IP城域網(wǎng)QoS設(shè)計探討

摘　要　IP QoS技術(shù)已經(jīng)被業(yè)界公認為解決目前IP網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及發(fā)展尷尬局面的主要技術(shù)之一，也是IP網(wǎng)絡(luò)走向成熟運營的象征。文中首先簡要的回顧IP QoS核心技術(shù)體制，接著分析和探討了當(dāng)前IP城域網(wǎng)發(fā)展過程中遇到的問題，最后著重針對IP城域網(wǎng)如何進行IP QoS實施進行了深入的探討。

關(guān)鍵詞　城域網(wǎng)　QoS　MPLS　RSVP

目前，隨著互聯(lián)網(wǎng)和各種應(yīng)用業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，尤其是語音、視頻等多媒體業(yè)務(wù)的迅猛增長，IP網(wǎng)絡(luò)也由原來單一的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載要求具備有多業(yè)務(wù)承載能力。經(jīng)過業(yè)界多年的討論，IP網(wǎng)絡(luò)最終已經(jīng)成為各種業(yè)務(wù)的統(tǒng)一承載平臺，也是實現(xiàn)未來各種網(wǎng)絡(luò)（NGN、3G等）融合的基石。然而，傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)是基于開放式架構(gòu)和盡力而為的基礎(chǔ)發(fā)展起來的，無法滿足當(dāng)前各種業(yè)務(wù)類型電信級的要求。針對業(yè)務(wù)類型的多樣化、業(yè)務(wù)流量/流向的不確定性，如何有效地提供完善的QoS機制成為IP網(wǎng)絡(luò)成為電信級網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。

本文主要針對IP城域網(wǎng)如何實施QoS進行探討。IP城域網(wǎng)作為運營商網(wǎng)絡(luò)最重要的組成部分，也是實施QoS最主要的環(huán)節(jié)。此外，QoS在某種程度上也可以看作就是一種業(yè)務(wù)，是運營商對用戶實施SLA服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)，因此對于城域網(wǎng)如何實施QoS十分值得研究。

1　QoS概述

目前，各大標準組織、科研單位及設(shè)備廠商等均爭相研究的IP QoS技術(shù)，運營商為了提高網(wǎng)絡(luò)運行效率，增加業(yè)務(wù)收入，在IP網(wǎng)絡(luò)中也不同程度上部署QoS技術(shù)。IP QoS技術(shù)包括多個方面的內(nèi)容，如帶寬、時延、時延抖動等，城域網(wǎng)中的每種業(yè)務(wù)都對QoS有特定的要求，有些可能對其中的某些指標要求高一些，有些則可能對另外一些指標要求高些。在進行城域網(wǎng)QoS設(shè)計實施闡述之前，有必要對這些技術(shù)進行簡要介紹。

1.1　IP QoS關(guān)鍵指標

IP QoS的目標是為用戶提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證或控制，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況以及業(yè)務(wù)的需求來管理帶寬。主要包括如下：

（1）業(yè)務(wù)可用性：指用戶到Internet業(yè)務(wù)之間連接的可靠性。

（2）傳輸延遲：指兩個參照點之間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的時間間隔。

（3）延遲抖動：指在同一條路由上發(fā)送的一組數(shù)據(jù)流中數(shù)據(jù)包之間的時間差異。

（4）丟包率：指在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)包時丟棄數(shù)據(jù)包的最高比率。數(shù)據(jù)包丟失一般是由網(wǎng)絡(luò)擁塞引起的。

（5）吞吐量：指網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送數(shù)據(jù)包的速率，可用平均速率或峰值速率表示。

1.2　IP QoS主要解決方案

IP QoS技術(shù)一直在不斷發(fā)展當(dāng)中，從目前來看主要的解決方案有：綜合業(yè)務(wù)模型（IntServ），區(qū)分業(yè)務(wù)模型（DiffServ），多協(xié)議標記交換＋區(qū)分業(yè)務(wù)（MPLS＋DiffServ）和流量工程（MPLS TE）等。

1. 綜合業(yè)務(wù)模型（IntServ）

IntServ（Integrated Services）模型是IETF在RFC1633上定義的，其基本思路借鑒了傳統(tǒng)電路交換的思想，即在通信前首先通過信令協(xié)議（RSVP）建立端到端的通信路徑以解決QoS問題。

這種模型的優(yōu)點是能提供端到端的絕對的QoS保證，但由于每個節(jié)點都必須保留流的狀態(tài)信息，設(shè)備負荷比較重，可擴展性較差。

2. 區(qū)分業(yè)務(wù)模型（DiffServ）

為了解決IntServ的局限性，IETF在RFC2475上提出了DiffServ（Differentiated Services）模型，又稱為區(qū)分服務(wù)模型。其最基本思想是在網(wǎng)絡(luò)邊緣處將業(yè)務(wù)流劃分為不同的區(qū)分服務(wù)類，一個業(yè)務(wù)流的差分服務(wù)類由IP包頭的區(qū)分服務(wù)代碼點（DSCP，DiffServ Code Point）來表示。在網(wǎng)絡(luò)核心處則只是簡單的根據(jù)DSCP字段執(zhí)行相應(yīng)的PHB行為即可。

目前DiffServ主要有三類業(yè)務(wù)類型，分別為EF（Expedite Forwarding）、AF（Assured Forwarding）和BE（Best Effort）。EF業(yè)務(wù)是一類低時延、低抖動、低丟包率的業(yè)務(wù)。AF業(yè)務(wù)提供一定程度的確保服務(wù)，分配了帶寬和緩沖區(qū)，協(xié)議定義了4個服務(wù)級別，AF4的優(yōu)先級高，AF1的優(yōu)先級低。此外，AF每個服務(wù)級別中又有3個丟棄優(yōu)先級，因此，AF共有12個優(yōu)先級別。BE為盡力而為的轉(zhuǎn)發(fā)，沒有任何QoS保證。

DiffServ這種模型實現(xiàn)比較簡單，擴展性較好，但很難提供基于流的端到端服務(wù)質(zhì)量保證。

3. 多協(xié)議標記交換＋區(qū)分業(yè)務(wù)（MPLS＋DiffServ）

多協(xié)議標簽交換（MPLS）是一種結(jié)合第二層和第三層的交換技術(shù)，它引入了“顯式路由”機制，對QoS提供了更為可靠的保證。此外，MPLS的報文頭中包含一個3bit的EXP字段，通過該字段可以標記該MPLS報文的優(yōu)先級，從而使設(shè)備在轉(zhuǎn)發(fā)該MPLS報文時能根據(jù)優(yōu)先級標志進行區(qū)別對待。

MPLS DiffServ是DiffServ在MPLS網(wǎng)絡(luò)中的實現(xiàn)，在LSP中為不同業(yè)務(wù)等級提供有區(qū)分的服務(wù)，根據(jù)標記業(yè)務(wù)等級的方法的不同，有E-LSP和L-LSP兩種方法，E-LSP使用Label中的Exp字段進行標記，而L-LSP則使用Label+Exp字段的方式進行標記，它們沒有本質(zhì)的不同，只是標記的種類有區(qū)別。E-LSP是通過LDP協(xié)議建立的普通的LSP，L-LSP需要通過CR-LDP或RSVP擴展來建立。目前業(yè)界的實現(xiàn)主要采用E-LSP。

該解決方案要求網(wǎng)絡(luò)必須支持MPLS協(xié)議。

4. 流量工程（MPLS TE）

流量工程（MPLS TE）主要利用LSP支持顯示路由的能力，在網(wǎng)絡(luò)資源有限的前提下，將網(wǎng)絡(luò)流量合理引導(dǎo)，達到實際網(wǎng)絡(luò)流量負載與物理網(wǎng)絡(luò)資源相匹配。

MPLS TE通過對IGP協(xié)議進行擴展，使其能夠收集網(wǎng)絡(luò)流量信息（包括最大鏈路帶寬、最大保留帶寬、當(dāng)前保留帶寬和鏈路類別等）形成流量工程數(shù)據(jù)庫（TED），每個LER根據(jù)自己的TED、結(jié)合各類策略實施在線約束路由計算，得到顯示路由（從它開始的LSP路徑），最后顯示路由（LSP）通過信令協(xié)議CR-LDP或RSVP擴展來部署。

該解決方案目前主要在支持MPLS協(xié)議的單個域網(wǎng)絡(luò)中，而且只是支持流的分類，忽略了QoS服務(wù)業(yè)務(wù)等級的分類，如果要實現(xiàn)服務(wù)業(yè)務(wù)等級還需同DiffServ相結(jié)合，形成MPLS DiffServ-TE。

2　IP城域網(wǎng)發(fā)展主要問題

當(dāng)前，國內(nèi)寬帶IP城域網(wǎng)的建設(shè)此起彼伏，如何才能構(gòu)建一個電信級IP城域網(wǎng)是一個非常值得探討的問題。IP城域網(wǎng)建設(shè)過程主要存在以下問題。

2.1　業(yè)務(wù)多元化，傳統(tǒng)IP城域網(wǎng)無法滿足要求

在城域網(wǎng)內(nèi)，業(yè)務(wù)類型趨向于的多元化，不同業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的性能要求各不相同。如語音業(yè)務(wù)和視頻業(yè)務(wù)對時延和抖動要求較高；專線業(yè)務(wù)對安全性要求較高；網(wǎng)管型數(shù)據(jù)對時延和抖動沒有嚴格要求，但要求IP包的無誤率為百分之百。傳統(tǒng)IP城域網(wǎng)無法滿足多業(yè)務(wù)類型的需求。

2.2　帶寬利用率低

目前，運營商絕大多數(shù)都是采用過量的帶寬來保證網(wǎng)絡(luò)各種業(yè)務(wù)的需求，這種需求的保證是以犧牲帶寬利用率為前提的，盡管鏈路比較便宜，但網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運營的綜合成本仍然較高，不斷的擴容給運營商帶來極大的壓力。

2.3　垃圾流量占用大量帶寬資源

目前，基于P2P技術(shù)的各類業(yè)務(wù)（如BT下載、Skype等）降低了對服務(wù)器端的帶寬和性能要求，而加大對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求，消耗了大量的帶寬資源。當(dāng)前，在城域網(wǎng)內(nèi)基于P2P應(yīng)用的流量約占總流量的50%～80%，這對于運營商而言是非常頭痛的事。如果不考慮接入費用，使用這些業(yè)務(wù)是免費的。收益和回報均無法滿足城域網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展的要求，而且還造成了對有收入的業(yè)務(wù)無法保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

3　IP城域網(wǎng)QoS實施方案

基于IP網(wǎng)承載全業(yè)務(wù)（包括語音、視頻、數(shù)據(jù)等）的思路已經(jīng)被運營商所接受，并且已經(jīng)積極地進行了相關(guān)試驗。如何解決IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中面臨的問題，保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，這對于在IP網(wǎng)中實施QoS提出了更高的要求。IP城域網(wǎng)作為業(yè)務(wù)從骨干網(wǎng)逐步向用戶的延伸網(wǎng)絡(luò)，QoS實施成功與否直接影響到骨干網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，是實施QoS機制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.1　IP城域網(wǎng)QoS實施原則

（1）端到端的解決方案：包括核心層、匯聚層和接入層，各層分別實施QoS策略并且相互間銜接；

（2）差異性：為不同用戶，不同業(yè)務(wù)提供不同的QoS保證；

（3）可管理：靈活的帶寬控制，體現(xiàn)QoS的計費策略；

（4）高可用性：設(shè)計備份路徑，對關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行冗余備份；

（5）經(jīng)濟性：有效利用網(wǎng)絡(luò)資源，包括帶寬、端口等；

（6）可擴展性：QoS的實施不影響后續(xù)業(yè)務(wù)的擴展，業(yè)務(wù)種類增加時可以平滑擴容。

3.2　IP城域網(wǎng)QoS需求分析

目前IP城域網(wǎng)上承載的業(yè)務(wù)多種多樣，比如NGN、3G、IPTV等，這些業(yè)務(wù)都已經(jīng)有了成熟的部署模型。對于本文來說，為了討論方便可以歸結(jié)為語音、視頻和數(shù)據(jù)等三類應(yīng)用，各種業(yè)務(wù)類型對于QoS需求如下：

（1）語音業(yè)務(wù)：對于流量需求較小，但對丟包和延遲敏感。具體要求是，延遲不大于150ms、抖動不大于30ms、丟包率不大于1%，每個呼叫需要21～320kbit/s帶寬，并且每個呼叫的控制信息需要150 bit/s的帶寬。

（2）視頻業(yè)務(wù)：對流量需求很大，對丟包和延遲敏感程度中等。具體要求是，延遲不大于150 ms、抖動不大于30ms、丟包率不大于1%，最小的高優(yōu)先級帶寬需求也要達到視頻流所用帶寬的基礎(chǔ)上增補20%，例如384kbit/s的視頻流就至少需要460kbit/s高優(yōu)先級的帶寬。

（3）數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)：對流量需求突發(fā)性很強，對丟包和延遲不太敏感。城域網(wǎng)中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類型多種多樣，有些對延時很敏感，有些則沒有，有些對抖動要求很苛刻，有些則沒有。因此，對于不同的業(yè)務(wù)類型應(yīng)有不同的流量模型，并加以區(qū)分，比如WWW、E-mail、FTP、ERP等應(yīng)用。

3.3　IP城域網(wǎng)QoS實施方案

IP QoS是一個系統(tǒng)工程，并不是簡單的把幾個相對成熟的技術(shù)羅列起來就能實現(xiàn)全網(wǎng)端到端的QoS，這其中還包括網(wǎng)絡(luò)的管理、市場經(jīng)營等多方面的因素。此外，IP QoS技術(shù)的發(fā)展以及電信級以太網(wǎng)技術(shù)（如QinQ、MAC in MAC、VPLS等）的發(fā)展均為IP城域網(wǎng)提供完備的QoS機制保證。本文只是對當(dāng)前城域網(wǎng)實施QoS做個探討，以期起到拋磚引玉的作用。

1. 總體方案

IP城域網(wǎng)按照網(wǎng)絡(luò)層次可以分為核心層、匯聚層和接入層，各層次需要根據(jù)不同的業(yè)務(wù)實施不同的QoS策略。根據(jù)前面的QoS技術(shù)及業(yè)務(wù)需求分析，提出本文IP城域網(wǎng)的QoS解決思路，即在IP城域網(wǎng)中采用MPLS DiffServ的QoS機制，在業(yè)務(wù)量增大，一些鏈路、節(jié)點成為瓶頸，而其他鏈路、節(jié)點還有富裕帶寬的情況下，再考慮采用MPLS TE，以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，提高帶寬利用率，如圖1所示。

2. 業(yè)務(wù)種類

目前，絕大多數(shù)IP城域網(wǎng)主要提供了語音、視頻、數(shù)據(jù)上網(wǎng)、電子商務(wù)、VPN等業(yè)務(wù)，此外，語音和視頻業(yè)務(wù)除了數(shù)據(jù)流之外，還有控制流。

為了在IP城域網(wǎng)實現(xiàn)MPLS DiffServ的QoS機制，首先要能夠?qū)σ陨细鞣N業(yè)務(wù)類型進行標記，將QoS需求程度較高的業(yè)務(wù)標記為高優(yōu)先級，然后網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過優(yōu)先級字段進行報文分類、流量整形、流量監(jiān)管和隊列調(diào)度，從而實現(xiàn)對高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的優(yōu)先處理，最大程度的減少了低優(yōu)先級業(yè)務(wù)對高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的沖擊。

為了標記各種業(yè)務(wù)的類別，在IP層可以使用了IP頭部的ToS字段，RFC 2474定義了ToS字段的前6bit，稱為DSCP，可以區(qū)分64個類別。在以太網(wǎng)中可以使用了802.1p，3bit，可以區(qū)分8個類別。MPLS E-LSP中也使用3bit，可以區(qū)分8個類別。這樣，在全網(wǎng)能夠支持8個優(yōu)先級類別。則IP城域網(wǎng)各類業(yè)務(wù)分類及優(yōu)先級映射關(guān)系如表1所示。

3. 核心層

在核心層面，由于節(jié)點少、流量大、性能要求高，運營商均部署了高端路由器，通過MPLS等技術(shù)實現(xiàn)QoS保障，可以很好地實現(xiàn)對多業(yè)務(wù)的承載。網(wǎng)絡(luò)核心層主要功能是根據(jù)業(yè)務(wù)報文中的QoS標記進行有差別的隊列調(diào)度處理，主要包括擁塞管理和擁塞避免等。

當(dāng)數(shù)據(jù)報文從匯聚層到達了網(wǎng)絡(luò)核心層，網(wǎng)絡(luò)核心層根據(jù)各種優(yōu)先級字段進行擁塞管理，即進行隊列調(diào)度執(zhí)行PHB。不同的隊列調(diào)度技術(shù)用來解決不同的問題，并產(chǎn)生不同的效果，因此隊列調(diào)度算法的選擇對QoS的準確性起到極其重要的作用；目前提供的隊列調(diào)度技術(shù)主要包括FIFO（先進先出）、PQ（優(yōu)先級隊列）、CQ（定制排隊）、WFQ（加權(quán)公平隊列）等。

擁塞避免是用來監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)負載，預(yù)見并避免擁塞的發(fā)生。如果擁塞開始增加，將隨機地丟棄數(shù)據(jù)包，從而促使信息源發(fā)現(xiàn)流量丟失繼而降低其傳輸速率，達到擁塞避免的目的。一般核心網(wǎng)提供擁塞避免機制包括RED和WRED。

此外，核心層在業(yè)務(wù)量增大，部分鏈路流量差異較大時，可以采用MPLS TE技術(shù)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)流量。

4. 匯聚層

目前，匯聚層除了完成部分隊列調(diào)度和擁塞控制功能外，其主要任務(wù)是要實現(xiàn)優(yōu)先級類型的映射，主要是從802.1p到DSCP/MPLS EXP業(yè)務(wù)優(yōu)先級類型的映射。各種業(yè)務(wù)優(yōu)先級映射關(guān)系見表1。

當(dāng)前各大運營商在匯聚層面傾向于建造以BRAS、業(yè)務(wù)路由器（SR）及匯聚路由器組成的路由網(wǎng)絡(luò)，主要解決高帶寬、大容量、業(yè)務(wù)集中控制等需求。該層次設(shè)備要求具備足夠容量的轉(zhuǎn)發(fā)能力，提供充足的帶寬，并能根據(jù)接入層透傳過來優(yōu)先級信息進行隊列調(diào)度，針對每用戶每業(yè)務(wù)優(yōu)先級類別實施相應(yīng)的QoS策略，保證高優(yōu)先級別的業(yè)務(wù)得以優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)。

5. 接入層

接入層是實施QoS最為復(fù)雜的部分，該層次涉及到的設(shè)備品牌/種類繁多，設(shè)備功能不一，部分設(shè)備不具備QoS能力，無法區(qū)分業(yè)務(wù)及提供SLA，而且網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可靠性比較低，成為全網(wǎng)實施端到端QoS的瓶頸。此外，由于接入層網(wǎng)絡(luò)往往帶寬是固定的，無法采用過量帶寬實施QoS。

根據(jù)目前接入層網(wǎng)絡(luò)情況，要實現(xiàn)全網(wǎng)端到端的QoS策略，應(yīng)按照網(wǎng)絡(luò)實際情況對接入層進行規(guī)模改造。主要可以改造內(nèi)容有：

· 優(yōu)化接入層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)扁平化，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性及穩(wěn)定性；

· 對不具備QoS能力的低端設(shè)備進行更換；

· 通過電信級以太環(huán)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)小于50ms的保護倒換時間；

· 通過QinQ及其增強技術(shù)提供對用戶/業(yè)務(wù)的唯一標識；

· 增強接入網(wǎng)對多播等業(yè)務(wù)的支持能力；

· 增強接入網(wǎng)絡(luò)的OAM能力。

通過以上各方面對接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的改造，可以有效的對接入網(wǎng)進行QoS實施，滿足端到端業(yè)務(wù)QoS需求。

根據(jù)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)情況，目前，在QoS實現(xiàn)中，接入層的主要功能是區(qū)分用戶和業(yè)務(wù)，并進行標記，以便于匯聚層針對用戶和業(yè)務(wù)進行帶寬控制。建議接入層采用VLAN+802.1p進行對用戶和業(yè)務(wù)進行區(qū)分。接入層要求接入交換機應(yīng)至少支持802.1q VLAN，最好還能支持802.lp或DiffServ。對于僅有802.1q VLAN功能的，要求通過VLAN識別，在匯聚層實現(xiàn)業(yè)務(wù)優(yōu)先級映射；若同時支持802.1p或DiffServ，則接入層至匯聚層業(yè)務(wù)優(yōu)先級必須嚴格匹配。

接入層QoS實施通過為不同用戶不同業(yè)務(wù)分配不同的優(yōu)先級，將話音、視頻業(yè)務(wù)配置為高優(yōu)先級，經(jīng)過接入層網(wǎng)絡(luò)直接將優(yōu)先級信息透傳至匯聚層設(shè)備，由匯聚層進行相關(guān)QoS策略調(diào)度。

4　結(jié)束語

利用IP網(wǎng)絡(luò)承載全業(yè)務(wù)已經(jīng)成為運營商發(fā)展的趨勢。在IP城域網(wǎng)實施QoS不僅能夠幫助運營商避免頻繁擴容帶寬的壓力，而且能夠提供差異化服務(wù)，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。目前，QoS技術(shù)還在不斷發(fā)展當(dāng)中，隨著城域網(wǎng)內(nèi)部承載業(yè)務(wù)的多種多樣，相應(yīng)也會要求QoS技術(shù)能夠進行深層次的業(yè)務(wù)感知，包括對報文任意層次和字段的解析（比如識別P2P流量），對業(yè)務(wù)的連接和狀態(tài)進行分析等。此外，IP網(wǎng)實施QoS是個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不能純粹依靠相關(guān)的QoS技術(shù)來保證網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。還應(yīng)與其他相關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)（如CDN、電信級網(wǎng)管等）相結(jié)合建設(shè)才能起到相輔相成的作用。

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作者：莫華國 來源：中國新通信（原《中國數(shù)據(jù)通信》6月）