Intserv/RSVP的现状及存在的问题

发布: 2010-10-20 14:27 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

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Intserv/RSVP的现状及存在的问题
    摘要：因特网中传统的“尽力而为”的传送模式无法满足实时业务对QOS的控制要
求。本文根据当前的一些研究动态，介绍了基于RSVP的Internet综合服务实现模型，并
分析当前所存在的一些问题。
    关键词：因特网  综合服务  RSVP
    随着因特网的发展，网络的应用越来越复杂。二十年前，网络上的主要应用为远程
作业递交；十年前，主要的应用是E－mail、FTP和TELNET；现在因特网上的主要应用为
WEB测览器以及正在研究的一些多媒体应用。但很多有价值的应用，如远程医疗、远程
教学等对实时性要求较高的多媒体应用，在当今的因特网上尚不可行。因为现有的因特
网不能提供它们所需的性能。它们大都要求能在网络上以实时的性能传递或交换数据，
需要从网络得到最小带宽和最大延迟的保证，甚至需要更进一步的保证，如对延时抖动
的限制。因此，迫切需要一种体系来保证因特网上各种业务的服务质量。
    QOS是ISO为了统一对服务质量进行鉴定而引入的概念。所谓的服务质量（QOS）就
是指与应用要求相关的网络性能和保证网络性能的一些技术。ISO认为在通信系统中，
QOS应由网络层提供，但由于其它层服务对端到端的服务质量有很大的影响，因此在其
它层，如链路层、传输层、甚至应用层也必须考虑QOS问题。
    对用户来讲，在电路交换的环境下，因为每个连接都有一个物理通道，每个通道都
有固定的带宽和延时且无丢失，QOS不会成为问题。但在因特网这佯的分组交换的环境
下，各个连接的数据包流是逻辑上而不是物理上连接在一起的，它允许不同带宽要求的
服务共享同一资源。IP包经过的网络元素只负责将包转发到目的地址。如果网络元素上
的队列溢出，则丢掉一些不重要或不紧急的包。TCP协议就是这样设计的，它支持一种
“优美地”降级，即从不拒绝连接，但在网络负载增加时，每个连接的性能略有降低。
因此要保证QOS就相当复杂。
    为了实现在因特网上同时支持“尽力而为”服务和有QOS要求的服务，对因特网的
结构有三个主要改变。首先因特网的服务模型从单纯的“尽力而为”服务扩展到支持有
一定QOS要求的服务。其方案之一是IETF提出的综合服务模型，它将实时应用按其QOS的
要求分为二类：保证服务和负载可控服务。将它们与“尽力而为”服务一起在因特网上
传输。第二个改变体现在路由器上。为了提供这些新的服务，需要路由器提供比传统的
FIFO复杂得多的队列管理机制和调度算法。此外还必须提供一个“准入控制”模块，以
提供定量的保证，如端到端延迟，而不是简单的多优先级。第三个改变是运用资源预留
协议，它将应用要求的QOS在数据流经过的路径上传播，目前最常用的资源预留协议是
RSVP。
    一、Intserv/RSVP的实现方式
    1. 综合服务
    为保证应用的QOS，IETF在1994年提出了综合服务模型。综合服务以IP协议为其网络
层统一平台。综合服务是建立在流（floW）的概念上。所谓流是指源于某一用户的特定行
为的一串彼此相关的IP数据报，这些数据报具有相同的QOS要求，且可能有多个接收者。
“流”的引入，使得一条流可以被理解为一条逻辑上的IP连接。综合服务的基本思路是：
首先对网络所使用的共享链路进行一定的资源使用控制（包括带宽和缓冲区）；同时考
虑将网络应用按其QOS要求分为不同的种类，并将它们统一实现在对上层应用的服务接口
中。只要数据流经过的路由器都支持这些服务类别，那么就能为该数据流提供一定的端
到瑞QOS保证。
    目前，IETF定义的服务类别有保证服务（guar－anteed  service）和负载可控服务
（controlled－loadService）。
    （1）负载可控服务
    负载可控服务能保证在网络负载较重时提供与负载较轻时相同的QOS。它与传统的因
特网服务的主要区别在于它的性能不会随网络负载的加大而下降。负载可控服务～般用于
可容忍一定的数据包丢失和延迟的应用。
    负载可控服务可由路由器中的队列机制实现。
    （2）保证服务
    保证服务要求提供一定的带宽和端到端延迟，且保证数据流中合法的数据包无排队
丢失。路由器将保证提供的服务抽象成分配一定的带宽R和缓冲区B。服从漏桶的数据流
有b／R（R＞=r）的延迟上限（其中b为漏桶的容量，r为令牌的生成速率）。考虑到路由
器是按数据包而非纯比特流传输数据，是通过共享链路而非每个流有一条物理通路，因
而会引入一些误差。RFC2212定义两个误差参数C和D。C是与速率有关的误差，D是与延时
有关的误差。
    2.RSVP
    RSVP是一种基于接收端，由接收端发起的资源预留协议。不同的接收端对QOS要求可
能不同，由它向发送端指明所希望接收的数据流的QOS参数。在通信双方已经建立了的路
径上，通过源端发出的PATH消息和接收端发出的RESV消息进行动态的QOS协商，达到资源
预留的目的。为了维持预留资源，RSVP协议使路由器或交换节点维持在一个“软状态”
（soft state），这个状态周期性地由PATH和RESV消息来更新，也可以由拆卸消息来取
消。如果在一段时间内没有收到更新报文，预留的资源也将被取消。
    RSVP协议的资源预留请求由流量说明（flowspec）和过滤器说明（filterspec）来定
义。流量说明以定量的形式指定服务需要的QOS，如最大延时，平均吞吐量，最大突发率
等。过滤器说明定义了资源预留需要的分组数据的格式。流量说明和过滤器说明一起被称
为流量描述器（Folw DescriPtor）。除了流量描述器，资源“预留类型”也与资源的请
求有关。RSVP定义了以下几种预留类型：
    * 通配过滤器（WF－Wildcard－Filter）类型：该类型的每段链路有一条资源“管
道”，可被本次会话的所有发送者使用。管道大小为所有接收者对此链路的最大资源请
求，独立于发送者的数量。这种类型特别适合于用户都能收发数据的多对、多组通道。
    *固定过滤器（FF－Fixed－Filter）类型：这种类型是对特定的发送者预留的资源，
不能被其它的发送者共享，并且不能改变资源的预留量。
    *动态过滤器（DF－Dynamic－filter）类型：这种类型允许接收者修改它的发送源，
而不需要额外的准入控制。
    RSVP只是一个信令协议，用来帮助建立端主机和路由器的资源保留状态。资源和服
务管理算法主要依赖于所支持的服务级别。RSVP将两个应用程序间的IP流当作网络层的
“连接”来处理，它在IP层提供了与 ATM UNI和信令在信元流层次上相似的功能。
    3．综合服务中RSVP的使用
    目前实现综合服务的一般手段为采用RSVP进行资源预留。RSVP通过信令在应用程序
和网络元素间进行QOS协商。RSVP首先将发送端生成的业务特性（SENDER－TSPEC）沿所
选的路径朝接收端传输，并在沿途收集所经过的网络元素的信息。它包括最小可用带宽
和最小路径延迟等。这些信息保存在ADSPEC对象中。SENDER－TSPEC和ADSPEC对象被封
装在RSVP的PATH消息中。
    SENDER－TSPEC包含的内容有：
    *漏桶的容量b
    *令牌生成速率厂
    *数据流的峰值速率p 
    *最大数据包长度M
    *最小控制单元m
    ADSPEC中包含的信息有：
    （1）路径上的一般信息
    *沿途的网络元素是否都支持RSVP
    *沿途最小的MTU
    *最小的路径延迟
    *最小可用带宽
    （2）每种服务的特定信息
    *沿途的网络元素是否都支持这种服务
    *该服务可用的最小带宽
    *对保证服务
    当PATH消息传到接收端后，接收端按照应用的延迟要求计算沿途允许的排队延迟
qdefreq。
    qdelreq=应用允许的端到端延迟一最小路径延迟然后选择满足要求所需要的带宽。
    二、Intsery／RSVP存在的问题及现有的一些解决方案
    用RSVP实现综合服务存在着两个严重的问题：一个是盲目性。对于保证服务，虽
然PATH消息在从发送端向接收端传送的过程中，收集了沿途的网络元素的一些信息，
但这些信息只是一个综合信息，而不是单个网络元素的信息。因而在考虑预留的带宽
时，无法照顾各个网络元素的具体情况。只能采用“准等额划分法”，即基本上对沿
途的每个结点分配等量的资源。这将使原本资源较少的网络元素无法接受后来的预留
申请，而产生较高的呼叫拥塞。第二个问题是可扩展性。由于综合服务／RSVP需要在
沿途的每一个网络元素上保留每个流的信息，这就决定了用RSVP实现综合服务只适用
于小型的网络，而不适用于因特网这样的广域网。
    近期，QOS研究的注意力转移到了区分服务方式，它加快了QOS的实现。区分服务
是基于一个简单模型，它将网络上的业务分成不同的服务，每种服务定义了一组单向
的包传输的特征。这些特征可以是一组指定的量，如吞吐率、时延、时延抖动或包丢
失率，也可以是对一些网络资源存取的相对优先级。每种服务用一个编码表示（称为
DS编码），放入IP报头中的某一字段中，目前一般使用TOS字段。
    区分服务的实现，包括一组在网络节点上实现的功能元素，包括一组每一跳的转
发行为PHB（Perhopbehavior，即如何在各业务流之间分配缓冲区和带宽资源），包
分类功能，流量调节功能（包括测量、标记、整形和政策）。其中进入网络的业务在
网络边界被分类并赋给不同的服务。在网络的核心，数据包按它的报头中的DS编码寻
找它的每一跳行为，并按此行为转发数据包。
    由于DS方法仅在网络的边界节点上完成复杂的分类和调节功能，及用对每个“流”
的集合应用每一跳行为，在网络的核心节点上不需要维护每个应用“流”或每个用户
的转发状态，因而网络的可扩展性较好。但区分服务只能使某些服务比其它服务享受
到更好的待遇（如更快的处理，更多的平均带宽，更低的平均丢失率）。这是一种统
计上的优先处理，并无硬性的保证。但如果仅对常比特率或近似率常比特率的“流”
施加QOS控制，那么DS方法加上适当的非抢占式优先级排队即能保证服务质量。
    另外一种解决可扩展性的方法是在Intserv/RSVP的基础上采用流的取集的方法减
轻路由器的压力。即将同一子网发向同一目的子网的所有流聚集成一个RSVP预留要求。
在这种模式下，如何确定聚集后所需预留的资源及如何保证聚集后流与流之间的独立
性又成为新的研究课题。
    三、结束语
    支持端到端QOS是因特网的发展趋势之一。在国外，这方面的技术已成为目前因
特网的研究热点之一，几乎每个月都会有这方面的IETF draft出现。国内在这方面的
研究较少。以上分析，为作者进一步研究该领域打下了一定的基础，同时了希望以此
得到与同行们交流、共同提高的目的。