IP QoS研究的現狀與發展趨勢

2019-11-03 09:09:52

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供稿：網友

　　目前，隨著電信業務的引入，ip網的服務質量（IP QoS）成為下一代Internet的重要研究課題。由于IP協議的無連接特性和IP網絡松散的控制管理方式，使這項研究面臨很大的挑戰。IP QoS的研究范圍十分廣泛，不僅包含路由和業務流量控制，還涉及到網絡管理、計費和網絡測量。本文將重點介紹當前主要的IP QoS技術，移動IP網的QoS解決方案，QoS管理和測量技術，并討論IP QoS研究的發展趨勢。

當前主要的IP QoS技術

　　當前主要的IP QoS技術有集成服務（IntServ），區分服務（DiffServ），QoS路由和MPLS。

1．集成服務（IntServ）

　　集成服務的體系結構和參考框架見文獻[1]。集成服務的基本思想是在傳送數據之前，根據業務的QoS需求進行網絡資源預留，從而為該數據流提供端到端的QoS保證。

　　資源預留協議RSVP[2]是集成服務的核心。這是一種信令協議，用來通知網絡節點預留資源。如果資源預留失敗，RSVP協議會向主機發回拒絕消息。

　　集成服務能夠在IP網上提供端到端的QoS保證。但是，集成服務對路由器的要求很高，當網絡中的數據流數量很大時，路由器的存儲和處理能力會遇到很大的壓力。因此，集成服務可擴展性很差，難以在Internet核心網絡實施，目前業界普遍認為集成服務有可能會應用在網絡的邊緣上。

2．區分服務（DiffServ）

　　區分服務的基本思想是將用戶的數據流按照服務質量要求來劃分等級，任何用戶的數據流都可以自由進入網絡，但是當網絡出現擁塞時，級別高的數據流在排隊和占用資源時比級別低的數據流有更高的優先權。區分服只承諾相對的服務質量，而不對任何用戶承諾具體的服務質量指標。IETF定義了區分服務的體系結構[3] [4]。

　　在區分服務機制下，用戶和網絡管理部門之間需要預先商定服務等級合約（SLA），根據SLA,用戶的數據流被賦予一個特定的優先等級，當數據流通過網絡時，路由器會采用相應的方式（稱為每跳行為PHB）來處理流內的分組。

　　區分服務只包含有限數量的業務級別，狀態信息的數量少，因此實現簡單，擴展性較好。它的不足之處是很難提供基于流的端到端的質量保證。目前，區分服務是業界認同的IP骨干網的QoS解決方案，但是由于標準還不夠詳盡，不同運營商的DiffServ網絡之間的互通還存在困難。

3．QoS路由

　　現在的Internet路由協議（OSPF、RIP等）都采用單個測度（如跳數、成本）來計算最短路由，沒有考慮多個QoS參數的要求。QoS路由根據多種不同的度量參數（如帶寬、成本、每一跳開銷、時延、可靠性等）來選擇路由。QoS路由包括三個主要功能：鏈路狀態信息發布，路由計算和路由表存儲。

　　QoS路由能夠滿足業務的QoS要求，同時提高網絡的資源利用率。但是QoS路由的計算十分復雜，增加了網絡的開銷，目前實用的QoS路由算法還不多見。

4．MPLS

　多協議標簽交換MPLS并不是主要的QoS機制，也不是QoS的體系結構，但MPLS的顯式路由功能大大增強了在IP網絡中實施流量工程的能力。對于骨干網業務提供者來說，這是目前使用最普遍，可實現性最強的一種QoS機制。

　　以上四種QoS技術可以結合使用。例如IntServ 和Diffserv結合，在核心網采用Diffserv，在接入網采用IntServ。又如MPLS和Diffserv結合，或MPLS和QoS路由結合。目前MPLS+DiffServ技術最有可能成為IP網絡運營商首選的QoS方案。

移動IP網的QoS解決方案

　　移動互聯網的拓撲結構和資源都在動態變化，要提供服務質量保證比固定網更為困難。目前，根據無線和移動環境的特點，人們對原有的QoS技術作了改進。

1．移動環境下的IntServ和RSVP

　　目前的RSVP不適合于移動IP網絡，主要原因是它無法感知主機的移動，因而不能在移動主機即將訪問的位置上提前預留資源，當主機移動到新的子網后往往因缺乏資源而形成服務質量下降。另外，目前的RSVP不支持經過IP隧道的資源預留，因此不能適應移動IP網利用隧道傳送數據時的服務質量要求。為了克服RSVP的缺陷，學者們提出了以下4種解決方案：

（1）MRSVP

　　MRSVP[5] 協議要求預測主機未來可能到達的位置，并在這些位置提前預留資源。在MRSVP中有主動和被動兩種資源預留方式，主動資源預留用于移動主機當前所在的子網，被動資源預留用于未來訪問的子網。被動預留的資源可以被子網中其他業務流使用，但當移動主機移動到該子網時，網中被動預留的資源即轉變為主動預留資源，供移動主機使用，而原來使用這些資源的業務流需要立刻釋放所占有的資源。

（2）支持隧道的RSVP

　　文獻[6]提出了一種支持隧道的RSVP方案，該方案建議在隧道的兩個端點之間為通過隧道的總業務量預留資源，這樣，端到端的RSVP會話經過隧道時，就沒有必要再考慮隧道中的資源預留。

（3）基于組播的RSVP

　　文獻[7]提出了一種基于組播的RSVP協議。在這個方案中，每個移動主機用一個組播地址來標識，所有移動主機發送、接收RSVP消息和IP數據包都通過組播方式進行，主機的移動可視為組播組成員的變動。該方案還采用了類似于MRSVP的運動預測機制，由移動代理將移動主機下一步將要訪問的位置提前加入到組播樹中，并預留資源。另一方面，用剪枝的方法將主機已經離開的位置從樹上刪除。

（4）DRSVP

　　DRSVP[8]是一種支持可變服務質量的動態資源預留協議，它使用戶能夠根據網絡資源的變化動態調整服務質量要求。DRSVP的主要做法是在RESV消息中增加參數來描述業務流的適應范圍，通報上、下游的資源“瓶頸”，并引入新的帶寬分配算法，以適應網絡資源的動態變化。這個方案的優點是允許預留的資源有一個波動范圍，從而靈活地支持服務質量需求，并使網絡資源利用率也得到提高。

2．移動環境下的DiffServ

　　目前的DiffServ不能滿足移動IP網的要求，主要原因有兩個：一是沒有信令，不能做到實時控制。另一個原因是不能動態配置服務質量參數。

　　文獻[9]提出了無線環境下的DiffServ框架，對DiffServ的功能進行了以下擴展：

（1）增加信令協議，用于在移動終端和基站之間傳送控制消息及相關參數（如移動終端的能量、當前的丟失率等）。

（2）增加對移動性的支持，為移動主機預留帶寬，或者賦予移動主機高優先級，使其在切換時能夠搶占低優先級業務的帶寬，或使用預留帶寬來補償無線鏈路的高誤碼損失。

（3）要求基站能夠過濾掉部分不重要信息，以解決有線和無線鏈路速率不匹配的問題，或減少終端的能耗。

　　移動環境下的QoS策略的發展趨勢是在核心網采用DiffServ，在無線接入網既可采用IntServ也可采用DiffServ；無線接入網內用信令協議支持動態資源分配；資源分配信令可以和移動主機位置管理信令相結合，以加快資源分配過程，減少信令開銷。另外，動態資源分配可以和接納控制和無線分組調度等技術結合，更好地解決QoS問題。

IP QoS管理和測量

1．QoS管理模型

　　目前IP網還沒有標準的QoS管理模型，只有兩個很好的參考模型。

　　一個是電信管理論壇TMF提出的TOM（Telecom Operations Map）模型[10]。TOM在電信管理網（TMN）的四層結構基礎上，對每個管理層面的功能和操作進行了具體的描述，使其適合IP網絡的管理。在這個模型中，IP QoS管理主要在業務管理層實現。TOM還將業務的生命周期分為三個階段：業務開通，業務保障和業務計費。業務開通將用戶的QoS要求傳送到網絡中，并進行相應的配置；業務保障維護協商好的QoS，是IP QoS管理的主要階段；業務計費進行公平合理的計費。TOM模型最有可能成為運營商和設備制造商提供QoS業務的參考標準。

　　另一個模型是IETF提出的基于策略的管理框架[11]。這個框架將網絡中的一些操作和管理抽象出來，稱為策略（Policy）。網絡管理者事先定義好一些管理策略，存放到策略信息庫中，網絡設備根據這些策略自動地進行網絡操作。由于策略由網絡管理者統一制定，因此采用不同QoS技術的異構網能夠實現統一的QoS管理。

2．SLA管理

　　SLA（服務等級合約）是用戶與網絡服務提供商（ISP）簽訂的關于服務質量的協議。ISP根據SLA來對用戶提供某個等級的服務和計費。SLA分為靜態和動態兩種。靜態SLA在一定的時間范圍內是不變的，與網絡的狀況（如擁塞程度、負荷變化）無關；動態SLA根據網絡的狀態來協商和調整SLA參數，從而提高網絡的資源利用率。當前，大部分網絡仍采用靜態SLA，而動態SLA還處于研究階段。

　　文獻[12]提出了SLA的結構和內容。SLA中包括一個或多個TCA（流量調節合約），SLA和TCA都屬于商業上的協議，它們的技術細節分別由SLS（服務等級規范）和TCS（流量調節規范）來表述。目前的研究主要集中在SLS和TCS的內容定義，現在還沒有這方面的標準。SLA的建模和標準化是當前亟待解決的重要問題。

3．QoS資源管理

　　在QoS管理過程中，需要對用戶的業務進行接納控制。InterServ可以通過資源預留來達到這一目標，但DiffServ還不能實現端到端的資源預留和接納控制。為了解決這個問題，出現了帶寬代理BB（Bandwidth Broker）。

　　BB實際上就是一個資源管理器，它收集網絡的拓撲和節點及鏈路狀態信息，管理網絡資源，并結合策略服務器規定的策略進行接納控制。DiffServ域之間通過BB進行SLA協商,使DiffServ能夠實現端到端的接納控制和QoS保障。當前，BB的研究是實現QoS管理的又一個重要環節。

4．QoS測量

　　QoS測量是一個新的研究課題，它的目的是用測量手段取得網絡的性能和服務質量指標。顯然，網絡的QoS控制、維護、管理和計費都需要QoS測量的支持。QoS測量有不同的分類方法，按照測量過程中測試設備是否主動發送探測包可分為主動測量和被動測量兩類；按照測試設備所處的位置，又可分為基于路由器的測量，端到端測量，以及路由器協助的測量。QoS測量的內容很廣泛，包括網絡拓撲發現，時延、丟包率、帶寬測量，網絡距離測量，路由器調度策略和瓶頸緩沖器容量測量，以及路由器流量監測。

　　QoS測量需要復雜的技術。特別是端到端QoS測量，在沒有路由器參與，兩端設備時鐘又不同步的情況下，利用信號處理技術和數學分析方法，可以推測網絡拓撲，端到端的單向傳輸時延、鏈路時延，鏈路帶寬、路徑上的瓶頸帶寬及可用帶寬，甚至還可以推測網絡中路由器的調度策略和緩沖器容量。端到端QoS測量具有特別重要的意義，它可以測出網絡的整體性能指標，而且不需要對路由器進行改造，也不需要網絡運營商公開內部資料（如網絡拓撲、設備配置、傳輸容量等）。

　　目前QoS測量技術還不成熟，國外有一些研究成果報道，國內在此領域的研究則剛剛開始。

QoS研究的發展趨勢

　　目前QoS控制研究已有不少成果，需要解決的主要問題是算法復雜性和QoS控制效果之間的權衡。QoS管理、計費和QoS測量的研究則還處于起步階段，研究成果較少，標準尚未形成，是IP QoS研究的新熱點。

　　QoS研究的另一發展趨勢是多種技術的結合，即多層次（應用層、傳輸層、網絡層、鏈路層、物理層），多平面（數據平面、控制平面和管理平面）的QoS研究相結合，研究各層、各面之間的交互作用，將各種QoS機制綜合起來，改善IP網的服務質量。

參考文獻
【1】 Braden, R., Clark, D. and S. Shenker, "Integrated Services in the Internet Architecture: An Overview", RFC1633, July 1994.
【2】RFC 2205 Resource ReSerVation PRotocol (RSVP) -- Version 1
【3】Nichols, K., Blake, S., Baker, F. and D. Black,"Definition of the Differentiated Services Field (DSField) in the IPv4 and IPv6 Headers", RFC 2474, December 1998.
【4】 Blake, S., Black, D., Carlson, M., Davies, E., Wang, Z. and W. Weiss, "An Architecture for Differentiated Services", RFC 2475, December 1998.
【5】Talukdar, B. Badrinath, et al. MRSVP: A Resource Reservation Protocol for an Integrated Services Network with Mobile Hosts[J]. Wireless Networks, 2001, 7(1): 5-19.
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【8】M.Mirhakkak, N.Schult, et al. Dynamic Bandwidth Management and Adaptive applications for a Variable Bandwidth Wireless Environment[J]. IEEE Journal On Selected Area in Communications, 2001,19(10):1984-1997.
【9】I.Mahadevan, K.M.Sivalingam. Architecture and Experimental Framework for Supporting QoS in Wireless Networks Using Differentiated Services[J]. Mobile Networks and Applications, 2001, 6(4):385-395
【10】TeleManagement Forum, GB910, “Telecom Operations Map”, evaluation version 1.1, April 1999
【11】RFC 3060，Policy Core Information Model, B. Moore, February 2001.
【12】EURESCOM P1008 Deliverable 2, “Selected scenarios and requirements for end-to-end IP QoS management”, January 2001.

摘自《通訊世界》