IMS體系結(jié)構(gòu)中的QoS問題

摘要　完整的服務(wù)質(zhì)量（QoS）解決方案是通信網(wǎng)絡(luò)融合中的重要課題，引入基于IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）框架的、具有QoS保證的資源控制架構(gòu)是解決融合網(wǎng)絡(luò)QoS問題的重要方法。本文在介紹基于綜合服務(wù)與區(qū)分服務(wù)相結(jié)合的IMS QoS服務(wù)模型的基礎(chǔ)上，詳細(xì)討論IMS網(wǎng)絡(luò)中的QoS控制結(jié)構(gòu)、資源控制和QoS授權(quán)等問題。

IP多媒體核心子系統(tǒng)（IMS）是第三代移動(dòng)通信合作伙伴項(xiàng)目（3GPP）提出的支持IP多媒體業(yè)務(wù)的子系統(tǒng)。它可以提供多種媒體業(yè)務(wù)，順應(yīng)了通信網(wǎng)絡(luò)融合的大趨勢，并將逐漸成為下一代網(wǎng)絡(luò)（NGN）的核心控制體系結(jié)構(gòu)。IMS是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合和業(yè)務(wù)融合的核心標(biāo)準(zhǔn)，基于IMS的NGN體系架構(gòu)必將成為通信行業(yè)未來發(fā)展的重要目標(biāo)。

然而，由于NGN體系的復(fù)雜性，多方面的約束條件使其標(biāo)準(zhǔn)化舉步維艱。QoS保證問題是NGN能否成為未來統(tǒng)一平臺(tái)的關(guān)鍵，而這很大程度上取決于NGN所基于的分組承載網(wǎng)絡(luò)。目前基于分組承載網(wǎng)的各種QoS解決方案主要關(guān)注承載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的QoS處理能力，更多的是基于分組承載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的承諾訪問速率CAR、整形、隊(duì)列調(diào)度、優(yōu)先級(jí)標(biāo)記等實(shí)現(xiàn)技術(shù)，這些具體技術(shù)是所有QoS實(shí)施的基礎(chǔ)，但NGN還需要從網(wǎng)管、資源管理與控制等方面實(shí)施相應(yīng)的QoS控制策略，以形成一個(gè)全網(wǎng)的QoS解決方案。另外，NGN的QoS問題主要是集中在接入網(wǎng)和城域網(wǎng)，開放的接入網(wǎng)面臨滿足電信級(jí)網(wǎng)絡(luò)和IPTV業(yè)務(wù)要求的挑戰(zhàn)，例如要達(dá)到IPTV單路很高的可靠性、可用性目標(biāo)和網(wǎng)絡(luò)的50ms業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間的要求，接入網(wǎng)和為現(xiàn)有IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的城域數(shù)據(jù)網(wǎng)都很難滿足，需要采用必要的策略加以解決，同時(shí)寬帶設(shè)備對(duì)解決QoS也提出了要求。IP網(wǎng)絡(luò)本身是“盡力而為”地將數(shù)據(jù)包從某個(gè)源端點(diǎn)高效傳送到某個(gè)目的端點(diǎn)，不提供端到端的可靠性、低時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)、低丟包率等QoS保證。

在標(biāo)準(zhǔn)化方面，人們將會(huì)從端用戶對(duì)QoS的感受出發(fā)，定義電話和多媒體業(yè)務(wù)的端到端QoS類型與要求，明確多媒體業(yè)務(wù)中的各業(yè)務(wù)類型分別登記QoS類別的方法，給出域間低層QoS的控制規(guī)范和利用低層QoS的機(jī)理以保證上層QoS的規(guī)范。在多個(gè)異構(gòu)網(wǎng)相連時(shí)，可能涉及不同的QoS機(jī)制，如何將端到端的QoS指標(biāo)分解和采用不同的QoS措施以保證這些指標(biāo)，將是NGN標(biāo)準(zhǔn)化的一項(xiàng)艱巨任務(wù)。

1、IMS中的QoS問題

提供具有嚴(yán)格QoS保證的數(shù)據(jù)、語音、圖像、視頻等多種移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)是第三代移動(dòng)通信走向成熟的關(guān)鍵，也是面臨的挑戰(zhàn)之一。首先，3G承諾的多種具有應(yīng)用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)模型具有各自不同的流量特征，對(duì)帶寬和時(shí)延等服務(wù)質(zhì)量參數(shù)有嚴(yán)格的要求；其次，無線信道的帶寬受限、差錯(cuò)率高和移動(dòng)性等特點(diǎn)使得多媒體業(yè)務(wù)在接入控制、資源分配等方面的要求更為苛刻；最后，如果采用全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)僅能提供盡力而為服務(wù)，這在UMTS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)下更難以滿足要求。

在3G網(wǎng)絡(luò)中引入IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）為支持未來業(yè)務(wù)的QoS提供了新的空間。IMS提供的端到端QoS機(jī)制是終端通過協(xié)商如下參數(shù)實(shí)現(xiàn)：如媒體類型、業(yè)務(wù)流方向和媒體類型的比特率、分組大小、分組傳輸頻率、各媒體類型的RTP凈荷的用法和帶寬的自適應(yīng)等。終端采用適當(dāng)?shù)膮f(xié)議（例如RTP）將各個(gè)媒體類型進(jìn)行編碼和分組，并通過IP上的某種傳輸層協(xié)議將這些媒體分組傳遞到接入網(wǎng)和核心網(wǎng)。IMS只是一個(gè)控制的網(wǎng)絡(luò)，IMS中的接入網(wǎng)和骨干網(wǎng)與IMS一起提供端到端QoS，其提供給終端用戶的業(yè)務(wù)質(zhì)量取決于承載網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量和承載網(wǎng)絡(luò)能力。

在IMS的框架下，核心網(wǎng)絡(luò)的信令和數(shù)據(jù)都基于IP網(wǎng)承載，而IP網(wǎng)的無連接和不保證QoS的特性使得QoS難以達(dá)到電信級(jí)水平。IP網(wǎng)絡(luò)QoS保證不是某一單項(xiàng)技術(shù)所能解決的，它需要業(yè)務(wù)平面、數(shù)據(jù)平面、控制平面和管理平面的配合，涉及多平面多層次的綜合技術(shù)。

首先，需要解決控制顆粒度和可擴(kuò)展性之間的矛盾。要確保電信業(yè)務(wù)的QoS，基于可用資源的接納控制必不可少，但對(duì)每一個(gè)呼叫都執(zhí)行復(fù)雜的接納控制算法相當(dāng)于回歸傳統(tǒng)交換的做法，違背了IP網(wǎng)的設(shè)計(jì)原則；其次，需要解決NGN分層結(jié)構(gòu)中QoS層間垂直控制問題。QoS在本質(zhì)上從屬于具體應(yīng)用，故QoS的實(shí)現(xiàn)必然涉及業(yè)務(wù)層、控制層和傳送層之間的交互，必須定義層間QoS映射和控制信令標(biāo)準(zhǔn)，而目前QoS研究大多局限于傳送層，未很好考慮上層機(jī)制；再次，需要解決多域QoS控制的問題。QoS是端到端的性能，因此必然涉及用戶駐地網(wǎng)、接入網(wǎng)、城域網(wǎng)和核心網(wǎng)，還可能跨越不同的運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，每一類網(wǎng)絡(luò)域都具有其不同的技術(shù)機(jī)制和服務(wù)環(huán)境，因此應(yīng)采用不同的解決方案，這些也是IMS急待解決的問題。

基于以上這些問題，本文先介紹了常用的QoS解決方案——IntServ模型和DiffServ模型，再詳細(xì)討論IMS中QoS控制架構(gòu)、媒體授權(quán)及資源預(yù)留等問題。

2、IMS QoS服務(wù)模型

2.1　綜合服務(wù)（IntServ）模型

綜合服務(wù)模型被設(shè)計(jì)用于提供端到端QoS，其基本思想是對(duì)屬于不同數(shù)據(jù)流的分組在路由器中進(jìn)行不同的處理。該模型應(yīng)用資源預(yù)留協(xié)議RSVP（RFC2205）作為資源預(yù)留協(xié)議。端點(diǎn)發(fā)送RSVP消息為一個(gè)數(shù)據(jù)流請(qǐng)求確定的QoS，路由器從接收到的RSVP消息中獲得關(guān)于該數(shù)據(jù)流的描述，并據(jù)此對(duì)所有屬于該數(shù)據(jù)流的包進(jìn)行正確操作。在路由不改變時(shí)，數(shù)據(jù)流的包將遵循與PATH消息一樣的路徑。而當(dāng)拓?fù)涓淖儠r(shí)，如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)由RESV消息產(chǎn)生的原預(yù)留狀態(tài)沒有被新的RSVP消息更新，路由器將刪除該狀態(tài)。

綜合服務(wù)模型的主要問題是網(wǎng)絡(luò)需要存儲(chǔ)大量的狀態(tài)信息。當(dāng)一個(gè)包到達(dá)路由器時(shí)，路由器需要檢查它目前正處理的所有預(yù)留，來判斷這些包是否屬于相應(yīng)的預(yù)留。這就意味著路由器需要保存每一個(gè)數(shù)據(jù)流的狀態(tài)細(xì)節(jié)，并且對(duì)任何一個(gè)包分配路由前都要進(jìn)行檢查。即使RSVP能支持多播會(huì)話的預(yù)留集合從而減少網(wǎng)絡(luò)需保持的狀態(tài)數(shù)，但一般仍然認(rèn)為核心網(wǎng)應(yīng)用RSVP不能做到很好的均衡。

2.2　區(qū)分服務(wù)（DiffServ）模型

區(qū)分服務(wù)（RFC 2475和RFC 3260）模型解決了綜合服務(wù)模型中存在的一些問題。區(qū)分服務(wù)路由器應(yīng)保持最小狀態(tài)以便能夠快速?zèng)Q定數(shù)據(jù)包所需要的處理。而逐跳處理的依據(jù)則是逐跳特性PHB（Per Hop Behavior），它們由8bit區(qū)分服務(wù)代碼點(diǎn)（DSCP）標(biāo)識(shí)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過識(shí)別DSCP字段，把復(fù)雜的QoS保證轉(zhuǎn)化為PHB。DiffServ網(wǎng)絡(luò)定義了4類PHB，但是最合適在IMS中實(shí)現(xiàn)的有以下3類。

（1）加速轉(zhuǎn)發(fā)EF（Expedited Forwarding）PHB：這種方式不用考慮其它流量是否分享其鏈路，適用于低時(shí)延、低丟失、低抖動(dòng)和確保帶寬的端對(duì)端業(yè)務(wù)；

（2）確保轉(zhuǎn)發(fā)AF（Assured Forwarding）PHB：每個(gè)AF類又分為3個(gè)優(yōu)先級(jí)，可以對(duì)相應(yīng)業(yè)務(wù)進(jìn)行等級(jí)細(xì)分，QoS性能參數(shù)低于EF類型；

（3）默認(rèn)或盡力而為型BE（Best Effort）PHB：沒有任何QoS保證，AF類超限后可以降級(jí)為BE類，現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)流量也都默認(rèn)為此類。

DiffServ不需要基于流的端到端的資源預(yù)留機(jī)制，它在域的范圍內(nèi)工作，把QoS控制推到網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行。一個(gè)區(qū)分服務(wù)DS域采用統(tǒng)一的定義和資源管理，進(jìn)入DS域的不同類的負(fù)載由邊界路由器控制。這一結(jié)構(gòu)與IntServ/RSVP模型相比，實(shí)現(xiàn)簡單，其缺點(diǎn)是當(dāng)前的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的端到端的QoS保證，只能實(shí)現(xiàn)相對(duì)的服務(wù)類別。

2.3　綜合服務(wù)與區(qū)分服務(wù)相結(jié)合的服務(wù)模型

IntServ/RSVP模型雖然支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和組廣播，能提供有保證QoS，但要求所有路由器都支持RSVP，而每個(gè)路由器還要耗費(fèi)大量存儲(chǔ)空間和處理開銷以維護(hù)和更新端到端的資源預(yù)留，因此只適用于網(wǎng)絡(luò)邊界處，不適用于骨干網(wǎng)。與之相比，DiffServ發(fā)送報(bào)文前無需通知路由器，也不必為每個(gè)流維護(hù)狀態(tài)，且它是對(duì)流聚合后的類進(jìn)行QoS控制。從對(duì)路由器的要求來說，DiffServ比IntServ/RSVP更簡單，適用于骨干網(wǎng)路由器。

基于以上比較，圖1給出將IntServ/RSVP和DiffServ技術(shù)結(jié)合起來的服務(wù)模型。在接入網(wǎng)內(nèi)及其與核心網(wǎng)邊界處使用RSVP，根據(jù)已定義的IP服務(wù)框架對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。核心網(wǎng)入口的邊界路由器負(fù)責(zé)把RSVP控制信令中的QoS服務(wù)等級(jí)信息映射到DiffServ中用DSCP位指示的相應(yīng)的服務(wù)等級(jí)，從而在核心網(wǎng)內(nèi)使用DiffServ，采用相應(yīng)的PHB對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。在核心網(wǎng)的輸出端到接入網(wǎng)的用戶接收端，再次使用基于RSVP的QoS分級(jí)過濾機(jī)制，并借助具體的路由器調(diào)度策略保證接收方的QoS。

圖1　綜合服務(wù)與區(qū)分服務(wù)相結(jié)合

3、IMS中的QoS支持方法

在SIP會(huì)話體系中，核心網(wǎng)的邊緣路由器完成QoS保證的處理，它負(fù)責(zé)執(zhí)行與接入控制和決策功能相關(guān)的所有機(jī)制。公共開放策略服務(wù)COPS（Common Open Policy Service）協(xié)議用來向QoS接入點(diǎn)發(fā)出QoS預(yù)留請(qǐng)求，UE通過SDP協(xié)議為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)請(qǐng)求相應(yīng)的編碼方案、媒體類型、帶寬等媒體參數(shù)。SIP會(huì)話控制根據(jù)用戶的個(gè)人業(yè)務(wù)、媒體信息以及所應(yīng)用的本地策略控制，進(jìn)行相應(yīng)媒體參數(shù)的授權(quán)，所授權(quán)的參數(shù)返回給用戶終端，為建立傳輸承載作資源預(yù)留。

3.1　IMS中的QoS控制架構(gòu)

IMS網(wǎng)絡(luò)中的IMS會(huì)話控制并不直接控制承載網(wǎng)絡(luò)的資源分配，這需要在IMS會(huì)話層和傳輸承載層之間建立一套交互機(jī)制。圖2為IMS網(wǎng)絡(luò)中QoS控制接口的結(jié)構(gòu)模型。IMS網(wǎng)絡(luò)中的QoS機(jī)制完成IMS媒體業(yè)務(wù)流將要使用的承載業(yè)務(wù)的授權(quán)和控制，它基于在IMS會(huì)話中所協(xié)商的SDP參數(shù)，這種交互被稱為基于業(yè)務(wù)的本地策略。該模型所包含的主要功能實(shí)體及其作用如下。

圖2　QoS控制的結(jié)構(gòu)模型

（1）GGSN：為用戶提供IMS接入的IP連接，它作為PEP的邏輯功能存在于GGSN的IP承載管理中。UE和GGSN中有如下類似功能部件：IP承載管理：使用標(biāo)準(zhǔn)IP機(jī)制進(jìn)行IP承載業(yè)務(wù)管理，該邏輯功能存在于GGSN中，UE中可選；轉(zhuǎn)換/映射功能：對(duì)UMTS承載業(yè)務(wù)中用于IP承載業(yè)務(wù)中的機(jī)制和參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)，該邏輯功能存在于GGSN中，在UE中可選；UMTS承載業(yè)務(wù)管理：處理來自UE的資源預(yù)留請(qǐng)求，該邏輯功能存在于GGSN和UE中；

（2）策略決擇功能（PDF）：是一個(gè)邏輯策略決擇單元，使用標(biāo)準(zhǔn)IP機(jī)制在IP媒體層中實(shí)現(xiàn)基于業(yè)務(wù)的本地策略；

（3）應(yīng)用功能（AF）：提供應(yīng)用層對(duì)IP承載資源的QoS需求，它在IMS網(wǎng)絡(luò)中就是P-CSCF網(wǎng)元。

PDF與GGSN之間的Go接口提供IMS會(huì)話層中的PDP與傳輸承載層中的PEP間的連接，從而實(shí)現(xiàn)本地QoS策略控制從IMS會(huì)話層映射到傳輸層。在一個(gè)SIP會(huì)話中，SIP服務(wù)器實(shí)現(xiàn)PDP的功能，路由器的作用相當(dāng)于PEP；IMS網(wǎng)絡(luò)中PDF完成PDP的功能，而PEP的功能由GGSN完成。

PEP充當(dāng)策略網(wǎng)管系統(tǒng)中策略消費(fèi)者的角色，作為一個(gè)邏輯功能組件駐留在GGSN中。PEP可以向PDP提出與策略相關(guān)的接入控制請(qǐng)求，并執(zhí)行PDP返回的策略決定，即把策略信息轉(zhuǎn)化為具體網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置和操作命令，并加以執(zhí)行。當(dāng)不再需要策略時(shí)，它可以向PDP提出請(qǐng)求刪除該策略。對(duì)任何時(shí)候PDP發(fā)出的策略決定，PEP必須嚴(yán)格執(zhí)行。PDP和PEP之間通信采用COPS協(xié)議，它由IETF組織定義，用來支持IP QoS環(huán)境中的策略控制。

3.2　IMS中的QoS授權(quán)

在UMTS的IMS網(wǎng)絡(luò)中，媒體和信令可以使用不同的PDP場景。UE請(qǐng)求GGSN建立媒體PDP場景的過程稱為資源預(yù)留，主被叫UE執(zhí)行該過程是完全相互獨(dú)立的。各網(wǎng)元之間的媒體QoS控制的配合原理如圖3所示，具體步驟如下。

圖3　QoS授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體和原理圖

（1a）AF（P-CSCF）針對(duì)新會(huì)話的建立請(qǐng)求，向PDF傳遞會(huì)話信息，并向PDF請(qǐng)求一個(gè)授權(quán)Token；

（1b）PDF生成一個(gè)授權(quán)Token并返回給AF；

（2）UE收到Token后，向PEP（GGSN）發(fā)起PDP場景激活請(qǐng)求；

（3）PEP收到資源預(yù)留請(qǐng)求后，向PDF請(qǐng)求授權(quán)，請(qǐng)求中包含授權(quán)Token；

（4）PDF收到授權(quán)請(qǐng)求后，根據(jù)與AF的事先約定，此時(shí)可能通知AF。該步驟和步驟（5）為可選；

（5）AF收到PDF的授權(quán)指示后，返回業(yè)務(wù)信息給PDF；

（6）PDF根據(jù)AF的業(yè)務(wù)信息和本地策略，進(jìn)行策略決擇，將授權(quán)的QoS和包分類器參數(shù)等結(jié)果返回給PEP；

（7）PEP將PDF返回的策略信息與UE請(qǐng)求的信息進(jìn)行比較，最后向UE返回資源預(yù)留請(qǐng)求的執(zhí)行結(jié)果；

（8）此時(shí)UE完成一次會(huì)話所需的資源預(yù)留，可以繼續(xù)應(yīng)用層的業(yè)務(wù)處理。

UMTS業(yè)務(wù)分類與QoS參數(shù)之間存在一種映射關(guān)系。用戶設(shè)備UE通過SDP將終端應(yīng)用層的QoS需求映射到PDP參數(shù)中，提出UMTS QoS要求，UMTS QoS管理功能根據(jù)UTRAN、SGSN和GGSN中的資源預(yù)留情況決定是否接受該請(qǐng)求。一旦允許接入，IntServ/RSVP邊界節(jié)點(diǎn)將根據(jù)已定義的IP服務(wù)框架，對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行相應(yīng)的操作，并在區(qū)分服務(wù)區(qū)將不同QoS類業(yè)務(wù)映射到不同的PHB。

4、結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)融合是電信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢，對(duì)QoS也提出了一些新的要求。引入基于IMS框架的QoS資源控制架構(gòu)是解決融合網(wǎng)絡(luò)QoS問題的一個(gè)重要方向和方法。本文介紹了基于綜合服務(wù)和區(qū)分服務(wù)相結(jié)合的IMS的QoS服務(wù)模型，分析了IMS中基于策略的QoS架構(gòu)，討論了媒體授權(quán)和資源控制等問題。3G時(shí)代已經(jīng)來臨，IMS的QoS控制技術(shù)一定會(huì)在全I(xiàn)P的UTMS R5網(wǎng)絡(luò)有所作為。但同時(shí)我們也應(yīng)該看到，IMS面臨的挑戰(zhàn)還有很多，IMS技術(shù)本身尚在完善之中，真正要投入實(shí)際運(yùn)營還有很多問題需要解決，例如如何解決跨越多個(gè)管理域的基于策略的QoS控制機(jī)制，如何改進(jìn)現(xiàn)有QoS模型的不足等，因此還有很多的研究工作和標(biāo)準(zhǔn)制定工作需要完成。

來源：中國聯(lián)通網(wǎng)站