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如何實現IP核心網的QoS

2004/03/04

　　NGN作為一個面向未來網絡業(yè)務應用，基于分組平臺可以同時提供語音、數據、多媒體等綜合業(yè)務的系統，成為各大運營商以及設備提供商關注的焦點。在影響NGN運營模式和運營收益的各種關鍵因素中，IPQoS特別是核心網的IPQoS，無疑是非常重要的一項。

　　IP網絡的QoS研究導致了兩種不同體系結構的出現：IntServ體系結構及其相應的信令協議RSVP和DiffServ體系結構。

　　IntServ由IETF的IntServ工作組于1994年提出。IntServ最鮮明的特點就是：基于連接、資源預留。也就是說，IntServ需要穿過IP網絡為每個需要質量保證的數據流建立一條具有資源保證的通道。這就要求每臺路由器設備都要維護大量的連接和資源預留信息。這將為路由設備造成極大的系統負擔。通常來說，要求路由器同時處理如此多的連接信息并做到線速的轉發(fā)性能，實現的困難非常大。所以，IntServ實現QoS的成本過高。但是，采用RSVP作為信令的MPLS流量工程將為IP網絡的QoS問題提供非常大的幫助。

　　IETF又提出了DiffServ體系結構，定義了一種實施IPQoS更容易、更具擴展性的方式。DiffServ最突出的特點就是：狀態(tài)無關、逐跳轉發(fā)。DiffServ利用了IPv4分組頭的ToS字段進行IP包優(yōu)先級的定義。傳統ToS字段只利用了其中的三個bit，用以標示8個優(yōu)先級，而DiffServ中對另外3個bit也進行了定義，從而獲得更多的定義空間（剩余2bit作為將來的備用）。

　　在DiffServ里，定義了DiffServ域的概念。所謂DiffServ域，就是指一個完全支持DiffServ優(yōu)先級區(qū)分的IP子網。在NGN里，用于承載NGN業(yè)務的IP骨干網就應該是一個完整的DiffServ域。一個DiffServ域中的每臺路由器都必須能夠支持DiffServ標簽的識別和按照相應的優(yōu)先級進行轉發(fā)，并且對DiffServ標簽有著同樣的理解。如果某臺路由器不能支持DiffServ，那么它就成為這個網絡中的“瓶頸”，整個鏈路的質量都將下降。

　　DiffServ的實現過程是：首先，根據源地址、目的地址、協議類型和二層接入網絡優(yōu)先級等信息對IP包進行優(yōu)先級區(qū)分并打上相應的DiffServ標簽。這個過程應該由上述DiffServ域的邊緣路由器完成。具體來說，邊緣路由器還應該完成的工作包括對業(yè)務流的分類、整形、標記、調度。然后根據已經打好的DiffServ標簽采取相應的轉發(fā)策略。具體說，核心路由器須要具有的功能包括分類和調度。

　　之所以成為被看好的QoS解決方式，DiffServ有著如下特點：

　　首先，路由器無須維護每個連接的信息，對系統資源要求低；

　　其次，對網絡上的多種業(yè)務進行優(yōu)先級歸類并合并成有限的幾個優(yōu)先級類別，對于IP網絡設備來講，處理更簡單；

　　再次，采用IP包中的ToS字段進行優(yōu)先級標示，沒有附加的標簽，這種做法兼容性好，易于實現。

　　另外，隨著網絡的擴展，優(yōu)先級類別無須擴展。

　　但是，對于面向連接的優(yōu)先級保證例如IntServ來講，網絡規(guī)模的擴大將直接帶來優(yōu)先級處理的壓力。

　　通過IP核心網絡中的每個路由結點對DiffServ的支持，使得信令、語音、視頻、普通數據等按照不同的DiffServ標簽進行不同優(yōu)先級的轉發(fā)。也就是說，在網絡帶寬資源夠用的情況下，采用DiffServ的網絡可以盡可能保證高優(yōu)先級的數據包不被丟棄，并以最小的時延穿越網絡。

　　當然，上述結論是有一定的前提的，具體包括所有的路由器必須具有線速轉發(fā)能力和提供良好的路由規(guī)劃。

　　所謂線速轉發(fā)能力，就是指在達到端口最大速率的時候，例如，在一個千兆接口上的數據流量達到千兆時，路由器沒有丟包。顯而易見，如果路由器不具備上述的線速轉發(fā)能力，那么高優(yōu)先級的IP包剛剛進入接口的Buffer，還沒有來得及被路由器進行策略處理，就有可能被丟掉。所以，線速轉發(fā)能力是保證DiffServ的重要前提。

　　路由規(guī)劃決定了IP包在穿過IP核心網絡的時候所選擇的路徑。如果路由規(guī)劃不合理，那么過多的跳數就會造成過多的時延，這樣，即便每臺路由器都可以按照DiffServ的優(yōu)先級進行轉發(fā)，但是過多的跳數使得端到端的時延仍然不能達到NGN的要求。

　　但是，如何避免網絡帶寬不足和網絡擁塞的情況呢？這就需要結合MPLS與RSVP來實現。RSVP是一個信令協議，它提供了一種在信息傳輸之前，提前在IP網絡中建立一個有帶寬資源保障的通道的方法。

　　RSVP的工作原理是：RSVP從發(fā)送端發(fā)送一個資源請求到目的地址，每一個支持RSVP的路由器沿著下行路由建立一個“路徑狀態(tài)表”；為了獲得資源預留，接收端發(fā)送一個上行的RESV消息，表明所要求的綜合服務類型，還通知為分組預留的資源，如傳輸協議和端口號；當每個支持RSVP的路由器沿著上行路徑接收RESV的消息時，它采用輸入控制過程證實請求，并且配置所需的資源。如果這個請求得不到滿足，路由器向接收端返回一個錯誤消息，而如果這個消息被接受，路由器就發(fā)送上行RESV到下一個路由器；當最后一個路由器接收RESV，同時接受請求的時候，它再發(fā)送一個證實消息給接收端。結合MPLS，上述過程實際上建立了一個從發(fā)送端到接收端的MPLS路徑，而這條路徑上的路由器都為將要到來的信息傳送預留了資源。

　　通過MPLS中采用擴展的RSVP信令，還可以對本次通信的路徑進行指定，進行流量工程，以對運營商的網絡進行更高效的利用，防止某些路由被空閑，而另外一些路由卻發(fā)生擁塞。如果沒有RSVP，在網絡節(jié)點發(fā)生擁塞時，即便是高優(yōu)先級的包，也有被丟棄的可能。DiffServ只能保證高優(yōu)先級的包比低優(yōu)先級的包更優(yōu)先使用網絡資源，但是網絡資源畢竟是有限的，當擁塞發(fā)生時，高優(yōu)先級的包也可能被丟掉。而RSVP提供了一種資源預留的機制，通過RSVP建立的路徑將有保證的帶寬和路由器系統資源提供給相應的流使用。實施RSVP之后，特定的流或者流類別將有特定的帶寬保證。MPLS將通過RSVP信令建立起LSP（標簽交換路徑）進行獨立于其他信息的傳送。當網絡發(fā)生擁塞時，受到影響的將是沒有RSVP保護的信息，例如數據傳輸和低級別用戶的信息，而高級別信息仍然可以在RSVP建立的通道中正常傳送。

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