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下一代互聯網關鍵技術IP QoS(4)

2019-11-03 09:03:20
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供稿：網友

姜明


　　7.QoS體系結構

　　前面分別介紹了單獨應用各種QoS協議實現端到端QoS的情況，實際應用中，為了實現從上到下、在發送者和接收者之間的端到端QoS，需要同時將多種QoS技術結合起來使用。目前，大多數將這些QoS技術結合在一起的規范還沒有標準化，但是搭建各種盡可能提供統一的端到端QoS體系結構的工作已經開始了。IETF的工作小組正致力于提出QoS整體體系結構，即從上至下的、端對端的QoS體系結構。

　　該結構包含了幾乎現有的所有的QoS機制，如IntServ/RSVP、DiffServ、MPLS以及SBM。具體結構如圖11所示。它利用高層協議與底層協議的合作，將高層的QoS協議映射到底層的協議，以支持從上至下的QoS，進而實現端對端QoS。MPLS與DiffServ的端對端QoS模型

　　DiffServ需要大量網絡單元的協同運作，才能向用戶提供端到端的QoS，而這些這些組件往往是高度分散的。因此，盡管DiffServ是目前在骨干網上實現ip QoS最可行的方案，但僅靠DiffServ還不能提供端到端的QoS保證。解決這個問題的方法之一便是利用MPLS技術將第三層的QoS轉換為第二層的QoS，通過網絡中第二層的交換機來實現端到端的服務質量保證。盡管這可能不是一個真正意義上的IP QoS，但卻是目前可以實現的方法中最切實可行的一個。

　　由于DiffServ和MPLS在所支持的QoS方面有某種相似性（如數據包分類），因此將DiffServ數據流映射到MPLS"管道"上相對來說比較簡單。IETF的MPLS工作組目前推出的MPLS和DiffServ結合的方案是將DiffServ行為聚合BA映射到LSP，根據BA的PHB來轉發LSP上的數據包LSP與BA的映射有兩種方式：

　　E-LSP（Exp-inferred-PSC LSP）：E-LSP用MPLS墊片頭部的EXP字段把多個BA指派到一條LSP上，使用MPLS墊層頭的EXP字段表示一個包的PHB。最多可以把8個BA映射到EXP字段中。

　　L-LSP（Label-only-inferred-PSC LSP）：把一條LSP指派給一個BA（表現出多個包丟棄優先級），根據MPLS標簽確定包的調度策略，根據MPLS墊片頭或二層包丟棄機制確定丟棄優先級。

　　為了支持DiffServ的逐跳行為模型，MPLS網絡操作員需要在每個MPLS路由器中為每個DiffServ轉發類分配一定的網絡資源和標簽。同時，LSR還需要將特定的丟棄優先級與數據包相關聯起來。RSVP為MPLS提供資源QoS模型

　　在目前的MPLS體系結構中，可以用來對標簽進行分發協議除了LDP外，另外一個就是RSVP。IETF的工作小組正致力于對RSVP進行擴展，以支持MPLS的標簽分發，目前已經制定出相應的草案。用RSVP分配標簽的一個優點是使得沿著標簽分配路徑進行資源分配成為可能，例如，通過標準的RSVP資源預留可將帶寬分配給LSP。當然，資源預留對MPLS來說并不是必須的，LSP能在沒有任何資源預留的情況下建立，這種LSP用于傳輸極力而為的流。

　　標簽分配協議主要用于將路由器對特定數據流分配的標簽及其意義通知它的下游節點，以使下游節點能根據數據包的標簽來進行正確的處理。RSVP協議不僅支持下游按需（Downstream-on- demand）標簽分配，而且支持顯式路由功能。為此，RSVP的路徑消息增加了LABEL_REQUEST對象。標簽在下游分配，并且通過RSVP的預留消息分發。這樣，RSVP的預留消息中增加了LABEL對象，增加了對標簽堆棧的支持。為了支持顯式路由，RSVP的路徑消息中增加了EXPLICIT_ROUTE對象。顯式路由的作用是優化網絡資源的利用，增強面向流量的性能特征，它的一個重要應用便是流量工程。支持RSVP和MPLS的主機和路由器可以將標簽與特定的數據流關聯在一起。這樣，路由器也就可以根據數據包的標簽值來確定合適的資源預留狀態信息了。以RSVP信令來為MPLS分發標簽并預留資源的過程大致如下：

　　發送端發送PATH消息，除了普通PATH消息中所帶有的TSpec信息外，該PATH消息還帶有LABEL_REQUEST對象，用于各路由器分配標簽；

　　中間路由器接收到PATH消息，建立路徑狀態（LABEL_REQUEST也包含在路徑狀態塊中），并向下游轉發PATH消息；

　　接收端收到PATH消息后，向上游發出RESV消息，該消息除帶有TSpec、RSpec和Filter Spec外，還帶有LABEL對象，用于對各個路由器分配的標簽進行分配及分發；

　　中間路由器接收到RESV消息后，執行接入控制，并將LABEL對象中的標簽值作為該會話的輸出端口的標簽值，同時分配新的標簽值，并將新標簽值與該會話的輸入端口綁定（該端口也是路由器用來向上游傳送RESV消息的端口）。

　　RSVP與DiffServ的端對端QoS模型

　　DiffServ服務的一個重要環節就是建立起SLA，然后各DS節點根據所建立的SLA對業務流進行分類和調節。目前，建立SLA有兩種方法，對應為兩種不同的SLA：靜態SLA和動態SLA。靜態SLA是由網絡管理員根據一定的協定或策略制定相應的資源分配方案、流量調節規范等；而動態SLA則是根據某種信令協議動態分配資源。常用的信令協議就是RSVP，目前正在發展中的還有BB技術。

　　RSVP的最初設計目標是為單流（micro-flow）提供資源預留，擴展后的RSVP可以為流聚集提供資源預留。以RSVP和DiffServ結構相結合，將可以提供更為靈活的端對端QoS。在這種端對端的QoS模型中，由RSVP為流聚集提供資源，而DiffServ只是簡單地對數據包進行標記、分類（區分不同的優先級）以及調度轉發，需要注意的是，與IntServ中的RSVP預留資源不同，這里是發送請求的資源預留。

　　由于RSVP的高度復雜性，因此，在這種模型中，RSVP只是布置在邊緣網絡（直接與客戶相連的網絡），而在核心網絡（主干網）只布置DiffServ。端系統利用RSVP向網絡請求資源（例如帶寬、緩沖區等），主干網的入口路由器應用標記DS的方法將RSVP資源預留映射到相應的服務類別上，也即與DSCP的對應。而在主干網的出口節點，重新使用RSVP，直到接收端。

　　DiffServ與IntServ/RSVP相結合提供QoS機制

　　我們知道，IntServ服務的最大優點是能夠根據客戶的實際需要，定制出完全符合客戶需求的網絡服務，具有相當的靈活性，而它最大的缺點是實現的復雜性，難以在主干網上大量使用。DiffServ服務恰恰相反，它最大的優點在于它在主干網上的可擴展性，但由于其處理的對象是流聚集, 所以無法處理一個特定的流請求。因此，可以把IntServ/RSVP和DiffServ看作是相互補充的技術，將其結合，互相協同，共同為用戶提供端到端的QoS保證。

　　Intserv體系結構提供了一種在異構網絡元素之上提供端到端QoS的方法。一般來講，網絡元素可以是單獨的節點（如路由器）或鏈路，更復雜的實體（比如ATM云或802.3網絡）也可以從功能上視為網絡元素。在這種意義下，可以將DiffServ網絡看成一個大的網絡單元，是連接Intserv路由器和主機的虛鏈路。已經有方案描述了一種在DiffServ網絡之上實施IntServ支持端到端QoS的方法，在該框架中，端到端的、定量的QoS是通過在含有一個或多個DS區的端到端網絡中應用IntServ模型來提供的。為了優化資源的分配和支持接納控制，DS區可以（但并不絕對要求）參加端到端的RSVP信令過程。

　　在DiffServ上提供IntServ服務的體系結構如圖11所示，發送端和接收端分別與各自的IntServ網絡相連，而兩個IntServ區域又通過DiffServ骨干網絡相連。在這種體系結構上提供端對端QoS有兩種方式，一種是DiffServ區域靜態地提供資源，另一種方式是DiffServ區域動態地提供資源，我們以靜態方式為例來說明其具體的過程：

　　發送端以信令發出PATH消息，即業務流規格說明，其中包括服務類型（確保服務或控制負載服務）以及一些量化的參數。與發送端主機直接相連的IntServ網絡N1中，以標準的RSVP/IntServ方式處理PATH消息；

　　在邊界路由器ER1處，PATH消息遵循標準RSVP的處理方法，并且將PATH消息發往DiffServ區域；

　　PATH消息在DiffServ區域內透明地傳輸，然后在與接收端主機直接相連的IntServ網絡N3的邊界路由器ER2處按標準的RSVP方式處理；

　　當PATH消息到達接收端主機時，它發送出RESV消息，以規范業務流所需要的資源；

　　在N3網絡中，RESV以標準的方式處理，在邊界節點ER2處，以標準的方式處理，如果ER2認為與DiffServ區域相連的接口的資源不能滿足所請求的資源，則ER2拒絕該請求，如果能滿足要求的話，則將RESV消息透明地穿過DiffServ區域；

　　在ER1處，RESV消息觸發接入控制程序，它將檢查相應的DiffServ服務級別的可用資源以決定是否接受該業務流。可用資源由SLA確定。如果ER1接受該請求的話，它將RESV繼續向上游轉發并且更新它自身的可用資源；

　　RESV消息以標準的方式穿過N1并傳送到發送端。在接收端，QoS處理程序接收RESV消息，接收端將認為它所請求的IntServ服務已經被網絡接受，它也可以從RESV消息中獲得正確的用于數據包標記的DSCP值；

　　發送端向接收端發送數據包，并標記以合適的DSCP值。

　　8.下一代互聯網計劃Internet2中IP QoS研究狀況

　　Intenet 2是由有大約180所美國大學和包括朗訊科技在內的一些高技術公司以及政府部門參與的一個合作項目。Internet 2工作組創不是一個孤立的網絡，而是由美國許多先進的校園網。區域網和國家網共同組成的，它通過集中公共機構和資源來進行新技術的研究，研究成果將被應用到全球的互聯網上。

　　Internet2研究的一個主要目標便是創建一個可伸縮、可交互操作和可管理的QoS體系結構。以實現一些在現有的互聯網上不能實現的應用，如遠程醫療、數字化圖書館及虛擬實驗室等。為此，在1997年，參加Internet２工程的大學和研究機構共同成立了QoS工作組，建立了QBone計劃，以進行下一代互聯網的QoS測試、開發和部署工作。目前，已經有許多新的應用在QBone中進行了測試使用，幾個較大應用項目有：

　　nanoManipulator（nM）系統

　　nM是一個研究多序列Client/Server多媒體應用的智能服務和管理的項目。它主要為掃描探測顯微鏡提供一個虛擬環境接口，這樣科學家可以在遠程以1:100萬的比例觀察樣本對象的表面。nM系統是一個不斷發展的工具，它是一個由眾多用戶緊密協作開發的成果，能夠在納米級對材料和對象進行可視化研究，這些成果將帶來生物學、材料科學和電子工程等領域的巨大發展。應用驅動的網絡服務器資源共享的評估、設計和實現

　　這個項目的目的是試圖了解對QBone采用什么樣的DiffServ方案對新的網絡應用最有效。它通過一組多媒體Client/Server應用來進行研究。這些應用需要用到多種類型的數據，包括音頻、 視頻等，這些不同的數據類型具有不同的QoS需求。其目的一是理解什么樣的QoS服務對不同類型的應用最有效；二是確定支持不同應用之間的DiffServ需要實現什么樣的功能，包括通信協調和包標記功能以及策略支持和相關的包分類功能。

　　國際高級Internet研究中心（iCAIR）研究計劃

　　國際高級Internet研究中心（iCAIR）發起了一個計劃，在全球范圍的DiffServ測試環境中解決各種重要的QoS問題。這可以完成以前僅限于某個國家范圍內使用的測試環境無法完成的功能。 iCAIR一個主要的目標是使用關鍵的實時延遲容錯應用來進行QoS性能測試。

　　9.結論

　　直到目前為止，Internet上所提供的大部分依然是"盡力而為"服務，在這種服務模型中，所有的數據流公平地競爭網絡資源。隨著各種著新型網絡應用的興起，迫切需要在Internet中加入QoS能力。盡管目前IP QoS還有很多問題沒有解決，但IP QoS已經成為下一代互聯網計劃的研究熱點。

　　
摘自　賽迪網

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