城域網(wǎng)智能業(yè)務(wù)的嵌入式IP QoS技術(shù)

2019-11-03 09:06:45

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供稿：網(wǎng)友

烽火網(wǎng)絡(luò)公司岳青倫田兵

　　傳統(tǒng)的ip網(wǎng)絡(luò)缺乏有效的管理和運(yùn)營(yíng)手段，不僅面臨著安全、QoS等方面問(wèn)題，也不能承載語(yǔ)音、多媒體等電信業(yè)務(wù)。VPN、QoS等新技術(shù)的應(yīng)用大大增強(qiáng)了互聯(lián)網(wǎng)的安全性和服務(wù)質(zhì)量，使得Everything over IP成為可能。在寬帶城域網(wǎng)中，城域網(wǎng)智能業(yè)務(wù)平臺(tái)（匯聚層高端路由設(shè)備）擔(dān)負(fù)著網(wǎng)內(nèi)所有用戶到骨干網(wǎng)的流量交換，需要較大的整機(jī)交換容量，同時(shí)還要對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行安全、QoS等處理。如何在不影響線速的前提下實(shí)現(xiàn)電信級(jí)的QoS、安全等功能，是城域網(wǎng)智能業(yè)務(wù)平臺(tái)的關(guān)鍵。

一、城域網(wǎng)智能業(yè)務(wù)平臺(tái)的技術(shù)體制要求

　　城域網(wǎng)匯聚層智能業(yè)務(wù)平臺(tái)應(yīng)具備第三層路由和第四層流交換功能；支持標(biāo)準(zhǔn)的路由協(xié)議如：BGP4、OSPF、RIPv1/v2、組播；提供完備的QoS，如流分類、網(wǎng)絡(luò)擁塞控制、流量整形、接入帶寬控制、QoS路由和信令、多優(yōu)先級(jí)隊(duì)列調(diào)度等；支持豐富的接口類型：10/100/1000Mbit/s以太網(wǎng)、155Mbit/s、622Mbit/s以及2.5Gbit/s 的pos接口等；大于40Gbit/s的整機(jī)交換容量；靈活的擴(kuò)展性和智能業(yè)務(wù)生成功能。

二、城域網(wǎng)智能業(yè)務(wù)平臺(tái)的QoS技術(shù)難點(diǎn)

　　隨著網(wǎng)絡(luò)流量的快速增長(zhǎng)以及新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，基于通用CPU或ASIC的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備已經(jīng)不能同時(shí)滿足處理速度和靈活性兩方面的要求，基于網(wǎng)絡(luò)處理器加上高速交換矩陣的架構(gòu)已成為當(dāng)前高端路由器的主流技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)處理器內(nèi)嵌專門用來(lái)處理IP數(shù)據(jù)包的指令系統(tǒng)，但通常不提供針對(duì)QoS的處理模塊，需要用戶自己編寫流分類、RED以及WFQ調(diào)度算法。用網(wǎng)絡(luò)處理器開(kāi)發(fā)QoS模塊面臨一系列的困難，如網(wǎng)絡(luò)處理器采用精簡(jiǎn)的匯編指令系統(tǒng)、不支持浮點(diǎn)運(yùn)算、甚至連乘法/除法指令都不支持；網(wǎng)絡(luò)處理器有限的指令空間、包緩存隊(duì)列空間都制約了QoS的實(shí)現(xiàn)；實(shí)現(xiàn)QoS將會(huì)對(duì)線速處理造成很大的影響。

　　因此，在網(wǎng)絡(luò)處理器平臺(tái)上開(kāi)發(fā)QoS尤其需要綜合考慮開(kāi)發(fā)成本、對(duì)線速的影響程度以及如何實(shí)現(xiàn)QoS算法等。

三、嵌入式IP QoS技術(shù)在城域網(wǎng)智能業(yè)務(wù)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

　　針對(duì)匯聚層高端路由器實(shí)現(xiàn)QoS的技術(shù)困難，烽火網(wǎng)絡(luò)公司在開(kāi)發(fā)城域網(wǎng)高端智能業(yè)務(wù)平臺(tái)MAISP- 8000（Metro Aggregation Intelligent Service Platform）時(shí)，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(shí)現(xiàn)QoS性能的基礎(chǔ)上提出了一種新的QoS設(shè)計(jì)思想，即嵌入式IP QoS技術(shù)。

　　嵌入式IP QoS技術(shù)根據(jù)區(qū)分服務(wù)參考模型，主導(dǎo)思想是將QoS模塊如流分類、流量管理、隊(duì)列調(diào)度整合到現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)處理引擎資源，如常規(guī)IP路由、策略路由（pbr）、安全訪問(wèn)控制（acl）、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（nat）以及常規(guī)隊(duì)列模塊和調(diào)度模塊，在執(zhí)行常規(guī)任務(wù)的同時(shí)，獲取QoS的相關(guān)信息并對(duì)數(shù)據(jù)包做基于優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列策略和調(diào)度策略的控制。

1. 嵌入式流分類

　　MAISP-8000對(duì)常規(guī)的路由表項(xiàng)、pbr表項(xiàng)、acl表項(xiàng)、nat表項(xiàng)等進(jìn)行擴(kuò)展，將數(shù)據(jù)流的QoS屬性（帶寬、時(shí)延、丟包率等）所對(duì)應(yīng)的DSCP（區(qū)分服務(wù)編碼點(diǎn)）或者優(yōu)先級(jí)標(biāo)志存放在表項(xiàng)的一個(gè)條目。

（1）根據(jù)IP數(shù)據(jù)包的TOS字段：如果數(shù)據(jù)包是從核心網(wǎng)下行或者特定的在用戶端設(shè)定QoS的數(shù)據(jù)，則可以直接根據(jù)TOS字段確定其轉(zhuǎn)發(fā)特性。

（2）與常規(guī)路由綁定：通過(guò)對(duì)某一網(wǎng)段的路由設(shè)置不同的QoS屬性，可以對(duì)發(fā)往不同網(wǎng)段的數(shù)據(jù)包設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)和轉(zhuǎn)發(fā)特性。

（3）與策略路由綁定：策略路由是根據(jù)一定的策略進(jìn)行路由的方法，策略可以是數(shù)據(jù)包的源、目的IP地址、包長(zhǎng)、數(shù)據(jù)流標(biāo)識(shí)，因此可以承載QoS屬性。

（4）與ACL綁定：ACL即訪問(wèn)控制列表，用于對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行安全過(guò)濾以及其它用于流分類的應(yīng)用，與ACL綁定的QoS流分類可以完全區(qū)分出應(yīng)用層業(yè)務(wù)，并根據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)QoS的要求設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)。

（5）與NAT綁定：MAISP-8000設(shè)備作為城域網(wǎng)匯聚層智能業(yè)務(wù)平臺(tái)，經(jīng)常需要在上聯(lián)口作網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)包在進(jìn)行NAT轉(zhuǎn)換時(shí)可以識(shí)別出應(yīng)用層協(xié)議類型，從而數(shù)據(jù)包在進(jìn)行NAT轉(zhuǎn)換的同時(shí)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(wù)質(zhì)量，MAISP-8000作為MPLS/VPN模型中的PE路由器，在入口處對(duì)用戶數(shù)據(jù)包進(jìn)行精確流分類，映射到一個(gè)等價(jià)轉(zhuǎn)發(fā)類，并取得相應(yīng)業(yè)務(wù)流的QoS屬性，映射到MPLS標(biāo)記的優(yōu)先級(jí)域。

2. 流標(biāo)記

　　數(shù)據(jù)包直接獲取流分類表項(xiàng)的QoS屬性標(biāo)記，MAISP-8000采用標(biāo)準(zhǔn)的DSCP編碼，提供多達(dá)64個(gè)服務(wù)等級(jí)，劃分為三個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)行為集：快速轉(zhuǎn)發(fā)（EF），用于實(shí)時(shí)性多媒體業(yè)務(wù)，如語(yǔ)音、視頻等；保證轉(zhuǎn)發(fā)（AF），用于可靠性較高的業(yè)務(wù)如電子商務(wù)和VPN用戶數(shù)據(jù)；盡力轉(zhuǎn)發(fā)（BF），用于一般性Internet業(yè)務(wù)。DSCP標(biāo)記可以直接替代IP數(shù)據(jù)包的TOS字段（IPv4）/COS（IPv6），或者映射到多個(gè)不同的優(yōu)先級(jí)，標(biāo)記于MPLS的標(biāo)簽中。

3. 流量管理

　?。?）用戶接入速率控制：通過(guò)對(duì)某些用戶或者某些類的數(shù)據(jù)流量進(jìn)行控制可以有效改善網(wǎng)絡(luò)狀況，MAISP-8000采用令牌桶算法對(duì)超過(guò)約定流量的數(shù)據(jù)選擇丟棄或者降低優(yōu)先級(jí)處理，從而保障網(wǎng)絡(luò)帶寬的合理分配。

　?。?）突發(fā)流量平滑：利用緩沖區(qū)平滑技術(shù)對(duì)突發(fā)的流量進(jìn)行緩存，并適當(dāng)延遲突發(fā)流的發(fā)送，可以有效降低基于TCP的突發(fā)流的源端發(fā)送速度。

　　（3）擁塞避免：擁塞避免是在網(wǎng)絡(luò)擁塞達(dá)到一定程度而沒(méi)有完全擁塞時(shí)采取主動(dòng)有選擇的丟包策略，從而引起數(shù)據(jù)源端降低發(fā)送速度。RED算法以及改進(jìn)算法WRED等可以針對(duì)基于TCP的數(shù)據(jù)流有效的避免擁塞，而對(duì)于UDP數(shù)據(jù)流則采用有區(qū)別的尾部丟棄算法。

　　MAISP-8000的流量管理模塊集中處理，數(shù)據(jù)包完成分類后，進(jìn)入隊(duì)列模塊，插入隊(duì)列的是數(shù)據(jù)包屬性的一個(gè)描述符。數(shù)據(jù)包進(jìn)入隊(duì)列之前，首先進(jìn)入令牌桶獲取令牌確保流量不超過(guò)約定帶寬，然后讀取隊(duì)列狀態(tài)，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的擁塞避免算法，只有獲取令牌并且沒(méi)有被擁塞避免算法丟棄的數(shù)據(jù)包才進(jìn)入隊(duì)列，否則直接丟棄，因此一個(gè)數(shù)據(jù)包對(duì)隊(duì)列的操作僅只一次，節(jié)省了一般流量管理對(duì)隊(duì)列多次操作帶來(lái)的時(shí)延。

4. 隊(duì)列調(diào)度

　　隊(duì)列調(diào)度根據(jù)一定的算法規(guī)則，將多個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的數(shù)據(jù)包執(zhí)行有差別的輸出調(diào)度，從而可以實(shí)現(xiàn)不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包不同的轉(zhuǎn)發(fā)特性，如語(yǔ)音、視頻等實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)具有低時(shí)延和較小的抖動(dòng)性，而VPN、電子商務(wù)等高可靠性業(yè)務(wù)則有較小的丟包率。MAISP-8000的嵌入式IP QoS包括兩級(jí)調(diào)度算法，即高速交換矩陣輸出調(diào)度和鏈路輸出調(diào)度。

　?。?）高速交換矩陣輸出調(diào)度：MAISP-8000采用標(biāo)準(zhǔn)的CSIX接口，在交換矩陣前端的網(wǎng)絡(luò)處理引擎實(shí)現(xiàn)VOQ（虛擬輸出隊(duì)列），每個(gè)接口卡16個(gè)VOQ，每個(gè)VOQ有8個(gè)優(yōu)先級(jí)子隊(duì)列。VOQ可以有效防止隊(duì)頭阻塞，極大的提高了系統(tǒng)的吞吐量，同時(shí)每個(gè)VOQ的8個(gè)優(yōu)先級(jí)子隊(duì)列確保了每個(gè)VOQ的數(shù)據(jù)包可以獲得不同的轉(zhuǎn)發(fā)特性。

　?。?）鏈路輸出調(diào)度：鏈路輸出調(diào)度實(shí)現(xiàn)的調(diào)度算法有FQ（公平調(diào)度）、PQ（優(yōu)先級(jí)調(diào)度）、WFQ（加權(quán)公平調(diào)度）以及改進(jìn)或根據(jù)用戶定制的調(diào)度算法。在MAISP-8000的嵌入式IP QoS設(shè)計(jì)中，特別的考慮了調(diào)度算法對(duì)處理速度的影響，一改傳統(tǒng)的調(diào)度算法思路，將對(duì)空隊(duì)列的輪詢開(kāi)銷降為零，在幾乎不影響線速的前提下實(shí)現(xiàn)了PQ、WFQ等多種調(diào)度算法。

四、MAISP-8000的應(yīng)用

　　城域網(wǎng)匯聚層高端智能業(yè)務(wù)平臺(tái)MAISP-8000采用了先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)處理器技術(shù)，嵌入式IP QoS技術(shù)可以為電信級(jí)的語(yǔ)音、多媒體業(yè)務(wù)提供線速Q(mào)oS保障。

1. 城域網(wǎng)匯聚應(yīng)用

　　MAISP-8000用于城域網(wǎng)匯聚層時(shí)，完成對(duì)城域網(wǎng)中接入層上聯(lián)鏈路的匯接，在用戶側(cè)能夠接入Fast Ethernet、Gigabit Ethernet和EOS等，而在網(wǎng)絡(luò)側(cè)GE、POS622Mbit/s～2.5Gbit/s或CWDM和城域網(wǎng)核心層設(shè)備相連；嵌入式QoS對(duì)用戶側(cè)數(shù)據(jù)分類、標(biāo)記和調(diào)度，對(duì)來(lái)自核心網(wǎng)的數(shù)據(jù)直接根據(jù)TOS字段執(zhí)行QoS策略。

2. 構(gòu)建MPLS/VPN網(wǎng)絡(luò)

　　MAISP-8000全面支持MPLS VPN 業(yè)務(wù),支持流量工程；當(dāng)應(yīng)用為PE時(shí)，嵌入式QoS可以方便的與MPLS結(jié)合，提供電信級(jí)的服務(wù)質(zhì)量和安全性。

3. 軟交換、3G等核心網(wǎng)/接入網(wǎng)平臺(tái)

　　MAISP-8000采用了完全可編程網(wǎng)絡(luò)處理器的分布式硬件轉(zhuǎn)發(fā)和高速無(wú)阻塞交換技術(shù)，提供完善的電信級(jí)QoS功能，因此可以作為軟交換的網(wǎng)關(guān)設(shè)備、3G核心網(wǎng)絡(luò)中PS域（分組交換域）的設(shè)備（如GGSN、SGSN等）。

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