IP QoS——IP網(wǎng)絡(luò )的核心技術(shù)
李曉東 2001/04/06
在過(guò)去的25年中，Internet從一個(gè)美國政府建立的研究性網(wǎng)絡(luò )發(fā)展成為今天全球性的商用網(wǎng)絡(luò )。Internet是第一個(gè)IP(Internet
Protocol)的大規模應用。IP技術(shù)現在已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò )話(huà)音 (Webtone)世界的基礎平臺。人們普遍認為，無(wú)論是在公用網(wǎng)絡(luò )還是專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )(如企業(yè)
Intranet)的演進(jìn)過(guò)程中，IP技術(shù)都將發(fā)揮著(zhù)舉足輕重的作用。
為什么需要IP QoS？
IP網(wǎng)絡(luò )上多媒體業(yè)務(wù)的出現對IP環(huán)境中的服務(wù)質(zhì)量 (QoS)提出了更高的要求。通過(guò)Intel和Microsoft等公司的努力，多媒體應用已經(jīng)成為PC
結構中的一個(gè)有機組成部分，推動(dòng)了公用和專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )迅速地向多樣化的、更具挑戰性的業(yè)務(wù)組合發(fā)展。
Internet上的分組話(huà)音和傳真業(yè)務(wù)極大地降低了成本，使通信產(chǎn)業(yè)發(fā)生了徹底的變化。所有這些實(shí)時(shí)多媒體應用所需要的QoS遠比目前Internet可以提供的盡力而為的服務(wù)等級保證要高。
目前，Internet 遠遠不能提供企業(yè)所需要的且已經(jīng)在其專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )中習慣的可靠性和性能。商業(yè)客戶(hù)在安全性、可預測性、可測量性等方面得到保證之前，還不大可能把關(guān)鍵業(yè)務(wù)的數據、話(huà)音和多媒體應用放到公用IP網(wǎng)絡(luò )上。IP
QoS 就是在這種環(huán)境下應運而生的。
IP QoS是指IP的服務(wù)質(zhì)量，是指IP數據流通過(guò)網(wǎng)絡(luò )時(shí)的性能。它的目的就是向用戶(hù)的業(yè)務(wù)提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。它有一套度量指標，包括業(yè)務(wù)可用性、延遲、可變延遲、吞吐量和丟包率。IP
QoS在可預測、可測量性方面比傳統IP有了很大提高，基本解決了商業(yè)用戶(hù)的需求，因而勢必可以吸引更多的商業(yè)用戶(hù)，形成一個(gè)新的利潤增長(cháng)點(diǎn)，帶來(lái)可增值的業(yè)務(wù)種類(lèi)。另外，IP
QoS還帶來(lái)了更高效的帶寬使用率等。因此可以說(shuō)IP QoS將是今后一段時(shí)間促進(jìn)IP網(wǎng)絡(luò )增長(cháng)的關(guān)鍵技術(shù)。
有了IP QoS，服務(wù)提供商就可以通過(guò)吸引更多的商業(yè)用戶(hù)、更高價(jià)位的業(yè)務(wù)級別以及更高效的帶寬使用等來(lái)獲得更大的收益。它們還可以通過(guò)增強不同業(yè)務(wù)的區分能力、Better-than-best-effort
(優(yōu)于盡力而為的傳輸) 的業(yè)務(wù)和客戶(hù)化解決方案來(lái)獲得更大競爭優(yōu)勢。
盡管IP QoS的研究工作已經(jīng)進(jìn)行了一段時(shí)間，但是人們普遍認為目前還未出現一個(gè)成熟的體系架構、支持硬件以及相應的操作技術(shù)。但無(wú)論怎樣，在IP網(wǎng)絡(luò )中保證QoS將會(huì )是一個(gè)重要的發(fā)展方向。
IP QoS的機遇
將數據業(yè)務(wù)以及IP的話(huà)音業(yè)務(wù)轉移到公用IP網(wǎng)絡(luò )上是服務(wù)提供商最近幾年尋找到的一個(gè)賣(mài)點(diǎn)或業(yè)務(wù)突破口。隨著(zhù)公網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，一些商業(yè)用戶(hù)已經(jīng)開(kāi)始將其應用逐漸地轉移到了公用IP網(wǎng)絡(luò )上來(lái)。吸引商業(yè)客戶(hù)的最重要的一個(gè)條件就是這些關(guān)鍵業(yè)務(wù)都提供基于IP的QoS。IP
QoS給運營(yíng)商帶來(lái)了很多好處。首先運營(yíng)商通過(guò)IP QoS的引入，可以從性能上保證商業(yè)用戶(hù)關(guān)鍵應用在運營(yíng)網(wǎng)絡(luò )中傳輸的服務(wù)質(zhì)量，以提供原來(lái)無(wú)法提供的關(guān)鍵性業(yè)務(wù)，獲得高額的利潤；其次，由于IP
QoS的引入，網(wǎng)絡(luò )的帶寬將會(huì )得到更有效的使用，可以根據商業(yè)用戶(hù)的不同應用要求提供不同的帶寬保證，使運營(yíng)成本進(jìn)一步降低。另外，如果從競爭的角度考慮，能夠根據用戶(hù)的需要來(lái)提供多種優(yōu)于盡力而為的業(yè)務(wù)級別，為用戶(hù)量體裁衣，提供個(gè)性化服務(wù)的運營(yíng)商無(wú)疑最有競爭力。
然而，要想實(shí)現上述幾點(diǎn)并非易事。IP QoS仍然是一個(gè)比較新的概念，不同廠(chǎng)商提供了多種不同的專(zhuān)有解決方案，而且標準還未統一。因此，互連互通對運營(yíng)商是一個(gè)不得不考慮的問(wèn)題。除此之外，在這種不確定的環(huán)境中，服務(wù)提供商在實(shí)施IP
QoS解決方案時(shí)，應該首先考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：
這些問(wèn)題都是運營(yíng)商在采用或實(shí)施IP QoS之前必須充分考慮的問(wèn)題。
IP QoS的定義
大多數的業(yè)內專(zhuān)家都認為，QoS是區分服務(wù)提供商的一個(gè)重要標準。然而，與業(yè)務(wù)相關(guān)的一些重要概念和術(shù)語(yǔ)至今仍未達成普遍的一致，而這些概念和術(shù)語(yǔ)又恰恰是建立標準化的業(yè)務(wù)的重要前提。例如，IP
QoS本身經(jīng)常被誤用，即使是業(yè)內的專(zhuān)家也不例外；所宣傳的IP QoS往往只是IP CoS（Class of Service，服務(wù)級別）。它只能簡(jiǎn)單地將業(yè)務(wù)區分開(kāi)來(lái)，而無(wú)法準確完善地定義和保證每一個(gè)服務(wù)級別。在一般的通信用語(yǔ)中，CoS的含義很廣泛，它既包括一套已經(jīng)標準化了的特性，也包括其他一些現在已經(jīng)有效但還沒(méi)有標準化的業(yè)務(wù)或業(yè)務(wù)集。而QoS的含義則很明確，主要用于度量與某種業(yè)務(wù)相關(guān)的一整套性能特點(diǎn)。
QoS可以用一系列可度量的參數來(lái)描述：
IP QoS的體系結構
IP QoS的概念應該分為兩個(gè)部分，這兩部分的IP QoS 定義和側重點(diǎn)均有所不同。
局域網(wǎng)中的IP QoS主要是對第二層的以太網(wǎng)幀頭加入了優(yōu)先級字段，以區分不同的優(yōu)先級。嚴格地講，在局域網(wǎng)中只能簡(jiǎn)單地區分業(yè)務(wù)的優(yōu)先級，并不能像ATM
QoS那樣有精確的定義和詳細的參數指標來(lái)衡量。
這種解決方案是根據對IEEE 802.1p/q協(xié)議字段的處理來(lái)區分不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)的。IEEE 802.1p/q同屬于一個(gè)子集，它在傳統的以太網(wǎng)幀頭中加入了4個(gè)字節，其中802.1p占3位。802.1p延伸了802.1d的協(xié)議，利用3位優(yōu)先級位可以最多提供8個(gè)優(yōu)先等級。而802.1q利用VI(VLAN
Identifier，虛擬網(wǎng)標識)位識別傳送的幀究竟屬于哪一個(gè)虛網(wǎng)。VI位共有12位，最大可以支持的虛網(wǎng)個(gè)數不會(huì )超過(guò)4096個(gè)。 802.1p/q的具體定義可以參見(jiàn)圖1。
在廣域網(wǎng)上，IETF(Internet Engineering Task Force)定義了兩種IP QoS結構——綜合業(yè)務(wù)結構（Int-Serv
)和業(yè)務(wù)區分結構（Diff-Serv）。兩種結構各有其特點(diǎn)和優(yōu)勢，目前還無(wú)法互通。
Int-Serv 一般應用在企業(yè)網(wǎng)絡(luò )的邊沿，如圖2所示，它使用一種類(lèi)似ATM SVC的方法，在發(fā)送端和接收端之間用RSVP(資源預留協(xié)議)作為每個(gè)流(Flow)的信令。RSVP的信息跨越整個(gè)網(wǎng)絡(luò )，請求/預留資源。路徑沿途的各路由器(包括核心路由器)必須為每個(gè)要求服務(wù)質(zhì)量保證的數據流維護一個(gè)“軟狀態(tài)”。所謂的“軟狀態(tài)”
就是一種臨時(shí)性狀態(tài)，由資源預留定期失效來(lái)控制，因此無(wú)需申請拆除顯式路徑。軟狀態(tài)被定期的RSVP信息更新。通過(guò)RSVP信息的預留，各路由器可以判斷是否有足夠的資源可以預留。只有所有的路由器都給RSVP提供了足夠的資源，“路徑”方可建立；否則，將返回并拒絕信息。
Diff-Serv比Int-Serv 更具可擴展性，如圖3所示，它可用于企業(yè)的廣域網(wǎng)中，并在運營(yíng)商網(wǎng)絡(luò )中發(fā)揮重要的作用，因為它可以根據應用或業(yè)務(wù)類(lèi)型排出不同的優(yōu)先級別。業(yè)務(wù)區分結構使用IPv4報頭中的業(yè)務(wù)類(lèi)型（ToS）字段，并將8 位ToS字段重新命名，作為DS字段，其中6位可供目前使用，剩余2位以備將來(lái)使用，如圖4所示。通過(guò)該字段的標記，下行節點(diǎn)可以獲取足夠的服務(wù)質(zhì)量信息，以對到達該端口的數據包做出相應的“處理”，將它們正確地轉發(fā)給下一跳的路由器。這里需要注意， ToS字段和DS字段的定義是不同的。邊緣路由器可以將ToS字段映射到DS字段。
IP QoS的未來(lái)
IP QoS將成為運營(yíng)商級IP聯(lián)網(wǎng)解決方案的基礎，這種解決方案既可以十分可靠地傳輸公共Internet等一般性數據業(yè)務(wù)，同時(shí)又能傳輸關(guān)鍵業(yè)務(wù)應用。分析家普遍認為，在今后兩年中IP業(yè)務(wù)將迅速增長(cháng)，并將成為大多數服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò )中的主導業(yè)務(wù)，而不僅僅是ISP。隨著(zhù)IP業(yè)務(wù)的進(jìn)一步商業(yè)化，產(chǎn)業(yè)結構將發(fā)生較大變化。
目前還沒(méi)有一個(gè)路由協(xié)議可以根據不同的業(yè)務(wù)特點(diǎn)來(lái)計算最優(yōu)路徑。眾所周知，不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)，其特點(diǎn)不同。如視頻和話(huà)音業(yè)務(wù)雖然對傳輸時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)都十分敏感，但對數據的丟失卻有一定的忍耐度；相反，一般的數據業(yè)務(wù)雖然對時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)都不十分在意，但對數據本身的丟失和差錯卻十分敏感。因此，不同的業(yè)務(wù)在通過(guò)運營(yíng)網(wǎng)絡(luò )時(shí)對最優(yōu)路徑的理解是不同的。對于數據業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，最短的路徑就是最優(yōu)的路徑；而對于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)卻未必如此。這些分歧是為純粹數據業(yè)務(wù)設計的傳統路由協(xié)議很難彌補的。因此，與之相關(guān)的問(wèn)題就會(huì )影響到IP網(wǎng)絡(luò )的業(yè)務(wù)質(zhì)量，這是一個(gè)難以解決的問(wèn)題。所幸的是，新的路由協(xié)議出現了，使得這一問(wèn)題的解決指日可待。
新一代的IP產(chǎn)品還將提供不斷增多的隊列，以實(shí)現更精細的業(yè)務(wù)區分。將來(lái)，還可以實(shí)現為特定的數據流定義并分配隊列。
策略管理算法將完全符合網(wǎng)絡(luò )拓撲及其他環(huán)境因素，使網(wǎng)絡(luò )能夠使用尖端的高級策略、更有效地控制SLA、網(wǎng)絡(luò )和業(yè)務(wù)的管理以及業(yè)務(wù)恢復。
IP業(yè)務(wù)模式定義將更為明確，IP的業(yè)務(wù)控制功能將進(jìn)一步增強，它們的結果就是服務(wù)的質(zhì)量和級別將迅速提高，使更多的用戶(hù)群可以享用到功能更為豐富的IP業(yè)務(wù)。
總之，盡管今天的IP QoS還有很多問(wèn)題沒(méi)有解決，但就像今天的IP業(yè)務(wù)一樣，IP QoS將不可避免地成為運營(yíng)商IP 網(wǎng)絡(luò )中一項關(guān)鍵的核心技術(shù)。