QoS 的协议与结构

　　标 准 Internet 协 议 (IP) 的 网 络 提 供 尽 力 而 为 的 数 据 传 输。 这 种 IP 网 络 允 许 客 户 端 主 机 的 结 构 复 杂 一 些， 而 网 络 端 的 结 构 可 以 保 持 相 对 的 简 单， 因 为 Internet 要 支 持 自 身 的 快 速 发 展， 所 以 这 样 的 结 构 划 分 是 有 好 处 的。 当 越 来 越 多 的 主 机 联 在 一 起 的 时 候， 网 络 服 务 的 需 求 最 终 会 超 过 网 络 的 能 力， 而 服 务 却 不 会 停 止， 由 此 产 生 网 络 性 能 的 逐 渐 恶 化， 进 而 造 成 传 输 迟 延 的 变 化 (抖 动)， 甚 至 引 起 分 组 丢 失， 但 不 会 影 响 常 用 的 Internet 应 用 (如， 电 子 邮 件， 文 件 传 输 和 Web 应 用)， 而 其 它 应 用 就 不 能 适 应 有 迟 延 的 服 务。 传 输 迟 延 对 有 实 时 要 求 的 应 用 (例 如 传 送 多 媒 体 信 息) 及 大 多 数 双 向 通 信 (如 电 话) 带 来 了 问 题。

　　增 加 带 宽 是 满 足 这 些 实 时 应 用 必 要 的 第 一 步。 但 是 当 业 务 量 猛 增 的 时 候， 仍 难 以 避 免 传 输 迟 延。 甚 至 在 一 个 负 载 相 对 较 轻 的 IP 网 络 上， 传 输 迟 延 也 能 累 积 到 影 响 实 时 应 用 的 程 度。 为 了 提 供 能 够 满 足 要 求 的 服 务， 必 须 补 充 制 订 有 关 服 务 数 量、 或 服 务 质 量 水 平 的 规 定。 规 定 中 需 要 在 网 络 方 面 增 加 一 些 协 议， 来 区 分 具 有 严 格 定 时 要 求 的 业 务 和 能 够 容 忍 迟 延、 抖 动 和 分 组 丢 失 的 业 务。 这 就 是 服 务 质 量 (QoS) 协 议 要 做 的 事 情。 QoS 不 是 创 造 带 宽， 而 是 管 理 带 宽， 因 此 它 能 应 用 得 更 为 广 泛， 能 满 足 更 多 的 应 用 需 求。 QoS 的 目 标 是 要 提 供 一 些 可 预 测 性 的 质 量 级 别， 以 及 控 制 超 过 目 前 IP 网 络 最 大 服 务 能 力 的 的 服 务。

　　QoS 协 议 要 满 足 各 种 应 用 的 需 要。 这 篇 文 章 将 对 这 些 协 议 做 详 尽 的 描 述， 然 后 说 明 它 们 在 遵 循 端 到 端 原 则 的 不 同 的 网 络 结 构 里 是 如 何 相 互 配 合 工 作 的。 IP QoS 技 术 所 面 临 的 挑 战 是 要 能 把 传 输 的 服 务 从 不 同 的 数 据 流 中 区 分 开， 或 者 在 不 中 断 网 络 工 作 的 情 况 下 将 数 据 聚 合 起 来。 尽 力 而 为 服 务 的 改 进 表 明 让 Internet 发 挥 其 最 大 作 用 的 设 计 思 路 发 生 了 根 本 变 化。

　　为 了 避 免 QoS 协 议 用 于 网 络 时 出 现 问 题， 端 到 端 原 则 仍 然 是 QoS 设 计 者 首 要 遵 循 的 原 则。 所 以， 保 持 网 络 边 缘 复 杂、 核 心 简 单 这 一 基 本 原 则 是 QoS 结 构 设 计 的 中 心 问 题。 这 不 是 指 单 个 QoS 协 议， 而 是 指 这 些 协 议 如 何 相 互 配 合 来 实 现 端 到 端 的 QoS。

　　QoS 协 议

　　描 述 QoS 的 方 法 不 只 一 种。 通 常 情 况 下， QoS 是 一 个 网 络 部 件 (如 一 个 应 用、 一 台 主 机 或 一 个 路 由 器) 提 供 的 一 些 保 证 稳 定 传 输 网 络 数 据 的 质 量 级 别。 某 些 应 用 对 QoS 的 要 求 比 其 它 应 用 更 高， 因 此 有 下 面 两 种 基 本 的 QoS：

　　资 源 预 留 (适 于 综 合 服 务)： 根 据 某 个 应 用 对 QoS 的 要 求 来 分 配 网 络 资 源， 并 且 服 从 带 宽 管 理 策 略

　　按 优 先 级 排 列 (适 于 差 分 服 务)： 对 网 络 的 业 务 进 行 分 类， 并 根 据 带 宽 管 理 策 略 的 规 范 来 分 配 网 络 资 源。 当 所 标 识 的 业 务 类 别 有 更 强 烈 服 务 要 求 的 需 求 时， 网 络 部 件 会 给 予 优 先 处 理。

　　有 两 种 其 它 方 法 描 述 QoS 类 型：

　　'流' 型 QoS： 把 一 个 '流' 定 义 为 一 个 信 源 和 信 宿 之 间、 单 个、单 向、由 传 输 协 议 唯 一 标 识 的 数 据 流，其 中 包 括 数 据 流 的 源 地 址、源 端 口 号、 目 的 地 址 以 及 目 的 端 口 号

　　'聚 合' 型 QoS： 一 个 聚 合 是 简 单 的 两 个 或 更 多 的 '流'。 最 为 突 出 的 是， 这 些 '流' 会 有 相 同 的 标 记 或 者 优 先 级 号 码， 也 许 还 有 一 些 相 同 的 认 证 信 息。

　　应 用、 网 络 拓 扑 结 构 和 策 略 决 定 了 哪 一 种 QoS 最 适 合 个 别 '流'， 或 者 '流 聚 合'。

　　为 满 足 对 QoS 不 同 的 需 要， 有 以 下 几 种 QoS 协 议 和 算 法：

　　资 源 预 留 协 议 (RSVP)： 提 供 网 络 资 源 预 留 的 信 令。 尽 管 RSVP 经 常 用 于 单 个 流， 但 也 用 于 聚 合 流 的 资 源 预 留

　　差 分 服 务 (DiffServ) ： 提 供 一 个 简 单 的 分 类 和 网 络 聚 合 流 的 优 先 级

　　多 协 议 标 记 交 换 (MPLS) ： 根 据 分 组 头 的 标 记， 通 过 网 络 路 径 控 制 来 提 供 聚 合 流 的 带 宽 管 理

　　子 网 带 宽 管 理 (SBM) ：负 责 OSI 第 二 层 (数 据 链 路 层) 的 分 类 和 优 先 级 排 列， 同 IEEE 802 网 络 进 行 共 享 和 交 换。

　　RSVP － 资 源 预 留

　　RSVP 是 一 个 信 令 协 议， 它 提 供 建 立 连 接 的 资 源 预 留， 控 制 综 合 业 务， 往 往 在 IP 网 络 上 提 供 仿 真 电 路。 RSVP 是 所 有 QoS 技 术 中 最 复 杂 的 一 种， 与 尽 力 而 为 的 IP 服 务 标 准 差 别 最 大 ， 它 能 提 供 最 高 的 QoS 等 级， 使 得 服 务 得 到 保 障、 资 源 分 配 量 化， 服 务 质 量 的 细 微 变 化 能 反 馈 给 支 持 QoS 的 应 用 和 用 户。

　　协 议 的 工 作 情 况 如 下：

　　发 送 端 依 据 高、 低 带 宽 的 范 围、 传 输 迟 延， 以 及 抖 动 来 表 征 发 送 业 务。 RSVP 从 含 有 '业 务 类 别 (TSpec)' 信 息 的 发 送 端 发 送 一 个 路 径 信 息 给 目 的 地 址 (单 点 广 播 或 多 点 广 播 的 接 收 端)。 每 一 个 支 持 RSVP 的 路 由 器 沿 着 下 行 路 由 建 立 一 个 '路 径 状 态 表'， 其 中 包 括 路 径 信 息 里 先 前 的 源 地 址 (例 如， 朝 着 发 送 端 的 上 行 的 下 一 跳)

　　为 了 获 得 资 源 预 留， 接 收 端 发 送 一 个 上 行 的 RESV (预 留 请 求) 消 息。 除 了 TSpec， RESV 消 息 里 有 '请 求 类 别 (RSpec)'， 表 明 所 要 求 的 综 合 服 务 类 型， 还 有 一 个 '过 滤 器 类 别'， 表 征 正 在 为 分 组 预 留 资 源 (如 传 输 协 议 和 端 口 号)。 RSpec 和 过 滤 器 类 别 合 起 来 代 表 一 个 '流 的 描 述 符'， 路 由 器 就 是 靠 它 来 识 别 每 一 个 预 留 资 源 的

　　当 每 个 支 持 RSVP 的 路 由 器 沿 着 上 行 路 径 接 收 RESV 的 消 息 时， 它 采 用 输 入 控 制 过 程 证 实 请 求， 并 且 配 置 所 需 的 资 源。 如 果 这 个 请 求 得 不 到 满 足 (可 能 由 于 资 源 短 缺 或 未 通 过 认 证)， 路 由 器 向 接 收 端 返 回 一 个 错 误 消 息。 如 果 这 个 消 息 被 接 受， 路 由 器 就 发 送 上 行 RESV 到 下 一 个 路 由 器

　　当 最 后 一 个 路 由 器 接 收 RESV， 同 时 接 受 请 求 的 时 候， 它 再 发 送 一 个 证 实 消 息 给 接 收 端

　　当 发 送 端 或 接 收 端 结 束 了 一 个 RSVP 会 话 时， 有 一 个 明 显 的 断 开 连 接 的 过 程。

　　RSVP 支 持 的 综 合 业 务 有 以 下 两 种 基 本 类 型：

　　有 保 证 业 务： 这 种 业 务 是， 尽 可 能 地 仿 真 成 一 条 专 用 虚 电 路。 除 了 要 根 据 TSpec 参 数 的 要 求 确 保 带 宽 的 有 效 性 外， 它 还 可 以 用 把 一 条 路 径 里 的 不 同 网 络 部 件 的 参 数 合 并 起 来 的 方 法 来 提 供 一 个 端 到 端 的 固 定 的 队 列 延 迟

　　受 控 负 载： 这 相 当 于 '无 负 载 条 件 下 尽 力 而 为 服 务'。 因 此， 它 比 '尽 力 而 为' 服 务 更 好， 但 是 不 能 提 供 '有 保 证 业 务' 所 承 诺 的， 具 有 严 格 固 定 队 列 延 迟 的 服 务。

　　对 于‘有 保 证 业 务’和 受 控 负 载， 处 理 不 同 的 (与 类 别 无 关) 数 据 业 务 就 象 处 理 没 有 QoS 的 尽 力 而 为 数 据 业 务 那 样。综 合 业 务 采 用 令 牌 筐 模 式 来 表 征 输 入／输 出 排 序 算 法。 设 计 令 牌 筐 是 为 了 平 滑 输 出 的 业 务 流， 但 不 象 泄 露 筐 模 式 (也 可 以 平 滑 输 出 的 业 务 流)， 令 牌 筐 模 式 允 许 数 据 突 发、 在 短 时 间 内 维 持 更 高 的 发 送 速 率。

　　RSVP 协 议 机 制 要 点：

　　每 个 路 由 器 的 预 留 资 源 是 '软' 的， 即 这 些 资 源 需 要 由 接 收 端 定 期 地 刷 新

　　RSVP 不 是 传 输 协 议， 而 是 网 络 (控 制) 协 议。 作 为 这 样 的 协 议， 它 不 传 送 数 据， 但 是 和 TCP 或 者 UDP 的 数 据 '流' 是 并 行 工 作 的

　　应 用 要 求 API 详 细 说 明 数 据 流 的 需 求， 初 始 化 预 留 资 源 请 求， 并 且 在 发 出 初 始 化 请 求 后， 接 收 预 留 成 功 或 失 败 的 通 知 并 贯 穿 于 整 个 会 话 过 程。 为 了 更 好 地 利 用 API， API 也 要 包 含 那 些 描 述 在 整 个 预 留 时 间 内 的 预 留 建 立 期 间 或 之 后， 当 条 件 发 生 变 化 时 出 现 问 题 的 RSVP 错 误 信 息

　　根 据 接 收 端 的 情 况 来 预 留 资 源， 是 为 了 有 效 的 接 纳 相 当 复 杂 的 (组 播) 接 收 端 组

　　在 上 行 方 向 的 业 务 复 制 点 处 组 播 预 留 资 源 混 合 在 一 起 (仍 然 有 不 易 理 解 的 复 杂 算 法 在 里 面)

　　尽 管 RSVP 业 务 可 以 通 过 不 支 持 RSVP 的 路 由 器， 但 是 这 会 在 QoS '链' 上 产 生 一 条 '