Intserv/RSVP的現(xiàn)狀及存在的問題

Intserv/RSVP的現(xiàn)狀及存在的問題
    摘要：因特網(wǎng)中傳統(tǒng)的“盡力而為”的傳送模式無法滿足實時業(yè)務對QOS的控制要
求。本文根據(jù)當前的一些研究動態(tài)，介紹了基于RSVP的Internet綜合服務實現(xiàn)模型，并
分析當前所存在的一些問題。
    關(guān)鍵詞：因特網(wǎng)  綜合服務  RSVP
    隨著因特網(wǎng)的發(fā)展，網(wǎng)絡的應用越來越復雜。二十年前，網(wǎng)絡上的主要應用為遠程
作業(yè)遞交；十年前，主要的應用是E－mail、FTP和TELNET；現(xiàn)在因特網(wǎng)上的主要應用為
WEB測覽器以及正在研究的一些多媒體應用。但很多有價值的應用，如遠程醫(yī)療、遠程
教學等對實時性要求較高的多媒體應用，在當今的因特網(wǎng)上尚不可行。因為現(xiàn)有的因特
網(wǎng)不能提供它們所需的性能。它們大都要求能在網(wǎng)絡上以實時的性能傳遞或交換數(shù)據(jù)，
需要從網(wǎng)絡得到最小帶寬和最大延遲的保證，甚至需要更進一步的保證，如對延時抖動
的限制。因此，迫切需要一種體系來保證因特網(wǎng)上各種業(yè)務的服務質(zhì)量。
    QOS是ISO為了統(tǒng)一對服務質(zhì)量進行鑒定而引入的概念。所謂的服務質(zhì)量（QOS）就
是指與應用要求相關(guān)的網(wǎng)絡性能和保證網(wǎng)絡性能的一些技術(shù)。ISO認為在通信系統(tǒng)中，
QOS應由網(wǎng)絡層提供，但由于其它層服務對端到端的服務質(zhì)量有很大的影響，因此在其
它層，如鏈路層、傳輸層、甚至應用層也必須考慮QOS問題。
    對用戶來講，在電路交換的環(huán)境下，因為每個連接都有一個物理通道，每個通道都
有固定的帶寬和延時且無丟失，QOS不會成為問題。但在因特網(wǎng)這佯的分組交換的環(huán)境
下，各個連接的數(shù)據(jù)包流是邏輯上而不是物理上連接在一起的，它允許不同帶寬要求的
服務共享同一資源。IP包經(jīng)過的網(wǎng)絡元素只負責將包轉(zhuǎn)發(fā)到目的地址。如果網(wǎng)絡元素上
的隊列溢出，則丟掉一些不重要或不緊急的包。TCP協(xié)議就是這樣設(shè)計的，它支持一種
“優(yōu)美地”降級，即從不拒絕連接，但在網(wǎng)絡負載增加時，每個連接的性能略有降低。
因此要保證QOS就相當復雜。
    為了實現(xiàn)在因特網(wǎng)上同時支持“盡力而為”服務和有QOS要求的服務，對因特網(wǎng)的
結(jié)構(gòu)有三個主要改變。首先因特網(wǎng)的服務模型從單純的“盡力而為”服務擴展到支持有
一定QOS要求的服務。其方案之一是IETF提出的綜合服務模型，它將實時應用按其QOS的
要求分為二類：保證服務和負載可控服務。將它們與“盡力而為”服務一起在因特網(wǎng)上
傳輸。第二個改變體現(xiàn)在路由器上。為了提供這些新的服務，需要路由器提供比傳統(tǒng)的
FIFO復雜得多的隊列管理機制和調(diào)度算法。此外還必須提供一個“準入控制”模塊，以
提供定量的保證，如端到端延遲，而不是簡單的多優(yōu)先級。第三個改變是運用資源預留
協(xié)議，它將應用要求的QOS在數(shù)據(jù)流經(jīng)過的路徑上傳播，目前最常用的資源預留協(xié)議是
RSVP。
    一、Intserv/RSVP的實現(xiàn)方式
    1. 綜合服務
    為保證應用的QOS，IETF在1994年提出了綜合服務模型。綜合服務以IP協(xié)議為其網(wǎng)絡
層統(tǒng)一平臺。綜合服務是建立在流（floW）的概念上。所謂流是指源于某一用戶的特定行
為的一串彼此相關(guān)的IP數(shù)據(jù)報，這些數(shù)據(jù)報具有相同的QOS要求，且可能有多個接收者。
“流”的引入，使得一條流可以被理解為一條邏輯上的IP連接。綜合服務的基本思路是：
首先對網(wǎng)絡所使用的共享鏈路進行一定的資源使用控制（包括帶寬和緩沖區(qū)）；同時考
慮將網(wǎng)絡應用按其QOS要求分為不同的種類，并將它們統(tǒng)一實現(xiàn)在對上層應用的服務接口
中。只要數(shù)據(jù)流經(jīng)過的路由器都支持這些服務類別，那么就能為該數(shù)據(jù)流提供一定的端
到瑞QOS保證。
    目前，IETF定義的服務類別有保證服務（guar－anteed  service）和負載可控服務
（controlled－loadService）。
    （1）負載可控服務
    負載可控服務能保證在網(wǎng)絡負載較重時提供與負載較輕時相同的QOS。它與傳統(tǒng)的因
特網(wǎng)服務的主要區(qū)別在于它的性能不會隨網(wǎng)絡負載的加大而下降。負載可控服務～般用于
可容忍一定的數(shù)據(jù)包丟失和延遲的應用。
    負載可控服務可由路由器中的隊列機制實現(xiàn)。
    （2）保證服務
    保證服務要求提供一定的帶寬和端到端延遲，且保證數(shù)據(jù)流中合法的數(shù)據(jù)包無排隊
丟失。路由器將保證提供的服務抽象成分配一定的帶寬R和緩沖區(qū)B。服從漏桶的數(shù)據(jù)流
有b／R（R＞=r）的延遲上限（其中b為漏桶的容量，r為令牌的生成速率）�？紤]到路由
器是按數(shù)據(jù)包而非純比特流傳輸數(shù)據(jù)，是通過共享鏈路而非每個流有一條物理通路，因
而會引入一些誤差。RFC2212定義兩個誤差參數(shù)C和D。C是與速率有關(guān)的誤差，D是與延時
有關(guān)的誤差。
    2.RSVP
    RSVP是一種基于接收端，由接收端發(fā)起的資源預留協(xié)議。不同的接收端對QOS要求可
能不同，由它向發(fā)送端指明所希望接收的數(shù)據(jù)流的QOS參數(shù)。在通信雙方已經(jīng)建立了的路
徑上，通過源端發(fā)出的PATH消息和接收端發(fā)出的RESV消息進行動態(tài)的QOS協(xié)商，達到資源
預留的目的。為了維持預留資源，RSVP協(xié)議使路由器或交換節(jié)點維持在一個“軟狀態(tài)”
（soft state），這個狀態(tài)周期性地由PATH和RESV消息來更新，也可以由拆卸消息來取
消。如果在一段時間內(nèi)沒有收到更新報文，預留的資源也將被取消。
    RSVP協(xié)議的資源預留請求由流量說明（flowspec）和過濾器說明（filterspec）來定
義。流量說明以定量的形式指定服務需要的QOS，如最大延時，平均吞吐量，最大突發(fā)率
等。過濾器說明定義了資源預留需要的分組數(shù)據(jù)的格式。流量說明和過濾器說明一起被稱
為流量描述器（Folw DescriPtor）。除了流量描述器，資源“預留類型”也與資源的請
求有關(guān)。RSVP定義了以下幾種預留類型：
    * 通配過濾器（WF－Wildcard－Filter）類型：該類型的每段鏈路有一條資源“管
道”，可被本次會話的所有發(fā)送者使用。管道大小為所有接收者對此鏈路的最大資源請
求，獨立于發(fā)送者的數(shù)量。這種類型特別適合于用戶都能收發(fā)數(shù)據(jù)的多對、多組通道。
    *固定過濾器（FF－Fixed－Filter）類型：這種類型是對特定的發(fā)送者預留的資源，
不能被其它的發(fā)送者共享，并且不能改變資源的預留量。
    *動態(tài)過濾器（DF－Dynamic－filter）類型：這種類型允許接收者修改它的發(fā)送源，
而不需要額外的準入控制。
    RSVP只是一個信令協(xié)議，用來幫助建立端主機和路由器的資源保留狀態(tài)。資源和服
務管理算法主要依賴于所支持的服務級別。RSVP將兩個應用程序間的IP流當作網(wǎng)絡層的
“連接”來處理，它在IP層提供了與 ATM UNI和信令在信元流層次上相似的功能。
    3．綜合服務中RSVP的使用
    目前實現(xiàn)綜合服務的一般手段為采用RSVP進行資源預留。RSVP通過信令在應用程序
和網(wǎng)絡元素間進行QOS協(xié)商。RSVP首先將發(fā)送端生成的業(yè)務特性（SENDER－TSPEC）沿所
選的路徑朝接收端傳輸，并在沿途收集所經(jīng)過的網(wǎng)絡元素的信息。它包括最小可用帶寬
和最小路徑延遲等。這些信息保存在ADSPEC對象中。SENDER－TSPEC和ADSPEC對象被封
裝在RSVP的PATH消息中。
    SENDER－TSPEC包含的內(nèi)容有：
    *漏桶的容量b
    *令牌生成速率廠
    *數(shù)據(jù)流的峰值速率p 
    *最大數(shù)據(jù)包長度M
    *最小控制單元m
    ADSPEC中包含的信息有：
    （1）路徑上的一般信息
    *沿途的網(wǎng)絡元素是否都支持RSVP
    *沿途最小的MTU
    *最小的路徑延遲
    *最小可用帶寬
    （2）每種服務的特定信息
    *沿途的網(wǎng)絡元素是否都支持這種服務
    *該服務可用的最小帶寬
    *對保證服務
    當PATH消息傳到接收端后，接收端按照應用的延遲要求計算沿途允許的排隊延遲
qdefreq。
    qdelreq=應用允許的端到端延遲一最小路徑延遲然后選擇滿足要求所需要的帶寬。
    二、Intsery／RSVP存在的問題及現(xiàn)有的一些解決方案
    用RSVP實現(xiàn)綜合服務存在著兩個嚴重的問題：一個是盲目性。對于保證服務，雖
然PATH消息在從發(fā)送端向接收端傳送的過程中，收集了沿途的網(wǎng)絡元素的一些信息，
但這些信息只是一個綜合信息，而不是單個網(wǎng)絡元素的信息。因而在考慮預留的帶寬
時，無法照顧各個網(wǎng)絡元素的具體情況。只能采用“準等額劃分法”，即基本上對沿
途的每個結(jié)點分配等量的資源。這將使原本資源較少的網(wǎng)絡元素無法接受后來的預留
申請，而產(chǎn)生較高的呼叫擁塞。第二個問題是可擴展性。由于綜合服務／RSVP需要在
沿途的每一個網(wǎng)絡元素上保留每個流的信息，這就決定了用RSVP實現(xiàn)綜合服務只適用
于小型的網(wǎng)絡，而不適用于因特網(wǎng)這樣的廣域網(wǎng)。
    近期，QOS研究的注意力轉(zhuǎn)移到了區(qū)分服務方式，它加快了QOS的實現(xiàn)。區(qū)分服務
是基于一個簡單模型，它將網(wǎng)絡上的業(yè)務分成不同的服務，每種服務定義了一組單向
的包傳輸?shù)奶卣�。這些特征可以是一組指定的量，如吞吐率、時延、時延抖動或包丟
失率，也可以是對一些網(wǎng)絡資源存取的相對優(yōu)先級。每種服務用一個編碼表示（稱為
DS編碼），放入IP報頭中的某一字段中，目前一般使用TOS字段。
    區(qū)分服務的實現(xiàn)，包括一組在網(wǎng)絡節(jié)點上實現(xiàn)的功能元素，包括一組每一跳的轉(zhuǎn)
發(fā)行為PHB（Perhopbehavior，即如何在各業(yè)務流之間分配緩沖區(qū)和帶寬資源），包
分類功能，流量調(diào)節(jié)功能（包括測量、標記、整形和政策）。其中進入網(wǎng)絡的業(yè)務在
網(wǎng)絡邊界被分類并賦給不同的服務。在網(wǎng)絡的核心，數(shù)據(jù)包按它的報頭中的DS編碼尋
找它的每一跳行為，并按此行為轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。
    由于DS方法僅在網(wǎng)絡的邊界節(jié)點上完成復雜的分類和調(diào)節(jié)功能，及用對每個“流”
的集合應用每一跳行為，在網(wǎng)絡的核心節(jié)點上不需要維護每個應用“流”或每個用戶
的轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，因而網(wǎng)絡的可擴展性較好。但區(qū)分服務只能使某些服務比其它服務享受
到更好的待遇（如更快的處理，更多的平均帶寬，更低的平均丟失率）。這是一種統(tǒng)
計上的優(yōu)先處理，并無硬性的保證。但如果僅對常比特率或近似率常比特率的“流”
施加QOS控制，那么DS方法加上適當?shù)姆菗屨际絻?yōu)先級排隊即能保證服務質(zhì)量。
    另外一種解決可擴展性的方法是在Intserv/RSVP的基礎(chǔ)上采用流的取集的方法減
輕路由器的壓力。即將同一子網(wǎng)發(fā)向同一目的子網(wǎng)的所有流聚集成一個RSVP預留要求。
在這種模式下，如何確定聚集后所需預留的資源及如何保證聚集后流與流之間的獨立
性又成為新的研究課題。
    三、結(jié)束語
    支持端到端QOS是因特網(wǎng)的發(fā)展趨勢之一。在國外，這方面的技術(shù)已成為目前因
特網(wǎng)的研究熱點之一，幾乎每個月都會有這方面的IETF draft出現(xiàn)。國內(nèi)在這方面的
研究較少。以上分析，為作者進一步研究該領(lǐng)域打下了一定的基礎(chǔ)，同時了希望以此
得到與同行們交流、共同提高的目的。