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下一代互聯網關鍵技術IP QoS(2)

2019-11-03 09:03:41
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供稿：網友

姜明


　　4.區分服務

　　區分服務簡介

　　DiffServ的最大特點就是簡單有效、擴展性強。其實施特點是采用聚合的機制將具有相同特性的若干業務流聚合起來，為整個聚合流提供服務，而不再面向單個業務流。也就是說在DiffServ網絡邊界路由器上保持每流狀態，核心路由器只負責數據包的轉發而不保持狀態信息。這種Core-Stateless結構有很強的擴展性。其基本實現方法是：

　　簡化網絡內部節點的服務機制。在網絡內部的核心路由器中只保存簡單的DSCP（DiffServ CodePoint）與PHB的對應機制，在數據流進入核心路由器時只根據數據包頭部DS（Differ- entiated Services）域中的DSCP進行轉發，而業務流狀態信息的保存與流監控機制的實現等都在網絡邊界節點進行，內部節點是狀態無關的。

　　聚合網絡內部核心路由器的服務對象。采用流聚集的方式進行傳輸控制，具有相同DSCP的業務流組成一個宏流（macro-flow），核心路由器的服務對象即是宏流而不是單流（micro-flow），單流信息只在網絡邊界節點保存和處理。

　　DiffServ大大降低了信令的工作，而將重點放在流聚集以及適用于全網業務等級的一套"逐跳行為"上。我們可以根據預先確定的規則對數據流進行分類，從而將多種應用數據流聚集為有限的幾種數據流等級。具體而言，邊界節點根據用戶的流規格（PRofile）和資源預留信息對業務流進行分類、整形、標記、聚合為不同的流聚集，流聚集信息包含在報文
　　實際上，按照DS域的標記，以相應方式提供不同質量的數據包轉發服務，也正是區分服務名字的由來。美國正在開展的下一代互聯網計劃Internet2便是選擇DiffServ作為其QoS策略。

　　區分服務的體系結構

　　雖然DiffServ仍在不斷的發展，一些標準仍在制定、完善之中，但經過幾年的發展，DiffServ的相關概念及模型已經比較成熟了，DiffServ體系結構也已經比較明確了。在此基礎上，與服務提供有關的問題，如DSCP的定義、PHB服務的定義等等已逐步完善。區分服務體系結構如圖3所示。

　　其中的DiffServ區域是由一些相連的DiffServ節點構成的集合，它們有統一的服務提供策略，且實現一致的PHB組，比如某個ISP的網絡或者內部網。每個DS區域通過邊界節點（boundary node）與非DS區域相連，根據不同的數據流傳輸方向，邊界節點可以分為入口節點和出口節點。

　　為了保證用戶能從ISP那里獲得所需要的服務質量，用戶必須和ISP之間簽訂有服務等級協定（Service Level Agreement, SLA），而ISP之間也必須建立業務流調節協定（Traffic Condition Agreement, TCA），SLA規范了ISP對客戶端網絡所支持的業務類別以及每種類別的業務流數量，TCA則規范了ISP之間的數據流應該滿足的一些約定。

　　這樣，當有數據流進入DS區域時，入口節點對其進行分類（classifier）、調節（condition），保存流（單流或聚流）的狀態信息，根據事先和用戶約定的流規格對流進行計量（metering）、標記（marking）、整形（sharping）、丟棄（dropping）等，以使輸入流符合SLA，同時在包頭標記DSCP值，并將其加入相應的行為聚集BA（Behavior Aggregate）。出口節點也可能需要對輸出流進行調節，以保證其與下游DS區域的TCA相符。

　　DiffServ區（region）則是由連續的DS區域構成。一個DS區內的DS區域可以支持不同的PHB組，并且各自區域的DSCP到PHB的映射函數也可能不相同。在不同的DS區域之間，必須對SLA和TCA進行調節，以協調彼此之間的服務語義。這樣，通過在上游DS區域和下游DS區域之間建立SLA或TCA，區分服務可以擴展到多個DS區域。


圖3 區分服務體系結構示意圖


　　在圖3中，我們假設客戶端網絡已經和ISP建立了相應的SLA，ISP之間也建立了TCA。如果客戶端網絡中的主機A向另一客戶端網絡的主機B發送數據流，則數據包在客戶端網絡中路由到達與它直接相連的ISP的網絡N1，邊界路由器E1根據用戶與ISP之間的SLA通過查看數據包的頭部信息對它進行分類、監控、標記以及整形，以使它符合SLA。被標記了DSCP的數據包在N1中傳輸，直到到達N1的出口節點。在N1的出口節點，邊界路由器根據N1與N2之間的TCA對業務流進行整形，使它符合N1與N2網絡之間的TCA。業務流依次通過中間的每個ISP，最后到達接收端所在的客戶端網絡。

　　區分服務標記域與區分服務標記DSCP

　　IP包頭部的區分服務標記域（DS Field）是DS區域邊界節點和內部節點傳輸流聚集信息的媒介，是內部核心路由器轉發報文的依據，是連接報文與轉發服務（PHB）的橋梁，也是邊界節點與其它DS區域根據TCA進行調節的依據。

　　DS標記域定義為IPv4頭部的TOS（Type of Service）字節或IPv6頭部的流類型（Traffic Class）字節。如圖4所示。其中DSCP（6bit）即為區分服務標記，CU（2bit）在本體系中沒有使用，IETF已將它定義為ECN（Explicit Congestion Notification，顯式擁塞指示）使用。對于不支持CU域的路由器，當決定所收到的報文的PHB時，將忽略CU的值；對于不支持該域的主機，在發送數據包的時候，將該域的值置零。下行節點則通過識別這個字段，獲取信息來處理到達輸入端口的數據包，并將它們正確地轉發給下一跳的路由器。



　　區分服務中的分類和調節機制

　　為了使用戶數據流符合SLA和TCA，邊界節點要對其進行分類和調節，因而從功能上可以分為兩個模塊：分類器（classifier）和調節器（conditioner），如圖5所示。



　　分類器根據數據包頭部的某些域（如DSCP或MF五元組）對數據包進行分類。目前定義了兩種類型的分類器：

　　行為聚集（Behavior Aggregate，BA）分類器：根據包頭的DSCP來對包進行分類。

　　多域（Multi-Field，MF）分類器：根據包頭部中多個域內容的組合來進行分類，如源地址、目標地址、DS域、協議標識、源端口號以及目標端口號等。

　　從功能上，調節器可分為計量器（meter）、標記器（marker）、整形器（sharper）和丟包器（dropper）。

　　計量器根據TCA中所規范的業務流要求測量被分類器所選定的業務流的某些實時屬性，并將所測量到的數據包的統計信息送往其它的調節功能模塊。

　　標記器設置報文的DS域為一特定的DSCP，并將標記了的包添加到一特定的DS行為聚集中。標記器可以將所有送入到它那兒的包標記為同一個DSCP值，也可以配置成根據計量器的統計信息將其標記為同一PHB組內的PHB所對應的DSCP值。

　　整形器和丟包器則通過延遲或丟棄業務流中的包使得業務流符合TCA流規范。

　　隨著對網絡業務流特性研究的深入發展，調節器的實現技術也日漸成熟，通常的做法是用令牌桶（token bucket）和漏斗桶（leaky bucket）等算法進行適當的組合。近來又提出了一種新的算法：基于時間滑動窗口（Time Slide Windows，TSW）的算法，它是通過計算數據包的平均到來速度來對包進行分類和標記。

　　在客戶端網絡與ISP建立的SLA有兩種形式：靜態SLA和動態SLA。靜態SLA根據具體的策略由網絡操作員事先確定客戶網絡所需要的網絡資源，并一直為客戶端網絡保留相應的資源，這樣，客戶端網絡在發送數據流的時候，并不需要向ISP申請網絡資源。顯然，這種SLA實現簡單，但缺乏靈活性，網絡資源利用率不高。動態SLA則相反，它提供了較強的靈活性。當客戶網絡需要發送數據時，它首先向ISP申請網絡資源，ISP根據客戶請求分配資源，并在邊界節點建立起相應的SLA。動態SLA可以使用帶寬代理（Bandwidth Broker, BB）（如圖6）或者RSVP來實現。



　　區分服務中的逐跳行為

　　逐跳行為PHB是一個DS節點調度轉發特定流聚集行為的外特性描述，本質上，PHB描述的是單個節點為特定流聚集分配資源的方式。IETF目前已經定義的PHB有：

　　加速型轉發（Expedited Forwarding，EF）：可使時延和時延抖動最小并且可以提供最高級的綜合QoS

　　確保型轉發（Assured Forwarding，AF）：超過流量規劃值的數據流，不會按照未超過規劃值時那么高的概率傳送。這意味著它可以被降級，但是不會被丟棄。

　　允許丟包的加速型轉發EFD：除了EFD允許丟包而EF幾乎沒有丟包外，EFD與EF的外特性幾乎相同。EFD的應用主要是在無線移動網絡中。

　　缺省型轉發 BE：相當于傳統的極力而為調度轉發行為的PHB。

　　準缺省型轉發 LBE：比BE優先級還要低的PHB行為，其作用是在擁塞時有比BE更高的丟包優先級，提高BE的性能。

　　區分服務的基本服務類型

　　與IntServ類似，Diff-Serv也定義了三種服務類型：

　　盡力而為的服務：類似于目前Internet上盡力而為的服務。

　　獎賞服務（Premium Services，PS）：為用戶提供低延遲、低抖動、低丟包率和保證帶寬的端到端或者網絡邊界到邊界的傳輸服務。PS是目前區分服務模型中定義的級別最高的服務種類。這種"三低一保證"的服務類似于傳統運營商網絡的專線業務，因此也稱為"虛擬專線"服務。

　　確保服務（Assured Services，AS）：確保服務是從統計上保證用戶的帶寬，其初衷是在網絡擁塞的情況下，也能保證用戶有一定量的預約帶寬。AS的著眼點是帶寬和丟包率，而不太注重延遲和抖動。AS最具吸引力的是其實現機制較為簡單，只要采用簡單的標記和丟棄機制就能實現IP QoS。在發生擁塞時，確保服務通過控制丟包優先級，提供了比"盡力而為"服務更好的服務。確保服務的基本思路是：

　　邊界路由器對進入DS域的數據包進行標記，預約帶寬內的包標為IN（in profile），否則標為OUT（out profile）。

　　發生擁塞時，核心路由器根據包頭的標記決定丟包概率，Out包的丟棄概率大于In包。從而在統計意義上上保證用戶的預約帶寬。

　　目前，獎賞服務已經比較成熟、穩定，而確保服務仍然處于發展之中，其焦點主要集中在如何保證聚流之間的個公平性以及聚流內各單流之間的公平性，這主要是由于Internet上數據流的特性引起的。研究表明，現有的確保服務方案并不能真正確保用戶得到的服務，因此，如何使得確保服務能夠真正起到確保的作用，還有待進一步研究。

　　關于作者:姜明，計算機專業博士研究生。主要研究方向為網絡體系結構、網絡QoS。非常高興能夠與廣大同行就IP QoS及IPv6協議方面的相關問題進行切磋，歡迎大家對本文多提寶貴意見，我的Email是：jiangmingcc@163.com。

　　
摘自　賽迪網

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