IP QoS的实现

2019-11-04 22:44:04

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供稿：网友

　　在ip业务上增加QoS的解决方案多种多样。然而，对于一个运营商来说，什么样的方案才算是一个合理的方案？在方案的选择过程中，应该把握一个什么样的尺度，注重哪些问题？我们相信，在每一个实际的运营商网络中都会存在着这样那样的问题。究其共性，大部分运营商都会碰到这样两个问题，一个是在运营的网络中如何处理原有的传统路由器；另一个就是如何与ATM基础设施配合以及协作的问题。
　　
　　如何处理遗留的路由器
　　----随着多媒体业务的发展，人们都希望路由器能以线速处理更多的数据包。因为新的业务大多对时延比较敏感，数据包一般都较短，最短时可能只有40个字节，因此对路由器的要求更高。然而在实际的运营网络中出于经济或其他原因的考虑，不得不继续使用传统路由器，限制了网络业务的发展，并使之更为复杂。由于Diff-Serv采用单跳的行为模式，因此在一个网络内可以被保证的业务级别取决于性能
　　最低的路由器。
　　----除了处理能力的问题外，传统路由器还有一个致命的缺陷，那就是无法解决在单跳上将包重新标记的问题。在需要IP QoS的网络中，假如出于各种原因，用户无法对自己业务进行标记，那么路由器就要为用户根据SLA在DS字段中指定单跳行为。这就要求路由器在网络的入口和出口处都对数据包进行标记，而这一点又恰恰是传统路由器无法解决的问题。
　　----处理上述问题最简单的办法就是限制传统路由器的使用范围，使其只用于尽力而为的业务，同时通过成熟的QoS技术将高优先权的重要业务与尽力而为的低优先权业务隔离。例如，在一个运营网络中，既有传统的IP路由器网络，同时又有ATM网络时，我们可将高优先级业务映射到具有相应QoS属性的ATM虚拟电路上，再利用传统路由器来提供普通的尽力而为的业务。
　　
　　----解决传统路由器问题的另一种方法是将其逐渐推向外围，作为Internet的业务收集器，为新一代的超大规模路由器馈送业务。
　　
　　如何与ATM基础设施配合
　　----在讨论网络的IP QoS实施问题的时候，不可避免地要考虑在运营商网络中ATM设备与IP路由器的作用，以及它们在网络中所处的位置。
　　----目前，在几乎所有的运营网络中都采用ATM作为基础网络平台，但随着IP业务的飞速发展，几乎所有的运营网络不得不把IP业务作为这个网络平台最主要业务之一。因此，要在运营网络中提供IP QoS，首先就要解决IP和ATM之间的关系问题，即IP路由器和ATM基础设施的配合和衔接的问题。长时间以来，一直没有一个合适的技术来解决这一问题，直到出现了MPLS(多协议标记交换)。MPLS不但可以解决IP数据包在通过ATM网络时的效率问题，而且更可贵的是它可以提供真正的端到端的QoS保证，这也是区别于以往几种在ATM上面承载IP业务技术的最重要的一个特点。也正是由于这一点，MPLS成为了一项对于运营商至关重要的技术。因为有了MPLS，运营商，尤其是新兴的运营商，能够在今天就向最终用户提供端到端的IP QoS。
　　
　　MPLS介绍
　　----1．什么是MPLS？
　　----MPLS是一个可以在多种第二层媒质上进行标签交换的网络技术。这一技术综合了第二层的交换和第三层路由的特点，将第二层的基础设施和第三层的路由有机地结合起来，第三层的路由在网络的边缘实施，而在MPLS的网络核心采用第二层交换。
　　
　　----MPLS通过每一个节点的标签交换来实现包的转发。 MPLS可以不改变现有的路由协议，可以在多种第二层的物理媒质上实施，目前有ATM、 FR(帧中继)、Ethernet以及PPP。
　　
　　----通过MPLS，第三层的路由可以得到第二层技术的很好补充。充分发挥第二层良好的流量设计治理以及第三层“Hop-By-Hop"路由的灵活性，实现端到端的QoS保证。
　　
　　----MPLS是一个网络层包转发的新兴标准，它主要基于IETF 提交的一系列信令协议。在这些协议里，最主要的有标记分配协议(LDP)、资源预留协议 (RSVP)以及限制路由的标签分配协议(CR-LDP)三种。这些协议都应用在分配标签和转发 MPLS数据流上。
　　
　　----2.为什么需要MPLS？
　　
　　----运营商以及一些大型企业在其内部骨干网上利用MPLS 来提高网络资源的使用率。作为一个大规模IP网络的未来要害技术，MPLS可以为运营商或者大企业带来如下好处：
　　
　　----(1)功能上的独立性按照MPLS的思想，转发功能和路由功能是分开的，这样MPLS的核心只简单地执行转发功能，而无需检查包的内容，这样可以选择仅在网络的边缘实施一次路径的策略。
　　
　　----(2)性能的优化 MPLS简化了IP路由的操作，这样数据流就可以高效地利用网络的资源，从而使网络的性能得到优化。
　　
　　----(3)资源的控制利用 MPLS可以很好地控制资源，可以通过不同的服务等级(CoS)，提供原来无法提供的IP增值业务。
　　
　　----(4)网络的演进 MPLS正在演进到一个强大的骨干网络中去。在这个网络中，作为唯一一个可以运行在多种第二层媒质之上的协议，MPLS将成为承载第三层业务(IP)的一项要害技术。
　　
　　----3. MPLS是怎样工作的？
　　
　　----MPLS是一种非凡的转发机制，它为进入网中的IP数据包分配标签，并通过对标签的交换来实现IP数据包的转发。标签作为IP包头在网络中的替代品而存在，在网络内部MPLS在数据包所经过的路径沿途通过交换标签(而不是看IP 包头)来实现转发；当数据包要退出MPLS网络时，数据包被解开封装，继续按照IP包的路由方式到达目的地。
　　
　　----如图1所示， MPLS网络包含一些基本的元素。在网络边缘的节点被称作标签边缘路由器(LER)，而网络的核心节点就称为标签交换路由器 (LSR)。LER节点在MPLS网络中完成的是IP包的进入和退出过程，LSR节点在网络中提供高速交换功能。在MPLS节点之间的路径就是标签交换路径(LSP)。一条LSP可以看作是一条贯穿网络的单向隧道。
　　
　　----MPLS的工作流程可以分为几个阶段，即网络的边缘、网络的中心以及单跳路由(Hop-by-Hop)或者显式路由三个阶段。
　　　 IP QoS的实现（图一）

　　(1)在网络的边缘当IP数据包到达一个LER时，MPLS 第一次应用标签。首先，LER要分析IP包头的信息，并且按照它的目的地址和业务等级加以区分。
　　
　　----在LER，MPLS使用了转发对等级别(FEC)这一概念来将输入的数据流映射到一条LSP上。简单地说，FEC就是定义了一组沿着同一条路径有相同处理过程的数据包。这就意味着所有FEC相同的包都可以映射到同一个标签中。
　　
　　----对于每一个FEC，LER都建立一条独立的LSP穿过网络，到达目的地。数据包分配了一个FEC后，LER就可以根据标签信息库(LIB)为其生成一个标签。标签信息库将每一个FEC都映射到LSP下一跳的标签上，假如下一跳的链路是 ATM，则MPLS将使用ATM VCC里的VCI作为标签。
　　
　　----转发数据包时，LER检查标签信息库中的FEC，然后将数据包用LSP的标签封装，从标签信息库所规定的下一个接口发送出去。
　　
　　----(2)在网络的核心当一个带有标签的包到达LSR时， LSR提取入局标签，同时以它作为索引在标签信息库中查找。当LSR找到相关信息后，取出出局的标签，并由出局标签替代入局标签，从标签信息库中所描述的下一跳接口送出数据包。
　　
　　----最后，数据包到达了MPLS域的另外一端。在这一点， LER剥去封装的标签，仍然按照IP包的路由方式将数据包继续传送到目的地。
　　
　　----建立LSP的方式主要有两种:一种是以Hop-by-Hop路由方式建立LSP，另一种就是以显式路由方式建立LSP。
　　
　　----(3) “Hop-by-Hop"路由　一个Hop-by-Hop的LSP是所有从源站点到一个特定目的站点的IP树的一部分。对于这些LSP，MPLS模拟IP转发数据包的面向目的地的方式建立了一组树。
　　
　　----从传统的IP路由来看，每一台沿途的路由器都要检查包的目的地址，并且选择一条合适的路径将数据包发送出去。而MPLS则不然，数据包虽然也沿着IP路由所选择的同一条路径进行传送，但是它的数据包头在整条路径上从始至终都没有被检查过。
　　
　　----在每一个节点，MPLS生成的树是通过一级一级为下一跳分配标签而且与它们的对等层交换标签而生成的。交换是通过LDP的请求以及对应的消息完成的。例如，图2中LSR G将标签14、23以及24都映射到30上。
　　　 IP QoS的实现（图二）

　　(4)显式路由 MPLS最主要的一个优点就是它可以“引导”数据包，如避免拥塞或者满足业务的QoS等。MPLS答应网络的运行人员在源节点就确定一条显式路由的LSP(ER-LSP)，以规定数据包将选择的路径。
　　
　　----不像Hop-by-Hop的LSP，ER-LSP不会形成IP树。取而代之的，ER-LSP从源端到目的端直接建立一条路径，如图3所示。MPLS将显式路由嵌入到限制路由的标签分配协议(CR-LDP)的信息中，从而建立这条路径。
　　 IP QoS的实现（图三）

　　利用MPLS实现端到端的QoS
　　----当一个运营网络采用MPLS作为承载IP的一个主要方式时，我们需要做的就是在边缘的路由器上做一个QoS的映射。MPLS限制路由的标签分配协议(CR-LDP)可以支持QoS功能，并且支持流量的设计和治理。因此，在边缘路由器上可以通过CR-LDP，将从DS字段中所获得的QoS信息映射到一条符合QoS要求的端到端的LSP上。例如，在一个ATM的网络中，可以通过CR-LDP为上行的节点分配标签(在这里也就是VCI/VPI)。QoS被放在标签分配协议的消息中进行发送。最后，IP QoS 的不同业务级别在运营网络中被映射到了相应的ATM QoS的业务级别上，并通过ATM 最终完成端到端的QoS保证。

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