IP QoS的体系结构和实现机制

2019-11-04 22:44:17

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供稿：网友

　　ip QoS 正成为业界关注和研究的热点，IETF 为之成立了专门的工作组，研究出一些初步的成果，但IP QoS 的彻底解决还有待于更进一步的研究和发展。
　　
　　IP QoS 的体系结构
　　　
　　----到目前为止，业界的不同组织或单位已提出了一些QoS 的体系结构，这包括IBM 公司的Heidelberg QoS 模型、美国哥伦比亚大学COMET 研究组提出的XRM 模型、美国宾夕法尼亚大学的OMEGA 体系结构、加利福尼亚大学伯克利分校的Tenet 模型等。但对于IP QoS 则主要有以下两种体系结构。
　　
　　----IntServ 集成业务体系结构
　　
　　----IntServ(Integrated Services Architecture) 由IETF 的 IntServ 工作组于1994 年在RFC1633 中提出。Intserv 定义了三种服务类型。
　　
　　Guranteed Services(RFC2212)：对带宽、时延、分组丢失率提供定量的质量保证；
　　Controlled-load Services (RFC2211)：给用户提供一种类似在网络欠载情况下的服务，它是一种定性的指标；
　　Best-Effort：类似于目前Internet 网上提供的服务，是一种尽力而为的工作方式，基本上无任何质量保证。
　　----为了实现上面的服务，IntServ 定义了4 个功能部件，网络中的每个路由器皆需要实现这4 个部件。
　　
　　RSVP(RFC2205)：RSVP 即资源预留协议，它是Internet 上的信令协议。通过RSVP，用户可以给每个业务流( 或连接) 申请资源预留，要预留的资源可能包括缓冲区及带宽的大小。这种预留需要在路径上的每一跳都要进行，这样才能提供端到端的QoS 保证。RSVP 是单向的预留，适用于点到点以及点到多点的通信环境。
　　访问控制(Admision Control)：它基于用户和网络达成的服务协议，对用户的访问进行一定的监视和控制，有利于保证双方的共同利益。
　　分类器(Classifier)：根据预置的一些规则，它对进入路由器的每一个分组进行分类。这可能需要查看IP 分组里的某些域：IP 源地址、IP 目的地址、上层协议类型、源端口号、目的端口号；分组经过分类以后被放到不同的队列中等待接收服务。这方面的技术还不很成熟，是一个有待研究的领域。
　　队伍调度器(Scheduler)：它主要是基于一定的调度算法对分类后的分组队列进行调度服务。这方面的技术目前已比较成熟，常见的调度算法有WFQ、WF2Q、SCFQ、VC、MD-SCFQ、WRR 等。
　　----IntServ 尽管能提供QoS 保证，但扩展性较差。因为其工作方式是基于每个流的，这就需要保存大量的与分组队列数成正比的状态信息；此外，RSVP 的有效实施必须依赖于分组所经过的路径上的每个路由器。在骨干网上，业务流的数目可能会很大，同时它还要求路由器的转发速率很高，这使得IntServ 难于在骨干网上得到实施。目前，比较一致的看法是在企业网的边缘实施IntServ，或者对流(flow) 的定义更加粗糙以使业务流的数目降低到可以承受的地步。
　　
　　----DiffServ 区分业务体系结构
　　
　　----为了解决IntServ 的一些缺点，IETF 在 RFC2475 中提出DiffServ(Differentiated Services Architecture) 体系结构，旨在定义一种实施IP QoS 且更容易扩展的方式，以解决IntServ 扩展性差的缺点。DiffServ 简化了信令，对业务流的分类颗粒度更粗。它通过汇聚(aggregate) 和PHB(Per Hop Behavior) 的方式来提供一定程度上的QoS 保证。汇聚的含义在于路由器可以把QoS 需求相近的各业务流看成一个大类，以减少调度算法所处理的队列数；PHB 的含义在于逐跳的转发方式，每个PHB 对应一种转发方式或QoS 要求。
　　 IP QoS的体系结构和实现机制

　　----在DiffServ 里，引入了DiffServ 域(Domain) 的概念，一个DiffServ 域可以认为是一个能提供DiffServ 业务的子网，如图所示。DiffServ 域主要由一些路由器组成，并对这些路由器进行了区分，把位于DiffServ 域边界的称为边界路由器(Edge Router)，而把DiffServ 域内部的称为内部路由器(Core Router)。边界路由器需要具有的功能有：对业务流的分类( 基于IP 分组中一些字段的与IntServ 类似的较细分类或者为基于汇聚的较粗分类)、整形 (shaping)、标记(marking) 和调度(sheduling)；内部路由器需要具有的功能有：分类( 为基于汇聚的较粗的分类)、调度。DiffServ 力图通过对业务流的分类、整形、标记、调度来实现对业务QoS 一定程度上的保证。目前在DiffServ 上主要提出了下面两种业务：
　　
　　EXPedited Services(EF-RFC 2598)：提供类似于专线或租用线的服务；
　　Assured Services(AF-RFC 2597)：提供比Best-Effort 尽量好的QoS；
　　----DiffServ 利用了IPv4 分组头的TOS 字段( 或 IPv6 的COS 字段)，作为DSCP(DiffServ 编码点) 使用。每一种DSCP 对应一种PHB 方式。路由器在转发分组时只需查看每个分组的DSCP 值，从而对此分组提供相应的PHB 转发方式。目前已定义的DSCP 值有：000000 为缺省(Best-Effort)、101100 为EF 及12 个AFDSCP。
　　
　　----实际上，DiffServ 仅提供了一种在一子网络域内实施QoS 的框架结构，而具体的一些策略和相应的实现机制则由不同的厂商来决定。尽管DiffServ 比较灵活，但同时提出的一个问题是它能否真正提供QoS 保证。
　　
　　IP QoS 的实现机制
　　　
　　
　　----队列管理机制(Queue Management Mechanism)
　　
　　----在网络发生拥塞时，路由器必须丢弃一些分组，这个问题的解决首先必须实施有效的队列管理机制( 或缓冲区管理策略)。
　　
　　----目前，已经出现的队列管理机制有： PPD(Partial Packet Discard)、EPD(Early Packet Discard)、RED(Random Early Discard)、 FRED(Flow RED)、RIO(RED with In and Out)、BLUE 等算法。比较起来，RED 算法具有较低的排队时延、较高的分组通过度(Goodput) 和较好的公平性，其主要思想是：路由器计算平均排队长度，当平均排队长度超过某一门限时，路由器按照一丢弃概率丢弃到达的分组，而这个丢弃概率是与平均排队长度成正比的函数。RED 算法允许短时的分组突发，因而可以避免因为网络负荷变化造成的分组丢弃；RED 能避免多个TCP 连接同时的超时重传，从而保持高的带宽利用率；此外，RED 算法还能较好的支持突发业务，且确定哪些连接使用了更多的带宽，并可以采取措施予以惩罚。
　　
　　----FRED 和RIO 都是在RED 上的改进或变种，FRED 对每一个业务流( 或连接) 都实施单独的一个RED 算法，这样能保证更好的公平性；RIO 在RED 的基础上又增加了一个门限值，在对DiffServ AF 业务的研究中多采用此算法。
　　
　　----BLUE 算法是IBM 公司的研究人员最近才提出的另一种较新的队列管理机制，与其他算法不同的是： BLUE 算法以“ 分组丢失率” 和“ 链路有效利用率” 作为判别拥塞是否发生的标准，而之前的算法都是以路由器中的“ 平均分组长度” 作为拥塞是否发生的判别标准。
　　
　　----队列调度机制(Queueing Scheduling Mechanism)
　　
　　----不论在IntServ 还是在DiffServ 里，都涉及到队列调度问题。简言之，队列调度的功能就是路由器如何从多个( 或一个) 队列中选择下一个待转发的分组，这与队列管理机制有着本质的区别。根据不同的服务规则，队列调度算法可以分为以下几种：先到先服务(FCFS)、循环调度(Round Robin)、处理机共享(PRocessor Sharing)、优先级服务、随机服务等。
　　
　　----目前已出现的队列调度算法主要有：基于循环调度的算法、基于GPS(Generalized Processor Sharing) 的算法两大类。一个有效的队列调度算法应达到的性能指标主要有：公平性、时延特性、对恶意

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