IP網絡中的QoS研究

2019-11-03 09:05:48

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供稿：網友

馬秀芳　時和平　西安通信學院

　　【摘要】本文簡要介紹了IETF建議的綜合服務（Int－serv）／RSVP、差分服務（Diff－serv）、多協議標記交換MPLS、業務流量工程TE等幾種ip網絡QoS保證方案的工作原理，并介紹了流量管理的過程和MPLS流量管理的概念。

　　關鍵詞：QoS　RSVP　Int－serv　Diff－serv　MPLS　TE

1　引言

　　QoS（Quality of Service）即服務質量是一個綜合指標，用于衡量使用一個服務的滿意程度。隨著Internet規模的不斷增長，IP網上出現了大量的實時業務。由于實時業務對網絡的傳輸延時、延時抖動等特性較為敏感，因此這些實時業務的出現暴露了IP網絡技術的兩個重要缺陷：一個是傳統IP路由技術的吞吐量不高，這可以隨著ASIC技術的進步，通過設計專用硬件來解決；另一個就是傳統IP沒有服務質量QoS保證，這與計算機網絡產生之初只是為傳輸簡單的數據業務，因而采用面向無連接的服務有關。IP網絡不能保證業務特定的QoS要求已經成為IP網絡向寬帶綜合服務網絡發展的巨大障礙。有人提出可以用增大帶寬來解決QoS問題，然而由于應用的需求是無止境的，因此不管網絡有多大的帶寬都有可能耗盡，所以這種方法并不十分可行。因此如何解決IP網絡的QoS要求，以使網絡能夠靈活地根據業務的具體特點提供給客戶滿意的服務，是IP業界亟待解決的問題。在這種情況下，各個研究團體紛紛開始組織大規模的QoS研究，一些大的通信廠商也聯合成立了QoS論壇，協商各種QoS技術標準的實施方案。在當前的網絡環境中，QoS的研究內容主要體現在確保實時業務的通信質量這一方面?！?br>
　2　QoS技術的分類

　　Qos技術可分為保證型和盡力型兩種。保證型的QoS在終端雙方通信之前先要建立連接，確保通信過程中的網絡帶寬，如ATM業務類型、IP網絡中的RSVP。一旦連接建立，通信中所需的帶寬就能保證，與連接相關的應答時間、時延要求也能保證。如果網絡不能提供所需的帶寬，它就會拒絕建立連接。盡力型的QoS技術不能確保帶寬，通常用在非連接型通信中，例如在IEEE802．1p／Q的標記幀或IP分組頭中的TOS域有3位的優先級，供LAN交換機或路由器進行優先級控制，由于采用這種方法不能在通信中確保帶寬只是按優先級順序進行交換或轉發，因此也稱為COS（Class of Service）以區別能保證帶寬的狹義的QoS技術。

3　IETF建議的QoS技術方案介紹

　　IETF建議的QoS技術方案主要有：綜合服務／資源預留、差分服務、多協議標記交換、流量工程和基于約束的尋路。

　　綜合服務模型（Int－serv：Integrated service）的主要特征就是資源預留，它使用RSVP作為信令協議來建立通道和進行資源預留。差分服務（Diff－Serv：Differentiated Services）通過給分組打上不同的標記，把分組分成不同的類別，對不同類別的分組PRotocolLabelSwitching）是一種轉發方案，分組在進入MPLS域時被賦予一個標簽，以后就根據這個標簽對分組流進行分類、轉發、服務。流量工程（TE：traffic engineering）的目標是讓網絡上的業務流量更加均衡?；诩s束的尋路要解決的是根據帶寬和延時要求等約束條件尋找一條合適的路徑。

3．1　綜合服務模型

　　綜合服務模型在RFC（Request for Comments）1633中進行了定義。它的基本思想是將RSVP作為Int－Serv結構中的主要信令協議，“所有的流相關狀態信息應該是在端系統上”，它基于每個流提供端到端的保證或是受控負載的服務。Int－Serv框架使IP網絡能夠提供具有QoS的傳輸，以用于對QoS要求較為嚴格的實時業務（聲音／視頻）。Int－Serv使用一種類似ATM的SVC的方法，它在發送方和接收方之間用RSVP作為每個流的信令。RSVP信息跨越整個網絡，假定從接收方到發送方之間沿途的每個路由器都要為每一個要求QoS的數據流預留資源。路徑沿途的各路由器包括核心路由器必須為RSVP數據流維護軟狀態。

　　為了實現上面的服務，Int－Serv定義了4個功能部件，網絡中的每個路由器皆需要實現這4個部件。

　?。?）RSVP（RFC2205）：資源預留協議（RSVP：Resource Reservation Protocol），它是Internet上的信令協議。通過RSVP，用戶可以給每個業務流（或連接）申請資源預留，要預留的資源可能包括緩沖區及帶寬的大小。這種預留需要在路徑上的每一跳都要進行，這樣才能提供端到端的QoS保證。RSVP是單向的預留，適用于點到點以及點到多點的通信環境。

　　圖1示出了RSVP的工作機理。首先，發送方應該向接收方發送一個RSVP信息。RSVP信息同其他IP包一樣通過各個路由器到達目的站點；接收端接收到發送端發送的路徑信息之后，由接收端逆向發起資源預留的過程；資源預留信息沿著原來信息包相反的方向對沿途的路由器進行逐個資源預留。

　　如圖1所示，假設一個應用需要預留2Mbps的帶寬，則資源預留信息逐個詢問沿途的路由器，其現有資源是否可以完全滿足該應用數據流的要求。如果資源預留信息成功地回到發送方，則發送方就可以成功地在這條已經預留資源的路徑上發送應用數據了；否則，應用將無法進行。

　?。?）訪問控制（Admission Control）：它基于用戶和網絡達成的服務協議，對用戶的訪問進行一定的監視和控制，有利于保證雙方的共同利益。

　?。?）分類器（Classifier）：根據預置的一些規則，它對進入路由器的每一個分組進行分類。分組經過分類以后被放到不同的隊列中等待接收服務。這方面的技術還不很成熟，是一個有待研究的領域。

　?。?）隊伍調度器（Scheduler）：它主要是基于一定的調度算法對分類后的分組隊列進行調度服務。這方面的技術目前已比較成熟，常見的調度算法有WFQ、WF2Q、SCFQ、VC、MD－SCFQ、WRR等。

Int－Serv定義了三種業務類型：

　　·有保證的業務（Guaranteed）：保證帶寬、限制延遲、無丟包。

　　·控制負載的業務（Controlled Load）：在一個負載較輕的網絡中實現類似盡力而為的業務。

　　·盡力而為的業務（Best Effort）：類似于Internet在多種負載環境（由輕到重）提供的盡力而為的業務。

　　Int－Serv的優點是它具有很好的QoS保證，使用RSVP的軟狀態特性可以支持網絡狀態的動態改變與組播業務中組員的動態加入，同時利用RSVPPATH與RESV的刷新，還可以判斷網絡中相鄰節點的產生與退出節點，并實現網絡資源的有效分配。

　　Int－Serv存在的問題一是網絡的擴展性不好。一方面由于Int－Serv下的預留狀態住處是與業務流的個數成正比，這使得路由器的負擔會隨著網絡的擴大、業務流的增加而加重。另一方面資源預留協議還要求沿途的每個路由器為每一個數據流都維持一個“軟狀態（Per－flowsoftstate）”。這無疑也限制了這種結構的可擴展性，因為每個路由器的內存有限，可以保存的軟狀態信息都是有限的。其二是Int－Serv需要進行端到端的資源預留，必須要求從發送者到接收者之間的所有路由器都支持所實施的信令協議，因此所有路由器必須實現RSVP、許可控制、MF（Multi－Field）分類和包調度，這對路由器的實現要求太高。其三是Int－Serv還有一個目前很難解決的問題，那就是資源預留和路由協議之間的矛盾。

此外，如何為資源預留申請授權并確定優先權也是Int－Serv結構本身很難克服的問題。

3．2　差分服務模型

　　差分服務模型的基本思想是可以根據預先確定的規則對數據流進行分類，以便將多種應用數據流綜合為有限的幾種數據流等級。差分服務是由綜合服務發展而來的，它采用了IETF的基于RSVP的服務分類標準，拋棄了分組流沿路節點上的資源預留。差分服務將會有效地取代跨越大范圍的RSVP的使用。差分服務區域的主要成員有：核心路由器、邊緣路由器、資源控制器。在差分服務中，網絡的邊緣設備對每個分組進行分類、標記DS域，用DS域來攜帶IP分組對服務的需求信息。在網絡的核心節點上，路由器根據分組頭上的DS碼點選擇碼點所對應的轉發處理。資源控制器配置了管理規則，為客戶分配資源，它可以通過服務級別協定SLA（Service LevelAgreement）與客戶進行相互協調以分享規定的帶寬。

　　IPQoS的業務區分結構使用IPv4報頭中的業務類型（ToS）字段，并將8位ToS字段重新命名，作為DS字段，其中6位可供目前使用，其余2位以備將來使用。該字段可以按照預先確定好的規則加以定義，使下行節點通過識別這個字段，獲取足夠的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。這里需要注意的是，在IPv4網中所定義的ToS字段與在Diff－Serv中的DS字段不同。ToS字段的定義如圖2所示。

　　Diff－Serv將整個網絡分成若干個域。一個Diff－Serv域由一系列支持Diff－Serv機制的節點構成。在Diff－Serv域中，節點大致分為以下兩類：邊緣路由器和內部路由器。其中邊緣路由器根據數據流的方向分為入口邊緣路由器和出口邊緣路由器。在入口處設有機制一件是用戶是否遵守業務等級協定（SLA），分類機制以標志輸入的每個業務包，對每個IP包指定一個類型以標志DSCP（Diff－Serv代碼點），并分別將其分別排入相應的隊列。內部路由器負責查看DSCP值，將進入的數據包按級別排隊，并按事先設定的帶寬、緩沖處理進行下一跳轉發（PHB）。Diff－Serv模型機制的工作示意圖如圖3。

　　與Int－Serv類似，Diff－Serv也定義了三種業務類型：

　?。?）盡力而為的業務（Best Effort）：類似目前Internet中盡力而為的業務；

　?。?）最優的業務（Premium）：類似于傳統運營商網絡的專線業務；

　?。?）分等級的業務（Tiered）：這一類別的業務嚴格講不僅僅是一種業務，而是一個大的類別，可以根據發展的需要制定不同的業務等級。

　　差分服務模型的優點一個是伸縮性較好DS字段只是規定了有限數量的業務級別，狀態信息的數量正比于業務級別，而不是流的數量。另一個是便于實現只在網絡的邊界上才需要復雜的分類、標記、管制和整形操作。ISP核心路由器只需要實現行為聚集（BA）的分類，因此實現和部署區別型業務都比較容易。差分服務模型的缺點是Diff－Serv為IPQoS奠定了寶貴的基礎，但還是沒有辦法完全依靠自己來提供端到端的QoS結構。Diff－Serv需要大量網絡單元的協同動作，才能向用戶提供端到端的服務質量。鑒于這些組件高度分散的特點和對它們進行集中管理的需要，必須有一個全局的帶寬管理對全局資源進行動態管理。解決這一問題的方法有兩個：一是用功能強大的全局策略管理器來完成這一任務；另外一種就是利用MPLS將第三層的QoS轉換為第二層的QoS，通過運營網中第二層的交換機來實現端到端的服務質量保證。

　　差分業務服務（Diff－Serv）定義了一個相對簡單而力度較粗的框架系統，為流量提供有區別的業務級別，并對流量聚合后的每一類QoS進行控制。

3．3　流量工程

IP網上存在的服務質量問題是由于用戶數量的增加造成網絡資源的不足從而導致服務質量的下降，以及現有的網絡性能無法滿足各種新型實時業務的各種具體服務要求這兩個方面的原因造成的。對應于這兩個方面，對QoS問題的解決也將從兩個方面來進行：一個就是流量工程（TrafficEngineering），另一個就是QoS的直接實現。

　　流量工程可以說是一種間接實現QoS的技術，它將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能夠得到最優的利用。當網絡資源得到了充分的利用時，自然而然地，網絡的各項QoS指標也將隨之大大改善。人們對流量工程所下的定義是：流量工程就是一種能將業務流映射到實際物理通路上，同時又可以自動優化網絡資源，以實現特定應用程序服務性能要求的具有宏觀調節和微觀控制能力的網絡工程技術。實際上，流量工程TE的提出是電信和計算機界要求網絡不但要適應一般的數據傳輸服務，也能應用于實時數據流的傳輸，尤其是音頻和視頻傳輸。就當前流量工程的應用來說，它有兩個關鍵點：負荷均衡與網絡恢復。IP流量工程的應用目的就是要解決如何有效實現盡力而為的傳統IP服務與QoS的統一。

　　從本質上說，流量工程是一種網絡控制技術。現在的控制方法分為微層控制與宏層控制兩種類型。微層控制網絡設備的功能，是在數據流層的控制。宏層控制則是網絡級的控制，用于解決微層控制沒法解決的問題。流量工程是宏層控制技術，但它與電信流量理論的網絡工程不同，流量工程不依賴特定的第二層技術。當考慮流量工程的性能目標時，可以將流量分成面向應用的性能對象與面向網絡的性能對象兩類。面向應用的性能對象是一種與每種特定應用服務流的流量特性相關的對象，它與QoS相關并試圖從端到端的分組發送延遲、分組延遲抖動、服務響應時間幾個方面來改善網絡的性能。面向網絡的性能對象是一個與網絡資源相關的對象，它試圖從網絡資源利用率、網絡吞吐量方面來改善網絡的性能。流量工程對面向應用的性能對象與面向網絡的性能對象都有影響。負荷均衡機制能改進每個流的QoS和網絡資源的效率，但無法做到同時保證兩個性能都會提高，因此面向應用和面向網絡是一個需要折衷的問題。流量工程的目的是在它們之間尋找一個最優的平衡點。流量工程可以平衡QoS流量與盡力而為傳輸方式的流量。誰應具有更高的優先權由網絡操作策略而定。

　　網絡操作的性能優化基本上是一個控制問題。在流量工程處理模型中，流量工程部件在自適應反饋控制系統中將扮演著控制器的角色。理想化的控制行為應該含有流量管理參數的校正、與路由相關的參數的校正、與資源相關的屬性和約束條件的校正三個方面。

3．4　基于約束的尋路

　　基于約束的尋路要解決的是根據帶寬和延時要求等約束條件尋找一條合適的路徑。它的基本原理是在每一個節點上，基于約束的路由處理模塊根據與流量中繼主干線相關的屬性、與資源相關的屬性和其它拓撲狀態信息自動為從它發起的每個流量中繼主干線計算顯示路由。由于受很多實際情況的限制，基于約束的路由問題的解決比較困難。一般可考慮首先剪除哪些不能滿足流量中繼主干線屬性要求的資源，在剩余的部分中運行最短路徑優先算法來找到一條可行的通路。

3．5　流量管理的過程

　　IPQoS的流量管理從一個業務數據包進入網絡到退出網絡，可以分為幾個過程，即業務的分類、業務的監管、業務的調節以及業務的過濾。

（1）業務的分類

　　對進入Diff－Serv域的業務進行分類，以便在網絡中得到相應的適當處理。業務必須由客戶預先標記或在運營商網絡一端與客戶最鄰近的路由器上進行標記。數據包進入某一域時，可以有多種方法對它進行分類，但并不是所有方法對于每一種業務都是必需的。我們可以根據SLA規定的一些策略給每個數據包加上DS字段標記，從而對數據包進行分類。例如，客戶網絡到運營商的路由器之間的連接是以太網而不是廣域網接口（ATM、FR等）時，客戶可使用以太網的802．1p優先權方案在自己的局域網內部對業務進行分類；在進入運營商網絡邊緣時，再根據SLA中的規定將優先權映射到該數據包的DS字段中。

　　當然，運營商的邊緣路由器還可以根據其他多種手段對客戶業務進行分類，如IP數據包頭的ToS（業務類型）字段ATM QoS。

（2）業務的監管

　　業務監管（Traffic policing）是為了監督用戶是否根據SLA中所賦予的權利來使用運營商網絡，一方面是保證運營商自己的利益不受傷害，另一方面也間接保護了其他用戶在網絡中的權利。

　　業務的監管可以采用一個較為簡單的方法——令牌漏桶（Token Bucket）算法（如圖4），當然也可以采用其他類似的機制來監控每一個級別的輸入業務量。如圖4所示，每一種業務都有相應數量的令牌（Token），令牌按照SLA所規定的速率發出。如果用戶的業務到達的速度快于令牌發出的速度，則說明用戶沒有遵守SLA，因此就需要對用戶超出SLA的這些業務數據有一個策略。例如，可以將它們加上標記，在網絡不擁塞的情況下允許它們通過網絡，而在網絡擁塞時首先將它們丟棄。當然，也可以在一開始就將這部分數據包丟棄，完全取決于運營商和用戶達成的協議和策略。

（3）業務調節

　　實際上，業務的分類和業務的監管都發生在運營網絡的邊緣。而業務的調節階段則是完全的運營網絡行為。它的好壞直接決定了IPQoS能否實現。

　　一般來說，業務調整主要有兩種手段，一個是預防擁塞的排隊和調節機制，一個是遇到擁塞就丟棄的機制。去往輸出接口的業務都被分類并插入到相應的輸出隊列中，每個隊列都具有可設置的調節程序，這些程序可以利用加權公平排隊（WFQ）、循環方式（RR：Round Robin）及嚴格優先權等算法實現；同樣，每個隊列也有多種可選擇的丟棄算法，如隨機早期檢測（RED）或尾部丟棄（Taildrop），均可通過業務級別進行配置。

　?。╝）排隊調節機制嚴格的優先級調節：某一級別的業務只有在當隊列中沒有更高優先權業務時才被發送。這一方法實施起來較為簡單，缺點是永遠只傳輸一個級別（最高優先權的）的業務。公平排隊或循環方式：簡單地從多個隊列中進行循環，這有助于使不同隊列公平地使用帶寬，但缺點是大量的數據流不得不需要更多的帶寬。加權公平排隊：對公平排隊的一種改進。在這種方案中，給每個隊列分配權限，該權限確定隊列中的哪些數據包優先使用鏈路帶寬?；诩墑e的排隊：可以分為幾個隊列，每個隊列與不同的業務級別相對應，可以使用不同方法發送或調節隊列。分級的基于級別的排隊（CBQ）：業務被分成不同級別，每種級別又可細分成若干子級（Sub－class）。這種分級形成一種樹狀結構，若一個子級使用的鏈路帶寬超過它應得的份額，那么它將首先向姊妹子集（Sister sub－class）借用帶。以此類推，在分級業務結構中這一樹形結構可以用來區分各種業務類型。

　　（b）丟棄機制尾部丟棄：只有分配的緩沖器空間被全部占用時才丟棄到達的數據包。這種方法易于實施，但它會導致網絡的崩潰，因為它可觸發TCP全局同步。隨機早期探測：防止TCP全局同步的有效方法。該方法主要是在隊列占用率（Queueoccupancy）開始上升時（但又在真正發生擁塞之前）隨機丟棄到達的數據包，從而始終保持一個較小的隊列。但這只能在一定程度上通過降低TCP源擁塞的概率，緩解網絡的擁塞。一旦當隊列的平均尺寸增大時，那么到達的數據包被丟棄的概率仍會隨著隊列的增大而增高。加權RED（WRED）：是RED的一種變體，它可以更加合理地選擇將被丟棄的數據包。

（4）業務的過濾

　　業務過濾一般用于退出一個域的行為，一方面是出于安全性考慮而進行過濾，而另一方面也是防止低優先權業務阻塞接入鏈路而進行過濾。

　　過濾策略可從其他站點分出業務終接容量，使關鍵的高優先權業務可優先于低優先權業務被終接；同時，為防止非法業務進入專用域，也有必要使用安全過濾功能。過濾必須在接入鏈路的運營商一端進行，否則心懷惡意的用戶有可能向網絡上輸送大量的業務，使合法用戶的業務得不到傳輸。過濾在運營商一端的路由器上進行。

3．6　MPLS流量管理

　　MPLS是解決流量管理的最佳方案。它是一個可以在多種第二層媒質上進行標簽交換的網絡技術。這一技術綜合了第二層的交換和第三層路由的特點，將第二層的基礎設施和第三層的路由有機地結合起來，第三層的路由在網絡的邊緣實施，而在MPLS的網絡核心采用第二層交換。通過MPLS，第三層的路由可以得到第二層技術的很好補充。充分發揮第二層良好的流量設計管理以及第三層＂Hop－By－Hop＂路由的靈活性，實現端到端的QoS保證。

　　MPLS是一種特殊的轉發機制，它為進入網中的IP數據包分配標簽，并通過對標簽的交換來實現IP數據包的轉發。標簽作為IP包頭在網絡中的替代品而存在，在網絡內部MPLS在數據包所經過的路徑沿途通過交換標簽（而不是看IP包頭）來實現轉發；當數據包要退出MPLS網絡時，數據包被解開封裝，繼續按照IP包的路由方式到達目的地。MPLS的工作流程可以分為幾個階段，即網絡的邊緣、網絡的中心以及單跳路由（Hop－by－Hop）或者顯式路由三個階段。從傳統的IP路由來看，每一臺沿途的路由器都要檢查包的目的地址，并且選擇一條合適的路徑將數據包發送出去。而MPLS則不然，數據包雖然也沿著IP路由所選擇的同一條路徑進行傳送，但是它的數據包頭在整條路徑上從始至終都沒有被檢查過。在每一個節點，MPLS生成的樹是通過一級一級為下一跳分配標簽而且與它們的對等層交換標簽而生成的。交換是通過LDP的請求以及對應的消息完成的。

4　結束語

　　IP網絡的QoS是目前較為活躍的一個研究領域，還存在著諸多有待解決的問題，為了尋求擴展性和簡易性提出了一種將Inter－serv與Diff－serv結合的思路：即在用戶網絡仍使用RSVP協議、在運營商的Diff－serv網絡邊界將Inter－serv的業務類型映射為DiffServ的業務類型，這樣解決了端到端的QoS，同時也具有很好的擴展性。但這種方法并沒有解決Diff－serv的部署問題，同時也存在Inter－serv的信令復雜、管理等問題。這種方案顯然需要繼續完善。2002年，業界提出了一種MPLSDiff－serv－Aware的思想，Diff－serv提供了基于類的QoS，具有良好的可擴展性，但缺乏有效的端到端部署的機制；MPLSTE通過有效地管理帶寬資源間接改善網絡服務質量，但其帶寬管理以及MPLSTE隧道都無法做到基于業務類別（時延），如果EF、AF、BE業務都承載在一個MPLSTE隧道中EF和AF業務將受到嚴重的影響。MPLSDiff－serv－AwareTE在原來MPLSTE的基礎上，增加了基于類別的資源管理，例如可根據帶寬及時延的不同將接口資源劃分為EF、AF、BE三類，通過IGP協議對每個類別的資源使用情況進行收集、分別建立TED，通過信令協議攜帶類別建立LSP。MPLSDS－TE充分利用了Diff－Serv的可擴展性以及MPLS的顯示路由能力，是解決骨干網QoS的有效技術，網絡資源可根據用戶的需求得到最優的利用；與DS－TE相關的RFC草案已提交IETF工作組進行審核，尚未形成最終標準。。

　　總之，盡管今天的IPQoS還有很多問題沒有解決，但就像今天的IP業務一樣，IPQoS將不可避免地成為運營商IP網絡中一項關鍵的核心技術。

摘自　現代有線傳輸

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