什么是宽带接入Qos服务等级？

在IP网络中，IPv4报文中有三种承载QoS优先级标签的方式，分别为基于二层的CoS字段（IEEE802.1p）的优先级、基于IP层的IP优先级字段ToS优先级和基于IP层的DSCP（Differentiated Services Codepoint）字段优先级。每种优先级的定义如下：
　　（1） IEEE802.1p优先级
　　它是位于二层带标签的以太网帧的CoS字段，和VLAN ID在一起使用，在字节中的位置如下：

　　其中：IEEE802.1p优先级：3bit（P2-P0）
　　未用（CU）：1bit
　　VLAN ID：12bit（V11-V0）
　　IEEE802.1p优先级值有8个（0-7），0优先级最低，7优先级最高。报文分为三种情况：带优先级和VLAN ID的标签报文，其优先级值是自身带的值；只带优先级的标签报文，此时VLAN ID为0，其优先级值是自身带的值；未带标签的报文，一般默认的优先级值为0，也可以进行更改指定新的优先级。
　　（2） IP优先级
　　它由IP分组报头中的服务类型（ToS）字节中的3位组成，其在字节中的位置如下：
　　P2 P1 P0 T3 T2 T1 T0 CU
　　其中：IP优先级：3bit（P2-P0）
　　服务类型（ToS）：4bit（T3-T0）
　　未用（CU）：1bit
　　IP优先级值有8个（0-7），0优先级最低，7优先级最高。在默认情况下，IP优先级6和7用于网络控制通讯使用，不推荐用户使用。ToS字段的服务类型未能在现有的IP网络中普及使用。
　　（3） DSCP优先级
　　它由IP分组报头中的6位组成，使用的是ToS字节，因此在使用DSCP后，该字节也被称为DSCP字节。其在字节中的位置如下：
　　DS5 DS4 DS3 DS2 DS1 DS0 CU CU
　　其中：DSCP优先级：6bit（DS5-DS0）
　　未用（CU）：2bit
　　DSCP优先级值有64个（0-63），0优先级最低，63优先级最高。事实上DSCP字段是IP优先级字段的超集，DSCP字段的定义向后与IP优先级字段兼容。目前定义的DSCP有默认的DSCP，值为0；类选择器DSCP，定义为向后与IP优先级兼容，值为（8，16，24，32，40，48，56）；加速转发（EF），一般用于低延迟的服务，推荐值为46（101110）；确定转发（AF），定义了4个服务等级，每个服务等级有3个下降过程，因此使用了12个DSCP值（（10，12，14），（18，20，22），（26，28，30），（34，36，38））。
　　由于存在三种优先级，因此就有相应的6种优先级的映射关系，即：Dot1p-DSCP、DSCP- Dot1p、IP Pri-DSCP、DSCP-IP Pri、Dot1p-IP Pri和IP Pri- Dot1p，其中最常用的是Dot1p -DSCP和DSCP- Dot1p两种映射关系。
　　在IP网络中，IPv6提供了一定的QoS控制策略。IPv6分组头定义了一个4比特的优先级区域，可以指示16种优先级别，同Ipv4平台的ToS字节类似。16种优先级别中的9种用于非实时传输业务，其余的8种用于实时传输业务。但在协议中并没有严格规定IPv6路由器应如何使用这一优先级区域。
　　在未来的IP网络中，优先级标签并不是IPv6标识分组QoS的唯一方法。IPv6的分组头还包括1个24比特的信息流标签，这个标签可由程序来设定，指示某组数据分组属于某个特定的IP信息流。这样，设备不需检查地址、端口或其它信息，就可将数据分组分类。但是，信息流标签并没有指明QoS的提供方式，所以仍需使用RSVP和其它预留协议。
　　3 IP网络中QoS服务模型的选择
　　在IP QoS网络架构的基础上，IETF已经建议了很多服务模型和机制，以满足QoS的需求。其中比较有名的有：IntServ（Integrated Service）综合业务模型，DiffServ（Differentiated Service）区分业务模型，MPLS多协议标记交换，TE（Traffic Engineering）流量工程和约束路由等。
　　目前IP QoS主要的几种服务模型描述如下：
　　（1） 尽力而为（Best-Effort）服务模型
　　尽力而为是一个单一的服务模型，网络尽最大的可能性来发送报文，对时延、可靠性等性能不提供任何保证。 该模型为最早的无QoS保障的服务模型，这也是IP网络最基本的特点所决定的。
　　（2） IntServ综合业务服务模型
　　其基本思想为“所有的流相关状态信息应该是在端系统上”，它基于每个流（单个的或是汇聚的）提供端到端的保证或是受控负载的服务。IntServ使用资源预留协议RSVP（Resource Reservation Protocol）作为每个流的信令。RSVP信息跨越整个网络, 从接收方到发送方之间沿途的每个路由器都要为每一个要求QoS的数据流预留资源。
在IntServ流中，定义了三种类型的业务：保证业务、受控负载业务和尽力而为的业务。同时IntServ定义了四个功能部件：资源预留协议RSVP(RFC2205)、访问控制、分类器和.队列调度器。
　　该模型的优点是：能够提供绝对有保证的端到端QoS服务质量；RSVP在源和目的地间可以使用现有的路由协议来决定流的通路；该模型使得QoS能够在Unicast和Multicast下均能实现。
该模型的缺点是：IntServ结构最致命的一个问题是其可扩展性很差；由于所有路由器必须实现RSVP、访问控制，因此其对路由器的要求也很高；该模型不适合短生存期的流。
　　（3） DiffServ区分业务服务模型
　　基本思想为：在网络入口为每个包加以标记，产生不同的级别，每个级别的包得到不同的服务级别。该模型是由IntServ发展而来的，它采用了IETF的基于RSVP的服务分类标准，抛弃了分组流沿路节点上的资源预留。区分业务服务将会有效地取代跨越大范围的RSVP的使用。
区分服务区域的主要成员有：核心路由器、边缘路由器、资源控制器。在区分服务中，网络的边缘设备对每个分组进行分类、标记DS域，用DS域来携带IP分组对服务的需求信息。在网络的核心节点上，路由器根据分组头上的DS码点（Code Point）选择码点所对应的转发处理。资源控制器配置了管理规则，为客户分配资源，它可以通过服务级别协定SLA与客户进行相互协调以分享规定的带宽。
　　DiffServ也定义了三种业务类型：最优的业务、分等级的业务和尽力而为的业务。　　　　　DiffServ提供了一种简单的方法对各种服务加以分类。目前的单中继段行为PHB（Per-hop Behavior）的标准中对两个最有代表性的服务等级作了规定：
　　EF（Expedited Forwarding）快速转发：有一个单独的码点(DiffServ值)。EF可以把延迟和抖动减到最小，因而能提供总合服务质量的最高等级。任何超过服务范围（由本地服务策略决定）的业务被删除。
　　AF（Assured Forwarding）保证转发：有四个等级，每个等级有三个下降过程(总共有12个码点)。超过AF范围的业务不会象“业务范围内”的业务那样以尽可能高的概率传送出去。这意味着业务量有可能下降，但不是绝对的。
　　该模型的优点是：伸缩性较好，DS字段只是规定了有限数量的业务级别，状态信息的数量正比于业务级别，而不是流的数量；便于实现，只在网络的边界上才需要复杂的分类、标记、管制和整形操作。核心路由器只需要实现行为聚集（BA）的分类，因此实现和部署区分型业务都比较容易。
　　该模型的缺点是：无法完全依靠自己来提供端到端的QoS服务。需要大量网络单元的协同动作，才能向用户提供端到端的服务质量。解决这一问题的方法有两种：一是用功能强大的全局策略管理器来完成这一任务；另外一种就是利用MPLS将第三层的QoS转换为第二层的QoS，通过运营网中第二层的交换机来实现端到端的服务质量保证。
　　（4） MPLS 服务模型
　　基本思想为：MPLS是一种前向转发策略，在进入MPLS作用域时给包赋予一定的标签，随后包的分类、转发和服务都将基于标签完成。MPLS是利用IntServ模型中现有的技术的主要思想与优势，制定出一个统一的、完善的第三层交换技术标准。MPLS规定了一整套协议和操作过程，在IP网内实现快速交换。MPLS中的关键概念是用标签来识别和标记IP报文，并把标签封装后的报文转发到已升级改善过的交换机或路由器，由它们在网络内部继续交换标签，转发报文。
MPLS实现信令的方式有两类，一类是LDP／CR-LDP，它是基于ATM网络的。另外一类是RSVP，它基于传统的IP网。RSVP和LDP／CR-LDP是两种不同的协议，它们在协议特性上存在不同，有不同的消息集和信令处理规程。
　　MPLS网络由标签边缘路由器（LER）和标签交换路由器（LSR）组成。在LSR内，MPLS控制模块以 IP功能为中心，转发模块基于标签交换算法，并通过标签分配协议（LDP）在节点间完成标签信息以及相关信令的发送。
　　MPLS服务模型的优点为MPLS有着传统IP技术所无法实现的功能，可以将ATM和IP很好地结合在一起；缺点为MPLS协议规定的标签只具有本地意义，LDP信令以及标签绑定信息只能在MPLS相邻节点间传递。LSR之间或 LSR与LER之间依然需要运行标准的路由协议来获了拓扑信息。
　　其它的服务模型：流量工程是一种安排通信流量如何通过网络的过程；约束路由在寻径路由时会受到一定的约束，如带宽或时延的要求。
　　通过以上对各种主要QoS服务模型的分析，则在可运营的电信级IP网络中实现QoS服务机制时，应考虑如下：
　　（1） 核心/骨干网络的QoS
　　当前，由于DWDM等技术的发展，使得核心/骨干网络的带宽得到大幅度的增长。带宽的增长为QoS服务质量减轻了压力。但是，随着网络流量的增加，特别是IP网络的路径不确定性和流量的突发行为，使得网络的流量具有较大的突发性和不均衡性。因此，仅仅依靠带宽是不足以提供良好QoS服务质量。
　　在核心/骨干网络中提供QoS服务质量有两种方法：一种是采用流量工程，一种是部署DiffServ区分服务模型。目前，流量工程的实施一般都是静态手工或半静态，缺乏动态实时的进行流量工程的工具。因此，流量功能很难对短期突发行为进行调节。而区分服务从长远来看具有更完整的QoS提供能力，通过和流量工程、MPLS等机制结合，可以发挥更大的作用。
　　（2） 汇聚/接入网络的QoS
　　由于在汇聚层和接入层，一方面网络的带宽较小，另一方面网络的情况也比较复杂，涉及到多种接入技术，如以太网、ATM、FR等。因此，汇聚/接入网络的QoS实现是一个比较复杂的问题。
　　为了能快速、简单、有效地部署和实现QoS服务质量，一般在这个汇聚/接入网络层次采用区分服务的思想实现QoS，即通过流量分类和优先级处理。实际上，包括以太网、ATM、MPLS在内的多种网络技术都支持报文的标记能力，这为报文的区分和标记提供了基础。而网络设备，特别是接入设备一般都提供流量分类、标记和限制的能力。因此，在汇聚/接入网络中部署区分服务模型是一个可行的方案，也是一个必然的发展趋势。
　　4 汇聚/接入设备中实现QoS的DiffServ服务模型
　　通过前面的分析，在可运营的电信级IP网络中，在汇聚/接入层次的设备中部署DiffServ服务模型是实现完善的QoS服务机制最适合的方案。
　　由于汇聚/接入层次设备的多样性、复杂性，因此在部署QoS的DiffServ服务模型时，要力求简单、有效、实用。因此，参考IP QoS的网络架构，汇聚/接入设备中应该首先考虑实现以下QoS功能：数据平面的缓存器管理、拥塞避免、报文标签、队列和调度、流分类、流策略和流量整形；管理平面的计量管理和策略管理等。
　　(1) 缓存器管理（Buffer Managment）
　　汇聚/接入设备中应该拥有报文收发、交换的缓存器，并可对其进行设置、管理。实现对端拥塞控制（HOL）、背压等控制的功能。
　　(2) 拥塞避免（Congestion Avoidance）
　　拥塞避免是为了在报文较多，超出转发速率时，通过一些算法丢弃转发队列中的一些报文，从而达到避免拥塞的产生。拥塞避免算法有尾部直接丢弃（Tail-Drop）、随机早期检测（RED）和加权的随机早期检测（WRED）等。在汇聚/接入设备中应该首先考虑支持尾部直接丢弃（Tail-Drop）和加权的随机早期检测（WRED）。
　　(3) 报文标签（Packet Marking）
　　通过前面我们已经了解到IP报文中承载QoS优先级标签的有三种： IEEE802.1p优先级（CoS字段）、IP优先级（ToS字段）和DSCP优先级（DSCP字段）。因此，在汇聚/接入设备中应该支持以下功能：
对入口未带优先级标签的报文可以加上各种新的优先级标签；
对入口携带优先级标签的报文可以更改其各种优先级标签，变为新的优先级标签；
支持报文携带新的优先级标签从出口输出；
支持按一定的映射关系实现各种优先级之间的映射，特别是IEEE802.1p优先级和DSCP优先级之间。
　　(4) 队列和调度（Queuing & Scheduling）
　　为了能够实现较完善的QoS服务机制，支持VoIP、IPTV、视频会议等多种业务。在汇聚/接入设备中应该支持多个队列的机制，一般情况下应该至少支持4个队列。
队列调度有多种算法，在汇聚/接入设备中比较适用的有：严格优先级队列调度（PQ）、加权循环队列调度（WRR）和加权公平队列调度（WFQ）。同时，也应该支持对WRR的队列权重和WFQ的参数进行设置的功能。
　　(5) 流分类（Traffic Classification）
　　汇聚/接入设备是处于网络的边沿，因此对数据流的分类是其一项非常重要的功能。通过对入口数据流按一定的规则进行匹配，区分出需要QoS保障的业务流来。一般用于匹配规则的字段应该有：
eth-type：以太网包的类型（IP/ARP/RARP）
ip-type：ip包的类型(ICMP/IGMP/TCP/UDP)
source-ip: 源IP地址的匹配
dest-ip: 目的IP地址的匹配
source-mac: 源MAC地址的匹配
dest-mac: 目的MAC地址的匹配
source-port : 源端口的匹配
dest-port: 目的端口的匹配
cos ：CoS优先级的匹配
dscp：dscp优先级的匹配
vlan：VLAN的匹配
　　(6) 流策略（Traffic Policing）
　　在汇聚/接入设备中应该支持对区分出来的业务流按一定的策略进行处理。即对通过流分类之后的业务流类进行行为控制，一般策略中对流的动作有：对流的速率限制、优先级标签的更改、VLAN的更改、超出速率的丢弃或更改优先级等。
　　(7) 流量整形（Traffic Shaping）
　　在汇聚/接入设备的入口和出口，应该支持对数据流的流量整形，并可以设置流量整形的粒度，从而实现对入口或出口突发数据流的缓冲和整形。
　　(8) 计量管理（Metering）
　　在汇聚/接入设备中，应该支持对通过流分类之后的业务流进行速率的计量管理，从而达到设备中对各种业务的精确计量管理，保证各种业务的QoS服务质量。
　　(9) 策略管理（Policy）
　　在汇聚/接入设备中，应该支持对各种流分类的统一管理，即策略管理，从而达到设备对整体资源的统一调度，对各种业务流的统一协调处理，保证资源的合理应用和各种业务的QoS服务质量。

参考资料：http://www.zte.com.cn/Events/ChinaDSLConference2005/pro/pro-3.htm

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