IPv6 QoS及其實(shí)現(xiàn)探討

　　現(xiàn)在的信息網(wǎng)絡(luò)可以用“Everything over IP”和“IP over Everything”來概括。業(yè)界基本達(dá)成共識(shí)，IP網(wǎng)絡(luò)將成為下一代信息網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施。但自由、開放和“Best Effort”的IP網(wǎng)絡(luò)，在擔(dān)負(fù)這樣的責(zé)任時(shí)，還需要大量的改進(jìn)。

　　一方面，由于寬帶網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展、NGN（下一代網(wǎng)絡(luò)）和3G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署以及家庭網(wǎng)絡(luò)等即將成為現(xiàn)實(shí)，需要大量的IP地址，而目前廣泛使用的IPv4地址，由于總量的缺乏以及分配的不公平性等原因存在嚴(yán)重短缺，在不久的將來勢必耗盡。所以，早在10多年前，鑒于當(dāng)時(shí)B類地址需求高速增長，眼看地址耗盡指日可待，一度造成恐慌而發(fā)展了具有巨大地址空間的IPv6技術(shù)。同時(shí)，也發(fā)展了CIDR（無級(jí)別域內(nèi)路由選擇）和保留地址/NAT技術(shù)，以進(jìn)一步延緩IPv4地址的消耗速度。另一方面，IPv4在地址自動(dòng)配置、QoS、安全性以及移動(dòng)性等方面也難以滿足下一代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展要求，因此，IPv6不僅僅解決地址問題，也在其他方面做了相應(yīng)的改進(jìn)。

　　本來希望IPv6一勞永逸地解決一系列問題，但經(jīng)過10多年的發(fā)展，許多目標(biāo)并沒有實(shí)現(xiàn)，包括下面將要討論的IPv6 QoS問題。

　　IPv6 QoS基本情況

　　和IPv4相比，IPv6在QoS方面提供了更多的措施，以期改善甚至徹底解決網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量問題。最初的想法是，根據(jù)當(dāng)時(shí)IP QoS的研究進(jìn)展，引入Flow Label機(jī)制，幫助處理QoS。由于受到當(dāng)時(shí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展水平的限制，第一個(gè)比較成熟的成果在1994年前后才推出，即所謂的Int-Serv模型。該模型在信息傳遞之前，使用資源預(yù)留協(xié)議（RSVP）建立一個(gè)可以保證QoS各有關(guān)指標(biāo)的一個(gè)通道。這種想法似乎是可行的，因?yàn)楹退�相類似的ATM技術(shù)在QoS上獲得了較大的成功，或者說后者的一個(gè)主要特點(diǎn)就是解決了QoS問題（當(dāng)然，各有關(guān)技術(shù)還在不斷發(fā)展之中）。但是，Int-Serv并沒有獲得廣泛的應(yīng)用。今天再來分析其原因，可以發(fā)現(xiàn)，ATM網(wǎng)絡(luò)支持的電路/流的數(shù)量，基本上是以千條（thousands）為單位實(shí)施擴(kuò)展的；而IP網(wǎng)絡(luò)，特別是Internet這樣的全球網(wǎng)絡(luò)，其業(yè)務(wù)流基本上是以百萬條（millions）為基本單位的，這對于網(wǎng)絡(luò)中的路由器設(shè)備來說，很難支持如此大量的軟狀態(tài)。同時(shí)，也存在跨多個(gè)運(yùn)營商進(jìn)行資源預(yù)留管理等問題。后來進(jìn)一步發(fā)展了Diff-Serv模型，它基于對網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的分類來簡化處理的類別，從而解決了可擴(kuò)展性問題，為IP網(wǎng)絡(luò)的QoS提供了一個(gè)可行的解決方案。但是，Diff-Serv模型并不能提供一個(gè)端到端的解決方案，其對IP QoS的實(shí)現(xiàn)，需要通過與PHB（Per-Hop-Behavior）、網(wǎng)絡(luò)流量規(guī)劃或者流量工程（Traffic Engineering，TE）等措施聯(lián)合提供。

　　IPv6 QoS定義

　　IP QoS的實(shí)現(xiàn)，需要網(wǎng)絡(luò)中所有相關(guān)元素的全面支持，包括應(yīng)用、終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。在基本的IP協(xié)議層面，提供一些字段的定義，用于支持QoS的實(shí)現(xiàn)。IPv6同樣如此。

　　IPv6包頭格式

　　IPv6的報(bào)頭格式如圖1所示（圖中同時(shí)顯示了IPv4報(bào)頭格式，以示對比）。和IPv4相比，IPv6采用更規(guī)整的結(jié)構(gòu)，便于使用硬件進(jìn)行高速處理。IPv6定義了一個(gè)固定長度的基本報(bào)頭，其他的一些選項(xiàng)歸類為擴(kuò)展報(bào)頭，其中包括每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都必須處理的Hop by Hop報(bào)頭等。

　　從圖中可以看出，IPv6有兩個(gè)字段與QoS有關(guān)，分別為流量類別（Traffic Class，TC）和流標(biāo)簽（Flow Label，F(xiàn)L）字段。流量類別字段有8位，和IPv4的服務(wù)類型（ToS）字段功能相同，用于對報(bào)文的業(yè)務(wù)類別進(jìn)行標(biāo)識(shí)；流標(biāo)簽字段有20位，用于標(biāo)識(shí)屬于同一業(yè)務(wù)流的包。流標(biāo)簽和源、目的地址一起，惟一標(biāo)識(shí)了一個(gè)業(yè)務(wù)流。同一個(gè)流中的所有包具有相同的流標(biāo)簽，以便對有同樣QoS要求的流進(jìn)行快速、相同的處理。

　　流標(biāo)簽規(guī)范

　　流標(biāo)簽規(guī)范定義了流以及與流標(biāo)簽有關(guān)的一些基本規(guī)范，同時(shí)提出了不少建議草案。這里摘要簡單介紹。

　　流是從某一源節(jié)點(diǎn)發(fā)往某一單播、任播或組播地址的目的節(jié)點(diǎn)的一系列包。源節(jié)點(diǎn)用流標(biāo)簽標(biāo)識(shí)一個(gè)流。一個(gè)具體的傳輸連接或媒體流中的所有包都屬于一個(gè)流。當(dāng)然，并非一個(gè)流必須和一個(gè)傳輸連接 1:1對應(yīng)。

　　流標(biāo)簽在高效處理方面具有特別的優(yōu)勢。和五元組相比，IPv6的源地址、目的地址以及流標(biāo)簽都出現(xiàn)在基本報(bào)頭中。而五元組則由于或者是報(bào)文的分段，或者是加密，或者是協(xié)議在多個(gè)擴(kuò)展的報(bào)頭之后才可以取得，因此在處理的效率上要差一些。

　　當(dāng)然，由于流標(biāo)簽處在一個(gè)非常暴露的位置，在抵抗服務(wù)盜用以及DoS（拒絕服務(wù)）攻擊方面比較脆弱，需要一定的措施來保護(hù)。一般需要一個(gè)比較信任的環(huán)境，或者啟用入境（ingress）過濾等防范措施。

　　現(xiàn)在，流標(biāo)簽規(guī)范還只是一個(gè)框架，并沒有對流標(biāo)簽的使用做出明確的定義，只規(guī)定了一些非常原則的內(nèi)容，主要包括：（1）IPv6流支持的最低要求是標(biāo)記流（給流打標(biāo)簽）。流標(biāo)簽應(yīng)該由流的發(fā)起者信源節(jié)點(diǎn)賦予一個(gè)流。流標(biāo)簽是一個(gè)1-FFFFF的偽隨機(jī)數(shù)。對那些不支持流標(biāo)簽處理的節(jié)點(diǎn)和應(yīng)用應(yīng)將FL置成0，或者不對該字段進(jìn)行處理。（2）源節(jié)點(diǎn)應(yīng)該能夠?yàn)榱鬟x擇沒有用過的流標(biāo)簽值。當(dāng)新建流時(shí)，源節(jié)點(diǎn)必須保證它不會(huì)無意識(shí)地重用當(dāng)前正用或是最近剛用過的流標(biāo)簽值。也就是說，新建同一源地址和目的地址之間的流，不能用之前120s之內(nèi)用過的流標(biāo)簽值。對于各自不同的流，源節(jié)點(diǎn)應(yīng)該能夠提供方法，為應(yīng)用和傳輸協(xié)議指定留驗(yàn)期長于120s。（3）為了避免由于系統(tǒng)每次重新啟動(dòng)而意外地重用流標(biāo)簽值，初始值應(yīng)該能夠從存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器里的上一次流標(biāo)簽值導(dǎo)出，如果這些歷史數(shù)據(jù)也丟失了，則用一個(gè)好的隨機(jī)數(shù)算法產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)初始值。（4）流狀態(tài)的建立方式必須滿足的最低要求是，提供具體流處理功能的IPv6節(jié)點(diǎn)具有清理流狀態(tài)的手段；當(dāng)請求的流狀態(tài)節(jié)點(diǎn)不能支持時(shí)，流狀態(tài)建立方法必須能夠恢復(fù)，從而保證不同的方法可以被使用。

　　當(dāng)然，對流標(biāo)簽的定義和使用還提出了不少草案。例如，將20位進(jìn)一步細(xì)分為3+17位，前3位可以定義為支持諸如Diff-Serv、Int-Serv等幾種類別，后17位則根據(jù)前面定義的類別再定義相應(yīng)的功能或者應(yīng)用。這里不詳細(xì)介紹。

　　IPv6 QoS信令擴(kuò)展

　　QoS信令是目前研究的熱點(diǎn)之一，也是支持端到端QoS技術(shù)的一個(gè)重要方面。從技術(shù)的角度看，可以支持帶內(nèi)或者帶外的信令。RSVP和802.1p分別是一個(gè)示例。但如前所述，RSVP可能并不適合在Internet這種大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中使用。

　　IPv6可以比較方便地支持QoS信令的實(shí)現(xiàn)，具體的做法是，根據(jù)IPv6的Hop by Hop擴(kuò)展頭對信令進(jìn)行定義。由于每個(gè)IPv6節(jié)點(diǎn)都必須處理Hop by Hop擴(kuò)展頭，這樣就可以實(shí)現(xiàn)QoS信令。即通過在數(shù)據(jù)流的第一個(gè)數(shù)據(jù)包中攜帶有關(guān)信息，在經(jīng)過逐跳處理和預(yù)留以后到達(dá)接收端，接收端根據(jù)情況將有關(guān)信息回傳發(fā)送方，這樣就可以進(jìn)行有QoS保證的數(shù)據(jù)發(fā)送了。

　　QoS信令的定義還處于探討階段，具體的內(nèi)容包括可用帶寬、保證帶寬、優(yōu)先級(jí)以及與報(bào)文處理有關(guān)的一些定義字段等。

　　IPv6 QoS實(shí)現(xiàn)方案

　　IPv6 QoS的實(shí)現(xiàn)可以在不同層面進(jìn)行。例如網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，可以通過流量類別字段和/或流標(biāo)簽字段提出QoS要求，也可以在用戶接入的服務(wù)提供商（SP）網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)對用戶業(yè)務(wù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。當(dāng)然，這里涉及服務(wù)提供商和用戶之間的QoS/SLA協(xié)商，以及據(jù)此制定的服務(wù)策略。最關(guān)鍵之處還在于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，必須可以根據(jù)這些業(yè)務(wù)要求完成相應(yīng)的處理并保證QoS。需要說明的是，在IPv6 QoS信令實(shí)現(xiàn)比較成熟的情況下，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用還可以通過信令和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)商，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的QoS處理。

　　圖2簡單示意了IPv6 QoS的實(shí)現(xiàn)方案，實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)可能更復(fù)雜一些。處于服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò)邊緣的支持QoS的節(jié)點(diǎn)與最終客戶之間，可能有一個(gè)寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，其QoS也是問題的一個(gè)部分，但可以通過一定的帶寬集中方式獲得保證。這里不討論。

　　圖2示出了對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用進(jìn)行QoS處理的兩種情況：支持QoS的標(biāo)記和在服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò)邊緣對不同的應(yīng)用流重新進(jìn)行標(biāo)記。但從網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營的角度看，在網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行標(biāo)記處理更加合理。這一方面有利于用戶和服務(wù)提供商之間的協(xié)商；另一方面有利于服務(wù)提供商驗(yàn)證用戶的標(biāo)記是否與其SLA相一致，以阻斷用戶私自提高服務(wù)等級(jí)等情況的發(fā)生。而在網(wǎng)絡(luò)的核心，通過和邊緣配合的方法實(shí)現(xiàn)具體的QoS處理。

　　如前所述，IPv6 QoS的實(shí)現(xiàn)可以使用Diff-Serv、Int-Serv以及IPv6 QoS信令等方式，但具體到在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的實(shí)現(xiàn)，主要還是標(biāo)記、排隊(duì)和擁塞避免等一些具體的措施。

　　在網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)對進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文進(jìn)行分類，根據(jù)不同的SLA和QoS策略，可以有多種方法。對IPv6而言，可以根據(jù)源地址、目的地址和流標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)記；也可以根據(jù)IP包的5元組（源、目的IP地址，源、目的端口號(hào)，傳輸協(xié)議）來確定。從廣泛的適用性看，還應(yīng)該支持DSCP（差異化服務(wù)編碼點(diǎn)）、802.1p以及MPLS（多協(xié)議標(biāo)簽交換）QoS機(jī)制的E-LSP/L-LSP等。

　　進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由PHB控制，實(shí)現(xiàn)不同的QoS，包括帶寬、延時(shí)、丟包率等。具體的實(shí)現(xiàn)將根據(jù)不同的設(shè)備資源和功能情況有所不同，但基本上都是通過設(shè)置一定的緩存隊(duì)列，在發(fā)生擁塞時(shí)通過隊(duì)列進(jìn)行緩沖，通過對不同隊(duì)列的不同調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)和各有關(guān)QoS指標(biāo)。

　　現(xiàn)在，已經(jīng)發(fā)展了多種隊(duì)列調(diào)度算法�？梢愿鶕�(jù)不同的設(shè)備等級(jí)，選用其中一些或者它們的組合，比如PQ（優(yōu)先級(jí)隊(duì)列）、WFQ（加權(quán)公平隊(duì)列）、DRR（虧空循環(huán)）等等。其中的一些類別還進(jìn)一步發(fā)展了一些細(xì)分技術(shù)，例如SPQ（嚴(yán)格優(yōu)先隊(duì)列）、W2FQ等。

　　隊(duì)列技術(shù)雖然解決了在競爭情況下哪種業(yè)務(wù)獲得優(yōu)先服務(wù)的問題，但并沒有解決擁塞引起的丟包問題。例如，多個(gè)輸入端口同時(shí)向一個(gè)輸出端口發(fā)送報(bào)文，如果輸出端口無法及時(shí)處理這些報(bào)文，則必然有報(bào)文被丟棄。RED/WRED（隨機(jī)早期檢測/加權(quán)隨機(jī)早期檢測）可以緩解擁塞問題。

　　由于目前高端設(shè)備都具有大量的緩存，可以存貯高速端口約200ms的數(shù)據(jù)包，因此在極端的情況下，可能引起較大的延時(shí)。因此，對一些業(yè)務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量以及在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的延時(shí)都要做相應(yīng)的規(guī)劃，或者通過流量工程來實(shí)現(xiàn)。

　　另外，針對IP網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)突發(fā)量比較大的情況，可以通過流量整形以及在接入端采用CAR（承諾訪問速率）使得網(wǎng)絡(luò)的流量比較平緩，從而保證比較好的服務(wù)質(zhì)量。

　　上述解決方案是基于Diff-Serv實(shí)現(xiàn)的。也許IPv6信令和Diff-Serv的結(jié)合，可以產(chǎn)生新的更有效的IPv6 QoS實(shí)現(xiàn)方案。

　　建設(shè)IP網(wǎng)絡(luò)，QoS是一個(gè)非常重要的方面。而IPv6在未來的2~5年內(nèi)，必然會(huì)成為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主流，因此，探討IPv6 QoS有其現(xiàn)實(shí)的意義，對IP網(wǎng)絡(luò)向電信級(jí)過渡以及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)均能提供有效的線索。

　　目前，IPv4 QoS已經(jīng)獲得比較好的發(fā)展，因此在IPv6大規(guī)模部署之前，可以先借助IPv4 QoS的成果，進(jìn)一步研究Flow Label機(jī)制的使用。從目前情況看，可以通過Diff-Serv實(shí)現(xiàn)QoS，以后隨著技術(shù)的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)的成熟，可以逐漸引入其他更有效的方法。而終結(jié)目標(biāo)是，伴隨著ITU-T的QoS架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法的成熟，最終解決IPv6 QoS。

----《現(xiàn)代通信》

作者：顧忠禹 吳文明 中興通訊股份有限公司網(wǎng)絡(luò)事業(yè)部南京研發(fā)中心