高質量傳輸大流量數據

福建廣播電視大學 黃晶慧

福建信息職業技術學院 張冬

在通信和計算機技術日益成熟的今天，諸如視頻會議、實時音頻和視頻的多點組播等應用程序，對數據吞吐量和網絡延時等因素的要求大大高于傳統的如電子郵件和遠程文件訪問等異步應用程序。應用QoS技術，可以實現高質量傳輸大流量、多類型的數據，實現海量數據實時、高效傳輸。

筆者單位局域網的主干速度為1000Mbps/100Mbps到桌面，基本上實現各種多媒體應用，諸如視頻新聞、VOD點播、網絡會議、網絡教育等，但局限于非對稱式、小數據量的應用。

比如，在視頻點播這樣的多媒體系統中，上行鏈路和下行鏈路傳輸的信息量不同，從用戶到信息源的信息量小，從信息源到用戶的信息量大。因此這是一種不對稱的交互方式。

通常利用高速緩存技術，首先將服務器端的數據下載到用戶端，然后由客戶端軟件播放存在本地系統內的數據。這種做法有效地節約了帶寬，使服務器可以同時響應大量的請求，也節約了服務器系統資源。但是，一旦傳輸海量數據時，目前的網絡配置存在一定的問題。主要的問題集中在核心設備——路由器PassPort 8600承擔著實驗室和外網的連接重任，處理局域網內部之間的數據傳輸和局域網與外部之間數據傳輸，因而在同一時刻，如果產生較大的并發數據量，目前的設置很難確保端到端的大數據量快速、準確地傳輸。

為此，我們利用現有設備PassPort 8600及QoS技術，實現了高質量傳輸大流量、多類型的數據，滿足海量數據實時、高效傳輸的要求。

Passport 8600實施QoS

Passport 8600執行QoS是基于區分服務體系的。區分服務具有良好的可擴展性，它可以根據應用或業務類型排出不同的優先級別。業務區分結構使用IPv4包頭中的業務類型（ToS）字段，并將8位ToS字段重新命名。作為DS字段，其中6位可供目前使用，剩余2位以備將來使用。通過該字段的標記，下行結點可以獲取足夠的服務質量信息，以對到達該端口的數據包做出相應的“處理”，將它們正確地轉發給下一跳的路由器。

需要注意的是，ToS字段和DS字段的定義是不同的。邊緣路由器可以將ToS字段映射到DS字段，而且區分服務可以識別網絡流量大小。這種體系能夠優化微流量或者累積流量，并且提供可升級的IP QoS。

在區分服務網絡中，根據標記，標記包被放置在隊列里。舉例來說，如果視頻流被標記為最高優先級，它會被放在高優先級隊列里，當標記包通過該類網絡時，視頻流將優先于其他包通過。

Passport 8600已定義了默認的QoS參數，一般能夠滿足千兆網的應用要求。如果網絡中有海量數據的應用，可以通過修改Passport 8600的默認值，同時利用access port和core port優化網絡數據流量對網絡帶寬的占有率，使其具有更好的QoS性能。

Passport 8600的QoS功能

1.端口類型

Passport 8600通過存取端口和核心端口處理數據流量。

1）存取端口（access port）

在區分網絡邊緣的端口稱為存取端口。數據包的IP頭包含著DS域（也稱為DSCP），用以識別服務等級。另外，標記為IEEE 802.1q的數據包也包含用以識別服務等級的IEEE 802.1p位。因此，數據包的DSCP或者IEEE 802.1p位可以被置位，也可以保持不變。在DS的存取端口，數據包將被分配基于區分標準的QoS性能。

2）核心端口（Core Port）

在網絡中的端口被稱為核心端口。當數據包通過存取端口時，數據包被打上標記，然后，這些數據包通過網絡的時候，由核心端口處理這些被存取端口做過標記的數據包，將包放到適當的QoS隊列里。

2.基于各種機制的QoS

Passport 8600可以基于不同的機制設置QoS級別。包括：

基于VLAN——可以給某個VLAN中的數據流量定義QoS；

基于端口——即根據存取端口或者核心端口定義；

基于MAC——針對某個MAC地址定義其QoS。

3.隊列與QoS級別

Passport 8600有8個隊列，對應著8種不同的QoS服務級別。第7隊為網絡控制所保留。第6隊具有最高優先級，即便在第0隊被允許傳輸的時候，第6隊中的數據包仍能傳輸或者路由。舉例來說，音頻和視頻流量需要放在第6隊里，因為它們必須無延時地傳輸；而Web數據則僅需放在第1隊里，因為這種數據流允許有一定的延時。

QoS應用實例

基于端口的QoS設置

假設來自子網一的大多數數據包是關于多媒體數據包的，我們使用基于端口的QoS配置方案。

網絡結構圖如圖1所示。

基于端口的QoS配置非常簡單，只需在Port菜單中啟用區分服務，同時指明區分服務的類型和QoS級別即可。詳細設置步驟如下：

（1）選擇端口。

（2）從Device Manager菜單上選擇【Edit】→【Port】命令。

（3）在Interface Windows中的QoS部分，啟用DiffServEnable為True。

（4）指定DiffServType為access。

（5）指定QoS Level為Level 6，即最高優先級。

默認設置如圖2所示。

這樣，無論是網絡內部的數據傳輸，還是網絡外部的數據傳輸，來自子網一的數據包都將以最高優先級通過，保證了多媒體數據的傳輸效率。

基于VLAN的QoS設置

前一種設置方法的前提條件是，所有的設備通過二級交換機保證接入Passport 8600的同一端口。而當傳輸大量多媒體數據的機器不在同一地域，或者不在同一個二級交換機上時，可以采用基于VLAN的方式保證某一個虛擬子網內的數據包在指定的QoS級別上。

比如，不僅子網一需要使用實時交互系統，包括子網二和子網三的部分機器也需要使用實時交互系統。因此，首先將這些設備劃分在同一個VLAN中，然后再進行QoS級別的設置（如圖3所示）。配置過程如下：

（1）選擇指定的VLAN。

（2）從Device Manager菜單中選擇【VLAN】→【VLAN】。

其中QosLevel便是當前VLAN的QoS級別，將其修改為我們所需要設定的QoS級別即可，這樣便實現了不同地域、同種類型應用的機器享有同樣的QoS級別。

以上兩例僅是為了進一步說明QoS的實現方式，在具體應用的時候，還要權衡路由器的承載能力和網絡性能，以及操作系統接受和發送數據的極限速度等多方面因素，以便使千兆網更好地為不同應用提供服務。

解析QoS

QoS定義

QoS是指IP的服務質量，也是指IP數據流通過網絡時的性能。它的目的就是向用戶提供端到端的服務質量保證。QoS能夠對數據包進行合理的排隊，對含有內容標識的數據包進行優化，并對其中特定的數據包賦以較高的優先級，從而加速傳輸的進程，并實現實時交互。

QoS在可預測、可測量性方面比傳統IP有了很大的提高，基本解決了多媒體類應用或者大數據優先傳輸的需求，并且可提高帶寬的使用率。

服務質量不僅僅是網絡的事情，而是應用程序、用戶終端、網絡、服務器各部分的綜合效應。例如，一個用于遠程視頻播放的端到端活動，從媒體服務器獲得視頻，在源地進行壓縮，在目的地進行解壓縮，并根據播放窗口的大小對視頻按比例進行調整，最后在視頻窗口播放。在端到端路徑上，任何一個環節不符合QoS的要求，都會影響播放的完整性。

對于一個帶寬與交換速率已經固定的網絡，有兩種方法實現QoS支持：第一種方法是沿著特定應用的數據流所經過的路徑保留端到端的資源；第二種方法是不必為具體的流在網絡中保留特定的資源，但是要對分組做標記，并在結點中提供特殊處理。比如“區分服務（DiffServ，Differentiated Services）”，是先把分組的DS域標記以具體的權值，然后將結點做適當的配置，使得被標記的分組在傳送它們的結點中能做預期的處理。

IP QoS結構分析

IP QoS主要是對第二層的以太網幀頭加入了優先級字段，以區分不同的優先級。

這種解決方案是根據對IEEE 802.1p/q協議字段的處理來區分不同優先級業務的。IEEE 802.1p/q同屬于一個子集，它在傳統的以太網幀頭中加入了4個字節，其中802.1p占3位。802.1p延伸了802.1d的協議，利用3位優先級位可以最多提供8個優先等級。而802.1q利用VI（VLAN Identifier，虛擬網標識）位識別傳送的幀究竟屬于哪一個虛網。

VI位共有12 位，最大可以支持的虛網個數不會超過4096個。802.1p/q的具體定義可以參見圖4。

IP QoS實現機制

1.隊列管理機制（Queue Management Mech-anism）

在網絡發生擁塞時，路由器必須丟棄一些分組，這個問題的解決首先必須實施有效的隊列管理機制（或緩沖區管理策略）。

目前，已經出現的隊列管理機制有：PPD（Partial Packet Discard）、EPD（Early Packet Discard）、RED（Random Early Discard）、FRED（Flow RED）、RIO（RED with In and Out）、BLUE等算法。比較起來，RED算法具有較低的排隊時延、較高的分組通過度和較好的公平性。

2.隊列調度機制（Queueing Scheduling Mech-anism）

不論在IntServ還是在DiffServ里，都涉及到隊列調度問題。簡言之，隊列調度的功能就是路由器如何從多個（或一個）隊列中選擇下一個待轉發的分組，這與隊列管理機制有著本質的區別。根據不同的服務規則，隊列調度算法可以分為以下幾種：先到先服務、循環調度、處理機共享、優先級服務、隨機服務等。

3.基于約束的路由（Constrained -Based Routing）

基于約束的路由源自QoS Routing，只是對QoS的限制參數進行了一定的擴充。CBR的有效實現需要各個路由器之間的相互配合，比如相互通知各自所知道的網絡的一些狀態信息（如鏈路的剩余帶寬）。

4.業務量工程（Traffic Engineering）

其主要目的在于盡量避免網絡擁塞的發生，以保證QoS。