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EuQoS体系：异构网络中QoS路由的解决方案赵尚飞通信091501200915030138I.简介目前，我们对互联网有了新的需求，希望能够在现有的网络上实现各种多媒体应用，如IPTV、视频点播、远程医疗、远程工程设计、远程教育等。这也就引发了我们相关的研究，即如何按照用户所需的业务质量为其提供服务，包括带宽、时延、抖动、丢包和可靠性等几项性能。而在现有技术中，除了快速路由有助于提供QoS保障外，其他很多因素都阻碍了QoS路由的大规模部署。其中，有两项因素至关重要。一方面，我们已知QoSR的多重约束条件是一个NP困难问题。这就意味着，即使我们能够提出海量的启发多项式，也无法得到一个确切的解决方案。另一方面，如果要通过各种接入网渠道向互联网用户提供端到端的QoS，这就需要我们对其他几个结构单元进行合理的设计和互连，而这对于研发和产业界来说仍是一个巨大的挑战。一些热门课题，像接入控制、信令协议、流量工程、流量控制、网络管理等，都需要进一步的研究，才能找到足够强有力的解决方案，挑战QoS中通常采用的过量提供策略。EuQoS项目（这是IST第六项框架方案下的一个集成项目）将研究院、大学、电信运营商和咨询师都团结到了一起，共同致力于解决上述的QoS课题。EuQoS项目的主要目标是搭建一个网络模型框架（即EuQoS体系），并且将其投入实际应用。该网络模型能够在异构网络下提供端到端的QoS保障。EuQoS的用户不仅能够使用注册过的（即EuQoS使能的）应用程序，而且也能够使用未注册过的应用程序，进行有保障的、通过认证的QoS通信，而这就需要同时在应用程序和网络中引入QoS合作机制。目前阶段，EuQoS团队已经设计和研发了首个EuQoS的原型模型（包括了主要的模块，诸如QoS路由算法，资源分配，呼叫接入控制，信令机制等）。该原型已经被部署到了试验网中，试验网结构如图1所示。该网络是以欧洲学术研究网和国家学术研究网为基础搭建的，其中欧洲学术研究网作为核心网络，而国家学术研究网则与各种不同类型的接入网相连，如xDSL，UMTS，WiFi和WLAN等。在研发和评估这样一整张QoS异构网络结构的过程中，我们获得了大量的经验，并在本文中进行了总结。在这个过程中，我们特别注重对于网络的维护支撑，尤其关注QoS路由问题。图1接入网、NRENs、GEANT网络结构本文的其余部分结构如下：在第二部分中，我们介绍了EuQoS的结构及其QoS模型；第三部分，我们详细介绍了EuQoS体系中实现QoS路由的方法；第四部分则展现了一种对于我们所提解决方案的评估方法；在最后一部分中，我们总结了全文的关键点，并对未来的工作进行了展望。II.EuQoS结构及其QoS模型EuQoS网络结构是按照如下几条严格的规则进行制定的：i)用户的应用程序能够针对每次的通信内容和质量进行协商；ii)网络管理员能够自由定义和使用任何现有的网络技术，而EuQoS体系能够部署在他们的网络上层；iii)我们所提供的功能应该体现为网络的增量，也就是说他们应该能与现有的互联网结构共存。图2展示的是EuQoS网络的结构。在本部分的剩余内容中，我们将分别介绍图2中的主要模块，以及关键的信令机制和监测系统。QoS路由机制将在第三部分中做详细介绍。A.主要模块在EuQoS中，QoS资源分配是在每次握手时进行处理的。第一步，由远端的通信应用程序提交QoS需求。当本端应用程序同意了对方所提出的通信内容和质量要求，也就是说，要经过两端应用程序自协商之后，本步骤即告结束。在这个协商的过程中，两个终端用户之间需要信令协议的参与。在EuQoS框架中，这种应用信令被称为EQ-SIP，是SIP协议的一种扩展。EQ-SIP包括了QoS协商机制，采用了特定的参数（基于IETF的SDPng标准）。因此，EuQoS支持的功能包括：QoS控制模块，用于建立用户与网络之间的QoS需求连接。应用信令（ASIG），在用户侧终端负责具体实施EQ-SDP和EQ-SIP协议。扩展的QoSAPI，定义了不同QoS编码的需要。广播转发协议，用一整套点对点的QoS连接将其与应用层的树状结构内部紧密联系起来。一份加强的传送协议，提供了QoS适配功能，以处理网络层不同的基础QoS级别。为了给网络管理员提供他们所需要的自由度，我们定义了一个虚拟的网络层，用于从网络层中剥离网络决策功能。为了达成这个目标，我们将这个虚拟的网络层分成了技术独立（TI）和非技术（TD）独立的两个子层。如图2a中所示，TI子层包含了一个资源管理器（RM）的逻辑实体，用于负责管理每个域的QoS。例如，它负责协调全域的接入控制决策，负责存储和管理与相邻域之间的对等协议，负责控制域间路由进程等等。当我们需要调配资源时，资源管理器（RM）的决策将通过位于TD子层的资源分配器（RAs）向网络设备进行下发。设备采用的技术不同，就会拥有不同的RA。虚拟网络层包括了以下几个模块：信令和业务协商模块，包括了业务应用的信令支持，RM间的横向信令，以及RM与RA间的垂直信令每个域下的连接许可控制（CAC）模块。在RM下的CAC模块，负责检查域内的资源情况（域内CAC），以及不同EuQoS域之间的连接情况（域间CAC）。另外，在RA层面，CAC模块也是必需的。监控检测系统，提供了一个专用的系统，用于评估网络提供的QoS的真实价值。流量工程和资源优化模块（TERO），负责域间路由配置和资源供应。TERO模块具体的运作机制将在第三部分中进行详细阐述。AAA级安全模块，以及计费模块，其作用不言自明。图2EuQoS模型：a）高阶EuQoS结构；b）主要模块用户应用业务的QoS需求通过其所在的接入网API（应用程序接口），到达虚拟网络层。一旦收到请求，TI子层会检查建立端到端路径的可行性，例如所有涉及到的网络按照需求提供QoS的能力。最后，要计算出一条满足QoS要求的端到端路径。这条端到端的路径可以通过以下两种方法来确定：一是采用宽松限定模式，在这种情况下，数据路由是由基于自治系统的QoSR协议指定的。另一种是严格限定模式，在这种情况下，整条数据路由或者其中一部分，是通过流量工程机制（MPLS-TE）建立的。无论哪种情况，建立通话连接都需要信令协议，但在上述两种方法中，其概念是完全不同的。在宽松模式下，所有的消息（包括信令消息）都跟随经过路由的数据路径。而在严格限定模式下，所有的消息都通过预先制定的路径（即隧道）进行传递，这些隧道是通过MPLS之类的协议建立的。这两种模式并非替代关系，也就是说，严格限定模式可以与宽松限定模式共存。宽松限定模式是对我们提出的网络原型的一种补充，也是本文论述的重点。EuQoS团队正在努力研究严格限定模式的课题。鉴于EuQoS系统的目的是提供有保障的QoS，因此BGP-4协议不再适用于域间路由协议。因此，针对宽松限定模式，有人提出了增强的QoS边界通道协议（EQ-BGP）。该协议是建立在以BGP-4协议为基础的，一份被称为qBGP的扩展协议上的。EQ-BGP协议负责在终端客户间建立QoSR路径，其机制将在第三部分中进行阐述。就像上面提到的，在建立通话的阶段，信令消息会跟随经过路由的数据路径进行传递。但是为了检查是否有足够的资源，信令必须到达路径上的每个RM。因此，最终信令会被转发到正常的路由路径之外。为了达到这个目标，有人设计了下一步信令协议（NSIS）的扩展协议，该协议已经提交IETF进行进一步的标准化流程。我们把这个扩展协议称为EQ-NSIS。这份更先进的NSIS扩展协议主要用于在不同域的RM之间，进行QoS需求的信令传递和交换。综上所述，端到端QoS路径的建立主要涉及以下几项关键组件：1）RM集；2）EQ-BGP协议；3）EQ-NSIS协议；4）RA集。总体框架中不同的模块已在图2.b中做出了说明。B.EuQoS体系下的QoS模型在EuQoS体系中，为了实现端到端QoS，我们补充了一套端到端的业务级别分类（CoSs），如图3所示（依据IETF建议制定）。这套端到端的CoSs，对于终端用户的应用程序来说，是可知和可见的。当一个应用程序成功完成通信连接的建立时，由其产生的信号流会被赋予一个合适的端到端CoS值。而且，所有RM、RA、EQ-BGP所提供的功能都是针对CoS值进行分类的。例如，不同的路由表和路由决策进程中存在CoS，不同的约束策略、流量控制机制、呼叫接入控制策略等也存在CoS。每个域都可以在CoS定义的基础上自由提供其独有的补充CoS（子集），只要其与图3所示的机制兼容即可。而相邻的域之间，会建立一个针对每个CoS片的协议，成为对等业务级别规范，规定了域间链路上传送信号的规则。C.EuQoS信令在EuQoS的虚拟网络层中，两套不同的信令机制在资源预留功能上扮演了重要的角色。他们分别是EQ-NSIS和EQ-COPS。在下面的篇幅中，我们简要总结了两项信令机制的主要概念。EQ-NSIS：NSIS是IETF的NSIS项目组开发的一项新协议。该项目组主要负责IP信令协议的标准化进度，该协议采用带有QoS信令的二层信令模型为原型进行开发。这个二层信令模型包括了一个信令传送层和一个信令应用层。通过这个方法，信令消息的传送和信令应用可以完全独立，这就使得该协议能够获得更广泛的应用。其中，信令传送层主要负责在各个网络实体间进行信令消息的交换，它是独立于信令应用程序的。而信令应用层则包含了各类信令应用程序的具体功能。因此，这个二层信令模型能够支持各种信令应用程序，包括QoS。如上文所述，在EuQoS系统中，涉及到RMs的端到端网络信令传递要跟随经过路由的数据路径。但不幸的是，开放路径的NSIS协议，既不能支持沿着数据路径传递RMs信令，也不能强制信令消息跟随同一条数据路径。事实上，NSIS协议尚未解决端到端信令传递所需要的开放路径/非开放路径共存的要求，IETF的NSIS工作组目前正在讨论该问题。而EuQoS项目组正积极致力于该课题的研究。在EuQoS系统中，要成功完成端到端网络信令传递，主要的要求如下所述：信令消息的传递路径必须与数据传送路径完全一致。数据传送路径上的所有RMs都必须是信令可达的。为了满足上述的要求，我们在NSIS协议的两层之间设想了一个中间层，称为混合路径（HyPath），并且已经将该设想提交给IETF，希望能将它加入NSIS的协议框架中去。为了在不改变原有参数的情况下，将HyPath和NSIS传送层协议（NTLP）、NSIS信令层协议（NSLP）联系起来，HyPath必须位于NTLP和NSLP两层中间。因此，原本定义的NTLP和NSLP的接口就不需要做任何改变。图4a显示了包含HyPath的EQ-NSIS协议结构。带有HyPath的EQ-NSIS协议在边缘路由器和不同域的RMs上的工作机理在图4b中进行了展示。当一名用户向EuQoS系统提出QoS请求时，EQ-NSIS开始启动信令传递，它必须遍历路径上的所有RMs。该信令流的路径必须与数据传送路径完全相同。因此，在第一个域中，本地RM的HyPath通过RM的路由模块寻找数据传送路径的本地边界（出口）路由器。然后，HyPath会要求NSIS的传送层给相应的边缘路由器发送一个NSIS消息，这条消息会包含NSLP的净荷以及一些附加的HyPath信息。一旦边缘路由器收到消息，EQ-NSIS的信令消息就会向终端用户所在的域进行转发。在这个场景中，所有的边缘路由器都是对HyPath敏感的。在每个下行域中，EQ-NSIS的信令消息都会被入口路由器截获，并被重新定向发送给本地RM（见图4b）。RM处理完消息后，会给入口边缘路由器回发一条信令消息。然后信令传送会在入口边缘路由器上重新启动，继续向下一个域进行转发。这个过程会沿着所有的下行域进行，直到到达最后一个域为止。在这个结构下，所有端到端网络信令传送的要求都能够被满足，并且NTLP和NSLP层的定义不需要做任何修改。端到端业务级别QoS指标连接类型流量类型IPLRIPTD均值IPDV话音业务10-3100ms50msP2P峰值速率实时交互业务1