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IP网QoS模型的分析与比较

2/14/2005
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IP网QoS模型的分析与比较 摘要:本文分析了IP网在传输实时业务时所存在的问题,并介绍了由此而引发的IP 网是否应该引入QoS的争论。重点介绍了因特网工程任务组(IETF)建议的 满足QoS需求的著名的服务模型,包括综合业务模型(IntServ)、区别型模 型(DiffServ)、MPLS、流量工程和约束路由,并研究了它们之间的相互关 系以及优缺点等。 关键词:IP 服务质量(Qos) 1 引言 基于因特网的新业务层出不穷,且由于价格因素的影响使它们都具有很强的市 场潜力。因特网正在从当初单纯传送数据向可传送数据。语音、活动/静止图像的 多媒体网络转变。由于计算机终端软硬件的不断升级,它已完全能够满足多媒体应 用的需要,因此在因特网上实现类似语音。传真、会议等实时多媒体应用的问题焦 点便集中在了如何传输这些时延敏感的业务上。 因特网最初的设计目的是进行高效的数据传输,因此所使用的TCP/IP协议族 是一种无连接的、基于数据报的传输模式。IP(IPv4)所提供的是一种“尽力而为 (best-effort”的服务,无法保证吞吐量和传送时延等服务质量(QoS)。TCP使 用的重传和滑动窗口机制给实时数据的传输带来无法预料的时间延迟以及时间延迟 的变化(以下把时间延迟的变化称为抖动)。因此如何在IP网上传输多媒体成为一 个研究的热点。 2 IP网实时多媒体业务的传输 IP网的传统网络层协议(IP)和传输层协议(TCP/UDP)能够非常高效地传输 数据,但却并不能很好地支持实时多媒体业务的传输。 2.1现有IP网协议传输多媒体时存在的问题 网络层的主要任务是路由选择。现在的IP路由协议都是先来先服务(FCFS)的, 不区分数据类型。路由协议不管所要转发的数据是否有时间延迟的限制,都一样的 排队等候通过。因此,现在的因特网(IPv4)提供的是单一的最佳效果(Best-ef fort)服务,所有应用都完全平等地共享网络资源,这种策略非常适合于数据业务 的传输,却并不适合于实时多媒体业务的传输。因为在网络发生拥塞时,排队等原 因可能会导致数据丢失,或是出现较大的时间延迟以及抖动,所提供的服务会随着 网络的拥塞情况而发生变化。这是实时多媒体业务所无法接受的,这些业务通常需 要网络能够提供一定的服务质量(QoS)保证,如比较小的时间延迟。 传输层的任务是提供端到端的通信。UDP协议为IP提供了一种应用编程接口,因 此在传输数据时与IP协议没有多大区别。TCP协议在无连接的。不可靠传输的IP协议 上提供了一种面向连接的。可靠传输协议。但是,TCP的重传纠铝对实时业务的传输 非常有害,因为重传组块的延迟要远大于其正常传送的延迟,同时也带来了相当多 的延迟波动。另外,TCP的滑动窗口流控制机制也会带来相当大的延迟波动,因为当 发送速率高于接收速率时,发送方发送组块直到占满窗口为止,然后发送方停止发 送,一直等到收到接收方的应答为止,然后又重复这一过程。 22 IP提供小QoS IP网如何传输实时多媒体业务成为一个研究的热点。在过去几年里,大量的研 究致力于综合服务网络等的设计细节,比如预留协议的性质。许可控制协议的行为。 合适的服务模型等。但如此众多的研究并非意味着这样的努力就一定是明智的。目 前国际上对这个非常基本的问题却存在激烈的争论:预留是必要的呢,还是因特网 保持原来的最佳效果服务更好一些? 反对预留的人则认为在异机种的子网中的网络层之上的任何一种连接都是难以 管理的。如果数据流经历太多的延迟或丢失,那势必要提高链路的带宽和路由器的 CPU能力。光纤和WDM技术将会使网络带宽充裕和便宜到自动保证QoS的程度,在带 宽不再很贵的时候,这种方法远比提出的综合业务体系结构的扩展所带来的增加的 复杂性要便宜的多。如果数据经历太多的延迟抖动,那么又需要在接收端增加一个 较大的缓冲区。即使这样问题仍然存在,那么就需要编写能够适应网络拥塞变化的 自适应性程序,因为实验已经表明自适应应用能够明显改善多媒体应用的质量。另 外,具有预留能力的网络除非它的阻塞率(拒绝预留请求的频率)比较低,否则无 法提供令人满意的服务。而在同样的情况下,尽力而为的网络可以提供非常充足的 服务——几乎与有预留能力的网络一样好的服务。 支持预留的人认为高可靠度的多媒体应用比现在的因特网所提供的尽力而为服 务有更高的质量和更加可预测的网络服务要求。带宽和短小的延迟总是稀少的资源, 无论开销多大并且无论采用什么底层结构,QoS承诺本身就需要资源预留。现实中 人们并不情愿有偿传输多媒体数据流,除非用户和网络之间已有严格的服务合同, 指定了该数据流的特点及相应的QoS承诺。不管所提供的网络带宽充裕到何种程度, 都会被不断出现的新业务所吞噬光。 事实上,“尽力而为”学派主宰了数据通信世界,通信界支持“连接和预留” 学派。表面上是技术之争,而更深层次上有些是思想观念的差异造成的。比如,数 据通信界强调如何在现有的网络环境中为用户提供可能的服务;而电信界更强调服 务质量的保证。现在的观点认为因特网的结构将被改变,需要提供QoS机制,一个 明显的证据是几乎所有主要的路由器/交换机生产厂商都在它们的高端产品中提供 了一些QoS机制。但是引入QoS机制所带来的管理和计费等方面的问题,改变了与其 所倡导的“因特网是自由的”的理念,而这种理念在某种程度上促成了因特网近年 来的爆炸式增长。 3 IP QoS模型 IETF已经建议了很多服务模型和机制,以满足QoS的需求。其中比较有名的有: 综合业务/RSVP模型,区别型(DS)业务模型,多协议标记交换(MPLS),流量 工程和约束路由。综合业务的特点是资源预留,实时应用在传输数据前必须首先 建立通道和预留资源。RSVP是用来建立通道和预留资源的协议。在区别型业务中, 把包加以标记,产生不同的级别,每个级别的包得到不同的服务级别。MPLS是一 种前向转发策略,在进入MPLS作用域时给包赋予一定的标签,随后包的分类、转 发和服务都将基于标签完成。流量工程是一种安排通信流量如何通过网络的过程。 约束路由在寻径路由时会受到一定的约束,如带宽或时延的要求。 3.1综合业务模型 综合业务(IntServ)模型的基本思想是“所有的流相关状态信息应该是在端 系统上”。它所使用的资源预留(RSVP)协议是一种预留资源的信令协议。发送 端给接收端发送一个PATH消息,以指定通信的特性。沿途的每个中间路由器把PATH 消息转发给由路由协议决定的下一跳。当收到一个PATH消息时,接收方做出的反应 是用一个RESV消息为该流请求资源。沿途的每个中间路由器可以拒绝或接受RESV消 息请求。如果请求被拒绝,路由器将发送一个出错消息给接收方,并且中断信令的 处理过程。如果请求被接受,为该流分配链路带宽和缓冲区空间,并且把相关的流 状态信息装入路由器中。 除了最佳效果业务外,综合业务模型还新定义了两种服务类型:(1)保障型 (Guaranteed)业务,用于需要固定时延限制的应用;(2)预测型(Predictive) 业务,用于可能需要时延限制的应用。实现保障型业务和预测型业务的定义分别在 保障型业务RFC2212和控制负载(Controlled Load)业务RFC2211中。这一模型的 思想是“为了给特定的客户包流提供特殊的QoS,要求路由器必须能够预留资源。 反过来要求路由器中有特定流的状态信息”。 综合业务模型的优点是: *能够提供绝对有保证的QoS。详细的设计使RSVP用户能够仔细地规定业务种类。 因为RSVP运行在从源端到目的端的每个路由器上,因此可以监视每个流,以防止其 消耗比它请求、预留和预先购买的要多的资源。 * RSVP在源和目的地间可以使用现有的路由协议决定流的通路。RSVP使用IP 包承载,使用“软状态”的概念,通过周期性的重传PATH和RESV消息,协议能够对 网络拓扑的变化做出反映。正如PATH和RESV刷新用来更改该预留的流的通路那样, 没有了这些消息时,RSVP协议释放与之关联的资源。 *设计综合模型开始的目的之一就是使得QoS能够工作在从一个源到一个目的地 (unicast)和从一个源到多个目的地(multicast)。RSVP协议能够让PATH消息识 别多播流的所有端点,并发送PATH消息给它们。它同样可以把自每个接收端的REVP 消息合并到一个网络请求点上,该点可以让一个多播流在分开的连接上发送同样的 流。 综合业务模型的缺点是: * 伸缩性不好。随着流数目的增加,状态信息的数量成比例上升,占用了大量 的路由器存储空间和处理开销。因此,在因特网核心中这种结构的伸缩性不好。 * 对路由器的要求较高。由于需要进行端到端的资源预留,必须要求从发送者 到接收者之间的所有路由器都支持所实施的信令协议。因此所有路由器必须实现RS VP、许可控制。MF(Multi-Field)分类和包调度。 * 对保障型业务需要网络全部使用综合业务。如果中间有不支持的节点/网络 存在,虽然信令可以透明通过,但实际上对于应用来说,已经无法实现真正意义上 的资源预留,所希望达到的QoS保证也就打了折扣。 * 该模型不适合于短生存期的流。因为为短生存期包预留资源的开销很可能大 于处理流中所有包的开销。但因特网流量绝大多数是由短生存期的流构成的。在短 生存期的流需要一定程度的QoS保证时,综合业务模型就显得得不偿失了。 3.2区别型业务模型 由于对综合业务模型利用全程信令将原本面向无连接的因特网,勉为其难地改 为向面向连接的网络这种方式的可实施性已经产生了怀疑。因而希冀能够出现一种 新的解决问题的思想,既考虑已有网络的现状,又能达到实现服务质量的目的,这 就出现了区别型业务(Diffserv)模型。 3.2.1区别型业务模型介绍 IPv4头包括一个TOS字段,它的含义以前有定义。应用程序可以设置TOS字段中 的3个比特来表示需要低时延、高吞吐量或低丢失率的服务。但是这种选择很有限。 区别型业务定义了TOS字节的格式(术语叫DS字段),以及一个包转发处理库的集 和(术语叫Per-Hop行为,或PHB)。通过对一个包DS字段的不同标记,以及基于 DS字段的处理,能够产生一些不同的服务级别。因此,区别业务本质上是一种相对 优先级策略。 为了让一个客户从它的ISP得到区别型服务,客户必须与他的ISP签定一个服务 级别合同(SLA)。一个SLA从根本上明确了所支持的业务级别以及在每个业务级别 中所允许的通信量。它可以是静态的,也可以是动态的。静态SLA定期地协商,如 以月或按年为单位。动态SLA的客户用某种信令协议(如 RSVP)请求所要求的服务。 客户可以标记自己的DS字段以指定想得到的服务,也可以让边缘路由器根据MF分类 来标记。 在ISP的人口,包被分类。管制,也可能整形。在人口路由器,所有的分类、 管制和整形规则均依据SLA。这些操作所需要的缓冲空间也依据SLA确定。当一个包 从一个域(domain)进入另外一个域时,它的DS字段可能会被重新标记,这由两个 域之间的SLA确定。运用分类。管制。整形和调度策略,可以提供多种业务。注意, 区别型业务只定义了DS字段和PHB,究竟会提供什么样的服务由ISP决定。 区别型业务模型完全不同于综合型业务模型,它的优点是: *伸缩性较好。DS字段只是规定了有限数量的业务级别,状态信息的数量正比 于业务级别,而不是流的数量。 * 便于实现。只在网络的边界上才需要复杂的分类、标记、管制和整形操作。 ISP核心路由器只需要实现行为聚集(BA)的分类,因此实现和部署区别型业务都 比较容易。 3.2.2与综合业务模型的互通 很有可能的是,综合业务模型会因为伸缩性的问题而无法在WAN上使用。将来 区别型业务模型(配合MPLS),在QoS方面很可能占有主导地位。而事实上,很多 ISP期待区别型业务模型能够满足所有他们的QoS需求。而与此相反的是,综合业务 模型能够在企业网中实施,很多企业的联网产品中都已经或即将集成某种程度的综 合业务能力。如果WAN用的是区别型业务模型,而LAN用的是综合业务和区别业务模 型的混合形式,那么当发送者和接收者之间的通路同时需要LAN和WAN时,如何才能 够保证端到端的QoS呢? IETF建议了两种互操作方式。一种方法是将综合业务覆盖在区别型业务网上, RSVP信令完全透明地通过区别型业务网。位于两种网络边缘的设备处理RSVP消息, 并且根据区别型业务网络中合适的资源的可用性提供许可控制。另外一种方法是简 单的并行处理。区别型业务网中的每个节点可能也是具有RSVP功能的。采取一些策 略决定哪些包用RSVP,哪些用区别行业务处理。这种模型可能适用于小型网络。 3.3 MPLS 多协议标记交换(MPLS)的动机是用一个固定长度的标签决定包的处理。MPLS 是一个前向转发策略,由Cisco的标记路由发展而来。在OSI的7层模型中,它位于 第2层和第3层之间。 3.3.1 MPLS介绍 每个MPLS都有一个头。这个头包括一个20bit的标签,一个3bit的业务级别 (COS)字段,一个1bit的标签栈指示器和一个8bit的TTL字段。MPLS头的封装是 在链路层头和网络传输层头之间。一个具有MPLS能力的路由器(标记交换路由器LSR), 在转发包时只检查标签。网络协议可以是IP或其他类型的,这也是叫多协议标记路 由的原因。 MPLS需要一个分配标签。建立标签交换通道(LSP)的协议。是创建一个普通的 标签分配协议(LDP),或是扩展RSVP提供此功能是一个还在争论的问题。一个LSP 与一个ATM虚链路相似,从发送端到接收端是单向的。 MPLS LSR用此协议协商每个 标签的涵义,规定如何处理来自对等端的一个特定标签的包。LSP的建立可以是控制 驱动的,也即由像路由更新那样的控制流触发。或者数据驱动的,也即由一个流请 求或一个流量的中继触发。在MPLS中,一个流量交易是那些具有相同服务级别的, 能够放到一个LSP的流的聚集。两个路由器之间的LSP可以与L3的逐跳路由一样,或 发送端LSR能够为LSP规定一个显式路由(Explicit Route)。能够建立显式路由是 MPLS最有用的特点之一。用标签索引的转发表的构造是标签分配的结果。每个转发 表人口规定了如何处理运载索引标签的包。 分类和路由包是在一个MPLS的作用域的人口 LSR处。当一个LSR收到一个标记了 的包时,它将用标签作为索引查找转发表。这比IP路由时查找匹配、解析路由表的 处理要快些。由转发表的人口决定处理包的方式。进入时的标签被离开时的标签所 替代,并且包被交换到下一LSR。标记交换的过程与ATM的VCI/VPI处理类似。在一 个MPLS域的内部,包转发、分类和QoS服务均由标签和COS域确定。这使得核心LSR很 简单。在一个包离开某MPLS域时,删除它的MPLS标签。 MPLS LSP也能够当作隧道(tunnel)用。当一个包进入一个隧道的起点时,它 的通道已经完全确定了,包将出现在隧道的终点处。它的通道完全由人口处分配给 它的标签决定,没有必要列举出隧道中所有的路由器。因此,它的效率比其他隧道 机制都要高。 MPLS的优点是: * 提供了更快的包分类和转发速度。 *提供了一种有效的隧道机制。 3.3.2 MPLS与区别型业务模型 MPLS可以与区别型业务用在一起来提供QoS。在这样的一种结构中,首先配置每 个人口一出口对之间的LSP。对于LSP(LSR1→LSR2)和LSP(LSR2→LSR1),它们之 间的LSR不需要互相彼此相反。很有可能对于每个人口一出口对,为每个流量类型创 建一个分开的LSP。为了减少LSP的数量,到某一出口的所有来自人口路由器的LSP合 并到一个树池(SinkTree)。也可能用一个树池传送不同流量类型的包,并且用COS 比特区分包的类型。这种结构中,随着正在传送的流量数的增加,在每个LSP或树池 的流量数也会增加。但所需要的LSP的数目或树池数不会增加。因此这种体系结构是 可伸缩的。 在路由器中的操作与前面提到的基于DS字段的操作基本上是一样的。在对一个 数据包进行处理时有3点不同之处:(1)在ISP网络的人口处,除了那些基于DS字段 的处理外,还要给包中插入一个MPLS头;(2)核心路由器处理包是基于它们的标签 和COS字段,而不是它们的DS字段;(3)在出口处,除非配置了外部域LSP,否则删 除MPLS头。 注意在这种策略里,MPLS的作用限制在使用MPLS的ISP内。对于其他的ISP,一 个特定的ISP的体系结构是基于DS字段还是MPLS,是完全透明的。因此,基于DS字段 的体系结构和基于MPLS的体系结构能够很容易地互操作。 3.4流量工程 从根本上讲,在网络负载严重时,综合型业务模型和区别型业务模型等QoS策略 提供的是性能的平稳下降。当通信负载比较轻时,综合业务和最佳效果业务几乎没 什么差别。因此,为什么不在第一步就设法避免拥塞呢?这就是流量工程的动机。 导致网络拥塞的原因可能会是网络资源不足或通信分布不均匀。在前一种情况 下,所有路由器和链路都会过载,唯一的解决办法是升级基础设施,提供更多的资 源。在第二种情况下,网络的一些地方过载而其他地方的负载却较轻。现在的动态 路由协议RIP,OSPF和IS-IS都会导致不均匀的通信分布,因为他们总是选择最短 路径转发包。结果是,在两个结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。OSPF的等价多路径(ECMP)选项, 以及最近的IS-IS,在给多个最短路径分配负载时是有用的。但是,如果只有一条 最短路径,ECMP就无能为力了。对于简单网络,可以让网络管理员手工配置链路的 代价,均匀地发配流量是可以的。但对于复杂网络,这几乎不可能。 流量工程就是安排传输流如何通过网络,以避免不均匀地使用网络而导致拥塞 的过程。为使流量工程自动化,约束寻径是一种重要的工具。因为在避免拥塞和提 供良好的性能方面,流量工程其实是对区别型业务模型的补充。 3.5约束路由 约束路由(Constrainted Based Routing)用来计算受到多种约束时的路由。 3.5.1约束路由介绍 约束路由是从QoS路由发展而来。对于给定QoS请求的一个流或一个流的聚集, QoS寻径返回的路由能够最大限度地满足QoS需求。约束路由扩展了QoS路由,考虑 管制等的其他约束,约束路由的目标是: *选择能够满足特定QoS需求的路由。 * 提高网络的利用率。 当决定一个路由时,约束路由不仅涉及网络的拓扑结构,而且还包括流提出的 需求,链路资源可用性以及网络管理员规定的一些可能的管制。因此,约束路由可 能会找到一条较长和较轻负载的路径,这条路径优于重负载的最短路径。网络流量 会因此而更均匀一些。要想实现约束寻径,路由器需要计算新链路的状态信息,再 根据这些状态信息计算路由。 3.5.2约束路由与其他QoS机制的关系 *综合业务模型。RSVP与约束路由是相互独立却互为补充的。约束路由决定RSVP 消息的通路,但并不预留资源。RSVP预留资源但有赖于约束路由或动态路由决定通 路。 * 区别型业务模型。约束路由为流选择最优路由,因此最大限度地保证了QoS。 约束路由不是要取代区别型业务模型,而是帮助它更好的传送。 * MPLS。从理论上说,二者是互斥独立的,因为MPLS是一种前向转发策略,而 约束路由是一种路由策略。约束路由基于资源和拓扑信息决定两个节点之间的路由, 有没有MPLS都可以。MPLS用标签分配协议建立LSP,而不关心路由是由约束路由,还 是动态路由确定的。 4 小结 本文介绍了IP网提供QoS的问题,尤其是这些模型的优缺点以及它们之间的相互 关系。根据因特网协议栈,综合业务模型和区别型业务模型是在传输层:约束路由 是在网络层;而MPLS位于第2、3层之间。 由于综合业务模型的缺点,现在几乎所有的人都看好区别型业务模型。将来区 别型业务模型配合MPLS,在QoS方面很可能占有主导地位。但区别型业务模型本身还 不完善,比如它并不提供全网端到端的QoS保证,有关的许多技术细节IETF都还未给 出具体明确的规定,包括业务类别的具体划分、每类业务性能的量化描述。IP的业 务类别与ATM QoS的影射等等。因此利用Diff-Serv。模型实现对IP网络QoS的保证 目前尚不成熟,有关标准的进一步制定和相关试验都在加紧进行。