IP網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量問題

何寶宏

（信息產(chǎn)業(yè)部電信傳輸研究所 北京100045）

1 “盡力而為”的IP網(wǎng)

　　因特網(wǎng)取得巨大成功的一個重要原因是它所使用的IP的簡單性。IP的基本設(shè)計原理來自于“端到端”的理念：把“智能”放到網(wǎng)絡(luò)邊緣結(jié)點（源和目的主機），留下“傻瓜型”的核心網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)核心結(jié)點（路由器）除了把IP包的目的地址與轉(zhuǎn)發(fā)表對照，確定它的下一跳（hop）并轉(zhuǎn)發(fā)外，幾乎不需要做任何其他工作。如果下一跳的隊列較長，則IP包的轉(zhuǎn)發(fā)可能會被延遲；如果下一跳的隊列滿或不可用，則允許路由器丟棄IP包。因此因特網(wǎng)提供的是一種“盡力而為（best effort）”的服務(wù)，其服務(wù)質(zhì)量是無法預(yù)知的。IP的“盡力而為”服務(wù)到目前為止工作得很好，那為什么還需要做改動，增加服務(wù)質(zhì)量（QoS）機制呢？其實到現(xiàn)在仍然是一個有爭議的問題。反對為IP增加QoS機制的理由主要有以下幾點：

　�。�1）在異類的子網(wǎng)之上（即網(wǎng)絡(luò)層）的任何一種連接都是難以管理的。

　�。�2）如果IP包經(jīng)歷太多的延遲或丟失，那勢必要提高鏈路的帶寬和路由器的處理能力。光纖和DWDM（密集波分復(fù)用）技術(shù)將會使網(wǎng)絡(luò)帶寬充裕和便宜到自動保證QoS的程度，在帶寬不再很貴的時候，這種方法會比增加新的QoS機制所增加的復(fù)雜性要便宜得多。

　�。�3）如果IP包經(jīng)歷太多的延遲抖動，那么就需要在接收端增加一個較大的緩沖區(qū)。

　�。�4）即使這樣問題仍然存在，那么就需要編寫能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)擁塞變化的自適應(yīng)性的應(yīng)用程序。實驗已經(jīng)表明自適應(yīng)應(yīng)用程序能夠明顯改善多媒體應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量。

　�。�5）具有QoS能力的網(wǎng)絡(luò)在資源不足的情況下，為了保證較高QoS要求的用戶的服務(wù)，必然會犧牲其他用戶的服務(wù)質(zhì)量，從而降低了全網(wǎng)的總體服務(wù)水平；而如果資源充足，“盡力而為”的IP網(wǎng)絡(luò)所提供的服務(wù)質(zhì)量與具有QoS機制的網(wǎng)絡(luò)是一樣的。

　　現(xiàn)在業(yè)界主流的觀點認為雖然現(xiàn)在的計算機處理能力正在飛速提高，光纖和DWDM技術(shù)所提供的傳輸帶寬也在大幅度增加，但增加網(wǎng)絡(luò)資源無法解決全部問題，這除了經(jīng)濟方面的考慮外（網(wǎng)絡(luò)資源永遠會是有成本的，不會是免費的），另外一個重要原因是因特網(wǎng)流量不僅隨著用戶和應(yīng)用的增加而幾乎同步增長，并且流量的特點也在發(fā)生著巨大的變化。很多新出現(xiàn)的IP網(wǎng)上的多媒體應(yīng)用，要么要求巨大的帶寬，要么需要嚴格的延遲保證，要么要求一點到多點或多點到多點的通信能力。這些新業(yè)務(wù)要求IP網(wǎng)除了提供簡單的“盡力而為”服務(wù)以外，還需要新的服務(wù)方式，因此單靠增加網(wǎng)絡(luò)資源無法解決問題，IP網(wǎng)結(jié)構(gòu)本身也需要跟著改變，引入能夠支持QoS的一些機制。當然，同時必須強調(diào)的是因特網(wǎng)一直追求的是“KISS（Keep It Simple and Stupid）”原則，增加資源的成本正在隨著技術(shù)的進步不斷快速下降，因此任何新引入的QoS機制必須是簡單的，其代價必須明顯低于增加資源的成本。

2 IP網(wǎng)絡(luò)性能模型

　　與傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)分層模型相對應(yīng)，對IP網(wǎng)絡(luò)的QoS也應(yīng)分層[ITU-T Y.1540/Y.1541] 研究。分層可以是按垂直方向，也可以是按水平方向。從水平方向看，端到端的QoS要求發(fā)送端和接收端主機必須支持QoS，并且只能保證與性能最差的鏈路同等的通信質(zhì)量。另外，垂直方向由頂至底的不同層次上的性能也是必須要考慮的，以保證網(wǎng)絡(luò)中高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)的發(fā)送和接收能獲得較多或較早的處理機會。

2.1 垂直模型

　　從垂直方向看，通常從上往下可把 IP網(wǎng)絡(luò)依次劃分為應(yīng)用層、IP層、鏈路層和網(wǎng)元層（設(shè)備和鏈路）。IP網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能取決于IP層的信息傳送能力，并在很大程度上依賴于承載IP的底層鏈路的傳輸性能，同時應(yīng)用層業(yè)務(wù)的相關(guān)特性也會影響IP網(wǎng)所表現(xiàn)出來的外在性能。

　　鏈路層和物理層為IP數(shù)據(jù)包提供面向連接或無連接的傳送能力。“鏈路”沒有端到端的含義，它的終點是IP數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)的地方（如路由器、源主機、宿主機）。鏈路技術(shù)包括ATM、FR、SDH、PDH、ISDN、Ethernet等。

　　IP層提供IP數(shù)據(jù)包的無連接傳送能力。IP層在特定源主機和宿主機之間通信，具有端到端的含義。當IP數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳送時，網(wǎng)絡(luò)可能會修改IP報文中的某些字段，但IP層和低層不能修改用戶數(shù)據(jù)部分。

　　IP層支持的高層協(xié)議（如TCP、UDP、FTP、RTP、HTTP等）能夠進一步強化端到端的通信，并會對IP層的性能產(chǎn)生影響。

2.2 水平模型

　　從水平方向看，主要由兩部分組成：電路段和網(wǎng)絡(luò)段。電路段和網(wǎng)絡(luò)段又可以由不同的網(wǎng)元組成。從源主機（SRC）到宿主機（DST）之間傳送IP數(shù)據(jù)包的一組電路段和網(wǎng)絡(luò)段構(gòu)成了端到端的IP網(wǎng)絡(luò)。

　　從網(wǎng)絡(luò)的邊緣向核心看，一條端到端的IP包轉(zhuǎn)發(fā)路徑通常由用戶設(shè)備（如主機+Modem/

網(wǎng)卡），用戶接入鏈路（ISDN/PSTN、 ADSL、 Ethernet等），運營商網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備（窄帶/寬帶接入服務(wù)器，DNS服務(wù)器，邊緣路由器），骨干鏈路（如ATM/

SDH/DWDM）和核心設(shè)備（高速路由器，標記交換路由器）等組成，這些設(shè)備或鏈路都有可能會影響到用戶所感受到的IP網(wǎng)絡(luò)的性能。

3 導(dǎo)致QoS問題的原因

　　導(dǎo)致IP網(wǎng)絡(luò)QoS問題出現(xiàn)的原因大致有兩類：一是與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的一些因素，二是與網(wǎng)絡(luò)無關(guān)的一些因素。

3.1 與網(wǎng)絡(luò)無關(guān)的因素

　　· 業(yè)務(wù)服務(wù)器過載。如WWW服務(wù)器或E-mail服務(wù)器等過載。解決這類問題的方法是對這些服務(wù)器進行升級，或增加業(yè)務(wù)服務(wù)器的數(shù)量并在它們之間做負載均衡。

　　· 人為因素。配置路由器/服務(wù)器在技術(shù)上是一件很復(fù)雜的事情，很容易出現(xiàn)錯誤。比如配置重復(fù)了的IP地址會導(dǎo)致路由錯誤。

3.2 網(wǎng)絡(luò)的原因

　　· 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備原因�，F(xiàn)在的路由器和交換機都是由非常復(fù)雜的軟硬件系統(tǒng)組成的，每秒需要處理上百萬個IP包。數(shù)據(jù)產(chǎn)品制造商被迫盡可能快地推出他們的設(shè)備，因此客戶發(fā)現(xiàn)路由器或交換機經(jīng)常存在軟/硬件問題是不足為怪的。必須采取適當?shù)拇胧﹣硖岣咴O(shè)備的可用性，特別是對重要的流量更應(yīng)如此。

　　· 接入鏈路的容量。出于經(jīng)濟方面的考慮，客戶接入鏈路總是低速的，并且運營商通常會超賣上游鏈路。從技術(shù)上講解決這類問題的方法很簡單：（1）提高接入鏈路的能力；（2）對流量進行分類并做標記，利用策略、整形等技術(shù)分類處理。

　　· 不均衡的流量分布導(dǎo)致的擁塞。這是網(wǎng)絡(luò)引起QoS問題的最主要原因。即使一個網(wǎng)絡(luò)的平均鏈路利用率可能會比較低（比如30%），但完全有可能該網(wǎng)絡(luò)中的某一小部分鏈路的利用率接近100%。這些擁塞的鏈路將導(dǎo)致包延遲加長和出現(xiàn)抖動，甚至導(dǎo)致包丟失。導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)這些擁塞熱點的原因可能會是：（1）無法預(yù)期的事件，如線纜切斷或設(shè)備故障；（2）流量模式發(fā)生大的變化，而網(wǎng)絡(luò)路由、拓撲和容量無法及時得到調(diào)整。在骨干網(wǎng)中，不可能指望在合適的時間和合適的地點總是具有足夠的容量。因此，一個Web站點的突然成功，一個計劃外的多媒體流量廣播或不斷變化的需求都可能會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中某些鏈路出現(xiàn)擁塞。

3.3 解決的思路

　　根據(jù)上面的分層模型，上層與下層之間是一種網(wǎng)絡(luò)資源（包括帶寬、內(nèi)存和處理能力等）的需求和供給的關(guān)系。上層向其下層提出服務(wù)所需要的資源請求（可以是顯式的，也可以是隱式的），下層做出響應(yīng)（顯式的請求）和提供資源。因此在傳遞IP包時，出現(xiàn)QoS問題最主要的原因是網(wǎng)絡(luò)中的上下層之間的資源需求和供給不匹配，下層網(wǎng)絡(luò)資源不足導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了擁塞。因此解決IP 網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)質(zhì)量問題，主要是如何避免和消除擁塞的問題，這可以從網(wǎng)絡(luò)的角度（如何更好地提供服務(wù)）和業(yè)務(wù)的角度（如何合理地提出需求）加以考慮。

　　從網(wǎng)絡(luò)的角度看，一是當整個網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時，設(shè)法盡量增加網(wǎng)絡(luò)資源。充足的網(wǎng)絡(luò)資源是解決服務(wù)質(zhì)量問題的關(guān)鍵。在網(wǎng)絡(luò)沒有擁塞時有無QoS機制都行，因為即使是“盡力而為”的IP包也能夠得到很好的服務(wù)。二是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲、流量和流向等因素合理優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和設(shè)計，引導(dǎo)流量流向，盡量提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。比如可以用流量工程的方法來解決負載不均衡的問題。

　　從業(yè)務(wù)的角度看，就是在IP網(wǎng)絡(luò)資源一定的情況下，在IP網(wǎng)絡(luò)上提供有別于“盡力而為”的其他類型的業(yè)務(wù)，即提供有區(qū)別的業(yè)務(wù)。這可以借助InterServ模型（主要適用于LAN和接入網(wǎng)），也可以借助于DiffServ模型（主要適用于核心網(wǎng)）。比如在網(wǎng)絡(luò)有可能發(fā)生擁塞時，對服務(wù)質(zhì)量比較敏感的業(yè)務(wù)設(shè)置較高的優(yōu)先級，使其能夠盡量優(yōu)先得到服務(wù)。但無論是采用什么樣的QoS模型，這些思路都以犧牲低優(yōu)先級的業(yè)務(wù)為代價，來換取高優(yōu)先業(yè)務(wù)的QoS保證。

4 典型QoS技術(shù)

　　從QoS分層模型看，上下層之間是一種資源請求和供給的關(guān)系，因此在任何層面上都需要一定的QoS機制來保證服務(wù)質(zhì)量。下面簡單介紹在不同的層面上提出的或應(yīng)該使用的幾種典型的QoS機制。

4.1 應(yīng)用層

　　改善服務(wù)質(zhì)量可以在應(yīng)用層進行。這種方式的QoS機制通常是在IP網(wǎng)絡(luò)邊緣的主機上實現(xiàn)。它根據(jù)網(wǎng)絡(luò)所能夠提供的資源情況，通過做單個應(yīng)用的流量控制和服務(wù)器負載重定向等來改善該應(yīng)用所感受到的服務(wù)性能。應(yīng)用層QoS機制一般不需要對現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò)做任何修改，因此實現(xiàn)和部署相對容易，但缺點是QoS機制的調(diào)節(jié)能力有限，并且不同的應(yīng)用層QoS機制之間無法協(xié)同工作，消除網(wǎng)絡(luò)擁塞相對不容易。

　　流量控制使得應(yīng)用程序根據(jù)網(wǎng)絡(luò)所提供的資源情況動態(tài)調(diào)節(jié)（比如不同速率的話音/視頻編碼）其向網(wǎng)絡(luò)所發(fā)送數(shù)據(jù)的速率。當網(wǎng)絡(luò)所提供的資源充足時，應(yīng)用增加對網(wǎng)絡(luò)資源的需求（從而獲得較高的服務(wù)質(zhì)量），否則降低對網(wǎng)絡(luò)資源的需求（獲得的服務(wù)質(zhì)量下降）。比如根據(jù)編碼原理，接收端播放相同數(shù)量的G.711話音包和G.723/G.729話音包時，用戶所感受到的話音質(zhì)量是完全不同的。因此可以在VoIP應(yīng)用層基于RTP/RTCP這樣做：如果發(fā)送端發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源充足，就采用編碼質(zhì)量比較高的G.711 （64kbit/s）方式；如果發(fā)送端發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源不足，就采用編碼質(zhì)量稍差的G.729（8kbit/s）、G.729.A（8kbit/s）或G.723.1（5.3kbit/s，6.3kbit/s）。

　　服務(wù)器負載重定向是在提供服務(wù)的多個應(yīng)用服務(wù)器之間做流量的均衡。當某個服務(wù)器或訪問該服務(wù)器的鏈路發(fā)生擁塞時，客戶應(yīng)用程序在不同的服務(wù)器簇之間做流量的重定向，把客戶請求導(dǎo)向服務(wù)器資源和網(wǎng)絡(luò)資源充足的服務(wù)器，改善了用戶所感受到的服務(wù)質(zhì)量。

4.2 傳輸層

　　傳輸層主要是對業(yè)務(wù)進行分類或為業(yè)務(wù)預(yù)留資源，是從業(yè)務(wù)的角度提供有別于盡力而為的服務(wù)類型，主要包括InterServ和DiffServ兩種模型。除盡力而為的業(yè)務(wù)類型外，InterServ模型提供的新業(yè)務(wù)類型包括保證型業(yè)務(wù)（guaranteed service）和控制型載荷（controlled load）兩種，DiffServ模型提供的新業(yè)務(wù)類型包括加速轉(zhuǎn)發(fā)（EF）和多種確保轉(zhuǎn)發(fā)（EF）兩類。有關(guān)InterServ模型、DiffServ模型以及相關(guān)的技術(shù)將在下面的講座中做進一步的介紹。

4.3 網(wǎng)絡(luò)層

　　網(wǎng)絡(luò)層的QoS技術(shù)包括流量工程/QoS路由，流量控制和擁塞控制等。介紹流量工程/QoS路由的資料較多，因此本節(jié)只做一個基本概念的介紹。流量控制和擁塞控制將在后面的講座中加以介紹。

　　現(xiàn)在的動態(tài)路由協(xié)議RIP、OSPF和IS-IS都會導(dǎo)致不均勻的流量分布，因為它們總是選擇最短路徑轉(zhuǎn)發(fā)IP包。結(jié)果在兩個結(jié)點之間順著最短路徑上的路由器和鏈路可能發(fā)生了擁塞，而沿較長路徑的路由器和鏈路卻是空閑的。流量工程可以安排流量如何合理通過網(wǎng)絡(luò)，以避免不均勻地使用網(wǎng)絡(luò)而導(dǎo)致的擁塞。流量工程可以人工進行，也可以借助多協(xié)議標記交換（MPLS）等工具實施。

　　流量工程通常與約束路由存在密切的關(guān)聯(lián)，約束路由可為DiffServ、InteServ和流量工程等提供滿足QoS要求的路徑。約束路由決定一個路由時，不僅涉及網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，而且還包括流提出的資源需求、鏈路資源可用性以及網(wǎng)絡(luò)管理員規(guī)定的一些可能的管制策略。因此約束路由可能會找到一條較長和較輕負載的路徑，這條路徑優(yōu)于重負載的最短路徑，網(wǎng)絡(luò)流量會因此而更均勻一些。要想實現(xiàn)約束路由，路由器需要計算新鏈路的狀態(tài)信息，再根據(jù)這些狀態(tài)信息計算路由。

4.4 鏈路層

　　這里討論QoS時的鏈路層以局域網(wǎng)（LAN）技術(shù)為例。根據(jù)分層模型，如果IP包承載在LAN上，那么LAN技術(shù)也就必須支持高層的IP QoS機制。ATM LAN已經(jīng)能夠支持QoS，因此下面?zhèn)戎赜诹硗庖环N最常見的LAN技術(shù)——以太網(wǎng)（Ethernet）支持QoS的技術(shù)。

　　LAN標準IEEE 802.1Q和802.1D擴展了以太網(wǎng)的幀格式，增加了4字節(jié)，包括在以太網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)時的VLAN （Virtual LAN）標記和顯式的“user_priority”字段。802.1D“user_priority”字段（以前在802.1p中做了定義）使用802.1Q VLAN標記的3bit定義了8種以太網(wǎng)上的流量類型。對于以太網(wǎng)交換機上的某端口上的一定數(shù)量的隊列，802.1D定義了使用哪種流量類型，以及如何把它們指派給這些隊列的方式。

　　將DiffServ模型的服務(wù)類型映射到IEEE 802類型的LAN上是一件很簡單的事情，只需要將DiffServ的DSCP（DiffServ Coding Point）值映射到IEEE 802的“user_priority”字段中就可以了。

　　而將InterServ模型的服務(wù)類型映射到IEEE 802類型的LAN上就沒有那么容易了，因為InterServ使用了信令協(xié)議RSVP，而IEEE 802類型的LAN沒有與QoS相關(guān)的信令機制。為此，IETF制定了子網(wǎng)帶寬管理（SBM）協(xié)議（RFC2814），它是一種工作在IEEE 802類型LAN網(wǎng)絡(luò)上的，基于RSVP的許可控制信令協(xié)議。SBM提供了一種把因特網(wǎng)級的“setup（建立）”協(xié)議（比如RSVP）映射到IEEE 802類型網(wǎng)絡(luò)上的方法，尤其是提出了一種RSVP使能的主機/路由器與鏈路層設(shè)備（交換機、橋）的互操作機制，以支持為RSVP使能的數(shù)據(jù)流能夠預(yù)留LAN資源。

5 小結(jié)

　　現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)不是專門用于非贏利的學(xué)術(shù)研究了，而是一種商業(yè)服務(wù)：獲取互聯(lián)網(wǎng)接入或增值服務(wù)的用戶是互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的消費者，向用戶出售互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的運營商是服務(wù)的提供者。任何服務(wù)都可能存在服務(wù)質(zhì)量差異，因此收費的標準通常與該服務(wù)的質(zhì)量有關(guān)。比如同樣是把乘客送到目的地，飛機與火車，公共汽車與出租車，甚至不同檔次的出租車的收費標準都不一樣。

　　運營商不做服務(wù)質(zhì)量保證是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展初期的現(xiàn)象，隨著技術(shù)的進步、競爭的加劇、開展業(yè)務(wù)的需要以及客戶對互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量意識的提高，越來越多的消費者、政府監(jiān)管部門和運營商都已經(jīng)非常關(guān)注他們所使用的、經(jīng)營的或監(jiān)管的IP網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。

　　但盡管目前對QoS技術(shù)的研究已經(jīng)取得了巨大的進展，但仍然有一些關(guān)鍵因素制約著該技術(shù)的大規(guī)模部署和使用（RFC 2990），只有將下列這些問題解決后，才有可能將目前的QoS技術(shù)轉(zhuǎn)變成一種統(tǒng)一的端到端業(yè)務(wù)傳輸平臺。這些問題包括：

　　· 目前還不能確定QoS是應(yīng)該基于每個應(yīng)用的InterServ模型方式，還是基于聚合流的DiffServ模型方式。InterServ提供QoS時的準確性較好，但可擴展性差；DiffServ的可擴展性較好，但粒度較粗。如何結(jié)合二者的優(yōu)勢是一個需要研究的問題。

　　· 如何做QoS的發(fā)現(xiàn)、路由、計費、監(jiān)測和管理等。

　　· 不同層QoS機制之間的協(xié)同問題，QoS對其他協(xié)議的影響。如DiffServ與InterServ互通，流量工程與TCP的交互等。

　　· 部署問題。不可能指望所有的IP網(wǎng)絡(luò)同時使用相同的QoS技術(shù)，因此能夠支持異構(gòu)環(huán)境下的QoS部署非常重要。另外，QoS不僅會在域內(nèi)使用，也應(yīng)該能夠跨域使用，因此需要QoS域間信令的支持。最后，是先部署支持QoS的主機應(yīng)用，還是先由網(wǎng)絡(luò)提供QoS支持是一個先有雞還是先有蛋的問題。

（參考文獻略）

　　何寶宏，畢業(yè)于中國科學(xué)院，獲博士學(xué)位�，F(xiàn)供職于信息產(chǎn)業(yè)部電信傳輸研究所，從事IP QoS、IP VPN等技術(shù)研究，任主任工程師，高級工程師。發(fā)表文章近40篇，編著有《IP虛擬專用網(wǎng)》一書。

----《中國數(shù)據(jù)通信》