EuQoS 体系:异构网络中 QoS 路由的解决
方案
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赵尚飞
通信 091501
200915030138
I. 简介
目前,我们对互联网有了新的需求,希望能够在现有的网络上实现各种多
媒体应用,如 IPTV 、视频点播、远程医疗、远程工程
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
、远程教育等。这
也就引发了我们相关的研究,即如何按照用户所需的业务质量为其提供服务,
包括带宽、时延、抖动、丢包和可靠性等几项性能。而在现有技术中,除了快
速路由有助于提供 QoS 保障外,其他很多因素都阻碍了 QoS 路由的大规模部
署。其中,有两项因素至关重要。一方面,我们已知 QoSR 的多重约束条件是
一个 NP 困难问题。这就意味着,即使我们能够提出海量的启发多项式,也无
法得到一个确切的解决方案。另一方面,如果要通过各种接入网渠道向互联网
用户提供端到端的 QoS,这就需要我们对其他几个结构单元进行合理的设计和
互连,而这对于研发和产业界来说仍是一个巨大的挑战。一些热门课题,像接
入控制、信令协议、 流量工程、 流量控制、网络管理等, 都需要进一步的研究,
才能找到足够强有力的解决方案,挑战 QoS 中通常采用的过量提供策略。
EuQoS项目(这是 IST 第六项框架方案下的一个集成项目)将研究院、大
学、电信运营商和咨询师都团结到了一起,共同致力于解决上述的 QoS 课题。
EuQoS项目的主要目标是搭建一个网络模型框架(即 EuQoS 体系),并且将其
投入实际应用。 该网络模型能够在异构网络下提供端到端的 QoS 保障。EuQoS
的用户不仅能够使用注册过的(即 EuQoS 使能的)应用程序,而且也能够使
用未注册过的应用程序, 进行有保障的、 通过认证的 QoS 通信,而这就需要同
时在应用程序和网络中引入 QoS 合作机制。
目前阶段, EuQoS 团队已经设计和研发了首个 EuQoS 的原型模型(包括
了主要的模块,诸如 QoS 路由算法,资源分配,呼叫接入控制,信令机制等) 。
该原型已经被部署到了试验网中,试验网结构如图 1 所示。该网络是以欧洲学
术研究网和国家学术研究网为基础搭建的,其中欧洲学术研究网作为核心网
络,而国家学术研究网则与各种不同类型的接入网相连,如 xDSL ,UMTS,
WiFi 和 WLAN 等。
在研发和评估这样一整张 QoS 异构网络结构的过程中, 我们获得了大量的
经验,并在本文中进行了总结。在这个过程中,我们特别注重对于网络的维护
支撑,尤其关注 QoS 路由问题。
图 1 接入网、 NRENs、GEANT 网络结构
本文的其余部分结构如下:在第二部分中,我们介绍了 EuQoS 的结构及
其 QoS 模型;第三部分,我们详细介绍了 EuQoS 体系中实现 QoS 路由的
方法
快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载
;
第四部分则展现了一种对于我们所提解决方案的评估方法;在最后一部分中,
我们总结了全文的关键点,并对未来的工作进行了展望。
II. EuQoS 结构及其 QoS 模型
EuQoS 网络结构是按照如下几条严格的规则进行制定的: i)用户的应用程
序能够针对每次的通信内容和质量进行协商; ii) 网络管理员能够自由定义和使
用任何现有的网络技术,而 EuQoS 体系能够部署在他们的网络上层; iii) 我们
所提供的功能应该体现为网络的增量, 也就是说他们应该能与现有的互联网结
构共存。
图 2 展示的是 EuQoS 网络的结构。在本部分的剩余内容中,我们将分别
介绍图 2 中的主要模块,以及关键的信令机制和监测系统。 QoS 路由机制将在
第三部分中做详细介绍。
A. 主要模块
在 EuQoS 中, QoS 资源分配是在每次握手时进行处理的。第一步,由远
端的通信应用程序提交 QoS 需求。当本端应用程序同意了对方所提出的通信内
容和质量要求, 也就是说,要经过两端应用程序自协商之后, 本步骤即告结束。
在这个协商的过程中,两个终端用户之间需要信令协议的参与。在 EuQoS 框
架中,这种应用信令被称为 EQ-SIP,是 SIP 协议的一种扩展。 EQ-SIP 包括了
QoS 协商机制, 采用了特定的参数 (基于 IETF 的 SDPng
标准
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)。因此,EuQoS
支持的功能包括:
QoS 控制模块,用于建立用户与网络之间的 QoS 需求连接。
应用信令( ASIG),在用户侧终端负责具体实施 EQ-SDP 和 EQ-SIP 协
议。
扩展的 QoS API,定义了不同 QoS 编码的需要。
广播转发协议,用一整套点对点的 QoS 连接将其与应用层的树状结构
内部紧密联系起来。
一份加强的传送协议,提供了 QoS 适配功能,以处理网络层不同的基
础 QoS 级别。
为了给网络管理员提供他们所需要的自由度, 我们定义了一个虚拟的网络
层,用于从网络层中剥离网络决策功能。为了达成这个目标,我们将这个虚拟
的网络层分成了技术独立( TI)和非技术( TD)独立的两个子层。
如图 2a中所示, TI 子层包含了一个资源管理器( RM)的逻辑实体,用于
负责管理每个域的 QoS。例如,它负责协调全域的接入控制决策,负责存储和
管理与相邻域之间的对等协议,负责控制域间路由进程等等。当我们需要调配
资源时,资源管理器( RM)的决策将通过位于 TD 子层的资源分配器( RAs)
向网络设备进行下发。设备采用的技术不同,就会拥有不同的 RA。虚拟网络
层包括了以下几个模块:
信令和业务协商模块,包括了业务应用的信令支持, RM 间的横向信
令,以及 RM 与 RA 间的垂直信令
每个域下的连接许可控制( CAC)模块。在 RM 下的 CAC 模块,负
责检查域内的资源情况(域内 CAC),以及不同 EuQoS 域之间的连接
情况(域间 CAC)。另外,在 RA 层面, CAC 模块也是必需的。
监控检测系统,提供了一个专用的系统,用于评估网络提供的 QoS 的
真实价值。
流量工程和资源优化模块( TERO),负责域间路由配置和资源供应。
TERO 模块具体的运作机制将在第三部分中进行详细阐述。
AAA 级安全模块,以及计费模块,其作用不言自明。
图 2 EuQoS 模型: a)高阶 EuQoS结构; b)主要模块
用户应用业务的 QoS 需求通过其所在的接入网 API(应用程序接口),到
达虚拟网络层。 一旦收到请求, TI 子层会检查建立端到端路径的可行性,例如
所有涉及到的网络按照需求提供 QoS 的能力。最后,要计算出一条满足 QoS
要求的端到端路径。这条端到端的路径可以通过以下两种方法来确定:
一是采用宽松限定模式,在这种情况下,数据路由是由基于自治系统
的 QoSR协议指定的。
另一种是严格限定模式,在这种情况下,整条数据路由或者其中一部
分,是通过流量工程机制( MPLS-TE)建立的。
无论哪种情况,建立通话连接都需要信令协议,但在上述两种方法中,其
概念是完全不同的。在宽松模式下,所有的消息(包括信令消息)都跟随经过
路由的数据路径。而在严格限定模式下, 所有的消息都通过预先制定的路径 (即
隧道)进行传递,这些隧道是通过 MPLS 之类的协议建立的。这两种模式并非
替代关系,也就是说,严格限定模式可以与宽松限定模式共存。宽松限定模式
是对我们提出的网络原型的一种补充, 也是本文论述的重点。 EuQoS 团队正在
努力研究严格限定模式的课题。
鉴于 EuQoS 系统的目的是提供有保障的 QoS,因此 BGP-4 协议不再适用
于域间路由协议。 因此,针对宽松限定模式, 有人提出了增强的 QoS 边界通道
协议(EQ-BGP)。该协议是建立在以 BGP-4 协议为基础的,一份被称为 qBGP
的扩展协议上的。 EQ-BGP 协议负责在终端客户间建立 QoSR 路径,其机制将
在第三部分中进行阐述。
就像上面提到的,在建立通话的阶段,信令消息会跟随经过路由的数据路
径进行传递。但是为了检查是否有足够的资源,信令必须到达路径上的每个
RM。因此,最终信令会被转发到正常的路由路径之外。为了达到这个目标,
有人设计了下一步信令协议( NSIS)的扩展协议,该协议已经提交 IETF 进行
进一步的标准化流程。 我们把这个扩展协议称为 EQ-NSIS。这份更先进的 NSIS
扩展协议主要用于在不同域的 RM 之间,进行 QoS 需求的信令传递和交换。
综上所述,端到端 QoS 路径的建立主要涉及以下几项关键组件: 1)RM
集;2)EQ-BGP 协议; 3)EQ-NSIS 协议; 4)RA 集。总体框架中不同的模块
已在图 2.b 中做出了说明。
B. EuQoS 体系下的 QoS 模型
在 EuQoS 体系中,为了实现端到端 QoS,我们补充了一套端到端的业务
级别分类( CoSs),如图 3 所示(依据 IETF 建议制定)。这套端到端的 CoSs,
对于终端用户的应用程序来说,是可知和可见的。当一个应用程序成功完成通
信连接的建立时,由其产生的信号流会被赋予一个合适的端到端 CoS 值。而且,
所有 RM、RA、EQ-BGP 所提供的功能都是针对 CoS 值进行分类的。例如,不
同的路由表和路由决策进程中存在 CoS,不同的约束策略、流量控制机制、呼
叫接入控制策略等也存在 CoS。每个域都可以在 CoS 定义的基础上自由提供其
独有的补充 CoS(子集),只要其与图 3 所示的机制兼容即可。而相邻的域之
间,会建立一个针对每个 CoS片的协议, 成为对等业务级别规范, 规定了域间
链路上传送信号的规则。
C. EuQoS 信令
在 EuQoS 的虚拟网络层中,两套不同的信令机制在资源预留功能上扮演
了重要的角色。他们分别是 EQ-NSIS 和 EQ-COPS。在下面的篇幅中,我们简
要总结了两项信令机制的主要概念。
EQ-NSIS :NSIS 是 IETF 的 NSIS 项目组开发的一项新协议。该项目组主要负
责 IP 信令协议的标准化进度,该协议采用带有 QoS 信令的二层信令模型为原
型进行开发。这个二层信令模型包括了一个信令传送层和一个信令应用层。通
过这个方法,信令消息的传送和信令应用可以完全独立,这就使得该协议能够
获得更广泛的应用。其中,信令传送层主要负责在各个网络实体间进行信令消
息的交换,它是独立于信令应用程序的。而信令应用层则包含了各类信令应用
程序的具体功能。因此,这个二层信令模型能够支持各种信令应用程序,包括
QoS。
如上文所述,在 EuQoS 系统中,涉及到 RMs 的端到端网络信令传递要跟
随经过路由的数据路径。但不幸的是,开放路径的 NSIS 协议,既不能支持沿
着数据路径传递 RMs 信令,也不能强制信令消息跟随同一条数据路径。事实
上, NSIS 协议尚未解决端到端信令传递所需要的开放路径 /非开放路径共存的
要求, IETF 的 NSIS 工作组目前正在讨论该问题。而 EuQoS 项目组正积极致
力于该课题的研究。
在 EuQoS 系统中,要成功完成端到端网络信令传递,主要的要求如下所
述:
信令消息的传递路径必须与数据传送路径完全一致。
数据传送路径上的所有 RMs 都必须是信令可达的。
为了满足上述的要求,我们在 NSIS 协议的两层之间设想了一个中间层,
称为混合路径(HyPath),并且已经将该设想提交给 IETF,希望能将它加入 NSIS
的协议框架中去。 为了在不改变原有参数的情况下, 将 HyPath 和 NSIS 传送层
协议( NTLP)、NSIS 信令层协议( NSLP)联系起来, HyPath 必须位于 NTLP
和 NSLP 两层中间。因此,原本定义的 NTLP 和 NSLP 的接口就不需要做任何
改变。图 4a 显示了包含 HyPath 的 EQ-NSIS 协议结构。带有 HyPath 的 EQ-NSIS
协议在边缘路由器和不同域的 RMs 上的工作机理在图 4b 中进行了展示。
当一名用户向 EuQoS 系统提出 QoS 请求时,EQ-NSIS 开始启动信令传递,
它必须遍历路径上的所有 RMs。该信令流的路径必须与数据传送路径完全相
同。因此,在第一个域中,本地 RM 的 HyPath 通过 RM 的路由模块寻找数据
传送路径的本地边界(出口)路由器。然后, HyPath 会要求 NSIS 的传送层给
相应的边缘路由器发送一个 NSIS 消息,这条消息会包含 NSLP 的净荷以及一
些附加的 HyPath 信息。一旦边缘路由器收到消息, EQ-NSIS 的信令消息就会
向终端用户所在的域进行转发。在这个场景中,所有的边缘路由器都是对
HyPath 敏感的。在每个下行域中,EQ-NSIS 的信令消息都会被入口路由器截获,
并被重新定向发送给本地 RM(见图 4b)。
RM 处理完消息后,会给入口边缘路由器回发一条信令消息。然后信令传
送会在入口边缘路由器上重新启动,继续向下一个域进行转发。这个过程会沿
着所有的下行域进行,直到到达最后一个域为止。在这个结构下,所有端到端
网络信令传送的要求都能够被满足,并且 NTLP 和 NSLP 层的定义不需要做任
何修改。
端到端业务级别
QoS 指标
连接类型 流量类型
IPLR IPTD 均值 IPDV
话音业务 10-3 100ms 50ms P2P 峰值速率
实时交互业务 10-3 100ms 50ms P2P 峰值速率
流媒体业务 10-3 1s U P2P 峰值速率
高吞吐量数据业务 10-3 1s U P2P 要求速率
标准业务 U U U - -
IPLR:IP 包丢包率; IPTD:IP 包传送时延; IPDV :IP 包时延抖动; U:未知;
P2P:点对点
图 3 EuQoS系统下端到端业务级别具体指标
EQ-COPS:这个信令协议是公共开放政策服务( COPS)协议的一个扩展,它
是由 EuQoS 团队提出的。 EQ-COPS 是用来完成 RMs 与 RAs 之间的垂直信令
交互的,它在 EuQoS 的框架中扮演了重要的角色。它提供了一项独立的技术
方案,将高层的 QoS 域策略映射到低层的网络设备配置中, 既能够完成每个域
内的 QoS 自动管理,又能满足 RM 建立 TI 子层的要求。
每个 QoS 管理域都会维护它自己的策略库( PR)和决策点( PDP)。PR
会根据轻量目录访问协议( LDAP )存储域内的具体策略。这些策略会被用于
两个特别的地方:
一是定义 RM 技术上的独立行为,比如确定在什么情况下,哪些 QoS
请求可以被满足。
二是将技术上独立的 QoS 需求翻译为具体的网络设备配置, 通常使用
EQ-COPS-PR作为 PDP(位于 RM 中)和位于 RA 的策略执行点(PEPs)
之间的交流工具。
图 4 NSIS 结构: a)EQ-NSIS 结构下的混合路径; b)EQ-NSIS 混合路由信令
D. 监测系统( MMS )
监测系统使我们设计的一个子系统,用于完成网络流量的具体测量,以及
检查网络资源的状态和可用性。 MMS 系统的用途包括: i)在 Eu-QoS 系统中,
评估、确认网络在满足现网 QoS 需求上的状况; ii )在 Eu-QoS 系统中,获取
网络资源的性能和可用性。
图 5 监测系统( MMS )
图 5 显示了 MMS 子系统的结构,以及检测、监控和告警管理模块(MMFM )
的接口,这个模块其实是 RM 的一部分。 MMFM 是一个更高层的实体,负责
存储有 MMS 上报的网络数据。而网络信息则被储存在 RM 数据库中。此外,
如果需要的话, MMFM 模块还负责将这些数据分发给其他模块,诸如 TERO
和 CAC 等。换句话说, MMS 是一个负责提供网络信息的较低级别的实体。为
了给现网提供一个有保障的 QoS,所有这些网络信息都是实时上报给 MMFM
的。所以当某些事件影响到 QoS 时,就会触发网络采取相应措施。
获得的数据包括常用的 QoS 参数,比如单向时延、丢包率、抖动等,以及
一些控制路由决策的主观指标,像 VoIP 的平均评定得分( MOS)、当前链路负
载以及域间拓扑等。
为了获取所需的网络流量数据, MMS 需要几个监测点,特别是在接入网
的入口出和出口处。这就要用到流量检测机制,使得 MMS 能够在域内每业务
等级已知的基础上,计算出 QoS 参数。
在域间和端到端 QoS 验证场景中,处于较高位置的 MMFM 层必须与
MMFM 子系统共享信息。这是通过选择合适的监测点,以及在存储数据库中
共享流量信息来完成的。
这个子系统中, 最关键的一点是如何在最短的时延中应对非预期的网络事
件。为了能够有效的向 MMFM 上报,我们在 MMS 和 MMFM 之间定义了一个
结构化的接口。该接口主要传送三种消息: i)结果请求,允许 MMFM 向 MMS
请求任何可用的结果; ii)更新通知,允许一方对非预期的事件(比如拓扑改
变)做出反应; iii )配置消息,可以根据监测的信号流改变 MMS 的监控方式,
或是监控数据上报的方式。
III. EuQoS 系统中的 QoSR
EuQoS 系统的目标是在异构网络中提供端到端的 QoS 路由,这就使得我
们在接入网、域内、域间层面,更关注 QoS 的路由问题。不过,在本项目中,
我们把大部分的精力投入到了域间 QoSR 问题的解决上,这是参与项目的电信
运营商最关注的问题。而且,在实际应用中,用户终端( UMTS 移动电话,
WiFi
笔记
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本, DSL 调制解调器 /路由器等)往往是通过存根网络进行连接的。
因此,这些终端之间往往采用缺省路由进行连接。这也就意味着,在实际应用
中, QoSR 决策必须在源、宿接入网之间做出,而不是仅仅在目的接入网内进
行决策。
QoSR 问题是值得重点关注的,即使在接入网内部它并不是必须的,因为
QoS 仍然要在这些网络中进行传递。在 EuQoS 系统中,这是通过对 CoS 值的
识别、QoS 策略(基于每 CoS 值的 CAC,流量整形等)、EuQoS 过程中的资源
预留、以及网络监控来完成的。 比如,如果我们要把 UMTS 接入网整合进 EuQoS
系统中,就需要依靠 UMTS 技术提供的内置机制, 来建立连接并进行路由转发。
而在 WiFi 网络中,每个接入点都提供独立的 QoS 以及尽力而为的数据流量,
互相之间互不干扰。 LAN 和 xDSL 接入网的处理方式则是大致相同的。 要将这
两种网络融合进 EuQoS 系统中,我们的建议是在 LAN 和 xDSL 网络中采用
NSIS 协议信令进行资源分配,来替代由 IETF 提出的子网带宽管理( SBM)方
案。在这个提议中, RM 是 LAN/xDSL 域中负责接入控制的实体,与 IETF 定
义的分布式 SBM 功能类似。
A. 域间 QoSR
在 EuQoS 系统的 QoSR 进程中, AS 会与相邻的 AS 协商对等服务水平规
范(p-SLSs)。P-SLSs规定了在单向域间链路上,每个给定 CoS 的信号流如何
进行转发,并获得 QoS 保障。因此,参与 p-SLS 协商的两个 AS,被称为这个
p-SLSs的用户和服务提供方, 也就是说,信号流是从前者发往后者的。 特别的,
AS 如果要发送给定 CoS的 EQ-BGP 广播报文,就只能沿着其之前作为服务提
供方与其他 AS 协商得到的域间链路进行发送。 p-SLSs通常会指定:
每个用户可以在域间链路上占用的信号流量,以及提供方对于过限的
信号流量应该采用什么措施。
提供方对承诺带宽所提供的 QoS 保障。
如果域间路由上存在某个 CoS 值的 p-SLS 配置,那么设置为该 CoS 的数
据包就可以通过这个域间路由离开 AS。因此,域间 QoSR 是收到 p-SLSs 约束
的,而 QoSR 又是受 TERO 模块控制的。之后,我们将详细阐述 EuQoS 系统
中与域间 QoSR 相关的主要组成模块。
EQ-BGP:EQ-BGP 协议是由 EuQoS 项目组开发的,其目的是为了解决域间
QoSR 问题。 EQ-BGP 的目标是像图 3 所示,为不同的 CoS 发送广播报文,以
及选择路由。 EQ-BGP 扩展了 BGP-4 路由协议的内容,主要有以下几方面。第
一, EQ-BGP 中,包含了一个路由属性可选功能,叫做 QoS_NLRI,它包含了
每条路径处理 QoS 的能力信息。第二,它具有 QoS 汇聚功能,能够计算整条
路由路径所有 QoS 参数综合后的合计值。 笼统的来说, 这项汇聚功能, 能够提
供给我们每段路径的总时延,或者某条路径能够提供的最小带宽。第三,
EQ-BGP 的路由决策进程是对 QoS 敏感的,能够针对不同的 CoS 选择最合适
的端到端路径。第四, EQ-BGP 能够处理多个路由表,从而能够存储每个端到
端 CoS 所有可行的路径。
EQ-BGP 通过采集域内和域间的 QoS 信息,来完成多域网络里的 QoS 路
由工作。为了达成这个目标, 每个 EQ-BGP 路由器都会向它的相邻路由器广播
其能够到达的目的地址, 其中包括可行的端到端 CoSs的信息。在这个基础上,
每个 EQ-BGP 路由器会为每个端到端 CoS 选择最佳的 QoS 路径,并将其选择
通知相邻的路由器。 因此 EQ-BGP 可以建立起一张路由表, 用于存储每对源宿
网络之间可行的 QoS 路径。这些路径被称为“端到端的 QoS 路径”,他们是由
EQ-BGP 路由器针对每个 CoS单独计算和广播的。
在图 6 中,我们通过一个范例, 显示了如何利用 EQ-BGP 在不同的域之间
计算和广播 QoS 路由信息。为了简化,我们假设一个简单的网络,其中包含 3
个域,分别是 A、B、C,每个域都能支持相同的端到端 CoSs。我们假设每个
EQ-BGP 路由器都能够识别 QoS 参数的值,无论是他们域内的值 (根据域名分
别设为 QA,QB,QC),还是相应的域间链路上的 QoS 值(同样根据域名设为
QA->B ,QB->A,QB->C 或者 QC->B)。需要强调的是,所有这些 QoS 的值,都是
TERO 模块在网络供应流程中计算出来的,而且他们与域内、域间呼叫接入控
制功能控制的最大接入负载一一对应。 这是为了避免 QoS 值的频繁变化导致路
由翻动。这些 QoS 值往往是根据供应时间表发生改变的(比如以每天的顺序,
或者每周的顺序)。这种方法为我们提供了一个可扩展的 EQ-BGP 路由协议,
但很明显,如果这种方法想要获得成功,就需要一个自适应的供应流程,以及
严格的接入控制策略。 在我们的仿真过程中, 我们采用的方法是使用 QoS 参数
的合计值,并对其进行广播,同时结合自适应的供应流程,这种方法取得了极
好的效果。
现在,让我们考虑下这种情况, 域 C 广播了一个新的报文 NLRI C,然后路
由信息通过域 B 转发给域 A。图 6 显示了 EQ-BGP 路由器的 QoS 路由表是如
何被路径上的其他路由器获知的。在 EQ-BGP 路由器整合路径上所有 QoS 参
数的过程中,不仅要考虑域内的路径参数,还要考虑域间的路径参数。例如,
域 A 获知了一条通往 NLRI C 的端到端 QoS 路径,因此,对于给定的 CoS,其
相应的 QoS 值为 [QC⊕QB->C⊕QB⊕QA->B ],其中,运算符⊕表示 QoS 汇聚功能。
EQ-BGP 的决策流程将在下一小节中详细描述。
TAT:网络状态信息是通过拓扑获取工具( TAT)来收集的。 TAT 的任务是从
路由器收集路径信息, 这些路径是采用 EQ-BGP 协议建立的, 包括正在使用中
的和可选的备用域间路径。
TERO :EuQoS 系统结构还包括了域间流量工程和资源优化( TERO)模块,
它位于 RM 中。TERO 模块主要负责域间路由配置和资源供应。具体来说,它
控制着域间路由进程,从而引导信号流以最高效的方式通过 ASs,在满足 QoS
要求的基础上,尽可能的优化域间资源(如域间链路的带宽、缓存空间等) 。
此外,它还能修改域间链路的队列和策略,以提供必要的资源,使得信号能够
顺利穿过相邻的域。 TERO 模块采取行动时, 会考虑路由情况和资源供应状况,
而为了维护和优化网络, 拓扑的变化和时间周期性的循环, 都会引发 TERO 模
块的行动。因此, TERO 模块根据网络提供的时间表进行工作(按天,或者按
周),通常会比一次 EuQoS 握手的生命周期长很多。
TERO 模块通过 EQ-COPS 协议与边缘路由器进行交互,来完成 EQ-BGP
协议的配置。具体来说, TERO 模块修改 EQ-BGP 路由器配置,是为了达到以
下目的:
A. EQ-BGP 更新,当一项新的 p-SLS 协商完成后,该类消息可以通过域
间链路进行传递。
B. 当 EQ-BGP 消息广播给相邻 AS 或者在域内进行广播时, QoS-NLRI
信息也会适时进行更新。事实上,广播给所有上行域的 QoS-NLRI 信
息中,集合了所有从下行域中收到的更新消息中包含的 QoS-NLRI 信
息,其中既有域内、又有域间链路的 QoS参数值。
C. 当一个 EQ-BGP 路由器收到同一个目的地址的多份更新,它就会启动
EQ-BGP 决策进程。与 BGP-4 协议的决策流程相比, EQ-BGP 的决策
流程多出了几个步骤, 因为其多考虑了一个参数, 称为偏好度(DoP)。
这个参数是 EQ-BGP 路由器根据 TERO 模块给出的 QoS偏好参数计算
得出的。这些偏好参数会在 A.2 小节中给出具体定义。
接下来,我们会对这些配置行为作出更详细的解释。
图 6 EQ-BGP 运作实例
A.1.EQ-BGP 配置流程
当一条新的 p-SLS 从一个 AS 中添加或者删除时, EQ-BGP 的配置流程就
会开始启动。 事实上,域间链路上一个 p-SLS 的激活(终止),不仅会启动(停
止)从客户侧到提供方的信号传输,也会启动(停止)相反方向上的 EQ-BGP
更新消息的传送。假设如图 6 所示,A-B 之间一条域间链路上的一个 p-SLS 被
激活了,此时 AS A 需要知道完成协商的 CoS 值对应的 QoS 偏好参数(将在下
一节中给出定义)。而且,AS A 中的边缘路由器也需要知道域间链路上 QoS 参
数( QA->B ),对收到的更新消息的影响,这些更新通常发生在 AS A 内部进行
传送之前。而在 AS B 中, QoS 参数的影响程度,取决于域内遍历的性能,这
是在入口路由器上进行设置的。因此当信号从 B 发往 A 时,更新信息中还需
要“累加”(⊕) QB 的值。需要注意的是,由于有新的信号流进入了 AS B,因
此对于其他作为 p-SLS 中提供方的边缘路由器, 都需要重新计算其域内遍历造
成的影响。当一个 p-SLS 终结时,也会引发同样的操作。在 EuQoS 中,p-SLS
管理器是通过一个简单的 WEB 接口来与其连接,进行补充的。
A.2. 偏好度( DoP)
当一个边缘路由器从其他 AS 收到一个 EQ-BGP 更新时,他会自动与更新
中的 DoP 进行关联。这个 DoP 参数在 EQ-BGP 决策流程中是用于选择路径的,
因为当给定一个 CoS 值是,对于同一个目的地址往往会收到许多不同的更新广
播报文。 DoP 参数是一个本地参数,只在本 AS 内有效,不用通知给其他 AS。
由于在 EuQoS 系统中,每个 CoS 值都有一个对应的决策流程,所以从理
论上来说,对于每个 CoS 值,其 DoP 计算都是不同的。在 EuQoS原型中,下
面的方程式,可以适用于图 3 中除标准 CoS 之外的所有 CoS:
EQ-BGP 边缘路由器是三个因素的和, 每个因素都与 EQ-BGP 更新消息中
携带的不同 QoS 参数相联系(如 IPTD、IPDV 和 IPLR 等)。每个因素都包含:
QoS 偏好 f i,指的是相关的 QoS 参数对于其他参数的重要程度。
参数值 Qi,QoS 参数的合计值, i 指的是收到的更新消息的顺序。
参数值 Qi’,比如 EQ-BGP 路由器在域间链路上收到的更新消息中,
所包含的实际 QoS 参数值 i。这个参数基本上表示的是域间链路的当
前负载情况,它仅仅用于本地计算,不会被包含在广播到上行域中的
QoS-NLRI 信息里(为了保持更好的扩展性,只有 QoS 值会被集合并
被广播到其他域中)。
最大值 M i,表示允许的最大 QoS 参数 i,这是根据 ITU 的建议制定的。
如果对于同一个目的地址,边缘路由器收到了多个更新消息,它会选择一
条 DoP 最低的路径。实际上, DoP 是随着 QoS 参数的增加而增加的,如果某
个 QoS 的合计值超过了 M i,那么我们就认为它趋向无穷大(这样能够强制决
策进程避免选择某条路由) 。图 7 总结了 EQ-BGP 的决策流程。
TERO 模块会将不同的 QoS 偏好值 f i 指派给不同的 CoS。例如,对于语音
业务以及实时交互业务, IPTD 和 IPDV 同样重要,而且都比 IPLR 重要;同样,
对于流媒体业务来说, IPTD 比 IPDV 重要得多;而对高吞吐量数据业务来说,
IPLR 则是最重要的指标。虽然上述的工作机制为 EuQoS 系统提供了良好的弹
性度,但如何调整 QoS 偏好参数,还需要在 EuQoS 原型上做进一步的方针和
测试。
1、根据最高的本地偏好参数( LOCAL_PREF)选择路由
2、如果 LOCAL_PREF 参数相等,那么根据最低的偏好度( DoP)选择路
由
3、如果 DoP 也相等,那么根据最短 AS 路径选择路由
4、如果 AS 路径长度也相等,那么根据最低 MED 选择路由
5、如果 MED 也相等,那么优先选择外部路由器, 而非内部路由器 (eBGP
over iBGP)
6、如果路由器也相同,那么优先选择 IGP 最低的路由器,而非下一跳路
由器
7、如果仍然有多个路由器可选,那么就启动打破均衡规则
图 7 EQ-BGP 决策流程
IV. 评估方法
在这一章节里我们将对 EQ-BGP 的性能进行评估。 我们的目标是分析新组
件对 EQ-BGP 扩展性的影响。 评估工作将采取对比的方法, 比较不同网络场景
下,EQ-BGP 协议和 BGP-4 协议的性能差别。为了更好的进行对比,我们测试
了两项指标,分别是:
网络收敛时间( NCT):它是指一个新的前缀完成广播(或是撤回一个已
知的前缀)所用的总时间。这段时间的计算,截止到该事件所引起的最后一个
更新消息被处理完成为止。
消息总数:是指在网络收敛时间内,路由器交换的所有消息的总和。
在我们的试验中,我们采取了三种包含不同数量 AS 的网络拓扑,比如全
mesh拓扑,环状拓扑,以及典型的互联网拓扑结构。我们选择全 mesh拓扑是
因为它能够提供最多的可选路径, 因此,它代表了“最差”情况。而另一方面,
环网结构通常用来分析路由决策算法, 因为任意两个域之间都有并且仅有两条
不相交的路径。为了完成性能评估,我们搭建了参考文献 13 中提到的网络拓
扑,对 EQ-BGP 进行了性能分析。这个网络模型,被称为“互联网” ,参照的
是互联网骨干层中路由器的布置模式。
为了简化网络结构,我们假设每一个 AS 都是有一个 EQ-BGP 路由器组成,
他与相邻路由器之间通过一根 1Mbps 的链路进行连接,这会引入 1 毫秒的固定
时延。虽然链路的参数是任意选择的,但是考虑到链路的实际特性,网络的
NCT 还是能够很容易衡量的。另外,我们假设所有的 AS 都支持语音 CoS,从
而能够保证不同的 IPTD。那么我们就可以认为,对于所有域来说,域间链路
的 IPTD,IPLR 以及其他相应参数都是完全相同的。 而且,对于具体域的 IPTD
值的分配,我们考虑了三种策略: i)随即策略,对于某个给定的 AS,其时延的
值在 1 毫秒到 10 毫秒之间随机选择; ii )递增策略,时延随着 AS 序号的增加
进行递增; iii )递减策略,时延随着 AS 序号的增加进行递减(也就是说, AS
序号越小,时延越大) 。
我们的试验采用 ns2 仿真软件进行,这个软件中包含了 EQ-BGP 协议。所
有的试验均假设前缀的广播或撤回是在网络稳定状态下发生的的 (即网络已经
收敛)。每一次仿真过程的结束点,都是以强调事件引起的最后一个更新消息
被处理完成为止。这里显示的是我们总共 10 次仿真的结果,每次仿真都会随
即选择一个 AS 广播或撤回一条路由。我们得到的收敛时间中, 95%落在置信
区间内。下一小节内,我们将展示所有获得的结果,包括网络收敛时间和收敛
时间内交换的消息总数。
A. 网络收敛时间
如图 8.a)所示,我们列出了全 mesh拓扑、环状拓扑以及互联网拓扑下,
完成一条新路由泛宏的相应 NCT 值。结果显示,在全 mesh拓扑下, EA-BGP
与 BGP-4 协议的 NCT 相同,与 AS 数量无关。考虑到这种情况下,所有 AS
都是在直连链路上选择路由路径的,因此这个结果是容易解释的。由于直连链
路的保障 QoS 级别通常都比可选路径要高, 因此没有路由器会将路由切换到可
选路径上去。所以,在所有的评估中,路由进程都会在同一时间内结束。另一
方面,对于环状拓扑和互联网拓扑, NCT 时间随着 AS 的数量和域间链路的数
量的增长而增长。而且,我们可以观察到,在这两种拓扑下需要更多的时间来
进行收敛,在同种状态下,几乎是全 mesh 拓扑收敛时间的两倍。这个现象是
由于相对于 BGP-4 协议来说, 这里引入了一个新增的指标, 称为自由度, 杜绝
了 AS 中任意分配 QoS 参数的可能性,取代了像 AS 路径长度这样的单一数值。
从而,就使得可选路径优于使用路径的可能性增大了,其结果就是网络收敛速
度变慢。而回收路由时就会显现出相反的效果,具体参见图 8.b)。在所有评估
的网络中, EQ-BGP 协议的收敛速度都要比 BGP-4 协议稍微快一点, 这是由于
可选路径包含了更多关于自身能力的信息,使得筛选路径的过程能够更加快
速。但事实上,这个级别的差距相对于收敛时间来说是可以忽略不计的。
图 8 EQ-BGP 与 BGP-4 收敛时间对比: a)路由广播; b)路由撤销
图 9 EQ-BGP 与 BGP-4 性能对比图
截至目前为止, 从我们所做的初步评估结果中, 我们证实了 EQ-BGP 协议
时稳定的,而且其收敛时间和 BGP-4 协议相差无几。
B. 收敛时间内的消息交换数
EQ-BGP 协议是为大型网络设计的。因此,它的可扩展性是性能评估中非
常重要的一环。为了完成这一评估,我们比较了 EQ-BGP 协议和 BGP-4 协议
在网络收敛时间内处理的更新消息的数量,比如在发布和撤回一个前缀后。从
图 9 显示的结果中,我们可以观察到 EQ-BGP 和 BGP-4 协议在网络收敛时间
内需要处理的更新消息数量基本相同。
V. 探讨和将来的工作
本文解决了如下的问题:如何为两个通过异构接入网连接起来的用户,寻
找并提供一条端到端的 QoS 通道。这也是 EuQoS 研究项目的主要目的。该项
目进行到目前阶段,我们已经设计和研发出了第一个试验原型,并且已经被部
署在了一个实际的试验网络上,这个试验网络是由欧洲学术网络、国家研究教
育网 NRENs(每个国家),以及各种不同技术的接入网络 (特别是 WiFi, LAN,
XDSL 和 UMTS 技术等)所组成的。在这个试验原型中,我们针对关键问题实
施了几项具体方案,主要包括信令传送和路由选择(现阶段还主要集中在域间
信令和域间路由问题上) 。通过仿真对第一个试验原型完成评估后,我们得到
了一些结论,并且发现了一些开放性的问题。第一个问题,也可能是最重要的
问题,是关于可扩展性的问题。设计 EuQoS 系统是为了提供一个解决方案,
如何在一系列对等 AS 的之中提供的 QoS,但是 EuQoS 系统在互联网上大规模
部署的前景还无法预期。 EuQoS项目组正在研究这一课题, 主要着重于信令机
制和 EQ-BGP 协议。第二,如何对新的网络接入方式( G/MPLS,卫星)进行兼
容。第三,模块设计要更便于整合。这项正在进行的工作,集合了该系统未来
进行部署实施所涉及到的所有合作伙伴。第四,在项目的第一阶段,我们检查
了之前设计的结构,希望能够找到崭新的,更先进的 QoS 解决方案。