Internet實時業務的QoS機制

2019-11-03 09:00:49

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供稿：網友

劉麗娜1 曾興雯1 熊韜2

1. 西安電子科技大學西安710071

2. 中興通訊股份有限公司深圳518057

　　摘要本文針對Internet實時業務對延時和抖動的服務質量要求，闡述了幾種QoS解決機制，包括增加額外帶寬和IETF提出的一些QoS機制。從最早的IntServ/RSVP機制到DiffServ機制，并重點闡述了現今比較流行的MPLS機制。對于每種機制都從產生背景、主要思想、基本原理和優缺點等幾個方面做了分析,最后對ip QoS技術的發展前景做了展望。

　　關鍵詞服務質量QoS 實時業務 IntServ RSVP DiffServ MPLS TE

　　一、引言

　　近年來，隨著互聯網（Internet）的迅速發展,Internet已由單一的數據傳輸網向多業務承載網演進。以前那種以e-mail、文件傳輸等為主的單純的數據傳輸業務已遠遠不能滿足用戶的需求，一些實時應用如視頻點播（Video On Demand,VOD）、IP電話（Voice Over IP,VOIP）、遠程教學不斷涌現。這些實時業務的最大特點就是對時延和抖動非常敏感。對于這樣的服務質量（QoS）需求，Internet如何才能提供此類業務的QoS保證？

　　二、增加帶寬

　　伴隨著新業務的不斷涌現，勿庸置疑，增加帶寬將是最為簡單和有效的方式。尤其是近年來隨著密集波分復用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）技術的出現，帶寬的成本大幅度降低，核心網提供10Gbps的速率已不在話下。但是依據著名的Moore定律，應用對帶寬的需求正以指數級速度增長。更為重要的是，從歷史的角度來看，帶寬的有效性（availability）和帶寬的需求之間始終存在著一種滯后一步（lock_step）的關系。也就是說，當有效帶寬能滿足某一應用的需求時，更大帶寬需求的業務又將出現。

　　由此看來，額外的帶寬并不是對實時業務QoS的完整解決方案。有效的帶寬管理即帶寬的高效利用也是不容忽視的一面。

　　三、IntServ/RSVP機制和DiffServ機制

　　在Internet上承載實時業務對IP技術來說是一大挑戰。這是因為，Internet是基于IP技術的，而IP網絡承載實時應用有兩大缺陷。首先，IP技術本身是面向無連接的技術，IP網絡提供的業務僅是“盡力而為”的業務，網絡本身是不保證傳輸可靠性的。其次，TCP/IP協議體系中的TCP或UDP協議雖然對于Internet的傳統應用可以提供一定的容錯和糾錯功能，但對于實時業務來說，TCP的重傳機制顯得蒼白無力。拋開TCP建鏈和確認的時延不說，重傳引入的時延對于這些對時延極其敏感的實時業務來說是不能忍受的。而UDP本身就是不可靠的。因此，必須找到一個能夠在Internet上提供良好的QoS保證的方法。

　　多方組織和團體都提出了自己的解決方案，其中最為著名的是由因特網工程任務組（Internet Engineering Task Force ,IETF）的IntServ 小組和DiffServ小組提出的IntServ/RSVP機制和DiffServ機制。

　　1. IntServ/RSVP機制

　　IntServ/RSVP綜合服務體系結構模型是IETF IntServ小組于1994年提出的。其基本思想是一個應用要想獲得某種服務質量，必須在向網絡傳送流量之前請求網絡為其預留所需資源。這就要求會話開始之前，源端和目的端之間首先要建立一條鏈路。因此從某種意義上來說，IntServ/RSVP實際上是提供了一種類似于電路級（circuit level）的服務質量，理論上是可以實現完全的端到端QoS。

　　該模型中定義了三種服務類型：確保業務（Garanteed Service，GS，對帶寬、時延、丟包率提供定量的質量保證）、受控負載業務（Controlled_load Service，CS，提供一種網絡在欠載情況下的服務）和盡力而為業務（Best Effort，BE，基本沒有質量保證）。對于容許型實時業務屬于GS，非容許型實時業務屬于CS。為了實現上面的服務，IntServ定義了4個功能部件，網絡中的每個路由器都要實現這4個功能部件。

　　數據包分類器（Packet Classifier）：根據預制的一些規則，對進入路由器中的分組進行分類。

　　接入控制器(Admission Control)：基于用戶和網絡達成的網絡協議，對用戶的訪問進行一定的監視和控制，以利于保證雙方的共同利益。

　　分組調度器(Packet Scheduler)：基于一些調度算法，對分類的分組隊列進行調度。

　　RSVP PRocess：資源預留協議，通過信令完成對資源的申請、預定和解除。

　　RSVP協議采用信令方式完成資源的預留。發送主機首先向接收主機發送PATH路徑信息，該消息中包含了描述發送數據流的通信量規約Tspec。路由器接到PATH消息后直接轉發給有路由協議決定的下一跳。當接收主機收到PATH消息后以RESV預留消息作為回應。分組所需的服務質量類型及中間節點轉發分組所需的優先級參數都包含在RESV消息中。網絡的中間節點路由器就以該RESV為依據，為該分組分配鏈路帶寬和緩沖空間，同時維護該分組的狀態信息。為了適應網絡拓撲路由及QoS要求的變化，RSVP請求及路由器維護的狀態信息要做周期性的刷新。至此，預留通路就建立起來了。具有RSVP的結點收到分組，將分組分類，按照RSVP控制通路建立資源預留時的分組分類標準將該分組送到相應的輸出隊列中，并由轉發機制按一定的優先級算法轉發出去。

　　IntServ/RSVP模型是對提高Internet的QoS性能做出的最初嘗試。隨著基于Web的業務的出現，IntServ/RSVP逐漸暴露出弊端。第一，IntServ模型最初是為了保證視頻會議此類長生存期（long_lasting）的實時應用。對于一些隨機的突發性實時業務流來說,如果對每一個短暫的會話都啟動資源預留就有些得不償失了。第二，InterServ是典型的per_flow的模型，要求網絡中的每個節點維護與每個流相關的狀態信息，因而不利于網絡的擴容，可擴展性差。但是，對于接近主機處的網絡邊緣，流量相對較低，IntServ機制將會發揮其特長。

　　2. DiffServ機制

　　DiffServ區分服務模型很好地解決了IntServ擴展性問題但機理和IntServ截然不同。DiffServ采用邊緣監管、分配和業務優先級的結合，為不同QoS要求的應用分配不同的服務優先級，從而滿足不同業務的QoS要求。其基本思想是在網絡入口處，根據用戶和服務商（Internet Service Provider,ISP）簽訂的服務等級協定（Service Level Agreement,SLA），為應用的分組分配一個區分服務碼點（DiffServ Code Point，DSCP）。該機制重新命名了IPv4報頭的TOS域和IPv6包頭的TC域，統一定義為DS域。DS被分割為一個六比特的DSCP字段和一個兩比特的未用字段（Current Unused，CU）字段。每個DSCP值就對應了一種特定的服務等級。在網絡的核心處，路由器就根據該DSCP值來決定分組的逐跳行為（Per Hop Behavior，PHB）。具有相同DSCP值的數據包將接收相同的處理，這些處理構成行為聚合（Behavior Aggragate ，BA）。

　　DiffServ中提出了DiffServ域的概念。一個DiffServ域由許多路由器組成。處于域邊緣的路由器稱之為邊緣路由器（Edge Router，ER），處于域核心的路由器稱之為核心路由器（Core Router，CR）。DiffServ將針對單一流的復雜處理推向網絡的邊緣，由ER來完成數據包的分類和流量調節；CR不再維護節點的狀態信息，僅完成相應的PHB操作。因此，對于這種core-stateless方式的模型來說，具有很好的擴展性和伸縮性。

　　DiffServ中也定義了三種業務類型：快速轉發（Expedited Forwarding，EF，提供類似專線和租用線的業務，DSCP推薦值為101110）；保證轉發（Assured Forwarding，AF，提供比besteffort盡量好的業務，分四類，每類又定義了三種不同的丟棄優先級，共有12種推薦的碼點）；盡力而為業務（Best Effort，BE，DSCP推薦值為000000）。顯然，對于實時業務應采用EF類型。

　　DiffServ良好的伸縮性和易于實現的特點使其成為網絡核心處的首選機制。但是，由于IETF 僅僅提出了DiffServ在一個子網域內實現QoS的框架，對于大多數的交互式實時業務來說將無法保證絕對的端到端的QoS。

　　3. IntServ over DiffServ

　　為了最大限度地利用兩種機制的互補特性，IETF 提出了IntServ over DiffServ機制，試圖解決DiffServ的端到端QoS支持。該模型在網絡的邊緣處采用IntServ/RSVP機制，而在網絡的核心處采用DiffServ機制。

　　對于這種集成模型，關鍵在于域交界處的處理。這又將包括兩個方面：第一是控制面的資源預留，第二是數據面的服務類型映射即如何把一個IntServ服務類型的數據包分類映射為一個DiffServ的PHB。

　　首先來看資源預留的過程。有兩種模式，一種是靜態的資源供給，一種是動態的資源供給。在靜態模式下，DiffServ域對PATH消息和回傳的RESV消息做透明傳輸。只是RESV消息到達ER1時，將觸發接納控制，以決定DS域能否接收指定的flowspec。在動態模式下，Diffserv域中的每個節點都是標準的IntServ/RSVP節點，這樣DiffServ網絡是一個能感知RSVP的網絡。同時采取一些策略來決定哪些數據包由RSVP處理，哪些數據包由DiffServ處理。但到目前為止，動態的資源供給還沒有一個完善的解決方案。

　　對于服務類型的映射，IntServ中的GS業務可以完全映射為DiffServ中的EF PHB。對于CLS業務可映射為AF PHB。但是由于在DiffServ中AF又分為四類每類又有三種不同的丟包率。所以，需要在BR1處進行分類?？梢愿鶕ESV中的flowspec提供的參數漏桶深b和數據流的令牌速率r相比b/r分為四類，每一類和AF類相對應。

　　四、多業務標簽交換MPLS

　　多協議標簽交換（MPLS）最初并不是作為一個QoS的解決方案提出的，而是以一個新的轉發機制的角色出現的，來源于思科提出的Tag Switching 結構。其主要思想是將二層交換和三層路由有機結合，將二層的快速轉發引入第三層，大大提高了路由器的轉發性能。

　　如果說IntServ和DiffServ是從資源分配角度來保證QoS，那么MPLS更多地則是從優化整體網絡性能角度提供了實現QoS的支持，包括面向連接的QoS支持和流量工程兩個方面。

　　1. 面向連接的QoS支持

　　傳統的路由器網絡是基于逐跳路由的。也就是說，路由器需要對每一個到達的分組進行分組頭分析，然后才決定分組的下一跳；而在MPLS網絡中，對分組頭的分析檢查僅由網絡入口處的入口標簽邊緣路由器（Ingress LER，I-LER）處理。具體來說，分組進入MPLS網絡之前，控制層面的路由協議如開放最短路徑優先(Open Shortesr Path First，OSPF)建立網絡路由表，標記分發協議（Label Division Protocol，LDP）建立到目的網絡的標簽映射，將網絡層的路由信息直接映射到數據鏈路層的交換路徑上，進而建立起網絡層上的標記交換路徑(Label Switch Parh，LSP，該LSP可以終止于特定相鄰節點之間的特定鏈路上即基于逐跳的，也可以終止于網絡出口節點即顯示路由)。數據平面上I-LER確定分組所屬的轉發等價類（Forwarding Equivalent Class，FEC），完成標簽的映射和添加。核心處，標記交換路由器(LSR)只需根據標簽表切換標簽，用出標簽替換入標簽將分組逐級轉發給LSP上的下一跳路由器；網絡的出口處由出口標簽邊緣路由器額（Egress LER，E-LER）移除標簽。

　　由此看來，分組在轉發之前就已經有了一條源端到目的端的路徑LSP。該LSP類似于ATM中的虛電路，實際它就是發送主機到接收主機的中間節點序列。因此，MPLS實質上是一種面向連接的技術。

　　2. 流量工程

　　MPLS提供了一個面向連接的環境，非常有利于流量工程(Traffic Engineering，TE)的實現。所謂的流量工程是指對Internet業務量的測量、建模、描述、對上述信息的利用以及為達到特定的性能指標所使用的各種技術。MPLS 的流量工程側重于測量和控制。它通過對資源的合理配置，對路由過程的有效控制使得網絡資源可以得到最優的利用，在網絡的運行中使得LSP能夠自動地繞開網絡故障、網絡擁塞與網絡瓶頸。從而有利地緩解了由于某些資源過度使用而有些資源未被充分使用造成的延時，利于實現實時業務對延時和抖動的QoS要求。

　　在MPLS流量工程中一個重要技術就是約束路由也叫“QoS路由”。它是一種命令驅動并具有資源預留能力的路由算法，能夠和現有的Internet中的拓撲驅動的、逐跳的內部網關協議（Internal Gate Protocol，IGP）共存。它可以根據多個約束條件（可以是QoS約束條件也可以是其他策略性的約束條件）計算出所有的可能路徑并根據一定的優選策略選出一條最優的路徑，實現網絡性能的優化。

　　目前實現MPLS流量工程的控制協議有基于約束路由的標記分發協議CR-LDP和RSVP擴展。CR-LDP主要側重于對帶寬的控制；而RSVP擴展對標準的RSVP做了擴展：采用基于各種約束條件的顯示路由，其信令過程也不再面向各個主機之間，而是面向I-LER和E-LER之間，狀態信息的維護不再對單個的主機到主機的數據流而是對具有相同業務級別的一組數據流流量中繼（Trffic Trunk，TT）。RSVP擴展側重于對時延和抖動變化的控制,適用于實時業務。

　　3. DiffServ over MPLS

　　MPLS將面向連接引入到無連接的IP網絡層上，而且MPLS和DiffServ的相似性，決定了用MPLS網來承載DiffServ的可行性。用MPLS來承載DiffServ，改變了DiffServ無連接的PHB分組轉發方式，為實現端到端的QoS提供了基礎平臺。

　　DiffServ over MPLS中的I-LER不僅完成普通MPLS邊界路由器的功能，同時融合了DiffServ中的ER職能，完成標簽的封裝和流的類聚形成BA，并將BA映射到LSP上，完成對聚合流的監管和調度；LSR完成標簽轉發的同時，還需要對分組進行調度、丟棄和整形。由此看來，DiffServ over MPLS的關鍵是如何實現標記到PHB的映射。

　　對于標記到PHB的映射，RFC3270中提供了兩種映射方法，分別為L-LSP(Label-Infered-PSC LSP)和E-LSP(EXP-Infered-PSC LSP)。所謂的PSC（PHB Ssheduling Class）是指一類具有相同隊列處理要求的PHB。對于L-LSP，使用標記來標志各種PSC，而使用標記分組頭中的其他部分如EXP來標志分組的丟棄優先級；對于E-LSP，標記僅執行標準的MPLS功能，有標記封裝中的其他部分來標志各種PSC和丟棄優先級。例如使用EXP字段的三個比特來標記各種PSC和丟棄優先級的組合。但是由于EXP只有3位，從而限制了可以支持的PHB類型。在擴展的E-LSP中，使用EXP字段來標志某一分組為DiffServ分組，同時對標記范圍進行分配，每一PHB都將獲得一定數量的標記。最后使用標記值字段的最后三個比特與EXP字段結合相結合，從而和標準的6位DSCP編碼相對應。

　　五、結束語

　　Internet中蘊藏的商業利用價值和ISP的利益驅動使得IP QoS的解決成為或者將成為Internet與IP網絡發展的歷史轉折點。在眾多的解決機制中，MPLS是目前業界普遍看好的解決未來IP骨干網絡中QoS問題的基本技術。但是IP QoS的實現本身需要多層次和多平面的結合，各種機制的結合成為現今IP QoS實現和研究的重點。

　　
----《中國數據通信》