综合服务和混合服务构造QoS

高悦 2001/01/11

　　在当今高速发展的网络上，Internet仅仅提供了非常简单的QoS,即点对点高效的数据传输，它远不能达到企业所需的和在个人网络中所习惯的可靠性和性能保证。在IP多址通信和实时应用如多媒体会议广泛推广之前，网络基础设施应进行改进，以便支持不同等级的服务。企业不会把重要的数据、话音和多媒体应用传送到公共IP网络上，除非他们得到了可预测、可测量和有保证的可靠服务。

　　QoS是指网络单元拥有某个等级的、保证其传输和服务要求可被满足的能力。提高QoS需要所有网络层和每个端到端网络单元的共同协作。因而，这样的QoS保证实际上只能代表发方和收方链路上最薄弱环节的可靠程度。幸运的是，网络产业的帧中继和ATM技术的长期发展已产生了许多需要在IP网络中发展QoS的机制，不仅IP能通过帧中继和ATM网络传送而平衡了其QoS机制，而且IETF也能借QoS概念的变形在IP传输上自然地进行运作。IETF发展了两个规定QoS性能的标准,即综合服务(Integrated Services,IntServ)和混合服务(Differentiated Services,DiffServ)。综合服务和混合服务的共同协作为Internet提供了可靠的QoS。IntServ和DiffServ作为IETF的标准，目前已经得到各个大型网络设备制造商的支持。Cisco IOS所支持的IP QoS服务就包括这两种类型，其它厂商如3Com、北电网络、AVAYA（原朗讯网络部）在其先进的网络设备中也支持这两个标准。


　　■综合服务在带宽预留上做文章


　　综合服务（IntServ）定义了三种类别的服务。第一种是有一定带宽、有边界时延和确保无损耗的保证服务（RFC 2212）；第二种是可控负载服务（RFC 2211），它接近于轻载网络中的高效服务；第三种是高效服务，它与目前各种负载条件下Internet提供的服务相似。

　　IntServ模式的第一个优点是根据现在和将来单点传送和多址通信的路由选择协议，利用预留协议RSVP(reservation protocol,RFC 2205)进行操作。由于大的多址通信用户组成员与多址通信树拓扑结构可能会随时间发生改变，RSVP用发送周期性的刷新信号来保持预留路径的状态。如果没有刷新信号，其状态会自动超时并被删除。建议案保证了网络体系结构重要的稳定性和高效性，从而推进了网络资源的高效管理。即使带宽变得非常便宜，这也将是一个重要的方法。

　　第二个优点是IntServ保证了时延界限。如果路由器使用了加权平均排队论（Weighted Fair Queuing，WFQ），如果能够描述传输源的性能，那么传输数据的网络时延将会有一个绝对的上界。这个简单而有说服力的结果不仅适用于交换机，而且还适用于一般的路由器网络。

　　链接共享是IntServ的另一个优点。同一个WFQ方案能够提供可控的链接共享。这里服务的目的并不是为时延制定界限，而是限制链路上的过载共享。如果有足够的能力，它同时还允许一些混合传输量的传输。在如今的商业路由器中，这种WFQ的使用是非常有效的。在协议类型和应用的基础上，它被用于对传输量信息进行分级。

　　综合服务的缺陷

　　IntServ最关心的问题是RSVP的可缩放性，特别是在高速主干网中。事实上，为RSVP处理和存贮路由器所需的资源总量随着QoS流程数量的增加而成比例地增加。传输量测量表明多数端到端的IP连接非常短暂，而且在任何时间一个主干路由器上都有几千个有效连接。所以，多数大带宽链路上的IntServ给路由器带来了过重的负担。因而如果发生了拓扑结构的改变，将需要重新考虑预留。

　　另一个需要关心的是稳定性问题。概念上设计的TCP/IP协议相关流程状态应处于终端系统中，这种稳定性是通向成功的关键之一。为资源预留而添加至路由器的流程状态可以保持网络协议的稳定性。但对IntServ来说，为了保持预留路径上的状态，RSVP必须周期性地发送刷新信号，因为如果没有刷新信号，状态会自动超时并会丢失（RFC 2210），因而会引起网络协议的不稳定。

　　预留管道为新应用提供了动力

　　图1

　　面临日益增长的、各种新应用的IP多址通信和实时服务的需要，IETF综合服务工作组已为Internet体系结构和协议提出了一个建议案RFC 1633，以便提供综合服务，即用来支持实时和非实时的IP服务。

　　实时服务需要有服务保证，但如果没有预留就不能实现这些保证。在使用端到端信令的接收方和发送方的路径上，预留协议RSVP假定为每个需要QoS的流程预留了资源，这些流程位于每个路由器的路由段上。这需要路由器中的特殊流程状态，它代表了Internet模型的一个重要而基本的改变，它还向路径上的网络单元提供了传达应用程序的需要、以及在网络单元和应用程序之间传送QoS管理信息一种方法。

　　图1说明了预留管道是如何工作的。沿着数据路径，每个RSVP发送主机通过路由协议所提供的单点传送或多址通信的路由下传RSVP的路径信息，这些路径信息存贮了传送中每个节点的路径状态。路径状态至少包括以前路由段节点的单点传送IP地址，这个IP地址过去常常按确定路线一段一段地反向传递预留请求(Resv)信息。每个接收主机向发送方上传RSVP的Resv信息，这些信息在路径上的每个节点产生并保持了预留状态。Resv信息自身最终也必须被传送到发送主机，因此主机可为第一个路由段设定适当的传输控制参数。与传送数据相同，路径信息也用相同的源和目的单元地址来传送。另一方面，Resv信息一段一段进行传送，每个RSVP话音节点向前面RSVP路由段的单点传送地址转送一个Resv信息。


　　■混合服务在每个路由段做控制


　　为克服IntServ/RSVP的局限性，混合服务（DiffServ）进行了改进，使IP在网络中可对服务差别进行测量，而不需要每个路由段的每一流程状态和信令。服务可以是端到端的，也可以是在区域内的，它们包括那些可以满足定量性能需求的服务（如峰值带宽）和那些基于相关性能的的服务（如类别区分）。

　　与RSVP不同，除了固有的RSVP所带来的设置成本（时间），在源和目的单元之间并没有QoS需求的交换。短暂的流程得益于DiffServ，因为此时没有了QoS设置成本，就大大提高了响应能力，并减少了与另一个主机的快速连接时的额外需求。

　　只有一小部分应用确实需要可靠和明确的QoS保证。少量优先级的网络工程和多数的传输量等级与许多应用程序的适应性相联合，它们应当能够提供充分的必需功能。其结果是为最大传输负载提供了足够的服务，并可防止低优先级的传输（通过简单分级），这样就能为需要QoS的应用程序提供所需等级的服务。

　　充分的服务也确保了其它的传输在多数时间里都能得到足够的服务，其中也许会有一些粗略的区别。如果发生了拥塞，业务流会使它们的传输适应于可用资源并继续运行，尽管此时处于低级水平的服务。它的优点是具有更高更全面的效率，可以使更多的流程以更大的简明性、更简单的数据-路径机制和最少的信令支持通过。

　　混合服务的缺陷

　　图3

　　虽然DiffServ具有许多IntServ所没有的优点，但是DiffServ只是描绘了不同等级的延迟和损耗的灵敏度，它并没有给予具体的标准或保证。它在努力解决集合相关排序的问题，如果基于每个集合的行为准则，一个传输量集合将得到与其它集合相关的更好或更坏的处理。

　　混合服务体系结构

　　DiffServ体系结构通过传输量等级的集合来达到可缩放性，这需要IP层数据包通过为DiffServ做标记来传送。数据包被分级和标记，以便在路径节点上接收一个特定路由段的转发行为。复杂的分级、标记、监测以及整形操作只需在网络边界或主机上实施。通过服务供应策略网络，资源被分配到业务流，这个策略对传输数据如何被标记进行管理，决定可否进入DiffServ网络，以及传输数据在网络中如何被转送。链接的各种特性，如通过量、时延、抖动以及损耗都可以通过服务质量等级协议、传输量调节、网络资源分配等模块来进行控制和调整。

　　单个路由段行为(Per-Hop Behavior,PHB)是DiffServ体系结构的核心，是节点向行为集合分配资源的方法，有效的混合服务将构建在这种资源分配机制之上。当有很多行为集合与节点上的缓冲区和带宽资源产生竞争的时候，主要关心的是有效的行为差别。通过某些缓冲区管理和数据包调度机制，PHB可在节点中实施，即通过接收数据包中的DSCP描述来选择PHB。


　　■综合服务与混合服务的协作


　　IntServ和DiffServ的共同发展可以推动如IP电话、视频和各种非多媒体应用的发展。IntServ使主机能够请求端到端数据路径上的每个流程和可计量资源，并能够获得关于这些请求可接受性的反馈。而DiffServ使大型网络具有了可缩放性。

　　IntServ在企业网络的边缘实施，在这里用户流程可以在桌面上进行管理。这更适合于在企业内部定义QoS，因为在这里对可缩放性的考虑可以通过定义合作区域来解决。DiffServ比IntServ更易测量，根据其性能可由应用程序或传输路径优先考虑。它用于企业的WAN中，并在服务供应网络中扮演了一个重要的角色。使用DiffServ就不需再考虑IntServ/RSVP网络的可缩放性问题。根据资源有效性和策略判定，RSVP信令的使用为DiffServ网络提供了许可控制，并在很大程度上简化了DiffServ的分级、策略和其它传输量调节组件的配置。DiffServ模式的IntServ/RSVP尤其适合于提供定量的端到端服务。桌面上的IntServ推广主要依赖于Microsoft的RSVP实施和Windows 2000中的QoS性能。

　　一种混合构架已获得了广泛认可。它假定了一个模型，其周围的子网络是RSVP和IntServ，这些子网络由DiffServ网络互连。在这个模型中，DiffServ网络的可缩放性扩展到了IntServ/RSVP网络。附属于周围IntServ/RSVP网络的主机为每个通过DiffServ网络的流程资源请求互相发送信号。标准的IntServ/RSVP处理应用于IntServ/RSVP的周围网络内。RSVP信令可准确地通过DiffServ网络，在IntServ/RSVP网络和DiffServ网络间边界上的设备对RSVP信令进行处理，并在DiffServ网络内提供基于资源有效性的许可控制。

　　如果能够正确配置，目前QoS在IP层的巨大发展将可能使Internet成为全球通讯系统的实际通用平台。


　　■产品里的两服务


　　传统的IP网络只有尽力承载（besteffort）能力，没有任何有效的业务质量保证机制。但随着IntServ概念的提出，IP网上实时业务的出现，产生了IPQoS的概念。IETF也成立了许多工作组完成相关的协议，如IntServ、RSVP、issll、diffserv、rap。目前IPQoS正处在完善的阶段。

　　目前许多骨干级路由器，如朗讯的6400系列、Cisco的12000系列、朗讯IP服务交换机IPSS 5000、爱立信的PBN系列、3Com NBX100 LAN电话通信系统产品，都支持IntServ和Diffserv标准。

　　以Cisco的IP-ATM COS产品为例。

　　在图3所示的网络里，RSVP用在将ATM PVCs连至提供保证的带宽再到存储单元网孔。RSVP由Cisco IOS配置，支持从路由器网络中发出的信道，通过ATM中心的仿真交通流，然后通过被确定的信道去会合地区分配的实时仿真交通流。

　　这个网络图显示了在ATM网络环境中IntServ/RSVP的应用。

　　图4

　　这个例子中，OC-3 ATM连接配置上3 Mbps PVCsL连到不同的远程位置。RSVP确保QOS从这个PVC通过当地的网络路由连到正确的使用地。

　　IP/ATM网络的DiffServ（混合服务）工作原理见图4。

　　网络中心区域的作用是加速流通和混合运输的处置，在那里，携带指定的混合服务类（DiffServ）的通信数据被划分并服务于相关的优先权。就像是一个银行为顾客划分不同的出纳窗口，各个窗口不同的排队保证各种服务得到最快最好的满足。

《赛迪市场专家》 2001/01/11