IP網(wǎng)絡(luò)QoS問(wèn)題研究
孫岳 常江
2002/10/10
1. 綜述
1.1 QoS問(wèn)題的提出
隨著Internet規(guī)模的不斷增大，各種各樣的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)爭(zhēng)相涌現(xiàn)，先進(jìn)的多媒體系統(tǒng)層出不窮。由于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延、延時(shí)抖動(dòng)等特性較為敏感，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上有突發(fā)性高的FTP或者含有圖像文件的HTTP等業(yè)務(wù)時(shí)，實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)就會(huì)受到很大影響；另一方面，多媒體業(yè)務(wù)占去了大量的帶寬，這樣，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)要保證的關(guān)鍵業(yè)務(wù)就難以得到可靠的傳輸。
解決這些問(wèn)題的最簡(jiǎn)單的辦法當(dāng)然是增大帶寬， 但是，由于這種方法代價(jià)高昂，所以并不十分可行。這就要求網(wǎng)絡(luò)管理者對(duì)不同的服務(wù)區(qū)別管理，而不能對(duì)所有的數(shù)據(jù)包一視同仁。于是，各種QoS技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
最簡(jiǎn)單地說(shuō)，QOS能夠?qū)?shù)據(jù)包進(jìn)行合理的排隊(duì)，對(duì)含有內(nèi)容標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)其中特定的數(shù)據(jù)包賦以較高的優(yōu)先級(jí)，從而加速傳輸?shù)倪M(jìn)程，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互。由于每種應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求有所不同，這使得帶寬本身并不能解決網(wǎng)絡(luò)擁塞的問(wèn)題。QoS所追求的傳輸質(zhì)量在于：數(shù)據(jù)包不僅要到達(dá)其欲傳輸?shù)哪康牡刂�，而且要保證數(shù)據(jù)包的順序性、完整性和實(shí)時(shí)性。通過(guò)QoS，網(wǎng)絡(luò)可以按照業(yè)務(wù)量的類型或級(jí)別加以區(qū)分，并能夠依次對(duì)各級(jí)別進(jìn)行處理。優(yōu)秀的QoS可以提供創(chuàng)建業(yè)務(wù)量級(jí)別的方法，把應(yīng)用系統(tǒng)或用戶的郵件分配到某一級(jí)別中作系統(tǒng)管理。
1.2 QoS的定義
IP QoS是指IP的服務(wù)質(zhì)量,也是指IP數(shù)據(jù)流通過(guò)網(wǎng)絡(luò)時(shí)的性能。它的目的就是向用戶提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。它有一套度量指標(biāo),包括業(yè)務(wù)可用性、延遲、可變延遲、吞吐量和丟包率：
①業(yè)務(wù)可用性：用戶到IP業(yè)務(wù)之間連接的可靠性。
②延遲：也稱為時(shí)延（Latency），指兩個(gè)參照點(diǎn)之間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的時(shí)間間隔。
③可變延遲：也稱為抖動(dòng)（Jitter），指在同一條路徑上發(fā)送的一組數(shù)據(jù)流中數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間差異。
④吞吐量：網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送數(shù)據(jù)包的速率，可用平均速率或峰值速率表示。
⑤丟包率：在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)丟棄數(shù)據(jù)包的最高比率。數(shù)據(jù)包丟失一般是由網(wǎng)絡(luò)擁塞引起的。
1.3 QoS解決方案
IETF已經(jīng)建議了很多服務(wù)模型和機(jī)制，以滿足QoS的需求。其中比較有名的有：綜合業(yè)務(wù)模型(Int-Serv)，區(qū)分業(yè)務(wù)模型(Diff-serv)，多協(xié)議標(biāo)記交換（MPLS），流量工程和約束路由。
綜合業(yè)務(wù)的特點(diǎn)是資源預(yù)留，實(shí)時(shí)應(yīng)用在傳輸數(shù)據(jù)前必須首先建立 通道和預(yù)留資源。RSVP是用來(lái)建立通道和預(yù)留資源的協(xié)議。
在區(qū)別型業(yè)務(wù)中，把包加以標(biāo)記，產(chǎn)生不同的級(jí)別，每個(gè)級(jí)別的包得到不同的服務(wù)級(jí)別。
MPLS是一種前向轉(zhuǎn)發(fā)策略，在進(jìn)入MPLS作用域時(shí)給包賦予一定的標(biāo)簽，隨后包的分類、轉(zhuǎn)發(fā)和服務(wù)都將基于標(biāo)簽完成。
流量工程是一種安排通信流量如何通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程。
約束路由在尋徑路由時(shí)會(huì)受到一定的約束，如帶寬或時(shí)延的要求。
我們這里著重介紹綜合業(yè)務(wù)模型，區(qū)分業(yè)務(wù)模型，MPLS，并簡(jiǎn)單介紹IPV6種的QoS問(wèn)題。
2.綜合業(yè)務(wù)模型
2.1基本概念
綜合業(yè)務(wù)模型（Int-serv：Integrated service）的基本思想是“所有的流相關(guān)狀態(tài)信息應(yīng)該是在端系統(tǒng)上”,它基于每個(gè)流（單個(gè)的或是匯聚的）提供端到端的保證或是受控負(fù)載的服務(wù)（controlled-load service）。Int-Serv框架使IP網(wǎng)能夠提供具有QoS的傳輸，以用于對(duì)QoS要求較為嚴(yán)格的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)（聲音/視頻）。
Int-Serv使用一種類似ATM的SVC的方法,它在發(fā)送方和接收方之間用RSVP作為每個(gè)流的信令。RSVP信息跨越整個(gè)網(wǎng)絡(luò), 假定從接收方到發(fā)送方之間沿途的每個(gè)路由器都要為每一個(gè)要求QoS的數(shù)據(jù)流預(yù)留資源。路徑沿途的各路由器——包括核心路由器——必須為RSVP數(shù)據(jù)流維護(hù)軟狀態(tài)。
在Int-Serv流中，定義了三種類型的業(yè)務(wù)，即：
①保證業(yè)務(wù)(Guaranteed-Service, GS)：對(duì)于GS業(yè)務(wù)流的最大時(shí)延是受到控制的，路由上的任何時(shí)延都會(huì)影響最大排隊(duì)時(shí)延。
②受控負(fù)載業(yè)務(wù)(Controlled-load-Service, CLS)：CLS沒(méi)有固定的時(shí)延保證，但業(yè)務(wù)流要與在網(wǎng)絡(luò)輕載情況下的流質(zhì)量相當(dāng)，實(shí)際上CLS要求有長(zhǎng)期的帶寬保證。
③盡力而為的業(yè)務(wù)(Best-Effort)：類似當(dāng)前Internet在多種負(fù)載環(huán)境(由輕到重)下提供的盡力而為的業(yè)務(wù)。
2.2 綜合業(yè)務(wù)模型的構(gòu)成
為了實(shí)現(xiàn)上面的服務(wù)，Int-Serv定義了4個(gè)功能部件，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)路由器皆需要實(shí)現(xiàn)這4個(gè)部件。
1.RSVP(RFC2205)：RSVP即資源預(yù)留協(xié)議，它是Internet上的信令協(xié)議。通過(guò)RSVP，用戶可以給每個(gè)業(yè)務(wù)流(或連接)申請(qǐng)資源預(yù)留，要預(yù)留的資源可能包括緩沖區(qū)及帶寬的大小。這種預(yù)留需要在路徑上的每一跳都要進(jìn)行，這樣才能提供端到端的QoS保證。RSVP是單向的預(yù)留，適用于點(diǎn)到點(diǎn)以及點(diǎn)到多點(diǎn)的通信環(huán)境。
2.訪問(wèn)控制(Admission Control)：它基于用戶和網(wǎng)絡(luò)達(dá)成的服務(wù)協(xié)議，對(duì)用戶的訪問(wèn)進(jìn)行一定的監(jiān)視和控制，有利于保證雙方的共同利益。
3.分類器(Classifier)：根據(jù)預(yù)置的一些規(guī)則，它對(duì)進(jìn)入路由器的每一個(gè)分組進(jìn)行分類。這可能需要查看IP分組里的某些域：IP源地址、IP目的地址、上層協(xié)議類型、源端口號(hào)、目的端口號(hào)；分組經(jīng)過(guò)分類以后被放到不同的隊(duì)列中等待接收服務(wù)。這方面的技術(shù)還不很成熟，是一個(gè)有待研究的領(lǐng)域。
4.隊(duì)伍調(diào)度器(Scheduler)：它主要是基于一定的調(diào)度算法對(duì)分類后的分組隊(duì)列進(jìn)行調(diào)度服務(wù)。這方面的技術(shù)目前已比較成熟，常見(jiàn)的調(diào)度算法有WFQ、WF2Q、SCFQ、VC、MD-SCFQ、WRR等。
2.3綜合業(yè)務(wù)模型的優(yōu)缺點(diǎn)
綜合業(yè)務(wù)模型的優(yōu)點(diǎn)是：
能夠提供絕對(duì)有保證的QoS。詳細(xì)的設(shè)計(jì)使RSVP用戶能夠仔細(xì)地規(guī)定業(yè)務(wù)種類。因?yàn)镽SVP運(yùn)行在從源端到目的端的每個(gè)路由器上，因此可以監(jiān)視每個(gè)流，以防止其消耗比它請(qǐng)求、預(yù)留和預(yù)先購(gòu)買的要多的資源。
RSVP在源和目的地間可以使用現(xiàn)有的路由協(xié)議決定流的通路。RSVP使用IP包承載，使用“軟狀態(tài)”的概念，通過(guò)周期性的重傳PATH和RESV消息，協(xié)議能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓龀龇从�。正如PATH和RESV刷新用來(lái)更改該預(yù)留的流的通路那樣，沒(méi)有了這些消息時(shí)，RSVP協(xié)議釋放與之關(guān)聯(lián)的資源。
設(shè)計(jì)綜合模型開(kāi)始的目的之一就是使得QoS能夠工作在unicast和multicast下。RSVP協(xié)議能夠讓PATH消息識(shí)別多播流的所有端點(diǎn)，并發(fā)送PATH消息給它們。它同樣可以把自每個(gè)接收端的REVP消息合并到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求點(diǎn)上，該點(diǎn)可以讓一個(gè)多播流在分開(kāi)的連接上發(fā)送同樣的流。
綜合業(yè)務(wù)模型的缺點(diǎn)是：
可擴(kuò)展性是Int-Serv結(jié)構(gòu)最致命的一個(gè)問(wèn)題,因?yàn)镮nt-Serv要求端到端的信令,這在一個(gè)實(shí)際運(yùn)行的運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。單純從Int-Serv結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)來(lái)看,資源預(yù)留本身就與IP網(wǎng)絡(luò)的最大特點(diǎn)"無(wú)連?quot;相沖突。另外，對(duì)保障型業(yè)務(wù)需要網(wǎng)絡(luò)全部使用綜合業(yè)務(wù)，如果中間有不支持的節(jié)點(diǎn)／網(wǎng)絡(luò)存在，雖然信令可以透明通過(guò)，但實(shí)際上對(duì)于應(yīng)用來(lái)說(shuō)，已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上的資源預(yù)留，所希望達(dá)到的QoS保證也就打了折扣。
對(duì)路由器的要求較高。由于需要進(jìn)行端到端的資源預(yù)留，必須要求從發(fā)送者到接收者之間的所有路由器都支持所實(shí)施的信令協(xié)議。因此所有路由器必須實(shí)現(xiàn)RSVP、許可控制。MF（Multi－Field）分類和包調(diào)度。
該模型不適合于短生存期的流。因?yàn)闉槎躺嫫诎A(yù)留資源的開(kāi)銷很可能大于處理流中所有包的開(kāi)銷。但因特網(wǎng)流量絕大多數(shù)是由短生存期的流構(gòu)成的。在短生存期的流需要一定程度的QoS保證時(shí)，綜合業(yè)務(wù)模型就顯得得不償失了。
3. 區(qū)分業(yè)務(wù)模型
3.1基本概念
由于對(duì)綜合業(yè)務(wù)模型利用全程信令將原本面向無(wú)連接的因特網(wǎng)，勉為其難地改為向面向連接的網(wǎng)絡(luò)這種方式的可實(shí)施性已經(jīng)產(chǎn)生了懷疑。因而希冀能夠出現(xiàn)一種新的解決問(wèn)題的思想，既考慮已有網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀，又能達(dá)到實(shí)現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量的目的，這就出現(xiàn)了區(qū)分業(yè)務(wù)（Diff-serv）模型。
Diff-Serv IETF組織制訂了IP網(wǎng)絡(luò)的QOS標(biāo)準(zhǔn)——區(qū)分服務(wù)(Diff-Serv)，為在IP網(wǎng)絡(luò)上提供服務(wù)質(zhì)量保證奠定了基礎(chǔ)。在Diff-Serv標(biāo)準(zhǔn)以前，ATM技術(shù)還是唯一能提供QOS的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，IETF正是借用了ATM的QoS概念，將QoS引入IP所有業(yè)務(wù)，這些業(yè)務(wù)不但可以在租用線、幀中繼和ATM上傳輸，而且也可以在SDH、DWDM鏈路上傳輸。Diff-Serv還定義了ATM和幀中繼所不能提供的動(dòng)態(tài)QoS服務(wù)，并增加了新的擁塞管理機(jī)制。
區(qū)分服務(wù)是由綜合服務(wù)(Int-serv )發(fā)展而來(lái)的，它采用了IETF的基于RSVP的服務(wù)分類標(biāo)準(zhǔn)，拋棄了分組流沿路節(jié)點(diǎn)上的資源預(yù)留。區(qū)分服務(wù)將會(huì)有效地取代跨越大范圍的RSVP的使用。區(qū)分服務(wù)區(qū)域的主要成員有：核心路由器、邊緣路由器、資源控制器（BB，Bandwidth Broker）。在區(qū)分服務(wù)中，網(wǎng)絡(luò)的邊緣設(shè)備對(duì)每個(gè)分組進(jìn)行分類、標(biāo)記DS域，用DS域來(lái)攜帶IP分組對(duì)服務(wù)的需求信息。在網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)上，路由器根據(jù)分組頭上的DS碼點(diǎn)（Code Point）選擇碼點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)處理。資源控制器BB配置了管理規(guī)則，為客戶分配資源，它可以通過(guò)服務(wù)級(jí)別協(xié)定SLA （Service Level Agreement）與客戶進(jìn)行相互協(xié)調(diào)以分享規(guī)定的帶寬。
與Int-Serv類似，Diff-Serv也定義了三種業(yè)務(wù)類型：
①最優(yōu)的業(yè)務(wù)(Premium)：類似于傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的專線業(yè)務(wù)。
②分等級(jí)的業(yè)務(wù)(Tiered)：這不僅僅是一種業(yè)務(wù)，而是一個(gè)大的類別，可以根據(jù)發(fā)展的需要定制不同的業(yè)務(wù)等級(jí)。
③盡力而為的業(yè)務(wù)(Best-Effort)；類似于Internet中盡力而為的業(yè)務(wù)。
IP QoS較之ATM的優(yōu)越性還在于它能夠提供更靈活的服務(wù)，如Diff-Serv支持基于日期的應(yīng)用與動(dòng)態(tài)QoS，因此，可以給予某一特定的用戶，如基于WEB的電子商務(wù)，較高級(jí)別的QoS服務(wù)，而對(duì)于不那么重要的應(yīng)用，如E-mail則給以"盡力服務(wù)"。
圖1 區(qū)分服務(wù)體系結(jié)構(gòu)的框架示意圖
Diff-Serv比Int-Serv 更具可擴(kuò)展性，如圖1所示,它可用于企業(yè)的廣域網(wǎng)中,并在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要的作用,因?yàn)樗梢愿鶕?jù)應(yīng)用或業(yè)務(wù)類型排出不同的優(yōu)先級(jí)別。IP
QoS的業(yè)務(wù)區(qū)分結(jié)構(gòu)使用IPV4報(bào)頭中的業(yè)務(wù)類型（TOS）字段，并將8位TOS字段重新命名，作為DS字段，其中6位可供目前使用，其余2位以備將來(lái)使用。該字段可以按照預(yù)先確定好的規(guī)則加以定義，使下行節(jié)點(diǎn)通過(guò)識(shí)別這個(gè)字段，獲取足夠的信息來(lái)處理到達(dá)輸入端口的數(shù)據(jù)包并將他們正確地轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳的路由器。這里需要注意的是在IPV4網(wǎng)中所定義的TOS字段與在Diff-Serv中的DS字段不同。TOS字段的定義如圖2所示。圖IPV4報(bào)頭中TOS字段定義Diff-Serv充分考慮了IP網(wǎng)絡(luò)本身靈活，可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，將復(fù)雜的服務(wù)質(zhì)量保證通過(guò)DS字段轉(zhuǎn)換為先進(jìn)的單跳行為，從而大大減少了信令的工作。
3.2 Diff-Serv－優(yōu)先級(jí)排列
差分服務(wù)提供一種簡(jiǎn)單粗略的方法對(duì)各種服務(wù)加以分類。不過(guò)用其它方法也可以，目前有兩個(gè)每跳(PHBs)的標(biāo)準(zhǔn)，其中對(duì)兩個(gè)最有代表性的服務(wù)等級(jí)(業(yè)務(wù)類別)作了規(guī)定：
快速轉(zhuǎn)發(fā)(EF)：有一個(gè)單獨(dú)的碼點(diǎn)(DiffServ值)。EF可以把延遲和抖動(dòng)減到最小，因而能提供總合服務(wù)質(zhì)量的最高等級(jí)。任何超過(guò)服務(wù)范圍(由本地服務(wù)策略決定)的業(yè)務(wù)被刪除
保證轉(zhuǎn)發(fā)(AF)：有四個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)有三個(gè)下降過(guò)程(總共有12個(gè)碼點(diǎn))。超過(guò)AF范圍的業(yè)務(wù)不會(huì)象'業(yè)務(wù)范圍內(nèi)'的業(yè)務(wù)那樣以盡可能高的概率傳送出去。這意味著業(yè)務(wù)量有可能下降，但不是絕對(duì)的。
根據(jù)預(yù)定策略的標(biāo)準(zhǔn)，PHBs適用于網(wǎng)絡(luò)入口的業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)在這點(diǎn)加以標(biāo)記，然后根據(jù)這個(gè)標(biāo)記進(jìn)行路由指向，沒(méi)有作標(biāo)記的業(yè)務(wù)就放到了網(wǎng)絡(luò)的出口。
3.3Diff-Serv的相關(guān)算法
Diff-Serv路由器使用與ATM交換機(jī)組類似的輸入管理器與輸出調(diào)度器的原理，來(lái)實(shí)現(xiàn)PHB功能，同時(shí)也增加了擁塞管理機(jī)制用以處理IP網(wǎng)絡(luò)交通擁塞問(wèn)題，為此Diff-Serv使用了兩種算法，分別為隨機(jī)早期檢測(cè)（RED）與加權(quán)隨機(jī)早期檢測(cè)（WRED）算法，通過(guò)使用這兩種算法達(dá)到在發(fā)生擁塞之前隨機(jī)丟包以避免路由器過(guò)載的目的，這種丟包策略也能使傳輸控制協(xié)議（TCP）減慢發(fā)送端數(shù)據(jù)發(fā)送的速度。
3.4 區(qū)分業(yè)務(wù)模型的優(yōu)缺點(diǎn)：
區(qū)別型業(yè)務(wù)模型完全不同于綜合型業(yè)務(wù)模型，它的優(yōu)點(diǎn)是：
伸縮性較好。DS字段只是規(guī)定了有限數(shù)量的業(yè)務(wù)級(jí)別，狀態(tài)信息的數(shù)量正比于業(yè)務(wù)級(jí)別，而不是流的數(shù)量。
便于實(shí)現(xiàn)。只在網(wǎng)絡(luò)的邊界上才需要復(fù)雜的分類、標(biāo)記、管制和整形操作。ISP核心路由器只需要實(shí)現(xiàn)行為聚集（BA）的分類，因此實(shí)現(xiàn)和部署區(qū)別型業(yè)務(wù)都比較容易。
缺點(diǎn)：
Diff-Serv為IP QoS奠定了寶貴的基礎(chǔ)，但還是沒(méi)有辦法完全依靠自己來(lái)提供端到端的QOS結(jié)構(gòu)。Diff-Serv需要大量網(wǎng)絡(luò)單元的協(xié)同動(dòng)作，才能向用戶提供端到端的服務(wù)質(zhì)量。鑒于這些組件高度分散的特點(diǎn)和對(duì)它們進(jìn)行集中管理的需要，必須有一個(gè)全局的帶寬管理對(duì)全局資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。
解決這一問(wèn)題的方法有兩個(gè)：一是用功能強(qiáng)大的全局策略管理器來(lái)完成這一任務(wù)；另外一種就是利用MPLS將第三層的QOS轉(zhuǎn)換為第二層的QOS，通過(guò)運(yùn)營(yíng)網(wǎng)中第二層的交換機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。
3.5 區(qū)分業(yè)務(wù)模型與綜合業(yè)務(wù)模型的互通
很有可能的是，綜合業(yè)務(wù)模型會(huì)因?yàn)樯炜s性的問(wèn)題而無(wú)法在WAN上使用。將來(lái)區(qū)別型業(yè)務(wù)模型（配合MPLS），在QoS方面很可能占有主導(dǎo)地位。而事實(shí)上，很多ISP期待區(qū)別型業(yè)務(wù)模型能夠滿足所有他們的QoS需求。而與此相反的是，綜合業(yè)務(wù)模型能夠在企業(yè)網(wǎng)中實(shí)施，很多企業(yè)的聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品中都已經(jīng)或即將集成某種程度的綜合業(yè)務(wù)能力。如果WAN用的是區(qū)別型業(yè)務(wù)模型，而LAN用的是綜合業(yè)務(wù)和區(qū)別業(yè)務(wù)模型的混合形式，那么當(dāng)發(fā)送者和接收者之間的通路同時(shí)需要LAN和WAN時(shí)，如何才能夠保證端到端的QoS呢？
IETF建議了兩種互操作方式。一種方法是將綜合業(yè)務(wù)覆蓋在區(qū)別型業(yè)務(wù)網(wǎng)上，RSVP信令完全透明地通過(guò)區(qū)別型業(yè)務(wù)網(wǎng)。位于兩種網(wǎng)絡(luò)邊緣的設(shè)備處理RSVP消息，并且根據(jù)區(qū)別型業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)中合適的資源的可用性提供許可控制。另外一種方法是簡(jiǎn)單的并行處理。區(qū)別型業(yè)務(wù)網(wǎng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)可能也是具有RSVP功能的。采取一些策略決定哪些包用RSVP，哪些用區(qū)別行業(yè)務(wù)處理。這種模型可能適用于小型網(wǎng)絡(luò)。
4. MPLS技術(shù)
4.1產(chǎn)生背景
在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，從支持QoS的角度來(lái)看，ATM作為繼IP之后迅速發(fā)展起來(lái)的種快速分組交換技術(shù)具有得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。因此ATM曾一度被認(rèn)為是一種處處適用的技術(shù)，但是，實(shí)踐證明這種想法是錯(cuò)誤的。首先，純 ATM網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)過(guò)于復(fù)雜，導(dǎo)致應(yīng)用價(jià)格高，難于為大眾所接受。其次，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的同時(shí)相應(yīng)的業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)沒(méi)有跟上，導(dǎo)致目前ATM的發(fā)展舉步維艱。第三，雖然ATM交換機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)的骨干節(jié)點(diǎn)已經(jīng)被廣泛使用，但ATM信元到桌面的業(yè)務(wù)發(fā)展卻十分緩慢。
由于IP技術(shù)和ATM技術(shù)在各自的發(fā)展領(lǐng)域中都遇到了實(shí)際困難，彼此都需要借助對(duì)方以求得進(jìn)一步發(fā)展，所以這兩種技術(shù)的結(jié)合有著必然性。多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS）技術(shù)就是為了綜合利用網(wǎng)絡(luò)核心的交換技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)邊緣的IP路由技術(shù)各自的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的。
IETF在 1997年初成立了MPLS工作組，利用集成模型中現(xiàn)有的技術(shù)的主要思想與優(yōu)勢(shì)，制定出一個(gè)統(tǒng)一的、完善的第3層交換技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。MPLS明確規(guī)定了一整套協(xié)議和操作過(guò)程，最終在IP網(wǎng)內(nèi)通過(guò)ATM和幀中繼實(shí)現(xiàn)快速交換。MPLS中的關(guān)鍵概念是用標(biāo)簽來(lái)識(shí)別和標(biāo)記IP報(bào)文，并把標(biāo)簽封裝后的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)到已升級(jí)改善過(guò)的交換機(jī)或路由器，由它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)內(nèi)部繼續(xù)交換標(biāo)簽，轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。因而，IP0報(bào)文標(biāo)簽的產(chǎn)生和分配是建立在通過(guò)現(xiàn)有的IP路由協(xié)議獲得網(wǎng)絡(luò)路由信息的基礎(chǔ)上的。
圖3
4.2 MPLS信令的實(shí)現(xiàn)
目前MPLS實(shí)現(xiàn)信令的方式可分為兩類，一類是LDP／CR-LDP，它是基于ATM網(wǎng)絡(luò)的。CR-LDP和LDP是同一個(gè)協(xié)議，CR-LDP是LDP的擴(kuò)展，它使用與LDP相同的消息和機(jī)制，如對(duì)等發(fā)現(xiàn)、會(huì)話建立和保持、標(biāo)記發(fā)布和錯(cuò)誤處理。另外一類是RSVP，它基于傳統(tǒng)的IP網(wǎng)。RSVP和LDP／CR-LDP是兩種不同的協(xié)議，它們?cè)趨f(xié)議特性上存在不同，有不同的消息集和信令處理規(guī)程。從協(xié)議可靠性上來(lái)看，LDP／CR-LDP是基于TCP的，當(dāng)發(fā)生傳輸丟包時(shí)，利用TCP協(xié)議提供簡(jiǎn)單的錯(cuò)誤指示，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和恢復(fù)。而RSVP只是傳送IP包。由于缺乏可靠的傳輸機(jī)制，RSVP無(wú)法保證快速的失敗通知。從網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性上看，LDP較RSVP更有優(yōu)勢(shì)，一般電信級(jí)網(wǎng)絡(luò)中，特別是ATM網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)采用MPLS／LDP。ITU-T傾向于在骨干網(wǎng)中采用CR-LDP。
4.3 MPLS的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成
MPLS網(wǎng)絡(luò)由標(biāo)簽邊緣路由器（LER）和標(biāo)簽交換路由器（LSR）組成。在LSR內(nèi)，MPLS控制模塊以 IP功能為中心，轉(zhuǎn)發(fā)模塊基于標(biāo)簽交換算法，并通過(guò)標(biāo)簽分配協(xié)議（LDP）在節(jié)點(diǎn)間完成標(biāo)簽信息以及相關(guān)信令的發(fā)送。值得注意的是，LDP信令以及標(biāo)簽綁定信息只在MPLS相鄰節(jié)點(diǎn)間傳遞。LSR之間或
ISR與LER之間依然需要運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的路由協(xié)議，并由此來(lái)獲了拓?fù)湫畔�。通過(guò)這些信息LSR可以明確選取報(bào)文的下一跳并可最終建立特定的標(biāo)簽交換路徑（LSP）。MPLS使用控制驅(qū)動(dòng)模型，即基于拓?fù)潋?qū)動(dòng)方式對(duì)用于建立LSP的標(biāo)簽綁定信息的分配及轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行初始化。LSP屬于單向傳輸路徑，因而全雙工業(yè)務(wù)需要兩條LSP，每條LSP負(fù)責(zé)一個(gè)方向上的業(yè)務(wù)。
4.4 MPLS的工作原理
MPLS協(xié)議規(guī)定，IP報(bào)文僅在MPLS網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)（入口LSR），通過(guò)路由表查詢并分配相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類（FEC），同時(shí)采用固定長(zhǎng)度的標(biāo)簽對(duì)該FEC進(jìn)行描述與編碼，并將此標(biāo)簽附加到IP報(bào)頭的前面，即意味著該報(bào)砂信息不再用于網(wǎng)絡(luò)中后續(xù)標(biāo)簽交換路由器的索引操作。相應(yīng)的處于LSP中的標(biāo)簽交換路由器，利用報(bào)文攜帶的標(biāo)簽信息庫(kù)（LIB）中進(jìn)行索引，確定相應(yīng)的下一跳，在LSR出端口用新的標(biāo)簽替換頭原有標(biāo)簽。這樣攜帶新標(biāo)簽的報(bào)文便沿著LSP向目的地轉(zhuǎn)發(fā)。
MPLS協(xié)議規(guī)定標(biāo)簽只具有本地意義，其具體的編碼與封裝規(guī)則可參見(jiàn)MPLS的標(biāo)簽封裝草案。標(biāo)簽封裝草案遵照逐跳前傳（Hop by Hop）機(jī)制，詳盡地描述了報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)行為，包括選擇報(bào)文的下一跳，在LSR內(nèi)完成標(biāo)簽的分配、轉(zhuǎn)發(fā)與替換操作。在通常情況下，LSP的建立基于標(biāo)準(zhǔn)的IP路由協(xié)議，如開(kāi)放最短路徑優(yōu)先協(xié)議（OSPF）。此外MPLS可為邊緣標(biāo)簽交換路由器的標(biāo)簽映射方式提供多種算法，充分展現(xiàn)了其路由技術(shù)上的靈活性。
在傳統(tǒng)的ATM和IP網(wǎng)中引入MPLS控制機(jī)制，僅從Traffic Engineering和QoS這兩個(gè)側(cè)面來(lái)看，MPLS確實(shí)有著傳統(tǒng)IP技術(shù)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，可以將ATM和IP很好地結(jié)合在一起。
5. IPV6的QoS控制策略
IPv6提供一定的QoS控制策略。首先，IPv6分組頭定義了一個(gè)4比特的優(yōu)先級(jí)區(qū)域，可以指示16種優(yōu)先級(jí)別。同前面所講的IP ToS寧節(jié)類似。16種優(yōu)先級(jí)別中的9種用于非實(shí)時(shí)傳輸業(yè)務(wù)（象"文件傳輸"或"無(wú)特征流量"），其余的8種用于實(shí)時(shí)傳輸業(yè)務(wù)（比如可用來(lái)區(qū)分同時(shí)傳送的語(yǔ)音業(yè)務(wù)或視頻業(yè)務(wù)）。但是協(xié)議中的應(yīng)用指南并沒(méi)有嚴(yán)格規(guī)定IPv6路由器應(yīng)如何使用這一優(yōu)先級(jí)區(qū)域。
其次，這一優(yōu)先級(jí)區(qū)域的使用與IPv4的ToS區(qū)域的使用非常相似，所以它是否能成功地做為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級(jí)機(jī)制就要看路由器生產(chǎn)商和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)者是否愿意支持它。
由于IPv4平臺(tái)上的ToS域未能得到很好的應(yīng)用。人們必會(huì)懷疑IPv6的優(yōu)先級(jí)區(qū)域是否會(huì)有同樣的命運(yùn)。值得樂(lè)觀的一點(diǎn)是，由于現(xiàn)在的數(shù)據(jù)通信業(yè)非常重視IP傳輸?shù)腝oS問(wèn)題，所以必會(huì)加大力度推行優(yōu)先級(jí)機(jī)制。
在未來(lái)的IP網(wǎng)絡(luò)中，優(yōu)先級(jí)標(biāo)簽并不是IPv6指出分組的QoS的唯一方法。IPv6的分組頭還包括1個(gè)24比特的信息流標(biāo)簽，這個(gè)標(biāo)簽可由初始化程序來(lái)設(shè)定，指出某組數(shù)據(jù)分組屬于某種特定的IP信息流。這樣，路由器不需要檢查地址、程序端口或其它信息，就可將數(shù)據(jù)分組分類。在IP分組頭中帶有信息識(shí)別號(hào)可以使路由器的工作得到簡(jiǎn)化，因此也就減少了路由器確定數(shù)據(jù)分組的QoS的時(shí)間。但需要注意的是，信息標(biāo)號(hào)并沒(méi)有表明QoS的提供方式，所以仍需使用RSVP和其它預(yù)留協(xié)議。
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