第九章： IP 网上的 QOS

1. 第九章：IP网上的QOS Lyf@telecom.njtu.edu.cn 《多媒体通信》

2. 第一节：QOS概述 • 1、IP网与PSTN网 • PSTN是“可靠”网 • IP网是“不可靠”网 • 所谓“可靠”不光指网络的有效性，还指网络是否可以按照用户的QOS来发送数据； • 传统的IP网，对所有的报文同等对待，采用FIFO的策略，尽最大的努力把报文送到目的地，对报文的传输的可靠性、传送延迟等性能不提供任何保证； 《多媒体通信》

3. 2、QOS的定义 • 定义：网络根据用户的要求，为每项应用确保和维持一定的性能水平的能力； • 这个定义指出了从网络提供商的角度去如何理解QOS； • QOS从概念上讲是指网络资源 • 从Application角度，QoS通常指的是用户对于应用的认可程度，比如:对于视音频质量的认知。 • 带宽和时延是QOS的两个最重要的参数； 《多媒体通信》

4. 提供QOS的方式： • 网络内含QOS和应用自带QOS的方式 QOS QOS QOS 尽力而为 不可靠的网络 QOS QOS 《多媒体通信》

5. 3、研究QOS的目的： • 针对各种应用的不同要求，为其提供不同的服务质量。 • 比如：提供专用的带宽、减少报文丢失率、减低报文传送的时延及时延抖动； • 为实现上面功能可以采用以下的方法： • 报文分类和着色； • 避免和管理网络拥塞 • 流量监管和流量整形 • QOS信令协议； 《多媒体通信》

6. 例如：信息不分类和分类的传送 《多媒体通信》

7. QOS可以控制各种网络应用和满足各种网络应用要求，例如：QOS可以控制各种网络应用和满足各种网络应用要求，例如： • 控制资源。如：可以控制骨干网上FTP的使用带宽，也可以给数据库访问较高的优先级； • 可裁剪的服务。对于一个ISP,其用户可能传送语音、视频或其他实时业务，QOS使ISP能区分这些不同的报文，并提供不同的服务； 《多媒体通信》

8. 4、IP网上的QoS的服务模型 • Best-Effort service——尽力型服务模式； • Integrated service(Intserv)——综合型服务模式； • Differentiated service (Diffserv)——差异服务模式 《多媒体通信》

9. （1）Best-Effort service • 单一的服务模型，也是最简单的服务模型。 • 应用程序可以在任意时间发出任意数量的报文，而且不需要得到许可，也不需要通知网络。网络尽可能的发送报文，但对时延、可靠性等性能不提供任何保证。 • 是IP网上缺省的服务模型，适用于绝大多数网络应用，一般通过先入先出队列来实现。 《多媒体通信》

10. （2）综合服务模型 • 可以满足多种QOS的需求。 • 在这种模型中，发送报文之前，需要向网络申请特定的服务（流量参数和特定服务质量请求），网络确认后，才开始发送报文。 《多媒体通信》

11. （3）Differentiated service • 是一个多服务模型，它可以满足不同的QOS要求。 • 发送信息时，不需要通知网络，网络通过报文来指定相应的QOS，提供特定的服务。 • IP包的优先级； • 报文的源地址和目的地址； 《多媒体通信》

12. 第二节：QOS的参数 • 衡量QOS能力的参数有很多，最常用的有以下6种： • 带宽（最小值）； • 时延（最大值）； • 抖动（时延偏差）； • 信息丢失（差错效应）； • 有效性（可靠性） • 安全性 《多媒体通信》

13. 1、带宽 • 其实带宽指的是thoughput＝data rate，所以也常用：bit rate 或者 bandwidth来表示； • 作为QOS的一个参数，带宽是某种应用能够正常工作的最基本要求，时延与带宽的关系密切； • 带宽被认为是一种网络资源，应该合理的管理和分配； • 对于带宽的需求取决于应用的性能； • 比如在视频应用中，以下的特性都会有不同的流量需求： • Frame size • Frame rate • Color depth • compression 《多媒体通信》

14. 不同业务类型对于带宽的需求 • CBR（Constant bit rate）应用已恒定的速率产生数据业务量。 • 数字PBX业务； • 非压缩数字视频； • 业务特点：延时敏感、恒定带宽。 • Allocate bandwidth可能会导致业务失败，同时也不能提高业务的质量（user satisfaction） • VBR（Variable bit rate）应用以变化的速率产生数据业务量traffic • 压缩视频、音频； • Remote login • 业务特点： • 为了保证业务的成功，有最小带宽的要求； • 分配带宽越大，业务性能越好； • 超过最大带宽时，不能提高业务性能； 业务性能 带宽 业务性能 带宽 《多媒体通信》

15. 2. 延时 • 延时直接会影响到用户的满意度 • 实时应用要求延时保持在某个特定的限度之内，否则会影响业务质量； • 通信过程中的各个过程都可能会引入延时，主要的延时源包括： • Source-processing delay(包括数字化和分组化延时)，相关的因素包括：硬件、系统的当前负载； • Transmission delay传输延时：与传输速度和分组大小； • Network delay 网络延时 • 传播延时（propagation delay）：源点和目的地之间的物理距离； • 协议延时（Protocol delay）：在各种网络设备（路由器，网关和网卡等）上应用的网络协议。延时大小与协议、网络负载和硬件配置有关； • Output queuing delay（输出排队延时）：原因是由于在网络设备上数据包在输出链路上的排队等待时间，影响因素包括：网络拥塞、设备配置、链路速率； • Destination processing delay： 《多媒体通信》

16. 3、抖动 • 抖动参数为应用在网络传输中的时延变化设置的一种限制，所以也称为“时延抖动”； • 产生抖动的原因： • 不同分组经过不同的路径; • 不同分组所应用的网络条件不同； • 对时延抖动最为敏感的应用是实时应用，如视频和音频，对于非实时应用抖动的意义不大； • Internet网开始是一个非实时网，所以没有对抖动作出任何限制，但现在时延抖动却成为影响在Internet上的多媒体应用的关键； • 应对抖动的主要方法是采用缓存，对数据包进行重新排队； 《多媒体通信》

17. 4、信息丢失（差错效应） • 在IP网上，由于其采用的“尽力而为”的方式，信息的丢失是不可避免的； • 丢包率：在网络层，网络拥塞导致丢包； • 差错：噪声信道导致差错； • 信息丢失对不同应用的影响差别很大； • 可以通过差错控制来解决信息丢失的问题； • 对于实时应用，无法实现有效的差错恢复； • 数据业务较适合采用重传机制来进行差错恢复； • 在QOS中应指出信息丢失的上限，还有差错恢复的方法； 《多媒体通信》

18. 4、可靠性 • 99.99%,每年故障时间大概是53分钟； • 5、安全性 • 保证隐私性和机密性 • 6、带宽的关键作用 《多媒体通信》

19. 第三节：多媒体应用的QoS需求 • 不同的多媒体应用具有不同的QoS需求，它们可以用前面的几种参数来表示： • 交互式的语音通信的延时应该小于250ms； • 无线网络中延时和带宽的瓶颈主要是由于有效带宽的限制； • 对于QoS需求的主要影响因素： • 应用的交互性：交互/非交互应用； • 用户/应用的特征：延时容忍度/非容忍、适应/非适应性； • 应用的重要性: mission-critical(危机任务) and non-mission-critical applictaion 《多媒体通信》

20. 1. 交互式和非交互式应用 • 交互的类型：action-reaction、request-response、交换信息； • 交互的对象：人对人、人对机器、机器对机器； • 交互性要求延时复合一定的要求； • 语音交互的延时应该在毫秒级； • 流式视频应用中，交互性较少，它对于延时的要求较低，一般在秒级； • 时延抖动与交互性有关， • 可以用buffer来克服抖动，但是buffer会导致延时； • 通常一个应用具有严格的延时限制，也具有延时抖动限制； 《多媒体通信》

21. 2. 容忍度和非容忍度 • 指的是用户对于QoS参数值变化的敏感度 • 3. 应用对QoS的适应性 • 提高适应性的技术有两类 • 速率适应：调整进入网络的数据速率。 • 网络拥塞时，降低数据速率：丢包、提高压缩率、改变多媒体属性（分辨率、颜色深度）； • 在可以接收的范围内，尽量保证业务质量； • 延时容忍度适应：采用缓冲技术减少延时抖动 《多媒体通信》

22. 4.应用的危险度 • 反映应用的重要性 • 远程医疗 • 5. 应用需求的表示 • 数量和性质 • （1）数量上的表示包括 • 吞吐量：一般用平均数据速率表示；（VBR是一种特殊情况） • 延时和延时抖动 • Loss：一般用一个统计平均值表示 • （2）质量上的描述比较笼统 • 主观评价体系 《多媒体通信》

23. 第四节：实现QOS的方法 • 实现QOS的方法 • （1）在IP网络中添加QOS支持 • 基本的手段是增加网络带宽， • 其他方法： • 限制用户接入网络或使用网络服务； • 使用分等级收费或“被管IP网络” • 使用新技术 《多媒体通信》

24. 使用分等级收费 限制用户接入网络 或使用网络服务 IP网络 被管IP网络 使用新技术 《多媒体通信》

25. （2）用户提供QOS支持的方式 《多媒体通信》

26. 第四节：保证QOS的新技术 • IP网在开始阶段主要用于数据通信，对QOS的考虑不够，成为制约其发展的主要瓶颈； • 为了提高网络对QOS的保证，通过采用新技术可以实现这一目的； 《多媒体通信》

27. 1、限定接入速度（CAR） • 通过网络的“交换式路由器”对不同的应用分配不同的接入速度，达到提高网络QOS的能力； • 2、等级排队（CBQ） • CBQ对所有的流量分类，并给每一类流量分配一定的带宽； • 可以根据IP地址，协议（TCP或UPD），应用程序（FTP、WWW浏览）组合来配置； 《多媒体通信》

28. 3、服务等级（COS） • 在数据的帧结构中定义服务登记，供网络传输中使用； • 4、差异服务（diffServ) • 在IP电话中应用广泛； • 技术：重新定义IP分组头的TOS域中的6比特，使得TOS域能区别不同的服务类型； • 网络中的路由器必须支持此种分类； 《多媒体通信》

29. 5、IP优先级 • 通过IP分组头的TOS域的3个比特定义8中优先级。 • DiffServ和IP优先级存在一定的冲突（都定义了TOS域）； 《多媒体通信》

30. RSVP（resource Reservation Protocol） • 资源预留技术，根据用户需要和网络资源可用性为每个呼叫保留所需的带宽； • 该协议的理论性好，但是过程复杂，应用于大型网络较为困难，目前一般应用于专用网络或较小的网络； 《多媒体通信》

31. RSVP的工作原理 • 为了启动资源预留，发送方首先发出PATH消息，消息中包含数据流的标示（地址）以及数据特征，该消息沿所选路由逐跳传输，通知沿途各路由器准备预留资源； • 接收方收到此消息后，根据业务特征和所需的QOS计算所需的资源，回送RESV消息，消息中包含的主要参数是请求预留的带宽； 《多媒体通信》

32. PATH • 数据流标示 • 数据流业务特征 • 路径建立 用户数据 发送方 Router Router 接收方 RESV • 数据流标示和发送方选择 • 预留方式 • 预留请求 《多媒体通信》

33. 按虚电路排队 • 选路策略 • 按服务质量排队 • 随机早期丢弃 • 服务类型（TOS ） • 流量整形 • 加权公平排队（WFQ） • 加权随机早期丢弃 《多媒体通信》