QoS（Quality of Service，服務質量）指一個網絡能夠利用各種基礎技術，為指定的網絡通信提供更好的服務能力，是網絡的一種安全機制，是用來解決網絡延遲和阻塞等問題的一種技術。QoS的保證對于容量有限的網絡來說是十分重要的，特別是對于流多媒體應用，例如VoIP和IPTV等，因為這些應用常常需要固定的傳輸率，對延時也比較敏感。

本文火傘云將帶大家探討QoS的誕生背景，QoS的相關技術和關鍵指標，QoS的重要之處在哪，QoS的應用場景等。

一、QoS誕生的背景？

在因特網創建初期，沒有人意識到QoS應用的重要。因此，整個因特網運作如一個“竭盡全力”的系統。每段信息都有4個“服務類別”位和3個“優先級”位，但是他們完全沒有派上用場。依發送和接收者看來，數據包從起點到終點的傳輸過程中會發生許多事情，并產生如下有問題的結果：

1、丟失數據包。當數據包到達一個緩沖器（buffer）已滿的路由器時，則代表此次的發送失敗，路由器會依網絡的狀況決定要丟棄、不丟棄一部份或者是所有的數據包，而且這不可能在預先就知道，接收端的應用程序在這時必須請求重新傳送，而這同時可能造成總體傳輸嚴重的延遲。

2、延遲。需要很長時間才能將數據包傳送到終點，因為它會被漫長的隊列遲滯，或需要運用間接路由以避免阻塞；雖然也許能找到快速、直接的路由，但總而言之是否會導致延遲非常難以預料。

3、傳輸順序混亂。當一群相關的數據包被路由經過因特網時，不同的數據包可能選擇不同的路由器，這會導致每個數據包有不同的延遲時間。最后數據包到達目的地的順序會和數據包從發送端發送出去的順序不一致，這個問題必須要有特殊額外的協議負責刷新失序的數據包。

4、出錯。有些時候，數據包在被運送的途中會發生跑錯路徑、被合并甚至是毀壞的情況，這時接收端必須要能偵測出這些情況，并將它們統統判別為已遺失的數據包，再請求發送端再送一份同樣的數據包。

5、吞吐量。在特定時段內可以實現的請求數量，這個指標同樣也受到負載能力和延時性的限制。

當網絡發生擁塞的時候，所有的數據流都有可能被丟棄；為滿足用戶對不同應用不同服務質量的要求，就需要網絡能根據用戶的要求分配和調度資源，對不同的數據流提供不同的服務質量：對實時性強且重要的數據報文優先處理；對于實時性不強的普通數據報文，提供較低的處理優先級，網絡擁塞時甚至丟棄。

QoS就是為解決這個問題應運而生，支持QoS功能的設備，能夠提供傳輸品質服務；針對某種類別的數據流，可以為它賦予某個級別的傳輸優先級，來標識它的相對重要性，并使用設備所提供的各種優先級轉發策略、擁塞避免等機制為這些數據流提供特殊的傳輸服務。配置了QoS的網絡環境，增加了網絡性能的可預知性，并能夠有效地分配網絡帶寬，更加合理地利用網絡資源。

在特定的環境下合理地使用這些技術，可以有效地提高服務質量。通常QoS提供以下三種服務模型：Best-Effort service（盡力而為服務模型），Integrated service（綜合服務模型，簡稱Int-Serv），Differentiated service（區分服務模型，簡稱Diff-Serv）。

①Best-Effort服務模型。其是一個單一的服務模型，也是最簡單的服務模型。對Best-Effort服務模型，網絡盡最大的可能性來發送報文。但對延時、可靠性等性能不提供任何保證。Best-Effort服務模型是網絡的缺省服務模型，通過FIFO（first in first out 先入先出）隊列來實現。它適用于絕大多數網絡應用，如FTP、E-Mail等。

②Int-Serv服務模型。Int-Serv是一個綜合服務模型，它可以滿足多種QoS需求。該模型使用資源預留協議（RSVP），RSVP運行在從源端到目的端的每個設備上，可以監視每個流，以防止其消耗資源過多。這種體系能夠明確區分并保證每一個業務流的服務質量，為網絡提供最細粒度化的服務質量區分。但是，Inter-Serv模型對設備的要求很高，當網絡中的數據流數量很大時，設備的存儲和處理能力會遇到很大的壓力。Inter-Serv模型可擴展性很差，難以在Internet核心網絡實施。

③Diff-Serv服務模型。它是一個多服務模型，它可以滿足不同的QoS需求。與Int-Serv不同，它不需要通知網絡為每個業務預留資源。區分服務實現簡單，擴展性較好。

二、QoS的相關技術

鏈路層QoS技術主要針對ATM（Asynchronous Transfer Mode，異步傳輸模式）、幀中繼、令牌環等鏈路層協議支持QoS。作為一種面向連接的技術，ATM提供對QoS最強有力的支持，而且可以基于每個連接提供特定的QoS保證。幀中繼網絡確保連接的CIR（Committed Information Rate，承諾信息速率）最小，即在網絡擁塞時，傳輸速度不能小于這個值。令牌環和更新的IEEE802.1p標準具有區分服務的機制。

1、鏈路效率機制

鏈路效率機制用于改善鏈路的性能，間接提高網絡的QoS，如降低鏈路發包的時延（針對特定業務）、調整有效帶寬。鏈路效率機制有很多種，下面介紹兩種比較典型的鏈路效率機制及其基本原理。

①鏈路分片與交叉（Link Fragment & Interleave，LFI）對于低速鏈路，即使為語音等實時業務報文配置了高優先級隊列（如RTP優先隊列或LLQ），也不能夠保證其時延與抖動，原因在于接口在發送其他數據報文的瞬間，語音業務報文只能等待，而對于低速接口發送較大的數據報文要花費相當的時間。采用LFI以后，數據報文（非RTP實時隊列和LLQ中的報文）在發送前被分片、逐一發送，而此時如果有語音報文到達則被優先發送，從而保證了語音等實時業務的時延與抖動。LFI主要用于低速鏈路。

②RTP報文頭壓縮（RTP Header Compression，cRTP）cRTP主要在低速鏈路上使用，可將40字節的IP/UDP/RTP頭壓縮到2~4個字節（不使用校驗和可到2字節），提高鏈路的利用率。cRTP主要得益于同一會話的語音分組頭和語音分組頭之間的差別往往是不變的，因此只需傳遞增量。RTP協議用于在IP網絡上承載語音、視頻等實時多媒體業務。RTP報文包括數據部分和頭部分，RTP的數據部分相對小，而RTP的報頭部分較大。12字節的RTP頭，加上20字節的IP頭和8字節的UDP頭，就是40字節的IP/UDP/RTP頭。而RTP典型的負載是20字節到160字節。為了避免不必要的帶寬消耗，可以使用cRTP特性對報文頭進行壓縮。cRTP可以將IP/UDP/RTP頭從40字節壓縮到2～5字節，對于40字節的負載，頭壓縮到5字節，壓縮比為（40+40）/（40+5），約為1.78，可見效果是相當可觀的，可以有效的減少鏈路，尤其是低速鏈路帶寬的消耗。

2、ATM QoS

ATM是一種大小固定的信元交換和多路復用技術，它是面向連接的，任何用戶數據在兩個或更多ATM連接設備之間傳輸之前，都必須建立虛電路（VC，Virtual Circuit）。ATM有兩種主要的連接方式（或VC）：永久虛電路（PVC，Permanent Virtual Circuit）和交換虛電路（SVC，Switched Virtual Circuit）。PVC通常是靜態的，需要手工或外部配置來建立；而SVC是動態，根據需要創建。它們的創建需要在ATM端點和ATM交換機之間運行信令協議。

ATM通過使ATM端系統顯示流量合同來提供QoS保證，流量合同描述了希望的通信流指標。流描述符包括QoS參數，例如峰值信元速率（PCR，Peak Cell Rate）、持續信元速率（SCR，Sustained Cell Rate）以及突發量。

ATM端系統負責確保傳輸的流量符合QoS合同。ATM端系統通過緩沖數據來對流量進行整形，并按約定的QoS參數傳輸通信。ATM交換機控制每個用戶的通信指標，并將其與QoS合同進行比較。對于超過了QoS合同的通信，交換機可以設置不順從通信的CLP位。在網絡擁塞時，CLP位被設置的信元被丟棄的可能性更大。

3、FR QoS

FR（Frame Relay，幀中繼）是一種流行的適用于數據通信的廣域網（WAN）分組技術。它是一種較簡單的協議，消除了X.25網絡中鏈路層流控和糾錯功能，這些功能被留給端點站的應用程序處理。這種協議最適合于數據通信，因為它可以傳送偶然的突發。

幀中繼使用VC（Virtual Circuit）運行，VC提供了幀中繼網絡上兩個端點之間的邏輯連接，網絡可以使用幀中繼VC代替私有的租用線。PVC是網絡操作員在網絡管理站創建的，而SVC是基于呼叫動態建立的。

幀中繼報頭中的3個位提供了幀中繼網絡中的擁塞控制機制，這3個位分別叫做向前顯式擁塞通知（FECN，Forward Explicit Congestion Notification）位、向后顯式擁塞通知（BECN，Backward Explicit Congestion Notification）位和丟棄合格（DE，Discard Eligible）位。可以通過交換機將FECN位置1來告知諸如路由器等目標數據終端設備（DTE，Data Terminal Equipment），在幀從源傳送到目的地的方向發生了擁塞。交換機將BECN位置1則告知目標路由器，在幀從源傳送到目的地的反方向上發生了擁塞。DE位由路由器或其他DTE設備設置，指出被標記的幀沒有傳輸的其他幀那么重要，它在幀中繼網絡中提供了一種基本的優先級機制，如果發生擁塞時，DE位被設置的幀將在DE位沒有被設置的幀之前被丟棄。

幀中繼流量整形（FRTS，Frame Relay Traffic Shaping）對從幀中繼VC輸出的通信進行整形，使之與配置速率一致，它將超出平均速率的分組放到緩沖區來使突發通信變得平滑。根據配置的排隊機制，當有足夠的可用資源時，這些緩沖的分組出隊并等候被傳輸。排隊算法是基于單個VC配置的，它只能針對接口的出站通信進行設置。FRTS可對每個VC的流量進行整形，將其峰值速率整形為承諾信息速率（CIR，Committed Information Rate）或其他定義的值，如超額信息速率（EIR，Excess Information Rate）。自適應模式的FRTS還能夠根據收到的網絡BECN擁塞指示符降低幀中繼VC的輸出量，將PVC的輸出流量整形為與網絡的可用帶寬一致。

4、MPLS QoS

于MPLS標簽交換路由器（LSR）在標簽交換的轉發過程中并不檢查IP頭，所以MPLS標簽交換路由器利用MPLS標簽中的EXP比特來配置QoS策略。因此，在MPLS網絡中可以利用MPLS標簽中的EXP比特來設置MPLS報文的優先級別，從而實現區分服務。類似對IP報文實施的區分服務一樣，我們可以利用class-map命令將MPLS報文分成一個類或者多個類別，可以利用policy-map命令對已經分好的類進行QoS策略設置。最后利用service-policy命令將已經配置好的QoS策略應用于接口上。

MPLS QoS即在MPLS網絡上應用QoS。MPLS QoS并沒有定義專門的QoS結構。在實際的MPLS網絡中，MPLS QoS通常使用區分服務（Differentiated Services）結構（又稱分類服務），區分服務結構是為IP QoS而專門定義的。MPLS QoS結構就是在區分服務結構基礎上增加了MPLS對區分服務的支持。

區分服務的基本原理是：在網絡邊緣，根據業務的QoS要求將該業務映射到一定的業務類別中，如果是IP報文，可以通過6比特的區分服務代碼點字段（DSCP）來設置報文的優先級別，從而唯一地標記該類業務，然后，骨干網絡中的各節點根據該字段對各種業務采取預先設定的服務策略，保證相應的服務質量。與傳統的IP QoS的不同在于，MPLS QoS是以MPLS標簽中的EXP比特來設置MPLS報文的優先級別從而實現區分服務。

5、IP QoS

對于Ip QoS，QoS是由流量標記、擁塞管理、擁塞避免和流量整形構成，可以對IP報文實施WRR（帶權重的隊列輪轉），DRR，SP等調度方式，實施加權隨機早期檢測（WRED），流量監管，以及流量整形。在為MPLS報文實施QoS的時候可以根據EXP比特來使用相同的特性。

三、QoS的關鍵指標

QoS的關鍵指標主要包括：可用性、吞吐量、時延、時延變化(包括抖動和漂移)和丟失。

1、可用性。可用性是當用戶需要時網絡即能工作的時間百分比。可用性主要是設備可靠性和網絡存活性相結合的結果。對它起作用的還有一些其他因素，包括軟件穩定性以及網絡演進或升級時不中斷服務的能力。

2、吞吐量。吞吐量是在一定時間段內對網上流量(或帶寬)的度量。對IP網而言可以從幀中繼網借用一些概念。根據應用和服務類型，服務水平協議(SLA)可以規定承諾信息速率(CIR)、突發信息速率(BIR)和最大突發信號長度。承諾信息速率是應該予以嚴格保證的，對突發信息速率可以有所限定，以在容納預定長度突發信號的同時容納從話音到視像以及一般數據的各種服務。一般講，吞吐量越大越好。

3、時延。時延指一項服務從網絡入口到出口的平均經過時間。許多服務，特別是話音和視像等實時服務都是高度不能容忍時延的。當時延超過200-250毫秒時，交互式會話是非常麻煩的。為了提供高質量話音和會議電視，網絡設備必須能保證低的時延。產生時延的因素很多，包括分組時延、排隊時延、交換時延和傳播時延。傳播時延是信息通過銅線、光纖或無線鏈路所需的時間，它是光速的函數。在任何系統中，包括同步數字系列(SDH)、異步傳輸模式（ATM）和彈性分組環路(RPR)，傳播時延總是存在的。

4、時延變化。時延變化是指同一業務流中不同分組所呈現的時延不同。高頻率的時延變化稱作抖動，而低頻率的時延變化稱作漂移。抖動主要是由于業務流中相繼分組的排隊等候時間不同引起的，是對服務質量影響最大的一個問題。某些業務類型，特別是話音和視像等實時業務是極不容忍抖動的。分組到達時間的差異將在話音或視像中造成斷續。所有傳送系統都有抖動，只要抖動落在規定容差之內就不會影響服務質量。利用緩存可以克服過量的抖動，但這將增加時延，造成其他問題。漂移是任何同步傳輸系統都有的一個問題。在SDH系統中是通過嚴格的全網分級定時來克服漂移的。在異步系統中，漂移一般不是問題。漂移會造成基群失幀，使服務質量的要求不能滿足。

5、丟包。不管是比特丟失還是分組丟失，對分組數據業務的影響比對實時業務的影響都大。在通話期間，丟失一個比特或一個分組的信息往往用戶注意不到。在視像廣播期間，這在屏幕上可能造成瞬間的波形干擾，然后視像很快恢復如初。即便是用傳輸控制協議(TCP)傳送數據也能處理丟失，因為傳輸控制協議允許丟失的信息重發。事實上，一種叫做隨機早丟(RED)的擁塞控制機制在故意丟失分組，其目的是在流量達到設定門限時抑制TCP傳輸速率，減少擁塞，同時還使TCP流失去同步，以防止因速率窗口的閉合引起吞吐量擺動。但分組丟失多了，會影響傳輸質量。所以，要保持統計數字，當超過預定門限時就向網絡管理人員告警。

四、QoS的重要性

QoS在確保網絡服務的最佳性能、可靠性和安全性方面發揮著關鍵作用。它可以較好的解決以下相關問題：

1、減少延時：QoS有助于減少網絡設備之間數據傳輸的延遲。通過對關鍵流量進行優先排序和分配足夠的帶寬，QoS確保時間敏感的應用，如VoIP電話或實時視頻流確保最小的延遲，這促進了響應速度和用戶體驗。

2、減少抖動：為了確保實時應用中一致的音頻和視頻質量，減少抖動很重要——抖動是指數據包延遲的變化。為了幫助實現這一目標，服務質量可以通過為時間敏感的數據提供一致和可預測的傳輸速率來管理和減少抖動。這些遲來的和可能不符合順序的數據包在終端用戶看來是閃爍的顯示器、音頻和視頻的空白等，而QoS最大限度地減少了抖動的發生。

3、預防數據包丟失：當網絡中存在大量流量或資源有限時，可能會發生丟包。這可能對通信質量產生負面影響，并破壞數據的傳輸。QoS機制對重要的數據包進行優先處理，并分配足夠的資源以減少數據包丟失。 通過管理網絡擁堵和確保可靠交付，QoS有助于保持數據傳輸的完整性。

4、安全性提高：實施流量整形和帶寬分配等QoS措施可以提高網絡安全，QoS對關鍵流量進行優先排序，確保重要的應用程序有足夠的資源，并保護它們免受潛在的網絡攻擊。此外QoS可以通過阻止或節制惡意流量來緩解DDoS攻擊。

5、提高帶寬：帶寬指在一定時間內可以通過網絡通信系統傳輸的數據量，這通常是以兆字節/秒（Mbps）為單位，不能與傳輸速度相混淆，服務質量旨在通過對需要更快的交付時間的數據包進行優先排序和資源分配來提高帶寬。

6、擁堵管理：有時由于連接速度不穩定，數據流量承載了太多的負荷而導致無法處理。為了解決這個問題，路由器使用QoS將數據包分成不同的隊列，特定服務隊列對某些數據包進行優先處理，而不是將所有數據包存儲在一個隊列中并按順序發送出去。

7、流量整形：流量整形是一種技術，用于保持網絡流量的一致性并防止擁堵，它涉及控制數據包的傳輸速率，可用于將特定類型的流量優先于其他流量，以確保服務質量。

8、確定優先次序：QoS是根據重要性或特定需求給予網絡流量不同優先級的方法，有了QoS，重要的和時間敏感的數據被賦予優先權，以確保像視頻流這樣的應用得到它們所需的資源，而不會受到不太重要的流量的負面影響。

五、QoS的主要應用場景？

QoS是網絡與用戶之間以及網絡上互相通信的用戶之間關于信息傳輸與共享的質的約定，例如，傳輸延遲允許時間、最小傳輸畫面失真度以及聲像同步等,是用來解決網絡延遲和阻塞等問題的一種技術。路由器一般均支持QoS。在正常情況下，如果網絡只用于特定的無時間限制的應用系統，并不需要QoS，比如 Web應用，或E-mail設置等。數據包對延遲的敏感度比語音或視頻包低，舉例來說：一個網站晚一秒鐘打開不會特別影響到大家，但視頻會議、電話會議、網絡研討會、會議和音樂廣播中的一秒鐘中斷可能都會讓大家體驗非常糟糕。所以對關鍵應用和多媒體應用就十分必要。當網絡過載或擁塞時，QoS 能確保重要業務量不受延遲或丟棄，同時保證網絡的高效運行。各類音視頻傳輸應用場景，比如IP語音（VoIP）、視頻會議和視頻點播、專線服務、文件傳遞、存儲轉發、交互式視頻和廣播視頻等相關領域，對延遲很敏感，是高帶寬、實時流量的例子，因而QoS對它們至關重要。比如要經常使用文件傳輸服務和視頻會議的應用程序，如騰訊會議、釘釘及ZOOM等產品來進行視頻會議就都需要用到QoS。

審核編輯 黃宇