域间服务质量技术

1 前言

　　随着电信网与IP的逐步融合，服务质量(QoS)问题已成为下一代网络运营商最关注的问题之一。当前已有的服务质量解决方案主要包括：综合服务(IntServ)/资源预留协议(RSVP)[1]、区分服务(DiffServ)[2]以及综合服务和区分服务的结合[3]等。对于运营商而言，保障端到端的服务质量是为用户提供多种业务并能从中盈利的前提。在国际研究组织如ITU-T、ETSI、IETF等的服务质量相关工作组中，端到端的服务质量均被作为下一代网络中的研究重点。从事端到端服务质量相关的研究组或项目包括[4?11]：互联网工程任务组的下一代信令工作组、ETSI、Internet2的服务质量工作组以及多项欧盟信息社会科技(IST)项目，如电信和IP网融合(TIPHON)项目、采用分层结构自适应服务质量资源控制(AQUILA)项目、在IP网中创建和部署用户业务(CADENUS)项目、Internet中用于服务质量的大规模的流量工程(TEQUILA)项目等。而在端到端的服务质量研究中最重要的就是要解决域间的服务质量问题。

　　2 域间服务质量技术

　　下一代网络的服务质量问题通常分成3层：传送层、控制层和管理层。传送层负责处理数据包，比如业务量分类、队列管理等；控制层负责接入控制、资源预留、路由选择等处理；管理层完成统计信息采集和计费等功能。

　　本文主要针对控制层，对域间的服务质量信令进行研究。当前研究中较为典型的与域间服务质量有关的互连机制有：简单域间带宽代理信令（SIBBS）、边界网关预留协议（BGRP）、下一代信令（NSIS）。

　　2.1 简单域间带宽代理信令

　　简单域间带宽代理信令(SIBBS)是Internet2服务质量工作组提出的用于网络节点接口(NNI)的开放式协议[7,12]，主要用于带宽代理(BB)之间的通信。

　　从路由器的角度来说，网络的服务质量功能包括：定义不同处理类别，为不同的处理类别分配不同的资源，对进入的数据包按不同的类别进行分类。其中，DiffServ完成第一和第三项工作，第二项工作由带宽代理完成。带宽代理负责内部的资源管理和策略管理，对每个应用或用户的服务质量请求根据域内特定的资源使用策略来分配资源，对于外部的资源管理主要体现在建立和维护与邻域带宽代理间的双边服务协议，保证域间数据流的服务质量。带宽代理逻辑上是整个DiffServ域接入控制中心。如果带宽代理接纳某个SLA，它将设置边缘的出入口路由器，甚至可能会设置中间的路由器。带宽代理与这些路由器进行交互的方式是采用公共开放策略服务(COPS)框架。以策略控制的角度来看，带宽代理可看作是策略决定点(PDP)，而边缘或中间路由器则是策略执行点(PEP)。

　　SIBBS定义了带宽代理间如何通信来处理域间的资源请求。带宽代理间的通信通过传输控制协议(TCP)链接完成，它采用最简单的问答方式，主要消息有资源分配请求(RAR)和资源分配应答(RAA)，支持带宽代理间链接的建立、修改以及拆除，具有较高的灵活性和可扩展性。

图1 简单域间带宽代理信令示意图

　　SIBBS的基本通信过程如图1所示。Host-1A向带宽代理发出预留请求，带宽代理进行接入控制之后，通过SIBBS向对等的相邻的带宽代理发出预留请求，同样过程进行下去，直到最后一个带宽代理将请求传到目的地的主机Host-3A处。Host-3A向相邻的带宽代理发出响应信息，告知这个端到端的资源预留请求是否可行，带宽代理通过SIBBS的资源分配应答消息与相邻的带宽代理通信，直到信息传到最初的节点。然后带宽代理将与预留相关的配置信息存入数据库中，用于路由器的配置。

　　引入带宽代理，而不是像RSVP/IntServ一样将接入控制分布在数据路径上，使得转发节点不需要作接入控制，但是，却使得带宽代理的功能过于集中，需要处理整个域的资源请求，存在信令的扩展性问题。因此学者们开始研究类似于分布式带宽代理的域间服务质量框架。

　　2.2 边界网关预留协议

　　边界网关预留协议(BGRP)[13]提供了一个可扩展的资源控制框架。它是一个自治域间的预留协议，用于在多个自治域上建立集成的预留。预留的发起者和终结者都是采用边界网关协议(BGP)的边界节点，资源预留的集成在自治域这一级完成，只有BGP节点参与资源预留。所有到某一个目的自治域的流采用汇集树(Sink tree)方式进行集成。由于骨干路由器只保留汇集树的信息，因此每个路由器的预留数目具有较好的扩展性，最差情况与Internet中自治域的数目成线性关系。BGRP运行在TCP上，采用了软状态来管理预留，也就是采用周期的更新来防止诸如链路故障等事件发生。它并不涉及到建立和管理域内的资源预留，只在需要跨域进行资源预留时使用。

　　BGRP需要路径发现和预留集成这两个独立的阶段来建立一个预留。

　　(1)路径发现

　　预留发起者发送探测(PROBE)信息来发现预留路径。PROBE信息逐跳地穿越边界路由器(BR)直到到达目标域。在自治(AS)域的每个BGP路由器必须在PROBE信息中插入一个AS号或者加上自己的IP地址，但是不需要保存任何状态信息。PROBE信息必须穿越实际将用作预留的路径。PROBE信息的转发是基于因特网业务服务商(ISP)之间的双边服务协议和BGP的一些约束来决定的。BGP的下一跳可以通过每个边界路由器中的下一跳属性获得。

　　当目标地是不可达的或者检测到了预留循环，边界路由器将会发送拒绝信息。

　　(2)预留集成

　　目的域的边界路由器可能会收到来自不同预留源的预留请求。边界路由器利用PROBE信息来建立一个自治级的拓扑图为一个不会形成环路的汇集树。

　　边界路由器沿着预留发起者的方向发送预留请求(GRAFT)信息，GRAFT信息正好沿着PROBE信息中的反向边界路由器列表前进。当收到GRAFT信息时，中间的路由器将会与域内协议进行交互，从而建立域内的资源预留。

　　每个支持BGRP的路由器周期地发送更新(REFRESH)信息给周围的BGRP路由器。如果一个预留在一段时间内没有被更新，将会被删除，同时相关的资源被释放。每个REFRESH信息必须包含边界路由器所有预留状态的列表。每个预留状态是压缩的，相关机制与RSVP相同。当路由发生变化，BGP必须向上通知BGRP重新调整预留。

　　BGRP每个新预留的叶和根之间至少发送一个PROBE信息和GRAFT信息。由于这些信息需要消耗CPU和带宽，因此需要减少控制信息的容量，这可以通过无分类域间路由(CIDR)标记和过量预留来实现。

　　域间服务质量控制的可扩展性与下列因素有关：每个运行预留协议的路由器的内存大小、信令信息处理的CPU能力、信令信息的带宽占用率。具有良好扩展性的框架将最大程度地减小这些因素。BGRP利用BGP路由协议创建的汇集树对预留进行集成，可以减少预留数目和存在于网络中的状态信息数量。BGRPP[6,9]是对BGRP协议的扩展，它是在IST AQUILA项目中提出的。为进一步提高扩展性，BGRPP减少了信令消息的数目，提出了一种对预留信息快速反应的机制，使得并不是每个信息都穿过DiffServ网络。在IST AQUILA项目中，负责传递BGRPP协议的实体被定义为BGRP代理，它一般放置在边界路由器中。

　　简单地讲，BGRPP采用了汇集树和提前响应预留请求的方法，使得该协议具有较好的可扩展性。BGRPP首先建立汇集树，并且采用延迟的资源释放方法。当接到新的预留请求时，BGRP代理将检查自己是否已预留了资源，如果是，则预留请求终止，建立GRAFT信令；否则，传给终点域的下一跳。由于已经提前回答了新请求，因此最后一个域对这个新请求是未知的，也无法预留。为了解决这个问题，将后向传递GRAFT信息给汇集树根节点域内的服务质量资源控制接口。这样发起方BGRP代理将直接向目的域预留资源。

　　2.3 下一代信令

　　2001年11月互联网工程任务组成立了下一代信令(NSIS)工作组，专门研究下一代信令需求、框架结构以及协议等问题[14,15]。该工作组从服务质量的信令研究入手以获得一个通用的信令框架，也适用于安全、中间件等多种应用。

　　下一代信令的需求主要描述了下一代信令发起者、下一代信令转发者和下一代信令终结者三者之间的交互，包括协议以及语法等。其中，下一代信令发起者请求在网络中建立状态信息，它可以位于端系统，也可以位于网络的其他部分，是一个来自应用层的触发器，将应用层的资源请求进行映射；下一代信令转发者协助管理状态信息并沿着信令通道进行转发，并不与高层的应用进行交互，但是和下一代信令发起者、下一代信令终结者或者几个下一代信令转发者进行交互；下一代信令终结者主要是终止一个下一代信令的信令通道，可以位于端系统也可以位于其他设备，最大的特点是在信令通道的终点对请求进行响应。

　　目前，NSIS的需求提案已经进行了7次修订，主要从框架和设计目标、拓扑问题、参数、性能、安全、灵活性等多方面描述了信令需求。

　　(1)信令结构和框架设计目标

• 根据请求提供可用的参数；
• 使信令模块化；
• 使信令协议和所传输的信息分离；
• 使信令与网络控制机制相互独立。

　　(2)信令流要求

• NSIS发起者、转发者以及终结者可以位于网络的任意位置；
• 必须支持与路径偶合的信令模式，但是也不排斥路径与信令不耦合的情况；
• 可以隐藏拓扑信息；
• 可以支持信令透传。

　　(3)消息

• 提供显式的删除状态信息；
• 当出现错误时自动释放状态信息；
• 可以向上游发送通告；
• 建立状态或拒绝建立状态必须通告；
• 必须支持内部消息交互。

　　(4)性能

• 具有扩展性；
• 做到低延迟的状态建立；
• 做到信令的低带宽消耗。

　　(5)灵活性要求

• 允许流的聚合；
• 能够灵活地放置NSIS发起者和转发者；
• 能够单边和双边状态建立。

　　(6)安全性要求

• 能提供鉴权功能；
• 能对源请求进行验证；
• 能提供完整性保护；
• 实现信令信息的保密。

　　(7)移动性要求

　　可以在切换之后有效实现业务重建。

　　(8)与其他协议和技术的交互要求

• 可与IP隧道协同工作；
• 可支持使用IPv4或IPv6；
• 收费模型独立。

　　NSIS并不只是应用于服务质量，还可以应用于安全、策略等方面。目前NSIS的框架部分第二版提案也已出台，NSIS的框架结构最主要的部分是根据模块化的需求将NSIS协议分为了两层：信令支持层和信令应用层。信令支持层负责传送信令信息，与特定的信令应用无关；信令应用层包含了与信令应用相关的信息格式、顺序等。可以采用NSIS信令传输层协议(NTLP)来描述用于传输的协议部件，用NSIS信令应用层(NSLP)来描述用于应用的协议部件。NTLP主要用于发送和接收信令消息以及交换控制和反馈信息。由于下一代信令应用包括了服务质量、中间件通信等多种应用，因此可以有多个NSLP。以服务质量应用为例，服务质量NSLP描述如下：

　　(1)NSLP协议消息

　　服务质量NSLP将包括一系列沿着信令通道用于预留资源的消息，如请求、释放、修改等消息。

　　(2)服务质量转发

　　NTLP采用标准的3层路由，而有不少提案提议将服务质量也引入选路中，因此服务质量NSLP需要能够处理这种情况。

　　(3)资源管理交互

　　服务质量NSLP本身并不涉及到资源管理的交互，但是用于资源预留的服务质量NSLP却蕴含了接入控制的概念。评价服务质量NSLP的好坏就在于从网络已配置资源中预留资源的能力，定义用于分配资源的功能称为资源管理功能(RMF)。RMF负责提供资源的供给、监视和保证功能。服务质量NSLP需要利用RMF完成资源管理和进行接入控制。

　　3 总结与展望

　　服务质量在下一代网中的重要性已日益被人们所认识。保障端到端的服务质量是目前研究机构研究的重要课题之一。由于IntServ和DiffServ等模型的提出，端到端的服务质量更多的是考虑如何利用现有的服务质量技术来保障端到端的服务质量。域间的服务质量互连是端到端的一个重要研究内容，当前的域间互连有利用带宽代理间的通信协议，如SIBBS；也有利用域间路由协议，如BGP，进行改进来进行域间资源预留；另外新近成立的NSIS工作组要形成一个构建在具体服务质量机制之上的统一的信令。

　　除了域间的服务质量之外，下一代网中的服务质量需要研究的内容还包括：资源分配、服务质量计费、策略管理、无线服务质量、组播服务质量、接入网服务质量、服务质量API等等。这些问题互相关联，如能解决对于下一代网络的发展意义重大，值得深入研究。

　　参考文献：

　　[1] IETF RFC 2205, Resource Reservation Protocol (RSVP) ? Version 1 Functional Specification [S].
　　[2] IETF RFC 2475, An Architecture for Differentiated Services [S].
　　[3] IETF RFC 2998, A Framework for Integrated Services Operation over DiffServ Networks[S].
　　[4] ETSI TS 101 329-2, Telecommunications and Internet Protocol Harmonization over Networks (TIPHON) Release 3; End-to-End Quality of Service (QoS) in TIPHON Systems; Part 3: Signaling and control of End－to-End Quality of Service [S].
　　[5] Triminzios P, Andrikopoulos I. A Management and Control Architecture for Providing IP Differentiated Services in MPLS-Based Networks [J]. IEEE Communications Magazine, 2001,39(5).
　　[6] IST-1999-10077-WP1, AQUILA Final System Specification [S].
　　[7] Internet2 Working Group. Quality of Service [EB/OL]. http://www.internet2.edu/QoS/wg/.
　　[8] IETF Internet Draft, Brunner M, Requirements for QoS Signaling Protocols [EB/OL]. http://www.ietf.org/proceedings/02mar/slides/nsis-1/sld001.htm.
　　[9] IETF Internet Draft, Inter-Domain QoS Signaling: the BGRP Plus Architecture [EB/OL]. http://www.ietf.org/internet-drafts/draft-salsano-bgrpp-arch-00.txt.
　　[10] Giovanni Cortese, Roberto Fiutem, Dante Matteucci. End-User Services in the Premium IP: Models, Architectures and Provisioning Scenarios [EB/OL]. http://www.cadenus.org/deliverables/new/d12final-ToC.txt
　　[11] IETF Internet Draft, An Outline Framework for QoS Signaling Protocols [S].
　　[12] Manuel Gunter. Evaluation of Bandwidth Broker Signaling [EB/OL]. http://www.tik.ee.ethz.ch/～cati/paper/ icnp99.pdf.
　　[13] Pan P, Hahne E, Schulzrinne H.BGRP: Sink-Tree-Based Aggregation for Inter-Domain Reservations [J]. Journal of Communications and Networks, 2000,2(2):157?7.
　　[14] Brunner M. Requirements for QoS Signaling Protocols [EB/OL]. ftp://ftp.ietf.org/internet-drafts/draft-ietf-nsis-req-07.txt.
　　[15] Robert Hancock. Next Steps in Signaling: Framework [EB/OL].http://ietfreport.isoc.org/ids/draft-ietf-nsis-fw-02.txt.

[摘要] 文章介绍了域间服务质量技术的研究现状；根据下一代网的域间服务质量需求，对域间服务质量技术，如简单域间带宽代理信令、边界网关预留协议、下一代信令，进行了分析；最后对域间服务质量技术的发展进行了展望。

[关键词] 域间服务质量；下一代网络；服务质量信令；区分服务；综合业务

[Abstract] The current status of research on the inter-domain QoS is outlined. Based on the requirements for the inter-domain QoS in NGN, the inter-domain QoS technologies, such as simple inter-domain bandwidth broker signaling (SIBBS), border gateway reservation protocol (BGRP), and next steps in signaling (NSIS), are analyzed. Finally the future development of inter-domain QoS technologies is prospected.

[Keywords] Inter-domain QoS; Next generation network; QoS signaling; DiffServ; IntServ