城域網智能業務的嵌入式IP QoS技術

2019-11-03 09:06:45

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

烽火網絡公司岳青倫田兵

　　傳統的ip網絡缺乏有效的管理和運營手段，不僅面臨著安全、QoS等方面問題，也不能承載語音、多媒體等電信業務。VPN、QoS等新技術的應用大大增強了互聯網的安全性和服務質量，使得Everything over IP成為可能。在寬帶城域網中，城域網智能業務平臺（匯聚層高端路由設備）擔負著網內所有用戶到骨干網的流量交換，需要較大的整機交換容量，同時還要對所有數據進行安全、QoS等處理。如何在不影響線速的前提下實現電信級的QoS、安全等功能，是城域網智能業務平臺的關鍵。

一、城域網智能業務平臺的技術體制要求

　　城域網匯聚層智能業務平臺應具備第三層路由和第四層流交換功能；支持標準的路由協議如：BGP4、OSPF、RIPv1/v2、組播；提供完備的QoS，如流分類、網絡擁塞控制、流量整形、接入帶寬控制、QoS路由和信令、多優先級隊列調度等；支持豐富的接口類型：10/100/1000Mbit/s以太網、155Mbit/s、622Mbit/s以及2.5Gbit/s 的pos接口等；大于40Gbit/s的整機交換容量；靈活的擴展性和智能業務生成功能。

二、城域網智能業務平臺的QoS技術難點

　　隨著網絡流量的快速增長以及新業務的出現，基于通用CPU或ASIC的傳統網絡設備已經不能同時滿足處理速度和靈活性兩方面的要求，基于網絡處理器加上高速交換矩陣的架構已成為當前高端路由器的主流技術。網絡處理器內嵌專門用來處理IP數據包的指令系統，但通常不提供針對QoS的處理模塊，需要用戶自己編寫流分類、RED以及WFQ調度算法。用網絡處理器開發QoS模塊面臨一系列的困難，如網絡處理器采用精簡的匯編指令系統、不支持浮點運算、甚至連乘法/除法指令都不支持；網絡處理器有限的指令空間、包緩存隊列空間都制約了QoS的實現；實現QoS將會對線速處理造成很大的影響。

　　因此，在網絡處理器平臺上開發QoS尤其需要綜合考慮開發成本、對線速的影響程度以及如何實現QoS算法等。

三、嵌入式IP QoS技術在城域網智能業務平臺的實現

　　針對匯聚層高端路由器實現QoS的技術困難，烽火網絡公司在開發城域網高端智能業務平臺MAISP- 8000（Metro Aggregation Intelligent Service Platform）時，綜合考慮了各種因素，在不增加硬件成本、不降低線速處理、又能較好的實現QoS性能的基礎上提出了一種新的QoS設計思想，即嵌入式IP QoS技術。

　　嵌入式IP QoS技術根據區分服務參考模型，主導思想是將QoS模塊如流分類、流量管理、隊列調度整合到現有的網絡處理引擎資源，如常規IP路由、策略路由（pbr）、安全訪問控制（acl）、網絡地址轉換（nat）以及常規隊列模塊和調度模塊，在執行常規任務的同時，獲取QoS的相關信息并對數據包做基于優先級的隊列策略和調度策略的控制。

1. 嵌入式流分類

　　MAISP-8000對常規的路由表項、pbr表項、acl表項、nat表項等進行擴展，將數據流的QoS屬性（帶寬、時延、丟包率等）所對應的DSCP（區分服務編碼點）或者優先級標志存放在表項的一個條目。

（1）根據IP數據包的TOS字段：如果數據包是從核心網下行或者特定的在用戶端設定QoS的數據，則可以直接根據TOS字段確定其轉發特性。

（2）與常規路由綁定：通過對某一網段的路由設置不同的QoS屬性，可以對發往不同網段的數據包設置不同的優先級和轉發特性。

（3）與策略路由綁定：策略路由是根據一定的策略進行路由的方法，策略可以是數據包的源、目的IP地址、包長、數據流標識，因此可以承載QoS屬性。

（4）與ACL綁定：ACL即訪問控制列表，用于對數據包進行安全過濾以及其它用于流分類的應用，與ACL綁定的QoS流分類可以完全區分出應用層業務，并根據業務對QoS的要求設置不同的優先級。

（5）與NAT綁定：MAISP-8000設備作為城域網匯聚層智能業務平臺，經常需要在上聯口作網絡地址轉換，數據包在進行NAT轉換時可以識別出應用層協議類型，從而數據包在進行NAT轉換的同時獲取QoS屬性。

（6）與MPLS綁定：MPLS本身提供了QoS和流量工程的控制能力，保證端到端服務質量，MAISP-8000作為MPLS/VPN模型中的PE路由器，在入口處對用戶數據包進行精確流分類，映射到一個等價轉發類，并取得相應業務流的QoS屬性，映射到MPLS標記的優先級域。

2. 流標記

　　數據包直接獲取流分類表項的QoS屬性標記，MAISP-8000采用標準的DSCP編碼，提供多達64個服務等級，劃分為三個轉發行為集：快速轉發（EF），用于實時性多媒體業務，如語音、視頻等；保證轉發（AF），用于可靠性較高的業務如電子商務和VPN用戶數據；盡力轉發（BF），用于一般性Internet業務。DSCP標記可以直接替代IP數據包的TOS字段（IPv4）/COS（IPv6），或者映射到多個不同的優先級，標記于MPLS的標簽中。

3. 流量管理

　　（1）用戶接入速率控制：通過對某些用戶或者某些類的數據流量進行控制可以有效改善網絡狀況，MAISP-8000采用令牌桶算法對超過約定流量的數據選擇丟棄或者降低優先級處理，從而保障網絡帶寬的合理分配。

　?。?）突發流量平滑：利用緩沖區平滑技術對突發的流量進行緩存，并適當延遲突發流的發送，可以有效降低基于TCP的突發流的源端發送速度。

　?。?）擁塞避免：擁塞避免是在網絡擁塞達到一定程度而沒有完全擁塞時采取主動有選擇的丟包策略，從而引起數據源端降低發送速度。RED算法以及改進算法WRED等可以針對基于TCP的數據流有效的避免擁塞，而對于UDP數據流則采用有區別的尾部丟棄算法。

　　MAISP-8000的流量管理模塊集中處理，數據包完成分類后，進入隊列模塊，插入隊列的是數據包屬性的一個描述符。數據包進入隊列之前，首先進入令牌桶獲取令牌確保流量不超過約定帶寬，然后讀取隊列狀態，執行對應的擁塞避免算法，只有獲取令牌并且沒有被擁塞避免算法丟棄的數據包才進入隊列，否則直接丟棄，因此一個數據包對隊列的操作僅只一次，節省了一般流量管理對隊列多次操作帶來的時延。

4. 隊列調度

　　隊列調度根據一定的算法規則，將多個優先級隊列的數據包執行有差別的輸出調度，從而可以實現不同優先級數據包不同的轉發特性，如語音、視頻等實時性業務具有低時延和較小的抖動性，而VPN、電子商務等高可靠性業務則有較小的丟包率。MAISP-8000的嵌入式IP QoS包括兩級調度算法，即高速交換矩陣輸出調度和鏈路輸出調度。

　?。?）高速交換矩陣輸出調度：MAISP-8000采用標準的CSIX接口，在交換矩陣前端的網絡處理引擎實現VOQ（虛擬輸出隊列），每個接口卡16個VOQ，每個VOQ有8個優先級子隊列。VOQ可以有效防止隊頭阻塞，極大的提高了系統的吞吐量，同時每個VOQ的8個優先級子隊列確保了每個VOQ的數據包可以獲得不同的轉發特性。

　?。?）鏈路輸出調度：鏈路輸出調度實現的調度算法有FQ（公平調度）、PQ（優先級調度）、WFQ（加權公平調度）以及改進或根據用戶定制的調度算法。在MAISP-8000的嵌入式IP QoS設計中，特別的考慮了調度算法對處理速度的影響，一改傳統的調度算法思路，將對空隊列的輪詢開銷降為零，在幾乎不影響線速的前提下實現了PQ、WFQ等多種調度算法。

四、MAISP-8000的應用

　　城域網匯聚層高端智能業務平臺MAISP-8000采用了先進的體系結構和網絡處理器技術，嵌入式IP QoS技術可以為電信級的語音、多媒體業務提供線速QoS保障。

1. 城域網匯聚應用

　　MAISP-8000用于城域網匯聚層時，完成對城域網中接入層上聯鏈路的匯接，在用戶側能夠接入Fast Ethernet、Gigabit Ethernet和EOS等，而在網絡側GE、POS622Mbit/s～2.5Gbit/s或CWDM和城域網核心層設備相連；嵌入式QoS對用戶側數據分類、標記和調度，對來自核心網的數據直接根據TOS字段執行QoS策略。

2. 構建MPLS/VPN網絡

　　MAISP-8000全面支持MPLS VPN 業務,支持流量工程；當應用為PE時，嵌入式QoS可以方便的與MPLS結合，提供電信級的服務質量和安全性。

3. 軟交換、3G等核心網/接入網平臺

　　MAISP-8000采用了完全可編程網絡處理器的分布式硬件轉發和高速無阻塞交換技術，提供完善的電信級QoS功能，因此可以作為軟交換的網關設備、3G核心網絡中PS域（分組交換域）的設備（如GGSN、SGSN等）。

----《通信世界》