9 AQM提供QoS以及在区分服务中的应用
伴随着Internet的高速增长的便是IP业务的多样化和快速增长。现有的Internet所提供的"极力而为"（best-effort）服务显然不能满足不同用户、不同业务对不同服务质量的（Quality of Service QoS）的要求。因此IP QoS已成为当前的研究热点。
IP QoS体系结构可以分为两种基本类型：
基于资源预留：网络资源按照某个业务的QoS要求进行分配，制定资源管理策略。IETF提出的综合服务（IntServ）体系结构便是基于这种策略。
图：RIO算法示意图
基于优先级：对业务流进行分类、整形、标记。按照资源管理策略分配资源，对QoS要求高的业务给以优先处理。IETF提出的区分服务(DiffServ）便是基于这种策略。
由于综合服务存在着扩展性等问题，使得其发展遇到了很大障碍，因此导致了区分服务的产生。区分服务的目标在于简单有效，以满足对可扩展性的要求。
9.1 区分服务
在区分服务网络中，边界器根据用户的流规格（stream profile）将用户流划分为不同的级别，再聚合成流聚集（stream aggregate），聚集信息存放在IP包头的DS标记域，称为DS标记（Differentiated Services CodePoint，DSCP）。内部节点则根据DSCP提供不同质量的调度转发服务，其外部特性称为每跳行为（Per-Hop-Behavior，PHB）。DiffServ的服务类型除了传统的极力而为的服务外，还有确保服务（Assured Service）和奖赏服务（Premium Service）。它们分别对应快速转发（Expedited Forwarding, EF） 型PHB和确保转发（Assured Forwarding, AF）型PHB。
9.1.1 确保服务
奖赏服务严格保证用户的带宽，为用户提供低延迟、低抖动、低丢失率和保证带宽的所谓"三低一保证"的端到端或网络边界到边界的传输服务，是目前区分服务中服务级别最高的种类。
与奖赏服务的严格保证不同，确保服务是从统计上保证用户的带宽。确保服务最具吸引力的是其实现机制较为简单，只要采用简单的标记和丢弃机制就能实现IP QoS。在发生拥塞时，确保服务通过控制丢弃优先级，提供了比"极力而为"服务更好的服务。确保服务的基本思路是：
边界路由器标记包，预约带宽内的标为IN，否则标为OUT。
发生拥塞时，Out包的丢弃率大于In包。
9.2 RIO（RED with In and Out?/strong>?
RIO的基本思想是：边界路由器监视每个进入网络的用户数据流，根据它们的服务规格对包进行标识，预约带宽以内的标为IN（in profile）， 超出的标为OUT（out profile）。在拥塞的路由器上，Out包被丢弃的概率要大于In包，从而在一定程度上保护In包。RIO的算法如图所示。
For each packet arrival
If it is an In packet
Calculate the average In queue size avg_in
Calculate the average queue size avg_total
If it is an In packet:
if min_in
RIO算法是基于RED算法的，但对RED算法进行了扩充，使其能在一个队列中管理In包和Out包，而不需要维持两个队列。因为如果维持两个队列，将会增加包的乱序，从而导致TCP性能降低或者增加延迟抖动。RIO有两套参数：一套是（min_in，max_in，max_in_p），用来计算In包的标记率；另一套是（min_out，max_out，max_out_p），用来计算Out包的标记率。可以通过选择这两套参数使得RIO增大Out包的丢包率，从而保护In包。一般来说，min_in>=max_out，max_out_p>max_in_p，并且In包的丢包率依赖于In包的平均队长avg_in，而Out包的丢包率依赖于总的平均队长avg_Q。这样，一旦RIO检测到早期拥塞，首先丢弃Out包，并且直到Out包全丢了，如果继续拥塞，才开始丢弃In包。
实际上，确保服务就是RIO方法的扩充。目前，绝大部分区分丢弃机制（differentiated drop mechanism）的研究都是基于RIO方法的。RIO已成为实现区分服务的一种简单有效的方法。
9.2.1 RIO性能分析
对确保服务而言，根据网络是否能够满足其规格要求的带宽可以分为"充分提供"（over-prov- isioned）和"不充分提供"（under-provisioned）两种情况。
保护TCP的吞吐量免受RTT影响：由于TCP的吞吐量是和RTT成反比。在网络不能充分提供的情况下，小RTT的连接能更块地增加拥塞窗口的大小，因而能更快地超过其规格要求，产生更多的Out包占用剩下的带宽。但是，这些小RTT连接的Out包并不能阻止大RTT连接的In包进入路由器队列，因而大RTT连接的吞吐量至少能在规格范围内得到保证。在网络充分提供的情况下，RIO能充分保证大RTT连接的吞吐量，但其获得的剩余带宽较少。
保护TCP流的吞吐量免受非适应流影响： 在网络充分提供的情况下，RIO能在规格范围内保护TCP流的吞吐量，但所有剩余带宽都被非适应流占用。在网络不能充分提供的情况下，也只有非适应流能达到其规格要求，但其并不能占用超过规格要求的资源。另外，RIO无需每流状态信息，简单易行。
基于同样的原因，Web类流也得到了较好的保护。由于在现在的Internet上，Web流已占总流量的50％，因此，部属基于RIO的确保服务也有其现实性。
事实上，在网络还有剩余带宽的情况下，RTT大小、包的尺寸、聚流中单流的数量、目标速度以及是否存在非适应流都会影响TCP流对剩余带宽的使用。另外，如果其它方面都相同，用户并不能按规格要求成比例地享用剩余带宽。
若网络带宽不能满足用户的规格要求，用户获得的性能也是更多的受到了TCP和RED在竞争的流之间分配带宽方式的影响而不是规格本身。但规格要求低的用户总能比规格要求高的用户更快地接近目标带宽。
9.3 带权重的RED（Weighted RED ）
WRED是CISCO公司提出的一种支持区分服务的AQM机制。与RIO一样，WRED基本思路也是在IP包头按照某种策略进行标记，丢包优先级基于该标记。WRED能支持8个独立的丢包优先级，每个级别配置一套独立的RED参数，如下图所示：
图7：WRED示意图1（交错型）
图8：WRED示意图2（重叠型）
WRED和RIO最主要的区别在于，WRED只使用一个平均队长来计算丢包率，而RIO需要两个。WRED计算平均队长和RED中一样，是基于队列中所有的包，而RIO除此以外还需要计算In包的平均队长。
WRED的参数设置有两种方式，一种是和RIO一样，称为交错型（staggered），每个级别都有一套参数（min_th(i)，max_th(i)，max_p(i)），并且满足max_th(i)
9.4 RIO和WRED性能的比较
RIO和RED都是基于RED的变种。事实上，根据RED阈值的套数、计算平均队列的机制可以将RED变种分为四类，如图5所示：
图9：RED变种
像WRED和RIO这类有多套阈值的RED变种可以统称为MRED（Multi-Level RED）。最常用实现区分服务的AF PHB的两种MRED便是RIO和WRED了。虽然这两种算法很相似，但在性能上还是有差别：
对ON-OFF突发流，RIO在保护低丢弃优先级的包方面优于WRED。
对短时（short lived）流，RIO的处理速度高于WRED。
在保护低丢弃优先级的包方面要达到同样的效果，WRED比RIO需要更大的阈值，这样就意味着延时的增加。
9.5 基于分类的阈值（Class-Based Thresholds CBT）
除了RIO和WRED，另一种可以来实现区分服务的AQM就是CBT。CBT的基本思想是基于一定的策略对业务进行分类，每一类都有一个阈值。CBT，和RED一样，通过平均队长来控制标记包的概率；不同之处在于，当一个包进入路由器时，首先要计算该类业务的平均队长，计算方法和RED中计算平均队长一样，如果平均队长大于该阈值，则丢弃包；否则，再按照RED算法进行丢包。
CBT实际上是一种资源预留机制，通过对不同的业务提供不同的阈值，就达到了为不同业务、不同用户提供不同服务质量的目的。CBT最大的缺陷在于，静态的资源预留机制不能适应动态的业务组成的变化。如果某类业务的组成成分发生急剧变化时，CBT的性能就会大大下降。改进的方法就是动态地设置每类业务地阈值，这个算法称为动态的CBT(Dynamic CBT)。DCBT需要维持每类业务的状态信息和跟踪其活跃流的数量，从而动态地调整阈值。
10 结束语
主动式队列管理AQM技术是IETF推荐的基于路由器拥塞控制的关键技术，它和TCP端到端的拥塞控制相结合，是解决目前Internet拥塞控制问题的一个主要途径。
不仅如此，在对IP QoS 呼声越来越高的今天，AQM也是实现QoS的重要机制。AQM不仅可以通过减小丢包率、端到端延迟、提高吞吐量等支持QoS，而且还可通过对不同业务实施不同的AQM机制来达到区分服务的目的。因此，AQM已经成为目前的研究热点之一。
公平性是AQM需要解决的一个重要问题。如何使路由器不增加过多的额外负担，又能够提高公平性，一直是困绕广大研究人员的一个难题。参数设置问题是AQM需要解决的另一主要问题。虽然目前也提出了一些解决方法，如ARED等，但并没有完全解决这类问题。
另外，目前的AQM机制研究基本上都是基于仿真，然后根据经验进行改进，缺乏有效的理论来指导。因此，还需要建立一套系统的理论体系来指导AQM技术的研究。
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