论文部分内容阅读
在过去的二十五年中，Internet已发展成为全球性的商用网络。Internet是第一个IP（Internet Protocol）的大规模应用，人们普遍预测无论在公用网络还是专用网络（如企业Intranet）的演进过程中，IP技术都将起着举足轻重的作用。Internet上的分组话音和传真业务极大地降低了成本，使通讯产业发生了彻底的变化，这些多媒体应用推动了公用和专用网络更迅速地向多样化的、更具挑战性的业务组合发展。
但与此同时，多媒体业务的出现对IP环境中的服务质量（QoS）提出了更高的要求。所有这些实时多媒体应用所需要的QoS远比目前Internet可以提供的尽力而为的服务等级保证要高。
目前的现状是，今天的Internet 远远不能提供企业所需要的，而且已经在其专用网络中所习惯的可靠性和性能。商业客户在安全性、可预测性、可测量性等方面受到保证之前，还不大可能把关键业务的数据、话音和多媒体应用放到公用IP网络上。
IP QoS就是在这种环境下应运而生的。IP QoS是指IP的服务质量，是指IP数据流通过网络的性能。它的目的就是向用户的业务提供端到端的服务质量保证。它有一套度量指标，包括业务可用性，延迟、可变延迟、吞吐量和丢包率。IP QoS在可预测方面，可测量性方面比传统IP有了很大的提高，基本解决了商业用户在这些方面的需求，因而势必可以吸引更多的商业用户，形成一个新的利润增长点，带来可增值的业务种类；而且，IP QoS还带来了更高效的带宽使用率等好处，因此可以说IP QoS将是今后一段时间促进IP网络增长的关键技术。
有了IP QoS，服务供应商可以通过吸引更多的商业用户，更高价位的业务级别，以及更高效的带宽使用等等来获得更大的收益。
它们还可以通过增强不同业务的区分能力、better-than-best-effort（优于尽力而为的传输）的业务和客户化解决方案来获得更多竞争优势。
尽管研究IP QoS的工作已经进行了一段时间，但是人们普遍认为目前还未出现一个成熟的体系架构、支持的硬件以及相应的操作技术。但无论怎样，在IP网络中保证QoS将会是一个重要的发展方向。
IP QoS的机遇
将数据业务以及IP的话音业务转移到公用IP网络上是服务提供商们最近几年寻找到的一个很大的机遇。随着这些关键应用在公网上逐渐成熟，一些商业用户已经开始将他们的应用逐渐地转移到了公共IP网络上来。吸引这些商业客户的最重要的一个必要条件就是通过为这些关键业务提供基于IP的QoS（服务质量保证）。IP QoS给运营商带来了很多好处。首先运营商通过IP QoS的引入，可以从性能上保证商业用户关键应用在运营网络中传输的服务质量，以提供原来无法提供的关键性业务，获得高额的利润；其次，由于IP QoS的引入，网络的带宽将会更加有效地使用，可以根据商业用户的不同应用要求提供不同的带宽保证，使运营成本进一步降低，从另一方面促使了利润的增长；另外，如果从竞争的角度考虑，能够根据用户的需要来提供多种优于尽力而为（Better-Than-Best Effort）的业务级别，为用户量体裁衣地提供个性化服务的运营商无疑是最有竞争力的。
然而，要想实现这上述几点并非是一件简单的事情。IP QoS仍然是一个比较新的概念，一些厂商提供了多种不同的专有解决方案，而且标准还尚未完成。因此互连互通对运营商来讲是一个不得不考虑的问题。除此之外，在这种不确定的环境中，服务供应商在实施IP QoS解决方案的时候，应该首先考虑一下以下几个问题：
* 应该向我的客户提供什么样的业务水平？
* 如何提供端到端的、并经济高效地管理IP QoS？
* 如何充分利用现有的IP或ATM基础设施？
* 如何将IP QoS与企业虚拟专网业务结合起来提供？
这些问题，都是运营商在采用或实施IP QoS之前必须充分考虑的问题。
IP QoS的定义
大多数业内的专家都认为QoS是区分服务提供商的重要标准，然而，与业务相关的一些重要的概念和术语仍未达成普遍的一致，而这些概念和术语又恰恰是建立标准化的业务所需要的重要前提。例如，IP QoS本身经常被误用，即使是业内的专家也不例外。所宣传的IP QoS往往只是IP CoS（class of service服务级别）。它只能简单地将业务区分开来，而并无法很准确完善地定义和保证每一个服务级别。在一般的通信用语中，CoS的含义很广泛，它既包括一套已经标准化了的特性，也包括其它一些现在已经有效，但还没有标准化的业务或业务集。而QoS的含义则很明确，主要用于度量与某种业务相关的一整套性能特点。
QoS可以用一系列可度量的参数来描述：
* 业务可用性——用户连接到Internet业务之间连接的可靠性。
* 延迟——亦称为时延（Latency），指两个参照点之间发送和接收数据包的时间间隔。
* 可变延迟——亦称为抖动（jitter），指在同一条路由上发送的一组数据流中数据包之间的时间差异。
* 吞吐量——网络中发送数据包的速率；可用平均速率或峰值速率表示。
* 丢包率——在网络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率；数据包丢失一般是由网络拥塞引起的。
明确这些定义和参数后，让我们来看一下在未来的公共IP网络中能帮助确保QoS的关键机制。
IP QOS的体系结构
IP QoS的概念应该分为两个部分，这两部分的IP QoS定义和侧重点均有所不同。
在局域网中的IP QoS主要是对第二层的以太网帧头加入了优先级字段，以区分不同的优先级。严格地讲，在局域网中只能简单地区分业务的优先级，并不能象ATM QoS那样有精确的定义和详细的参数指标来衡量。
这种解决方案是根据对IEEE 802.1p/q协议字段的处理来区分不同优先级业务的。IEEE 802.1p/q同属于一个子集，它在传统的以太网帧头中加入了4个字节，其中802.1p占三位。802.1p延伸了802.1d的协议，利用三位优先级位可以最多提供8个优先等级。而802.1q利用VI（VLAN Identifier虚拟网标识）位来识别传送的帧究竟属于哪一个虚网。VI位共有12位，因此最大可以支持的虚网个数不会超过4096个。
本文不想过多地涉及局域网中的IP QoS技术，而将重点集中在与运营商有关的IP QoS技术，即两种广域网上的IP QoS技术——Int-Serv和Diff-Serv。
1．Int-Serv和Diff-Serv
在广域网上，IETF定义了两种IP QoS结构——综合业务结构（Int-Serv）和业务区分结构（Diff-Serv）。两种结构各有各的特点和优势，目前还无法互通。
（1）INT-SERV
Int-Serv在RFC（Request for Comments）1633中进行了定义。Int-Serv 一般应用在企业网络的边沿。它使用一种类似ATM SVC的方法，在发送端和接收端之间用RSVP（资源预留协议）作为每个流（flow）的信令。RSVP的信息跨越整个网络，请求/预留资源。路径沿途的各路由器（包括核心路由器）必须为每个要求服务质量保证的数据流维护一个“软状态”。（所谓“软状态”， 就是一种临时性状态，由资源预留定期失效来控制，因此无需申请拆除显式路径。软状态被定期的RSVP信息更新。）通过RSVP信息的预留，各路由器可以判断是否有足够的资源可以预留。只有所有的路由器都可以提供足够的资源给RSVP信息中所要求的资源，“路径”方可建立。否则，将返回拒绝信息。
IP QoS的综合业务结构（Int-Serv）定义了三种级别的业务
* 有保证的业务（Guaranteed）——保证带宽，限制延迟，无丢包；
* 控制负载的业务（Controlled Load）——在一个负载较轻的网络中实现类似于尽力而为的业务；
* 尽力而为的业务（Best Effort）——类似当前Internet在多种负载环境（由轻到重）下提供的尽力而为的业务；
可扩展性是Int-Serv结构的一个最致命的问题，因为Int-Serv要求端到端的信令，这在一个实际运行的运营商网络中几乎无法实现；其次，Int-Serv还有一个目前很难解决的问题，那就是资源预留和路由协议之间的矛盾。从路由协议角度来看一条好的路径，而在资源预留来看，路由器没有足够的资源可以预留，不能为应用数据流建立起一条路径，因此这一进程只能停留在这里，等待上层超时拆除这个应用进程，再重新建立。
再者，资源预留协议还要求沿途的每个路由器上为每一个数据流都维持一个“软状态”（per-flow soft state）。这一方面无疑也限制了这种结构的可扩展性，因为每个路由器的内存有限，可以保存的软状态信息都是有限的，在一个运营商规模的网中几乎不可能实现这一要求。
此外，如何为资源预留申请授权并确定优先权也是Int-Serv结构本身很难克服的问题。
尽管这样，Int-Serv仍然有它的优点，它毕竟是一个现在在小规模范围内较易实现的解决方案。因此，目前业界普遍认为Int-Serv极有可能会应用在企业网边缘，企业网中的用户数据流可在桌面用户一级进行管理。推动Int-Serv应用在桌面附近的一个重要因素是Microsoft在Windows 98、NT5.0中提供了RSVP和QoS功能。
但与此同时，多媒体业务的出现对IP环境中的服务质量（QoS）提出了更高的要求。所有这些实时多媒体应用所需要的QoS远比目前Internet可以提供的尽力而为的服务等级保证要高。
目前的现状是，今天的Internet 远远不能提供企业所需要的，而且已经在其专用网络中所习惯的可靠性和性能。商业客户在安全性、可预测性、可测量性等方面受到保证之前，还不大可能把关键业务的数据、话音和多媒体应用放到公用IP网络上。
IP QoS就是在这种环境下应运而生的。IP QoS是指IP的服务质量，是指IP数据流通过网络的性能。它的目的就是向用户的业务提供端到端的服务质量保证。它有一套度量指标，包括业务可用性，延迟、可变延迟、吞吐量和丢包率。IP QoS在可预测方面，可测量性方面比传统IP有了很大的提高，基本解决了商业用户在这些方面的需求，因而势必可以吸引更多的商业用户，形成一个新的利润增长点，带来可增值的业务种类；而且，IP QoS还带来了更高效的带宽使用率等好处，因此可以说IP QoS将是今后一段时间促进IP网络增长的关键技术。
有了IP QoS，服务供应商可以通过吸引更多的商业用户，更高价位的业务级别，以及更高效的带宽使用等等来获得更大的收益。
它们还可以通过增强不同业务的区分能力、better-than-best-effort（优于尽力而为的传输）的业务和客户化解决方案来获得更多竞争优势。
尽管研究IP QoS的工作已经进行了一段时间，但是人们普遍认为目前还未出现一个成熟的体系架构、支持的硬件以及相应的操作技术。但无论怎样，在IP网络中保证QoS将会是一个重要的发展方向。
IP QoS的机遇
将数据业务以及IP的话音业务转移到公用IP网络上是服务提供商们最近几年寻找到的一个很大的机遇。随着这些关键应用在公网上逐渐成熟，一些商业用户已经开始将他们的应用逐渐地转移到了公共IP网络上来。吸引这些商业客户的最重要的一个必要条件就是通过为这些关键业务提供基于IP的QoS（服务质量保证）。IP QoS给运营商带来了很多好处。首先运营商通过IP QoS的引入，可以从性能上保证商业用户关键应用在运营网络中传输的服务质量，以提供原来无法提供的关键性业务，获得高额的利润；其次，由于IP QoS的引入，网络的带宽将会更加有效地使用，可以根据商业用户的不同应用要求提供不同的带宽保证，使运营成本进一步降低，从另一方面促使了利润的增长；另外，如果从竞争的角度考虑，能够根据用户的需要来提供多种优于尽力而为（Better-Than-Best Effort）的业务级别，为用户量体裁衣地提供个性化服务的运营商无疑是最有竞争力的。
然而，要想实现这上述几点并非是一件简单的事情。IP QoS仍然是一个比较新的概念，一些厂商提供了多种不同的专有解决方案，而且标准还尚未完成。因此互连互通对运营商来讲是一个不得不考虑的问题。除此之外，在这种不确定的环境中，服务供应商在实施IP QoS解决方案的时候，应该首先考虑一下以下几个问题：
* 应该向我的客户提供什么样的业务水平？
* 如何提供端到端的、并经济高效地管理IP QoS？
* 如何充分利用现有的IP或ATM基础设施？
* 如何将IP QoS与企业虚拟专网业务结合起来提供？
这些问题，都是运营商在采用或实施IP QoS之前必须充分考虑的问题。
IP QoS的定义
大多数业内的专家都认为QoS是区分服务提供商的重要标准，然而，与业务相关的一些重要的概念和术语仍未达成普遍的一致，而这些概念和术语又恰恰是建立标准化的业务所需要的重要前提。例如，IP QoS本身经常被误用，即使是业内的专家也不例外。所宣传的IP QoS往往只是IP CoS（class of service服务级别）。它只能简单地将业务区分开来，而并无法很准确完善地定义和保证每一个服务级别。在一般的通信用语中，CoS的含义很广泛，它既包括一套已经标准化了的特性，也包括其它一些现在已经有效，但还没有标准化的业务或业务集。而QoS的含义则很明确，主要用于度量与某种业务相关的一整套性能特点。
QoS可以用一系列可度量的参数来描述：
* 业务可用性——用户连接到Internet业务之间连接的可靠性。
* 延迟——亦称为时延（Latency），指两个参照点之间发送和接收数据包的时间间隔。
* 可变延迟——亦称为抖动（jitter），指在同一条路由上发送的一组数据流中数据包之间的时间差异。
* 吞吐量——网络中发送数据包的速率；可用平均速率或峰值速率表示。
* 丢包率——在网络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率；数据包丢失一般是由网络拥塞引起的。
明确这些定义和参数后，让我们来看一下在未来的公共IP网络中能帮助确保QoS的关键机制。
IP QOS的体系结构
IP QoS的概念应该分为两个部分，这两部分的IP QoS定义和侧重点均有所不同。
在局域网中的IP QoS主要是对第二层的以太网帧头加入了优先级字段，以区分不同的优先级。严格地讲，在局域网中只能简单地区分业务的优先级，并不能象ATM QoS那样有精确的定义和详细的参数指标来衡量。
这种解决方案是根据对IEEE 802.1p/q协议字段的处理来区分不同优先级业务的。IEEE 802.1p/q同属于一个子集，它在传统的以太网帧头中加入了4个字节，其中802.1p占三位。802.1p延伸了802.1d的协议，利用三位优先级位可以最多提供8个优先等级。而802.1q利用VI（VLAN Identifier虚拟网标识）位来识别传送的帧究竟属于哪一个虚网。VI位共有12位，因此最大可以支持的虚网个数不会超过4096个。
本文不想过多地涉及局域网中的IP QoS技术，而将重点集中在与运营商有关的IP QoS技术，即两种广域网上的IP QoS技术——Int-Serv和Diff-Serv。
1．Int-Serv和Diff-Serv
在广域网上，IETF定义了两种IP QoS结构——综合业务结构（Int-Serv）和业务区分结构（Diff-Serv）。两种结构各有各的特点和优势，目前还无法互通。
（1）INT-SERV
Int-Serv在RFC（Request for Comments）1633中进行了定义。Int-Serv 一般应用在企业网络的边沿。它使用一种类似ATM SVC的方法，在发送端和接收端之间用RSVP（资源预留协议）作为每个流（flow）的信令。RSVP的信息跨越整个网络，请求/预留资源。路径沿途的各路由器（包括核心路由器）必须为每个要求服务质量保证的数据流维护一个“软状态”。（所谓“软状态”， 就是一种临时性状态，由资源预留定期失效来控制，因此无需申请拆除显式路径。软状态被定期的RSVP信息更新。）通过RSVP信息的预留，各路由器可以判断是否有足够的资源可以预留。只有所有的路由器都可以提供足够的资源给RSVP信息中所要求的资源，“路径”方可建立。否则，将返回拒绝信息。
IP QoS的综合业务结构（Int-Serv）定义了三种级别的业务
* 有保证的业务（Guaranteed）——保证带宽，限制延迟，无丢包；
* 控制负载的业务（Controlled Load）——在一个负载较轻的网络中实现类似于尽力而为的业务；
* 尽力而为的业务（Best Effort）——类似当前Internet在多种负载环境（由轻到重）下提供的尽力而为的业务；
可扩展性是Int-Serv结构的一个最致命的问题，因为Int-Serv要求端到端的信令，这在一个实际运行的运营商网络中几乎无法实现；其次，Int-Serv还有一个目前很难解决的问题，那就是资源预留和路由协议之间的矛盾。从路由协议角度来看一条好的路径，而在资源预留来看，路由器没有足够的资源可以预留，不能为应用数据流建立起一条路径，因此这一进程只能停留在这里，等待上层超时拆除这个应用进程，再重新建立。
再者，资源预留协议还要求沿途的每个路由器上为每一个数据流都维持一个“软状态”（per-flow soft state）。这一方面无疑也限制了这种结构的可扩展性，因为每个路由器的内存有限，可以保存的软状态信息都是有限的，在一个运营商规模的网中几乎不可能实现这一要求。
此外，如何为资源预留申请授权并确定优先权也是Int-Serv结构本身很难克服的问题。
尽管这样，Int-Serv仍然有它的优点，它毕竟是一个现在在小规模范围内较易实现的解决方案。因此，目前业界普遍认为Int-Serv极有可能会应用在企业网边缘，企业网中的用户数据流可在桌面用户一级进行管理。推动Int-Serv应用在桌面附近的一个重要因素是Microsoft在Windows 98、NT5.0中提供了RSVP和QoS功能。