摘要 介绍了QoS的原理，重点描述了用IxNetwork 5.40实现二层和三层QoS的测试方法与步骤，总结了IxNetwork 5.40的5大优势特性。
1 引言
在同一个IP网络上同时传送数据、语音和视频等业务，就必须要考虑服务质量（QoS，Quality of Service）；因为高清视频、对时延要求很高的实时语音业务与对Web页面访问和文件传输的业务要求有很大的不同。
美国IXIA公司基于ViperCore技术的IxNetwork 5.40版本的发布，为2~3层测试技术和测试方法开创了新的起点和高度，本文重点介绍使用IxNetwork 5.40进行QoS的测试方法。
2 QoS测试
2.1 QoS概述
QoS可以在OSI模型的二层或者三层实现，主要QoS实现技术包括VLAN优先级（802.1p），IP优先TOS（IP Precedence）以及差分服务代码点（DSCP，Differentiated Services Code Points）。QoS实现的典型功能有：
（1）业务分类或分级：该功能主要在边缘路由器设备上实现，根据设定的规则将用户侧流量分发到预先设定好的流量类别里。
（2）拥塞控制管理：该功能主要应用于当网络发生拥塞时，网络转发设备采用队列调度算法将流量进行分类并根据优先级算法送达某些输出端口，每一种队列调度算法解决某一种流量问题，对网络性能有一定的影响。
（3）拥塞避免：该技术主要是实时监测网络流量大小，采用预警的方法在问题出现前避免网络拥塞；这种技术采用“预知”方法对高优先级的流量予以充分的网络吞吐量和利用率保证，并且具有最少的丢包率和最小的时延。
（4）流量策略和流量整形：流量策略主要根据承诺访问速率（CAR，Committed Access Rate）和最大峰值速率以管理流量；一旦业务超过其SLAs，超过的流量将会被消减或者丢弃。流量整形是采用延迟超过部分流量、平滑突发流量并避免不必要数据包丢失的办法来管理流量的。
（5）QoS信令优先：该技术是终端或者网络节点向其“邻居”请求对某种业务流量进行特别处理的一种方法，其对协调由其他QoS特性提供的流量控制技术非常有用，在网络端到端的QoS业务保障与配置方面扮演着重要角色。
QoS的目标是对需要进行业务保障的流量类型提供带宽保证机制，并在时延、抖动和减少数据包丢失方面进行控制，表1描述了这些网络特征。
表1 QoS管理的主要网络特征
IETF对IP网络提出了两种主要的QoS模型：综合服务（IntServ，Integrated Services）和差异化服务（Diffserv，Differentiated Services）。这两种模型包括了多种分类机制对各种业务流量进行优先对待，表2是两种最常见的QoS机制分类。
表2 IP网络的QoS机制
IntServ综合资源预留和流量控制机制对每个业务流进行特定处理，其定义了两类服务：有保证的服务：为端到端的分组排队的延时提供稳定的、数学上可证明的边界，使得提供保证延时和带宽的服务成为可能。另外一种是受控负载的服务。还有就是尽力服务：不提供任何类型的服务保证。而DiffServ模型采用流量控制技术对聚合流量进行管理与服务。
2.2 二层QoS测试
二层QoS是在OSI的第二层提供尽力服务或者分类服务（CoS，Class of Service）而不需要保留特别字段的设置，802.1p采用优先级（也称为分类服务）在数据链路层对流量进行优先级分类。802.1p采用以太网标签字段802.1Q的3个bit，定义了从0~7共8种不同的类别优先级的业务，图1是VLAN头字节的格式示意。
图1 以太网VLAN头字节格式示意
IEEE对上述8种优先级的业务设置和流量类型进行了推荐（见表3）。
表3 IEEE推荐的802.1p 8种优先级设置与流量类型
二层QoS通常在数据包被交换而不是被路由的接入网络和城域以太网设备上实现，相应的桥接设备/交换机仅检查二层数据包头儿不需要关心三层或者更高层的内容，这样可以减少数据包处理时间，提高效率。
测试设备的二层QoS，主要是验证被测设备输出队列的调度功能，大多数路由器和交换机厂商都实现了复杂的队列调度与规划机制处理不同优先级的数据包；不同VLAN优先级的流量被映射到不同的队列里面进行转发处理。吞吐量、丢包率、时延和抖动这4个关键性指标是必须要进行统计和计算的。IxNetwork的高级流量向导可以快速创建多种CoS值的数据流并且对每一条数据流进行实时性能统计，通过对每条流丢包、时延和抖动的实时分析，可以全面验证被测设备在各种QoS配置下的输出队列调度功能。
图2为典型的二层QoS测试示意图，本文以实际的IxNetwork配置举例说明。在该测试中，需要3个测试端口和被测设备或者网络相连，相应端口均被配置为“Trunk”端口。这些端口有一个优先级队列和两个WRR队列，这些队列映射和带宽分布所对应的CoS值参见表4。
图2 二层QoS测试拓扑示意
表4 队列映射和带宽分布所对应的CoS值
在测试方法上，二层流量从图中的左侧两个端口到右侧的一个端口，流量配置为VLAN优先级为0，4和5三种优先级，数据帧大小分别为512，1280和68模拟数据、视频和语音流量。IxNetwork配置中采用对3个VLAN优先级的流量进行追踪，创建的3条数据流的丢包、时延和抖动都可以实时显示。在测试过程中，开始可以产生较小的流量，接收端口不会拥塞丢包，随后可以增大流量造成拥塞，QoS设置生效，可以观察到低优先级的流量被丢弃。
图3是上述实例通过IxNetwork测试得到的结果显示，从上面可以看到，基于VLAN优先级的每条数据流性能指标都实时显示，低优先级的流量有较为严重的丢包。
图3 IxNetwork VLAN优先级数据流统计结果示意
IxNetwork同时还提供强大的问题定位功能，如果测试结果和预期不一致，可以通过IxNetwork所提供的分析功能进行问题查找，表5列出了在测试过程中可能遇到的两种问题以及解决方法。
表5 二层QoS测试过程中可能遇到的问题以及解决方法建议
2.3 三层QoS测试
三层QoS是在OSI模型的三层对流量进行分类和差异化处理，目前应用较多的是基于Diffserv模型，在这里也做重点介绍。Diffserv使用IP数据包（包括IPv4和IPv6）头的TOS字节进行优先级设置，目前有2种Diffserv的实现方式：
第一种是TOS/IP优先，TOS字节被分为3个不同的域，位0~2提供8种IP优先级；高优先级的会比低优先级的数据包有更少量的丢包；另外TOS域还对数据包提供不同时延、吞吐量和可靠性的服务（见图4）。
图4 IP TOS字段示意
TOS/IP优先级不仅定义了数据包的优先级，也可以指定同样优先级下数据包的丢弃原则。比如FTP和TELNET两种业务具有相同的优先级，但是在拥塞情况下，可以通过TOS/IP优先级指定FTP业务有更多的丢包。
第二种为差异化服务（见图5）。差异化服务有两个重要组成部分，一为数据包标记，IP TOS字节的前6位已经被重新定义为差分服务代码点（DSCP）值，这些DSCP值用于支持多达64种不同种类的流量优先级设置。具有相同DSCP值和方向的数据包称为行为聚集（BA，Behavior Aggregate）。另外一部分为每跳行为（PHB，Per Hop Behavior），其由网络节点对任意特定BA的数据包进行调度、排队、实施策略和流量整形，可以对不同的BA配置为不同的策略。
图5 IP TOS 差异化服务位（Bit）设置示意
下面的PHBs类型在Diffserv QoS机制下广泛应用。
（1）缺省PHB (Default PHB)，其定义DSCP值为000000，数据包被定义为该值表示可以提供尽力服务（Best Effort）。
（2）Class-Selector PHB，该PHB值是确保核TOS/IP优先级相兼容，DSCP值被标示为xxx000，这里的xxx和相应的IP优先级值一致。
（3）Expedited Forwarding PHB，该PHB为高优先级应用，比如VoIP提供少丢包、低时延、少抖动和保证带宽服务。
（4）Assured Forwarding PHB，该PHB定义了不同Bas可以指定为不同优先级以及数据包丢弃顺序的方法，对具有相同业务等级的不同数据包QoS控制也更加灵活，数据包的丢弃顺序可以设置为低、中和高3种。
IxNetwork不仅测试二层QoS非常方便，在设置和测试三层QoS方面，更是快速便捷，一般采用两个端口就可以实现该该测试（见图6），三种QoS优先级的数据流从端口1发出经过被测设备根据TOS优先级原则处理后到端口2进行实时分析。
图6 IXIA同时产生和分析超过百万条具有不同或者相同优先级的数据流示意
在操作IxNetwork进行三层QoS测试过程中遇到问题，可以参考表6。
表6 三层QoS测试过程中可能遇到的问题以及解决方法建议
3 结束语
基于ViperCore技术的IxNetwork 5.40，实现了目前业界最为强大2~3层性能测试的同时，为测试带来方便，提高了测试人员的效率，该版本有5大重要特点：互联网级别的业务模型仿真；灵活、多样的统计指标帮助快速定位故障所在；业界第一个控制层面和转发平面结合的“TrueView”收敛时间测试工具；电信级别的可扩展性，测试配置和实现效率最高；完整的端到端系统级别自动化支持。
目前，大部分可以升级该版本进行测试使用，并且IXIA专门针对各种应用技术开发了相应的测试方法学文档，具体可访问http://blackbook.ixiacom.com/ 或者联络IXIA工程师得到相应的操作技术资料。
