新技術認知分享:IPQoS現狀研究

2019-11-04 10:56:35

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供稿：網友

　　摘要：本文主要介紹了當今ip QoS中的主要技術方案以及它們相應的不足之處，然后提出了目前在IP QoS領域需要重點關注的一些問題，最后介紹了中興通訊公司在IP QoS方面的成果。要害詞：QoS MPLS 業務端到端
　　
　　一、概述
　　
　　在早期計算機網絡和分組轉發網中，網絡只提供盡力而為的業務。對進入網絡的業務流，都以先來先服務的方式對業務流分組進行服務。隨著Internet和各種業務的迅猛發展，尤其是視頻、話音等多媒體業務的迅猛增長，IP網絡也由以前單一的數據網變成了多業務的綜合數字網。此時，傳統的IP網絡沒有服務質量保證的弱點已經顯示出來。為此，業界提出了IP QoS的概念，就是希望在IP網絡上能對不同業務提供相應的QoS保證。
　　
　　二、IP QoS當前主要技術及相關問題
　　
　　由于IP QoS問題是解決IP網承載多業務的要害因素，因此對IP QoS的研究一直是當今業界研究的熱點。從當前的研究成果看，主要有以下幾種解決方案。
　　
　　1. IntServ
　　
　　針對IP QoS的問題，IETF在早期提出了IntServ（Integrated Services）模型。IntServ模型又稱為集成服務模型，其基本思想是在傳送數據之前，根據業務的QoS需求進行網絡資源預留，從而為該數據流提供端到端的QoS保證。為此，集成服務通常采用面向流的資源預留協議（RSVP），在流傳輸路徑上的每個節點為流預留并維護資源。主機利用RSVP向網絡為應用流提出QoS的請求；路由器利用RSVP將QoS請求信息傳給流的路徑中的其他路由器，并建立和保存該服務的信息；RSVP請求將會使得沿著數據路徑的資源在路由器處預留。這種模型的優點是能提供端到端的絕對的QoS保證，但由于這種模型在實現上是非常困難的，主要體現在：
　　
　　（1）由于預留是基于每個流而進行的，因此使得節點中要保留每個流的狀態信息，導致核心路由器負擔太重，因此可擴展性很差。
　　
　　（2）網絡中每個節點都要維護各類數據庫，并實現復雜的功能模塊（如資源預留、路由、接納控制等），造成了極大的復雜性。
　　
　　2. DiffServ
　　
　　由于IntServ的局限性，IETF又提出了DiffServ（Differentiated Services）模型，又稱為區分服務模型。區分服務模型的基本思想是在網絡的入口處為每個數據包分類，并在數據包中標記相應的區分服務代碼點（DSCP，DiffServ CodePoint），用于指示數據包在網絡轉發路徑的中間節點上被處理的方式。在網絡內部的核心路由器中只保存簡單的DSCP與PHB（每跳行為）的對應機制，根據數據包頭部中的DSCP值對數據包進行相應的優先級轉發，而業務流狀態信息的保存與流量控制機制的實現等都在網絡邊界節點進行，內部節點是與狀態無關的。
　　
　　區分服務具有實現簡單，擴展性好的特點。目前在IP網中區分服務得到了絕大部分廠家的支持，其具體實現技術包括分類、重標記、速率限制、流量整形、擁塞避免、隊列調度等。但區分服務也有自己的局限性，主要體現在：
　　
　　（1）區分服務只承諾相對的服務質量，因而不能對用戶提供絕對的服務質量保證。
　　
　　（2）在擁塞發生時，區分服務模型只能采取丟棄報文的方式，而不能采用例如旁路的方式使部分流量通過其他路徑到達終點。
　　
　　（3）對相同優先級的業務而言，設備在擁塞時對報文的丟棄是非智能化的，也就是說，設備只能隨機地丟棄報文，其結果是所有業務的服務質量都受到影響。而此時希望的結果是只丟棄少部分業務流的報文，從而避免剩下的大多數的業務流的服務質量受到影響。
　　
　　3. IntServ與DiffServ結合
　　
　　目前業界還提出了把IntServ與DiffServ結合的方式，其思路為：在用戶網絡仍使用RSVP，在運營商的DiffServ網絡邊界將IntServ的業務類型映射為DiffServ的業務類型，這樣利用IntServ的架構來解決端到端的QoS，同時也利用DiffServ來提供好的擴展性。
　　
　　但這種方法仍然存在IntServ的信令復雜、參于治理等問題，而且由于在運營商的網絡采用DiffServ，因此在這一段網絡也只能提供相對的QoS，從而使端到端的服務質量得不到硬性的帶寬保證。該方法目前仍處于一種理論的研究階段。
　　
　　4. MPLS & QoS
　　
　　利用多協議標簽交換MPLS（MultiPRotocol Label Switching）技術，可以協助解決QoS問題。MPLS是一種結合第二層和第三層的交換技術，引入了基于標簽的機制，把路由選擇和數據轉發分開，由標簽來規定一個分組通過網絡的路徑。MPLS網絡由核心部分的標簽交換路由器（LSR）、邊緣部分的標簽邊緣路由器（LER）組成。
　　
　　由于MPLS采用標簽交換來進行MPLS轉發，因此其轉發效率高于傳統IP通過路由器的轉發，從而通過減少轉發時間來提高QoS。此外，MPLS的報文頭中包含一個3bit的EXP字段，通過該字段可以標記該MPLS報文的優先級，從而使設備在轉發該MPLS報文時能根據優先級標志進行區別對待。
　　
　　這種方式的局限性在于：首先它必須基于MPLS網絡實現，而當前許多網絡上并沒有實施MPLS；另外隨著近幾年芯片技術的不斷發展，路由轉發與交換轉發之間的性能差異也越來越小；而且通過EXP進行優先級區分實際上也是DiffServ的實現方式，因而這種方式也不可避免地具有DiffServ所具有的一些局限性。
　　
　　5. MPLS-TE&QoS
　　
　　流量工程（TE Traffic Engineer）是指為業務流選擇路徑的處理過程，以在網絡中不同的鏈路、路由器和交換機之間平衡業務流負載。其目標是在給一定節點與另一節點之間計算一條路徑（源路由），該路徑不違反它的約束（例如帶寬/治理要求），并且從一些數量指標看來是最優的。
　　
　　MPLS由于自身路由與轉發分離的特點，適合與TE的結合，形成MPLS-TE技術。應用MPLS-TE，可以提高網絡的QoS，主要體現在：
　　
　　（1）利用MPLS-TE，可以在多條可能的轉發路徑中進行負載平衡，從而避免擁塞，提高QoS。
　　
　　（2）應用MPLS-TE，通過RSVP-TE信令創建一條具有嚴格的QoS帶寬保證的隧道，從而支持絕對的QoS。
　　
　　（3）可以通過備份LSP、FRR（快速重路由）等方式對隧道進行額外保護，從而提高網絡的QoS。
　　
　　但MPLS-TE也存在一些局限性，包括：首先它必須應用在MPLS網絡中，因此目前部分非MPLS現網無法支持該技術的應用；其次目前對MPLS-TE跨域的應用仍然在研究階段，這意味著當前MPLS-TE主要的應用只能在單個域中；另外，MPLS-TE雖然可為用戶創建具有帶寬保證的隧道，但假如在隧道中同時傳送多種業務時，如何對這些不同優先級的業務進行區別處理也是需要研究的問題。
　　
　　6. 帶寬代理
　　
　　為了更有效地監視和控制全網的資源，在新一代的模型中，人們又提出了帶寬代理（BB ，Bandwidth Broker），也就是網絡資源治理器的概念。帶寬代理收集網絡的拓撲和節點及鏈路狀態信息，治理網絡資源，并且結合策略服務器規定的策略進行接納控制。同時，帶寬治理還負責治理域之間的通信，通過與相鄰網絡域的帶寬代理通信來達到跨域之間QoS實現的目的。
　　
　　帶寬治理技術的優點是將QoS控制層與數據傳輸層分離開，核心路由器不需要進行接入控制和QoS狀態信息保存，路由器之間也簡化了或者說消除了QoS信令，簡化了路由器的復雜性。此外這種方式支持絕對的QoS保證，包括支持跨域的QoS保證。還有就是這種方式中網絡資源被統一地控制與治理，有利于電信運營商把QoS作為一種業務來開展。
　　
　　但目前帶寬治理技術仍然處于研究階段，BB與業務層和承載層設備之間的信令交互，以及BB之間的信令交互都還在討論之中。另外，這種方式對BB的要求很高，在某些情況下，假如同時申請資源的業務流個數很多，有可能會使BB成為網絡中的瓶頸。
　　
　　三、IP QoS當前主要問題
　　
　　IP QoS發展到今天，除了上述的技術外，還有很多模型以及應用技術的提出。這些技術的產生與應用，確實給目前的IP網部分提高了QoS的支持能力。但總體上，還沒有完全解決當前IP網所面臨的QoS方面的問題。具體說來，有以下幾個大的方面還需要進一步的研究。
　　
　　1. 如何提供業務端到端的QoS
　　
　　端到端的QoS是業務開展的必需條件。當前電信運營商正大力推廣其增值業務，如VoIP、VOD、VPN等，都需要考慮如何對這些業務提供滿足要求的端到端QoS。此外，各種業務的QoS需求不一致，包括帶寬、延時、延時抖動和丟包率等，應分別根據其不同的需求進行QoS方面的考慮。
　　
　　在目前的QoS技術中，對端到端QoS的支持都存在著不足：或者是實現過于復雜，或者是不能提供絕對的QoS保證，或者是實現的范圍有限（例如只能在某個域里）。這些都影響著端到端業務的開展。
　　
　　從網絡的角度講，端到端的業務涉及到網絡的各個層面。因此提供業務端到端的QoS，仍然要分別從網絡的各個層面考慮。應分別考慮在接入網以及核心網對業務實施的QoS策略，非凡是接入網。由于目前接入方式的多樣性，包括以太網接入、DSLAM接入、專線接入、無線接入等等，這都需要考慮相應的QoS策略。
　　
　　從業務的角度看，對業務端到端QoS的研究應包括以下幾個方面。首先是QoS測量，即在業務發起前對業務所經過路徑的QoS性能進行測量，判定當前網絡性能是否支持業務的需求；然后是資源預留，通過全程的資源預留為業務提供硬性的帶寬支持，由于業務通常具有一定的持續性，資源預留方式可以更好地支持在一段時間內業務的QoS；還有就是業務監控，在業務運行時間里對業務進行監控，根據其服務質量以及當前網絡狀況進行統計與調整。對于上述QoS測量，資源預留，業務監控這三個方面的研究都還需要加強。
　　
　　2. QoS治理
　　
　　QoS由于自身具有端到端的特點，因此涉及到一個全網的QoS治理問題，例如運營商需要治理全網QoS策略及一致性、網絡資源信息、QoS授權用

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