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Transition Networks

服務質量(QoS)

抽象的
顯然,隨著IP語音和數字視頻等新技術的推出,網絡管理員和管理員很難適應不斷增長的帶寬需求。此類技術在歷史上對可靠性和質量抱有很高的期望。當今的網絡必須將這些服務視為高優先級。這些傳統上“盡力而為”的局域網協議(以太網等)面臨著處理這些高優先級要求的困難時期。服務質量(QoS)有望更好地應對這些新挑戰。提高可靠性和質量。

網絡管理員可以使用兩種主要的QoS技術。他們可以嘗試為某些類型的服務(硬QoS)協商,保留和硬設置容量,或者只是在不保留任何“容量設置”(軟QoS)的情況下確定數據的優先級。本文將討論硬和軟QoS技術,包括802.1P,IP優先級,區分服務,資源保留協議(RSVP)和ATM特定優先級資源。本文還將說明如何在Transition Networks的管理聚合轉換器上實現QoS功能。

服務質量101

QoS代表服務質量。在QoS中,可以監視,採樣並可能改善帶寬,錯誤率和等待時間。 QoS還提供了一組工具,可通過減少網絡接近滿容量時高峰時段的延遲影響來幫助有效地傳輸數據。 QoS不會增加容量。它也不會像WDM一樣多路復用信號。它只是試圖更好地管理數據流量,以使高優先級流量不會受到損害。 QoS通過應用一組工具(例如優先級方案)來幫助管理帶寬的使用,因此某些數據包(關鍵任務–必須通過數據包)將首先轉發。

QoS與服務等級(CoS)

QoS通常與服務等級結合使用。 CoS的最短定義是“分組”。 CoS定義具有特定服務類型的流量組,QoS管理這種類型的服務並確保將其交付。可以將類似類型的數據(例如語音,實時視頻或流視頻和大文件傳輸)組合在一起,形成一個服務類,並以相同的服務優先級進行處理。

對QoS的需求

許多用戶認為,更多的帶寬將解決問題。扔更多帶寬雖然可能不再起作用。 IP電話語音和其他新技術(例如網絡視頻安全性,遠程監控和IP網絡記錄)變得越來越流行。他們已經開始滲透傳統上面向數據的網絡,迫使網絡管理員和管理人員採用諸如QoS之類的措施來有效地容納這些技術,而又不會對現有網絡的性能產生任何反擊。

多業務流量難以有效處理,因為每種流量類型都需要不同的傳輸速率,並且每種類型的延遲或數據包排序都具有不同的容忍度。最初的盡力而為LAN協議是為應用程序設計的,例如工作站之間的基本連接,文件傳輸,電子郵件,MRP,以及後來的Internet。

圖1:VoIP集成

這些應用程序不會受到數據包延遲的影響,只要建立連接並且以不那麼令人討厭的方式進行數據傳輸,網絡就可以達到其目的。同樣,多服務流量必須與現有的基礎架構和平共處。在許多情況下,VoIP必須路由回PSTN(參見圖1)以完成必要的呼叫,或者必須在現有的閉路電視(CCTV)上廣播IP視頻。

網絡帶寬仍然很重要,但是它不再是實施未來技術的唯一考慮因素。需要閱讀,理解和實現此流量的新的特定特性(延遲,抖動等)。

通過任何媒體傳遞語音或視頻的關鍵之一就是保持一定的質量。語音或視頻的質量可能由於以下三個因素而下降:

過度壓縮

壓縮率與通過網絡傳輸的語音信號的質量成反比,並且不如用戶習慣的普通老式電話(POTS)。壓縮程度越低,傳輸語音數據包所需的吞吐量就越高,從而增加了網絡擁塞的可能性,從而增加了質量損失。用戶可以輕鬆控制壓縮。

網絡上的數據包丟失

數據包在網絡上丟失,這對於傳統應用程序來說不是問題。傳統應用程序(例如文件傳輸)的質量不受數據包丟失的影響,因為這些丟失會被網絡識別並重新傳輸。如果數量很少,VoIP產品將重新構造數據包。經驗法則是,在VOIP網絡中,不應丟失不超過10%的數據包,否則語音質量將受到影響。

潛伏

數據網絡中的延遲不是那麼關鍵。當您正在進行重要對話時,等待網頁加載不會像接收者在沉默時那樣令人煩惱。根據經驗,單向延遲的最大延遲為150毫秒,以達到與POTS語音類似的質量。

網絡管理員在語音和安全應用程序方面面臨著新的挑戰。傳統的POTS在運輸和可靠性方面都是高度可靠的。即使在最惡劣的風暴中,您的電話也沒有撥號音時,很難想像這種情況。儘管等待5秒鐘加載網頁是可以接受的,但在與客戶進行電話會議期間,無法容忍這種延遲。無法接受語音中斷或任何明顯的延遲。

這樣的期望被帶入了“機會主義-盡力而為”網絡,從而產生了對QoS的需求。機會網絡中通常使用的先進先出(FIFO)系統必須替換為從802.1P開始一直到RSVP的更複雜的,經常是動態的資源分配工具。

為了使QoS成功,要滿足的一個重要條件是必須跨多個LAN和WAN端到端使用和管理它(參見圖2)。這樣可以確保解決所有瓶頸,並且不會使語音/視頻失真。如果僅在網絡的一部分上使用QoS,則必須通過“瓶頸”處理出此網絡的所有內容都將按照其接收順序進行處理和轉發,並以可用的速度和可能的延遲進行轉發。

圖2:端到端VoIP應用

協議在自然處理正常流量方面的能力有所不同,有些協議在傳統上具有更高的“可靠性”。在多媒體應用中,ATM是非常成功的協議,因為ATM可以提供對語音或視頻傳輸非常有價值的有保證的速率和連接。 ATM通過將流量分配給四個服務類別之一來對流量進行優先級排序。每個類別都可以收到一個優先級。有以下四個ATM服務優先級/隊列:

  • 恆定比特率(CBR)是服務水平(VoIP或標準語音電路)的絕對保證。
  • 可變比特率(VBR),用於可變的可突發傳輸速率,具有非常好的吞吐量,但不能保證隨時間推移的一致性(FTP,流式傳輸)。
  • 可用比特率(ABR)提供了最低保證。
  • 不能保證的未指定比特率(UBR),無論剩下多少帶寬都可以使用。

ATM可以處理在以太網LAN中完成的優先級設置。但是,由於較低的LAN滲透率,ATM無法解決所有LAN QoS問題。這必須通過“ LAN的首選協議”-以太網來完成。

以太網代表了更多的機會協議。以太網是一種減少連接的廣播協議,是“盡力而為–盡我所能”。以太網被設計為不那麼複雜,因此更便宜。傳輸數據時,以太網會為該傳輸分配最大可能的帶寬,直到網絡用盡其帶寬。因此,“關鍵流量”被視為任何其他傳輸,因此它幾乎淹沒在關鍵/重要程度較低的數據中。這意味著在沒有擁塞的情況下,它對於語音和視頻也可以正常工作。

企業中的QoS

網絡很少是為最壞的情況(最大過載)而設計的,因此QoS可以有效地管理我們可支配的資源,而不會神奇地增加帶寬。

當今的企業網絡正經歷著越來越高的複雜性,而數據包平等性已成為過去。在下面的表1中,我們定義了不同類型的流量,它們的帶寬要求以及每種流量的延遲容限。容忍度得分將說明當事情進展不如我們希望他們順利進行時,用戶對每種服務的容忍度

有關按介質類型的性能要求圖,請參見PDF。

我們對延遲的容忍度決定了實施哪種時間因素。用戶對諸如Internet瀏覽,Web託管,數據傳輸或傳真之類的服務中的延遲具有相對較高的容忍度,這使得網絡設計人員可以對此類服務進行傳輸緩衝。實時應用程序需要建立服務基準。

圖3:VoIP實施中的可能瓶頸

顯然,上述帶寬要求不會在小型企業運營中造成任何麻煩。 100Mbps快速以太網可以支持這些服務,但是在大型組織中會發生什麼?當數據“超出”企業局域網之外時,端到端又如何呢?同樣,QoS的關鍵技術問題之一是必須端到端對其進行支持才能使其有效(請參見圖2)。與基本的Internet衝浪不同,IP電話和視頻會議必須保證最低的傳輸速率,以便它們可以正常運行。

100Mbps LAN連接不能保證通過128Kbps WAN連接與另一個LAN進行語音連接。由於此通信的性質和要求,連接必須是連續的,並且沒有語音緩衝的空間。

因此,在擁擠的時候–如何確保這些關鍵部分暢通無阻且延遲最小?

您首先需要定義導致瓶頸的流量類型以及瓶頸所在的位置。這很可能確定了以下導致擁塞的原因之一:

高峰使用。 用戶正在通過網絡發送太多數據包。如果認為不必要,仔細查看大型流量模式有時可以快速找出原因。必要的流量也會導致擁塞,因為現有網絡無法提供足夠的流量 交換和路由能力。細分網絡可以提供幫助。

如果您的網絡仍然很擁擠,並且您不能給它增加更多帶寬,則可以應用以下工具集:

  • 優先考慮用戶
  • 區分細分受眾群
  • 優先考慮應用
  • 保留/限制某些用戶的帶寬
  • 保留/限制某些應用程序的帶寬
  • 選擇可以停止的應用程序

定義了誰和什麼獲得優先級後,網絡管理員可以使用一組工具來實現這些規則。例如,他們可以根據某些用戶的IP地址(源地址)來為其賦予優先級。或者,它們可以通過子網掩碼或目標地址按段劃分優先級。對應用程序進行優先級排序意味著,所有的IP語音服務都比電子郵件具有更高的優先級。

設備閱讀以下四種類型的隊列中有關優先級或帶寬分配和隊列數據包的說明:

  • 從高優先級隊列到低優先級的優先級排隊。數據包首先從較高優先級的隊列發送(如IEEE 802.1P中所述)。
  • 加權公平排隊。它允許有保證的帶寬服務,但可以通過相同的共享鏈接。
  • 基於類的排隊將用戶流量劃分為類。這些類別是根據IP地址,協議和應用程序類型分配的

 

圖4:IEEE®802.1P

局域網中的QoSIEEE®802.1P優先級

IEEE 802.1P是一種信令技術,用於對數據鏈路/ MAC子層(OSI參考模型層2)上的網絡流量進行優先級排序。 802.1P報頭包括一個用於優先級劃分的三位字段,該字段允許將數據包分組為各種流量類別。符合IEEE 802.1P的交換機將拾取此標籤(數據包包含位於目標地址和源地址報頭之後的32位標籤報頭),對其進行讀取,然後將其放入適當的優先級隊列中。此技術沒有保留或請求帶寬。

有八個優先級(0-7),因此可以創建八個隊列(請參見圖4)。第七級代表最高優先級。這將分配給關鍵任務應用程序。級別6和5專為對延遲敏感的應用(例如交互式視頻和語音)而設計。第四級及以下級別適用於常規企業數據傳輸以及流視頻。為可以忍受盡力而為協議的所有缺點的流量分配了零級。

交換機將基於“ P”標籤分析數據包,並將其放置在適當的優先級隊列中進行發送。用戶可以有多達八個優先級隊列。採用可調算法來選擇在發送較低優先級隊列中的數據包之前從每個隊列發送多少個數據包。

圖5:數據包排隊的可調算法

過渡網絡管理聚合轉換器(MAC)是允許對網絡的遠程端進行管理的轉換器。 MAC的眾多功能之一包括支持802.1P數據包。 MAC讀取802.1P標記並將傳入的數據包放置在高優先級隊列或低優先級隊列中。網絡管理器定義了優先級閾值(0-7),該閾值確定數據包是放置在高優先級隊列中還是在高優先級隊列中。低優先級隊列。 。例如,如果閾值設置為4,則將“ P”標籤5轉發到高優先級隊列,而將具有“ 3”標籤的數據包放入低優先級隊列。 MAC轉換器還為分組隊列選擇實現了用戶可調算法。如圖5所示,在MAC轉換器再次回到高優先級隊列之前,將發送15個來自高優先級隊列的數據包,然後發送一個來自低優先級隊列的數據包。

圖6:端口優先級設置

用戶還可以在特定端口上設置高優先級(用於IP電話等),這會將所有數據包自動放在該端口上的高優先級隊列中。 (請參見圖6)除了排隊之外,MAC轉換器還將使用戶能夠在較高優先級的應用程序中禁用/啟用暫停功能,以便在擁塞時不會暫停實時流量(Voice)。 (參見圖7)

所有轉換器管理都可以通過完全兼容SNMP的圖形用戶界面(GUI)軟件– Focal Point™進行,也可以使用任何Web瀏覽器通過基於Web的管理進行管理。 QoS 802.1P是用於LAN內優先級排序的有效工具。 QoS還可以伴隨IP優先級或區分服務–第3層QoS機制,以實現局域網之間的優先級劃分。

IP優先級

IP協議包括一個8位字段的服務類型(ToS),旨在用於數據包優先級劃分。它分配三個ToS位來創建最多8個優先級,分配三個ToS位來描述延遲敏感性以及數據包丟失。 Transition Networks的MAC轉換器對這些數據包透明。

圖7:IEEE®802.1P暫停

差異化服務

企業中另一種非常流行的QoS方法是區分服務。這是基於其類別管理流量的有效方法。區分服務(Diffserv)優先處理某些類型的通信,例如語音通信,而不是其他類型的通信。它通過將IP數據包分類為類來工作。每個數據包的IP報頭中包含的服務類型字節中的六位指定一種特定的行為類型,該行為類型決定了數據包轉發方案和優先級。

差異化服務可以提供以下服務:

  • 加速轉發(EF),它定義了最小的延遲和抖動。 VoIP的首選模式。
  • 保證轉發(AF),它引入了三種可選的丟包率。在擁塞期間,丟棄優先級高的數據包將被丟棄。從而使以較低丟棄優先級標記的更重要的流量能夠通過。
  • 盡力而為將剩餘未分配給EF和AF的帶寬。

DiffServ可以用作企業網絡中的QoS機制。它是可擴展的。幾乎所有新的路由器產品以及諸如VoIP電話之類的最終產品都支持DiffServ,並可以使用適當的逐跳行為類型標記數據包。邊緣處的區分服務標記在核心處被讀取和理解,並且基於上述優先級方案來轉發分組。 Transition Networks的Mac Converter透明地傳遞這些數據包。

此類QoS服務不是設備自身之間任何協商或信令的一部分。這些規則由了解上述擁塞原因並相應調整用戶,應用程序或服務優先級的本地網絡管理員分配。這些分配的標籤在數據包中傳遞,並且在自動協商或其他形式的信令過程中不會更改。這種方法稱為SOFT QoS。 802.1P,IP優先級和DiffServ是軟QoS技術的示例。

硬QoS

硬QoS描述了過程,在該過程中,網絡上的設備可以通過信令協商,請求和調整基於先前商定的值的不同類型流量的優先級。硬QoS包括諸如集成服務/資源預留協議之類的協議。

圖8:RSVP

RSVP使網絡設備(例如路由器或交換機)能夠針對特定的流量類型(例如VoIP)向網絡上的其他設備請求必要的/保證的帶寬。也可以在這種方法中定義所需的延遲方差。 RSVP從網絡上的其他設備發送保留特定帶寬或交換/轉發功能的請求。通過網絡發送的此要求稱為流規範。這些要求可能會導致三種所需的傳輸類型:

  1. 傳統盡力而為
  2. 速率敏感– VoIP要求為視頻流應用程序提供保證的比特率服務建立的帶寬。
  3. 延遲敏感– VoIP需要定義最大延遲,並且不允許超過此最大延遲。

概括

語音,音頻和視頻流量給LAN和WAN網絡帶來越來越大的壓力。用戶已經習慣了標準語音和視頻技術的高可靠性和高質量。儘管運輸媒介正在發生變化,但我們的期望保持不變。 VoIP不會像移動技術那樣幸運,在移動技術中,用戶為了在旅途中擁有電話的便利而犧牲了高質量。局域網及其在大多數情況下是機會主義/盡力而為協議,在處理這些高期望和要求時會遇到困難。

另一方面,隨著公司已經開始完全接受這些技術所產生的成本節約,IP視頻和電話實施項目將以越來越快的速度進行。網絡容量的適當增長將無法與這一加速過程相提並論。 QoS是一種無目的地向網絡增加帶寬的有吸引力的替代方法。

當語音數據成為網絡的一部分時,必須優先考慮語音數據包以“滿足”語音通話的高質量要求。 ATM具有成功QoS的設計能力,但是由於以太網運行在85%的LAN上,因此QoS也必須在此平台上有效運行。 802.1P,IP優先級和DiffServ –(軟QoS技術)可幫助管理員確定不同類型的流量的優先級,而無需保留任何資源。 RSVP硬QoS技術將有助於保留所需的容量級別,以支持QoS工作。這些技術都不是防故障的。必須從端到端規劃QoS,以便識別並消除瓶頸。

最後,QoS不會發揮神奇作用,也不會減輕網絡管理員計劃和相應分配資源的責任。但是,構成QoS的各種元素可以提供強大的工具,以使網絡管理員能夠改善網絡性能。

多年來,我已經在客戶安裝中使用Transition Networks的產品。我一直發現他們的產品,客戶服務,銷售和技術支持是一流的。我什至不會考慮使用其他品牌。

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