下一代互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)IP QoS(2)
姜明 2004/04/13
7.QoS體系結(jié)構(gòu)
前面分別介紹了單獨(dú)應(yīng)用各種QoS協(xié)議實(shí)現(xiàn)端到端QoS的情況,實(shí)際應(yīng)用中,為了實(shí)現(xiàn)從上到下、在發(fā)送者和接收者之間的端到端QoS,需要同時(shí)將多種QoS技術(shù)結(jié)合起來(lái)使用。目前,大多數(shù)將這些QoS技術(shù)結(jié)合在一起的規(guī)范還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化,但是搭建各種盡可能提供統(tǒng)一的端到端QoS體系結(jié)構(gòu)的工作已經(jīng)開(kāi)始了。IETF的工作小組正致力于提出QoS整體體系結(jié)構(gòu),即從上至下的、端對(duì)端的QoS體系結(jié)構(gòu)。
該結(jié)構(gòu)包含了幾乎現(xiàn)有的所有的QoS機(jī)制,如IntServ/RSVP、DiffServ、MPLS以及SBM。具體結(jié)構(gòu)如圖11所示。它利用高層協(xié)議與底層協(xié)議的合作,將高層的QoS協(xié)議映射到底層的協(xié)議,以支持從上至下的QoS,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)端對(duì)端QoS。
MPLS與DiffServ的端對(duì)端QoS模型
DiffServ需要大量網(wǎng)絡(luò)單元的協(xié)同運(yùn)作,才能向用戶(hù)提供端到端的QoS,而這些這些組件往往是高度分散的。因此,盡管DiffServ是目前在骨干網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)IP
QoS最可行的方案,但僅靠DiffServ還不能提供端到端的QoS保證。解決這個(gè)問(wèn)題的方法之一便是利用MPLS技術(shù)將第三層的QoS轉(zhuǎn)換為第二層的QoS,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)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。盡管這可能不是一個(gè)真正意義上的IP
QoS,但卻是目前可以實(shí)現(xiàn)的方法中最切實(shí)可行的一個(gè)。
由于DiffServ和MPLS在所支持的QoS方面有某種相似性(如數(shù)據(jù)包分類(lèi)),因此將DiffServ數(shù)據(jù)流映射到MPLS"管道"上相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單。IETF的MPLS工作組目前推出的MPLS和DiffServ結(jié)合的方案是將DiffServ行為聚合BA映射到LSP,根據(jù)BA的PHB來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)LSP上的數(shù)據(jù)包LSP與BA的映射有兩種方式:
E-LSP(Exp-inferred-PSC LSP):E-LSP用MPLS墊片頭部的EXP字段把多個(gè)BA指派到一條LSP上,使用MPLS墊層頭的EXP字段表示一個(gè)包的PHB。最多可以把8個(gè)BA映射到EXP字段中。
L-LSP(Label-only-inferred-PSC 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)),根據(jù)MPLS標(biāo)簽確定包的調(diào)度策略,根據(jù)MPLS墊片頭或二層包丟棄機(jī)制確定丟棄優(yōu)先級(jí)。
為了支持DiffServ的逐跳行為模型,MPLS網(wǎng)絡(luò)操作員需要在每個(gè)MPLS路由器中為每個(gè)DiffServ轉(zhuǎn)發(fā)類(lèi)分配一定的網(wǎng)絡(luò)資源和標(biāo)簽。同時(shí),LSR還需要將特定的丟棄優(yōu)先級(jí)與數(shù)據(jù)包相關(guān)聯(lián)起來(lái)。
RSVP為MPLS提供資源QoS模型
在目前的MPLS體系結(jié)構(gòu)中,可以用來(lái)對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行分發(fā)協(xié)議除了LDP外,另外一個(gè)就是RSVP。IETF的工作小組正致力于對(duì)RSVP進(jìn)行擴(kuò)展,以支持MPLS的標(biāo)簽分發(fā),目前已經(jīng)制定出相應(yīng)的草案。用RSVP分配標(biāo)簽的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是使得沿著標(biāo)簽分配路徑進(jìn)行資源分配成為可能,例如,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RSVP資源預(yù)留可將帶寬分配給LSP。當(dāng)然,資源預(yù)留對(duì)MPLS來(lái)說(shuō)并不是必須的,LSP能在沒(méi)有任何資源預(yù)留的情況下建立,這種LSP用于傳輸極力而為的流。
標(biāo)簽分配協(xié)議主要用于將路由器對(duì)特定數(shù)據(jù)流分配的標(biāo)簽及其意義通知它的下游節(jié)點(diǎn),以使下游節(jié)點(diǎn)能根據(jù)數(shù)據(jù)包的標(biāo)簽來(lái)進(jìn)行正確的處理。RSVP協(xié)議不僅支持下游按需(Downstream-on-
demand)標(biāo)簽分配,而且支持顯式路由功能。為此,RSVP的路徑消息增加了LABEL_REQUEST對(duì)象。標(biāo)簽在下游分配,并且通過(guò)RSVP的預(yù)留消息分發(fā)。這樣,RSVP的預(yù)留消息中增加了LABEL對(duì)象,增加了對(duì)標(biāo)簽堆棧的支持。為了支持顯式路由,RSVP的路徑消息中增加了EXPLICIT_ROUTE對(duì)象。顯式路由的作用是優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的利用,增強(qiáng)面向流量的性能特征,它的一個(gè)重要應(yīng)用便是流量工程。支持RSVP和MPLS的主機(jī)和路由器可以將標(biāo)簽與特定的數(shù)據(jù)流關(guān)聯(lián)在一起。這樣,路由器也就可以根據(jù)數(shù)據(jù)包的標(biāo)簽值來(lái)確定合適的資源預(yù)留狀態(tài)信息了。以RSVP信令來(lái)為MPLS分發(fā)標(biāo)簽并預(yù)留資源的過(guò)程大致如下:
發(fā)送端發(fā)送PATH消息,除了普通PATH消息中所帶有的TSpec信息外,該P(yáng)ATH消息還帶有LABEL_REQUEST對(duì)象,用于各路由器分配標(biāo)簽;
中間路由器接收到PATH消息,建立路徑狀態(tài)(LABEL_REQUEST也包含在路徑狀態(tài)塊中),并向下游轉(zhuǎn)發(fā)PATH消息;
接收端收到PATH消息后,向上游發(fā)出RESV消息,該消息除帶有TSpec、RSpec和Filter Spec外,還帶有LABEL對(duì)象,用于對(duì)各個(gè)路由器分配的標(biāo)簽進(jìn)行分配及分發(fā);
中間路由器接收到RESV消息后,執(zhí)行接入控制,并將LABEL對(duì)象中的標(biāo)簽值作為該會(huì)話(huà)的輸出端口的標(biāo)簽值,同時(shí)分配新的標(biāo)簽值,并將新標(biāo)簽值與該會(huì)話(huà)的輸入端口綁定(該端口也是路由器用來(lái)向上游傳送RESV消息的端口)。
RSVP與DiffServ的端對(duì)端QoS模型
DiffServ服務(wù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是建立起SLA,然后各DS節(jié)點(diǎn)根據(jù)所建立的SLA對(duì)業(yè)務(wù)流進(jìn)行分類(lèi)和調(diào)節(jié)。目前,建立SLA有兩種方法,對(duì)應(yīng)為兩種不同的SLA:靜態(tài)SLA和動(dòng)態(tài)SLA。靜態(tài)SLA是由網(wǎng)絡(luò)管理員根據(jù)一定的協(xié)定或策略制定相應(yīng)的資源分配方案、流量調(diào)節(jié)規(guī)范等;而動(dòng)態(tài)SLA則是根據(jù)某種信令協(xié)議動(dòng)態(tài)分配資源。常用的信令協(xié)議就是RSVP,目前正在發(fā)展中的還有BB技術(shù)。
RSVP的最初設(shè)計(jì)目標(biāo)是為單流(micro-flow)提供資源預(yù)留,擴(kuò)展后的RSVP可以為流聚集提供資源預(yù)留。以RSVP和DiffServ結(jié)構(gòu)相結(jié)合,將可以提供更為靈活的端對(duì)端QoS。在這種端對(duì)端的QoS模型中,由RSVP為流聚集提供資源,而DiffServ只是簡(jiǎn)單地對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行標(biāo)記、分類(lèi)(區(qū)分不同的優(yōu)先級(jí))以及調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā),需要注意的是,與IntServ中的RSVP預(yù)留資源不同,這里是發(fā)送請(qǐng)求的資源預(yù)留。
由于RSVP的高度復(fù)雜性,因此,在這種模型中,RSVP只是布置在邊緣網(wǎng)絡(luò)(直接與客戶(hù)相連的網(wǎng)絡(luò)),而在核心網(wǎng)絡(luò)(主干網(wǎng))只布置DiffServ。端系統(tǒng)利用RSVP向網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求資源(例如帶寬、緩沖區(qū)等),主干網(wǎng)的入口路由器應(yīng)用標(biāo)記DS的方法將RSVP資源預(yù)留映射到相應(yīng)的服務(wù)類(lèi)別上,也即與DSCP的對(duì)應(yīng)。而在主干網(wǎng)的出口節(jié)點(diǎn),重新使用RSVP,直到接收端。
DiffServ與IntServ/RSVP相結(jié)合提供QoS機(jī)制
我們知道,IntServ服務(wù)的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠根據(jù)客戶(hù)的實(shí)際需要,定制出完全符合客戶(hù)需求的網(wǎng)絡(luò)服務(wù),具有相當(dāng)?shù)撵`活性,而它最大的缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性,難以在主干網(wǎng)上大量使用。DiffServ服務(wù)恰恰相反,它最大的優(yōu)點(diǎn)在于它在主干網(wǎng)上的可擴(kuò)展性,但由于其處理的對(duì)象是流聚集,
所以無(wú)法處理一個(gè)特定的流請(qǐng)求。因此,可以把IntServ/RSVP和DiffServ看作是相互補(bǔ)充的技術(shù),將其結(jié)合,互相協(xié)同,共同為用戶(hù)提供端到端的QoS保證。
Intserv體系結(jié)構(gòu)提供了一種在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)元素之上提供端到端QoS的方法。一般來(lái)講,網(wǎng)絡(luò)元素可以是單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)(如路由器)或鏈路,更復(fù)雜的實(shí)體(比如ATM云或802.3網(wǎng)絡(luò))也可以從功能上視為網(wǎng)絡(luò)元素。在這種意義下,可以將DiffServ網(wǎng)絡(luò)看成一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò)單元,是連接Intserv路由器和主機(jī)的虛鏈路。已經(jīng)有方案描述了一種在DiffServ網(wǎng)絡(luò)之上實(shí)施IntServ支持端到端QoS的方法,在該框架中,端到端的、定量的QoS是通過(guò)在含有一個(gè)或多個(gè)DS區(qū)的端到端網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用IntServ模型來(lái)提供的。為了優(yōu)化資源的分配和支持接納控制,DS區(qū)可以(但并不絕對(duì)要求)參加端到端的RSVP信令過(guò)程。
在DiffServ上提供IntServ服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)如圖11所示,發(fā)送端和接收端分別與各自的IntServ網(wǎng)絡(luò)相連,而兩個(gè)IntServ區(qū)域又通過(guò)DiffServ骨干網(wǎng)絡(luò)相連。在這種體系結(jié)構(gòu)上提供端對(duì)端QoS有兩種方式,一種是DiffServ區(qū)域靜態(tài)地提供資源,另一種方式是DiffServ區(qū)域動(dòng)態(tài)地提供資源,我們以靜態(tài)方式為例來(lái)說(shuō)明其具體的過(guò)程:
發(fā)送端以信令發(fā)出PATH消息,即業(yè)務(wù)流規(guī)格說(shuō)明,其中包括服務(wù)類(lèi)型(確保服務(wù)或控制負(fù)載服務(wù))以及一些量化的參數(shù)。與發(fā)送端主機(jī)直接相連的IntServ網(wǎng)絡(luò)N1中,以標(biāo)準(zhǔn)的RSVP/IntServ方式處理PATH消息;
在邊界路由器ER1處,PATH消息遵循標(biāo)準(zhǔn)RSVP的處理方法,并且將PATH消息發(fā)往DiffServ區(qū)域;
PATH消息在DiffServ區(qū)域內(nèi)透明地傳輸,然后在與接收端主機(jī)直接相連的IntServ網(wǎng)絡(luò)N3的邊界路由器ER2處按標(biāo)準(zhǔn)的RSVP方式處理;
當(dāng)PATH消息到達(dá)接收端主機(jī)時(shí),它發(fā)送出RESV消息,以規(guī)范業(yè)務(wù)流所需要的資源;
在N3網(wǎng)絡(luò)中,RESV以標(biāo)準(zhǔn)的方式處理,在邊界節(jié)點(diǎn)ER2處,以標(biāo)準(zhǔn)的方式處理,如果ER2認(rèn)為與DiffServ區(qū)域相連的接口的資源不能滿(mǎn)足所請(qǐng)求的資源,則ER2拒絕該請(qǐng)求,如果能滿(mǎn)足要求的話(huà),則將RESV消息透明地穿過(guò)DiffServ區(qū)域;
在ER1處,RESV消息觸發(fā)接入控制程序,它將檢查相應(yīng)的DiffServ服務(wù)級(jí)別的可用資源以決定是否接受該業(yè)務(wù)流?捎觅Y源由SLA確定。如果ER1接受該請(qǐng)求的話(huà),它將RESV繼續(xù)向上游轉(zhuǎn)發(fā)并且更新它自身的可用資源;
RESV消息以標(biāo)準(zhǔn)的方式穿過(guò)N1并傳送到發(fā)送端。在接收端,QoS處理程序接收RESV消息,接收端將認(rèn)為它所請(qǐng)求的IntServ服務(wù)已經(jīng)被網(wǎng)絡(luò)接受,它也可以從RESV消息中獲得正確的用于數(shù)據(jù)包標(biāo)記的DSCP值;
發(fā)送端向接收端發(fā)送數(shù)據(jù)包,并標(biāo)記以合適的DSCP值。
8.下一代互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃Internet2中IP QoS研究狀況
Intenet 2是由有大約180所美國(guó)大學(xué)和包括朗訊科技在內(nèi)的一些高技術(shù)公司以及政府部門(mén)參與的一個(gè)合作項(xiàng)目。Internet 2工作組創(chuàng)不是一個(gè)孤立的網(wǎng)絡(luò),而是由美國(guó)許多先進(jìn)的校園網(wǎng)。區(qū)域網(wǎng)和國(guó)家網(wǎng)共同組成的,它通過(guò)集中公共機(jī)構(gòu)和資源來(lái)進(jìn)行新技術(shù)的研究,研究成果將被應(yīng)用到全球的互聯(lián)網(wǎng)上。
Internet2研究的一個(gè)主要目標(biāo)便是創(chuàng)建一個(gè)可伸縮、可交互操作和可管理的QoS體系結(jié)構(gòu)。以實(shí)現(xiàn)一些在現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)上不能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用,如遠(yuǎn)程醫(yī)療、數(shù)字化圖書(shū)館及虛擬實(shí)驗(yàn)室等。為此,在1997年,參加Internet2工程的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)共同成立了QoS工作組,建立了QBone計(jì)劃,以進(jìn)行下一代互聯(lián)網(wǎng)的QoS測(cè)試、開(kāi)發(fā)和部署工作。目前,已經(jīng)有許多新的應(yīng)用在QBone中進(jìn)行了測(cè)試使用,幾個(gè)較大應(yīng)用項(xiàng)目有:
nanoManipulator(nM)系統(tǒng)
nM是一個(gè)研究多序列Client/Server多媒體應(yīng)用的智能服務(wù)和管理的項(xiàng)目。它主要為掃描探測(cè)顯微鏡提供一個(gè)虛擬環(huán)境接口,這樣科學(xué)家可以在遠(yuǎn)程以1:100萬(wàn)的比例觀察樣本對(duì)象的表面。nM系統(tǒng)是一個(gè)不斷發(fā)展的工具,它是一個(gè)由眾多用戶(hù)緊密協(xié)作開(kāi)發(fā)的成果,能夠在納米級(jí)對(duì)材料和對(duì)象進(jìn)行可視化研究,這些成果將帶來(lái)生物學(xué)、材料科學(xué)和電子工程等領(lǐng)域的巨大發(fā)展。應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器資源共享的評(píng)估、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
這個(gè)項(xiàng)目的目的是試圖了解對(duì)QBone采用什么樣的DiffServ方案對(duì)新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最有效。它通過(guò)一組多媒體Client/Server應(yīng)用來(lái)進(jìn)行研究。這些應(yīng)用需要用到多種類(lèi)型的數(shù)據(jù),包括音頻、
視頻等,這些不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型具有不同的QoS需求。其目的一是理解什么樣的QoS服務(wù)對(duì)不同類(lèi)型的應(yīng)用最有效;二是確定支持不同應(yīng)用之間的DiffServ需要實(shí)現(xiàn)什么樣的功能,包括通信協(xié)調(diào)和包標(biāo)記功能以及策略支持和相關(guān)的包分類(lèi)功能。
國(guó)際高級(jí)Internet研究中心(iCAIR)研究計(jì)劃
國(guó)際高級(jí)Internet研究中心(iCAIR)發(fā)起了一個(gè)計(jì)劃,在全球范圍的DiffServ測(cè)試環(huán)境中解決各種重要的QoS問(wèn)題。這可以完成以前僅限于某個(gè)國(guó)家范圍內(nèi)使用的測(cè)試環(huán)境無(wú)法完成的功能。
iCAIR一個(gè)主要的目標(biāo)是使用關(guān)鍵的實(shí)時(shí)延遲容錯(cuò)應(yīng)用來(lái)進(jìn)行QoS性能測(cè)試。
9.結(jié)論
直到目前為止,Internet上所提供的大部分依然是"盡力而為"服務(wù),在這種服務(wù)模型中,所有的數(shù)據(jù)流公平地競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)資源。隨著各種著新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的興起,迫切需要在Internet中加入QoS能力。盡管目前IP
QoS還有很多問(wèn)題沒(méi)有解決,但I(xiàn)P QoS已經(jīng)成為下一代互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃的研究熱點(diǎn)。
關(guān)于作者
姜明,計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)博士研究生。主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)QoS。非常高興能夠與廣大同行就IP QoS及IPv6協(xié)議方面的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行切磋,歡迎大家對(duì)本文多提寶貴意見(jiàn),我的Email是:jiangmingcc@163.com。
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