支持QoS的下一代網絡結構框架研究

2019-11-03 09:08:14

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供稿：網友

　　對于現有的ip網絡，用戶業務量的增加造成網絡資源相對使用不平衡，INTERNET的盡力而為服務也遠遠滿足不了實時業務的要求。解決IP 網的QoS問題，就是如何在保持IP網固有的無連接傳輸的優勢下，合理利用現有的有限帶寬，保證網內傳輸的各種業務的QoS，同時提供較低的操作和管理開銷，從而保證實現IP網新業務的發展。對于承載層，可利用基于業務分類、定義優先級、資源預留、加權公平排隊等策略的Diff -Serve、MPLS等現有技術來實現。對于業務層，這里提出了網絡控制服務器的概念，以把應用的業務請求與承載層的傳輸質量有效地連接起來。

　　分組交換網中支持QoS的結構框架，這個結構框架的核心是一系列用以控制網絡性能、防止網絡資源爭用的模塊，這些模塊在邏輯上可以分為三個平面：控制平面、數據平面和管理平面。總之，這些模塊要幫助達到保證服務性能的一種“綜合效果”，這些服務性能決定著用戶對服務的滿意程度，這也是ITU-T對下一代網絡的所提出的QoS要求的實現構想。

　　下一代網絡在解決端到端的QoS問題上應著重研究以下幾點：

　　●完成包括基于分組話音在內的電話系統的端到端的QoS等級定義

　　●定義端到端的多媒體QoS等級和單個媒體流注冊QoS等級的方式

　　●指明在網內如何用低層的QoS機制獲得高層的QoS

　　●低層的域內QoS控制

　　分組交換網中實現QoS的關鍵

　　PSTN的路由方式是基于電路的概念，即在整個通話期間建立端到端的電路連接。這樣，通話中兩個端用戶之間的任何信息總是經過相同的物理通道傳送的。在這種路由方式下，一旦通話建立，就可以直接保證所要求的傳輸特性。這種從支持電話交換中產生的模式也被ITU-T用于數據通信標準的虛電路定義中。這個概念在X.25中被使用，后來又用于幀中繼和ATM網絡中。

　　相比之下，IP路由方式避免了為建立和維持虛電路所需要的機制。 IP的QoS主要處理可分配帶寬、等待時間控制、抖動控制和包丟失。一直以來，IP網絡都支持所謂的盡力而為的包傳送。這樣，不同類型的業務沒有被區別對待，并且信息包到達的次序以及是否能夠準確到達都得不到保證。不管端對端的QoS要求是什么，在網絡層，信息包都是逐跳傳送的(即從一個路由器傳到另一個路由器)。每個路由器把新到達的包進行排隊，然后，根據路由表把它們轉發到與之相連的最適合的路由器或目的主機。大多數路由器采用先進先出的排隊機制以保證對所有的包公平，也正是這個原因沒法設置優先級。目前在承載層面解決QOS的幾種方式如下：

　　1.公平排隊和加權公平排隊

　　總的來看，對于基于IP的話音和視頻業務，無疑需要一個新的網絡層模型。從二十世紀九十年代起，人們就一直在對這種模型進行研究和試點，提出了兩種排隊機制的新方法，即現在所謂的公平排隊和加權公平排隊。應用這兩種機制的路由器不再需要對所有的包平等對待。流入的業務量被分別定義明確的流(FTP連接就是這樣的例子)，每個流有它自己的隊長。在公平排隊策略下，信息包在環形路徑上傳送以保證每個流對容量的平等共享(在網絡擁塞期間，一些大分組的流可能的不到保證)。加權公平策略為不同類型的流分配不同的帶寬。

　　2.綜合業務和帶寬預留(Inter-Serve and RSVP)

　　 RFC2210對于綜合業務模型(Int-serv)進行了定義，該模型以標準的RSVP協議作為實現機制。通過Int-serv，將可以實現IP網中的QoS傳輸以及對于實時業務的支持，使得各種應用能夠為其數據包選擇服務等級。

　　該模型的原理是對于每一個需要進行QoS處理的數據流，通過一定的信令機制，在其經由的每一個路由器上進行資源預留，以便實現端到端的QoS業務。首先，該模型定義了一個作用于整個網絡的要求集合，整個網絡中的每一個元素(子網或路由器)都將能夠實現這一要求集合。隨后，通過一定的信令機制，將特定應用的服務等級要求通知其傳輸路徑上的所有網絡元素，并在應用與各個網絡元素之間進行管理信息的交換，網絡元素將為該應用進行各種資源預留與處理策略的設置。這樣，當整條路徑建立起來之后，這一路徑上的所有網絡元素都已經做好了為相應的數據流提供QoS業務的準備。

　　目前，Int-Serv模型定義了三種業務類型，并且對于這些業務類型對于路由器的要求進行了描述：

　　保證型業務(Guaranteed Service)-該業務將提供時延，帶寬與丟包率等參數的保證。該業務不能控制固定延遲(傳輸延遲等，它們取決于由連接建立機制所選的路由)，它所能保證的是排隊延遲的大小(排隊延遲是令牌桶大小和數據速率的函數)。網絡使用加權公平排隊(WFQ)算法。

　　控制負載型業務(Controlled load Service)-在輕載網絡中這種業務類似于 best-effort業務。它能夠提供最小的傳輸時延，對于排隊算法沒有特別的要求。在控制負載業務網絡中，應用可以假設網絡傳輸的包差錯率近似于下層傳輸媒質的基本包差錯率；包平均傳輸延遲與網絡絕對延遲(包括光傳輸延遲加路由器轉發延遲)差別不大。

　　盡力而為型業務(Best-effort Service)-實際就是傳統的Internet 所提供的業務，該業務不提供任何QoS保證。

　　 Int-Serv的技術基礎包括：先進的沖撞管理；限制延遲、抖動以及網絡內帶寬消耗的排隊算法；資源預留協議(RSVP)。需要繼續深入考慮的問題包括以下幾個方面：1)預留所需的開銷太大，2)短時間流(主要由Internet業務流組成)的損失率高，3)管理那些需要更高QoS的流出現困難。在任何情況下，RSVP在廣域網和Internet中的適用性都受到質疑，它現在主要應用于較小的企業網中。從本質上講，綜合業務方法是一個組織管理嚴密的方法，基于每一流具有絕對的QoS保證。

　　3.差分業務(Diff-Serve)

　　為了解決骨干網絡上的QoS問題，業界提出了區別業務(Diff-serv) 模型。這一模型與Int- serv的本質不同在于它將不是針對每一個業務流進行網絡資源的分配與QoS參數的配置，而是將具有相似要求的一組業務歸為一類，隨后對這一類業務采取一致的處理方式。

　　 Diff-serv的基本機制是在網絡的邊緣路由器上根據某一業務的服務質量要求將該業務映射到一定的業務類別之中，隨后利用IP分組中的 DS字段唯一地標志這一業務所需的服務類別，網絡中的各個節點將依據該字段對各種業務類別采取預先設定好的服務策略，保證相應的延遲、傳送速率、抖動等服務質量參數。這樣，對于一次會話中特定的數據流，在每次連接的過程中，將無須傳遞各種QoS信息，從而避免了RSVP中高昂的建立成本。同時，也使得這種技術具有較好的反應靈敏度，特別適合于Internet中大量存在的短時間的連接。該技術是以定義了多種業務等級為內涵的。業務提供商為每個用戶建立相應的服務標準協議(SLA)， SAL指定了用戶在特定等級的業務中可以發送的業務量。分組業務的等級類型在IP包頭中規定。之后所傳送的業務流由服務提供商的網絡邊界進行管轄。一旦業務流進入網絡，專門的路由器就依據其業務類型對其進行差別對待，這與綜合業務方式中以每一流為依據是不同的。整個網絡要滿足所有SLA的要求。

　　4.多協議標記交換(MPLS)

　　MPLS與傳統的根據IP包頭決定前向路徑的方式十分不同。其優勢在于：1)傳統的方式需要搜索路由表，這就比查看相對較短的標簽需要更多的時間和更大的處理能力。2)不具備分析網絡層分組能力的路由器仍可以通過相對簡單的操作完成標記的查找和置換。3)利用標簽，可以通過分組進入網絡的初始路由器標志做出前向選路決定，因為由不同的路由器進入網絡的分組被分配不同的標簽。4)當分組不是按照路由算法而是被迫進入一個特定的路由器時，MP LS的標記就可以用來代表這個路由器。5)通過把被標記的路徑與業務流聯系起來也可以把RSVP擴展到MPLS 中。可見，MPLS可以通過明確的路由得到資源預留信息來實現QoS保證。

　　值得一提的是，MPLS還有一種更重要的應用：通過堆疊標記為隧道效應提供了一種極好的機制，從而支持嵌套選路決策。在RSVP的幫助下，可以從丟包或擁塞的網絡點開始重新選路。

摘自　產經網

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