IPv6下的QoS体系

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江平

　　[文章导读]

　　对QoS问题认识的深刻程度将直接影响IPv6在今后网络中的实际应用效果。

　　[正文]

　　IPv6的提出首先是由于IPv4的地址空间不足引起的，而其所涉及的领域远不止于此。越来越多的应用加载在IP网络之上，而对更高的质量保证等要求是网络应用的一个关键因素，对QoS问题认识的深刻程度将直接影响IPv6在今后网络中的实际应用效果。

　　视频应用为时间灵敏性特别高的应用，其要求实时性和服务质量管理(QoS)，但是网上众多的应用多为尽力而为类数据。此类数据的特点是突发性强，这种突发性严重影响时间灵敏性特别高的应用，使这些应用的时延加大，同时出现抖动，从而产生严重的后果。例如，视频会议无法正常进行，产生图像马赛克效应，声音时断时续，甚至没有图像和声音。

　　1981 年制定的IPv4协议正面临许多挑战：地址空间匮乏；网络安全漏洞多；服务质量难以保证；不易开展新业务；移动性支持有限，难以满足3G网络发展需求等等。因此，为了解决上述问题，下一代互联网协议IPv6的发展应运而生。

　　IPv6以其超大地址容量可以轻松解决这个问题。解决了地址问题，实现端到端级实时通信基本上就不会有什么瓶颈了。而除了地址问题，IPv6对网络服务质量的作用也作了重大改进，将很大程度上改善服务质量。

　　从“4”到“6”的主要变化

　　扩展编址功能和自动配置机制

　　IPv6的地址大小增加到128位。这解决了IPv4地址空间有限的问题，并提供了一个更深层次的编址层级以及更简单的配置。终有一天，你会忘却32位IP地址的感觉。网络管理员会喜欢协议内置的自动配置机制；多播路由得到了改进，多播地址通过一个范围字段得到了扩展；此外，还引进了一种新的地址类型，叫做Anycast(任播)地址，可以向工作组最近的单个成员发送消息。

　　报头格式的简化

　　IPv6的报头固定为40字节。这刚好容下8字节的报头和两个16字节的IP地址(源地址和目的地址)。IPv6的报头中去掉了IPv4报头中的一些字段，或者是将其变为可选项。这样，数据包可以在低处理消耗下更快地进行操作。

　　改进的扩展和选项支持

　　对于IPv4，选项集成于基本的IPv4报头中。而对于IPv6，这些选项被作为扩展报头(Extension header)来处理。

　　扩展报头是可选项，如果有必要，可以插入到IPv6报头和实际数据之间。这样，IPv6数据包的生成变得很灵活且高效。IPv6数据包的转发效率要高很多。将来，要定义的新选项能够很容易地进行集成。

　　身份验证和私密性的扩展

　　IPv6指定了固有的对身份验证的支持，以及对数据完整性和数据机密性的支持。

　　流标签功能

　　属于同一传输流，且需要特别处理或需要服务质量的数据包，可以由发送者进行标记。实时服务就是这种应用的典型例子。

　　更简单的报头更快的处理速度

　　即使IPv6报头的总长度是默认的IPv4报头的两倍长，达到了40字节，但它实际上还是被简化了的，因为报头的绝大部分被两个16字节的IPv6地址占据。这样，只剩8个字节可供其他报头信息使用。

　　IPv4报头的长度可以从最小的20字节扩展为60字节，以便指定选项，如安全选项(Security Option)、源路由(Source Routing)或时间戳(Timestamping)。这项功能很少使用，因为会降低性能。例如，IPv4硬件转发实现必须把包含选项的数据包传递给予主处理程序(软件处理)。

　　数据包的报头越简单，处理过程就越快。IPv6采用新方法来处理选项，显著地改善了处理速度，保证对数据报文的高速转发和较低的延时，提高了QoS。

　　IPv6下的ICMP变化

　　IPv4试图通过IP报头的服务类型(Type of Service, ToS)字节对流量进行分类，却没有在整个互联网范围内取得成功，因为ToS字节是基于应用程序，根据业务流量属性进行公正的自我分类。在互联网早期的多媒体应用还少，因此对于解决此问题并没有实质性进展，并且从来没有统一地使用ToS字节。

　　IP的重新设计为解决QoS以及其他一些新增功能等问题提供了契机。在IPv6中，不同的服务类别同样可以由不同的多播组实现，比如，可以定义同一音频流量的四种不同类别，每种都按不同品质进行编码(如5.5KHz、11KHz、22KHz和44KHz)。在这种范例下，甚至无须显式地表示优先级，因为它是和各多播组(必须通过由路由器和终端系统执行的不同的队列和处理来操作)隐式绑定的。

　　现有的IPv6 ICMP(多播回放控制消息机制)可被用来塑造发送方和中间路由器的流量特点。不利的方面是，发送者将不得不多次提供基本相同的数据(但品质不同)，接收方需要知道预订哪个组，以便匹配特定的传输和终端系统功能。使用此范例的智能本地决定也包括对流量特征的监督以及在不同品质的多播信道之间动态切换。例如，要传输高品质(44KHz)的音频，分级编码可以用于编码为基本音频数据包的数据，其中包含5.5KHz品质的数据，第二个数据包包含5.5KHz～11KHz的数据，第三个数据包包含11KHz～22KHz的数据，而第四个数据包包含22～44KHz的数据。路由器则可以在拥塞的情况下，按第四、第三、第二和第一的顺序进行丢包处理。音频品质可能不同，但音频数据包只会在所有数据包都被丢弃的情况下才完全丢失。基于分类/优先级的QoS的副作用是，额外增加了发送者的负担(例如，IP报头管理和分级编码)，并且接收方得到的服务质量不同，也得不到保障。

　　与QoS直接相关的元素

　　IPv6协议在IP Base (基本) 和Extension(扩展)报头中包含了少量与特定于QoS的服务元素，可以按不同方式使用并可综合应用。

　　IPv6基本报头中与QoS直接有关的服务元素包括流和相应的流标签。

　　Traffic Class (流量类别)

　　该节段代替了IPv4中的Type of Service字段，它有助于处理实时数据以及任何需要特别处理的数据。发送节点和转发路由器可以使用该字段来识别和分辨IPv6数据包的类别和优先级。

　　流是从某个特定源发送到某个特定(单播或多播)目的地的一系列数据包，源需要由中间路由器进行特殊处理。该特殊处理的类型可以通过相应的控制协议(如RSVP)传送给路由器，或者通过流数据包自身的信息，如IP Base报头或Hop-by-Hop Extension报头。从发送者到接收者之间可能有多个活动流，以及和任何流都无关的数据流量。IP协议中的流通过源IP地址和非零流标签标识符的组合惟一地进行识别。不属于流的数据包的流标签为全零。

　　Flow Label(流标签)

　　该字段区分需要相同处理的数据包，以此来促进实时性流量的处理。发送主机能够用一组选项标记数据包的顺序。路由器跟踪数据流并更有效地处理属于相同数据流的数据包，因为他们无须重新处理每个数据包的报头。数据流由流标签和源节点的地址惟一标识。不支持Flow Label字段功能的节点需要在转发数据包时不加改变地传递该字段，并在接收数据包时忽略该字段。属于同一数据流的所有数据包必须具有相同的源IP地址和目的IP地址。

　　IPv6报头中包含了一些关于控制QoS的信息(流类别和流标记)，通过路由器的配置可以实现优先级控制和QoS保证，将很大程度上改善服务质量，保障从VoIP到视频流的高质量传输。这也是美国国防部采用IPv6的重要原因之一。改善的QoS不仅使五角大楼能够获得了更好的传输服务，还允许军方根据不同的需要为信息分配不同的传输路径、所需带宽或者加密等级。例如，在一场战争中，对从战地指挥部发出的一封有关假期的邮件只分配很低的QoS，相反，指挥官与重要军官之间的VoIP电话将分配到很高的QoS。美国国防部将让所有类型的拓扑和平台都使用QoS标记。

　　另外，今天互联网上的QoS还远没有标准化，设备制造商和网络平台采用不同的QoS机制，当数据离开某个IP网络到达下一个网关的时候，QoS的定义会突然发生变化。现在，向IPv6的过渡将给QoS的标准化提供一个很好的机会。因此IPv6产品必须通过产品测试和互操作性公开测试，同时为终端用户提供有关设备互通和一致性测试的信息。