IP QoS 技术的现状与发展趋势

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IP QoS 技术的现状与发展趋势


　1 IP QoS的研究背景和意义

　　随着互联网的飞速发展和网络业务的极大丰富，互联网将成为承载多种业务、服务于多类用户群体的公共信息传输平台。但是由于IP协议固有的无连接特性和传统IP网络“尽力而为”的服务原则，传统互联网无法向用户提供有效的服务质量保障，也不能实现网络资源的有效监控和管理。这种状况严重阻碍了互联网向纵深方向发展。近十年来，国内外专家学者对IP服务质量(IP QoS)开展了坚持不懈的研究，提出了一系列理论和解决方案。但是由于IP QoS问题的复杂性，至今还没有一个服务质量(QoS)方案能在大型商用网络中全面推行。当前，“IP电信网”已经成为各国电信主管部门和网络运营商追求的目标，为了提供电信级的业务(如VoIP、视频和多媒体流传播、未来3G的无线应用、可视电话等)，解决IP服务质量问题已经刻不容缓。人们必须继续深化IP服务质量研究，特别是实用技术的研究，使互联网能够改头换面，成为信息基础设施中的主流传输平台。

　　2 IP QoS的主要技术

　　IP服务质量是一项综合技术。为了实现服务质量保障，除了在体系结构上要有一个好的总体设计之外，还需要依靠各个层面的技术来支撑。在数据平面上，物理层、链路层、网络层、传输层和应用层都可以控制网络的服务质量。目前的IP服务质量控制研究多半集中在网络层和传输层上，随着无线局域网和接入网、10G以太网、弹性分组环等新型的互联网接入方式的迅速发展，链路层技术对IP服务质量的影响成为新的研究课题。在管理平面上，网络管理、业务管理和客户管理3个层次都包含了网络服务的实施、保障和计费技术。这些技术对实现服务质量至关重要，但也是以往研究中的薄弱环节。

　　IP服务质量技术主要有IP服务质量体系结构、数据平面的服务质量控制技术、管理平面的服务质量技术、服务质量测量等几个方面。

　　2.1 IP QoS体系结构

　　当前的IP服务质量体系结构主要有IETF建议的集成服务(IntServ)体系[1]和区分服务(DiffServ)体系[2—3]。

　　集成服务的基本思想是在传送数据之前，根据业务的服务质量需求进行网络资源预留，从而为该数据流提供端到端的服务质量保证。集成服务虽能提供确定的服务质量保证，但是它需要在网络中维护每个流的状态，因而扩展性差，难以在大型IP网络中实施。

　　区分服务的基本思想是将用户的数据流按照服务质量要求来划分等级，任何用户的数据流都可以自由进入网络，但是当网络出现拥塞时，级别高的数据流在排队和占用资源时比级别低的数据流有更高的优先权。区分服务只包含有限数量的业务级别，状态信息数量少，实现简单，扩展性较好。目前，区分服务是业界认同的IP骨干网的服务质量解决方案。它的不足之处是不能为每个单独的IP流提供端到端的质量保证，此外，由于标准还不够详尽，不同运营商的网络之间很难进行服务质量参数的协商和调整。

　　近来出现的MPLS技术利用显式路由功能增强了在IP网络中实施流量工程的能力，MPLS流量工程可以根据流的服务质量需求选择优化的路由，也能够在MPLS域内进行负载均衡，因而从宏观上提供了保障服务质量的基础。由于区分服务 和MPLS技术具有较多的优势和兼容性，并且获得了众多设备厂商的支撑，因此区分服务和MPLS技术结合在一起，能提供更好的服务质量保障，是一种较好的技术选择[4] 。

　　2.2 数据平面的QoS控制技术

　　2.2.1 QoS选路

　　现在的Internet路由协议(如OSPF、RIP等)都采用单个测度(如跳数、成本)来计算最短路由，没有考虑多个服务质量参数的要求。服务质量选路根据多种不同的度量参数(如带宽、成本、每一跳开销、时延、可靠性等)来选择路由。服务质量选路包括3个主要功能：链路状态信息发布、路由计算和路由表存储。

　　服务质量选路能够满足业务的服务质量要求，同时提高网络的资源利用率。但服务质量选路的算法十分复杂，增加了网络的开销。特别是服务质量组播路由算法，既要寻找满足服务质量要求的组播树，又要考虑组播业务和单播业务之间的公平性，是最为困难的选路算法。目前实用的服务质量选路算法还不多见。

　　2.2.2 网络层的QoS控制

　　为了实现服务质量控制，互联网中的路由器需要根据网络所采用的服务质量体系结构，增加一系列流量控制和调节功能，包括IP流的分类、计量和标记，缓存管理，队列调度，拥塞控制等。在集成服务网络中，除了上述功能之外，每一个路由器都需要参与IP流的实时接纳控制，为每个IP流预留资源，并维护IP流的状态，任务十分繁重。在区分服务网络中，只有边缘路由器需要对每个IP流进行分类、计量和标记，核心路由器只需根据业务的优先级别来转发(包括存储和调度)IP包。因此，边缘路由器比较复杂，核心路由器比较简单。

　　随着互联网的发展，路由器的端口数和端口速率都在增加，目前，高速路由器需要工作在每秒太比特级的链路速率下，处理能力受到很大的挑战。为了实现服务质量，分等级的业务流量控制和调节功能会给路由器的处理能力造成更大的压力。因此，网络层服务质量控制研究的重要任务就是提出简单有效的算法和实现方案。

　　2.2.3 传输层的QoS控制

　　传输协议性能的好坏直接关系到网络的服务质量。目前互联网的主要传输协议是传输控制协议(TCP)和数据报协议(UDP)，其中TCP提供高可靠服务，是目前使用最广泛的传输协议；UDP提供高效服务，用于一些交互次数很少的交易型业务。随着互联网业务的扩展，出现了很多流媒体业务。这些业务既要求可靠，又要求实时高效，因此对TCP和UDP都不满意。目前虽然大部分流媒体业务(如VoIP，音频、视频传输等)都采用UDP协议，但是需要在高层采取措施来保证数据传输的可靠性。在这种情况下，新的传输协议应运而生，其中最典型的是流控制传输协议(SCTP)，这个协议的目标是在保证可靠性的同时尽量提高传输的实时性。SCTP受到业界的高度重视，目前很多厂商已经在网上开展SCTP的试验。

　　传输协议优化的另一个目标是提高网络资源的利用率，并使不同类型的业务公平地占用网络资源。现在，当网路发生拥塞时，TCP能够主动降低发送速率，使拥塞现象缓解，UDP则不能对拥塞做出任何响应。这样就形成TCP和UDP业务之间的不公平性。今后，如果大量的流媒体业务都使用非拥塞控制的UDP业务，则很容易导致网络过载和性能下降，严重时会引起“拥塞崩溃”现象。因此，基于UDP的业务需要增加相应的控制机制，不仅要避免网络过载，达到自己的服务质量要求，还要与TCP业务公平地分享网络资源，这就是TCP友好(TCP-friendly)的概念。在这个概念下，研究人员提出了许多TCP友好控制机制，包括基于TCP窗口机制的拥塞控制以及基于模型和公式计算的TCP友好控制机制，这些机制通过改变拥塞窗口或改变发送速率来对网络拥塞做出响应。目前，又出现了一种数据报拥塞控制协议(DCCP)，为流媒体业务的传输提供了TCP友好的方式。DCCP还处于草案阶段，但已受到广泛的关注。

　　移动互联网是下一代互联网发展的必然方向。由于移动互联网的拓扑结构和资源都在动态变化，要提供服务质量保证比固定网更为困难。因此，移动互联网的服务质量研究受到高度重视。目前，根据无线和移动环境的特点，人们对网路层和传输层的协议作了改进，使移动终端能够做到快速、平滑切换，并使移动业务的服务质量和网络资源利用率都能得到兼顾。

　　2.2.4 链路层对QoS的支撑

　　局域网和接入网的链路层协议对互联网的服务质量有重要的影响，其中无线局域网(WLAN)和无线接入网对IP QoS的影响成为新的研究热点。同有线以太网相比，无线局域网为用户提供了更加方便快捷的接入方式。IEEE为无线局域网制订了相应的国际标准IEEE 802.11。无线局域网中的物理媒体和有线环境下的媒体不同，它被有限距离下的站点所共享，由于无线环境下特有的隐藏终端、捕获效应等因素的影响，无线局域网中的媒体访问控制(MAC)协议比有线以太网更为复杂。最近，很多学者对现有的WLAN技术提出了改进意见，包括分布式无线调度机制和改进的分布式协调功能(DCF)协议，这些新的机制可以提高流之间的公平性，并提高TCP在WLAN上的性能。

　　2.3 管理平面的QoS技术

　　2.3.1 IP网业务管理模型

　　目前IP网还没有标准的业务管理模型，只有两个参考模型：一个是电信管理论坛(TMF)提出的电信运营图(TOM)模型。这个模型将IP业务管理功能从纵向分成网络管理、业务管理和客户管理3个层次，从横向分成业务实施、保障和计费3个阶段，并对每层、每阶段的功能和操作进行了具体的描述。在这个模型中，IP QoS管理主要在业务管理层实现。业务实施阶段将用户的服务质量要求传送到网络中，并进行相应的配置；业务保障阶段维持协商好的服务质量；业务计费阶段按照网络的服务质量进行公平合理的计费。TOM模型最有可能成为运营商和设备制造商提供服务质量业务的参考标准。另一个模型是IETF提出的基于策略的管理框架。这个框架将网络中的一些操作和管理抽象出来，称为策略(Policy)。网络管理者事先定义好一些管理策略，存放到策略信息库中，网络设备根据这些策略自动地进行网络操作。由于策略由网络管理者统一制订，因此采用不同服务质量技术的异构网能够实现统一的服务质量管理。基于策略的管理方式正逐渐获得国际公认。

　　2.3.2 服务等级合约管理

　　服务等级合约(SLA)是用户与网络服务提供商(ISP)签订的关于网络服务的协议。ISP根据SLA来对用户提供某个等级的服务和计费。SLA分为静态和动态两种，静态SLA在规定的时间范围内是不变的，与网络的状况(如拥塞程度、负荷变化)无关；动态SLA根据网络的状态来协商和调整SLA参数，从而提高网络的资源利用率。当前大部分网络采用静态SLA，而动态SLA是一个新的研究热点。

　　文献[5]提出了服务等级合约的结构和内容。SLA中包括一个或多个流量调节合约(TCA)，SLA和TCA都属于商业上的协议，它们的技术细节分别由服务等级规范(SLS)和流量调节规范(TCS)来表述。目前的研究主要集中在SLS和TCS的内容定义，还没有相应标准。SLA的建模和标准化是当前亟待解决的重要问题。

　　SLA管理包括：SLA建模、SLA接纳控制、SLA业务配置和SLA一致性监测与控制。

　　(1)SLA建模

　　SLA建模主要研究SLA的形式化定义，包括技术描述部分的参数设置、参数和典型业务流量特性的关系、抽象业务模型的建立等。

　　(2)SLA接纳控制

　　SLA接纳控制根据网络运营策略和资源状况，确定接纳或者拒绝业务请求。SLA接纳控制应考虑互联网业务特性，制订合理的策略和算法。

　　(3)SLA业务配置

　　SLA业务配置把已接纳的业务配置到具体网络中，并分配足够的资源来满足承诺的业务性能需求。在配置业务时，基于策略的方法可以屏蔽异构设备和不同服务质量机制的差异，向上提供统一的接口(如COPS接口)。

　　(4)SLA一致性监测与控制

　　SLA一致性监测与控制监测业务的性能以及网络的资源使用状况，和事先签订的SLA参数相比较，然后触发相应的控制机制(如重新配置路由器的服务质量参数等)，以保证业务性能与SLA一致。

　　2.3.3 QoS计费

　　为了在网络中推行服务质量，需要设计相关的计费策略，对不同类型和不同服务质量等级的业务采用不同的计费方式，使收费公平合理；另一方面，考虑到实现的可行性，应该使计费算法简单有效，同时还要考虑多域和多运营商之间的结算问题。

　　在按服务质量计费方面一直缺乏重大成果，计费公平性和算法可扩展性之间的矛盾始终未能解决。最近，国外对服务质量计费的原则和策略开展了大量研究。有人提出：10%的流占用了90%的网络资源，因此有必要对大流和小流加以区分，大流采用较精确的计费方式，而小流则按简单的方法实施计费[6]。也有人建议分等级和分时段计费，根据前一段时间的业务流量报告来确定和调整费率。还有人主张按照经济学的原理来调整费率，对网络的流量和服务质量进行宏观调控[7]。

　　2.4 QoS测量

　　服务质量测量是一个新的研究课题，它的目的是用测量手段取得网络的性能和服务质量参数。显然，网络的服务质量控制、管理和计费都需要服务质量测量的支撑。服务质量测量有不同的分类方法，按照测量过程中测试设备是否主动发送探测包可分为主动测量和被动测量两类；按照测试系统所处的位置，又可分为基于路由器的测量、端到端的测量以及路由器协助的测量。服务质量测量的内容很广泛，包括网络拓扑发现，时延、丢包率、带宽测量，网络距离测量，路由器调度策略和“瓶颈”缓冲器容量推测，以及路由器流量监测。

　　目前互联网的性能测量主要采用基于路由器的测量方法，这种方法通过路由器直接获取统计数据，因而具有较高的测量精度，但是它有很大的局限性。首先，对网络流量的监测的开销很大，使高速网络中的路由器很难进行持续的测量工作；第二，当业务穿越不同运营商的网络时，不同网络的路由器往往不能协同工作，很难实现端到端的业务性能测量；第三，基于路由器的服务质量测量需要在路由器中增添新的功能，这对目前正在运营的网络来说是十分困难的。与此相反，端到端测量只需要端系统的支撑，它的测量精度低于基于路由器的测量，但具有很好的灵活性，对于某些跨越多个运营商的测量问题，端到端测量技术可能是最佳的选择。

　　服务质量测量需要复杂的技术。特别是端到端服务质量测量，在没有路由器参与，两端设备时钟又不同步的情况下，利用信号处理技术和数学分析方法，可以推测网络拓扑、端到端的单向传输时延、链路时延，链路带宽、路径上的“瓶颈”带宽及可用带宽，甚至还可以推测网络中路由器的调度策略和缓冲器容量。端到端服务质量测量具有特别重要的意义，它可以测出网络的整体性能指标，不需要对路由器进行改造，也不需要网络运营商公开内部资料(如网络拓扑、设备配置、传输容量等)。

　　目前，端到端的服务质量测量技术还不成熟，国外有一些研究成果报道，国内的研究则刚刚开始。

　　3 IP QoS研究与试验的现状

　　IP 服务质量研究已经走过近十年的历程，取得了不少理论成果，也产生了很多相关的建议和标准，国外还开发了一些相关的设备，进行了一些试验。在IP 服务质量管理方面比较有影响的项目是欧盟资助的3个项目：AQUILA、TEQUILA和CADENUS[8]，这些项目分别从数据包层面，网络层面和业务层面对服务质量管理技术展开了深入的研究，提出了在某些特定体系结构下的一些新的控制算法、管理机制和交互协议。但是这些项目与实际业务联系不够紧密，具体实现的内容也不多。

　　目前一些厂商的网管产品在一定程度上实现了服务质量参数的统计功能，如BMC企业的PATROL for SLM、CA企业的Unicenter SLM、Compuware企业的EcoSYSTEMS、HP企业的OpenView IT服务管理解决方案、Tivoli企业的SLM解决方案、AsiaInfo企业的AISERBASE、Cisco企业CiscoWorks2000中的SLMv2等。但这些产品都不能对保障业务质量进行有效的管理。

　　总的说来，IP QoS目前仍处于研究试验阶段，离实用还有很大的距离，其主要原因是：

　　(1)服务质量管理的研究落后于服务质量控制

　　当前的IP QoS研究主要集中在数据平面，对服务质量管理、服务质量测量和服务质量计费还缺乏系统的解决方案，这严重影响到将服务质量机制投入网络运营中。

　　(2)缺乏统一的服务质量体系架构和详尽的标准

　　众多的设备制造商选择了不同的服务质量技术，不同厂商的设备不能协同工作，这成为整个网络实现服务质量的一大障碍。

　　(3)服务质量管理和服务质量控制机制脱节

　　当前的网络管理可以对网络性能进行监测，但不能实时地调整服务质量控制参数。网络资源的配置和服务质量控制参数设置基本上是静态的，管理和控制之间缺乏一个闭环的机制。因此在网络拥塞时，无法真正保证实时业务的服务质量。

　　(4)服务质量研究同具体应用相脱节

　　没有针对网络中典型业务的需求提出一整套服务质量控制和管理方法，包括SLA模型、参数映射、资源分配、计费原则等，而这些问题是多业务IP网运营的重要基础。

　　(5)缺乏行之有效的服务质量计费策略

　　现有计费策略(如月租、上网卡方式)虽然简单，但不适应多种业务、多类用户的需要，很大程度上限制了服务质量体系的实施和运营。

　　近几年来中国开展了积极的IP QoS研究，自然科学基金和国家“863”计划中都安排了相关的研究项目，主要的网络设备制造商和运营商也纷纷进行服务质量研究开发。目前已经取得了不少学术和技术成果，但是这些成果还没有实用化。随着互联网业务的推广，用户对服务质量的需求日益增长，运营商之间的竞争也愈演愈烈，研究一个适合中国互联网业务和用户需求的电信级可运营的统一IP QoS体系架构和整体解决方案，提出技术标准建议，建立试验和示范系统，引导和推动下一代互联网的不断发展是当前一项十分重要而急迫的任务。

　　4 IP QoS技术的发展趋势

　　IP QoS是当前国内外服务质量研究的热点，由于市场需求急迫、技术难度大，该研究吸引了成千上万科技工编辑的参与，研究还在向纵深发展。该技术的主要发展趋势是：

　　(1)更加注重实用技术的研究。研究工编辑正在理论研究的基础上，构造简单可行的服务质量控制和管理系统。今后的控制算法会更注重可扩展性，控制和管理方法会和应用更好地结合起来。

　　(2)加强服务质量管理的研究，并使服务质量管理和服务质量控制相结合。服务质量管理和计费的研究将是下一步的研究重点。

　　(3)重视层间服务质量技术的交互。目前各层的研究是孤立进行的，今后会更加重视层间的交互，找出相邻层间服务质量机制的相互作用(相互促进或相互干扰)以及多层服务质量机制协同工作的方法。

　　(4)注重应用层和网络边缘的服务质量技术研究。核心网的改造是很困难的，因此很多人把注意力移到网络的边缘和高层，希翼从外围突破。现在已经产生了一些应用层和网络边缘的服务质量技术，如应用层流量均衡和资源分配、应用层交换、应用层的自适应流量控制、应用层组播、端到端的服务质量测量等。

　　(5)技术和经济相结合。服务质量管理和计费研究会从服务质量技术和经济学原理两方面来考虑。服务质量控制系统也会注重成本，在性能和代价之间进行折衷。

　　5 结束语

　　IP QoS是下一代互联网发展必须解决的重大问题。IP QoS技术涉及的面很广，包括数据平面和管理平面各层的技术。服务质量需要理论支撑，也要考虑实际网络的现状及业务需求。目前国内外的IP QoS研究正在从理论走向实践，不久的将来，大家就会看到互联网提供分等级的，能够保证质量的，收费公平合理的业务。但是大家不要忘记，IP网终究是IP网，为了提供服务质量保障，它要比电信网付出更大的代价。将来，IP网究竟能在服务质量的道路上走多远，取决于其时的元器件水平、CPU处理能力、App水平、价格等因素。从宏观上看，IP QoS研究的根本任务就是在网络业务的性能价格比上寻求最佳值，用尽量小的代价取得尽量好的服务质量。如果做不到这一点，或者说，如果IP网不能以低于电信网的价格来提供用户需要的业务，IP QoS研究也就失去了意义。