IPv6下的QoS體系

江平

　　[文章導讀]

　　對QoS問題認識的深刻程度將直接影響IPv6在今后網(wǎng)絡中的實際應用效果。

　　[正文]

　　IPv6的提出首先是由于IPv4的地址空間不足引起的，而其所涉及的領域遠不止于此。越來越多的應用加載在IP網(wǎng)絡之上，而對更高的質(zhì)量保證等要求是網(wǎng)絡應用的一個關鍵因素，對QoS問題認識的深刻程度將直接影響IPv6在今后網(wǎng)絡中的實際應用效果。

　　視頻應用為時間靈敏性特別高的應用，其要求實時性和服務質(zhì)量管理(QoS)，但是網(wǎng)上眾多的應用多為盡力而為類數(shù)據(jù)。此類數(shù)據(jù)的特點是突發(fā)性強，這種突發(fā)性嚴重影響時間靈敏性特別高的應用，使這些應用的時延加大，同時出現(xiàn)抖動，從而產(chǎn)生嚴重的后果。例如，視頻會議無法正常進行，產(chǎn)生圖像馬賽克效應，聲音時斷時續(xù)，甚至沒有圖像和聲音。

　　1981 年制定的IPv4協(xié)議正面臨許多挑戰(zhàn)：地址空間匱乏；網(wǎng)絡安全漏洞多；服務質(zhì)量難以保證；不易開展新業(yè)務；移動性支持有限，難以滿足3G網(wǎng)絡發(fā)展需求等等。因此，為了解決上述問題，下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IPv6的發(fā)展應運而生。

　　IPv6以其超大地址容量可以輕松解決這個問題。解決了地址問題，實現(xiàn)端到端級實時通信基本上就不會有什么瓶頸了。而除了地址問題，IPv6對網(wǎng)絡服務質(zhì)量的作用也作了重大改進，將很大程度上改善服務質(zhì)量。

　　從“4”到“6”的主要變化

　　擴展編址功能和自動配置機制

　　IPv6的地址大小增加到128位。這解決了IPv4地址空間有限的問題，并提供了一個更深層次的編址層級以及更簡單的配置。終有一天，你會忘卻32位IP地址的感覺。網(wǎng)絡管理員會喜歡協(xié)議內(nèi)置的自動配置機制；多播路由得到了改進，多播地址通過一個范圍字段得到了擴展；此外，還引進了一種新的地址類型，叫做Anycast(任播)地址，可以向工作組最近的單個成員發(fā)送消息。

　　報頭格式的簡化

　　IPv6的報頭固定為40字節(jié)。這剛好容下8字節(jié)的報頭和兩個16字節(jié)的IP地址(源地址和目的地址)。IPv6的報頭中去掉了IPv4報頭中的一些字段，或者是將其變?yōu)榭蛇x項。這樣，數(shù)據(jù)包可以在低處理消耗下更快地進行操作。

　　改進的擴展和選項支持

　　對于IPv4，選項集成于基本的IPv4報頭中。而對于IPv6，這些選項被作為擴展報頭(Extension header)來處理。

　　擴展報頭是可選項，如果有必要，可以插入到IPv6報頭和實際數(shù)據(jù)之間。這樣，IPv6數(shù)據(jù)包的生成變得很靈活且高效。IPv6數(shù)據(jù)包的轉發(fā)效率要高很多。將來，要定義的新選項能夠很容易地進行集成。

　　身份驗證和私密性的擴展

　　IPv6指定了固有的對身份驗證的支持，以及對數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)機密性的支持。

　　流標簽功能

　　屬于同一傳輸流，且需要特別處理或需要服務質(zhì)量的數(shù)據(jù)包，可以由發(fā)送者進行標記。實時服務就是這種應用的典型例子。

　　更簡單的報頭 更快的處理速度

　　即使IPv6報頭的總長度是默認的IPv4報頭的兩倍長，達到了40字節(jié)，但它實際上還是被簡化了的，因為報頭的絕大部分被兩個16字節(jié)的IPv6地址占據(jù)。這樣，只剩8個字節(jié)可供其他報頭信息使用。

　　IPv4報頭的長度可以從最小的20字節(jié)擴展為60字節(jié)，以便指定選項，如安全選項(Security Option)、源路由(Source Routing)或時間戳(Timestamping)。這項功能很少使用，因為會降低性能。例如，IPv4硬件轉發(fā)實現(xiàn)必須把包含選項的數(shù)據(jù)包傳遞給予主處理程序(軟件處理)。

　　數(shù)據(jù)包的報頭越簡單，處理過程就越快。IPv6采用新方法來處理選項，顯著地改善了處理速度，保證對數(shù)據(jù)報文的高速轉發(fā)和較低的延時，提高了QoS。

　　IPv6下的ICMP變化

　　IPv4試圖通過IP報頭的服務類型(Type of Service, ToS)字節(jié)對流量進行分類，卻沒有在整個互聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)取得成功，因為ToS字節(jié)是基于應用程序，根據(jù)業(yè)務流量屬性進行公正的自我分類。在互聯(lián)網(wǎng)早期的多媒體應用還少，因此對于解決此問題并沒有實質(zhì)性進展，并且從來沒有統(tǒng)一地使用ToS字節(jié)。

　　IP的重新設計為解決QoS以及其他一些新增功能等問題提供了契機。在IPv6中，不同的服務類別同樣可以由不同的多播組實現(xiàn)，比如，可以定義同一音頻流量的四種不同類別，每種都按不同品質(zhì)進行編碼(如5.5KHz、11KHz、22KHz和44KHz)。在這種范例下，甚至無須顯式地表示優(yōu)先級，因為它是和各多播組(必須通過由路由器和終端系統(tǒng)執(zhí)行的不同的隊列和處理來操作)隱式綁定的。

　　現(xiàn)有的IPv6 ICMP(多播回放控制消息機制)可被用來塑造發(fā)送方和中間路由器的流量特點。不利的方面是，發(fā)送者將不得不多次提供基本相同的數(shù)據(jù)(但品質(zhì)不同)，接收方需要知道預訂哪個組，以便匹配特定的傳輸和終端系統(tǒng)功能。使用此范例的智能本地決定也包括對流量特征的監(jiān)督以及在不同品質(zhì)的多播信道之間動態(tài)切換。例如，要傳輸高品質(zhì)(44KHz)的音頻，分級編碼可以用于編碼為基本音頻數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，其中包含5.5KHz品質(zhì)的數(shù)據(jù)，第二個數(shù)據(jù)包包含5.5KHz～11KHz的數(shù)據(jù)，第三個數(shù)據(jù)包包含11KHz～22KHz的數(shù)據(jù)，而第四個數(shù)據(jù)包包含22～44KHz的數(shù)據(jù)。路由器則可以在擁塞的情況下，按第四、第三、第二和第一的順序進行丟包處理。音頻品質(zhì)可能不同，但音頻數(shù)據(jù)包只會在所有數(shù)據(jù)包都被丟棄的情況下才完全丟失�；�于分類/優(yōu)先級的QoS的副作用是，額外增加了發(fā)送者的負擔(例如，IP報頭管理和分級編碼)，并且接收方得到的服務質(zhì)量不同，也得不到保障。

　　與QoS直接相關的元素

　　IPv6協(xié)議在IP Base (基本) 和Extension(擴展)報頭中包含了少量與特定于QoS的服務元素，可以按不同方式使用并可綜合應用。

　　IPv6基本報頭中與QoS直接有關的服務元素包括流和相應的流標簽。

　　Traffic Class (流量類別)

　　該節(jié)段代替了IPv4中的Type of Service字段，它有助于處理實時數(shù)據(jù)以及任何需要特別處理的數(shù)據(jù)。發(fā)送節(jié)點和轉發(fā)路由器可以使用該字段來識別和分辨IPv6數(shù)據(jù)包的類別和優(yōu)先級。

　　流是從某個特定源發(fā)送到某個特定(單播或多播)目的地的一系列數(shù)據(jù)包，源需要由中間路由器進行特殊處理。該特殊處理的類型可以通過相應的控制協(xié)議(如RSVP)傳送給路由器，或者通過流數(shù)據(jù)包自身的信息，如IP Base報頭或Hop-by-Hop Extension報頭。從發(fā)送者到接收者之間可能有多個活動流，以及和任何流都無關的數(shù)據(jù)流量。IP協(xié)議中的流通過源IP地址和非零流標簽標識符的組合惟一地進行識別。不屬于流的數(shù)據(jù)包的流標簽為全零。

　　Flow Label(流標簽)

　　該字段區(qū)分需要相同處理的數(shù)據(jù)包，以此來促進實時性流量的處理。發(fā)送主機能夠用一組選項標記數(shù)據(jù)包的順序。路由器跟蹤數(shù)據(jù)流并更有效地處理屬于相同數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)包，因為他們無須重新處理每個數(shù)據(jù)包的報頭。數(shù)據(jù)流由流標簽和源節(jié)點的地址惟一標識。不支持Flow Label字段功能的節(jié)點需要在轉發(fā)數(shù)據(jù)包時不加改變地傳遞該字段，并在接收數(shù)據(jù)包時忽略該字段。屬于同一數(shù)據(jù)流的所有數(shù)據(jù)包必須具有相同的源IP地址和目的IP地址。

　　IPv6報頭中包含了一些關于控制QoS的信息(流類別和流標記)，通過路由器的配置可以實現(xiàn)優(yōu)先級控制和QoS保證，將很大程度上改善服務質(zhì)量，保障從VoIP到視頻流的高質(zhì)量傳輸。這也是美國國防部采用IPv6的重要原因之一。改善的QoS不僅使五角大樓能夠獲得了更好的傳輸服務，還允許軍方根據(jù)不同的需要為信息分配不同的傳輸路徑、所需帶寬或者加密等級。例如，在一場戰(zhàn)爭中，對從戰(zhàn)地指揮部發(fā)出的一封有關假期的郵件只分配很低的QoS，相反，指揮官與重要軍官之間的VoIP電話將分配到很高的QoS。美國國防部將讓所有類型的拓撲和平臺都使用QoS標記。

　　另外，今天互聯(lián)網(wǎng)上的QoS還遠沒有標準化，設備制造商和網(wǎng)絡平臺采用不同的QoS機制，當數(shù)據(jù)離開某個IP網(wǎng)絡到達下一個網(wǎng)關的時候，QoS的定義會突然發(fā)生變化�，F(xiàn)在，向IPv6的過渡將給QoS的標準化提供一個很好的機會。因此IPv6產(chǎn)品必須通過產(chǎn)品測試和互操作性公開測試，同時為終端用戶提供有關設備互通和一致性測試的信息。

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　　中外IPv6應用新進展

　　11月中旬，美國國防部剛剛完成了其新一輪的IP網(wǎng)絡升級測試，內(nèi)容之一即是在IPv6協(xié)議上實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)電話應用等。從該項目測試機構發(fā)布的消息看，在現(xiàn)實中部署這些IPv6應用仍然存在一些問題，但IPv6網(wǎng)絡的整體基礎架構表現(xiàn)是穩(wěn)定可靠的，此次測試還對視頻廣播、無線局域網(wǎng)、網(wǎng)絡安全等技術進行了評估。該測試將IPv6應用帶入了一個新的階段，美國國防部去年公布的計劃是在2008年之前實現(xiàn)網(wǎng)絡全面支持IPv6標準。

　　在我國，IPv6工作的推進是在CNGI(下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程)帶動下進入全面實際部署應用階段的。在11月29日新成立的我國首家專門致力于IPv6網(wǎng)絡和技術發(fā)展的專業(yè)委員會——“北京通信信息協(xié)會IPv6推廣應用專業(yè)委員會”更被認為是我國IPv6發(fā)展將步入新階段的一個標志。

　　此次成立的IPv6專業(yè)委員會的職責除了致力于積極推進IPv6在北京的應用和發(fā)展，實現(xiàn)各企業(yè)間的協(xié)助互補外，一個主要職責是進行研究IPv6的技術特點和優(yōu)勢，找出IPv6的創(chuàng)新應用，成為IPv6與傳統(tǒng)行業(yè)有機結合的平臺。該委員會已經(jīng)吸引了中國電信北京研究院、方正科技、神州數(shù)碼網(wǎng)絡、北京軟件產(chǎn)業(yè)促進中心、普天首信股份有限公司、國家氣象信息中心、思科中國有限公司以及安奈特(中國)網(wǎng)絡有限公司等四十余家單位參與。

摘自　網(wǎng)絡世界