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新一代网络QoS的研究姓名:学号：1.QoS体系结构IntServ体系结构是IETF1994年提出的QoS保证模式[1].它是在传统IP网络尽力而为服务模式的基础上定义了一组服务扩充,通过RSVP提供端到端的QoS保障.IntServ虽然能够提供较好QoS保证,但其基于面向连接模式,而IP网络本身是非连接的,因此高速网络核心路由器常常被迫去维护、调度数以千计的连接.随着连接数量的增加,连接建立和连接释放阶段的额外开销也会增大,每个连接的状态信息需要保存在路径通过的每个节点上,即需要保存每流状态,其可扩展性差.而且在具体实施中,如何与现有IP网络互连也是一个困难。针对IntServ在发展中遇到的困难,IETF在RFC2475中提出了DiffServ体系结构[2].DiffServ提出了核心路由器QoS区分服务的体系结构,它由DS域边缘和核心联合操作,针对网络流的不同QoS要求(如延迟、丢失率等)进行区分服务.DiffServ面向QoS参数而不区分应用,相比IntServ简化了信令,将网络上传输的业务分成不同的业务流,每种业务类定义一组单向的分组传输特征,由区分服务码(DSCP)标识DiffServ通过汇聚和逐点行为(PHB)方式提供一定程度上的QoS保证.DiffServ最大的特点是实现简单、扩展性好,但由于DiffServ结构中网络和端系统之间缺乏信令通信,不能提供端到端的QoS保证,而端到端的QoS保证一直是IPQoS研究的基本目标。多协议标签交换模型(MPLS)[3]是基于标签的交换方式,允许路由器在作转发决定的时候仅仅以简单的标签为基础,而不是基于目标IP地址作复杂的路由查找.MPLS在网络中建立具有某种特性的传输通道,采用分类标记的方法确定数据报的传输路由,使用标记交换技术实现数据报的高速转发,因此提供了更快的包分类和转发速度.MPLS将数据的转发与控制行为有效分开,因而对网络系统升级提供有效支持.网络负载严重时,综合服务与区分服务的QoS模型提供的性能是平稳下降的.而MPLS的最主要功能是流量工程,即在多条可能的转发路径中进行负载平衡.目前已提出的网络流量工程方案IPMPLS,只是解决了流量在整个网络中均匀分布的问题。网络QoS难以保证在体系结构上存在深层次的原因,仅仅依靠更加先进的网络管理工具不能从根本上解决问题.一方面,互联网“边缘论”和面向非连接的设计思想保障了高效的互通,但控制手段薄弱,难以满足解决QoS保证的需要.另一方面,互联网发展至今,已成为一个庞大的非线性复杂系统,各种中间件的加入以及网络协议体系的庞杂导致互联网的“腰部”不断变粗,分布式控制平面中由于各种协议的决策逻辑交织在一起而产生的非线性作用使网络行为呈现出相当的复杂性并且难以预测.如何构建能够提供QoS保证的新一代网络体系结构面临下列挑战:(1)应该在网络的关键部分增加QoS控制结构使网络更可管;应该在网络中维护一定的状态信息,施加必要的控制,使网络具有某种程度面向连接的特性;应该在不同层次上可以对它进行监管.(2)允许为每个网络配置对其性能、可靠性和策略的高层需求和目标;网络管理控制系统应该具有数据平面当前全局状态的准确信息;网络管理控制系统应该能够直接对数据平面进行控制,而将决策逻辑与分布式系统分离.2.服务质量2.1IPQoS与过量配置IntServ与DiffServ作为IP网络的两种QoS标准目前并没有完全成功商用.这除了两者自身存在的局限性之外,一个重要的原因在于目前核心网由于高速传输和交换技术的发展而产生“带宽过剩”的现状.在这种情况下,许多骨干网运营商都通过为“尽力而为”的互联网配置大量过剩容量以保证用户的QoS,而不愿对已经大量部署的路由器等设备进行升级从而采用复杂的QoS控制机制[4].据统计,目前大部分骨干网的负载大约只占总容量的5%～15%,而核心互联网运营商通常提前配置容量以满足3～6个月后增长的用户需求.这种过量配置的方式虽然能够暂时满足目前部分用户的QoS需求,然而从历史发展的角度看,却存在着潜在的威胁.在网络的发展历史上,由于新接入网和新核心网技术的交错出现,核心网的容量周期性地被人们认为从“带宽无穷大”到“几乎拥塞崩溃”[5].QoS控制机制似乎只有当接入网容量与核心网容量的比值较高时才具有研究价值.然而,QoS控制机制必须作为网络体系结构的一个有机组成部分才能最有效地实现目标.如果只有当面临迫切需求时才向一个已经大量部署的网络中加入QoS机制只能达到事倍功半的效果.因此,新一代互联网体系结构的设计应该充分考虑如何为用户有效地提供QoS保证。2.2新型IPQoS体系结构IntServ和DiffServ各有自己的长处和局限,但都不能彻底实现整个网络的端到端QoS,而又兼顾网络的可扩展性.为此,人们考虑将IntServ和DiffServ看作互相补充的技术,将其结合,互相协同,取长补短实现端到端的QoS提供机制.最终达到既能提供类似状态相关网络的强有力的服务,又能实现与状态无关网络近似的可扩展性和鲁棒性.基于此,我们提出了Peer-Server-Peer(PSP)的新的IPQoS体系结构,它能够使网络自身对解决QoS保证问题提供支持,而不仅仅依赖于端系统.网络可以根据业务属性和链路带宽的不同以及节点在提供各种功能时能力上的差异,在数据包的传输路径上选择或禁止某些节点,并在业务属性和网络状态发生变化时对传输路径进行迅速灵活的动态改变.在新体系结构中,尽管监控信息(监测和分发)和业务数据的传输可能通过相同的物理链路,但控制信息路径和数据路径是相互独立的,如图1所示.这就使得监控信息路径的管理不再依赖于数据平面对路径的配置管理,从而可以建立高可靠的控制路径.与此形成强烈对比的是,现有网络的控制和管理信息的传输则必须依赖由路由协议事先成功设置的传输路径。图1数据、监测、分发信息通道的逻辑隔离新体系结构对其QoS的支持还体现在它有利于通过简化网络控制的状态和逻辑,确保状态之间的内在连贯性,从而使新结构能够很好抵抗外部干扰,降低网络的脆弱性.同时,易于不断演化发展.将网络控制从复杂分散的协议中分离出来,这将有助于网络的变革和演化发展,易于配置新的业务,添加新机制.同时,并没有要求数据包形式或控制协议(监测和分发平面)发生改变.在新体系结构中网络控制逻辑相对独立于分布式协议,但其没有也不可能消除所有的分布式协议,只是将一些共性的东西从分散的协议中集中起来,降低不必要的控制冗余,提高决策的一致性.由于将网络控制逻辑与数据转发功能进行分离,网络元件主要分为管理控制服务器和数据转发元件两种,如图2所示.图2分布与集中优化组合的管理与控制其中,数据转发元件主要负责数据包的交换和转发功能以及各种与QoS相关的数据包处理功能,如数据包过滤、数据包缓存、网络地址转换以及转码等.每个网络管理控制服务器负责多个数据转发元件的管理控制功能.数据转发元件对数据包的所有交换和处理功能都根据其管理控制服务器下达的控制信息进行,这些控制信息包括转发表、包过滤规则、队列管理参数、隧道和网络地址转换等.现有互联网基本采用全分布式的自适应路由策略.每个路由器既要实现分组转发的功能,又要实现选路控制的功能,要实时地掌握全网的状态(网络拓扑和各链路的流量),建立和维护网络拓扑数据库,频繁地交换路由信息并达到同步;在此基础上,进行路由计算,选择最好路径,更新路由表.随着互联网规模的扩大,这种模式的脆弱性暴露得愈来愈明显,导致互联网称为“一个复杂的不稳定系统”,增加了“蝴蝶效应”事件的发生概率,即一个小的局部事件可能引起全网的瘫痪.因此,采用集中式与分布式相结合的路由计算和选路控制模式,将复杂系统的共性功能进行抽象剥离.其基本思路是:将各个路由器中的路由计算和选路控制功能剥离出来,由选路控制平台在逻辑上集中实现;路由器只实现分组转发、向选路控制平台提供局部拓扑信息和接受其直接控制的功能.这种模式的优点主要有:(1)提高效率.将原来转发和路由计算的串行处理结构转化为并行处理,大大减小路由信息收集、网络拓扑探寻和路由计算的复杂性,减小了路由器的工作负载,提高了报文转发的吞吐能力;(2)直接控制.新模式充分体现了对网络进行直接控制而不是对路由器施加间接影响,大大减小了路由器的配置以及产生错误的可能性.(3)可扩展性.由于服务的设计者能够直接表达他们的决定而不是通过间接的参数描述来调整和诱导路由器共同做出所希望的路由决定,因此新模式能快速适应新的IP服务,也为实时业务的服务质量保证提供强有力的保障基础.新体系结构中决策平面实现集中式的路由选择,便于通过业务感知路由和多径路由技术,实现动态灵活的连接特性;通过决策平面对数据平面的直接控制,减少连接建立信令过程中的管理控制开销,实现可扩展的连接特性.通过上面的分析可知,新体系结构能够支持集中式与分布式相结合的路由计算和选路控制模式的实现,而新的选路模式是一种为网络提供面向连接特性的重要手段.图3解释了在自治系统内这种选路新模式的实施方法.路由器不再需要计算各自的路由表,而是由监测平面形成包括结点的服务质量信息、网络可达性信息等在内的网络子视图,通过分发平面汇聚到选路控制平台,完成选路控制的决策平面功能,生成相应的控制规则和指令,最后由分发平面部署到各个路由器,控制分组转发处理的动作.图3集中式路由计算提供面向连接的特性路由表集中计算提高网络拓扑信息的一致性,利于提高路由计算的准确性,避免了各路由器网络拓扑数据库的不同步带来的问题;通过路由计算中心集中决策,在选路控制中能方便地统一考虑QoS要求,便于新应用需求的部署;集中计算的路由通过管理控制服务器向转发元件进行直接配置,减少了连接建立过程中的管理控制开销,提高了可扩展性并降低了连接建立时间.新体系结构为IP网络提供的面向连接特性是动态灵活的,通过借助动态路由和多径路由技术,为终端用户提供交换虚连接的功能,为实现多样的端到端QoS保障及解决其它在静态或准静态连接特性下无法达到的技术目标提供了有力的支持.新体系结构在分组传输路径上增强QoS控制能力;QoS控制决策逻辑由集中式管理控制服务器负责,且转发元件的QoS状态由管理控制服务器直接配置,降低了管理控制开销,提高了连接维护的灵活性和可扩展性.网络QoS分析简单地分为QoS信息输入(监测平面)、QoS信息的传播(分发平面)、QoS分析与决策(决策平面)和QoS控制指令发布(分发平面)四个阶段,如图4所示.QoS信息的采集是输入的具体方式,典型的有拓扑视图、链路负载、节点能力和网络故障.分发平面中的传递协议将监测平面所获的网络QoS信息提交给决策平面.决策平面执行服务质量性能优化,根据QoS信息形成驱动具体行的几率.分发平面将控制指令传递给数据平面,数据平面执行具体的行为控制动作,即根据决策平面所配置的状态信息对网络行为进行操作.为控制的逻辑,降低网络无法提供所需的QoS等级的几率.分发平面将控制指令传递给数据平面,数据平面执行具体的行为控制动作,即根据决策平面所配置的状态信息对网络行为进行操作。图4基于新体系结构的服务质量信息采集与处理新体系下的QoS保证模式不同于传统的Diff-Serv与IntServ.与DiffServ相比,其网络内部节点具有更丰富的数据包处理功能和更有效的QoS控制手段和机制,从而能够更有力地提供QoS保障.与IntServ相比,它并不在分布于网络中的大量数据转发元件中维护流状态信息并进行控制决策,而是由少量的管理控制服务器根据收集的服务质量信息进行集中决策,并直接控制各个数据转发元件完成相关的数据包转发和处理功能.2.3无线网络:跨层的体系结构随着无线通信与网络快速占据通信网络领域研发活动的重要位置,作为网络设计最基本原则之一的分层协议体系结构开始受到质疑.宽带接入网络和边缘业务网络是未来异构无线网络的主要生态模式,是新一代网络的有机组成部分.异构无线信道的动态多变性,链路的高误码给异构无线网络的实时传输研究带来了不小的技术挑战.纠错码和重传机制有利于增强高误码无线信道中的传输可靠性,但由此产生