網(wǎng)絡(luò)QoS在船舶局域網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)

田向陽(yáng)　劉漩

摘要：本文介紹了網(wǎng)絡(luò)QoS的概念、作用和分類(lèi)，討論了船舶局域網(wǎng)的組成及業(yè)務(wù)類(lèi)型，最后給出區(qū)分服務(wù)模型QoS在船舶局域網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：船舶局域網(wǎng)；服務(wù)質(zhì)量；區(qū)分服務(wù)模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393.02 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）01-0037-02

船舶在海上航行過(guò)程中，需要進(jìn)行內(nèi)部通信并時(shí)刻同外界保持聯(lián)系，以進(jìn)行協(xié)同工作和獲取需要的信息，IP網(wǎng)絡(luò)通信由于其靈活、方便、多樣化成為了船舶內(nèi)部通信的重要的手段，隨著衛(wèi)星通信設(shè)備在船舶上的配置，船舶IP網(wǎng)絡(luò)得以同外界聯(lián)接，IP網(wǎng)絡(luò)通信也成為了一個(gè)重要的與外界通信的手段[1]。在目前階段，大多數(shù)船舶IP網(wǎng)絡(luò)中所有的報(bào)文都被無(wú)區(qū)別地等同對(duì)待。即每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)所有的報(bào)文均采用先入先出的策略進(jìn)行處理，依照?qǐng)?bào)文到達(dá)時(shí)間的先后次序分配所需的資源，盡最大的努力將報(bào)文送到目的地。對(duì)報(bào)文傳送的可靠性、傳送延遲、丟包率等性能都不提供任何保證，所以?xún)H適用于對(duì)這些性能不敏感的普通服務(wù)，如網(wǎng)頁(yè)瀏覽、文件下載、電子政務(wù)等等[2]。

但對(duì)隨著諸如IP電話(huà)、數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、圖像等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)類(lèi)型的增加，需要一種可以為不同類(lèi)型業(yè)務(wù)流提供差分服務(wù)等級(jí)的技術(shù)來(lái)對(duì)流量進(jìn)行調(diào)控，避免并管理網(wǎng)絡(luò)擁塞，減少報(bào)文的丟棄率，即QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）[3]。

1 QoS簡(jiǎn)述

QoS是網(wǎng)絡(luò)的一種安全機(jī)制，用來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)延遲和阻塞等問(wèn)題的一種技術(shù)。無(wú)論網(wǎng)絡(luò)帶寬有多少，在某些時(shí)刻帶寬資源總會(huì)不夠，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞的時(shí)候，所有的數(shù)據(jù)包都有可能被丟棄，而有些數(shù)據(jù)包極為重要不能被丟棄，這就需要網(wǎng)絡(luò)能根據(jù)用戶(hù)的要求分配和調(diào)度資源，對(duì)不同數(shù)據(jù)包提供不同的服務(wù)質(zhì)量：對(duì)實(shí)用性強(qiáng)且重要的數(shù)據(jù)報(bào)文優(yōu)先處理；對(duì)于實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的普通數(shù)據(jù)報(bào)文，提供較低的處理優(yōu)先級(jí)。配置了QoS的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，增加了網(wǎng)絡(luò)性能的可預(yù)知性，并能夠有效的分配網(wǎng)絡(luò)帶寬，更加合理的利用網(wǎng)絡(luò)資源[4-7]。

QoS具有三種服務(wù)模型：盡力而為服務(wù)模型（Best-Effort）、綜合服務(wù)模型（Int-Serv）和區(qū)分服務(wù)模型（Diff-Serv）[8]。

盡力而為服務(wù)模型是最簡(jiǎn)單的服務(wù)模型，網(wǎng)絡(luò)盡最大可能性來(lái)發(fā)送報(bào)文，不考慮延時(shí)和可靠性的問(wèn)題，它是網(wǎng)絡(luò)默認(rèn)的服務(wù)模型。

綜合服務(wù)模型使用資源預(yù)留協(xié)議（RSVP），可以滿(mǎn)足多種需求。RSVP協(xié)議運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)設(shè)備上，可以監(jiān)測(cè)每一個(gè)數(shù)據(jù)流，保證每一項(xiàng)服務(wù)的質(zhì)量。但該模型對(duì)設(shè)備要求很高且可擴(kuò)展性很差。

區(qū)分服務(wù)模型是一個(gè)多服務(wù)模型，它通過(guò)為不同的業(yè)務(wù)流標(biāo)記不同的優(yōu)先級(jí)來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

2 船舶局域網(wǎng)

船舶局域網(wǎng)是指由船舶內(nèi)計(jì)算機(jī)、安保監(jiān)控設(shè)備、視頻會(huì)議系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸、服務(wù)器等設(shè)備相互連接的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。船舶上各部門(mén)、單位可以通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)系，并且可通過(guò)衛(wèi)星通信系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接，從而達(dá)到與外界溝通的功能[9]。其組成示意圖如圖1所示。

3 船舶局域網(wǎng)區(qū)QoS部署原則

根據(jù)各部門(mén)的數(shù)據(jù)傳輸需求，摸清接入局域網(wǎng)的信息終端類(lèi)型和數(shù)量，在接入點(diǎn)進(jìn)行配置，保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的帶寬，限制低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)（尤其是公共信息業(yè)務(wù)）的帶寬，并在衛(wèi)星信道出口限制業(yè)務(wù)信息總帶寬。

船舶局域網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量保障策略采用區(qū)分服務(wù)模型，采用復(fù)雜流策略配置與管理，主要包括業(yè)務(wù)分類(lèi)、優(yōu)先級(jí)標(biāo)識(shí)、流量管理和隊(duì)列調(diào)度機(jī)制。

3.1 業(yè)務(wù)分類(lèi)

典型的業(yè)務(wù)分類(lèi)有兩種方式：

（1）基于IP五元組信息進(jìn)行報(bào)文分類(lèi)：對(duì)于非分片報(bào)文（IP包長(zhǎng)不大于1500Byte）采用基于IP五元組的流分類(lèi)方法。

（2）基于源IP地址和目的IP地址兩元組進(jìn)行報(bào)文分類(lèi)：對(duì)于分片報(bào)文（IP包長(zhǎng)大于1500Byte）采用基于兩元組的流分類(lèi)方式。

UDP分片后只有首片包攜帶UDP頭，尾片包只有IP頭，因此對(duì)于分片報(bào)文只能采用兩元組的分類(lèi)方法，如果采用五元組分類(lèi)，則會(huì)導(dǎo)致只有首片符合條件[10]。在視頻圖像傳輸、IP電話(huà)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用時(shí)，需要注意。

3.2 優(yōu)先級(jí)標(biāo)識(shí)

優(yōu)先級(jí)標(biāo)識(shí)可以通過(guò)兩種方式獲得，一種是通過(guò)信任報(bào)文自帶的優(yōu)先級(jí)標(biāo)識(shí)，一種是對(duì)報(bào)文的優(yōu)先級(jí)字段進(jìn)行重標(biāo)記。在實(shí)際應(yīng)用中，兩種方式應(yīng)該結(jié)合使用。

在網(wǎng)絡(luò)的邊界節(jié)點(diǎn)設(shè)備需要對(duì)進(jìn)入的報(bào)文進(jìn)行優(yōu)先級(jí)重標(biāo)記，目的是為了防止應(yīng)用程序發(fā)出的報(bào)文自帶高優(yōu)先級(jí)標(biāo)識(shí)從而得到非法的QoS保證。重標(biāo)記是對(duì)報(bào)文的優(yōu)先級(jí)字段進(jìn)行設(shè)置。在不同的網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文使用不同的優(yōu)先級(jí)字段，船舶局域網(wǎng)中統(tǒng)一采用DSCP（Differentiated Services Code Point，差分服務(wù)代碼點(diǎn)）優(yōu)先級(jí)標(biāo)識(shí)。

網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)設(shè)備對(duì)邊界節(jié)點(diǎn)所標(biāo)記的優(yōu)先級(jí)標(biāo)識(shí)采用優(yōu)先級(jí)信任機(jī)制，提供相應(yīng)等級(jí)的QoS服務(wù)。

3.3 流量管理

流量管理是指對(duì)報(bào)文進(jìn)行控制，通過(guò)監(jiān)督進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文速率，對(duì)超出限制的報(bào)文進(jìn)行丟棄，使進(jìn)入的報(bào)文被限制在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)，從而保護(hù)網(wǎng)絡(luò)資源。

在網(wǎng)絡(luò)的邊界節(jié)點(diǎn)設(shè)備（即與衛(wèi)通系統(tǒng)相連的路由器）需要對(duì)進(jìn)入的報(bào)文進(jìn)行流量管理，流量管理的原則是對(duì)接入網(wǎng)絡(luò)的高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)流量進(jìn)行控制，使每條高優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)都有合適的帶寬保證，互相之間不會(huì)競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)采用盡力而為的傳輸方式。

3.4 隊(duì)列調(diào)度

在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，隊(duì)列調(diào)度機(jī)制的采用取決于流量監(jiān)管方式，在船舶局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，由于只對(duì)高優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)限速，保證高優(yōu)先業(yè)務(wù)足夠的帶寬使用空間，因此隊(duì)列調(diào)度采用優(yōu)先級(jí)隊(duì)列（Priority Queue，簡(jiǎn)寫(xiě)PQ）方式。

4 船舶局域網(wǎng)QoS部署方法

船舶局域網(wǎng)QoS部署方法原理如圖2所示。

（1）在業(yè)務(wù)接入的交換機(jī)入口，根據(jù)源IP地址進(jìn)行流分類(lèi)，標(biāo)記業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)，生成對(duì)應(yīng)流行為及流策略，并應(yīng)用到對(duì)應(yīng)端口；對(duì)業(yè)務(wù)流量進(jìn)行監(jiān)管，按照此接入交換機(jī)接入的用戶(hù)業(yè)務(wù)類(lèi)型和數(shù)量進(jìn)行帶寬預(yù)留和限制。

（2）在上流交換機(jī)（匯聚和核心交換機(jī)）的入口設(shè)置信任上行業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)。

（3）在核心交換機(jī)的出口設(shè)置PQ隊(duì)列，實(shí)行嚴(yán)格的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列管理。

（4）在路由器出口進(jìn)行分層服務(wù)質(zhì)量（Hierarchical Quality of Service，即HQoS）配置，限制出口總帶寬。

（5）在交換機(jī)間互聯(lián)鏈路接口上，根據(jù)業(yè)務(wù)類(lèi)型、業(yè)務(wù)方向，在流入端口/接入VLAN上啟動(dòng)服務(wù)務(wù)分級(jí)和帶寬限制；在流出端口啟動(dòng)pq隊(duì)列，必要時(shí)限制帶寬。

5 船舶局域網(wǎng)QoS部署操作步驟

對(duì)船舶局域網(wǎng)進(jìn)行QoS配置是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，下面是該配置過(guò)程的需要的步驟。

配置流分類(lèi)

（1）配置流分類(lèi)：標(biāo)記數(shù)據(jù)流后，創(chuàng)建流分類(lèi)并根據(jù)實(shí)際情況選擇配置流分類(lèi)中的匹配規(guī)則。

（2）配置流行為：進(jìn)行報(bào)文過(guò)濾、重標(biāo)記、重定向、流量監(jiān)管、流鏡像和流量統(tǒng)計(jì)。

（3）配置流策略：通過(guò)配置流策略，將流分類(lèi)和流行為綁定起來(lái)，形成完整的策略。

（4）配應(yīng)用流策略：綁定了流分類(lèi)和流行為的完成流策略可以應(yīng)用到核心交換機(jī)全局、接口、vlan上，實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同業(yè)務(wù)的差分服務(wù)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文討論了船舶局域網(wǎng)的組成和業(yè)務(wù)類(lèi)比，并根據(jù)船舶實(shí)際情況確定了該網(wǎng)絡(luò)采用基于區(qū)分服務(wù)模型的QoS進(jìn)行配置，該方法可以保證船舶局域網(wǎng)重要業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用意義。

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