電信級IP QoS分析

2019-11-03 09:06:06

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供稿：網友

楊明川譚國權中國電信集團北京研究院

　　近年來，隨著用ip技術構建多業務綜合網絡成為網絡發展的一個重要趨勢，建設電信級的IP網絡得到了業界，特別是運營商的廣泛重視。

　　電信級IP網絡包含以下幾層含義：一是該網絡必須以IP為核心技術構建，以滿足IP的基本特征；二是該網絡能夠支撐傳統的電信業務，特別是話音業務和視訊業務；三是該網絡能夠滿足電信運營的要求，即具有可管理性和可運營性。

　　電信級IP網絡的核心問題是服務質量(QoS)問題，即電信級IP QoS問題。本文試從以下幾個方面對電信級IP QoS進行分析：①IP QoS的必要性，即為什么耍采用IP QoS支撐電信業務；②IP QoS的現狀，即目前對IP QoS的研究和應用發展到了何種程度，能否滿足業務需求；③設計電信級IP QoS的思路，即電信級IP QoS應該滿足哪些要求，達到什么目標；④電信級IP QoS的發展趨勢。

2 電信級IP QoS的必要性

　　眾所周知，IP網絡在提供QoS方面有明顯的困難。那么，為什么仍然要采用IP技術來承載電信業務呢?事實上，以Internet為代表的IP網絡經過了數十年的發展，在數據傳輸方面已經占據了統治地位。目前，Internet作為世界上大的數據傳輸網絡，其規模已經超過了傳統的電話網。Internet能夠有如此巨大的發展，IP作為其核心技術起到了決定性的作用。與其他網絡技術相比，IP具有許多特點，其中最重要的一個特點就是IP網絡在設計時最大限度地降低了應用對網絡的依賴性。這一點主要通過無連接、每包路由和盡力服務這幾個方面來體現。也就是說，IP網絡的架構是建立在對網絡不信任的基礎上的，IP的應用主要依靠終端的智能來實現（其他網絡，包括TMD和ATM網都建立在一個復雜的、精細控制的網絡層上)。這種設計有許多優點：①IP具有網絡兼容性，它對網絡沒有太多的要求，因此各種網絡傳輸技術都能夠被包容到IP上；（2）IP網絡具有靈活性，IP網絡在總體上呈現分布式管理和松散控制的特點，因此局部網絡的變化通常不會給整個網絡帶來太大的影響，這使得網絡在設計、規劃和擴充方面都很靈活，而且除了地址限制外，IP技術并沒有對網絡的規模造成瓶頸；③具有豐富和強大的應用擴展能力，這一點在Internet上體現得非常明顯，除了早期的FTP、Telnet等應用外，Web、電子商務、多媒體、P2P等新應用不斷涌現，層出不窮。從技術上來看，IP為各種應用的設計和開發提供了最好的條件，因為IP對網絡的依賴性很小，在實現上，網絡只要提供可達性即可（這一點僅需要正確的配置IP地址即可）。所有的復雜性和功能都可以在終端系統上實現。

　　但是，IP的這種設計原則在提供服務質量保證時遇到了極大的困難，QoS問題成為目前IP面臨的最重要、最復雜的問題之一。QoS問題集中反映在不能很好地傳輸實時流媒體，特別是：IP無連接每包路由方式和實時流媒體不適應，實時流媒體需要能夠確保資源的固定路徑；IP網絡“盡力而為”的服務方式與實時流媒體不適應。實時業務對資源的持續要求必須通過和其他流量的有效區分來保證；IP網絡松散的管理方式不適應實時業務，因為實時業務需要端到端的服務保證，而普通的IP網絡通常以域為單位進行管理，不同的域有不同的管理策略甚至網絡結構，端到端的管理很難實現。

　　盡管在支持有服務質量保證的實時流媒體傳輸方面有巨大的困難，但是IP仍然被認為是未來承載該類應用甚至業務（這里業務可以簡單地被理解為可管理和可運營的應用）的主流技術和發展趨勢。主要的原因有以下幾點：

·最根本的原因還是IP在應用開發和應用提供能力方面的優點，其豐富的應用功能將是在一個以業務為主要驅動力的時代的主要要求。

·網絡的靈活性。IP在網絡方面的靈活性是應用得以迅速開展的必要條件，最明顯的例子是基于H.323的視頻會議和基于H.320的視會議系統。前者是基于IP的，后者是基于電路交換系統的。H.323系統在組網方面的靈活性是它全面取代H.320系統成為主導系統的重要因素。

·Internet作為全球最大的數據網絡在用戶數量、網絡覆蓋程度、標準化程度、應用開發能力和用戶接受程度方面占據了決定性的優勢。作為事實上的標準，任何不與之兼容的技術都會在業務開發和業務拓展等方面遇到巨大的困難。

·相關網絡技術的發展從一定程度上彌補丁IP的不足。隨著傳輸和接入技術的發展，以前制約IP的一些問題，例如帶寬問題、路由器瓶頸問題都得到了極大的緩解，這為IP支持傳統上根本無法支持的實時事媒體應用帶來了轉機。目前骨干網絡的帶寬已經非常充足，而接入網的帶寬瓶頸也因為xDSL、寬帶接入等技術得到部分解決。路由器的性能越來越強大（接口速率已經遠遠超過ATM機的接口速率），而且地址問題也因為IPv6的出現有了解決的方法。

　　總之，根據以上的分析，在IP上承載實時流媒體類型的應用和業務是發展的趨勢，而且其需求越來越迫切。

　　目前，IP QoS有集成服務（Intserv）和區分服務（Diffserv）兩個主流的體系結構。這兩種體系結構都是針對IP Qos的完整解決方案。

　　集成服務的主要思想是模擬面向連接的電路交換提供端到端的服務質量。為此，集成服務通常采用面向流的資源預留協議（RSVP），在流傳輸路徑上的每個節點為流預留并維護資源。從這個意義上說，RSVP在Intserv架構里面是一種QoS信令和資源架構里面是一種QoS信令和資源管理的協議。集成服務的最大優點是能夠提供端到端的服務質量保證。但IP網絡本身是無連接的，在一個無連接網絡上維護一個面向連接而且要求資源保證的通道不可避免地帶來很大的復雜性。這些復雜性主要體現在兩個方面：①每流狀態的維護。網絡的節點必須為每個流維護狀態，包括每個流的識別、狀態的更新以及狀態的建立等，當網絡中流的數量大量增加時，會帶來擴展性問題，并導致節點設備的復雜性；②要求路徑上的每個節點支持。作為一個端到端的模型，要求在傳輸路徑上的每個節點都支持Internet相關協議，這種要求與IP網絡松散的組織架構和非集中式的運行模式是不相容的，這給Intserv的部署帶來很大的困難。因此，隨著IP QoS研究的發展，集成服務越來越被認為不能滿足IP QoS的要求。

　　區分服務采用了和集成服務完全不同的思想。區分服務把提高QoS可擴展性、降低實現的復雜性作為出發點。為此，區分服務并不要求獲得絕對的質量保證，而是充分考慮了IP網絡的特點，采用基于流分類的會聚流處理方式。其基本思想是在一個資源有限的網絡中，通過適當的流分類和優先級處理，提供足夠的質量保證。區分服務的基本方法包括以下幾種：

·流量區分。根據流量的QoS需求和策略控制區分流量，并賦予一定的優先級。

·總量控制。在資源有限的網絡中，必須對進入網絡的總流量，特別是高優先級流量進行限制，通過帶寬的冗余來保證質量。

·核心簡化。在網絡的核心，節點僅需要根據PHB(每跳行為)來處理流量，無需做復雜的控制。

·邊界智能。因為邊界節點的流量較少，在邊界的復雜控制，包括分類、流量限制等不會導致擴展性問題。

　　主要缺點是不能絕對保證質量，且服務質量提供也不是端到端的，而是限于一個區分服務域。但是，區分服務能夠很好地與IP網絡相適應，其可擴展性、實現的簡單性、可操作性和可部署能力使得區分服務逐漸成為目前主流的IP QoS體系結構。

　　在兩種IP QoS的體系架構下，還有許多具體的QoS實現技術，包括QoS路由、流量工程、擁塞控制和隊列調度等。這里不再一一介紹。

3.2 IP QoS的應用現狀

（1）骨干網絡的QoS

　　目前，傳輸網絡技術的發展，特別是DWDM等技術的發展，使得骨干網絡的帶寬得到大幅度的增長。帶寬的增長為服務質量減輕了壓力，一般認為，在骨干網絡上，服務質量不是主要的問題。但是，隨著網絡流量的增加，特別是IP網絡路徑的不確定性和流量的突發行為，使得網絡的流量具有較大的突發性和不均衡性。因此，僅僅依靠帶寬還不足以提供服務質量。在骨干網絡中有兩種方法可以提供服務質量：一種是采用流量工程技術，一種是部署區分服務模型。流量工程的部署比較簡單，而且可以在多個層面上進行，如傳輸層，MPLS層和IP層。目前，流量工程的實施一般都是靜態手工實施或者半靜態實施，缺乏動態實時地進行流量工程部署的工具，因此流量功能很難對短期突發行為進行調節。從長遠來看，區分服務具有更完整的QoS提供能力，通過與流量工程、MPLS等機制結合，可以發揮更大的作用。

（2）匯聚/接入網絡的QoS

　　匯聚/接入網絡的QoS是一個比較復雜的問題。因為在匯聚層和接入層，不僅網絡的帶寬窄，而且網絡的情況也比較復雜，同時還涉及到多種技術，如以太網、ATM和FR等。一般，在這個層次采用區分服務的思想實現QoS，即通過流量分類和優先級來處理。實際上，包括以太網、ATM和MPLS在內的多種網絡技術都支持包標記功能，這為包的區分和標記提供了基礎。而網絡設備，特別是接入設備一般都提供流量分類、標記和限制的能力，但是，受到設備、技術和管理等因素的制約，目前在該層部署完整意義上的區分服務的并不多（盡管從技術上講，在匯聚/接入網絡部署區分服務模型是一個可行的方案）。

（3）客戶網絡的QoS

　　客戶網絡是指企業內部網絡，包括小區網絡。作為網絡的終端部分，客戶網絡的QoS需求更多的是資源的服務質量管理，包括帶寬管理和SLA監測等。客戶網絡可以通過一些手段，在承載網絡沒有或者缺乏服務質量提供能力的情況下，部分地實現QoS。目前，主要方法是通過帶寬管理設備。這些設備具有對應用級流量的識別、分析和策略處理能力，即可以實現內部的帶寬管理（如流量限制、優先級隊列），也可以和承載網的服務質量機制配合實現服務質量保證（如流量標記能力）。

4 電信級IP QoS的思路

4.1 電信級，IP QOS的需求分析

　　為了支持電信級業務，電信級IP QoS不僅需要針對各種業務的服務質量保證能力，還需要針對業務流量的管理和控制能力。

質量保證能力包括兩個方面：

·針對不同業務提供多種類型的質量保證。實時業務根據其業務流量的特性不同，對服務質量的要求也不同。例如：視頻點播類業務對帶寬和吞吐率有較高的要求，而對延遲要求不高；視頻會議和視頻通信對帶寬和延遲都有較高的要求，但是對于丟失率的要求相對較低；IP電話對延遲和丟失率都有較高的要求，但是對帶寬的要求不高。這些不同業務的不同要求需要網絡提供多種類型的服務質量。

·不同等級的服務質量。對于同一種類型的業務，根據用戶的要求不同，可以提供不同等級的服務質量。服務質量等級一般和服務質量提供的費用相關。

　　對流量的管理和控制能力包括：

·能正確地識別（付費的）業務流量和非業務流量；

·對業務流量能夠進行管理和計費，以保證這些流量要求的服務質量和服務等級，并且能夠對服務情況進行監測、統計和計費；

·能夠保證不同的流量不會互相干擾，特別是非業務流量不會干擾業務流量；

·支持動態的資源調度能力，能夠把業務的服務質量要求快速地傳遞到網絡的QoS捷供機制上，實現動態的服務質量提供；

·支持基于服務質量的策略管理。

4.2 資源管理

　　資源管理包括資源控制、資源隔離、資源調度、資源狀態監測和反饋、跨域資源管理等。在一個無連接、缺乏針對每個流進行控制的IP網絡上，資源的管理具有核心作用。一方面，通過對總體資源的管理（而非針對每個流或者會話的精細控制），能夠最大限度地保留IP的特點，發揮IP的優勢；另一方面，網絡傳輸技術方面的進展，包括MPLS、DWDM等技術的成熟和大量應用，也為這種方法提供了有力的支持。

　　具體地說，資源管理體現在以下幾個方面：

·資源控制就是對使用的網絡資源的限制，主要通過對流量的許可控制（CAC）實現，例如對不同類型的流量的限制、對流量的優先級的控制等。資源的限制使得不同類型的流量在網絡（域）中具有合理的比例和分布。資源限制是提供QoS的基礎，它基于一個基本的假設，即在網絡輕載的情況下，IP可以達到滿意的QoS性能。

·資源隔離主要保證不同的流量不會相互干擾，這種隔離可以通過設置流量優先級來實現。優先級主要確保低優先級的流量不會干擾高優先圾的流量，但是反之不成立。另一種資源隔離手段是利用MPLS LSP進行隔離，不同業務和不同類型的流量承載在不同的LSP上。另外，就是直接利用鏈路隔離，包括建立邏輯上獨立的多個業務網絡，不同的業務流量直接承載在不同的網絡上。各種資源隔離的手段綜合應用也是一種方法。

·資源調度主要是對資源進行分配和調度，如資源的預留。另外，通過流量工程以及QoS路由等手段調節網絡中流量的分布，從而達到資源調度的目的。

·資源的狀態監測和反饋，主要作為資源管理的支撐手段，它使得資源管理能夠對整個網絡的資源狀態了解得更清楚。

·跨域的資源管理。目前的資源管理手段都是以域為單位的，而端到端的業務通常需要跨越多個網絡城，這就需要不同的網絡域的資源管理進行交互和協調（協商），共同實現端到端的跨網絡的資源管理能力。

4.3 業務提供

　　業務提供主要考慮3個方面的問題：一是業務層和網絡QoS管理層的接口問題；二是業務流量的管理問題；三是SLA提供和實現問題。這幾個方面保證了業務的性能、可管理性和可運營性。

·在一個支持動態的提供QoS的IP網絡上，如何建立一個有效的信令機制使得業務層的QoS需求能夠轉換為網絡層的QoS資源提供，是支持可管理的電信業務的核心問題。考慮到IP網絡的特點，這種信令機制在實現上必須簡單、可擴展，在控制粒度上也要有別于其他的面向連接的網絡，達到呈現粗粒度（可調）、半靜態的特點。信令機制是當前QoS研究的難點，還需要進一步地深入分析和討論。

·IP QoS對業務可管理性、可運營性的支持機制包括業務流量管理、業務流量計費等機制。在缺乏控制的IP網絡上，實現業務一級的可管理、可運營是非常困難的，包括對業務流量和非業務流量的區分并提供資源保證，對業務流量的狀態監測和故障排除，對業務流量的統計和計費等。此外，為了增加網絡的業務支持能力，還需要實現對非業務流量的網絡資源限制，以防止非業務流量的干擾。傳統上，對Client-Server模式的IP應用的管理主要通過終端系統（服務器端）來實現，但是對于提供網絡傳精服務（例如點到點的視頻通信）的揭供商來說，業務流量的管理和計費必須通過網絡層機制來實現。目前，可管理性主要通過增強網絡的邊界節點的智能性來實現。

·IP QoS對SLA的支持包括：對不同等級的SLA提供能力、SLA性能監離機制以及SLA相關的網絡管理機制。針對目前競爭日益劇烈的市場環境，提供SLA成為各級運營商提高競爭力的關鍵。IP QoS機制一方面提供了多等級的SLA能力，另一方面也為SLA實現提供了網絡保證。為了進一步支持SLA，IP QoS還需要提供足夠的SLA監測機制、SLA相關的網絡管理以及運營機制。

5 小結

　　電信級IP QoS是一個非常復雜的問題，當前的解決方案在不同的方面都存在許多不足。因此，根據業務的需求，結合網絡的實際情況，不斷吸納新技術，實現一個可管理、可運營的電信級IP Qos架構具有重要的意義。

----《電信技術》