IP QoS中的主要技術(shù)方案概述分析

一、概述

　　在早期計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和分組轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)只提供盡力而為的業(yè)務(wù)。對(duì)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流，都以先來(lái)先服務(wù)的方式對(duì)業(yè)務(wù)流分組進(jìn)行服務(wù)。隨著Internet和各種業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，尤其是視頻、話(huà)音等多媒體業(yè)務(wù)的迅猛增長(zhǎng)，IP網(wǎng)絡(luò)也由以前單一的數(shù)據(jù)網(wǎng)變成了多業(yè)務(wù)的綜合數(shù)字網(wǎng)。此時(shí)，傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有服務(wù)質(zhì)量保證的弱點(diǎn)已經(jīng)顯示出來(lái)。為此，業(yè)界提出了IP QoS的概念，就是希望在IP網(wǎng)絡(luò)上能對(duì)不同業(yè)務(wù)提供相應(yīng)的QoS保證。

　　二、IP QoS當(dāng)前主要技術(shù)及相關(guān)問(wèn)題

　　由于IP QoS問(wèn)題是解決IP網(wǎng)承載多業(yè)務(wù)的關(guān)鍵因素，因此對(duì)IP QoS的研究一直是當(dāng)今業(yè)界研究的熱點(diǎn)。從當(dāng)前的研究成果看，主要有以下幾種解決方案。

　　1. IntServ

　　針對(duì)IP QoS的問(wèn)題，IETF在早期提出了IntServ（Integrated Services）模型。IntServ模型又稱(chēng)為集成服務(wù)模型，其基本思想是在傳送數(shù)據(jù)之前，根據(jù)業(yè)務(wù)的QoS需求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留，從而為該數(shù)據(jù)流提供端到端的QoS保證。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(gè)節(jié)點(diǎn)為流預(yù)留并維護(hù)資源。主機(jī)利用RSVP向網(wǎng)絡(luò)為應(yīng)用流提出QoS的請(qǐng)求；路由器利用RSVP將QoS請(qǐng)求信息傳給流的路徑中的其他路由器，并建立和保存該服務(wù)的信息；RSVP請(qǐng)求將會(huì)使得沿著數(shù)據(jù)路徑的資源在路由器處預(yù)留。這種模型的優(yōu)點(diǎn)是能提供端到端的絕對(duì)的QoS保證，但由于這種模型在實(shí)現(xiàn)上是非常困難的，主要體現(xiàn)在：

　?。?）由于預(yù)留是基于每個(gè)流而進(jìn)行的，因此使得節(jié)點(diǎn)中要保留每個(gè)流的狀態(tài)信息，導(dǎo)致核心路由器負(fù)擔(dān)太重，因此可擴(kuò)展性很差。

　　（2）網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要維護(hù)各類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)，并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能模塊（如資源預(yù)留、路由、接納控制等），造成了極大的復(fù)雜性。

　　2. DiffServ

　　由于IntServ的局限性，IETF又提出了DiffServ（Differentiated Services）模型，又稱(chēng)為區(qū)分服務(wù)模型。區(qū)分服務(wù)模型的基本思想是在網(wǎng)絡(luò)的入口處為每個(gè)數(shù)據(jù)包分類(lèi)，并在數(shù)據(jù)包中標(biāo)記相應(yīng)的區(qū)分服務(wù)代碼點(diǎn)（DSCP，DiffServ CodePoint），用于指示數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)路徑的中間節(jié)點(diǎn)上被處理的方式。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的核心路由器中只保存簡(jiǎn)單的DSCP與PHB（每跳行為）的對(duì)應(yīng)機(jī)制，根據(jù)數(shù)據(jù)包頭部中的DSCP值對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)，而業(yè)務(wù)流狀態(tài)信息的保存與流量控制機(jī)制的實(shí)現(xiàn)等都在網(wǎng)絡(luò)邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)是與狀態(tài)無(wú)關(guān)的。

　　區(qū)分服務(wù)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，擴(kuò)展性好的特點(diǎn)。目前在IP網(wǎng)中區(qū)分服務(wù)得到了絕大部分廠(chǎng)家的支持，其具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)包括分類(lèi)、重標(biāo)記、速率限制、流量整形、擁塞避免、隊(duì)列調(diào)度等。但區(qū)分服務(wù)也有自己的局限性，主要體現(xiàn)在：

　?。?）區(qū)分服務(wù)只承諾相對(duì)的服務(wù)質(zhì)量，因而不能對(duì)用戶(hù)提供絕對(duì)的服務(wù)質(zhì)量保證。

　　（2）在擁塞發(fā)生時(shí)，區(qū)分服務(wù)模型只能采取丟棄報(bào)文的方式，而不能采用例如旁路的方式使部分流量通過(guò)其他路徑到達(dá)終點(diǎn)。

　?。?）對(duì)相同優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)而言，設(shè)備在擁塞時(shí)對(duì)報(bào)文的丟棄是非智能化的，也就是說(shuō)，設(shè)備只能隨機(jī)地丟棄報(bào)文，其結(jié)果是所有業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量都受到影響。而此時(shí)希望的結(jié)果是只丟棄少部分業(yè)務(wù)流的報(bào)文，從而避免剩下的大多數(shù)的業(yè)務(wù)流的服務(wù)質(zhì)量受到影響。

　　3. IntServ與DiffServ結(jié)合

　　目前業(yè)界還提出了把IntServ與DiffServ結(jié)合的方式，其思路為：在用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)仍使用RSVP，在運(yùn)營(yíng)商的DiffServ網(wǎng)絡(luò)邊界將IntServ的業(yè)務(wù)類(lèi)型映射為DiffServ的業(yè)務(wù)類(lèi)型，這樣利用IntServ的架構(gòu)來(lái)解決端到端的QoS，同時(shí)也利用DiffServ來(lái)提供好的擴(kuò)展性。

　　但這種方法仍然存在IntServ的信令復(fù)雜、參于管理等問(wèn)題，而且由于在運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)采用DiffServ，因此在這一段網(wǎng)絡(luò)也只能提供相對(duì)的QoS，從而使端到端的服務(wù)質(zhì)量得不到硬性的帶寬保證。該方法目前仍處于一種理論的研究階段。

　　4. MPLS QoS

　　利用多協(xié)議標(biāo)簽交換MPLS（Multiprotocol Label Switching）技術(shù)，可以協(xié)助解決QoS問(wèn)題。MPLS是一種結(jié)合第二層和第三層的交換技術(shù)，引入了基于標(biāo)簽的機(jī)制，把路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分開(kāi)，由標(biāo)簽來(lái)規(guī)定一個(gè)分組通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的路徑。MPLS網(wǎng)絡(luò)由核心部分的標(biāo)簽交換路由器（LSR）、邊緣部分的標(biāo)簽邊緣路由器（LER）組成。

　　由于MPLS采用標(biāo)簽交換來(lái)進(jìn)行MPLS轉(zhuǎn)發(fā)，因此其轉(zhuǎn)發(fā)效率高于傳統(tǒng)IP通過(guò)路由器的轉(zhuǎn)發(fā)，從而通過(guò)減少轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間來(lái)提高QoS。此外，MPLS的報(bào)文頭中包含一個(gè)3bit的EXP字段，通過(guò)該字段可以標(biāo)記該MPLS報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，從而使設(shè)備在轉(zhuǎn)發(fā)該MPLS報(bào)文時(shí)能根據(jù)優(yōu)先級(jí)標(biāo)志進(jìn)行區(qū)別對(duì)待。

　　這種方式的局限性在于：首先它必須基于MPLS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，而當(dāng)前許多網(wǎng)絡(luò)上并沒(méi)有實(shí)施MPLS；另外隨著近幾年芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，路由轉(zhuǎn)發(fā)與交換轉(zhuǎn)發(fā)之間的性能差異也越來(lái)越小；而且通過(guò)EXP進(jìn)行優(yōu)先級(jí)區(qū)分實(shí)際上也是DiffServ的實(shí)現(xiàn)方式，因而這種方式也不可避免地具有DiffServ所具有的一些局限性。

　　5. MPLS-TEQoS

　　流量工程（TE Traffic Engineer）是指為業(yè)務(wù)流選擇路徑的處理過(guò)程，以在網(wǎng)絡(luò)中不同的鏈路、路由器和交換機(jī)之間平衡業(yè)務(wù)流負(fù)載。其目標(biāo)是在給一定節(jié)點(diǎn)與另一節(jié)點(diǎn)之間計(jì)算一條路徑（源路由），該路徑不違反它的約束（例如帶寬/管理要求），并且從一些數(shù)量指標(biāo)看來(lái)是最優(yōu)的。

　　MPLS由于自身路由與轉(zhuǎn)發(fā)分離的特點(diǎn)，適合與TE的結(jié)合，形成MPLS-TE技術(shù)。應(yīng)用MPLS-TE，可以提高網(wǎng)絡(luò)的QoS，主要體現(xiàn)在：

　?。?）利用MPLS-TE，可以在多條可能的轉(zhuǎn)發(fā)路徑中進(jìn)行負(fù)載平衡，從而避免擁塞，提高QoS。

　?。?）應(yīng)用MPLS-TE，通過(guò)RSVP-TE信令創(chuàng)建一條具有嚴(yán)格的QoS帶寬保證的隧道，從而支持絕對(duì)的QoS。

　?。?）可以通過(guò)備份LSP、FRR（快速重路由）等方式對(duì)隧道進(jìn)行額外保護(hù)，從而提高網(wǎng)絡(luò)的QoS。

　　但MPLS-TE也存在一些局限性，包括：首先它必須應(yīng)用在MPLS網(wǎng)絡(luò)中，因此目前部分非MPLS現(xiàn)網(wǎng)無(wú)法支持該技術(shù)的應(yīng)用；其次目前對(duì)MPLS-TE跨域的應(yīng)用仍然在研究階段，這意味著當(dāng)前MPLS-TE主要的應(yīng)用只能在單個(gè)域中；另外，MPLS-TE雖然可為用戶(hù)創(chuàng)建具有帶寬保證的隧道，但如果在隧道中同時(shí)傳送多種業(yè)務(wù)時(shí)，如何對(duì)這些不同優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)進(jìn)行區(qū)別處理也是需要研究的問(wèn)題。

　　6. 帶寬代理

　　為了更有效地監(jiān)視和控制全網(wǎng)的資源，在新一代的模型中，人們又提出了帶寬代理（BB ，Bandwidth Broker），也就是網(wǎng)絡(luò)資源管理器的概念。帶寬代理收集網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浜凸?jié)點(diǎn)及鏈路狀態(tài)信息，管理網(wǎng)絡(luò)資源，并且結(jié)合策略服務(wù)器規(guī)定的策略進(jìn)行接納控制。同時(shí)，帶寬管理還負(fù)責(zé)管理域之間的通信，通過(guò)與相鄰網(wǎng)絡(luò)域的帶寬代理通信來(lái)達(dá)到跨域之間QoS實(shí)現(xiàn)的目的。

　　帶寬管理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是將QoS控制層與數(shù)據(jù)傳輸層分離開(kāi)，核心路由器不需要進(jìn)行接入控制和QoS狀態(tài)信息保存，路由器之間也簡(jiǎn)化了或者說(shuō)消除了QoS信令，簡(jiǎn)化了路由器的復(fù)雜性。此外這種方式支持絕對(duì)的QoS保證，包括支持跨域的QoS保證。還有就是這種方式中網(wǎng)絡(luò)資源被統(tǒng)一地控制與管理，有利于電信運(yùn)營(yíng)商把QoS作為一種業(yè)務(wù)來(lái)開(kāi)展。

　　但目前帶寬管理技術(shù)仍然處于研究階段，BB與業(yè)務(wù)層和承載層設(shè)備之間的信令交互，以及BB之間的信令交互都還在討論之中。另外，這種方式對(duì)BB的要求很高，在某些情況下，如果同時(shí)申請(qǐng)資源的業(yè)務(wù)流個(gè)數(shù)很多，有可能會(huì)使BB成為網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸。

　　三、IP QoS當(dāng)前主要問(wèn)題

　　IP QoS發(fā)展到今天，除了上述的技術(shù)外，還有很多模型以及應(yīng)用技術(shù)的提出。這些技術(shù)的產(chǎn)生與應(yīng)用，確實(shí)給目前的IP網(wǎng)部分提高了QoS的支持能力。但總體上，還沒(méi)有完全解決當(dāng)前IP網(wǎng)所面臨的QoS方面的問(wèn)題。具體說(shuō)來(lái)，有以下幾個(gè)大的方面還需要進(jìn)一步的研究。

　　1. 如何提供業(yè)務(wù)端到端的QoS

　　端到端的QoS是業(yè)務(wù)開(kāi)展的必需條件。當(dāng)前電信運(yùn)營(yíng)商正大力推廣其增值業(yè)務(wù)，如VoIP、VOD、VPN等，都需要考慮如何對(duì)這些業(yè)務(wù)提供滿(mǎn)足要求的端到端QoS。此外，各種業(yè)務(wù)的QoS需求不一致，包括帶寬、延時(shí)、延時(shí)抖動(dòng)和丟包率等，應(yīng)分別根據(jù)其不同的需求進(jìn)行QoS方面的考慮。

　　在目前的QoS技術(shù)中，對(duì)端到端QoS的支持都存在著不足：或者是實(shí)現(xiàn)過(guò)于復(fù)雜，或者是不能提供絕對(duì)的QoS保證，或者是實(shí)現(xiàn)的范圍有限（例如只能在某個(gè)域里）。這些都影響著端到端業(yè)務(wù)的開(kāi)展。

　　從網(wǎng)絡(luò)的角度講，端到端的業(yè)務(wù)涉及到網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層面。因此提供業(yè)務(wù)端到端的QoS，仍然要分別從網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層面考慮。應(yīng)分別考慮在接入網(wǎng)以及核心網(wǎng)對(duì)業(yè)務(wù)實(shí)施的QoS策略，特別是接入網(wǎng)。由于目前接入方式的多樣性，包括以太網(wǎng)接入、DSLAM接入、專(zhuān)線(xiàn)接入、無(wú)線(xiàn)接入等等，這都需要考慮相應(yīng)的QoS策略。

　　從業(yè)務(wù)的角度看，對(duì)業(yè)務(wù)端到端QoS的研究應(yīng)包括以下幾個(gè)方面。首先是QoS測(cè)量，即在業(yè)務(wù)發(fā)起前對(duì)業(yè)務(wù)所經(jīng)過(guò)路徑的QoS性能進(jìn)行測(cè)量，判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)性能是否支持業(yè)務(wù)的需求；然后是資源預(yù)留，通過(guò)全程的資源預(yù)留為業(yè)務(wù)提供硬性的帶寬支持，由于業(yè)務(wù)通常具有一定的持續(xù)性，資源預(yù)留方式可以更好地支持在一段時(shí)間內(nèi)業(yè)務(wù)的QoS；還有就是業(yè)務(wù)監(jiān)控，在業(yè)務(wù)運(yùn)行時(shí)間里對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)其服務(wù)質(zhì)量以及當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與調(diào)整。對(duì)于上述QoS測(cè)量，資源預(yù)留，業(yè)務(wù)監(jiān)控這三個(gè)方面的研究都還需要加強(qiáng)。

　　2. QoS管理

　　QoS由于自身具有端到端的特點(diǎn)，因此涉及到一個(gè)全網(wǎng)的QoS管理問(wèn)題，例如運(yùn)營(yíng)商需要管理全網(wǎng)QoS策略及一致性、網(wǎng)絡(luò)資源信息、QoS授權(quán)用戶(hù)、計(jì)費(fèi)信息等等，同時(shí)需要監(jiān)控各鏈路實(shí)時(shí)的性能，各用戶(hù)的QoS實(shí)施情況，并且最好能動(dòng)態(tài)地進(jìn)行調(diào)整。對(duì)全網(wǎng)QoS的可管理也是電信運(yùn)營(yíng)商非常關(guān)注的問(wèn)題。

　　而傳統(tǒng)路由器設(shè)備的管理，往往集中在設(shè)備本身，而不關(guān)心其他設(shè)備的狀況。例如，通常實(shí)現(xiàn)的關(guān)于QoS的命令行以及MIB，都只是關(guān)于設(shè)備本身的QoS管理。而從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)看，缺乏一個(gè)統(tǒng)一的QoS管理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用方案。

　　目前對(duì)QoS管理的研究，已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行，例如前面提到的BB，就是對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源的管理。還有現(xiàn)在提出的基于策略的QoS管理框架，通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)中部署策略服務(wù)器來(lái)達(dá)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備QoS策略的一致性。但這些研究還有待深入。

　　3. 業(yè)務(wù)開(kāi)展

　　作為電信運(yùn)營(yíng)來(lái)說(shuō)，QoS本身就是一個(gè)業(yè)務(wù)。通過(guò)對(duì)不同的用戶(hù)提供不同的QoS，從而達(dá)到實(shí)施不同的收費(fèi)策略。

　　目前對(duì)QoS業(yè)務(wù)的開(kāi)展相對(duì)簡(jiǎn)單，通常是與用戶(hù)簽訂SLA，根據(jù)不同的QoS保證收取不同的費(fèi)用，這種方式QoS保證與收費(fèi)較固定和簡(jiǎn)單。隨著以后個(gè)人用戶(hù)的增多，對(duì)QoS的需求也會(huì)增加。同時(shí)，個(gè)人用戶(hù)對(duì)QoS的要求也是不固定的，也許有時(shí)需要，而有時(shí)不需要。因此，可以考慮與個(gè)人用戶(hù)實(shí)現(xiàn)比較靈活的QoS支持，例如根據(jù)實(shí)際需要，逐步提供QoS用戶(hù)自助服務(wù)，用戶(hù)可自定義不同的接入帶寬、服務(wù)等級(jí)、資費(fèi)套餐等自助服務(wù)參數(shù)，并可查詢(xún)接入帶寬、服務(wù)等級(jí)、服務(wù)資費(fèi)等。而這種業(yè)務(wù)的開(kāi)展又需要以下幾方面的支持。

　?。?）目前對(duì)QoS的計(jì)費(fèi)相對(duì)簡(jiǎn)單，通常是包月計(jì)費(fèi)。如果要實(shí)現(xiàn)上述的用戶(hù)自助服務(wù)，那么對(duì)QoS的計(jì)費(fèi)要求也相應(yīng)地要提高，計(jì)費(fèi)系統(tǒng)需要根據(jù)用戶(hù)不同時(shí)段的QoS服務(wù)提供綜合計(jì)費(fèi)。

　　（2）這種服務(wù)要求運(yùn)營(yíng)商對(duì)QoS用戶(hù)的認(rèn)證和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理都提出新的要求。

　　（3）對(duì)QoS的安全管理也有新的要求，要防止可能出現(xiàn)的QoS欺詐以及攻擊。

　　由于存在這些方面的新要求，從而導(dǎo)致QoS業(yè)務(wù)開(kāi)展成本的提高以及復(fù)雜性的上升。因此，如何更好地對(duì)用戶(hù)開(kāi)展QoS業(yè)務(wù)，也是當(dāng)前需要解決的一個(gè)問(wèn)題。