IP QoS中的主要技術方案概述分析

一、概述

　　在早期計算機網(wǎng)絡和分組轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)中，網(wǎng)絡只提供盡力而為的業(yè)務。對進入網(wǎng)絡的業(yè)務流，都以先來先服務的方式對業(yè)務流分組進行服務。隨著Internet和各種業(yè)務的迅猛發(fā)展，尤其是視頻、話音等多媒體業(yè)務的迅猛增長，IP網(wǎng)絡也由以前單一的數(shù)據(jù)網(wǎng)變成了多業(yè)務的綜合數(shù)字網(wǎng)。此時，傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡沒有服務質(zhì)量保證的弱點已經(jīng)顯示出來。為此，業(yè)界提出了IP QoS的概念，就是希望在IP網(wǎng)絡上能對不同業(yè)務提供相應的QoS保證。

　　二、IP QoS當前主要技術及相關問題

　　由于IP QoS問題是解決IP網(wǎng)承載多業(yè)務的關鍵因素，因此對IP QoS的研究一直是當今業(yè)界研究的熱點。從當前的研究成果看，主要有以下幾種解決方案。

　　1. IntServ

　　針對IP QoS的問題，IETF在早期提出了IntServ（Integrated Services）模型。IntServ模型又稱為集成服務模型，其基本思想是在傳送數(shù)據(jù)之前，根據(jù)業(yè)務的QoS需求進行網(wǎng)絡資源預留，從而為該數(shù)據(jù)流提供端到端的QoS保證。為此，集成服務通常采用面向流的資源預留協(xié)議（RSVP），在流傳輸路徑上的每個節(jié)點為流預留并維護資源。主機利用RSVP向網(wǎng)絡為應用流提出QoS的請求；路由器利用RSVP將QoS請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的信息；RSVP請求將會使得沿著數(shù)據(jù)路徑的資源在路由器處預留。這種模型的優(yōu)點是能提供端到端的絕對的QoS保證，但由于這種模型在實現(xiàn)上是非常困難的，主要體現(xiàn)在：

　　（1）由于預留是基于每個流而進行的，因此使得節(jié)點中要保留每個流的狀態(tài)信息，導致核心路由器負擔太重，因此可擴展性很差。

　　（2）網(wǎng)絡中每個節(jié)點都要維護各類數(shù)據(jù)庫，并實現(xiàn)復雜的功能模塊（如資源預留、路由、接納控制等），造成了極大的復雜性。

　　2. DiffServ

　　由于IntServ的局限性，IETF又提出了DiffServ（Differentiated Services）模型，又稱為區(qū)分服務模型。區(qū)分服務模型的基本思想是在網(wǎng)絡的入口處為每個數(shù)據(jù)包分類，并在數(shù)據(jù)包中標記相應的區(qū)分服務代碼點（DSCP，DiffServ CodePoint），用于指示數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)路徑的中間節(jié)點上被處理的方式。在網(wǎng)絡內(nèi)部的核心路由器中只保存簡單的DSCP與PHB（每跳行為）的對應機制，根據(jù)數(shù)據(jù)包頭部中的DSCP值對數(shù)據(jù)包進行相應的優(yōu)先級轉(zhuǎn)發(fā)，而業(yè)務流狀態(tài)信息的保存與流量控制機制的實現(xiàn)等都在網(wǎng)絡邊界節(jié)點進行，內(nèi)部節(jié)點是與狀態(tài)無關的。

　　區(qū)分服務具有實現(xiàn)簡單，擴展性好的特點。目前在IP網(wǎng)中區(qū)分服務得到了絕大部分廠家的支持，其具體實現(xiàn)技術包括分類、重標記、速率限制、流量整形、擁塞避免、隊列調(diào)度等。但區(qū)分服務也有自己的局限性，主要體現(xiàn)在：

　?。?）區(qū)分服務只承諾相對的服務質(zhì)量，因而不能對用戶提供絕對的服務質(zhì)量保證。

　?。?）在擁塞發(fā)生時，區(qū)分服務模型只能采取丟棄報文的方式，而不能采用例如旁路的方式使部分流量通過其他路徑到達終點。

　　（3）對相同優(yōu)先級的業(yè)務而言，設備在擁塞時對報文的丟棄是非智能化的，也就是說，設備只能隨機地丟棄報文，其結(jié)果是所有業(yè)務的服務質(zhì)量都受到影響。而此時希望的結(jié)果是只丟棄少部分業(yè)務流的報文，從而避免剩下的大多數(shù)的業(yè)務流的服務質(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：在用戶網(wǎng)絡仍使用RSVP，在運營商的DiffServ網(wǎng)絡邊界將IntServ的業(yè)務類型映射為DiffServ的業(yè)務類型，這樣利用IntServ的架構來解決端到端的QoS，同時也利用DiffServ來提供好的擴展性。

　　但這種方法仍然存在IntServ的信令復雜、參于管理等問題，而且由于在運營商的網(wǎng)絡采用DiffServ，因此在這一段網(wǎng)絡也只能提供相對的QoS，從而使端到端的服務質(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)議標簽交換MPLS（Multiprotocol Label Switching）技術，可以協(xié)助解決QoS問題。MPLS是一種結(jié)合第二層和第三層的交換技術，引入了基于標簽的機制，把路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分開，由標簽來規(guī)定一個分組通過網(wǎng)絡的路徑。MPLS網(wǎng)絡由核心部分的標簽交換路由器（LSR）、邊緣部分的標簽邊緣路由器（LER）組成。

　　由于MPLS采用標簽交換來進行MPLS轉(zhuǎn)發(fā)，因此其轉(zhuǎn)發(fā)效率高于傳統(tǒng)IP通過路由器的轉(zhuǎn)發(fā)，從而通過減少轉(zhuǎn)發(fā)時間來提高QoS。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。

　　這種方式的局限性在于：首先它必須基于MPLS網(wǎng)絡實現(xiàn)，而當前許多網(wǎng)絡上并沒有實施MPLS；另外隨著近幾年芯片技術的不斷發(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越?。欢彝ㄟ^EXP進行優(yōu)先級區(qū)分實際上也是DiffServ的實現(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)務流選擇路徑的處理過程，以在網(wǎng)絡中不同的鏈路、路由器和交換機之間平衡業(yè)務流負載。其目標是在給一定節(jié)點與另一節(jié)點之間計算一條路徑（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)量指標看來是最優(yōu)的。

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

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

　?。?）應用MPLS-TE，通過RSVP-TE信令創(chuàng)建一條具有嚴格的QoS帶寬保證的隧道，從而支持絕對的QoS。

　?。?）可以通過備份LSP、FRR（快速重路由）等方式對隧道進行額外保護，從而提高網(wǎng)絡的QoS。

　　但MPLS-TE也存在一些局限性，包括：首先它必須應用在MPLS網(wǎng)絡中，因此目前部分非MPLS現(xiàn)網(wǎng)無法支持該技術的應用；其次目前對MPLS-TE跨域的應用仍然在研究階段，這意味著當前MPLS-TE主要的應用只能在單個域中；另外，MPLS-TE雖然可為用戶創(chuàng)建具有帶寬保證的隧道，但如果在隧道中同時傳送多種業(yè)務時，如何對這些不同優(yōu)先級的業(yè)務進行區(qū)別處理也是需要研究的問題。

　　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)絡資源管理器的概念。帶寬代理收集網(wǎng)絡的拓撲和節(jié)點及鏈路狀態(tài)信息，管理網(wǎng)絡資源，并且結(jié)合策略服務器規(guī)定的策略進行接納控制。同時，帶寬管理還負責管理域之間的通信，通過與相鄰網(wǎng)絡域的帶寬代理通信來達到跨域之間QoS實現(xiàn)的目的。

　　帶寬管理技術的優(yōu)點是將QoS控制層與數(shù)據(jù)傳輸層分離開，核心路由器不需要進行接入控制和QoS狀態(tài)信息保存，路由器之間也簡化了或者說消除了QoS信令，簡化了路由器的復雜性。此外這種方式支持絕對的QoS保證，包括支持跨域的QoS保證。還有就是這種方式中網(wǎng)絡資源被統(tǒng)一地控制與管理，有利于電信運營商把QoS作為一種業(yè)務來開展。

　　但目前帶寬管理技術仍然處于研究階段，BB與業(yè)務層和承載層設備之間的信令交互，以及BB之間的信令交互都還在討論之中。另外，這種方式對BB的要求很高，在某些情況下，如果同時申請資源的業(yè)務流個數(shù)很多，有可能會使BB成為網(wǎng)絡中的瓶頸。

　　三、IP QoS當前主要問題

　　IP QoS發(fā)展到今天，除了上述的技術外，還有很多模型以及應用技術的提出。這些技術的產(chǎn)生與應用，確實給目前的IP網(wǎng)部分提高了QoS的支持能力。但總體上，還沒有完全解決當前IP網(wǎng)所面臨的QoS方面的問題。具體說來，有以下幾個大的方面還需要進一步的研究。

　　1. 如何提供業(yè)務端到端的QoS

　　端到端的QoS是業(yè)務開展的必需條件。當前電信運營商正大力推廣其增值業(yè)務，如VoIP、VOD、VPN等，都需要考慮如何對這些業(yè)務提供滿足要求的端到端QoS。此外，各種業(yè)務的QoS需求不一致，包括帶寬、延時、延時抖動和丟包率等，應分別根據(jù)其不同的需求進行QoS方面的考慮。

　　在目前的QoS技術中，對端到端QoS的支持都存在著不足：或者是實現(xiàn)過于復雜，或者是不能提供絕對的QoS保證，或者是實現(xiàn)的范圍有限（例如只能在某個域里）。這些都影響著端到端業(yè)務的開展。

　　從網(wǎng)絡的角度講，端到端的業(yè)務涉及到網(wǎng)絡的各個層面。因此提供業(yè)務端到端的QoS，仍然要分別從網(wǎng)絡的各個層面考慮。應分別考慮在接入網(wǎng)以及核心網(wǎng)對業(yè)務實施的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、專線接入、無線接入等等，這都需要考慮相應的QoS策略。

　　從業(yè)務的角度看，對業(yè)務端到端QoS的研究應包括以下幾個方面。首先是QoS測量，即在業(yè)務發(fā)起前對業(yè)務所經(jīng)過路徑的QoS性能進行測量，判斷當前網(wǎng)絡性能是否支持業(yè)務的需求；然后是資源預留，通過全程的資源預留為業(yè)務提供硬性的帶寬支持，由于業(yè)務通常具有一定的持續(xù)性，資源預留方式可以更好地支持在一段時間內(nèi)業(yè)務的QoS；還有就是業(yè)務監(jiān)控，在業(yè)務運行時間里對業(yè)務進行監(jiān)控，根據(jù)其服務質(zhì)量以及當前網(wǎng)絡狀況進行統(tǒng)計與調(diào)整。對于上述QoS測量，資源預留，業(yè)務監(jiān)控這三個方面的研究都還需要加強。

　　2. QoS管理

　　QoS由于自身具有端到端的特點，因此涉及到一個全網(wǎng)的QoS管理問題，例如運營商需要管理全網(wǎng)QoS策略及一致性、網(wǎng)絡資源信息、QoS授權用戶、計費信息等等，同時需要監(jiān)控各鏈路實時的性能，各用戶的QoS實施情況，并且最好能動態(tài)地進行調(diào)整。對全網(wǎng)QoS的可管理也是電信運營商非常關注的問題。

　　而傳統(tǒng)路由器設備的管理，往往集中在設備本身，而不關心其他設備的狀況。例如，通常實現(xiàn)的關于QoS的命令行以及MIB，都只是關于設備本身的QoS管理。而從整個網(wǎng)絡來看，缺乏一個統(tǒng)一的QoS管理結(jié)構和應用方案。

　　目前對QoS管理的研究，已經(jīng)開始進行，例如前面提到的BB，就是對整個網(wǎng)絡資源的管理。還有現(xiàn)在提出的基于策略的QoS管理框架，通過在網(wǎng)絡中部署策略服務器來達到整個網(wǎng)絡中所有設備QoS策略的一致性。但這些研究還有待深入。

　　3. 業(yè)務開展

　　作為電信運營來說，QoS本身就是一個業(yè)務。通過對不同的用戶提供不同的QoS，從而達到實施不同的收費策略。

　　目前對QoS業(yè)務的開展相對簡單，通常是與用戶簽訂SLA，根據(jù)不同的QoS保證收取不同的費用，這種方式QoS保證與收費較固定和簡單。隨著以后個人用戶的增多，對QoS的需求也會增加。同時，個人用戶對QoS的要求也是不固定的，也許有時需要，而有時不需要。因此，可以考慮與個人用戶實現(xiàn)比較靈活的QoS支持，例如根據(jù)實際需要，逐步提供QoS用戶自助服務，用戶可自定義不同的接入帶寬、服務等級、資費套餐等自助服務參數(shù)，并可查詢接入帶寬、服務等級、服務資費等。而這種業(yè)務的開展又需要以下幾方面的支持。

　　（1）目前對QoS的計費相對簡單，通常是包月計費。如果要實現(xiàn)上述的用戶自助服務，那么對QoS的計費要求也相應地要提高，計費系統(tǒng)需要根據(jù)用戶不同時段的QoS服務提供綜合計費。

　　（2）這種服務要求運營商對QoS用戶的認證和后臺數(shù)據(jù)庫的管理都提出新的要求。

　?。?）對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，從而導致QoS業(yè)務開展成本的提高以及復雜性的上升。因此，如何更好地對用戶開展QoS業(yè)務，也是當前需要解決的一個問題。