一種支持端到端的IP路由QoS實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究

唐繼勇

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331）

0 引言

Internet的高速發(fā)展和進(jìn)一步的商用化，使得人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求從單一的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)向多業(yè)務(wù)方向發(fā)展。但是，基于IPv4的Internet只為用戶提供一種“盡力而為”的服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)不保留資源的狀態(tài)信息，參與交換的一組數(shù)據(jù)包可能經(jīng)過不同的路徑達(dá)到同一目的地。目前，網(wǎng)絡(luò)IP化是Internet發(fā)展的一個(gè)方向，這要求從傳輸機(jī)制和工作模型上對(duì)現(xiàn)有的IP協(xié)議做進(jìn)一步的改進(jìn)，為用戶提供不同類型的Quos服務(wù)。

DiffServ模型提供一種類似于優(yōu)先級(jí)服務(wù)機(jī)制，采用“邊緣復(fù)雜、核心簡(jiǎn)單”的思想，適合于分布式網(wǎng)絡(luò)。但DiffServ域網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，只能采取丟棄分組方式，并且對(duì)相同優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)也是非智能化的，因此DiffServ只承諾相對(duì)的服務(wù)質(zhì)量。MPLS是一種采用流量工程來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)整體性能的QoS實(shí)現(xiàn)技術(shù)，它充分利用靈活的第三層IP路由和快速的第二層交換特性。但MPLS也不十分完美，如LDP協(xié)議、LSP控制和標(biāo)記合并等都還不完善。顯然，單純地依靠MPLS支撐所有業(yè)務(wù)，在網(wǎng)絡(luò)管理上會(huì)相當(dāng)復(fù)雜。在現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)上實(shí)施任何一種獨(dú)立的QoS模型，難以在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶可控的端到端QoS需求，提出了一種將基于資源預(yù)留、優(yōu)先級(jí)和流量工程等三種QoS模型結(jié)合起來的支持端到端的IP QoS綜合控制模型。最后通過分析控制模型以及實(shí)驗(yàn)參數(shù)分析得出本文提出的方法的可行性與實(shí)用性。

1 QoS綜合控制技術(shù)

綜合服務(wù)模型在RFC（Request for Comments）1633中進(jìn)行了定義。它的基本思想是將RSVP作為Int－Serv結(jié)構(gòu)中的主要信令協(xié)議，它基于每個(gè)流提供端到端的保證或是受控負(fù)載的服務(wù)。Int－Serv框架使IP網(wǎng)絡(luò)能夠提供具有QoS的傳輸，以用于對(duì)QoS要求較為嚴(yán)格的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)（聲音/視頻）。Int－Serv使用一種類似ATM的SVC的方法，它在發(fā)送方和接收方之間用RSVP作為每個(gè)流的信令。RSVP信息跨越整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，假定從接收方到發(fā)送方之間沿途的每個(gè)路由器都要為每一個(gè)要求QoS的數(shù)據(jù)流預(yù)留資源。路徑沿途的各路由器包括核心路由器必須為RSVP數(shù)據(jù)流維護(hù)軟狀態(tài)。

圖1 端到端QoS綜合控制模型

如圖1所示，IntServ域位于邊緣網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，其核心部件是邊緣路由器（ER），其上運(yùn)行RSVP，為接入ISP的用戶提供細(xì)粒度的QoS服務(wù)。核心網(wǎng)絡(luò)中的邊界路由器（BR）作為DiffServ域的邊界，同時(shí)也是MPLS域的標(biāo)簽邊緣路由器，負(fù)責(zé)ISP接納控制、數(shù)據(jù)流的分類、流量的整形以及相鄰DiffServ域和IntServ域的互操作功能。MPLS域由LSR和LSP兩個(gè)元素構(gòu)成，核心路由器（CR）也是MPLS域的LSR，完成鏈路接納控制、分組的標(biāo)記、調(diào)度行為的CR-LSP的建立；LSR完成分組的標(biāo)簽交換和快速轉(zhuǎn)發(fā)功能之外，還要完成LSP的建立、DiffServ聚集流行為和LSP之間的映射。

當(dāng)IP分組轉(zhuǎn)發(fā)至邊界路由器BR1時(shí)，首先按規(guī)定策略執(zhí)行分組分類，如圖2所示。完成分組分類工作后，執(zhí)行IP路由，如果是沒有標(biāo)記的分組，根據(jù)預(yù)先制定的LSP選擇策略，將PHB的DP寫入MPLS頭標(biāo)的EXP字段，同時(shí)將轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類（FEC）映射到PHB上，并將映射結(jié)果寫入Label字段。如果分組是帶有標(biāo)簽的，并且其目的地仍位于MPLS域內(nèi)的，直接轉(zhuǎn)發(fā)即可；如果目的地屬于非MPLS域，需去除MPLS標(biāo)簽，再按IP路由方式將分組轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)MPLS域的LSR接收到MPLS分組時(shí)，分析并獲取MPLS頭中的Label和EXP兩個(gè)字段，然后在輸入標(biāo)簽映射（ILM）表中查找下一跳標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)條目（NHFLE）得到LSR出口Label字段和EXP字段及下一跳的LSP，PHB依據(jù)這兩個(gè)字段和預(yù)先設(shè)定的QoS映射結(jié)果及建立的LSP轉(zhuǎn)發(fā)分組。若分組離開MPLS域時(shí)，處理方法和BR/LER類似。

2 性能評(píng)價(jià)

本文為了檢驗(yàn)提出的服務(wù)網(wǎng)格中間件及其QoS保證機(jī)制，本文為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)定義了3種Service Offer，分別分配30%、60%和70%的計(jì)算能力，通過在不同系統(tǒng)負(fù)載下多次提交具有不同QoS需求的試驗(yàn)系統(tǒng)作業(yè)以及無QoS需求的系統(tǒng)的作業(yè)并記錄其平均執(zhí)行時(shí)間來比較本文提出的QoS保證機(jī)制的性能.測(cè)試用AREM程序部署在多臺(tái)CPU為AMD 2500+、內(nèi)存容量1GB并安裝10/100M網(wǎng)卡的測(cè)試計(jì)算機(jī)上,通過100M局域網(wǎng)互聯(lián)，計(jì)算能力的預(yù)留通過DSRT實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)負(fù)載通過在測(cè)試用計(jì)算機(jī)上運(yùn)行其他計(jì)算密集型應(yīng)用程序來產(chǎn)生，選擇了10%、50%、67%和80%4個(gè)采樣點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 系統(tǒng)在不同系統(tǒng)負(fù)載下的服務(wù)執(zhí)行時(shí)間

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用中SLA建立時(shí)間與服務(wù)執(zhí)行時(shí)間

如圖2所示，無QoS需求的系統(tǒng)作業(yè)執(zhí)行時(shí)間隨著系統(tǒng)負(fù)載的上升迅速增加，在系統(tǒng)負(fù)載達(dá)到80%時(shí)，執(zhí)行時(shí)間已經(jīng)達(dá)到10%時(shí)的5.4倍。有QoS需求的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作業(yè)則通過有效的資源預(yù)留獲得了穩(wěn)定的執(zhí)行時(shí)間。圖3比較了預(yù)留70%計(jì)算能力時(shí)的作業(yè)執(zhí)行時(shí)間和服務(wù)預(yù)約時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果表明，建立SLA的時(shí)間在3秒～5秒左右,這對(duì)于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等用時(shí)較長(zhǎng)的計(jì)算密集型應(yīng)用而言是完全可以接受的。

3 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)的QoS都不能夠獨(dú)立應(yīng)用于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中等缺陷，本文為了解決這個(gè)問題，提出了一種將基于資源預(yù)留、優(yōu)先級(jí)和流量工程等三種QoS模型結(jié)合起來的支持端到端的IP QoS綜合控制模型。最后通過分析控制模型以及實(shí)驗(yàn)參數(shù)分析得出本文提出的方法的可行性與實(shí)用性。

[1]徐明偉,等.一種基于Web Service的分級(jí)QoS的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2005,42(4): 669-675.

[2]胡春明,等.基于Web服務(wù)的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)與支撐系統(tǒng)研究[J].軟件學(xué)報(bào),2004,15(7): 1064-1073.

[3]馬小俊,嚴(yán)峻,顧冠群.區(qū)分服務(wù)的分組標(biāo)記策略研究[J]..軟件學(xué)報(bào).2001,12(10): 1472-1478.

[4]鄧亞平,譚強(qiáng).兩比特區(qū)分服務(wù)實(shí)現(xiàn)策略的研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué).2003,30(1): 113-115.