如何實現IP核心網的QoS

NGN作為一個面向未來網絡業務應用，基于分組平臺可以同時提供語音、數據、多媒體等綜合業務的系統，成為各大運營商以及設備提供商關注的焦點。 在影響NGN運營模式和運營收益的各種關鍵因素中，IPQoS特別是核心網的IPQoS，無疑是非常重要的一項。

IP網絡的QoS研究導致了兩種不同體系結構的出現：IntServ體系結構及其相應的信令協議RSVP和DiffServ體系結構。

IntServ由IETF的IntServ工作組于1994年提出。IntServ最鮮明的特點就是：基于連接、資源預留。也就是說，IntServ需要穿過IP網絡為每個需要質量保證的數據流建立一條具有資源保證的通道。這就要求每臺路由器設備都要維護大量的連接和資源預留信息。這將為路由設備造成極大的系統負擔。通常來說，要求路由器同時處理如此多的連接信息并做到線速的轉發性能，實現的困難非常大。所以，IntServ實現QoS的成本過高。但是，采用RSVP作為信令的MPLS流量工程將為IP網絡的QoS問題提供非常大的幫助。

IETF又提出了DiffServ體系結構，定義了一種實施IPQoS更容易、更具擴展性的方式。DiffServ最突出的特點就是：狀態無關、逐跳轉發。DiffServ利用了IPv4分組頭的ToS字段進行IP包優先級的定義。傳統ToS字段只利用了其中的三個bit，用以標示8個優先級，而DiffServ中對另外3個bit也進行了定義，從而獲得更多的定義空間（剩余2bit作為將來的備用）。

在DiffServ里，定義了DiffServ域的概念。所謂DiffServ域，就是指一個完全支持DiffServ優先級區分的IP子網。在NGN里，用于承載NGN業務的IP骨干網就應該是一個完整的DiffServ域。一個DiffServ域中的每臺路由器都必須能夠支持DiffServ標簽的識別和按照相應的優先級進行轉發，并且對DiffServ標簽有著同樣的理解。如果某臺路由器不能支持DiffServ，那么它就成為這個網絡中的“瓶頸”，整個鏈路的質量都將下降。

DiffServ的實現過程是：首先，根據源地址、目的地址、協議類型和二層接入網絡優先級等信息對IP包進行優先級區分并打上相應的DiffServ標簽。這個過程應該由上述DiffServ域的邊緣路由器完成。具體來說，邊緣路由器還應該完成的工作包括對業務流的分類、整形、標記、調度。然后根據已經打好的DiffServ標簽采取相應的轉發策略。具體說，核心路由器須要具有的功能包括分類和調度。

之所以成為被看好的QoS解決方式，DiffServ有著如下特點：

首先，路由器無須維護每個連接的信息，對系統資源要求低；

其次，對網絡上的多種業務進行優先級歸類并合并成有限的幾個優先級類別，對于IP網絡設備來講，處理更簡單；

再次，采用IP包中的ToS字段進行優先級標示，沒有附加的標簽，這種做法兼容性好，易于實現。

另外，隨著網絡的擴展，優先級類別無須擴展。

但是，對于面向連接的優先級保證例如IntServ來講，網絡規模的擴大將直接帶來優先級處理的壓力。

通過IP核心網絡中的每個路由結點對DiffServ的支持，使得信令、語音、視頻、普通數據等按照不同的DiffServ標簽進行不同優先級的轉發。也就是說，在網絡帶寬資源夠用的情況下，采用DiffServ的網絡可以盡可能保證高優先級的數據包不被丟棄，并以最小的時延穿越網絡。

當然，上述結論是有一定的前提的，具體包括所有的路由器必須具有線速轉發能力和提供良好的路由規劃。

所謂線速轉發能力，就是指在達到端口最大速率的時候，例如，在一個千兆接口上的數據流量達到千兆時，路由器沒有丟包。顯而易見，如果路由器不具備上述的線速轉發能力，那么高優先級的IP包剛剛進入接口的Buffer，還沒有來得及被路由器進行策略處理，就有可能被丟掉。所以，線速轉發能力是保證DiffServ的重要前提。

路由規劃決定了IP包在穿過IP核心網絡的時候所選擇的路徑。如果路由規劃不合理，那么過多的跳數就會造成過多的時延，這樣，即便每臺路由器都可以按照DiffServ的優先級進行轉發，但是過多的跳數使得端到端的時延仍然不能達到NGN的要求。

但是，如何避免網絡帶寬不足和網絡擁塞的情況呢？這就需要結合MPLS與RSVP來實現。RSVP是一個信令協議，它提供了一種在信息傳輸之前，提前在IP網絡中建立一個有帶寬資源保障的通道的方法。

RSVP的工作原理是：RSVP從發送端發送一個資源請求到目的地址，每一個支持RSVP的路由器沿著下行路由建立一個“路徑狀態表”；為了獲得資源預留，接收端發送一個上行的RESV消息，表明所要求的綜合服務類型，還通知為分組預留的資源，如傳輸協議和端口號；當每個支持RSVP的路由器沿著上行路徑接收RESV的消息時，它采用輸入控制過程證實請求，并且配置所需的資源。如果這個請求得不到滿足，路由器向接收端返回一個錯誤消息，而如果這個消息被接受，路由器就發送上行RESV到下一個路由器；當最后一個路由器接收RESV，同時接受請求的時候，它再發送一個證實消息給接收端。結合MPLS，上述過程實際上建立了一個從發送端到接收端的MPLS路徑，而這條路徑上的路由器都為將要到來的信息傳送預留了資源。

通過MPLS中采用擴展的RSVP信令，還可以對本次通信的路徑進行指定，進行流量工程，以對運營商的網絡進行更高效的利用，防止某些路由被空閑，而另外一些路由卻發生擁塞。如果沒有RSVP，在網絡節點發生擁塞時，即便是高優先級的包，也有被丟棄的可能。DiffServ只能保證高優先級的包比低優先級的包更優先使用網絡資源，但是網絡資源畢竟是有限的，當擁塞發生時，高優先級的包也可能被丟掉。而RSVP提供了一種資源預留的機制，通過RSVP建立的路徑將有保證的帶寬和路由器系統資源提供給相應的流使用。實施RSVP之后，特定的流或者流類別將有特定的帶寬保證。MPLS將通過RSVP信令建立起LSP（標簽交換路徑）進行獨立于其他信息的傳送。當網絡發生擁塞時，受到影響的將是沒有RSVP保護的信息，例如數據傳輸和低級別用戶的信息，而高級別信息仍然可以在RSVP建立的通道中正常傳送。