【题目】网络技术区专题活动－70

金算盘

写出Qos数据包计划程序的含义、作用：

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　　网络服务质量（quality of service，简称QoS）是网络于用户之间以及网络上互相通信的用户之间关于信息传输与共享的质的约定，例如，传输延迟允许时间、最小传输画面失真度以及声像同步等。在Internet等计算机网络上为用户提供高质量的QoS必须解决以下问题：

1. QoS的分类与定义。对QoS进行分类和定义的目的是使网络可以根据不同类型的QoS进行管理和分配资源。例如 ，给实时服务分配较大的带宽和较度的CPU处理时间等，另一方面，对QoS进行分类定义也方便用户根据不同的应用提出QoS需求。
2. 准入控制和协商。即根据网络中资源的使用情况，允许用户进入网络进行多媒体信息传输并协商其QoS。
3. 资源预约。为了给用户提供满意的QoS，必须对端系统、路由器以及传输带宽等相应的资源进行预约，以确保这些资源不被其他应用所强用。
4. 资源调度与管理。对资源进行预约之后，是否能得到这些资源，还依赖于相应的资源调度与管理系统。


QoS现状及相关技术

　　现在，IP网络如何提供服务质量QoS支持这一问题现已成为业界关注的焦点。对于由QoS控制来实现QoS保证，国际上不同组织和团体提出了不同的控制机制和策略，比较著名的有：

1) ISO/OSI提出了基于ODP分布式环境的QoS控制，但至今仍只停留在只给出了用户层的QoS参数说明和变成接口阶段，具体实现QoS控制策略并未提出；
2) ATM论坛提出了QoS控制的策略和实现，ATM控制是“连接预定”型（connection and reservation），它的核心内容是在服务建立之前，通过接纳控制和资源预留来提供服务的QoS保证，而在服务交互的过程中，用户进程和网络要严格按照约定的QoS实现服务QoS保证；
3) IETF组织也已经提出了多种服务模型和机制来满足对QoS的需求，其中比较典型的有：RFC2115，RFC2117以及1998、1999年提出的RFC26xx系列中的综合业务模型（Int-Serv）、差分业务模型(differentiated services)、多协议标签MPLS技术(Multi-Protocol Label Switching)、流量工程(traffic engineering)和QoS路由(QoS-based routing)等均用于解决Internet网络的QoS控制和管理。
以下就一些比较典型的模型作简单的介绍。

　　综合业务模型（Int-Serv）主要引入了一个重要的网络控制协议RSVP（资源预留协议），它不是路由协议，但是需要与路由协议一起使用。RSVP的引入使得IP网络为应用提供所要求的端到端的QoS保证成为可能，但为了支持这种能力，数据包所经过的每个网络元素（子网和IP路由器）都必须能够支持RSVP控制服务质量的机制。RSVP资源预留方式与异步转移模式（ATM）中资源预留方式有两个不同之处：第一，RSVP是一种面向信宿端的协议，由信宿端来描述资源需求；而ATM是由信源端来要求资源预留。第二，RSVP中保留的是“软状态”，需要周期性的更新；而ATM保留的是“硬状态”，通信期间不改变。

　　综合业务模型的这种利用RSVP全程信令将原本面向无连接的IP网络改为面向连接的网络的方法存在着许多致命的缺陷，使得原本欲提供的端到端全程QoS保证，实际上是很难实现的，原因有二：

　　综合业务模型下的预留状态信息是与业务流的个数成正比的，这使得路由器的负担会随着网络的扩大、业务流的增多而加重，网络的扩展性不好。

　　综合业务模型中的每个路由器都要支持RSVP控制协议，为业务流保持状态信息，这对路由器的实现要求太高。如果有一个中间路由器不支持RSVP控制协议，虽然RSVP仍可透明通过，但服务质量仍不能保证。

　　针对这些确定，IETF组织指定了一个相对扩展性较强的方案，来保证IP网络的服务质量QoS，这就是差分业务模型。差分业务模型主要是重新利用了IP数据包头中的服务类型（ToS）字段（改为DS域），使得对RSVP网络控制协议的使用仅局限在用户网络一侧，而将骨干传送网从RSVP中解脱出来。骨干网中的核心路由器只需检查数据包中的ToS字段判断业务的类别，再为不同的业务提供不同的QoS保证策略，这种模型并不提供从信源端道信宿端的全程QoS保证，而将QoS限制再不同的域（Domain）范围内加以实现，不同域之间应有一定的约定和标识的翻译机制。

　　多协议标签交换（MPLS）是时下最热门的技术之一，它将灵活的三层IP选路和高速的二层交换技术完美地结合起来，从而弥补了传统IP网络地许多缺陷。它引入了新的标签结构，对IP网络的改变较大，引入了“显式路由”机制，对QoS提供了更为可靠的保证。

　　对IP网络提供QoS支持的发展动向可作如下的总结：从“经历而为”走向“综合业务”；从“无状态”道“面向流的软状态”；从服务的“先进先出策略”道“多队列机制和面向业务的调度策略”；从数据转发的“软件交换”到“硬件交换”。

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服务质量(QoS)支持管理员有效地使用现有的资源，并在无需扩充网络使它更快或超量提供资源的前提下，保证关键的应用程序接受的服务是高质量的。配置服务质量(QoS)意味着，网络管理员可以更好地控制网络，减少成本，或提高顾客的满意度。本文对服务质量(QoS)进行了深入的描述。它解释了配置服务质量（QoS）的基本原理、可受益于服务质量(QoS)的应用程序的类型、实施服务质量(QoS)的机制、以及微软对服务质量(QoS)的承诺。

在过去的一些年里，网络的通信量迅速增长，这种增长对有限的网络资源提出了挑战。关键任务应用程序的性能，如企业资源计划（ERP）系统，受到了其它易耗资源的应用程序的影响，这些应用程序如流式媒体。

服务质量(QoS)支持管理员有效地使用现有资源，并在无需扩充网络使它更快或超量提供资源的前提下，保证关键的应用程序接受的服务是高质量的。配置服务质量(QoS)意味着，网络管理员可以更好地控制网络，减少成本，或提高顾客的满意度。

Windows 2000操作系统中的服务质量(QoS)套件，将跟其他的存在于网络元件（如路由器和接线器）中的服务质量(QoS)机制协调一致。在不需要在实际用户、网络端口和地址之间进行映射的情况下，使用这些主机机制，就可清楚地向管理员描述出，正在使用哪个应用程序，这些程序需要什么资源。当主机和网络协同运作时，就可以更容易更明智地使用资源。


服务质量(QoS)的益处

服务质量(QoS)在整个网络范围内操作，并将资源（如带宽）分配给应用程序。通过确定设定应用程序优先级，让一些应用程序的优先级比另外一些类型的高，就可以达到分配的目的了。管理员可以通过服务质量(QoS)控制整个网络，相应的，管理员就能够为他们的客户提供更好的服务。例如：可以保证关键任务应用程序在某一段可接受的时间内，使用某资源，来完成其事务处理。

使用服务质量(QoS)来控制用户数据报协议（UDP）通信是一个常见的例子。UDP，不象TCP那样，它不需要从网络那里接收反馈信息，因此，它不知道网络是否堵塞。它只是单纯地传送数据包。支持UDP的应用程序，如多媒体应用程序，可以迅速将信息塞满网络。利用服务质量(QoS)，管理员可以管理其资源的分配，避免发生这些情况。

小结：
服务质量(QoS)支持管理员对其网络的控制。
服务质量(QoS)提高其用户的经验。
通过有效使用现有资源，（这可推迟扩容或减少扩容开销），服务质量(QoS)减少了成本。

服务质量(QoS)参数

如前面所讲的，不同的应用程序有不同的需求。这些需求可以通过下面的参数来表述：
带宽：应用程序的需要通过网络进行传输的通信的速率。
等待时间：在传送一个数据包时，一个应用程序可以等待的最长时间。
不稳定同步：不稳定同步的偏差。
可靠性：路由器的掉包百分比。


定量和定性应用程序

可以将需要某种等级服务质量(QoS)的应用程序分为定性应用程序或定量应用程序。定量应用程序清楚地说明了它需要多少服务质量(QoS)。定性应用程序则需要某种等级的服务质量(QoS)，但是，得由网络管理员确定它们需要多少服务质量(QoS)，以正常地运行。

定量应用程序的例子

视频流和IP电话就是两种常见的定量应用程序的例子。视频流需要足够的带宽，这样，包的丢失不会导致图象变坏。同时，也可以通过它清楚地知道导致网络阻塞的通信流量。例如，MPEG-2流，也许会需要4兆带宽。IP电话是一个典型的对等待时间要求苛刻的应用程序。除非会话过程保留了其实时的特性，否则，从用户的角度来看，这种服务是没有用的。

定性服务应用程序的例子

定性应用程序需要某种等级的服务质量(QoS)，但是，必须由管理员确定如何满足这些需求。ERP应用程序，如SAP，就属于这种类型。它们引发的通信不是连续流的形式，而是在一段时间内发生的一系列事务处理。通常的要求是某种类型的等待时间保证，这样在一秒内（这是举例）就可以发生一组事务处理。如何满足这种要求完全取决于管理员。

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服务质量(QoS)机制

有不同的机制可以用来实施服务质量(QoS)。这当中包括：供给和配置机制，通信处理机制。
供给和配置的例子包括：
自顶向下的机制，如简单网络管理协议（SNMP）和命令行界面（CLI）。
信号机制如资源保留协议（RSVP）。

通信处理机制的例子有：
聚合机制如：Diffserv和802.1p。
单一流机制，它通常是跟RSVP联系在一起的。
将配置信息从管理控制台"推"到网络设备上面，是自顶向下的机制的特点。而沿着请求服务质量(QoS)资源的数据所经过的传送路径，将服务质量(QoS)的请求（以及明确的配置请求）从网络的一端传送到另一端，是信号机制的特点。自顶向下的配置是通过网络管理程序以一个或多个应用程序的名义启动的。通过应用程序在资源需求中的改变，可启动信号配置。

SNMP

SNMP已投入使用多年，原来是用来在中央控制台监控网络设备功能。也可以用它来设定或者配置设备的功能。

CLI

CLI是一个协议，最初是用它来配置和监控Cisco网络设备。由于它的通用性，许多其他的网络供应商也为他们的设备提供了类似于CLI的配置界面。

RSVP

RSVP是终端对终端的第三层信令协议。RSVP将服务质量(QoS)请求和能力传送给对等的应用程序和数据线上的网络单元。RSVP信息也包括策略信息，用该策略可以确定出用户所请求的资源和作出请求的应用程序。

通常，RSVP信令是跟单一流通信处理有关（这跟每个流在路由器上有自己的队列等效），但是，它同样也使用了不同的聚类处理机制，如Diffserv（见下面），它们将单独的流聚合成不同的集合。将RSVP和诸如Diffserv等机制结合使用，将缓解RSVP所带来的问题规模的膨胀问题。

另外一个关于RSVP的极其有用的例子就是，其策略信息可独立用于资源的请求。该策略信息明确地将用户和应用程序与网络端口和地址建立关联。这些原本是由网络管理员来手工完成的，而且并不总是件简单的事情。使用RSVP，管理员就可以清楚地知道哪些应用程序正被使用，及其使用者信息。这智能化的过程极大地简化的分配。

通信处理机制

通信处理机制是服务质量(QoS)的关键组件，它们是驻留在网络的路由器和接线器中的。通信处理机制可跟RSVP配合，而后者是基于主机的信令机制。

有不同的通信处理机制可供选择。一些任务是基于单一流的，而另一些是将单个的通信流聚合成类。

下面描述了一些在通信处理机制中的最常用的内容：


Diffserv。是一种第三层技术，它将不同的通信流聚合成特定的服务类。例如，有一个路由器有五个具有不同优先级的队列，并且所有的通信都属于其中的一个。IP头里的标签指定了包的优先级，然后路由器就对它们进行相应的处理。Diffserv可单独使用，也可跟RSVP结合使用。例如，RSVP可结合使用Diffserv，加强对进入Diffserv队列的许可控制，并应用策略，确定哪个用户和/或应用程序有权使用网络中的资源。
802.1/p。这是一种两层机制，允许在IEEE 802技术中（如以太网、高速光纤环网、令牌网）中实施服务质量(QoS)。将根据包的优先级对它们作出标记（有8个可选择的值）。802.1/p只用于局域网。
ISSLOW。它是一种改善低速连接（如拨号连接）的技术。当这些连接在传送视频和数据的同时传送音频信号时，这种技术是特别有用的。例如，在28.8Kbps的调制解调器连接上的1500字节的数据包将占据该连接几乎达0.5秒。ISSLOW将低优先级的数据或视频包分为多个片段，这样，它们占据连接的时间就不会超出给定的限度。在远程的接收端，它们会被组装还原。
策略和许可控制服务。策略是一组处理通信的规则。例如，一个策略可以是这样的，即SAP通信总是比其他形式的通信的优先级高。可以将策略以图解的形式存储在策略存储器（诸如活动目录服务）中。策略确定点（PDP）解释所存储的图解，并将关于如何处理通信的决定传送给策略执行点（PEP）。这些设备，如路由器和接线器，传送通信信息，并执行分配资源的策略。策略实施是下面两者的结合：知道所用的管理策略，规划可用的资源。
通常，许可控制确定了在某种类型的服务中有多少通信量。具体的说，Microsoft许可控制服务（ACS）是运行在Windows 2000服务器顶层的策略服务。它结合使用了子网带宽管理器（SBM）。由于局域网是第二层技术，它们不直接参与RSVP信令，因为后者是第三层技术。IBM的解决办法是，通过激活位于共享网络中的智能设备，为共享网络提供代理服务。

ACS使用活动目录，结合了SBM（是带有基于策略控制许可）的基于资源的许可控制功能。SBM能够将它自身插入到RSVP保留路径中，从而可以影响许可控制，ACS利用了SBM的这一功能。


同时使用主机和网络

利用Windows 2000服务质量(QoS)组件，同时结合使用驻留在网络中的组件，这将意味着网络中的稀有资源得到了有效地利用，保证了关键任务资源的高质量的服务。其原因是多方面的。

第一个原因是：应用程序了解其自身的需求。这道理对于定性和定量应用程序都成立。例如，SAP应用程序需要为工资表事务处理申请服务质量(QoS)，而不为打印事务申请服务质量(QoS)。一个IP电话的客户准确地知道应该有多少带宽用于其音频多媒体数字信号解码器。在这两个例子里，带宽都得到了准确和有效的应用。

第二个原因是：由于操作系统需要通过RSVP信令来请求服务质量(QoS)，因此对网络拓扑存在内在的认识。信令将通过数据通道的每个网络部件和策略服务器。这意味着这些设备可以动态地应用许可和策略。在没有主机的参与下，需要手工地配置这些设备。

第三个原因是：RSVP传送关于策略对象的有用信息，如：传送速率、用户ID、应用程序名称、目的IP地址、端口和网络协议信息。网络设备和策略服务器可以使用这些信息，来实施灵活而又功能强大的策略，以控制服务质量(QoS)通信。最后一个原因是：信令是一种动态的分配稀有资源的途径，它是跟静态的、自顶向下的供给相对的。这意味着某应用程序可以在它需要的时候请求服务质量(QoS)，不需要的时候释放所保留的资源。然后其它类型的通信就可以使用这些资源了。

微软跟供应商如Cisco紧密合作，开发和应用技术，以支持这种网络与主机的协作关系。


微软服务质量(QoS)组件

微软提供了一整套服务质量(QoS)技术。下面就是Windows 2000操作系统中所拥有的服务质量(QoS)组件：

通用服务质量(QoS)API，它是Winsock 2 API的子集。该API支持应用程序从操作系统调用服务质量(QoS)，同时，不需要了解底层的机制。
服务质量(QoS)提供者（SP）。服务质量(QoS)提供者响应来自通用服务质量(QoS)API的请求。它提供RSVP信令以及服务质量(QoS)策略支持。它也调用通信控制机制。
针对共享媒体上的许可控制的ACS服务和SBM协议。
通信控制的底层结构，包括包调度程序和标志程序，为自身没有包调度特性的驱动程序和网卡，提供了通信控制。它也替Diffserv和802.1p对包作出标注。Windows 2000的通信控制也包括额外的机制，诸如ISSLOW和ATM。
微软和Cisco紧密合作，提供定量服务服务质量(QoS)。
微软和Cisco、Extreme Networks、Intel、Sun、3Com以及其它供应商合作，继续开发IETF RSVP标准。

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联网服务质量 (QoS) 是指用一系列技术让一类通信量或一个跨网络连接运行的程序处于高优先级，而不只是依赖“最大努力”连接。Microsoft Windows 2000 和 Windows XP 中都内置了 QoS 机制。下文介绍 Windows XP 所提供的 QoS 增强功能。本文还提到了最先在 Windows 2000 中引入的 QoS 功能。

针对 Internet 连接共享的 QoS
当一个网络通过慢速链接或连接（如拨号线路）连接到另一个网络时，通过慢速链接的通信延迟可能会增加。发生此延迟是因为，在通信中涉及的终端站所知道的速度与实际的慢速链接的速度之间存在差异。慢速链接导致了网络路径中的瓶颈。这只适用于您使用 TCP 时的面向连接的通信。

如果接收客户机运行在一个相对较快的网络（如 100 Mb/s 以太网）上并且位于一台运行着带有 Internet 连接共享服务的 Windows XP 的计算机后面，而与此接收方通信的服务器位于快速网络上的远程访问服务后面，则存在不匹配现象。在这种情况下，接收方的接收窗口被设置为较大的值，此值基于接收客户机连接到的链接的速度。发送方开始时以低速率发送，但是，如果数据包没有丢失，发送方最终将发送几乎占满整个窗口的数据包。

这种情况可能会影响跨同一网络的其他 TCP 连接的性能。数据包排在一个可能会很大的队列中，等待通过慢速网络传送出去。如果发生数据包丢失，就必须重新传送数据，这会造成链接拥塞。

此问题的解决方法是，让在网络边缘运行 Internet 连接共享的计算机自动将接收窗口设置为与慢速链接相适应的较小的尺寸。此设置将覆盖接收方指定的设置。此设置不会对通信产生不利影响，这是因为，设置窗口尺寸时就好像接收方与慢速链接直接相连一样。运行在 Internet 连接共享计算机上的 QoS 数据包调度程序组件执行此窗口调整。

用于调制解调器和远程访问的 QoS
在 2002 年 1 月之前，很多人还在通过慢速链接连接到 Internet，例如速度为每秒 56 Kb 的连接。尽管链接速度有限制，但很多用户仍要同时运行多个访问网络的程序。例如，用户可能会同时下载、发电子邮件、聊天甚至使用音频或视频流。这些程序大部分使用 TCP 作为基本传输协议，每个程序都使用其自己的连接。

第一个使用链接的程序以独占方式使用链接，直到连接达到一种稳定状态。稳定状态导致传输的数据占满整个 TCP 窗口。当下一个程序开始传输数据时，它使用的连接受慢启动算法的制约，此算法限制可以传输的未确认数据的数量。由于已建立的程序正在传输一定数量的数据，因此第二个程序达到稳定状态所需的时间要长得多，并且同样大小的数据传输速度会慢得多。

Windows XP 在慢速链接上运行时执行一种“不足额循环 (DRR)”合理分配方案。Windows 2000 也使用了此方案。在 Windows XP 中，当检测到慢速链接时，将默认打开此方案。此方案分配若干数据流，并为这些流分配新的应用程序数据流。这些数据流以循环方式得到服务。此配置为网络通信提供了较好的响应速度和性能，而且不要求手动配置。

对运行 Windows XP 的终端计算机中 QoS 的使用的澄清
像在 Windows 2000 中一样，程序可以通过 Windows XP 中的 QoS API 利用 QoS。所有程序可以共享百分之百的网络带宽，除非有某一程序特别要求带宽优先权。其他程序也可以使用此“保留”的带宽，但请求此带宽的程序正在发送数据时除外。默认情况下，程序在终端计算机的每一个接口上可以预留基本链接速度的 20% 的聚合带宽。如果保留带宽的程序发送的数据量没有完全用完带宽，则保留带宽的未用部分可用于同一主机上的其他数据流。

纠正关于 Windows XP QoS 支持的一些不正确的说法
许多发表的技术文章和新闻组消息中都说，Windows XP 总是将 20% 的可用带宽预留给 QoS。这些说法是错误的。本文“对运行 Windows XP 的终端计算机中的 QoS 的使用的澄清”部分正确描述了 Windows XP 系统的行为。

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金算盘

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