IP QoS服务模型
IP QoS服务模型及其相关问题的探讨
DISCUSSIONS ON SERVICE MODELS AND RELATED PROBLEMS OF IP QOS
王海涛 郑少仁 （解放军理工大学通信工程学院， 南京 210016）
WANG Hai-tao ZHENG Shao-ren
(Institute of Communication Engineering, PLAUST, Nanjing 210016)
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文章编号(Article ID)：1009-9336（2001）02-0060-07
中图分类号(CLC number)：TN393.4
文献标识码(Document code)：A
1 采用QoS机制的必要性
传统的IP网络只提供"尽力而为"的数据传输能力。随着网络上主机数量的不断增加，网络服务的需求将超过网络提供的能力，从而造成传输时延变化（抖动）、传输时延过大甚至引起分组丢失，也就是说出现了网络拥塞。网络拥塞对一些Internet应用（如电子邮件，文件传输和Web应用）一般不会造成太大影响，但对传输时延要求比较苛刻的实时应用（如多媒体业务）及大多数双向通信业务（如电话业务）却是不能容忍的。
当然，我们可以通过增加网络带宽来缓解网络拥塞，但这样做并不能消除拥塞。当两条容量极高的光缆汇聚到第三条光缆上时，仍会造成拥塞。此外由于交换机和路由器的接口速率与网络的带宽相比仍很低，当数据到达接口的速率超过接口转发的速率时，拥塞也会发生。并且需要大带宽的新业务不断涌现，当这些业务量猛增的时候，拥塞将是难以避免的。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。为了在Internet上提供有质量保证的服务，必须制订有关服务数量和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，对具有严格时延要求的业务和能够容忍迟延、抖动和分组丢失的业务进行分类，同时采用多种分组调度机制和算法对这些业务进行处理，这就是QoS机制的职责。也就是说，QoS机制不是用来增加网络带宽，而是通过最优化的使用和管理网络资源使其尽可能满足多种业务的需求。
2 两种主要的IP QoS服务模型
为满足Internet上多种业务对QoS的需求，Internet工程任务组（IETF）先后制定了两种QoS服务模型：集成服务（InterServ）/RSVP模型和区分服务（DiffServ）模型，用来在不同的场合提供相应的质量保证。
2.1 集成服务／RSVP模型
集成服务模型是一种由IETF提出并常与资源预留协议（RSVP）一起使用的模型[3]。集成服务模型中定义了两种服务类型：（1）保障型（Guaranteed）业务，用于需要固定时延限制的应用；（2）控制负载（Controlled Load）业务，用于可变时延限制的应用。
RSVP是一种用于预留资源的信令协议，其工
作过程如下：发送端向接收端发送PATH消息，消息中含有流规范（TSpec）用以指定业务的特性。沿途的每个中间路由器按照某种路由协议确定的路径逐跳转发PATH消息到接受端。收到此PATH消息的接收端通过发送一个含有请求类别(RSpec)的RESV消息为该流请求资源，然后沿途的每个中间路由器采用输入控制过程来决定是否接受该请求。如果请求被拒绝，路由器将发送一个出错消息给接收方，并且中断信令的处理过程；如果请求被接受，路由器则为该流分配所请求的资源（如链路带宽和缓冲区空间），同时保存相关的流状态信息。
下面我们来讨论一下集成服务／RSVP模型的优缺点。
2.1.1 集成服务／RSVP模型的优点
(1) 能够提供有绝对保证的QoS。RSVP运行在从源端到目的端的每个路由器上，因此可以监视每个业务流，从而防止其消耗的资源比它请求预留的资源要多。
(2) RSVP在源和目的地之间可以使用现有的路由协议。RSVP可通过IP数据包来承载并且具有"软状态"的特点，通过周期性地重传PATH和RESV消息，协议能够动态地适应网络拓扑的变化。并且如果这些消息得到不到及时的刷新，RSVP将释放其预留的资源。
(3) 能够像支持单播流那样方便地支持多播流[4]。RSVP采用了面向接收者的方法，它能够识别多播流中的所有接收端，然后发送PATH消息给它们。并且它可以把来自多个接收端的REVP消息汇聚到一个网络汇聚点上。图1描述了一棵多播树上进行资源预留的情景，接收端1和接收端2发出的RSEV消息在汇聚点（如路由器）进行汇聚后，路由器根据可利用的网络资源情况来决定是否接受此预约，然后再将汇聚后的RESV消息发往上游节点。
2．1．2 集成服务／RSVP模型存在的缺点
（1）扩展性不好。由于它是基于流的、与状态相关的服务模型，随着流数目的增加，状态信息的数量将成比例地增长，因此它会占用了过多的路由器存储空间和处理开销。
（2）对路由器的要求较高，实现复杂。由于需要进行端到端的资源预留，必须要求从发送者到接收者之间的所有路由器都需支持必要的信令协议，因此所有路由器必须实现RSVP、许可控制、包分类和包调度。
（3）不适合用于业务量较小的流。因为这种情况下为该流预留资源的开销很可能大于处理流中有效数据的开销。但是，目前Internet流量绝大多数是由业务量较小的突发流构成的（如Web应用），当这些流只需要一定程度的QoS保证时，集成业务模型的效率很低。
2.2 区分服务模型
集成服务模型想通过全程信令将原本面向无连接的Interne改造
为面向连接的网络，这种方式存在着开销大、可扩展性差等问题。有鉴于此，提出了一种解决问题的新思想-区分服务（DiffServ）模型。
DiffServ简化了信令，对业务流的分类粒度更粗[2]。它采用汇聚(Aggregate)和PHB(Per Hop Behavior) 的方式来提供一定程度上的QoS 保证。汇聚的含义在于路由器可以把QoS需求相似的业务流看成一个类，以减少调度算法处理的队列数量；而PHB 的含义在于逐跳的转发方式，每个PHB对应一种转发方式或QoS要求。区分服务通过设置分组头中的保证比特位将分组分为奖赏分组和尽力而为分组。当这些分组到达路由器时，它们能够向路由器表明自己的身份，从而得到不同的处理。
区分服务利用IP头中的TOS字段，该字段的6 bit作为区分服务代码点（DSCP）。通过对一个包中的DSCP设置不同的值，并采用相应的处理来产生一些不同的服务级别。
为了让一个客户从Internet服务提供商（ISP）获得区分服务，客户必须与此ISP签定一个服务级别协定（SLA）。SLA规定了提供的服务所支持的业务级别以及每个业务级别允许的通信量。SLA可以是采用静态和动态两种方式确定。静态SLA需要定期地协商；动态SLA的客户可用某种信令协议（如 RSVP）动态地请求所要求的服务。网络边缘的入口路由器将依据SLA对所有到来的分组实施分类、管制、调度和整形规则。
从以上分析我们可以看出区分服务模型有以下优点：
· 扩展性较好。DiffServ的服务粒度不再是每个流，而是比流更"粗"的粒度[5]。如按用户而不是用户应用进行粒度区分，从而大大地缓解了可扩展性问题。
· 便于实现。DiffServ可以将其大部分实现复杂度转移到网络的边缘上，而在网络核心只需实现最简单的服务保证机制。更为重要的一点是DiffServ模型通过约定的DSCP值来表示不同的服务等级，从而只需在网络边缘进行用户服务请求到DSCP的映射，免去了在网络的核心结点上显式预留信令的必要，从而降低了其实现复杂度。并且区分服务模型对路由器的要求较小，这些都有利于在Internet上实现区分服务。
· 不影响路由。与一些以虚电路方式实现QoS的方案（如ATM）不同，区分服务节点提供服务的方法仅限于队列调度和缓冲管理，不涉及路由选择机制。
目前，DiffServ仍在不断发展中，一些概念、模型的定义仍未最终确定[5]。目前为止，DiffServ的体系结构已经比较明确，有关服务提供的相关问题也在逐步清晰化。DiffServ现在尚未解决的最大问题是如何向用户提供有数量等级区别的不同性能的服务，同时它还存在着组播实现较复杂以及需要解决同一
流聚集中各微流间的公平性等问题。
3 InterServ和DiffServ相结合的QoS模型
InterServ和DiffServ作为IETF提出的两种QoS模型各有优势，分别适用于不同的场合。但两者都不能完全满足需要，我们可以通过将两种服务模型结合在一起来提供端到端的QoS保证。该方案的基本思想是在网络边缘使用InterServ，而在网络核心使用DiffServ。终端主机可以采用高量化程度(如带宽、抖动门限等)的RSVP请求，然后由骨干网入口路由器将此RSVP预留的资源映射到相应的服务级别上去。
今后很有可能的情况是，集成服务模型因为扩展性等问题而无法在WAN上使用，但是它可以在企业网中很好地运行；而区分服务模型在WAN上很可能占有主导地位。也就是说，我们可以采用在WAN上使用DiffServ，而在LAN上使用InterServ的混合模形来提供端到端的QoS保证，但这需要涉及两种模型的互通问题。目前IETF针对这个问题主要提出了两种互操作方法：一种方法是将集成业务覆盖在差分业务网上，同时RSVP信令可以完全透明地通过差分业务网进行传递。而由位于两种网络边缘的设备来处理RSVP信令，并且根据差分业务网络中的资源可用性来提供许可控制。另一种方法是进行简单地并行处理。差分业务网中的每个节点可以具有RSVP功能，同时采取一些策略来决定哪些数据包由RSVP处理，哪些数据包由DiffServ处理。但是这种模型通常只适用于小型网络。
4 质量/效率因子
网络管理者在提供各种QoS服务时必须要面临的一个问题是在QoS和资源使用效率上进行折衷[1]。在一个网络中，如果采用固定的QoS机制，那么QoS和资源使用效率近似成反比，如图2所示。QoS的提高在很大程度上依赖于网络中存在的可以利用的资源，如果网络资源缺乏时，QoS将相应地下降。我们将一个网络中QoS和资源使用效率倒数的乘积称为该网络的质量/效率（QE）因子。现实中存在大量的QE应用。例如，LAN能够提供较高质量保证的电话业务主要是因为LAN的接口速率远远高于电话业务所需的相对较低的速率；而WAN链路的带宽对于数量众多的业务而言则显得捉襟见肘，如果不采用相应的QoS机制，将无法得到满意的QoS。
采用不同的QoS机制对网络增加的额外开销是不同的，所以当网络管理者决定实施某种QoS机制时必须考虑到这种情况。随着Internet上大量实时业务的不断涌现，网络对高质量的端到端QoS保证的要求将越来越高。但是,并不是所有的业务都要求高质量的服务保证，例如，传统的Internet数据业务（如Telnet、FTP、E-mail和Web浏览等）只需较低的质量保证，甚至根本不需要质量保证。因此我们可
根据不同的业务要求选用不同的QE因子，从而最大限度地提高网络资源的使用效率。实际上，我们可以通过在一个单独的物理网络上叠加多个具有不同QE因子的虚拟网络，来实现QoS网络对多种服务质量的要求。
5 尽力而为与资源预留
显而易见，基于资源预留的各种QoS机制与TCP那种基于反馈的拥塞控制机制相比能提供更多的可变的QoS保证。但是反对预留的人认为它增加了网络中路由器的复杂性，开销较大并且难以管理。他们认为当光纤和密集波分复用（DWDM）技术使网络带宽充裕和便宜到可以自动保证QoS的程度时，采用尽力而为服务比资源预留协议所带来的复杂性和成本要低得多。并且只需在接收端增加一个较大的缓冲区以及通过编写能够适应网络拥塞变化的自适应性程序来改善实时业务的质量。另外，他们认为具有预留能力的网络除非它的阻塞率（拒绝预留请求的频率）比较低，否则无法提供令人满意的服务。但是支持预留的人认为高可靠度的多媒体应用比传统的Internet所提供的尽力而为服务有更高的质量和更加可预测的网络服务要求。带宽总是稀少的资源，不管网络所提供的带宽充裕到何种程度，都会被不断涌现的新业务所吞噬。并且认为无论采用什么样的底层结构，QoS承诺本身就需要资源预留。
事实上，"尽力而为"主宰了数据网络界，而通信界支持"连接和预留"。它们表面上是技术之争，更深层次上有些是由思想观念的差异造成的。前者强调如何在现有的网络环境中为用户提供各种可能的服务；而后者更强调QoS的保证。现在的观点认为由于需要提供QoS机制，因特网的结构将随之改变。比如，目前几乎所有主要的路由器／交换机生产厂商都在它们的高端产品中提供了一些QoS机制。但是引入QoS机制所带来的管理和计费等方面的问题，改变了数据网络界所倡导的"Internet是自由的"理念，而正是这种理念在某种程度上促成了Internet近年来的爆炸式增长。所以这使得我们很难对两种技术进行简单的取舍，而只能根据实际情况在两者之间做出一个适当的折衷。
6 结论
IP网络中通过采用多种QoS机制来满足多种业务对QoS的要求，这些QoS机制并不是孤立存在的，我们应最优化地组合这些QoS机制来进一步提高网络的QE因子。并尽可能通过与网络结构的匹配，达到支持QoS的端到端及顶到底的通信保障的目的。目前，很多网络设备供应商和软件开发商已推出了种类繁多的能够支持QoS的硬件和软件产品。在软件上，微软的Win2000操作系统能够支持RSVP信令和流量控制；并且一些Unix和Linux操作系统也已能够支持集成服务和区
分服务。在硬件上，目前世界上很多网络设备供应商，包括Cisco和3Com等公司都推出了具有流量控制和分组优先调度能力的路由器和交换机。这些产品的推出和应用，使我们在争取QoS的道路上又前进了一步。但是由于集成服务模型的缺陷，现在大多数人都看好区分服务模型。区分服务模型吸取了尽力而为服务模型和集成服务模型的优点，是在两种服务模型之间的一种适当的折衷。但是区分服务模型也不能解决所有的QoS问题。实现集成服务和区分服务的有机结合是一种较好的端到端QoS的解决方案，但其具体实现还有待进一步研究和实践。
作者简介：
王海涛 1976年生，现在解放军理工大学通信工程学院研究生1队攻读博士学位。
收稿日期：2001-03-15