IPv6 QoS及其实现探讨

现在的信息网络可以用"Everything over IP"和"IP over Everything"来概括。业界基本达成共识，IP网络将成为下一代信息网络的基础设施。 但自由、开放和"Best Effort"的IP网络，在担负这样的责任时，还需要大量的改进。

　　一方面，由于宽带网络的高速发展、NGN(下一代网络)和3G网络的大规模部署以及家庭网络等即将成为现实，需要大量的IP地址，而目前广泛使用的IPv4地址，由于总量的缺乏以及分配的不公平性等原因存在严重短缺，在不久的将来势必耗尽。所以，早在10多年前，鉴于当时B类地址需求高速增长，眼看地址耗尽指日可待，一度造成恐慌而发展了具有巨大地址空间的IPv6技术。同时，也发展了CIDR(无级别域内路由选择)和保留地址/NAT技术，以进一步延缓IPv4地址的消耗速度。另一方面，IPv4在地址自动配置、QoS、安全性以及移动性等方面也难以满足下一代网络的发展要求，因此，IPv6不仅仅解决地址问题，也在其他方面做了相应的改进。

　　本来希望IPv6一劳永逸地解决一系列问题，但经过10多年的发展，许多目标并没有实现，包括下面将要讨论的IPv6 QoS问题。

　　IPv6 QoS基本情况

　　和IPv4相比，IPv6在QoS方面提供了更多的措施，以期改善甚至彻底解决网络的服务质量问题。最初的想法是，根据当时IP QoS的研究进展，引入Flow Label机制，帮助处理QoS。由于受到当时网络技术发展水平的限制，第一个比较成熟的成果在1994年前后才推出，即所谓的Int-Serv模型。该模型在信息传递之前，使用资源预留协议(RSVP)建立一个可以保证QoS各有关指标的一个通道。这种想法似乎是可行的，因为和它相类似的ATM技术在QoS上获得了较大的成功，或者说后者的一个主要特点就是解决了QoS问题(当然，各有关技术还在不断发展之中)。但是，Int-Serv并没有获得广泛的应用。今天再来分析其原因，可以发现，ATM网络支持的电路/流的数量，基本上是以千条(thousands)为单位实施扩展的;而IP网络，特别是Internet这样的全球网络，其业务流基本上是以百万条(millions)为基本单位的，这对于网络中的路由器设备来说，很难支持如此大量的软状态。同时，也存在跨多个运营商进行资源预留管理等问题。后来进一步发展了Diff-Serv模型，它基于对网络业务的分类来简化处理的类别，从而解决了可扩展性问题，为IP网络的QoS提供了一个可行的解决方案。但是，Diff-Serv模型并不能提供一个端到端的解决方案，其对IP QoS的实现，需要通过与PHB(Per-Hop-Behavior)、网络流量规划或者流量工程(Traffic Engineering，TE)等措施联合提供。

　　IPv6 QoS定义

　　IP QoS的实现，需要网络中所有相关元素的全面支持，包括应用、终端和网络设备等。在基本的IP协议层面，提供一些字段的定义，用于支持QoS的实现。IPv6同样如此。

　　IPv6包头格式

　　IPv6的报头格式如图1所示(图中同时显示了IPv4报头格式，以示对比)。和IPv4相比，IPv6采用更规整的结构，便于使用硬件进行高速处理。IPv6定义了一个固定长度的基本报头，其他的一些选项归类为扩展报头，其中包括每一个网络节点都必须处理的Hop by Hop报头等。

　　从图中可以看出，IPv6有两个字段与QoS有关，分别为流量类别(Traffic Class，TC)和流标签(Flow Label，FL)字段。流量类别字段有8位，和IPv4的服务类型(ToS)字段功能相同，用于对报文的业务类别进行标识;流标签字段有20位，用于标识属于同一业务流的包。流标签和源、目的地址一起，惟一标识了一个业务流。同一个流中的所有包具有相同的流标签，以便对有同样QoS要求的流进行快速、相同的处理。

　　流标签规范

　　流标签规范定义了流以及与流标签有关的一些基本规范，同时提出了不少建议草案。这里摘要简单介绍。

　　流是从某一源节点发往某一单播、任播或组播地址的目的节点的一系列包。源节点用流标签标识一个流。一个具体的传输连接或媒体流中的所有包都属于一个流。当然，并非一个流必须和一个传输连接 1:1对应。

　　流标签在高效处理方面具有特别的优势。和五元组相比，IPv6的源地址、目的地址以及流标签都出现在基本报头中。而五元组则由于或者是报文的分段，或者是加密，或者是协议在多个扩展的报头之后才可以取得，因此在处理的效率上要差一些。

　　当然，由于流标签处在一个非常暴露的位置，在抵抗服务盗用以及DoS(拒绝服务)攻击方面比较脆弱，需要一定的措施来保护。一般需要一个比较信任的环境，或者启用入境(ingress)过滤等防范措施。

现在，流标签规范还只是一个框架，并没有对流标签的使用做出明确的定义，只规定了一些非常原则的内容，主要包括：(1)IPv6流支持