Internet實時業(yè)務(wù)的QoS機制

2019-11-03 09:00:49

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供稿：網(wǎng)友

劉麗娜1 曾興雯1 熊韜2

1. 西安電子科技大學(xué) 西安710071

2. 中興通訊股份有限公司深圳518057

　　摘要本文針對Internet實時業(yè)務(wù)對延時和抖動的服務(wù)質(zhì)量要求，闡述了幾種QoS解決機制，包括增加額外帶寬和IETF提出的一些QoS機制。從最早的IntServ/RSVP機制到DiffServ機制，并重點闡述了現(xiàn)今比較流行的MPLS機制。對于每種機制都從產(chǎn)生背景、主要思想、基本原理和優(yōu)缺點等幾個方面做了分析,最后對ip QoS技術(shù)的發(fā)展前景做了展望。

　　關(guān)鍵詞服務(wù)質(zhì)量QoS 實時業(yè)務(wù) IntServ RSVP DiffServ MPLS TE

　　一、引言

　　近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)（Internet）的迅速發(fā)展,Internet已由單一的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)向多業(yè)務(wù)承載網(wǎng)演進。以前那種以e-mail、文件傳輸?shù)葹橹鞯膯渭兊臄?shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶的需求，一些實時應(yīng)用如視頻點播（Video On Demand,VOD）、IP電話（Voice Over IP,VOIP）、遠(yuǎn)程教學(xué)不斷涌現(xiàn)。這些實時業(yè)務(wù)的最大特點就是對時延和抖動非常敏感。對于這樣的服務(wù)質(zhì)量（QoS）需求，Internet如何才能提供此類業(yè)務(wù)的QoS保證？

　　二、增加帶寬

　　伴隨著新業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，勿庸置疑，增加帶寬將是最為簡單和有效的方式。尤其是近年來隨著密集波分復(fù)用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）技術(shù)的出現(xiàn)，帶寬的成本大幅度降低，核心網(wǎng)提供10Gbps的速率已不在話下。但是依據(jù)著名的Moore定律，應(yīng)用對帶寬的需求正以指數(shù)級速度增長。更為重要的是，從歷史的角度來看，帶寬的有效性（availability）和帶寬的需求之間始終存在著一種滯后一步（lock_step）的關(guān)系。也就是說，當(dāng)有效帶寬能滿足某一應(yīng)用的需求時，更大帶寬需求的業(yè)務(wù)又將出現(xiàn)。

　　由此看來，額外的帶寬并不是對實時業(yè)務(wù)QoS的完整解決方案。有效的帶寬管理即帶寬的高效利用也是不容忽視的一面。

　　三、IntServ/RSVP機制和DiffServ機制

　　在Internet上承載實時業(yè)務(wù)對IP技術(shù)來說是一大挑戰(zhàn)。這是因為，Internet是基于IP技術(shù)的，而IP網(wǎng)絡(luò)承載實時應(yīng)用有兩大缺陷。首先，IP技術(shù)本身是面向無連接的技術(shù)，IP網(wǎng)絡(luò)提供的業(yè)務(wù)僅是“盡力而為”的業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)本身是不保證傳輸可靠性的。其次，TCP/IP協(xié)議體系中的TCP或UDP協(xié)議雖然對于Internet的傳統(tǒng)應(yīng)用可以提供一定的容錯和糾錯功能，但對于實時業(yè)務(wù)來說，TCP的重傳機制顯得蒼白無力。拋開TCP建鏈和確認(rèn)的時延不說，重傳引入的時延對于這些對時延極其敏感的實時業(yè)務(wù)來說是不能忍受的。而UDP本身就是不可靠的。因此，必須找到一個能夠在Internet上提供良好的QoS保證的方法。

　　多方組織和團體都提出了自己的解決方案，其中最為著名的是由因特網(wǎng)工程任務(wù)組（Internet Engineering Task Force ,IETF）的IntServ 小組和DiffServ小組提出的IntServ/RSVP機制和DiffServ機制。

　　1. IntServ/RSVP機制

　　IntServ/RSVP綜合服務(wù)體系結(jié)構(gòu)模型是IETF IntServ小組于1994年提出的。其基本思想是一個應(yīng)用要想獲得某種服務(wù)質(zhì)量，必須在向網(wǎng)絡(luò)傳送流量之前請求網(wǎng)絡(luò)為其預(yù)留所需資源。這就要求會話開始之前，源端和目的端之間首先要建立一條鏈路。因此從某種意義上來說，IntServ/RSVP實際上是提供了一種類似于電路級（circuit level）的服務(wù)質(zhì)量，理論上是可以實現(xiàn)完全的端到端QoS。

　　該模型中定義了三種服務(wù)類型：確保業(yè)務(wù)（Garanteed Service，GS，對帶寬、時延、丟包率提供定量的質(zhì)量保證）、受控負(fù)載業(yè)務(wù)（Controlled_load Service，CS，提供一種網(wǎng)絡(luò)在欠載情況下的服務(wù)）和盡力而為業(yè)務(wù)（Best Effort，BE，基本沒有質(zhì)量保證）。對于容許型實時業(yè)務(wù)屬于GS，非容許型實時業(yè)務(wù)屬于CS。為了實現(xiàn)上面的服務(wù)，IntServ定義了4個功能部件，網(wǎng)絡(luò)中的每個路由器都要實現(xiàn)這4個功能部件。

　　數(shù)據(jù)包分類器（Packet Classifier）：根據(jù)預(yù)制的一些規(guī)則，對進入路由器中的分組進行分類。

　　接入控制器(Admission Control)：基于用戶和網(wǎng)絡(luò)達成的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，對用戶的訪問進行一定的監(jiān)視和控制，以利于保證雙方的共同利益。

　　分組調(diào)度器(Packet Scheduler)：基于一些調(diào)度算法，對分類的分組隊列進行調(diào)度。

　　RSVP PRocess：資源預(yù)留協(xié)議，通過信令完成對資源的申請、預(yù)定和解除。

　　RSVP協(xié)議采用信令方式完成資源的預(yù)留。發(fā)送主機首先向接收主機發(fā)送PATH路徑信息，該消息中包含了描述發(fā)送數(shù)據(jù)流的通信量規(guī)約Tspec。路由器接到PATH消息后直接轉(zhuǎn)發(fā)給有路由協(xié)議決定的下一跳。當(dāng)接收主機收到PATH消息后以RESV預(yù)留消息作為回應(yīng)。分組所需的服務(wù)質(zhì)量類型及中間節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)分組所需的優(yōu)先級參數(shù)都包含在RESV消息中。網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點路由器就以該RESV為依據(jù)，為該分組分配鏈路帶寬和緩沖空間，同時維護該分組的狀態(tài)信息。為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渎酚杉癚oS要求的變化，RSVP請求及路由器維護的狀態(tài)信息要做周期性的刷新。至此，預(yù)留通路就建立起來了。具有RSVP的結(jié)點收到分組，將分組分類，按照RSVP控制通路建立資源預(yù)留時的分組分類標(biāo)準(zhǔn)將該分組送到相應(yīng)的輸出隊列中，并由轉(zhuǎn)發(fā)機制按一定的優(yōu)先級算法轉(zhuǎn)發(fā)出去。

　　IntServ/RSVP模型是對提高Internet的QoS性能做出的最初嘗試。隨著基于Web的業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，IntServ/RSVP逐漸暴露出弊端。第一，IntServ模型最初是為了保證視頻會議此類長生存期（long_lasting）的實時應(yīng)用。對于一些隨機的突發(fā)性實時業(yè)務(wù)流來說,如果對每一個短暫的會話都啟動資源預(yù)留就有些得不償失了。第二，InterServ是典型的per_flow的模型，要求網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點維護與每個流相關(guān)的狀態(tài)信息，因而不利于網(wǎng)絡(luò)的擴容，可擴展性差。但是，對于接近主機處的網(wǎng)絡(luò)邊緣，流量相對較低，IntServ機制將會發(fā)揮其特長。

　　2. DiffServ機制

　　DiffServ區(qū)分服務(wù)模型很好地解決了IntServ擴展性問題但機理和IntServ截然不同。DiffServ采用邊緣監(jiān)管、分配和業(yè)務(wù)優(yōu)先級的結(jié)合，為不同QoS要求的應(yīng)用分配不同的服務(wù)優(yōu)先級，從而滿足不同業(yè)務(wù)的QoS要求。其基本思想是在網(wǎng)絡(luò)入口處，根據(jù)用戶和服務(wù)商（Internet Service Provider,ISP）簽訂的服務(wù)等級協(xié)定（Service Level Agreement,SLA），為應(yīng)用的分組分配一個區(qū)分服務(wù)碼點（DiffServ Code Point，DSCP）。該機制重新命名了IPv4報頭的TOS域和IPv6包頭的TC域，統(tǒng)一定義為DS域。DS被分割為一個六比特的DSCP字段和一個兩比特的未用字段（Current Unused，CU）字段。每個DSCP值就對應(yīng)了一種特定的服務(wù)等級。在網(wǎng)絡(luò)的核心處，路由器就根據(jù)該DSCP值來決定分組的逐跳行為（Per Hop Behavior，PHB）。具有相同DSCP值的數(shù)據(jù)包將接收相同的處理，這些處理構(gòu)成行為聚合（Behavior Aggragate ，BA）。

　　DiffServ中提出了DiffServ域的概念。一個DiffServ域由許多路由器組成。處于域邊緣的路由器稱之為邊緣路由器（Edge Router，ER），處于域核心的路由器稱之為核心路由器（Core Router，CR）。DiffServ將針對單一流的復(fù)雜處理推向網(wǎng)絡(luò)的邊緣，由ER來完成數(shù)據(jù)包的分類和流量調(diào)節(jié)；CR不再維護節(jié)點的狀態(tài)信息，僅完成相應(yīng)的PHB操作。因此，對于這種core-stateless方式的模型來說，具有很好的擴展性和伸縮性。

　　DiffServ中也定義了三種業(yè)務(wù)類型：快速轉(zhuǎn)發(fā)（Expedited Forwarding，EF，提供類似專線和租用線的業(yè)務(wù)，DSCP推薦值為101110）；保證轉(zhuǎn)發(fā)（Assured Forwarding，AF，提供比besteffort盡量好的業(yè)務(wù)，分四類，每類又定義了三種不同的丟棄優(yōu)先級，共有12種推薦的碼點）；盡力而為業(yè)務(wù)（Best Effort，BE，DSCP推薦值為000000）。顯然，對于實時業(yè)務(wù)應(yīng)采用EF類型。

　　DiffServ良好的伸縮性和易于實現(xiàn)的特點使其成為網(wǎng)絡(luò)核心處的首選機制。但是，由于IETF 僅僅提出了DiffServ在一個子網(wǎng)域內(nèi)實現(xiàn)QoS的框架，對于大多數(shù)的交互式實時業(yè)務(wù)來說將無法保證絕對的端到端的QoS。

　　3. IntServ over DiffServ

　　為了最大限度地利用兩種機制的互補特性，IETF 提出了IntServ over DiffServ機制，試圖解決DiffServ的端到端QoS支持。該模型在網(wǎng)絡(luò)的邊緣處采用IntServ/RSVP機制，而在網(wǎng)絡(luò)的核心處采用DiffServ機制。

　　對于這種集成模型，關(guān)鍵在于域交界處的處理。這又將包括兩個方面：第一是控制面的資源預(yù)留，第二是數(shù)據(jù)面的服務(wù)類型映射即如何把一個IntServ服務(wù)類型的數(shù)據(jù)包分類映射為一個DiffServ的PHB。

　　首先來看資源預(yù)留的過程。有兩種模式，一種是靜態(tài)的資源供給，一種是動態(tài)的資源供給。在靜態(tài)模式下，DiffServ域?qū)ATH消息和回傳的RESV消息做透明傳輸。只是RESV消息到達ER1時，將觸發(fā)接納控制，以決定DS域能否接收指定的flowspec。在動態(tài)模式下，Diffserv域中的每個節(jié)點都是標(biāo)準(zhǔn)的IntServ/RSVP節(jié)點，這樣DiffServ網(wǎng)絡(luò)是一個能感知RSVP的網(wǎng)絡(luò)。同時采取一些策略來決定哪些數(shù)據(jù)包由RSVP處理，哪些數(shù)據(jù)包由DiffServ處理。但到目前為止，動態(tài)的資源供給還沒有一個完善的解決方案。

　　對于服務(wù)類型的映射，IntServ中的GS業(yè)務(wù)可以完全映射為DiffServ中的EF PHB。對于CLS業(yè)務(wù)可映射為AF PHB。但是由于在DiffServ中AF又分為四類每類又有三種不同的丟包率。所以，需要在BR1處進行分類。可以根據(jù)RESV中的flowspec提供的參數(shù)漏桶深b和數(shù)據(jù)流的令牌速率r相比b/r分為四類，每一類和AF類相對應(yīng)。

　　四、多業(yè)務(wù)標(biāo)簽交換MPLS

　　多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS）最初并不是作為一個QoS的解決方案提出的，而是以一個新的轉(zhuǎn)發(fā)機制的角色出現(xiàn)的，來源于思科提出的Tag Switching 結(jié)構(gòu)。其主要思想是將二層交換和三層路由有機結(jié)合，將二層的快速轉(zhuǎn)發(fā)引入第三層，大大提高了路由器的轉(zhuǎn)發(fā)性能。

　　如果說IntServ和DiffServ是從資源分配角度來保證QoS，那么MPLS更多地則是從優(yōu)化整體網(wǎng)絡(luò)性能角度提供了實現(xiàn)QoS的支持，包括面向連接的QoS支持和流量工程兩個方面。

　　1. 面向連接的QoS支持

　　傳統(tǒng)的路由器網(wǎng)絡(luò)是基于逐跳路由的。也就是說，路由器需要對每一個到達的分組進行分組頭分析，然后才決定分組的下一跳；而在MPLS網(wǎng)絡(luò)中，對分組頭的分析檢查僅由網(wǎng)絡(luò)入口處的入口標(biāo)簽邊緣路由器（Ingress LER，I-LER）處理。具體來說，分組進入MPLS網(wǎng)絡(luò)之前，控制層面的路由協(xié)議如開放最短路徑優(yōu)先(Open Shortesr Path First，OSPF)建立網(wǎng)絡(luò)路由表，標(biāo)記分發(fā)協(xié)議（Label Division Protocol，LDP）建立到目的網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)簽映射，將網(wǎng)絡(luò)層的路由信息直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層的交換路徑上，進而建立起網(wǎng)絡(luò)層上的標(biāo)記交換路徑(Label Switch Parh，LSP，該LSP可以終止于特定相鄰節(jié)點之間的特定鏈路上即基于逐跳的，也可以終止于網(wǎng)絡(luò)出口節(jié)點即顯示路由)。數(shù)據(jù)平面上I-LER確定分組所屬的轉(zhuǎn)發(fā)等價類（Forwarding Equivalent Class，F(xiàn)EC），完成標(biāo)簽的映射和添加。核心處，標(biāo)記交換路由器(LSR)只需根據(jù)標(biāo)簽表切換標(biāo)簽，用出標(biāo)簽替換入標(biāo)簽將分組逐級轉(zhuǎn)發(fā)給LSP上的下一跳路由器；網(wǎng)絡(luò)的出口處由出口標(biāo)簽邊緣路由器額（Egress LER，E-LER）移除標(biāo)簽。

　　由此看來，分組在轉(zhuǎn)發(fā)之前就已經(jīng)有了一條源端到目的端的路徑LSP。該LSP類似于ATM中的虛電路，實際它就是發(fā)送主機到接收主機的中間節(jié)點序列。因此，MPLS實質(zhì)上是一種面向連接的技術(shù)。

　　2. 流量工程

　　MPLS提供了一個面向連接的環(huán)境，非常有利于流量工程(Traffic Engineering，TE)的實現(xiàn)。所謂的流量工程是指對Internet業(yè)務(wù)量的測量、建模、描述、對上述信息的利用以及為達到特定的性能指標(biāo)所使用的各種技術(shù)。MPLS 的流量工程側(cè)重于測量和控制。它通過對資源的合理配置，對路由過程的有效控制使得網(wǎng)絡(luò)資源可以得到最優(yōu)的利用，在網(wǎng)絡(luò)的運行中使得LSP能夠自動地繞開網(wǎng)絡(luò)故障、網(wǎng)絡(luò)擁塞與網(wǎng)絡(luò)瓶頸。從而有利地緩解了由于某些資源過度使用而有些資源未被充分使用造成的延時，利于實現(xiàn)實時業(yè)務(wù)對延時和抖動的QoS要求。

　　在MPLS流量工程中一個重要技術(shù)就是約束路由也叫“QoS路由”。它是一種命令驅(qū)動并具有資源預(yù)留能力的路由算法，能夠和現(xiàn)有的Internet中的拓?fù)潋?qū)動的、逐跳的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（Internal Gate Protocol，IGP）共存。它可以根據(jù)多個約束條件（可以是QoS約束條件也可以是其他策略性的約束條件）計算出所有的可能路徑并根據(jù)一定的優(yōu)選策略選出一條最優(yōu)的路徑，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化。

　　目前實現(xiàn)MPLS流量工程的控制協(xié)議有基于約束路由的標(biāo)記分發(fā)協(xié)議CR-LDP和RSVP擴展。CR-LDP主要側(cè)重于對帶寬的控制；而RSVP擴展對標(biāo)準(zhǔn)的RSVP做了擴展：采用基于各種約束條件的顯示路由，其信令過程也不再面向各個主機之間，而是面向I-LER和E-LER之間，狀態(tài)信息的維護不再對單個的主機到主機的數(shù)據(jù)流而是對具有相同業(yè)務(wù)級別的一組數(shù)據(jù)流流量中繼（Trffic Trunk，TT）。RSVP擴展側(cè)重于對時延和抖動變化的控制,適用于實時業(yè)務(wù)。

　　3. DiffServ over MPLS

　　MPLS將面向連接引入到無連接的IP網(wǎng)絡(luò)層上，而且MPLS和DiffServ的相似性，決定了用MPLS網(wǎng)來承載DiffServ的可行性。用MPLS來承載DiffServ，改變了DiffServ無連接的PHB分組轉(zhuǎn)發(fā)方式，為實現(xiàn)端到端的QoS提供了基礎(chǔ)平臺。

　　DiffServ over MPLS中的I-LER不僅完成普通MPLS邊界路由器的功能，同時融合了DiffServ中的ER職能，完成標(biāo)簽的封裝和流的類聚形成BA，并將BA映射到LSP上，完成對聚合流的監(jiān)管和調(diào)度；LSR完成標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)的同時，還需要對分組進行調(diào)度、丟棄和整形。由此看來，DiffServ over MPLS的關(guān)鍵是如何實現(xiàn)標(biāo)記到PHB的映射。

　　對于標(biāo)記到PHB的映射，RFC3270中提供了兩種映射方法，分別為L-LSP(Label-Infered-PSC LSP)和E-LSP(EXP-Infered-PSC LSP)。所謂的PSC（PHB Ssheduling Class）是指一類具有相同隊列處理要求的PHB。對于L-LSP，使用標(biāo)記來標(biāo)志各種PSC，而使用標(biāo)記分組頭中的其他部分如EXP來標(biāo)志分組的丟棄優(yōu)先級；對于E-LSP，標(biāo)記僅執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的MPLS功能，有標(biāo)記封裝中的其他部分來標(biāo)志各種PSC和丟棄優(yōu)先級。例如使用EXP字段的三個比特來標(biāo)記各種PSC和丟棄優(yōu)先級的組合。但是由于EXP只有3位，從而限制了可以支持的PHB類型。在擴展的E-LSP中，使用EXP字段來標(biāo)志某一分組為DiffServ分組，同時對標(biāo)記范圍進行分配，每一PHB都將獲得一定數(shù)量的標(biāo)記。最后使用標(biāo)記值字段的最后三個比特與EXP字段結(jié)合相結(jié)合，從而和標(biāo)準(zhǔn)的6位DSCP編碼相對應(yīng)。

　　五、結(jié)束語

　　Internet中蘊藏的商業(yè)利用價值和ISP的利益驅(qū)動使得IP QoS的解決成為或者將成為Internet與IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的歷史轉(zhuǎn)折點。在眾多的解決機制中，MPLS是目前業(yè)界普遍看好的解決未來IP骨干網(wǎng)絡(luò)中QoS問題的基本技術(shù)。但是IP QoS的實現(xiàn)本身需要多層次和多平面的結(jié)合，各種機制的結(jié)合成為現(xiàn)今IP QoS實現(xiàn)和研究的重點。

　　
----《中國數(shù)據(jù)通信》