文/尹建华

引言

说起QoS，多数人不会太陌生，但是也未必有很深入的理解。因为，对QoS的理解可以是多层次、多角度的，其技术实现手段也多种多样。本文探讨广域网的QoS基本设计思路，以供参考。

 

关于QoS的三个基本理解

1．  网络QoS技术的本质是什么？

无论采用何种理论模型和技术手段，QoS技术最终是要体现在对业务的带宽资源分配和发送优先顺序上。由于目前的网络设备还难以直接设计出网络的丢包率、时延和抖动，但是能够精确的分配带宽和对业务报文进行排序发送。所以QoS的设计本质其实是网络对不同业务在各个途经节点的带宽资源分配和发送顺序的设计。而业务的质量保证却不仅仅是靠带宽分配和报文发送顺序进行全面保证的，比如还要考虑到链路的线路质量、物理拓扑、路由设计、可靠性设计、负载分担设计、安全性，以及业务终端自身对业务质量的提升技术，如视频编解码器的算法优化等等因素，这些都会影响到网络业务的服务质量。

因此，这里所说的网络QoS设计的实质是网络对业务的带宽可控分配，再加上一点儿发送顺序、丢包和缓冲的细节技术设计（主要针对媒体业务），多数情况下就是业务带宽的设计。简单的说，就是一组主要的流量控制技术。如果说路由设计负责业务的可达性，QoS设计则主要负责业务的流量调节。

2． 网络QoS技术的应用领域在哪里？

只要涉及到带宽分配和对业务服务质量有要求的地方，就会有QoS设计。基于这两点，QoS技术多应用于广域网络和语音、视频等媒体业务系统。而对于带宽资源相对丰富的园区、数据中心等局域网络，以及非重要数据业务，其QoS设计需求相对较弱，或者比较简单。

3． 网络QoS设计的标准是什么？

网络QoS设计的本质是在带宽资源与业务流量需求之间的矛盾中寻求一种动态的平衡，以达到带宽资源的最大化和业务的高价值利用。因此，网络QoS设计需要考虑到几个重要指标：网络和业务的QoS设计的全面性、带宽资源的利用效率、重点业务端到端的质量、不同时刻QoS策略的动态效果、QoS策略及部署的简单性。这些指标在广域网QoS设计过程中都需要被考虑到。

 

1. 广域网QoS的设计流程和准备工作

1.1 广域网QoS设计流程

如图1所示，全面的QoS设计流程包括三个部分：基于现有网络资源的业务带宽宏观规划；针对具体业务和网络设备的QoS技术设计；全网和重点业务的部署监管。当然，针对具体的网络情况，可能不会涉及到所有的设计环节，需要从实际要求出发，设计合适的方案。

 

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图1 QoS设计基本流程

• 广域业务规划。主要涉及两大方面：一是行政划分（如地域和部门的划分）和相关路由、VPN、拓扑设计；二是重要业务，如视频会议、语音业务、生产业务、办公业务等等。全面了解这些业务的客观要求及规划是做好QoS设计的前提。
• QoS策略制定。在了解广域网业务规划的前提下，针对网络中的带宽瓶颈节点，制定适合的业务流量分配方案是达成业务流量和质量保证的关键。在某些时候为了满足QoS设计要求，需要对网络设计作出适当的改进，比如在MPLS VPN网络中，为了区分不同VPN的流量，有时需要为各VPN设计独立的子接口，以方便在子接口上实施VPN的QoS，解决了物理接口很难区分各VPN的问题。
• QoS部署和监管。广域网络规模大、业务种类多，QoS方案的部署以及实施效果监管都将比较复杂。因此，通过管理平台，结合网络拓扑中设备资源对QoS进行统一部署和监管将会极大方便部署，同时进行及时有效监管。如H3C的iMC网络管理平台的QoS管理组件，提供QoS方案的准实时流量和质量监管，可以简化QoS部署过程。

1.2 广域网QoS设计准备

 

http://www.h3c.com.cn/res/201006/21/20100621_998857_image002_679122_30008_0.png图2 QoS部署典型架构

行政业务的带宽需求

客户网络的行政需求会因行业、规模、地域、部门构成等因素有很大差异，其广域组网技术也包括纯IP技术和MPLS VPN，组网形式也多种多样，因此作为广域网带宽分配和业务质量保障的QoS方案要因势而成。针对不同网络架构和技术的广域网，均有相应的QoS设计特点，后文将详细论述。

媒体业务的业务需求

度量参数	高清	实时视频	监控点播	监控存储	语音	园区网分配	广域网分配
时延	150ms	150ms	1000ms	500ms	150ms	20%	80%
抖动	10ms	10ms	100ms	30ms	30ms	50%	50%
丢包	0.05%	0.10%	0.10%	3%	1%	50%	50%
净荷带宽	3～16M	128K～4M	128K～8M	128K～8M	8K、64K	——	——
实占带宽	4.2～22M	250K～10M	250K～11M	250K～11M	24K、80K	——	——

表1 媒体业务对网络质量的要求

业务和网络评估：

•    媒体业务：确定客户网络中服务质量要求最高的媒体业务和相应带宽、时延、抖动和丢包要求，整体初步评估网络的可满足性。

•    网络瓶颈：根据媒体业务和容量要求，确定网络关键拥塞点。

•    准入控制：对网络拥塞点的媒体业务量进行呼叫准入控制，防止媒体业务自身拥塞。

链路和设备评估：

•    链路评估：对于低速链路如DSL/E1/Serial，不建议视频和数据业务混合转发，或者要求视频业务等优先级业务实占带宽不能超过总带宽的1/3。对于低速接口捆绑链路，不建议进行视频业务转发，尤其对高码率视频。

•    设备评估：需要重点评估QoS性能和接口Buffer，在后面会有详细介绍。

QoS功能选择：

•    业务识别：业务识别的原则是越早越好，以减轻网络设备业务识别负担。最好媒体终端自行标记业务，通常建议在园区网进行业务识别，广域网只需进行优先级映射并进行队列调度即可。但更为有效的策略是，在广域网的接入路由器或需要首次做QoS策略的设备上进行业务识别，从而方便本跳和后续设备根据优先级进行业务识别。

•    流量监管：对网络瓶颈点上游入端口进行流量限速，防止非优先级业务冲击导致的网络设备性能下降。

•    拥塞避免：根据队列内业务分类和权重进行拥塞时的丢包处理。

•    队列调度：根据业务种类和各自带宽需求进行出口带宽评估，确定业务带宽比例和优先级差别。

•    流量整形：针对视频类业务一般不推荐。对视频业务，权衡自身时延、突发流量情况和下游设备缓冲能力后，可以进行整形。

 

2. 业务的分类标准和识别

2.1 广域网业务的分类标准

按照广域网流量的行政属性划分，如基于客户的地域分布、网络结构和部门构成等行政特点进行划分，一般基于设备、端口、源和目的IP进行区分，进而实施不同的QoS带宽策略。基于行政属性划分的业务流量一般不会有优先级保证要求，而主要关注各行政单位的带宽分配。

按照流量的业务属性划分，根据RFC4594标准分类，主要分为以下几类，如表2所示：

 

http://www.h3c.com.cn/res/201006/21/20100621_998858_image003_679122_30008_0.png表2 RFC4594业务分类标准

RC4594不仅根据业务性质和对服务质量要求的差异，对业务进行了分类，并且为了提高业务识别效率，对不同类别的业务进行了标准的分类标记。QoS设计原则上要求在最接近数据源端的设备上识别数据流并根据统一的业务模型进行标记，之后的各个节点信任数据流的标记并根据标记进行QoS策略处理，保证业务的服务质量。但对于实际组网情况，一般是采取就近（网络拥塞接口前最近的设备或端口）和有能力准确区分业务相结合的原则决定在哪里进行首次业务分类和标记，这样就避免了该拥塞节点前那些设备不必要的分类和标记操作，同时保证了对于拥塞接口的流量分类的完整性和针对性。也有时候会考虑核心设备的业务分类带来的性能压力，而把业务分类放在前面一跳的设备上进行。

根据承载链路是采用二层以太、三层IP还是MPLS链路，可以分别采用CoS、DSCP、EXP进行业务标记。由于端到端链路上有可能承载方式发生变更，比如从IP承载改为了MPLS转发，那么此时就需要在承载层发生变更的设备上使能优先级信任和映射功能，也就是说标记体系之间必须有一个完整的映射关系。这样才能避免业务多次反复识别，同时保证了端到端业务服务等级的一致性。如表3所示。

 

http://www.h3c.com.cn/res/201006/21/20100621_998859_image004_679122_30008_0.png表3 业务优先级映射关系

2.2 广域网接入业务识别

多媒体业务的识别

广域网中语音、视频等多媒体业务的发展非常迅速，同时语音、视频等业务对于服务质量要求很高，所以对于语音、视频等多媒体业务的识别是目前广域网QoS部署的重点。

常见多媒体业务的识别方式可根据端口范围确定，也可根据广域网事先分配的IP地址区分（一般推荐在做IP地址规划时，为语音、视频业务专门划分，从而简化后续做QoS策略时对业务的识别）。如表4所示为H3C常用媒体业务端口特征：

 

http://www.h3c.com.cn/res/201006/21/20100621_998860_image005_679122_30008_0.png表4 多媒体业务识别

控制管理业务的识别

 

http://www.h3c.com.cn/res/201006/21/20100621_998861_image006_679122_30008_0.png表5 业界常见路由协议和网管报文特征

 

常见数据业务的识别

 

http://www.h3c.com.cn/res/201006/21/20100621_998862_image007_679122_30008_0.png表6 业界常见数据业务的报文特征

ACL业务识别管理

根据以上业务分类方式和常见业务端口特征，可通过广域网管理平台进行业务流定义，并可以将ACL配置保存为模板资源，供所有设备使用。

 

http://www.h3c.com.cn/res/201006/21/20100621_998863_image008_679122_30008_0.png图3 H3C iMC对QoS部署的步骤

3. 广域网QoS队列策略

3.1 QoS队列模型的选择

RFC4594从标准理论上对业务进行了完整划分，但实际应用中，往往不会针对每种业务分类指定调度队列，而是根据实际业务构成、端口速率和业务保证的精细度需要，将这些业务流引入到比业务分类更少的队列中做调度。

常见的业务队列构成有4类（1个优先级队列，2个带宽保证队列，1个尽力转发队列）、6类和8类队列模型，如表7所示。

 

http://www.h3c.com.cn/res/201006/21/20100621_998864_image009_679122_30008_0.png表7 业务分类和队列调度模型参考

• 4类队列模型较为简单，主要应用在广域网低速链路或是企业网接入层；
• 6类队列模型较为复杂，主要应用于广域网中高速链路或是企业网汇聚层/核心层；
• 8类队列模型最全面，主要应用于广域网高速链路或是企业网核心层；

在实际部署中，要根据业务的分类精细化要求，同时参考以上标准的队列模型。对于大型广域网，一般建议至少采用4类队列模型，以保证语音视频类优先级业务、路由管理类协议、重要数据业务和尽力转发业务的整体QoS效果。如果还要同时考虑部门的业务总体流量控制，则可能需要采用分层QoS队列调度机制。

 

3.2 QoS队列参数的设计

在广域网的QoS队列设计中，除了保证语音视频等实时性较强业务的优先转发外，最为关注的是各个队列的带宽分配。带宽分配主要根据客户对业务的实际带宽需求制定，但为了达到最佳的QoS部署效果，建议遵循两个带宽分配原则和一个视频突发流量参数设计经验。

QoS带宽分配原则：

基于队列带宽需求进行分配。为达到整体业务最佳QoS效果，推荐遵循以下原则：

• PQ<1/3总带宽原则：语音、视频等采用PQ/LLQ队列保证其优先转发的同时，却增加了数据业务的排队时延，甚至丢包。PQ所占带宽比例越大，PQ业务瞬间突发对数据业务的冲击就越大。H3C根据大量实践以及实验室数据得出：PQ带宽设计少于总带宽的1/3是保证业务总体质量达到最佳的基本要求。

 

http://www.h3c.com.cn/res/201006/21/20100621_998865_image010_679122_30008_0.png表8 优先级队列流量突发时对数据业务（FTP）的影响

• DF>1/4总带宽原则：Default Forwarding默认转发队列，就像一个公共通道，为优先级标记为0的尽力转发业务和优先级业务超出指定带宽的额外流量转发使用，预留充足的带宽能够为其他业务和应对优先级业务流量突发提供很好的保障。所以，一般推荐DF带宽不低于总带宽的1/4。
• 视频业务队列Burst设计：由于视频业务流自身存在I、P、B帧构成情况，导致其流量自身存在突发情况，由于I帧流量较大，其产生的突发瞬间速率可达到视频平均带宽的10倍以上，因此在视频业务队列进行参数设计时，需要考虑其CBS（承诺突发尺寸）设计满足视频自身突发的需求，保证瞬间报文不会丢失。针对25fps（每秒25帧）的PAL制式的视频帧构成，以常见的1个I帧+24个P帧的具体构成情况，当视频带宽设定为4M时，需要保证CBS不小于一个I帧的大小（约为64KB）；以此类推，当视频带宽设计为8M时，建议CBS设计不小于128KB。

 

3.3 QoS队列部署和监管

完成了对各类业务的队列模型选择和参数设计后，可以通过管理平台进行QoS部署和监管设定。QoS部署和监管一般包括业务分类、QoS策略部署、设备接口各类业务流量性能监管、以及指定端到端的业务SLA质量监管。

结合ACL流分类或者业务优先级，进行向导式部署，包括业务识别、流量监管、拥塞避免、队列调度和流量整形。以H3C iMC智能管理中心为例，在iMC QoS Manager完成了队列策略部署后，可以通过其自带的SLA功能对服务质量进行监测，甚至可以选择iMC NTA网络流量分析组件对不同QoS队列的流量进行监测，提供QoS策略优化参考。

借助NTA管理组件的流量监管功能，对广域网设备的流量基于业务优先级标记，或者ACL所设定的IP特征进行统计，可以实现QoS策略部署效果的监管。

• NTA与广域网络设备的NetStream流统计技术配合，可实现广域准实时流量监管。
• NTA可自动生成流量/应用/节点/会话四大类数十种预制报表，也可自定义报表。

通过iMC QoS Manager提供的SLA功能设置检测流量的业务优先级标记，或者ACL所设定的IP特征进行统计，可以实现QoS策略质量效果的监管。

• SLA质量监管：SLA监管与网络设备NQA质量分析技术配合，可实现广域网业务质量监管。
• SLA质量报表：SLA提供设备管理、服务等级定义、服务类型定义、实例管理、审计管理和报表管理等功能。

结束语

以上提供了一种QoS设计参考思路，但是针对具体的广域网项目，由于需求差异较大，还需要进行细致的QoS设计。另外需要说明的是，对于多数基本的QoS设计，完全可以选择通用的QoS技术（比如我们推荐采用CBQ队列调度技术进行端口的各种业务流量调度，这种队列技术融合了PQ和CQ的设计逻辑，同时提供了默认转发队列的WFQ转发设计，因此是一种比较全面的队列调度技术），而不必被各种各样的QoS技术选择所困惑。精细的QoS设计则需要了解更多的报文转发和队列调度的过程和细节。