IP电信网的QoS技术

1 “尽力而为”的IP网

　　因特网取得成功的一个重要理念是它所使用的IP协议的简单性。IP的基本设计原理来自“端到端”的思想：把“智能”尽可能地放到网络的边缘节点(源和目的网络中的主机)中，留下“傻”的核心网络。网络中间节点(路由器)除了把IP包的目的地址与路由转发表对照，确定它的下一跳并作转发外，几乎不需要做其它任何工作。如果下一跳的队列较长，则IP包的转发可能会被延迟；如果下一跳的队列缓冲区满或不可用，则允许路由器丢弃IP包。因此因特网提供的是一种“尽力而为”的服务，服务质量(QoS)无法预知。要使基于IP技术的网络作为需要服务质量保证的电信业务的承载网(即IP电信网)，就必须采用一些手段，使IP网能够提供一定的服务质量保证。

　　IP网提供服务质量的方法可以有多种。现在的计算机处理能力正在飞速提高，因此人们最容易想到的，也是最简单的方法就是增加网络资源，如带宽、内存、CPU处理能力等。但增加网络资源无法解决全部问题，这除了经济方面的考虑外(网络资源永远会是有成本的，不会是免费的)，另外一个重要原因是因特网流量不仅随着用户和应用的增加而几乎同步增长，并且流量的特点也在发生着巨大的变化。很多新出现的IP网上的多媒体应用，要么要求巨大的带宽，要么需要严格的延迟保证，要么要求一点到多点或多点到多点的通信能力。这些新业务要求IP网除了提供简单的“尽力而为”服务以外，还需要新的服务方式，因此单靠增加网络资源无法解决QoS问题，IP网结构本身也需要根据改变，引入能够支持QoS的一些机制。

　　2 严格QoS保证的InterServ模型

　　对于IP网络上的QoS问题，人们首先想到的就是借鉴传统电路交换网保证服务质量的思路：端到端地建立连接并预留资源。工作于IP网络上的综合业务(InterServ)模型[1]就是基于这样的思路设计的。

　　InterServ模型能够在因特网中提供有别于“尽力而为”服务的服务类型。InterServ所关注的是单个流的质量，也就是说以流为单位保证服务质量，每个流都从网络请求特定级别的服务。InterServ定义了两种新的业务模型：保证型(Guaranteed)业务和控制型载荷(Controlled-Load)。保证型业务提供精确的包排队延迟上限，用于需要严格QoS保证的应用；控制型载荷利用统计复用的方法控制载荷，用于比前者具更大灵活性的应用。

图1 InterServ模型

　　InterServ模型的重要组成部分之一是资源预留，它使用资源预留协议(RSVP)[2,3]作为请求带宽和其它网络资源的信令协议。RSVP的工作过程是这样的(如图1所示)：发送端在发送数据流之前，先发送一个RSVP PATH消息给接收端。PATH消息包含了发送端的信息以及数据流的特点。当数据通路上的某台路由器收到这个PATH消息时，它就把该数据流的状态信息保留下来。当接收端收到该PATH消息时，它产生一个RESV消息表示QoS请求并把它返回给发送端。RESV消息将在与PATH消息相同的路径上反方向转发，沿途路由器根据请求保留资源(但如何预留资源与RSVP无关)。因为每台路由器在数据流转发的过程中都保存了状态信息，因此需要在通信中周期性地交换PATH和RESV消息。

　　InterServ模型要求在端到端的通信中为每个数据流都执行上面的信令过程，并且网络中每台路由器必须为所有经过它的数据流保留状态信息(比如会话建立信息以及带宽分配信息)，因此InterServ模型不具有支持大型网络的可扩展性，一般用于网络边缘或需要“绝对”QoS保证的业务。

　　3 对业务进行简单分类的DiffServ模型

　　InterServ不具有可扩展性，无法支持大范围的组网，因此IETF提出了另外一种QoS体系：差分业务(DiffServ)[4,5](如图2所示)。

图2 DiffServ模型

　　DiffServ的目的是在因特网上为流量提供有区别的业务级别。与InterServ相比，DiffServ定义的是一个相对简单而粒度粗一些的控制系统。另外，DiffServ针对的是流聚合后的每一类QoS控制，而不是像InterServ那样针对每个流。因此，DiffServ具有可扩展性，能够在大型网络上提供QoS服务。

　　DiffServ在DiffServ域的边缘对进入的流进行分类，并为每一类型指定一个类型标志??DSCP(DiffServ编码点)。域内的核心路由器只查看DSCP值，并根据每一类的特定逐跳行为(PHB)调度包的转发。

　　DiffServ的设计思想是希望通过使用一种与目前IP协议相结合的方式来实现对网络QoS的保证，因此其实现比InterServ模型要简单，网络额外负担也较小，但聚合后的粒度较粗，因此更适合于骨干网。

　　4 MPLS的价值

　　多协议标记交换(MPLS)[6]技术为每一个IP包加上一个固定长度的标记，并根据标记值进行转发，因此MPLS从原理上能够实现高速转发。根据标记确定的转发路径称为标记交换路径(LSP)。MPLS可能的用途较多，在提供QoS方面的作用主要体现如下：

　　(1)支持DiffServ

　　MPLS用一个垫层头封装了IP包，核心路由器看不到DiffServ的DSCP，因此DiffServ与MPLS并不兼容。为此，IETF提出了一种MPLS支持DiffServ的方法[7]。MPLS支持的DiffServ能够把DiffServ的多个行为聚集(BA)映射到MPLS的一条LSP上，可以根据BA的PHB来转发LSP上的流量。目前定义的LSP与BA的映射有两种方式：E-LSP和L-LSP。E-LSP用EXP字段把多个BA指派到一条LSP上，L-LSP把一条LSP指派给一个BA(表现出多个包丢弃优先级)。

　　(2)流量工程

　　现在的动态路由协议(如RIP、OSPF和IS-IS)都会导致不均匀的流量分布，因为它们总是选择最短路径转发IP包。造成的结果是，在两个节点之间顺着最短路径上的路由器和链路可能发生了拥塞，而沿较长路径的路由器和链路却是空闲的。MPLS流量工程[8]可以安排流量如何通过网络，以避免不均匀地使用网络而导致的拥塞。为使MPLS流量工程自动化，QoS约束路由在流量工程中具有重要的作用。

　　(3)保护与恢复

　　IP路由机制的故障恢复时间通常需要数秒甚至数十秒，会影响有些应用。在MPLS网络中，可以在入口和出口之间事先建立工作LSP(工作LSP)和备用LSP(也可同时预留资源)，这样就能够在主LSP出现故障时实现最小程度的中断。这种保护可以是1+1的，也可以是1：1的；可以是在入口和出口处交换(路径保护)，也可以是在与故障邻接的节点本地(链路保护)。为每条链路预先建立恢复路径的保护交换策略通常被称为MPLS快速重路由。

　　5 LAN上的QoS技术

　　IP和MPLS工作在比局域网(LAN)更高的层次上，如果承载它们的网络是LAN，那么LAN技术也就必须支持QoS。ATM LAN已经能够支持QoS，这里介绍另外一种最常见的LAN技术??以太网中支持QoS的技术。

　　LAN标准IEEE 802.1Q和802.1D标准扩展了以太网的帧格式，增加了4个字节，包括在以太网上传输数据时的VLAN (Virtual LAN) 标记和显式的“user_priority”字段。802.1D“user_priority”字段(以前在802.1p中做了定义)使用802.1Q VLAN标记的3个比特定义了8种以太网上的流量类型。对于以太网交换机上的某端口上的一定数量的队列，802.1D定义了使用哪种流量类型，以及如何把它们指派给这些队列的方式。
子网带宽管理(SBM) 协议[9]是一种工作在IEEE 802类型LAN网络上、基于RSVP的许可控制信令协议。SBM提供了一种把因特网级的“setup”协议(比如RSVP)映射到IEEE 802类型网络上的方法，尤其是提出了一种RSVP使能的主机/路由器与链路层设备（如交换机）的互操作机制，以支持为RSVP使能的数据流能够预留LAN资源。

　　6 一种实用的QoS 控制体系

　　为了在全网范围内最大限度地合理分配网络资源，需要一种能够根据网络状态和应用的QoS请求计算和分配所需资源的机制。在因特网上各种应用并存时，这里介绍一种QoS控制结构[10](见图3)，该结构能为请求高质量QoS的应用以最优方式分配资源(包括路径分配以及为每条路径分配带宽和缓冲区)。该结构假设网元能够支持MPLS和DiffServ。

图3 一种QoS控制体系

　　图3中，QoS服务器是整个QoS Server体系的核心，根据应用或管理员对QoS资源的请求，在整个网络范围内，集中控制和使用网络资源，规划和设计流量的路径，决定负载的分布和执行业务等级协定(SLA)等。政策服务器/网管系统根据政策信息控制网络，政策信息由QoS服务器或管理员保存在目录服务器中。目录服务器存贮和集中管理网管所要求信息的通用数据库，信息包括政策、网络配置、用户以及QoS要求等，通常由每台服务器利用LDAP(轻权目录访问协议)访问。监视服务器通过监视路由器的管理信息库(MIB)和流量监视SLA，测量和分析网络趋势，报告探测到的故障。监视服务器把分析信息反馈回QoS服务器，形成一个路径设计、控制和监视的循环。边缘路由器具有DiffServ和MPLS边缘路由器的功能。DiffServ利用包头字段提供分类、整形和其他调节服务，MPLS则提供封装和转发服务。核心路由器用多协议标签交换在LSP上转发包。当使用L-LSP时，它根据边缘路由器的分类和指派的DSCP值，通过每个BA的PHB调度包的转发；当使用E-LSP做DiffServ over MPLS时，它根据 MPLS垫层头中的EXP字段值调度包的转发。

　　7 小结

　　根据因特网协议栈，可以认为InterServ模型和DiffServ模型工作在传输层(或应用层)，约束路由工作在网络层，MPLS和SBM技术位于第2、3层之间，IEEE802.1Q工作在链路层。

　　尽管目前对QoS技术的研究已经取得了巨大的进展，但还有一些关键因素制约着它们的大规模部署和实用[11]。另外，解决IP网的QoS仅仅依靠以上这些技术是不够的，还需要拥塞控制、排队调度、应用层流量重定向、流量均衡以及性能监测等技术协同工作。电信业正在期待着IP QoS技术的更加成熟和成功应用，造就电信级的下一代IP网络。

　　参考文献：

　　[1] IETF RFC 1633, Integrated Services in the Internet Architecture: an Overview[S].
　　[2] IETF RFC 2205, Resource ReSerVation Protocol?Version 1 Functional Specification[S].
　　[3] IETF RFC 2210, The Use of RSVP with IETF Integrated Services[S].
　　[4] IETF R FC 2430,A Provider Architecture for Differentiated Services and Traffic Engineering (PASTE)[S].
　　[5] IETF RFC 3260, New Terminology and Clarifications for DiffServ[S].
　　[6] IETF RFC 3031, Multiprotocol Label Switching Architecture[S].
　　[7] IETF RFC 3270, Multi Protocol Label Switching (MPLS) Support of DifferentiatedServices[S].
　　[8] IETF RFC 3346, Applicability Statement for Traffic Engineering with MPLS[S].
　　[9] IETF RFC 2814, SBM (Subnet Bandwidth Manager): A Protocol for RSVP-based Admission Control over IEEE 802-style networks[S].
　　[10] 何宝宏,矶山和彦, 齐藤博辛, 等. IP QoS控制技术[J]. 电信网技术, 2002, (5): 7?12.
　　[11] IETF RFC 2990, Next Steps for the IP QoS Architecture[S].

[摘要] 目前的IP网络的服务模式是尽力而为的，不保证服务质量，因此组建IP电信网的一个关键技术难题就是如何保证服务质量。文章介绍了目前业界所提出的一些为IP电信网提供服务质量的一些技术，包括InterServ、DiffServ、MPLS、LAN QoS等，并介绍了一种实用的QoS服务器结构。

[关键词] IP 服务质量；综合业务模型；资源预留协议；差分业务模型；多协议标记交换

[Abstract] The service model provided by the Internet is the best-effort model, without guaranteed Quality of Service (QoS). One of the key issues of constructing an IP telecom network is how to assure QoS. The article introduces some popular QoS mechanisms supposed by the industry, such as Integrated Service (InterServ), Differentiated Service, Multiple Protocol Label Switching (MPLS), LAN QoS, etc., as well as a pragmatic QoS server architecture.

[Keywords] IP QoS; InterServ; RSVP; DiffServ; MPLS