IPv6下的QoS體系

2019-11-03 08:59:31

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供稿：網友

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網絡之上，而對更高的質量保證等要求是網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量管理(QoS)，但是網上眾多的應用多為盡力而為類數據。此類數據的特點是突發性強，這種突發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，同時出現抖動，從而產生嚴重的后果。例如，視頻會議無法正常進行，產生圖像馬賽克效應，聲音時斷時續，甚至沒有圖像和聲音。

　　1981 年制定的IPv4協議正面臨許多挑戰：地址空間匱乏；網絡安全漏洞多；服務質量難以保證；不易開展新業務；移動性支持有限，難以滿足3G網絡發展需求等等。因此，為了解決上述問題，下一代互聯網協議IPv6的發展應運而生。

　　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對網絡服務質量的作用也作了重大改進，將很大程度上改善服務質量。

　　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。網絡管理員會喜歡協議內置的自動配置機制；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送消息。

　　報頭格式的簡化

　　IPv6的報頭固定為40字節。這剛好容下8字節的報頭和兩個16字節的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，或者是將其變為可選項。這樣，數據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報頭和實際數據之間。這樣，IPv6數據包的生成變得很靈活且高效。IPv6數據包的轉發效率要高很多。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，以及對數據完整性和數據機密性的支持。

　　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量的數據包，可以由發送者進行標記。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，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字節的IPv6地址占據。這樣，只剩8個字節可供其他報頭信息使用。

　　IPv4報頭的長度可以從最小的20字節擴展為60字節，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硬件轉發實現必須把包含選項的數據包傳遞給予主處理程序(軟件處理)。

　　數據包的報頭越簡單，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，保證對數據報文的高速轉發和較低的延時，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)字節對流量進行分類，卻沒有在整個互聯網范圍內取得成功，因為ToS字節是基于應用程序，根據業務流量屬性進行公正的自我分類。在互聯網早期的多媒體應用還少，因此對于解決此問題并沒有實質性進展，并且從來沒有統一地使用ToS字節。

　　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，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先級，因為它是和各多播組(必須通過由路由器和終端系統執行的不同的隊列和處理來操作)隱式綁定的。

　　現有的IPv6 ICMP(多播回放控制消息機制)可被用來塑造發送方和中間路由器的流量特點。不利的方面是，發送者將不得不多次提供基本相同的數據(但品質不同)，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功能。使用此范例的智能本地決定也包括對流量特征的監督以及在不同品質的多播信道之間動態切換。例如，要傳輸高品質(44KHz)的音頻，分級編碼可以用于編碼為基本音頻數據包的數據，其中包含5.5KHz品質的數據，第二個數據包包含5.5KHz～11KHz的數據，第三個數據包包含11KHz～22KHz的數據，而第四個數據包包含22～44KHz的數據。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。音頻品質可能不同，但音頻數據包只會在所有數據包都被丟棄的情況下才完全丟失。基于分類/優先級的QoS的副作用是，額外增加了發送者的負擔(例如，IP報頭管理和分級編碼)，并且接收方得到的服務質量不同，也得不到保障。

　　與QoS直接相關的元素

　　IPv6協議在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)

　　該節段代替了IPv4中的Type of Service字段，它有助于處理實時數據以及任何需要特別處理的數據。發送節點和轉發路由器可以使用該字段來識別和分辨IPv6數據包的類別和優先級。

　　流是從某個特定源發送到某個特定(單播或多播)目的地的一系列數據包，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議(如RSVP)傳送給路由器，或者通過流數據包自身的信息，如IP Base報頭或Hop-by-Hop Extension報頭。從發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據流量。IP協議中的流通過源IP地址和非零流標簽標識符的組合惟一地進行識別。不屬于流的數據包的流標簽為全零。

　　Flow Label(流標簽)

　　該字段區分需要相同處理的數據包，以此來促進實時性流量的處理。發送主機能夠用一組選項標記數據包的順序。路由器跟蹤數據流并更有效地處理屬于相同數據流的數據包，因為他們無須重新處理每個數據包的報頭。數據流由流標簽和源節點的地址惟一標識。不支持Flow Label字段功能的節點需要在轉發數據包時不加改變地傳遞該字段，并在接收數據包時忽略該字段。屬于同一數據流的所有數據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優先級控制和QoS保證，將很大程度上改善服務質量，保障從VoIP到視頻流的高質量傳輸。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，在一場戰爭中，對從戰地指揮部發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，今天互聯網上的QoS還遠沒有標準化，設備制造商和網絡平臺采用不同的QoS機制，當數據離開某個IP網絡到達下一個網關的時候，QoS的定義會突然發生變化。現在，向IPv6的過渡將給QoS的標準化提供一個很好的機會。因此IPv6產品必須通過產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。

　　相關鏈接：

　　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網絡升級測試，內容之一即是在IPv6協議上實現互聯網電話應用等。從該項目測試機構發布的消息看，在現實中部署這些IPv6應用仍然存在一些問題，但IPv6網絡的整體基礎架構表現是穩定可靠的，此次測試還對視頻廣播、無線局域網、網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年之前實現網絡全面支持IPv6標準。

　　在我國，IPv6工作的推進是在CNGI(下一代互聯網示范工程)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網絡和技術發展的專業委員會——“北京通信信息協會IPv6推廣應用專業委員會”更被認為是我國IPv6發展將步入新階段的一個標志。

　　此次成立的IPv6專業委員會的職責除了致力于積極推進IPv6在北京的應用和發展，實現各企業間的協助互補外，一個主要職責是進行研究IPv6的技術特點和優勢，找出IPv6的創新應用，成為IPv6與傳統行業有機結合的平臺。該委員會已經吸引了中國電信北京研究院、方正科技、神州數碼網絡、北京軟件產業促進中心、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)網絡有限公司等四十余家單位參與。

　　
摘自　網絡世界

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