IP網絡的服務質量問題

2019-11-03 09:08:46

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供稿：網友

何寶宏

（信息產業部電信傳輸研究所北京100045）

1 “盡力而為”的ip網

　　因特網取得巨大成功的一個重要原因是它所使用的IP的簡單性。IP的基本設計原理來自于“端到端”的理念：把“智能”放到網絡邊緣結點（源和目的主機），留下“傻瓜型”的核心網絡。網絡核心結點（路由器）除了把IP包的目的地址與轉發表對照，確定它的下一跳（hop）并轉發外，幾乎不需要做任何其他工作。如果下一跳的隊列較長，則IP包的轉發可能會被延遲；如果下一跳的隊列滿或不可用，則允許路由器丟棄IP包。因此因特網提供的是一種“盡力而為（best effort）”的服務，其服務質量是無法預知的。IP的“盡力而為”服務到目前為止工作得很好，那為什么還需要做改動，增加服務質量（QoS）機制呢？其實到現在仍然是一個有爭議的問題。反對為IP增加QoS機制的理由主要有以下幾點：

　　（1）在異類的子網之上（即網絡層）的任何一種連接都是難以管理的。

　　（2）如果IP包經歷太多的延遲或丟失，那勢必要提高鏈路的帶寬和路由器的處理能力。光纖和DWDM（密集波分復用）技術將會使網絡帶寬充裕和便宜到自動保證QoS的程度，在帶寬不再很貴的時候，這種方法會比增加新的QoS機制所增加的復雜性要便宜得多。

　　（3）如果IP包經歷太多的延遲抖動，那么就需要在接收端增加一個較大的緩沖區。

　　（4）即使這樣問題仍然存在，那么就需要編寫能夠適應網絡擁塞變化的自適應性的應用程序。實驗已經表明自適應應用程序能夠明顯改善多媒體應用的服務質量。

　　（5）具有QoS能力的網絡在資源不足的情況下，為了保證較高QoS要求的用戶的服務，必然會犧牲其他用戶的服務質量，從而降低了全網的總體服務水平；而如果資源充足，“盡力而為”的IP網絡所提供的服務質量與具有QoS機制的網絡是一樣的。

　　現在業界主流的觀點認為雖然現在的計算機處理能力正在飛速提高，光纖和DWDM技術所提供的傳輸帶寬也在大幅度增加，但增加網絡資源無法解決全部問題，這除了經濟方面的考慮外（網絡資源永遠會是有成本的，不會是免費的），另外一個重要原因是因特網流量不僅隨著用戶和應用的增加而幾乎同步增長，并且流量的特點也在發生著巨大的變化。很多新出現的IP網上的多媒體應用，要么要求巨大的帶寬，要么需要嚴格的延遲保證，要么要求一點到多點或多點到多點的通信能力。這些新業務要求IP網除了提供簡單的“盡力而為”服務以外，還需要新的服務方式，因此單靠增加網絡資源無法解決問題，IP網結構本身也需要跟著改變，引入能夠支持QoS的一些機制。當然，同時必須強調的是因特網一直追求的是“KISS（Keep It Simple and Stupid）”原則，增加資源的成本正在隨著技術的進步不斷快速下降，因此任何新引入的QoS機制必須是簡單的，其代價必須明顯低于增加資源的成本。

2 IP網絡性能模型

　　與傳統的IP網絡分層模型相對應，對IP網絡的QoS也應分層[ITU-T Y.1540/Y.1541] 研究。分層可以是按垂直方向，也可以是按水平方向。從水平方向看，端到端的QoS要求發送端和接收端主機必須支持QoS，并且只能保證與性能最差的鏈路同等的通信質量。另外，垂直方向由頂至底的不同層次上的性能也是必須要考慮的，以保證網絡中高優先級的業務的發送和接收能獲得較多或較早的處理機會。

2.1 垂直模型

　　從垂直方向看，通常從上往下可把 IP網絡依次劃分為應用層、IP層、鏈路層和網元層（設備和鏈路）。IP網網絡性能取決于IP層的信息傳送能力，并在很大程度上依賴于承載IP的底層鏈路的傳輸性能，同時應用層業務的相關特性也會影響IP網所表現出來的外在性能。

　　鏈路層和物理層為IP數據包提供面向連接或無連接的傳送能力。“鏈路”沒有端到端的含義，它的終點是IP數據包被轉發的地方（如路由器、源主機、宿主機）。鏈路技術包括ATM、FR、SDH、PDH、ISDN、Ethernet等。

　　IP層提供IP數據包的無連接傳送能力。IP層在特定源主機和宿主機之間通信，具有端到端的含義。當IP數據包在網絡中傳送時，網絡可能會修改IP報文中的某些字段，但IP層和低層不能修改用戶數據部分。

　　IP層支持的高層協議（如TCP、UDP、FTP、RTP、HTTP等）能夠進一步強化端到端的通信，并會對IP層的性能產生影響。

2.2 水平模型

　　從水平方向看，主要由兩部分組成：電路段和網絡段。電路段和網絡段又可以由不同的網元組成。從源主機（SRC）到宿主機（DST）之間傳送IP數據包的一組電路段和網絡段構成了端到端的IP網絡。

　　從網絡的邊緣向核心看，一條端到端的IP包轉發路徑通常由用戶設備（如主機+Modem/網卡），用戶接入鏈路（ISDN/PSTN、 ADSL、 Ethernet等），運營商網絡邊緣設備（窄帶/寬帶接入服務器，DNS服務器，邊緣路由器），骨干鏈路（如ATM/SDH/DWDM）和核心設備（高速路由器，標記交換路由器）等組成，這些設備或鏈路都有可能會影響到用戶所感受到的IP網絡的性能。

3 導致QoS問題的原因

　　導致IP網絡QoS問題出現的原因大致有兩類：一是與網絡相關的一些因素，二是與網絡無關的一些因素。

3.1 與網絡無關的因素

　　· 業務服務器過載。如WWW服務器或E-mail服務器等過載。解決這類問題的方法是對這些服務器進行升級，或增加業務服務器的數量并在它們之間做負載均衡。

　　· 人為因素。配置路由器/服務器在技術上是一件很復雜的事情，很容易出現錯誤。比如配置重復了的IP地址會導致路由錯誤。

3.2 網絡的原因

　　· 網絡設備原因。現在的路由器和交換機都是由非常復雜的軟硬件系統組成的，每秒需要處理上百萬個IP包。數據產品制造商被迫盡可能快地推出他們的設備，因此客戶發現路由器或交換機經常存在軟/硬件問題是不足為怪的。必須采取適當的措施來提高設備的可用性，特別是對重要的流量更應如此。

　　· 接入鏈路的容量。出于經濟方面的考慮，客戶接入鏈路總是低速的，并且運營商通常會超賣上游鏈路。從技術上講解決這類問題的方法很簡單：（1）提高接入鏈路的能力；（2）對流量進行分類并做標記，利用策略、整形等技術分類處理。

　　· 不均衡的流量分布導致的擁塞。這是網絡引起QoS問題的最主要原因。即使一個網絡的平均鏈路利用率可能會比較低（比如30%），但完全有可能該網絡中的某一小部分鏈路的利用率接近100%。這些擁塞的鏈路將導致包延遲加長和出現抖動，甚至導致包丟失。導致網絡中出現這些擁塞熱點的原因可能會是：（1）無法預期的事件，如線纜切斷或設備故障；（2）流量模式發生大的變化，而網絡路由、拓撲和容量無法及時得到調整。在骨干網中，不可能指望在合適的時間和合適的地點總是具有足夠的容量。因此，一個Web站點的突然成功，一個計劃外的多媒體流量廣播或不斷變化的需求都可能會導致網絡中某些鏈路出現擁塞。

3.3 解決的思路

　　根據上面的分層模型，上層與下層之間是一種網絡資源（包括帶寬、內存和處理能力等）的需求和供給的關系。上層向其下層提出服務所需要的資源請求（可以是顯式的，也可以是隱式的），下層做出響應（顯式的請求）和提供資源。因此在傳遞IP包時，出現QoS問題最主要的原因是網絡中的上下層之間的資源需求和供給不匹配，下層網絡資源不足導致網絡發生了擁塞。因此解決IP 網絡上的服務質量問題，主要是如何避免和消除擁塞的問題，這可以從網絡的角度（如何更好地提供服務）和業務的角度（如何合理地提出需求）加以考慮。　　從網絡的角度看，一是當整個網絡發生擁塞時，設法盡量增加網絡資源。充足的網絡資源是解決服務質量問題的關鍵。在網絡沒有擁塞時有無QoS機制都行，因為即使是“盡力而為”的IP包也能夠得到很好的服務。二是根據網絡拓撲、流量和流向等因素合理優化網絡的規劃和設計，引導流量流向，盡量提高網絡資源的利用率。比如可以用流量工程的方法來解決負載不均衡的問題。

　　從業務的角度看，就是在IP網絡資源一定的情況下，在IP網絡上提供有別于“盡力而為”的其他類型的業務，即提供有區別的業務。這可以借助InterServ模型（主要適用于LAN和接入網），也可以借助于DiffServ模型（主要適用于核心網）。比如在網絡有可能發生擁塞時，對服務質量比較敏感的業務設置較高的優先級，使其能夠盡量優先得到服務。但無論是采用什么樣的QoS模型，這些思路都以犧牲低優先級的業務為代價，來換取高優先業務的QoS保證。

4 典型QoS技術

　　從QoS分層模型看，上下層之間是一種資源請求和供給的關系，因此在任何層面上都需要一定的QoS機制來保證服務質量。下面簡單介紹在不同的層面上提出的或應該使用的幾種典型的QoS機制。

4.1 應用層

　　改善服務質量可以在應用層進行。這種方式的QoS機制通常是在IP網絡邊緣的主機上實現。它根據網絡所能夠提供的資源情況，通過做單個應用的流量控制和服務器負載重定向等來改善該應用所感受到的服務性能。應用層QoS機制一般不需要對現有的IP網絡做任何修改，因此實現和部署相對容易，但缺點是QoS機制的調節能力有限，并且不同的應用層QoS機制之間無法協同工作，消除網絡擁塞相對不容易。

　　流量控制使得應用程序根據網絡所提供的資源情況動態調節（比如不同速率的話音/視頻編碼）其向網絡所發送數據的速率。當網絡所提供的資源充足時，應用增加對網絡資源的需求（從而獲得較高的服務質量），否則降低對網絡資源的需求（獲得的服務質量下降）。比如根據編碼原理，接收端播放相同數量的G.711話音包和G.723/G.729話音包時，用戶所感受到的話音質量是完全不同的。因此可以在VoIP應用層基于RTP/RTCP這樣做：如果發送端發現網絡資源充足，就采用編碼質量比較高的G.711 （64kbit/s）方式；如果發送端發現網絡資源不足，就采用編碼質量稍差的G.729（8kbit/s）、G.729.A（8kbit/s）或G.723.1（5.3kbit/s，6.3kbit/s）。

　　服務器負載重定向是在提供服務的多個應用服務器之間做流量的均衡。當某個服務器或訪問該服務器的鏈路發生擁塞時，客戶應用程序在不同的服務器簇之間做流量的重定向，把客戶請求導向服務器資源和網絡資源充足的服務器，改善了用戶所感受到的服務質量。

4.2 傳輸層

　　傳輸層主要是對業務進行分類或為業務預留資源，是從業務的角度提供有別于盡力而為的服務類型，主要包括InterServ和DiffServ兩種模型。除盡力而為的業務類型外，InterServ模型提供的新業務類型包括保證型業務（guaranteed service）和控制型載荷（controlled load）兩種，DiffServ模型提供的新業務類型包括加速轉發（EF）和多種確保轉發（EF）兩類。有關InterServ模型、DiffServ模型以及相關的技術將在下面的講座中做進一步的介紹。

4.3 網絡層

　　網絡層的QoS技術包括流量工程/QoS路由，流量控制和擁塞控制等。介紹流量工程/QoS路由的資料較多，因此本節只做一個基本概念的介紹。流量控制和擁塞控制將在后面的講座中加以介紹。

　　現在的動態路由協議RIP、OSPF和IS-IS都會導致不均勻的流量分布，因為它們總是選擇最短路徑轉發IP包。結果在兩個結點之間順著最短路徑上的路由器和鏈路可能發生了擁塞，而沿較長路徑的路由器和鏈路卻是空閑的。流量工程可以安排流量如何合理通過網絡，以避免不均勻地使用網絡而導致的擁塞。流量工程可以人工進行，也可以借助多協議標記交換（MPLS）等工具實施。

　　流量工程通常與約束路由存在密切的關聯，約束路由可為DiffServ、InteServ和流量工程等提供滿足QoS要求的路徑。約束路由決定一個路由時，不僅涉及網絡的拓撲結構，而且還包括流提出的資源需求、鏈路資源可用性以及網絡管理員規定的一些可能的管制策略。因此約束路由可能會找到一條較長和較輕負載的路徑，這條路徑優于重負載的最短路徑，網絡流量會因此而更均勻一些。要想實現約束路由，路由器需要計算新鏈路的狀態信息，再根據這些狀態信息計算路由。

4.4 鏈路層

　　這里討論QoS時的鏈路層以局域網（LAN）技術為例。根據分層模型，如果IP包承載在LAN上，那么LAN技術也就必須支持高層的IP QoS機制。ATM LAN已經能夠支持QoS，因此下面側重于另外一種最常見的LAN技術——以太網（Ethernet）支持QoS的技術。

　　LAN標準IEEE 802.1Q和802.1D擴展了以太網的幀格式，增加了4字節，包括在以太網上傳輸數據時的VLAN （Virtual LAN）標記和顯式的“user_PRiority”字段。802.1D“user_priority”字段（以前在802.1p中做了定義）使用802.1Q VLAN標記的3bit定義了8種以太網上的流量類型。對于以太網交換機上的某端口上的一定數量的隊列，802.1D定義了使用哪種流量類型，以及如何把它們指派給這些隊列的方式。

　　將DiffServ模型的服務類型映射到IEEE 802類型的LAN上是一件很簡單的事情，只需要將DiffServ的DSCP（DiffServ Coding Point）值映射到IEEE 802的“user_priority”字段中就可以了。

　　而將InterServ模型的服務類型映射到IEEE 802類型的LAN上就沒有那么容易了，因為InterServ使用了信令協議RSVP，而IEEE 802類型的LAN沒有與QoS相關的信令機制。為此，IETF制定了子網帶寬管理（SBM）協議（RFC2814），它是一種工作在IEEE 802類型LAN網絡上的，基于RSVP的許可控制信令協議。SBM提供了一種把因特網級的“setup（建立）”協議（比如RSVP）映射到IEEE 802類型網絡上的方法，尤其是提出了一種RSVP使能的主機/路由器與鏈路層設備（交換機、橋）的互操作機制，以支持為RSVP使能的數據流能夠預留LAN資源。

5 小結

　　現在的互聯網已經不是專門用于非贏利的學術研究了，而是一種商業服務：獲取互聯網接入或增值服務的用戶是互聯網服務的消費者，向用戶出售互聯網業務的運營商是服務的提供者。任何服務都可能存在服務質量差異，因此收費的標準通常與該服務的質量有關。比如同樣是把乘客送到目的地，飛機與火車，公共汽車與出租車，甚至不同檔次的出租車的收費標準都不一樣。

　　運營商不做服務質量保證是互聯網發展初期的現象，隨著技術的進步、競爭的加劇、開展業務的需要以及客戶對互聯網服務質量意識的提高，越來越多的消費者、政府監管部門和運營商都已經非常關注他們所使用的、經營的或監管的IP網絡的服務質量。

　　但盡管目前對QoS技術的研究已經取得了巨大的進展，但仍然有一些關鍵因素制約著該技術的大規模部署和使用（RFC 2990），只有將下列這些問題解決后，才有可能將目前的QoS技術轉變成一種統一的端到端業務傳輸平臺。這些問題包括：

　　· 目前還不能確定QoS是應該基于每個應用的InterServ模型方式，還是基于聚合流的DiffServ模型方式。InterServ提供QoS時的準確性較好，但可擴展性差；DiffServ的可擴展性較好，但粒度較粗。如何結合二者的優勢是一個需要研究的問題。

　　· 如何做QoS的發現、路由、計費、監測和管理等。

　　· 不同層QoS機制之間的協同問題，QoS對其他協議的影響。如DiffServ與InterServ互通，流量工程與TCP的交互等。

　　· 部署問題。不可能指望所有的IP網絡同時使用相同的QoS技術，因此能夠支持異構環境下的QoS部署非常重要。另外，QoS不僅會在域內使用，也應該能夠跨域使用，因此需要QoS域間信令的支持。最后，是先部署支持QoS的主機應用，還是先由網絡提供QoS支持是一個先有雞還是先有蛋的問題。

（參考文獻略）

　　何寶宏，畢業于中國科學院，獲博士學位。現供職于信息產業部電信傳輸研究所，從事IP QoS、IP VPN等技術研究，任主任工程師，高級工程師。發表文章近40篇，編著有《IP虛擬專用網》一書。

----《中國數據通信》