融合网络的QoS问题探讨

1 融合网络的QoS问题和运营商的业务转型
      固定网络、移动网络以及各种接入网络的融合是网络发展的必然趋势，下一代网络(NGN)将基于统一的IP分组承载网，为用户提供各种各样的融合业务。

      服务质量(QoS)是融合网络中的一个重要问题。有关QoS的研究工作已经进行了很长时间，更多的是在传输网络的QoS机制方面。但QoS问题不仅涉及通信机制和网络管理，还是一个经营问题，这是因为：各种业务都有其不同的QoS要求，QoS是与业务相关的，同时，QoS的实施和部署需要一定的通信资源和大量的网络管理工作，故QoS是有代价的。因此，QoS应该与业务提供和收费关联起来，成为一种运营商可运营的增值服务。

      当前，许多运营商，特别是固网运营商都面临通信量增加而业务收入下降的难题。运营商希望从粗放的带宽运营向精细的有QoS保证的多业务运营转变，转型为通信业务服务商。这样，运营商就不只收取通信(带宽)费，而是可以将业务和通信资源(QoS)进行“捆绑”，将需要QoS保证的通信服务和收费“捆绑”起来，为用户提供需要QoS保证的业务和通信服务，如IP电话、3D实时游戏和网络电视(IPTV)等实时业务，提供有QoS保证的增值通信服务，增加通信带宽的收益和新的业务增长点。

      当前现网上还没有一套完整的由业务控制和触发的QoS传输资源控制机制。国际电信联盟(ITU)和TISPAN组织正在基于IP多媒体子系统(IMS)架构，研究业务相关的QoS策略、资源控制、业务保障和业务记费的解决方案和标准[1-2]。

2 融合网络的QoS控制架构
      QoS的控制架构如图1所示，关键部件是处于业务层和传输网络之间的接入资源接纳控制功能(RACF)实体，它通过控制传输网系统资源来保障业务层业务控制功能的QoS需求。

      RACF是为各类业务在各种传输网络提供实时应用驱动的基于策略的传输资源管理功能。RACF为SCF提供一个抽象的传输网络架构，从而使业务层不需要知道传输网络的网络拓朴、网络链接、资源使用情况及所采用的QoS机制和技术等具体情况。RACF不局限于支持IMS应用业务。

      RACF按照SCF的请求，执行基于策略的传输资源控制，确定可用的传输资源，作出接纳决策，将控制策略应用到传输功能实体上执行。RACF和传输层的功能实体交互，以执行下列功能：带宽预留与分配、分组过滤、数据流分类、进行QoS标记、流量整形、优先级调度、网络地址转换控制和防火墙控制等功能。RACF和网络附着控制功能(NACF)交互以获取用户信息，并综合考虑当前传输网络资源状况，从而做出传输资源控制策略。

      RACF完成以下的QoS控制功能：

• 在分组网中和网络边缘控制QoS相关的传输资源；
• 支持各种接入网、核心网传输技术(如xDSL、UMTS、CDMA2000、Cable、LAN、WLAN、Ethernet、MPLS、IP、ATM等)，同时对SCF屏蔽传输技术和网络管理的细节(如网络拓朴、网络链接、控制机制)；
• 支持各种具有QoS能力的用户设备；
• 支持单管理域和跨管理域的资源接纳控制；
• 仲裁SCF和传输实体间有关QoS传输资源的协商；
• 支持相对QoS控制(如DiffServ)和严格QoS控制(如InterServ)；
• 验证端到端的传输资源的可用性；
• 支持针对不同媒体流不同用户的多样的QoS策略；
• 支持QoS信令；
• 审批QoS请求，并只处理批准了的QoS请求；
• 支持地址端口转换(NAPT)控制和各种防火墙模式；
• 支持NAT穿越；
• 输出信息以支持基于资源使用情况和QoS处理的计费；
• 支持各种基于资源的接纳控制模式；
• 支持业务优先级处理。
  

3 融合网络的QoS业务模式和资源控制

3.1 用户设备的QoS能力
      用户设备按照QoS协商能力可以分为以下3类：

      (1)类型1
      类型1是没有QoS协商能力的用户设备(如游戏终端)。用户设备没有传输层和业务层的QoS协商能力，只能和SCF连接以启动业务，不能直接要求QoS资源。

      (2)类型2
      类型2是有业务层QoS协商能力的用户设备(如SIP电话)。用户设备通过业务信令来进行QoS协商，但不感知传输层QoS。业务QoS只关注与应用相关的QoS。

      (3)类型3
      类型3是有传输层QoS协商能力的用户设备(如UMTS用户终端)。用户设备支持类似资源预留协议(RSVP)的传输信令，因而能直接和传输设备协商传输层QoS。

3.2 资源控制模式
      RACF需要支持下列两种QoS资源控制模式以应对上述3种用户设备类型和不同的传输层QoS能力：

      (1)推模式
      RACF按照策略规则授权和制订资源控制决策，并下指令给传输层功能实体执行策略决策。

      (2)拉模式
      RACF基于策略规则进行授权，然后根据传输层功能实体的请求进行再授权，回应最终决策并使之执行。

3.3 QoS控制流程
      下面介绍两种资源控制模式的QoS控制流程以及相关层面实体间的交互。

3.3.1 推模式的QoS资源控制流程
      推模式适合所有3类用户设备，而前2类用户设备只能采用推模式。

      第一类用户设备，没有QoS协商能力。SCF替用户决定业务相关的QoS要求，发送给RACF进行授权和资源预留。

      第二类用户设备，支持业务层QoS协商，通过业务信令提出业务层QoS要求。SCF从业务信令中抽取出QoS要求，发送给RACF进行授权和资源预留。

      第三类用户设备，采用和第二类用户设备一样的QoS资源控制流程，但要求RACF预先将授权和QoS资源预留信息下到传输层功能实体中。用户设备发出的传输层QoS信令用于调用传输实体中QoS资源和QoS策略的执行。

      具体控制流程如图2所示，描述如下：

      (1)用户设备向SCF发出业务请求(如，SIP请求)，业务请求中有可能包括QoS需求参数。

      (2)SCF从业务请求中推导出或抽取出QoS需求参数，发送一个包含QoS需求参数的资源预留请求给RACF，请求QoS授权和资源预留。

      (3)RACF基于策略原则、资源状况和存储在NACF中的用户资料进行授权和接纳控制。一旦RACF批准了SCF来的资源预留请求，它就将门控信息、分组QoS标记和带宽分配等信息推到传输层功能实体中。

3.3.2 拉模式的QoS资源控制模式
      拉模式只适合第三类用户设备，用户设备显式地通过传输层QoS信令，按照特定传输路径直接向传输层功能实体请求QoS资源预留。但传输QoS资源的预留需要先得到SCF的预授权。

      具体控制流程如图3所示，描述如下：

      (1)用户设备向SCF发出业务请求(如SIP请求)，业务请求中有可能包括QoS需求参数；

      (2)SCF从业务请求中推导出或抽取出QoS需求参数，发送一个包含QoS需求参数的资源预留请求给RACF，请求QoS授权和资源预留。

      (3)RACF基于策略原则进行授权，一旦授权就分配一个授权令牌给这个业务并最终传给用户设备，授权令牌的使用是可选的。

      (4)用户通过传输层QoS信令直接发送一个显式的QoS资源请求到传输功能实体，该QoS请求包含明确的传输层QoS参数和用户分配得到的授权令牌。

      (5)传输功能实体收到QoS请求后，向RACF发送资源预留和接纳控制请求，并可能包含授权令牌。

      (6)RACF基于策略原则、资源状况和存储在NACF中的用户资料进行授权和接纳控制。一旦RACF批准了SCF来的资源预留请求，它就将门控信息、分组标记和带宽分配等信息推到传输层功能实体中。

4 TISPAN的QoS实现框架和研究计划
      2003年9月，欧洲电信标准组织(ETSI)把专门从事固定网标准化的高级网络业务与协议(SPAN)组织和进行IP语音(VoIP)研究的电信与因特网跨网络协议融合(TIPHON)组织进行了合并，成立了一个新的委员会，取名高级网络电信与因特网融合业务和协议(TISPAN)组织。TISPAN在ETSI中负责当前和未来融合网的标准化，包括VoIP和NGN的标准化，强调网络融合，从而使固定和无线用户可以进行完全无缝的通信，让运营商将来使用一个公共的网络来提供固定与移动业务。

      TISPAN依据3GPP的IMS体系架构提出了NGN的体系结构和逻辑功能结构，并尽可能重用IMS R6阶段的相关规范，但要求支持更多的接入方式，包括各种数字用户线(xDSL)、无线局域网(WLAN)、局域网(LAN)等，目的是使IMS成为基于会话启动协议(SIP)的通用平台，同时支持固定网和移动网的多种接入方式。

      目前，ETSI TISPAN正在制订NGN相关规范，刚完成TISPAN-NGN R1[3]。

      TISPAN提出了资源接纳控制子系统(RACS)框架，来进行QoS控制，其架构如图4所示。

      RACS的功能对应于前述的RACF，分为两个功能实体：基于业务的策略决策功能(SPDF)和接入资源接纳控制功能(A-RACF)。应用功能(AF)是业务层实体的抽象，网络附着子系统(NASS)[4]相当于前述的NACF。传输层功能实体有边界网关功能(BGF)、IP边缘设备(如BRAS)和接入节点(如DSLAM)。

      SPDF的主要功能是：

• 检查应用功能请求是否符合本地策略；
• 对AF请求的资源授权；
• 确定BGF与A-RACF的地址；
• 向A-RACF请求资源以及接纳控制；
• 向BGF请求资源以及实施NAT控制；
• 向AF隐藏传输层的细节。
  

      A-RACF的主要功能是：

• 接纳控制。在A-RACF收到SPDF的资源预留请求之后，首先从NASS获取用户签约信息，结合本地策略和接入网的状况决定是否允许资源预留。
• 策略装配。A-RACF向RECF提供明确的策略描述，或者提供预定义的策略标识(ID)，由该ID映射到相应的二层/三层(L2/L3)传输策略中。
  

      在实际组网中，一个SPDF可以对应控制多个A-RACF，负责整个网络的QoS策略决策。每个A-RACF可以管理一个特定的接入网(如ADSL接入网、Ethernet接入网、WLAN接入网或xPON接入网等)，采用相应的传输QoS策略来进行管理和控制，屏蔽不同接入网的网络结构和QoS特性。

      BGF是用户面网关，完成QoS策略执行与NAT功能，主要功能有媒体流的门控、分组标记、资源分配、NAT穿越和流量统计等功能。RCEF的QoS管理功能与BGF类似，但是没有NAT穿越功能。二层终结功能(L2TF)是用户与终结设备间二层通信的控制点。

      当前TISPAN发布了RACS R1版本，正在制订R2。已标准化了以下接口：AF与SPDF之间的Gq’接口[5]、SPDF与A-RACF之间的Rq[6]接口和NASS与A-RACF之间的e4[7]接口，并都采用Diameter协议并进行了扩展；SPDF与BGF之间的Ia接口采用H.248协议[8]，并进行了扩展。A-RACF和接入网间的Re和Ra接口还没有标准化，RCEF和L2TP等传输QoS执行实体还没有制订规范。现在还没有一个完整的固定接入网QoS控制方案。TISPAN计划先和DSL论坛合作完成DSL接入网的RACS控制规范，然后再陆续完成以太网、xPON、WLAN和WiMAX等接入网的RACS控制规范，最终完成融合网络的统一QoS控制架构。由于接入网的多样性和IP网络的QoS保障技术的复杂性，RACS的完善还需要做许多工作。

5 结束语
      网络融合是电信网络发展的必然趋势，对QoS也提出了一些新的要求。引入基于IMS框架的QoS资源控制架构是解决融合网络QoS问题的一个重要方向和方法。它能解决固网运营商当前面对的运营问题，可以开展更多的有QoS保证的多媒体业务，如3D游戏等，有助于运营商从通信带宽服务商向真正的通信业务运营商转型，为网上各种业务提供增值的通信服务。本文讨论了融合网络的QoS控制架构、QoS业务模式和资源控制等问题，介绍了TISPAN在标准化方面的努力。基于IMS框架的QoS控制架构和机制正是融合网络，特别是固网所缺的和急需的。其后续还有很多的研究工作和标准制订工作需要完成。

6 参考文献
[1] ITU-T Y.2111. Resource and admission control functions in next generation networks [S]. 2006.
[2] ETSI ES 282 003. Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking (TISPAN): Resource and Admission Control Subsystem (RACS):Functional rchitecture [S]. 2006.
[3] ETSI TR 180 001.Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking (TISPAN):NGN Release 1:Release definition[S].2006.
[4] 沈岷, 施晓峰, 李明栋. NGN的网络附着子系统研究进展 [J]. 中兴通讯技术, 2006,12(5):26-29.
[5] ETSI TS 183 017. Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking (TISPAN):Resource and Admission Control: DIAMETER protocol for session based policy setup information exchange between the Application Function (AF) and the Service Policy Decision Function (SPDF): Protocol specification [S]. 2006.
[6] ETSI ES 283 026. Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking (TISPAN): Resource and Admission Control: Protocol for QoS reservation information exchange between the Service Policy Decision Function (SPDF) and the Access-Resource and Admission Control Function (A-RACF) in the resource and protocol specification [S]. 2006.
[7] ETSI ES 283 034. Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networks (TISPAN): Network Attachment Sub-System (NASS): e4 interface based on the DIAMETER protocol [S]. 2006.
[8] ETSI ES 283 018. Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking (TISPAN): Resource and Admission Control: H.248 profile for controlling Border Gateway Functions (BGF) in the Resource and Admission Control Subsystem (RACS): Protocol specification [S]. 2006.

收稿日期：2006-11-09

[摘要] 通信网络的融合需要更完善的服务质量(QoS)体系。引入基于IP多媒体子系统(IMS)框架的QoS资源控制架构是解决融合网络QoS问题的方法。基于IMS框架的QoS控制架构将业务、QoS保证、资源控制和计费结合起来，是融合网络，特别是当前固网运营商急需的体系架构，能解决固网运营商当前运营过程中面临的问题，使其可以开展更多有QoS保证的多媒体业务，如3D游戏等，有助于运营商从通信带宽提供服务商向通信业务运营商转型。

[关键词] 融合网络；服务质量；IP多媒体子系统；资源控制

[Abstract] Creating a converged network requires a complete QoS solution. The introduction of an IMS QoS architecture which controls resource allocation is one way to resolve the QoS issues in converged networks. This paper believes that the IMS QoS architecture which integrates services, QoS assurance, resource control with charging are what converged networks, especially fixed networks, urgently require. It addresses problems currently facing fixed carriers; enables them to deliver more QoS-guaranteed multimedia services such as 3D gaming, and help them to make a transition from bandwidth providers to genuine telecom services providers.

[Keywords] converged network; QoS; IMS; resource control