如何實(shí)現(xiàn)IP核心網(wǎng)的QoS
2004/03/04
NGN作為一個(gè)面向未來(lái)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)應(yīng)用，基于分組平臺(tái)可以同時(shí)提供語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、多媒體等綜合業(yè)務(wù)的系統(tǒng)，成為各大運(yùn)營(yíng)商以及設(shè)備提供商關(guān)注的焦點(diǎn)。在影響NGN運(yùn)營(yíng)模式和運(yùn)營(yíng)收益的各種關(guān)鍵因素中，IPQoS特別是核心網(wǎng)的IPQoS，無(wú)疑是非常重要的一項(xiàng)。
IP網(wǎng)絡(luò)的QoS研究導(dǎo)致了兩種不同體系結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)：IntServ體系結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的信令協(xié)議RSVP和DiffServ體系結(jié)構(gòu)。
IntServ由IETF的IntServ工作組于1994年提出。IntServ最鮮明的特點(diǎn)就是：基于連接、資源預(yù)留。也就是說(shuō)，IntServ需要穿過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)為每個(gè)需要質(zhì)量保證的數(shù)據(jù)流建立一條具有資源保證的通道。這就要求每臺(tái)路由器設(shè)備都要維護(hù)大量的連接和資源預(yù)留信息。這將為路由設(shè)備造成極大的系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。通常來(lái)說(shuō)，要求路由器同時(shí)處理如此多的連接信息并做到線速的轉(zhuǎn)發(fā)性能，實(shí)現(xiàn)的困難非常大。所以，IntServ實(shí)現(xiàn)QoS的成本過(guò)高。但是，采用RSVP作為信令的MPLS流量工程將為IP網(wǎng)絡(luò)的QoS問(wèn)題提供非常大的幫助。
IETF又提出了DiffServ體系結(jié)構(gòu)，定義了一種實(shí)施IPQoS更容易、更具擴(kuò)展性的方式。DiffServ最突出的特點(diǎn)就是：狀態(tài)無(wú)關(guān)、逐跳轉(zhuǎn)發(fā)。DiffServ利用了IPv4分組頭的ToS字段進(jìn)行IP包優(yōu)先級(jí)的定義。傳統(tǒng)ToS字段只利用了其中的三個(gè)bit，用以標(biāo)示8個(gè)優(yōu)先級(jí)，而DiffServ中對(duì)另外3個(gè)bit也進(jìn)行了定義，從而獲得更多的定義空間（剩余2bit作為將來(lái)的備用）。
在DiffServ里，定義了DiffServ域的概念。所謂DiffServ域，就是指一個(gè)完全支持DiffServ優(yōu)先級(jí)區(qū)分的IP子網(wǎng)。在NGN里，用于承載NGN業(yè)務(wù)的IP骨干網(wǎng)就應(yīng)該是一個(gè)完整的DiffServ域。一個(gè)DiffServ域中的每臺(tái)路由器都必須能夠支持DiffServ標(biāo)簽的識(shí)別和按照相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并且對(duì)DiffServ標(biāo)簽有著同樣的理解。如果某臺(tái)路由器不能支持DiffServ，那么它就成為這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的“瓶頸”，整個(gè)鏈路的質(zhì)量都將下降。
DiffServ的實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：首先，根據(jù)源地址、目的地址、協(xié)議類型和二層接入網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級(jí)等信息對(duì)IP包進(jìn)行優(yōu)先級(jí)區(qū)分并打上相應(yīng)的DiffServ標(biāo)簽。這個(gè)過(guò)程應(yīng)該由上述DiffServ域的邊緣路由器完成。具體來(lái)說(shuō)，邊緣路由器還應(yīng)該完成的工作包括對(duì)業(yè)務(wù)流的分類、整形、標(biāo)記、調(diào)度。然后根據(jù)已經(jīng)打好的DiffServ標(biāo)簽采取相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)策略。具體說(shuō)，核心路由器須要具有的功能包括分類和調(diào)度。
之所以成為被看好的QoS解決方式，DiffServ有著如下特點(diǎn)：
首先，路由器無(wú)須維護(hù)每個(gè)連接的信息，對(duì)系統(tǒng)資源要求低；
其次，對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的多種業(yè)務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)歸類并合并成有限的幾個(gè)優(yōu)先級(jí)類別，對(duì)于IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來(lái)講，處理更簡(jiǎn)單；
再次，采用IP包中的ToS字段進(jìn)行優(yōu)先級(jí)標(biāo)示，沒(méi)有附加的標(biāo)簽，這種做法兼容性好，易于實(shí)現(xiàn)。
另外，隨著網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，優(yōu)先級(jí)類別無(wú)須擴(kuò)展。
但是，對(duì)于面向連接的優(yōu)先級(jí)保證例如IntServ來(lái)講，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大將直接帶來(lái)優(yōu)先級(jí)處理的壓力。
通過(guò)IP核心網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)路由結(jié)點(diǎn)對(duì)DiffServ的支持，使得信令、語(yǔ)音、視頻、普通數(shù)據(jù)等按照不同的DiffServ標(biāo)簽進(jìn)行不同優(yōu)先級(jí)的轉(zhuǎn)發(fā)。也就是說(shuō)，在網(wǎng)絡(luò)帶寬資源夠用的情況下，采用DiffServ的網(wǎng)絡(luò)可以盡可能保證高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包不被丟棄，并以最小的時(shí)延穿越網(wǎng)絡(luò)。
當(dāng)然，上述結(jié)論是有一定的前提的，具體包括所有的路由器必須具有線速轉(zhuǎn)發(fā)能力和提供良好的路由規(guī)劃。
所謂線速轉(zhuǎn)發(fā)能力，就是指在達(dá)到端口最大速率的時(shí)候，例如，在一個(gè)千兆接口上的數(shù)據(jù)流量達(dá)到千兆時(shí)，路由器沒(méi)有丟包。顯而易見(jiàn)，如果路由器不具備上述的線速轉(zhuǎn)發(fā)能力，那么高優(yōu)先級(jí)的IP包剛剛進(jìn)入接口的Buffer，還沒(méi)有來(lái)得及被路由器進(jìn)行策略處理，就有可能被丟掉。所以，線速轉(zhuǎn)發(fā)能力是保證DiffServ的重要前提。
路由規(guī)劃決定了IP包在穿過(guò)IP核心網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候所選擇的路徑。如果路由規(guī)劃不合理，那么過(guò)多的跳數(shù)就會(huì)造成過(guò)多的時(shí)延，這樣，即便每臺(tái)路由器都可以按照DiffServ的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，但是過(guò)多的跳數(shù)使得端到端的時(shí)延仍然不能達(dá)到NGN的要求。
但是，如何避免網(wǎng)絡(luò)帶寬不足和網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況呢？這就需要結(jié)合MPLS與RSVP來(lái)實(shí)現(xiàn)。RSVP是一個(gè)信令協(xié)議，它提供了一種在信息傳輸之前，提前在IP網(wǎng)絡(luò)中建立一個(gè)有帶寬資源保障的通道的方法。
RSVP的工作原理是：RSVP從發(fā)送端發(fā)送一個(gè)資源請(qǐng)求到目的地址，每一個(gè)支持RSVP的路由器沿著下行路由建立一個(gè)“路徑狀態(tài)表”；為了獲得資源預(yù)留，接收端發(fā)送一個(gè)上行的RESV消息，表明所要求的綜合服務(wù)類型，還通知為分組預(yù)留的資源，如傳輸協(xié)議和端口號(hào)；當(dāng)每個(gè)支持RSVP的路由器沿著上行路徑接收RESV的消息時(shí)，它采用輸入控制過(guò)程證實(shí)請(qǐng)求，并且配置所需的資源。如果這個(gè)請(qǐng)求得不到滿足，路由器向接收端返回一個(gè)錯(cuò)誤消息，而如果這個(gè)消息被接受，路由器就發(fā)送上行RESV到下一個(gè)路由器；當(dāng)最后一個(gè)路由器接收RESV，同時(shí)接受請(qǐng)求的時(shí)候，它再發(fā)送一個(gè)證實(shí)消息給接收端。結(jié)合MPLS，上述過(guò)程實(shí)際上建立了一個(gè)從發(fā)送端到接收端的MPLS路徑，而這條路徑上的路由器都為將要到來(lái)的信息傳送預(yù)留了資源。
通過(guò)MPLS中采用擴(kuò)展的RSVP信令，還可以對(duì)本次通信的路徑進(jìn)行指定，進(jìn)行流量工程，以對(duì)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更高效的利用，防止某些路由被空閑，而另外一些路由卻發(fā)生擁塞。如果沒(méi)有RSVP，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)生擁塞時(shí)，即便是高優(yōu)先級(jí)的包，也有被丟棄的可能。DiffServ只能保證高優(yōu)先級(jí)的包比低優(yōu)先級(jí)的包更優(yōu)先使用網(wǎng)絡(luò)資源，但是網(wǎng)絡(luò)資源畢竟是有限的，當(dāng)擁塞發(fā)生時(shí)，高優(yōu)先級(jí)的包也可能被丟掉。而RSVP提供了一種資源預(yù)留的機(jī)制，通過(guò)RSVP建立的路徑將有保證的帶寬和路由器系統(tǒng)資源提供給相應(yīng)的流使用。實(shí)施RSVP之后，特定的流或者流類別將有特定的帶寬保證。MPLS將通過(guò)RSVP信令建立起LSP（標(biāo)簽交換路徑）進(jìn)行獨(dú)立于其他信息的傳送。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，受到影響的將是沒(méi)有RSVP保護(hù)的信息，例如數(shù)據(jù)傳輸和低級(jí)別用戶的信息，而高級(jí)別信息仍然可以在RSVP建立的通道中正常傳送。
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