IP网络上台阶的关键技术――IP QoS

1计算机世界第二十五期(7月3日)产品与技术-专题报道出版日期:20000703本期专题:IP网络上台阶的关键技术——IPQoSInternet在过去5年所取得的巨大成就和未来所蕴涵的巨大发展潜力几乎没有人怀疑。当人们在思考未来Internet的发展时,如何在IP网络上保证用户信息传输的质量就成为一个不容忽视的重要问题。为解决这一问题,IPQoS(服务质量)便应运而生。IP业务多样化和快速增长已成为一个不争的事实。因此,IPQoS已成为网络基础研究的一个重点,也是未来IP网络发展的关键技术,因为IPQoS是IP网络增加服务内容、提高服务质量的关键技术,也是未来网络运营商竞争的一个焦点。IPQoS是指IP的服务质量,也是指IP数据流通过网络时的性能。它的目的就是向用户提供端到端的服务质量保证。它有一套度量指标,包括业务可用性、延迟、可变延迟、吞吐量和丢包率。IPQoS在可预测、可测量性方面比传统IP有了很大的提高,基本解决了商业用户的基本需求,因而势必可以吸引更多的商业用户,形成一个新的利润增长点,带来可增值的业务种类。另外,IPQoS还可提高带宽的使用率。本期专题的主旨并不期望涵盖IPQoS的所有方面,而是围绕着IPQoS的体系结构,阐述了IPQoS的机遇、发展现状、目前存在的问题以及对未来发展方向的展望。希望对一些准备在其运营网络中使用IPQoS技术的运营商有所帮助。主要包括如下几篇文章:1.IPQoS——IP网络的核心技术2.IPQoS的综合业务结构——Int-Serv3.IPQoS的业务区分结构——Diff-Serv4.IPQoS的流量管理5.IPQoS的实现1．IPQoS——IP网络的核心技术李晓东在过去的25年中,Internet从一个美国政府建立的研究性网络发展成为今天全球性的商用网络。Internet是第一个IP(InternetProtocol)的大规模应用。IP技术现在已经成为网络话音(Webtone)世界的基础平台。人们普遍认为,无论是在公用网络还是专用网络(如企业Intranet)的演进过程中,IP技术都将发挥着举足轻重的作用。为什么需要IPQoS?IP网络上多媒体业务的出现对IP环境中的服务质量(QoS)提出了更高的要求。通过Intel和Microsoft等公司的努力,多媒体应用已经成为PC结构中的一个有机组成部分,推动了公用和专用网络迅速地向多样化的、更具挑战性的业务组合发展。Internet上的分组话音和传真业务极大地降低了成本,使通信产业发生了彻底的变化。所有这些实时多媒体应用所需要的QoS远比目前Internet可以提供的尽力而为的服务等级保证要高。目前,Internet远远不能提供企业所需要的且已经在其专用网络中习惯的可靠性和性能。商业客户在安全性、可预测性、可测量性等方面得到保证之前,还不大可能把关键业务的数据、话音和多媒体应用放到公用IP网络上。IPQoS就是在这种环境下应运而生的。2IPQoS是指IP的服务质量,是指IP数据流通过网络时的性能。它的目的就是向用户的业务提供端到端的服务质量保证。它有一套度量指标,包括业务可用性、延迟、可变延迟、吞吐量和丢包率。IPQoS在可预测、可测量性方面比传统IP有了很大提高,基本解决了商业用户的需求,因而势必可以吸引更多的商业用户,形成一个新的利润增长点,带来可增值的业务种类。另外,IPQoS还带来了更高效的带宽使用率等。因此可以说IPQoS将是今后一段时间促进IP网络增长的关键技术。有了IPQoS,服务提供商就可以通过吸引更多的商业用户、更高价位的业务级别以及更高效的带宽使用等来获得更大的收益。它们还可以通过增强不同业务的区分能力、Better-than-best-effort(优于尽力而为的传输)的业务和客户化解决方案来获得更大竞争优势。尽管IPQoS的研究工作已经进行了一段时间,但是人们普遍认为目前还未出现一个成熟的体系架构、支持硬件以及相应的操作技术。但无论怎样,在IP网络中保证QoS将会是一个重要的发展方向。IPQoS的机遇将数据业务以及IP的话音业务转移到公用IP网络上是服务提供商最近几年寻找到的一个卖点或业务突破口。随着公网技术的不断成熟,一些商业用户已经开始将其应用逐渐地转移到了公用IP网络上来。吸引商业客户的最重要的一个条件就是这些关键业务都提供基于IP的QoS。IPQoS给运营商带来了很多好处。首先运营商通过IPQoS的引入,可以从性能上保证商业用户关键应用在运营网络中传输的服务质量,以提供原来无法提供的关键性业务,获得高额的利润;其次,由于IPQoS的引入,网络的带宽将会得到更有效的使用,可以根据商业用户的不同应用要求提供不同的带宽保证,使运营成本进一步降低。另外,如果从竞争的角度考虑,能够根据用户的需要来提供多种优于尽力而为的业务级别,为用户量体裁衣,提供个性化服务的运营商无疑最有竞争力。然而,要想实现上述几点并非易事。IPQoS仍然是一个比较新的概念,不同厂商提供了多种不同的专有解决方案,而且标准还未统一。因此,互连互通对运营商是一个不得不考虑的问题。除此之外,在这种不确定的环境中,服务提供商在实施IPQoS解决方案时,应该首先考虑以下几个问题:*应该为我的客户提供什么样的业务水平?*如何提供端到端的IPQoS?如何经济高效地管理IPQoS?*如何充分利用现有的IP或ATM基础设施?*如何将IPQoS与企业虚拟专用网业务结合?这些问题都是运营商在采用或实施IPQoS之前必须充分考虑的问题。IPQoS的定义大多数的业内专家都认为,QoS是区分服务提供商的一个重要标准。然而,与业务相关的一些重要概念和术语至今仍未达成普遍的一致,而这些概念和术语又恰恰是建立标准化的业务的重要前提。例如,IPQoS本身经常被误用,即使是业内的专家也不例外;所宣传的IPQoS往往只是IPCoS(ClassofService,服务级别)。它只能简单地将业务区分开来,而无法准确完善地定义和保证每一个服务级别。在一般的通信用语中,CoS的含义很广泛,它既包括一套已经标准化了的特性,也包括其他一些现在已经有效但还没有标准化的业务或业务集。而QoS的含义则很明确,主要用于度量与某种业务相关的一整套性能特点。3QoS可以用一系列可度量的参数来描述:*业务可用性:用户到Internet业务之间连接的可靠性。*延迟:也称为时延(Latency),指两个参照点之间发送和接收数据包的时间间隔。*可变延迟:也称为抖动(Jitter),指在同一条路由上发送的一组数据流中数据包之间的时间差异。*吞吐量:网络中发送数据包的速率,可用平均速率或峰值速率表示。丢包率:在网络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率。数据包丢失一般是由网络拥塞引起的。IPQoS的体系结构IPQoS的概念应该分为两个部分,这两部分的IPQoS定义和侧重点均有所不同。局域网中的IPQoS主要是对第二层的以太网帧头加入了优先级字段,以区分不同的优先级。严格地讲,在局域网中只能简单地区分业务的优先级,并不能像ATMQoS那样有精确的定义和详细的参数指标来衡量。这种解决方案是根据对IEEE802.1p/q协议字段的处理来区分不同优先级业务的。IEEE802.1p/q同属于一个子集,它在传统的以太网帧头中加入了4个字节,其中802.1p占3位。802.1p延伸了802.1d的协议,利用3位优先级位可以最多提供8个优先等级。而802.1q利用VI(VLANIdentifier,虚拟网标识)位识别传送的帧究竟属于哪一个虚网。VI位共有12位,最大可以支持的虚网个数不会超过4096个。802.1p/q的具体定义可以参见图1。图1802.1p/q的定义4在广域网上,IETF(InternetEngineeringTaskForce)定义了两种IPQoS结构——综合业务结构(Int-Serv)和业务区分结构(Diff-Serv)。两种结构各有其特点和优势,目前还无法互通。Int-Serv一般应用在企业网络的边沿,如图2所示,它使用一种类似ATMSVC的方法,在发送端和接收端之间用RSVP(资源预留协议)作为每个流(Flow)的信令。RSVP的信息跨越整个网络,请求/预留资源。路径沿途的各路由器(包括核心路由器)必须为每个要求服务质量保证的数据流维护一个软状态。所谓的软状态就是一种临时性状态,由资源预留定期失效来控制,因此无需申请拆除显式路径。软状态被定期的RSVP信息更新。通过RSVP信息的预留,各路由器可以判断是否有足够的资源可以预留。只有所有的路由器都给RSVP提供了足够的资源,路径方可建立;否则,将返回并拒绝信息。图2Int-Serv架构Diff-Serv比Int-Serv更具可扩展性,如图3所示,它可用于企业的广域网中,并在运营商网络中发挥重要的作用,因为它可以根据应用或业务类型排出不同的优先级别。业务区分结构使用IPv4报头中的业务类型(ToS)字段,并将8位ToS字段重新命名,作为DS字段,其中6位可供目前使用,剩余2位以备将来使用,如图4所示。通过该字段的标记,下行节点可以获取足够的服务质量信息,以对到达该端口的数据包做出相应的处理,将它们正确地转发给下一跳的路由器。这里需要注意,ToS字段和DS字段的定义是不同的。边缘路由器可以将ToS字段映射到DS字段。5IPQoS的未来IPQoS将成为运营商级IP联网解决方案的基础,这种解决方案既可以十分可靠地传输公共Internet等一般性数据业务,同时又能传输关键业务应用。分析家普遍认为,在今后两年中IP业务将迅速增长,并将成为大多数服务提供商网络中的主导业务,而不仅仅是ISP。随着IP业务的进一步商业化,产业结构将发生较大变化。目前还没有一个路由协议可以根据不同的业务特点来计算最优路径。众所周知,不同类型的业务,其特点不同。如视频和话音业务虽然对传输时延和时延抖动都十分敏感,但对数据的丢失却有一定的忍耐度;相反,一般的数据业务虽然对时延和时延抖动都不十分在意,但对数据本身的丢失和差错却十分敏感。因此,不同的业务在通过运营网络时对最优路径的理解是不同的。对于数据业务来说,最短的路径就是最优的路径;而对于实时业务来说却未必如此。这些分歧是为纯粹数据业务设计的传统路由协议很难弥补的。因此,与之相关的问题就会影响到IP网络的业务质量,这是一个难以解决的问题。所幸的是,新的路由协议出现了,使得这一问题的解决指日可待。新一代的IP产品还将提供不断增多的队列,以实现更精细的业务区分。将来,还可以实现为特定的数据流定义并分配队列。策略管理算法将完全符合网络拓扑及其他环境因素,使网络能够使用尖端的高级策略、更有效地控制SLA、网络和业务的管理以及业务恢复。IP业务模式定义将更为明确,IP的业务控制功能将进一步增强,它们的结果就是服务的质量和级别将迅速提高,使更多的用户群可以享用到功能更为丰富的IP业务。总之,尽管今天的IPQoS还有很多问题没有解决,但就像今天的IP业务一样,IPQoS将不可避免地成为运营商IP网络中一项关键的核心技术。62．IPQoS的综合业务结构——Int-ServInt-SERV的三种业务Int-Serv在RFC(RequestforComments)1633中进行了定义。RFC1633将RSVP(资源预留协议)作为Int-Serv结构中的主要信令协议。该协议假定从接收方到发送方之间沿途的每个路由器都要为每一个要求QoS的数据流预留资源。该协议还建议使用端到端的信令。Int-Serv使用一种类似ATM的SVC的方法,它在发送方和接收方之间用RSVP作为每个流的信令。RSVP信息跨越整个网络,请求/预留资源。路径沿途的各路由器——包括核心路由器——必须为RSVP数据流维护软状态。IPQoS的综合业务结构(Int-Serv)定义了三种级别的业务:*有保证的业务(Guaranteed)——保证带宽,限制延迟,无丢包。*控制负载的业务(ControlledLoad)——在一个负载较轻的网络中实现类似于尽力而为的业务。*尽力而为的业务(BestEffort