IPv6在QoS控制策略方面的应用

IPv6在QoS控制策略方面的应用

高天

摘要:IPv6在其报头中设置了流标记和优先级两个字段，利用这两个字段可以进行服务质量（QoS）控制。结合IPv6报头结构，具体分析其新增功能，并讨论了依靠流标记和优先级两个字段来实现QoS控制的机理。

关键词:QoS；IPv6；流标记；优先级

1概述

随着网络多媒体技术的飞速发展，互联网上的多媒体应用层出不穷，Internet已逐渐从单一的文本传输网向文本、语音、图像等多媒体信息的综合数据传输网演化。如何保证网络服务质量（QualityofService，QoS），提升Internet的网络性能，使这些综合数据的传输更加流畅，已经成为人们最为关注的问题。

QoS（服务质量），在互联网领域，是指网络在传输数据流时要求满足的一系列服务请求，具体为数据包的平均速率、最大速率、延迟时间、抖动、丢包率等指标。当前，在IPv4协议下的QoS控制机制已逐渐无法满足实时业务的高要求。因此，以对实时通信支持性更好的IPv6代替IPv4支撑起下一代Internet，将成为互联网发展的必然趋势。

2IPv6的优越性

起初，IPv6是为解决IPv4中32位IP地址即将耗尽的问题而提出的。IPv6从IPv4发展而来，保持了IPv4中大多数的原理及应用。但同时，它又对IPv4前瞻性地加以改进，其中最突出的就是IPv6对QoS控制的支持。

2.1解决地址不足

IPv6的地址从32bits扩展到128bits，从而在理论上拥有相当多的网络节点，彻底解决了IPv4地址不足的问题。新的地址结构支持多层次地址编码，提供了更多的地址类型，满足了各种实时业务的要求。

2.2简化报头

IPv6的报头只有40Bytes，比IPv4的报头要简单得多，而且是固定的长度,从而减少了因加入复杂算法而引起的开销，同时减轻了路由器存储转发的压力，提高了网络吞吐量。IPv6的报头格式如图1所示：

版本：标志IP协议的版本；优先级：标志数据包在进行流量及拥塞控制时丢弃的顺序；流标记：用于在源地址和目的地址之间建立特定的数据连接；负载长度：标志在头后数据包中所承载用户数据的大小；下一报头标：标志紧跟这个报头的扩展报头类型；跳数限制：标志数据包的生存时间。

2.3对选项的改进

IPv6对报头选项的编码进行了改进，允许数据包更有效地转发；减少对选项长度的限制，并给未来引入新选项提供更大的灵活性。

2.4增强安全性

在IP协议设计之初并没有考虑安全性问题，而IPv6实现了IP级的安全。IPv6主要有三个方面的安全机制，即数据包确认、数据包的保密和数据包的完整。这些安全功能具体在其扩展数据报中实现。

3IPv6的QoS控制策略

为更好地支持网络QoS，IPv6中定义了流标记和优先级两个字段，用来提供通信服务质量保证，使吞吐量、延时和抖动保持在一定限度内。

3.1流标记字段实现QoS控制的机理

流标记字段由源节点用来给需要IPv6路由器特殊处理的分组加以标记，例如非缺省服务质量或实时服务。特殊处理的实质是让路由器按照一个协议，如资源预留协议（RSVP）或隐藏在流标记域里的信息像”跳到跳“这样的选项来处理数据。一个流由一个源地址和一个非零的流标记字段共同且唯一确定，不属于一个流的数据包则将流标记字段置为零。发送时，所有属于同一流的数据包必须具有同样的源地址、目的地址和非零的流标记。如果流中有某个分组包含逐跳选项，则流中所有其余分组都必须具有相同的逐跳选项内容；如果流中有某个分组包含路由选项，则流中所有其余分组都必须在扩展头标中包含相同的路由选项内容。路由器或目标地址允许验证这些条件是否满足，如果检测到错误，网络通过ICMP（Internet控制消息协议）将出错消息报告给源地址，并指出出错的流标记字段。

新的流标记由发送流的源节点从000001到FFFFFF（十六进制）中随机地选择，其目的是使流标记字段内任意的一组bit适合于被路由器用来作为Hash关键字，以便查找与流相关联的状态信息。

引入流标记字段对QoS控制的发展具有重要意义。将流标记和信源地址组合，即可分辨网络中特定的业务流。特定流的业务量在网络中将会受到不同的处理。利用流标记还可支持高级的QoS应用，例如传送数字视频信息，要求网络提供相应的带宽、缓存空间、处理能力等资源，为保证视频信息成功传送，应用可事先预留这些资源，形成虚电路，在传送视频信息时可在应用的数据报头中利用流标记的指示许可来使用预留的资源，无须再另建立虚电路。

3.2优先级字段实现QoS控制的机理

某个数据包相对于进入同一网络的其他数据包的重要程度由该字段的值定义。利用优先级字段，应首先区分两大业务量，即受拥塞控制的业务量优先级和不受拥塞控制的业务量优先级，然后再进一步确定各类的优先级。系统发送受拥塞控制的业务量时，它将不断地检测网络的拥塞状况，信源一旦检测出拥塞，就放慢操作，减少送入网络的业务量，以缓解网络拥塞。在IPv6的报头中分组的优先级由4位表示，它将数据包分成16级，并按照以上业务量的不同分成两类（每类8个优先级），分别用于不同拥塞控制机制中。

第一类为0～7优先级，应用于网络发生拥塞时通过减少数据分组的发送速度来实现拥塞控制的数据分组，使用该类优先级的发送设备必须能提供拥塞控制机制，而且分组到达目的地时允许延时有少量变化，甚至允许分组按不同的顺序到达。IPv6对0～7优先级推荐使用如下分级：

0—普通数据；

1—补白数据（如网络新闻）；

2—独立传输的数据（如电子邮件）；

3—保留待用；

4—大批量传输的数据（如FTP，NFS等）；

5—保留待用；

6—交互数据（如Telnet等）；

7—Internet流量控制数据（如路由协议，SNMP等）。

第二类为8～15优先级，应用于一些实时性很强的业务（如语音和视频业务）；它在网络拥塞时不作任何减少流量的控制，要求平滑的数据传输速率和传输延时，对于丢失的分组，重发毫无意义。其中，发送者在拥塞情况下最想丢弃的分组应使用最低的优先级8（如高清晰度电视的视频流量业务）；而发送者在拥塞情况下最不想丢弃的分组应使用最高的优先级15（如对清晰度要求已经很低的音频流量业务）。

从以上分析可以看出，IPv6主要是通过使用报头中流标记字段和优先级字段进行QoS控制的。与IPv4的QoS控制相比，IPv6新增了流标记功能，并扩大了优先级的范围，应该说在下一代Internet上提供了更强的QoS功能，更适合于多媒体和实时通信的需要。

结束语

随着高速网络的飞速发展，特别是分布式多媒体应用的迅速普及，传统的网络协议已经不能适应新的传输需求。IPv4协议的局限性，决定了网络必将向着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，以便尽可能地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。围绕该问题展开的各项研究工作，将有利于IPv6协议上的各种网络服务的发展和应用。

参考文献

[1]赵晓宇，马严，李振强.IPV6技术揭密——现代IP技术丛书[M].北京：人民邮电出版社，2006,4,1.

[2]余燕忠，王勇，刘建华.IPv6的服务质量机制分析[J].上海电力学院学报，2002,8,1.

[3]张尧学，王小春，赵艳标等.计算机网络与Internet教程（第2版）[M].北京：清华大学出版社，2006.