基于IPv6的QoS解决方案探讨

摘要：IPv4协议的局限性，决定了网络将向着IPv6的方向发展，现有网络服务也必将会转移到IPv6上运行。如何建立一套完整的控制策略来分配、管理和优化现有的网络资源，以尽可能为用户提供可靠的网络服务并保证服务质量，也是将来IPv6网络发展中需要解决的关键问题。该文从传统ip协议的QoS技术，到IPv6协议本身的QoS控制策略和IPv6的QoS路由策略进行了分析和总结，在现有的IPv6的QoS路由策略研究方面提出局部改进，从而得到一个更完善的IPv6的QoS解决方案。

关键词：IPv6；服务质量；QoS路由；OSPFv3

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)03-0536-03

Investigate for QoS Solution Based on IPv6

CHEN Hua-shan,WANG Yi

(Changzhou Campus Information Center, Hohai University, Changzhou 213022, China)

Abstract: IPv4 protocol limitations, the network will determine the direction toward the development of IPv6, the existing network ser? vices will also be transferred to run on IPv6. How to create a complete set of control strategies to allocate, manage and optimize existing network resources as possible to provide users with reliable network services and ensure quality of service, but also the future development of IPv6 networks need to address the key issues. This article from the traditional QoS technology ip protocol to IPv6, QoS control strategy itself, and IPv6 QoS routing strategies are analyzed and summarized, in the existing IPv6, QoS routing strategy research proposed local im? provement, resulting in a better IPv6 QoS solution.

Key words: IPv6; QoS ; QoS routing; OSPFv3

最初，IPv6是为了解决IPv4中地址即将耗尽的问题而提出来的。IPv6作为下一代互联网的核心，除了在地址空间上比IPv4有绝对优势外，还要在网络质量，传输效率，发展前景等方面都要有质的飞跃，充分发挥其优势，有效地开展各种新的业务，这就需要建立一整套完整的控制策略来分配、管理和优化网络资源。

IPv6继承了IPv4的优点，根据IPv4多年来运行经验基础上，IPv6进行了大幅度的修改和功能扩充，其处理能力比IPv4更加强大。特别是近几年IPv4的地址空间即将耗尽，人们已形成共识：IPv6取代IPv4是必然的发展趋势。可以说在IP网络发展的过程中，IPv6有它独特的优越性，IPv6是唯一的能够在IP的基本体系构架上解决QoS要求的网络。IPv6作为下一代网络的基础，要充分发挥其优势，有效地开展各种新业务，以尽可能满足各种网络服务的需要，并对一些特殊服务提供QoS保证。为了充分发挥IPv6的优势，必须实施一套QoS体系，本文就IPv6的QoS的解决方案进行系统的分析探讨，提出一些自己的心得体会。

1基于IP的常用QoS技术

现在，IP网络如何提供服务质量QoS支持这一问题现已成为业界关注的焦点。目前IP网络中QoS的发展很快，基本上可以归纳为三种模型。

1.1集成业务模型( IntServ)

集成业务模型( IntServ)包括三种等级的服务类型：保证业务、受控业务和尽力而为的服务。可保证业务和受控业务都是要求有定量的服务，需要通过网络节点实现接入控制信令。IntServ服务模型是一个综合服务模型，它可以满足多种QoS需求。IntServ使用资源预留协议（RSVP），RSVP运行在从源端到目的端的设备上，可以监视到每个流的情况，以防止其消耗资源过多。这种体系结构能够明确地区分并保证每一个流的服务质量，为网络提供最细粒度化的服务质量。

1.2区分业务模型(DiffServ)

区分业务模型（DiffServ）定义了一种在互联网上实施可扩展服务分类的体系结构。一种“服务”，是由在一个网络内，通过一条或几条路径传输数据包时的某些特征所定义。这些特征包括时延、时延抖动，吞吐率等，也可能是指其获取网络资源的优先权。服 务分类要求能适应不同用户的需求，并且可以对互联网服务进行分类收费。

1.3多协议标签交换(MPLS)

多协议标签交换（MPLS）是一种用于快速数据包交换和路由的体系，它为网络数据流量提供了路由、转发和交换等能力。还有最主要的是它针对不同形式通信流，具有很好的管理机制。MPLS独立于第二层和第三层协议，比如ATM和IP。它提供了一种方式，将IP地址映射为简单的标签，并具有固定的长度，用于不同的包交换和包转发技术[2]。

2基于IPv6报头的QoS控制策略

IPv6作为下一代网络的核心，要让它很好地发挥优势，有效地开展各种新的业务，就必须使其实施QoS体系，并能在下一代网络中得到提升。IPv6的地址空间比IPv4大得多，但是IPv6的基本报头要比IPv4的报头简单很多。在实施QoS体系时，IPv6的优势很明显，减少了路由的压力，提高了传输速率。IPv6报头中定义了流标记和优先级两个字段（见图1），流标记指的是流标签字段，优先级指业务分类字段。这两个字段保证了通信服务质量，使网络延时、吞吐量控制在一定范围内。

图1 IPv6数据报头

2.1流标签字段实现QoS

流标签是IPv6特有的，它表示要交给路由器特殊处理。路由器根据它的标签来优化QoS体系，网络中的路由器加以判断。网络中的数据流由源地址、目标地址和流标签确定，如果流标签相同，则它们的优先级相同。

2.2优先级字段实现QoS控制机理

利用优先级字段，可以对网络的拥塞程度进行控制。数据在发送过程中，如果检测出网络拥塞，就会降低数据发送速率，缓解网络的拥塞情况。

在IPv6报头用4位表示优先级，总共有十六级，并按照上述业务量分为两大类，分别表示不同的拥塞控制机制。

第一类是0～7优先级，在网络拥塞情况下，通过降低发送数据包的速度来实现拥塞控制，这种设备要具有拥塞控制机制，而且数据包到达目的地允许少量的变化和一定时间延迟，还可以接受数据报分组到达的顺序。

第二类是8～15优先级，应用于实时性很强的业务，网络拥塞时它不控制流量，要求数据传输速率平滑，对于丢失的分组，不需要重新发送。

与IPv4的QoS相比，IPv6在减少报头的情况下增加了流标签，扩大了优先级的范围，所以IPv6提供了更强大的QoS功能。在网络拥塞和非拥塞情况下，IPv6能满足QoS体系的要求，为网络应用和实时通信创造了基础[4]。

3基于IPv6的QoS路由策略

3.1 QoS路由策略分类

根据路由搜寻方式和网络状态信息的保存方式不同，主要有三种路由策略：源路由策略，分布式路由策略和层次路由策略[5]。

源路由策略，网络中的每个节点都能保存全局性的网络信息，包括网络的拓扑信息，每个链路状态信息。源节点计算出本地路由，然后选择一个控制报文的传播途径，通知路线上的每个节点，说明该节点的继任者，节点的信息由该协议完成，并更新链路状态信息。

分布式路由策略，通过分布式的计算完成。路径上的每个节点通过相互交换控制信息，结合每个节点中存储的信息的状态来完成路由计算和选择。分布式的路由算法需要使用距离向量或者链路状态协议来维持全局信息，信息是基于距离向量形式保存。

层次路由策略，逻辑节点是每个结点的聚集点，每个节点保存全局状态的一部分。路由计算结构由多个节点共享，所以很多分层路由还具有分布式路由的优势。

3.2 IPv6网络环境下的QoS路由算法

目前基于IPv4网络环境下有很多种QoS路由算法，比如扩散算法、基于预计算的源路由算法、分级路由算法等。对于IPv6网络环境下QoS路由算法研究，现在比较成熟的还很少，IPv6中的路由协议RIPng，OSPFv3，主要研究了让IPv4上的路由协议来适应和支持到IPv6中。网络路由算法的网络服务质量起到的关键作用是平衡网络负载，充分利用网络资源。因此，QoS路由优化策略尤为重要，是目前QoS的一个重要研究方向。建立多约束条件的网络模型可以更准确地反映实际的路由问题，随着网络的不断扩大，研究基于多约束QoS路由算法为获得理想的网络服务和网络资源，具有十分重要的意义[6]。

3.3基于IPv6网络QoS路由的改进措施

本文在扩展IPv6和路由协议以实现QoS路由方面提出二点自己的想法，也可以说是对现有IPv6网络中QoS路由的局部改进，供大家参考。

3.3.1多约束路径的QoS路由改进

路由表是互联网实行高速转发的核心，路由表结构直接影响数据转发的效率，对路由表改进是提高网络QoS的方法之一。在 传统路由协议的基础上，降低路由状态更新、降低路由计算开销是路由改进的目标。QoS路由表可能存在多条路径和其他资源和其他开销，提出一种轮询选取路径的方式，主要是业务采用多路径发送，达到网络负荷平衡，从而提高网络的综合性能，降低状态信息不准确给路由算法性能带来的影响。此外，还有这种方法的优势，比如，类似QoS请求所引起的较长更新周期，使得网络状态信息陈旧，造成预计算QoS路由表的路径资源不完全准确，通过改进QoS路由表还有这样的优点，它能使数据流的路径更加合理，可以解决流阻塞的问题，提高网络的效率。

3.3.2改进状态更新策略降低QoS路由开销

附加开销是影响QoS路由的主要原因，如何降低附加开销是QoS路由研究的主要问题。附加开销主要有两类：路径计算开销网络和状态信息更新开销。目前降低状态更新开销的三种方法是：采用变化和局部更新、触发更新、优化泛洪算法来降低状态更新。基于触发类的更新，比如阈值更新，都是在状态信息的准确度和信息的更新量之间得到平衡，并且算法的更新到节点的所有链路，即便是有一条链路触发更新，都会通告节点的全部接口，与OSPFv3协议上产生LSU的行为类似。在这基础上，提出基于需要的触发类更新，它无需通知到所有接口，只通知到需要更新的接口，很好地结合了变化更新和局部更新的优点，变化更新与局部更新有区域特色的OSPF状态更新思想，但不能很好地支持域间QoS路由[7]。

4总结与展望

IPv6作为下一代互联网协议，承载大量要求QoS保证的多媒体业务，研究IPv6体系结构下的高服务质量控制技术是重点研究方向。随着研究的深入，意识到这样一个问题，IPv6的QoS问题仅靠目前的QoS体系无法解决，需要结合多层次的QoS研究，综合改善IPv6的QoS。IPv6的QoS除了沿袭IPv4的IntServ和DiffServ思想外，还应该辅以一个QoS网络框架，关键是关注和涉及IPv6 QoS路由技术方面的研究。文中结合目前IPv6 QoS路由方面的研究，提出二点改进，主要是路由表和路由开销方面的改进，目得是在保证路由质量的情况下，降低路由开销，以达到更好的网络性能。QoS路由算法仅是QoS控制技术中的一种，还可以从业务接入网络的流量整形技术、分组调度技术、分组丢弃技术等方面深入研究IPv6的QoS，进一步提出更好的解决方案。

参考文献：

[1]张香芸.IPv6下的服务质量（QoS）保证技术研究[D].西安:西北师范大学,2006.

[2]王茜,隆克平,龚向阳. IP网络的服务质量―多业务互连网的基础[M].北京:机械工业出版社,2001.

[3]蔡茂国,杨淑雯,马君显.基于集成服务的IP网络QoS实现技术[J].计算机应用研究,2002(3):52-54.

[4] Partridge C. Using the flow label field in IPv6 [EB/OL]. RFC1809, www.省略.

[5]王刚.基于IPv6网络的QoS研究[D].无锡:江南大学,2009.

[6]李化图. Internet QoS路由路径计算及开销减少策略[J].重庆邮电学院学报, 2003, 15(3):75-79.

[7]张静,程楠,汤红波,等. IPv6网络实现QoS路由的障碍和解决思路[J].电信科学,2007(8):77-83.