ＤｉｆｆＳｅｒｖ模型的擁塞管理機(jī)制

王　彥

[摘要]介紹DiffServ模型的體系結(jié)構(gòu)，并重點(diǎn)研究DiffServ實(shí)現(xiàn)的核心機(jī)制擁塞管理機(jī)制。在實(shí)際設(shè)計(jì)隊(duì)列調(diào)度算法時(shí)，應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中不同的QoS要求，平衡影響調(diào)度算法設(shè)計(jì)的各種因素，進(jìn)行合理的選擇。

[關(guān)鍵詞]服務(wù)質(zhì)量區(qū)分服務(wù)擁塞管理隊(duì)列調(diào)度

中圖分類(lèi)號(hào)：TP3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671—7597(2009)0210047－01

一、概述

QoS是指網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程中，允許用戶業(yè)務(wù)在丟包率、延遲和帶寬等方面獲得可預(yù)期的服務(wù)水平。更簡(jiǎn)單地說(shuō)：QoS就是針對(duì)各種不同的需求，提供不同服務(wù)質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。這就要求QoS機(jī)制能夠：在網(wǎng)絡(luò)輕載運(yùn)行時(shí)，通過(guò)某種測(cè)量和監(jiān)管機(jī)制，控制不同業(yè)務(wù)享受不同服務(wù)水平；在網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，通過(guò)采取某種調(diào)度策略，保證重要業(yè)務(wù)仍然能獲得持續(xù)穩(wěn)定的服務(wù)保障。

IP QoS的體系結(jié)構(gòu)包括綜合服務(wù)模型(IntServ)和區(qū)分服務(wù)模型(DiffServ)兩種。其中，DiffServ具有良好的可擴(kuò)展性，適合于在大型主干網(wǎng)上提供QoS服務(wù)。而擁塞管理機(jī)制是保證DiffServ實(shí)現(xiàn)的核心機(jī)制之一，是解決多個(gè)業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)共享資源問(wèn)題的有效手段。

二、DiffServ模型體系結(jié)構(gòu)

DiffServ采用聚集傳輸控制模式，服務(wù)的對(duì)象是流聚集而不是單流，單流信息只在域邊界保存和處理。

其具體的過(guò)程是：首先，在網(wǎng)絡(luò)的邊緣進(jìn)行不同業(yè)務(wù)的分類(lèi)，并打上不同的DSCP值。分類(lèi)的依據(jù)可以是報(bào)文攜帶的四層、三層或二層的信息。如報(bào)文的源IP地址、目的IP地址、源MAC地址、目的MAC地址，TCP或UDP端口號(hào)等。然后，在網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部，根據(jù)DSCP值在每一跳上進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)處理，比如。對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)提供快速轉(zhuǎn)發(fā)處理，對(duì)普通業(yè)務(wù)提供盡力而為轉(zhuǎn)發(fā)處理。

三、擁塞管理機(jī)制

擁塞管理是指網(wǎng)絡(luò)在發(fā)生擁塞時(shí)，如何進(jìn)行管理和控制，包括隊(duì)列的創(chuàng)建、報(bào)文的分類(lèi)、將報(bào)文送入不同的隊(duì)列、隊(duì)列調(diào)度等。在一個(gè)接口沒(méi)有發(fā)生擁塞的時(shí)候，報(bào)文在到達(dá)接口后立即就被發(fā)送出去，但是在報(bào)文到達(dá)的速度超過(guò)接口發(fā)送報(bào)文的速度時(shí)，接口就發(fā)生了擁塞。擁塞管理就是對(duì)這些報(bào)文進(jìn)行分類(lèi)，送入不同的隊(duì)列，然后用隊(duì)列調(diào)度對(duì)不同優(yōu)先級(jí)的報(bào)文進(jìn)行分別處理，優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文會(huì)得到優(yōu)先處理。常用的隊(duì)列調(diào)度算法有FIFO、PQ，WFQ，DWRR等，下面分別對(duì)這幾種典型的算法進(jìn)行分析。

(一)先進(jìn)先出隊(duì)列(Fi rst In Fi rst Out Gueuing，F(xiàn)IFO)調(diào)度算法

FIFO不對(duì)報(bào)文進(jìn)行分類(lèi)，當(dāng)報(bào)文進(jìn)入接口的速度大于接口能發(fā)送的速度時(shí)，F(xiàn)IFO按報(bào)文到達(dá)接口的先后順序讓報(bào)文進(jìn)入隊(duì)列，同時(shí)，在隊(duì)列的出口讓報(bào)文按進(jìn)隊(duì)的順序出隊(duì)，即先進(jìn)的報(bào)文先出隊(duì)，后進(jìn)的報(bào)文后出隊(duì)。

(二)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列(Priority Oueuing，PQ)調(diào)度算法

PQ的4個(gè)隊(duì)列分別為高優(yōu)先隊(duì)列(high)、中優(yōu)先隊(duì)列(medium)、正常優(yōu)先隊(duì)列(normal)和低優(yōu)先隊(duì)列(low)。發(fā)送報(bào)文時(shí)按照等級(jí)順序依次發(fā)送，即先發(fā)送完所有high隊(duì)列中的報(bào)文，再發(fā)送所有medium隊(duì)列中的報(bào)文，然后再發(fā)送所有normal隊(duì)列中的報(bào)文，最后才發(fā)送10w隊(duì)列中的報(bào)文。這樣較高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的報(bào)文將會(huì)得到優(yōu)先發(fā)送，并且較低優(yōu)先級(jí)的報(bào)文將會(huì)在發(fā)生擁塞時(shí)被較高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文搶先，使得關(guān)鍵業(yè)務(wù)(如視頻業(yè)務(wù))的報(bào)文能夠得到優(yōu)先處理。PQ能保證高優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)，但是會(huì)出現(xiàn)低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)得不到服務(wù)的情況。

(三)公平隊(duì)列(Fai r Oueuing，F(xiàn)0)調(diào)度算法

FQ的基本原理是：分組在進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時(shí)被分類(lèi)，每個(gè)隊(duì)列對(duì)應(yīng)一種流，發(fā)送報(bào)文時(shí)循環(huán)掃描隊(duì)列，從每個(gè)隊(duì)列取出一個(gè)分組發(fā)送。這種調(diào)度算法的問(wèn)題是：大分組的隊(duì)列比小分組的隊(duì)列獲得較多的帶寬，而且不具備優(yōu)先級(jí)的調(diào)度。但是在某些情況下，某些隊(duì)列需要更高的優(yōu)先級(jí)，例如視頻流類(lèi)型的隊(duì)列應(yīng)該比文件傳輸類(lèi)型的隊(duì)列具有更高的優(yōu)先級(jí)，以獲得更大的帶寬和更小的延遲。

(四)加權(quán)公平隊(duì)列(Weighted Fai r Queuing，WFQ)調(diào)度算法

FFQ是對(duì)FQ的一種改進(jìn)的隊(duì)列調(diào)度算法。它通過(guò)為每個(gè)隊(duì)列施加不同的權(quán)重，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的帶寬和時(shí)間約束，提高相應(yīng)流的服務(wù)質(zhì)量。WFQ可以保證相同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)間公平，不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)間加權(quán)。它在保證公平的基礎(chǔ)上又體現(xiàn)了權(quán)值，而權(quán)值的大小依賴于IP報(bào)文頭中攜帶的IP優(yōu)先級(jí)。WFQ按照流的優(yōu)先級(jí)來(lái)分配每個(gè)流應(yīng)占出口的帶寬。優(yōu)先級(jí)的數(shù)值越小，所得的帶寬越少。優(yōu)先級(jí)的數(shù)值越大，所得的帶寬越多。

(五)加權(quán)輪詢隊(duì)列(Weighted Round Robin，WRR)調(diào)度算法

WRR在隊(duì)列之間輪流調(diào)度，保證每個(gè)隊(duì)列都能得到一定的服務(wù)時(shí)間。它可為每個(gè)隊(duì)列配置一個(gè)加權(quán)值(依次為w3、w2、w1、Wo)，加權(quán)值表示獲取資源的比重。如一個(gè)100M的端口，配置它的WRR隊(duì)列調(diào)度算法的加權(quán)值為50、30、10、10，這樣可以保證最低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列至少獲得10Mbps的帶寬，避免了采用PQ調(diào)度時(shí)低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的報(bào)文可能長(zhǎng)時(shí)間得不到服務(wù)的缺點(diǎn)。WRR還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：雖然多個(gè)隊(duì)列的調(diào)度是輪詢進(jìn)行的，但對(duì)每個(gè)隊(duì)列不是固定地分配服務(wù)時(shí)間片，也就是說(shuō)，如果某個(gè)隊(duì)列為空，那么馬上換到下一個(gè)隊(duì)列調(diào)度，這樣帶寬資源可以得到充分的利用。不過(guò)當(dāng)分組的大小不相同時(shí)，WRR會(huì)對(duì)分組較小的隊(duì)列帶來(lái)不公平性。

(六)差值加權(quán)輪詢隊(duì)列(Defioit Weighted Round Robin，DWRR)調(diào)度算法

為解決WRR不能支持長(zhǎng)度不同的包而出現(xiàn)帶寬分配不公平以及計(jì)算復(fù)雜的缺點(diǎn)，提出了DWRR調(diào)度算法，該算法給每一個(gè)隊(duì)列分配的權(quán)值不是基于分組的個(gè)數(shù)，而是基于比特?cái)?shù)。它結(jié)合了WFQ和WRR的優(yōu)點(diǎn)，能夠在輸出端口按隊(duì)列的權(quán)值為流提供相應(yīng)的帶寬分配，而且能夠支持長(zhǎng)度變化的流，特別是突發(fā)流，并且該算法實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單。

四、結(jié)束語(yǔ)

IP網(wǎng)絡(luò)的QoS管理是針對(duì)不同的需求提供不同的服務(wù)質(zhì)量。上面提到的幾個(gè)隊(duì)列調(diào)度算法有著各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，孰優(yōu)孰劣并不能一概而論，而應(yīng)該根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中不同的QoS要求，平衡影響調(diào)度算法設(shè)計(jì)的各種因素，進(jìn)行合理的選擇。如當(dāng)要求算法復(fù)雜度低，不用對(duì)數(shù)據(jù)流區(qū)別對(duì)待，以便于高速處理時(shí)，可以選擇FIFO算法，但這樣就不能對(duì)可靠性和傳輸時(shí)延提供保證；當(dāng)需要為某業(yè)務(wù)提供絕對(duì)保障時(shí)，可以選擇PQ算法，但低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)可能得不到服務(wù)；當(dāng)需要公平分配帶寬，并且對(duì)某些應(yīng)用要求提供較小的時(shí)延時(shí)，可以選擇WFQ算法，但是它比較復(fù)雜；既要公平分配帶寬，又要算法相對(duì)簡(jiǎn)單，可以選擇DWRR算法。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，相信會(huì)不斷涌現(xiàn)更多算法，從而更好地滿足不同網(wǎng)絡(luò)條件下對(duì)不同業(yè)務(wù)需求的支持。