IP QoS标准进展

　IP网络在网络资源复用能力、组网灵活性和扩展性等方面具有巨大优势。随着基于IP网络技术的Internet的普及，使得在IP网络上承载多业务(包括电信业务)成为明确的发展趋势。这里电信业务主要指话音和视频业务，它包含3个特征：业务的流量主要是连续媒体流，而且通常具有交互性；业务需要满足电信级的性能和可靠性要求；业务是可运营、可管理的。电信运营商作为业务提供商能够收费，并为服务性能提供承诺。但是，从技术的角度，IP网络的无连接、每包路由的包交换传输方式是为突发性数据设计的，对于连续媒体流的传输，包括音频流、视频流等的传输，存在不足之处。这些不足最集中地反映在两个方面：一个是传输的服务质量(QoS)不能保证，另一个是缺乏业务流量管理和控制能力。
　　因此，要在IP网络上开展电信业务，提出一个电信级统一的IP QoS体系架构并研究其在运营商IP网络上的实施方案具有重要的意义。

　　目前中国的主要电信运营商均已建成了初具规模的全国IP网络，基于IP网的新业务层出不穷，具有很强的市场潜力。IP网正在从当初单纯传送数据向可传送数据、语音、活动/静止图像的多媒体网络转变。终端软硬件的不断发展使得很多终端已能够满足多媒体应用的需要，因此在IP网上实现类似语音、传真、会议等实时多媒体应用的问题焦点便集中在如何传输这些对时延敏感的业务上。而目前的IP网络所提供的是一种“尽力而为”的服务，无法保障实时多媒体业务的服务质量，因此IP网上实现QoS的机制成为研究热点。

1 IETF的IP QoS研究

　　因特网工程任务组(IETF)在IP网络的QoS方面建议了一些服务模型和机制，其中最基本的是综合业务(IntServ)和区别业务(DiffServ)模型。

1.1 综合业务模型

　　综合业务模型使用资源预留协议(RSVP)。这一模型的思路是“为了给特定的客户包提供特殊的QoS，要求路由器必须能够预留资源。反过来要求路由器中有特定流的状态信息”。

　　综合业务模型的优点是能够提供绝对有保证的QoS。RSVP运行在从源端到目的端的每个路由器上，可以监视每个流，以防止消耗超过预留的资源。使用“软状态”的概念，能够对网络拓扑的变化做出反映。

　　综合业务模型的缺点是：伸缩性不好，对路由器的要求高，无法在大网上实施。随着流数目的增加，状态信息的数量成比例上升，占用了大量的路由器存储空间和处理开销。由于需要进行端到端的资源预留，必须要求从发送者到接收者之间的所有路由器都支持所实施的信令协议。所有路由器必须实现RSVP和许可控制。

1.2 区别业务模型

　　由于综合业务模型利用全程信令将原本面向无连接的因特网勉为其难地改为向面向连接的网络，这种方式基本不具可实施性。因此，IETF进一步发展了DiffServ模型。DiffServ本质上是一种相对优先级策略。DiffServ模型完全不同于综合型业务模型，它的优点是便于实现，只在网络的边界上才需要复杂的分类、标记、管制和整形操作，因特网业务服务商(ISP)的核心路由器只需要实现行为聚集(BA)的分类，因此实现和部署比较容易。DiffServ本质上只是实现了一种相对优先级策略，因此并不能严格保证业务端到端的QoS。

1.3 流量工程

　　目前IETF的QoS技术可以作为基础技术在相关的网络部件上使用，但是仍没有解决全网的QoS问题，缺乏一个可以实施的整网QoS机制。而从路由器设备来看，已初步具备基本的QoS能力。因此如何制定整网QoS机制，发挥出路由器的QoS能力为很多有影响力的标准组织所关注。包括Internet2、MSF(多业务交换机论坛)、ETSI TIPHON、ITU等组织目前都在大力研究和制定IP网的整网QoS机制，而美国有线电视工业的标准组织CableLab也在为Cable运营商研究制定IP网QoS机制，3GPP则为下一代无线核心网络研究制定QoS机制。

　　从研究成果来看，通过实施一些流量工程技术，利用核心网路由器的DiffServ和MPLS的支持能力是QoS的一个发展方向。MPLS可以与DiffServ用在一起来提供QoS。基于DS字段的体系结构和基于MPLS的体系结构能够很容易地互操作。

　　流量工程从根本上讲，就是设法避免网络发生拥塞。而导致网络拥塞的原因是网络局部资源不足或通信分布不均匀。但无论网络如何精心设计，由于业务量模型的变化具有不可预知性，如果不实施有效的流量工程技术，必然会出现一些网络局部过载而其他地方的负载较轻。流量工程就是安排传输流如何通过网络，以避免不均匀地使用网络而导致拥塞的过程。

　　现在的动态路由协议都会导致不均匀的通信分布，因为他们总是选择最短路径转发包。结果是，在两个结点之间顺着最短路径上的路由器和链路可能发生了拥塞，而沿较长路径的路由器和链路却是空闲的。因此，无法指望升级改造路由协议来达到流量工程的目标。

　　对于简单网络，可以让网络管理员根据业务量的分布情况，手工配置链路和路由，均匀地发配流量。但是当业务量的分布发生较大变化时，配置的变化跟不上业务的变化，还是会出现大量的拥塞和业务破坏。对于复杂网络，让网络管理员手工配置链路和路由几乎不可能。因此流量工程实施需要能够自动化以适应业务流量分布的变化，这样才能保证业务的服务质量。

2 Internet2的IP QoS研究

　　Internet2开发的带宽代理器(BB)模型是保障QoS的一个尝试。它是在IP的骨干网上使用DiffServ模型，引入BB收集网络的拓扑和节点及链路状态信息，管理网络资源，并结合策略服务器规定的策略进行接纳控制。BB负责处理来自用户主机(或者业务服务器、网络维护人员)的带宽申请请求，根据当前网络的资源预留状况和配置的策略以及与用户签订的业务等级协议，确定是否允许用户的带宽申请。DiffServ域之间通过BB进行业务等级(SLA)协商，使DiffServ能够实现端到端的接纳控制和QoS保障。BB记录大量静态的和动态的SLA配置信息、物理网络的拓扑信息、路由器的配置信息和策略信息、用户认证信息、当前的资源预留信息、网络占用状态信息。同时，带宽代理器还需要记录路由信息，以确立用户的业务流路径和跨域的下游带宽代理器位置。

　　在Internet2的带宽代理器模型中，带宽代理器直接管理区域内的所有路由器的资源和配置信息，因此存在拓扑和管理过于复杂的问题。同时，带宽代理器需要记录本区域的动态路由信息，因此存在路由表更新频繁的问题，易造成网络预留的不稳定。带宽代理器根据本区域的动态路由信息确定的业务路由也很难与业务流实际的转发路由一致，所以业务的路由仍然只能依照从动态路由协议得到的最短路径，而无法按照流量工程手段有效地调度业务流。

3 ETSI及其他组织的IP QoS研究

　　由于带宽代理器模型存在问题，目前Internet2基本停止了相应的研究，而由其他标准组织在Internet2基础上进行改进和发展。欧洲标准化组织ETSI专门为下一代的电信网络架构研究而设立的TIPHON工作组制定的QoS模型以及美国多业务交换论坛(MSF)在下一代网络的QoS架构上的研究成果都在向相同的方向努力。

　　在ETSI TIPHONE的QoS架构中，在承载层引入了TRM来动态管理承载网的资源调度，实现实时的流量工程能力。TRM接受业务控制层的业务资源申请，为业务分配和管理承载网的资源和转发路径，控制边缘或网关路由器，识别用户的业务流，让用户的业务流按照TRM分配的路由和资源转发。

　　MSF的QoS架构与ETSI类似，在承载层引入了带宽管理器(BM)来动态管理承载网的资源调度，实现实时的流量工程能力。BM接受业务控制层的业务资源申请，为业务分配和管理承载网的资源和转发路径，并控制边缘或网关路由器，识别用户的业务流，让用户的业务流按照BM分配的路由和资源转发。

　　包括ITU在内的许多在QoS和流量工程方面进行大力研究的标准化组织目前基本都是采取ETSI和MSF的思路。3GPP在核心网上也借鉴了同样的解决思路。

　　ETSI和MSF等组织定义的模型目前遇到的是如何在目前的网络条件下实现承载业务按照所分配的路径去转发，各类接口的标准化以及运营中的网络管理体系建立等问题。由于面对着一个全新的网络运营环境，因此有很多细致的工作要做。

4 ITU-T的IP QoS研究

　　ITU-T对QoS的研究比较全面，完成了很多QoS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[1]。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，将IP业务QoS分为6类。IP分组丢失率（IPLR）对第0类、1类、2类、3类和4类QoS均规定为10-3；关于IP分组传送时延(IPTD)，对第0类要求为100 ms，对第1类考虑实时话音要求为400 ms，对第2类为100 ms，第3类为400 ms，第4类则放松到1 s；IP分组时延变化(IPDV)对第0类和第1类都规定为50 ms，其余类别均为不用规范[2]。Y.1541同时还规定了IP性能指标分配、路由长度计算方法、IP分组时延变化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。

　　ITU-T SG13组目前正在研究制定一个新建议草案Y.qosar“分组网络QOS参考体系结构”。该建议草案在对电路交换和分组交换网络实现QoS方式的特征和异同分析的基础上，从应用和网络角度概括分析了不同应用对QoS有不同要求和网络对不同类型的业务提供相应的响应的方式，提出了使该业务的用户感到满意的QoS参考体系结构的目标要求。

　　建议草案Y.qosar明确定义了与网络能力、DiffServ、MPLS、IntServ等实现QoS的具体方式无关的基本QoS构建模块(接入控制、拥塞反馈、计量和测量、策略及策略配置、队列和调度、资源预留、服务等级管理、费率表征和流量标识等)，通过不同的方式把这些块组织起来，就可以控制网络业务所要求的响应。Y.qosar同时也考虑了实现QoS对安全的影响及相应机制。该建议草案为了支持某些可用性和可靠性要求，增加了基于优先级的接纳控制、QoS选路、QoS信令，引入了业务量恢复功能，标识了用于接纳控制的优先级，补充了各功能模块之间的相互作用图，用来识别、支持完整QoS解决方案的信令机制。为了使该建议草案更具有可操作性，在2003年7月会议上专门增加了解决方案的模型。

　　在模型中，将IP QoS的实现分为3层：业务提供层、IP QoS管理层和网络承载层。业务提供层主要由业务服务器构成，业务服务器除了对业务数据进行处理外，还实现对业务的管理。例如在一个视频会议系统中，可能包含MCU(多点处理单元)、GK(网守)和GW(网关)。IP QoS层负责对QoS进行管理，主要的作用是实现资源管理。对IP QoS的管理可以分域，每个域有一个管理设备。管理设备接受来自业务层的QoS请求，然后对网络承载层设备进行资源调度和管理。

　　在模型中，电信级IP QoS主要通过对网络的资源管理来实现。通过资源管理来实现电信级IP QoS本质上是对区分服务思想和架构的一种扩展和延伸，目的是满足电信级业务提供和管理的要求。根据资源管理的粒度、手段和复杂性，以及和业务层的QoS请求交互机制的不同，模型可有多种实现方式，有不同的性能和特点。

　　ITU－T将继续完成IP接入网络的QoS体系架构。

5 中国的IP QoS研究

　　中国通信标准协会网络与交换标准技术工作委员会已经研究制定了“IP网络技术要求、网络性能参数与指标的行业标准”，该标准参考了中国其他网络性能指标的技术规范，综合了ITU和IETF的相关标准编制而成。该标准规定了IP网络性能和可用性参数的临时指标，其中有些指标与用户所选择的QoS类型相关。该标准可作为IP网网络规划、工程设计以及相应设备的引进、开发的技术依据。IP协议本质上是一种把物理网络连接起来的“互联网协议”，IP网络不是一种真正的物理网络，是不可管理和控制的，IP网络提供的是一种没有性能保证的服务。因此，IP网络的性能参数、性能指标和测试方法在国内外都还处在研究和发展中。

6 IP QoS下一步研究方向

　　从众多国际标准组织的研究方向和思路来看，基本上都是在IP网QoS机制上，借鉴包括PSTN/FR/ATM等电信网的机制、运维和规划经验，结合IP网本身的特点，实现IP网与其他电信网络的运维规划机制的统一，实现比较完善的流量工程，实时适应业务量的变化，从而确保IP新业务的服务质量。但是目前ETSI、ITU-T等标准组织在IP网的QoS方面还处于初步框架制定阶段，已有的研究成果主要是一些比较笼统的框架性文件，在具体的实施技术规范上还没有显著的成果，IP QoS将是国际标准组织未来几年内的技术研究和标准制定重点。

　　中国的电信运营商、研究机构和设备厂商目前在IP网络的QoS机制研究方面已经有相当的积累，产生了一批有价值的成果，基本与国际发展水平同步，甚至能在局部技术上具有领先的能力。中国在数据通信和IP网络设备方面已具备与国际知名产品同台竞争甚至略胜一筹的能力。随着中国运营商下一代网络的部署和各类多媒体业务的发展，对IP网络的QoS机制的研究和部署提出了更为迫切的要求，因此需要中国的运营商、研究机构和设备厂商积极研究制定IP网络的QoS机制和技术，抓住机会提出解决方案，积极关注相关知识产权并影响国际标准组织的相关标准制定，确保中国在这个新的领域内有领先的优势。

7 电信级IP QoS的发展趋势

　　电信级IP QoS从本质上说可以看作是一种在性能和复杂性之间的折衷。这种折衷从设计思想的角度体现了两种网络设计方式的融合，一种方式是依赖一个可靠的、可控制的网络来提供业务(传统电信网的方式)，另一种方式是在一个不可靠的网络上依赖终端的智能性来提供业务(传统的IP的方式)。这两种网络在各自的领域都取得了巨大的成功，但是随着网络的发展，新业务出现，两种技术都呈现了不足。网络融合是一个不可逆转的趋势，也是人们不断追求的梦想。问题在于如何融合，或者说，如何折衷。从电信级IP QoS的角度，这种融合和折衷的趋势可能体现在几个方面：

• 基于IP，尽量保留IP的优良特性，特别是保持网络的简单性、组网方式的灵活性、终端的透明性、业务开发的灵活性等。
• 以业务需求为导向，引入针对业务提供的QoS信令机制，实现一定程度上的控制和数据分离。
• 通过对资源的管理，而非针对每个会话的控制实现质量保证。
• 融合当前的各种IP QoS技术和方案，根据不同的网络情况，在可扩展性、实现复杂性、QoS性能等方面进行合理的协调和折衷。

　　电信级IP QoS是一个非常复杂和困难的问题，当前的解决方案在不同的方面还存在许多不足。因此，根据业务的需求，结合网络的实际情况，不断融合新技术，实现一个可管理、可运营的电信级IP QoS架构具有重要的意义。

8 参考文献

　　[1] ITU-T E.800, Terms and Definitions Related to Quality of Service and Network Performance Including Dependability [S].

　　[2] ITU-T Y.1541, Network Performance Objectives for IP-Based Services [S].

[摘要] 由于电信级IP QoS是实现多业务网络的关键技术，文章分别介绍了国际上主要标准组织IETF、Internet2、ETSI、ITU-T在IP QoS标准化方面的进展，给出了中国IP QoS的研究现状，阐明了IP QoS的研究前景。

[关键词] 电信级IP服务质量；标准；综合业务；资源预留协议

[Abstract] Providing IP QoS at telecom-level is the key technology for multi-service networks. The advancement of research on IP QoS standards by main international standardization organizations such as IETF, Internet 2, ETSI, ITU-T is presented and the current status of research on IP QoS in China is analyzed. The development trend of IP QoS technology is prospected.

[Keywords] telecom-level IP QoS; standard; integrated service; RSVP