IP QoS的體系結構和實現機制

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　　IP QoS 正 成 為 業 界 關 注 和 研 究 的 熱 點，IETF 為 之 成 立 了 專 門 的 工 作 組， 研 究 出 一 些 初 步 的 成 果， 但IP QoS 的 徹 底 解 決 還 有 待 于 更 進 一 步 的 研 究 和 發 展。
　　
　　IP QoS 的 體 系 結 構
　　　

　　----到 目 前 為 止， 業 界 的 不 同 組 織 或 單 位 已 提 出 了 一 些QoS 的 體 系 結 構， 這 包 括IBM 公 司 的Heidelberg QoS 模 型、 美 國 哥 倫 比 亞 大 學COMET 研 究 組 提 出 的XRM 模 型、 美 國 賓 夕 法 尼 亞 大 學 的OMEGA 體 系 結 構、 加 利 福 尼 亞 大 學 伯 克 利 分 校 的Tenet 模 型 等。 但 對 于IP QoS 則 主 要 有 以 下 兩 種 體 系 結 構。
　　
　　----IntServ 集 成 業 務 體 系 結 構
　　
　　----IntServ(Integrated Services Architecture) 由IETF 的 IntServ 工 作 組 于1994 年 在RFC1633 中 提 出。Intserv 定 義 了 三 種 服 務 類 型。
　　
　　Guranteed Services(RFC2212)： 對 帶 寬、 時 延、 分 組 丟 失 率 提 供 定 量 的 質 量 保 證；
　　Controlled-load Services (RFC2211)： 給 用 戶 提 供 一 種 類 似 在 網 絡 欠 載 情 況 下 的 服 務， 它 是 一 種 定 性 的 指 標；
　　Best-Effort： 類 似 于 目 前Internet 網 上 提 供 的 服 務， 是 一 種 盡 力 而 為 的 工 作 方 式， 基 本 上 無 任 何 質 量 保 證。
　　----為 了 實 現 上 面 的 服 務，IntServ 定 義 了4 個 功 能 部 件， 網 絡 中 的 每 個 路 由 器 皆 需 要 實 現 這4 個 部 件。
　　
　　RSVP(RFC2205)：RSVP 即 資 源 預 留 協 議， 它 是Internet 上 的 信 令 協 議。 通 過RSVP， 用 戶 可 以 給 每 個 業 務 流( 或 連 接) 申 請 資 源 預 留， 要 預 留 的 資 源 可 能 包 括 緩 沖 區 及 帶 寬 的 大 小。 這 種 預 留 需 要 在 路 徑 上 的 每 一 跳 都 要 進 行， 這 樣 才 能 提 供 端 到 端 的QoS 保 證。RSVP 是 單 向 的 預 留， 適 用 于 點 到 點 以 及 點 到 多 點 的 通 信 環 境。
　　訪 問 控 制(Admision Control)： 它 基 于 用 戶 和 網 絡 達 成 的 服 務 協 議， 對 用 戶 的 訪 問 進 行 一 定 的 監 視 和 控 制， 有 利 于 保 證 雙 方 的 共 同 利 益。
　　分 類 器(Classifier)： 根 據 預 置 的 一 些 規 則， 它 對 進 入 路 由 器 的 每 一 個 分 組 進 行 分 類。 這 可 能 需 要 查 看IP 分 組 里 的 某 些 域：IP 源 地 址、IP 目 的 地 址、 上 層 協 議 類 型、 源 端 口 號、 目 的 端 口 號； 分 組 經 過 分 類 以 后 被 放 到 不 同 的 隊 列 中 等 待 接 收 服 務。 這 方 面 的 技 術 還 不 很 成 熟， 是 一 個 有 待 研 究 的 領 域。
　　隊 伍 調 度 器(Scheduler)： 它 主 要 是 基 于 一 定 的 調 度 算 法 對 分 類 后 的 分 組 隊 列 進 行 調 度 服 務。 這 方 面 的 技 術 目 前 已 比 較 成 熟， 常 見 的 調 度 算 法 有WFQ、WF2Q、SCFQ、VC、MD-SCFQ、WRR 等。
　　----IntServ 盡 管 能 提 供QoS 保 證， 但 擴 展 性 較 差。 因 為 其 工 作 方 式 是 基 于 每 個 流 的， 這 就 需 要 保 存 大 量 的 與 分 組 隊 列 數 成 正 比 的 狀 態 信 息； 此 外，RSVP 的 有 效 實 施 必 須 依 賴 于 分 組 所 經 過 的 路 徑 上 的 每 個 路 由 器。 在 骨 干 網 上， 業 務 流 的 數 目 可 能 會 很 大， 同 時 它 還 要 求 路 由 器 的 轉 發 速 率 很 高， 這 使 得IntServ 難 于 在 骨 干 網 上 得 到 實 施。 目 前， 比 較 一 致 的 看 法 是 在 企 業 網 的 邊 緣 實 施IntServ， 或 者 對 流(flow) 的 定 義 更 加 粗 糙 以 使 業 務 流 的 數 目 降 低 到 可 以 承 受 的 地 步。
　　
　　----DiffServ 區 分 業 務 體 系 結 構
　　
　　----為 了 解 決IntServ 的 一 些 缺 點，IETF 在 RFC2475 中 提 出DiffServ(Differentiated Services Architecture) 體 系 結 構， 旨 在 定 義 一 種 實 施IP QoS 且 更 容 易 擴 展 的 方 式， 以 解 決IntServ 擴 展 性 差 的 缺 點。DiffServ 簡 化 了 信 令， 對 業 務 流 的 分 類 顆 粒 度 更 粗。 它 通 過 匯 聚(aggregate) 和PHB(Per Hop Behavior) 的 方 式 來 提 供 一 定 程 度 上 的QoS 保 證。 匯 聚 的 含 義 在 于 路 由 器 可 以 把QoS 需 求 相 近 的 各 業 務 流 看 成 一 個 大 類， 以 減 少 調 度 算 法 所 處 理 的 隊 列 數；PHB 的 含 義 在 于 逐 跳 的 轉 發 方 式， 每 個PHB 對 應 一 種 轉 發 方 式 或QoS 要 求。
　　
　　----在DiffServ 里， 引 入 了DiffServ 域(Domain) 的 概 念， 一 個DiffServ 域 可 以 認 為 是 一 個 能 提 供DiffServ 業 務 的 子 網， 如 圖 所 示。DiffServ 域 主 要 由 一 些 路 由 器 組 成， 并 對 這 些 路 由 器 進 行 了 區 分， 把 位 于DiffServ 域 邊 界 的 稱 為 邊 界 路 由 器(Edge Router)， 而 把DiffServ 域 內 部 的 稱 為 內 部 路 由 器(Core Router)。 邊 界 路 由 器 需 要 具 有 的 功 能 有： 對 業 務 流 的 分 類( 基 于IP 分 組 中 一 些 字 段 的 與IntServ 類 似 的 較 細 分 類 或 者 為 基 于 匯 聚 的 較 粗 分 類)、 整 形 (shaping)、 標 記(marking) 和 調 度(sheduling)； 內 部 路 由 器 需 要 具 有 的 功 能 有： 分 類( 為 基 于 匯 聚 的 較 粗 的 分 類)、 調 度。DiffServ 力 圖 通 過 對 業 務 流 的 分 類、 整 形、 標 記、 調 度 來 實 現 對 業 務QoS 一 定 程 度 上 的 保 證。 目 前 在DiffServ 上 主 要 提 出 了 下 面 兩 種 業 務：
　　
　　Expedited Services(EF-RFC 2598)： 提 供 類 似 于 專 線 或 租 用 線 的 服 務；
　　Assured Services(AF-RFC 2597)： 提 供 比Best-Effort 盡 量 好 的QoS；
　　----DiffServ 利 用 了IPv4 分 組 頭 的TOS 字 段( 或 IPv6 的COS 字 段)， 作 為DSCP(DiffServ 編 碼 點) 使 用。 每 一 種DSCP 對 應 一 種PHB 方 式。 路 由 器 在 轉 發 分 組 時 只 需 查 看 每 個 分 組 的DSCP 值， 從 而 對 此 分 組 提 供 相 應 的PHB 轉 發 方 式。 目 前 已 定 義 的DSCP 值 有：000000 為 缺 省(Best-Effort)、101100 為EF 及12 個AFDSCP。
　　
　　----實 際 上，DiffServ 僅 提 供 了 一 種 在 一 子 網 絡 域 內 實 施QoS 的 框 架 結 構， 而 具 體 的 一 些 策 略 和 相 應 的 實 現 機 制 則 由 不 同 的 廠 商 來 決 定。 盡 管DiffServ 比 較 靈 活， 但 同 時 提 出 的 一 個 問 題 是 它 能 否 真 正 提 供QoS 保 證。
　　
　　IP QoS 的 實 現 機 制
　　　
　　
　　----隊 列 管 理 機 制(Queue Management Mechanism)
　　
　　----在 網 絡 發 生 擁 塞 時， 路 由 器 必 須 丟 棄 一 些 分 組， 這 個 問 題 的 解 決 首 先 必 須 實 施 有 效 的 隊 列 管 理 機 制( 或 緩 沖 區 管 理 策 略)。
　　
　　----目 前， 已 經 出 現 的 隊 列 管 理 機 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 較 起 來，RED 算 法 具 有 較 低 的 排 隊 時 延、 較 高 的 分 組 通 過 度(Goodput) 和 較 好 的 公 平 性， 其 主 要 思 想 是： 路 由 器 計 算 平 均 排 隊 長 度， 當 平 均 排 隊 長 度 超 過 某 一 門 限 時， 路 由 器 按 照 一 丟 棄 概 率 丟 棄 到 達 的 分 組， 而 這 個 丟 棄 概 率 是 與 平 均 排 隊 長 度 成 正 比 的 函 數。RED 算 法 允 許 短 時 的 分 組 突 發， 因 而 可 以 避 免 因 為 網 絡 負 荷 變 化 造 成 的 分 組 丟 棄；RED 能 避 免 多 個TCP 連 接 同 時 的 超 時 重 傳， 從 而 保 持 高 的 帶 寬 利 用 率； 此 外，RED 算 法 還 能 較 好 的 支 持 突 發 業 務， 且 確 定 哪 些 連 接 使 用 了 更 多 的 帶 寬， 并 可 以 采 取 措 施 予 以 懲 罰。
　　
　　----FRED 和RIO 都 是 在RED 上 的 改 進 或 變 種，FRED 對 每 一 個 業 務 流( 或 連 接) 都 實 施 單 獨 的 一 個RED 算 法， 這 樣 能 保 證 更 好 的 公 平 性；RIO 在RED 的 基 礎 上 又 增 加 了 一 個 門 限 值， 在 對DiffServ AF 業 務 的 研 究 中 多 采 用 此 算 法。
　　
　　----BLUE 算 法 是IBM 公 司 的 研 究 人 員 最 近 才 提 出 的 另 一 種 較 新 的 隊 列 管 理 機 制， 與 其 他 算 法 不 同 的 是： BLUE 算 法 以“ 分 組 丟 失 率” 和“ 鏈 路 有 效 利 用 率” 作 為 判 別 擁 塞 是 否 發 生 的 標 準， 而 之 前 的 算 法 都 是 以 路 由 器 中 的“ 平 均 分 組 長 度” 作 為 擁 塞 是 否 發 生 的 判 別 標 準。
　　
　　----隊 列 調 度 機 制(Queueing Scheduling Mechanism)
　　
　　----不 論 在IntServ 還 是 在DiffServ 里， 都 涉 及 到 隊 列 調 度 問 題。 簡 言 之， 隊 列 調 度 的 功 能 就 是 路 由 器 如 何 從 多 個( 或 一 個) 隊 列 中 選 擇 下 一 個 待 轉 發 的 分 組， 這 與 隊 列 管 理 機 制 有 著 本 質 的 區 別。 根 據 不 同 的 服 務 規 則， 隊 列 調 度 算 法 可 以 分 為 以 下 幾 種： 先 到 先 服 務(FCFS)、 循 環 調 度(Round Robin)、 處 理 機 共 享(Processor Sharing)、 優 先 級 服 務、 隨 機 服 務 等。
　　
　　----目 前 已 出 現 的 隊 列 調 度 算 法 主 要 有： 基 于 循 環 調 度 的 算 法、 基 于GPS(Generalized Processor Sharing) 的 算 法 兩 大 類。 一 個 有 效 的 隊 列 調 度 算 法 應 達 到 的 性 能 指 標 主 要 有： 公 平 性、 時 延 特 性、 對 惡 意

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