IP QoS的實現

2019-11-04 22:44:04

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供稿：網友

　　在ip業務上增加QoS的解決方案多種多樣。然而，對于一個運營商來說，什么樣的方案才算是一個合理的方案？在方案的選擇過程中，應該把握一個什么樣的尺度，注重哪些問題？我們相信，在每一個實際的運營商網絡中都會存在著這樣那樣的問題。究其共性，大部分運營商都會碰到這樣兩個問題，一個是在運營的網絡中如何處理原有的傳統路由器；另一個就是如何與ATM基礎設施配合以及協作的問題。
　　
　　如何處理遺留的路由器
　　----隨著多媒體業務的發展，人們都希望路由器能以線速處理更多的數據包。因為新的業務大多對時延比較敏感，數據包一般都較短，最短時可能只有40個字節，因此對路由器的要求更高。然而在實際的運營網絡中出于經濟或其他原因的考慮，不得不繼續使用傳統路由器，限制了網絡業務的發展，并使之更為復雜。由于Diff-Serv采用單跳的行為模式，因此在一個網絡內可以被保證的業務級別取決于性能
　　最低的路由器。
　　----除了處理能力的問題外，傳統路由器還有一個致命的缺陷，那就是無法解決在單跳上將包重新標記的問題。在需要IP QoS的網絡中，假如出于各種原因，用戶無法對自己業務進行標記，那么路由器就要為用戶根據SLA在DS字段中指定單跳行為。這就要求路由器在網絡的入口和出口處都對數據包進行標記，而這一點又恰恰是傳統路由器無法解決的問題。
　　----處理上述問題最簡單的辦法就是限制傳統路由器的使用范圍，使其只用于盡力而為的業務，同時通過成熟的QoS技術將高優先權的重要業務與盡力而為的低優先權業務隔離。例如，在一個運營網絡中，既有傳統的IP路由器網絡，同時又有ATM網絡時，我們可將高優先級業務映射到具有相應QoS屬性的ATM虛擬電路上，再利用傳統路由器來提供普通的盡力而為的業務。
　　
　　----解決傳統路由器問題的另一種方法是將其逐漸推向外圍，作為Internet的業務收集器，為新一代的超大規模路由器饋送業務。
　　
　　如何與ATM基礎設施配合
　　----在討論網絡的IP QoS實施問題的時候，不可避免地要考慮在運營商網絡中ATM設備與IP路由器的作用，以及它們在網絡中所處的位置。
　　----目前，在幾乎所有的運營網絡中都采用ATM作為基礎網絡平臺，但隨著IP業務的飛速發展，幾乎所有的運營網絡不得不把IP業務作為這個網絡平臺最主要業務之一。因此，要在運營網絡中提供IP QoS，首先就要解決IP和ATM之間的關系問題，即IP路由器和ATM基礎設施的配合和銜接的問題。長時間以來，一直沒有一個合適的技術來解決這一問題，直到出現了MPLS(多協議標記交換)。MPLS不但可以解決IP數據包在通過ATM網絡時的效率問題，而且更可貴的是它可以提供真正的端到端的QoS保證，這也是區別于以往幾種在ATM上面承載IP業務技術的最重要的一個特點。也正是由于這一點，MPLS成為了一項對于運營商至關重要的技術。因為有了MPLS，運營商，尤其是新興的運營商，能夠在今天就向最終用戶提供端到端的IP QoS。
　　
　　MPLS介紹
　　----1．什么是MPLS？
　　----MPLS是一個可以在多種第二層媒質上進行標簽交換的網絡技術。這一技術綜合了第二層的交換和第三層路由的特點，將第二層的基礎設施和第三層的路由有機地結合起來，第三層的路由在網絡的邊緣實施，而在MPLS的網絡核心采用第二層交換。
　　
　　----MPLS通過每一個節點的標簽交換來實現包的轉發。 MPLS可以不改變現有的路由協議，可以在多種第二層的物理媒質上實施，目前有ATM、 FR(幀中繼)、Ethernet以及PPP。
　　
　　----通過MPLS，第三層的路由可以得到第二層技術的很好補充。充分發揮第二層良好的流量設計治理以及第三層“Hop-By-Hop"路由的靈活性，實現端到端的QoS保證。
　　
　　----MPLS是一個網絡層包轉發的新興標準，它主要基于IETF 提交的一系列信令協議。在這些協議里，最主要的有標記分配協議(LDP)、資源預留協議 (RSVP)以及限制路由的標簽分配協議(CR-LDP)三種。這些協議都應用在分配標簽和轉發 MPLS數據流上。
　　
　　----2.為什么需要MPLS？
　　
　　----運營商以及一些大型企業在其內部骨干網上利用MPLS 來提高網絡資源的使用率。作為一個大規模IP網絡的未來要害技術，MPLS可以為運營商或者大企業帶來如下好處：
　　
　　----(1)功能上的獨立性按照MPLS的思想，轉發功能和路由功能是分開的，這樣MPLS的核心只簡單地執行轉發功能，而無需檢查包的內容，這樣可以選擇僅在網絡的邊緣實施一次路徑的策略。
　　
　　----(2)性能的優化 MPLS簡化了IP路由的操作，這樣數據流就可以高效地利用網絡的資源，從而使網絡的性能得到優化。
　　
　　----(3)資源的控制利用 MPLS可以很好地控制資源，可以通過不同的服務等級(CoS)，提供原來無法提供的IP增值業務。
　　
　　----(4)網絡的演進 MPLS正在演進到一個強大的骨干網絡中去。在這個網絡中，作為唯一一個可以運行在多種第二層媒質之上的協議，MPLS將成為承載第三層業務(IP)的一項要害技術。
　　
　　----3. MPLS是怎樣工作的？
　　
　　----MPLS是一種非凡的轉發機制，它為進入網中的IP數據包分配標簽，并通過對標簽的交換來實現IP數據包的轉發。標簽作為IP包頭在網絡中的替代品而存在，在網絡內部MPLS在數據包所經過的路徑沿途通過交換標簽(而不是看IP 包頭)來實現轉發；當數據包要退出MPLS網絡時，數據包被解開封裝，繼續按照IP包的路由方式到達目的地。
　　
　　----如圖1所示， MPLS網絡包含一些基本的元素。在網絡邊緣的節點被稱作標簽邊緣路由器(LER)，而網絡的核心節點就稱為標簽交換路由器 (LSR)。LER節點在MPLS網絡中完成的是IP包的進入和退出過程，LSR節點在網絡中提供高速交換功能。在MPLS節點之間的路徑就是標簽交換路徑(LSP)。一條LSP可以看作是一條貫穿網絡的單向隧道。
　　
　　----MPLS的工作流程可以分為幾個階段，即網絡的邊緣、網絡的中心以及單跳路由(Hop-by-Hop)或者顯式路由三個階段。
　　　 IP QoS的實現（圖一）

　　(1)在網絡的邊緣當IP數據包到達一個LER時，MPLS 第一次應用標簽。首先，LER要分析IP包頭的信息，并且按照它的目的地址和業務等級加以區分。
　　
　　----在LER，MPLS使用了轉發對等級別(FEC)這一概念來將輸入的數據流映射到一條LSP上。簡單地說，FEC就是定義了一組沿著同一條路徑有相同處理過程的數據包。這就意味著所有FEC相同的包都可以映射到同一個標簽中。
　　
　　----對于每一個FEC，LER都建立一條獨立的LSP穿過網絡，到達目的地。數據包分配了一個FEC后，LER就可以根據標簽信息庫(LIB)為其生成一個標簽。標簽信息庫將每一個FEC都映射到LSP下一跳的標簽上，假如下一跳的鏈路是 ATM，則MPLS將使用ATM VCC里的VCI作為標簽。
　　
　　----轉發數據包時，LER檢查標簽信息庫中的FEC，然后將數據包用LSP的標簽封裝，從標簽信息庫所規定的下一個接口發送出去。
　　
　　----(2)在網絡的核心當一個帶有標簽的包到達LSR時， LSR提取入局標簽，同時以它作為索引在標簽信息庫中查找。當LSR找到相關信息后，取出出局的標簽，并由出局標簽替代入局標簽，從標簽信息庫中所描述的下一跳接口送出數據包。
　　
　　----最后，數據包到達了MPLS域的另外一端。在這一點， LER剝去封裝的標簽，仍然按照IP包的路由方式將數據包繼續傳送到目的地。
　　
　　----建立LSP的方式主要有兩種:一種是以Hop-by-Hop路由方式建立LSP，另一種就是以顯式路由方式建立LSP。
　　
　　----(3) “Hop-by-Hop"路由　一個Hop-by-Hop的LSP是所有從源站點到一個特定目的站點的IP樹的一部分。對于這些LSP，MPLS模擬IP轉發數據包的面向目的地的方式建立了一組樹。
　　
　　----從傳統的IP路由來看，每一臺沿途的路由器都要檢查包的目的地址，并且選擇一條合適的路徑將數據包發送出去。而MPLS則不然，數據包雖然也沿著IP路由所選擇的同一條路徑進行傳送，但是它的數據包頭在整條路徑上從始至終都沒有被檢查過。
　　
　　----在每一個節點，MPLS生成的樹是通過一級一級為下一跳分配標簽而且與它們的對等層交換標簽而生成的。交換是通過LDP的請求以及對應的消息完成的。例如，圖2中LSR G將標簽14、23以及24都映射到30上。
　　　 IP QoS的實現（圖二）

　　(4)顯式路由 MPLS最主要的一個優點就是它可以“引導”數據包，如避免擁塞或者滿足業務的QoS等。MPLS答應網絡的運行人員在源節點就確定一條顯式路由的LSP(ER-LSP)，以規定數據包將選擇的路徑。
　　
　　----不像Hop-by-Hop的LSP，ER-LSP不會形成IP樹。取而代之的，ER-LSP從源端到目的端直接建立一條路徑，如圖3所示。MPLS將顯式路由嵌入到限制路由的標簽分配協議(CR-LDP)的信息中，從而建立這條路徑。
　　 IP QoS的實現（圖三）

　　利用MPLS實現端到端的QoS
　　----當一個運營網絡采用MPLS作為承載IP的一個主要方式時，我們需要做的就是在邊緣的路由器上做一個QoS的映射。MPLS限制路由的標簽分配協議(CR-LDP)可以支持QoS功能，并且支持流量的設計和治理。因此，在邊緣路由器上可以通過CR-LDP，將從DS字段中所獲得的QoS信息映射到一條符合QoS要求的端到端的LSP上。例如，在一個ATM的網絡中，可以通過CR-LDP為上行的節點分配標簽(在這里也就是VCI/VPI)。QoS被放在標簽分配協議的消息中進行發送。最后，IP QoS 的不同業務級別在運營網絡中被映射到了相應的ATM QoS的業務級別上，并通過ATM 最終完成端到端的QoS保證。

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