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综合服务

Integrated Services


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Introduction （ 1 ）

• Internet 应用日益扩大，新的需求不断提出：• 大容量 client/server 应用• 实时和非实时多媒体应用• Web: 图像

这些应用对时延、吞吐量的变化以及分组的丢失都是敏感的 , 都需要大容量的通信量

• 基于 IP 的 Internet 原来设计目标已经无法满足这些应用：– 对时延不敏感，– 容许吞吐量的变化和分组的丢失– 只提供尽力而为的服务


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• 基于 IP 的 Internet 的关键设计要求是 :

– 控制拥塞：拥塞使得网络无法以一种有效和及时的方式满足其通信量的需求。

– 提供低时延：当网络未出现拥塞时，时延是最小的。但是对有些应用，网络的利用率就必须相对高一些。这表示至少有某种程度的拥塞，因而有一些额外的时延。

– 提供高吞吐量：使网络专门化可以提高吞吐量。但要有效地使用网络就要使用统计复用，这在某种程度上与提供高吞吐量有矛盾

– 支持 QoS ：对不同的通信流量提供不同级别的 QoS ，需要在分组或信元通过网络时进行智能处理

– 提供公平服务：给所有相互竞争的、具有同样 QoS 的通信流量提供大致等量的容量


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• 满足新的应用需求和 Internet 设计目标，仅增加网络的容量是不够的，还需要有灵敏而有效的管理通信量和控制拥塞的方法

• IETF 提出了两种不同的，功能相互补充的通信量管理框架：– 综合服务 Integrated Services: 对于加载在一个域上的一组业务提供一种综合的服务。（ 1 ）将被满足的需求限制在当前网络容量可以处理的范围内（ 2 ）在该域内预留资源以便为被满足的需求的特定部分提供一定的

QoS– 区分服务 Differentiated Services ：不试图从宏观上检控总的通信量，也不事先预留网络容量。是对通信量

分为组，所得到的服务取决于属于哪个组，不同的组可以有不同的处理方法。


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Integrated Services Architecture

• 当前基于 IP 的 Internet 能够为应用提供尽力而为的服务• IPv4 的首部有指明服务类型的字段，但是路由器在进行路由选

择和处理分组时一般都忽略了。• 用来同时支持 TCP 、 UDP 通信量和实时通信量的唯一网络是

ATM

– 可能需要一些新的安装• 因此，需要在 TCP/IP 中能够支持具有不同 QoS 需要的各种通

信量– 在 routers 增加新的功能– 增加请求基于 QoS 服务的手段


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• 弹性 Traffic– 在网络上的时延和吞吐量的变化可以在很大范围内进行调整的通信

量– 基于 TCP/UDP 作为运输协议产生这样的通信量

• UDP ：网络提供多大的速率应用就使用多大的速率，上限为应用产生数据的速率• TCP ：网络提供多大的速率应用就使用多大的速率，上限为端到端接收方能接受

数据的最大速率，以及网络拥塞的影响。– TCP/UDP 上常用的应用都属于这样的通信量

• E-Mail – 对时延变化不敏感• FTP – 对吞吐量变化敏感• SNMP – 时延不是严重问题，除非是拥塞引起。这时希望 SNMP报文很快通过网

络• Web (HTTP), TELNET – 对时延敏感

– QoS perceived based on application• 对于非常小的元素，在总耗费中，跨越 Internet 的时延是最主要的成份• 对于较大的元素，总耗费时间由 TCP滑动窗性能决定，因此由 TCP连接的吞吐

量决定的。

Internet 上的通信量（ 1 ）


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• 非弹性 Traffic

– 不容易适应网络的时延和吞吐量的变化：如一些实时应用– 有如下一些要求：

• Throughput ：最小吞吐量可能是需要的。• 时延：例如股票交易• Jitter ：大的抖动，接收端就需要有大的缓存。• packet loss

– 在具有可变排队时延和拥塞丢失的环境中，上述需求是很难满足的。提出两个新的需求：

1. 对要求较高的应用提供优先处理：预先在某种服务请求中陈述，或在 IP 首部的某些字段说明2. 必须支持弹性 traffic ：非弹性 traffic 在面临拥塞时一般不退避也不减少需求，这样出现拥塞时，非弹性

traffic会继续供应负荷，而弹性 traffic 就有可能被挤出。

Internet 上的通信量（ 2 ）


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ISA 的处理方法（ 1 ）

• ISA 的目的是在基于 IP 的互联网上能够提供 QoS 的支持。• ISA 的主要设计问题是在发生拥塞时如何共享可用的资源• 目前基于 IP 的网络，路由器在控制拥塞和提供服务方面主要

两个机制：– 路由选择算法

• 选择具有最小时延的路由– 路由器发生溢出时分组丢弃

• 将发送丢弃分组的 TCP 实体退避并减少负荷。


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ISA 的处理方法（ 2 ）ISA 是一个总的体系结构，对尽力而为机制进行了增强。• 每一个分组和一个“流（ flow ）”相关联

– 由单个用户活动产生的 IP 分组构成的可区分的 stream ，它们要求相同的 QoS ( RFC 1633)

– 流和 TCP连接的不同：1. 流是单向的，并且可以有多于一个的接收者（多播）2. 基于源和目的 IP 地址、端口号和协议类型来区分一个 IP 分组是否属于

同一个流• 什么是 ISA?

– 对 Internet 上的服务进行区分– 主要考虑单独分组流– 每个流需要说明需要服务等级– 服务等级定量化为最小的服务速率，或者最大可容忍的端到端时延或丢失率– 基于当前可用的网络资源，网络可以接受或拒绝流的请求。


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ISA 的处理方法（ 3 ）

• ISA 使用以下功能来管理拥塞和提供 QoS 运输：– 容许控制：对 QoS 运输， ISA 要求对一个新的流要进行

预留。如果没有资源来保证所请求的 QoS ，则该流就不允许进入网络。

– 路由选择算法：可以基于许多不同的 QoS参数来决定路由

– 排队规则：考虑不同的流不同的 QoS 需求的排队规则。如果有需要分组在同一个输出端口排队，该规则决定接下来将发送哪个分组。

– 分组丢弃策略：在管理拥塞和满足 QoS 时，如何丢弃分组。


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ISA 在 Router 中的实现

RSVP

背景功能：用来产生转发功能所使用的一些数据结构

路由器基本转发功能

决定对流在所请求的QoS 上是否有足够的资源可用

为一个新的流在给定的 QoS上预留资源

•将入分组映射为类•确定下一跳•类的选择基于 IP 首部中的字段

•为每一个输出端口管理一个或多个队列•决定分组发送的顺序，以及丢弃哪些分组

能修改通信量控制数据库，并能监督准许控制模块以便设置准许控制策略

负责维护路由选择数据库，它对每一个目的地址和每一个流都给出应到达的下一跳


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ISA: 三类服务（ 1 ）

• 一个分组流的 ISA 服务是在两个级别上定义的：1. 通用服务类：提供一些通用的服务种类，其中每个服务都

提供了有服务保证的通用类型2. 类中特殊的流：在每一个类中，用通信量规约（ TSpec ）

对每个流的服务进行说明

TSpec 是服务合约的一部分


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ISA: 三类服务（ 2 ）• 目前已经了三个种类的服务保证的服务

– 确定的容量 (data rate)– 对通过网络的时延指定一个上限– 没有排队丢失 (即没有 buffer溢出，但可以由于网络出现故障或改变了路由选择的路径而丢失 )

受控负荷– 相当于无负荷情况下尽力而为的服务行为– 没有指定上限，但大部分分组时延不会超过最小时延太多– 几乎没有排队丢失，大部分分组会成功交付

尽力而为（缺省）


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排队规则

• 排队规则是 ISA 实现中的一个重要构件。• 传统的路由器都是在每一个输出端口使用 FIFO 的排队规则• 针对 QoS 需求，单 FIFO队列有很多的不足：

– 对高优先级或时延比较敏感的分组没有特殊的对待– 短的分组会被队列中前面的长分组阻挡

• 短分组的平均时延增加• 长分组会得到比较好的服务

– 不同的连接对资源使用是不公平的• ISA允许每个端口有多个队列

– 每个队列对应一个流– 每个队列有单独的规则– 公平排队策略


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Queuing Disciplines

缺点 ?

短分组得到惩罚：对于具有较长平均分组长度的流，要比具有较短平均分组长度的流得到更多的容量

•不同的流采用轮流方式被服务•每次循环从有分组的流中发送一个分组•可以在不同的流之间进行负荷的平衡


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处理机共享方法

• 处理机共享 (PS)– 是一种理想的方法，是不能实现的– 思想是：每次循环每个队列只发送一个位– 每个忙的流得到完全一样的容量

• 对于 N 个队列，每个队列会得到可用容量的 1/N

– 单独考虑每个队列，计算每次传输“虚拟的”开始和结束时间

EXAMPLE QUEUE QUEUE QUEUE Packet 1 Packet 2 Packet 1 Packet 2 Packet 1

Real arrival time, i 0 2 1 2 3Transmission time, Pi 3 1 1 4 2Virtual start time, Si 0 3 1 2 3Virtual finish time, Fi 3 4 2 6 5


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位轮流公平排队

• 位轮流公平排队 Bit-Round Fair Queuing (BRFQ)– 实际当中，我们希望发送的是分组，而不是位。– BRFQ 效仿 PS轮流方法发送分组和多个同步队列– 计算虚拟开始时间 Si 和虚拟结束时间 Fi

– 当一个分组传送完成后，发送所有队列中具有最小 Fi值的分组– 算法基于传输数据的量，而不是基于传输的分组数量。– 随着时间的增大，在 BRFQ下每个流经受的吞吐量和平均时延，将

收敛于 PS下的结果


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PS vs. BRFQ Example

缺点？

对流没有优先级

不能将不同数量的容量提供给不同的流

要支持 QoS ，就要有区别地分配容量


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排队规则比较（ 1 ）

负荷等于容量


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排队规则比较（ 2 ）

负荷超过容量


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广义处理机共享 (GPS)

• BRFQ 不能为不同流提供不同的容量• 增强的方法称为：加权公平排队 (WFQ)

• 根据 PS, 对每个流分配权重，以决定有在每个循环中有多少位可以发送– 如果权重为 5 ，则每个循环可以发送 5位

• 给出了针对不同服务请求做出响应的方法。• 同时提供了一个保证，流的时延不会超过某种上限


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Queuing Discipline – Priority Queuing

Data Communications andNetworking, Forouzan, 2004


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Queuing Discipline – Weighted Fair Queuing

Data Communications andNetworking, Forouzan, 2004


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Weighted Fair Queue (WFQ)

保证的速率 =0 .5

保证的速率 =0 .05

Di Bi (Ki-1)Li K

i Lmax

Ri Ri m=1 Cm

流 i 的最大时延

Di = flow i 经受的最大时延Bi = flow i 的令牌桶大小 Ri = flow i 的令牌速率Ki = 通过网络的 flow i 的路径上

结点数Li = flow i 的最大分组长度Lmax = 通过 flow i 的路径上所有结点

的所有流的最大分组长度Cm = 结点 m 的输出链路数


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调度和队列管理 (see RFC 2309)

• 调度：管理带宽的分配，确定下来发送哪个分组• 队列管理：如果需要，预先丢弃分组，管理分组队列的长度• 网络出现拥塞，路由器的缓存充满了，分组开始丢弃：

– 分组重传：又增加了网络的负荷– 可能出现全局同步：多个 TCP连接都受到影响，进入慢启动，网络

通信量急剧下降• 可能的解决方案：

– 增大缓存，减少分组丢弃的概率– 预测拥塞的开始，通知相关连接降低速率： RED 方法，


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随机早期检测 (RED)

• RED 的设计目标：预防性地丢弃分组– 预见拥塞，并提早采取避免措施： RED 设计是为了避免

拥塞，而不是对拥塞作出反应– 改进弹性业务的性能，而不惩罚突发通信量的业务– 在拥塞出现时，避免 “全局同步” 现象出现：路由器决定

哪个连接需要退避，这是通过丢弃分组来通知的– 将平均队列长度 (buffer 的大小 ) 控制在确定范围内：

RED 应当能够控制平均长度，因而能够控制平均时延


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Previous Work

• Drop Tail

• Random Drop

• Early Random Drop

• Source Quench messages

• DECbit scheme


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Drop Tail Router

• FIFO queueing mechanism that drops packets when the queue overflows.

• 引起同步的 TCP 退避和重启• 通信量的波动


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Random Drop Router

• When a packet arrives and the queue is full, randomly choose a packet from the queue to drop.


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Early Random Drop Router

• If the queue length exceeds a drop level, then the router drops each arriving packet with a fixed drop probability.

• Reduces global synchronization

• Does not control misbehaving users (UDP)

?

Drop level


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Source Quench messages

• Router sends source quench messages back to source before queue reaches capacity.

• Complex solution that gets router involved in end-to-end protocol.


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DECbit scheme

• Uses a congestion-indication bit in packet header to provide feedback about congestion.

• Average queue length is calculated for last (busy + idle) period plus current busy period.

• When average queue length exceeds one, set congestion-indicator bit in arriving packet’s header.

• If at least half of packets in source’s last window have the bit set, decrease the congestion window exponentially.


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RED Buffer Management

Avg: 平均队列长度

Pa ：丢弃分组的概率

Pb ：临时概率

Pmax ： Pb 的最大值

Count ：上一次丢弃分组后的分组数

F ：小于 avg 临界区在

整个临界区所占的比例

•Drop some packets when queue start to grow.•Start dropping packets with low probabilitywhen the average queue length avg reaches•minth.•The larger the avg, the more likely a packet isdropped.•All packets are dropped when avg >= maxth.


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RED Algorithm （ 1 ）

calculate the average queue size, avg

if avg < THmin

queue the packet

else if THmin avg < THmax

calculate probability Pa

with probability Pa

discard the packet

else with probability 1 – Pa

queue the packet

else if avg THmax

discard the packet


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RED Probability Function （ 2 ）

Fconst = THmax - THmin avg - THmin

Pa = 1/Pb - count

1

Pb = F x Pmax

network design and performance analysis

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