如何實(shí)現IP核心網(wǎng)的QoS
2004/03/04
NGN作為一個(gè)面向未來(lái)網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)應用，基于分組平臺可以同時(shí)提供語(yǔ)音、數據、多媒體等綜合業(yè)務(wù)的系統，成為各大運營(yíng)商以及設備提供商關(guān)注的焦點(diǎn)。在影響NGN運營(yíng)模式和運營(yíng)收益的各種關(guān)鍵因素中，IPQoS特別是核心網(wǎng)的IPQoS，無(wú)疑是非常重要的一項。
IP網(wǎng)絡(luò )的QoS研究導致了兩種不同體系結構的出現：IntServ體系結構及其相應的信令協(xié)議RSVP和DiffServ體系結構。
IntServ由IETF的IntServ工作組于1994年提出。IntServ最鮮明的特點(diǎn)就是：基于連接、資源預留。也就是說(shuō)，IntServ需要穿過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )為每個(gè)需要質(zhì)量保證的數據流建立一條具有資源保證的通道。這就要求每臺路由器設備都要維護大量的連接和資源預留信息。這將為路由設備造成極大的系統負擔。通常來(lái)說(shuō)，要求路由器同時(shí)處理如此多的連接信息并做到線(xiàn)速的轉發(fā)性能，實(shí)現的困難非常大。所以，IntServ實(shí)現QoS的成本過(guò)高。但是，采用RSVP作為信令的MPLS流量工程將為IP網(wǎng)絡(luò )的QoS問(wèn)題提供非常大的幫助。
IETF又提出了DiffServ體系結構，定義了一種實(shí)施IPQoS更容易、更具擴展性的方式。DiffServ最突出的特點(diǎn)就是：狀態(tài)無(wú)關(guān)、逐跳轉發(fā)。DiffServ利用了IPv4分組頭的ToS字段進(jìn)行IP包優(yōu)先級的定義。傳統ToS字段只利用了其中的三個(gè)bit，用以標示8個(gè)優(yōu)先級，而DiffServ中對另外3個(gè)bit也進(jìn)行了定義，從而獲得更多的定義空間（剩余2bit作為將來(lái)的備用）。
在DiffServ里，定義了DiffServ域的概念。所謂DiffServ域，就是指一個(gè)完全支持DiffServ優(yōu)先級區分的IP子網(wǎng)。在NGN里，用于承載NGN業(yè)務(wù)的IP骨干網(wǎng)就應該是一個(gè)完整的DiffServ域。一個(gè)DiffServ域中的每臺路由器都必須能夠支持DiffServ標簽的識別和按照相應的優(yōu)先級進(jìn)行轉發(fā)，并且對DiffServ標簽有著(zhù)同樣的理解。如果某臺路由器不能支持DiffServ，那么它就成為這個(gè)網(wǎng)絡(luò )中的“瓶頸”，整個(gè)鏈路的質(zhì)量都將下降。
DiffServ的實(shí)現過(guò)程是：首先，根據源地址、目的地址、協(xié)議類(lèi)型和二層接入網(wǎng)絡(luò )優(yōu)先級等信息對IP包進(jìn)行優(yōu)先級區分并打上相應的DiffServ標簽。這個(gè)過(guò)程應該由上述DiffServ域的邊緣路由器完成。具體來(lái)說(shuō)，邊緣路由器還應該完成的工作包括對業(yè)務(wù)流的分類(lèi)、整形、標記、調度。然后根據已經(jīng)打好的DiffServ標簽采取相應的轉發(fā)策略。具體說(shuō)，核心路由器須要具有的功能包括分類(lèi)和調度。
之所以成為被看好的QoS解決方式，DiffServ有著(zhù)如下特點(diǎn)：
首先，路由器無(wú)須維護每個(gè)連接的信息，對系統資源要求低；
其次，對網(wǎng)絡(luò )上的多種業(yè)務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級歸類(lèi)并合并成有限的幾個(gè)優(yōu)先級類(lèi)別，對于IP網(wǎng)絡(luò )設備來(lái)講，處理更簡(jiǎn)單；
再次，采用IP包中的ToS字段進(jìn)行優(yōu)先級標示，沒(méi)有附加的標簽，這種做法兼容性好，易于實(shí)現。
另外，隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )的擴展，優(yōu)先級類(lèi)別無(wú)須擴展。
但是，對于面向連接的優(yōu)先級保證例如IntServ來(lái)講，網(wǎng)絡(luò )規模的擴大將直接帶來(lái)優(yōu)先級處理的壓力。
通過(guò)IP核心網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)路由結點(diǎn)對DiffServ的支持，使得信令、語(yǔ)音、視頻、普通數據等按照不同的DiffServ標簽進(jìn)行不同優(yōu)先級的轉發(fā)。也就是說(shuō)，在網(wǎng)絡(luò )帶寬資源夠用的情況下，采用DiffServ的網(wǎng)絡(luò )可以盡可能保證高優(yōu)先級的數據包不被丟棄，并以最小的時(shí)延穿越網(wǎng)絡(luò )。
當然，上述結論是有一定的前提的，具體包括所有的路由器必須具有線(xiàn)速轉發(fā)能力和提供良好的路由規劃。
所謂線(xiàn)速轉發(fā)能力，就是指在達到端口最大速率的時(shí)候，例如，在一個(gè)千兆接口上的數據流量達到千兆時(shí)，路由器沒(méi)有丟包。顯而易見(jiàn)，如果路由器不具備上述的線(xiàn)速轉發(fā)能力，那么高優(yōu)先級的IP包剛剛進(jìn)入接口的Buffer，還沒(méi)有來(lái)得及被路由器進(jìn)行策略處理，就有可能被丟掉。所以，線(xiàn)速轉發(fā)能力是保證DiffServ的重要前提。
路由規劃決定了IP包在穿過(guò)IP核心網(wǎng)絡(luò )的時(shí)候所選擇的路徑。如果路由規劃不合理，那么過(guò)多的跳數就會(huì )造成過(guò)多的時(shí)延，這樣，即便每臺路由器都可以按照DiffServ的優(yōu)先級進(jìn)行轉發(fā)，但是過(guò)多的跳數使得端到端的時(shí)延仍然不能達到NGN的要求。
但是，如何避免網(wǎng)絡(luò )帶寬不足和網(wǎng)絡(luò )擁塞的情況呢？這就需要結合MPLS與RSVP來(lái)實(shí)現。RSVP是一個(gè)信令協(xié)議，它提供了一種在信息傳輸之前，提前在IP網(wǎng)絡(luò )中建立一個(gè)有帶寬資源保障的通道的方法。
RSVP的工作原理是：RSVP從發(fā)送端發(fā)送一個(gè)資源請求到目的地址，每一個(gè)支持RSVP的路由器沿著(zhù)下行路由建立一個(gè)“路徑狀態(tài)表”；為了獲得資源預留，接收端發(fā)送一個(gè)上行的RESV消息，表明所要求的綜合服務(wù)類(lèi)型，還通知為分組預留的資源，如傳輸協(xié)議和端口號；當每個(gè)支持RSVP的路由器沿著(zhù)上行路徑接收RESV的消息時(shí)，它采用輸入控制過(guò)程證實(shí)請求，并且配置所需的資源。如果這個(gè)請求得不到滿(mǎn)足，路由器向接收端返回一個(gè)錯誤消息，而如果這個(gè)消息被接受，路由器就發(fā)送上行RESV到下一個(gè)路由器；當最后一個(gè)路由器接收RESV，同時(shí)接受請求的時(shí)候，它再發(fā)送一個(gè)證實(shí)消息給接收端。結合MPLS，上述過(guò)程實(shí)際上建立了一個(gè)從發(fā)送端到接收端的MPLS路徑，而這條路徑上的路由器都為將要到來(lái)的信息傳送預留了資源。
通過(guò)MPLS中采用擴展的RSVP信令，還可以對本次通信的路徑進(jìn)行指定，進(jìn)行流量工程，以對運營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行更高效的利用，防止某些路由被空閑，而另外一些路由卻發(fā)生擁塞。如果沒(méi)有RSVP，在網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)發(fā)生擁塞時(shí)，即便是高優(yōu)先級的包，也有被丟棄的可能。DiffServ只能保證高優(yōu)先級的包比低優(yōu)先級的包更優(yōu)先使用網(wǎng)絡(luò )資源，但是網(wǎng)絡(luò )資源畢竟是有限的，當擁塞發(fā)生時(shí)，高優(yōu)先級的包也可能被丟掉。而RSVP提供了一種資源預留的機制，通過(guò)RSVP建立的路徑將有保證的帶寬和路由器系統資源提供給相應的流使用。實(shí)施RSVP之后，特定的流或者流類(lèi)別將有特定的帶寬保證。MPLS將通過(guò)RSVP信令建立起LSP（標簽交換路徑）進(jìn)行獨立于其他信息的傳送。當網(wǎng)絡(luò )發(fā)生擁塞時(shí)，受到影響的將是沒(méi)有RSVP保護的信息，例如數據傳輸和低級別用戶(hù)的信息，而高級別信息仍然可以在RSVP建立的通道中正常傳送。
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