互聯(lián)網(wǎng)新型服務(wù)質(zhì)量保障技術(shù)研究*

孟 飛，蘭巨龍，胡宇翔

（國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 鄭州 450002）

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大及各種新業(yè)務(wù)、新應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)的QoS保障能力日益捉襟見肘[1]。思科公司預(yù)測(cè)，2012-2017年，互聯(lián)網(wǎng)流量綜合年增長率（compound annual growth rate，CAGR）為 23%，總體規(guī)模將增加 3倍，其中時(shí)延敏感視頻類業(yè)務(wù)流量是增長的主要來源且占網(wǎng)絡(luò)流量很大比重，P2P技術(shù)的應(yīng)用更加劇了這種現(xiàn)狀[2]。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，視頻類流量將占據(jù)更大比重。另外還有許多對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用，如IP電話、視頻聊天等，對(duì)數(shù)據(jù)傳送在時(shí)間域上提出了較高的時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)保障要求。網(wǎng)絡(luò)的QoS保障能力是網(wǎng)絡(luò)使用者的應(yīng)用需求。

現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)僵化嚴(yán)重，網(wǎng)絡(luò)控制平面與數(shù)據(jù)平面緊耦合，阻礙了網(wǎng)絡(luò)參與者的有效溝通，使得網(wǎng)絡(luò)各功能實(shí)體無法實(shí)現(xiàn)按需的資源調(diào)度。究其原因是現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)在設(shè)計(jì)之初為了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔、高效的數(shù)據(jù)傳輸及廣泛的異構(gòu)接入，形成了分層協(xié)作、端到端傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)原則。由于各層級(jí)之間的相對(duì)獨(dú)立性，有利于上下層獨(dú)立發(fā)展，促進(jìn)了IP網(wǎng)絡(luò)的成功，但各層之間的協(xié)調(diào)處理變得比較困難，使得傳統(tǒng)QoS體系架構(gòu)的實(shí)際部署困難重重。

相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)QoS的定義 “異曲同工”[3]：QoS是對(duì)各種服務(wù)性能參數(shù)，如業(yè)務(wù)可靠性、時(shí)延、抖動(dòng)、吞吐量和可靠性等的描述，是服務(wù)效果的綜合體現(xiàn)，這種服務(wù)效果決定了網(wǎng)絡(luò)在多大程度上滿足業(yè)務(wù)用戶的要求，反映了用戶對(duì)服務(wù)的滿意程度。QoS的研究目標(biāo)是提供一系列性能保障機(jī)制，有效地保障各業(yè)務(wù)的端到端傳輸性能，這要求系統(tǒng)具有端到端的接納控制和資源預(yù)留過程以及QoS在系統(tǒng)范圍內(nèi)可配置、可維護(hù)。

由于互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)初期并未考慮QoS的問題，隨著其日益成為社會(huì)的信息基礎(chǔ)設(shè)施及商業(yè)利益的驅(qū)使，提高網(wǎng)絡(luò)的QoS保障能力刻不容緩。相關(guān)研究者已經(jīng)提出了許多解決方案，總結(jié)來看，主要有“改良式（incremental）”和“革命式（clean slate）”兩種。前者主要以現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，在不改變其體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行 “打補(bǔ)丁”式改進(jìn)，繼承和兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，通過在各層插入新功能，在一定程度上提高網(wǎng)絡(luò)QoS保障能力；后者著眼于對(duì)現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)QoS質(zhì)的提升，目前，研究者已提出了很多新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。

近年來，國內(nèi)外已相繼提出了許多相關(guān)研究計(jì)劃，從不同側(cè)面對(duì)新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)QoS保障能力進(jìn)行了積極的研究與探索。美國科學(xué)基金會(huì)（NSF）開展的FIND[4]從路由機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)虛擬化等方面對(duì)網(wǎng)絡(luò)多樣化業(yè)務(wù)的QoS保障問題提出了解決方案，并開展了大量工作。GENI[5]則旨在構(gòu)建大規(guī)模的試驗(yàn)床框架，用于對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的QoS保障能力進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。歐盟在FP7框架下開展了Challenge One[6]項(xiàng)目和FIRE[7]計(jì)劃，前者研究網(wǎng)絡(luò)虛擬化并提出全新的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，包括4WORD[8]和AUTOI[9]兩個(gè)子項(xiàng)目，對(duì)網(wǎng)絡(luò)QoS保障方面的不足進(jìn)行了研究；后者建立了PII和OneLab兩個(gè)實(shí)驗(yàn)床，用于為新提出的QoS保障技術(shù)提供大規(guī)模實(shí)驗(yàn)環(huán)境。日本的AKARI[10]利用網(wǎng)絡(luò)虛擬化支持多樣化的數(shù)據(jù)接入和網(wǎng)絡(luò)功能擴(kuò)展的特點(diǎn)，針對(duì)新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)對(duì)異構(gòu)、復(fù)雜的多樣化應(yīng)用的QoS保障機(jī)制進(jìn)行了深入研究。國家“973”計(jì)劃“可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)研究”[11]、“新一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)理論研究”[12]、“智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)理論基礎(chǔ)研究”[13]等項(xiàng)目采用體系結(jié)構(gòu)虛擬化、身份位置分離等機(jī)制構(gòu)建支持多樣化業(yè)務(wù)的QoS保障。

“改良式”和“革命式”兩種思路是研究者從不同角度提出的QoS解決方案，目前這兩種觀點(diǎn)逐漸趨于一致，“創(chuàng)新”并不意味著一個(gè)全新互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，“改良”也可能導(dǎo)致協(xié)議和層次的改變。一種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的QoS保障能力是由其整體功能結(jié)構(gòu)形態(tài)所決定的，涉及網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)方面，只要是對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用有利的措施都可以認(rèn)為提高了網(wǎng)絡(luò)的QoS保障能力。對(duì)于解決未來網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)QoS能力問題的研究還處于摸索階段，還存在很多重大技術(shù)挑戰(zhàn)。

2 改良式QoS保障技術(shù)研究

互聯(lián)網(wǎng)在設(shè)計(jì)早期的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)廣泛的異構(gòu)互聯(lián)和有效的端到端傳輸，因此，形成了“核心簡(jiǎn)單，邊緣智能”的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀。現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)以IP技術(shù)為核心，采用了基于無連接的分組交換結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的路由機(jī)制和“盡力而為”的服務(wù)模式，保證了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互連互通。Internet創(chuàng)始人之一Clark D將這種模式總結(jié)為 “邊緣論（end to end argument）”[14]。“邊緣論”設(shè)計(jì)模式保證了網(wǎng)絡(luò)良好的可擴(kuò)展性，促進(jìn)了Internet的飛速發(fā)展，但由于其體系結(jié)構(gòu)的封閉設(shè)計(jì)，控制平面與數(shù)據(jù)平面緊耦合，多樣的業(yè)務(wù)資源需求無法得到按需滿足。為了提升QoS，互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商（internet service provider，ISP）盲目地升級(jí)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，為骨干網(wǎng)提供超量帶寬，使得鏈路利用率僅為30%～40%[15]。網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)嚴(yán)重，因此盲目地增加網(wǎng)絡(luò)資源并不能從根本上解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)QoS能力不足的問題。

改良式的互聯(lián)網(wǎng)QoS保障能力提升方案中采用了“打補(bǔ)丁”方法，對(duì)現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行體制進(jìn)行相應(yīng)的修改和增補(bǔ)，增強(qiáng)現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的QoS保障能力，包括 IntServ/RSVP、DiffServ、基于約束路由、MPLS與流量工程等。

2.1 IntServ/RSVP技術(shù)

傳輸層的綜合服務(wù)/資源預(yù)留協(xié)議 （integrated service/resource reservation protocol，IntServ[16]/RSVP[17]）模型是在流傳輸之前，在傳輸路徑上通過協(xié)商進(jìn)行資源預(yù)留，對(duì)每一個(gè)流的需求和狀態(tài)進(jìn)行維護(hù)，是基于流的QoS保障。IntServ可以分別向需要固定時(shí)延上界應(yīng)用的保證型服務(wù)（guaranteed service）[18]和可靠性要求較高應(yīng)用的可控負(fù)載型服務(wù)（controlled-load service）[19]，提供無分組丟失保證和最小分組傳送時(shí)延。RSVP是面向接收端的資源預(yù)留協(xié)議，其工作流程如圖1所示。

圖1 RSVP信令過程

IntServ模型由4個(gè)組件構(gòu)成：信令協(xié)議（如RSVP）、準(zhǔn)入控制流程、分類器和分組調(diào)度器。信令協(xié)議用于在數(shù)據(jù)傳輸之前建立好路徑并預(yù)留資源；準(zhǔn)入控制流程是在預(yù)留資源請(qǐng)求時(shí)，用于判斷被請(qǐng)求的資源是否能保證；分類器用于對(duì)數(shù)據(jù)分組進(jìn)行分類，并根據(jù)分類結(jié)果把數(shù)據(jù)分組放到相應(yīng)的隊(duì)列中；調(diào)度器用于根據(jù)QoS需求對(duì)分組進(jìn)行調(diào)度。

基于流量峰值預(yù)留資源具有很好的QoS保障效果，但卻造成了資源的浪費(fèi)。參考文獻(xiàn)[20]通過分析多服務(wù)器多服務(wù)排隊(duì)模型，為每個(gè)服務(wù)按照峰值預(yù)留部分資源，剩余的資源由所有服務(wù)共享，保證一定的QoS，提高資源利用率。通過對(duì)建立的多速率流量排隊(duì)模型進(jìn)行分析，得到了每個(gè)服務(wù)有QoS保障的最小帶寬資源。

為了增強(qiáng)IntServ QoS保障的可擴(kuò)展性，參考文獻(xiàn)[21]提出了一個(gè)可擴(kuò)展IntServ架構(gòu)，它將網(wǎng)絡(luò)分為兩層，每個(gè)域的邊界節(jié)點(diǎn)保存本域內(nèi)及域外相連節(jié)點(diǎn)間流的狀態(tài)信息，減少保存的流狀態(tài)信息量，在提供細(xì)粒度每流QoS保障的同時(shí)，解決了可擴(kuò)展性問題。實(shí)際上，網(wǎng)絡(luò)可以繼續(xù)分為多層。

IntServ架構(gòu)存在幾個(gè)缺陷：流狀態(tài)信息量與流個(gè)數(shù)成正比，會(huì)耗費(fèi)路由器大量的存儲(chǔ)和計(jì)算資源，可擴(kuò)展性很差；每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要實(shí)現(xiàn)綜合服務(wù)的4個(gè)組件，對(duì)于單個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)的部署代價(jià)較高；保證型服務(wù)需要在整個(gè)域中部署，而經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)瓶頸節(jié)點(diǎn)的可控負(fù)載型服務(wù)則需要增量部署。

2.2 DiffServ技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)層的區(qū)分服務(wù)（differentiated service，DiffServ）[22]的核心思想是“邊緣分類，內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)”。它重新定義了IPv4報(bào)文頭部的服務(wù)類型 （type of service，ToS）域，稱為DS域（differentiated service field）[23]，同時(shí)定義了一個(gè)分組轉(zhuǎn)發(fā)的基本操作集合，稱為每跳行為（per-hop behavior，PHB）。DS域可以將數(shù)據(jù)分組劃分為多個(gè)區(qū)分服務(wù)類，從而進(jìn)行相應(yīng)的分組處理。DS域與原IPv4分組頭的ToS字節(jié)關(guān)系如圖2所示。其中DS域的前6 bit存儲(chǔ)著流聚集的相關(guān)信息，被稱為 DS 標(biāo)記（differentiated service code point，DSCP）。不同的DSCP與不同的PHB相對(duì)應(yīng)，這樣才能提供區(qū)分服務(wù)。因此，PHB實(shí)際上是一個(gè)DS節(jié)點(diǎn)調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)處理分組頭標(biāo)有特定DSCP的IP分組流的外部行為特征。

圖2 ToS與DiffServ域的關(guān)系

用戶為了從ISP處獲取區(qū)分服務(wù)，需要與ISP簽訂服務(wù)等級(jí)協(xié)議（service level agreement，SLA）。數(shù)據(jù)分組在ISP網(wǎng)絡(luò)中的分類、監(jiān)管和整形規(guī)則以及這些操作占用的存儲(chǔ)資源都由SLA規(guī)定。

根據(jù)不同的分類、監(jiān)管、整形和調(diào)度操作，數(shù)據(jù)分組接收的服務(wù)可以有很多種。典型的服務(wù)有獎(jiǎng)賞服務(wù)（premium service）、保證服務(wù)（assured service）、奧林匹克服務(wù)（Olympic service）等。獎(jiǎng)賞服務(wù)適用于需要低時(shí)延、低抖動(dòng)的應(yīng)用；保證服務(wù)適用于需要高可靠性的應(yīng)用；奧林匹克服務(wù)提供了金、銀、銅三層等級(jí)服務(wù)，其服務(wù)質(zhì)量也是依次遞減。

DiffServ是一種基于資源共享策略的QoS保障技術(shù)，與基于資源分隔策略的絕對(duì)QoS保障技術(shù)——IntServ是兩種截然相反的QoS保障技術(shù)，二者各有千秋。參考文獻(xiàn)[24]通過理論推導(dǎo)，證明了IntServ對(duì)最壞狀況流的QoS保障效果較好，而DiffServ對(duì)全部流的平均QoS保障效果較好。

tsSDM[25]是一個(gè)在DiffServ中融入IntServ的兩階段區(qū)分服務(wù)模型，如圖3所示。第一階段根據(jù)分組頭是否包含RSVP enabled DSCP進(jìn)行分類，若是，則數(shù)據(jù)分組被放入RSVP的動(dòng)態(tài)隊(duì)列中，否則按普通DiffServ程序處理；第二階段，連接兩隊(duì)列池的優(yōu)先級(jí)調(diào)度器分別給予RSVP隊(duì)列、DiffServ隊(duì)列高優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)，前者按IntServ模型進(jìn)行細(xì)粒度預(yù)留資源保障。

圖3 tsSDM分類過程

DiffServ架構(gòu)中主動(dòng)隊(duì)列管理（AQM）是一個(gè)有效的控制機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)分組丟失率與吞吐量之間的權(quán)衡，但它不能提供低復(fù)雜度且成本效益高的區(qū)分帶寬分配。CHOKeR[26]采用多優(yōu)先級(jí)比例帶寬分配策略，能提供TCP保護(hù)，確保TCP連接的帶寬占用。CHOKeR實(shí)現(xiàn)了不同優(yōu)先級(jí)流的比例帶寬分配及同等優(yōu)先級(jí)流的公平分配，且只需保存優(yōu)先級(jí)水平而不是每流狀態(tài)信息，復(fù)雜度低。

實(shí)時(shí)帶寬分配由于時(shí)延的存在不一定合理，且開銷大，參考文獻(xiàn)[27]基于馬爾科夫鏈理論預(yù)測(cè)下一時(shí)隙帶寬需求，進(jìn)行提前帶寬分配，有效減小了開銷和連接阻塞概率。

可以看出，目前的研究都是從結(jié)合IntServ和DiffServ二者的優(yōu)點(diǎn)著手，在提供一定程度的細(xì)粒度QoS保障的同時(shí)，保證了體系的可擴(kuò)展性。基于預(yù)測(cè)進(jìn)行資源分配指明了一個(gè)新的研究方向，預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性、復(fù)雜性是關(guān)鍵所在，未來還可以探討實(shí)時(shí)分配與提前分配相結(jié)合的策略，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況，擁塞時(shí)基于預(yù)測(cè)提前分配，時(shí)延較小時(shí)實(shí)時(shí)分配。

DiffServ架構(gòu)存在幾個(gè)缺陷：數(shù)據(jù)流根據(jù)QoS類別的不同而得到不同的處理，面向粗粒度匯聚流提供保障，QoS保障效果不及基于每流的細(xì)粒度保障機(jī)制，靈活性差；由于DiffServ結(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)和端系統(tǒng)之間缺乏信令通信，不能提供端到端的QoS保證；DiffServ每跳處理，各轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立配置策略，缺乏全局網(wǎng)絡(luò)視圖，無法做出最優(yōu)QoS決策；只能提供相對(duì)的QoS承諾，不能向用戶提供絕對(duì)的QoS保證。

2.3 基于約束的QoS路由技術(shù)

基于約束的路由（constraint-based routing，CBR）[28]根據(jù)QoS參數(shù)的要求和策略選擇路由。由QoS路由發(fā)展而來，QoS路由在給定流或流聚集的QoS請(qǐng)求時(shí)，查找出最符合QoS需求的路由項(xiàng)。CBR擴(kuò)展了QoS路由，它不僅考慮流或流聚集的QoS需求，同時(shí)考慮網(wǎng)絡(luò)的其他約束，如路由策略等。CBR的目標(biāo)包括兩條：一是選出滿足特定QoS需求的路由；二是提高網(wǎng)絡(luò)的利用率。CBR在選擇路由時(shí)，不僅考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌€考慮流的傳輸需求、鏈路資源可用性以及一些由網(wǎng)絡(luò)管理員指定的策略，因此CBR選出的路徑可能不是最短，但是負(fù)載較輕，該路徑要優(yōu)于最短但負(fù)載很重的路徑，網(wǎng)絡(luò)流量的分布也因此更加均衡。

在鏈路狀態(tài)更新的頻率與路由開銷之間需要做出權(quán)衡，參考文獻(xiàn)[29]使用模糊路由算法，通過在鏈路開銷更新過程中使用模糊邏輯關(guān)系函數(shù)修改Dijkstra算法，基于網(wǎng)絡(luò)全局負(fù)載均衡限制計(jì)算新路徑，以達(dá)到減小鏈路請(qǐng)求失敗率和增加網(wǎng)絡(luò)資源利用率的目的。CBR路徑計(jì)算有離線和在線兩種[30]，在線路徑計(jì)算對(duì)于網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單、快速的路徑計(jì)算，細(xì)致的資源分配及負(fù)載均衡等需求來說是必需的，可減小請(qǐng)求堵塞的可能性，在提高流的QoS保障效果的同時(shí)提高資源利用率。

CBR的缺陷在于：較大的計(jì)算和通信開銷；面向匯聚流而非微流，是粗粒度的QoS保障；路由表的存儲(chǔ)開銷大；CBR選擇的長路徑路由帶來資源開銷和不穩(wěn)定性。

2.4 MPLS與流量工程

多協(xié)議標(biāo)簽交換（multi-protocollabelswitching，MPLS）[31]是一種基于短標(biāo)簽的快速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式，MPLS標(biāo)簽處于數(shù)據(jù)鏈路層（L2）和網(wǎng)絡(luò)層（L3）之間。MPLS數(shù)據(jù)分組頭結(jié)構(gòu)以及其與數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀頭和網(wǎng)絡(luò)層分組頭的關(guān)系如圖4所示。利用該標(biāo)簽，MPLS將第二層交換的速度、性能和第三層路由選擇的可擴(kuò)展性、靈活性結(jié)合在一起，提供了一種高速高效的面向連接的傳輸技術(shù)。

圖4 MPLS頭部結(jié)構(gòu)及其與鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層間的關(guān)系

一個(gè)支持MPLS的路由器稱為標(biāo)簽交換路由器（LSR），LSR在處理數(shù)據(jù)分組時(shí)僅考慮標(biāo)簽值。MPLS通過標(biāo)簽分發(fā)協(xié)議來建立標(biāo)簽交換路徑（LSP）。LSP的建立可以采用控制驅(qū)動(dòng)，即由控制流量（如路由更新）觸發(fā)，也可以采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，即由流或流量干線（traffic trunk）的請(qǐng)求觸發(fā)。流量干線是具有相同服務(wù)類別的流的聚集。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的LSP可以與網(wǎng)絡(luò)層逐跳路由相同，也可以是顯式路由（explicit route）。在標(biāo)簽分發(fā)之后，LSR會(huì)建立一個(gè)由標(biāo)簽索引的轉(zhuǎn)發(fā)表，轉(zhuǎn)發(fā)表中的表項(xiàng)指明了對(duì)應(yīng)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)分組該如何處理。

數(shù)據(jù)分組在MPLS域的入口處根據(jù)分組頭和一些其他信息，例如此數(shù)據(jù)分組到達(dá)的接口，確定其歸屬的轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類（forwarding equivalence class，F(xiàn)EC）。FEC 會(huì)根據(jù)設(shè)置時(shí)考慮的信息，提供一個(gè)粗糙的或者精細(xì)的轉(zhuǎn)發(fā)粒度，然后將一個(gè)與該FEC相關(guān)聯(lián)的標(biāo)簽加在數(shù)據(jù)分組頭。后面的LSR通過查看到達(dá)數(shù)據(jù)分組的標(biāo)簽并為其替換新標(biāo)簽，決定其轉(zhuǎn)發(fā)出口，轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)LSR。在數(shù)據(jù)分組離開MPLS域時(shí)，標(biāo)簽會(huì)被刪除。

MPLS中LSP可以作為隧道使用，一旦LSP建立起來，數(shù)據(jù)分組的路徑就完全取決于入口LSR分配給數(shù)據(jù)分組的標(biāo)簽。基于MPLS的QoS可行性體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是它提供了更快的分組分類和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制；二是它提供了高效的隧道機(jī)制，由此MPLS在流量工程中也起了很大的作用。

流量工程[32]是一種通過避免擁塞而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量QoS保障的機(jī)制，通過合理安排數(shù)據(jù)流流經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，避免由于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不均衡而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)擁塞。基于MPLS實(shí)現(xiàn)流量工程的主要思想是將MPLS流量干線安排到合適的LSP中[33]。目前，基于限制路由的標(biāo)簽分發(fā)協(xié)議（constraint-based routing label distributions protocol,CR-LDP）[34]和隧道擴(kuò)展的資源預(yù)留協(xié)議（RSVP-TE）[35]是MPLS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)流量工程的信令協(xié)議。

MPLS網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行流量工程擴(kuò)展之后，可以對(duì)流量干線按照顯示路由的方式指定LSP，在避免擁塞的同時(shí)，也保證了傳輸?shù)目煽啃浴ｋm然MPLS可以將數(shù)據(jù)流按照類型聚集成為流量干線，但是并不提供區(qū)分服務(wù)。MPLS-TE對(duì)LSP上的所有類型流量均采取相同的處理，不區(qū)分業(yè)務(wù)類型，在資源短缺時(shí)，無法提供對(duì)高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的QoS保障。區(qū)分服務(wù)感知的流量工程（DiffServ-aware traffic engineering，DS-TE）[36]結(jié)合了MPLS高效的路由策略和DiffServ的區(qū)分服務(wù)特性，能夠?qū)崿F(xiàn)多類型業(yè)務(wù)QoS保障，同時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。DS-TE的實(shí)現(xiàn)需要將6 bit DSCP字段映射到3 bit exp字段，目前有 E-LSP（exp-infered-PSC LSP）和L-LSP（label-infered-PSC LSP）兩種方案，前者表示的 PHB太少，后者標(biāo)簽和PHB之間的映射管理過于復(fù)雜。參考文獻(xiàn)[37]提出使用exp承載部分DSCP字段，把其余DSCP值編碼到標(biāo)簽字段，經(jīng)過解碼之后便可恢復(fù)原始標(biāo)簽值和DSCP值，而且通過使用IPv6標(biāo)簽信令協(xié)議動(dòng)態(tài)地在DiffServ域建立標(biāo)簽，在可用標(biāo)簽空間和區(qū)分服務(wù)的類別數(shù)量之間取得最優(yōu)權(quán)衡。

備份路徑通常提前部署在應(yīng)用MPLS技術(shù)的核心網(wǎng)中，以避免單點(diǎn)鏈路失敗造成的重大損失，提高對(duì)數(shù)據(jù)流服務(wù)的可靠性。Francois F[38]等人提出了一個(gè)在線分布式的流量工程設(shè)計(jì)方案GBP，每個(gè)路由器周期性監(jiān)測(cè)其本地流量狀況并共同決定如何重路由流量，通過對(duì)長備份鏈路的限制使用，減少了傳輸時(shí)延，并且可以通過在線的休眠重配置來滿足時(shí)延需求，提供QoS保障。

多限制條件最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡是一個(gè)NP難問題，且是MPLS-TE的重要組成部分，解決NP難問題通常使用智能算法。參考文獻(xiàn)[39]提出了一個(gè)優(yōu)化MPLS負(fù)載均衡問題的靈活基因算法（FGA），在解決流量均衡部署的同時(shí)，最小化了路由開銷。

MPLS提供了簡(jiǎn)潔高效的面向連接轉(zhuǎn)發(fā)策略，可對(duì)多樣化業(yè)務(wù)流提供有效QoS保障。但在QoS保障方面仍然存在如下缺陷：MPLS的流分類基于特定長度標(biāo)簽，分類空間有限，是一種面向匯聚流的粗粒度QoS保障；缺乏動(dòng)態(tài)自適應(yīng)性，無法進(jìn)行最優(yōu)的服務(wù)配置；轉(zhuǎn)發(fā)路徑的選擇仍基于分布式路由協(xié)議，沒有對(duì)底層資源進(jìn)行抽象，缺乏全部網(wǎng)絡(luò)視圖，無法進(jìn)行全局的資源優(yōu)化配置。

2.5 改良式QoS保障技術(shù)缺陷

現(xiàn)有的QoS保障技術(shù)能夠滿足網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量在可靠性和區(qū)分服務(wù)方面的需求，且不同技術(shù)有其自身的優(yōu)勢(shì)。然而，綜合上述分析，現(xiàn)有技術(shù)仍存在如下缺陷。

·缺乏支持新型業(yè)務(wù)的可擴(kuò)展機(jī)制。現(xiàn)有技術(shù)在部署期間需要指定接受QoS保障的業(yè)務(wù)類型，在運(yùn)行期間僅對(duì)這些指定的業(yè)務(wù)提供QoS保障服務(wù)，無法適應(yīng)新業(yè)務(wù)的發(fā)展需求。

·缺乏基于同類業(yè)務(wù)聚合的資源預(yù)留機(jī)制。由于現(xiàn)有技術(shù)在保障特定業(yè)務(wù)QoS需求時(shí)，并不考慮不同業(yè)務(wù)QoS需求的關(guān)系，無法將QoS需求相近的業(yè)務(wù)進(jìn)行聚合，也無法對(duì)同類業(yè)務(wù)統(tǒng)一進(jìn)行資源預(yù)留，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)在提供QoS保障服務(wù)時(shí)浪費(fèi)資源且效率低下。

·缺乏網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)性。由于網(wǎng)絡(luò)中各類業(yè)務(wù)的流量以及流量的業(yè)務(wù)類型都在不斷變化，而現(xiàn)有技術(shù)無法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的流量變化做出調(diào)整，使得網(wǎng)絡(luò)不能合理分配資源，無法滿足網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)流量的QoS需求。

·缺乏面向連接特性。現(xiàn)有QoS保障機(jī)制大都著眼于尋找最優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑、合理布局流量等，以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源利用率。但由于其無連接性，數(shù)據(jù)分組在傳輸過程中仍會(huì)存在亂序、分組丟失等問題，且數(shù)據(jù)分組本身的開銷也大。

·缺乏根本有效性。現(xiàn)有QoS保障技術(shù)均是對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)進(jìn)行功能性修補(bǔ)，如圖5所示，沒有從根本上改變控制平面與數(shù)據(jù)平面、業(yè)務(wù)與服務(wù)之間復(fù)雜的緊耦合關(guān)系及數(shù)據(jù)的非連接交換方式。對(duì)各層添加一些輔助性措施，雖然一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)的QoS保障能力，但是過多“額外”功能的加入使得網(wǎng)絡(luò)承載的功能不斷擴(kuò)展，顯得臃腫不堪，網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)變得十分復(fù)雜，管控功能日趨減弱。

圖5 QoS保障技術(shù)位置

當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)無法滿足多樣傳輸QoS需求的問題，體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中存在兩個(gè)方面的矛盾：一是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式的單一性與網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的多樣性之間的矛盾；二是網(wǎng)絡(luò)功能與體系結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求的不確定性之間的矛盾。網(wǎng)絡(luò)QoS難以保證在體系結(jié)構(gòu)上存在深層次的原因，僅僅依靠更加先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)管理工具不能從根本上解決問題。一方面，互聯(lián)網(wǎng)“邊緣論”和面向非連接的設(shè)計(jì)思想保障了高效的互通及廣泛的接入，但控制手段薄弱，難以滿足QoS保證的需要；另一方面，互聯(lián)網(wǎng)控制邏輯和轉(zhuǎn)發(fā)邏輯緊耦合在一起，各種新功能的加入使得互聯(lián)網(wǎng)已成為一個(gè)龐大的非線性復(fù)雜系統(tǒng)，不利于新協(xié)議、新技術(shù)的部署。

3 革命式QoS保障技術(shù)研究

當(dāng)今信息網(wǎng)絡(luò)依賴的基礎(chǔ)互聯(lián)傳輸能力是制約整個(gè)信息網(wǎng)絡(luò)總體功能的瓶頸，另一方面，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)在的能力與結(jié)構(gòu)對(duì)業(yè)務(wù)需求的適應(yīng)性差，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的QoS保障能力低下，使得業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能力之間的差距愈發(fā)顯著。而改良方案依然存在諸如網(wǎng)絡(luò)層功能單一、業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)過度耦合、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同不力等問題，這些缺陷導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的QoS保障能力不足。

為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝oS保障，應(yīng)該在宏觀的全網(wǎng)范圍和局部的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)兩個(gè)層次上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的按需轉(zhuǎn)發(fā)。傳統(tǒng)QoS體系架構(gòu)是對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)的“修修補(bǔ)補(bǔ)”，沒有從根本上改變網(wǎng)絡(luò)層的“細(xì)腰”結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的QoS保障能力。可編程網(wǎng)絡(luò)的提出可以彌補(bǔ)現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)的缺陷，它在頂層強(qiáng)調(diào)控制面與數(shù)據(jù)面的分離，底層強(qiáng)調(diào)控制面和數(shù)據(jù)面內(nèi)的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化。其思想為網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)解耦合，使網(wǎng)絡(luò)服務(wù)具有普適性。國內(nèi)外相關(guān)研究包括IEEE P1520、IETF GSMP、MSF、IETF ForCES、NPF、SoftRouter、Intel提出的IXA、Stanford提出的 SDN/OpenFlow、可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等。

3.1 基于ForCES的QoS保障技術(shù)

ForCES[40]（forwarding and control element separation，轉(zhuǎn)發(fā)控制分離）將路由器控制件（controlelement，CE）和轉(zhuǎn)發(fā)件（forwarding element，F(xiàn)E）分離 ，使其 解耦為 多個(gè) FE、CE及連接它們的ForCES協(xié)議[41]。ForCES網(wǎng)絡(luò)件（network element，NE）由一個(gè)或多個(gè)CE與一個(gè)或多個(gè)FE構(gòu)成，是對(duì)外隱藏內(nèi)部細(xì)節(jié)的執(zhí)行實(shí)體。NE內(nèi)FE與CE通過定義的標(biāo)準(zhǔn)化ForCES接口進(jìn)行信息交互。CE負(fù)責(zé)路由計(jì)算，執(zhí)行控制和信令協(xié)議，并配置和管理FE；FE根據(jù)來自CE的控制命令對(duì)數(shù)據(jù)面分組進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并通過上報(bào)機(jī)制產(chǎn)生事件消息。ForCES整體架構(gòu)[42]如圖6所示。

圖6 ForCES整體架構(gòu)

圖6 中，F(xiàn)p（ForCES protocol，轉(zhuǎn)發(fā)控制分析協(xié)議）為CE和FE之間通信的協(xié)議。Fi表示FE之間的接口，F(xiàn)r表示CE之間的接口，F(xiàn)i/f表示FE的外部接口，F(xiàn)1為CE管理器與FE管理器之間的接口，F(xiàn)c為CE管理器與CE之間的接口，F(xiàn)f為FE管理器與FE之間的接口。

FE邏輯上由多個(gè)細(xì)粒度定義的邏輯功能塊（logical function block，LFB）組成，CE對(duì)FE的控制操作本質(zhì)上是對(duì)相關(guān)LFB的控制操作。細(xì)粒度定義的功能單一的LFB包括分類器、整形器、標(biāo)記器、調(diào)度器和轉(zhuǎn)發(fā)器等，多個(gè)LFB以一定的規(guī)則組合排序便可構(gòu)成相應(yīng)的復(fù)雜功能實(shí)現(xiàn)，如IntServ、DiffServ等，可實(shí)現(xiàn)控制平面要求的各種與QoS相關(guān)的流量處理。CE對(duì)每個(gè)分組的處理實(shí)際上是其數(shù)據(jù)路徑上一系列LFB對(duì)分組的操作，如圖7所示。

圖7 ForCES FE基本結(jié)構(gòu)

CE通過Fp參考點(diǎn)和ForCES協(xié)議接口，可間接地對(duì)LFB的輸入、輸出和屬性進(jìn)行詢問和操作。圖7中，水平方向描述了一個(gè)FE內(nèi)部整個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)平面各個(gè)LFB之間的輸入和輸出關(guān)系。垂直方向表示CE與FE之間通過Fp參考點(diǎn)形成的雙向交互通道：CE對(duì)FE執(zhí)行一些配置、查詢和控制工作，或向FE發(fā)送數(shù)據(jù)分組；FE對(duì)CE的通信主要是向CE發(fā)送狀態(tài)信息，如重定向數(shù)據(jù)分組、報(bào)錯(cuò)信息、監(jiān)控或統(tǒng)計(jì)信息等。

[43]基于網(wǎng)絡(luò)演算理論推導(dǎo)了網(wǎng)絡(luò)的端到端時(shí)延確定上界，對(duì)ForCES路由器系統(tǒng)的端到端通信性能進(jìn)行了研究，為QoS保障提供了理論指導(dǎo)。參考文獻(xiàn)[44]提出了一種提供QoS的ForCES路由器模型，通過在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)處理器上加入一系列支持QoS的可動(dòng)態(tài)調(diào)整的LFB，各LFB分別用來實(shí)現(xiàn)DSCP分類、六元分類、DSCP標(biāo)記、流量測(cè)量等，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離的QoS路由器。

ForCES是可編程網(wǎng)絡(luò)思想的一個(gè)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面的分離，有利于QoS保障的實(shí)現(xiàn)，但仍有些許缺陷，具體介紹如下。

·ForCES框架協(xié)議還沒有完善，許多標(biāo)準(zhǔn)正在制訂中，如動(dòng)態(tài)LFB的研究、ForCES通道傳輸方案的研究及除Fp參考點(diǎn)外的其他參考點(diǎn)的細(xì)節(jié)問題和實(shí)現(xiàn)問題等。因此，其沒有進(jìn)行大規(guī)模的實(shí)際部署。

·ForCES本質(zhì)上沒有改變網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，僅在NE內(nèi)實(shí)現(xiàn)了控制轉(zhuǎn)發(fā)分離，對(duì)外仍表現(xiàn)為一個(gè)控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面耦合在一起的單個(gè)網(wǎng)絡(luò)元素。

·數(shù)據(jù)分組的傳輸仍為基于無連接的分組交換，數(shù)據(jù)傳輸QoS保障效果受限。

3.2 基于SDN的QoS保障技術(shù)

SDN（software defined networking，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）[45]是可編程網(wǎng)絡(luò)的一種實(shí)現(xiàn)方法，它把網(wǎng)絡(luò)的控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面解耦合，控制器把轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則下發(fā)到轉(zhuǎn)發(fā)平面，這樣交換節(jié)點(diǎn)就可以去智能化，成為“啞的”簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。這樣做一方面減輕了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜、冗余，另一方面把網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性由對(duì)硬件設(shè)備的依賴轉(zhuǎn)移至軟控制器。

SDN體系架構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行兩次抽象，使網(wǎng)絡(luò)分為基礎(chǔ)設(shè)施層、控制層和應(yīng)用層3層，如圖8所示，其中，流抽象屏蔽了轉(zhuǎn)發(fā)層具體的傳輸數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)，使各種轉(zhuǎn)發(fā)方式表現(xiàn)為流表的形式，為控制平面提供統(tǒng)一靈活的轉(zhuǎn)發(fā)操作。網(wǎng)絡(luò)視圖抽象能使應(yīng)用層掌握全局網(wǎng)絡(luò)細(xì)節(jié)描述，屏蔽網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用狀態(tài)分發(fā)細(xì)節(jié)，共同地、全局地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)功能。控制層中控制軟件與基礎(chǔ)設(shè)施層的底層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備經(jīng)由控制數(shù)據(jù)面接口（南向接口，如OpenFlow）交互，并通過可擴(kuò)展北向接口與應(yīng)用層交互。OpenFlow交換機(jī)由流表、安全通道和OpenFlow協(xié)議3部分組成，是整個(gè)OpenFlow網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)平面。轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則以流表項(xiàng)的形式存在流表中，到達(dá)的數(shù)據(jù)分組通過匹配流表進(jìn)行相應(yīng)的操作處理，過程為：OpenFlow交換機(jī)接收到數(shù)據(jù)報(bào)文后，首先進(jìn)行流表匹配，并執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作；若找不到匹配表項(xiàng)，則根據(jù)此table-miss表項(xiàng)的配置，把報(bào)文上交給控制層并由控制器決定轉(zhuǎn)發(fā)行為——丟棄或轉(zhuǎn)發(fā)至下一個(gè)流表。控制器通過安全通道按照OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議更新OpenFlow交換機(jī)中的流表，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)流量的集中統(tǒng)一管控。

圖8 SDN體系架構(gòu)

由于SDN可以通過控制器對(duì)全網(wǎng)流量進(jìn)行統(tǒng)一操作，對(duì)全網(wǎng)QoS部署自然有先天優(yōu)勢(shì)，基于SDN解耦控制與轉(zhuǎn)發(fā)和對(duì)網(wǎng)絡(luò)集中式管控的思想提供QoS保障已得到廣泛關(guān)注并取得很多研究成果。為了有效地部署QoS策略，需要實(shí)時(shí)獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，參考文獻(xiàn) [46]描述了一種OpenFlow/SDN環(huán)境中測(cè)量時(shí)延的機(jī)制，一個(gè)控制器監(jiān)測(cè)全網(wǎng)所有交換機(jī)，通過控制器與交換機(jī)之間按照OpenFlow協(xié)議設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)分組的交互，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的精確測(cè)量，比ping更精確且不需額外的硬件等網(wǎng)絡(luò)資源消耗。OpenFlow支持的QoS能力有限，在最新的OpenFlow 1.3.0版本中，僅設(shè)計(jì)了每流的最大最小速率限制機(jī)制，可在網(wǎng)絡(luò)邊緣用于流量整形，但不能提供電信級(jí)QoS支持。參考文獻(xiàn)[47]設(shè)計(jì)了OpenFlow-MPLS聯(lián)合架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了具有相同QoS等級(jí)的多虛擬網(wǎng)隔離，OpenFlow作為MPLS網(wǎng)絡(luò)的接納控制模塊，使得MPLS的全部功能得以利用，從而支持電信級(jí)QoS保障。OpenFlow控制器保存各虛擬網(wǎng)預(yù)留信息，當(dāng)來自某個(gè)虛擬網(wǎng)的具有特定QoS等級(jí)流量所需的網(wǎng)絡(luò)資源可用時(shí)，此流量便可進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，本設(shè)計(jì)沒有對(duì)OpenFlow協(xié)議和MPLS做任何修改，實(shí)現(xiàn)了對(duì)每個(gè)虛擬網(wǎng)的QoS保障。為了對(duì)多媒體流量提供端到端QoS保障，OpenQoS[48]首先把進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的流量分為數(shù)據(jù)流和多媒體流，前者使用傳統(tǒng)的最短路徑轉(zhuǎn)發(fā)，后者動(dòng)態(tài)分布于具有QoS保障能力的路徑上，這是一個(gè)約束最短路徑（constrained shortest path，CSP）的 NP-complete（NP 完全）問題，路徑管理功能更新QoS參數(shù)，拓?fù)涔芾砉δ鼙O(jiān)測(cè)拓?fù)渥兓窂接?jì)算功能使用基于匯聚成本的拉格朗日松弛（lagrangian relaxation based aggregated cost，LARAC）算法解決上述 CSP問題，控制器相應(yīng)地更新交換機(jī)流表實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)QoS路由。利用SDN控制器具有全局網(wǎng)絡(luò)視圖的優(yōu)勢(shì)，VSDN[49]為視頻流動(dòng)態(tài)選擇最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)路徑并沿途預(yù)留資源，從而提供端到端的QoS保障。

SDN集中式的管控架構(gòu)有利于流量的管理與操作，控制、轉(zhuǎn)發(fā)分離架構(gòu)增強(qiáng)了QoS策略部署的可擴(kuò)展性，對(duì)QoS保障具有天然的體系架構(gòu)優(yōu)勢(shì)。但OpenFlow仍在不斷發(fā)展完善中，尚存在一些缺陷，具體介紹如下。

·目前，OpenFlow協(xié)議支持的QoS特征有限，只能設(shè)置隊(duì)列最大最小速率，不能進(jìn)行隊(duì)列策略配置，無法進(jìn)行更細(xì)粒度的流量管理。現(xiàn)有基于OpenFlow/SDN的QoS保障方案均是利用其體系架構(gòu)優(yōu)勢(shì)，通過在應(yīng)用層部署相應(yīng)應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)的。

·面向應(yīng)用的可擴(kuò)展北向接口仍處于需求討論階段，尚未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

·底層資源的抽象粒度與管理開銷之間要進(jìn)行必要的權(quán)衡，隨著OpenFlow版本的不斷升級(jí)，匹配字段長度不斷增加，匹配時(shí)延及管理開銷逐漸增大。

·支持QoS的可擴(kuò)展性問題。首先，由于控制器存在性能瓶頸，同時(shí)處理多個(gè)流時(shí)，會(huì)導(dǎo)致流傳輸?shù)亩说蕉藭r(shí)延增加甚至無法及時(shí)應(yīng)對(duì)，造成鏈路擁塞。再者，在流添加速度上存在硬件性能限制。

MPLS具有電信級(jí)的QoS保障能力，但是由于其被封閉在僵化的體系結(jié)構(gòu)中，創(chuàng)新型部署困難。基于OpenFlow的SDN為網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新提供了必需的可編程性和靈活性，目前，已經(jīng)支持MPLS的全部特性并可與現(xiàn)有MPLS設(shè)備共存，如Sharafat[50]等人將OpenFlow、MPLS分別位于控制平面、數(shù)據(jù)平面，執(zhí)行MPLS-TE及MPLS-VPN，實(shí)驗(yàn)證明了其部署的易行性，可在提供高質(zhì)量傳輸效果的同時(shí)減少傳統(tǒng)分布式控制的開銷。對(duì)OpenFlow與MPLS結(jié)合的研究將是一個(gè)有價(jià)值的研究點(diǎn)。

3.3 可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的QoS保障技術(shù)

可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是一種通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及功能的自調(diào)整來動(dòng)態(tài)匹配業(yè)務(wù)，從而構(gòu)建一個(gè)可以提供多樣化和全方位的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)、滿足多樣性的業(yè)務(wù)要求、具備高質(zhì)量通信效果的新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)[11]，其功能參考模型如圖9所示。其主要理論有元能力理論、認(rèn)知與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)機(jī)理及多態(tài)尋址路由機(jī)制。其本質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)資源及其組合、使用方式等的動(dòng)態(tài)改變，以匹配時(shí)變的業(yè)務(wù)應(yīng)用要求和特征，是一種以“以變應(yīng)變”方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，提供高可靠QoS的結(jié)構(gòu)形態(tài)。

可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)所提出的“業(yè)務(wù)—元服務(wù)—元能力”模型[51]是一種細(xì)粒度組合服務(wù)思想的體現(xiàn)，如圖10所示，通過網(wǎng)絡(luò)的可分最小功能單元邏輯上的有機(jī)排列與組合，形成的具有對(duì)應(yīng)功能要素的實(shí)體，可對(duì)特定業(yè)務(wù)實(shí)施有較強(qiáng)針對(duì)性和普適性的QoS保障。改變了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與業(yè)務(wù)需求“一對(duì)一”的緊耦合關(guān)系，使由抽象與聚類得來的基本業(yè)務(wù)需求特征元素—元服務(wù)與網(wǎng)絡(luò)基本承載功能組件—元能力進(jìn)行動(dòng)態(tài)匹配，使用普適的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力滿足用戶業(yè)務(wù)QoS保障需求。

圖9 可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)體系功能參考模型

圖10 “業(yè)務(wù)—元服務(wù)—元能力”功能模型

在數(shù)據(jù)平面，有一個(gè)增強(qiáng)的網(wǎng)際互聯(lián)傳輸層——可重構(gòu)多態(tài)網(wǎng)絡(luò)層，其功能設(shè)計(jì)目標(biāo)是增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)互聯(lián)傳輸能力，分為基態(tài)和多態(tài)兩個(gè)子層。數(shù)據(jù)的傳輸模式有傳統(tǒng)的具有網(wǎng)際互聯(lián)傳輸能力的分組交換和宏電路兩種，二者的內(nèi)在邏輯關(guān)系如圖11所示。宏電路是網(wǎng)絡(luò)為一組具有共同傳輸路徑的同類業(yè)務(wù)流動(dòng)態(tài)建立的自適應(yīng)型虛電路，是一種基于流的端到端的數(shù)據(jù)傳輸交換方式，增強(qiáng)和擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)互聯(lián)傳輸能力，對(duì)應(yīng)于不同的數(shù)據(jù)流傳輸要求，宏電路有多種模態(tài)。

圖11 可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳遞模式

宏電路中流的類別劃分是根據(jù)特定QoS指標(biāo)，如時(shí)延、抖動(dòng)、分組丟失率等，將流量抽象聚合而成[52]。借鑒了ITU-T對(duì)流量分類的方法，采用時(shí)延、抖動(dòng)和分組丟失率這3個(gè)指標(biāo)作為分類依據(jù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知功能獲取網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)狀況，動(dòng)態(tài)調(diào)整流的分類粒度，以在保證流QoS保障的同時(shí)提高成功率。該方法的基本思想是將時(shí)延、抖動(dòng)和分組丟失率劃分成若干區(qū)間，即將QoS需求向量空間劃分成若干子空間，每個(gè)子空間對(duì)應(yīng)于一個(gè)類別。一條流的類別即該流QoS需求向量所處子空間對(duì)應(yīng)的流量類別。根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑的鏈路帶寬、節(jié)點(diǎn)CPU等資源利用狀況及路徑擁塞狀況，實(shí)時(shí)調(diào)整流量類別劃分粒度。

根據(jù)認(rèn)知功能獲得的底層流量視圖，并由建立的流量預(yù)測(cè)模型，對(duì)多時(shí)間尺度上的流量行為進(jìn)行預(yù)先估計(jì)和推斷。據(jù)此，宏電路控制器控制底層轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)地做出相應(yīng)的構(gòu)建動(dòng)作，如建立、刪除、規(guī)格調(diào)整。宏電路在邊緣網(wǎng)絡(luò)及不符合宏電路建立條件的鏈路上通過分組交換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在骨干網(wǎng)，按照網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流的性能要求，建立相應(yīng)模態(tài)的宏電路。宏電路運(yùn)行機(jī)制如圖12所示。

可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的核心特征是其內(nèi)在結(jié)構(gòu)的時(shí)變性，即由時(shí)變的結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)時(shí)變的服務(wù)能力，最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)對(duì)應(yīng)用要求和特征的動(dòng)態(tài)匹配[53]。由于可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)解耦了控制平面與數(shù)據(jù)平面，確保了可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)變的可行性與易行性。

圖12 宏電路運(yùn)行機(jī)制

可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在QoS保障方面具有先天的體系結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，轉(zhuǎn)發(fā)控制分離架構(gòu)增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，網(wǎng)絡(luò)元能力理論彌補(bǔ)了多樣多變的業(yè)務(wù)特征需求與有限的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力之間的差異性，適應(yīng)未來業(yè)務(wù)發(fā)展的延續(xù)性，面向連接的宏電路傳輸方式使得業(yè)務(wù)流可獲得天然優(yōu)秀的傳輸服務(wù)。集中式的控制架構(gòu)使得流傳輸可在全網(wǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化，多級(jí)流表的配置使得流傳輸可在節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行調(diào)度，即可在宏觀、微觀兩個(gè)層次上部署策略，實(shí)現(xiàn)按需的精確轉(zhuǎn)發(fā)、傳輸。

4 可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中宏電路的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)部署研究

可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)以其柔性可變的結(jié)構(gòu)形態(tài)和動(dòng)態(tài)的功能組合，支持業(yè)務(wù)服務(wù)的靈活擴(kuò)展、可管可控，對(duì)現(xiàn)有及未來業(yè)務(wù)具有優(yōu)秀的QoS保障能力，獲得了廣泛的關(guān)注與研究，目前可重構(gòu)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)已搭建完畢[11]，由5個(gè)可重構(gòu)路由交換平臺(tái)和5個(gè)可重構(gòu)光交換設(shè)備組成。宏電路控制平面位于可重構(gòu)綜合管理平臺(tái)，控制服務(wù)器位于Linux系統(tǒng)上，基于新增宏電路功能模塊而擴(kuò)展的Floodlight實(shí)現(xiàn)，宏電路的一切功能都運(yùn)行于控制服務(wù)器之上。底層轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)基于NetFPGA實(shí)現(xiàn)。

整個(gè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)分組處理模塊、資源監(jiān)測(cè)與分配模塊、流量監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)模塊、路由選擇模塊、流表處理與下發(fā)模塊。數(shù)據(jù)流在宏電路邊節(jié)點(diǎn)處由數(shù)據(jù)分組處理模塊首先判斷是否為宏電路報(bào)文，并根據(jù)QoS參數(shù)分類，在鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層之間添加、刪除標(biāo)簽；資源監(jiān)測(cè)與分配模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)底層資源使用狀況，形成資源狀態(tài)圖，并在路徑選擇后沿途分配資源；流量監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)底層流量狀況，并根據(jù)預(yù)測(cè)模型推測(cè)、估計(jì)未來一定時(shí)間內(nèi)的流量行為趨勢(shì)，生成流視圖；路由選擇模塊根據(jù)流類別、資源狀態(tài)圖和流視圖優(yōu)化計(jì)算得到轉(zhuǎn)發(fā)路徑；流表處理與下發(fā)模塊根據(jù)之前各個(gè)模塊的處理結(jié)果生成或修改宏電路流表并下發(fā)至底層交換機(jī)。數(shù)據(jù)報(bào)文匹配流表并執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 宏電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語

結(jié)構(gòu)決定功能，可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)改變了傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)分層協(xié)作、端到端分組傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)了控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面解耦合，使得復(fù)雜的控制邏輯加入不影響標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)流的傳輸使用宏電路與分組交換，在要求的路徑使用宏電路可直接增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)傳輸能力，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)傳輸QoS保障。因此，可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及宏電路是一種未來網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)QoS自適應(yīng)匹配、新型業(yè)務(wù)可擴(kuò)展的有效解決方案。

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