18. 因特網服務質量

18.1 服務質量（QoS）

服務質量（QoS，Quality of Service）是網絡傳輸數據流時需滿足的一系列服務請求及實現機制，核心目標是提供端到端的服務質量控制或保證。

1. QoS 的衡量指標
   • 帶寬：網絡傳輸數據的速率（如 Mbps），確保業務有足夠的傳輸能力；
   • 傳輸延遲：數據從源到目的地的時間（如毫秒），實時業務（如語音）對延遲敏感；
   • 延遲抖動：連續數據包到達時間的差異，抖動過大會導致音視頻卡頓；
   • 可靠性：數據無丟失、無差錯傳輸的能力；
   • 丟失率：傳輸過程中丟失的數據包比例；
   • 吞吐量：單位時間內成功傳輸的數據量。
2. 主要 IP QoS 技術
   • 1. 集成業務（IntServ）
     • 基本思想：在傳輸數據前，根據業務的 QoS 需求預留網絡資源（帶寬、緩存等），實現端到端的 QoS 保證。
     • 適用場景：非骨干網（如接入網），業務流數量較少的場景。
     • 優點：能提供嚴格的端到端 QoS；支持組播業務的資源分配和動態管理。
     • 缺點：擴展性差（基于 “每流” 管理，需保存大量狀態信息）；依賴路徑上所有路由器支持，難以在骨干網部署。
   • 2. 區分業務（DiffServ）
     • 基本思想：將用戶數據流按 QoS 需求劃分等級，網絡僅承諾 “相對服務質量”（而非具體指標），通過 “匯聚（aggregate）” 和 “逐跳行為（PHB）” 實現 QoS。
       • 匯聚：將 QoS 需求相近的流視為一類，減少隊列管理復雜度；
       • PHB：每跳路由器對相同等級的流采用一致的轉發策略（如調度優先級）。
     • 適用場景：骨干網，業務流數量龐大的場景。
     • 優點：簡化信令，狀態信息少，擴展性好；實現簡單，適合大規模網絡。
     • 缺點：難以提供基于單流的端到端 QoS 保證。
   • 3. QoS 路由
     • 基本思想：基于多指標（帶寬、時延、成本、可靠性等）選擇路由，而非僅基于最短路徑（如傳統路由）。
     • 優點：能滿足業務的 QoS 需求，提高資源利用率。
     • 缺點：路由計算復雜，增加網絡開銷；實用算法難以設計。
   • 4. 多協議標簽交換（MPLS）
     • 基本思想：通過 “標簽” 標識數據流，基于標簽進行路徑控制和帶寬管理，實現流匯聚的 QoS 保障。
     • 特點：目前骨干網最常用的 QoS 機制，常與 DiffServ 結合（MPLS+DiffServ 是運營商首選方案）。
   • 技術結合：核心網用 DiffServ，接入網用 IntServ，MPLS 與 DiffServ 結合是主流趨勢。

18.2 實時傳輸協議（RTP）

實時傳輸協議（RTP，Real-time Transport Protocol）是針對多媒體數據流（如音視頻）的傳輸協議，核心功能是提供時間信息和流同步，定義于 RFC 1889。

1. 基本特性

   • 通常基于UDP傳輸（無連接，低延遲），也可運行在 TCP 或 ATM 上；
   • 不提供可靠傳輸、流量控制或擁塞控制，依賴RTCP（實時傳輸控制協議）實現這些功能；
   • 適合組播和點播場景，支持實時數據（視頻、音頻、仿真數據）的傳輸。

2. RTP 首部格式（12 字節固定部分 + 可選擴展）

   字段	位數	含義
   V（版本）	2	RTP 版本（當前為 2，版本 1 用于早期草案）。
   P（填充）	1	置 1 時，首部后附加填充字節（最后一字節記錄填充長度），用于加密對齊。
   X（擴展）	1	置 1 時，首部后附加變長擴展首部。
   CC（CSRC 計數）	4	固定首部后 “貢獻源標識（CSRC）” 的數量（0-15）。
   M（標記）	1	標記數據流中的重要事件（如幀邊界），具體含義由應用定義。
   PT（負荷類型）	7	標識媒體類型或編碼格式（如音頻 / 視頻，具體解碼器），接收端據此選擇解碼方式。
   順序號	16	按發送順序遞增，用于接收端檢測丟包和恢復順序（初始值隨機）。
   時戳	32	記錄數據產生的時間（單位由應用定義，如采樣周期），用于同步和計算抖動。
   SSRC（同步源標識）	32	唯一標識同步源（如一個麥克風），隨機生成以避免沖突。
   CSRC（貢獻源標識）	0-15×32	標識對當前數據有貢獻的源（如混音器輸入的多個音頻源），數量由 CC 決定。

3. 報文封裝

   • 格式：IP首部 + UDP首部 + RTP首部 + 多媒體數據。
   • 端口分配：RTP 使用偶數端口，對應的 RTCP 使用其后的奇數端口（如 RTP 用 5004，RTCP 用 5005），實現數據流與控制流分離。

4. 數據傳輸流程

   • 數據源（如 S1、S2）生成媒體流，經 RTP 封裝后發送；
   • 中間節點（如混合器）可合并多個流（如多路音頻混音），插入 CSRC 標識貢獻源；
   • 接收端（如 R1）通過 RTP 首部的時戳和順序號實現同步和丟包檢測。

5. 協議特點

   • 輕量：僅提供實時傳輸機制，不保證 QoS；
   • 靈活：傳輸與控制策略分離，允許開發者自主實現高效算法；
   • 協議獨立：與下層協議（UDP/TCP/ATM）無關；
   • 安全：支持數據加密和身份認證。

18.3 實時傳輸控制協議（RTCP）

實時傳輸控制協議（RTCP）與 RTP 配合使用，提供流量控制、擁塞控制和質量反饋，確保實時數據傳輸的效率。

1. 核心功能

   • 提供數據發布的質量反饋（如丟包率、延遲）；
   • 提供 RTP 源的持久傳輸層標識（如 SSRC 的映射）；
   • 控制傳輸速率（避免網絡擁塞）；
   • 傳送最小連接控制信息（如會話結束通知）。

2. RTCP 首部格式

   字段	位數	含義
   版本	2	與 RTP 一致（當前為 2）。
   填充	1	置 1 時，包尾附加填充字節（最后一字節記錄填充長度），僅復合包的最后一個包需填充。
   報告計數	5	接收端報告塊的數量。
   包類型	8	標識 RTCP 包類型（共 5 種）。
   長度	16	包大小（32 位字的數量 - 1，含首部、數據和填充）。

3. RTCP 包類型

   • 發送端報告（SR）：發送端發送，包含發送統計（如發送包數、字節數、時戳）；
   • 接收端報告（RR）：接收端發送，包含接收統計（如丟包率、延遲）；
   • 源描述（SDES）：提供源的附加信息（如用戶名、郵箱）；
   • 結束參與（BYE）：通知離開會話；
   • 特殊應用（APP）：自定義應用功能。

4. 工作機制

   • 會話期間，參與者周期性發送 RTCP 包（頻率隨會話規模動態調整，避免擁塞）；
   • 發送端通過 RTCP 反饋調整傳輸速率或編碼方式（如丟包率高則降低速率）；
   • 接收端通過 RTCP 同步多源流（如音頻與視頻同步）。

18.4 集成業務（IntServ）

集成業務（IntServ，Integrated Services）通過資源預留實現端到端 QoS 保證，核心是資源預留協議（RSVP），定義于 RFC 1633。

1. 基本思想
   • 傳輸數據前，根據業務的 QoS 需求（如帶寬、延遲）在路徑上的所有路由器中預留資源，確保數據流全程獲得所需服務。
2. 體系結構
   由四個核心部分組成：
   • 1. 信令協議 RSVP：逐跳建立 / 拆除資源預留的 “軟狀態”（需周期性刷新，超時自動釋放）；
   • 2. 接入控制器：判斷是否接受資源預留請求（基于鏈路資源和 QoS 需求）；
   • 3. 分類器：將數據包按流分類（如基于 5 元組：源 IP、目的 IP、源端口、目的端口、協議），放入對應隊列；
   • 4. 包調度器：按預定策略調度不同隊列的數據包（如優先級調度、加權公平隊列）。
3. 資源預留協議（RSVP）
   • 工作原理：接收端主動發起資源預留請求，沿組播 / 單播路徑逐跳向上游路由器傳播，路由器合并重復請求，最終在整條路徑上建立預留。
   • 特性：
     • 接收端導向（由接收端啟動和維護預留）；
     • 支持組播（單播是組播的特殊情況）；
     • 軟狀態機制（預留狀態需周期性刷新，超時失效，提高容錯性）。
   • 優點：兼容性好（與非 RSVP 網絡兼容）；軟狀態支持故障恢復；適合組播場景。
   • 缺點：依賴路徑上所有路由器支持 RSVP；信令復雜，可擴展性差（骨干網流數量大時狀態信息過多）；建立時延可能較長（消息丟失需重傳）。
4. IntServ 的優缺點
   • 優點：提供端到端 QoS 保證；支持組播的資源動態分配；適合多媒體實時業務。
   • 缺點：擴展性差（每流維護狀態）；實現復雜（依賴全路徑路由器支持）；僅適合小規模網絡。

18.5 區分業務（DiffServ）

區分業務（DiffServ，Differentiated Services）是一種簡化的 QoS 機制，通過業務分級和逐跳行為提供可擴展的服務，適合骨干網。

1. 基本思想
   • 將用戶數據流按 QoS 需求劃分為有限等級，網絡對同一等級的流采用一致的轉發策略（PHB），不承諾具體指標，僅保證 “相對優先級”。
2. 體系結構
   由三個核心部件組成：
   • 1. QoS 資源策略管理器：定義 QoS 策略（如分級規則），下載到邊緣和核心模塊；
   • 2. 邊緣模塊：位于 DiffServ 區域入口，執行流的分類、計量、標記（根據與用戶的服務等級協議 SLA）；
   • 3. 核心模塊：位于 DiffServ 區域內部，基于數據包的標記（DSCP）執行 PHB，無需維護流狀態。
3. 關鍵機制
   • 服務等級協議（SLA）：用戶與 ISP 簽訂的協議，明確支持的業務等級、流量限制等；
   • DS 字段：IP 首部中的 8 位字段，分為：
     • 6 位DSCP（Differentiated Services Code Point）：標記業務等級（0-63），對應不同 PHB；
     • 2 位ECN（Explicit Congestion Notification）：顯式擁塞通告（標識網絡擁塞狀態）。
   • 逐跳行為（PHB）：核心路由器對相同 DSCP 的數據包采用的轉發策略（如優先級調度、帶寬保證）。
4. 工作流程
   1. 用戶與 ISP 簽訂 SLA，明確業務等級；
   2. 用戶標記數據包的 DSCP（或由邊緣路由器根據 SLA 和多字段分類標記）；
   3. 邊緣路由器對進入 DiffServ 區域的流量進行分類、計量（確保符合 SLA）；
   4. 核心路由器根據 DSCP 執行 PHB，轉發數據包。
5. 研究熱點
   • DiffServ 與 IntServ 結合（如接入網用 IntServ，核心網用 DiffServ）；
   • 組播支持（在組播路由表中加入 DSCP 字段）；
   • 公平性（解決同一聚合流中不同微流的資源搶占問題）；
   • PHB 實現（優化隊列調度和管理，平衡實時性、丟包率和帶寬利用率）。
6. 優缺點
   • 優點：擴展性好（狀態信息少）；實現簡單，適合骨干網；支持大規模業務流。
   • 缺點：難以提供基于單流的端到端 QoS；依賴邊緣節點的正確分類和標記。

本章要點

• QoS 是網絡傳輸數據流時的服務保證，衡量指標包括帶寬、延遲、抖動等，核心技術有 IntServ、DiffServ、QoS 路由、MPLS。
• RTP 用于多媒體數據傳輸，提供時間信息和同步，依賴 UDP，首部含版本、時戳、SSRC 等字段；RTCP 配合 RTP 提供質量反饋和控制，支持五種包類型。
• IntServ 基于資源預留（RSVP），提供端到端 QoS，但擴展性差，適合小規模網絡；RSVP 是其核心信令，接收端導向，支持組播。
• DiffServ 基于業務分級（DSCP）和逐跳行為（PHB），擴展性好，適合骨干網，體系結構包括邊緣模塊（分類標記）和核心模塊（PHB 轉發）。
• 實際部署中，常結合多種技術（如 MPLS+DiffServ）以平衡 QoS 保證和擴展性。