電信級IP QoS分析

楊明川 譚國權(quán) 中國電信集團北京研究院

　　近年來，隨著用IP技術(shù)構(gòu)建多業(yè)務(wù)綜合網(wǎng)絡(luò)成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個重要趨勢，建設(shè)電信級的IP網(wǎng)絡(luò)得到了業(yè)界，特別是運營商的廣泛重視。

　　電信級IP網(wǎng)絡(luò)包含以下幾層含義：一是該網(wǎng)絡(luò)必須以IP為核心技術(shù)構(gòu)建，以滿足IP的基本特征；二是該網(wǎng)絡(luò)能夠支撐傳統(tǒng)的電信業(yè)務(wù)，特別是話音業(yè)務(wù)和視訊業(yè)務(wù)；三是該網(wǎng)絡(luò)能夠滿足電信運營的要求，即具有可管理性和可運營性。

　　電信級IP網(wǎng)絡(luò)的核心問題是服務(wù)質(zhì)量(QoS)問題，即電信級IP QoS問題。本文試從以下幾個方面對電信級IP QoS進(jìn)行分析：①IP QoS的必要性，即為什么耍采用IP QoS支撐電信業(yè)務(wù)；②IP QoS的現(xiàn)狀，即目前對IP QoS的研究和應(yīng)用發(fā)展到了何種程度，能否滿足業(yè)務(wù)需求；③設(shè)計電信級IP QoS的思路，即電信級IP QoS應(yīng)該滿足哪些要求，達(dá)到什么目標(biāo)；④電信級IP QoS的發(fā)展趨勢。

2 電信級IP QoS的必要性

　　眾所周知，IP網(wǎng)絡(luò)在提供QoS方面有明顯的困難。那么，為什么仍然要采用IP技術(shù)來承載電信業(yè)務(wù)呢?事實上，以Internet為代表的IP網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過了數(shù)十年的發(fā)展，在數(shù)據(jù)傳輸方面已經(jīng)占據(jù)了統(tǒng)治地位。目前，Internet作為世界上大的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，其規(guī)模已經(jīng)超過了傳統(tǒng)的電話網(wǎng)。Internet能夠有如此巨大的發(fā)展，IP作為其核心技術(shù)起到了決定性的作用。與其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，IP具有許多特點，其中最重要的一個特點就是IP網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計時最大限度地降低了應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)的依賴性。這一點主要通過無連接、每包路由和盡力服務(wù)這幾個方面來體現(xiàn)。也就是說，IP網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)是建立在對網(wǎng)絡(luò)不信任的基礎(chǔ)上的，IP的應(yīng)用主要依靠終端的智能來實現(xiàn)（其他網(wǎng)絡(luò)，包括TMD和ATM網(wǎng)都建立在一個復(fù)雜的、精細(xì)控制的網(wǎng)絡(luò)層上)。這種設(shè)計有許多優(yōu)點：①IP具有網(wǎng)絡(luò)兼容性，它對網(wǎng)絡(luò)沒有太多的要求，因此各種網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)都能夠被包容到IP上；（2）IP網(wǎng)絡(luò)具有靈活性，IP網(wǎng)絡(luò)在總體上呈現(xiàn)分布式管理和松散控制的特點，因此局部網(wǎng)絡(luò)的變化通常不會給整個網(wǎng)絡(luò)帶來太大的影響，這使得網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計、規(guī)劃和擴充方面都很靈活，而且除了地址限制外，IP技術(shù)并沒有對網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模造成瓶頸；③具有豐富和強大的應(yīng)用擴展能力，這一點在Internet上體現(xiàn)得非常明顯，除了早期的FTP、Telnet等應(yīng)用外，Web、電子商務(wù)、多媒體、P2P等新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，層出不窮。從技術(shù)上來看，IP為各種應(yīng)用的設(shè)計和開發(fā)提供了最好的條件，因為IP對網(wǎng)絡(luò)的依賴性很小，在實現(xiàn)上，網(wǎng)絡(luò)只要提供可達(dá)性即可（這一點僅需要正確的配置IP地址即可）。所有的復(fù)雜性和功能都可以在終端系統(tǒng)上實現(xiàn)。

　　但是，IP的這種設(shè)計原則在提供服務(wù)質(zhì)量保證時遇到了極大的困難，QoS問題成為目前IP面臨的最重要、最復(fù)雜的問題之一。QoS問題集中反映在不能很好地傳輸實時流媒體，特別是：IP無連接每包路由方式和實時流媒體不適應(yīng)，實時流媒體需要能夠確保資源的固定路徑；IP網(wǎng)絡(luò)“盡力而為”的服務(wù)方式與實時流媒體不適應(yīng)。實時業(yè)務(wù)對資源的持續(xù)要求必須通過和其他流量的有效區(qū)分來保證；IP網(wǎng)絡(luò)松散的管理方式不適應(yīng)實時業(yè)務(wù)，因為實時業(yè)務(wù)需要端到端的服務(wù)保證，而普通的IP網(wǎng)絡(luò)通常以域為單位進(jìn)行管理，不同的域有

不同的管理策略甚至網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，端到端的管理很難實現(xiàn)。

　　盡管在支持有服務(wù)質(zhì)量保證的實時流媒體傳輸方面有巨大的困難，但是IP仍然被認(rèn)為是未來承載該類應(yīng)用甚至業(yè)務(wù)（這里業(yè)務(wù)可以簡單地被理解為可管理和可運營的應(yīng)用）的主流技術(shù)和發(fā)展趨勢。主要的原因有以下幾點：

·最根本的原因還是IP在應(yīng)用開發(fā)和應(yīng)用提供能力方面的優(yōu)點，其豐富的應(yīng)用功能將是在一個以業(yè)務(wù)為主要驅(qū)動力的時代的主要要求。

·網(wǎng)絡(luò)的靈活性。IP在網(wǎng)絡(luò)方面的靈活性是應(yīng)用得以迅速開展的必要條件，最明顯的例子是基于H.323的視頻會議和基于H.320的視會議系統(tǒng)。前者是基于IP的，后者是基于電路交換系統(tǒng)的。H.323系統(tǒng)在組網(wǎng)方面的靈活性是它全面取代H.320系統(tǒng)成為主導(dǎo)系統(tǒng)的重要因素。

·Internet作為全球最大的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)在用戶數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)覆蓋程度、標(biāo)準(zhǔn)化程度、應(yīng)用開發(fā)能力和用戶接受程度方面占據(jù)了決定性的優(yōu)勢。作為事實上的標(biāo)準(zhǔn)，任何不與之兼容的技術(shù)都會在業(yè)務(wù)開發(fā)和業(yè)務(wù)拓展等方面遇到巨大的困難。

·相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展從一定程度上彌補丁IP的不足。隨著傳輸和接入技術(shù)的發(fā)展，以前制約IP的一些問題，例如帶寬問題、路由器瓶頸問題都得到了極大的緩解，這為IP支持傳統(tǒng)上根本無法支持的實時事媒體應(yīng)用帶來了轉(zhuǎn)機。目前骨干網(wǎng)絡(luò)的帶寬已經(jīng)非常充足，而接入網(wǎng)的帶寬瓶頸也因為xDSL、寬帶接入等技術(shù)得到部分解決。路由器的性能越來越強大（接口速率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過ATM機的接口速率），而且地址問題也因為IPv6的出現(xiàn)有了解決的方法。

　　總之，根據(jù)以上的分析，在IP上承載實時流媒體類型的應(yīng)用和業(yè)務(wù)是發(fā)展的趨勢，而且其需求越來越迫切。

　　目前，IP QoS有集成服務(wù)（Intserv）和區(qū)分服務(wù)（Diffserv）兩個主流的體系結(jié)構(gòu)。這兩種體系結(jié)構(gòu)都是針對IP Qos的完整解決方案。

　　集成服務(wù)的主要思想是模擬面向連接的電路交換提供端到端的服務(wù)質(zhì)量。為此，集成服務(wù)通常采用面向流的資源預(yù)留協(xié)議（RSVP），在流傳輸路徑上的每個節(jié)點為流預(yù)留并維護(hù)資源。從這個意義上說，RSVP在Intserv架構(gòu)里面是一種QoS信令和資源架構(gòu)里面是一種QoS信令和資源管理的協(xié)議。集成服務(wù)的最大優(yōu)點是能夠提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。但I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)本身是無連接的，在一個無連接網(wǎng)絡(luò)上維護(hù)一個面向連接而且要求資源保證的通道不可避免地帶來很大的復(fù)雜性。這些復(fù)雜性主要體現(xiàn)在兩個方面：①每流狀態(tài)的維護(hù)。網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點必須為每個流維護(hù)狀態(tài)，包括每個流的識別、狀態(tài)的更新以及狀態(tài)的建立等，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中流的數(shù)量大量增加時，會帶來擴展性問題，并導(dǎo)致節(jié)點設(shè)備的復(fù)雜性；②要求路徑上的每個節(jié)點支持。作為一個端到端的模型，要求在傳輸路徑上的每個節(jié)點都支持Internet相關(guān)協(xié)議，這種要求與IP網(wǎng)絡(luò)松散的組織架構(gòu)和非集中式的運行模式是不相容的，這給Intserv的部署帶來很大的困難。因此，隨著IP QoS研究的發(fā)展，集成服務(wù)越來越被認(rèn)為不能滿足IP QoS的要求。

　　區(qū)分服務(wù)采用了和集成服務(wù)完全不同的思想。區(qū)分服務(wù)把提高QoS可擴展性、降低實現(xiàn)的復(fù)雜性作為出發(fā)點。為此，區(qū)分服務(wù)并不要求獲得絕對的質(zhì)量保證，而是充分考慮了IP網(wǎng)絡(luò)的特點，采用基于流分類的會聚流處理方式。其基本思想是在一個資源有限的網(wǎng)絡(luò)中，

通過適當(dāng)?shù)牧鞣诸惡蛢?yōu)先級處理，提供足夠的質(zhì)量保證。區(qū)分服務(wù)的基本方法包括以下幾種：

·流量區(qū)分。根據(jù)流量的QoS需求和策略控制區(qū)分流量，并賦予一定的優(yōu)先級。

·總量控制。在資源有限的網(wǎng)絡(luò)中，必須對進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的總流量，特別是高優(yōu)先級流量進(jìn)行限制，通過帶寬的冗余來保證質(zhì)量。

·核心簡化。在網(wǎng)絡(luò)的核心，節(jié)點僅需要根據(jù)PHB(每跳行為)來處理流量，無需做復(fù)雜的控制。

·邊界智能。因為邊界節(jié)點的流量較少，在邊界的復(fù)雜控制，包括分類、流量限制等不會導(dǎo)致擴展性問題。

　　主要缺點是不能絕對保證質(zhì)量，且服務(wù)質(zhì)量提供也不是端到端的，而是限于一個區(qū)分服務(wù)域。但是，區(qū)分服務(wù)能夠很好地與IP網(wǎng)絡(luò)相適應(yīng)，其可擴展性、實現(xiàn)的簡單性、可操作性和可部署能力使得區(qū)分服務(wù)逐漸成為目前主流的IP QoS體系結(jié)構(gòu)。

　　在兩種IP QoS的體系架構(gòu)下，還有許多具體的QoS實現(xiàn)技術(shù)，包括QoS路由、流量工程、擁塞控制和隊列調(diào)度等。這里不再一一介紹。

3.2 IP QoS的應(yīng)用現(xiàn)狀

（1）骨干網(wǎng)絡(luò)的QoS

　　目前，傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，特別是DWDM等技術(shù)的發(fā)展，使得骨干網(wǎng)絡(luò)的帶寬得到大幅度的增長。帶寬的增長為服務(wù)質(zhì)量減輕了壓力，一般認(rèn)為，在骨干網(wǎng)絡(luò)上，服務(wù)質(zhì)量不是主要的問題。但是，隨著網(wǎng)絡(luò)流量的增加，特別是IP網(wǎng)絡(luò)路徑的不確定性和流量的突發(fā)行為，使得網(wǎng)絡(luò)的流量具有較大的突發(fā)性和不均衡性。因此，僅僅依靠帶寬還不足以提供服務(wù)質(zhì)量。在骨干網(wǎng)絡(luò)中有兩種方法可以提供服務(wù)質(zhì)量：一種是采用流量工程技術(shù)，一種是部署區(qū)分服務(wù)模型。流量工程的部署比較簡單，而且可以在多個層面上進(jìn)行，如傳輸

層，MPLS層和IP層。目前，流量工程的實施一般都是靜態(tài)手工實施或者半靜態(tài)實施，缺乏動態(tài)實時地進(jìn)行流量工程部署的工具，因此流量功能很難對短期突發(fā)行為進(jìn)行調(diào)節(jié)。從長遠(yuǎn)來看，區(qū)分服務(wù)具有更完整的QoS提供能力，通過與流量工程、MPLS等機制結(jié)合，可以發(fā)揮更大的作用。

（2）匯聚/接入網(wǎng)絡(luò)的QoS

　　匯聚/接入網(wǎng)絡(luò)的QoS是一個比較復(fù)雜的問題。因為在匯聚層和接入層，不僅網(wǎng)絡(luò)的帶寬窄，而且網(wǎng)絡(luò)的情況也比較復(fù)雜，同時還涉及到多種技術(shù)，如以太網(wǎng)、ATM和FR等。一般，在這個層次采用區(qū)分服務(wù)的思想實現(xiàn)QoS，即通過流量分類和優(yōu)先級來處理。實際上，包括以太網(wǎng)、ATM和MPLS在內(nèi)的多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都支持包標(biāo)記功能，這為包的區(qū)分和標(biāo)記提供了基礎(chǔ)。而網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，特別是接入設(shè)備一般都提供流量分類、標(biāo)記和限制的能力，但是，受到設(shè)備、技術(shù)和管理等因素的制約，目前在該層部署完整意義上的區(qū)分服務(wù)的并不多（盡管從技術(shù)上講，在匯聚/接入網(wǎng)絡(luò)部署區(qū)分服務(wù)模型是一個可行的方案）。

（3）客戶網(wǎng)絡(luò)的QoS

　　客戶網(wǎng)絡(luò)是指企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，包括小區(qū)網(wǎng)絡(luò)。作為網(wǎng)絡(luò)的終端部分，客戶網(wǎng)絡(luò)的QoS需求更多的是資源的服務(wù)質(zhì)量管理，包括帶寬管理和SLA監(jiān)測等。客戶網(wǎng)絡(luò)可以通過一些手段，在承載網(wǎng)絡(luò)沒有或者缺乏服務(wù)質(zhì)量提供能力的情況下，部分地實現(xiàn)QoS。目前，主要方法是通過帶寬管理設(shè)備。這些設(shè)備具有對應(yīng)用級流量的識別、分析和策略處理能力，即可以實現(xiàn)內(nèi)部的帶寬管理（如流量限制、優(yōu)先級隊列），也可以和承載網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量機制配合實現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量保證（如流量標(biāo)記能力）。

4 電信級IP QoS的思路

4.1 電信級，IP QOS的需求分析

　　為了支持電信級業(yè)務(wù)，電信級IP QoS不僅需要針對各種業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量保證能力，還需要針對業(yè)務(wù)流量的管理和控制能力。

質(zhì)量保證能力包括兩個方面：

·針對不同業(yè)務(wù)提供多種類型的質(zhì)量保證。實時業(yè)務(wù)根據(jù)其業(yè)務(wù)流量的特性不同，對服務(wù)質(zhì)量的要求也不同。例如：視頻點播類業(yè)務(wù)對帶寬和吞吐率有較高的要求，而對延遲要求不高；視頻會議和視頻通信對帶寬和延遲都有較高的要求，但是對于丟失率的要求相對較低；IP電話對延遲和丟失率都有較高的要求，但是對帶寬的要求不高。這些不同業(yè)務(wù)的不同要求需要網(wǎng)絡(luò)提供多種類型的服務(wù)質(zhì)量。

·不同等級的服務(wù)質(zhì)量。對于同一種類型的業(yè)務(wù)，根據(jù)用戶的要求不同，可以提供不同等級的服務(wù)質(zhì)量。服務(wù)質(zhì)量等級一般和服務(wù)質(zhì)量提供的費用相關(guān)。

　　對流量的管理和控制能力包括：

·能正確地識別（付費的）業(yè)務(wù)流量和非業(yè)務(wù)流量；

·對業(yè)務(wù)流量能夠進(jìn)行管理和計費，以保證這些流量要求的服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)等級，并且能夠?qū)Ψ��?wù)情況進(jìn)行監(jiān)測、統(tǒng)計和計費；

·能夠保證不同的流量不會互相干擾，特別是非業(yè)務(wù)流量不會干擾業(yè)務(wù)流量；

·支持動態(tài)的資源調(diào)度能力，能夠把業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求快速地傳遞到網(wǎng)絡(luò)的QoS捷供機制上，實現(xiàn)動態(tài)的服務(wù)質(zhì)量提供；

·支持基于服務(wù)質(zhì)量的策略管理。

4.2 資源管理

　　資源管理包括資源控制、資源隔離、資源調(diào)度、資源狀態(tài)監(jiān)測和反饋、跨域資源管理等。在一個無連接、缺乏針對每個流進(jìn)行控制的IP網(wǎng)絡(luò)上，資源的管理具有核心作用。一方面，通過對總體資源的管理（而非針對每個流或者會話的精細(xì)控制），能夠最大限度地保留IP的特點，發(fā)揮IP的優(yōu)勢；另一方面，網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)方面的進(jìn)展，包括MPLS、DWDM等技術(shù)的成熟和大量應(yīng)用，也為這種方法提供了有力的支持。

　　具體地說，資源管理體現(xiàn)在以下幾個方面：

·資源控制就是對使用的網(wǎng)絡(luò)資源的限制，主要通過對流量的許可控制（CAC）實現(xiàn)，例如對不同類型的流量的限制、對流量的優(yōu)先級的控制等。資源的限制使得不同類型的流量在網(wǎng)絡(luò)（域）中具有合理的比例和分布。資源限制是提供QoS的基礎(chǔ)，它基于一個基本的假設(shè)，即在網(wǎng)絡(luò)輕載的情況下，IP可以達(dá)到滿意的QoS性能。

·資源隔離主要保證不同的流量不會相互干擾，這種隔離可以通過設(shè)置流量優(yōu)先級來實現(xiàn)。優(yōu)先級主要確保低優(yōu)先級的流量不會干擾高優(yōu)先圾的流量，但是反之不成立。另一種資源隔離手段是利用MPLS LSP進(jìn)行隔離，不同業(yè)務(wù)和不同類型的流量承載在不同的LSP上。另外，就是直接利用鏈路隔離，包括建立邏輯上獨立的多個業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，不同的業(yè)務(wù)流量直接承載在不同的網(wǎng)絡(luò)上。各種資源隔離的手段綜合應(yīng)用也是一種方法。

·資源調(diào)度主要是對資源進(jìn)行分配和調(diào)度，如資源的預(yù)留。另外，通過流量工程以及QoS路由等手段調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中流量的分布，從而達(dá)到資源調(diào)度的目的。

·資源的狀態(tài)監(jiān)測和反饋，主要作為資源管理的支撐手段，它使得資源管理能夠?qū)φ麄�網(wǎng)絡(luò)的資源狀態(tài)了解得更清楚。

·跨域的資源管理。目前的資源管理手段都是以域為單位的，而端到端的業(yè)務(wù)通常需要跨越多個網(wǎng)絡(luò)城，這就需要不同的網(wǎng)絡(luò)域的資源管理進(jìn)行交互和協(xié)調(diào)（協(xié)商），共同實現(xiàn)端到端的跨網(wǎng)絡(luò)的資源管理能力。

4.3 業(yè)務(wù)提供

　　業(yè)務(wù)提供主要考慮3個方面的問題：一是業(yè)務(wù)層和網(wǎng)絡(luò)QoS管理層的接口問題；二是業(yè)務(wù)流量的管理問題；三是SLA提供和實現(xiàn)問題。這幾個方面保證了業(yè)務(wù)的性能、可管理性和可運營性。

·在一個支持動態(tài)的提供QoS的IP網(wǎng)絡(luò)上，如何建立一個有效的信令機制使得業(yè)務(wù)層的QoS需求能夠轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)層的QoS資源提供，是支持可管理的電信業(yè)務(wù)的核心問題�？紤]到IP網(wǎng)絡(luò)的特點，這種信令機制在實現(xiàn)上必須簡單、可擴展，在控制粒度上也要有別于其他的面向連接的網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到呈現(xiàn)粗粒度（可調(diào)）、半靜態(tài)的特點。信令機制是當(dāng)前QoS研究的難點，還需要進(jìn)一步地深入分析和討論。

·IP QoS對業(yè)務(wù)可管理性、可運營性的支持機制包括業(yè)務(wù)流量管理、業(yè)務(wù)流量計費等機制。在缺乏控制的IP網(wǎng)絡(luò)上，實現(xiàn)業(yè)務(wù)一級的可管理、可運營是非常困難的，包括對業(yè)務(wù)流量和非業(yè)務(wù)流量的區(qū)分并提供資源保證，對業(yè)務(wù)流量的狀態(tài)監(jiān)測和故障排除，對業(yè)務(wù)流量的統(tǒng)計和計費等。此外，為了增加網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)支持能力，還需要實現(xiàn)對非業(yè)務(wù)流量的網(wǎng)絡(luò)資源限制，以防止非業(yè)務(wù)流量的干擾。傳統(tǒng)上，對Client-Server模式的IP應(yīng)用的管理主要通過終端系統(tǒng)（服務(wù)器端）來實現(xiàn)，但是對于提供網(wǎng)絡(luò)傳精服務(wù)（例如點到點的視頻

通信）的揭供商來說，業(yè)務(wù)流量的管理和計費必須通過網(wǎng)絡(luò)層機制來實現(xiàn)。目前，可管理性主要通過增強網(wǎng)絡(luò)的邊界節(jié)點的智能性來實現(xiàn)。

·IP QoS對SLA的支持包括：對不同等級的SLA提供能力、SLA性能監(jiān)離機制以及SLA相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)管理機制。針對目前競爭日益劇烈的市場環(huán)境，提供SLA成為各級運營商提高競爭力的關(guān)鍵。IP QoS機制一方面提供了多等級的SLA能力，另一方面也為SLA實現(xiàn)提供了網(wǎng)絡(luò)保證。為了進(jìn)一步支持SLA，IP QoS還需要提供足夠的SLA監(jiān)測機制、SLA相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)管理以及運營機制。

5 小結(jié)

　　電信級IP QoS是一個非常復(fù)雜的問題，當(dāng)前的解決方案在不同的方面都存在許多不足。因此，根據(jù)業(yè)務(wù)的需求，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的實際情況，不斷吸納新技術(shù)，實現(xiàn)一個可管理、可運營的電信級IP Qos架構(gòu)具有重要的意義。

----《電信技術(shù)》