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下一代互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)IP QoS

姜明 2004/03/15

1.IP QoS產(chǎn)生的背景

　　互聯(lián)網(wǎng)源于美國(guó)國(guó)防部的ARPANET計(jì)劃。在上世紀(jì)60年代中期，正是冷戰(zhàn)的高峰，美國(guó)國(guó)防部希望有一個(gè)命令和控制網(wǎng)絡(luò)能夠在核戰(zhàn)爭(zhēng)的條件下幸免于難，而傳統(tǒng)的電路交換的電話網(wǎng)絡(luò)則顯得太脆弱。國(guó)防部指定其下屬的高級(jí)研究計(jì)劃局（ARPA）解決這個(gè)問題，此后誕生的一個(gè)新型網(wǎng)絡(luò)便稱為ARPANET。當(dāng)ARPANET與美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）建成的NSFNET互聯(lián)以后，其上的用戶數(shù)以指數(shù)增長(zhǎng)，并且開始與加拿大、歐洲和太平洋地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)連接。到了80年代中期，人們開始把互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)稱為互聯(lián)網(wǎng)。

　　早在70年代中期，ARPA為了實(shí)現(xiàn)異種網(wǎng)之間的互聯(lián)與互通，推出了TCP/IP體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議規(guī)范。時(shí)至今日，TCP/IP協(xié)議也成為最流行的網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議。它不是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的，卻已成為網(wǎng)際互聯(lián)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，并由單純的TCP/IP協(xié)議發(fā)展成為一系列以IP為基礎(chǔ)的TCP/IP協(xié)議簇。TCP／IP協(xié)議簇為互聯(lián)網(wǎng)提供了基本的通信機(jī)制。

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)的指數(shù)增長(zhǎng)，其體系結(jié)構(gòu)也由ARPANET基于集中控制模型的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)演變?yōu)橛蒊SP運(yùn)營(yíng)的分散的基于自治系統(tǒng)（Autonomous systems AS）模型的體系結(jié)構(gòu)�；ヂ�(lián)網(wǎng)目前幾乎覆蓋了全球的每一個(gè)角落，其飛速發(fā)展充分說明了TCP/IP協(xié)議取得了巨大的成功。

　　但是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的速度和規(guī)模，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)出乎于二十多年前互聯(lián)網(wǎng)的先驅(qū)們制定TCP/IP協(xié)議時(shí)的意料之外，他們從未想過互聯(lián)網(wǎng)會(huì)發(fā)展到如此的規(guī)模，并且仍在飛速增長(zhǎng)。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，網(wǎng)絡(luò)同人們的生活和工作已經(jīng)密切相關(guān)。同時(shí)伴隨互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)膨脹所出現(xiàn)的問題也越來越嚴(yán)重。除了我們眾所周知的IP地址匱乏外，另外一個(gè)嚴(yán)重問題就是缺乏服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service QoS）保障。

　　現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)所提供的是"盡力而為"（best-effort）的服務(wù)，在這種服務(wù)模型下，所有的業(yè)務(wù)流被"一視同仁"地公平地競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)資源，路由器對(duì)所有的IP包都采用先來先處理（First Come First Service FCFS）的工作方式，它盡最大努力將IP包送達(dá)目的地。但對(duì)IP包傳遞地可靠性、延遲等不能提供任何保證。這很適合Email、Ftp、WWW等業(yè)務(wù)。

　　但隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速增長(zhǎng)，IP業(yè)務(wù)也得到了快速增長(zhǎng)和多樣化。特別是隨著多媒體業(yè)務(wù)的興起，計(jì)算機(jī)已經(jīng)不是單純的處理數(shù)據(jù)的工具，而是越來越貼近生活，計(jì)算機(jī)的交互越來越實(shí)時(shí)和生動(dòng)，這對(duì)計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)也就相應(yīng)地提出了更高的要求。對(duì)那些有帶寬、延遲、延遲抖動(dòng)等特殊要求的應(yīng)用來說，現(xiàn)有的"盡力而為"的服務(wù)顯然是不夠的。盡管由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)帶寬以及網(wǎng)絡(luò)速度都得到了極大的提高，但需要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)卻也幾乎以與網(wǎng)絡(luò)發(fā)展速度相同的速度增加，甚至超過網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的速度，這使得網(wǎng)絡(luò)帶寬與網(wǎng)絡(luò)速度依然是一個(gè)瓶頸問題。同時(shí)，近年來發(fā)展起來的一些新的應(yīng)用（如多媒體應(yīng)用，組播應(yīng)用等）不僅增加了網(wǎng)絡(luò)流量，更因?yàn)檫@些應(yīng)用改變了以往互聯(lián)網(wǎng)上的流量性質(zhì)，因而它們需要全新的服務(wù)要求。由于不具備服務(wù)質(zhì)量保障特性，不能預(yù)留帶寬，不能限定網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，因此，目前的因特網(wǎng)無(wú)法支持許多新的應(yīng)用如遠(yuǎn)程教學(xué)、遠(yuǎn)程手術(shù)、遠(yuǎn)程會(huì)議和學(xué)術(shù)交流等。

2.IP QoS的定義及其實(shí)施方案

　　IP QoS的研究目標(biāo)是有效地為用戶提供端到端的服務(wù)質(zhì)量控制或保證。QoS就是網(wǎng)絡(luò)單元（例如，應(yīng)用程序，主機(jī)或路由器）能夠在一定級(jí)別上確保它的業(yè)務(wù)流和服務(wù)要求得到滿足。QoS并沒有創(chuàng)造帶寬，只是根據(jù)應(yīng)用程序的需求以及網(wǎng)絡(luò)狀況來管理帶寬。IP QoS有一套性能參數(shù)，主要包括：

　　業(yè)務(wù)可用性：用戶到Internet業(yè)務(wù)之間連接的可靠性。

　　傳輸延遲：指兩個(gè)參照點(diǎn)之間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的時(shí)間間隔。

　　可變延遲：也稱為延遲抖動(dòng)（Jitter），指在同一條路由上發(fā)送的一組數(shù)據(jù)流中數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間差異。

　　吞吐量：網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送數(shù)據(jù)包的速率,可用平均速率或峰值速率表示。

　　丟包率：在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)丟棄數(shù)據(jù)包的最高比率。數(shù)據(jù)包丟失一般是由網(wǎng)絡(luò)擁塞引起的。

實(shí)現(xiàn)QoS的一種方法是按照服務(wù)水平的要求分配資源給每一個(gè)數(shù)據(jù)流。這種采用"資源預(yù)留"進(jìn)行帶寬分配的方法并不適合"盡力而為"型應(yīng)用。由于帶寬資源是有限的，QoS的設(shè)計(jì)者引入了優(yōu)先級(jí)概念，使得在資源預(yù)留后"盡力而為"服務(wù)的數(shù)據(jù)流的傳輸也能得到一定的保障。因此，IP QoS可以分為兩種基本類型：

　　基于資源預(yù)留：網(wǎng)絡(luò)資源按照某個(gè)業(yè)務(wù)的QoS要求進(jìn)行分配，制定資源管理策略。互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組IETF（Internet Engineering Task Force）提出的綜合服務(wù)（Integrated Services， IntServ）體系結(jié)構(gòu)便是基于這種策略，資源預(yù)留協(xié)議（Resource reSerVation Protocol, RSVP）是其核心部分。

　　基于優(yōu)先級(jí)：網(wǎng)絡(luò)邊界節(jié)點(diǎn)對(duì)業(yè)務(wù)流進(jìn)行分類、整形、標(biāo)記。核心節(jié)點(diǎn)按照資源管理策略分配資源，對(duì)QoS要求高的業(yè)務(wù)給以優(yōu)先處理。IETF提出的區(qū)分服務(wù)（Differentiated Services，DiffServ）便是基于這種策略。

這些QoS方法可以被用于單個(gè)數(shù)據(jù)流或聚集的數(shù)據(jù)流（aggregate flow）。根據(jù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)流的不同，IPQoS可以分類為：

　　用于單數(shù)據(jù)流：?jiǎn)蝹�(gè)數(shù)據(jù)流為在兩個(gè)應(yīng)用（發(fā)送者和接受者）之間的單個(gè)的、單向的數(shù)據(jù)流。可以用傳輸協(xié)議、源地址、源端口號(hào)碼、目的地址和目的端口號(hào)碼這五種參數(shù)來分類。
用于聚集流：綜合流由兩個(gè)或更多個(gè)單個(gè)數(shù)據(jù)流組成。這些流在一個(gè)或多個(gè)參數(shù)、標(biāo)記或優(yōu)先數(shù)以及一些認(rèn)證信息方面有一些共同點(diǎn)。

為了解決IP QoS問題，IETF已經(jīng)提出了幾種服務(wù)模型和機(jī)制，主要有：

　　綜合服務(wù)和資源預(yù)留協(xié)議IntServ/RSVP：以RSVP信令向網(wǎng)絡(luò)提出業(yè)務(wù)流傳輸規(guī)格（Flowspec），并建立和拆除傳輸路徑上的業(yè)務(wù)流狀態(tài)。主機(jī)和路由器節(jié)點(diǎn)建立和保持業(yè)務(wù)流狀態(tài)信息。盡管RSVP經(jīng)常用于單個(gè)流，但也用于聚流的資源預(yù)留。

　　區(qū)分服務(wù)：在區(qū)分服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中，邊界路由器根據(jù)用戶的流規(guī)格（stream profile）將用戶流劃分為不同的級(jí)別，再聚合成流聚集，聚集信息存放在IP包頭的DS標(biāo)記域，稱為DS標(biāo)記（Differentiated Services CodePoint，DSCP）。內(nèi)部節(jié)點(diǎn)則根據(jù)DSCP提供不同質(zhì)量的調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。

　　多協(xié)議標(biāo)記交換（MultiProtocol Lable Switch，MPLS）：根據(jù)分組頭的標(biāo)記，通過網(wǎng)絡(luò)路徑控制來提供流聚集的帶寬管理子網(wǎng)帶寬管理（Subnet Bandwidth Management，SBM）：負(fù)責(zé)OSI第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）的分類和優(yōu)先級(jí)排列，同IEEE 802網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共享和交換。

3.綜合服務(wù)模型和資源預(yù)留協(xié)議

IntServ/RSVP簡(jiǎn)介
　　Int-Serv/RSVP服務(wù)模型在IETF RFC1633中進(jìn)行了定義。RFC1633將資源預(yù)留協(xié)議RSVP作為IntServ結(jié)構(gòu)中的主要信令協(xié)議。其基本思想就在于以資源預(yù)留的方式來實(shí)現(xiàn)QoS保障，RSVP是其核心部分。RSVP是主機(jī)用來從應(yīng)用程序獲得特定的QoS的一種控制協(xié)議，完成綜合服務(wù)需要定義的呼叫接納控制功能和資源預(yù)留功能。端點(diǎn)應(yīng)用程序利用RSVP消息向網(wǎng)絡(luò)提出完成數(shù)據(jù)傳送必須保留的網(wǎng)絡(luò)資源（如帶寬及緩沖區(qū)大小等），同時(shí)也確定沿傳送路徑的各個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸處理策略，從而對(duì)每個(gè)業(yè)務(wù)流實(shí)現(xiàn)逐個(gè)控制。

在服務(wù)層次上，IntServ/RSVP提供了3種級(jí)別的業(yè)務(wù)：

　　端到端的質(zhì)量保證型服務(wù)（Guaranteed Service）：保證帶寬、限制延遲、無(wú)丟包。

　　可控負(fù)載型服務(wù)（Controlled－Load Service）：類似于在當(dāng)前的一個(gè)負(fù)載較輕網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)的盡力而為業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

　　盡力而為的服務(wù)（Best Effort Service）：類似當(dāng)前Internet在提供的盡力而為的服務(wù)。

　　在結(jié)構(gòu)層次上，IntServ/RSVP服務(wù)模型主要由四個(gè)部分構(gòu)成：信令協(xié)議RSVP，接入控制器（admission control routines），分類器（classifier）以及包調(diào)度器（packet scheduler）。

　　在實(shí)現(xiàn)層次上，綜合服務(wù)需要所有路由器在控制路徑上處理每個(gè)流的信令消息并維護(hù)每個(gè)流的路徑狀態(tài)和資源預(yù)留狀態(tài)，在數(shù)據(jù)路徑上執(zhí)行流的分類、調(diào)度和緩沖區(qū)管理。具體而言，資源預(yù)留協(xié)議RSVP負(fù)責(zé)逐點(diǎn)（hop-by-hop）地建立或者拆除每個(gè)流的資源預(yù)留軟狀態(tài)（soft state），也即建立或拆除數(shù)據(jù)傳輸路徑；接入控制器將決定是否接受一個(gè)資源預(yù)留請(qǐng)求，其根據(jù)是鏈路和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的資源使用情況以及QoS請(qǐng)求的具體要求；分類器則對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進(jìn)行分類成傳輸流， IntServ常用的分類器是多域（Multi-Field，MF）分類器，當(dāng)路由器接收到數(shù)據(jù)包時(shí)，它根據(jù)數(shù)據(jù)包頭部的多個(gè)域（如5元組：源IP地址，目的IP地址，源端口號(hào)，目的端口號(hào)，傳輸協(xié)議），將數(shù)據(jù)包放入相應(yīng)的隊(duì)列中；調(diào)度器則根據(jù)不同的策略對(duì)各個(gè)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包進(jìn)行調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)。

資源預(yù)留協(xié)議RSVP
　　RSVP早在1993年就被提出，用于為IP網(wǎng)提供QoS能力。1997年初IETF批準(zhǔn)RSVP成為RFC文件，在+IntServ工作組內(nèi)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)制定工作。RSVP是一種提供預(yù)留設(shè)置和控制以實(shí)現(xiàn)綜合服務(wù)合協(xié)議，是所有QoS協(xié)議中最復(fù)雜的。RSVP資源預(yù)留請(qǐng)求包括流規(guī)格說明（TSpec）、資源預(yù)留規(guī)格說明（RSpec）和過濾器規(guī)格說明（Filter Spec），它們一起稱為"流描述符"（Flow Des-criptor）。資源預(yù)留請(qǐng)求中的流規(guī)格說明通常包含服務(wù)類型和數(shù)字參數(shù)集合。預(yù)留說明和業(yè)務(wù)流說明決定于綜合服務(wù)模型并且對(duì)RSVP來說是透明的。過濾器規(guī)格說明的格式依賴于所使用的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，即IPv4或IPv6。目前所用的RSVP中定義的基本過濾器規(guī)格說明格式具有嚴(yán)格的形式：發(fā)送端IP地址和可選的TCP/UDP端口號(hào)。在服務(wù)保證、資源分配的粒度和對(duì)保證QoS應(yīng)用及用戶反饋的細(xì)節(jié)等方面RSVP都能提供最高級(jí)的QoS。歸納起來，RSVP有以下6個(gè)特點(diǎn)：

　　在每一個(gè)路由器中的預(yù)留是"軟"的，這意味著需要由接收者周期地更新。

　　RSVP不是傳輸協(xié)議而是網(wǎng)絡(luò)（控制）協(xié)議，它不攜帶數(shù)據(jù)，但是和TCP或UDP數(shù)據(jù)流并行工作。
應(yīng)用要求API決定流的初始預(yù)留請(qǐng)求，并且接收在經(jīng)過初始請(qǐng)求和全過程中預(yù)留成功或失敗的通知。
為了能夠容納大量不同的接收者，預(yù)留是以接收端驅(qū)動(dòng)的（Receiver-Driven)。

　　多播的預(yù)留在上行的數(shù)據(jù)流復(fù)制點(diǎn)上被結(jié)合。

　　RSVP數(shù)據(jù)流可以通過不支持RSVP的路由器，這會(huì)在QoS鏈上產(chǎn)生弱鏈路，在這些弱鏈路上無(wú)法提供QoS保證，因而此時(shí)的服務(wù)就是盡力而為型的。

使用RSVP信令建立數(shù)據(jù)發(fā)送路徑以及為業(yè)務(wù)流預(yù)留資源的過程如下：

　　發(fā)送端向接收端發(fā)送一個(gè)包含業(yè)務(wù)流規(guī)格說明（TSpec）的PATH消息，其中包含了業(yè)務(wù)流標(biāo)識(shí)(即目的地址)及其業(yè)務(wù)特征，包括所需要的帶寬的上下限，延遲以及延遲抖動(dòng)等。如圖1中①所示。
該消息由沿路徑的路由器逐跳傳送，并且每個(gè)路由器都被告知準(zhǔn)備預(yù)留資源，從而建立一個(gè)"路徑狀態(tài)"，該狀態(tài)信息包含PATH消息中的前一跳源地址。如圖1中②、③所示。

　　接收方收到此消息后從業(yè)務(wù)特征和所要求的QoS計(jì)算出所需要的資源，向其上游節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)資源預(yù)留請(qǐng)求RESV消息，該消息中包含了TSpec、RSpec以及Filter Spec，其主要包含的參數(shù)就是要求預(yù)留的帶寬。如圖1中④所示。

　　RESV是沿PATH的發(fā)送路徑原路返回的，沿途的路由器收到RESV消息后，調(diào)用自己的接入控制程序以決定是否接受該業(yè)務(wù)流，如果接受，則按要求為業(yè)務(wù)流分配帶寬和緩存空間，并記錄該流狀態(tài)信息，然后將RESV消息繼續(xù)向上游轉(zhuǎn)發(fā)；如果拒絕，則向接收端返回一個(gè)錯(cuò)誤信息給接收端以終止呼叫。如圖1中⑤所示。

　　當(dāng)最后的路由器收到RESV消息并且接受該請(qǐng)求時(shí)，它向接收端發(fā)回一個(gè)確認(rèn)消息。如圖1中⑥所示。


圖1 RSVP建立傳輸路徑以及預(yù)留資源的過程

　　在此過程中，我們注意到，和電信網(wǎng)絡(luò)中的呼叫建立過程相反，RSVP是由接收端驅(qū)動(dòng)的資源預(yù)留。其目的是考慮在組播的情況下，以接收端驅(qū)動(dòng)，可以適應(yīng)組播群成員的動(dòng)態(tài)增減，以及各接收端要求不同QoS的異質(zhì)請(qǐng)求情況。當(dāng)通信結(jié)束或者一方退出會(huì)話后預(yù)留的資源可以由超時(shí)機(jī)制釋放。RSVP還定義了顯式的釋放機(jī)制，通過PathTear由啟動(dòng)點(diǎn)沿下游方向傳送至接收端，通知沿途各路由器釋放資源。ResvTear則反向傳送，功能相似。它們可由端系統(tǒng)發(fā)出，也可由路由器在狀態(tài)超時(shí)時(shí)發(fā)送出。至此，業(yè)務(wù)流的傳輸路徑已經(jīng)建立起來了，數(shù)據(jù)流可以進(jìn)行發(fā)送了。

　　RSVP可以看作是配置業(yè)務(wù)處理的機(jī)制，綜合服務(wù)則是在RSVP信令基礎(chǔ)上夠用以提供端到端QoS保證的體系結(jié)構(gòu)。IntServ設(shè)定網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持業(yè)務(wù)的處理機(jī)制，保證每一個(gè)業(yè)務(wù)流嚴(yán)格獨(dú)立于其他業(yè)務(wù)流的服務(wù)，并設(shè)定提供特定量化資源的服務(wù)。

　　從以上討論可以看出，IntServ/RSVP服務(wù)模型對(duì)傳統(tǒng)Internet體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展主要包括在路由器中保存業(yè)務(wù)流狀態(tài)信息以及明確的狀態(tài)建立機(jī)制。這種模型在路由器中所保存的業(yè)務(wù)流狀態(tài)信息是軟狀態(tài)信息，由于軟狀態(tài)信息在路由器發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)容易通過RSVP信令刷新而隱含地拆除并在另外路由器中重建業(yè)務(wù)流狀態(tài)信息，而硬狀態(tài)信息（hard state）需要明確地拆除狀態(tài)信息，因而保持了網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的魯棒性（robustness）。同時(shí)，由于這種模型有效地集成了各種實(shí)時(shí)應(yīng)用和非實(shí)時(shí)應(yīng)用，因而保持了網(wǎng)絡(luò)的效率。另外，由于兼容了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議棧，因此能對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效的管理。

IntServ/RSVP的缺陷
　　從理論上講IntServ/RSVP模型完全可以保證為IP網(wǎng)絡(luò)提供QoS保障。但隨后在一些網(wǎng)上的實(shí)驗(yàn)表明這種服務(wù)模型有很明顯的局限性，這些問題主要表現(xiàn)在：這不僅表現(xiàn)在擴(kuò)展性差上，更大的問題是它要求核心路由器必須保持經(jīng)過它的每一個(gè)單個(gè)數(shù)據(jù)流的狀態(tài)，而核心路由器是不能這么做的。另一個(gè)大問題是這種方法因此，盡管主要的路由器生產(chǎn)商和主機(jī)都支持RSVP,它也被廣泛接受，但是它始終沒有成為主流，原因是ISP們不愿意采用它，很少有大型網(wǎng)絡(luò)采用它。近來，人們認(rèn)識(shí)到RSVP的出路在于與區(qū)分服務(wù)配合工作，相輔相成。

　　可擴(kuò)展性差：可擴(kuò)展性是IntServ/RSVP模型最致命的一個(gè)問題，其基于流的資源預(yù)留、調(diào)度處理以及緩沖區(qū)管理，有利于提供QoS保證，但狀態(tài)信息隨業(yè)務(wù)流數(shù)量的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，沿途的路由器要為每個(gè)數(shù)據(jù)流都維持一個(gè)"軟狀態(tài)"，而路由器的存儲(chǔ)器容量有限,可以保存的軟狀態(tài)信息都是有限的，在一個(gè)運(yùn)營(yíng)商規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中幾乎不可能實(shí)現(xiàn)這一要求。

　　對(duì)路由器的要求過高，網(wǎng)絡(luò)中所有的路由器都必須支持RSVP信令協(xié)議，接入控制程序，分類器以及調(diào)度器。

　　RSVP中引入每流狀態(tài)（per-flow state）的概念，對(duì)于數(shù)據(jù)通信和實(shí)時(shí)應(yīng)用通信而言，IP網(wǎng)絡(luò)同時(shí)扮演了面向無(wú)連接和面向連接網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)不同角色，提供兩種功能,這與其簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)原則相抵觸。

　　資源預(yù)留不適用于短時(shí)流，比如Web流等，而在因特網(wǎng)中Web流量超過了50％。

　　IntServ/RSVP還存在著資源預(yù)留和路由協(xié)議之間的矛盾。如圖2所示，從路由角度來看它是一條好的路徑，但從資源預(yù)留來看，由于沒有足夠的資源可以預(yù)留，不能為數(shù)據(jù)流建立起一條路徑，因此這一進(jìn)程只能停留在這里，等待上層超時(shí)拆除這個(gè)應(yīng)用進(jìn)程，再重新建立路徑。


　　因此，要實(shí)現(xiàn)IntServ的QoS保證是很困難的，它需要基于流的、復(fù)雜的資源預(yù)留、接納控制、QoS路由和調(diào)度機(jī)制。在諸如互聯(lián)網(wǎng)這種復(fù)雜的、大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中，鏈路狀態(tài)是不確定的，有效地預(yù)留帶寬資源非常困難。而且資源預(yù)留本身就與IP網(wǎng)絡(luò)的最大特點(diǎn)"無(wú)連接"相沖突。更重要地問題就是IntServ面臨地可擴(kuò)展性（scalability）問題和魯棒性（rubustness）問題，這主要是因?yàn)樵诜植际骄W(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，很難維持動(dòng)態(tài)的、可復(fù)制的傳輸流狀態(tài)一致性。

　　早期的IntServ是面向單流的，在路由器配置和使用多域分類準(zhǔn)則，這給路由器尤其是主干網(wǎng)絡(luò)核心路由器帶來了巨大負(fù)荷。為了增加IntServ的擴(kuò)展性，近期RSVP已經(jīng)開始支持流聚集，即將沿相同業(yè)務(wù)流傳輸路徑流聚合成宏流（macro-flow），按宏流來預(yù)留資源。這雖然減輕了核心路由器的一些負(fù)擔(dān)，但I(xiàn)ntServ本身的體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)決定了其高復(fù)雜性，而且由于路徑數(shù)是邊界節(jié)點(diǎn)數(shù)的平方，宏流數(shù)仍然很龐大。

　　由于IntServ/RSVP體系存在著諸多問題，一種新的體系結(jié)構(gòu)便應(yīng)運(yùn)而生，這就是區(qū)分服務(wù)體系結(jié)構(gòu)(Differentiated Services，DiffServ)。

4.區(qū)分服務(wù)

區(qū)分服務(wù)簡(jiǎn)介
　　DiffServ的最大特點(diǎn)就是簡(jiǎn)單有效、擴(kuò)展性強(qiáng)。其實(shí)施特點(diǎn)是采用聚合的機(jī)制將具有相同特性的若干業(yè)務(wù)流聚合起來，為整個(gè)聚合流提供服務(wù)，而不再面向單個(gè)業(yè)務(wù)流。也就是說在DiffServ網(wǎng)絡(luò)邊界路由器上保持每流狀態(tài)，核心路由器只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)而不保持狀態(tài)信息。這種Core-Stateless結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。其基本實(shí)現(xiàn)方法是：

　　簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的服務(wù)機(jī)制。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的核心路由器中只保存簡(jiǎn)單的DSCP（DiffServ CodePoint）與PHB的對(duì)應(yīng)機(jī)制，在數(shù)據(jù)流進(jìn)入核心路由器時(shí)只根據(jù)數(shù)據(jù)包頭部DS（Differ- entiated Services）域中的DSCP進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，而業(yè)務(wù)流狀態(tài)信息的保存與流監(jiān)控機(jī)制的實(shí)現(xiàn)等都在網(wǎng)絡(luò)邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)是狀態(tài)無(wú)關(guān)的。

　　聚合網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部核心路由器的服務(wù)對(duì)象。采用流聚集的方式進(jìn)行傳輸控制，具有相同DSCP的業(yè)務(wù)流組成一個(gè)宏流（macro-flow），核心路由器的服務(wù)對(duì)象即是宏流而不是單流（micro-flow），單流信息只在網(wǎng)絡(luò)邊界節(jié)點(diǎn)保存和處理。

　　DiffServ大大降低了信令的工作，而將重點(diǎn)放在流聚集以及適用于全網(wǎng)業(yè)務(wù)等級(jí)的一套"逐跳行為"上。我們可以根據(jù)預(yù)先確定的規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類，從而將多種應(yīng)用數(shù)據(jù)流聚集為有限的幾種數(shù)據(jù)流等級(jí)。具體而言，邊界節(jié)點(diǎn)根據(jù)用戶的流規(guī)格（profile）和資源預(yù)留信息對(duì)業(yè)務(wù)流進(jìn)行分類、整形、標(biāo)記、聚合為不同的流聚集，流聚集信息包含在報(bào)文IP頭部的DSCP標(biāo)記域中。核心路由器在調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)IP包時(shí)以流聚集為服務(wù)對(duì)象，根據(jù)IP包頭不同的DSCP提供不同的轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)質(zhì)量，這種對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的方式，稱為"逐跳行為"（Per-Hop-Behavior，PHB），實(shí)際上是一種相對(duì)優(yōu)先級(jí)機(jī)制。

　　實(shí)際上，按照DS域的標(biāo)記，以相應(yīng)方式提供不同質(zhì)量的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，也正是區(qū)分服務(wù)名字的由來。美國(guó)正在開展的下一代互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃Internet2便是選擇DiffServ作為其QoS策略。

區(qū)分服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)
　　雖然DiffServ仍在不斷的發(fā)展，一些標(biāo)準(zhǔn)仍在制定、完善之中，但經(jīng)過幾年的發(fā)展，DiffServ的相關(guān)概念及模型已經(jīng)比較成熟了，DiffServ體系結(jié)構(gòu)也已經(jīng)比較明確了。在此基礎(chǔ)上，與服務(wù)提供有關(guān)的問題，如DSCP的定義、PHB服務(wù)的定義等等已逐步完善。區(qū)分服務(wù)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　其中的DiffServ區(qū)域是由一些相連的DiffServ節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的集合，它們有統(tǒng)一的服務(wù)提供策略，且實(shí)現(xiàn)一致的PHB組，比如某個(gè)ISP的網(wǎng)絡(luò)或者內(nèi)部網(wǎng)。每個(gè)DS區(qū)域通過邊界節(jié)點(diǎn)（boundary node）與非DS區(qū)域相連，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)流傳輸方向，邊界節(jié)點(diǎn)可以分為入口節(jié)點(diǎn)和出口節(jié)點(diǎn)。

　　為了保證用戶能從ISP那里獲得所需要的服務(wù)質(zhì)量，用戶必須和ISP之間簽訂有服務(wù)等級(jí)協(xié)定（Service Level Agreement, SLA），而ISP之間也必須建立業(yè)務(wù)流調(diào)節(jié)協(xié)定（Traffic Condition Agreement, TCA），SLA規(guī)范了ISP對(duì)客戶端網(wǎng)絡(luò)所支持的業(yè)務(wù)類別以及每種類別的業(yè)務(wù)流數(shù)量，TCA則規(guī)范了ISP之間的數(shù)據(jù)流應(yīng)該滿足的一些約定。

　　這樣，當(dāng)有數(shù)據(jù)流進(jìn)入DS區(qū)域時(shí)，入口節(jié)點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行分類（classifier）、調(diào)節(jié)（condition），保存流（單流或聚流）的狀態(tài)信息，根據(jù)事先和用戶約定的流規(guī)格對(duì)流進(jìn)行計(jì)量（metering）、標(biāo)記（marking）、整形（sharping）、丟棄（dropping）等，以使輸入流符合SLA，同時(shí)在包頭標(biāo)記DSCP值，并將其加入相應(yīng)的行為聚集BA（Behavior Aggregate）。出口節(jié)點(diǎn)也可能需要對(duì)輸出流進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證其與下游DS區(qū)域的TCA相符。

　　DiffServ區(qū)（region）則是由連續(xù)的DS區(qū)域構(gòu)成。一個(gè)DS區(qū)內(nèi)的DS區(qū)域可以支持不同的PHB組，并且各自區(qū)域的DSCP到PHB的映射函數(shù)也可能不相同。在不同的DS區(qū)域之間，必須對(duì)SLA和TCA進(jìn)行調(diào)節(jié)，以協(xié)調(diào)彼此之間的服務(wù)語(yǔ)義。這樣，通過在上游DS區(qū)域和下游DS區(qū)域之間建立SLA或TCA，區(qū)分服務(wù)可以擴(kuò)展到多個(gè)DS區(qū)域。


圖3 區(qū)分服務(wù)體系結(jié)構(gòu)示意圖

　　在圖3中，我們假設(shè)客戶端網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)和ISP建立了相應(yīng)的SLA，ISP之間也建立了TCA。如果客戶端網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)A向另一客戶端網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)B發(fā)送數(shù)據(jù)流，則數(shù)據(jù)包在客戶端網(wǎng)絡(luò)中路由到達(dá)與它直接相連的ISP的網(wǎng)絡(luò)N1，邊界路由器E1根據(jù)用戶與ISP之間的SLA通過查看數(shù)據(jù)包的頭部信息對(duì)它進(jìn)行分類、監(jiān)控、標(biāo)記以及整形，以使它符合SLA。被標(biāo)記了DSCP的數(shù)據(jù)包在N1中傳輸，直到到達(dá)N1的出口節(jié)點(diǎn)。在N1的出口節(jié)點(diǎn)，邊界路由器根據(jù)N1與N2之間的TCA對(duì)業(yè)務(wù)流進(jìn)行整形，使它符合N1與N2網(wǎng)絡(luò)之間的TCA。業(yè)務(wù)流依次通過中間的每個(gè)ISP，最后到達(dá)接收端所在的客戶端網(wǎng)絡(luò)。

區(qū)分服務(wù)標(biāo)記域與區(qū)分服務(wù)標(biāo)記DSCP
　　IP包頭部的區(qū)分服務(wù)標(biāo)記域（DS Field）是DS區(qū)域邊界節(jié)點(diǎn)和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)傳輸流聚集信息的媒介，是內(nèi)部核心路由器轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文的依據(jù)，是連接報(bào)文與轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)（PHB）的橋梁，也是邊界節(jié)點(diǎn)與其它DS區(qū)域根據(jù)TCA進(jìn)行調(diào)節(jié)的依據(jù)。

　　DS標(biāo)記域定義為IPv4頭部的TOS（Type of Service）字節(jié)或IPv6頭部的流類型（Traffic Class）字節(jié)。如圖4所示。其中DSCP（6bit）即為區(qū)分服務(wù)標(biāo)記，CU（2bit）在本體系中沒有使用，IETF已將它定義為ECN（Explicit Congestion Notification，顯式擁塞指示）使用。對(duì)于不支持CU域的路由器，當(dāng)決定所收到的報(bào)文的PHB時(shí)，將忽略CU的值；對(duì)于不支持該域的主機(jī)，在發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)候，將該域的值置零。下行節(jié)點(diǎn)則通過識(shí)別這個(gè)字段，獲取信息來處理到達(dá)輸入端口的數(shù)據(jù)包，并將它們正確地轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳的路由器。


分服務(wù)中的分類和調(diào)節(jié)機(jī)制
　　為了使用戶數(shù)據(jù)流符合SLA和TCA，邊界節(jié)點(diǎn)要對(duì)其進(jìn)行分類和調(diào)節(jié)，因而從功能上可以分為兩個(gè)模塊：分類器（classifier）和調(diào)節(jié)器（conditioner），如圖5所示。


　　分類器根據(jù)數(shù)據(jù)包頭部的某些域（如DSCP或MF五元組）對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類。目前定義了兩種類型的分類器：

　　行為聚集（Behavior Aggregate，BA）分類器：根據(jù)包頭的DSCP來對(duì)包進(jìn)行分類。
多域（Multi-Field，MF）分類器：根據(jù)包頭部中多個(gè)域內(nèi)容的組合來進(jìn)行分類，如源地址、目標(biāo)地址、DS域、協(xié)議標(biāo)識(shí)、源端口號(hào)以及目標(biāo)端口號(hào)等。

　　從功能上，調(diào)節(jié)器可分為計(jì)量器（meter）、標(biāo)記器（marker）、整形器（sharper）和丟包器（dropper）。

　　計(jì)量器根據(jù)TCA中所規(guī)范的業(yè)務(wù)流要求測(cè)量被分類器所選定的業(yè)務(wù)流的某些實(shí)時(shí)屬性，并將所測(cè)量到的數(shù)據(jù)包的統(tǒng)計(jì)信息送往其它的調(diào)節(jié)功能模塊。

　　標(biāo)記器設(shè)置報(bào)文的DS域?yàn)橐惶囟ǖ腄SCP，并將標(biāo)記了的包添加到一特定的DS行為聚集中。標(biāo)記器可以將所有送入到它那兒的包標(biāo)記為同一個(gè)DSCP值，也可以配置成根據(jù)計(jì)量器的統(tǒng)計(jì)信息將其標(biāo)記為同一PHB組內(nèi)的PHB所對(duì)應(yīng)的DSCP值。

　　整形器和丟包器則通過延遲或丟棄業(yè)務(wù)流中的包使得業(yè)務(wù)流符合TCA流規(guī)范。

　　隨著對(duì)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流特性研究的深入發(fā)展，調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)也日漸成熟，通常的做法是用令牌桶（token bucket）和漏斗桶（leaky bucket）等算法進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合。近來又提出了一種新的算法：基于時(shí)間滑動(dòng)窗口（Time Slide Windows，TSW）的算法，它是通過計(jì)算數(shù)據(jù)包的平均到來速度來對(duì)包進(jìn)行分類和標(biāo)記。

　　在客戶端網(wǎng)絡(luò)與ISP建立的SLA有兩種形式：靜態(tài)SLA和動(dòng)態(tài)SLA。靜態(tài)SLA根據(jù)具體的策略由網(wǎng)絡(luò)操作員事先確定客戶網(wǎng)絡(luò)所需要的網(wǎng)絡(luò)資源，并一直為客戶端網(wǎng)絡(luò)保留相應(yīng)的資源，這樣，客戶端網(wǎng)絡(luò)在發(fā)送數(shù)據(jù)流的時(shí)候，并不需要向ISP申請(qǐng)網(wǎng)絡(luò)資源。顯然，這種SLA實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但缺乏靈活性，網(wǎng)絡(luò)資源利用率不高。動(dòng)態(tài)SLA則相反，它提供了較強(qiáng)的靈活性。當(dāng)客戶網(wǎng)絡(luò)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它首先向ISP申請(qǐng)網(wǎng)絡(luò)資源，ISP根據(jù)客戶請(qǐng)求分配資源，并在邊界節(jié)點(diǎn)建立起相應(yīng)的SLA。動(dòng)態(tài)SLA可以使用帶寬代理（Bandwidth Broker, BB）（如圖6）或者RSVP來實(shí)現(xiàn)


區(qū)分服務(wù)中的逐跳行為
　　逐跳行為PHB是一個(gè)DS節(jié)點(diǎn)調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)特定流聚集行為的外特性描述，本質(zhì)上，PHB描述的是單個(gè)節(jié)點(diǎn)為特定流聚集分配資源的方式。IETF目前已經(jīng)定義的PHB有：

　　加速型轉(zhuǎn)發(fā)（Expedited Forwarding，EF）：可使時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)最小并且可以提供最高級(jí)的綜合QoS確保型轉(zhuǎn)發(fā)（Assured Forwarding，AF）：超過流量規(guī)劃值的數(shù)據(jù)流，不會(huì)按照未超過規(guī)劃值時(shí)那么高的概率傳送。這意味著它可以被降級(jí)，但是不會(huì)被丟棄。

　　允許丟包的加速型轉(zhuǎn)發(fā)EFD：除了EFD允許丟包而EF幾乎沒有丟包外，EFD與EF的外特性幾乎相同。EFD的應(yīng)用主要是在無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中。

　　缺省型轉(zhuǎn)發(fā) BE：相當(dāng)于傳統(tǒng)的極力而為調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)行為的PHB。

　　準(zhǔn)缺省型轉(zhuǎn)發(fā) LBE：比BE優(yōu)先級(jí)還要低的PHB行為，其作用是在擁塞時(shí)有比BE更高的丟包優(yōu)先級(jí)，提高BE的性能。

區(qū)分服務(wù)的基本服務(wù)類型
　　與IntServ類似，Diff-Serv也定義了三種服務(wù)類型：

　　盡力而為的服務(wù)：類似于目前Internet上盡力而為的服務(wù)。

　　獎(jiǎng)賞服務(wù)（Premium Services，PS）：為用戶提供低延遲、低抖動(dòng)、低丟包率和保證帶寬的端到端或者網(wǎng)絡(luò)邊界到邊界的傳輸服務(wù)。PS是目前區(qū)分服務(wù)模型中定義的級(jí)別最高的服務(wù)種類。這種"三低一保證"的服務(wù)類似于傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的專線業(yè)務(wù)，因此也稱為"虛擬專線"服務(wù)。

　　確保服務(wù)（Assured Services，AS）：確保服務(wù)是從統(tǒng)計(jì)上保證用戶的帶寬，其初衷是在網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況下，也能保證用戶有一定量的預(yù)約帶寬。AS的著眼點(diǎn)是帶寬和丟包率，而不太注重延遲和抖動(dòng)。AS最具吸引力的是其實(shí)現(xiàn)機(jī)制較為簡(jiǎn)單，只要采用簡(jiǎn)單的標(biāo)記和丟棄機(jī)制就能實(shí)現(xiàn)IP QoS。在發(fā)生擁塞時(shí)，確保服務(wù)通過控制丟包優(yōu)先級(jí)，提供了比"盡力而為"服務(wù)更好的服務(wù)。確保服務(wù)的基本思路是：

　　邊界路由器對(duì)進(jìn)入DS域的數(shù)據(jù)包進(jìn)行標(biāo)記，預(yù)約帶寬內(nèi)的包標(biāo)為IN（in profile），否則標(biāo)為OUT（out profile）。

　　發(fā)生擁塞時(shí)，核心路由器根據(jù)包頭的標(biāo)記決定丟包概率，Out包的丟棄概率大于In包。從而在統(tǒng)計(jì)意義上上保證用戶的預(yù)約帶寬。

　　目前，獎(jiǎng)賞服務(wù)已經(jīng)比較成熟、穩(wěn)定，而確保服務(wù)仍然處于發(fā)展之中，其焦點(diǎn)主要集中在如何保證聚流之間的個(gè)公平性以及聚流內(nèi)各單流之間的公平性，這主要是由于Internet上數(shù)據(jù)流的特性引起的。研究表明，現(xiàn)有的確保服務(wù)方案并不能真正確保用戶得到的服務(wù)，因此，如何使得確保服務(wù)能夠真正起到確保的作用，還有待進(jìn)一步研究。

5.多協(xié)議標(biāo)簽交換MPLS
　　1997年，以Cisco公司為主的幾家公司（包括Ipsilon、IBM、Cascade、Toshiba）提出了多協(xié)議標(biāo)簽交換（Multiprotocol Lable Switch，MPLS）技術(shù)。MPLS技術(shù)產(chǎn)生的初衷就是為了綜合利用網(wǎng)絡(luò)核心的交換技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)邊緣的IP路由技術(shù)各自的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的其最初設(shè)計(jì)目標(biāo)是將第二層的交換速度引入到第三層�；跇�(biāo)簽的交換方式允許路由器在作轉(zhuǎn)發(fā)決定的時(shí)候僅僅以簡(jiǎn)單的標(biāo)簽為基礎(chǔ)，而不是基于目標(biāo)IP地址作復(fù)雜的路由查找�，F(xiàn)在，MPLS更成為流量工程（Traffic Engeering）和虛擬專用網(wǎng)（Virtual Private Network，VPN）方案的重要解決手段，并且日益成為擴(kuò)大IP網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的重要標(biāo)準(zhǔn)。

MPLS中的常用的術(shù)語(yǔ)

　　標(biāo)簽（Label）：標(biāo)簽是一個(gè)包含在每個(gè)包中的短的具有固定長(zhǎng)度的數(shù)值，用于通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)包。

　　標(biāo)簽邊緣路由器（Lable Edge Router，LER）：LER是MPLS網(wǎng)絡(luò)同其他網(wǎng)絡(luò)相連的邊緣設(shè)備，它提供流量分類和標(biāo)簽的映射（作為Ingress）、標(biāo)簽的移除功能。

　　標(biāo)簽交換路由器（Lable Switching Router，LSR）：LSR是MPLS網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備，提供標(biāo)簽交換、標(biāo)簽分發(fā)功能，具有第三層轉(zhuǎn)發(fā)分組和第二層交換分組的能力。

　　等價(jià)轉(zhuǎn)發(fā)類（Forwarding Equivalence Class，F(xiàn)EC）：FEC是在轉(zhuǎn)發(fā)過程中以等效的方式處理的一組數(shù)據(jù)包，例如目的地址前綴相同的數(shù)據(jù)包。FEC歸類的方法可以各不相同，粒度也可有差別。

　　標(biāo)簽交換路徑（Lable Switching Path，LSP）：MPLS實(shí)際上是一個(gè)面向連接的系統(tǒng)，標(biāo)簽的分配實(shí)際上就是一個(gè)建立連接的過程，也即建立了一條LSP。LSP可以是動(dòng)態(tài)的，也可以是靜態(tài)的，動(dòng)態(tài)LSP是通過路由信息自動(dòng)生成，靜態(tài)LSP是被明確提供的。

　　標(biāo)簽分配協(xié)議（Label Distribution Protocol，LDP）：LDP提供一套標(biāo)準(zhǔn)的信令機(jī)制用于有效地實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的分配與轉(zhuǎn)發(fā)功能。LDP基于原有的網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議OSPF、IS-IS、RIP、EIGRP或BGP等構(gòu)建標(biāo)簽信息庫(kù)，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在MPLS域邊緣節(jié)點(diǎn)（即入節(jié)點(diǎn)與出節(jié)點(diǎn)）之間建立LSP。LDP主要執(zhí)行以下4個(gè)操作：

　　發(fā)現(xiàn)(Discovery)：發(fā)布并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)中的LSR。

　　會(huì)晤(Session)：建立和保持兩個(gè)對(duì)等LDP之間的會(huì)晤。

　　廣告( Advertisement)：執(zhí)行標(biāo)簽的分配和傳播( allocation and distribution)。通知(Notification)：通告差錯(cuò)信息。

MPLS的基本原理
　　MPLS協(xié)議的關(guān)鍵是引入了標(biāo)簽（Label）的概念。一對(duì)LSR必須在標(biāo)簽的數(shù)值和意義上一致。例如，下行LSR會(huì)給上行LSR發(fā)送一個(gè)特定標(biāo)簽X．代表一個(gè)特定的稱作A的FEC。于是，一個(gè)標(biāo)簽只在一對(duì)正在通信的LSR之間起作用，并用來表示屬于一個(gè)從上行LSR流向下行LSR的特定FEC的分組。MPLS可以支持添加到現(xiàn)有的幀或分組結(jié)構(gòu)（如以太網(wǎng)、PPP）的標(biāo)簽，也可以利用包含在數(shù)據(jù)鏈路層（如幀中繼和ATM）中的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)。


　　標(biāo)簽的格式取決于分組封裝所在的介質(zhì)。例如，ATM封裝的分組（信元）采用VPI和／或VCI數(shù)值作為標(biāo)簽，而幀中繼PDU采用DLCI作為標(biāo)簽。對(duì)于那些沒有內(nèi)在標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的介質(zhì)封裝，則采用一個(gè)特殊的數(shù)值填充。圖7給出4字節(jié)填充標(biāo)簽的格式，它包含一個(gè)20bits的標(biāo)簽值、一個(gè)3bits的CoS值、一個(gè)1bit的堆棧標(biāo)識(shí)符和一個(gè)8bits的TTL值。此外．如果填充值被插入到一個(gè)PPP或以太網(wǎng)幀中，包含在各幀頭中的一個(gè)協(xié)議ID（或以太網(wǎng)類型）表示一個(gè)幀或者一個(gè) MPLS單播或組播幀。

　　傳統(tǒng)的路由器是通過逐步查找路由/轉(zhuǎn)發(fā)表來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的（hop by hop路由方式），由于路由查找基本上是通過CPU來完成的，所以轉(zhuǎn)發(fā)速率受到很大的限制，這種轉(zhuǎn)發(fā)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足目前互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要，尤其是一些高帶寬和對(duì)時(shí)延敏感的多媒體業(yè)務(wù)大量進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)后。而MPLS的一個(gè)根本目的就是解決轉(zhuǎn)發(fā)速率問題。其方法就是依據(jù)標(biāo)簽這個(gè)短小、定長(zhǎng)、非結(jié)構(gòu)化并只具有局部意義的標(biāo)識(shí)來轉(zhuǎn)發(fā)分組。由于標(biāo)簽的這些特點(diǎn)，所以標(biāo)簽的查找可以采用數(shù)組來實(shí)現(xiàn)，無(wú)論是用硬件還是用軟件來實(shí)現(xiàn)都不難。

　　當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)入MPLS網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它首先在LER處被分配一個(gè)標(biāo)簽。報(bào)文沿著LSP進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，路徑中的每個(gè)LSR僅僅根據(jù)標(biāo)簽內(nèi)容來做出轉(zhuǎn)發(fā)決定。在每一跳中，LSR剝離現(xiàn)有的標(biāo)簽，將一個(gè)新的標(biāo)簽應(yīng)用于該報(bào)文，并告訴下一跳如何轉(zhuǎn)發(fā)該報(bào)文。

　　具體而言，每個(gè)進(jìn)入MPLS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包被歸類為一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類（Forwarding Equivalence Class, FEC），該等價(jià)類以一個(gè)標(biāo)簽來標(biāo)識(shí)，因此，報(bào)文中的標(biāo)簽內(nèi)容也就表示了該報(bào)文所分配的FEC。傳統(tǒng)的路由器在進(jìn)行包轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，各個(gè)路由器是獨(dú)立地作出轉(zhuǎn)發(fā)決定的，也就是說，每個(gè)路由器都將查看包頭的目的地址，而在MPLS中，只是在報(bào)文進(jìn)入MPLS網(wǎng)絡(luò)的LER時(shí)查看包的目的地址，在其它路由器并不查看包的目的地址，而僅僅根據(jù)其標(biāo)簽內(nèi)容來作出轉(zhuǎn)發(fā)決定。在數(shù)據(jù)包進(jìn)入到LSR時(shí)，入域標(biāo)簽映射（Incoming Label Map, ILM）機(jī)制將入域包的標(biāo)簽內(nèi)容與一組下一跳標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)入口（The Next Hop Label Forwarding Entry，NHLFE）相映射。LSR查看該NHLFE，決定向哪個(gè)接口轉(zhuǎn)發(fā)該包，并對(duì)包的標(biāo)簽棧執(zhí)行一個(gè)操作，然后將新的標(biāo)簽壓入標(biāo)簽棧，轉(zhuǎn)發(fā)所得到的結(jié)果。

MPLS在流量工程中的應(yīng)用
　　流量工程（Traffic Engineering，TE）的主要目的就是在促進(jìn)有效、可靠的網(wǎng)絡(luò)操作的同時(shí)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的利用率和流量的性能。一般來說，它包含了技術(shù)的應(yīng)用、測(cè)量的科學(xué)準(zhǔn)則、模型化、特征化（Characterization）和因特網(wǎng)流量的控制，以及如何將這些知識(shí)和技術(shù)應(yīng)用到實(shí)踐中來獲取一些特定的性能指標(biāo)。由于網(wǎng)絡(luò)資源的昂貴和因特網(wǎng)激烈的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的天性，流量工程已經(jīng)成為大型自治系統(tǒng)（Autonomous System，AS）中一個(gè)不可缺少的功能。

　　MPLS的最初設(shè)計(jì)目標(biāo)是將第二層的交換速度引入到第三層，隨著第三層交換速度的大大提高，這一最初目標(biāo)已經(jīng)不復(fù)存在了，而現(xiàn)在MPLS的最主要功能就是流量工程，即在多條可能的轉(zhuǎn)發(fā)路徑中進(jìn)行負(fù)載平衡。

　　流量工程是指為業(yè)務(wù)流選擇路徑的處理過程，以在網(wǎng)絡(luò)中不同的鏈路、路由器和交換機(jī)之間平衡業(yè)務(wù)流負(fù)載。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在多條并行或可選的路徑時(shí)，流量工程就顯得非常重要了。流量工程的主要目的是提供有效可靠的網(wǎng)絡(luò)操作，同時(shí)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的利用和業(yè)務(wù)流性能。流量工程的目標(biāo)是在一給定節(jié)點(diǎn)與另一節(jié)點(diǎn)之間計(jì)算一條路徑（源路由），該路徑不違反它的約束（例如帶寬/管理要求），并且從一些數(shù)量指標(biāo)看來是最優(yōu)的。一旦路徑被計(jì)算后，流量工程將負(fù)責(zé)在該路徑上建立和維護(hù)轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。


圖8 MPLS體系結(jié)構(gòu)

6.子網(wǎng)帶寬管理SBM
　　由于數(shù)據(jù)包的發(fā)送過程必須經(jīng)過發(fā)送端主機(jī)以及接收端主機(jī)的所有OSI協(xié)議層，甚至可能要經(jīng)過中間某個(gè)網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)。這就涉及到一個(gè)問題：如何在子網(wǎng)內(nèi)，即在數(shù)據(jù)鏈路層上保證高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)幀獲得高級(jí)別的服務(wù)。某些鏈路層的技術(shù)已經(jīng)可以支持QoS了，例如異步傳輸模式ATM。而其它更多的LAN技術(shù)（如以太網(wǎng)技術(shù)）最初并非為支持QoS設(shè)計(jì)的。以太網(wǎng)作為共享的廣播媒介，在它的交換方式中，提供了一種類似與傳統(tǒng)的盡力而為的IP服務(wù)。為此，IETF的ISSLL小組定義了上層QoS協(xié)議和服務(wù)與以太網(wǎng)之類的數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)之間的映射關(guān)系，并且提出了子網(wǎng)帶寬管理（Subnet Bandwidth Management，SBM）的方案，它適用于802.1 LAN，如以太網(wǎng)、令牌環(huán)和FDDI等。SBM是數(shù)據(jù)鏈路層上的QoS，它通過將高層QoS映射到特定的數(shù)據(jù)鏈路層上實(shí)現(xiàn)在第二層上的快速交換。

　　SBM也是一個(gè)信令協(xié)議，它允許網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和交換機(jī)之間在SBM框架內(nèi)進(jìn)行通信和協(xié)調(diào)，并實(shí)現(xiàn)向高層QoS的映射。在SBM體系結(jié)構(gòu)中，要求所有的數(shù)據(jù)幀必須通過至少一個(gè)SBM交換機(jī)。SBM的主要構(gòu)件有三個(gè)部分：

　　請(qǐng)求模塊（Request Module, RM）：請(qǐng)求模塊駐留在每個(gè)端系統(tǒng)中而不駐留在任何交換機(jī)中。請(qǐng)求模塊根據(jù)管理員所定義的策略，將高層的QoS協(xié)議參數(shù)映射到第二層的優(yōu)先級(jí)別。

　　帶寬分配器（Bandwidth Allocator, BA）：帶寬分配器保存子網(wǎng)內(nèi)資源的分配狀態(tài)，并且根據(jù)可用資源的情況以及管理員所定義的策略來執(zhí)行接入控制。

　　通信協(xié)議（Communication Protocols, CP）：通信協(xié)議用于在SBM系統(tǒng)中，各個(gè)不同的組件之間進(jìn)行通信。SBM體系結(jié)構(gòu)提供了RM-to-BA以及BA-to-BA的信令機(jī)制來請(qǐng)求資源、改變或刪除分配資源。


　　SBM有兩種形式的體系結(jié)構(gòu)：集中式結(jié)構(gòu)和分布式結(jié)構(gòu)，它取決于BA所處的位置，如圖9和圖10所示。不管在哪種形式的結(jié)構(gòu)中，RM都必須在需要請(qǐng)求資源的端系統(tǒng)中。APP表示需要使用RM的應(yīng)用，它可以是用戶應(yīng)用程序，也可以是高層協(xié)議（如RSVP）。


　　在集中式結(jié)構(gòu)中，只有單個(gè)的BA來實(shí)現(xiàn)整個(gè)子網(wǎng)的帶寬管理與分配，每個(gè)端系統(tǒng)中包含一個(gè)RM，而網(wǎng)橋和交換機(jī)中則不需要RM。當(dāng)端系統(tǒng)需要請(qǐng)求資源時(shí)，則由它的RM首先向BA發(fā)出請(qǐng)求通信。在這種結(jié)構(gòu)中，BA需要知道整個(gè)子網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　在分布式結(jié)構(gòu)中，子網(wǎng)內(nèi)所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中都需要實(shí)現(xiàn)BM功能，所有的端系統(tǒng)中仍然需要實(shí)現(xiàn)RM。在這種結(jié)構(gòu)中，每個(gè)BA需要知道與它連接的本地網(wǎng)段（一個(gè)子網(wǎng)可能包括多個(gè)網(wǎng)段）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。


關(guān)于作者

　　姜明，計(jì)算機(jī)專業(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)問題進(jìn)行切磋，歡迎大家對(duì)本文多提寶貴意見，我的Email是：jiangmingcc@163.com。

下一代互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)IP QoS（2）

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