协议栈分层、QoS保障技术(流量控制，拥塞控制的基本方法）
QoS的基本概念（网络性能参数）
流量控制与拥塞控制的基本方法
综合服务模型和区分服务模型
ATM网络流量管理和拥塞控制
IP over ATM Asychronized
什么是QoS Quality of Service？
– 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.
不同业务的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
流量控制技术
Flow control：prevent a fast sender from overrunning a slow receiver
常见方法：sliding window protocol（数据链路层和传输层均可采用此方法进行流量控制）
Fast sender vs. slow receiver
• Sender does not overwhelm receiver
– Advertisement of window size
• receiver tells sender DIRECTLY
Sliding Window Protocols
这里看TCP的个滑动窗口。
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
拥塞产生的原因
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. .
拥塞引起的影响：时延，时延抖动，数据丢失
拥塞控制vs流量控制
流量控制：端到端
拥塞控制：router to router
拥塞控制的原则
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
拥塞解决办法
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
拥塞控制算法
Leaky Bucket Algorithm
– Regulate output flow
• Packets lost if buffer is full
Token Bucket Algorithm
– Buffer filled with tokens
• transmit ONLY if tokens available
拥塞控制的其他方法
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网络:一种快速分组交换网络，进行流量与拥塞控制是由ATM网络的分组服务的本质所决定的。各层所采用的机制基本相同，都是采用接收方控制发送方的反馈控制机制，用得最广泛的是滑动窗口法。
滑动窗口法却不适用于ＡＴＭ流量与拥塞控制。
滑动窗口法要求网络内每一个虚连接都设一对窗口，而ATM网络中有成千上万的ABR虚连接，若要为每一个ABR虚连接单独作流量与拥塞控制，网络太复杂。
滑动窗口法除了有流量与拥塞控制功能外，还有分组顺序管理功能，而ATM网络信元的传输本身是有序的，顺序管理功能在ATM网络中成为多余；
滑动窗口法的实现依赖协议数据单元结构的支持，而ATM信元，其信头上根本没有序号，滑动窗口无法在ATM层实施。
滑动窗口法所包含的反馈控制思想，对ATM网络的流量与拥塞控制产生了巨大的影响；
ATM层流量控制的定义是：ATM网络为了避免拥塞发生而采取的一系列措施。
ATM层拥塞控制的定义是：ATM网络在发生拥塞后，为减轻拥塞程度，控制拥塞扩散，缩短拥塞持续时间而采取的一系列措施。
由于这两种控制经常在网络中协同工作，一起出现，经常被不加区别地使用。
网络资源管理、连接接纳控制、使用参数控制、优先级控制、流量整形、帧丢弃、ABR（area border router）流量控制；
通信开始前，ATM对申请建立连接者进行连接接纳控制；
连接建立后，网络对虚连接进行资源管理，并对该连接上的业务量使用用法参数控制，对每一信元规定一个丢失优先级，对不符合通信协议的信元进行流量整形。
为充分利用网络未利用的带宽，引入了ABR业务，并对ABR业务进行流量控制。
为提高传输有效性，对有信元丢失的帧进行早期帧丢弃。
ATM流量管理，拥塞管理的功能分成两个层次
第一层是预防性措施，称为流量控制（Traffic Control），是为防止网络出现拥塞而采取的一系列措施，包括网络资源管理（NRM）、连接允许控制（CAC）、使用参数控制（UPC）以及优先级控制等；
第二层是反应性措施，称为拥塞控制（Congestion Control），是当网络出现拥塞后为将拥塞的强度、影响范围、持续时间减到最小而采取的一系列措施，包括信元选择性丢弃与拥塞指示等。
ATM流量管理
ATM连接过程的描述可采用两类参数:
一类参数用于用户设备或终端系统向网络提出的有关连接的需求，另一类参数则是用户设备向网络提出的有关连接的描述信息。
向网络提出的有关连接的需求的参数：带宽；业务质量；延迟容忍度；流量控制；优先级控制。
有关连接的描述信息的参数，这些信息将在流量控制过程中使用：业务量类型；用法信息；路由优先信息；流量控制能力。
连接接纳控制（CAC）
CAC是用来决定是否接收连接请求。主要的判断依据是,网络的当前使用情况和连接的QoS所�请求的流量性能参数。若QoS参数超出发当前的网络的可用资源,就会拒绝这次连接。一般由下面两个因素决定：
1、是否有所需的资源以提供连接的端到端服务质量（QoS）；
2、通信过程有关参数，如用户配置的基于源和目的地址、协议类型、时延等的接入表。
CAC与路由功能相互作用以选择路由，分配带宽，估计新的和已存在的业务量的相对优先级。CAC功能可设置在网络中的不同位置。
CAC 主要通过信令完成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
用法参数控制
用法参数控制 （Usage Parameter Control，UPC）定义为一组，用于ATM交换机监视和控制每一个激活连接的UNI上的业务量操作。即通信过程中对流量的监测与控制，以确保每条虚电路中实际入网的流量特性参数符合协商值。
漏桶算法，即一般信元速率算法GCRA （Generic Cell Rate Algorithm）。
基本思想：假设一有限容量的漏桶（桶的深度对应某种流量参数），到达的信元进入漏桶，经漏桶渗漏后输出到网络。该漏桶以每单位时间一个容量单位的连续速率向外渗漏，同时每当一个信元到达时，其容量加1。当信元到达速率超过漏桶渗漏速率时，连续累积的信元会使漏桶充满，这时如果还有信元到达该信元就会溢出漏桶（即被丢弃），该信元即是违约信元。
采用双漏桶算法，表示第一级漏桶处理PCR（峰值信元速率 ，第二级漏桶处理SCR（平均信元速率）。
目前UPC中的限制措施主要是对属于超越协商值的那部分流量的信元打上标记，表示这部分信元的服务质量不能保证，一旦网络发生拥塞首先丢弃这类信元 。
信元丢失优先级选择性丢弃
ATM信元的信头中有一个位直接标志信元丢失优先级（CLP）。
CLP位用于在一个连接中产生不同优先级的信元流。
ABR 流量控制
基于速率的机制直接以连接所占用的带宽为控制目标，根据网络负载情况，调整ABR信源发送信元的速率。
ATM拥塞控制
1．定义
拥塞是一种不正常的状态，它表示在一定时间间隔中要求的资源超过了所能供给的资源，即求大于供。
2．出现拥塞的原因有两方面：
一是由于网络中流量强度不可预测地随机波动而造成网络负荷过重；
二是由于网络本身出现故障。
ATM拥塞管理的困难
ATM网中传送的是各种类型的业务信息综合而成的数据流，其流量特性十分复杂难于控制；
由于ATM网络传输速率高，一旦某处发生拥塞而不能及时解决，拥塞范围将迅速扩大
拥塞管理
拥塞管理试图确保网络避免经历拥塞。
例如，在交通管理方面，拥塞管理可能劝导司机不要在交通高峰时行驶，或劝导顾客等到某种服务的队列变短时再去排队。
引入预防性控制措施，不再是出现拥塞之后再采取措施来消除拥塞，而是通过精心管理网络资源而避免拥塞的出现。
ATM网一旦检测到出现拥塞状况，则启动拥塞控制功能：
首先是有选择地丢弃掉重要程度相对低的信元以缓解拥塞，同时进行拥塞状态信息的前向、反向指示。
当这些措施仍不能很好地控制住拥塞时网络将进行释放连接或重选路由。
业务成形
前向拥塞指示
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，Soft QoS).
丢弃策略
Tail Drop
Random Early Detection (RED)
Weighted Random Early Detection (WRED)
Random Early Detection，为避免发生网络中的全局同步global synchronization现象，在路由器采用的一种措施。
计算平均队长的目的就是为了反映拥塞状况，根据拥塞的程度来计算丢弃分组的概率，从而有效地控制平均队列长度。
全局同步
TCP流具有自适应特性(Adaptiveness)，来源端发现数据包丢失就急剧地减小发送窗口(congestion window，cwnd)，数据包到达速率就会迅速下降，于是网络拥塞得以解除。但来源端得知网络不再拥塞后又开始增加发送速度，最终又造成网络拥塞，而且这种现象常常会周而复始地进行下去，从而在一段时间内网络处于网络利用率(Network Utilization)很低的使用状态，降低了整体吞吐量(throughput)
综合服务与区分服务
IntServ
IETF已经起草了很多有关保证QoS的建议并标准化了很多服务模型和机制。其中比较常见的有：综合服务（Integrated Services――IntServ）/资源预留模型，即IntServ/RSVP、区分服务模型（Differen-tiated Services――DiffServ）、MPLS流量工程和约束路由等。
RSVP是第一个标准QoS的信令协议，是基于IP协议的资源预留协议,用于在端到端之间传递QoS请求。IntServ模型的基本思想是“所有的业务流相关状态信息是在端系统上”。它所使用的资源预留协议是一种信令协议。用户通过IntServ/RSVP协议向网络请求满足特殊服务质量要求的缓存和带宽；中间节点利用RSVP信令在数据传输通路上建立起资源预留并维护该通路，以实现相应的服务质量。
根据RSVP的预留资源占所有资源的比例，IntServ模型定义了几种服务类型：
* 有保障的服务（Guaranteed Services）[RFC 2212]：对带宽、 时延、分组丢失率提供定量的要求和质量保证措施，如VoIP应用建议可以预留10M带宽和小于1s的时延。
* 可控负载服务（Controlled－load Services）[RFC2211]：在网络负荷较大的情况下所能够提供的近似于没有过载时的服务。
* 尽力而为的服务（Best－Effort）和当前互联网向多数用户提供的服务机制类似，没有任何可以控制的质量保证。
DiffServ
它取代了IP服务类型（TOS）字段改名为DS，并用它承载IP包服务所要求的信息，是严格意义上的三层技术，不涉及低层的传输技术。
Intserv模型中的RSVP可为数据流提供良好带宽保证，而DiffServ则不需要信令，在发送报文前，不需要通知路由器，网络也不必为每个流维护状态，它只根据报文中规定的QoS来提供特定的服务。并且，它不像IntServ那样对每个流都进行QoS控制，而是对流聚合后的每一类进行QoS控制，它只是对数据流简单加标记进行优先级分类。从对路由器的要求来说，RSVP比DiffServ更复杂，因此RSVP不适用于骨干网路由器。
IP传送层演进
