QoS

思科ATM多业务交换机上先进的服务质量: 

思科多业务体系结构优势 

服务供应商希望能够获得支持多业务的单个网络在建立这一多业务网络中面临的最大挑战是向他们的客户提供广泛的IP 且不会影响现有ATM和帧中继投资的能力正在寻求基本IP 连接范畴以外其它技术的服务供应商越来越多地把目光投向那些可以提供高可靠性高度集中的带宽以及业务灵活性同时为提供的所有业务确保具有适当服务质量QoS 的技术

 

传统的服务供应商网络传输多种业务包括对延迟敏感的话音带宽密集的视频和尽力而为的数据业务网络面临为它们传输的业务提供可预测安全和可靠的通信的挑战我们使用了各种机制来供应和保留业务流的完整性供应商越来越多地把精力集中在QoS 同时他们向网络增加流量工程等第层功能和虚拟专用网 VPN 等业务服务 QoS 成为这些网络取得成功的关键尤其是当单独的网络进行融合以形成真正的多业务传输网络并提供话音视频和数据业务时 

 

ATM历来被公认为创建一项基础设施的首选技术它不仅仅能够为每个连接提供粒度很精的QoS 还可以提供智能路由信令和控制机制近几年来多协议标记交换(MPLS)把连接概念带到了无连接IP 网络并向这类网络提供智能流程工程和路由增强我们采用了MPLS将其作为在网络中转发数据包的一种机制用于进行标记交换以便在基于数据包或信元的网络中传输数据包MPLS旨在与大量协议协作这是服务供应商在他们现有的ATM基础设施上采用MPLS取得成功的主要原因之一MPLS的优势包括取消逐跳数据包处理开销和促进明确的路由计算ATMMPLS可以提供服务供应商正在寻觅的一切通用网络基础设施上不同级别的QoS 带宽优化和负载平衡 

 

服务供应商需要的不仅仅是一个多业务网络他们需要的是高服务质量的网络一个可以提供最高级别的QoS 并符合他们的服务水平协议 SLA以及具有低风险操作简单和最丰厚的投资回报的网络  

 

本文介绍思科多业务交换机的优势它可以满足服务供应商不断演进的QoS 需求以及研究在新兴的运营商多业务网络中保留端到端QoS 需要的机制本文还介绍思科多业务交换机独有的体系结构优势在单台交换机上设置IP ATM QoS且不会影响任何一种业务性能的优势 

 

思科多业务平台上先进的QoS 

随着网络规模扩大且变得越来越复杂基本传输基础设施的完整性成为在这些网络上提供业务的关键强韧的QoS 解决方案包括可以互相操作以提供可扩展的端到端性能且符合SLA 的大量技术网络QoS 具备以下特性并由以下特性来提供保证 

可靠性可用性和服务性 

资源分段和管理尤其是拥塞情况下的分段和管理 

信元交换体系结构 

从接入到边缘再到核心的QoS 功能的可用性 

思科多业务QoS 解决方案提供最强韧和最成熟的技术来满足以上特性 

 

可靠性 可用性和服务性 

可靠性和可用性是提供QoS 的基础虽然可靠性和可用性传统上并没有被看作QoS 标准他们在提供QoS 中的联合作用却至关重要您不能指望低运行时间和低可靠性的交换机来提供高QoS 且符合SLA分组话音和视频业务需要高运行时间且有严格的延迟限制重新传输和其它故障恢复机制不能保证数据包将在规定时间内通过网络来提供高QoS  

 

可靠性可用性和服务性在部署并行和冗余操作设备的交换机方面非常强大同时提供类似的功能但是可靠性可用性和服务性超出了基本的冗余范畴虽然交换机和业务模块冗余是关键但是可靠性可用性和服务性不仅仅能够最大限度地减少故障和故障停机它还可以缩短故障故障报告诊断和计划的升级情况下交换机的恢复时间思科多业务交换机在运营商网络中提供最高级别的运行时间在评估多业务交换机体系结构过程中服务供应商应考虑可靠性可用性和服务性将其作为他们网络的关键QoS 标准如果一台交换机提供大量的缓存和队列但实施了低效的可靠性可用性服务性那么它将提供低质量的QoS  

 

思科多业务交换机通过许多机制来实现非常高的硬件和软件可用性如流程间和流程内信息传输信息的发送接收优先级排队以及数据业务保护存储保护以及系统组件和数据库主动监视等功能确保交 换机不会降低应用的QoS这些应用需要连续的控制和数据保护此外交换机设计确保维持全方位的数据保护即使控制器发生故障也是如此增加可靠性和可用性使其能够在交换机上最终实现先进的QoS从而确保服务供应商网络能够长期正常运行 

 

资源分段和管理 

多业务不仅仅意味着网络中存在多种类型的业务它还包括单个网络支持这些应用且不会影响QoS 的功能资源分段使其能够支持更多精确细分的业务这些业务是明确分段资源的结果互通IP ATM的初步尝试重点放在尝试把IP 映射到已经部署的ATM网络中ATM  多协议(MPOA) 等机制只能部分满足确保IP ATM实现协作的需求现有机制的可扩展性或灵活性不够好结构太复杂而不能运行且有严格的性能限制它仍旧需要ATM控制平面作为流程的一部分因此不得不把IP 业务流映射到交换虚电路(SVC) 或预先建立的第层组播群为了满足性能需求不得不在硬件中实施这种操作但这经常是不切实际的 

 

思科通过实施多业务交换论坛MSF体系结构解决了所有这些问题MSF(http://www.msforum.org )  提倡一个开放标准的体系结构提供用于构建多业务网络的自适用交换和控制平面方面的灵活性介绍了思科虚拟交换体系结构(CVSA)示意图该图摘自MSF文档 

 

1  思科虚拟交换体系结构 

 

分配到每个控制器的资源在本例中为专用网络-网络接口(PNNI) MPLS和媒体网关控制协议(MGCP) 随着应用的支持需求的增长您也可以增加其它控制器每个控制器可以单独使用也可以与其它控制器同时使用这为思科提供了大量的直接优势 

IP 业务由MPLS控制器来进行管理从而无需把IP 业务流映射到ATM SVC或永久虚电路(PVC) 如上所述这样就取消了控制器之间的交互使用其本来的IP 格式来保存QoS 信令 

Cisco IOS ®Software QoS 功能的实施(面向IP  MPLS) 直接应用于基于信元的交换基础设施 

思科ATM多业务交换机上的多控制平面功能使服务供应商能够构建完整的MPLS网络适当时部署兼用基于信元或基于数据包的交换机 

通用管理工具适用于产品系列需要单个网络管理系统来管理一台物理交换机它作为两台单独的逻辑交换机运行 

 

CVSA的关键特性是将IP 业务流和基于ATM的连接在单独的队列中分开到部署了单独的控制器从而在单台交换机上进行MPLS ATMIP交换但不提供单独队列的交换机将面对为每种业务维持QoS 的难题随着IP 业务流开始被映射到供ATM连接使用的同一队列中已经仔细分段用于满足每项VC业务需求的资源将不再向这些连接提供并且SLA 有可能受到影响CVSA以这样一种方式来分段资源分段之间的资源为静态 (ATMIP 队列的专用资源数而分段内的资源为动态(一条IP 队列可以使用另一条IP 队列上未使用的带宽)这样可以确保充分利用那些未使用的带宽保持带宽分配的灵活性  

 

传统的 ATM交换机不提供专用于 IP 的队列因而当试图向 ATM队列映射短期 IP 业务流时会出现问题同样传统的 IP 路由器不提供专用于 ATM业务的队列当在 IP 基础设施中提供第 层仿真业务时需要支持所需的 ATM 每项 VC QoS的近似值当以较高的速率进行传输时对于需要较少的特定QoSUBR(未指定比特率)业务来说这不再是个问题并且可以提供足够的 IP 差分业务您可以使用虚拟中继来满足核心的连接需求但是为了把这项技术扩展到网络的边缘并支持ATM中的所有业务传统的 ATM交换机不能提供单独队列而这种队列是提供适合每项业务的QoS 所需要的  

 

信元交换体系结构 

多业务网络旨在处理各种应用和源发送的数据包预计源业务将不仅仅在预期的QoS 需求方面不同而且源业务流将包括各种长度和大小的分组要传输的数据包可能包括帧中继业务ATM信元和IP数据包所有这些都将需要交换机结构进行交换并在网络中传输任何交换体系结构的关键组件包括排队模式和交换结构自身排队用于减轻由于交换机中流量爆发和突发的业务流导致的拥塞交换结构用于把数据从一个端口移动到另一个端口 

 

思科多业务交换机实施信元交换或能够交换固定大小的数据信元而不是交换可变大小的数据包或信元这可以提供多种优势首先固定大小的信元(标准ATM信元或其它信元在结构中有确定性延迟在控制抖动方面(数据包间或信元间延迟变化)有显著优势抖动是处理与数据业务一起使用的话音和视频业务时要考虑的一种关键的QoS 标准其次结合智能调度优先级分配和输入输出(I/O)机制以最大限度地降低大数据包(FTP传输数据包)阻塞小数据包话音数据包发送的业务的风险最合虚拟输出排队负载平衡和资源冲突期间使用的智能仲裁机制的结合是最大限度地减少交换结构中的延迟的关键 

 

如上所述思科虚拟交换体系结构的内在优势是将控制和转发平面的分开值得注意的一点是即使部署控制平面来支持未必基于信元MPLS或话音业务的业务基本的转发和交换平面也可以充分利用信元交换的优势因为结构与固定大小的信元协作控制和转发平面的隔离允许基于非信元的业务(例如帧中继和MPLS) 来充分利用信元交换的内在优势 

 

思科多业务交换机提供专用的硬件队列和交错型体系结构交错型交换机本身无阻塞并结合了虚拟输出排队(VOQ) 来确保解决线端阻塞等问题可以单独调整调度程序来确保基于其它业务对某一类业务进行加权调整这是在出现超额预订的低优先级业务的情形下维持高优先级业务的真实性的关键所在硬件中实施的高级排队和缓存机制尤其适用于新兴的应用这些应用需要非常严格的抖动控制它们是爆发性的并对延迟敏感的应用思科多业务交换机提供对硬件中大型缓存的有效管理和控制一种为业务流建立和维持QoS 的关键功能 

 

基于信元的交错交换机确保保证的优先级数据包传输同时提供基于优先级的拥塞控制专用的低延迟排队和数据包顺序完整性所有这一切都是支持实时高价业务IP 话音(VoIP) 的基础 

 

QoS 可用性 

MPLS (以前称为标记交换)是思科首先倡导的作为 MPLS基础的 Cisco IOS Software 提供先进的 QoS 机制它可以在网络的边缘到核心中使用以确保业务流的 QoS我们在思科多业务交换机上实施了多种QoS 机制来以分治模式处理事务思科多业务交换机可以根据用户需求来进行数据密集型的查找确定业务流和对数据包进行分类它们可以以下方式来进行带宽管理和使用Cisco IOS Software QoS

IP 优先级使用IP 报头中的三位来显示数据包的业务类别类别在边缘设置在核心强制实施 

承诺接入速率(CAR) —运行两种功能数据包分类和带宽管理CAR分析数据包并根据数据包报头信息来分配业务类别这一操作在第层进行从而促进各种属性的使用如源目的协议或应用来对数据包进行分类通过设置多个第三层阈值CAR还可以用于带宽管理 

加权随机早期检测(WRED)—在网络拥塞发生之前予以阻止WRED 是一种积极主动的机制通过向业务类别分配权数来开始工作(例如话音业务的优先级高于数据业务 

基于类别的加权平均排队(CBWFQ )—向不同的业务类别分配不同的权数这样交换机就可以管理每个业务类别的缓存和带宽它可以用于抑制延迟限制 

设置实验(EXP) 满足服务供应商的需求他们不希望更改在他们网络中传输的IP 数据包中IP优先级字段的值通过为MPLS EXP字段分配不同的值可以根据传输速率或业务类型等特性来标记数据包从而在拥塞期间某些数据包拥有高于其它数据包的优先级 

应用识别和较高层QoS —使用基于网络的应用识别(NBAR) 和基于策略的路由(PBR)  

 

流量工程在提供QoS 方面扮演一个重要的角色我们使用PNNI路由和信令协议ATM部署了智能路由和流量工程(路由优化负载平衡等MPLS流量工程基于开放最短路径优先(OSPF)和中间系统对中间系统(IS-IS) 协议支持基于衡量的无连接业务(IP 业务)工程MPLS流量工程不仅仅可以提高带宽利用率它还可以通过提供备用路由和负载平衡来增加服务供应商网络的强韧性和可靠性思科在自己的ATM多业务交换机上提供所有这些先进的IP 功能方面是独一无二的 

 

多业务网络中话音和数据业务实例 

本部分重点介绍如何在多业务网络中处理两类独立的业务话音业务需要在网络中传输具有非常严格的延迟和抖动范围低优先级数据同样有低数据包丢失限额但可以承受较大的延迟和抖动范围 

 

当与较低优先级业务抢夺网络资源时话音业务必须随时接收输出链路调度优先级来维持严格的丢失和抖动参数这一点很重要列出了可能要考虑的各种参数的范围 

 

1  话音和数据业务的QoS 需求 

 

压缩实时传输协议(CRTP RFC 2508)多链路点到点协议(MLPPP)低延迟排队(LLQ) 和链路分段和交替传输(LFI)等功能是确保在使用低速链路的接入网络中提供保证的话音QoS 的关键 

 

可以使用种特定的QoS 机制来确保这一方案中的话音QoS  

分类排队调度—WFQ CBWFQ LLQ WRED 等功能可用于确保数据包获得优先级以及通过IP 优先级MPLS EXP位来标记优先级 

链路带宽效率为了限制缓慢接入的延迟链路可以通过分段和交替传输LFI 和CRTP和话音行为检测VAD 等压缩技术来使用话音使用实时协议(RTP) IP用户数据报协议(UDP) RTP数据包报头可以从大约40字节压缩成字节 

流量整形通用流量整形GTS 和帧中继流量整形FRTS 等机制可以用于适当地处理速度误匹配并减少抖动我们对不同的应用使用不同的整形机制例如在串行链路上的纯VoIP应用中不需要使用整形并以线速来提供所需的带宽对于帧中继VoIP(VoIPoFR)或帧中继话音(VoFR)来说可能使用FRTSATM话音(VoATM)来说可能使用ATM流量整形机制 

带宽预留和管理旨在为某些业务流预留带宽保证的带宽机制和资源预留协议(RSVP)可用于信号和提前预留带宽 

 

 

 

 

 

由于话音数据包传输通过交换机因而需要在其它低优先级业务之前对它们进行调度并提供保证的QoS使用专用队列和严格抖动控制机制的基于信元的交错型交换体系结构确保为话音数据包提供保证的QoS 并最大限度地减少交叉点延迟出局调度程序把话音数据包分配到出局接口以便在网络中传输您也可以使用CBWFQ MDRR 等数据业务排队技术而且可采用修改亏空循环法再者在严重拥塞期间可以对违反服务合同的数据包添加标记并丢弃这些数据包 

 

特性可用性 IPATM QoS 

思科差分业务(DiffServ)流量工程解决方案扩展MPLS流量工程使服务供应商能够实施保证的带宽业务的基于约束的路由CBR从而可以满足严格的带宽限制(CBR业务类似)这样服务供应商就可以对一组分散的业务进行管理控制和分开路由计算如话音视频和数据业务

 

MPLS自动隧道带宽分配允许您根据衡量的负载自动调整业务的带宽分配 

 

2  IP ATMQoS 机制 

 

结语 

服务供应商网络的客户为最终用户并且QoS 最终由这些用户部署的业务来驱动关键数据等网络应用和实时应用将继续需要非常严格的QoS 标准同时对端到对端联网等应用和尽力而为业务将需要在同一网络上支持服务供应商将目光投向可以提供广泛的QoS 的多业务网络从基于每VC的精粒度QoS 到基于集中业务流的QoS多业务网络成功的关键在于能够在网络上灵活添加这类业务以及为这些业务提供QoS  

  

这类网络的关键组件包括可靠性可用性和服务性资源分段和管理强韧和可扩展的信元交换体系结构以及丰富的QoS 功能可用性基本的可靠性是关键实际上可靠性自身是评估整体QoS 时必须考虑的一种标准资源分段的关键功能包括在单台交换机上融合多个无干扰资源分段(例如MPLSPNNI) 的能力以及为使用这些分段的应用动态调整资源分配的能力旨在处理严格的QoS— 包括抖动和延迟控制智能调度和缓存管理以及专用的硬件业务管理的交换机体系结构的重要性是确保交换机提供最高级别的QoS 支持的关键最终提供可以针对特定应用进行定制的一套丰富的功和QoS 工具包是确保不同的应用能够使用最相关和最适用的QoS 技术的关键尽管大量QoS 功能和交换容量的整体可用性可以提供QoS但不能单独用于提供高QoS这些必须与智能流程工程路由管理和高可靠性一同使用以确保服务供应商可以继续保证他们的SLA  

 

思科多业务交换机提供一套强大的IP ATM QoS功能确保在单个基础设施上实现真正的多业务QoS无需为IP ATM管理两个单独的网络 

 

思科先进的ATM多业务系列 

Cisco BPX ®8600 系列多业务交换机 

Cisco BPX 8600 系列多业务交换机是部署最广泛的多业务运营商交换机BPX 8600主要面向服务供应商环境在全球最大的帧中继和ATM网络中提供59”(99.999%的业务可用性Cisco BPX 8600系列还在业务管理功能和多机架可扩展性方面在业界处于领先地位 

 

Cisco MGX ®8000 系列多业务交换机 

Cisco MGX 8000系列先进的ATM多业务交换机提供最广泛的高可用性帧中继ATM IP 电路仿真和话音业务他们还是大量站点最经济高效的多业务解决方案能够从DS0 扩展到OC-192C/STM-64