QoS技术的研究与实现

马素刚

（西安邮电大学 计算机学院，陕西 西安 710121）

随着人们对网络应用的需求不断提高，除了传统的WWW、E-mail、FTP等数据应用外，Internet还必须能够承载一些非传统数据业务，如远程教学、可视电话、视频会议等。不同的应用，要求网络提供的服务质量 （Quality of Service，QoS）也不同。例如文件传输服务要求网络提供准确的传输，任何一位数据都不允许被错误递交，但是对网络延迟并不敏感，而视频会议有非常严格的延迟要求，如果在传输过程中出现少量错误却可以接受。因此，针对网络传输中的不同应用，应该为它们提供相应级别的服务质量保证。

1 网络中存在的QoS问题

即使在整个多层交换网络中都有足够的带宽，多种网络设计属性也可能影响网络性能，即存在QoS问题[1]。不同的服务质量通常体现在带宽、延迟、延迟抖动、丢包率等方面[2]。

网络带宽用于衡量网络的吞吐能力，如果网络上存在多个数据流，它们将互相竞争带宽。网络带宽取决于物理链路的速率，但通过QoS技术可以提高网络带宽的利用效率。也就是说，QoS并不能增加网络的带宽资源，只是根据业务的需求和网络管理配置来管理带宽。

网络延迟用于衡量数据包在网络中传输时间的长短，一些实时应用（如视频会议）比较关心延迟的大小。

抖动用于衡量网络延时的稳定性。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，会造成失真。

网络丢包率用于衡量网络的可靠性。网络发生拥塞时，由于缓冲队列被占满，必然导致部分数据包被丢弃。

2 QoS服务模型

传统的IP网络没有使用QoS机制，提供 “尽力而为”（Best-Effort）服务。所有的报文都被无区别地同等对待，每个路由器对所有的报文均采用先进先出 （First In First Out，FIFO）的策略进行处理，尽最大努力将报文送到目的地，但对报文传送的可靠性、稳定性等不提供任何保证。采用QoS技术能够缓解延迟、抖动、数据包丢失等问题，其实现模型主要有 综 合 服 务 （Integrated Service，IntServ）和 区 分 服 务（Differentiated Service，DiffServ）[3]两种。

2.1 综合服务

IntServ模型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。IntServ模型采用基于流的策略，传输路径上的所有网络元素（交换机、路由器等）都要显式地为流提供预定的服务。IntServ模型使用RSVP（Resource reSerVation Protocol，资源预留协议）作为网络中预留资源的控制协议。RSVP是一种信号机制，并不用于传递业务数据，可以实现基于每条流的资源预留。

在通过RSVP建立端到端通信的过程中，每个节点都要保存每个报文流的状态信息，在某一时间会占用非常大的系统资源。尽管RSVP的控制粒度很细，但可扩展性很差，因此IntServ模型并没有在流量汇集的Internet核心网上得以广泛实施。

2.2 区分服务

与IntServ模型不同，DiffServ模型不需要信令，根据每个报文指定的QoS来提供特定的服务。在应用程序发出报文之前，不需要通知网络为其预留资源，网络也不需要为每个流维护状态。DiffServ模型是一种基于类的QoS技术，它在网络边界将数据流按QoS要求进行简单分类，并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，以解决拥塞问题。区分服务还是基于逐跳行为（Per-Hop Behavior，PHB）的服务质量模型，它不是在转发路径上实施统一的资源预留，而是在每一跳上对不同标记的包实施不同的行为。

DiffServ模型的服务粒度不再是每个流，从而大大地缓解了可扩展性问题。另外，DiffServ模型可以将其大部分实现复杂度转移到网络的边缘上，而在网络核心只需实现最简单的服务保证机制，因而降低了其实现复杂度。

DiffServ模型由多个组件组成，具有较复杂的体系结构，如图1所示。在输入端，需要对入站数据包进行分类、流量控制以及标记操作，在输出端，需要确定标记后的数据包加入哪个传输队列，以及如何调度这些队列。

图1 DiffServ模型体系结构Fig.1 Architecture of DiffServ model

1）分类。网络设备可以使用第二层帧中CoS（Class of Service，服务类别）位，也可以使用第三层数据包中的IP优先级/DSCP（Differentiated Services Code Point，差异化服务编码点）位来进行分类。在第二层，使用802.1Q或ISL（Inter-Switch Link，交换机间链路）帧中的 3位（CoS位）来分类，可以表示8个不同的服务级别，即0～7。在第三层，将IP报头中的ToS（Type of Service，服务类型）字段的6个最高有效位作为DSCP字段，可以表示的服务级别范围为0～63。CoS与DSCP值之间的映射关系分别如表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。流量控制用于约束被分类的数据流所占用的传输带宽，从而控制通信流通过交换机传输的速度。

3）标记。修改入站帧的CoS、IP优先级或DSCP值，确保被分类后的报文对应的标记值能够传递给网络上的下一跳设备。

4）入队列。负责将数据流中的报文送往端口的某个输出队列中，进入不同输出队列的报文将获得不同等级和性质的传输服务策略。

5）队列调度。确定以什么样的方式来处理被送到端口各个输出队列中的报文。每一种队列调度技术都用来解决特定的问题，会对网络性能产生特定的影响。常见的队列调度算法包括 FIFO、PQ （Priority Queue， 优先级队列）、CQ（Custom Queue，自定义队列）、WFQ（Weighted Fair Queue，加权公平队列）、WRR（Weighted Round Robin，加权轮询）等[4]。

WRR将每个端口分为多个输出队列，在队列之间进行轮流调度，保证每个队列都能得到一定的服务时间。以Catalyst 3550交换机[5]为例，对一个100 Mb/s的端口使用了4个出站队列，如果配置队列1～4的加权值分别为50、30、10、10，这样可以保证最低优先级队列也能获得至少10 Mb/s的带宽。虽然多个队列的调度是轮询进行，但对每个队列不是固定地分配服务时间片。如果某个队列为空，那么马上换到下一个队列调度，这样带宽资源可以得到充分利用。

3 QoS原理实验设计

使用 Catalyst 3550 交换机 1 台、PC 机 4 台（S1、S2、S3、PC）搭建如图2所示网络。正确配置PC机的网络参数，确保4台PC处于同一个局域网中。

3.1 实验过程

1）启用 QoS

S3550（config）#mls qos!----在交换机 S3550 上全局启用QoS

图2 网络连接示意图Fig.2 Structure of the network

2）配置访问控制列表

S3550 （config）#access-list 100 permit ip any any!----配置访问控制列表（ACL）

3）配置分类映射表

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

S3550 （config-cmap）#match access-group 100!----匹配编号为100的ACL

S3550 （config）#class-map match-all ANYIP2!----配置分类映射表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!----匹配分类映射表ANYIP1

S3550 （config-pmap-c）#set ip dscp 32!----设置 DSCP值为32

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

S3550 （config-pmap）#class ANYIP2!----匹配分类映射表ANYIP2

S3550 （config-pmap-c）#set ip dscp 40!----设置 DSCP值为40

5）在端口上应用策略

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

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

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

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

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

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

6）在端口上配置CoS映射关系

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

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

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

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

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

7）配置WRR权重

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

S3550 （config-if）#wrr-queue bandwidth 5 5 5 85!----配置4个队列的WRR权重[6]

3.2 测 试

分别把 S1、S2、S3配置为 FTP服务器[7]，在客户端 PC上用FTP命令同时从S1、S2、S3上下载文件。为了保证从S1、S2、S3下载同样大小的文件所花费的时间具有可比性，3台FTP服务器应该采用相同的实现方法。实验中使用的文件大小约为1.18 GB（准确大小为1269432320 B），4台PC的配置均为：Intel Pentium CPU G630 2.70GHz （双核）、2GB 内存、500GB硬盘、Windows XP（SP3）系统。记录连续5次文件传输所用的时间及传输速率，如表3所示。

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

在Catalyst 3550交换机上，按照上述步骤启用并配置QoS，从3台FTP服务器上同时下载文件，记录连续5次传输所用的时间与速率，如表4所示。可以看出，由于在端口f0/2、f0/3上应用了策略POLICY1，而在端口f0/4上应用了策略POLICY2，故从S3上下载同样大小的文件所用时间最短，速率最大。

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

在Catalyst 3550交换机上，启用并配置QoS，此时在端口f0/2、f0/4上应用策略POLICY1，而在端口f0/3上应用策略POLICY2，重新测试下载时间，如表5所示，从S2上下载同样大小的文件所用时间最短，速率最大。

在Catalyst 3 550交换机上，启用并配置QoS，此时在端口f0/3、f0/4上应用策略POLICY1，而在端口f0/2上应用策略POLICY2，重新测试下载时间，如表6所示，从S1上下载同样大小的文件所用时间最短，速率最大。

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

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

4 结 论

未使用QoS策略时，从3台FTP服务器下载文件所用的时间总体上相差不多。在交换机上启用QoS，并把某个端口（如f0/4）优先级设置为最高时，则从该端口连接的FTP服务器（S3）上下载文件最快。测试结果表明，通过合理配置QoS机制，能够为不同类别的数据流提供不同的传输优先级，从而提供不用级别的服务质量。文中设计的实验，能够帮助初学者更深刻地理解QoS的工作过程，从而更好地掌握计算机网络相关原理。搭建的网络拓扑及配置过程比较简单，但是对于QoS技术在网络中的部署具有一定的现实指导意义。

[1]刘大伟，张芳，译.（美）Richard Froom，Balaji Sivasubramanian，Erum Frahim，著.CCNP自学指南：组建Cisco多层交换网络（BCMSN）[M].3版.北京：人民邮电出版社，2006.

[2]张国清.QoS在IOS中的实现与应用[M].2版.北京：电子工业出版社，2012.

[3]（美）Michael Flannagan，Richard Froom，Kevin Turek，著.Cisco Catalyst QoS—园区网中的服务质量 [M].尹敏，张卫，译.北京：人民邮电出版社，2004.

[4]梅创社.平面网络中QOS多播路由算法研究与设计[J].电子设计工程，2012，20（6）:71-73.

[5]（美）David Hucaby，Steve McQuerry， 著.Cisco现场手册：Catalyst交换机配置[M].张辉，译.北京：人民邮电出版社，2004.

[6]蒋峥峥，王丹丹，陈晓红.基于DiffServ技术的园区网QoS控制与实现[J].科技信息，2013（22）:16-17.

[7]何波，崔贯勋.计算机网络实验教程[M].北京：清华大学出版社，2013.