支持QoS的下一代网络结构框架的研究

来源：作者：出处：巧巧读书 2006-09-02 进入讨论组

一概述

下一代网络要求支持多种业务，从高质量的交互式实时业务（如话音和实时性的视频业务）到因特网的尽力而为服务。对于现有的IP网络，用户业务量的增加造成网络资源相对使用不平衡，INTERNET的尽力而为服务也远远满足不了实时业务的要求。

解决IP网的QoS问题，就是如何在保持IP网固有的无连接传输的优势下，合理利用现有的有限带宽，保证网内传输的各种业务的QoS，同时提供较低的操作和管理开销，从而保证实现IP网新业务的发展。对于承载层，可利用基于业务分类、定义优先级、资源预留、加权公平排队等策略的Diff-Serve、MPLS等现有技术来实现。对于业务层，这里提出了网络控制服务器的概念，以把应用的业务请求与承载层的传输质量有效地连接起来。

本文介绍了分组交换网中支持QoS的结构框架，这个结构框架的核心是一系列用以控制网络性能、防止网络资源争用的模块，这些模块在逻辑上可以分为三个平面：控制平面、数据平面和管理平面。总之，这些模块要帮助达到保证服务性能的一种"综合效果"，这些服务性能决定着用户对服务的满意程度，这也是ITU－T对下一代网络的所提出的QoS要求的实现构想。

二 QoS要求

用户不同的应用有不同的需求。例如，对于远距离医学，传送的准确性比时延或抖动更加重要；而对于IP电话,抖动和时延是关键因素，必须将其降至最小。ITU做出了很多关于QoS的建议。ITU-T建议E.800中把QoS定义为“决定用户满意程度的服务性能的综合效果”。E.800考虑到了服务性能所有部分的支持能力、操作能力、业务能力和安全性，是对QoS的综合定义。ITU-T建议G.1000对E.800作了扩展，把服务性能（或服务质量）分成不同的功能部分，并将它们与相应的网络性能联系起来。G.1010对G.1000作了补充，提出了一种可满足以端用户为中心的应用要求（如交互性、容错能力）的结构框架。考虑到特定应用和功能参数，ITU-T建议M.1079定义了端到端的话音和数据质量以及对ITM-2000接入网的性能要求，而G.114则定义了跨接数据网的范围。

ITU-T关于IP业务性能指标的建议Y.1541“IP通信业务-IP性能和可用性指标和分配”（原I.381）将 IP性能建议以类似ATM层性能建议I.356的方式来规范，但只将IP业务QoS分为六类： IP分组丢失率IPLR对第零、一类、二类、三类和四类QoS均规定为10-3；关于IP分组传送时延IPTD，对第零类（class 0）要求为100ms，对第一类（class 1）考虑实时话音要求为400ms，对第二类（class 2）为100 ms，第三类为400 ms，第四类则放松到1秒。IP分组时延变化IPDV对class 0和class 1都规定为50ms，其余类别均为不规范。

Y1541同时还规定了IP性能指标的分配、路由长度计算方法、IP分组时延变化IPDV参数规定的一般考虑、核实IP性能指标的参考路径、IP网络上端到端的用户之间的连接示意图、网络段示意图、路由器节点迟延分配值以及用于IP性能测量方法的相关信息等。

要交付所需的网络性能，需要在整个网络范围内的相应部分配置相应的机制。这些网络机制用来控制和传递多种网络业务响应，包括防止网络资源争用。IETF RFC 2990把可控制服务响应的可能特性描述为：可提前确定可预测的、达到或超过最低保证标准的特性。为了避免网络资源争用和进行有效的业务响应，需要有差分的、公平的资源分配方案。上述的以及其他一些机制（如用来指示网络性能状态的信令方法）是支持QoS的结构框架的重点所在。

网络不仅要使在一次通话中所涉及的网络各元素满足端到端的QoS的要求，而且要合理设置参数以使上层协议可以用来控制传输和接入层面的资源以保证QoS。QoS控制在电话系统和多媒体系统中是有差别的，因为后者不仅要进行综合处理，还要针对单个媒体流进行处理。同样，底层的QoS控制机制也分为两个部分，即连接上层和下层QoS机制的垂直协议和连接不同域或网络的下层QoS控制之间的水平协议。

下一代网络在解决端到端的QoS问题上应着重研究以下几点：

●完成包括基于分组话音在内的电话系统的端到端的QoS等级定义

●定义端到端的多媒体QoS等级和单个媒体流注册QoS等级的方式

●指明在网内如何用低层的QoS机制获得高层的QoS

●低层的域内QoS控制

三分组交换网中实现QoS的关键

PSTN的路由方式是基于电路的概念，即在整个通话期间建立端到端的电路连接。这样，通话中两个端用户之间的任何信息总是经过相同的物理通道传送的。在这种路由方式下，一旦通话建立，就可以直接保证所要求的传输特性。这种从支持电话交换中产生的模式也被ITU-T用于数据通信标准的虚电路定义中。这个概念在X.25中被使用，后来又用于帧中继和ATM网络中。

相比之下，IP路由方式避免了为建立和维持虚电路所需要的机制。IP的QoS主要处理可分配带宽、等待时间控制、抖动控制和包丢失。一直以来，IP网络都支持所谓的尽力而为的包传送。这样，不同类型的业务没有被区别对待，并且信息包到达的次序以及是否能够准确到达都得不到保证。不管端对端的QoS要求是什么，在网络层，信息包都是逐跳传送的（即从一个路由器传到另一个路由器）。每个路由器把新到达的包进行排队，然后，根据路由表把它们转发到与之相连的最适合的路由器或目的主机。大多数路由器采用先进先出的排队机制以保证对所有的包公平，也正是这个原因没法设置优先级。目前在承载层面解决QOS的几种方式如下：

1．公平排队和加权公平排队

总的来看，对于基于IP的话音和视频业务，无疑需要一个新的网络层模型。从二十世纪九十年代起，人们就一直在对这种模型进行研究和试点，提出了两种排队机制的新方法，即现在所谓的公平排队和加权公平排队。应用这两种机制的路由器不再需要对所有的包平等对待。流入的业务量被分别定义明确的流（FTP连接就是这样的例子），每个流有它自己的队长。在公平排队策略下，信息包在环形路径上传送以保证每个流对容量的平等共享（在网络拥塞期间，一些大分组的流可能的不到保证）。加权公平策略为不同类型的流分配不同的带宽。

2．综合业务和带宽预留（Inter-Serve and RSVP）

RFC2210对于综合业务模型（Int-serv）进行了定义，该模型以标准的RSVP协议作为实现机制。通过Int-serv，将可以实现IP网中的QoS传输以及对于实时业务的支持，使得各种应用能够为其数据包选择服务等级。

该模型的原理是对于每一个需要进行QoS处理的数据流，通过一定的信令机制，在其经由的每一个路由器上进行资源预留，以便实现端到端的QoS业务。首先，该模型定义了一个作用于整个网络的要求集合，整个网络中的每一个元素（子网或路由器）都将能够实现这一要求集合。随后，通过一定的信令机制，将特定应用的服务等级要求通知其传输路径上的所有网络元素，并在应用与各个网络元素之间进行管理信息的交换，网络元素将为该应用进行各种资源预留与处理策略的设置。这样，当整条路径建立起来之后，这一路径上的所有网络元素都已经做好了为相应的数据流提供QoS业务的准备。

目前，Int-Serv模型定义了三种业务类型，并且对于这些业务类型对于路由器的要求进行了描述：

保证型业务（Guaranteed Service）- 该业务将提供时延，带宽与丢包率等参数的保证。该业务不能控制固定延迟（传输延迟等，它们取决于由连接建立机制所选的路由），它所能保证的是排队延迟的大小（排队延迟是令牌桶大小和数据速率的函数）。网络使用加权公平排队（WFQ）算法。

控制负载型业务（Controlled load Service）- 在轻载网络中这种业务类似于best-effort业务。它能够提供最小的传输时延，对于排队算法没有特别的要求。在控制负载业务网络中，应用可以假设网络传输的包差错率近似于下层传输媒质的基本包差错率；包平均传输延迟与网络绝对延迟（包括光传输延迟加路由器转发延迟）差别不大。

尽力而为型业务（Best-effort Service）- 实际就是传统的Internet所提供的业务，该业务不提供任何QoS保证。

Int-Serv的技术基础包括：先进的冲撞管理；限制延迟、抖动以及网络内带宽消耗的排队算法；资源预留协议（RSVP）。需要继续深入考虑的问题包括以下几个方面：1）预留所需的开销太大2）短时间流（主要由Internet业务流组成）的损失率高 3）管理那些需要更高QoS的流出现困难。在任何情况下，RSVP在广域网和Internet中的适用性都受到质疑，它现在主要应用于较小的企业网中。从本质上讲，综合业务方法是一个组织管理严密的方法，基于每一流具有绝对的QoS保证。

3．差分业务（Diff-Serve）

为了解决骨干网络上的QoS问题，业界提出了区别业务（Diff-serv）模型。这一模型与Int-serv的本质不同在于它将不是针对每一个业务流进行网络资源的分配与QoS参数的配置，而是将具有相似要求的一组业务归为一类，随后对这一类业务采取一致的处理方式。

Diff-serv的基本机制是在网络的边缘路由器上根据某一业务的服务质量要求将该业务映射到一定的业务类别之中，随后利用IP分组中的DS字段唯一地标志这一业务所需的服务类别，网络中的各个节点将依据该字段对各种业务类别采取预先设定好的服务策略，保证相应的延迟、传送速率、抖动等服务质量参数。这样，对于一次会话中特定的数据流，在每次连接的过程中，将无须传递各种QoS信息，从而避免了RSVP中高昂的建立成本。同时，也使得这种技术具有较好的反应灵敏度，特别适合于Internet中大量存在的短时间的连接。该技术是以定义了多种业务等级为内涵的。业务提供商为每个用户建立相应的服务标准协议（SLA），SAL指定了用户在特定等级的业务中可以发送的业务量。分组业务的等级类型在IP包头中规定。之后所传送的业务流由服务提供商的网络边界进行管辖。一旦业务流进入网络，专门的路由器就依据其业务类型对其进行差别对待，这与综合业务方式中以每一流为依据是不同的。整个

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