下一代互联网关键技术IP QoS(4)

7.QoS体系结构

前面分别介绍了单独应用各种QoS协议实现端到端QoS的情况，实际应用中，为了实现从上到下、在发送者和接收者之间的端到端QoS，需要同时将多种QoS技术结合起来使用。目前，大多数将这些QoS技术结合在一起的规范还没有标准化，但是搭建各种尽可能提供统一的端到端QoS体系结构的工作已经开始了。IETF的工作小组正致力于提出QoS整体体系结构，即从上至下的、端对端的QoS体系结构。

该结构包含了几乎现有的所有的QoS机制，如IntServ/RSVP、DiffServ、MPLS以及SBM。具体结构如图11所示。它利用高层协议与底层协议的合作，将高层的QoS协议映射到底层的协议，以支持从上至下的QoS，进而实现端对端QoS。 MPLS与DiffServ的端对端QoS模型

DiffServ需要大量网络单元的协同运作，才能向用户提供端到端的QoS，而这些这些组件往往是高度分散的。因此，尽管DiffServ是目前在骨干网上实现IP QoS最可行的方案，但仅靠DiffServ还不能提供端到端的QoS保证。解决这个问题的方法之一便是利用MPLS技术将第三层的QoS转换为第二层的QoS，通过网络中第二层的交换机来实现端到端的服务质量保证。尽管这可能不是一个真正意义上的IP QoS，但却是目前可以实现的方法中最切实可行的一个。

由于DiffServ和MPLS在所支持的QoS方面有某种相似性（如数据包分类），因此将DiffServ数据流映射到MPLS"管道"上相对来说比较简单。IETF的MPLS工作组目前推出的MPLS和DiffServ结合的方案是将DiffServ行为聚合BA映射到LSP，根据BA的PHB来转发LSP上的数据包LSP与BA的映射有两种方式：

E-LSP（Exp-inferred-PSC LSP）：E-LSP用MPLS垫片头部的EXP字段把多个BA指派到一条LSP上，使用MPLS垫层头的EXP字段表示一个包的PHB。最多可以把8个BA映射到EXP字段中。

L-LSP（Label-only-inferred-PSC LSP）：把一条LSP指派给一个BA（表现出多个包丢弃优先级），根据MPLS标签确定包的调度策略，根据MPLS垫片头或二层包丢弃机制确定丢弃优先级。

为了支持DiffServ的逐跳行为模型，MPLS网络操作员需要在每个MPLS路由器中为每个DiffServ转发类分配一定的网络资源和标签。同时，LSR还需要将特定的丢弃优先级与数据包相关联起来。 RSVP为MPLS提供资源QoS模型

在目前的MPLS体系结构中，可以用来对标签进行分发协议除了LDP外，另外一个就是RSVP。IETF的工作小组正致力于对RSVP进行扩展，以支持MPLS的标签分发，目前已经制定出相应的草案。用RSVP分配标签的一个优点是使得沿着标签分配路径进行资源分配成为可能，例如，通过标准的RSVP资源预留可将带宽分配给LSP。当然，资源预留对MPLS来说并不是必须的，LSP能在没有任何资源预留的情况下建立，这种LSP用于传输极力而为的流。

标签分配协议主要用于将路由器对特定数据流分配的标签及其意义通知它的下游节点，以使下游节点能根据数据包的标签来进行正确的处理。RSVP协议不仅支持下游按需（Downstream-on- demand）标签分配，而且支持显式路由功能。为此，RSVP的路径消息增加了LABEL_REQUEST对象。标签在下游分配，并且通过RSVP的预留消息分发。这样，RSVP的预留消息中增加了LABEL对象，增加了对标签堆栈的支持。为了支持显式路由，RSVP的路径消息中增加了EXPLICIT_ROUTE对象。显式路由的作用是优化网络资源的利用，增强面向流量的性能特征，它的一个重要应用便是流量工程。支持RSVP和MPLS的主机和路由器可以将标签与特定的数据流关联在一起。这样，路由器也就可以根据数据包的标签值来确定合适的资源预留状态信息了。以RSVP信令来为MPLS分发标签并预留资源的过程大致如下：

发送端发送PATH消息，除了普通PATH消息中所带有的TSpec信息外，该PATH消息还带有LABEL_REQUEST对象，用于各路由器分配标签；

中间路由器接收到PATH消息，建立路径状态（LABEL_REQUEST也包含在路径状态块中），并向下游转发PATH消息；

接收端收到PATH消息后，向上游发出RESV消息，该消息除带有TSpec、RSpec和Filter Spec外，还带有LABEL对象，用于对各个路由器分配的标签进行分配及分发；

中间路由器接收到RESV消息后，执行接入控制，并将LABEL对象中的标签值作为该会话的输出端口的标签值，同时分配新的标签值，并将新标签值与该会话的输入端口绑定（该端口也是路由器用来向上游传送RESV消息的端口）。

RSVP与DiffServ的端对端QoS模型

DiffServ服务的一个重要环节就是建立起SLA，然后各DS节点根据所建立的SLA对业务流进行分类和调节。目前，建立SLA有两种方法，对应为两种不同的SLA：静态SLA和动态SLA。静态SLA是由网络管理员根据一定的协定或策略制定相应的资源分配方案、流量调节规范等；而动态SLA则是根据某种信令协议动态分配资源。常用的信令协议就是RSVP，目前正在发展中的还有BB技术。

RSVP的最初设计目标是为单流（micro-flow）提供资源预留，扩展后的RSVP可以为流聚集提供资源预留。以RSVP和DiffServ结构相结合，将可以提供更为灵活的端对端QoS。在这种端对端的QoS模型中，由RSVP为流聚集提供资源，而DiffServ只是简单地对数据包进行标记、分类（区分不同的优先级）以及调度转发，需要注意的是，与IntServ中的RSVP预留资源不同，这里是发送请求的资源预留。

由于RSVP的高度复杂性，因此，在这种模型中，RSVP只是布置在边缘网络（直接与客户相连的网络），而在核心网络（主干网）只布置DiffServ。端系统利用RSVP向网络请求资源（例如带宽、缓冲区等），主干网的入口路由器应用标记DS的方法将RSVP资源预留映射到相应的服务类别上，也即与DSCP的对应。而在主干网的出口节点，重新使用RSVP，直到接收端。

DiffServ与IntServ/RSVP相结合提供QoS机制

我们知道，IntServ服务的最大优点是能够根据客户的实际需要，定制出完全符合客户需求的网络服务，具有相当的灵活性，而它最大的缺点是实现的复杂性，难以在主干网上大量使用。DiffServ服务恰恰相反，它最大的优点在于它在主干网上的可扩展性，但由于其处理的对象是流聚集, 所以无法处理一个特定的流请求。因此，可以把IntServ/RSVP和DiffServ看作是相互补充的技术，将其结合，互相协同，共同为用户提供端到端的QoS保证。

Intserv体系结构提供了一种在异构网络元素之上提供端到端QoS的方法。一般来讲，网络元素可以是单独的节点（如路由器）或链路，更复杂的实体（比如ATM云或802.3网络）也可以从功能上视为网络元素。在这种意义下，可以将DiffServ网络看成一个大的网络单元，是连接Intserv路由器和主机的虚链路。已经有方案描述了一种在DiffServ网络之上实施IntServ支持端到端QoS的方法，在该框架中，端到端的、定量的QoS是通过在含有一个或多个DS区的端到端网络中应用IntServ模型来提供的。为了优化资源的分配和支持接纳控制，DS区可以（但并不绝对要求）参加端到端的RSVP信令过程。

在DiffServ上提供IntServ服务的体系结构如图11所示，发送端和接收端分别与各自的IntServ网络相连，而两个IntServ区域又通过DiffServ骨干网络相连。在这种体系结构上提供端对端QoS有两种方式，一种是DiffServ区域静态地提供资源，另一种方式是DiffServ区域动态地提供资源，我们以静态方式为例来说明其具体的过程：

发送端以信令发出PATH消息，即业务流规格说明，其中包括服务类型（确保服务或控制负载服务）以及一些量化的参数。与发送端主机直接相连的IntServ网络N1中，以标准的RSVP/IntServ方式处理PATH消息；

在边界路由器ER1处，PATH消息遵循标准RSVP的处理方法，并且将PATH消息发往DiffServ区域；

PATH消息在DiffServ区域内透明地传输，然后在与接收端主机直接相连的IntServ网络N3的边界路由器ER2处按标准的RSVP方式处理；

当PATH消息到达接收端主机时，它发送出RESV消息，以规范业务流所需要的资源；

在N3网络中，RESV以标准的方式处理，在边界节点ER2处，以标准的方式处理，如果ER2认为与DiffServ区域相连的接口的资源不能满足所请求的资源，则ER2拒绝该请求，如果能满足要求的话，则将RESV消息透明地穿过DiffServ区域；

在ER1处，RESV消息触发接入控制程序，它将检查相应的DiffServ服务级别的可用资源以决定是否接受该业务流。可用资源由SLA确定。如果ER1接受该请求的话，它将RESV继续向上游转发并且更新它自身的可用资源；

RESV消息以标准的方式穿过N1并传送到发送端。在接收端，QoS处理程序接收RESV消息，接收端将认为它所请求的IntServ服务已经被网络接受，它也可以从RESV消息中获得正确的用于数据包标记的DSCP值；

发送端向接收端发送数据包，并标记以合适的DSCP值。

8.下一代互联网计划Internet2中IP QoS研究状况

Intenet 2是由有大约180所美国大学和包括朗讯科技在内的一些高技术公司以及政府部门参与的一个合作项目。Internet 2工作组创不是一个孤立的网络，而是由美国许多先进的校园网。区域网和国家网共同组成的，它通过集中公共机构和资源来进行新技术的研究，研究成果将被应用到全球的互联网上。

Internet2研究的一个主要目标便是创建一个可伸缩、可交互操作和可管理的QoS体系结构。以实现一些在现有的互联网上不能实现的应用，如远程医疗、数字化图书馆及虚拟实验室等。为此，在1997年，参加Internet２工程的大学和研究机构共同成立了QoS工作组，建立了QBone计划，以进行下一代互联网的QoS测试、开发和部署工作。目前，已经有许多新的应用在QBone中进行了测试使用，几个较大应用项目有：

nanoManipulator（nM）系统

nM是一个研究多