IP網QoS模型的分析與比較

2019-11-03 19:05:22

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ip網QoS模型的分析與比較摘要：本文分析了IP網在傳輸實時業務時所存在的問題，并介紹了由此而引發的IP 網是否應該引入QoS的爭論。重點介紹了因特網工程任務組（IETF）建議的滿足QoS需求的著名的服務模型，包括綜合業務模型（IntServ）、區別型模型（DiffServ）、MPLS、流量工程和約束路由，并研究了它們之間的相互關系以及優缺點等。關鍵詞：IP 服務質量（Qos）1 引言基于因特網的新業務層出不窮，且由于價格因素的影響使它們都具有很強的市場潛力。因特網正在從當初單純傳送數據向可傳送數據。語音、活動／靜止圖像的多媒體網絡轉變。由于計算機終端軟硬件的不斷升級，它已完全能夠滿足多媒體應用的需要，因此在因特網上實現類似語音。傳真、會議等實時多媒體應用的問題焦點便集中在了如何傳輸這些時延敏感的業務上。因特網最初的設計目的是進行高效的數據傳輸，因此所使用的TCP／IP協議族是一種無連接的、基于數據報的傳輸模式。IP（IPv4）所提供的是一種“盡力而為（best－effort”的服務，無法保證吞吐量和傳送時延等服務質量（QoS）。TCP使用的重傳和滑動窗口機制給實時數據的傳輸帶來無法預料的時間延遲以及時間延遲的變化（以下把時間延遲的變化稱為抖動）。因此如何在IP網上傳輸多媒體成為一個研究的熱點。2 IP網實時多媒體業務的傳輸 IP網的傳統網絡層協議（IP）和傳輸層協議（TCP／UDP）能夠非常高效地傳輸數據，但卻并不能很好地支持實時多媒體業務的傳輸。2.1現有IP網協議傳輸多媒體時存在的問題網絡層的主要任務是路由選擇?，F在的IP路由協議都是先來先服務（FCFS）的，不區分數據類型。路由協議不管所要轉發的數據是否有時間延遲的限制，都一樣的排隊等候通過。因此，現在的因特網（IPv4）提供的是單一的最佳效果（Best－effort）服務，所有應用都完全平等地共享網絡資源，這種策略非常適合于數據業務的傳輸，卻并不適合于實時多媒體業務的傳輸。因為在網絡發生擁塞時，排隊等原因可能會導致數據丟失，或是出現較大的時間延遲以及抖動，所提供的服務會隨著網絡的擁塞情況而發生變化。這是實時多媒體業務所無法接受的，這些業務通常需要網絡能夠提供一定的服務質量（QoS）保證，如比較小的時間延遲。傳輸層的任務是提供端到端的通信。UDP協議為IP提供了一種應用編程接口，因此在傳輸數據時與IP協議沒有多大區別。TCP協議在無連接的。不可靠傳輸的IP協議上提供了一種面向連接的?？煽總鬏攨f議。但是，TCP的重傳糾鋁對實時業務的傳輸非常有害，因為重傳組塊的延遲要遠大于其正常傳送的延遲，同時也帶來了相當多的延遲波動。另外，TCP的滑動窗口流控制機制也會帶來相當大的延遲波動，因為當發送速率高于接收速率時，發送方發送組塊直到占滿窗口為止，然后發送方停止發送，一直等到收到接收方的應答為止，然后又重復這一過程。22 IP提供小QoS IP網如何傳輸實時多媒體業務成為一個研究的熱點。在過去幾年里，大量的研究致力于綜合服務網絡等的設計細節，比如預留協議的性質。許可控制協議的行為。合適的服務模型等。但如此眾多的研究并非意味著這樣的努力就一定是明智的。目前國際上對這個非?；镜膯栴}卻存在激烈的爭論：預留是必要的呢，還是因特網保持原來的最佳效果服務更好一些？反對預留的人則認為在異機種的子網中的網絡層之上的任何一種連接都是難以管理的。如果數據流經歷太多的延遲或丟失，那勢必要提高鏈路的帶寬和路由器的CPU能力。光纖和WDM技術將會使網絡帶寬充裕和便宜到自動保證QoS的程度，在帶寬不再很貴的時候，這種方法遠比提出的綜合業務體系結構的擴展所帶來的增加的復雜性要便宜的多。如果數據經歷太多的延遲抖動，那么又需要在接收端增加一個較大的緩沖區。即使這樣問題仍然存在，那么就需要編寫能夠適應網絡擁塞變化的自適應性程序，因為實驗已經表明自適應應用能夠明顯改善多媒體應用的質量。另外，具有預留能力的網絡除非它的阻塞率（拒絕預留請求的頻率）比較低，否則無法提供令人滿意的服務。而在同樣的情況下，盡力而為的網絡可以提供非常充足的服務——幾乎與有預留能力的網絡一樣好的服務。支持預留的人認為高可靠度的多媒體應用比現在的因特網所提供的盡力而為服務有更高的質量和更加可預測的網絡服務要求。帶寬和短小的延遲總是稀少的資源，無論開銷多大并且無論采用什么底層結構，QoS承諾本身就需要資源預留?，F實中人們并不情愿有償傳輸多媒體數據流，除非用戶和網絡之間已有嚴格的服務合同，指定了該數據流的特點及相應的QoS承諾。不管所提供的網絡帶寬充裕到何種程度，都會被不斷出現的新業務所吞噬光。事實上，“盡力而為”學派主宰了數據通信世界，通信界支持“連接和預留”學派。表面上是技術之爭，而更深層次上有些是思想觀念的差異造成的。比如，數據通信界強調如何在現有的網絡環境中為用戶提供可能的服務；而電信界更強調服務質量的保證。現在的觀點認為因特網的結構將被改變，需要提供QoS機制，一個明顯的證據是幾乎所有主要的路由器／交換機生產廠商都在它們的高端產品中提供了一些QoS機制。但是引入QoS機制所帶來的管理和計費等方面的問題，改變了與其所倡導的“因特網是自由的”的理念，而這種理念在某種程度上促成了因特網近年來的爆炸式增長。3 IP QoS模型 IETF已經建議了很多服務模型和機制，以滿足QoS的需求。其中比較有名的有：綜合業務／RSVP模型，區別型（DS）業務模型，多協議標記交換（MPLS），流量工程和約束路由。綜合業務的特點是資源預留，實時應用在傳輸數據前必須首先建立通道和預留資源。RSVP是用來建立通道和預留資源的協議。在區別型業務中，把包加以標記，產生不同的級別，每個級別的包得到不同的服務級別。MPLS是一種前向轉發策略，在進入MPLS作用域時給包賦予一定的標簽，隨后包的分類、轉發和服務都將基于標簽完成。流量工程是一種安排通信流量如何通過網絡的過程。約束路由在尋徑路由時會受到一定的約束，如帶寬或時延的要求。3.1綜合業務模型綜合業務（IntServ）模型的基本思想是“所有的流相關狀態信息應該是在端系統上”。它所使用的資源預留（RSVP）協議是一種預留資源的信令協議。發送端給接收端發送一個PATH消息，以指定通信的特性。沿途的每個中間路由器把PATH消息轉發給由路由協議決定的下一跳。當收到一個PATH消息時，接收方做出的反應是用一個RESV消息為該流請求資源。沿途的每個中間路由器可以拒絕或接受RESV消息請求。如果請求被拒絕，路由器將發送一個出錯消息給接收方，并且中斷信令的處理過程。如果請求被接受，為該流分配鏈路帶寬和緩沖區空間，并且把相關的流狀態信息裝入路由器中。除了最佳效果業務外，綜合業務模型還新定義了兩種服務類型：（1）保障型（Guaranteed）業務，用于需要固定時延限制的應用；（2）預測型（PRedictive）業務，用于可能需要時延限制的應用。實現保障型業務和預測型業務的定義分別在保障型業務RFC2212和控制負載（Controlled Load）業務RFC2211中。這一模型的思想是“為了給特定的客戶包流提供特殊的QoS，要求路由器必須能夠預留資源。反過來要求路由器中有特定流的狀態信息”。綜合業務模型的優點是： *能夠提供絕對有保證的QoS。詳細的設計使RSVP用戶能夠仔細地規定業務種類。因為RSVP運行在從源端到目的端的每個路由器上，因此可以監視每個流，以防止其消耗比它請求、預留和預先購買的要多的資源。 * RSVP在源和目的地間可以使用現有的路由協議決定流的通路。RSVP使用IP包承載，使用“軟狀態”的概念，通過周期性的重傳PATH和RESV消息，協議能夠對網絡拓撲的變化做出反映。正如PATH和RESV刷新用來更改該預留的流的通路那樣，沒有了這些消息時，RSVP協議釋放與之關聯的資源。 *設計綜合模型開始的目的之一就是使得QoS能夠工作在從一個源到一個目的地（unicast）和從一個源到多個目的地（multicast）。RSVP協議能夠讓PATH消息識別多播流的所有端點，并發送PATH消息給它們。它同樣可以把自每個接收端的REVP消息合并到一個網絡請求點上，該點可以讓一個多播流在分開的連接上發送同樣的流。綜合業務模型的缺點是： * 伸縮性不好。隨著流數目的增加，狀態信息的數量成比例上升，占用了大量的路由器存儲空間和處理開銷。因此，在因特網核心中這種結構的伸縮性不好。 * 對路由器的要求較高。由于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。 * 對保障型業務需要網絡全部使用綜合業務。如果中間有不支持的節點／網絡存在，雖然信令可以透明通過，但實際上對于應用來說，已經無法實現真正意義上的資源預留，所希望達到的QoS保證也就打了折扣。 * 該模型不適合于短生存期的流。因為為短生存期包預留資源的開銷很可能大于處理流中所有包的開銷。但因特網流量絕大多數是由短生存期的流構成的。在短生存期的流需要一定程度的QoS保證時，綜合業務模型就顯得得不償失了。3.2區別型業務模型由于對綜合業務模型利用全程信令將原本面向無連接的因特網，勉為其難地改為向面向連接的網絡這種方式的可實施性已經產生了懷疑。因而希冀能夠出現一種新的解決問題的思想，既考慮已有網絡的現狀，又能達到實現服務質量的目的，這就出現了區別型業務（Diffserv）模型。3.2.1區別型業務模型介紹 IPv4頭包括一個TOS字段，它的含義以前有定義。應用程序可以設置TOS字段中的3個比特來表示需要低時延、高吞吐量或低丟失率的服務。但是這種選擇很有限。區別型業務定義了TOS字節的格式（術語叫DS字段），以及一個包轉發處理庫的集和（術語叫Per－Hop行為，或PHB）。通過對一個包DS字段的不同標記，以及基于DS字段的處理，能夠產生一些不同的服務級別。因此，區別業務本質上是一種相對優先級策略。為了讓一個客戶從它的ISP得到區別型服務，客戶必須與他的ISP簽定一個服務級別合同（SLA）。一個SLA從根本上明確了所支持的業務級別以及在每個業務級別中所允許的通信量。它可以是靜態的，也可以是動態的。靜態SLA定期地協商，如以月或按年為單位。動態SLA的客戶用某種信令協議（如 RSVP）請求所要求的服務。客戶可以標記自己的DS字段以指定想得到的服務，也可以讓邊緣路由器根據MF分類來標記。在ISP的人口，包被分類。管制，也可能整形。在人口路由器，所有的分類、管制和整形規則均依據SLA。這些操作所需要的緩沖空間也依據SLA確定。當一個包從一個域（domain）進入另外一個域時，它的DS字段可能會被重新標記，這由兩個域之間的SLA確定。運用分類。管制。整形和調度策略，可以提供多種業務。注意，區別型業務只定義了DS字段和PHB，究竟會提供什么樣的服務由ISP決定。區別型業務模型完全不同于綜合型業務模型，它的優點是： *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。 * 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。3.2.2與綜合業務模型的互通很有可能的是，綜合業務模型會因為伸縮性的問題而無法在WAN上使用。將來區別型業務模型（配合MPLS），在QoS方面很可能占有主導地位。而事實上，很多ISP期待區別型業務模型能夠滿足所有他們的QoS需求。而與此相反的是，綜合業務模型能夠在企業網中實施，很多企業的聯網產品中都已經或即將集成某種程度的綜合業務能力。如果WAN用的是區別型業務模型，而LAN用的是綜合業務和區別業務模型的混合形式，那么當發送者和接收者之間的通路同時需要LAN和WAN時，如何才能夠保證端到端的QoS呢？ IETF建議了兩種互操作方式。一種方法是將綜合業務覆蓋在區別型業務網上，RSVP信令完全透明地通過區別型業務網。位于兩種網絡邊緣的設備處理RSVP消息，并且根據區別型業務網絡中合適的資源的可用性提供許可控制。另外一種方法是簡單的并行處理。區別型業務網中的每個節點可能也是具有RSVP功能的。采取一些策略決定哪些包用RSVP，哪些用區別行業務處理。這種模型可能適用于小型網絡。3.3 MPLS 多協議標記交換（MPLS）的動機是用一個固定長度的標簽決定包的處理。MPLS是一個前向轉發策略，由Cisco的標記路由發展而來。在OSI的7層模型中，它位于第2層和第3層之間。3.3.1 MPLS介紹每個MPLS都有一個頭。這個頭包括一個20bit的標簽，一個3bit的業務級別（COS）字段，一個1bit的標簽棧指示器和一個8bit的TTL字段。MPLS頭的封裝是在鏈路層頭和網絡傳輸層頭之間。一個具有MPLS能力的路由器（標記交換路由器LSR），在轉發包時只檢查標簽。網絡協議可以是IP或其他類型的，這也是叫多協議標記路由的原因。 MPLS需要一個分配標簽。建立標簽交換通道（LSP）的協議。是創建一個普通的標簽分配協議（LDP），或是擴展RSVP提供此功能是一個還在爭論的問題。一個LSP與一個ATM虛鏈路相似，從發送端到接收端是單向的。 MPLS LSR用此協議協商每個標簽的涵義，規定如何處理來自對等端的一個特定標簽的包。LSP的建立可以是控制驅動的，也即由像路由更新那樣的控制流觸發?；蛘邤祿寗拥?，也即由一個流請求或一個流量的中繼觸發。在MPLS中，一個流量交易是那些具有相同服務級別的，能夠放到一個LSP的流的聚集。兩個路由器之間的LSP可以與L3的逐跳路由一樣，或發送端LSR能夠為LSP規定一個顯式路由（Explicit Route）。能夠建立顯式路由是MPLS最有用的特點之一。用標簽索引的轉發表的構造是標簽分配的結果。每個轉發表人口規定了如何處理運載索引標簽的包。分類和路由包是在一個MPLS的作用域的人口 LSR處。當一個LSR收到一個標記了的包時，它將用標簽作為索引查找轉發表。這比IP路由時查找匹配、解析路由表的處理要快些。由轉發表的人口決定處理包的方式。進入時的標簽被離開時的標簽所替代，并且包被交換到下一LSR。標記交換的過程與ATM的VCI／VPI處理類似。在一個MPLS域的內部，包轉發、分類和QoS服務均由標簽和COS域確定。這使得核心LSR很簡單。在一個包離開某MPLS域時，刪除它的MPLS標簽。 MPLS LSP也能夠當作隧道（tunnel）用。當一個包進入一個隧道的起點時，它的通道已經完全確定了，包將出現在隧道的終點處。它的通道完全由人口處分配給它的標簽決定，沒有必要列舉出隧道中所有的路由器。因此，它的效率比其他隧道機制都要高。 MPLS的優點是： * 提供了更快的包分類和轉發速度。 *提供了一種有效的隧道機制。3.3.2 MPLS與區別型業務模型 MPLS可以與區別型業務用在一起來提供QoS。在這樣的一種結構中，首先配置每個人口一出口對之間的LSP。對于LSP（LSR1→LSR2）和LSP（LSR2→LSR1），它們之間的LSR不需要互相彼此相反。很有可能對于每個人口一出口對，為每個流量類型創建一個分開的LSP。為了減少LSP的數量，到某一出口的所有來自人口路由器的LSP合并到一個樹池（SinkTree）。也可能用一個樹池傳送不同流量類型的包，并且用COS比特區分包的類型。這種結構中，隨著正在傳送的流量數的增加，在每個LSP或樹池的流量數也會增加。但所需要的LSP的數目或樹池數不會增加。因此這種體系結構是可伸縮的。在路由器中的操作與前面提到的基于DS字段的操作基本上是一樣的。在對一個數據包進行處理時有3點不同之處：（1）在ISP網絡的人口處，除了那些基于DS字段的處理外，還要給包中插入一個MPLS頭；（2）核心路由器處理包是基于它們的標簽和COS字段，而不是它們的DS字段；（3）在出口處，除非配置了外部域LSP，否則刪除MPLS頭。注意在這種策略里，MPLS的作用限制在使用MPLS的ISP內。對于其他的ISP，一個特定的ISP的體系結構是基于DS字段還是MPLS，是完全透明的。因此，基于DS字段的體系結構和基于MPLS的體系結構能夠很容易地互操作。3.4流量工程從根本上講，在網絡負載嚴重時，綜合型業務模型和區別型業務模型等QoS策略提供的是性能的平穩下降。當通信負載比較輕時，綜合業務和最佳效果業務幾乎沒什么差別。因此，為什么不在第一步就設法避免擁塞呢？這就是流量工程的動機。導致網絡擁塞的原因可能會是網絡資源不足或通信分布不均勻。在前一種情況下，所有路由器和鏈路都會過載，唯一的解決辦法是升級基礎設施，提供更多的資源。在第二種情況下，網絡的一些地方過載而其他地方的負載卻較輕。現在的動態路由協議RIP，OSPF和IS－IS都會導致不均勻的通信分布，因為他們總是選擇最短路徑轉發包。結果是，在兩個結點之間順著最短路徑上的路由器和鏈路可能發生了擁塞，而沿較長路徑的路由器和鏈路卻是空閑的。OSPF的等價多路徑（ECMP）選項，以及最近的IS－IS，在給多個最短路徑分配負載時是有用的。但是，如果只有一條最短路徑，ECMP就無能為力了。對于簡單網絡，可以讓網絡管理員手工配置鏈路的代價，均勻地發配流量是可以的。但對于復雜網絡，這幾乎不可能。流量工程就是安排傳輸流如何通過網絡，以避免不均勻地使用網絡而導致擁塞的過程。為使流量工程自動化，約束尋徑是一種重要的工具。因為在避免擁塞和提供良好的性能方面，流量工程其實是對區別型業務模型的補充。3.5約束路由約束路由（Constrainted Based Routing）用來計算受到多種約束時的路由。3.5.1約束路由介紹約束路由是從QoS路由發展而來。對于給定QoS請求的一個流或一個流的聚集，QoS尋徑返回的路由能夠最大限度地滿足QoS需求。約束路由擴展了QoS路由，考慮管制等的其他約束，約束路由的目標是： *選擇能夠滿足特定QoS需求的路由。 * 提高網絡的利用率。當決定一個路由時，約束路由不僅涉及網絡的拓撲結構，而且還包括流提出的需求，鏈路資源可用性以及網絡管理員規定的一些可能的管制。因此，約束路由可能會找到一條較長和較輕負載的路徑，這條路徑優于重負載的最短路徑。網絡流量會因此而更均勻一些。要想實現約束尋徑，路由器需要計算新鏈路的狀態信息，再根據這些狀態信息計算路由。3.5.2約束路由與其他QoS機制的關系 *綜合業務模型。RSVP與約束路由是相互獨立卻互為補充的。約束路由決定RSVP消息的通路，但并不預留資源。RSVP預留資源但有賴于約束路由或動態路由決定通路。 * 區別型業務模型。約束路由為流選擇最優路由，因此最大限度地保證了QoS。約束路由不是要取代區別型業務模型，而是幫助它更好的傳送。 * MPLS。從理論上說，二者是互斥獨立的，因為MPLS是一種前向轉發策略，而約束路由是一種路由策略。約束路由基于資源和拓撲信息決定兩個節點之間的路由，有沒有MPLS都可以。MPLS用標簽分配協議建立LSP，而不關心路由是由約束路由，還是動態路由確定的。4 小結本文介紹了IP網提供QoS的問題，尤其是這些模型的優缺點以及它們之間的相互關系。根據因特網協議棧，綜合業務模型和區別型業務模型是在傳輸層：約束路由是在網絡層；而MPLS位于第2、3層之間。由于綜合業務模型的缺點，現在幾乎所有的人都看好區別型業務模型。將來區別型業務模型配合MPLS，在QoS方面很可能占有主導地位。但區別型業務模型本身還不完善，比如它并不提供全網端到端的QoS保證，有關的許多技術細節IETF都還未給出具體明確的規定，包括業務類別的具體劃分、每類業務性能的量化描述。IP的業務類別與ATM QoS的影射等等。因此利用Diff－Serv。模型實現對IP網絡QoS的保證目前尚不成熟，有關標準的進一步制定和相關試驗都在加緊進行。

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