摘要：

目前的IP網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)模式是盡力而為的，不保證服務(wù)質(zhì)量，因此組建IP電信網(wǎng)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題就是如何保證服務(wù)質(zhì)量。文章介紹了目前業(yè)界所提出的一些為IP電信網(wǎng)提供服務(wù)質(zhì)量的一些技術(shù)，包括InterServ、DiffServ、MPLS、LAN QoS等，并介紹了一種實(shí)用的QoS服務(wù)器結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：

IP 服務(wù)質(zhì)量；綜合業(yè)務(wù)模型；資源預(yù)留協(xié)議；差分業(yè)務(wù)模型；多協(xié)議標(biāo)記交換

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.

Key words:

IP QoS; InterServ; RSVP; DiffServ; MPLS

1 “盡力而為”的IP網(wǎng)

因特網(wǎng)取得成功的一個(gè)重要理念是它所使用的IP協(xié)議的簡(jiǎn)單性。IP的基本設(shè)計(jì)原理來(lái)自“端到端”的思想：把“智能”盡可能地放到網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點(diǎn)(源和目的網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī))中，留下“傻”的核心網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)(路由器)除了把IP包的目的地址與路由轉(zhuǎn)發(fā)表對(duì)照，確定它的下一跳并作轉(zhuǎn)發(fā)外，幾乎不需要做其它任何工作。如果下一跳的隊(duì)列較長(zhǎng)，則IP包的轉(zhuǎn)發(fā)可能會(huì)被延遲；如果下一跳的隊(duì)列緩沖區(qū)滿(mǎn)或不可用，則允許路由器丟棄IP包。因此因特網(wǎng)提供的是一種“盡力而為”的服務(wù)，服務(wù)質(zhì)量(QoS)無(wú)法預(yù)知。要使基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)作為需要服務(wù)質(zhì)量保證的電信業(yè)務(wù)的承載網(wǎng)(即IP電信網(wǎng))，就必須采用一些手段，使IP網(wǎng)能夠提供一定的服務(wù)質(zhì)量保證。

IP網(wǎng)提供服務(wù)質(zhì)量的方法可以有多種?，F(xiàn)在的計(jì)算機(jī)處理能力正在飛速提高，因此人們最容易想到的，也是最簡(jiǎn)單的方法就是增加網(wǎng)絡(luò)資源，如帶寬、內(nèi)存、CPU處理能力等。但增加網(wǎng)絡(luò)資源無(wú)法解決全部問(wèn)題，這除了經(jīng)濟(jì)方面的考慮外(網(wǎng)絡(luò)資源永遠(yuǎn)會(huì)是有成本的，不會(huì)是免費(fèi)的)，另外一個(gè)重要原因是因特網(wǎng)流量不僅隨著用戶(hù)和應(yīng)用的增加而幾乎同步增長(zhǎng)，并且流量的特點(diǎn)也在發(fā)生著巨大的變化。很多新出現(xiàn)的IP網(wǎng)上的多媒體應(yīng)用，要么要求巨大的帶寬，要么需要嚴(yán)格的延遲保證，要么要求一點(diǎn)到多點(diǎn)或多點(diǎn)到多點(diǎn)的通信能力。這些新業(yè)務(wù)要求IP網(wǎng)除了提供簡(jiǎn)單的“盡力而為”服務(wù)以外，還需要新的服務(wù)方式，因此單靠增加網(wǎng)絡(luò)資源無(wú)法解決QoS問(wèn)題，IP網(wǎng)結(jié)構(gòu)本身也需要根據(jù)改變，引入能夠支持QoS的一些機(jī)制。

2 嚴(yán)格QoS保證的InterServ模型

對(duì)于IP網(wǎng)絡(luò)上的QoS問(wèn)題，人們首先想到的就是借鑒傳統(tǒng)電路交換網(wǎng)保證服務(wù)質(zhì)量的思路：端到端地建立連接并預(yù)留資源。工作于IP網(wǎng)絡(luò)上的綜合業(yè)務(wù)(InterServ)模型^[1]就是基于這樣的思路設(shè)計(jì)的。

InterServ模型能夠在因特網(wǎng)中提供有別于“盡力而為”服務(wù)的服務(wù)類(lèi)型。InterServ所關(guān)注的是單個(gè)流的質(zhì)量，也就是說(shuō)以流為單位保證服務(wù)質(zhì)量，每個(gè)流都從網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求特定級(jí)別的服務(wù)。InterServ定義了兩種新的業(yè)務(wù)模型：保證型(Guaranteed)業(yè)務(wù)和控制型載荷(Controlled-Load)。保證型業(yè)務(wù)提供精確的包排隊(duì)延遲上限，用于需要嚴(yán)格QoS保證的應(yīng)用；控制型載荷利用統(tǒng)計(jì)復(fù)用的方法控制載荷，用于比前者具更大靈活性的應(yīng)用。

InterServ模型的重要組成部分之一是資源預(yù)留，它使用資源預(yù)留協(xié)議(RSVP)^[2，3]作為請(qǐng)求帶寬和其它網(wǎng)絡(luò)資源的信令協(xié)議。RSVP的工作過(guò)程是這樣的(如圖1所示)：發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)流之前，先發(fā)送一個(gè)RSVP PATH消息給接收端。PATH消息包含了發(fā)送端的信息以及數(shù)據(jù)流的特點(diǎn)。當(dāng)數(shù)據(jù)通路上的某臺(tái)路由器收到這個(gè)PATH消息時(shí)，它就把該數(shù)據(jù)流的狀態(tài)信息保留下來(lái)。當(dāng)接收端收到該P(yáng)ATH消息時(shí)，它產(chǎn)生一個(gè)RESV消息表示QoS請(qǐng)求并把它返回給發(fā)送端。RESV消息將在與PATH消息相同的路徑上反方向轉(zhuǎn)發(fā)，沿途路由器根據(jù)請(qǐng)求保留資源(但如何預(yù)留資源與RSVP無(wú)關(guān))。因?yàn)槊颗_(tái)路由器在數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程中都保存了狀態(tài)信息，因此需要在通信中周期性地交換PATH和RESV消息。

InterServ模型要求在端到端的通信中為每個(gè)數(shù)據(jù)流都執(zhí)行上面的信令過(guò)程，并且網(wǎng)絡(luò)中每臺(tái)路由器必須為所有經(jīng)過(guò)它的數(shù)據(jù)流保留狀態(tài)信息(比如會(huì)話(huà)建立信息以及帶寬分配信息)，因此InterServ模型不具有支持大型網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，一般用于網(wǎng)絡(luò)邊緣或需要“絕對(duì)”QoS保證的業(yè)務(wù)。

3 對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行簡(jiǎn)單分類(lèi)的DiffServ模型

InterServ不具有可擴(kuò)展性，無(wú)法支持大范圍的組網(wǎng)，因此IETF提出了另外一種QoS體系：差分業(yè)務(wù)(DiffServ)^[4，5](如圖2所示)。DiffServ的目的是在因特網(wǎng)上為流量提供有區(qū)別的業(yè)務(wù)級(jí)別。與InterServ相比，DiffServ定義的是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單而粒度粗一些的控制系統(tǒng)。另外，DiffServ針對(duì)的是流聚合后的每一類(lèi)QoS控制，而不是像InterServ那樣針對(duì)每個(gè)流。因此，DiffServ具有可擴(kuò)展性，能夠在大型網(wǎng)絡(luò)上提供QoS服務(wù)。

DiffServ在DiffServ域的邊緣對(duì)進(jìn)入的流進(jìn)行分類(lèi)，并為每一類(lèi)型指定一個(gè)類(lèi)型標(biāo)志——DSCP(DiffServ編碼點(diǎn))。域內(nèi)的核心路由器只查看DSCP值，并根據(jù)每一類(lèi)的特定逐跳行為(PHB)調(diào)度包的轉(zhuǎn)發(fā)。

DiffServ的設(shè)計(jì)思想是希望通過(guò)使用一種與目前IP協(xié)議相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)QoS的保證，因此其實(shí)現(xiàn)比InterServ模型要簡(jiǎn)單，網(wǎng)絡(luò)額外負(fù)擔(dān)也較小，但聚合后的粒度較粗，因此更適合于骨干網(wǎng)。

4 MPLS的價(jià)值

多協(xié)議標(biāo)記交換(MPLS)^[6]技術(shù)為每一個(gè)IP包加上一個(gè)固定長(zhǎng)度的標(biāo)記，并根據(jù)標(biāo)記值進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，因此MPLS從原理上能夠?qū)崿F(xiàn)高速轉(zhuǎn)發(fā)。根據(jù)標(biāo)記確定的轉(zhuǎn)發(fā)路徑稱(chēng)為標(biāo)記交換路徑(LSP)。MPLS可能的用途較多，在提供QoS方面的作用主要體現(xiàn)如下：

(1)支持DiffServ

MPLS用一個(gè)墊層頭封裝了IP包，核心路由器看不到DiffServ的DSCP，因此DiffServ與MPLS并不兼容。為此，IETF提出了一種MPLS支持DiffServ的方法^[7]。MPLS支持的DiffServ能夠把DiffServ的多個(gè)行為聚集(BA)映射到MPLS的一條LSP上，可以根據(jù)BA的PHB來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)LSP上的流量。目前定義的LSP與BA的映射有兩種方式：E-LSP和L-LSP。E-LSP用EXP字段把多個(gè)BA指派到一條LSP上，L-LSP把一條LSP指派給一個(gè)BA(表現(xiàn)出多個(gè)包丟棄優(yōu)先級(jí))。

(2)流量工程

現(xiàn)在的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議(如RIP、OSPF和IS-IS)都會(huì)導(dǎo)致不均勻的流量分布，因?yàn)樗鼈兛偸沁x擇最短路徑轉(zhuǎn)發(fā)IP包。造成的結(jié)果是，在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間順著最短路徑上的路由器和鏈路可能發(fā)生了擁塞，而沿較長(zhǎng)路徑的路由器和鏈路卻是空閑的。MPLS流量工程^[8]可以安排流量如何通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，以避免不均勻地使用網(wǎng)絡(luò)而導(dǎo)致的擁塞。為使MPLS流量工程自動(dòng)化，QoS約束路由在流量工程中具有重要的作用。

(3)保護(hù)與恢復(fù)

IP路由機(jī)制的故障恢復(fù)時(shí)間通常需要數(shù)秒甚至數(shù)十秒，會(huì)影響有些應(yīng)用。在MPLS網(wǎng)絡(luò)中，可以在入口和出口之間事先建立工作LSP(工作LSP)和備用LSP(也可同時(shí)預(yù)留資源)，這樣就能夠在主LSP出現(xiàn)故障時(shí)實(shí)現(xiàn)最小程度的中斷。這種保護(hù)可以是1+1的，也可以是1：1的；可以是在入口和出口處交換(路徑保護(hù))，也可以是在與故障鄰接的節(jié)點(diǎn)本地(鏈路保護(hù))。為每條鏈路預(yù)先建立恢復(fù)路徑的保護(hù)交換策略通常被稱(chēng)為MPLS快速重路由。

5 LAN上的QoS技術(shù)

IP和MPLS工作在比局域網(wǎng)(LAN)更高的層次上，如果承載它們的網(wǎng)絡(luò)是LAN，那么LAN技術(shù)也就必須支持QoS。ATM LAN已經(jīng)能夠支持QoS，這里介紹另外一種最常見(jiàn)的LAN技術(shù)——以太網(wǎng)中支持QoS的技術(shù)。

LAN標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.1Q和802.1D標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展了以太網(wǎng)的幀格式，增加了4個(gè)字節(jié)，包括在以太網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的VLAN (Virtual LAN) 標(biāo)記和顯式的“user_priority”字段。802.1D“user_priority”字段(以前在802.1p中做了定義)使用802.1Q VLAN標(biāo)記的3個(gè)比特定義了8種以太網(wǎng)上的流量類(lèi)型。對(duì)于以太網(wǎng)交換機(jī)上的某端口上的一定數(shù)量的隊(duì)列，802.1D定義了使用哪種流量類(lèi)型，以及如何把它們指派給這些隊(duì)列的方式。

子網(wǎng)帶寬管理(SBM) 協(xié)議^[9]是一種工作在IEEE 802類(lèi)型LAN網(wǎng)絡(luò)上、基于RSVP的許可控制信令協(xié)議。SBM提供了一種把因特網(wǎng)級(jí)的“setup”協(xié)議(比如RSVP)映射到IEEE 802類(lèi)型網(wǎng)絡(luò)上的方法，尤其是提出了一種RSVP使能的主機(jī)/路由器與鏈路層設(shè)備（如交換機(jī)）的互操作機(jī)制，以支持為RSVP使能的數(shù)據(jù)流能夠預(yù)留LAN資源。

6 一種實(shí)用的QoS 控制體系

為了在全網(wǎng)范圍內(nèi)最大限度地合理分配網(wǎng)絡(luò)資源，需要一種能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和應(yīng)用的QoS請(qǐng)求計(jì)算和分配所需資源的機(jī)制。在因特網(wǎng)上各種應(yīng)用并存時(shí)，這里介紹一種QoS控制結(jié)構(gòu)^[10](見(jiàn)圖3)，該結(jié)構(gòu)能為請(qǐng)求高質(zhì)量QoS的應(yīng)用以最優(yōu)方式分配資源(包括路徑分配以及為每條路徑分配帶寬和緩沖區(qū))。該結(jié)構(gòu)假設(shè)網(wǎng)元能夠支持MPLS和DiffServ。

圖3中，QoS服務(wù)器是整個(gè)QoS Server體系的核心，根據(jù)應(yīng)用或管理員對(duì)QoS資源的請(qǐng)求，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，集中控制和使用網(wǎng)絡(luò)資源，規(guī)劃和設(shè)計(jì)流量的路徑，決定負(fù)載的分布和執(zhí)行業(yè)務(wù)等級(jí)協(xié)定(SLA)等。政策服務(wù)器/網(wǎng)管系統(tǒng)根據(jù)政策信息控制網(wǎng)絡(luò)，政策信息由QoS服務(wù)器或管理員保存在目錄服務(wù)器中。目錄服務(wù)器存貯和集中管理網(wǎng)管所要求信息的通用數(shù)據(jù)庫(kù)，信息包括政策、網(wǎng)絡(luò)配置、用戶(hù)以及QoS要求等，通常由每臺(tái)服務(wù)器利用LDAP(輕權(quán)目錄訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議)訪(fǎng)問(wèn)。監(jiān)視服務(wù)器通過(guò)監(jiān)視路由器的管理信息庫(kù)(MIB)和流量監(jiān)視SLA，測(cè)量和分析網(wǎng)絡(luò)趨勢(shì)，報(bào)告探測(cè)到的故障。監(jiān)視服務(wù)器把分析信息反饋回QoS服務(wù)器，形成一個(gè)路徑設(shè)計(jì)、控制和監(jiān)視的循環(huán)。邊緣路由器具有DiffServ和MPLS邊緣路由器的功能。DiffServ利用包頭字段提供分類(lèi)、整形和其他調(diào)節(jié)服務(wù)，MPLS則提供封裝和轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。核心路由器用多協(xié)議標(biāo)簽交換在LSP上轉(zhuǎn)發(fā)包。當(dāng)使用L-LSP時(shí)，它根據(jù)邊緣路由器的分類(lèi)和指派的DSCP值，通過(guò)每個(gè)BA的PHB調(diào)度包的轉(zhuǎn)發(fā)；當(dāng)使用E-LSP做DiffServ over MPLS時(shí)，它根據(jù) MPLS墊層頭中的EXP字段值調(diào)度包的轉(zhuǎn)發(fā)。

7 小結(jié)

根據(jù)因特網(wǎng)協(xié)議棧，可以認(rèn)為InterServ模型和DiffServ模型工作在傳輸層(或應(yīng)用層)，約束路由工作在網(wǎng)絡(luò)層，MPLS和SBM技術(shù)位于第2、3層之間，IEEE802.1Q工作在鏈路層。

盡管目前對(duì)QoS技術(shù)的研究已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展，但還有一些關(guān)鍵因素制約著它們的大規(guī)模部署和實(shí)用^[11]。另外，解決IP網(wǎng)的QoS僅僅依靠以上這些技術(shù)是不夠的，還需要擁塞控制、排隊(duì)調(diào)度、應(yīng)用層流量重定向、流量均衡以及性能監(jiān)測(cè)等技術(shù)協(xié)同工作。電信業(yè)正在期待著IP QoS技術(shù)的更加成熟和成功應(yīng)用，造就電信級(jí)的下一代IP網(wǎng)絡(luò)?！?/p>

收稿日期：2002-11-08

參考文獻(xiàn)：

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[11] IETF RFC 2990， Next Steps for the IP QoS Architecture[S].

作者簡(jiǎn)介：

何寶宏，信息產(chǎn)業(yè)部電信傳輸研究所主任工程師、高級(jí)工程師，博士。一直從事IP QoS、IP VPN等技術(shù)研究。已發(fā)表文章30余篇，編著有《IP虛擬專(zhuān)用網(wǎng)》一書(shū)。