IP QoS——IP網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)

李曉東 2001/04/06

　　在過去的25年中，Internet從一個(gè)美國(guó)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(guī)模應(yīng)用。IP技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)話音 (Webtone)世界的基礎(chǔ)平臺(tái)。人們普遍認(rèn)為，無論是在公用網(wǎng)絡(luò)還是專用網(wǎng)絡(luò)(如企業(yè) Intranet)的演進(jìn)過程中，IP技術(shù)都將發(fā)揮著舉足輕重的作用。

為什么需要IP QoS？

　　IP網(wǎng)絡(luò)上多媒體業(yè)務(wù)的出現(xiàn)對(duì)IP環(huán)境中的服務(wù)質(zhì)量 (QoS)提出了更高的要求。通過Intel和Microsoft等公司的努力，多媒體應(yīng)用已經(jīng)成為PC 結(jié)構(gòu)中的一個(gè)有機(jī)組成部分，推動(dòng)了公用和專用網(wǎng)絡(luò)迅速地向多樣化的、更具挑戰(zhàn)性的業(yè)務(wù)組合發(fā)展。

　　Internet上的分組話音和傳真業(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(yīng)用所需要的QoS遠(yuǎn)比目前Internet可以提供的盡力而為的服務(wù)等級(jí)保證要高。

　　目前，Internet 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能提供企業(yè)所需要的且已經(jīng)在其專用網(wǎng)絡(luò)中習(xí)慣的可靠性和性能。商業(yè)客戶在安全性、可預(yù)測(cè)性、可測(cè)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(shù)據(jù)、話音和多媒體應(yīng)用放到公用IP網(wǎng)絡(luò)上。IP QoS 就是在這種環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生的。

　　IP QoS是指IP的服務(wù)質(zhì)量，是指IP數(shù)據(jù)流通過網(wǎng)絡(luò)時(shí)的性能。它的目的就是向用戶的業(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(biāo)，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(yù)測(cè)、可測(cè)量性方面比傳統(tǒng)IP有了很大提高，基本解決了商業(yè)用戶的需求，因而勢(shì)必可以吸引更多的商業(yè)用戶，形成一個(gè)新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)，帶來可增值的業(yè)務(wù)種類。另外，IP QoS還帶來了更高效的帶寬使用率等。因此可以說IP QoS將是今后一段時(shí)間促進(jìn)IP網(wǎng)絡(luò)增長(zhǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。

　　有了IP QoS，服務(wù)提供商就可以通過吸引更多的商業(yè)用戶、更高價(jià)位的業(yè)務(wù)級(jí)別以及更高效的帶寬使用等來獲得更大的收益。它們還可以通過增強(qiáng)不同業(yè)務(wù)的區(qū)分能力、Better-than-best-effort (優(yōu)于盡力而為的傳輸) 的業(yè)務(wù)和客戶化解決方案來獲得更大競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

　　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(rèn)為目前還未出現(xiàn)一個(gè)成熟的體系架構(gòu)、支持硬件以及相應(yīng)的操作技術(shù)。但無論怎樣，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(jī)遇

　　將數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及IP的話音業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)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)賣點(diǎn)或業(yè)務(wù)突破口。隨著公網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，一些商業(yè)用戶已經(jīng)開始將其應(yīng)用逐漸地轉(zhuǎn)移到了公用IP網(wǎng)絡(luò)上來。吸引商業(yè)客戶的最重要的一個(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(yùn)營(yíng)商帶來了很多好處。首先運(yùn)營(yíng)商通過IP QoS的引入，可以從性能上保證商業(yè)用戶關(guān)鍵應(yīng)用在運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)姆⻊?wù)質(zhì)量，以提供原來無法提供的關(guān)鍵性業(yè)務(wù)，獲得高額的利潤(rùn)；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(jù)商業(yè)用戶的不同應(yīng)用要求提供不同的帶寬保證，使運(yùn)營(yíng)成本進(jìn)一步降低。另外，如果從競(jìng)爭(zhēng)的角度考慮，能夠根據(jù)用戶的需要來提供多種優(yōu)于盡力而為的業(yè)務(wù)級(jí)別，為用戶量體裁衣，提供個(gè)性化服務(wù)的運(yùn)營(yíng)商無疑最有競(jìng)爭(zhēng)力。

　　然而，要想實(shí)現(xiàn)上述幾點(diǎn)并非易事。IP QoS仍然是一個(gè)比較新的概念，不同廠商提供了多種不同的專有解決方案，而且標(biāo)準(zhǔn)還未統(tǒng)一。因此，互連互通對(duì)運(yùn)營(yíng)商是一個(gè)不得不考慮的問題。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(yīng)該首先考慮以下幾個(gè)問題：

這些問題都是運(yùn)營(yíng)商在采用或?qū)嵤㊣P QoS之前必須充分考慮的問題。

IP QoS的定義

　　大多數(shù)的業(yè)內(nèi)專家都認(rèn)為，QoS是區(qū)分服務(wù)提供商的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。然而，與業(yè)務(wù)相關(guān)的一些重要概念和術(shù)語至今仍未達(dá)成普遍的一致，而這些概念和術(shù)語又恰恰是建立標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)的專家也不例外；所宣傳的IP QoS往往只是IP CoS（Class of Service，服務(wù)級(jí)別）。它只能簡(jiǎn)單地將業(yè)務(wù)區(qū)分開來，而無法準(zhǔn)確完善地定義和保證每一個(gè)服務(wù)級(jí)別。在一般的通信用語中，CoS的含義很廣泛，它既包括一套已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了的特性，也包括其他一些現(xiàn)在已經(jīng)有效但還沒有標(biāo)準(zhǔn)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(shù)來描述：

IP QoS的體系結(jié)構(gòu)

　　IP QoS的概念應(yīng)該分為兩個(gè)部分，這兩部分的IP QoS 定義和側(cè)重點(diǎn)均有所不同。

　　局域網(wǎng)中的IP QoS主要是對(duì)第二層的以太網(wǎng)幀頭加入了優(yōu)先級(jí)字段，以區(qū)分不同的優(yōu)先級(jí)。嚴(yán)格地講，在局域網(wǎng)中只能簡(jiǎn)單地區(qū)分業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)，并不能像ATM QoS那樣有精確的定義和詳細(xì)的參數(shù)指標(biāo)來衡量。

　　這種解決方案是根據(jù)對(duì)IEEE 802.1p/q協(xié)議字段的處理來區(qū)分不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的。IEEE 802.1p/q同屬于一個(gè)子集，它在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)幀頭中加入了4個(gè)字節(jié)，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(jí)位可以最多提供8個(gè)優(yōu)先等級(jí)。而802.1q利用VI(VLAN Identifier，虛擬網(wǎng)標(biāo)識(shí))位識(shí)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(shù)不會(huì)超過4096個(gè)。 802.1p/q的具體定義可以參見圖1。


　　在廣域網(wǎng)上，IETF(Internet Engineering Task Force)定義了兩種IP QoS結(jié)構(gòu)——綜合業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)（Int-Serv )和業(yè)務(wù)區(qū)分結(jié)構(gòu)（Diff-Serv）。兩種結(jié)構(gòu)各有其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，目前還無法互通。

　　Int-Serv 一般應(yīng)用在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的邊沿，如圖2所示，它使用一種類似ATM SVC的方法，在發(fā)送端和接收端之間用RSVP(資源預(yù)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(qǐng)求/預(yù)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(shù)據(jù)流維護(hù)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(yù)留定期失效來控制，因此無需申請(qǐng)拆除顯式路徑。軟狀態(tài)被定期的RSVP信息更新。通過RSVP信息的預(yù)留，各路由器可以判斷是否有足夠的資源可以預(yù)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(kuò)展性，如圖3所示，它可用于企業(yè)的廣域網(wǎng)中，并在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要的作用，因?yàn)樗梢愿鶕?jù)應(yīng)用或業(yè)務(wù)類型排出不同的優(yōu)先級(jí)別。業(yè)務(wù)區(qū)分結(jié)構(gòu)使用IPv4報(bào)頭中的業(yè)務(wù)類型（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位以備將來使用，如圖4所示。通過該字段的標(biāo)記，下行節(jié)點(diǎn)可以獲取足夠的服務(wù)質(zhì)量信息，以對(duì)到達(dá)該端口的數(shù)據(jù)包做出相應(yīng)的“處理”，將它們正確地轉(zhuǎn)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

　　IP QoS將成為運(yùn)營(yíng)商級(jí)IP聯(lián)網(wǎng)解決方案的基礎(chǔ)，這種解決方案既可以十分可靠地傳輸公共Internet等一般性數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，同時(shí)又能傳輸關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用。分析家普遍認(rèn)為，在今后兩年中IP業(yè)務(wù)將迅速增長(zhǎng)，并將成為大多數(shù)服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò)中的主導(dǎo)業(yè)務(wù)，而不僅僅是ISP。隨著IP業(yè)務(wù)的進(jìn)一步商業(yè)化，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)將發(fā)生較大變化。

　　目前還沒有一個(gè)路由協(xié)議可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)特點(diǎn)來計(jì)算最優(yōu)路徑。眾所周知，不同類型的業(yè)務(wù)，其特點(diǎn)不同。如視頻和話音業(yè)務(wù)雖然對(duì)傳輸時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)都十分敏感，但對(duì)數(shù)據(jù)的丟失卻有一定的忍耐度；相反，一般的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)雖然對(duì)時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)都不十分在意，但對(duì)數(shù)據(jù)本身的丟失和差錯(cuò)卻十分敏感。因此，不同的業(yè)務(wù)在通過運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)對(duì)最優(yōu)路徑的理解是不同的。對(duì)于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來說，最短的路徑就是最優(yōu)的路徑；而對(duì)于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)來說卻未必如此。這些分歧是為純粹數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)路由協(xié)議很難彌補(bǔ)的。因此，與之相關(guān)的問題就會(huì)影響到IP網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)質(zhì)量，這是一個(gè)難以解決的問題。所幸的是，新的路由協(xié)議出現(xiàn)了，使得這一問題的解決指日可待。

　　新一代的IP產(chǎn)品還將提供不斷增多的隊(duì)列，以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的業(yè)務(wù)區(qū)分。將來，還可以實(shí)現(xiàn)為特定的數(shù)據(jù)流定義并分配隊(duì)列。

　　策略管理算法將完全符合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼捌渌h(huán)境因素，使網(wǎng)絡(luò)能夠使用尖端的高級(jí)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(fù)。

　　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(qiáng)，它們的結(jié)果就是服務(wù)的質(zhì)量和級(jí)別將迅速提高，使更多的用戶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還有很多問題沒有解決，但就像今天的IP業(yè)務(wù)一樣，IP QoS將不可避免地成為運(yùn)營(yíng)商IP 網(wǎng)絡(luò)中一項(xiàng)關(guān)鍵的核心技術(shù)。