IP QoS研究的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

　　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(wú)連接特性和IP網(wǎng)絡(luò)松散的控制管理方式，使這項(xiàng)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(jì)費(fèi)和網(wǎng)絡(luò)測(cè)量。本文將重點(diǎn)介紹當(dāng)前主要的IP QoS技術(shù)，移動(dòng)IP網(wǎng)的QoS解決方案，QoS管理和測(cè)量技術(shù)，并討論IP QoS研究的發(fā)展趨勢(shì)。

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(jiàn)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(lái)通知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)預(yù)留資源。如果資源預(yù)留失敗，RSVP協(xié)議會(huì)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(duì)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(shí)，路由器的存儲(chǔ)和處理能力會(huì)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(shí)施，目前業(yè)界普遍認(rèn)為集成服務(wù)有可能會(huì)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(hù)的數(shù)據(jù)流按照服務(wù)質(zhì)量要求來(lái)劃分等級(jí)，任何用戶(hù)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(shí)，級(jí)別高的數(shù)據(jù)流在排隊(duì)和占用資源時(shí)比級(jí)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(duì)的服務(wù)質(zhì)量，而不對(duì)任何用戶(hù)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(hù)和網(wǎng)絡(luò)管理部門(mén)之間需要預(yù)先商定服務(wù)等級(jí)合約（SLA），根據(jù)SLA,用戶(hù)的數(shù)據(jù)流被賦予一個(gè)特定的優(yōu)先等級(jí)，當(dāng)數(shù)據(jù)流通過(guò)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，路由器會(huì)采用相應(yīng)的方式（稱(chēng)為每跳行為PHB）來(lái)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(jí)別，狀態(tài)信息的數(shù)量少，因此實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(yùn)營(yíng)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(gè)測(cè)度（如跳數(shù)、成本）來(lái)計(jì)算最短路由，沒(méi)有考慮多個(gè)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(kāi)銷(xiāo)、時(shí)延、可靠性等）來(lái)選擇路由。QoS路由包括三個(gè)主要功能：鏈路狀態(tài)信息發(fā)布，路由計(jì)算和路由表存儲(chǔ)。

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

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(qiáng)了在IP網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施流量工程的能力。對(duì)于骨干網(wǎng)業(yè)務(wù)提供者來(lái)說(shuō)，這是目前使用最普遍，可實(shí)現(xiàn)性最強(qiáng)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(yùn)營(yíng)商首選的QoS方案。

移動(dòng)IP網(wǎng)的QoS解決方案

　　移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和資源都在動(dòng)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(wú)線和移動(dòng)環(huán)境的特點(diǎn)，人們對(duì)原有的QoS技術(shù)作了改進(jìn)。

1．移動(dòng)環(huán)境下的IntServ和RSVP

　　目前的RSVP不適合于移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò)，主要原因是它無(wú)法感知主機(jī)的移動(dòng)，因而不能在移動(dòng)主機(jī)即將訪問(wèn)的位置上提前預(yù)留資源，當(dāng)主機(jī)移動(dòng)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(guò)IP隧道的資源預(yù)留，因此不能適應(yīng)移動(dòng)IP網(wǎng)利用隧道傳送數(shù)據(jù)時(shí)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(cè)主機(jī)未來(lái)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(dòng)和被動(dòng)兩種資源預(yù)留方式，主動(dòng)資源預(yù)留用于移動(dòng)主機(jī)當(dāng)前所在的子網(wǎng)，被動(dòng)資源預(yù)留用于未來(lái)訪問(wèn)的子網(wǎng)。被動(dòng)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(dòng)主機(jī)移動(dòng)到該子網(wǎng)時(shí)，網(wǎng)中被動(dòng)預(yù)留的資源即轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)預(yù)留資源，供移動(dòng)主機(jī)使用，而原來(lái)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(gè)端點(diǎn)之間為通過(guò)隧道的總業(yè)務(wù)量預(yù)留資源，這樣，端到端的RSVP會(huì)話經(jīng)過(guò)隧道時(shí)，就沒(méi)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(gè)方案中，每個(gè)移動(dòng)主機(jī)用一個(gè)組播地址來(lái)標(biāo)識(shí)，所有移動(dòng)主機(jī)發(fā)送、接收RSVP消息和IP數(shù)據(jù)包都通過(guò)組播方式進(jìn)行，主機(jī)的移動(dòng)可視為組播組成員的變動(dòng)。該方案還采用了類(lèi)似于MRSVP的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)機(jī)制，由移動(dòng)代理將移動(dòng)主機(jī)下一步將要訪問(wèn)的位置提前加入到組播樹(shù)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(kāi)的位置從樹(shù)上刪除。

（4）DRSVP

　　DRSVP[8]是一種支持可變服務(wù)質(zhì)量的動(dòng)態(tài)資源預(yù)留協(xié)議，它使用戶(hù)能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源的變化動(dòng)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(lái)描述業(yè)務(wù)流的適應(yīng)范圍，通報(bào)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(dòng)態(tài)變化。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是允許預(yù)留的資源有一個(gè)波動(dòng)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(dòng)環(huán)境下的DiffServ

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

　　文獻(xiàn)[9]提出了無(wú)線環(huán)境下的DiffServ框架，對(duì)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(dòng)終端和基站之間傳送控制消息及相關(guān)參數(shù)（如移動(dòng)終端的能量、當(dāng)前的丟失率等）。

（2）增加對(duì)移動(dòng)性的支持，為移動(dòng)主機(jī)預(yù)留帶寬，或者賦予移動(dòng)主機(jī)高優(yōu)先級(jí)，使其在切換時(shí)能夠搶占低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的帶寬，或使用預(yù)留帶寬來(lái)補(bǔ)償無(wú)線鏈路的高誤碼損失。

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

　　移動(dòng)環(huán)境下的QoS策略的發(fā)展趨勢(shì)是在核心網(wǎng)采用DiffServ，在無(wú)線接入網(wǎng)既可采用IntServ也可采用DiffServ；無(wú)線接入網(wǎng)內(nèi)用信令協(xié)議支持動(dòng)態(tài)資源分配；資源分配信令可以和移動(dòng)主機(jī)位置管理信令相結(jié)合，以加快資源分配過(guò)程，減少信令開(kāi)銷(xiāo)。另外，動(dòng)態(tài)資源分配可以和接納控制和無(wú)線分組調(diào)度等技術(shù)結(jié)合，更好地解決QoS問(wèn)題。

IP QoS管理和測(cè)量

1．QoS管理模型

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

　　一個(gè)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(duì)每個(gè)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(gè)模型中，IP QoS管理主要在業(yè)務(wù)管理層實(shí)現(xiàn)。TOM還將業(yè)務(wù)的生命周期分為三個(gè)階段：業(yè)務(wù)開(kāi)通，業(yè)務(wù)保障和業(yè)務(wù)計(jì)費(fèi)。業(yè)務(wù)開(kāi)通將用戶(hù)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(jì)費(fèi)進(jìn)行公平合理的計(jì)費(fèi)。TOM模型最有可能成為運(yùn)營(yíng)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(gè)模型是IETF提出的基于策略的管理框架[11]。這個(gè)框架將網(wǎng)絡(luò)中的一些操作和管理抽象出來(lái)，稱(chēng)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(kù)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備根據(jù)這些策略自動(dòng)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(jí)合約）是用戶(hù)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(lái)對(duì)用戶(hù)提供某個(gè)等級(jí)的服務(wù)和計(jì)費(fèi)。SLA分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。靜態(tài)SLA在一定的時(shí)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(wú)關(guān)；動(dòng)態(tài)SLA根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)來(lái)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(dòng)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(gè)或多個(gè)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(jí)規(guī)范）和TCS（流量調(diào)節(jié)規(guī)范）來(lái)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(méi)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(wèn)題。

3．QoS資源管理

　　在QoS管理過(guò)程中，需要對(duì)用戶(hù)的業(yè)務(wù)進(jìn)行接納控制。InterServ可以通過(guò)資源預(yù)留來(lái)達(dá)到這一目標(biāo)，但DiffServ還不能實(shí)現(xiàn)端到端的資源預(yù)留和接納控制。為了解決這個(gè)問(wèn)題，出現(xiàn)了帶寬代理BB（Bandwidth Broker）。

　　BB實(shí)際上就是一個(gè)資源管理器，它收集網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浜凸?jié)點(diǎn)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(guò)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(shí)現(xiàn)QoS管理的又一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

4．QoS測(cè)量

　　QoS測(cè)量是一個(gè)新的研究課題，它的目的是用測(cè)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(jì)費(fèi)都需要QoS測(cè)量的支持。QoS測(cè)量有不同的分類(lèi)方法，按照測(cè)量過(guò)程中測(cè)試設(shè)備是否主動(dòng)發(fā)送探測(cè)包可分為主動(dòng)測(cè)量和被動(dòng)測(cè)量?jī)深?lèi)；按照測(cè)試設(shè)備所處的位置，又可分為基于路由器的測(cè)量，端到端測(cè)量，以及路由器協(xié)助的測(cè)量。QoS測(cè)量的內(nèi)容很廣泛，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)，時(shí)延、丟包率、帶寬測(cè)量，網(wǎng)絡(luò)距離測(cè)量，路由器調(diào)度策略和瓶頸緩沖器容量測(cè)量，以及路由器流量監(jiān)測(cè)。

　　QoS測(cè)量需要復(fù)雜的技術(shù)。特別是端到端QoS測(cè)量，在沒(méi)有路由器參與，兩端設(shè)備時(shí)鐘又不同步的情況下，利用信號(hào)處理技術(shù)和數(shù)學(xué)分析方法，可以推測(cè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�，端到端的單向傳輸時(shí)延、鏈路時(shí)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(cè)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(cè)量具有特別重要的意義，它可以測(cè)出網(wǎng)絡(luò)的整體性能指標(biāo)，而且不需要對(duì)路由器進(jìn)行改造，也不需要網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商公開(kāi)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(cè)量技術(shù)還不成熟，國(guó)外有一些研究成果報(bào)道，國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域的研究則剛剛開(kāi)始。

QoS研究的發(fā)展趨勢(shì)

　　目前QoS控制研究已有不少成果，需要解決的主要問(wèn)題是算法復(fù)雜性和QoS控制效果之間的權(quán)衡。QoS管理、計(jì)費(fèi)和QoS測(cè)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(diǎn)。

　　QoS研究的另一發(fā)展趨勢(shì)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(lái)，改善IP網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

【1】 Braden, R., Clark, D. and S. Shenker, "Integrated Services in the Internet Architecture: An Overview", RFC1633, July 1994.

【2】RFC 2205 Resource ReSerVation Protocol (RSVP) -- Version 1

【3】Nichols, K., Blake, S., Baker, F. and D. Black,"Definition of the Differentiated Services Field (DSField) in the IPv4 and IPv6 Headers", RFC 2474, December 1998.

【4】 Blake, S., Black, D., Carlson, M., Davies, E., Wang, Z. and W. Weiss, "An Architecture for Differentiated Services", RFC 2475, December 1998.

【5】Talukdar, B. Badrinath, et al. MRSVP: A Resource Reservation Protocol for an Integrated Services Network with Mobile Hosts[J]. Wireless Networks, 2001, 7(1): 5-19.

【6】A. Terzis, M. Srivastava, et al. A Simple QoS Signaling Protocol for Mobile Hosts in the Integrated Services Internet[C]. IEEE INFOCOM’99, NY, 1999: 1011-1018

【7】W. Chen, L. Huang, et al. RSVP Mobility Support: A Signaling Protocol for Integrated Services Internet with Mobile Hosts[C]. IEEE INFOCOM’2000, Tel-Aviv, Israel 2000:1283 –1292

【8】M.Mirhakkak, N.Schult, et al. Dynamic Bandwidth Management and Adaptive Applications for a Variable Bandwidth Wireless Environment[J]. IEEE Journal On Selected Area in Communications, 2001,19(10):1984-1997.

【9】I.Mahadevan, K.M.Sivalingam. Architecture and Experimental Framework for Supporting QoS in Wireless Networks Using Differentiated Services[J]. Mobile Networks and Applications, 2001, 6(4):385-395

【10】TeleManagement Forum, GB910, “Telecom Operations Map”, evaluation version 1.1, April 1999

【11】RFC 3060，Policy Core Information Model, B. Moore, February 2001.

【12】EURESCOM P1008 Deliverable 2, “Selected scenarios and requirements for end-to-end IP QoS management”, January 2001.

摘自《通訊世界》