IP QoS研究的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

　　目前，隨著電信業(yè)務(wù)的引入，IP網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量（IP QoS）成為下一代Internet的重要研究課題。由于IP協(xié)議的無連接特性和IP網(wǎng)絡(luò)松散的控制管理方式，使這項研究面臨很大的挑戰(zhàn)。IP QoS的研究范圍十分廣泛，不僅包含路由和業(yè)務(wù)流量控制，還涉及到網(wǎng)絡(luò)管理、計費和網(wǎng)絡(luò)測量。本文將重點介紹當(dāng)前主要的IP QoS技術(shù)，移動IP網(wǎng)的QoS解決方案，QoS管理和測量技術(shù)，并討論IP QoS研究的發(fā)展趨勢。

當(dāng)前主要的IP QoS技術(shù)

　　當(dāng)前主要的IP QoS技術(shù)有集成服務(wù)（IntServ），區(qū)分服務(wù)（DiffServ），QoS路由和MPLS。

1．集成服務(wù)（IntServ）

　　集成服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)和參考框架見文獻(xiàn)[1]。集成服務(wù)的基本思想是在傳送數(shù)據(jù)之前，根據(jù)業(yè)務(wù)的QoS需求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留，從而為該數(shù)據(jù)流提供端到端的QoS保證。

　　資源預(yù)留協(xié)議RSVP[2]是集成服務(wù)的核心。這是一種信令協(xié)議，用來通知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點預(yù)留資源。如果資源預(yù)留失敗，RSVP協(xié)議會向主機(jī)發(fā)回拒絕消息。

　　集成服務(wù)能夠在IP網(wǎng)上提供端到端的QoS保證。但是，集成服務(wù)對路由器的要求很高，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流數(shù)量很大時，路由器的存儲和處理能力會遇到很大的壓力。因此，集成服務(wù)可擴(kuò)展性很差，難以在Internet核心網(wǎng)絡(luò)實施，目前業(yè)界普遍認(rèn)為集成服務(wù)有可能會應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)的邊緣上。

2．區(qū)分服務(wù)（DiffServ）

　　區(qū)分服務(wù)的基本思想是將用戶的數(shù)據(jù)流按照服務(wù)質(zhì)量要求來劃分等級，任何用戶的數(shù)據(jù)流都可以自由進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時，級別高的數(shù)據(jù)流在排隊和占用資源時比級別低的數(shù)據(jù)流有更高的優(yōu)先權(quán)。區(qū)分服只承諾相對的服務(wù)質(zhì)量，而不對任何用戶承諾具體的服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)。IETF定義了區(qū)分服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)[3] [4]。

　　在區(qū)分服務(wù)機(jī)制下，用戶和網(wǎng)絡(luò)管理部門之間需要預(yù)先商定服務(wù)等級合約（SLA），根據(jù)SLA,用戶的數(shù)據(jù)流被賦予一個特定的優(yōu)先等級，當(dāng)數(shù)據(jù)流通過網(wǎng)絡(luò)時，路由器會采用相應(yīng)的方式（稱為每跳行為PHB）來處理流內(nèi)的分組。

　　區(qū)分服務(wù)只包含有限數(shù)量的業(yè)務(wù)級別，狀態(tài)信息的數(shù)量少，因此實現(xiàn)簡單，擴(kuò)展性較好。它的不足之處是很難提供基于流的端到端的質(zhì)量保證。目前，區(qū)分服務(wù)是業(yè)界認(rèn)同的IP骨干網(wǎng)的QoS解決方案，但是由于標(biāo)準(zhǔn)還不夠詳盡，不同運營商的DiffServ網(wǎng)絡(luò)之間的互通還存在困難。

3．QoS路由

　　現(xiàn)在的Internet路由協(xié)議（OSPF、RIP等）都采用單個測度（如跳數(shù)、成本）來計算最短路由，沒有考慮多個QoS參數(shù)的要求。QoS路由根據(jù)多種不同的度量參數(shù)（如帶寬、成本、每一跳開銷、時延、可靠性等）來選擇路由。QoS路由包括三個主要功能：鏈路狀態(tài)信息發(fā)布，路由計算和路由表存儲。

　　QoS路由能夠滿足業(yè)務(wù)的QoS要求，同時提高網(wǎng)絡(luò)的資源利用率。但是QoS路由的計算十分復(fù)雜，增加了網(wǎng)絡(luò)的開銷，目前實用的QoS路由算法還不多見。

4．MPLS

　多協(xié)議標(biāo)簽交換MPLS并不是主要的QoS機(jī)制，也不是QoS的體系結(jié)構(gòu)，但MPLS的顯式路由功能大大增強了在IP網(wǎng)絡(luò)中實施流量工程的能力。對于骨干網(wǎng)業(yè)務(wù)提供者來說，這是目前使用最普遍，可實現(xiàn)性最強的一種QoS機(jī)制。

　　以上四種QoS技術(shù)可以結(jié)合使用。例如IntServ 和Diffserv結(jié)合，在核心網(wǎng)采用Diffserv，在接入網(wǎng)采用IntServ。又如MPLS和Diffserv結(jié)合，或MPLS和QoS路由結(jié)合。目前MPLS+DiffServ技術(shù)最有可能成為IP網(wǎng)絡(luò)運營商首選的QoS方案。

移動IP網(wǎng)的QoS解決方案

　　移動互聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和資源都在動態(tài)變化，要提供服務(wù)質(zhì)量保證比固定網(wǎng)更為困難。目前，根據(jù)無線和移動環(huán)境的特點，人們對原有的QoS技術(shù)作了改進(jìn)。

1．移動環(huán)境下的IntServ和RSVP

　　目前的RSVP不適合于移動IP網(wǎng)絡(luò)，主要原因是它無法感知主機(jī)的移動，因而不能在移動主機(jī)即將訪問的位置上提前預(yù)留資源，當(dāng)主機(jī)移動到新的子網(wǎng)后往往因缺乏資源而形成服務(wù)質(zhì)量下降。另外，目前的RSVP不支持經(jīng)過IP隧道的資源預(yù)留，因此不能適應(yīng)移動IP網(wǎng)利用隧道傳送數(shù)據(jù)時的服務(wù)質(zhì)量要求。為了克服RSVP的缺陷，學(xué)者們提出了以下4種解決方案：

（1）MRSVP

　　MRSVP[5] 協(xié)議要求預(yù)測主機(jī)未來可能到達(dá)的位置，并在這些位置提前預(yù)留資源。在MRSVP中有主動和被動兩種資源預(yù)留方式，主動資源預(yù)留用于移動主機(jī)當(dāng)前所在的子網(wǎng)，被動資源預(yù)留用于未來訪問的子網(wǎng)。被動預(yù)留的資源可以被子網(wǎng)中其他業(yè)務(wù)流使用，但當(dāng)移動主機(jī)移動到該子網(wǎng)時，網(wǎng)中被動預(yù)留的資源即轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃宇A(yù)留資源，供移動主機(jī)使用，而原來使用這些資源的業(yè)務(wù)流需要立刻釋放所占有的資源。

（2）支持隧道的RSVP

　　文獻(xiàn)[6]提出了一種支持隧道的RSVP方案，該方案建議在隧道的兩個端點之間為通過隧道的總業(yè)務(wù)量預(yù)留資源，這樣，端到端的RSVP會話經(jīng)過隧道時，就沒有必要再考慮隧道中的資源預(yù)留。

（3）基于組播的RSVP

　　文獻(xiàn)[7]提出了一種基于組播的RSVP協(xié)議。在這個方案中，每個移動主機(jī)用一個組播地址來標(biāo)識，所有移動主機(jī)發(fā)送、接收RSVP消息和IP數(shù)據(jù)包都通過組播方式進(jìn)行，主機(jī)的移動可視為組播組成員的變動。該方案還采用了類似于MRSVP的運動預(yù)測機(jī)制，由移動代理將移動主機(jī)下一步將要訪問的位置提前加入到組播樹中，并預(yù)留資源。另一方面，用剪枝的方法將主機(jī)已經(jīng)離開的位置從樹上刪除。

（4）DRSVP

　　DRSVP[8]是一種支持可變服務(wù)質(zhì)量的動態(tài)資源預(yù)留協(xié)議，它使用戶能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源的變化動態(tài)調(diào)整服務(wù)質(zhì)量要求。DRSVP的主要做法是在RESV消息中增加參數(shù)來描述業(yè)務(wù)流的適應(yīng)范圍，通報上、下游的資源“瓶頸”，并引入新的帶寬分配算法，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)資源的動態(tài)變化。這個方案的優(yōu)點是允許預(yù)留的資源有一個波動范圍，從而靈活地支持服務(wù)質(zhì)量需求，并使網(wǎng)絡(luò)資源利用率也得到提高。

2．移動環(huán)境下的DiffServ

　　目前的DiffServ不能滿足移動IP網(wǎng)的要求，主要原因有兩個：一是沒有信令，不能做到實時控制。另一個原因是不能動態(tài)配置服務(wù)質(zhì)量參數(shù)。

　　文獻(xiàn)[9]提出了無線環(huán)境下的DiffServ框架，對DiffServ的功能進(jìn)行了以下擴(kuò)展：

（1）增加信令協(xié)議，用于在移動終端和基站之間傳送控制消息及相關(guān)參數(shù)（如移動終端的能量、當(dāng)前的丟失率等）。

（2）增加對移動性的支持，為移動主機(jī)預(yù)留帶寬，或者賦予移動主機(jī)高優(yōu)先級，使其在切換時能夠搶占低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的帶寬，或使用預(yù)留帶寬來補償無線鏈路的高誤碼損失。

（3）要求基站能夠過濾掉部分不重要信息，以解決有線和無線鏈路速率不匹配的問題，或減少終端的能耗。

　　移動環(huán)境下的QoS策略的發(fā)展趨勢是在核心網(wǎng)采用DiffServ，在無線接入網(wǎng)既可采用IntServ也可采用DiffServ；無線接入網(wǎng)內(nèi)用信令協(xié)議支持動態(tài)資源分配；資源分配信令可以和移動主機(jī)位置管理信令相結(jié)合，以加快資源分配過程，減少信令開銷。另外，動態(tài)資源分配可以和接納控制和無線分組調(diào)度等技術(shù)結(jié)合，更好地解決QoS問題。

IP QoS管理和測量

1．QoS管理模型

　　目前IP網(wǎng)還沒有標(biāo)準(zhǔn)的QoS管理模型，只有兩個很好的參考模型。

　　一個是電信管理論壇TMF提出的TOM（Telecom Operations Map）模型[10]。TOM在電信管理網(wǎng)（TMN）的四層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對每個管理層面的功能和操作進(jìn)行了具體的描述，使其適合IP網(wǎng)絡(luò)的管理。在這個模型中，IP QoS管理主要在業(yè)務(wù)管理層實現(xiàn)。TOM還將業(yè)務(wù)的生命周期分為三個階段：業(yè)務(wù)開通，業(yè)務(wù)保障和業(yè)務(wù)計費。業(yè)務(wù)開通將用戶的QoS要求傳送到網(wǎng)絡(luò)中，并進(jìn)行相應(yīng)的配置；業(yè)務(wù)保障維護(hù)協(xié)商好的QoS，是IP QoS管理的主要階段；業(yè)務(wù)計費進(jìn)行公平合理的計費。TOM模型最有可能成為運營商和設(shè)備制造商提供QoS業(yè)務(wù)的參考標(biāo)準(zhǔn)。

　　另一個模型是IETF提出的基于策略的管理框架[11]。這個框架將網(wǎng)絡(luò)中的一些操作和管理抽象出來，稱為策略（Policy）。網(wǎng)絡(luò)管理者事先定義好一些管理策略，存放到策略信息庫中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備根據(jù)這些策略自動地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)操作。由于策略由網(wǎng)絡(luò)管理者統(tǒng)一制定，因此采用不同QoS技術(shù)的異構(gòu)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一的QoS管理。

2．SLA管理

　　SLA（服務(wù)等級合約）是用戶與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商（ISP）簽訂的關(guān)于服務(wù)質(zhì)量的協(xié)議。ISP根據(jù)SLA來對用戶提供某個等級的服務(wù)和計費。SLA分為靜態(tài)和動態(tài)兩種。靜態(tài)SLA在一定的時間范圍內(nèi)是不變的，與網(wǎng)絡(luò)的狀況（如擁塞程度、負(fù)荷變化）無關(guān)；動態(tài)SLA根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)來協(xié)商和調(diào)整SLA參數(shù)，從而提高網(wǎng)絡(luò)的資源利用率。當(dāng)前，大部分網(wǎng)絡(luò)仍采用靜態(tài)SLA，而動態(tài)SLA還處于研究階段。

　　文獻(xiàn)[12]提出了SLA的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容。SLA中包括一個或多個TCA（流量調(diào)節(jié)合約），SLA和TCA都屬于商業(yè)上的協(xié)議，它們的技術(shù)細(xì)節(jié)分別由SLS（服務(wù)等級規(guī)范）和TCS（流量調(diào)節(jié)規(guī)范）來表述。目前的研究主要集中在SLS和TCS的內(nèi)容定義，現(xiàn)在還沒有這方面的標(biāo)準(zhǔn)。SLA的建模和標(biāo)準(zhǔn)化是當(dāng)前亟待解決的重要問題。

3．QoS資源管理

　　在QoS管理過程中，需要對用戶的業(yè)務(wù)進(jìn)行接納控制。InterServ可以通過資源預(yù)留來達(dá)到這一目標(biāo)，但DiffServ還不能實現(xiàn)端到端的資源預(yù)留和接納控制。為了解決這個問題，出現(xiàn)了帶寬代理BB（Bandwidth Broker）。

　　BB實際上就是一個資源管理器，它收集網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浜凸?jié)點及鏈路狀態(tài)信息，管理網(wǎng)絡(luò)資源，并結(jié)合策略服務(wù)器規(guī)定的策略進(jìn)行接納控制。DiffServ域之間通過BB進(jìn)行SLA協(xié)商,使DiffServ能夠?qū)崿F(xiàn)端到端的接納控制和QoS保障。當(dāng)前，BB的研究是實現(xiàn)QoS管理的又一個重要環(huán)節(jié)。

4．QoS測量

　　QoS測量是一個新的研究課題，它的目的是用測量手段取得網(wǎng)絡(luò)的性能和服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)。顯然，網(wǎng)絡(luò)的QoS控制、維護(hù)、管理和計費都需要QoS測量的支持。QoS測量有不同的分類方法，按照測量過程中測試設(shè)備是否主動發(fā)送探測包可分為主動測量和被動測量兩類；按照測試設(shè)備所處的位置，又可分為基于路由器的測量，端到端測量，以及路由器協(xié)助的測量。QoS測量的內(nèi)容很廣泛，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)，時延、丟包率、帶寬測量，網(wǎng)絡(luò)距離測量，路由器調(diào)度策略和瓶頸緩沖器容量測量，以及路由器流量監(jiān)測。

　　QoS測量需要復(fù)雜的技術(shù)。特別是端到端QoS測量，在沒有路由器參與，兩端設(shè)備時鐘又不同步的情況下，利用信號處理技術(shù)和數(shù)學(xué)分析方法，可以推測網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�，端到端的單向傳輸時延、鏈路時延，鏈路帶寬、路徑上的瓶頸帶寬及可用帶寬，甚至還可以推測網(wǎng)絡(luò)中路由器的調(diào)度策略和緩沖器容量。端到端QoS測量具有特別重要的意義，它可以測出網(wǎng)絡(luò)的整體性能指標(biāo)，而且不需要對路由器進(jìn)行改造，也不需要網(wǎng)絡(luò)運營商公開內(nèi)部資料（如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�、設(shè)備配置、傳輸容量等）。

　　目前QoS測量技術(shù)還不成熟，國外有一些研究成果報道，國內(nèi)在此領(lǐng)域的研究則剛剛開始。

QoS研究的發(fā)展趨勢

　　目前QoS控制研究已有不少成果，需要解決的主要問題是算法復(fù)雜性和QoS控制效果之間的權(quán)衡。QoS管理、計費和QoS測量的研究則還處于起步階段，研究成果較少，標(biāo)準(zhǔn)尚未形成，是IP QoS研究的新熱點。

　　QoS研究的另一發(fā)展趨勢是多種技術(shù)的結(jié)合，即多層次（應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層、物理層），多平面（數(shù)據(jù)平面、控制平面和管理平面）的QoS研究相結(jié)合，研究各層、各面之間的交互作用，將各種QoS機(jī)制綜合起來，改善IP網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量。

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摘自《通訊世界》