[推荐]IP网络QoS问题研究

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IP网络QoS问题研究

孙岳、常江
  

　　1. 综述

　　1.1 QoS问题的提出

　　随着Internet规模的不断增大，各种各样的网络服务争相涌现，先进的多媒体系统层出不穷。由于实时业务对网络传输时延、延时抖动等特性较为敏感，当网络上有突发性高的FTP或者含有图像文件的HTTP等业务时，实时业务就会受到很大影响；另一方面，多媒体业务占去了大量的带宽，这样，现有网络要保证的关键业务就难以得到可靠的传输。 解决这些问题的最简单的办法当然是增大带宽，

　　但是，由于这种方法代价高昂，所以并不十分可行。这就要求网络管理者对不同的服务区别管理，而不能对所有的数据包一视同仁。

　　于是，各种QoS技术应运而生。最简单地说，QOS能够对数据包进行合理的排队，对含有内容标识的数据包进行优化，并对其中特定的数据包赋以较高的优先级，从而加速传输的进程，并实现实时交互。

　　由于每种应用系统对网络的要求有所不同，这使得带宽本身并不能解决网络拥塞的问题。QoS所追求的传输质量在于：数据包不仅要到达其欲传输的目的地址，而且要保证数据包的顺序性、完整性和实时性。通过QoS，网络可以按照业务量的类型或级别加以区分，并能够依次对各级别进行处理。优秀的QoS可以提供创建业务量级别的方法，把应用系统或用户的邮件分配到某一级别中作系统管理。

　　1.2 QoS的定义

　　IP QoS是指IP的服务质量,也是指IP数据流通过网络时的性能。它的目的就是向用户提供端到端的服务质量保证。它有一套度量指标,包括业务可用性、延迟、可变延迟、吞吐量和丢包率：

　　①业务可用性：用户到IP业务之间连接的可靠性。

　　②延迟：也称为时延（Latency），指两个参照点之间发送和接收数据包的时间间隔。 ③可变延迟：也称为抖动（Jitter），指在同一条路径上发送的一组数据流中数据包之间的时间差异。

　　④吞吐量：网络中发送数据包的速率，可用平均速率或峰值速率表示。

　　⑤丢包率：在网络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率。数据包丢失一般是由网络拥塞引起的。1.3 QoS解决方案 IETF已经建议了很多服务模型和机制，以满足QoS的需求。其中比较有名的有：综合业务模型(Int-Serv)，区分业务模型(Diff-serv)，多协议标记交换（MPLS），流量工程和约束路由。

　　综合业务的特点是资源预留，实时应用在传输数据前必须首先建立 通道和预留资源。RSVP是用来建立通道和预留资源的协议。

　　在区别型业务中，把包加以标记，产生不同的级别，每个级别的包得到不同的服务级别。 MPLS是一种前向转发策略，在进入MPLS作用域时给包赋予一定的标签，随后包的分类、转发和服务都将基于标签完成。

　　流量工程是一种安排通信流量如何通过网络的过程。 约束路由在寻径路由时会受到一定的约束，如带宽或时延的要求。 大家这里着重先容综合业务模型，区分业务模型，MPLS，并简单先容IPV6种的QoS问题。

　　2.综合业务模型

　　2.1基本概念

　　 综合业务模型（Int-serv：Integrated service）的基本思想是"所有的流相关状态信息应该是在端系统上",它基于每个流（单个的或是汇聚的）提供端到端的保证或是受控负载的服务（controlled-load service）。

　　Int-Serv框架使IP网能够提供具有QoS的传输，以用于对QoS要求较为严格的实时业务（声音/视频）。

　　 Int-Serv使用一种类似ATM的SVC的方法,它在发送方和接收方之间用RSVP作为每个流的信令。RSVP信息跨越整个网络, 假定从接收方到发送方之间沿途的每个路由器都要为每一个要求QoS的数据流预留资源。路径沿途的各路由器--包括核心路由器--必须为RSVP数据流维护软状态。

　　在Int-Serv流中，定义了三种类型的业务，即：

　　①保证业务(Guaranteed-Service, GS)：对于GS业务流的最大时延是受到控制的，路由上的任何时延都会影响最大排队时延。

　　②受控负载业务(Controlled-load-Service, CLS)：CLS没有固定的时延保证，但业务流要与在网络轻载情况下的流质量相当，实际上CLS要求有长期的带宽保证。

　　③尽力而为的业务(Best-Effort)：类似当前Internet在多种负载环境(由轻到重)下提供的尽力而为的业务。

　　2.2 综合业务模型的构成 为了实现上面的服务，Int-Serv定义了4个功能部件，网络中的每个路由器皆需要实现这4个部件。

　　1.RSVP(RFC2205)：RSVP即资源预留协议，它是Internet上的信令协议。通过RSVP，用户可以给每个业务流(或连接)申请资源预留，要预留的资源可能包括缓冲区及带宽的大小。这种预留需要在路径上的每一跳都要进行，这样才能提供端到端的QoS保证。RSVP是单向的预留，适用于点到点以及点到多点的通信环境。

　　2.访问控制(Admission Control)：它基于用户和网络达成的服务协议，对用户的访问进行一定的监视和控制，有利于保证双方的共同利益。

　　3.分类器(Classifier)：根据预置的一些规则，它对进入路由器的每一个分组进行分类。这可能需要查看IP分组里的某些域：IP源地址、IP目的地址、上层协议类型、源端口号、目的端口号；分组经过分类以后被放到不同的队列中等待接收服务。这方面的技术还不很成熟，是一个有待研究的领域。

　　4.队伍调度器(Scheduler)：它主要是基于一定的调度算法对分类后的分组队列进行调度服务。这方面的技术目前已比较成熟，常见的调度算法有WFQ、WF2Q、SCFQ、VC、MD-SCFQ、WRR等。

　　2.3综合业务模型的优缺点

　　综合业务模型的优点是： 能够提供绝对有保证的QoS。详细的设计使RSVP用户能够仔细地规定业务种类。因为RSVP运行在从源端到目的端的每个路由器上，因此可以监视每个流，以防止其消耗比它请求、预留和预先购买的要多的资源。

　　RSVP在源和目的地间可以使用现有的路由协议决定流的通路。RSVP使用IP包承载，使用"软状态"的概念，通过周期性的重传PATH和RESV消息，协议能够对网络拓扑的变化做出反映。正如PATH和RESV刷新用来更改该预留的流的通路那样，没有了这些消息时，RSVP协议释放与之关联的资源。

　　设计综合模型开始的目的之一就是使得QoS能够工作在unicast和multicast下。RSVP协议能够让PATH消息识别多播流的所有端点，并发送PATH消息给它们。它同样可以把自每个接收端的REVP消息合并到一个网络请求点上，该点可以让一个多播流在分开的连接上发送同样的流。

　　综合业务模型的缺点是： 可扩展性是Int-Serv结构最致命的一个问题,因为Int-Serv要求端到端的信令,这在一个实际运行的运营商网络中几乎无法实现。单纯从Int-Serv结构的实质来看,资源预留本身就与IP网络的最大特点"无连?quot;相冲突。另外，对保障型业务需要网络全部使用综合业务，如果中间有不支撑的节点／网络存在，虽然信令可以透明通过，但实际上对于应用来说，已经无法实现真正意义上的资源预留，所希翼达到的QoS保证也就打了折扣。

　　对路由器的要求较高。由于需要进行端到端的资源预留，必须要求从发送者到接收者之间的所有路由器都支撑所实施的信令协议。因此所有路由器必须实现RSVP、许可控制。MF（Multi－Field）分类和包调度。 该模型不适合于短生存期的流。因为为短生存期包预留资源的开销很可能大于处理流中所有包的开销。但因特网流量绝大多数是由短生存期的流构成的。在短生存期的流需要一定程度的QoS保证时，综合业务模型就显得得不偿失了。

　　3. 区分业务模型 3.1基本概念 由于对综合业务模型利用全程信令将原本面向无连接的因特网，勉为其难地改为向面向连接的网络这种方式的可实施性已经产生了怀疑。因而希冀能够出现一种新的解决问题的思想，既考虑已有网络的现状，又能达到实现服务质量的目的，这就出现了区分业务（Diff-serv）模型。

　　Diff-Serv IETF组织制订了IP网络的QOS标准--区分服务(Diff-Serv)，为在IP网络上提供服务质量保证奠定了基础。在Diff-Serv标准以前，ATM技术还是唯一能提供QOS的网络技术，IETF正是借用了ATM的QoS概念，将QoS引入IP所有业务，这些业务不但可以在租用线、帧中继和ATM上传输，而且也可以在SDH、DWDM链路上传输。Diff-Serv还定义了ATM和帧中继所不能提供的动态QoS服务，并增加了新的拥塞管理机制。 区分服务是由综合服务(Int-serv )发展而来的，它采用了IETF的基于RSVP的服务分类标准，抛弃了分组流沿路节点上的资源预留。区分服务将会有效地取代跨越大范围的RSVP的使用。区分服务区域的主要成员有：核心路由器、边缘路由器、资源控制器（BB，Bandwidth Broker）。在区分服务中，网络的边缘设备对每个分组进行分类、标记DS域，用DS域来携带IP分组对服务的需求信息。在网络的核心节点上，路由器根据分组头上的DS码点（Code Point）选择码点所对应的转发处理。

　　资源控制器BB配置了管理规则，为客户分配资源，它可以通过服务级别协定SLA （Service Level Agreement）与客户进行相互协调以分享规定的带宽。 与Int-Serv类似，Diff-Serv也定义了三种业务类型：

　　①最优的业务(Premium)：类似于传统运营商网络的专线业务。

　　②分等级的业务(Tiered)：这不仅仅是一种业务，而是一个大的类别，可以根据发展的需要定制不同的业务等级。

　　③尽力而为的业务(Best-Effort)；类似于Internet中尽力而为的业务。 IP QoS较之ATM的优越性还在于它能够提供更灵活的服务，如Diff-Serv支撑基于日期的应用与动态QoS，因此，可以给予某一特定的用户，如基于WEB的电子商务，较高级别的QoS服务，而对于不那么重要的应用，如E-mail则给以"尽力服务"。





　　图1 区分服务体系结构的框架示意图

　　Diff-Serv比Int-Serv 更具可扩展性，如图1所示,它可用于企业的广域网中,并在运营商网络中发挥重要的作用,因为它可以根据应用或业务类型排出不同的优先级别。IP QoS的业务区分结构使用IPV4报头中的业务类型（TOS）字段，并将8位TOS字段重新命名，作为DS字段，其中6位可供目前使用，其余2位以备将来使用。该字段可以按照预先确定好的规则加以定义，使下行节点通过识别这个字段，获取足够的信息来处理到达输入端口的数据包并将他们正确地转发给下一跳的路由器。这里需要注意的是在IPV4网中所定义的TOS字段与在Diff-Serv中的DS字段不同。TOS字段的定义如图2所示。图IPV4报头中TOS字段定义Diff-Serv充分考虑了IP网络本身灵活，可扩展性强的特点，将复杂的服务质量保证通过DS字段转换为先进的单跳行为，从而减少了信令的工作。



　　3.2 Diff-Serv－优先级排列

　　差分服务提供一种简单粗略的方法对各种服务加以分类。不过用其它方法也可以，目前有两个每跳(PHBs)的标准，其中对两个最有代表性的服务等级(业务类别)作了规定： 快速转发(EF)：有一个单独的码点(DiffServ值)。EF可以把延迟和抖动减到最小，因而能提供总合服务质量的最高等级。任何超过服务范围(由本地服务策略决定)的业务被删除 保证转发(AF)：有四个等级，每个等级有三个下降过程(总共有12个码点)。超过AF范围的业务不会象'业务范围内'的业务那样以尽可能高的概率传送出去。这意味着业务量有可能下降，但不是绝对的。 根据预定策略的标准，PHBs适用于网络入口的业务。业务在这点加以标记，然后根据这个标记进行路由指向，没有作标记的业务就放到了网络的出口。

　　3.3Diff-Serv的相关算法 Diff-Serv路由器使用与ATM交换机组类似的输入管理器与输出调度器的原理，来实现PHB功能，同时也增加了拥塞管理机制用以处理IP网络交通拥塞问题，为此Diff-Serv使用了两种算法，分别为随机早期检测（RED）与加权随机早期检测（WRED）算法，通过使用这两种算法达到在发生拥塞之前随机丢包以避免路由器过载的目的，这种丢包策略也能使传输控制协议（TCP）减慢发送端数据发送的速度。

　　3.4 区分业务模型的优缺点： 区别型业务模型完全不同于综合型业务模型，它的优点是： 伸缩性较好。DS字段只是规定了有限数量的业务级别，状态信息的数量正比于业务级别，而不是流的数量。 便于实现。只在网络的边界上才需要复杂的分类、标记、管制和整形操作。ISP核心路由器只需要实现行为聚集（BA）的分类，因此实现和部署区别型业务都比较容易。 缺点： Diff-Serv为IP QoS奠定了宝贵的基础，但还是没有办法完全依靠自己来提供端到端的QOS结构。Diff-Serv需要大量网络单元的协同动作，才能向用户提供端到端的服务质量。鉴于这些组件高度分散的特点和对它们进行集中管理的需要，必须有一个全局的带宽管理对全局资源进行动态管理。 解决这一问题的方法有两个：一是用功能强大的全局策略管理器来完成这一任务；另外一种就是利用MPLS将第三层的QOS转换为第二层的QOS，通过运营网中第二层的交换机来实现端到端的服务质量保证。

　　3.5 区分业务模型与综合业务模型的互通 很有可能的是，综合业务模型会因为伸缩性的问题而无法在WAN上使用。将来区别型业务模型（配合MPLS），在QoS方面很可能占有主导地位。而事实上，很多ISP期待区别型业务模型能够满足所有他们的QoS需求。而与此相反的是，综合业务模型能够在企业网中实施，很多企业的联网产品中都已经或即将集成某种程度的综合业务能力。如果WAN用的是区别型业务模型，而LAN用的是综合业务和区别业务模型的混合形式，那么当发送者和接收者之间的通路同时需要LAN和WAN时，如何才能够保证端到端的QoS呢？ IETF建议了两种互操作方式。一种方法是将综合业务覆盖在区别型业务网上，RSVP信令完全透明地通过区别型业务网。位于两种网络边缘的设备处理RSVP消息，并且根据区别型业务网络中合适的资源的可用性提供许可控制。另外一种方法是简单的并行处理。区别型业务网中的每个节点可能也是具有RSVP功能的。采取一些策略决定哪些包用RSVP，哪些用区别行业务处理。这种模型可能适用于小型网络。

　　4. MPLS技术

　　4.1产生背景

　　在现有的网络技术中，从支撑QoS的角度来看，ATM作为继IP之后迅速发展起来的种快速分组交换技术具有得天独厚的技术优势。因此ATM曾一度被认为是一种处处适用的技术，但是，实践证明这种想法是错误的。首先，纯 ATM网络的实现过于复杂，导致应用价格高，难于为大众所接受。其次，在网络发展的同时相应的业务开发没有跟上，导致目前ATM的发展举步维艰。

　　第三，虽然ATM交换机作为网络的骨干节点已经被广泛使用，但ATM信元到桌面的业务发展却十分缓慢。 由于IP技术和ATM技术在各自的发展领域中都遇到了实际困难，彼此都需要借助对方以求得进一步发展，所以这两种技术的结合有着必然性。多协议标签交换（MPLS）技术就是为了综合利用网络核心的交换技术和网络边缘的IP路由技术各自的优点而产生的。

　　IETF在 1997年初成立了MPLS工作组，利用集成模型中现有的技术的主要思想与优势，制定出一个统一的、完善的第3层交换技术标准。MPLS明确规定了一整套协议和操作过程，最终在IP网内通过ATM和帧中继实现快速交换。MPLS中的关键概念是用标签来识别和标记IP报文，并把标签封装后的报文转发到已升级改善过的交换机或路由器，由它们在网络内部继续交换标签，转发报文。因而，IP0报文标签的产生和分配是建立在通过现有的IP路由协议获得网络路由信息的基础上的。



　　4.2 MPLS信令的实现

　　目前MPLS实现信令的方式可分为两类，一类是LDP／CR-LDP，它是基于ATM网络的。CR-LDP和LDP是同一个协议，CR-LDP是LDP的扩展，它使用与LDP相同的消息和机制，如对等发现、会话建立和保持、标记发布和错误处理。另外一类是RSVP，它基于传统的IP网。RSVP和LDP／CR-LDP是两种不同的协议，它们在协议特性上存在不同，有不同的消息集和信令处理规程。从协议可靠性上来看，LDP／CR-LDP是基于TCP的，当发生传输丢包时，利用TCP协议提供简单的错误指示，实现快速响应和恢复。而RSVP只是传送IP包。由于缺乏可靠的传输机制，RSVP无法保证快速的失败通知。从网络可扩展性上看，LDP较RSVP更有优势，一般电信级网络中，特别是ATM网络中，应采用MPLS／LDP。ITU-T倾向于在骨干网中采用CR-LDP。

　　4.3 MPLS的网络构成

　　MPLS网络由标签边缘路由器（LER）和标签交换路由器（LSR）组成。在LSR内，MPLS控制模块以 IP功能为中心，转发模块基于标签交换算法，并通过标签分配协议（LDP）在节点间完成标签信息以及相关信令的发送。值得注意的是，LDP信令以及标签绑定信息只在MPLS相邻节点间传递。LSR之间或 ISR与LER之间依然需要运行标准的路由协议，并由此来获了拓扑信息。通过这些信息LSR可以明确选取报文的下一跳并可最终建立特定的标签交换路径（LSP）。MPLS使用控制驱动模型，即基于拓扑驱动方式对用于建立LSP的标签绑定信息的分配及转发进行初始化。LSP属于单向传输路径，因而全双工业务需要两条LSP，每条LSP负责一个方向上的业务。

　　4.4 MPLS的工作原理

　　MPLS协议规定，IP报文仅在MPLS网络边缘节点（入口LSR），通过路由表查询并分配相应的转发等价类（FEC），同时采用固定长度的标签对该FEC进行描述与编码，并将此标签附加到IP报头的前面，即意味着该报砂信息不再用于网络中后续标签交换路由器的索引操作。相应的处于LSP中的标签交换路由器，利用报文携带的标签信息库（LIB）中进行索引，确定相应的下一跳，在LSR出端口用新的标签替换头原有标签。这样携带新标签的报文便沿着LSP向目的地转发。

　　MPLS协议规定标签只具有本地意义，其具体的编码与封装规则可参见MPLS的标签封装草案。标签封装草案遵照逐跳前传（Hop by Hop）机制，详尽地描述了报文的转发行为，包括选择报文的下一跳，在LSR内完成标签的分配、转发与替换操作。在通常情况下，LSP的建立基于标准的IP路由协议，如开放最短路径优先协议（OSPF）。此外MPLS可为边缘标签交换路由器的标签映射方式提供多种算法，充分展现了其路由技术上的灵活性。 在传统的ATM和IP网中引入MPLS控制机制，仅从Traffic Engineering和QoS这两个侧面来看，MPLS确实有着传统IP技术所无法实现的功能，可以将ATM和IP很好地结合在一起。

　　5. IPV6的QoS控制策略

　　IPv6提供一定的QoS控制策略。首先，IPv6分组头定义了一个4比特的优先级区域，可以指示16种优先级别。同前面所讲的IP ToS宁节类似。16种优先级别中的9种用于非实时传输业务（象"文件传输"或"无特征流量"），其余的8种用于实时传输业务（比如可用来区分同时传送的语音业务或视频业务）。

　　但是协议中的应用指南并没有严格规定IPv6路由器应如何使用这一优先级区域。 其次，这一优先级区域的使用与IPv4的ToS区域的使用非常相似，所以它是否能成功地做为网络优先级机制就要看路由器生产商和应用程序设计者是否愿意支撑它。 由于IPv4平台上的ToS域未能得到很好的应用。人们必会怀疑IPv6的优先级区域是否会有同样的命运。值得乐观的一点是，由于现在的数据通信业非常重视IP传输的QoS问题，所以必会加大力度推行优先级机制。

　　在未来的IP网络中，优先级标签并不是IPv6指出分组的QoS的唯一方法。IPv6的分组头还包括1个24比特的信息流标签，这个标签可由初始化程序来设定，指出某组数据分组属于某种特定的IP信息流。这样，路由器不需要检查地址、程序端口或其它信息，就可将数据分组分类。在IP分组头中带有信息识别号可以使路由器的工作得到简化，因此也就减少了路由器确定数据分组的QoS的时间。但需要注意的是，信息标号并没有表明QoS的提供方式，所以仍需使用RSVP和其它预留协议。