一、概述

1、概念

服務質量（QoS，Quality of Service）是一個寬泛的概念。對于電信服務，體現在電信用戶對提供的電信服務或業務的感受和體驗的程度，用戶滿意，則電信的服務質量就好。從表面看，它又是一個相對的概念。但對于電信系統或電信網絡，必須要確定一個相應的考核服務質量的指標體系（包括其事件、參數、模型、性能指標等），以使其滿足這些指標體系，來保證用戶的滿意度。然而，確定的指標體系的高低又直接影響著電信系統的技術成本和投入成本，因此服務質量必將是一個折衷的概念。

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我們知道，電信網絡目前主要分為傳統的通信網絡和IP網絡，由于其傳輸機理的不同，它們的考核服務質量的指標體系是不同的，即是對于提供相同的業務。關于IP網絡，則是指數據包在網絡傳輸中得到的服務質量。在GB/T 32402-2015《通信名詞術語 數據通信 因特網》標準中，對于IP網絡的服務質量（QoS）的定義是：下述諸方面應保證一定的質量：數據傳輸時不丟失信元；具有可預見的端到端時延；一旦連接被建立就能以實時方式傳送數據。而在我國通信行業標準YD/T 1703-2007《電信級IP QoS體系架構》中，對于IP網絡的服務質量（QoS）的定義更加具體，請見下表1-1。

表 1-1：YD/T 1703-2007對IP網絡QoS的定義

2、關于IPv6的 QoS 機制概述

IP 協議是無連接協議， IP 網絡基于數據報傳輸模式，因此最初的 IP 網絡中沒有服務質量（QoS）的概念，IP 網絡不能保證足夠的吞吐量和符合要求的傳送時延，網絡只是盡最大努力（Best-effort）來滿足客戶的需要。在 Internet 網絡規模迅速擴展的同時，網絡上開放的業務種類也在不斷增加。在傳統的非實時型的數據通信方式的基礎上，網絡業務正逐步向實時性要求很強的話音通信（如IP Phone）、傳真通信（如IP FAX）和多媒體通信（網絡電視會議、可視電話和點播電視（VOD）等）等方面發展。針對 IP 網絡上傳輸實時數據的問題，主要關系到它們需要的帶寬以及必須滿足的嚴格的最大延遲時間要求。 Steve Deering 在1992年秋提出的新版互聯網的協議IPv6草案中就考慮到了對 QoS 的支持，再1998年12月IETF正式發布了IPv6協議的標準RFC 2460。IPv6對 QoS 的支持主要反映在IPv6的包頭中定義了兩個重要參數：業務類別（traffic class）和數據流標志（flow label）字段。

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IETF 有多個工作組在不同的領域從不同角度研究解決 IP 網服務質量的方案。有針對具體業務的要求，對業務進行分類和/或進行資源預留來實現服務質量要求的協議機制，如綜合業務模型（IntServ，Integrated Service）/資源預留協議（RSVP，Resource Reservation Protocol）、區別業務模型（DiffServ，Differential Service）。

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二、綜合業務模型（IntServ）

綜合業務模型（IntServ）以標準的資源預留協議（RSVP）作為實現機制，是IETF IntServ小組于1994年提出的。通過 IntServ，將可以實現 IP 網中的 QoS 傳輸以及對實時業務的支持，使得各種應用能夠為其數據包選擇服務等級。

1、IPv6對流和資源預留的支持

流是特定源和目的地間的報文序列，源要求中間路由器對這些報文進行特殊處理。一般來說，路由器收到流中報文后，根據流標識符查找路由器中保存的流上下文，對流中的報文進行同樣的處理，從而加快了報文的處理速度。IPv6報頭的格式里，有20比特的流標簽（Flow Label）域。當主機發送報文時，如果需要把報文放到流中傳輸，只需在流標簽里填入相應的流編號。如果在流標簽里填0，就作為一般的報文處理。路由器收到流的第一個報文時，以流編號為索引建立處理上下文，流中的后續報文都按上下文處理。

IPv6的資源預留協議（RSVP）使用流標簽來申請資源和相當的優先級，實現 IP 網中的 QoS 傳輸以及對實時業務的支持，使各種應用能夠為其數據包選擇服務等級。IPv6流標簽可以用在IPv6服務質量保證，流標簽的具體使用在在RFC 6437《IPv6 Flow Label Specification》中詳細描述。

2、IntServ

該模型是對于每一個需要進行 QoS 處理的數據流使用一定的信令機制，在其經由的每一個路由器上進行資源預留實現端到端的 QoS 業務。其工作過程簡述詳見下表2-2-1。IntServ 模型定義了三種業務類型，即：保證型業務（Guaranteed Service）、控制負載型業務（Controlled load Service）和盡力而為型業務（Best-effort Service），并且這些業務類型對路由器的要求進行了描述，具體釋義詳見下表2-2-2。

表 2-2-1：IntServ模型工作過程簡述

表 2-2-2：IntServ 模型定義的三種業務類型

為了實現上面的業務，IntServ定義了4個功能部件，網絡中的每個路由器都要實現這4個功能部件：數據包分類器（Packet Classifier）、接入控制器（Admission Control）、分組調度器（Packet Scheduler）和RSVP 協議處理器（RSVP Process），其作用詳見下表2-2-2。IntServ 的技術基礎包括：先進的沖撞管理；限制延遲、抖動以及網絡內帶寬消耗的排隊算法；資源預留協議（RSVP）。

表 2-2-3：IntServ 模型定義的功能部件的用途

三、區別業務模型（DiffServ）

區別業務模型（DiffServ）與 IntServ 的本質不同在于它將不是針對每一個業務流進行網絡資源的分配與 QoS 參數的配置，而是將具有相似要求的一組業務歸為一類，隨后對這一類業務采取一致的處理方式。Diffserv 的基本機制過程簡述詳見下表3-0-1。另外，在單跳行為之外，一個完整的 DiffServ 結構還包含邊緣行為和帶寬管理兩個基本部件。其含義詳見下表3-0-2。

表 3-0-1：Diffserv 的基本機制的特點

表 3-0-2：邊緣行為和帶寬管理

1、DiffServ 工作機制

DiffServ 模型利用了IPv6的業務類型（Traffic Class）字段作為 DS 字段。當數據流進 DiffServ 網絡時，邊緣路由器通過標識 DS 字段，將 IP 包分為不同的服務類別，而網絡中的其它傳送路由器在收到該 IP 包時，則根據該字段所標識的服務類別將其放入不同的隊列，并由作用于輸出隊列的流量管理機制控制每個隊列，即給予不同的每一跳行為（PHB，PerHop Behavior）。其中最主要的就是對每個隊列的出帶寬分配、以及發生擁塞時如何丟包這些資源的分配規則都是預先設定好的。

2、DS 字段描述

DS 字段共8比特，其中6比特可供目前使用，稱為 DSCP（DiffServ Code Point）字段，剩余2比特供將來使用。DS 字段的具體格式詳見下圖3-2。DSCP 稱為 DiffServ 編碼點，如前所說，它將是分組所享受的服務質量的惟一標志。DiffServ 充分考慮了 IP 網絡本身靈活、可擴展性很強的特點，將復雜的服務質量保證通過 DS 字段轉換為先進的單跳行為，從而大大減少信令的工作。因此，DiffServ 不但適合在運營商網絡環境中使用，而且大大加快了 IP QoS 在實際網絡中應用的進程。

圖3-2：DS 字段格式

3、PHB 定義

在 DiffServ 域的路由器中，將對屬于某一服務類別的業務流進行一致的處理。這種處理包括隊列選擇、排隊、丟棄等。對屬于同一服務類別的業務流進行的標準化處理的組合就構成了每一跳行為（PHB）組。下述將介紹現有的 PHB 組以及它們與 DSCP 編碼點的關系。PHB 中還包括了該 PHB 組與其它 PHB 組之間的互操作問題。PHB 是對路由器服務質量處理的總體描述，它并不對實現 PHB 的具體技術加以規定。這樣，不同的廠商將可以采用自己的實現方式，只要結果能夠滿足標準 PHB 的要求就可以了。另外，通過對標準 PHB 的組合，各個廠商將可以實現自己所專有的業務。目前RFC 2475定義了4種 PHB，它們是盡力而為 PHB （默認 PHB，DS PHB )、加速轉發 PHB （EF PHB）、可靠轉發 PHB（AF PHB）和類別選擇 PHB（Class Selector PHB）。它們的具體釋義詳見下表3-3-1；PHB推薦的DSCP值詳見下表3-3-2。

表 3-3-1：4類 PHB的Qo S分類介紹

表 3-3-2：4類PHB的建議DSCP值

在原先IP協議（IPv4）中，ToS字段的定義分為兩個子字段，其中，IP優先級占3bit（P2~P0），ToS占4bit（T3 ~T0），最低比特未定義，如圖3-3所示；而IP優先級子字段的定義（8個級別）詳見下表3-3-3。為了和上述IP優先級的定義后向兼容，IETF區分服務又定義了一類“類選擇器”（CS，Class Selector），其DSCP編碼是xxx000，后3bit全為零，前3bit對應于IP優先級，如表3-3-4所示。對于CS類的PHB并沒有詳細定義，只是規定DSCP值大的CS的實時服務等級應高于DSCP值小的CS，路由器對于不同CS等級的業務流應獨立轉發。具體各個CS等級的PHB在滿足上述最低要求的前提下可以另行定義，插入EF和AF之中。

圖 3-3：IPv4中ToS字段定義

表 3-3-3：IP優先級子字段的定義

表 3-3-4：CS的DSCP編碼

四、小結

下表4-1給出了IntServ模型和Diff-Serv模型各自定義的3種業務，以供比較。下表4-2列出了IntServ和DiffServ各自存在的局限性。鑒于此，為了最大限度地利用兩種機制的互補特性，IETF 提出了IntServ over DiffServ機制，試圖解決DiffServ的端到端QoS支持。該模型在網絡的邊緣處采用IntServ/RSVP機制，而在網絡的核心處采用DiffServ機制。對于這種集成模型，關鍵在于域交界處的處理。這又將包括兩個方面：第一是控制面的資源預留，第二是數據面的服務類型映射即如何把一個IntServ服務類型的數據包分類映射為一個DiffServ的PHB。這兩個方面的釋義詳見下表4-3。

表4-1：IntServ和DiffServ各自定義的3種業務的含義

表4-2：IntServ和DiffServ各自的局限性

表 4-3：IntServ over DiffServ集成模型的相關釋義

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