QoS技术在广电内网中的应用

【摘要】 QoS是一种提高和保障IP网络服务能力的网络技术，可以提高网络通信质量、保障关键应用。本文将详细介绍QoS技术原理及其在中央台内网中的应用。

【关键词】 QoS局域网 带宽 网络服务质量

一. QoS技术
QoS（Quality of Service）即“服务质量”，是一种IP网络的安全机制,是解决网络延迟、阻塞、抖动和丢包等问题的一项网络技术。

通常情况下，网络应用可以分为两种，即：时间不敏感应用和时间敏感应用。时间不敏感应用对时间没有特定限制，如WWW、文件传输、E-mail等，其对带宽、延迟等性能也不敏感。而对于时间敏感应用，如关键应用和多媒体应用等，对网络性能要求很高，QoS技术对这类应用具有十分重要的作用。当网络过载或拥塞时，QoS能确保重要业务的报文不被延迟或丢弃，同时还可以保证网络的高效运行。

传统的IP网络无区别地对待所有的报文，网络设备采取的是FIFO（First In First Out，先入先出）策略，其仅依照报文到达的先后顺序对报文依次进行转发，所有报文共享网络和设备的资源，报文得到资源的多少完全取决于其到达的时机。这种服务策略称作Best-Effort，即尽最大的努力将报文送到目的地，但对分组转发的延迟、抖动、丢包率和可靠性等需求不提供任何承诺和保证。这样的网络仅能满足时间不敏感应用的需求。

随着互联网的普及和新业务的不断涌现，如可视电话、VoIP、视频点播，用户对时间敏感应用的需求越来越大，对带宽、延迟、抖动等传输性能的要求越来越高。用户已不再满足于能够简单地将报文送达目的地，还希望在转发过程中得到更好的服务，如支持用户提供专用带宽、减少报文的丢失、避免网络拥塞、调控网络的流量和设置报文的优先级等。

二. QoS技术的基本原理
下图所示为典型的网络分组报文转发流程，我们发现要保证报文转发的QoS必须针对转发的整个流程进行控制，即二三层设备都要保证高优先级报文被优先转发。其一般原理就是根据IP报文的特定信息对报文进行标记，然后网络设备根据预定的规则对标记后的报文进行处理。QoS的处理过程一般分为三部分即：流分类，报文标记，QoS动作及拥塞解决。
1.流分类
流分类是指具有QoS能力的网络能够识别不同应用产生的不同数据包，所有应用都将在数据包上留下可以识别的标识。分类就是检查这些标识，识别数据包是由哪个应用产生的。以下是4种常见的分类方法：

(1)协议 有些协议非常“健谈”，只要它们存在就会导致业务延迟，因此根据协议对数据包进行识别和优先级处理可以降低延迟。这可以通过以太网数据包类型（EtherType）进行识别，譬如，AppleTalk协议采用0x809B，IPX使用0x8137。根据协议进行优先级处理是控制或阻止少数“健谈”协议的一种强有力方法。
(2)TCP和UDP端口号码 许多应用都采用特定的TCP或UDP端口进行通信，如 HTTP采用TCP端口80。通过检查IP数据包的端口号，就可以确定数据包是由哪类应用产生的。
(3)源IP地址 许多应用都是通过其源IP地址进行识别的。由于服务器是专门针对单一应用而配置的，如电子邮件服务器，所以分析数据包的源IP地址可以识别该数据包是由什么应用产生的。当识别交换机与应用服务器不直接相连，而且许多不同服务器的数据流都到达该交换机时，这种方法就非常有用。
(4)交换设备物理端口号 与源IP地址类似，物理端口号码可以指示哪个服务器正在发送数据。这种方法取决于交换机物理端口和应用服务器的映射关系。虽然这是最简单的分类形式，但是它依赖于直接与该交换机连接的服务器。

2.报文标记
在识别数据包之后，要对它进行标注，这样其他网络设备才能方便地识别这种数据。由于分类可能非常复杂，因此最好只进行一次。识别应用之后就必须对其数据包进行标记处理，以便确保网络上的交换机或路由器可以对该应用进行优先级处理。通过采纳标注数据的两种行业标准，即IEEE 802.1p或差异化服务编码点(DSCP)，就可以确保多厂商网络设备能够对该业务进行优先级处理。
802.1p优先级位于二层报文头部，适用于不分析三层报头，而在二层环境下保证QoS的场合。它也被称为CoS优先级，由3个bit组成，取值范围为0～7。

3.QoS动作及拥塞解决
在局域网交换机中，多种业务队列允许数据包优先级存在。较高优先级的业务可以在不受较低优先级业务的影响下通过交换机，减少对诸如话音或视频等时间敏感业务的延迟事故。
为了支持优先级，交换机的每个端口必须至少提供2个队列，这些队列通常被称为本地优先级，交换机一般支持4个或8个本地优先级。当数据包到达交换机时，都要根据其报文内的802.1p优先级将其分配到适当的本地队列，然后该交换机再从每个本地队列中转发数据包。交换机通过管理其本地队列，即可完成对802.1p报文的转发，如图2所示。
以下是两种常见的本地队列调度方式：
(1)严格优先队列(SPQ) 这是一种最简单的排队方式，它首先为最高优先级的队列进行服务，直到该队列为空，然后为下一个次高优先级队列服务，依此类推。这种方法的优势是高优先级业务总是在低优先级业务之前处理。但是，低优先级业务有可能被高优先级业务完全阻塞。
(2)加权循环(WRR) 这种方法为所有业务队列服务，并且将优先权分配给较高优先级队列。在大多数情况下，相对低优先级，WRR将首先处理高优先级，但是当高优先级业务很多时，较低优先级的业务并没有被完全阻塞。

三. 现有播录网的结构及缺点
通过上图我们发现，局域网内部的所有机器对于带宽的占用处于同样的地位。但从实际机器数量上看，媒资网内的机器占用了部分带宽，这将不能保证各播出站、录制站的正常带宽。
基于以上分析，要保证播出站、录制站的带宽需求，我们可以通过两方面来解决。
(1)降低媒资网内计算机占用的带宽，即在满足办公需求的前提下，采用端口限速的方法降低网内计算机的带宽，做到媒[FS:Page]资网占用总带宽的可预测性。这样即使通过媒资网使用音视频点播、数据下载等占用大量带宽的应用，也不会对播出站、录制站的正常工作造成影响。

(2)提高播出站、录制站所收发报文的级别。这样即使发生网络拥塞，播出站、录制站的服务也能得到及时响应。

四. QoS技术对现有播录网改进的具体实现
这里以连接到Cisco3550的F0/1上的办公网PC为例，设置其端口速率最大为1M，具体配置如下：
Switch(config)#mls qos //在交换机上启动QOS
Switch(config)#access-list 10 permit 10.10.1.0 0.0.0.255 //控制pc上行流量
Switch(config)#access-list 100 permit any 10.10.1.0 0.0.0.255 //控制pc下行流量
Switch(config)# class-map user-up //定义PC上行类，并绑定访问列表10
Switch(config-cmap)# match access-group 10
Switch(config-cmap)# exit
Switch(config)# class-map user-down
Switch(config-cmap)# match access-group 100//定义PC下行类，并绑定访问列表100
Switch(config-cmap)# exit
Switch(config)# policy-map user-up //定义PC上行的速率为1M
Switch(config-pmap)# class user-up
Switch(config-pmap-c)# trust dscp
Switch(config-pmap-c)# police 1024000 1024000 exceed-action drop
Switch(config)# policy-map user-down定义PC下行的速率为1M
Switch(config-pmap)# class user-down
Switch(config-pmap-c)# trust dscp
Switch(config-pmap-c)# police 1024000 1024000 exceed-action drop
Switch(config-pmap-c)# exit
Switch(config)# interface f0/1
Switch(config-if)# service-policy input user-up
Switch(config-if)# service-policy input user-down

五. 总结
采用QoS技术可以对现有制作、播出局域网进行改造，大大提高了播出站、录制站的服务能力，降低网络通信成本，加强网络运营管理，保证了关键业务的传输质量。紧跟IP技术的发展步伐可以大大提高我台信息化程度，提高播出和制作的水平，使网络技术更好的服务于广播事业。B&P

参考文献：
1、W. Richard Stevens.《TCP/IP详解卷1：协议》,第一版. 机械工业出版社.2000.第33页
2、白建军/卢泽新,《 路由器原理与设计》.第一版.人民邮电出版社.2002.7.第57页
3、林闯/单志广/任丰原.《计算机网络的服务质量》第一版.清华大学初版社. 2004.4第28页