QoS研究及展望

2019-11-03 09:00:04

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供稿：網友

王曉燕

　　摘要　互聯網的網上服務和應用越來越多，并不斷向傳統電信服務滲透，因此，互聯網的服務質量(QoS)就成為討論的熱點。在參與研發課題的過程中，筆者就實時與非實時業務是否分開及其對網絡QoS的影響程度進行了研究。本文旨在介紹QoS的基本概念、Qos路由及研究現狀和發展等。

　　關鍵詞　QoS 參數選擇尋路開銷不準確路由信息

　　0、概述

　　目前的Internet僅提供盡力而為(best-effort service)的傳送服務，業務量盡快傳送，沒有明確的時間和可靠性保障。隨著網絡多媒體技術的飛速發展，Internet上的多媒體應用層出不窮，如ip電話、視頻會議、視頻點播(VOD)、遠程教育等多媒體實時業務、電子商務在Internet上傳送等。Internet已逐步從單一的數據傳送網向數據、語音、圖像等多媒體信息的綜合傳輸網演化。這些不同的應用需要有不同的Qos(quality of service)要求，Qos通常用帶寬、時延、時延抖動和分組丟失率來衡量。各種應用對服務質量的需求在迅速增長。

　　Internet上一些主要應用的業務特征及其QoS如表1所示。

　　顯然，現有的盡力傳送服務已無法滿足各種應用對網絡傳輸質量的不同要求，需要Internet提供多種服務質量類型的業務。而盡力而為的服務仍將提供給那些只需要連通性的應用。

　　服務質量Qos系指用來表示服務性能之屬性的任何組合。為了使其具有價值，這些屬性必須是可提供的、可管理的、可驗證和計費的，而且在使用時它們必須是始終如一的、可預測的、有的屬性甚至是起決定性作用的。為了滿足各種用戶應用的需要，構建對IP最優并具備各種服務質量機制的網絡是完全必要的。專線服務、語音、文件傳遞、存儲轉發、交互式視頻和廣播視頻是現有應用的一些例子。

　　0.1　QoS的關鍵指標

　　QoS的關鍵指標主要包括：可用性、吞吐量、時延、時延變化(包括抖動和漂移)和丟失。下面詳細敘述。

　　可用性

　　是當用戶需要時網絡即能工作的時間百分比。可用性主要是設備可靠性和網絡存活性相結合的結果。對它起作用的還有一些其他因素，包括軟件穩定性以及網絡演進或升級時不中斷服務的能力。

　　吞吐量

　　是在一定時間段內對網上流量(或帶寬)的度量。對IP網而言可以從幀中繼網借用一些概念。根據應用和服務類型，服務水平協議(SLA)可以規定承諾信息速率(CIR)、突發信息速率(BIR)和最大突發信號長度。承諾信息速率是應該予以嚴格保證的，對突發信息速率可以有所限定，以在容納預定長度突發信號的同時容納從話音到視像以及一般數據的各種服務。一般講，吞吐量越大越好。

　　時延

　　指一項服務從網絡入口到出口的平均經過時間。許多服務，特別是話音和視像等實時服務都是高度不能容忍時延的。當時延超過200-250毫秒時，交互式會話是非常麻煩的。為了提供高質量話音和會議電視，網絡設備必須能保證低的時延。

　　產生時延的因素很多，包括分組時延、排隊時延、交換時延和傳播時延。傳播時延是信息通過銅線、光纖或無線鏈路所需的時間，它是光速的函數。在任何系統中，包括同步數字系列(SDH)、異步傳輸模式（ATM）和彈性分組環路(RPR)，傳播時延總是存在的。

　　時延變化

　　是指同一業務流中不同分組所呈現的時延不同。高頻率的時延變化稱作抖動，而低頻率的時延變化稱作漂移。抖動主要是由于業務流中相繼分組的排隊等候時間不同引起的，是對服務質量影響最大的一個問題。某些業務類型，特別是話音和視像等實時業務是極不容忍抖動的。分組到達時間的差異將在話音或視像中造成斷續。所有傳送系統都有抖動，只要抖動落在規定容差之內就不會影響服務質量。利用緩存可以克服過量的抖動，但這將增加時延，造成其他問題。

　　漂移是任何同步傳輸系統都有的一個問題。在SDH系統中是通過嚴格的全網分級定時來克服漂移的。在異步系統中，漂移一般不是問題。漂移會造成基群失幀，使服務質量的要求不能滿足。

　　丟包

　　不管是比特丟失還是分組丟失，對分組數據業務的影響比對實時業務的影響都大。在通話期間，丟失一個比特或一個分組的信息往往用戶注意不到。在視像廣播期間，這在屏幕上可能造成瞬間的波形干擾，然后視像很快恢復如初。即便是用傳輸控制協議(TCP)傳送數據也能處理丟失，因為傳輸控制協議允許丟失的信息重發。事實上，一種叫做隨機早丟(RED)的擁塞控制機制在故意丟失分組，其目的是在流量達到設定門限時抑制TCP傳輸速率，減少擁塞，同時還使TCP流失去同步，以防止因速率窗口的閉合引起吞吐量擺動。但分組丟失多了，會影響傳輸質量。所以，要保持統計數字，當超過預定門限時就向網絡管理人員告警。

　　0.2　研究QoS的推動力

　　網絡中，服務質量(QoS)的研究有三個主要的推動力。

　　·是對QoS有嚴格要求業務的出現，如交互式實時多媒體業務、BP電話等；

　　·是通過QoS研究，有助于提高網絡效率，降低網絡成本；

　　·是運營商可以通過QoS機制，按照不同用戶對服務質量的不同要求，提供多種有區別的服務，提高用戶的滿意度，同時提高網絡運營商的收益。

　　因此，服務質量的研究重點是如何提高網絡提供QoS保證的能力，而最終研究的目標是保證用戶對QoS的要求。

　　1、IP Qos主要體系結構及其實現機制

　　Internet如何提供QoS支持（即IP QoS問題）已成為業界關注的焦點。IP QoS是指IP數據流通過網絡時表現出來的特性，這種特性可以用下列指標來表示：傳輸服務的可靠性、延時、延時抖動、吞吐量、丟包率。到目前為止，IP QoS主要有3種體系結構。

　　(1)int—serv集成業務

　　int—serv主要引入了一個重要的網絡控制協議RSVP(資源預留協議)。RSVP的引入使得IP網絡為應用提供所要求的端到端的QoS保證成為可能。Int—serv盡管提供QoS保證，但其擴展性差。因為其工作方式是基于每個流的，這就需要保存大量的與分組隊列數成正比的狀態信息。此外，RSVP的有效實施必須依賴于分組所經過路徑上的每個路由器。在骨干網上，業務流的數目可能很大，因此要求路由器的轉發速率很高，這使得int—serv難于在骨干網上得到實施。

　　(2)Diff—serv區分業務

　　IETF在RFC2475中提出diff—serv體系結構，旨在定義一種能實施QoS且更易擴展的方式，以解決int—serv擴展性差的缺點。diff—serv簡化了信令，對業務流的分類顆粒度更粗。Diff—serv通過匯聚(aggregate)和PHB(per hop behavior)的方式提供QoS。匯聚是指路由器把QoS需求相近的業務流看成一個大類，以減少調度算法所處理的隊列數。PHB是指逐跳的轉發方式，每個PHB對應一種轉發方式或QoS要求。由于diff—serv采用對數據流分類聚集后提供差別服務的方法實現對數據流的可預測性傳輸，所以對QoS的支持粒度取決于傳輸服務的分級層次，各網絡節點中存儲的狀態信息數量僅正比于服務級別的數量而不是數據流的數量，由此diff-serv獲得了良好的擴展性。

　　(3)MPLS多協議標簽交換

　　多協議標簽交換(MPLS)將靈活的3層IP選路和高速的2層交換技術完美地結合起來，從而彌補了傳統IP網絡的許多缺陷。它引入了“顯式路由”機制，對QoS提供了更為可靠的保證。

　　多協議標簽轉換MPLS在路由尋址方面同傳統路由器有明顯的不同。MPLS支持特殊路由，到達同一目的地的數據包可沿不同路徑進行轉發。MPLS網絡主要由標簽交換邊緣路由器LER和標簽交換路由器LSR組成；MPLS技術的Qos 保證機理如下：

　　——標簽交換，LabeISwap)機制

　　當數據流進入M PLS網絡時，入口標

　　簽交換邊緣路由器LER首先將數據流映射到某個轉發等價類FEC(轉發等價類是指網絡中沿相同路徑進行轉發的一類分組的集合)。再根據FEC為每個分組加上固定長度的短標簽。每個FEC對應的標簽是由基于限制路由的標簽分發協議CR—LDP根據路由協議(如OSPF、RIP、BGP協議)以及考慮到帶寬的可用性和業務特性分發給各個LSR和LER的。進入MPLS網絡以后，標簽交換路由器LSR不再根據原來的分組中的信息轉發數據，而只是僅僅根據分組所攜帶的標簽進行交換式轉發。由于分組在通過網絡時只需一次路由，轉發時無需做傳統意義上的路由判斷(如查找路由表)，從而提高了轉發速度。另外，CR—LDP避免了以前LDP協議分發標簽時只是根據傳統路由協議來分發標簽：而傳統路由協議是基于最短路徑算法的，容易導致多條標簽交換路徑LSP選用同一系列LSR，進而可能使部分網絡出現擁塞，而網絡的其它部分仍有可用資源，極大地浪費了網絡資源。CR —LDP在分發標簽時充分考慮了帶寬的可用性和業務特性，避免了擁塞的發生，充分利用了網絡帶寬資源。

　　——M PLS技術對QoS的保證

　　M PLS有兩種途徑對Qos支持：一是讓標記本身就具有服務質量ToS(Type of Service)的意義：LER事先把標記空間分成多個區間，不同區間的標記具有不同的服務質量，在為新數據流分配標記時，根據其Qos的不同為其分配相應區間的標記；另一途徑是讓標記條目中的ExP域來標示傳送分組的Tos。M PLS數據包的服務質量類型就由Tos等參數來決定。LER根據T0s來決定輸出隊列和丟包優先級，如對于到達同一目的地的IP包，可根據設置在標簽中ExP域的Tos值來建立不同的轉發路徑，不同的轉發路徑對應不同的擁塞控制機制和丟包優先級，達到其對傳輸質量的要求。同時，通過對特殊路由的管理，還能有效的解決網絡中的負載分擔和擁塞問題，如當網絡中出現擁塞時，MPLS可實時的建立新的轉發路由來分擔其流量，或通過強制丟包、通知信源降低數據發送率等手段來緩解網絡擁塞。雖在MPLS之前的綜合服務和區分服務能解決一部分服務質量問題，但只有MPLS才是一種最全面的服務質量保證體系。

　　以上3種體系結構僅僅是提供了一種在—子網絡域內實施QoS的框架結構，而具體的一些策略和相應的實現機制則由不同的廠商來決定。目前有關IP QoS的4種實現機制大致可歸納為：隊列管理機制，隊列調度機制，基于約束的路由(CBR)和流量工程。其中CBR是對QoS的限制參數進行一定的擴充。CBR需各路由器間相互配合，如相互通知網絡的狀態信息等。CBR的難點在于如何在狀態信息的精確發布和發布頻率之間取得一個折衷。CBR包括QoS路由(QoS-based routing)和策略性路由(poIicy routing)。

　　2、QoS路由

　　目前網絡研究主要通過兩個途徑提高QoS，一個是節點控制；另一個是整網或局部網絡控制。節點控制在單節點或單鏈路完成，主要控制業務對單節點共享資源的占用，包括共享的鏈路、緩存區、處理器資源。節點控制主要的策略包括：業務流整形、業務調度、節點緩沖區管理，整網或局部網絡控制通常通過對路由與信令的控制達到對業務流或業務連接在網絡中傳輸的直接控制，因路由直接關系到網絡性能，所以QoS路由成為解決QoS問題的一項關鍵技術。

　　QoS路由的主要目標是為接入的業務選擇滿足其服務質量要求的傳輸路徑，同時保證網絡資源的有效利用一般路由選擇過程由兩個部分組成：一是為到達業務選擇路徑并發送數據包的過程，本文稱之為尋路過程；一是節點問路由信息的交互過程，與傳統的盡力而為的路由過程相比，QoS尋路過程涉及兩個方面的問題：一是依據哪些度量參數作為尋路標準，這里簡稱為度量參數選擇問題；另一個是在尋路標準設定后，如何找到滿足業務需求的路徑，并保證數據經由選定路徑傳輸到目的節點，我們稱之為尋路問題，路由信息交互過程中，由于鏈路傳輸延時的存在，每個節點獲得的其他節點的狀態信息總是具有一定的不準確性，這些不準確性將在一定程度上影響QoS路由算法的有效性，因此，路由信息不準確的問題，也是QoS路由中的一個主要問題。度量參數選擇問題、尋路問題和路由信息不準確問題是首要解決的基本問題，也是QoS路由中的研究重點。

　　2.1　QoS路由研究中需要解決的主要難點

　　QoS路由研究中需要解決的主要難點包括以下幾個方面：

　　(1)NP-Comp l ete問題

　　同時對兩個以上相互獨立的參數提出要求時，這個問題就是一個NP-Complete的問題,實時應用往往會對延時，延時抖動，帶寬，丟失率，業務代價等多個參數同時提出性能要求,例如，實時多媒體業務會對延時和延時抖動同時提出要求,這些參數相互獨立時，選擇滿足多個參數限制的路由就成為NP—Complete問題,NP—Complete問題直接關系到路由算法的可實現性。

　　(2)多業務并存

　　同時承載多種QoS要求不同的業務時，網絡性能優化困難，擴展困難，尤其是QoS和盡力而為best-effort業務獨立共存時，很難確定最優的操作點。

　　(3)節點狀態信息的存儲量大

　　QoS路由中，節點需記錄的狀態參量將增多，如狀態信息的存儲量隨網絡節點個數的增加而指數性增加，將限制網絡的擴展。

　　(4)信息不準確

　　傳輸負荷的抖動、新連接的加入稱消等都可能導致網絡狀態變化，這些變化因素直接影響全網狀態信息的準確性，同時也直接影響算法的性能。

　　這幾點中，“信息不準確”是路由信息不準確中主要解決的問題。

　　2.2　QoS路由研究存的問題：

　　QoS路由研究存在著以下幾個問題：

　　(1)缺乏路由模型，理論研究困難

　　由于網絡拓撲和業務特性復雜多樣，協議數學描述困難，因此，目前多數路由研究主要是針對某個問題設計啟發式算法，而不是基于某種模型從理論上推導算法特性和性能，這種情況下，為分折算法性能，需要大量仿真工作，由于缺乏理論支持，在不同的拓撲結構和業務特性下，算法性能可能差異較大，而且仿真得到的結果缺乏說服力。

　　(2)優化目標不同，評估標準不一致

　　目前主要的優化目標包括代價和延時等加性參數，評估標準主要有：業務接入率、阻塞率、數據丟包率、帶寬利用率、節點隊列長度、代價、信令開銷等，由于各個研究者解決的問題不同，優化目標往往不相同，評估標準也不一致，不利于比較不同算法的性，因此制定出統一的路由性能評估對路由研究具有重要意義。

　　(3)接入業務的變化對網絡狀態影響大

　　現有的QoS路由依據用戶業務對服務質量的要求進行尋路，一旦存在滿足要求的路徑就會將業務接入，在業務接入時，沒有考慮該業務的接入對網絡狀態有多大的改變，因此，可以說目前的QoS路由是基于服務質量要求的盡力而為的路由，在這種情況下，如果業務特性變化過快，網絡狀態急劇變化，網絡效率、阻塞率等特性都會受到很大影響，因此，在今后的研究中網絡的性能變化也應該作為業務接入的一個參考。

　　(4)節點控制與路由過程脫離

　　網絡為業務提供QoS服務時，節點控制和路由控制是相輔相成，缺一不可的。

　　以上問題的解決對設計出高性能的路由算法，更好地滿足業務對服務質量的要求，提高網絡資源利用率，實現用戶級QoS至關重要。

　　從表2中的參數可以看出，基于算術平均的線性組合預測法Y′在預測方差和有效度指標上都不及基于調和平均的組合預測法Y"，說明組合預測法Y"較優。同時，由于單項方法(成長曲線法)的預測效果存在較大差別，組合預測法Y′的預測效果甚至不及趨勢外推法和灰色系統預測單項方法的預測效果，由此印證了原有的線性組合預測有偏向較差方法的傾向。

　　從浙江省2003年移動通信用戶數發展的實際情況來看，截至到2003年6月底，全省移動用戶數為1772萬戶，按照上半年用戶發展速度，全年用戶數可達2040萬左右，假定按浙江省近三年的平均增長率0.9%計算全省總人口，2002年底浙江省人口總數為4694.6萬，預計2003年底全省移動用戶滲透率可以達到43.1%，明顯與組合預測法Y"的預測結果更吻合。

摘自泰爾網

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