IMS體系結(jié)構(gòu)中的QoS問題

摘要　完整的服務質(zhì)量（QoS）解決方案是通信網(wǎng)絡融合中的重要課題，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QoS問題的重要方法。本文在介紹基于綜合服務與區(qū)分服務相結(jié)合的IMS QoS服務模型的基礎(chǔ)上，詳細討論IMS網(wǎng)絡中的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）是第三代移動通信合作伙伴項目（3GPP）提出的支持IP多媒體業(yè)務的子系統(tǒng)。它可以提供多種媒體業(yè)務，順應了通信網(wǎng)絡融合的大趨勢，并將逐漸成為下一代網(wǎng)絡（NGN）的核心控制體系結(jié)構(gòu)。IMS是實現(xiàn)網(wǎng)絡融合和業(yè)務融合的核心標準，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。

然而，由于NGN體系的復雜性，多方面的約束條件使其標準化舉步維艱。QoS保證問題是NGN能否成為未來統(tǒng)一平臺的關(guān)鍵，而這很大程度上取決于NGN所基于的分組承載網(wǎng)絡。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)絡設備的QoS處理能力，更多的是基于分組承載網(wǎng)絡設備的承諾訪問速率CAR、整形、隊列調(diào)度、優(yōu)先級標記等實現(xiàn)技術(shù)，這些具體技術(shù)是所有QoS實施的基礎(chǔ)，但NGN還需要從網(wǎng)管、資源管理與控制等方面實施相應的QoS控制策略，以形成一個全網(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)面臨滿足電信級網(wǎng)絡和IPTV業(yè)務要求的挑戰(zhàn)，例如要達到IPTV單路很高的可靠性、可用性目標和網(wǎng)絡的50ms業(yè)務恢復時間的要求，接入網(wǎng)和為現(xiàn)有IP數(shù)據(jù)業(yè)務設計的城域數(shù)據(jù)網(wǎng)都很難滿足，需要采用必要的策略加以解決，同時寬帶設備對解決QoS也提出了要求。IP網(wǎng)絡本身是“盡力而為”地將數(shù)據(jù)包從某個源端點高效傳送到某個目的端點，不提供端到端的可靠性、低時延和時延抖動、低丟包率等QoS保證。

在標準化方面，人們將會從端用戶對QoS的感受出發(fā)，定義電話和多媒體業(yè)務的端到端QoS類型與要求，明確多媒體業(yè)務中的各業(yè)務類型分別登記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的機理以保證上層QoS的規(guī)范。在多個異構(gòu)網(wǎng)相連時，可能涉及不同的QoS機制，如何將端到端的QoS指標分解和采用不同的QoS措施以保證這些指標，將是NGN標準化的一項艱巨任務。

1、IMS中的QoS問題

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

在3G網(wǎng)絡中引入IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）為支持未來業(yè)務的QoS提供了新的空間。IMS提供的端到端QoS機制是終端通過協(xié)商如下參數(shù)實現(xiàn)：如媒體類型、業(yè)務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等。終端采用適當?shù)膮f(xié)議（例如RTP）將各個媒體類型進行編碼和分組，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只是一個控制的網(wǎng)絡，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)務質(zhì)量取決于承載網(wǎng)絡的服務質(zhì)量和承載網(wǎng)絡能力。

在IMS的框架下，核心網(wǎng)絡的信令和數(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難以達到電信級水平。IP網(wǎng)絡QoS保證不是某一單項技術(shù)所能解決的，它需要業(yè)務平面、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展性之間的矛盾。要確保電信業(yè)務的QoS，基于可用資源的接納控制必不可少，但對每一個呼叫都執(zhí)行復雜的接納控制算法相當于回歸傳統(tǒng)交換的做法，違背了IP網(wǎng)的設計原則；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)上從屬于具體應用，故QoS的實現(xiàn)必然涉及業(yè)務層、控制層和傳送層之間的交互，必須定義層間QoS映射和控制信令標準，而目前QoS研究大多局限于傳送層，未很好考慮上層機制；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營商網(wǎng)絡，每一類網(wǎng)絡域都具有其不同的技術(shù)機制和服務環(huán)境，因此應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，再詳細討論IMS中QoS控制架構(gòu)、媒體授權(quán)及資源預留等問題。

2、IMS QoS服務模型

2.1　綜合服務（IntServ）模型

綜合服務模型被設計用于提供端到端QoS，其基本思想是對屬于不同數(shù)據(jù)流的分組在路由器中進行不同的處理。該模型應用資源預留協(xié)議RSVP（RFC2205）作為資源預留協(xié)議。端點發(fā)送RSVP消息為一個數(shù)據(jù)流請求確定的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)此對所有屬于該數(shù)據(jù)流的包進行正確操作。在路由不改變時，數(shù)據(jù)流的包將遵循與PATH消息一樣的路徑。而當拓撲改變時，如果在規(guī)定時間內(nèi)由RESV消息產(chǎn)生的原預留狀態(tài)沒有被新的RSVP消息更新，路由器將刪除該狀態(tài)。

綜合服務模型的主要問題是網(wǎng)絡需要存儲大量的狀態(tài)信息。當一個包到達路由器時，路由器需要檢查它目前正處理的所有預留，來判斷這些包是否屬于相應的預留。這就意味著路由器需要保存每一個數(shù)據(jù)流的狀態(tài)細節(jié)，并且對任何一個包分配路由前都要進行檢查。即使RSVP能支持多播會話的預留集合從而減少網(wǎng)絡需保持的狀態(tài)數(shù)，但一般仍然認為核心網(wǎng)應用RSVP不能做到很好的均衡。

2.2　區(qū)分服務（DiffServ）模型

區(qū)分服務（RFC 2475和RFC 3260）模型解決了綜合服務模型中存在的一些問題。區(qū)分服務路由器應保持最小狀態(tài)以便能夠快速決定數(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)分服務代碼點（DSCP）標識。網(wǎng)絡節(jié)點通過識別DSCP字段，把復雜的QoS保證轉(zhuǎn)化為PHB。DiffServ網(wǎng)絡定義了4類PHB，但是最合適在IMS中實現(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，適用于低時延、低丟失、低抖動和確保帶寬的端對端業(yè)務；

（2）確保轉(zhuǎn)發(fā)AF（Assured Forwarding）PHB：每個AF類又分為3個優(yōu)先級，可以對相應業(yè)務進行等級細分，QoS性能參數(shù)低于EF類型；

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

DiffServ不需要基于流的端到端的資源預留機制，它在域的范圍內(nèi)工作，把QoS控制推到網(wǎng)絡邊緣進行。一個區(qū)分服務DS域采用統(tǒng)一的定義和資源管理，進入DS域的不同類的負載由邊界路由器控制。這一結(jié)構(gòu)與IntServ/RSVP模型相比，實現(xiàn)簡單，其缺點是當前的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)嚴格的端到端的QoS保證，只能實現(xiàn)相對的服務類別。

2.3　綜合服務與區(qū)分服務相結(jié)合的服務模型

IntServ/RSVP模型雖然支持點對點通信和組廣播，能提供有保證QoS，但要求所有路由器都支持RSVP，而每個路由器還要耗費大量存儲空間和處理開銷以維護和更新端到端的資源預留，因此只適用于網(wǎng)絡邊界處，不適用于骨干網(wǎng)。與之相比，DiffServ發(fā)送報文前無需通知路由器，也不必為每個流維護狀態(tài)，且它是對流聚合后的類進行QoS控制。從對路由器的要求來說，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服務框架對數(shù)據(jù)包進行處理。核心網(wǎng)入口的邊界路由器負責把RSVP控制信令中的QoS服務等級信息映射到DiffServ中用DSCP位指示的相應的服務等級，從而在核心網(wǎng)內(nèi)使用DiffServ，采用相應的PHB對數(shù)據(jù)包進行處理。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分級過濾機制，并借助具體的路由器調(diào)度策略保證接收方的QoS。

圖1　綜合服務與區(qū)分服務相結(jié)合

3、IMS中的QoS支持方法

在SIP會話體系中，核心網(wǎng)的邊緣路由器完成QoS保證的處理，它負責執(zhí)行與接入控制和決策功能相關(guān)的所有機制。公共開放策略服務COPS（Common Open Policy Service）協(xié)議用來向QoS接入點發(fā)出QoS預留請求，UE通過SDP協(xié)議為實時業(yè)務、非實時業(yè)務請求相應的編碼方案、媒體類型、帶寬等媒體參數(shù)。SIP會話控制根據(jù)用戶的個人業(yè)務、媒體信息以及所應用的本地策略控制，進行相應媒體參數(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留。

3.1　IMS中的QoS控制架構(gòu)

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

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：使用標準IP機制進行IP承載業(yè)務管理，該邏輯功能存在于GGSN中，UE中可選；轉(zhuǎn)換/映射功能：對UMTS承載業(yè)務中用于IP承載業(yè)務中的機制和參數(shù)進行關(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)務管理：處理來自UE的資源預留請求，該邏輯功能存在于GGSN和UE中；

（2）策略決擇功能（PDF）：是一個邏輯策略決擇單元，使用標準IP機制在IP媒體層中實現(xiàn)基于業(yè)務的本地策略；

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

PDF與GGSN之間的Go接口提供IMS會話層中的PDP與傳輸承載層中的PEP間的連接，從而實現(xiàn)本地QoS策略控制從IMS會話層映射到傳輸層。在一個SIP會話中，SIP服務器實現(xiàn)PDP的功能，路由器的作用相當于PEP；IMS網(wǎng)絡中PDF完成PDP的功能，而PEP的功能由GGSN完成。

PEP充當策略網(wǎng)管系統(tǒng)中策略消費者的角色，作為一個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)絡設備的配置和操作命令，并加以執(zhí)行。當不再需要策略時，它可以向PDP提出請求刪除該策略。對任何時候PDP發(fā)出的策略決定，PEP必須嚴格執(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)絡中，媒體和信令可以使用不同的PDP場景。UE請求GGSN建立媒體PDP場景的過程稱為資源預留，主被叫UE執(zhí)行該過程是完全相互獨立的。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)絡實體和原理圖

（1a）AF（P-CSCF）針對新會話的建立請求，向PDF傳遞會話信息，并向PDF請求一個授權(quán)Token；

（1b）PDF生成一個授權(quán)Token并返回給AF；

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

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

（4）PDF收到授權(quán)請求后，根據(jù)與AF的事先約定，此時可能通知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)務信息給PDF；

（6）PDF根據(jù)AF的業(yè)務信息和本地策略，進行策略決擇，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請求的信息進行比較，最后向UE返回資源預留請求的執(zhí)行結(jié)果；

（8）此時UE完成一次會話所需的資源預留，可以繼續(xù)應用層的業(yè)務處理。

UMTS業(yè)務分類與QoS參數(shù)之間存在一種映射關(guān)系。用戶設備UE通過SDP將終端應用層的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中的資源預留情況決定是否接受該請求。一旦允許接入，IntServ/RSVP邊界節(jié)點將根據(jù)已定義的IP服務框架，對數(shù)據(jù)流進行相應的操作，并在區(qū)分服務區(qū)將不同QoS類業(yè)務映射到不同的PHB。

4、結(jié)束語

網(wǎng)絡融合是電信網(wǎng)絡發(fā)展的必然趨勢，對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QoS問題的一個重要方向和方法。本文介紹了基于綜合服務和區(qū)分服務相結(jié)合的IMS的QoS服務模型，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時代已經(jīng)來臨，IMS的QoS控制技術(shù)一定會在全IP的UTMS R5網(wǎng)絡有所作為。但同時我們也應該看到，IMS面臨的挑戰(zhàn)還有很多，IMS技術(shù)本身尚在完善之中，真正要投入實際運營還有很多問題需要解決，例如如何解決跨越多個管理域的基于策略的QoS控制機制，如何改進現(xiàn)有QoS模型的不足等，因此還有很多的研究工作和標準制定工作需要完成。

來源：中國聯(lián)通網(wǎng)站