网络QoS在船舶局域网的实现

田向阳　刘漩

摘要：本文介绍了网络QoS的概念、作用和分类，讨论了船舶局域网的组成及业务类型，最后给出区分服务模型QoS在船舶局域网的实现方法。

关键词：船舶局域网；服务质量；区分服务模型

中图分类号：TP393.02 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）01-0037-02

船舶在海上航行过程中，需要进行内部通信并时刻同外界保持联系，以进行协同工作和获取需要的信息，IP网络通信由于其灵活、方便、多样化成为了船舶内部通信的重要的手段，随着卫星通信设备在船舶上的配置，船舶IP网络得以同外界联接，IP网络通信也成为了一个重要的与外界通信的手段[1]。在目前阶段，大多数船舶IP网络中所有的报文都被无区别地等同对待。即每个网络设备对所有的报文均采用先入先出的策略进行处理，依照报文到达时间的先后次序分配所需的资源，尽最大的努力将报文送到目的地。对报文传送的可靠性、传送延迟、丢包率等性能都不提供任何保证，所以仅适用于对这些性能不敏感的普通服务，如网页浏览、文件下载、电子政务等等[2]。

但对随着诸如IP电话、数据、语音、图像等实时业务类型的增加，需要一种可以为不同类型业务流提供差分服务等级的技术来对流量进行调控，避免并管理网络拥塞，减少报文的丢弃率，即QoS（Quality of Service，服务质量）[3]。

1 QoS简述

QoS是网络的一种安全机制，用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。无论网络带宽有多少，在某些时刻带宽资源总会不够，当网络发生拥塞的时候，所有的数据包都有可能被丢弃，而有些数据包极为重要不能被丢弃，这就需要网络能根据用户的要求分配和调度资源，对不同数据包提供不同的服务质量：对实用性强且重要的数据报文优先处理；对于实时性不强的普通数据报文，提供较低的处理优先级。配置了QoS的网络环境，增加了网络性能的可预知性，并能够有效的分配网络带宽，更加合理的利用网络资源[4-7]。

QoS具有三种服务模型：尽力而为服务模型（Best-Effort）、综合服务模型（Int-Serv）和区分服务模型（Diff-Serv）[8]。

尽力而为服务模型是最简单的服务模型，网络尽最大可能性来发送报文，不考虑延时和可靠性的问题，它是网络默认的服务模型。

综合服务模型使用资源预留协议（RSVP），可以满足多种需求。RSVP协议运行在网络中的每一个设备上，可以监测每一个数据流，保证每一项服务的质量。但该模型对设备要求很高且可扩展性很差。

区分服务模型是一个多服务模型，它通过为不同的业务流标记不同的优先级来保证网络服务质量。

2 船舶局域网

船舶局域网是指由船舶内计算机、安保监控设备、视频会议系统、数据传输、服务器等设备相互连接的网络系统。船舶上各部门、单位可以通过该网络相互联系，并且可通过卫星通信系统与互联网联接，从而达到与外界沟通的功能[9]。其组成示意图如图1所示。

3 船舶局域网区QoS部署原则

根据各部门的数据传输需求，摸清接入局域网的信息终端类型和数量，在接入点进行配置，保证高优先级业务的带宽，限制低优先级业务（尤其是公共信息业务）的带宽，并在卫星信道出口限制业务信息总带宽。

船舶局域网服务质量保障策略采用区分服务模型，采用复杂流策略配置与管理，主要包括业务分类、优先级标识、流量管理和队列调度机制。

3.1 业务分类

典型的业务分类有两种方式：

（1）基于IP五元组信息进行报文分类：对于非分片报文（IP包长不大于1500Byte）采用基于IP五元组的流分类方法。

（2）基于源IP地址和目的IP地址兩元组进行报文分类：对于分片报文（IP包长大于1500Byte）采用基于两元组的流分类方式。

UDP分片后只有首片包携带UDP头，尾片包只有IP头，因此对于分片报文只能采用两元组的分类方法，如果采用五元组分类，则会导致只有首片符合条件[10]。在视频图像传输、IP电话及数据传输等应用时，需要注意。

3.2 优先级标识

优先级标识可以通过两种方式获得，一种是通过信任报文自带的优先级标识，一种是对报文的优先级字段进行重标记。在实际应用中，两种方式应该结合使用。

在网络的边界节点设备需要对进入的报文进行优先级重标记，目的是为了防止应用程序发出的报文自带高优先级标识从而得到非法的QoS保证。重标记是对报文的优先级字段进行设置。在不同的网络中报文使用不同的优先级字段，船舶局域网中统一采用DSCP（Differentiated Services Code Point，差分服务代码点）优先级标识。

网络内部的节点设备对边界节点所标记的优先级标识采用优先级信任机制，提供相应等级的QoS服务。

3.3 流量管理

流量管理是指对报文进行控制，通过监督进入网络的报文速率，对超出限制的报文进行丢弃，使进入的报文被限制在一个合理的范围之内，从而保护网络资源。

在网络的边界节点设备（即与卫通系统相连的路由器）需要对进入的报文进行流量管理，流量管理的原则是对接入网络的高优先级业务流量进行控制，使每条高优先级的业务都有合适的带宽保证，互相之间不会竞争，对低优先级业务采用尽力而为的传输方式。

3.4 队列调度

在实际网络中，队列调度机制的采用取决于流量监管方式，在船舶局域网网络当中，由于只对高优先级的业务限速，保证高优先业务足够的带宽使用空间，因此队列调度采用优先级队列（Priority Queue，简写PQ）方式。

4 船舶局域网QoS部署方法

船舶局域网QoS部署方法原理如图2所示。

（1）在业务接入的交换机入口，根据源IP地址进行流分类，标记业务优先级，生成对应流行为及流策略，并应用到对应端口；对业务流量进行监管，按照此接入交换机接入的用户业务类型和数量进行带宽预留和限制。

（2）在上流交换机（汇聚和核心交换机）的入口设置信任上行业务的优先级。

（3）在核心交换机的出口设置PQ队列，实行严格的优先级队列管理。

（4）在路由器出口进行分层服务质量（Hierarchical Quality of Service，即HQoS）配置，限制出口总带宽。

（5）在交换机间互联链路接口上，根据业务类型、业务方向，在流入端口/接入VLAN上启动服务务分级和带宽限制；在流出端口启动pq队列，必要时限制带宽。

5 船舶局域网QoS部署操作步骤

对船舶局域网进行QoS配置是一个复杂的过程，下面是该配置过程的需要的步骤。

配置流分类

（1）配置流分类：标记数据流后，创建流分类并根据实际情况选择配置流分类中的匹配规则。

（2）配置流行为：进行报文过滤、重标记、重定向、流量监管、流镜像和流量统计。

（3）配置流策略：通过配置流策略，将流分类和流行为绑定起来，形成完整的策略。

（4）配应用流策略：绑定了流分类和流行为的完成流策略可以应用到核心交换机全局、接口、vlan上，实现针对不同业务的差分服务。

6 结语

本文讨论了船舶局域网的组成和业务类比，并根据船舶实际情况确定了该网络采用基于区分服务模型的QoS进行配置，该方法可以保证船舶局域网重要业务数据的可靠传输，具有很强的实际应用意义。

参考文献

[1]王宁.船舶局域网技术及应用[M].大连海事大学出版社，2012.

[2]李宏.科研试验IP网网络设计[D].西安：西安电子科技大学硕士论文，2012.

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[10]丁振国，张立菁.船舶AIS云数据库网络服务结构和接口设计[J].广州航海学院学报，2016，24（3）：13-16.