IP网络QoS模型及实现技术

下一代通信网已确定以IP为其基础网络技术，通信界和计算机界正积极合作研究以IP为核心的网络融合技术，并将IP网络应用由单一数据业务扩展到包括话音、视频在内的实时通信业务。与此相应，提出了基于软交换的网络控制架构和基于应用编程接口(API)的开放式业务提供架构。但是，由于IP网络固有的无连接特性，服务质量(QoS)始终是下一代网络发展的技术“瓶颈”，如何在IP多业务网络中有效地提供各类业务所需的QoS，同时又能保证网络的可扩展性，一直是信息业界关注的热点问题。为此，人们已明确提出在控制层和传送层之间增加一层资源层，其任务就是解决网络资源的合理分配，支持网络的QoS。

　　目前，IP QoS的研究大多集中在数据流控制算法，其目标对象大多为单一业务网络，所取得的研究成果固然十分重要，然而尚缺乏关于IP QoS总体网络架构以及资源控制技术的研究，而后者对于实际网络的部署和运营来说显得更为重要。

1 IP QoS概念模型

　　图1所示为IP QoS概念模型，自顶向下可分解为用户层、应用层和系统层。

　　任何系统的服务质量都是针对用户而言的，服务的优劣最终都是以用户的满意程度为衡量标准的，因此，IP QoS的性能要求首先源于用户的需求，表现为用户层的主观感觉QoS，例如用户认为应该达到的音频质量、图像质量、视频连续度、音/视同步程度等。这些感观QoS将映射为应用层相应的业务应用QoS，例如音频采样速率和采样比特数、像素分辨率和像素色调、视频帧速率、唇同步等。进一步，这些特定的业务应用QoS又将映射为系统层的系统QoS，在IP网络环境下，系统由网络设备和终端设备构成，相应地，系统QoS又可细分为网络层QoS和设备层QoS。典型的网络层QoS指标包括网络时延、网络抖动和网络分组丢失率，设备QoS则可包括所采用的编解码器性能、所设置的抖动缓冲器性能等。上述自顶向下的映射原则为业务QoS和网络QoS提供了分类准则，而底层网络QoS和设备QoS则为上层业务和用户的QoS提供保证[1]。

2 IP QoS标准研究

　　基于上述概念模型，ITU-T SG12负责研究应用层的QoS分类标准，制定了G.1010建议。该建议根据时延特性要求将业务划分成交互型、响应型、定时型和时延不敏感型，根据差错特性要求将业务划分成容错型和非容错型，两者组合可形成8类业务。其中，音频和视频会话即属于交互型容错业务，电子商务即属于响应型非容错业务。ITU-T SG13分组研究网络层QoS分类标准，制定了Y.1541建议。该建议根据时延、时延抖动、分组丢失率和误码率指标要求，将网络QoS划分为6类，并给出网络QoS和业务QoS之间的映射示例。其中，第0和第1类可对应为抖动敏感实时业务，如IP语音；第2和第3类可对应为抖动不敏感事务数据业务，如信令传送；第4类可对应为仅要求低数据丢失率的批量数据业务或视频流业务；第5类则对应为传统的尽力而为的IP数据业务。ITU-T SG16负责研究多媒体网络和终端的QoS要求，其主要成果是制定了关于H.323系统QoS信令和控制的建议。

　　IETF则着重研究IP网络传送层QoS技术，它所提出的区分服务(DiffServ)技术、多协议标签交换(MPLS)技术和流量工程(TE)技术已公认为IP网络oS的基础技术，具有良好的可扩展性，适用于大规模核心网络。然而，单纯运用这些技术只能提供相对优先级的QoS保证，要确保业务获得确定性的QoS性能指标，还必须考虑网络资源的合理配置及其分配控制。

　　正因为如此，ITU-T SG13又继续进行关于核心网和接入网QoS总体架构的研究，其目的是围绕提供端到端QoS这一总体目标，给出包括业务层、控制层、资源层和传送层在内的统一视图，规范各层功能及其相互关系。与此相应，ITU-T SG11专注于QoS信令的研究，提出在水平方向的业务控制层采用承载无关呼叫控制(BICC)协议扩展，在垂直方向的呼叫——承载控制层采用媒体网关控制(MEGACO)/H.248协议扩展，在底层采用IETF传送技术的多层控制结构，并具体着手制定支持QoS的BICC信令协议。欧洲电信标准协会(ETSI)的TIPHON工作组也积极进行关于网络QoS控制的结构研究，提出了网络资源层的概念和传送资源管理器(TRM)这一网络实体，并给出了业务层控制和传送层控制两种QoS控制方式。IETF则提出综合业务(IntServ)/Diffserv结合技术，既继承了IntServ面向连接的资源预留特性，又保留了DiffServ良好的可扩展性，该结构的核心控制部件称为带宽代理(BB)，核心控制协议即为资源预留协议(RSVP)。而IETF的下一代Internet信令(NSIS)工作组则以网络QoS为应用目标，专题研究IP网络的信令协议，包括BB之间的专用信令，它将比RSVP更为有效。

3 IP QoS功能结构

　　虽然各个标准化组织提出了各自不同的网络架构、控制实体和信令协议，但是其基本思想逐步趋于一致。其共同点可归结为：

• 采用分层网络结构，引入为QoS服务的资源控制层；
• 采用面向连接的资源预留机制，引入相应的控制实体和控制协议；
• 采用合约机制，实施对用户业务请求的在线接纳控制；
• 采用DiffServ技术，为不同的业务提供相应等级的传送服务；
• 采用业务量预测和优化技术，实现对网络资源的离线优化配置。

　　基于上述原则，可以得出IP网络QoS的一般功能结构(如图2所示)。

　　首先，该结构模型的一个重要特点是基于业务等级规约(SLS)的用户管理。SLS是网络运营商和客户之间订立的技术合约，对于遵从合约的业务流量网络将确保其服务质量，对于违反合约的业务流量网络将拒绝服务或降级服务，籍此保证用户的公平服务和防范网络资源的恶意占用。这是借鉴电信网的成熟技术而引入的IP QoS机制。

　　其次，该结构模型是一个多平面功能模型。其中，SLS的离线申请和接受属于管理平面功能；流量工程中的网络资源配置也属于管理平面功能，在采用MPLS技术的情况下，就是标记交换路径(LSP)的离线优化配置；用户发起业务请求时，网络根据预先确定的SLS以及当时网络可用资源情况作出业务接纳控制决策，这属于控制平面功能；对于准入网络的业务流进行分类、管制、排队和调度，则属于数据平面功能；网络流量监视属于动态网络管理功能，其获得的监测数据供控制层作为接纳控制的依据。另外，该模型的控制层采用电信网常用的集中控制方式，其技术优势是便于对全网资源的有效管理和控制，同时有利于网络资源层和会话控制层之间的交互。该集中控制实体的功能是负责域内和域间的资源管理和流量控制。对于域内控制来说，它接受用户的QoS请求，根据资源容量和资源使用策略分配域内资源；对于域间控制来说，它负责建立和维护与邻域间的业务等级规约，保证对域间流量的处理符合QoS要求。域间控制实体之间通过适当的QoS信令交互，协调完成全程全网的资源控制。

4 IP QoS实现技术

　　根据上述功能模型，可得简化的IP QoS实现模型如图3所示。其中包含的主要实现技术有：SLS技术、接纳控制技术、DiffServ技术、网络监测和资源配备技术。

4.1 SLS技术

　　为了支持有效的IP QoS管理，首先要定义合理的用户合约，它包括SLA和SLS。其中，SLA是用户与IP服务提供商之间就关于传输服务的可用性、适用性、网络性能、价格、违约责任及其他特性在谈判后形成的商业性合约文档。SLS则是SLA的技术部分，规定了由网络运营商提供给数据流的技术服务，并且描述了IP流的特点及网络提供给这些IP流的QoS保证[2]。表1给出了典型的SLS定义内容。

4.2 接纳控制技术

　　接纳控制的基本目的是在确保已有业务流QoS的前提下，通过动态的资源共享，达到网络资源的最优利用。其基本技术是根据网络当前剩余资源，判定新流加入后是否能获得所需的QoS，且已有业务流的服务质量是否不会劣化[3]。

　　接纳控制的实现有两种基本方式。一是基于参数模型的开环式接纳控制(OMCAC)，二是基于测量的接纳控制(MBAC)。前者的有效性取决于模型的准确性，由于流量模型的复杂性，在实现时需要作一定程度的简化处理，因此不可避免地制约了精确性；后者的有效性取决于测量的准确性，由于测量的实时性有一定的限制，因此这种方式的控制决策不可避免地会滞后于网络状态的变化。一种较好的方法就是综合两者特点的以参数模型为基础、测量数据为参考的组合控制方式。此外，在实施接纳控制时，尚需考虑用户SLS的约束以及网络运营商可能有的各种策略。

4.3 DiffServ技术

　　DiffServ技术主要包括3个环节[4]：

• 在网络边缘根据数据包的相应字段设置区分服务码点(DSCP)值；
• 在网络边缘根据服务类别进行必要的流量整形与管制；
• 根据DSCP值，实施对不同类别数据包的传送处理，即队列管理和调度。

　　包分类器可根据IP包中的5个字段：源IP地址、源端口号、目的IP地址、目的端口号和协议号进行分类，该5元组与DSCP值的对应关系可由SLS给出。整形和管制一般基于令牌桶算法实现。在多业务IP网络中，考虑守约/违约的RED(RIO)是一种有效的队列管理算法，它的基础是成熟的随机提早丢弃(RED)算法，它通过随机丢弃数据分组，控制平均队列长度，从而避免网络拥塞和全网同步重发，以保证公平性并确保即使没有传输层的协同工作，也能使平均队列长度不超过某个上界。其基本思想是，随着队列尺寸的增大，数据分组被丢弃的可能性也会增大。RIO使用了两套RED算法，一套用于守约数据分组，另一套用于违约数据分组。调度算法有许多种，其中加权公平排队(WFQ)和动态轮询(DRR)是两种比较有效的算法，将两者结合起来的级联调度方法，可较好地保证加速转发(EF)业务和各类确保转发(AF)业务的合理调度。

4.4 网络监测技术

　　网络监测的目的是动态监视网络流量的变化，在MPLS网络中则需要监视各LSP的流量情况，并将此状态及时反馈给接纳控制模块。一般需要设置两个参数，一是监测窗口T，二是监测窗口内的抽样测量周期S。需要兼顾测量负荷和测量精度两个方面的因素，确定合理的参数值，这对基于测量的接纳控制的有效性有相当的影响。

4.5 资源配备技术

　　资源配备技术包括网络资源规划和网络资源配置两部分，都属于管理平面功能。前者根据网络流量预测和网络的未来发展计划，确定网络节点资源和传输资源的规划设计。后者在规划给定的网络环境中，根据用户的SLS，确定网络流量矩阵，为各个方向的各类业务流量分配网络资源。资源分配既要确保在SLS范围内的用户业务流量能获得所需的QoS，又要使规划的网络资源能得到充分的利用，也就是满足流量工程(TE)的基本要求。资源配备需要用到信源建模、信务理论、QoS模型、最优化方法等多项技术，技术含量相当高，至今为止尚未见有很好的实用解决方案。

5 结束语

　　QoS是部署IP通信网必须要解决的问题。随着下一代网络(NGN)技术的发展，其重要性已愈益为人们所认识，其解决的可行性也日益提高。除了相对比较成熟的数据平面技术以外，业界更为关注IP QoS的网络架构和控制技术着眼于端到端QoS的整体解决方案。目前，关于IP QoS的分层控制模型基本趋于一致，但是实现技术尚有很大空缺，尤其是接纳控制模型和算法、网络资源规划和配置、分布式网络资源控制、动态SLS协商和准入、多域QoS控制等问题尚有待深入研究。

6 参考文献

　　[1] Jha S, Hassan M. Engineering Internet QoS [M]. Boston: Artech House, 2002.

　　[2] Goderis D. Service Level Specification Semantics, Parameters and Negotiation Requirements [EB/OL]. http://www.ist-tequila.org/sls.

　　[3] Xu minghai, Mi zhengkun. A Framework for Integrated Services Operation over DiffServ Networks: ICCT'03 [C]. Beijing: ICCT'03, 2003.

　　[4] IETF RFC 2475, An Architecture for Differentiated Services [S].

[摘要] 文章在概述IP QoS技术背景的基础上，给出了IP QoS的概念模型，介绍了IP QoS的标准化进程，提出了IP QoS功能结构，并讨论了IP QoS的实现技术，最后阐述了IP QoS的进一步研究方向。

[关键词] 网络服务质量；业务量模型；下一代网络；网络分层结构

[Abstract] Following an introduction to the technical background of IP QoS, the conceptual model of IP QoS is provided. The standardization process of IP QoS is then introduced. Furthermore the IP network QoS functional architecture is proposed and its implementation techniques are discussed. Finally, further study issues on IP QoS are briefly described.

[Keywords] network QoS; traffic model; NGN; network-layered architecture