温昱晖 朱祥华 北京邮电大学培训中心
【摘要】随着Internet技术的迅速发展，服务质量保证体系逐渐成为人们研究的热点。在分析比较了泛播的各种实现技术的基础上，探讨了应用于QoS网络的泛播技术所需要的特征，并分析了在区分服务网络中实现泛播通信的结构及其特点。
关键词：泛播（anycast） QoS 区分服务
1 前言
Internet迅速发展，服务竞争不断加剧，用户对Internet的需求不再仅仅是连接，已经包括了对服务质量的要求。要提供有竞争的网络服务就不得不考虑提高向用户提供满足他们服务要求的能力，然而ISP所面对的是地理上广泛分布而数量又极其庞大的用户。为了提高网络服务可应用性，在网络中提供有效的负载分布，即复制服务器有着非常现实的意义，例如：www镜像站点、视频点播（VOD）、股票服务器、计算服务器、以及互联网的代理服务器等。为了支持服务器复制，泛播（anycast）技术应运而生，并成为IPv6的标准服务。
泛播在IPv6中是这样定义的：泛播地址被分配到两个以上的接口（一般指不同IP地址的节点），而发送到这个地址上的分组被路由到“最近”的接口。“最近”的概念是由路由协议决定的，它可以包括路由器跳数、服务器负载、到该服务器的往返时间（RTT，round－trip time）、链路的可用带宽和其它任何提供“最好”特征值（metric）的服务。简单的可以把泛播理解为将一个泛播地址分配给一组具有相同功能或内容的服务器集合，当客户需要服务的时候，从该服务器集合中将选出一个离客户“最近”的服务器来向客户提供服务。
2 泛播实现的两种技术
一般来讲，与泛播相关的研究可分为两类：一是在应用层通过管理手段实现泛播服务，被称为应用层泛播。另一是在网络层采用程序和协议完成泛播消息的路由和选址，称为网络层泛播。
2．1 网络层泛播
在早期提出的泛播实现方法中，客户仅需要知道服务的泛播地址，最近的服务器将在路由器上被选择，这被称作网络层的泛播。网络层泛播基本采用了两种方法来路由泛播分组。
2．1．1单路径路由（SPR）
对于单路径路由，所指定的源目的主机对之间的路径只有一个；也就是说，信息从源端到目的端所经过的路径是时不变的，除非网络的拓扑结构发生了变化；单路径路由简单并且易实现，已经得到广泛的应用。例如，在当前的网络中，最普遍采用的路由算法是最短路径路由（SPF）算法。
单路径路由可能存在这样的问题，它可能造成所选择的路径过载，从而造成业务流拥塞。这时就提出了多路径路由来解决这个问题。
2．1．2多路径路由（MPR）
一个多路径路由算法将业务流拆分到几个不同路径上。许多分析已证明业务流被分布到多路径上，网络吞吐量和延迟都得到了很大的改善［4］［5］［6］。
图1 泛播名字解析的请求／响应环问题。多路径路由自身就隐含着路由中存在环的风险，相应的路由算法必须能够有效的防止环的产生；另一个问题是怎样从多条路径中选择一条，使网络的特性（如延迟和吞吐量等）能得到有效的改善。几种方法如SSP、MD、SBT和CBT［1］已经被提出用来解决第一个问题。WRS［1］等可应用于后一个问题的解决。
实际上采用多路径路由，其路由器也需要额外的存储器来维护使用的多路径信息，而这往往是巨大的，存储器尺寸的限制实际会造成分组延迟的增大，最近提出的集成路由（Integrated Routing）［2］的技术被认为可以解决这个问题。
2．2 应用层泛播
网络层泛播是通过规定泛播IP地址的使用来支持泛播服务，而在应用层采用泛播域名（ADN）来支持泛播服务的方法［7］，称为应用层泛播。应用层泛播服务的功能实现是将泛播域名（ADN）映射到一个或多个（组播或单播）地址上，它不要求对网络层操作进行改动，这被看作是应用层泛播的重要特征。采用应用层泛播服务的基本结构是用泛播解析器（resolvers）来实现AND到IP地址的映射。客户按照一个基本的请求／响应环来与泛播解析器进行相互联系，如图1所示。一个客户产生一个泛播请求，而解析器处理这个请求，并且用一个泛播响应来回答。这个系统的关键特征是有一个特征值（metric）数据库，数据库存储着有关服务器特性的数据，在基于用户规定的特性要求基础上，这些数据被用来在一组服务器中作出一个最佳选择。同时，一个泛播解析器要实现从ADN到IP地址的映射，必须要维护相关的信息，包括：形成特定泛播组的IP地址和泛播组中的每个成员相关的测量信息。
3 网络层泛播和应用层泛播比较
3．1 网络层泛播的局限性
网络层泛播是最早提出的泛播技术，由于最初提出时Internet正处于发展的初期，对网络服务质量的需求还没有那么迫切，在尽力而为的网络中是能够适应需求的，但是随着Internet的惊人发展，网络层泛播技术的一些局限性越来越明显，需要继续深入研究解决。这些局限性主要表现在如下几个方面：
·必须为泛播地址分配一部分IP地址空间，对于IPv4，可从现有的地址空间中分配一部分或创建一个独立的地址空间用于泛播地址，一般在C类地址中［3］。在IPv6中，特别为泛播分配了专有的地址空间［8］。
·泛播地址的使用需要路由器的支持。
·发送泛播数据报所选择的服务器完全由网络决定，而用户不能参与。
·由于IP是无状态的，目标是基于每数据报决定的。因此连续的数据报序列可能被发送到具有相同泛播地址的不同主机上。
·网络层虽然能有效地决定最短路径，但这只能适于这样的泛播服务：基于最短路径的特征值（例如：跳数）来选择最近的服务器。
3．2 应用层泛播的特点
应用层泛播在一定程度上克服了网络层泛播的局限性，特别是应用层泛播更能适应处理不同的特征值机制，例如服务器吞吐量等其它QoS要求，这对于QoS网络具有重要的现实意义。在本文的第四部分将继续探讨应用层泛播在QoS网络中的实现。
然而应用层泛播要维护泛播组测量信息，就需要不断刷新从而增加了信令的负荷。
4 基于QoS网络中的泛播体系结构
基于QoS网络的泛播服务可这样定义［9］：假如一个客户向某个同等（equivalent）服务器集合请求服务，就需要选择一个满足客户QoS要求的服务器和客户－服务器之间的路径。客户的请求至少包括期望服务的名字和QoS需求。相应的按照客户的请求从一个服务器集合中选出一个能提供期望服务的服务器。
IETF提出了一些满足QoS要求的服务模型和机制，这其中包括集成服务／资源预留（RSVP）模型、区分服务（DS）模型、多协议标签交换（MPLS）、流量工程（TE）和基于约束的路由等。本文仅针对区分服务网络中泛播的应用进行了探讨。
4．1 区分服务
区分服务将区分域中的路由器分为边缘路由器和核心路由器。边缘路由器与终端或其他域的路由器连接。核心路由器则仅仅与所在域的路由器相连。在一个区分服务网络中，核心路由器仅仅执行一些简单的操作，而将更加复杂的操作推到了边缘路由器上。当数据分组进入一个区分域时，它们将在边缘路由器上被整形、分类、标识和测量等。通过边缘路由器后，分组按照某种聚合流被标记，以响应一个每跳转发方式（PHB）。PHB定义了怎样转发分组的方式。核心路由器则基于PHB处理分组，也就是说，共享相同PHB的分组将按照相同的方法被处理，在这里所定义的PHB的数量是有限的，从而提高了扩展性。在区分服务网络中只有提供相应的资源，QoS才能得到保证。资源的管理是通过相邻区分服务域之间的协商来实现，这被称为服务级别协定（SLA）。区分服务域正是基于SLA配置它们的边缘和核心路由器，以向区分服务业务流提供足够的资源。同样，通过路径上所有相邻的SLA协商，从而实现端到端的QoS。而每个区分服务域中的资源管理则可以由称为带宽经纪（Bandwidth Broker，BB）［13］来实现。
4．2 区分服务网络中泛播结构分析
要向泛播客户提供端到端的QoS保证，就需要在从服务器到客户的路径上，发现可用资源并作相应的预留。然而一般区分服务中的BB并不共享资源可用信息，也不在网络中维护全网的状态信息。这就需要在BB之间采用信令的方式实现资源的发现和预留。在第二部分中，我们已经讨论过应用层泛播技术能够依据多种测量信息选择服务器：通过对区分服务网络中各个服务资源的了解，选择最适合的服务器域并作出最佳服务器的决定。因此，在QoS服务网络中要实现泛播服务，应用层泛播无可非议是首选的技术。
4．2．1 区分服务网络中泛播通信的体系结构
区分服务网络中泛播通信的结构［9］是基于解析器和服务器代理（server agents）来实现的。在每个包含有泛播客户的域中都有一个解析器，一个完整的泛播组可以共享一个服务器代理；而一个服务器代理可被多个泛播组共享，如图2和图3。在客户方面，服务器的选择是相当简单的：当客户需要访问服务时，它与自己域中的解析器联系，请求服务器地址，解析器回答一个能满足客户QoS请求的服务器地址。接着客户向服务器发出请求后，服务器开始发送数据。至于解析器，首先必须评估域中的客户需求，并与服务器代理或BB联系，做出服务器选择决定并预留资源。服务器代理要从每个服务器处收集动态QoS信息。任何时候服务器负载发生显著变化时，服务器将向服务器代理推出刷新消息，以实现动态QoS信息的收集。通过解析器、服务器代理和BB之间的信令，从服务器域到客户域按照QoS需求实现了资源预留。在这个结构中，根据信令方向，可分为前向信令（forward signaling）和后向信令（backward signaling）。
4．2．2 前向信令和后向信令的比较
在前向信令中（图2所示），解析器向服务器代理请求选择一个服务器域并预留资源。服务器代理首先选出资源可用的服务器域列表，然后以一定的次序与列表中的每一个服务器域的BB联系，直到满足QoS要求的资源被预留。
在后向信令中（如图3），解析器也向服务器代理请求，得到资源可用的服务器域列表，然后向自己所在域的BB请求，从所得到的候选服务器域中获得一个或多个资源预留。
可见，后向信令是从客户域“流向”服务域；而前向信令则是由服务域到客户域，这就要求路径上的每个BB都要决定信令的方向。由图4比较可知，后向信令要比前向信令更加有效，这是因为：一、后向信令消息是基于根方向的。消息被发送到每个链路上，因此总的信令消息个数减少。二、后向信令“修剪”无效的链路（资源不充足的链路）要比前向信令更快更有效。由图4（a）可知，前向信令“修剪”无效链路，仅仅是“修剪”了一条旁枝或是叶。
不过，后向信令也需要BB的额外支持，即BB能用上行信令数据流代替下行数据流。这是因为一般从发送方到接收方的路径和从接收方到发送方的路径是不同的，需要寻找一条上行路径，以便BB向那里发送信令消息，因此后向信令在某种程度上要稍微复杂些。
5 结束语
区分服务的研究主要集中在不同的PHB特性的定义上［12］，而域内服务配置方案的设计，即在配置网络节点时应使哪些流得到特殊对待、资源的使用应遵循什么原则，还有待深入的研究。至于泛播通信，虽然IETF提出较早［3］，但也就是最近几年随着Internet的迅猛发展，泛播通信在提高网络资源的利用率，提供多媒体通信的端到端QoS保证上有其独特作用，才又引起学术界的广泛关注，不过它的实现方式还存在广泛的争议，网络层泛播和应用层泛播应用条件同样需要深入的研究讨论。
参考文献
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5 A．Jean－Marie and L．Gun，＂Parallel Queues with Resquencing，＂J．ACM，vol．40，no．5，Nov．1993．
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9 F．Hao，Z．EllenandA．Mostafa．，＂QoSRoutingforAnycastCommunications：Motivation and an Architecture for Diffserv Networks，＂IEEETrans．Commun，June 2002．
10 X．Xipengand N．Lionel．，＂InternetQoS：ABigPicture，＂IEEENetwork，March／Apirl1999．
11 S，Blake，etal．＂AnArchitectureforDifferentiatedServices，＂RFC2475，Dec．1998．
12 IETFDifferentiated Services Working Group Chater．http：／／www．ietf．org／charters／diffserv－charter．html．
13 K．Nichols，V．Jacobson，and L．Zhang，＂ATwo－BitDifferentiated Services Architecture for the Internet，＂RFC2638，July 1999．
摘自 北极星电技术网
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