基于IntServ和DiffServ的分級服務

2019-11-03 09:35:20

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供稿：網友

李瑋盧燕飛北方交通大學　　ip QoS問題的爭執由來已久，反對者認為資源管理和QoS保證機制過于復雜，在三層以上引入管理模塊會導致IP網的性價比下降，而且光纖和其他硬件技術的發展為用戶提供了用之不竭的網絡資源，因此采用現有的盡力而為服務模式就可以滿足未來的用戶需求。IP QoS的支持者則認為，流量的增長比帶寬增長的速度快，而且最大限度利用帶寬是數據傳輸的本性，在一個網絡節點上使用容量很大的緩存或者鏈路，無法從根本上解決網絡阻塞的問題，只是轉移了資源與需求之間的矛盾。在兩種觀點的爭論中，用戶，尤其是能夠左右一項技術發展潛力的超級用戶，往往傾向于后者。

　　IETF已經起草了很多有關保證QoS的建議并標準化了很多服務模型和機制。其中比較常見的有：綜合服務（Integrated Services——IntServ）/資源預留模型，即IntServ/RSVP、區分服務模型（Differen-tiated Services——DiffServ）、MPLS流量工程和約束路由等。然而，無論單獨采用這些機制中的哪一種，都不能提供IP QoS的全面解決方案，因此人們開始研究實現他們之間的優勢互補的可行性和可靠性。其中IntServ/RSVP和DiffServ由于技術體系完整，結合后能夠相互取長補短，實現WAN的分級服務等特點，逐漸受到研究人員的重視。

　　IntServ/RSVP模型及其工作原理

　　在當前，一談到資源預留就有兩種不同的聲音，總的說來，“互聯網是否是共享性網絡”和“用戶之間是否平等”是支持和反對資源預留理念的爭論焦點。

　　反對資源預留的理由有：

　　* 在網絡層之上建立任何一種IP QoS連接機制都是難以管理的；

　　* 光纖和WDM技術將會使網絡帶寬相當充裕和廉價，資源預留或其他擴展所帶來的復雜性成本遠遠高于利用大帶寬自動保證QoS的方式；

　　* 具有預留能力的網絡只有在阻塞率較低的情況下才能提供令人滿意的服務。而在同樣的情況下，盡力而為的網絡可以提供幾乎與具備預留能力的網絡一樣好的服務。

　　支持資源預留提供不同分級服務的一方也有充足的理由：

　　* ISP可以為付費高的用戶提供高質量的服務。用戶和網絡之間的服務合同明確了用戶數據流的特點及相應的QoS承諾，有利于網絡建設的良性循環。

　　* 高可靠性多媒體應用比現在的互聯網所提供的盡力而為服務有更高的質量服務要求；尤其發生網絡阻塞時，應有相對多的資源預留給級別高、實時性強的業務以保證服務質量。

　　從目前的情況來看，支持資源預留的觀點和支持IP QoS的看法都受到業界和用戶的歡迎，因此，IETF和其他研究機構在不斷更新實現資源預留的機制和技術。RSVP是第一個標準QoS的信令協議，是基于IP協議的資源預留協議,用于在端到端之間傳遞QoS請求。它本身不完成QoS，而是通過其他隊列管理等技術實現的。必須注意的是，RSVP不是一個路由協議，它只是完成按照報文流的路徑為報文申請資源預留。

　　IntServ模型的基本思想是“所有的業務流相關狀態信息是在端系統上”。它所使用的資源預留協議是一種信令協議。工作時，發送端給接收端發送一個PATH信息，以指定通信的特性。沿途的每個中間路由器把PATH信息轉發給由路由協議決定的下一個節點。當收到一個PATH信息時，接收端做出的反應是用一個RESV信息為該業務流請求資源，包括帶寬、時延等。沿途的每個中間路由器可以拒絕或接受RESV信息請求。如果請求不符合要求（合同），路由器將發送一個差錯信息給接收端，并且中斷信令的處理過程。如果請求被接受，就按照事先的約定，為該流分配鏈路帶寬和緩沖區空間，并且把相關的業務流狀態信息裝入路由器中。網絡在傳送過程中為每一個流（flow，由兩端的IP地址、端口號、協議號決定）維護狀態。同時，基于這個狀態執行報文的分類、流量監管、排隊調度等。

　　用戶通過IntServ/RSVP協議向網絡請求滿足特殊服務質量要求的緩存和帶寬；中間節點利用RSVP信令在數據傳輸通路上建立起資源預留并維護該通路，以實現相應的服務質量。

　　根據RSVP的預留資源占所有資源的比例，IntServ模型定義了幾種服務類型：

　　* 有保障的服務（Guaranteed Services）[RFC 2212]：對帶寬、時延、分組丟失率提供定量的要求和質量保證措施，如VoIP應用建議可以預留10M帶寬和小于1s的時延。

　　* 可控負載服務（Controlled－load Services）[RFC2211]：在網絡負荷較大的情況下所能夠提供的近似于沒有過載時的服務。

　　* 盡力而為的服務（Best－Effort）和當前互聯網向多數用戶提供的服務機制類似，沒有任何可以控制的質量保證。

　　IntServ/RSVP模型的主要優點有：

　　* 能夠提供有保證的QoS。因為RSVP運行在從源端到目的端的每個路由器上，因此用戶可以預先購買需要的資源，由ISP負責監視每一個業務流的運行并隨時在當前網絡節點終止非法的資源占用。

　　* RSVP在源和目的地之間可以使用現有的路由協議決定流的通路。RSVP使用IP包承載，使用“軟狀態”的概念，通過周期性的重傳PATH和RESV信息并分析，對網絡拓撲的變化做出反應。即對原有路由協議沒有影響。

　　* 支持一個源到一個目的地（unicast）和一個源到多個目的地（multicast）的QoS服務。

缺點：

　　* 對現有路由器的改造十分復雜。由于需要進行端到端的資源預留，必須要求從發送到接收之間所有路由器都支持RSVP和許可控制協議，同時每個路由器還要花費大量的資源來維護和更新數據庫（如鏈路狀態數據庫）。

　　* IntServ只支持單個微流（micro－flow），但是，由于數目過多，對骨干網的處理能力是巨大的考驗。

　　* 伸縮性差，在WAN中，各種各樣的子網會不斷增多，并且隨著流數目的增加，狀態信息的數量成比例上升，重傳PATH和RESV信息會占用大量的路由器存儲空間和處理開銷。

　　* 該模型不適合于短生存期的流。在IntServ中，RSVP進行的資源預留是單向的，因此必須對其規定兩個方向的資源預留，從而增加網絡開銷。在短生存期的流占大多數的網絡中，采用IntServ就得不償失了。

　　DiffServ及其工作原理

　　DiffServ是一個起源于IntServ，但相對簡單、粗劃分的控制系統。它取代了IP服務類型（TOS）字段改名為DS，并用它承載IP包服務所要求的信息，是嚴格意義上的三層技術，不涉及低層的傳輸技術。區分業務主要通過兩個機制來完成不同QoS業務要求的分類： DS標記和一個包轉發處理庫的集合——PHB（Per-Hop-Behavior每跳行為）。通過對一個包DS字段的不同標記，以及基于DS字段的處理，就能夠產生一些不同的服務級別。

　　IP包頭中的區分服務標記字段是DS區域的邊緣節點和核心節點之間傳遞流匯聚信息的媒介，是連接邊界的傳輸分類和調節機制與內部PHB的橋梁。其中CU（Currently Unused）未定義。

　　DiffServ的工作流程如下：用戶會事先與他的ISP簽定一個服務等級協議（Service Level Agreement——SLA），明確所支持的業務級別以及在每個業務級別中所允許的業務量。它可以是靜態的，也可以是動態的。靜態SLA需要定期協商，動態SLA的客戶用某種信令協議（如RSVP）請求所要求的服務（注意RSVP并非是DiffServ中的一部分，只是二者可以結合使用）。用戶可以標記自己的DS編碼標記（Differen-tiated Services CodePoint——DSCP）以指定QoS的服務，也可以讓邊緣路由器根據多字段MF（MultiField）分類來標記。

　　在ISP的入口，包被分類、計量、標記，也可能被整形。在邊緣路由器，所有的分類和整形規則均依據SLA，并按照SLA分為不同的行為聚合BA（Behavior Aggregation），每個行為聚合都由DS編碼點標記。這些操作所需要的緩沖空間也依據SLA確定。在DiffServ的核心路由器中經過粗顆粒化的數據流進行調度分配路由。當一個包從一個域進入另一個域時，它的DSCP可能會被重新標記，這由兩個域之間的SLA確定。

Diffserv模型完全不同于Intserv模型，其優點是：

　　* 層次簡單，伸縮性較好：DiffServ工作范圍分為兩個層次：DS域和DS區。DS標記只是規定了有限數量的業務級別，狀態信息的數量正比于業務級別，而不是流的數量。

　　* 便于實現：只在網絡的邊界上才需要復雜的分類、標記、管制和整形操作。ISP核心路由器只需要實現行為聚集（BA）的分類，因此實現和部署區分、分級都比較容易。

　　* 不影響路由：DiffServ的節點提供服務的手段只限于隊列調度和緩沖管理，并不涉及路由選擇。

　　但是，DiffServ仍然還有許多問題亟待解決，比如，DiffServ體系中是否能夠實現“微公平性”就是一個值得重點討論的問題。所謂“微公平性”是指在DiffServ域中，屬于同一個流聚集中的每一個分流是否能享受相同的待遇，這種微公平性不僅在資源充足時能夠表現出來，更重要的是，能否在有額外資源或者資源總量不足時，各個微流是否能夠按照事先約定的等級獲得相應的按比例升級或者降級服務。

　　Diffserv和Intserv優勢互補，提供IP QoS保證

　　Intserv模型中的RSVP可為數據流提供良好帶寬保證，而DiffServ則不需要信令，在發送報文前，不需要通知路由器，網絡也不必為每個流維護狀態，它只根據報文中規定的QoS來提供特定的服務。并且，它不像IntServ那樣對每個流都進行QoS控制，而是對流聚合后的每一類進行QoS控制，它只是對數據流簡單加標記進行優先級分類。從對路由器的要求來說，RSVP比DiffServ更復雜，因此RSVP不適用于骨干網路由器。

　　Diffserv和Intserv相結合為WAN提供全局的分級服務方案。用戶端主機使用RSVP的粗粒度請求（帶寬、抖動門限等），在骨干網入口的帶寬代理路由器可以將RSVP“預約”映射為用DS位指示的服務分類；在骨干網上采用DiffServ對包頭中規定的QoS進行資源分配；在骨干網的輸出端，RSVP再次被利用，直至終點。從而最終實現了在輸入端以客戶為基礎進行流量調節，以確保服務水平。

　　在WAN中使用的是區分型業務模型，而LAN用的是IntServ和DiffServ模型的混合形式。在實現IntServ和DiffServ的互通中，需要解決RSVP在DiffServ域中如何處理，IntServ支持的業務與DiffServ支持的PHB之間的映射這兩個主要問題。IETF建議了兩種互通方式來保證端到端的QoS。一種方法是將綜合服務覆蓋在DiffServ網上，RSVP信令完全透明地通過；另外一種方法是簡單的并行處理，即DiffServ域參與RSVP的協議處理：DiffServ網中的每個節點可能也是具有RSVP功能的，采取一些策略決定哪些包用RSVP，哪些用DiffServ處理。相比而言，前一種方法實現簡單，保持了DiffServ的“原貌”，但是卻造成DiffServ域中的資源浪費；后者實現起來過于復雜，比較適用于小型網絡。

　　DiffServ支持的PHB有確保轉發AF PHB和迅速轉發EF PHB，EF PHB表示任何數據流超過由本地策略確定的流量規劃值時，將被丟棄；AF PHB 表示超過流量規劃值的數據流不會按照未超過規劃值時那么高的概率傳送，這意味著它可能降級，但是不會被丟棄。

　　IntServ和DiffServ能為用戶提供統一服務。它們之間的轉換關系是：IntServ中的確保服務在DiffServ中映射為EF PHB；IntServ中的可控服務在DiffServ中轉換為AF PHB。

摘自《通訊世界》2002.4

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