協(xié)議棧分層么夫、QoS保障技術(流量控制，擁塞控制的基本方法）
QoS的基本概念（網(wǎng)絡性能參數(shù)）
流量控制與擁塞控制的基本方法
綜合服務模型和區(qū)分服務模型
ATM網(wǎng)絡流量管理和擁塞控制
IP over ATM Asychronized

什么是QoS Quality of Service肤视？

– Satisfactory user experience.
QoS represents the set of techniques necessary to manage network bandwidth, delay, jitter, and packet loss.
From a business perspective , assure that the critical applications are guaranteed the network resources they need, despite varying network traffic load.

不同業(yè)務的QoS需求

How do loss and delay occur?

packets queue in router buffers
packet arrival rate to link (temporarily) exceeds output link capacity
packets queue, wait for turn

Queueing delay (revisited)

R: link bandwidth (bps)
L: packet length (bits)
a: average packet arrival rate

La/R ~ 0: avg. queueing delay small
La/R -> 1: avg. queueing delay large
La/R > 1: more “work” arriving than can be serviced, average delay infinite!

Packet loss

~queue (buffer) preceding link in buffer has finite capacity
~packet arriving to full queue dropped (lost)
~lost packet may be retransmitted by previous node, by source end system, or not at all

Throughput

throughput: rate (bits/time unit) at which bits transferred between sender/receiver
instantaneous: rate at given point in time
average: rate over longer period of time

流量控制技術

Flow control：prevent a fast sender from overrunning a slow receiver
常見方法：sliding window protocol（數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸層均可采用此方法進行流量控制）

Fast sender vs. slow receiver
? Sender does not overwhelm receiver
– Advertisement of window size
? receiver tells sender DIRECTLY

Sliding Window Protocols

這里看TCP的個滑動窗口档痪。

Principle of sliding window protocols

Each transmitter maintains a table of sequence number(in order).The sequence numbers within the sender’s window WS represent frames that have been sent or can be sent but are as yet not acknowledged
Each receiver maintains a table of sequence number(in order)， receiving window WR: corresponding to the set of frames it is permitted to accept.
Only when receiving window rotated, send window can slide.

Go-Back-N ARQ

Improve Stop-and-Wait by not waiting!
Keep channel busy by continuing to send frames
Allow a window of up to Ws outstanding frames
Use m-bit sequence numbering
If ACK for oldest frame arrives before window is exhausted, we can continue transmitting
If window is exhausted, pull back and retransmit all outstanding frames
Alternative: Use timeout

擁塞產(chǎn)生的原因

Root cause for congestion is (dynamic) lack of bandwidth.
– Demand for bandwidth is greater than capacity.
– Sudden surge in demand.
– Unexpected traffic flowing into the links due to routing. .

擁塞引起的影響：時延邢滑，時延抖動钞它，數(shù)據(jù)丟失

擁塞控制vs流量控制

流量控制：端到端
擁塞控制：router to router

擁塞控制的原則

Monitor system to detect when and where congestion occurs
Pass this information to places where action can be taken
Adjust system operation to correct the problem

擁塞解決辦法

Traffic prediction?
– Router informs neighbour of possible congestion
– Traffic shaping
– Regulate the packet rate
– VC - traffic characteristics
Send probe packets periodically ask about congestion
– Road congestion – use helicopters flying over cities
– Bang bang operation of router – how does one prevent it
– Feed back and control required

擁塞控制算法

Leaky Bucket Algorithm
– Regulate output flow
? Packets lost if buffer is full

Token Bucket Algorithm
– Buffer filled with tokens
? transmit ONLY if tokens available

擁塞控制的其他方法

Load shedding
– Discard packets
? question what to discard?
? ftp – Keep old, discard new
? audio/ video – keep new, discard old
? need more intelligence:( ? )
– Some packets are more important
? Video – full frame(don’t discard)- difference frame (discard)
? Sender prioritises packets!

ATM

ATM網(wǎng)絡:一種快速分組交換網(wǎng)絡，進行流量與擁塞控制是由ATM網(wǎng)絡的分組服務的本質所決定的殊鞭。各層所采用的機制基本相同遭垛，都是采用接收方控制發(fā)送方的反饋控制機制，用得最廣泛的是滑動窗口法操灿。

滑動窗口法卻不適用于ＡＴＭ流量與擁塞控制锯仪。

滑動窗口法要求網(wǎng)絡內每一個虛連接都設一對窗口，而ATM網(wǎng)絡中有成千上萬的ABR虛連接趾盐，若要為每一個ABR虛連接單獨作流量與擁塞控制庶喜，網(wǎng)絡太復雜。
滑動窗口法除了有流量與擁塞控制功能外救鲤，還有分組順序管理功能久窟，而ATM網(wǎng)絡信元的傳輸本身是有序的，順序管理功能在ATM網(wǎng)絡中成為多余本缠；
滑動窗口法的實現(xiàn)依賴協(xié)議數(shù)據(jù)單元結構的支持斥扛，而ATM信元，其信頭上根本沒有序號丹锹，滑動窗口無法在ATM層實施稀颁。
滑動窗口法所包含的反饋控制思想芬失，對ATM網(wǎng)絡的流量與擁塞控制產(chǎn)生了巨大的影響；

ATM層流量控制的定義是：ATM網(wǎng)絡為了避免擁塞發(fā)生而采取的一系列措施匾灶。
ATM層擁塞控制的定義是：ATM網(wǎng)絡在發(fā)生擁塞后棱烂，為減輕擁塞程度，控制擁塞擴散阶女，縮短擁塞持續(xù)時間而采取的一系列措施颊糜。
由于這兩種控制經(jīng)常在網(wǎng)絡中協(xié)同工作，一起出現(xiàn)秃踩，經(jīng)常被不加區(qū)別地使用芭析。
網(wǎng)絡資源管理、連接接納控制吞瞪、使用參數(shù)控制、優(yōu)先級控制驾孔、流量整形芍秆、幀丟棄、ABR（area border router）流量控制翠勉；

通信開始前妖啥，ATM對申請建立連接者進行連接接納控制；
連接建立后对碌，網(wǎng)絡對虛連接進行資源管理荆虱，并對該連接上的業(yè)務量使用用法參數(shù)控制，對每一信元規(guī)定一個丟失優(yōu)先級朽们，對不符合通信協(xié)議的信元進行流量整形怀读。
為充分利用網(wǎng)絡未利用的帶寬，引入了ABR業(yè)務骑脱，并對ABR業(yè)務進行流量控制菜枷。
為提高傳輸有效性，對有信元丟失的幀進行早期幀丟棄叁丧。

ATM流量管理啤誊，擁塞管理的功能分成兩個層次

第一層是預防性措施，稱為流量控制（Traffic Control）拥娄，是為防止網(wǎng)絡出現(xiàn)擁塞而采取的一系列措施蚊锹，包括網(wǎng)絡資源管理（NRM）、連接允許控制（CAC）稚瘾、使用參數(shù)控制（UPC）以及優(yōu)先級控制等牡昆；
第二層是反應性措施，稱為擁塞控制（Congestion Control）摊欠，是當網(wǎng)絡出現(xiàn)擁塞后為將擁塞的強度迁杨、影響范圍钻心、持續(xù)時間減到最小而采取的一系列措施，包括信元選擇性丟棄與擁塞指示等铅协。

ATM流量管理

ATM連接過程的描述可采用兩類參數(shù):
一類參數(shù)用于用戶設備或終端系統(tǒng)向網(wǎng)絡提出的有關連接的需求捷沸，另一類參數(shù)則是用戶設備向網(wǎng)絡提出的有關連接的描述信息。

向網(wǎng)絡提出的有關連接的需求的參數(shù)：帶寬狐史；業(yè)務質量痒给；延遲容忍度；流量控制骏全；優(yōu)先級控制苍柏。
有關連接的描述信息的參數(shù)，這些信息將在流量控制過程中使用：業(yè)務量類型姜贡；用法信息试吁；路由優(yōu)先信息；流量控制能力楼咳。

連接接納控制（CAC）

CAC是用來決定是否接收連接請求熄捍。主要的判斷依據(jù)是,網(wǎng)絡的當前使用情況和連接的QoS所?請求的流量性能參數(shù)。若QoS參數(shù)超出發(fā)當前的網(wǎng)絡的可用資源,就會拒絕這次連接母怜。一般由下面兩個因素決定：
1余耽、是否有所需的資源以提供連接的端到端服務質量（QoS）；
2苹熏、通信過程有關參數(shù)碟贾，如用戶配置的基于源和目的地址、協(xié)議類型轨域、時延等的接入表袱耽。

CAC與路由功能相互作用以選擇路由，分配帶寬干发，估計新的和已存在的業(yè)務量的相對優(yōu)先級扛邑。CAC功能可設置在網(wǎng)絡中的不同位置。

CAC 主要通過信令完成Connection requests proceed hop-by-hop through the switches of the network en route to destination

Switches perform Call Admission Control (CAC) based on traffic descriptor, QOS requirements, and available resources at that switch
If connection is acceptable, then request is forwarded on, otherwise “reject” is returned
If destination accepts connection, then “accept” is returned

用法參數(shù)控制

用法參數(shù)控制 （Usage Parameter Control铐然，UPC）定義為一組蔬崩，用于ATM交換機監(jiān)視和控制每一個激活連接的UNI上的業(yè)務量操作。即通信過程中對流量的監(jiān)測與控制搀暑，以確保每條虛電路中實際入網(wǎng)的流量特性參數(shù)符合協(xié)商值沥阳。

漏桶算法，即一般信元速率算法GCRA （Generic Cell Rate Algorithm）自点。
基本思想：假設一有限容量的漏桶（桶的深度對應某種流量參數(shù)）桐罕，到達的信元進入漏桶，經(jīng)漏桶滲漏后輸出到網(wǎng)絡。該漏桶以每單位時間一個容量單位的連續(xù)速率向外滲漏功炮，同時每當一個信元到達時溅潜，其容量加1。當信元到達速率超過漏桶滲漏速率時薪伏，連續(xù)累積的信元會使漏桶充滿滚澜，這時如果還有信元到達該信元就會溢出漏桶（即被丟棄），該信元即是違約信元嫁怀。
采用雙漏桶算法设捐，表示第一級漏桶處理PCR（峰值信元速率 ，第二級漏桶處理SCR（平均信元速率）塘淑。
目前UPC中的限制措施主要是對屬于超越協(xié)商值的那部分流量的信元打上標記萝招，表示這部分信元的服務質量不能保證，一旦網(wǎng)絡發(fā)生擁塞首先丟棄這類信元 存捺。

信元丟失優(yōu)先級選擇性丟棄

ATM信元的信頭中有一個位直接標志信元丟失優(yōu)先級（CLP）槐沼。
CLP位用于在一個連接中產(chǎn)生不同優(yōu)先級的信元流。

ABR 流量控制

基于速率的機制直接以連接所占用的帶寬為控制目標捌治，根據(jù)網(wǎng)絡負載情況岗钩，調整ABR信源發(fā)送信元的速率。

ATM擁塞控制

1．定義
擁塞是一種不正常的狀態(tài)具滴，它表示在一定時間間隔中要求的資源超過了所能供給的資源，即求大于供师倔。
2．出現(xiàn)擁塞的原因有兩方面：
一是由于網(wǎng)絡中流量強度不可預測地隨機波動而造成網(wǎng)絡負荷過重构韵；
二是由于網(wǎng)絡本身出現(xiàn)故障。

ATM擁塞管理的困難

ATM網(wǎng)中傳送的是各種類型的業(yè)務信息綜合而成的數(shù)據(jù)流趋艘，其流量特性十分復雜難于控制疲恢；
由于ATM網(wǎng)絡傳輸速率高，一旦某處發(fā)生擁塞而不能及時解決瓷胧，擁塞范圍將迅速擴大

擁塞管理

擁塞管理試圖確保網(wǎng)絡避免經(jīng)歷擁塞显拳。
例如，在交通管理方面搓萧，擁塞管理可能勸導司機不要在交通高峰時行駛杂数，或勸導顧客等到某種服務的隊列變短時再去排隊。

引入預防性控制措施瘸洛，不再是出現(xiàn)擁塞之后再采取措施來消除擁塞揍移，而是通過精心管理網(wǎng)絡資源而避免擁塞的出現(xiàn)。

ATM網(wǎng)一旦檢測到出現(xiàn)擁塞狀況反肋，則啟動擁塞控制功能：
首先是有選擇地丟棄掉重要程度相對低的信元以緩解擁塞那伐，同時進行擁塞狀態(tài)信息的前向、反向指示。
當這些措施仍不能很好地控制住擁塞時網(wǎng)絡將進行釋放連接或重選路由罕邀。
業(yè)務成形
前向擁塞指示

Approaches to QoS support

Fine grained approaches: provides QoS in individual applications or flows:
… here we find “Integrated Services” (developed in the IETF) and often associated with the Reservation Protocol (RSVP)

Coarse grained approach: provides QoS to large classes of data or aggregated traffic
… here we find “Differentiated Services”

ATM is known to have a rich set of QoS capabilities and is considered in the fine-grained category (since resources are associated with individual VCs).
ATM is often used to interconnect routers – and may choose to send a highly aggregated traffic down a single VC →so ATM can be used for coarse grained QoS as well.

QoS Models

Integrated Services (IntServ)
Differentiated Services (Diffserv)

Best-Effort—Best-Effort does not provide QoS, because there is no reordering of packets.

Differentiated Services (DiffServ)—differentiates between multiple traffic flows.

Integrated Services (IntServ)—IntServ is often referred to as “Hard QoS,” because it can make strict bandwidth reservations.
Needs signaling first.
Must be configured on every router along a path. The main drawback of IntServ is its lack of scalability. Bandwidth reservation based on application level.

Integrated Model

Application requests a specific kind of QoS service, through explicit signaling.
Resource Reservation Protocol (RSVP) is used by applications to signal their QoS requirements to the router.
Complex to use.
Difficult to support with a large number of RSVP connections, due to:
the amount of state information required for every flow.
the amount of control traffic
Fine grain, providing strict QoS.

Differentiated Model

Qos is provided by differential treatment to each packet or class of packets.
No explicit signaling from the application.
This model is appropriate for aggregate flows.
Coarse grain, not strict QoS (no guarantees畅形，Soft QoS).

丟棄策略

Tail Drop
Random Early Detection (RED)
Weighted Random Early Detection (WRED)

Random Early Detection，為避免發(fā)生網(wǎng)絡中的全局同步global synchronization現(xiàn)象诉探，在路由器采用的一種措施日熬。
計算平均隊長的目的就是為了反映擁塞狀況，根據(jù)擁塞的程度來計算丟棄分組的概率阵具，從而有效地控制平均隊列長度碍遍。

全局同步

TCP流具有自適應特性(Adaptiveness)，來源端發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失就急劇地減小發(fā)送窗口(congestion window阳液，cwnd)怕敬，數(shù)據(jù)包到達速率就會迅速下降，于是網(wǎng)絡擁塞得以解除帘皿。但來源端得知網(wǎng)絡不再擁塞后又開始增加發(fā)送速度东跪，最終又造成網(wǎng)絡擁塞，而且這種現(xiàn)象常常會周而復始地進行下去鹰溜，從而在一段時間內網(wǎng)絡處于網(wǎng)絡利用率(Network Utilization)很低的使用狀態(tài)虽填，降低了整體吞吐量(throughput)

綜合服務與區(qū)分服務

IntServ

IETF已經(jīng)起草了很多有關保證QoS的建議并標準化了很多服務模型和機制。其中比較常見的有：綜合服務（Integrated Services――IntServ）/資源預留模型曹动，即IntServ/RSVP斋日、區(qū)分服務模型（Differen-tiated Services――DiffServ）、MPLS流量工程和約束路由等墓陈。

RSVP是第一個標準QoS的信令協(xié)議恶守，是基于IP協(xié)議的資源預留協(xié)議,用于在端到端之間傳遞QoS請求。IntServ模型的基本思想是“所有的業(yè)務流相關狀態(tài)信息是在端系統(tǒng)上”贡必。它所使用的資源預留協(xié)議是一種信令協(xié)議兔港。用戶通過IntServ/RSVP協(xié)議向網(wǎng)絡請求滿足特殊服務質量要求的緩存和帶寬；中間節(jié)點利用RSVP信令在數(shù)據(jù)傳輸通路上建立起資源預留并維護該通路仔拟，以實現(xiàn)相應的服務質量衫樊。

根據(jù)RSVP的預留資源占所有資源的比例，IntServ模型定義了幾種服務類型：
　　
　　* 有保障的服務（Guaranteed Services）[RFC 2212]：對帶寬利花、 時延科侈、分組丟失率提供定量的要求和質量保證措施，如VoIP應用建議可以預留10M帶寬和小于1s的時延炒事。
　　
　　* 可控負載服務（Controlled－load Services）[RFC2211]：在網(wǎng)絡負荷較大的情況下所能夠提供的近似于沒有過載時的服務兑徘。
　　
　　* 盡力而為的服務（Best－Effort）和當前互聯(lián)網(wǎng)向多數(shù)用戶提供的服務機制類似，沒有任何可以控制的質量保證羡洛。

DiffServ

它取代了IP服務類型（TOS）字段改名為DS挂脑，并用它承載IP包服務所要求的信息藕漱，是嚴格意義上的三層技術，不涉及低層的傳輸技術崭闲。

Intserv模型中的RSVP可為數(shù)據(jù)流提供良好帶寬保證肋联，而DiffServ則不需要信令，在發(fā)送報文前刁俭，不需要通知路由器橄仍，網(wǎng)絡也不必為每個流維護狀態(tài)，它只根據(jù)報文中規(guī)定的QoS來提供特定的服務牍戚。并且侮繁，它不像IntServ那樣對每個流都進行QoS控制，而是對流聚合后的每一類進行QoS控制如孝，它只是對數(shù)據(jù)流簡單加標記進行優(yōu)先級分類宪哩。從對路由器的要求來說，RSVP比DiffServ更復雜第晰，因此RSVP不適用于骨干網(wǎng)路由器锁孟。

IP傳送層演進