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基于区分服务的专用IP网QoS部署策略设计

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孟学军于红增郭巍蒋艺豪

摘要：针对专用IP网络规模不断扩大、承载业务日趋多样化、数据包大小差异大，以及不同类别和重要度的数据在同一网络平台上无差别传输，造成数据相互干扰和传输可靠性无法保证的问题，结合专用IP网络体系架构的特点，比较了典型的服务质量（QoS）服务模型。采用区分服务思想优化了QoS策略，设计了全网统一的QoS部署模型，给出了不同应用场景的配置方案，并对整形线速应用进行了重点分析，为其他网络QoS部署方法提供了参考和借鉴。

关键词：通信网络；服务模型；区分服务

中图分类号：TP393文献标志码：A文章编号：1008-1739（2020）17-66-4

0引言

QoS是在网络通信过程中，允许用户业务在丢包率、时延、抖动及带宽等方面获得的可预期的服务水平。早期网络通信只用于无服务水平要求的业务（比如Web，E-mail，FTP等），也就不关注QoS，随着IP技术的推广，多媒体通信和高效数据通信越来越多，这些新业务对时延、抖动和丢包等非常敏感且需求不同，网络需要按照差异化的服务质量要求提供有区别的服务，保证高等级业务优先传输和低等级业务的公平传输[1]。业界对QoS理论研究较多，具体实现策略和应用研究主要集中在公网用户和行业用户，依据业务类型可关联相应的QoS指标体系[2]。专用IP网结构复杂，端到端链路带宽在路径上有很大差别，主备路由时延相差大，网络流量以微突发为主，同类业务因应用系统的不同而对QoS指标要求差异很大，常规的QoS体系和保证策略只可借鉴不能照搬。因此，需要针对专用IP网设计相应的QoS部署模型和各网络设备具体策略，解决随着网络规模不断扩大、承载业务种类不断增多带来的QoS保障难题。

1典型服务模型比较

目前，工程任务组提出了尽力而为模型（Best Effort）、综合服务模型（InetServ IntServ）和区分服务模型（DiffServ）3种服务模型[3]。Best Effort模型是一个单一的服务模型，采用先入先出队列技术，是目前Internet的缺省服务模型；IntServ模型是一种基于流的QoS技术，通过信令向网络申请特定的QoS服务，所有网络设备在流量参数描述的范围内预留资源以承诺满足该请求；DiffServ模型是一种基于类的QoS技术，在网络入口处根据服务要求对业务进行分类和流量控制，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[4]。

Best Effort模型本质上不能归于QoS服务范围内，在应用过程中并没有对报文转发提供任何服务保障；IntServ模型要求数据信息传输前网络必须进行资源预留，属于端到端的服务质量保障；DiffServ模型主要对通信业务进行优先级划分，网络拥塞时根据标记的优先级进行调度和流量控制，保证服务质量[5]。

专用IP网中，广域电路带宽采用预分配方式能够满足业务传输需求，接入网络的业务是可预知，具备在网络边界对数据流进行分类的条件。基于此，专用IP网中QoS采用区分服务模型设计，并根据实际业务的服务质量需求对QoS参数进行优化调整，将信息流在网络边界处进行分类，在IP报文头部标记服务类别，下游的设备只需识别报文中的这些服务类别，按要求转发报文[6]。

2区分服务模型功能组件

区分服务模型主要包括流分类、流量监管、流量整形、拥塞管理（队列调度）和拥塞避免等基本功能组件。流分类依据一定的匹配规则识别报文，是实施有区别服务的前提，其他组件从不同方面对网络流量及其分配的资源实施控制，是提供有区别服务的具体实现。针对专用IP网业务可知、带宽固定、服务质量需求差异大的特点和严控突发的要求，选择区分服务模型的流分类、优先级映射、队列调度及端口限速等功能组件，综合应用实施保障。

（1）流分类

流分类是有区别地进行服务的前提和基础[7]，在业务接入网络的边界入口设备上进行分类。专用IP网在不同的设备和端口上采用不同的流分类：

①接入交换机的接入端口采用五元组信息进行流分类，为报文标识适当的有差别的服务编码点（Differentiated Services Code Point，DSCP）值；

②网络设备的互联端口采用基于DSCP的簡单流分类，信任自上游设备流入报文的DSCP值。

（2）优先级映射

优先级映射用来实现QoS需求与设备内部服务等级之间的转换，主要有IP报文的DSCP和Vlan报文的802.1p优先级映射。各种优先级与服务类型（内部优先级）之间的缺省映射如表1所示。

专用IP网优先采用DSCP优先级映射，使用2层交换机时采用802.1p优先级映射。

（3）队列调度

网络发生拥塞时通过队列调度协调各个队列的业务转发，目前QoS队列管理按照内部优先级将报文送入端口的不同队列，对应关系如表2所示。

（4）端口限速

网络设备之间的信道设备多种多样，不是所有设备都支持优先级标识和队列调度，为了避免网络拥塞发生而导致高优先级业务与低优先级业务同等丢包，在与这些设备相连的交换机或路由器接口上根据实际传输带宽进行端口限速[8]。

3 QoS部署方案设计

专用IP网由城/局域网和广域网构成，城域网由核心层、汇聚层和接入层构成，局域网由汇聚层和接入层构成。不同层次关注不同的特性，策略部署根据需要分层实现，每一层可灵活扩展，使网络具有良好的扩展性[9]。

3.1端到端QoS部署方案

针对不同网络设备QoS策略参数配置差异，在不同层级设备上使用不同的区分服务模型组件参数，在模拟实际业务优化配置测试的基础上，设计该部署模型，解决区分服务的QoS在不同型号、不同版本网络设备上如何实现的问题，对具体实现难点给出了解决措施。模型如图1所示。

①在业务接入的交换机入口处进行流分类，分类原则基于五元组属性；

②根据业务服务质量要求，分为5，4，3，2四个优先级，不确认流量的优先级为0。优先级标识为5，4，3，2的业务进行流量监管，优先级标识为0的业务不作流量监管；

③在网络设备之间的互联端口启用上游流量的优先级信任机制，并在端口出方向设置pq队列调度，实行优先级队列管理；

④根据传输链路的带宽和设备特性，必要时在交换机和路由器的接口进行限速。

3.2整形限速方案

下列专网场景中，链路持续收发能力达不到接口线速：

①专网IP网由2个传输平面A和B组成。其中，B平面广域链路为卫通信道，地面设备主要由边缘路由器、协议转换器和卫通Modem组成，协议转换器用作卫通信道的以太网延伸，如图2所示。卫通信道资源是受限的，因此协议转换器的串行口速率远远低于FE以太网接口的速率。

②用作以太网延伸连接光端机的路由器交换机接口，信息收发速率受SDH接口的限制[10]。

③用于连接核心/汇聚交换机与路由器之间的链路端口，信息收发速率受保密机和防火墙性能的限制。

这些场景中，必须在发往广域网方向的以太网接口上进行出向限速（兼做整形）[11]。

路由器高速端口直接进行接口物理限速时，由于自身缓存很小，限速往往直接导致转发丢包。因此当需要路由器高速端口进行出向限速时，需在后面添加一个二层交换机专门用于实现整形限速功能。交换机缓存较大，具有8个优先级队列和支持多种队列调度功能，选择适当qos lr参数，可得到理想的QoS效果。以卫通链路为例，连接限速整形设备（二层交换机即可）后的拓扑和整形线速方案如图3所示。

在图3中，限速交换机上将GE_A端口和GE_B端口划分到一个vlan nn中，配置端口信任流入IP报文的DSCP标签，对流出报文做pq调度。特别地在广域网出口GE_B上配置出向速率xxx，配置命令为：qos lr outbound cir xxx。

4应用验证

卫星通信网络由A站和B站组成，拓扑如图4所示，已按图1所示部署了QoS策略，并在路由器出口进行了广域网限速。卫通信道带宽为双向5 Mbit/s，两站间互通2 Mbit/s的UDP业务。A站发送到远端B站的UDP数据在发送IP分片报文和IP不分片报文时丢包率差别很大：当UDP报文长度较小（以太网帧长小于1 500 Byte）、数据发送均匀时，就没有丢包；如果改用6 692 Byte的UDP报文，则发生明显的丢包。

故障发生后，用网络测试仪对A站到B站的链路进行吞吐量和丢包率测试，测得吞吐量为5 Mbit/s、丢包率为0。结果表明，端到端QoS特性与数据流量特性有密切关系。数据每次发送6 692 Byte的UDP数据时，要分成5个连续的IP分片，路由器经广域网口送给协议转换器。如果路由器广域口限速5 Mbit/s，由于数据微突发，流入接口速率（100 Mbit/s）远大于流出速率（限速为5 Mbit/s），数据需在出端口进行缓存，而以太网板缓存有限，导致连续发送的部分UDP报文分片不能进入端口缓存，在接收端UDP报文因部分分片丢失而不能完成重组，导致整个UDP报文丢包。

作为应急解决措施，在路由器和协议转换器之间让报文再次经过接入交换机进行整形，各种帧长的UDP报文都不再丢包，连接拓扑如图5所示。

QoS的合理部署是保证网络数据可靠传输的必备手段，专用IP网QoS指标除了开头提到的端到端丢包率、时延、抖动及带宽等常规指标外，从应用层考察还有错包、乱序、重包等指标。路由器交换机等设备设计用于报文的快速转发和查找路由，并不提供解决这些问题的措施，这就需要应用层提供此类机制，否则，错包会导致接收端执行错误的控制命令，乱序会导致接收端控制命令的前后顺序颠倒或者导致接收端状态机混乱，重包会导致控制命令被多次执行，不论发生哪种情况，对于应用系统来说都是不允許的。上述QoS模型策略已在专用IP网中部署应用，有效保证了各类业务在网络中的可靠传输，应用系统配合上述QoS模型进行了一体化设计，形成了一个可以解决专用IP网任意应用场景的端到端QoS部署方案，该方案经实际验证，收到了很好的效果。

参考文献

[1]彭树铁.基于业务的QoS策略的研究[J].现代电子技术， 2015，38（11）：31-33.

[2]唐琦杰，纪凤珠，周云婷.IP网络QoS评估模型研究[J].网络安全技术与应用，2015（8）：16-17.

[3]邵强，何江边.多业务承载环境下宽带IP城域网QoS部署方案分析[J].科技与创新，2019（12）：5-6.

[4]马素刚.QoS技术的研究与实现[J].电子设计工程，2015，23（22）：14-17.

[5]蔡超，向军，李佳.多业务承载环境下宽带IP城域网QoS部署方案分析[J].邮电设计技术，2017（3）：67-71.

[6]王焕义.IP城域网的QoS设计与部署策略探讨[J].广东通信技术，2015，35（2）：17-20，48.

[7]魏五洲，王剑，赵欣.QoS技术在试验IP网络中的应用研究[J].兵器试验，2015，（1）：21-24.

[8]魏五洲，任新涛，于红增.IP网络端口限速技术研究[J].信息技术，2016（3）：136-138，147.

[9]魏德宾，刘健，潘成胜，等.卫星网络中基于多QoS约束的蚁群优化路由算法[J].计算机工程，2019，45（7）：114-120.

[10]于红增，冯伟.以太网协议转换器测试方法与应用[J].无线电工程，2019，49（2）：112-116.

[11]于红增，陈海小.端口限速的测试方法及其应用[J].无线电工程，2014，44（10）：1-4.

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