下一代互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)IP QoS（2）
姜明 2004/04/13
7.QoS體系結構
前面分別介紹了單獨應用各種QoS協(xié)議實(shí)現端到端QoS的情況，實(shí)際應用中，為了實(shí)現從上到下、在發(fā)送者和接收者之間的端到端QoS，需要同時(shí)將多種QoS技術(shù)結合起來(lái)使用。目前，大多數將這些QoS技術(shù)結合在一起的規范還沒(méi)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(jīng)開(kāi)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(xié)議與底層協(xié)議的合作，將高層的QoS協(xié)議映射到底層的協(xié)議，以支持從上至下的QoS，進(jìn)而實(shí)現端對端QoS。
MPLS與DiffServ的端對端QoS模型
DiffServ需要大量網(wǎng)絡(luò )單元的協(xié)同運作，才能向用戶(hù)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(wǎng)上實(shí)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(gè)問(wèn)題的方法之一便是利用MPLS技術(shù)將第三層的QoS轉換為第二層的QoS，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )中第二層的交換機來(lái)實(shí)現端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。盡管這可能不是一個(gè)真正意義上的IP
QoS，但卻是目前可以實(shí)現的方法中最切實(shí)可行的一個(gè)。
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(lèi)），因此將DiffServ數據流映射到MPLS"管道"上相對來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)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(lái)轉發(fā)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(gè)BA指派到一條LSP上，使用MPLS墊層頭的EXP字段表示一個(gè)包的PHB。最多可以把8個(gè)BA映射到EXP字段中。
L-LSP（Label-only-inferred-PSC LSP）：把一條LSP指派給一個(gè)BA（表現出多個(gè)包丟棄優(yōu)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(yōu)先級。
為了支持DiffServ的逐跳行為模型，MPLS網(wǎng)絡(luò )操作員需要在每個(gè)MPLS路由器中為每個(gè)DiffServ轉發(fā)類(lèi)分配一定的網(wǎng)絡(luò )資源和標簽。同時(shí)，LSR還需要將特定的丟棄優(yōu)先級與數據包相關(guān)聯(lián)起來(lái)。
RSVP為MPLS提供資源QoS模型
在目前的MPLS體系結構中，可以用來(lái)對標簽進(jìn)行分發(fā)協(xié)議除了LDP外，另外一個(gè)就是RSVP。IETF的工作小組正致力于對RSVP進(jìn)行擴展，以支持MPLS的標簽分發(fā)，目前已經(jīng)制定出相應的草案。用RSVP分配標簽的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是使得沿著(zhù)標簽分配路徑進(jìn)行資源分配成為可能，例如，通過(guò)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(lái)說(shuō)并不是必須的，LSP能在沒(méi)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(xié)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(diǎn)，以使下游節點(diǎn)能根據數據包的標簽來(lái)進(jìn)行正確的處理。RSVP協(xié)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(guò)RSVP的預留消息分發(fā)。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(yōu)化網(wǎng)絡(luò )資源的利用，增強面向流量的性能特征，它的一個(gè)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(guān)聯(lián)在一起。這樣，路由器也就可以根據數據包的標簽值來(lái)確定合適的資源預留狀態(tài)信息了。以RSVP信令來(lái)為MPLS分發(fā)標簽并預留資源的過(guò)程大致如下：
發(fā)送端發(fā)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(tài)（LABEL_REQUEST也包含在路徑狀態(tài)塊中），并向下游轉發(fā)PATH消息；
接收端收到PATH消息后，向上游發(fā)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(gè)路由器分配的標簽進(jìn)行分配及分發(fā)；
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(huì )話(huà)的輸出端口的標簽值，同時(shí)分配新的標簽值，并將新標簽值與該會(huì )話(huà)的輸入端口綁定（該端口也是路由器用來(lái)向上游傳送RESV消息的端口）。
RSVP與DiffServ的端對端QoS模型
DiffServ服務(wù)的一個(gè)重要環(huán)節就是建立起SLA，然后各DS節點(diǎn)根據所建立的SLA對業(yè)務(wù)流進(jìn)行分類(lèi)和調節。目前，建立SLA有兩種方法，對應為兩種不同的SLA：靜態(tài)SLA和動(dòng)態(tài)SLA。靜態(tài)SLA是由網(wǎng)絡(luò )管理員根據一定的協(xié)定或策略制定相應的資源分配方案、流量調節規范等；而動(dòng)態(tài)SLA則是根據某種信令協(xié)議動(dòng)態(tài)分配資源。常用的信令協(xié)議就是RSVP，目前正在發(fā)展中的還有BB技術(shù)。
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(jiǎn)單地對數據包進(jìn)行標記、分類(lèi)（區分不同的優(yōu)先級）以及調度轉發(fā)，需要注意的是，與IntServ中的RSVP預留資源不同，這里是發(fā)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(wǎng)絡(luò )（直接與客戶(hù)相連的網(wǎng)絡(luò )），而在核心網(wǎng)絡(luò )（主干網(wǎng)）只布置DiffServ。端系統利用RSVP向網(wǎng)絡(luò )請求資源（例如帶寬、緩沖區等），主干網(wǎng)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(wù)類(lèi)別上，也即與DSCP的對應。而在主干網(wǎng)的出口節點(diǎn)，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(wù)的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠根據客戶(hù)的實(shí)際需要，定制出完全符合客戶(hù)需求的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)，具有相當的靈活性，而它最大的缺點(diǎn)是實(shí)現的復雜性，難以在主干網(wǎng)上大量使用。DiffServ服務(wù)恰恰相反，它最大的優(yōu)點(diǎn)在于它在主干網(wǎng)上的可擴展性，但由于其處理的對象是流聚集,
所以無(wú)法處理一個(gè)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(shù)，將其結合，互相協(xié)同，共同為用戶(hù)提供端到端的QoS保證。
Intserv體系結構提供了一種在異構網(wǎng)絡(luò )元素之上提供端到端QoS的方法。一般來(lái)講，網(wǎng)絡(luò )元素可以是單獨的節點(diǎn)（如路由器）或鏈路，更復雜的實(shí)體（比如ATM云或802.3網(wǎng)絡(luò )）也可以從功能上視為網(wǎng)絡(luò )元素。在這種意義下，可以將DiffServ網(wǎng)絡(luò )看成一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò )單元，是連接Intserv路由器和主機的虛鏈路。已經(jīng)有方案描述了一種在DiffServ網(wǎng)絡(luò )之上實(shí)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(guò)在含有一個(gè)或多個(gè)DS區的端到端網(wǎng)絡(luò )中應用IntServ模型來(lái)提供的。為了優(yōu)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(guò)程。
在DiffServ上提供IntServ服務(wù)的體系結構如圖11所示，發(fā)送端和接收端分別與各自的IntServ網(wǎng)絡(luò )相連，而兩個(gè)IntServ區域又通過(guò)DiffServ骨干網(wǎng)絡(luò )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(tài)地提供資源，另一種方式是DiffServ區域動(dòng)態(tài)地提供資源，我們以靜態(tài)方式為例來(lái)說(shuō)明其具體的過(guò)程：
發(fā)送端以信令發(fā)出PATH消息，即業(yè)務(wù)流規格說(shuō)明，其中包括服務(wù)類(lèi)型（確保服務(wù)或控制負載服務(wù)）以及一些量化的參數。與發(fā)送端主機直接相連的IntServ網(wǎng)絡(luò )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(fā)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(wǎng)絡(luò )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(shí)，它發(fā)送出RESV消息，以規范業(yè)務(wù)流所需要的資源；
在N3網(wǎng)絡(luò )中，RESV以標準的方式處理，在邊界節點(diǎn)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(mǎn)足所請求的資源，則ER2拒絕該請求，如果能滿(mǎn)足要求的話(huà)，則將RESV消息透明地穿過(guò)DiffServ區域；
在ER1處，RESV消息觸發(fā)接入控制程序，它將檢查相應的DiffServ服務(wù)級別的可用資源以決定是否接受該業(yè)務(wù)流。可用資源由SLA確定。如果ER1接受該請求的話(huà)，它將RESV繼續向上游轉發(fā)并且更新它自身的可用資源；
RESV消息以標準的方式穿過(guò)N1并傳送到發(fā)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(wù)已經(jīng)被網(wǎng)絡(luò )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(fā)送端向接收端發(fā)送數據包，并標記以合適的DSCP值。
8.下一代互聯(lián)網(wǎng)計劃Internet2中IP QoS研究狀況
Intenet 2是由有大約180所美國大學(xué)和包括朗訊科技在內的一些高技術(shù)公司以及政府部門(mén)參與的一個(gè)合作項目。Internet 2工作組創(chuàng )不是一個(gè)孤立的網(wǎng)絡(luò )，而是由美國許多先進(jìn)的校園網(wǎng)。區域網(wǎng)和國家網(wǎng)共同組成的，它通過(guò)集中公共機構和資源來(lái)進(jìn)行新技術(shù)的研究，研究成果將被應用到全球的互聯(lián)網(wǎng)上。
Internet2研究的一個(gè)主要目標便是創(chuàng )建一個(gè)可伸縮、可交互操作和可管理的QoS體系結構。以實(shí)現一些在現有的互聯(lián)網(wǎng)上不能實(shí)現的應用，如遠程醫療、數字化圖書(shū)館及虛擬實(shí)驗室等。為此，在1997年，參加Internet２工程的大學(xué)和研究機構共同成立了QoS工作組，建立了QBone計劃，以進(jìn)行下一代互聯(lián)網(wǎng)的QoS測試、開(kāi)發(fā)和部署工作。目前，已經(jīng)有許多新的應用在QBone中進(jìn)行了測試使用，幾個(gè)較大應用項目有：
nanoManipulator（nM）系統
nM是一個(gè)研究多序列Client/Server多媒體應用的智能服務(wù)和管理的項目。它主要為掃描探測顯微鏡提供一個(gè)虛擬環(huán)境接口，這樣科學(xué)家可以在遠程以1:100萬(wàn)的比例觀(guān)察樣本對象的表面。nM系統是一個(gè)不斷發(fā)展的工具，它是一個(gè)由眾多用戶(hù)緊密協(xié)作開(kāi)發(fā)的成果，能夠在納米級對材料和對象進(jìn)行可視化研究，這些成果將帶來(lái)生物學(xué)、材料科學(xué)和電子工程等領(lǐng)域的巨大發(fā)展。應用驅動(dòng)的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器資源共享的評估、設計和實(shí)現
這個(gè)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(wǎng)絡(luò )應用最有效。它通過(guò)一組多媒體Client/Server應用來(lái)進(jìn)行研究。這些應用需要用到多種類(lèi)型的數據，包括音頻、
視頻等，這些不同的數據類(lèi)型具有不同的QoS需求。其目的一是理解什么樣的QoS服務(wù)對不同類(lèi)型的應用最有效；二是確定支持不同應用之間的DiffServ需要實(shí)現什么樣的功能，包括通信協(xié)調和包標記功能以及策略支持和相關(guān)的包分類(lèi)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(fā)起了一個(gè)計劃，在全球范圍的DiffServ測試環(huán)境中解決各種重要的QoS問(wèn)題。這可以完成以前僅限于某個(gè)國家范圍內使用的測試環(huán)境無(wú)法完成的功能。
iCAIR一個(gè)主要的目標是使用關(guān)鍵的實(shí)時(shí)延遲容錯應用來(lái)進(jìn)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(wù)，在這種服務(wù)模型中，所有的數據流公平地競爭網(wǎng)絡(luò )資源。隨著(zhù)各種著(zhù)新型網(wǎng)絡(luò )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(wèn)題沒(méi)有解決，但IP QoS已經(jīng)成為下一代互聯(lián)網(wǎng)計劃的研究熱點(diǎn)。
關(guān)于作者
姜明，計算機專(zhuān)業(yè)博士研究生。主要研究方向為網(wǎng)絡(luò )體系結構、網(wǎng)絡(luò )QoS。非常高興能夠與廣大同行就IP QoS及IPv6協(xié)議方面的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行切磋，歡迎大家對本文多提寶貴意見(jiàn)，我的Email是：jiangmingcc@163.com。
下一代互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)IP QoS
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