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1、1支持支持 QoSQoS 的下一代网络结构框架的研究的下一代网络结构框架的研究赵慧玲赵慧玲 一、概述一、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、
2、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。二、二、QoSQoS 标准动态标准动态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
3、 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2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
4、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。 Y.1541 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 I
5、P 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
6、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3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 Qo
7、S低层的域内 QoS 控制三、分组交换网中实现三、分组交换网中实现 QoS 的关键技术的关键技术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
8、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
9、模型进行研究和试点，提出了两4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 2综合业务和带宽预留（综合业务和带宽预留（Inter-ServeInter-Serve andand RSVPRSVP）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
10、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
11、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，并且就这些业务类型对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5于 best-effort 业务。它能够提供最小的传输时延，对于排队算
12、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
13、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（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
14、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6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
15、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。整个网络要满足所有 SLA 的要求。4. 多协议标记交换（多协议标记交换（MPLS）MPLS 与传统的根据 IP 包头决定前向路径的方式十分不同。其优势在于：1）传统的方式需要搜索路由表，这就比查看相对较短的标签需要更多的时间和更大的处理能力。2）不具备分析网络层分组能力的路由器仍可以通过相对简单的操作完成标记的查找和置换。3）利用标签，可以通过分组进入网络的初始路由器标志做出前向选路决定，因为由不同的路由器进入
16、网络的分组被分配不同的标签。4）当分组不是按照路由算法而是被迫进入一个特定的路由器时，MPLS 的标记就可以用来代表这个路由器。5）通过把被标记的路径与业务流联系起来也可以把 RSVP 扩展到 MPLS 中。可见，MPLS 可以通过明确的路由得到资源预留信息来实现 QoS 保证。值得一提的是，MPLS 还有一种更重要的应用：通过堆叠标记为隧道效应提供了一种极好的机制，从而支持嵌套选路决策。在 RSVP 的帮助下，可以从丢包或拥塞的网络点开始重新选路。四、四、QoS 体系架构体系架构QoS 结构框架的关键是使用通用的网络机制，把网络业务响应转换成可以具体到网络元素的业务请求，在网络元素之间发送信号以及控制和管理跨网业务量。QOS 架构可分为三个平面，如图 1 所示：控制平面控制平面：由处理用户业务流路径的一系列机制构成。这些机制包括准入控制、QoS 选路、资源预留。7数据平面数据平面：由直接处理用户业务的一系列机制构成。这些机制包括缓冲器管理、避免拥塞、标记分组、排队和时序安排、业务分类、业务管辖、业务整形。管理平面管理平面
