IP QoS 的 体 系 结 构 和 实 现 机 制

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IP QoS 的 体 系 结 构 和 实 现 机 制
北 京 邮 电 大 学 王 重



---- IP QoS 正 成 为 业 界 关 注 和 研 究 的 热 点，IETF 为 之 成 立 了 专 门 的 工 作 组， 研 究 出 一 些 初 步 的 成 果， 但IP QoS 的 彻 底 解 决 还 有 待 于 更 进 一 步 的 研 究 和 发 展。

IP QoS 的 体 系 结 构
　

----到 目 前 为 止， 业 界 的 不 同 组 织 或 单 位 已 提 出 了 一 些QoS 的 体 系 结 构， 这 包 括IBM 公 司 的Heidelberg QoS 模 型、 美 国 哥 伦 比 亚 大 学COMET 研 究 组 提 出 的XRM 模 型、 美 国 宾 夕 法 尼 亚 大 学 的OMEGA 体 系 结 构、 加 利 福 尼 亚 大 学 伯 克 利 分 校 的Tenet 模 型 等。 但 对 于IP QoS 则 主 要 有 以 下 两 种 体 系 结 构。

----IntServ 集 成 业 务 体 系 结 构

----IntServ(Integrated Services Architecture) 由IETF 的 IntServ 工 作 组 于1994 年 在RFC1633 中 提 出。Intserv 定 义 了 三 种 服 务 类 型。

Guranteed Services(RFC2212)： 对 带 宽、 时 延、 分 组 丢 失 率 提 供 定 量 的 质 量 保 证；
Controlled-load Services (RFC2211)： 给 用 户 提 供 一 种 类 似 在 网 络 欠 载 情 况 下 的 服 务， 它 是 一 种 定 性 的 指 标；
Best-Effort： 类 似 于 目 前Internet 网 上 提 供 的 服 务， 是 一 种 尽 力 而 为 的 工 作 方 式， 基 本 上 无 任 何 质 量 保 证。
----为 了 实 现 上 面 的 服 务，IntServ 定 义 了4 个 功 能 部 件， 网 络 中 的 每 个 路 由 器 皆 需 要 实 现 这4 个 部 件。

RSVP(RFC2205)：RSVP 即 资 源 预 留 协 议， 它 是Internet 上 的 信 令 协 议。 通 过RSVP， 用 户 可 以 给 每 个 业 务 流( 或 连 接) 申 请 资 源 预 留， 要 预 留 的 资 源 可 能 包 括 缓 冲 区 及 带 宽 的 大 小。 这 种 预 留 需 要 在 路 径 上 的 每 一 跳 都 要 进 行， 这 样 才 能 提 供 端 到 端 的QoS 保 证。RSVP 是 单 向 的 预 留， 适 用 于 点 到 点 以 及 点 到 多 点 的 通 信 环 境。
访 问 控 制(Admision Control)： 它 基 于 用 户 和 网 络 达 成 的 服 务 协 议， 对 用 户 的 访 问 进 行 一 定 的 监 视 和 控 制， 有 利 于 保 证 双 方 的 共 同 利 益。
分 类 器(Classifier)： 根 据 预 置 的 一 些 规 则， 它 对 进 入 路 由 器 的 每 一 个 分 组 进 行 分 类。 这 可 能 需 要 查 看IP 分 组 里 的 某 些 域：IP 源 地 址、IP 目 的 地 址、 上 层 协 议 类 型、 源 端 口 号、 目 的 端 口 号； 分 组 经 过 分 类 以 后 被 放 到 不 同 的 队 列 中 等 待 接 收 服 务。 这 方 面 的 技 术 还 不 很 成 熟， 是 一 个 有 待 研 究 的 领 域。
队 伍 调 度 器(Scheduler)： 它 主 要 是 基 于 一 定 的 调 度 算 法 对 分 类 后 的 分 组 队 列 进 行 调 度 服 务。 这 方 面 的 技 术 目 前 已 比 较 成 熟， 常 见 的 调 度 算 法 有WFQ、WF2Q、SCFQ、VC、MD-SCFQ、WRR 等。
----IntServ 尽 管 能 提 供QoS 保 证， 但 扩 展 性 较 差。 因 为 其 工 作 方 式 是 基 于 每 个 流 的， 这 就 需 要 保 存 大 量 的 与 分 组 队 列 数 成 正 比 的 状 态 信 息； 此 外，RSVP 的 有 效 实 施 必 须 依 赖 于 分 组 所 经 过 的 路 径 上 的 每 个 路 由 器。 在 骨 干 网 上， 业 务 流 的 数 目 可 能 会 很 大， 同 时 它 还 要 求 路 由 器 的 转 发 速 率 很 高， 这 使 得IntServ 难 于 在 骨 干 网 上 得 到 实 施。 目 前， 比 较 一 致 的 看 法 是 在 企 业 网 的 边 缘 实 施IntServ， 或 者 对 流(flow) 的 定 义 更 加 粗 糙 以 使 业 务 流 的 数 目 降 低 到 可 以 承 受 的 地 步。

----DiffServ 区 分 业 务 体 系 结 构

----为 了 解 决IntServ 的 一 些 缺 点，IETF 在 RFC2475 中 提 出DiffServ(Differentiated Services Architecture) 体 系 结 构， 旨 在 定 义 一 种 实 施IP QoS 且 更 容 易 扩 展 的 方 式， 以 解 决IntServ 扩 展 性 差 的 缺 点。DiffServ 简 化 了 信 令， 对 业 务 流 的 分 类 颗 粒 度 更 粗。 它 通 过 汇 聚(aggregate) 和PHB(Per Hop Behavior) 的 方 式 来 提 供 一 定 程 度 上 的QoS 保 证。 汇 聚 的 含 义 在 于 路 由 器 可 以 把QoS 需 求 相 近 的 各 业 务 流 看 成 一 个 大 类， 以 减 少 调 度 算 法 所 处 理 的 队 列 数；PHB 的 含 义 在 于 逐 跳 的 转 发 方 式， 每 个PHB 对 应 一 种 转 发 方 式 或QoS 要 求。



----在DiffServ 里， 引 入 了DiffServ 域(Domain) 的 概 念， 一 个DiffServ 域 可 以 认 为 是 一 个 能 提 供DiffServ 业 务 的 子 网， 如 图 所 示。DiffServ 域 主 要 由 一 些 路 由 器 组 成， 并 对 这 些 路 由 器 进 行 了 区 分， 把 位 于DiffServ 域 边 界 的 称 为 边 界 路 由 器(Edge Router)， 而 把DiffServ 域 内 部 的 称 为 内 部 路 由 器(Core Router)。 边 界 路 由 器 需 要 具 有 的 功 能 有： 对 业 务 流 的 分 类( 基 于IP 分 组 中 一 些 字 段 的 与IntServ 类 似 的 较 细 分 类 或 者 为 基 于 汇 聚 的 较 粗 分 类)、 整 形 (shaping)、 标 记(marking) 和 调 度(sheduling)； 内 部 路 由 器 需 要 具 有 的 功 能 有： 分 类( 为 基 于 汇 聚 的 较 粗 的 分 类)、 调 度。DiffServ 力 图 通 过 对 业 务 流 的 分 类、 整 形、 标 记、 调 度 来 实 现 对 业 务QoS 一 定 程 度 上 的 保 证。 目 前 在DiffServ 上 主 要 提 出 了 下 面 两 种 业 务：

Expedited Services(EF-RFC 2598)： 提 供 类 似 于 专 线 或 租 用 线 的 服 务；
Assured Services(AF-RFC 2597)： 提 供 比Best-Effort 尽 量 好 的QoS；
----DiffServ 利 用 了IPv4 分 组 头 的TOS 字 段( 或 IPv6 的COS 字 段)， 作 为DSCP(DiffServ 编 码 点) 使 用。 每 一 种DSCP 对 应 一 种PHB 方 式。 路 由 器 在 转 发 分 组 时 只 需 查 看 每 个 分 组 的DSCP 值， 从 而 对 此 分 组 提 供 相 应 的PHB 转 发 方 式。 目 前 已 定 义 的DSCP 值 有：000000 为 缺 省(Best-Effort)、101100 为EF 及12 个AFDSCP。

----实 际 上，DiffServ 仅 提 供 了 一 种 在 一 子 网 络 域 内 实 施QoS 的 框 架 结 构， 而 具 体 的 一 些 策 略 和 相 应 的 实 现 机 制 则 由 不 同 的 厂 商 来 决 定。 尽 管DiffServ 比 较 灵 活， 但 同 时 提 出 的 一 个 问 题 是 它 能 否 真 正 提 供QoS 保 证。

IP QoS 的 实 现 机 制
　

----队 列 管 理 机 制(Queue Management Mechanism)

----在 网 络 发 生 拥 塞 时， 路 由 器 必 须 丢 弃 一 些 分 组， 这 个 问 题 的 解 决 首 先 必 须 实 施 有 效 的 队 列 管 理 机 制( 或 缓 冲 区 管 理 策 略)。

----目 前， 已 经 出 现 的 队 列 管 理 机 制 有： PPD(Partial Packet Discard)、EPD(Early Packet Discard)、RED(Random Early Discard)、 FRED(Flow RED)、RIO(RED with In and Out)、BLUE 等 算 法。 比 较 起 来，RED 算 法 具 有 较 低 的 排 队 时 延、 较 高 的 分 组 通 过 度(Goodput) 和 较 好 的 公 平 性， 其 主 要 思 想 是： 路 由 器 计 算 平 均 排 队 长 度， 当 平 均 排 队 长 度 超 过 某 一 门 限 时， 路 由 器 按 照 一 丢 弃 概 率 丢 弃 到 达 的 分 组， 而 这 个 丢 弃 概 率 是 与 平 均 排 队 长 度 成 正 比 的 函 数。RED 算 法 允 许 短 时 的 分 组 突 发， 因 而 可 以 避 免 因 为 网 络 负 荷 变 化 造 成 的 分 组 丢 弃；RED 能 避 免 多 个TCP 连 接 同 时 的 超 时 重 传， 从 而 保 持 高 的 带 宽 利 用 率； 此 外，RED 算 法 还 能 较 好 的 支 持 突 发 业 务， 且 确 定 哪 些 连 接 使 用 了 更 多 的 带 宽， 并 可 以 采 取 措 施 予 以 惩 罚。

----FRED 和RIO 都 是 在RED 上 的 改 进 或 变 种，FRED 对 每 一 个 业 务 流( 或 连 接) 都 实 施 单 独 的 一 个RED 算 法， 这 样 能 保 证 更 好 的 公 平 性；RIO 在RED 的 基 础 上 又 增 加 了 一 个 门 限 值， 在 对DiffServ AF 业 务 的 研 究 中 多 采 用 此 算 法。

----BLUE 算 法 是IBM 公 司 的 研 究 人 员 最 近 才 提 出 的 另 一 种 较 新 的 队 列 管 理 机 制， 与 其 他 算 法 不 同 的 是： BLUE 算 法 以“ 分 组 丢 失 率” 和“ 链 路 有 效 利 用 率” 作 为 判 别 拥 塞 是 否 发 生 的 标 准， 而 之 前 的 算 法 都 是 以 路 由 器 中 的“ 平 均 分 组 长 度” 作 为 拥 塞 是 否 发 生 的 判 别 标 准。

----队 列 调 度 机 制(Queueing Scheduling Mechanism)

----不 论 在IntServ 还 是 在DiffServ 里， 都 涉 及 到 队 列 调 度 问 题。 简 言 之， 队 列 调 度 的 功 能 就 是 路 由 器 如 何 从 多 个( 或 一 个) 队 列 中 选 择 下 一 个 待 转 发 的 分 组， 这 与 队 列 管 理 机 制 有 着 本 质 的 区 别。 根 据 不 同 的 服 务 规 则， 队 列 调 度 算 法 可 以 分 为 以 下 几 种： 先 到 先 服 务(FCFS)、 循 环 调 度(Round Robin)、 处 理 机 共 享(Processor Sharing)、 优 先 级 服 务、 随 机 服 务 等。

----目 前 已 出 现 的 队 列 调 度 算 法 主 要 有： 基 于 循 环 调 度 的 算 法、 基 于GPS(Generalized Processor Sharing) 的 算 法 两 大 类。 一 个 有 效 的 队 列 调 度 算 法 应 达 到 的 性 能 指 标 主 要 有： 公 平 性、 时 延 特 性、 对 恶 意 业 务 流 的 隔 离 能 力、 链 路 带 宽 的 利 用 率、 复 杂 性 等， 前4 个 指 标 与QoS 密 切 相 关。 基 于 循 环 调 度 的 算 法 是 轮 流 地 对 每 个 队 列 进 行 服 务， 其 实 现 简 单， 但 不 能 对 业 务 提 供 时 延 保 证， 目 前 主 要 有Weighted ��RR、Deficit ��RR 等。 基 于GPS 的 调 度 算 法 目 前 主 要 有： 加 权 公 平 排 队(WFQ)、 自 时 钟 公 平 排 队(SCFQ)、 VC(Virtual Clock) 等， 它 们( 尤 其 是WFQ) 能 提 供 较 好 的 公 平 性、 时 延 特 性 以 及 对 恶 意 业 务 流 的 隔 离 能 力， 但 当 队 列 数 较 多 时， 其 实 现 复 杂 度 较 大。

----基 于 约 束 的 路 由(Constrained -Based Routing)

----基 于 约 束 的 路 由(CBR) 源 自QoS Routing， 只 是 对QoS 的 限 制 参 数 进 行 了 一 定 的 扩 充。CBR 的 有 效 实 现 需 要 各 个 路 由 器 之 间 的 相 互 配 合， 比 如 相 互 通 知 各 自 所 知 道 的 网 络 的 一 些 状 态 信 息( 如 链 路 的 剩 余 带 宽)。CBR 的 难 点 在 于： 如 何 在 状 态 信 息 的 精 确 发 布 和 发 布 频 率 之 间 取 得 一 个 折 衷。 因 为 链 路 的 剩 余 带 宽 在 不 断 的 变 化，CBR 既 要 避 免 状 态 信 息 发 布 的 滞 后 性， 又 要 避 免 不 停 地 频 繁 发 布 状 态 信 息。CBR 的 有 效 实 现 还 有 待 进 一 步 的 研 究。

----业 务 量 工 程(Traffic Engineering)

----业 务 量 工 程 的 主 要 目 的 在 于 尽 量 地 避 免 网 络 拥 塞 的 发 生， 以 保 证QoS。 网 络 拥 塞 发 生 的 原 因 可 能 有： 网 络 资 源( 比 如 链 路 带 宽、 缓 冲 区) 的 不 足、 以 及 网 络 中 业 务 的 不 均 匀 分 布。 当 业 务 量 不 均 匀 分 布 时， 则 有 的 链 路 处 于 过 载 状 态 而 有 的 链 路 可 能 处 于 欠 载 状 态， 此 时 如 果 我 们 能 够 对 网 络 中 的 业 务 流 进 行 适 当 引 导， 则 不 必 增 加 网 络 资 源 也 可 能 消 除 拥 塞。 业 务 量 工 程 的 目 的 就 在 于： 如 何 有 效 地 引 导 业 务 流 通 过 网 络 以 便 消 除 由 于 业 务 量 不 均 匀 分 布 而 造 成 的 网 络 拥 塞。 多 协 议 标 记 交 换(MPLS) 和 基 于 受 限 的 路 由 都 是 业 务 量 工 程 的 有 用 工 具， 也 是 目 前 有 待 进 一 步 研 究 的 课 题。

IP QoS 有 待 解 决 的 问 题
　

----IP QoS 是 目 前 较 为 活 跃 的 一 个 研 究 领 域， 还 存 在 着 诸 多 有 待 解 决 的 问 题， 比 如 如 何 保 证DiffServ 业 务QoS、TCP 和UDP 的 相 互 作 用 和 影 响、 业 务 量 工 程、 基 于 受 限 的 路 由 等。 如 果IP QoS 能 最 终 取 得 成 功， 则 在 与ATM 的 技 术 较 量 中 将 会 占 据 愈 加 有 利 的 位 置。 不 过 在 实 施IP QoS 的 过 程 之 中， 我 们 一 定 要 吸 取ATM 发 展 中 的 一 些 教 训， 不 要 为 了 追 求QoS 而 使 得IP 变 得 过 度 复 杂 和 臃 肿， 使IP 网 络 丧 失 了 简 单、 灵 活 和 开 放 的 优 点。

来源: www.ccnu.com