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1、引言
網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的演變和寬帶技術的發(fā)展推動并加快了傳統(tǒng)網(wǎng)絡向下一代網(wǎng)絡（NGN）的演進。隨著網(wǎng)絡規(guī)模的擴大、應用的逐步擴展，特別是具有實時要求的新興業(yè)務（如VoIP、視頻會議、多媒體遠程教學、視頻點播等）不斷出現(xiàn)，更要求通信網(wǎng)絡能提供高效的端到端的服務質(zhì)量支持；同時用戶對網(wǎng)絡服務質(zhì)量（QoS，QualityofService）的要求也越來越高。因此，如何提供端到端的QoS將是NGN的核心問題之一。
2、NGN的體系結(jié)構(gòu)及其QoS問題
2.1NGN體系機構(gòu)
NGN是以軟交換為核心，采用開放、標準體系結(jié)構(gòu)，能夠同時提供話音、視頻、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務。
軟交換技術是下一代業(yè)務網(wǎng)絡的核心技術，也是NGN的關鍵技術之一。軟交換的基本含義是把呼叫控制從媒體網(wǎng)關中分離出來，通過服務器上的軟件實現(xiàn)基本呼叫控制功能，包括呼叫選路、管理控制、連接控制、（建立會話、拆除會話）和信令互通。軟交換的主要設計思想是業(yè)務/控制與傳送/接入分離，各實體間通過標準的協(xié)議進行連接和通信，其主要功能包括以下幾部分：1）呼叫控制功能；2）業(yè)務提供功能；3）業(yè)務交換功能；4）互通功能；5）SIP代理功能；6）計費功能；7）網(wǎng)管功能；8）路由、地址解析和認證功能；9）H.248終端、SIP終端、MGCP終端的控制和管理功能；10）七號信令（即MTP及其應用部分）功能；11）H.323終端控制、管理功能（任選）。
軟交換的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1軟交換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
2.2NGN中的QoS問題
就QoS而言，軟交換網(wǎng)絡和Internet有兩個重要的不同之處。首先，軟交換網(wǎng)絡是一個多媒體通信網(wǎng)絡，不但要支持IP網(wǎng)絡的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)應用，而且要支持高質(zhì)量的實時音視頻通信業(yè)務。其次，軟交換網(wǎng)絡是一個商業(yè)運營網(wǎng)絡，必需向用戶提供承諾的服務質(zhì)量，而且需根據(jù)所提供的服務質(zhì)量計費。因此，必須根據(jù)不同的應用需求，提供相應的QoS。
在技術上，軟交換網(wǎng)絡和傳統(tǒng)的GSTN也有很大的不同。GSTN是電路交換網(wǎng)絡，當網(wǎng)絡話務量大到一定程度時，由于網(wǎng)絡資源全部被占用，交換機將拒絕后來的呼叫請求。拒絕一個呼叫只影響一個用戶，對于正在進行中的呼叫沒有任何影響。軟交換網(wǎng)絡是資源統(tǒng)計復用的分組網(wǎng)絡，當網(wǎng)絡業(yè)務量增大時，網(wǎng)絡資源使用出現(xiàn)擁塞，后續(xù)的呼叫雖然仍可以進入網(wǎng)絡，但是其QoS將下降，不但如此，正在進行中的呼叫的QoS也將受到影響。因此，軟交換網(wǎng)絡中的QoS問題比GSTN中的要復雜的多。
在NGN中實現(xiàn)端到端的QoS包括以下方面：端到端的涵義、邊界的定位、UNI的范圍；定義端到端的多媒體QoS等級和單個媒體流注冊QoS等級的方式；準入控制和資源管理，包括網(wǎng)絡層實體和應用層實體之間的互操作；指明在網(wǎng)內(nèi)如何用低層的QoS機制獲得高層的QoS以及低層的域內(nèi)QoS控制。
3、QoS框架模型和關鍵技術
3.1QoS框架模型
NGN中支持QoS的框架模型的核心是一系列用以控制網(wǎng)絡性能、防止網(wǎng)絡資源爭用的模塊，可歸納為設計多個平面的綜合技術：管理平面、控制平面和數(shù)據(jù)平面，如圖2所示。
圖2 QoS框架模型
管理平面：需要定義SLS、管理策略和度量標準，據(jù)此配置整個網(wǎng)絡的資源。
控制平面：需要進行接納控制、支持流量工程的QoS選路和資源預留。
數(shù)據(jù)平面：需要對數(shù)據(jù)流進行整形、管制、排隊等一系列處理，并實施緩存管理和擁塞避免控制。
3.2QoS實現(xiàn)的關鍵技術
3.2.1綜合服務模型和資源預留協(xié)議（IntServ/RSVP）
IntServ/RSVP服務模型在IETFRFC1633中進行了定義。RFC1633將資源預留協(xié)議RSVP作為IntServ結(jié)構(gòu)中的主要信令協(xié)議。其基本思想就在于以資源預留的方式來實現(xiàn)QoS保障，RSVP是其核心部分。
在服務層次上，IntServ/RSVP提供了3種級別的業(yè)務：
1）端到端的質(zhì)量保證型服務：保證帶寬、限制延遲、無丟包。
2）可控負載型服務：類似于在當前的一個負載較輕網(wǎng)絡中實現(xiàn)的盡力而為業(yè)務的服務質(zhì)量。
3）盡力而為的服務：類似當前Internet在提供的盡力而為的服務。
在結(jié)構(gòu)層次上，IntServ/RSVP服務模型主要由四個部分構(gòu)成：信令協(xié)議RSVP，接入控制器，分類器以及包調(diào)度器。
在實現(xiàn)層次上，綜合服務需要所有路由器在控制路徑上處理每個流的信令消息并維護每個流的路徑狀態(tài)和資源預留狀態(tài)，在數(shù)據(jù)路徑上執(zhí)行流的分類、調(diào)度和緩沖區(qū)管理。具體而言，資源預留協(xié)議RSVP負責逐點地建立或者拆除每個流的資源預留軟狀態(tài)，也即建立或拆除數(shù)據(jù)傳輸路徑；接入控制器根據(jù)鏈路和網(wǎng)絡節(jié)點的資源使用情況以及QoS請求的具體要求，來決定是否接受一個資源預留請求；分類器則對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進行分類成傳輸流，IntServ常用的分類器是多域分類器，當路由器接收到數(shù)據(jù)包時，它根據(jù)數(shù)據(jù)包頭部的多個域?qū)?shù)據(jù)包放入相應的隊列中；調(diào)度器則根據(jù)不同的策略對各個隊列中的數(shù)據(jù)包進行調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)。
IntServ/RSVP可提供嚴格的端到端細粒度的服務質(zhì)量，但其擴展性差，對網(wǎng)絡節(jié)點要求高，要求源到目的間途經(jīng)的所有路由器都需維護，還要求處理各流的狀態(tài)信息，對于網(wǎng)絡核心路由器來說，處理和維護大量的流狀態(tài)信息并支持IntServ/RSVP的節(jié)點機制將極大的增加路由器的負擔和網(wǎng)絡管理的復雜度。
3.2.2區(qū)分服務（DiffServ）
DiffServ通過在IP頭設置DSCP（DiffServCodePoint）值，為業(yè)務定義了一組每跳行為PHB（PerHopBehavoir），根據(jù)不同的DSCP，DiffServ采用不同的PHB，從而為用戶提供不同等級的區(qū)分服務。用戶為獲得定制的服務質(zhì)量，先與服務提供商協(xié)商SLA，然后網(wǎng)絡邊界路由器通過對報文分類、整形和策略，將具有相同DSCP的大量業(yè)務流匯聚成少數(shù)的聚合流，DS域的內(nèi)部節(jié)點只根據(jù)與DSCP對應的PHB對報文進行轉(zhuǎn)發(fā)。
與IntServ類似，DiffServ也定義了三種服務類型：
1）盡力而為的服務：類似于目前Internet上盡力而為的服務。
2）獎賞服務：為用戶提供低延遲、低抖動、低丟包率和保證帶寬的端到端或者網(wǎng)絡邊界到邊界的傳輸服務。
3）確保服務：確保服務通過控制丟包優(yōu)先級，提供比“盡力而為”服務更好的服務。
DiffServ采用聚合的機制將具有相同特性的若干業(yè)務流聚合起來，為整個聚合流提供服務，而不再面向單個業(yè)務流。也就是說在DiffServ網(wǎng)絡邊界路由器上保持每流狀態(tài)，核心路由器只負責數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)而不保持狀態(tài)信息。因而，DiffServ具有良好的擴張性，實現(xiàn)簡單。但其很難做到基于流的端到端的QoS，并且QoS的顆粒度也較差。
3.2.3多協(xié)議標簽交換
多協(xié)議標簽交換（MPLS）將靈活的三層IP選路和高速的二層交換技術完美地結(jié)合起來，從而彌補了傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡的許多缺陷。它引入了“顯式路由”機制對QoS提供了更為可靠的保證。
MPLS網(wǎng)絡主要由標簽交換邊緣路由器LER和標簽交換路由器LSR組成。當數(shù)據(jù)流進入MPLS網(wǎng)絡時，入口標簽交換邊緣路由器LER首先將數(shù)據(jù)流映射到某個轉(zhuǎn)發(fā)等價類FEC，再根據(jù)FEC為每個分組加上固定長度的短標簽。每個FEC對應的標簽是由基于限制路由的標簽分發(fā)協(xié)議CR-LDP根據(jù)路由協(xié)議（如OSPF協(xié)議等）以及考慮到帶寬的可用性和業(yè)務特性分發(fā)給各個LSR和LER的。進入MPLS網(wǎng)絡以后，標簽交換路由器LSR只是僅僅根據(jù)分組所攜帶的標簽進行交換式轉(zhuǎn)發(fā)，從而提高了轉(zhuǎn)發(fā)速度。另外，CR-LDP在分發(fā)標簽時充分考慮了帶寬的可用性和業(yè)務特性，避免了擁塞的發(fā)生，充分利用了網(wǎng)絡帶寬資源。
MPLS有兩種途徑對QoS支持：一是讓標記本身就具有服務質(zhì)量ToS（TypeofService）的意義：LER事先把標記空間分成多個區(qū)間，不同區(qū)間的標記具有不同的服務質(zhì)量，在為新數(shù)據(jù)流分配標記時，根據(jù)其QoS的不同為其分配相應區(qū)間的標記；另一途徑是讓標記條目中的ExP域來標識傳送分組的ToS。MPLS數(shù)據(jù)包的服務質(zhì)量類型就由ToS等參數(shù)來決定。LER根據(jù)ToS來決定輸出隊列和丟包優(yōu)先級。同時，通過對特殊路由的管理，還能有效的解決網(wǎng)絡中的負載分擔和擁塞問題。在MPLS之前的綜合服務和區(qū)分服務只能解決一部分服務質(zhì)量問題，只有MPLS才是一種最全面的服務質(zhì)量保證體系。
3.3數(shù)據(jù)平面技術
數(shù)據(jù)處理技術是指當數(shù)據(jù)流被準許進入網(wǎng)絡以后，在傳輸路徑上的每個節(jié)點對它的處理過程。數(shù)據(jù)處理操作應該保證數(shù)據(jù)流量符合合約的規(guī)定，保證高級別業(yè)務流優(yōu)先得到服務，保證所有業(yè)務都能獲得應分配的帶寬、緩存和處理器等網(wǎng)絡資源，實現(xiàn)資源的統(tǒng)計復用。數(shù)據(jù)流處理包括分類、整形、管制、標記、排隊和調(diào)度技術。相對來說，這些技術已經(jīng)比較成熟，不再做詳細介紹。
4、總結(jié)
本文首先從NGN的內(nèi)涵和體系結(jié)構(gòu)出發(fā)，闡明了NGN中QoS問題，然后著重介紹了QoS的框架模型、實現(xiàn)QoS的關鍵技術以及簡要介紹了數(shù)據(jù)平面技術。有關NGN中QoS的分層控制模型已基本趨于一致，但實現(xiàn)技術尚有很大空缺，尤其是接納控制模型和算法、網(wǎng)絡資源規(guī)劃和配置、動態(tài)SLA協(xié)商和準入、多域QoS控制等問題有待深入研究。
QoS問題是一個十分復雜的問題，NGNQoS的最終解決也是一個長期的過程。在對于NGNQoS的研究和實驗中，應該把握如下的原則：以滿足NGN業(yè)務的QoS需求為導向；保持IP的基本優(yōu)點：簡單性、靈活性；充分考慮業(yè)務的QoS管理機制；盡量對用戶透明，隱藏網(wǎng)絡的復雜性；具有可操作性，能夠在現(xiàn)有網(wǎng)絡上應用和部署；QoS的部署應分階段。
