计算机网络中的服务质量保障技术研究.pdf

169 Vol.40,No.2February,2024第 40 卷第 2 期2024 年 2 月IT REPORT0 前言计算机网络已经成为现代社会不可或缺的一部分，支撑着各种日常生活和商业活动。随着网络的不断发展和普及，人们对网络性能和服务质量的需求也不断增加。在一个高度互联的世界中，网络通信的质量保障变得至关重要。服务质量保障技术，旨在确保网络在各种情况下都能提供可靠的性能，以满足用户和应用程序的需求。因此，进行计算机网络中的服务质量保障技术研究具有十分重要的现实意义。1 计算机网络服务质量概述1.1 服务质量的定义服务质量（Quality of Service，QoS）是计算机网络和通信领域的重要概念，它涉及到网络上的数据传输和通计算机网络中的服务质量保障技术研究李可（宁波职业技术学院，浙江宁波315800）摘要：计算机网络在现代社会中扮演着不可或缺的角色，已经成为信息传输和数据交流的核心基础设施。为了满足不同应用场景和用户的性能需求，服务质量保障技术应运而生。本文对计算机网络服务质量进行了一定论述，明确了其定义、重要性以及质量指标，在此基础上，分别从流量管理技术、拥塞控制技术以及服务分级和分类等方面探讨了计算机网络服务质量保障技术，有助于推动服务质量保障技术在计算机网络中应用的不断深入，进而提高网络服务质量。关键词：计算机网络；服务质量；保障中图分类号：TP393.0文献标志码：A文章编号：1672-4739（2024）02-0169-03Research on Service Quality Assurance Technology in Computer NetworksLI Ke（Ningbo Polytechnic,Ningbo 315800,China）Abstract：Computer networks play an indispensable role in modern society and have become the core infrastructure for information transmission and data exchange.In order to meet the performance needs of different application scenarios and users,service quality assurance technology has emerged.This article provides a certain discussion on the quality of computer network services,clarifying its definition,importance,and quality indicators.Based on this,it explores computer network service quality assurance technologies from the perspectives of traffic management technology,congestion control technology,and service classification and classification.This helps to promote the continuous deepening of the application of service quality assurance technology in computer networks and improve network service quality.Keywords：computer network；service quality；guarantee信服务的性能、可用性以及用户体验。QoS 的核心概念在于确保网络能够满足不同应用和用户的性能需求，从而提供一种有质量的通信服务。1.2 服务质量在计算机网络中的重要性在互联网时代，计算机网络不仅仅是数据传输的工具，还承载着各种多样化的应用和服务，如实时视频通话、在线游戏、远程医疗和云计算等。因此，QoS 成为了确保这些应用能够顺利运行和用户能够获得良好体验的关键所在。首先，QoS 有助于满足不同应用的性能需求。不同应用对网络性能的要求各不相同，例如，实时音视频通信需要低延迟和低丢包率，而文件下载可能更关心带宽。通过实施 QoS 策略，网络管理员可以根据不同应用的需求分配适当的网络资源，以确保它们能够正常运行。其次，QoS 可以提高网络的可用性和可靠性。网络拥塞、丢包和高延迟可能导致应用中断或服务质量下降。通过实施 QoS措施，网络可以更好地应对这些挑战，确保数据传输的稳定性，减少中断和故障。最后，QoS 还有助于提高网络效率。合理的 QoS 策略可以防止网络过度利用，减少不必要的浪费，提高网络的资源利用率。这对于网络运营商和收稿日期：2024-01-11作者简介：李可（1978.12-），男，汉族，吉林舒兰人，本科，讲师，研究方向：计算机网络。170 Vol.40,No.2February,2024第 40 卷第 2 期2024 年 2 月IT REPORT企业来说尤为重要，因为它们需要在有限的资源下为大量用户提供服务。1.3 计算机网络服务质量指标（1）带宽（Bandwidth）。带宽是网络连接能够传输数据的速率，通常以每秒传输的位数或字节数来度量。更高的带宽意味着网络可以同时处理更多的数据流量，从而提供更快的下载和上传速度。带宽通常以比特每秒（bps）、千兆比特每秒（Gbps）或兆比特每秒（Mbps）来表示。（2）延迟（Latency）。延迟是从数据包发送到到达目标的时间延迟。它通常包括以下几种类型：传播延迟，信号在传输介质中传播所需的时间，取决于介质的速度和距离；传输延迟，数据包从发送方到接收方所需的时间，通常与带宽相关；排队延迟，数据包在网络中等待传输的时间，取决于网络拥塞程度。（3）抖动（Jitter）。抖动是指数据包到达目标的时间间隔的变化或不稳定性。对于实时应用程序（如 VoIP和视频通话）来说，较小的抖动很重要，因为它可以影响声音和视频的流畅性。（4）丢包率（Packet Loss Rate）。丢包率是指在数据传输过程中丢失的数据包的百分比。高丢包率可能导致数据重传和降低服务质量。（5）吞吐量（Throughput）。吞吐量是网络上实际可用的带宽，考虑了网络拥塞、协议开销和其他因素。它表示网络在一段时间内可以传输的实际数据量1。2 计算机网络服务质量保障技术2.1 流量管理技术2.1.1 流量调度和排队算法流量调度和排队算法的主要目标是优化网络资源的使用，减少延迟，提高带宽利用率，并确保不同类型的数据流量能够按照其优先级得到适当的处理。流量调度算法负责决定数据包在网络中的传输顺序和路径。它可以基于多种因素来进行决策，如数据包的优先级、目标地址、带宽要求等。一些常见的流量调度算法包括最短路径优先（Shortest Path First，SPF）、加权最短路径优先（Weighted Shortest Path First，WSPF）以及多路径路由算法。这些算法根据不同的需求和网络拓扑来选择最佳的传输路径，以确保数据包能够高效地到达目的地。排队算法则处理了在网络节点处等待传输的数据包。它们根据排队策略来确定哪些数据包应该被传输，以及它们的传输顺序。一些常见的排队算法包括先进先出（First-In-First-Out，FIFO）、优先级队列、公平队列等。这些算法可以根据不同的服务质量需求和服务级别来对数据包进行排队，以确保高优先级的数据包被优先处理，从而提高服务质量。2.1.2 带宽管理和分配带宽管理和分配涉及到如何有效地管理和分配网络中的带宽资源，以满足不同应用和用户的需求。在当今的网络环境中，带宽管理变得越来越重要，特别是在面临多样化的流量和不同服务质量要求的情况下。带宽管理的主要目标之一是确保网络资源的公平分配。这意味着不同用户和应用程序应该能够公平地分享可用的带宽，而不会因为某个用户或应用的高带宽需求而占用过多资源，导致其他用户的服务质量下降。为了实现这一目标，带宽管理系统通常采用流量控制和流量调整的策略，以动态地分配带宽。另一个关键目标是根据不同应用的需求来分配带宽。不同类型的应用，如实时音视频通信、在线游戏、文件下载等，对带宽的需求差异很大。带宽管理系统需要能够识别和分类不同类型的流量，并为其分配适当的带宽资源，以确保高优先级的应用获得足够的带宽来提供稳定的服务。同时，带宽管理还涉及到流量调度和拥塞控制。流量调度算法用于确定哪些数据包应该被传输，以及它们的传输顺序，从而最大程度地利用可用的带宽资源。而拥塞控制则是在网络拥塞情况下，通过减少传输速率或采取其他措施来避免网络性能的下降2。2.2 拥塞控制技术2.2.1 传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）拥塞控制算法TCP/IP 拥塞控制算法的主要目标是确保网络中的数据传输在高负载和拥塞情况下仍能保持有效和可靠。TCP/IP 协议是互联网通信的基础，因此拥塞控制对于维持网络的稳定性和性能至关重要。TCP/IP 拥塞控制算法的核心原则之一是拥塞窗口管理。TCP 协议使用窗口来控制发送方和接收方之间的数据传输速率。在拥塞控制中，发送方会根据网络的拥塞程度动态调整发送窗口的大小。当网络出现拥塞时，发送方会减小发送窗口的大小，以降低发送速率，从而减轻网络负载。反之，当网络拥塞情况改善时，发送方会逐渐增加发送窗口的大小，以提高数据传输速率。TCP/IP 拥塞控制算法还包括拥塞避免和拥塞检测机制。拥塞避免是一种通过适当地调整发送速率来避免拥塞发生的策略，通常采用慢启动和拥塞避免算法来实现。拥塞检测机制则用于识别拥塞的发生，通常依赖于丢包和延迟等指标来判断网络是否出现了拥塞。除了传统的 TCP/IP 拥塞控制算法，还有一些改进和优化的算法，如 TCP Vegas、TCP Reno 等，它们针对不同网络环境和应用场景提供了更精细的拥塞控制策略。2.2.2 主动队列管理（Active Queue Management，AQM）AQM 旨在更加智能和主动地管理网络中的数据包队列，以减少拥塞的发生和缓解已经发生的拥塞情况。AQM 技术通常用于路由器和交换机等网络设备上，以确保网络的高性能和低延迟。AQM 的关键思想是在数据包进入队列之前，根据当前网络的拥塞情况对数据包进行筛选和处理。最常用 的 AQM 算 法 之 一 是 随 机 早 期 检 测（Random Early Detection，RED），它通过监测队列中的平均队列长度和丢包率来判断网络的拥塞程度。当队列长度接近临界值时，RED 会开始随机丢弃部分数据包，以减轻网络负载，避 171 Vol.40,No.2February,2024第 40 卷第 2 期2024 年 2 月IT REPORT免拥塞的发生。AQM 技术的另一个重要组成部分是主动排队调整（Active Queue Synchronization，AQS）。AQS允许网络设备主动通信，以协调流量的进入和处理速率。通过与其他设备协同工作，AQS 可以更好地管理整个网络的拥塞情况，而不是仅仅依靠单个设备的拥塞控制策略。AQM 技术的应用有助于改善网络的性能和服务质量。它可以降低数据包的排队延迟，减少丢包率，提高网络的稳定性。同时，AQM 还有助于避免全局性的拥塞传播，从而维护整个网络的平稳运行3。2.3 服务分级和分类2.3.1 差异化服务（Differentiated Services，DiffServ）和集成服务（Integrated Services，IntServ）首先，DiffServ 是一种基于网络层的服务分级和分类技术。它使用了 IPv4 和 IPv6 数据包头中的 DiffServ 字段，以将数据流划分为不同的类别，每个类别都有不同的服务质量标记（QoS）。网络设备可以根据这些标记来识别数据流，并根据其优先级进行处理。通过 DiffServ，网络管理员可以轻松地为关键应用程序分配更高的带宽和更低的延迟，同时确保次要流量不会影响关键流量的性能。这种服务分级方法可以有效地管理网络拥塞，并提供一定程度的服务质量保障。其次，IntServ 是一种更为精确的服务质量保障技术，它在传输层或应用层使用。IntServ 通过使用 Resource Reservation Protocol（RSVP）来为特定数据流分配网络资源。这意味着应用程序可以明确请求网络为其保留带宽和资源，以确保实时或关键性数据的传输。虽然 IntServ提供了更精确的服务质量控制，但它需要更多的网络资源和复杂的管理，因此在大规模网络中可能不太实际。2.3.2 服务级别协议（Service Level Agreement，SLA）和策略制定首先，SLA 是一种合同或协议，明确规定了网络服务提供商（ISP）或服务提供商与其客户之间的服务质量承诺。SLA 中包括了一系列关于服务质量的具体参数和指标，例如带宽、延迟、丢包率等。客户和服务提供商都必须遵守 SLA 中的规定，以确保所提供的网络服务达到预期的水平。SLA 可以帮助客户和服务提供商之间建立信任关系，同时也为网络管理者提供了一种监测和评估服务质量的方式。其次，策略制定是一种用于定义如何处理不同数据流的方法。这些策略可以根据不同的应用程序、用户或数据流类型来制定，以确保网络资源得到最佳的利用。策略制定可以包括流量分类、优先级分配、流量限制等操作，这些操作可以基于策略引擎或策略控制器来执行。通过制定明晰的策略，网络管理员可以更好地控制和管理网络流量，确保关键数据得到适当的处理，从而提高整体的服务质量4。2.4 基于流的服务质量保障2.4.1 多协议标签交换（Multiprotocol Label Switching，MPLS）MPLS 是一种网络协议，它允许网络管理员将标签（Label）分配给数据包，以便在网络中进行高效的路由和传输。这些标签用于标识特定数据流或数据包，并使网络设备能够更快速、更可靠地将它们从源到目的地传送。MPLS 的一个关键优点是其能够为不同的数据流分配不同的服务质量参数，例如带宽、延迟和丢包率。通过使用MPLS，网络管理员可以实现基于流的服务质量保障，确保关键数据流得到高优先级处理，同时避免拥塞和网络性能下降。此外，MPLS 还支持虚拟专用网络（VPN）的实现，这使得不同的用户或组织可以在共享的网络基础设施上建立私有网络，从而进一步增强了网络的灵活性和安全性。MPLS 技术在企业网络、云服务提供商和电信运营商等领域得到广泛应用，为基于流的服务质量保障提供了可行的解决方案。2.4.2 流量控制技术（Differentiated Services Traffic Engineering，DS-TE）DS-TE）是一种基于流的服务质量保障技术，它建立在 Differentiated Services（DiffServ）体系的基础之上，旨在为不同的数据流提供不同的服务级别和流量工程控制。DS-TE 的核心概念是使用 DiffServ 标记来对不同数据流进行分类，并在网络中为这些流量类别分配相应的资源。这种分类和资源分配的方法允许网络管理员根据业务需求和性能要求来定义不同的服务级别。通过 DS-TE，管理员可以为关键数据流提供更高的带宽、更低的延迟和更低的丢包率，从而确保这些流量得到高质量的传输。DS-TE 还包括流量工程控制，它允许管理员在网络中实施路由和路径选择策略，以最大化网络资源的利用率和性能。这意味着管理员可以通过调整路由路径来避免拥塞，并根据需求来分配带宽。这使得 DS-TE 成为一种强大的工具，用于优化网络性能并提供可靠的服务5。3 结语综上所述，QoS 技术在计算机网络中扮演着不可或缺的角色，它不仅关系到用户的网络体验，还关系到网络的可靠性和稳定性。通过不断研究和改进 QoS 技术，可以为用户提供更好的网络服务，推动网络技术的发展，助力数字化时代的进步。参考文献：1 雷嘉诺.计算机网络服务质量优化方法的研究J.自动化应用,2023,64(16):219-221+224.2张涛.计算机网络服务质量优化方法研究J.无线互联科技,2022,19(10):16-17.3黄琳峰.分析计算机网络服务质量(QoS)的理论J.数字通信世界,2020,(09):95-96.4 田巍.探讨计算机网络服务质量优化策略J.信息记录材料,2020,21(07):208-209.5 吕群巍,尹文明.关于计算机网络服务质量的优化方法分析J.无线互联科技,2020,17(12):51-52.