【TCP/IP】18. 因特网服务质量

18. 因特网服务质量

18.1 服务质量（QoS）

服务质量（QoS，Quality of Service）是网络传输数据流时需满足的一系列服务请求及实现机制，核心目标是提供端到端的服务质量控制或保证。

1. QoS 的衡量指标
   • 带宽：网络传输数据的速率（如 Mbps），确保业务有足够的传输能力；
   • 传输延迟：数据从源到目的地的时间（如毫秒），实时业务（如语音）对延迟敏感；
   • 延迟抖动：连续数据包到达时间的差异，抖动过大会导致音视频卡顿；
   • 可靠性：数据无丢失、无差错传输的能力；
   • 丢失率：传输过程中丢失的数据包比例；
   • 吞吐量：单位时间内成功传输的数据量。
2. 主要 IP QoS 技术
   • 1. 集成业务（IntServ）
     • 基本思想：在传输数据前，根据业务的 QoS 需求预留网络资源（带宽、缓存等），实现端到端的 QoS 保证。
     • 适用场景：非骨干网（如接入网），业务流数量较少的场景。
     • 优点：能提供严格的端到端 QoS；支持组播业务的资源分配和动态管理。
     • 缺点：扩展性差（基于 “每流” 管理，需保存大量状态信息）；依赖路径上所有路由器支持，难以在骨干网部署。
   • 2. 区分业务（DiffServ）
     • 基本思想：将用户数据流按 QoS 需求划分等级，网络仅承诺 “相对服务质量”（而非具体指标），通过 “汇聚（aggregate）” 和 “逐跳行为（PHB）” 实现 QoS。
       • 汇聚：将 QoS 需求相近的流视为一类，减少队列管理复杂度；
       • PHB：每跳路由器对相同等级的流采用一致的转发策略（如调度优先级）。
     • 适用场景：骨干网，业务流数量庞大的场景。
     • 优点：简化信令，状态信息少，扩展性好；实现简单，适合大规模网络。
     • 缺点：难以提供基于单流的端到端 QoS 保证。
   • 3. QoS 路由
     • 基本思想：基于多指标（带宽、时延、成本、可靠性等）选择路由，而非仅基于最短路径（如传统路由）。
     • 优点：能满足业务的 QoS 需求，提高资源利用率。
     • 缺点：路由计算复杂，增加网络开销；实用算法难以设计。
   • 4. 多协议标签交换（MPLS）
     • 基本思想：通过 “标签” 标识数据流，基于标签进行路径控制和带宽管理，实现流汇聚的 QoS 保障。
     • 特点：目前骨干网最常用的 QoS 机制，常与 DiffServ 结合（MPLS+DiffServ 是运营商首选方案）。
   • 技术结合：核心网用 DiffServ，接入网用 IntServ，MPLS 与 DiffServ 结合是主流趋势。

18.2 实时传输协议（RTP）

实时传输协议（RTP，Real-time Transport Protocol）是针对多媒体数据流（如音视频）的传输协议，核心功能是提供时间信息和流同步，定义于 RFC 1889。

1. 基本特性

   • 通常基于UDP传输（无连接，低延迟），也可运行在 TCP 或 ATM 上；
   • 不提供可靠传输、流量控制或拥塞控制，依赖RTCP（实时传输控制协议）实现这些功能；
   • 适合组播和点播场景，支持实时数据（视频、音频、仿真数据）的传输。

2. RTP 首部格式（12 字节固定部分 + 可选扩展）

   字段	位数	含义
   V（版本）	2	RTP 版本（当前为 2，版本 1 用于早期草案）。
   P（填充）	1	置 1 时，首部后附加填充字节（最后一字节记录填充长度），用于加密对齐。
   X（扩展）	1	置 1 时，首部后附加变长扩展首部。
   CC（CSRC 计数）	4	固定首部后 “贡献源标识（CSRC）” 的数量（0-15）。
   M（标记）	1	标记数据流中的重要事件（如帧边界），具体含义由应用定义。
   PT（负荷类型）	7	标识媒体类型或编码格式（如音频 / 视频，具体解码器），接收端据此选择解码方式。
   顺序号	16	按发送顺序递增，用于接收端检测丢包和恢复顺序（初始值随机）。
   时戳	32	记录数据产生的时间（单位由应用定义，如采样周期），用于同步和计算抖动。
   SSRC（同步源标识）	32	唯一标识同步源（如一个麦克风），随机生成以避免冲突。
   CSRC（贡献源标识）	0-15×32	标识对当前数据有贡献的源（如混音器输入的多个音频源），数量由 CC 决定。

3. 报文封装

   • 格式：IP首部 + UDP首部 + RTP首部 + 多媒体数据。
   • 端口分配：RTP 使用偶数端口，对应的 RTCP 使用其后的奇数端口（如 RTP 用 5004，RTCP 用 5005），实现数据流与控制流分离。

4. 数据传输流程

   • 数据源（如 S1、S2）生成媒体流，经 RTP 封装后发送；
   • 中间节点（如混合器）可合并多个流（如多路音频混音），插入 CSRC 标识贡献源；
   • 接收端（如 R1）通过 RTP 首部的时戳和顺序号实现同步和丢包检测。

5. 协议特点

   • 轻量：仅提供实时传输机制，不保证 QoS；
   • 灵活：传输与控制策略分离，允许开发者自主实现高效算法；
   • 协议独立：与下层协议（UDP/TCP/ATM）无关；
   • 安全：支持数据加密和身份认证。

18.3 实时传输控制协议（RTCP）

实时传输控制协议（RTCP）与 RTP 配合使用，提供流量控制、拥塞控制和质量反馈，确保实时数据传输的效率。

1. 核心功能

   • 提供数据发布的质量反馈（如丢包率、延迟）；
   • 提供 RTP 源的持久传输层标识（如 SSRC 的映射）；
   • 控制传输速率（避免网络拥塞）；
   • 传送最小连接控制信息（如会话结束通知）。

2. RTCP 首部格式

   字段	位数	含义
   版本	2	与 RTP 一致（当前为 2）。
   填充	1	置 1 时，包尾附加填充字节（最后一字节记录填充长度），仅复合包的最后一个包需填充。
   报告计数	5	接收端报告块的数量。
   包类型	8	标识 RTCP 包类型（共 5 种）。
   长度	16	包大小（32 位字的数量 - 1，含首部、数据和填充）。

3. RTCP 包类型

   • 发送端报告（SR）：发送端发送，包含发送统计（如发送包数、字节数、时戳）；
   • 接收端报告（RR）：接收端发送，包含接收统计（如丢包率、延迟）；
   • 源描述（SDES）：提供源的附加信息（如用户名、邮箱）；
   • 结束参与（BYE）：通知离开会话；
   • 特殊应用（APP）：自定义应用功能。

4. 工作机制

   • 会话期间，参与者周期性发送 RTCP 包（频率随会话规模动态调整，避免拥塞）；
   • 发送端通过 RTCP 反馈调整传输速率或编码方式（如丢包率高则降低速率）；
   • 接收端通过 RTCP 同步多源流（如音频与视频同步）。

18.4 集成业务（IntServ）

集成业务（IntServ，Integrated Services）通过资源预留实现端到端 QoS 保证，核心是资源预留协议（RSVP），定义于 RFC 1633。

1. 基本思想
   • 传输数据前，根据业务的 QoS 需求（如带宽、延迟）在路径上的所有路由器中预留资源，确保数据流全程获得所需服务。
2. 体系结构
   由四个核心部分组成：
   • 1. 信令协议 RSVP：逐跳建立 / 拆除资源预留的 “软状态”（需周期性刷新，超时自动释放）；
   • 2. 接入控制器：判断是否接受资源预留请求（基于链路资源和 QoS 需求）；
   • 3. 分类器：将数据包按流分类（如基于 5 元组：源 IP、目的 IP、源端口、目的端口、协议），放入对应队列；
   • 4. 包调度器：按预定策略调度不同队列的数据包（如优先级调度、加权公平队列）。
3. 资源预留协议（RSVP）
   • 工作原理：接收端主动发起资源预留请求，沿组播 / 单播路径逐跳向上游路由器传播，路由器合并重复请求，最终在整条路径上建立预留。
   • 特性：
     • 接收端导向（由接收端启动和维护预留）；
     • 支持组播（单播是组播的特殊情况）；
     • 软状态机制（预留状态需周期性刷新，超时失效，提高容错性）。
   • 优点：兼容性好（与非 RSVP 网络兼容）；软状态支持故障恢复；适合组播场景。
   • 缺点：依赖路径上所有路由器支持 RSVP；信令复杂，可扩展性差（骨干网流数量大时状态信息过多）；建立时延可能较长（消息丢失需重传）。
4. IntServ 的优缺点
   • 优点：提供端到端 QoS 保证；支持组播的资源动态分配；适合多媒体实时业务。
   • 缺点：扩展性差（每流维护状态）；实现复杂（依赖全路径路由器支持）；仅适合小规模网络。

18.5 区分业务（DiffServ）

区分业务（DiffServ，Differentiated Services）是一种简化的 QoS 机制，通过业务分级和逐跳行为提供可扩展的服务，适合骨干网。

1. 基本思想
   • 将用户数据流按 QoS 需求划分为有限等级，网络对同一等级的流采用一致的转发策略（PHB），不承诺具体指标，仅保证 “相对优先级”。
2. 体系结构
   由三个核心部件组成：
   • 1. QoS 资源策略管理器：定义 QoS 策略（如分级规则），下载到边缘和核心模块；
   • 2. 边缘模块：位于 DiffServ 区域入口，执行流的分类、计量、标记（根据与用户的服务等级协议 SLA）；
   • 3. 核心模块：位于 DiffServ 区域内部，基于数据包的标记（DSCP）执行 PHB，无需维护流状态。
3. 关键机制
   • 服务等级协议（SLA）：用户与 ISP 签订的协议，明确支持的业务等级、流量限制等；
   • DS 字段：IP 首部中的 8 位字段，分为：
     • 6 位DSCP（Differentiated Services Code Point）：标记业务等级（0-63），对应不同 PHB；
     • 2 位ECN（Explicit Congestion Notification）：显式拥塞通告（标识网络拥塞状态）。
   • 逐跳行为（PHB）：核心路由器对相同 DSCP 的数据包采用的转发策略（如优先级调度、带宽保证）。
4. 工作流程
   1. 用户与 ISP 签订 SLA，明确业务等级；
   2. 用户标记数据包的 DSCP（或由边缘路由器根据 SLA 和多字段分类标记）；
   3. 边缘路由器对进入 DiffServ 区域的流量进行分类、计量（确保符合 SLA）；
   4. 核心路由器根据 DSCP 执行 PHB，转发数据包。
5. 研究热点
   • DiffServ 与 IntServ 结合（如接入网用 IntServ，核心网用 DiffServ）；
   • 组播支持（在组播路由表中加入 DSCP 字段）；
   • 公平性（解决同一聚合流中不同微流的资源抢占问题）；
   • PHB 实现（优化队列调度和管理，平衡实时性、丢包率和带宽利用率）。
6. 优缺点
   • 优点：扩展性好（状态信息少）；实现简单，适合骨干网；支持大规模业务流。
   • 缺点：难以提供基于单流的端到端 QoS；依赖边缘节点的正确分类和标记。

本章要点

• QoS 是网络传输数据流时的服务保证，衡量指标包括带宽、延迟、抖动等，核心技术有 IntServ、DiffServ、QoS 路由、MPLS。
• RTP 用于多媒体数据传输，提供时间信息和同步，依赖 UDP，首部含版本、时戳、SSRC 等字段；RTCP 配合 RTP 提供质量反馈和控制，支持五种包类型。
• IntServ 基于资源预留（RSVP），提供端到端 QoS，但扩展性差，适合小规模网络；RSVP 是其核心信令，接收端导向，支持组播。
• DiffServ 基于业务分级（DSCP）和逐跳行为（PHB），扩展性好，适合骨干网，体系结构包括边缘模块（分类标记）和核心模块（PHB 转发）。
• 实际部署中，常结合多种技术（如 MPLS+DiffServ）以平衡 QoS 保证和扩展性。