多媒体通信技术第7章-多媒体通信服务质量与管理-)

第7章多媒体通信服务质量与管理第7章多媒体通信服务质量与管理7.1引言7.2QoS参数体系结构7.3QoS管理机制7.4QoS管理协议7.5QoS管理模型和实现机制第7章多媒体通信服务质量与管理7.1引言服务质量（QualityofService,QoS）是一种抽象概念,用于说明网络服务的“良好”程度。由于不同的应用对网络性能的要求不同,对网络所提供的服务质量期望值也不同。这种期望值可以用一种统一的QoS概念来描述。在不同应用系统中,QoS参数集的定义方法可能是不同的,经常使用吞吐量、差错率、端到端延迟、延迟抖动等网络性能参数来定义QoS。对连续媒体传输来说,端到端延迟和延迟抖动是两个关键的性能参数。多媒体应用,特别是交互式多媒体应用对延迟有严格的限制,不能超过人所能容忍的极限,否则将会严重地影响服务质量。同样,延迟抖动也必须维持在严格的界限内,否则将会严重地影响人对语音和图像信息的识别。第7章多媒体通信服务质量与管理7.2QoS参数体系结构图7.1QoS参数体系结构应用层QOS传输层网络层数据链路层第7章多媒体通信服务质量与管理1.应用层表7.1一个视频QoS分级的例子QoS级视频帧传输速率/(帧/秒)分辨率/%主观评价损害程度525～3065～100很好细微415～2450～64好可察觉36～1435～49一般可忍受23～520～34较差很难忍受11～21～9差不可忍受第7章多媒体通信服务质量与管理2.传输层协议主要提供端到端的、面向连接的数据传输服务。通常,这种面向连接的服务能够保证数据传输的正确性和顺序性,但以较大的网络带宽和延迟开销为代价。传输层QoS必须由支持QoS的传输层协议提供可选择和定义的QoS参数。传输层QoS参数主要有:吞吐量、端到端延迟、端到端延迟抖动、分组差错率和传输优先级等。国际标准化组织(ISO)在1986年颁布的ISO/OSI8072标准中明确地定义了传输层QoS参数:第7章多媒体通信服务质量与管理·建立连接延迟:用户发出连接请求到接收到连接确认之间的时间间隔。·建立连接失败率:在最大建立连接延迟内不能建立连接的可能性。·吞吐量:每秒接收的用户数据字节数。·传输延迟:发送方发出数据到接收方接收到该数据所经历的时间间隔。·固有差错率:在取样时间段内丢失和出错的信息数占总信息数的比率。第7章多媒体通信服务质量与管理·传输失败率:在数据传输阶段因各种原因所造成失败的信息占总信息数的比率。·释放连接延迟:一方发出释放请求到对方执行释放之间的时间间隔。·保护:用于说明建立安全连接需求的参数,如没有窃听或修改。·优先级:规定在该连接上传输的优先级。·弹性:用于说明传输层自动终结的可能性。第7章多媒体通信服务质量与管理3.网络层协议主要提供路由选择和数据报转发服务。通常,这种服务是无连接的,通过中间点（路由器）的“存储-转发”机制来实现。在数据报转发过程中,路由器将会产生延迟（如排队等待转发）、延迟抖动（选择不同的路由）、分组丢失及差错等。网络层QoS同样也要由支持QoS的网络层协议提供可选择和定义的QoS参数,如吞吐量、延迟、延迟抖动、分组丢失率和差错率等。第7章多媒体通信服务质量与管理网络层协议主要是IP协议,其中IPv6可以通过报头中优先级和流标识字段支持QoS。一些连接型网络层协议,如RSVP和STⅡ等可以较好地支持QoS,其QoS参数通过保证服务(GS)和被控负载服务(CLS)两个QoS类来定义。它们都要求路由器也必须具有相应的支持能力,为所承诺的QoS保留资源（如带宽、缓冲区等）。第7章多媒体通信服务质量与管理4.数据链路层协议主要实现对物理介质的访问控制功能,也就是解决如何利用介质传输数据问题,与网络类型密切相关,并不是所有网络都支持QoS,即使支持QoS的网络其支持程度也不尽相同。各种Ethernet都不支持QoS。TokenRing、FDDI和100VG-AnyLAN等是通过介质访问优先级定义QoS参数的。ATM网络能够较充分地支持QoS,它是一种面向连接的网络,在建立虚连接时可以使用一组QoS参数来定义QoS。第7章多媒体通信服务质量与管理国际电信联合会(ITU)制定了有关ATM网络QoS参数,它允许用户指定如下的参数:·峰值信元速率(PCR):用户发送信元的最大瞬间速率。·长期承受信元速率(SCR):经过一个长时期测量到的平均信元速率。·信元丢失率(CLR):在信元传输过程中丢失的信元所占的百分比。·信元传输延迟(CTD):一个信元从进入网络到离去所经历的延迟。·信元延迟变化范围(CDV):CTD的变化范围。·突发容许(BT):允许以PCR发出的最大突发长度。·最小信元速率(MCR):用户期望至少要达到的最小信元速率。第7章多媒体通信服务质量与管理7.3QoS管理机制QoS管理机制应当提供如下QoS管理特性:①QoS管理应是可配置的。②QoS管理应是可协商的。③QoS管理应是动态的。④QoS管理应是端到端的。⑤QoS管理应是层次化的。第7章多媒体通信服务质量与管理7.3.1QoS(1)确定型（Deterministic）QoS在数据传输过程中,网络提供“硬”的QoS保证,即对所承诺的QoS必须严格保证,否则可能会造成严重的后果。这类服务一般用于硬实时应用,如在远程医疗系统中,X光照片数据必须采用实时无差错的传输。Internet综合服务中的保证服务（GS）和区分服务中的快速转发均属于这一类QoS。第7章多媒体通信服务质量与管理(2)统计型（Statistical）QoS在数据传输过程中,网络提供“软”的QoS保证,即对所承诺的QoS允许一定范围的波动,并且不会造成不良的后果。这类服务一般用于软实时应用,如远程多媒体点播（VOD）系统。Internet综合服务中的被控负载服务（CLS）和区分服务中的保证转发均属于这一类QoS。(3)尽力型（BestEffort）QoS尽力型QoS也称最佳效果传输,网络不提供任何QoS保证,网络性能将随着负载的增加而明显下降。由于受到带宽的限制,现有Internet上的分布式多媒体应用大多提供这类服务。第7章多媒体通信服务质量与管理7.3.2802.1p图7.2802.1p/Q(a)802.1QTaggedFrame;(b)基于802.1p优先级的数据流处理第7章多媒体通信服务质量与管理表7.2802.1p的优先级标记值及对应的流量类型标记值流量类型1Background2Standard(Spare)0BestEffort3ExcellentEffort(BusinessCritical)4ControlledLoad(StreamingMultimedia)5Video(Interactivemedia),lessthan100mslatencyandjitter6Voice(Interactivevoice),lessthan10mslatencyandjitter7NetworkControl(ReservedTraffic)第7章多媒体通信服务质量与管理7.3.3DiffServIETF提出了两种QoS保证机制,一是由RSVP提供的保证型服务;二是在区分服务(Diff-Serv,DS)中定义的区分型服务。由于保证型服务具有面向连接的特性,并通过QoS协商、接纳控制、保留带宽和实时调度等机制来实现。区分型服务具有无连接的特性,主要通过缓冲管理和优先级调度机制来实现,而无需进行QoS协商和保留带宽等控制。随着网络规模的增长,保证型服务的复杂性将会迅速增加,并难以扩展。由于IP网络的发展仍然是基于无连接的,区分型服务与之相适应,更适合在大型IP网络(如Internet)中应用。第7章多媒体通信服务质量与管理IETF的DiffServ工作组在RFC2474和RFC2475中发布了区分服务标准草案。其中,RFC2474定义了IPv4和IPv6报头中的区分服务(DS)字段及其支持机制;RFC2475定义了区分服务体系结构;RFC（RequestForComments）是Internet研究和开发机构所发布的有关网络协议及标准的注释性公文系列。区分服务规定了一个网络内部转发报文分组的传输特性,这些特性可以用定量或静态项来指定,如吞吐量、丢失率、延时及延时抖动等;也可以用访问网络资源的相对优先级项来指定。第7章多媒体通信服务质量与管理实现一种区分服务的要素是:·该服务是提供给一个流量聚集的;·调节功能和PHB用于实现服务;·DS字段用于标记报文分组,以选择一个PHB;·特定节点实现PHB机制。第7章多媒体通信服务质量与管理1.DSRFC2474定义了IP报头中的DS字段:在IPv4报头中,重定义了服务类型(TOS)字段;在IPv6报头中,重定义了流量级别(TC)字段。并且还规定了各个网络节点上转发报文分组的命令集,或称为逐跳行为(PHB)。在8位的DS字段中,定义了如下的结构和内容:DSCodePointCU第7章多媒体通信服务质量与管理其中,DSCodePoint(DSCP)占6位,用于指定该报文分组在各个节点上的PHB;CU(CurrentlyUnused)占2位,为系统保留,支持DS的节点将忽略CU值。由于DSCP字段采用无结构字段定义的,便于将来PHB的定义和扩展。DSCP字段的基本特性如下:·从DSCP到PHB的映射是可配置的,每个支持DS的节点都要实现这种可配置的映射;·PHB规范空间必须包含一个推荐的缺省DSCP,且是惟一的,在节点所实现的缺省配置中应支持缺省DSCP到PHB的映射;·如果一个报文分组使用了不可识别的DSCP值,则节点应当原样转发该报文分组,无需改变DSCP值,并且不会引起节点故障;·DSCP字段必须与当前惯有方法保持向后兼容。第7章多媒体通信服务质量与管理2.PHB一个PHB是一个节点为一个特定的DS行为集而采取的转发行为(如吞吐量、丢失率、延迟及抖动等),一个DS行为集占用一个连接,其转发行为将取决于该连接上的负荷。当多个DS行为集竞争一个节点上的缓冲区和带宽资源时,该节点将根据不同的PHB来分配网络资源。区分服务采用基于逐跳(hopbyhop)的资源分配机制。PHB可以用下列项目定义:相对资源(如缓冲区和带宽)优先级,或者相对流量特性(如延迟、丢失率)。遵守共同约束(例如分组调度和缓冲区管理策略)的PHB可以组成一个PHB组,组内的PHB之间的关系可以使用绝对或相对优先级,例如采用固定或随机阈值的丢弃优先级,但不是必须的。单独定义的单一PHB是一个PHB组的特例。第7章多媒体通信服务质量与管理例如,一个简单的PHB可定义如下:在一个连接上,保证为一个行为集分配x%的最小带宽。这个PHB可以在任何流量调节下进行简单而公平的测量。一个复杂的PHB可定义如下:在一个连接上,保证为一个行为集分配x%的最小带宽,并且按比例公平地共享多余的连接容量。各个节点可利用某种分组调度和缓冲区管理机制来实现PHB。PHB是根据有关服务供应策略的行为特征定义的,而并非特定的实现机制。各种实现机制一般适合实现一个特定的PHB组,并且在一个节点上可以实现多个PHB组。在一个节点上,通过对所接收报文分组的DSCP的映射来选择PHB。标准化的PHB应具有一个推荐的DSCP,它们之间存在着一一对应的映射关系。第7章多媒体通信服务质量与管理目前,IETF已定义了三个标准的PHB:(1)(2)保证转发(3)第7章多媒体通信服务质量与管理3.DS域模型图7.3区分服务工作模型第7章多媒体通信服务质量与管理4.流量分类流量分类是实现区分服务的首要条件,其基本原理是根据IP报头中某些字段的内容来选择和标记分组流中的报文分组。流量分类可以采用两种分类器来实现:一是BA(BehaviorAggregate)分类器,它仅基于DSCP字段对报文分组进行分类;二是MF(MultiField)分类器,它基于一个或多个字段的组合值(如源地址、目的地址、DS、协议号以及源和目的端口号等)对报文分组进行分类。第7章多媒体通信服务质量与管理5.流量调节图7.4分组分类器和流