IP-QoS现状研究

IP QoS现状研究一、概述 在早期计算机网络和分组转发网中，网络只提供尽力而为的业务。对进入网络的业务流，都以先来先服务的方式对业务流分组进行服务。随着Internet和各种业务的迅猛发展，尤其是视频、话音等多媒体业务的迅猛增长，IP网络也由以前单一的数据网变成了多业务的综合数字网。此时，传统的IP网络没有服务质量保证的弱点已经显示出来。为此，业界提出了IP QoS的概念，就是希望在IP网络上能对不同业务提供相应的QoS保证。 二、IP QoS当前主要技术及相关问题 由于IP QoS问题是解决IP网承载多业务的关键因素，因此对IP QoS的研究一直是当今业界研究的热点。从当前的研究成果看，主要有以下几种解决方案。 1. IntServ 针对IP QoS的问题，IETF在早期提出了IntServ（Integrated Services）模型。IntServ模型又称为集成服务模型，其基本思想是在传送数据之前，根据业务的QoS需求进行网络资源预留，从而为该数据流提供端到端的QoS保证。为此，集成服务通常采用面向流的资源预留协议（RSVP），在流传输路径上的每个节点为流预留并维护资源。主机利用RSVP向网络为应用流提出QoS的请求；路由器利用RSVP将QoS请求信息传给流的路径中的其他路由器，并建立和保存该服务的信息；RSVP请求将会使得沿着数据路径的资源在路由器处预留。这种模型的优点是能提供端到端的绝对的QoS保证，但由于这种模型在实现上是非常困难的，主要体现在： （1）由于预留是基于每个流而进行的，因此使得节点中要保留每个流的状态信息，导致核心路由器负担太重，因此可扩展性很差。 （2）网络中每个节点都要维护各类数据库，并实现复杂的功能模块（如资源预留、路由、接纳控制等），造成了极大的复杂性。 2. DiffServ 由于IntServ的局限性，IETF又提出了DiffServ（Differentiated Services）模型，又称为区分服务模型。区分服务模型的基本思想是在网络的入口处为每个数据包分类，并在数据包中标记相应的区分服务代码点（DSCP，DiffServ CodePoint），用于指示数据包在网络转发路径的中间节点上被处理的方式。在网络内部的核心路由器中只保存简单的DSCP与PHB（每跳行为）的对应机制，根据数据包头部中的DSCP值对数据包进行相应的优先级转发，而业务流状态信息的保存与流量控制机制的实现等都在网络边界节点进行，内部节点是与状态无关的。 区分服务具有实现简单，扩展性好的特点。目前在IP网中区分服务得到了绝大部分厂家的支持，其具体实现技术包括分类、重标记、速率限制、流量整形、拥塞避免、队列调度等。但区分服务也有自己的局限性，主要体现在： （1）区分服务只承诺相对的服务质量，因而不能对用户提供绝对的服务质量保证。 （2）在拥塞发生时，区分服务模型只能采取丢弃报文的方式，而不能采用例如旁路的方式使部分流量通过其他路径到达终点。 （3）对相同优先级的业务而言，设备在拥塞时对报文的丢弃是非智能化的，也就是说，设备只能随机地丢弃报文，其结果是所有业务的服务质量都受到影响。而此时希望的结果是只丢弃少部分业务流的报文，从而避免剩下的大多数的业务流的服务质量受到影响。 3. IntServ与DiffServ结合 目前业界还提出了把IntServ与DiffServ结合的方式，其思路为：在用户网络仍使用RSVP，在运营商的DiffServ网络边界将IntServ的业务类型映射为DiffServ的业务类型，这样利用IntServ的架构来解决端到端的QoS，同时也利用DiffServ来提供好的扩展性。 但这种方法仍然存在IntServ的信令复杂、参于管理等问题，而且由于在运营商的网络采用DiffServ，因此在这一段网络也只能提供相对的QoS，从而使端到端的服务质量得不到硬性的带宽保证。该方法目前仍处于一种理论的研究阶段。 4. MPLS & QoS 利用多协议标签交换MPLS（Multiprotocol Label Switching）技术，可以协助解决QoS问题。MPLS是一种结合第二层和第三层的交换技术，引入了基于标签的机制，把路由选择和数据转发分开，由标签来规定一个分组通过网络的路径。MPLS网络由核心部分的标签交换路由器（LSR）、边缘部分的标签边缘路由器（LER）组成。 由于MPLS采用标签交换来进行MPLS转发，因此其转发效率高于传统IP通过路由器的转发，从而通过减少转发时间来提高QoS。此外，MPLS的报文头中包含一个3bit的EXP字段，通过该字段可以标记该MPLS报文的优先级，从而使设备在转发该MPLS报文时能根据优先级标志进行区别对待。 这种方式的局限性在于：首先它必须基于MPLS网络实现，而当前许多网络上并没有实施MPLS；另外随着近几年芯片技术的不断发展，路由转发与交换转发之间的性能差异也越来越小；而且通过EXP进行优先级区分实际上也是DiffServ的实现方式，因而这种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）是指为业务流选择路径的处理过程，以在网络中不同的链路、路由器和交换机之间平衡业务流负载。其目标是在给一定节点与另一节点之间计算一条路径（源路由），该路径不违反它的约束（例如带宽/管理要求），并且从一些数量指标看来是最优的。 MPLS由于自身路由与转发分离的特点，适合与TE的结合，形成MPLS-TE技术。应用MPLS-TE，可以提高网络的QoS，主要体现在： （1）利用MPLS-TE，可以在多条可能的转发路径中进行负载平衡，从而避免拥塞，提高QoS。 （2）应用MPLS-TE，通过RSVP-TE信令创建一条具有严格的QoS带宽保证的隧道，从而支持绝对的QoS。 （3）可以通过备份LSP、FRR（快速重路由）等方式对隧道进行额外保护，从而提高网络的QoS。 但MPLS-TE也存在一些局限性，包括：首先它必须应用在MPLS网络中，因此目前部分非MPLS现网无法支持该技术的应用；其次目前对MPLS-TE跨域的应用仍然在研究阶段，这意味着当前MPLS-TE主要的应用只能在单个域中；另外，MPLS-TE虽然可为用户创建具有带宽保证的隧道，但如果在隧道中同时传送多种业务时，如何对这些不同优先级的业务进行区别处理也是需要研究的问题。6. 带宽代理 为了更有效地监视和控制全网的资源，在新一代的模型中，人们又提出了带宽代理（BB ，Bandwidth Broker），也就是网络资源管理器的概念。带宽代理收集网络的拓扑和节点及链路状态信息，管理网络资源，并且结合策略服务器规定的策略进行接纳控制。同时，带宽管理还负责管理域之间的通信，通过与相邻网络域的带宽代理通信来达到跨域之间QoS实现的目的。 带宽管理技术的优点是将QoS控制层与数据传输层分离开，核心路由器不需要进行接入控制和QoS状态信息保存，路由器之间也简化了或者说消除了QoS信令，简化了路由器的复杂性。此外这种方式支持绝对的QoS保证，包括支持跨域的QoS保证。还有就是这种方式中网络资源被统一地控制与管理，有利于电信运营商把QoS作为一种业务来开展。 但目前带宽管理技术仍然处于研究阶段，BB与业务层和承载层设备之间的信令交互，以及BB之间的信令交互都还在讨论之中。另外，这种方式对BB的要求很高，在某些情况下，如果同时申请资源的业务流个数很多，有可能会使BB成为网络中的瓶颈。 三、IP QoS当前主要问题 IP QoS发展到今天，除了上述的技术外，还有很多模型以及应用技术的提出。这些技术的产生与应用，确实给目前的IP网部分提高了QoS的支持能力。但总体上，还没有完全解决当前IP网所面临的QoS方面的问题。具体说来，有以下几个大的方面还需要进一步的研究。 1. 如何提供业务端到端的QoS 端到端的QoS是业务开展的必需条件。当前电信运营商正大力推广其增值业务，如VoIP、VOD、VPN等，都需要考虑如何对这些业务提供满足要求的端到端QoS。此外，各种业务的QoS需求不一致，包括带宽、延时、延时抖动和丢包率等，应分别根据其不同的需求进行QoS方面的考虑。 在目前的QoS技术中，对端到端QoS的支持都存在着不足：或者是实现过于复杂，或者是不能提供绝对的QoS保证，或者是实现的范围有限（例如只能在某个域里）。这些都影响着端到端业务的开展。从网络的角度讲，端到端的业务涉及到网络的各个层面。因此提供业务端到端的QoS，仍然要分别从网络的各个层面考虑。应分别考虑在接入网以及核心网对业务实施的QoS策略，特别是接入网。由于目前接入方式的多样性，包括以太网接入、DSLAM接入、专线接入、无线接入等等，这都需要考虑相应的QoS策略。 从业务的角度看，对业务端到端QoS的研究应包括以下几个方面。首先是QoS测量，即在业务发起前对业务所经过路径的QoS性能进行测量，判断当前网络性能是否支持业务的需求；然后是资源预留，通过全程的资源预留为业务提供硬性的带宽支持，由于业务通常具有一定的持续性，资源预留方式可以更好地支持在一段时间内业务的QoS；还有就是业务监控，在业务运行时间里对业务进行监控，根据其服务质量以及当前网络状况进行统计与调整。对于上述QoS测量，资源预留，业务监控这三个方面的研究都还需要加强。 2. QoS管理 QoS由于自身具有端到端的特点，因此涉及到一个全网的QoS管理问题，例如运营商需要管理全网QoS策略及一致性、网络资源信息、QoS授权用户、计费信息等等，同时需要监控各链路实时的性能，各用户的QoS实施情况，并且最好能动态地进行调整。对全网QoS的可管理也是电信运营商非常关注的问题。 而传统路由器设备的管理，往往集中在设备本身，而不关心其他设备的状况。例如，通常实现的关于QoS的命令行以及MIB，都只是关于设备本身的QoS管理。而从整个网络来看，缺乏一个统一的QoS管理结构和应用方案。 目前对QoS管理的研究，已经开始进行，例如前面提到的BB，就是对整个网络资源的管理。还有现在提出的基于策略的QoS管理框架，通过在网络中部署策略服务器来达到整个网络中所有设备QoS策略的一致性。但这些研究还有待深入。 3. 业务开展 作为电信运营来说，QoS本身就是一个业务。通过对不同的用户提供不同的QoS，从而达到实施不同的收费策略。 目前对QoS业务的开展相对简单，通常是与用户签订SLA，根据不同的QoS保证收取不同的费用，这种方式QoS保证与收费较固定和简单。随着以后个人用户的增多，对QoS的需求也会增加。同时，个人用户对QoS的要求也是不固定的，也许有时需要，而有时不需要。因此，可以考虑与个人用户实现比较灵活的QoS支持，例如根据实际需要，逐步提供QoS用户自助服务，用户可自定义不同的接入带宽、服务等级、资费套餐等自助服务参数，并可查询接入带宽、服务等级、服务资费等。而这种业务的开展又需要以下几方面的支持。 （1）目前对QoS的计费相对简单，通常是包月计费。如果要实现上述的用户自助服务，那么对QoS的计费要求也相应地要提高，计费系统需要根据用户不同时段的QoS服务提供综合计费。 （2）这种服务要求运营商对QoS用户的认证和后台数据库的管理都提出新的要求。 （3）对QoS的安全管理也有新的要求，要防止可能出现的QoS欺诈以及攻击。 由于存在这些方面的新要求，从而导致QoS业务开展成本的提高以及复杂性的上升。因此，如何更好地对用户开展QoS业务，也是当前需要解决的一个问题。 参考文献 1 RFC 1633，Integrated Services in the Internet Architecture: An Over