.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.