QoS

QoS（Quality of Service，服务质量）是一种网络技术，旨在通过各种基础技术为指定的网络通信提供更好的服务能力[^1^]。以下是对QoS的详细分析：

1. 背景与定义

   • 诞生背景：在因特网创建初期，没有人意识到QoS应用的重要。因此，整个因特网运作如一个“竭尽全力”的系统。每段信息都有4个“服务类别”位和3个“优先级”位，但是他们完全没有派上用场。依发送和接收者看来，数据包从起点到终点的传输过程中会发生许多事情，并产生如下有问题的结果：
     • 丢失数据包。当数据包到达一个缓冲器（buffer）已满的路由器时，则代表此次的发送失败，路由器会依网络的状况决定要丢弃、不丢弃一部份或者是所有的数据包，而且这不可能在预先就知道，接收端的应用程序在这时必须请求重新传送，而这同时可能造成总体传输严重的延迟[^1^]。
     • 延迟。或许需要很长时间才能将数据包传送到终点，因为它会被漫长的队列迟滞，或需要运用间接路由以避免阻塞；也许能找到快速、直接的路由。总之，延迟非常难以预料[^1^]。
     • 传输顺序出错。当一群相关的数据包被路由经过因特网时，不同的数据包可能选择不同的路由器，这会导致每个数据包有不同的延迟时间。最后数据包到达目的地的顺序会和数据包从发送端发送出去的顺序不一致，这个问题必须要有特殊额外的协议负责刷新失序的数据包[^1^]。
     • 出错。有些时候，数据包在被运送的途中会发生跑错路径、被合并甚至是毁坏的情况，这时接收端必须要能侦测出这些情况，并将它们统统判别为已遗失的数据包，再请求发送端再送一份同样的数据包[^1^]。
     • 吞吐量。在特定时段内可以实现的请求数量，这个指标同样也受到负载能力和延时性的限制[^1^]。
   • 定义：QoS指一个网络能够利用各种基础技术，为指定的网络通信提供更好的服务能力，是网络的一种安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术[^1^][^2^]。

2. 关键指标

   • 带宽：带宽也称为吞吐量，是指在一个固定的时间内（1秒），从网络一端传输到另一端的最大数据位数，也可以理解为网络的两个节点之间特定数据流的平均速率。带宽的单位是比特/秒（bit/s）[^3^]。
   • 时延：时延是指一个报文或分组从网络的发送端到接收端所需要的延迟时间，一般由传输延迟及处理延迟组成。以语音传输为例，时延是指从说话者开始说话到对方听到所说内容的时间。一般人们察觉不到小于100毫秒的延迟。当延迟在100毫秒和300毫秒之间时，说话者可以察觉到对方回复的轻微停顿，这种停顿可能会使通话双方都感觉到不舒服。超过300毫秒，延迟就会很明显，用户开始互相等待对方的回复。当通话的一方不能及时接收到期望的回复时，说话者可能会重复所说的话，这样会与远端延迟的回复碰撞，导致重复[^3^]。
   • 抖动：如果网络发生拥塞，导致通过同一连接传输的分组延迟各不相同。抖动用来描述延迟变化的程度，也就是最大延迟与最小延迟的时间差。抖动对于实时性的传输是一个重要参数，特别是语音和视频等实时业务是极不容忍抖动的，抖动会造成话音或视频的断续。抖动也会影响一些网络协议的处理。有些协议是按固定的时间间隔发送交互性报文，抖动过大会导致协议震荡。所有传输系统都有抖动，只要抖动在规定容差之内就不会影响服务质量。利用缓存可以克服过量的抖动，但这将增加时延[^3^]。
   • 丢包率：丢包率是指在网络传输过程中丢失报文的数量占传输报文总数的百分比。少量的丢包对业务的影响并不大，例如，在语音传输中，丢失一个比特或一个分组的信息，通话双方往往注意不到。在视频的传输中，丢失一个比特或一个分组可能造成在屏幕上瞬间的波形干扰，但能很快恢复正常。使用TCP传送数据可以处理少量的丢包，因为TCP允许丢失的信息重发。但大量的丢包会影响传输效率。在QoS中，我们关注的是丢包的统计数据，也就是丢包率。所以正常传输时，网络丢包率应该控制在一定范围内即可[^3^]。

3. 应用场景

   • 企业办公：例如，除了基本的网页浏览、工作邮件外，在较集中的工作时间段内还需要保证Telnet登录设备、异地的视频会议、实时语音通话、FTP文件的上传和下载，以及视频播放等业务的网络质量。对于不同网络质量要求的业务，可以配置不同的QoS子功能，或者不部署QoS[^3^]。
   • 网络协议和管理协议：这类业务要求低时延和低丢包率，但对带宽的要求不高。因此可以通过QoS的优先级映射功能，为此类报文标记较高的服务等级，使网络设备优先转发此类报文[^3^]。
   • 实时业务：如视频会议、VoIP等。视频会议要求高带宽、低时延和低抖动。因此可以通过QoS的流量监管功能，为视频报文提供高带宽；通过QoS的优先级映射功能，适当调高视频报文的优先级[^3^]。VoIP是指通过IP网络进行实时语音通话，它要求网络做到低丢包、低时延和低抖动，否则通话双方可以明显感知质量受损。因此一方面可以调整语音报文的优先级，使其高于视频报文；另一方面通过流量监管功能，为语音报文提供最大带宽，在网络产生拥塞时，可以保证语音报文优先通过[^3^]。
   • 大数据量业务：如FTP、数据库备份、文件转储等。大数据量业务是指存在长时间大量数据传输行为的网络业务，这类业务需要尽可能低的网络丢包率。因此可以为这类报文配置流量整形功能，通过数据缓冲区缓存从接口发送的报文，减少由于突发流量导致拥塞而产生的丢包现象[^3^]。
   • 流媒体：如在线音频播放、视频点播等。由于这些音视频节目都是提前制作好的，观看者的终端可以先进行缓存再进行播放，因此降低了对网络时延、丢包和抖动的要求。如果需要降低这类业务的丢包和时延，可以通过QoS的优先级映射功能，适当提高对应报文的优先级[^3^]。
   • 普通业务：如HTML网页浏览、邮件等。这类业务对网络无特殊要求、重要性也不高。管理员可以对其保持默认设置，不需要额外部署QoS功能[^3^]。

综上所述，QoS技术在现代网络中扮演着至关重要的角色，它不仅能够提升网络性能，还能满足不同业务对网络资源的需求。随着技术的不断进步和应用的深入，未来QoS将更加智能化，能够更好地适应不断变化的市场需求。