IP QoS——IP網(wǎng)絡的核心技術
李曉東 2001/04/06
在過去的25年中，Internet從一個美國政府建立的研究性網(wǎng)絡發(fā)展成為今天全球性的商用網(wǎng)絡。Internet是第一個IP(Internet
Protocol)的大規(guī)模應用。IP技術現(xiàn)在已經(jīng)成為網(wǎng)絡話音 (Webtone)世界的基礎平臺。人們普遍認為，無論是在公用網(wǎng)絡還是專用網(wǎng)絡(如企業(yè)
Intranet)的演進過程中，IP技術都將發(fā)揮著舉足輕重的作用。
為什么需要IP QoS？
IP網(wǎng)絡上多媒體業(yè)務的出現(xiàn)對IP環(huán)境中的服務質(zhì)量 (QoS)提出了更高的要求。通過Intel和Microsoft等公司的努力，多媒體應用已經(jīng)成為PC
結構中的一個有機組成部分，推動了公用和專用網(wǎng)絡迅速地向多樣化的、更具挑戰(zhàn)性的業(yè)務組合發(fā)展。
Internet上的分組話音和傳真業(yè)務極大地降低了成本，使通信產(chǎn)業(yè)發(fā)生了徹底的變化。所有這些實時多媒體應用所需要的QoS遠比目前Internet可以提供的盡力而為的服務等級保證要高。
目前，Internet 遠遠不能提供企業(yè)所需要的且已經(jīng)在其專用網(wǎng)絡中習慣的可靠性和性能。商業(yè)客戶在安全性、可預測性、可測量性等方面得到保證之前，還不大可能把關鍵業(yè)務的數(shù)據(jù)、話音和多媒體應用放到公用IP網(wǎng)絡上。IP
QoS 就是在這種環(huán)境下應運而生的。
IP QoS是指IP的服務質(zhì)量，是指IP數(shù)據(jù)流通過網(wǎng)絡時的性能。它的目的就是向用戶的業(yè)務提供端到端的服務質(zhì)量保證。它有一套度量指標，包括業(yè)務可用性、延遲、可變延遲、吞吐量和丟包率。IP
QoS在可預測、可測量性方面比傳統(tǒng)IP有了很大提高，基本解決了商業(yè)用戶的需求，因而勢必可以吸引更多的商業(yè)用戶，形成一個新的利潤增長點，帶來可增值的業(yè)務種類。另外，IP
QoS還帶來了更高效的帶寬使用率等。因此可以說IP QoS將是今后一段時間促進IP網(wǎng)絡增長的關鍵技術。
有了IP QoS，服務提供商就可以通過吸引更多的商業(yè)用戶、更高價位的業(yè)務級別以及更高效的帶寬使用等來獲得更大的收益。它們還可以通過增強不同業(yè)務的區(qū)分能力、Better-than-best-effort
(優(yōu)于盡力而為的傳輸) 的業(yè)務和客戶化解決方案來獲得更大競爭優(yōu)勢。
盡管IP QoS的研究工作已經(jīng)進行了一段時間，但是人們普遍認為目前還未出現(xiàn)一個成熟的體系架構、支持硬件以及相應的操作技術。但無論怎樣，在IP網(wǎng)絡中保證QoS將會是一個重要的發(fā)展方向。
IP QoS的機遇
將數(shù)據(jù)業(yè)務以及IP的話音業(yè)務轉移到公用IP網(wǎng)絡上是服務提供商最近幾年尋找到的一個賣點或業(yè)務突破口。隨著公網(wǎng)技術的不斷成熟，一些商業(yè)用戶已經(jīng)開始將其應用逐漸地轉移到了公用IP網(wǎng)絡上來。吸引商業(yè)客戶的最重要的一個條件就是這些關鍵業(yè)務都提供基于IP的QoS。IP
QoS給運營商帶來了很多好處。首先運營商通過IP QoS的引入，可以從性能上保證商業(yè)用戶關鍵應用在運營網(wǎng)絡中傳輸?shù)姆⻊召|(zhì)量，以提供原來無法提供的關鍵性業(yè)務，獲得高額的利潤；其次，由于IP
QoS的引入，網(wǎng)絡的帶寬將會得到更有效的使用，可以根據(jù)商業(yè)用戶的不同應用要求提供不同的帶寬保證，使運營成本進一步降低。另外，如果從競爭的角度考慮，能夠根據(jù)用戶的需要來提供多種優(yōu)于盡力而為的業(yè)務級別，為用戶量體裁衣，提供個性化服務的運營商無疑最有競爭力。
然而，要想實現(xiàn)上述幾點并非易事。IP QoS仍然是一個比較新的概念，不同廠商提供了多種不同的專有解決方案，而且標準還未統(tǒng)一。因此，互連互通對運營商是一個不得不考慮的問題。除此之外，在這種不確定的環(huán)境中，服務提供商在實施IP
QoS解決方案時，應該首先考慮以下幾個問題：
這些問題都是運營商在采用或?qū)嵤㊣P QoS之前必須充分考慮的問題。
IP QoS的定義
大多數(shù)的業(yè)內(nèi)專家都認為，QoS是區(qū)分服務提供商的一個重要標準。然而，與業(yè)務相關的一些重要概念和術語至今仍未達成普遍的一致，而這些概念和術語又恰恰是建立標準化的業(yè)務的重要前提。例如，IP
QoS本身經(jīng)常被誤用，即使是業(yè)內(nèi)的專家也不例外；所宣傳的IP QoS往往只是IP CoS（Class of Service，服務級別）。它只能簡單地將業(yè)務區(qū)分開來，而無法準確完善地定義和保證每一個服務級別。在一般的通信用語中，CoS的含義很廣泛，它既包括一套已經(jīng)標準化了的特性，也包括其他一些現(xiàn)在已經(jīng)有效但還沒有標準化的業(yè)務或業(yè)務集。而QoS的含義則很明確，主要用于度量與某種業(yè)務相關的一整套性能特點。
QoS可以用一系列可度量的參數(shù)來描述：
IP QoS的體系結構
IP QoS的概念應該分為兩個部分，這兩部分的IP QoS 定義和側重點均有所不同。
局域網(wǎng)中的IP QoS主要是對第二層的以太網(wǎng)幀頭加入了優(yōu)先級字段，以區(qū)分不同的優(yōu)先級。嚴格地講，在局域網(wǎng)中只能簡單地區(qū)分業(yè)務的優(yōu)先級，并不能像ATM
QoS那樣有精確的定義和詳細的參數(shù)指標來衡量。
這種解決方案是根據(jù)對IEEE 802.1p/q協(xié)議字段的處理來區(qū)分不同優(yōu)先級業(yè)務的。IEEE 802.1p/q同屬于一個子集，它在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)幀頭中加入了4個字節(jié)，其中802.1p占3位。802.1p延伸了802.1d的協(xié)議，利用3位優(yōu)先級位可以最多提供8個優(yōu)先等級。而802.1q利用VI(VLAN
Identifier，虛擬網(wǎng)標識)位識別傳送的幀究竟屬于哪一個虛網(wǎng)。VI位共有12位，最大可以支持的虛網(wǎng)個數(shù)不會超過4096個。 802.1p/q的具體定義可以參見圖1。
在廣域網(wǎng)上，IETF(Internet Engineering Task Force)定義了兩種IP QoS結構——綜合業(yè)務結構（Int-Serv
)和業(yè)務區(qū)分結構（Diff-Serv）。兩種結構各有其特點和優(yōu)勢，目前還無法互通。
Int-Serv 一般應用在企業(yè)網(wǎng)絡的邊沿，如圖2所示，它使用一種類似ATM SVC的方法，在發(fā)送端和接收端之間用RSVP(資源預留協(xié)議)作為每個流(Flow)的信令。RSVP的信息跨越整個網(wǎng)絡，請求/預留資源。路徑沿途的各路由器(包括核心路由器)必須為每個要求服務質(zhì)量保證的數(shù)據(jù)流維護一個“軟狀態(tài)”。所謂的“軟狀態(tài)”
就是一種臨時性狀態(tài)，由資源預留定期失效來控制，因此無需申請拆除顯式路徑。軟狀態(tài)被定期的RSVP信息更新。通過RSVP信息的預留，各路由器可以判斷是否有足夠的資源可以預留。只有所有的路由器都給RSVP提供了足夠的資源，“路徑”方可建立；否則，將返回并拒絕信息。
Diff-Serv比Int-Serv 更具可擴展性，如圖3所示，它可用于企業(yè)的廣域網(wǎng)中，并在運營商網(wǎng)絡中發(fā)揮重要的作用，因為它可以根據(jù)應用或業(yè)務類型排出不同的優(yōu)先級別。業(yè)務區(qū)分結構使用IPv4報頭中的業(yè)務類型（ToS）字段，并將8 位ToS字段重新命名，作為DS字段，其中6位可供目前使用，剩余2位以備將來使用，如圖4所示。通過該字段的標記，下行節(jié)點可以獲取足夠的服務質(zhì)量信息，以對到達該端口的數(shù)據(jù)包做出相應的“處理”，將它們正確地轉發(fā)給下一跳的路由器。這里需要注意， ToS字段和DS字段的定義是不同的。邊緣路由器可以將ToS字段映射到DS字段。
IP QoS的未來
IP QoS將成為運營商級IP聯(lián)網(wǎng)解決方案的基礎，這種解決方案既可以十分可靠地傳輸公共Internet等一般性數(shù)據(jù)業(yè)務，同時又能傳輸關鍵業(yè)務應用。分析家普遍認為，在今后兩年中IP業(yè)務將迅速增長，并將成為大多數(shù)服務提供商網(wǎng)絡中的主導業(yè)務，而不僅僅是ISP。隨著IP業(yè)務的進一步商業(yè)化，產(chǎn)業(yè)結構將發(fā)生較大變化。
目前還沒有一個路由協(xié)議可以根據(jù)不同的業(yè)務特點來計算最優(yōu)路徑。眾所周知，不同類型的業(yè)務，其特點不同。如視頻和話音業(yè)務雖然對傳輸時延和時延抖動都十分敏感，但對數(shù)據(jù)的丟失卻有一定的忍耐度；相反，一般的數(shù)據(jù)業(yè)務雖然對時延和時延抖動都不十分在意，但對數(shù)據(jù)本身的丟失和差錯卻十分敏感。因此，不同的業(yè)務在通過運營網(wǎng)絡時對最優(yōu)路徑的理解是不同的。對于數(shù)據(jù)業(yè)務來說，最短的路徑就是最優(yōu)的路徑；而對于實時業(yè)務來說卻未必如此。這些分歧是為純粹數(shù)據(jù)業(yè)務設計的傳統(tǒng)路由協(xié)議很難彌補的。因此，與之相關的問題就會影響到IP網(wǎng)絡的業(yè)務質(zhì)量，這是一個難以解決的問題。所幸的是，新的路由協(xié)議出現(xiàn)了，使得這一問題的解決指日可待。
新一代的IP產(chǎn)品還將提供不斷增多的隊列，以實現(xiàn)更精細的業(yè)務區(qū)分。將來，還可以實現(xiàn)為特定的數(shù)據(jù)流定義并分配隊列。
策略管理算法將完全符合網(wǎng)絡拓撲及其他環(huán)境因素，使網(wǎng)絡能夠使用尖端的高級策略、更有效地控制SLA、網(wǎng)絡和業(yè)務的管理以及業(yè)務恢復。
IP業(yè)務模式定義將更為明確，IP的業(yè)務控制功能將進一步增強，它們的結果就是服務的質(zhì)量和級別將迅速提高，使更多的用戶群可以享用到功能更為豐富的IP業(yè)務。
總之，盡管今天的IP QoS還有很多問題沒有解決，但就像今天的IP業(yè)務一樣，IP QoS將不可避免地成為運營商IP 網(wǎng)絡中一項關鍵的核心技術。