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下一代互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)IP QoS(2)

2019-11-03 09:03:41
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供稿：網(wǎng)友

姜明


　　4.區(qū)分服務(wù)

　　區(qū)分服務(wù)簡介

　　DiffServ的最大特點(diǎn)就是簡單有效、擴(kuò)展性強(qiáng)。其實(shí)施特點(diǎn)是采用聚合的機(jī)制將具有相同特性的若干業(yè)務(wù)流聚合起來，為整個(gè)聚合流提供服務(wù)，而不再面向單個(gè)業(yè)務(wù)流。也就是說在DiffServ網(wǎng)絡(luò)邊界路由器上保持每流狀態(tài)，核心路由器只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)而不保持狀態(tài)信息。這種Core-Stateless結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。其基本實(shí)現(xiàn)方法是：

　　簡化網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的服務(wù)機(jī)制。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的核心路由器中只保存簡單的DSCP（DiffServ CodePoint）與PHB的對應(yīng)機(jī)制，在數(shù)據(jù)流進(jìn)入核心路由器時(shí)只根據(jù)數(shù)據(jù)包頭部DS（Differ- entiated Services）域中的DSCP進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，而業(yè)務(wù)流狀態(tài)信息的保存與流監(jiān)控機(jī)制的實(shí)現(xiàn)等都在網(wǎng)絡(luò)邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)是狀態(tài)無關(guān)的。

　　聚合網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部核心路由器的服務(wù)對象。采用流聚集的方式進(jìn)行傳輸控制，具有相同DSCP的業(yè)務(wù)流組成一個(gè)宏流（macro-flow），核心路由器的服務(wù)對象即是宏流而不是單流（micro-flow），單流信息只在網(wǎng)絡(luò)邊界節(jié)點(diǎn)保存和處理。

　　DiffServ大大降低了信令的工作，而將重點(diǎn)放在流聚集以及適用于全網(wǎng)業(yè)務(wù)等級(jí)的一套"逐跳行為"上。我們可以根據(jù)預(yù)先確定的規(guī)則對數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類，從而將多種應(yīng)用數(shù)據(jù)流聚集為有限的幾種數(shù)據(jù)流等級(jí)。具體而言，邊界節(jié)點(diǎn)根據(jù)用戶的流規(guī)格（PRofile）和資源預(yù)留信息對業(yè)務(wù)流進(jìn)行分類、整形、標(biāo)記、聚合為不同的流聚集，流聚集信息包含在報(bào)文
　　實(shí)際上，按照DS域的標(biāo)記，以相應(yīng)方式提供不同質(zhì)量的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，也正是區(qū)分服務(wù)名字的由來。美國正在開展的下一代互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃Internet2便是選擇DiffServ作為其QoS策略。

　　區(qū)分服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)

　　雖然DiffServ仍在不斷的發(fā)展，一些標(biāo)準(zhǔn)仍在制定、完善之中，但經(jīng)過幾年的發(fā)展，DiffServ的相關(guān)概念及模型已經(jīng)比較成熟了，DiffServ體系結(jié)構(gòu)也已經(jīng)比較明確了。在此基礎(chǔ)上，與服務(wù)提供有關(guān)的問題，如DSCP的定義、PHB服務(wù)的定義等等已逐步完善。區(qū)分服務(wù)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　其中的DiffServ區(qū)域是由一些相連的DiffServ節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的集合，它們有統(tǒng)一的服務(wù)提供策略，且實(shí)現(xiàn)一致的PHB組，比如某個(gè)ISP的網(wǎng)絡(luò)或者內(nèi)部網(wǎng)。每個(gè)DS區(qū)域通過邊界節(jié)點(diǎn)（boundary node）與非DS區(qū)域相連，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)流傳輸方向，邊界節(jié)點(diǎn)可以分為入口節(jié)點(diǎn)和出口節(jié)點(diǎn)。

　　為了保證用戶能從ISP那里獲得所需要的服務(wù)質(zhì)量，用戶必須和ISP之間簽訂有服務(wù)等級(jí)協(xié)定（Service Level Agreement, SLA），而ISP之間也必須建立業(yè)務(wù)流調(diào)節(jié)協(xié)定（Traffic Condition Agreement, TCA），SLA規(guī)范了ISP對客戶端網(wǎng)絡(luò)所支持的業(yè)務(wù)類別以及每種類別的業(yè)務(wù)流數(shù)量，TCA則規(guī)范了ISP之間的數(shù)據(jù)流應(yīng)該滿足的一些約定。

　　這樣，當(dāng)有數(shù)據(jù)流進(jìn)入DS區(qū)域時(shí)，入口節(jié)點(diǎn)對其進(jìn)行分類（classifier）、調(diào)節(jié)（condition），保存流（單流或聚流）的狀態(tài)信息，根據(jù)事先和用戶約定的流規(guī)格對流進(jìn)行計(jì)量（metering）、標(biāo)記（marking）、整形（sharping）、丟棄（dropping）等，以使輸入流符合SLA，同時(shí)在包頭標(biāo)記DSCP值，并將其加入相應(yīng)的行為聚集BA（Behavior Aggregate）。出口節(jié)點(diǎn)也可能需要對輸出流進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證其與下游DS區(qū)域的TCA相符。

　　DiffServ區(qū)（region）則是由連續(xù)的DS區(qū)域構(gòu)成。一個(gè)DS區(qū)內(nèi)的DS區(qū)域可以支持不同的PHB組，并且各自區(qū)域的DSCP到PHB的映射函數(shù)也可能不相同。在不同的DS區(qū)域之間，必須對SLA和TCA進(jìn)行調(diào)節(jié)，以協(xié)調(diào)彼此之間的服務(wù)語義。這樣，通過在上游DS區(qū)域和下游DS區(qū)域之間建立SLA或TCA，區(qū)分服務(wù)可以擴(kuò)展到多個(gè)DS區(qū)域。


圖3 區(qū)分服務(wù)體系結(jié)構(gòu)示意圖


　　在圖3中，我們假設(shè)客戶端網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)和ISP建立了相應(yīng)的SLA，ISP之間也建立了TCA。如果客戶端網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)A向另一客戶端網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)B發(fā)送數(shù)據(jù)流，則數(shù)據(jù)包在客戶端網(wǎng)絡(luò)中路由到達(dá)與它直接相連的ISP的網(wǎng)絡(luò)N1，邊界路由器E1根據(jù)用戶與ISP之間的SLA通過查看數(shù)據(jù)包的頭部信息對它進(jìn)行分類、監(jiān)控、標(biāo)記以及整形，以使它符合SLA。被標(biāo)記了DSCP的數(shù)據(jù)包在N1中傳輸，直到到達(dá)N1的出口節(jié)點(diǎn)。在N1的出口節(jié)點(diǎn)，邊界路由器根據(jù)N1與N2之間的TCA對業(yè)務(wù)流進(jìn)行整形，使它符合N1與N2網(wǎng)絡(luò)之間的TCA。業(yè)務(wù)流依次通過中間的每個(gè)ISP，最后到達(dá)接收端所在的客戶端網(wǎng)絡(luò)。

　　區(qū)分服務(wù)標(biāo)記域與區(qū)分服務(wù)標(biāo)記DSCP

　　IP包頭部的區(qū)分服務(wù)標(biāo)記域（DS Field）是DS區(qū)域邊界節(jié)點(diǎn)和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)傳輸流聚集信息的媒介，是內(nèi)部核心路由器轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文的依據(jù)，是連接報(bào)文與轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)（PHB）的橋梁，也是邊界節(jié)點(diǎn)與其它DS區(qū)域根據(jù)TCA進(jìn)行調(diào)節(jié)的依據(jù)。

　　DS標(biāo)記域定義為IPv4頭部的TOS（Type of Service）字節(jié)或IPv6頭部的流類型（Traffic Class）字節(jié)。如圖4所示。其中DSCP（6bit）即為區(qū)分服務(wù)標(biāo)記，CU（2bit）在本體系中沒有使用，IETF已將它定義為ECN（Explicit Congestion Notification，顯式擁塞指示）使用。對于不支持CU域的路由器，當(dāng)決定所收到的報(bào)文的PHB時(shí)，將忽略CU的值；對于不支持該域的主機(jī)，在發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)候，將該域的值置零。下行節(jié)點(diǎn)則通過識(shí)別這個(gè)字段，獲取信息來處理到達(dá)輸入端口的數(shù)據(jù)包，并將它們正確地轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳的路由器。



　　區(qū)分服務(wù)中的分類和調(diào)節(jié)機(jī)制

　　為了使用戶數(shù)據(jù)流符合SLA和TCA，邊界節(jié)點(diǎn)要對其進(jìn)行分類和調(diào)節(jié)，因而從功能上可以分為兩個(gè)模塊：分類器（classifier）和調(diào)節(jié)器（conditioner），如圖5所示。



　　分類器根據(jù)數(shù)據(jù)包頭部的某些域（如DSCP或MF五元組）對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類。目前定義了兩種類型的分類器：

　　行為聚集（Behavior Aggregate，BA）分類器：根據(jù)包頭的DSCP來對包進(jìn)行分類。

　　多域（Multi-Field，MF）分類器：根據(jù)包頭部中多個(gè)域內(nèi)容的組合來進(jìn)行分類，如源地址、目標(biāo)地址、DS域、協(xié)議標(biāo)識(shí)、源端口號(hào)以及目標(biāo)端口號(hào)等。

　　從功能上，調(diào)節(jié)器可分為計(jì)量器（meter）、標(biāo)記器（marker）、整形器（sharper）和丟包器（dropper）。

　　計(jì)量器根據(jù)TCA中所規(guī)范的業(yè)務(wù)流要求測量被分類器所選定的業(yè)務(wù)流的某些實(shí)時(shí)屬性，并將所測量到的數(shù)據(jù)包的統(tǒng)計(jì)信息送往其它的調(diào)節(jié)功能模塊。

　　標(biāo)記器設(shè)置報(bào)文的DS域?yàn)橐惶囟ǖ腄SCP，并將標(biāo)記了的包添加到一特定的DS行為聚集中。標(biāo)記器可以將所有送入到它那兒的包標(biāo)記為同一個(gè)DSCP值，也可以配置成根據(jù)計(jì)量器的統(tǒng)計(jì)信息將其標(biāo)記為同一PHB組內(nèi)的PHB所對應(yīng)的DSCP值。

　　整形器和丟包器則通過延遲或丟棄業(yè)務(wù)流中的包使得業(yè)務(wù)流符合TCA流規(guī)范。

　　隨著對網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流特性研究的深入發(fā)展，調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)也日漸成熟，通常的做法是用令牌桶（token bucket）和漏斗桶（leaky bucket）等算法進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合。近來又提出了一種新的算法：基于時(shí)間滑動(dòng)窗口（Time Slide Windows，TSW）的算法，它是通過計(jì)算數(shù)據(jù)包的平均到來速度來對包進(jìn)行分類和標(biāo)記。

　　在客戶端網(wǎng)絡(luò)與ISP建立的SLA有兩種形式：靜態(tài)SLA和動(dòng)態(tài)SLA。靜態(tài)SLA根據(jù)具體的策略由網(wǎng)絡(luò)操作員事先確定客戶網(wǎng)絡(luò)所需要的網(wǎng)絡(luò)資源，并一直為客戶端網(wǎng)絡(luò)保留相應(yīng)的資源，這樣，客戶端網(wǎng)絡(luò)在發(fā)送數(shù)據(jù)流的時(shí)候，并不需要向ISP申請網(wǎng)絡(luò)資源。顯然，這種SLA實(shí)現(xiàn)簡單，但缺乏靈活性，網(wǎng)絡(luò)資源利用率不高。動(dòng)態(tài)SLA則相反，它提供了較強(qiáng)的靈活性。當(dāng)客戶網(wǎng)絡(luò)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它首先向ISP申請網(wǎng)絡(luò)資源，ISP根據(jù)客戶請求分配資源，并在邊界節(jié)點(diǎn)建立起相應(yīng)的SLA。動(dòng)態(tài)SLA可以使用帶寬代理（Bandwidth Broker, BB）（如圖6）或者RSVP來實(shí)現(xiàn)。



　　區(qū)分服務(wù)中的逐跳行為

　　逐跳行為PHB是一個(gè)DS節(jié)點(diǎn)調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)特定流聚集行為的外特性描述，本質(zhì)上，PHB描述的是單個(gè)節(jié)點(diǎn)為特定流聚集分配資源的方式。IETF目前已經(jīng)定義的PHB有：

　　加速型轉(zhuǎn)發(fā)（Expedited Forwarding，EF）：可使時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)最小并且可以提供最高級(jí)的綜合QoS

　　確保型轉(zhuǎn)發(fā)（Assured Forwarding，AF）：超過流量規(guī)劃值的數(shù)據(jù)流，不會(huì)按照未超過規(guī)劃值時(shí)那么高的概率傳送。這意味著它可以被降級(jí)，但是不會(huì)被丟棄。

　　允許丟包的加速型轉(zhuǎn)發(fā)EFD：除了EFD允許丟包而EF幾乎沒有丟包外，EFD與EF的外特性幾乎相同。EFD的應(yīng)用主要是在無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中。

　　缺省型轉(zhuǎn)發(fā) BE：相當(dāng)于傳統(tǒng)的極力而為調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)行為的PHB。

　　準(zhǔn)缺省型轉(zhuǎn)發(fā) LBE：比BE優(yōu)先級(jí)還要低的PHB行為，其作用是在擁塞時(shí)有比BE更高的丟包優(yōu)先級(jí)，提高BE的性能。

　　區(qū)分服務(wù)的基本服務(wù)類型

　　與IntServ類似，Diff-Serv也定義了三種服務(wù)類型：

　　盡力而為的服務(wù)：類似于目前Internet上盡力而為的服務(wù)。

　　獎(jiǎng)賞服務(wù)（Premium Services，PS）：為用戶提供低延遲、低抖動(dòng)、低丟包率和保證帶寬的端到端或者網(wǎng)絡(luò)邊界到邊界的傳輸服務(wù)。PS是目前區(qū)分服務(wù)模型中定義的級(jí)別最高的服務(wù)種類。這種"三低一保證"的服務(wù)類似于傳統(tǒng)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的專線業(yè)務(wù)，因此也稱為"虛擬專線"服務(wù)。

　　確保服務(wù)（Assured Services，AS）：確保服務(wù)是從統(tǒng)計(jì)上保證用戶的帶寬，其初衷是在網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況下，也能保證用戶有一定量的預(yù)約帶寬。AS的著眼點(diǎn)是帶寬和丟包率，而不太注重延遲和抖動(dòng)。AS最具吸引力的是其實(shí)現(xiàn)機(jī)制較為簡單，只要采用簡單的標(biāo)記和丟棄機(jī)制就能實(shí)現(xiàn)IP QoS。在發(fā)生擁塞時(shí)，確保服務(wù)通過控制丟包優(yōu)先級(jí)，提供了比"盡力而為"服務(wù)更好的服務(wù)。確保服務(wù)的基本思路是：

　　邊界路由器對進(jìn)入DS域的數(shù)據(jù)包進(jìn)行標(biāo)記，預(yù)約帶寬內(nèi)的包標(biāo)為IN（in profile），否則標(biāo)為OUT（out profile）。

　　發(fā)生擁塞時(shí)，核心路由器根據(jù)包頭的標(biāo)記決定丟包概率，Out包的丟棄概率大于In包。從而在統(tǒng)計(jì)意義上上保證用戶的預(yù)約帶寬。

　　目前，獎(jiǎng)賞服務(wù)已經(jīng)比較成熟、穩(wěn)定，而確保服務(wù)仍然處于發(fā)展之中，其焦點(diǎn)主要集中在如何保證聚流之間的個(gè)公平性以及聚流內(nèi)各單流之間的公平性，這主要是由于Internet上數(shù)據(jù)流的特性引起的。研究表明，現(xiàn)有的確保服務(wù)方案并不能真正確保用戶得到的服務(wù)，因此，如何使得確保服務(wù)能夠真正起到確保的作用，還有待進(jìn)一步研究。

　　關(guān)于作者:姜明，計(jì)算機(jī)專業(yè)博士研究生。主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、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)問題進(jìn)行切磋，歡迎大家對本文多提寶貴意見，我的Email是：jiangmingcc@163.com。

　　
摘自　賽迪網(wǎng)

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