辽宁联通城域网QoS研究及部署

2011-06-27李木子

电信科学 2011年1期

李木子

（中国联合网络通信有限公司辽宁省分公司沈阳 110041）

1 QoS技术实现

（1）流分类和标记

流分类采用一定的规则识别出符合某类特征的报文，是有区别地进行服务的前提和基础。流分类规则有根据IP报文头的ToS字段，识别出有不同优先级特征的流量；综合链路层（layer 2）、网络层（layer 3）、传输层（layer 4）信息诸如MAC地址、IP协议、源地址、目的地址或应用程序的端口号等相关信息对报文进行分类；根据网络具体业务进行分类，即业务感知，这是一种比普通流分类更加智能化的流分类技术。一般的分类依据都局限在封装报文的头部信息，除此之外还包括信息转发过程的一些属性，常见的分类依据有物理端口号、VLAN ID、MAC地址、IP地址、ToS/DSCP字节、Protocol(协议 ID)、分段标志、ICMP报文类型、TCP/UDP端口号、TCP SYN标志、基于状态的Session号等。识别数据包进行分类之后，要对其进行标注[1]。QoS的实现原则一般是在边缘完成业务的分类和标记，在核心根据QoS标记作分类转发。

（2）流量监管

流量监管即接入流量限速（CAR），是流分类之后的动作之一。通过CAR，运营商可以限制从网络边沿进入的各类业务的最大流量，控制网络整体资源的使用，从而保证网络整体的QoS。CAR在设备内部一般采用漏桶原理实现。高档设备的CAR可以支持精确的速率控制，可以任意设定速率，目前大部分IP设备制造商都支持速率限制功能。速率限制实施原则一般是在面向客户的接入端口上实施的。

（3）流量整形

流量整形（shaping）是一种主动调整流量输出速率的措施，一个典型应用是基于下游网络节点的CAR指标控制流量的输出。流量整形与流量监管的主要区别在于，流量整形对超出规格的报文进行缓存，当令牌桶有足够的令牌时，再均匀地向外发送这些被缓存的报文。两者的另一区别在于，整形可能会增加延时，而监管几乎不引入额外的延时。

（4）队列调度

当拥塞发生时，多个报文会同时竞争使用资源，此时需要制定一个资源的调度策略决定报文转发的处理次序，即拥塞管理的中心内容。拥塞管理一般采用排队技术，常见的队列调度机制是FIFO （first-in-first-out queueing，先入先出队列）、PQ（priority queueing,优先队列）、CQ（custom queueing，定制队列）、WFQ（weighted fair queuing，加权公平队列）、CBWFQ（class based WFQ）。

（5）QoS 服务体系分类

·IntServ服务体系

IntServ的目的是为基于IP的网络中每个流提供QoS，力图解决网络发生拥塞时如何共享可用的网络容量问题，使用方法有接纳控制、路由选择算法、调度算法及丢弃策略。在IntServ中定义了3种服务类型：QoS保证服务型（guaranteed service，GS）、受控负载服务型（control load service，CLS）和尽力而为服务型（best effort service，BES）。

·DiffServ服务体系

DiffServ的设计目标是提供一种简单、容易实现并且低成本的工具支持一系列的网络服务，这些服务在性能的基础上有所区分。其实现途径包括简化网络内部节点的服务机制及服务对象，采用层次化结构（分为DS域、DS区）、总体集中控制策略及面向对象的模块化思想与封装思想，增强灵活性与通用性。DiffServ节点提供服务的手段仅限于队列调度与缓冲管理，不涉及路由选择机制，目前最为集中的两种服务类型为优质服务和确保服务[2]。

2 辽宁联通城域网现状

2.1 网络结构

辽宁联通城域网网络结构如图1所示，可以划分为城域核心层、城域汇聚层2个层次。城域核心层设备即省网汇聚层设备，各地市均由2台高端路由器组成，城域汇聚层由各地市本地的 BAS、SR、汇聚交换机组成，通过 GE、FE上联至城域核心层设备，形成本地业务汇聚层面。

2.2 设备型号

设备型号介绍见表1。

2.3 现网业务调研

在辽宁省IP城域网上，承载的业务可以分为3大类，即语音、视频、数据。根据业务分类和性能指标对业务的影响，结合各类业务的业务属性，对3大类业务进一步细化，又可大致划分为如下几种。

·会话类业务主要包括高质量语音通信业务。该类型业务对延时、抖动要求较高，可容忍少量的丢包。

·管理控制类应用主要包括如BGP、OSPF、LDP等路由控制信息和Telnet、Radius、SSH、信令等业务控制信息。该类型业务对抖动不敏感，对延时要求低于高质量交互业务，但对丢包率有更为严格的要求。

·交互式视频业务主要包括视频会议等。该类型业务对

延时、抖动及丢包率要求高，但略低于会话类业务。

表1 设备型号

图1 城域网网络结构

·流媒体业务主要包括IPTV、VOD等。该类型业务对延时、抖动及丢包率有一定的要求，但低于会话类业务。

·数据业务主要涉及各种网管流量、大客户专线/VPN业务及普通互联网应用。

3 辽宁联通QoS部署设计

（1）QoS 服务模型设计

目前主流的QoS模型有IntServ和DiffServ两种。IntServ模型对现有路由器的改造十分复杂，由于需要进行端到端的资源预留，必须要求从发送到接收之间所有路由器都支持RSVP和许可控制协议，同时每个路由器还要花费大量的资源维护和更新数据库，不适用于大型网络；而DiffServ属于层次化QoS，只在网络的边界上才需要分类、标记、管制和整形等操作，非常适合于辽宁联通比较庞大的城域网结构。因此决定以DiffServ模型部署QoS策略。

（2）业务等级设计

业务等级设计见表2。

4 设备QoS支持能力测试

4.1 测试拓扑

测试拓扑如图2所示。测试仪表采用GE端口发送和接收模拟业务流，采用另外两个GE端口发送和接收背景流，测试仪表GE端口与BRAS、SR以及汇聚交换机的连接情况随测试内容的不同而改变。两台安装VLC Media Player软件的PC分别模拟视频服务器和客户端。两台安装IxChariot软件的 PC分别模拟VoIP测试终端，SR和BRAS分别将两台终端放入语音 VPN。STB＋TV＋PC＋Modem，用于观看实际的IPTV和上网效果。

图2 测试拓扑

4.2 测试工具

·IXIA测试仪表（端口要求至少4GE）作为流量发生器，发送制造拥塞和取得QoS参数的测试流数据；能产生IP、TCP/UDP等数据流；能同时在全部端口以各种IP包大小全速发送数据流；能够发送不同优先级别的数据流。

·PC机若干台，用于语音和视频主观效果测试。

·现网IPTV流媒体服务器＋VLC Media Player，用于IPTV主观效果测试，需要将组播流推到BRAS上。

·1 000 Mbit/s接入的交换机1台（至少2个GE接口）。

4.3 测试内容

4.3.1 单台设备测试

（1）标记（缺省行为）

·使用仪表测试工具检查设备出流量、DSCP标记是否正确标记、数据有无丢包。

·使用仪表工具检查回流量、在不同的压力条件下DSCP标记是否正确标记、数据有无丢包，并记录相应的指标数据。

·在测试仪表上检查不同流量压力下的CPU使用情况。

表2 业务等级设计

（2）基于端口标记

·使用仪表测试工具检查设备出流量、DSCP标记是否正确标记、数据有无丢包。

·使用仪表工具检查回流量、在不同的压力条件下DSCP标记是否正确标记、数据有无丢包，并记录相应的指标数据。

·在测试仪表上检查不同流量压力下的CPU使用情况。

（3）基于策略的QoS标记

·使用仪表测试工具检查设备出流量、DSCP标记是否正确标记、数据有无丢包。

·使用仪表工具检查回流量、在不同的压力条件下DSCP标记是否正确标记、数据有无丢包，并记录相应的指标数据。

·在测试仪表上检查不同流量压力下的CPU使用情况。

（4）信任标记

·使用仪表测试工具检查设备出流量、DSCP标记是否正确标记、数据有无丢包。

·使用仪表工具检查回流量、在不同的压力条件下DSCP标记是否正确标记、数据有无丢包，并记录相应的指标数据。

·在测试仪表上检查不同流量压力下的CPU使用情况。

·流量限速（基于端口、出、入方向）。

·出、入端口限速，使用测试仪表工具检查设备出流量速率大小。

（5）流量限速（基于策略、出、入方向）

·针对DSCP=40的限速，使用测试仪表工具检查设备出流量速率大小。

·测试8021.P到DSCP的相互转换。

·测试仪表发送 CoS=6、CoS=5、CoS=3、CoS=2；根据 3层的DSCP标记值转化成3层的DSCP标记；使用仪表测试工具检查设备出流量、CoS标记是否被转换成功、数据有无丢包。

（6）流量整形（基于端口、出方向）

·设备的出端口队列所有流量整形为20 Mbit/s，使用测试仪表工具检查设备出流量速率大小。

·设备的调度与控制机制的功能测试。

·设备不作QoS控制，使用仪表测试工具的GE端口检查各个流的回流量。

·设备作PQ调度，使用仪表测试工具的GE端口检查各个流的回流量。

·设备作CBWFQ调度，使用仪表测试工具的GE端口检查各个流的回流量。

·设备作PQ+CBWFQ调度，使用仪表测试工具的GE端口检查各个流的回流量。

4.3.2 设备联网测试

（1）无 QoS 机制、网络轻载

·业务流方向，参与测试设备的端口QoS不进行部署。

·测试正常情况下的语音和视频效果。

·使用测试仪表发送测试数据流，检查延时、抖动、丢包等情况。

（2）有 QoS 机制、网络轻载

·业务流方向，参与测试设备的端口QoS进行部署。

·测试正常情况下（不打背景流）的语音和视频效果。

·使用测试仪表发送测试数据流，检查不同优先级数据的延时、抖动、丢包等情况。

（3）无QoS机制、设备端口拥塞

·测试仪表发送干扰流，在端口造成拥塞。

·观察视频的主观效果和VoIP模拟测试效果。

·使用测试仪表和测试终端发送业务测试流，检查延时、抖动、丢包等情况。

（4）有QoS机制、设备端口拥塞

·测试仪表发送干扰流，在端口造成拥塞。

·观察视频的主观效果和VoIP模拟测试效果。

·使用测试仪表和测试终端发送业务测试流，检查延时、抖动、丢包等情况。

5 实际部署

5.1 城域网实际部署

在本期项目中，QoS只部署在业务控制层以上，在宽带接入层（即SR和BRAS）以下，所以业务的识别和分类功能，在业务控制层以上实现，IP城域网业务接入控制点根据物理端口、逻辑子端口或CoS位完成对接入用户的分类和3层QoS标记（DSCP或EXP），并实现用户上行流量的限速和用户下行流量的限速、整形。BRAS、SR和核心路由器提供两个严格优先队列和5个轮循队列，配合WRED丢弃机制，实现基于QoS等级的IP包转发。

5.2 部署效果

（1）语音业务

无QoS，语音业务在网络拥塞时出现信号中断，经仪表测试，数据有一定程度的丢包，延时明显增加，语音业务与其他业务相同，均受到网络拥塞的影响。有QoS，语音不受影响，声音清晰，无滞后感觉，经仪表测试，普通数据有一定程度的丢包，延时明显增加；语音业务受PQ算法保护，没有丢包，延时很小。

（2）IPTV 业务

无QoS，IPTV视频业务在网络拥塞时出现马赛克、画面断续等现象，拥塞严重时画面完全静止，经仪表测试，数据有一定程度的丢包，延时明显增加，IPTV业务与其他业务相同，均受到网络拥塞的影响。有QoS，视频基本不受影响，画面流畅，用户上网速度慢，经仪表测试，普通数据有一定程度的丢包，延时明显增加；其他优先级的数据基本无丢包，延时较低。

（3）VPN 业务

无QoS，模拟的VPN业务在网络拥塞时，受到较大影响。经仪表测试，数据有一定程度的丢包，延时明显增加，VPN业务与其他非关键业务相同，均受到网络拥塞的影响。有QoS，VPN业务不受影响，经仪表测试，普通数据有一定程度的丢包，延时明显增加；VPN业务受WFQ等算法保护，没有丢包，虽然有一定延时，但在可承受范围。