下一代網(wǎng)絡(luò)的QoS技術(shù)

摘要　在深入分析IP QoS技術(shù)的基礎(chǔ)上，闡述了下一代網(wǎng)絡(luò)中QoS的主要模型和關(guān)鍵技術(shù)，重點討論了呼叫準(zhǔn)入控制和帶寬資源管理。

關(guān)鍵詞　下一代網(wǎng)絡(luò)　服務(wù)質(zhì)量　呼叫準(zhǔn)入控制　帶寬資源管理

　　計算機網(wǎng)絡(luò)最初是為傳送數(shù)據(jù)信息而設(shè)計，傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)認(rèn)為所有的主機都是平等的，從而提供“盡力而為”(best-effort)服務(wù)和每一個分組獨立選擇路由的策略，這些對傳送數(shù)據(jù)信息是合適的。由于IP業(yè)務(wù)將成為未來電信業(yè)務(wù)的主體，1999年ITU-T確定以IP為核心的電信網(wǎng)演進方向：下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN)將是一個以IP為核心，可以支持語音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)的融合的全業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。但是傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)提供的best-effort服務(wù)，無法保證時延、時延抖動、分組丟失率等對于電信級業(yè)務(wù)來說至關(guān)重要的服務(wù)質(zhì)量(QoS：quality of service)。20世紀(jì)90年代前期占主導(dǎo)地位的ATM雖然有一整套完整的QoS機制，但是它基于面向連接的控制技術(shù)，不能簡單地移植到無連接的IP網(wǎng)絡(luò)中。因此，多業(yè)務(wù)IP網(wǎng)絡(luò)的QoS實現(xiàn)技術(shù)的研究是部署NGN的一項極其重要和具有挑戰(zhàn)性的重要內(nèi)容，成為整個信息業(yè)界的熱點研究課題。

1、QoS概念

　　ITU-T在建議書E.800中給出QoS定義[1]：QoS是服務(wù)性能的總效果，該效果決定了一個用戶對服務(wù)的滿意程度。因此在最簡單的意義上，有QoS的服務(wù)就是能夠滿足用戶的應(yīng)用需求的服務(wù)。從技術(shù)角度來看，QoS是指網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各種性能尺度的綜合，主要包括可提供的帶寬、丟包率、差錯率、時延和抖動、接通率等方面。具體應(yīng)用不同，對QoS各項指標(biāo)的要求也不同。比如：長文件傳輸要求傳輸速率高且分組丟失低，但對時延和抖動不是太敏感；而視頻會議不僅要求傳輸速率高，而且對時延和抖動也很敏感。

　　保證QoS，實質(zhì)上就是要提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸條件。如高質(zhì)量的語音通信，就是依賴于帶寬、時延和抖動這3個要素。一般而言，網(wǎng)絡(luò)提供QoS保證的途徑有：過度配置、優(yōu)先級、隊列、避免擁塞和傳輸整形等。

　　1)過度配置：這是最簡單的一種QoS途徑，通常應(yīng)用在局域網(wǎng)，是靠提供大量帶寬來滿足用戶的業(yè)務(wù)需求。廣域網(wǎng)中，由于帶寬成本，過度建設(shè)這一方法目前還不可能占主導(dǎo)地位。

　　2)優(yōu)先級：該方法是對每個IP分組的級別進行分類，不同級別的分組在網(wǎng)絡(luò)進行帶寬分配、通過順序、時延抖動、丟包等方面的處理時，所受到的待遇是不同的，這樣可以確保諸如語音、圖像等對實時性要求比較高的分組享受高的級別，從而提高其傳輸?shù)馁|(zhì)量。

　　3)隊列：隊列和隊列調(diào)度算法是在已經(jīng)應(yīng)用了優(yōu)先級的前提下采用的一種QoS方案。隊列實際上是路由器或交換機內(nèi)部的一塊緩沖區(qū)，用來存儲帶有優(yōu)先級別的IP分組。隊列調(diào)度算法則用來確定存儲在隊列中的分組的發(fā)送順序，為優(yōu)先級高的分組提供更好的服務(wù)。

　　4)避免擁塞：擁塞控制與避免機制是QoS的另一個重要方面。擁塞控制使在網(wǎng)絡(luò)在負載達到某一限度時降低傳輸流速度。但擁塞控制本身并不能保證QoS。只有與擁塞避免功能同時存在時，擁塞控制才能發(fā)揮作用。隨機早期檢測(RED：random early detection)[2]技術(shù)是標(biāo)準(zhǔn)的擁塞避免方法。每當(dāng)隊列滿時，RED就隨機地丟棄一些分組，使隊列不出現(xiàn)溢出。

　　5)傳輸整形：傳輸整形是一種處理和修改分組長度以保證QoS的技術(shù)，例如分組分段。ATM網(wǎng)絡(luò)提供高QoS的原因之一就是它采用了固定長度的短信元。任何信元可以被延時的上限是傳輸一個信元所需的時間。

2、QoS業(yè)務(wù)模型

　　具有QoS保證的網(wǎng)絡(luò)，其QoS系統(tǒng)應(yīng)是將優(yōu)先級、隊列、消除擁塞等幾種技術(shù)集成在一起的整體，形成一種基于策略的管理系統(tǒng)，稱為業(yè)務(wù)模型。Internet工程任務(wù)組(IETF)，已經(jīng)提出了幾種改善QoS的業(yè)務(wù)模型，其中包括綜合業(yè)務(wù)(IntServ)[3]，區(qū)分業(yè)務(wù)(DiffServ)[4]和多協(xié)議標(biāo)簽交換(MPLS：multiprotocol label switching)[5]。

　　2.1　綜合業(yè)務(wù)

　　綜合業(yè)務(wù)(IntServ)是根據(jù)每個IP流的QoS等級的精確描述，由具有資源預(yù)留協(xié)議(RSVP)[6]功能的路由器中的RSVP和流的準(zhǔn)入控制支持IP的QoS分類。在IntServ流中，除保留了原有的盡力傳送業(yè)務(wù)(BS：best-effort service)之外，新增了2類業(yè)務(wù)：保證業(yè)務(wù)(GS：guaranteed service)和受控業(yè)務(wù)(CLS：controlled load service)。對于GS，流的最大排隊時延是受到控制的。CLS可以使應(yīng)用得到比BS更加可靠的服務(wù)。

　　一旦特定的業(yè)務(wù)流被分配給某類通信，一個“PATH”消息將被向前發(fā)送直至目的地址，以便確定網(wǎng)絡(luò)是否具有支持該特定業(yè)務(wù)所必需的足夠資源(如帶寬、緩沖空間等)。如果發(fā)現(xiàn)路徑上所有設(shè)備都可以提供所需資源，接收端則生成一個“RESV”消息返回給發(fā)送端，通知發(fā)送端可以開始傳輸數(shù)據(jù)。這一過程，就是資源預(yù)留協(xié)議。

　　IntServ的主要優(yōu)點是它較好地適應(yīng)了不同應(yīng)用的QoS要求。例如GS可滿足關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用，而適應(yīng)性應(yīng)用可使用CLS，其它彈性應(yīng)用可使用BS。IntServ的主要缺陷為控制顆粒過細(針對單個會話流)導(dǎo)致控制開銷很大，并且網(wǎng)內(nèi)的每一節(jié)點都支持IntServ。因此IntServ的擴展性能差，沒有在核心網(wǎng)絡(luò)中得到實際應(yīng)用。

　　2.2　區(qū)分業(yè)務(wù)

　　區(qū)分業(yè)務(wù)(DiffServ)實際上就是給業(yè)務(wù)分級，它在用戶和業(yè)務(wù)網(wǎng)的接口處分級，業(yè)務(wù)的分級是基于每個數(shù)據(jù)分組的不同標(biāo)簽。同一級別的業(yè)務(wù)在該網(wǎng)絡(luò)中會被聚合起來統(tǒng)一發(fā)送，保證相同的延遲、傳輸速率、抖動等服務(wù)質(zhì)量參數(shù)。

　　DiffServ的一個重要概念是在轉(zhuǎn)發(fā)分組時體現(xiàn)服務(wù)水平的每跳行為(PHB：per hop behaviors)。DiffServ重新定義了IPv4中的ToS和IPv6中的TC，稱作DS字段，DS字段的取值稱為DSCP(DiffServ code point)。不同的DSCP取值對應(yīng)于不同的PHB。目前，IETF已定義了兩種PHB：加速轉(zhuǎn)發(fā)PHB(EF PHB：expedited forwarding PHB)和可確定的轉(zhuǎn)發(fā)PHB組(AF PHB：assured forwarding PHB)。EF指明離開一個路由器的流量的數(shù)據(jù)率必須等于或大于某一數(shù)值，可以用來在Diffserv域中建立具有低丟失率、低時延、低時延抖動、確保帶寬的端到端業(yè)務(wù)。AF比較靈活，可以自行定義特定的服務(wù)類別。

　　DiffServ的控制顆粒只是少數(shù)幾類聚合業(yè)務(wù)流，無需專門的控制協(xié)議。業(yè)務(wù)流分類和匯聚工作在網(wǎng)絡(luò)邊緣由邊緣路由器完成，核心路由器可根據(jù)業(yè)務(wù)流的標(biāo)記將它們發(fā)送到目的端而不必檢查每個分組頭的細節(jié)因而工作快捷。基于其良好的可擴展性，DiffServ已成為IP網(wǎng)絡(luò)QoS的主要技術(shù)。

　　2.3　MPLS

　　在傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)中，分組每到達一個路由器，都必須查找路由表，并按照“最長前綴匹配”的原則找到下一跳的IP地址。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)很大時，查找含有大量項目的路由表需要很大的開銷。MPLS使用很簡單的轉(zhuǎn)發(fā)算法對打上固定標(biāo)記的分組用硬件進行轉(zhuǎn)發(fā)，這樣轉(zhuǎn)發(fā)分組時不再上升到第三層，而是根據(jù)第二層的標(biāo)記用硬件進行轉(zhuǎn)發(fā)。MPLS可以使用多種鏈路層協(xié)議。

　　支持MPLS功能的路由器稱為標(biāo)記交換路由器(LSR：label switching router)，MPLS域中的路由器都必須是LSR，LSR需要使用路由選擇功能構(gòu)造分組轉(zhuǎn)發(fā)表，然后用標(biāo)志交換功能對分組進行快速轉(zhuǎn)發(fā)。MPLS域中的各LSR使用專門的標(biāo)記分配協(xié)議(LDP：label distribution protocol)交換分組，并找出和特定標(biāo)志相對應(yīng)的標(biāo)記交換路徑(LSP：label switched path)。邊緣入口LSR對分組打上標(biāo)記，以后所有的LSR都按照標(biāo)記進行轉(zhuǎn)發(fā)，每經(jīng)過一個核心LSR，要換一個新的標(biāo)記。當(dāng)分組離開MPLS域時，邊緣出口LSR就將分組的標(biāo)志去除。以后就按照一般分組轉(zhuǎn)發(fā)的方法進行轉(zhuǎn)發(fā)。上述的這種由邊緣入口LSR來確定分組在MPLS域中的轉(zhuǎn)發(fā)路徑稱為顯示路由選擇。

　　MPLS的主要特點是：支持面向連接的服務(wù)質(zhì)量；支持流量工程，平衡網(wǎng)絡(luò)負載；支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。MPLS技術(shù)利用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，MPLS流量工程可以根據(jù)流的服務(wù)質(zhì)量需求選擇優(yōu)化的路由，也能在MPLS域內(nèi)進行負荷均衡，因而在宏觀上提供了保障服務(wù)質(zhì)量的基礎(chǔ)。

　　由于MPLS關(guān)于業(yè)務(wù)流聚合、邊緣路由器／核心路由器劃分等概念和DiffServ極為相似，因此在MPLS網(wǎng)絡(luò)中部署DiffServ將是核心IP網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)。

3、呼叫準(zhǔn)入控制

　　由于IntServ存在可擴展性問題，一般應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)邊緣的接入網(wǎng)部分；而DiffServ是基于業(yè)務(wù)類，可擴展性好，可以應(yīng)用于核心網(wǎng)。IntServ和DiffServ網(wǎng)絡(luò)的互通提供了從接入網(wǎng)到核心網(wǎng)的QoS保障。

　　在這種IntServ和DiffServ網(wǎng)絡(luò)的互通方式中，位于接入網(wǎng)和核心網(wǎng)之間的互聯(lián)設(shè)備ED(edge device)[7]起到很關(guān)鍵的作用。入口ED接受到來自源端RSVP的PATH消息，然后存儲相關(guān)內(nèi)容并向目的端發(fā)送。核心網(wǎng)中的DiffServ路由器忽略這些RSVP的消息并透明轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)PATH消息到達出口ED時，出口ED將其發(fā)送到IntServ域并最終到達目的端，如果判斷IntServ域的網(wǎng)絡(luò)資源滿足相應(yīng)的QoS要求，目的端向源端回送RESV消息。同樣返回的RESV消息進入出口ED并透明穿越DiffServ域進而到達入口ED，這時入口ED將要根據(jù)DiffServ域的網(wǎng)絡(luò)資源使用情況進行呼叫準(zhǔn)入控制(CAC：call admission control)，如果準(zhǔn)入，入口ED將把該RESV消息繼續(xù)通過IntServ域發(fā)送至源端。

　　呼叫準(zhǔn)入控制的基本目的是在確保準(zhǔn)入業(yè)務(wù)QoS的前提下，通過動態(tài)資源共享，達到盡可能高的網(wǎng)絡(luò)資源利用率。其基本思路是實時計算可用網(wǎng)絡(luò)資源，判斷新流加入后其QoS指標(biāo)能否滿足，而且先前入網(wǎng)業(yè)務(wù)流的QoS是否不受影響，據(jù)此作出準(zhǔn)入決策。準(zhǔn)入控制算法還要盡可能地提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

　　呼叫準(zhǔn)入控制一般有3種方式：基于申明參數(shù)的準(zhǔn)入控制(DBAC：declaration based admission control)[8]，基于測量的準(zhǔn)入控制(MBAC：measurement based admission control)[9]和端點準(zhǔn)入控制(EAC：endpoint admission control)[10]。對于DBAC，它在基于控制算法能獲知精確的流量特性的基礎(chǔ)上，如果實際流量與申明的流量參數(shù)不符合，則會大大降低控制算法的性能，從而破壞對業(yè)務(wù)的QoS保證。MBAC事實上將由用戶完成的流量描述功能轉(zhuǎn)交給了網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的控制模塊實時探測網(wǎng)絡(luò)的負荷狀況。這樣，用戶的流量描述可以更簡單，也不會造成資源的過量分配。但是這會帶來測量誤差、系統(tǒng)動態(tài)性和測量開銷等方面的問題。EAC是由端點主機或應(yīng)用程序發(fā)送探測包來獲知網(wǎng)絡(luò)狀況，并據(jù)此作出準(zhǔn)入決策，這種方法是基于一種不精確的測量，不能提供嚴(yán)格的端到端的QoS保證。此外，大量的探測包還可能會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)崩潰，所以EAC不是一種有效的準(zhǔn)入控制算法。

　　準(zhǔn)入控制算法至少需要獲知3個參數(shù)：請求的資源、可控制的網(wǎng)絡(luò)資源和當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)可用資源總量。請求的資源可以用令牌桶參數(shù)、峰值速率和QoS性能參數(shù)來描述，可控制的資源總量由鏈路物理容量和網(wǎng)絡(luò)配置算法確定。等效帶寬是描述當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)可用資源的有效方法[11]，而等效帶寬計算公式中的參數(shù)又和網(wǎng)絡(luò)的實時負荷相關(guān)。

　　我們教研室提出一種新型的基于模糊邏輯的多業(yè)務(wù)呼叫準(zhǔn)入控制算法[12]：該算法跟蹤網(wǎng)絡(luò)的實時負荷情況，動態(tài)地調(diào)整帶寬計算公式的參數(shù)，能夠相對精確地計算等效帶寬，從而使準(zhǔn)入更加準(zhǔn)確；并且將基于參數(shù)模型和基于測量的兩種技術(shù)結(jié)合起來，可以克服單純依賴參數(shù)模型或測量數(shù)據(jù)進行呼叫準(zhǔn)入控制的缺陷。仿真證實該算法在滿足業(yè)務(wù)QoS的前提下，獲得較高的網(wǎng)絡(luò)資源利用率，并且能自適應(yīng)地根據(jù)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量的動態(tài)變化調(diào)整控制決策。

4、帶寬資源管理

　　DiffServ只能提供相對優(yōu)先級的QoS。為了保證確定的QoS性能要求，DiffServ域必須增設(shè)網(wǎng)絡(luò)帶寬資源分配和網(wǎng)絡(luò)流量控制功能，為此引入了網(wǎng)絡(luò)資源管理器的概念。在IETF標(biāo)準(zhǔn)中，稱之為帶寬代理(BB：bandwidth broker)，其功能是管理和控制DiffServ域的帶寬資源，包括域內(nèi)和域間的資源管理和流量控制。

　　但是，迄今為止IETF只考慮集中式BB結(jié)構(gòu)，即每個域配置一個BB，負責(zé)該域的資源分配和管理。這種集中控制模式很難適應(yīng)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的需求，其主要問題是：

　　1)網(wǎng)絡(luò)邊緣接受的所有資源請求都需轉(zhuǎn)交集中設(shè)置的BB處理，由此將顯著增加網(wǎng)絡(luò)負荷；

　　2)全域資源請求由單一BB處理會形成處理瓶頸，難以滿足會話型和交互型業(yè)務(wù)流的實時性要求。

　　為此，有關(guān)研究人員提出了不同形式的分布式BB控制模式，其基本思想是由集中設(shè)置的BB(cBB：central BB)維護全域的拓撲和資源信息，由位于邊緣的眾多的分布式BB(eBB：edge BB)維護與其相關(guān)的路徑信息。對于邊緣到達的資源請求，直接由eBB進行處理，只有當(dāng)eBB資源不夠時，才會向cBB請求追加資源，cBB負責(zé)對全域資源進行動態(tài)優(yōu)化分配控制。

　　文獻[13]給出了兼顧資源利用率和計算開銷的量化分配資源的思路，即當(dāng)eBB提出追加資源請求時，cBB并不是根據(jù)請求的數(shù)量精確地追加分配，而是分配規(guī)定大小的一塊資源給eBB，以避免頻繁的資源追加請求，資源使用完畢后立即釋放。這樣可有效地減少處理開銷。但是存在2個問題：

　　1)cBB量化分配的資源塊的大小沒有考慮網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前負荷狀態(tài)，可能導(dǎo)致資源調(diào)配的不公平性；

　　2)追加分配的資源在使用后立即釋放，而沒有考慮后續(xù)到達請求的趨勢，可能導(dǎo)致資源追加頻度和處理開銷的增加。

　　我們教研室針對上述2個問題已經(jīng)提出了新型的基于模糊邏輯的動態(tài)資源分配算法，其特點是：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實時負荷狀態(tài)進行動態(tài)資源塊分和是基于趨勢概率分析的資源追加請求和滯后釋放。仿真結(jié)果表明，所提出的算法解決了分布式BB結(jié)構(gòu)尚未解決的技術(shù)問題，具有良好的性能。

5、結(jié)束語

　　在綜合國內(nèi)外專家學(xué)者和研究機構(gòu)對IP QoS研究的基礎(chǔ)上，我們對此進行的大量的研究工作，認(rèn)為應(yīng)在接入網(wǎng)部分，采用IntServ/RSVP的模式提供該部分的QoS；在核心網(wǎng)部分，采用DiffServ over MPLS的模式提供核心網(wǎng)絡(luò)的QoS；對呼叫進行準(zhǔn)入控制是保證業(yè)務(wù)流QoS的重要手段；兩級BB結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)資源管理和流量控制的有效方式。

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作者：吳斌 來源：中國聯(lián)通網(wǎng)站