高质量传输大流量数据

福建广播电视大学 黄晶慧

福建信息职业技术学院 张冬

在通信和计算机技术日益成熟的今天，诸如视频会议、实时音频和视频的多点组播等应用程序，对数据吞吐量和网络延时等因素的要求大大高于传统的如电子邮件和远程文件访问等异步应用程序。应用QoS技术，可以实现高质量传输大流量、多类型的数据，实现海量数据实时、高效传输。

笔者单位局域网的主干速度为1000Mbps/100Mbps到桌面，基本上实现各种多媒体应用，诸如视频新闻、VOD点播、网络会议、网络教育等，但局限于非对称式、小数据量的应用。

比如，在视频点播这样的多媒体系统中，上行链路和下行链路传输的信息量不同，从用户到信息源的信息量小，从信息源到用户的信息量大。因此这是一种不对称的交互方式。

通常利用高速缓存技术，首先将服务器端的数据下载到用户端，然后由客户端软件播放存在本地系统内的数据。这种做法有效地节约了带宽，使服务器可以同时响应大量的请求，也节约了服务器系统资源。但是，一旦传输海量数据时，目前的网络配置存在一定的问题。主要的问题集中在核心设备——路由器PassPort 8600承担着实验室和外网的连接重任，处理局域网内部之间的数据传输和局域网与外部之间数据传输，因而在同一时刻，如果产生较大的并发数据量，目前的设置很难确保端到端的大数据量快速、准确地传输。

为此，我们利用现有设备PassPort 8600及QoS技术，实现了高质量传输大流量、多类型的数据，满足海量数据实时、高效传输的要求。

Passport 8600实施QoS

Passport 8600执行QoS是基于区分服务体系的。区分服务具有良好的可扩展性，它可以根据应用或业务类型排出不同的优先级别。业务区分结构使用IPv4包头中的业务类型（ToS）字段，并将8位ToS字段重新命名。作为DS字段，其中6位可供目前使用，剩余2位以备将来使用。通过该字段的标记，下行结点可以获取足够的服务质量信息，以对到达该端口的数据包做出相应的“处理”，将它们正确地转发给下一跳的路由器。

需要注意的是，ToS字段和DS字段的定义是不同的。边缘路由器可以将ToS字段映射到DS字段，而且区分服务可以识别网络流量大小。这种体系能够优化微流量或者累积流量，并且提供可升级的IP QoS。

在区分服务网络中，根据标记，标记包被放置在队列里。举例来说，如果视频流被标记为最高优先级，它会被放在高优先级队列里，当标记包通过该类网络时，视频流将优先于其他包通过。

Passport 8600已定义了默认的QoS参数，一般能够满足千兆网的应用要求。如果网络中有海量数据的应用，可以通过修改Passport 8600的默认值，同时利用access port和core port优化网络数据流量对网络带宽的占有率，使其具有更好的QoS性能。

Passport 8600的QoS功能

1.端口类型

Passport 8600通过存取端口和核心端口处理数据流量。

1）存取端口（access port）

在区分网络边缘的端口称为存取端口。数据包的IP头包含着DS域（也称为DSCP），用以识别服务等级。另外，标记为IEEE 802.1q的数据包也包含用以识别服务等级的IEEE 802.1p位。因此，数据包的DSCP或者IEEE 802.1p位可以被置位，也可以保持不变。在DS的存取端口，数据包将被分配基于区分标准的QoS性能。

2）核心端口（Core Port）

在网络中的端口被称为核心端口。当数据包通过存取端口时，数据包被打上标记，然后，这些数据包通过网络的时候，由核心端口处理这些被存取端口做过标记的数据包，将包放到适当的QoS队列里。

2.基于各种机制的QoS

Passport 8600可以基于不同的机制设置QoS级别。包括：

基于VLAN——可以给某个VLAN中的数据流量定义QoS；

基于端口——即根据存取端口或者核心端口定义；

基于MAC——针对某个MAC地址定义其QoS。

3.队列与QoS级别

Passport 8600有8个队列，对应着8种不同的QoS服务级别。第7队为网络控制所保留。第6队具有最高优先级，即便在第0队被允许传输的时候，第6队中的数据包仍能传输或者路由。举例来说，音频和视频流量需要放在第6队里，因为它们必须无延时地传输；而Web数据则仅需放在第1队里，因为这种数据流允许有一定的延时。

QoS应用实例

基于端口的QoS设置

假设来自子网一的大多数数据包是关于多媒体数据包的，我们使用基于端口的QoS配置方案。

网络结构图如图1所示。

基于端口的QoS配置非常简单，只需在Port菜单中启用区分服务，同时指明区分服务的类型和QoS级别即可。详细设置步骤如下：

（1）选择端口。

（2）从Device Manager菜单上选择【Edit】→【Port】命令。

（3）在Interface Windows中的QoS部分，启用DiffServEnable为True。

（4）指定DiffServType为access。

（5）指定QoS Level为Level 6，即最高优先级。

默认设置如图2所示。

这样，无论是网络内部的数据传输，还是网络外部的数据传输，来自子网一的数据包都将以最高优先级通过，保证了多媒体数据的传输效率。

基于VLAN的QoS设置

前一种设置方法的前提条件是，所有的设备通过二级交换机保证接入Passport 8600的同一端口。而当传输大量多媒体数据的机器不在同一地域，或者不在同一个二级交换机上时，可以采用基于VLAN的方式保证某一个虚拟子网内的数据包在指定的QoS级别上。

比如，不仅子网一需要使用实时交互系统，包括子网二和子网三的部分机器也需要使用实时交互系统。因此，首先将这些设备划分在同一个VLAN中，然后再进行QoS级别的设置（如图3所示）。配置过程如下：

（1）选择指定的VLAN。

（2）从Device Manager菜单中选择【VLAN】→【VLAN】。

其中QosLevel便是当前VLAN的QoS级别，将其修改为我们所需要设定的QoS级别即可，这样便实现了不同地域、同种类型应用的机器享有同样的QoS级别。

以上两例仅是为了进一步说明QoS的实现方式，在具体应用的时候，还要权衡路由器的承载能力和网络性能，以及操作系统接受和发送数据的极限速度等多方面因素，以便使千兆网更好地为不同应用提供服务。

解析QoS

QoS定义

QoS是指IP的服务质量，也是指IP数据流通过网络时的性能。它的目的就是向用户提供端到端的服务质量保证。QoS能够对数据包进行合理的排队，对含有内容标识的数据包进行优化，并对其中特定的数据包赋以较高的优先级，从而加速传输的进程，并实现实时交互。

QoS在可预测、可测量性方面比传统IP有了很大的提高，基本解决了多媒体类应用或者大数据优先传输的需求，并且可提高带宽的使用率。

服务质量不仅仅是网络的事情，而是应用程序、用户终端、网络、服务器各部分的综合效应。例如，一个用于远程视频播放的端到端活动，从媒体服务器获得视频，在源地进行压缩，在目的地进行解压缩，并根据播放窗口的大小对视频按比例进行调整，最后在视频窗口播放。在端到端路径上，任何一个环节不符合QoS的要求，都会影响播放的完整性。

对于一个带宽与交换速率已经固定的网络，有两种方法实现QoS支持：第一种方法是沿着特定应用的数据流所经过的路径保留端到端的资源；第二种方法是不必为具体的流在网络中保留特定的资源，但是要对分组做标记，并在结点中提供特殊处理。比如“区分服务（DiffServ，Differentiated Services）”，是先把分组的DS域标记以具体的权值，然后将结点做适当的配置，使得被标记的分组在传送它们的结点中能做预期的处理。

IP QoS结构分析

IP QoS主要是对第二层的以太网帧头加入了优先级字段，以区分不同的优先级。

这种解决方案是根据对IEEE 802.1p/q协议字段的处理来区分不同优先级业务的。IEEE 802.1p/q同属于一个子集，它在传统的以太网帧头中加入了4个字节，其中802.1p占3位。802.1p延伸了802.1d的协议，利用3位优先级位可以最多提供8个优先等级。而802.1q利用VI（VLAN Identifier，虚拟网标识）位识别传送的帧究竟属于哪一个虚网。

VI位共有12 位，最大可以支持的虚网个数不会超过4096个。802.1p/q的具体定义可以参见图4。

IP QoS实现机制

1.队列管理机制（Queue Management Mech-anism）

在网络发生拥塞时，路由器必须丢弃一些分组，这个问题的解决首先必须实施有效的队列管理机制（或缓冲区管理策略）。

目前，已经出现的队列管理机制有：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。比较起来，RED算法具有较低的排队时延、较高的分组通过度和较好的公平性。

2.队列调度机制（Queueing Scheduling Mech-anism）

不论在IntServ还是在DiffServ里，都涉及到队列调度问题。简言之，队列调度的功能就是路由器如何从多个（或一个）队列中选择下一个待转发的分组，这与队列管理机制有着本质的区别。根据不同的服务规则，队列调度算法可以分为以下几种：先到先服务、循环调度、处理机共享、优先级服务、随机服务等。

3.基于约束的路由（Constrained -Based Routing）

基于约束的路由源自QoS Routing，只是对QoS的限制参数进行了一定的扩充。CBR的有效实现需要各个路由器之间的相互配合，比如相互通知各自所知道的网络的一些状态信息（如链路的剩余带宽）。

4.业务量工程（Traffic Engineering）

其主要目的在于尽量避免网络拥塞的发生，以保证QoS。