IP QoS标准化进展

2019-11-03 09:01:34

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供稿：网友

赵慧玲杨明川

　　随着ip技术和网络的发展，世界各国的运营商基于IP网络已经开发出多种多样的新业务，IP网正在从当初单纯传送数据向可传送数据、语音、活动/静止图像的多媒体网络转变。终端软硬件的不断发展使得很多终端已能够满足多媒体应用的需要，因此在IP网上实现类似语音、传真、会议等实时多媒体应用的问题焦点便集中在了如何传输这些时延敏感的业务上。而目前的IP网络所提供的是一种“尽力而为”的服务，无法保障实时多媒体业务服务质量（QoS），因此在IP网上实现QoS的机制已成为目前国际上的研究热点。

IETF关于IP QoS的研究现状

　　IETF在IP网络的QoS方面建议了一些服务模型和机制，其中最基本的是综合业务/RSVP模型（IntServ）和区别型（DiffServ）业务模型。

综合业务模型（IntServ）

　　综合业务（IntServ）模型使用资源预留（RSVP）协议。这一模型的思想是“为了给特定的客户包流提供特殊的QoS，要求路由器必须能够预留资源。反过来要求路由器中有特定流的状态信息”。

　　综合业务模型的优点是能够提供绝对有保证的QoS。RSVP运行在从源端到目的端的每个路由器上，可以监视每个流，以防止其消耗比其请求、预留和预先购买的要多的资源。该模型的缺点主要有：伸缩性不好、对路由器的要求高、无法在大网上实施。

区别型业务模型（DiffServ）

　　区别型业务（Diffserv）定义了TOS字节的格式（术语叫DS字段），以及一个包转发处理库的集合（术语叫Per－Hop行为，或PHB）。通过对一个包DS字段的不同标记，以及基于DS字段的处理，能够产生一些不同的服务级别。因此，区别业务本质上是一种相对优先级策略。

　　区别型业务模型的优点是便于实现，只在网络的边界上才需要复杂的分类、标记、管制和整形操作，ISP核心路由器只需要实现行为聚集（BA）的分类，因此实现和部署区别型业务都比较容易。

　　区别型业务本质上只是实现了一种相对优先级策略，因此并不能严格保证业务端到端的QoS。

流量工程（TrafficEngineering）

　　目前IETF的这些技术可以作为基础QoS技术在相关的网络部件上使用，但是IETF的这些成果没有解决全网的QoS问题，缺乏一个可以实施的整网QoS机制，而从路由器等设备来看，已初步具备基本的QoS能力。因此如何制订整网QoS机制，发挥出路由器的QoS能力成为很多有影响力的标准组织的关注热点。包括Internet2、MSF（多业务交换机论坛）、ETSITIPHON、ITU等组织目前都在大力研究和制订IP网的整网QoS机制，而美国有线电视工业的标准组织CableLab也在为Cable运营商研究制订IP网QoS机制，3GPP则为下一代无线核心网络研究制订QoS机制。

　　从这些研究成果来看，通过实施一些流量工程技术，利用核心网的路由器DiffServ和MPLS的支持能力，是一个发展方向。MPLS可以与区别型业务用在一起来提供QoS。基于DS字段的体系结构和基于MPLS的体系结构能够很容易地互操作。

　　流量工程的根本作用在于安排传输流如何通过网络，以避免不均匀地使用网络而导致拥塞。而现在的动态路由协议都会导致不均匀的通信分布，因为它们总是选择最短路径转发包。结果是，在两个节点之间顺着最短路径上的路由器和链路可能发生了拥塞，而沿较长路径的路由器和链路却是空闲的。因此，无法指望升级改造目前的路由协议来达到流量工程的目标。

　　对于简单网络，可以让网络管理员根据业务量的分布情况，手工配置链路和路由，均匀地发配流量。但是当业务量分布发生较大变化时乃至面对复杂网络，就无法依靠网络管理员手工配置链路和路由。因此流量工程实施需要能够自动化和适应业务流量分布的变化，这样才能保证业务的服务质量。

Internet 2的研究

　　Internet2开发的BandwidthBroker模型是一个尝试。它是在IP的骨干网上使用DiffServ，引入了BandwidthBroker收集网络的拓扑和节点及链路状态信息，管理网络资源并结合策略服务器规定的策略进行接纳控制。带宽代理器负责处理来自用户主机，或者业务服务器，或者网络维护人员的带宽申请请求，带宽代理器根据当前网络的资源预留状况和配置的策略以及与用户签订的业务SLA，确定是否允许用户的带宽申请。DiffServ域之间通过BB进行SLA协商，使DiffServ能够实现端到端的接纳控制和QoS保障。带宽管理器内记录各类SLA配置信息、物理网络的拓扑信息、路由器的配置信息和策略信息、用户认证信息、当前的资源预留信息、网络占用状态信息等大量静态的和动态的信息。同时，带宽管理器还须要记录路由信息，以确立用户的业务流路径和跨域的下游带宽管理器位置。

　　Internet2的带宽管理器模型中，带宽管理器直接管理区域内的所有路由器的资源和配置信息，存在拓扑和管理过于复杂的问题；同时，带宽管理器须要记录本区域的动态路由信息，存在路由表更新频繁的问题，造成网络预留的不稳定；带宽管理器根据本区域的动态路由信息确定的业务路由也很难与业务流实际的转发路由一致。

ETSI的TIPHON及其他组织的研究

　　由于带宽管理器模型存在以上很多实际问题，目前Internet2基本停止了相应的研究，而由其他标准组织在Internet2基础上进行了改进和发展。包括欧洲标准化组织ETSI专门为下一代的电信网络架构研究而设立的TIPHON工作组制订的QoS模型以及美国多业务交换论坛MSF在下一代网络的QoS架构上的研究成果都是在向相同的方向努力。

　　ETSITIPHON的QoS架构中，在承载层引入了TRM来动态管理承载网的资源调度，实现实时的流量工程能力。而TRM接受业务控制层的业务资源申请，为业务分配和管理承载网的资源和转发路径，并控制边缘或网关路由器，识别用户的业务流，让用户的业务流按照TRM分配的路由和资源转发。

　　MSF的QoS架构与ETSI类似，在承载层引入了BandwidthManager来动态管理承载网的资源调度，实现实时的流量工程能力。而BandwidthManager接受业务控制层的业务资源申请，为业务分配和管理承载网的资源和转发路径，并控制边缘或网关路由器，识别用户的业务流，让用户的业务流按照BandwidthManager分配的路由和资源转发。

　　包括ITU在内的许多在QoS和流量工程方面进行大力研究的标准化组织目前在QoS方面基本都是像ETSI/MSF的思路：在承载网上引入资源管理器来实现实时的流量工程，资源管理器接受业务资源申请，为业务分配和管理承载网的资源和转发路径，并控制边缘/或网关路由器，识别用户的业务流，让用户的业务流按照分配的路由和资源转发。PacketCable和3GPP在核心网上也借鉴了以上的解决思路。

　　ETSI/MSF等组织定义的模型目前遇到的问题是如何在目前的网络条件下实现承载业务按照所分配的路径去转发，还有各类接口的标准化过程以及运营中的网络管理体系建立等。由于这是一个全新的网络运营环境，还有很多细致的工作要做。

ITU－T IP QoS的研究

　　ITU－T建议E.800中把QoS定义为“决定用户满意程度的服务性能的综合效果”。E.800考虑到服务性能所有部分的支持能力、操作能力、业务能力和安全性，是对QoS的综合定义。ITU－T建议G.1000对E.800作了扩展，把服务性能（或服务质量）分成不同的功能部分，并将它们与相应的网络性能联系起来。G.1010对G.1000作了补充，提出了一种可满足以端用户为中心的应用要求（如交互性、容错能力）的结构框架。考虑到特定应用和功能参数，ITU－T建议M.1079定义了端到端的话音和数据质量以及对IMT－2000接入网的性能要求，而G.114则定义了跨接数据网的范围。

　　ITU－T关于IP业务性能指标的建议Y.1541“IP通信业务－IP性能和可用性指标和分配”（原I.381）将IP性能建议以类似ATM层性能建议I.356的方式来规范，但只将IP业务QoS分为六类：IP分组丢失率IPLR对第零类、一类、二类、三类和四类QoS均规定为10－3；关于IP分组传送时延IPTD，对第零类（class0）要求为100ms，对第一类（class1）考虑实时话音要求为400ms，对第二类（class2）为100ms，第三类为400ms，第四类则放松到1秒。IP分组时延变化IPDV对class0和class1都规定为50ms，其余类别均为不规范。

　　Y1541同时还规定了IP性能指标的分配、路由长度计算方法、IP分组时延变化IPDV参数规定的一般考虑、核实IP性能指标的参考路径、IP网络上端到端的用户之间的连接示意图、网络段示意图、路由器节点迟延分配值以及用于IP性能测量方法的相关信息等。

　　ITU－TSG13组目前正在研究制订新建议草案Y.qosar“分组网络QoS参考体系结构”。该建议草案在对电路交换和分组交换网络实现QoS方式的特征和异同分析的基础上，从应用和网络角度，概括分析了不同应用对QoS有不同要求和网络对不同类型的业务提供相应的响应方式，提出了达到综合效果使用该业务的用户感到满意的QoS参考体系结构的目标要求。

　　建议草案Y.qosar明确定义了与网络能力、DiffServ、MPLS、IntServ等实现QoS的具体方式无关的基本QoS构建模块（接入控制、拥塞反馈、计量和测量、策略及策略配置、队列和调度、资源预留、服务等级管理、费率表征和流量标示等），通过不同的方式把这些模块组织起来，就可以控制网络提供业务所要求的响应。同时也考虑了实现QoS对安全的影响及相应机制。该建议草案为了支持某些可用性和可靠性要求，增加了基于优先级的接纳控制（admissioncontrol）、QoS选路、QoS信令，引入了业务量恢复功能，标示了用于提出接纳控制的优先级，补充了各功能模块之间的相互作用图用来识别支持一个完整QoS解决方案的信令机制等。为了使该建议草案更具有可操作性，该建议草案在2003年7月会议上专门增加了解决方案的示例。中国电信和华为公司联合对该建议草案提出了对IP网络实现IPQoS的总体架构模型，体现了我国在该领域的研究水平。

ITU－T将继续完成IP接入网络的QoS体系架构。

我国行业标准的研究状况

　　我国电信标准协会网络与交换标准技术委员会已经研究制订了“IP网络技术要求、网络性能参数与指标的行业标准”，该标准主要参考了我国其他网络性能指标（如ATM）的技术规范、ITU和IETF相关的标准编制的。

　　该标准规定了IP网络性能和可用性参数的临时指标，其中有些指标与用户所选择的服务质量（QoS）类型相关。该标准可作为IP网络规划、工程设计以及相应设备的引进和开发的技术依据。

　　由于IP协议本质上是一种把其他真正的物理网络（如ATM）连接起来的“互联网协议”，不是一种真正的物理网络；IP网络是不可管理的和控制的；IP网络提供的是一种没有性能保证的服务。因此，IP网络的性能参数、性能指标和测试方法在国内外都还处在研究和发展中。

今后的研究方向

　　从这些标准组织的研究方向和思路来看，基本上都是在IP网QoS机制上，借鉴包括PSTN/FR/ATM等电信网的机制、运维和规划经验，结合IP网本身的特点，实现IP网与其他电信网络的运维规划机制的统一，实现比较完善的流量工程，实时适应业务量的变化，从而确保IP新业务的服务质量。但是目前包括ETSI、ITU等标准组织在IP网的QoS方面还处于初步框架制订阶段，已有的研究成果主要是一些比较笼统的框架性文件，在具体的实施技术规范上还没有显著的成果，这将是国际标准组织未来几年内的研究和制订的重点。

　　国内的运营商/研究机构和设备厂商需要积极研究制订IP网络的QoS机制和技术，抓住机会提出解决方案，积极关注相关知识产权并影响国际标准组织的相关标准制订，确保我国在这个新的领域内有领先的优势。

电信级IP QoS的发展趋势和展望

　　电信级IPQoS从本质上说可以看作一种在性能和复杂性之间的折中。这种折中从设计思想的角度体现了两种网络设计方式的融合，一种方式是依赖一个可靠的、可控制网络来提供业务（传统电信网的方式），另一种方式是在一个不可靠的网络上依赖终端的智能性来提供业务（传统的IP的方式）。这两种网络在各自的领域都取得了巨大的成功，但是随着网络的发展，新的业务的要求，这两种技术都呈现了不足，网络融合是一个不可逆转的趋势，也是人们不断追求的梦想。问题在于如何融合，或者说，如何折中。

从电信级IPQoS的角度，这种融合和折中的趋势可能体现在几个方面：

（1）基于IP，尽量保留IP的优良特性，特别是保持网络的简单性、组网方式的灵活性、终端的透明性、业务开发的灵活性等；

（2）以业务需求为导向，引入针对业务提供的QoS信令机制或者控制机制，实现一定程度上的控制和数据分离；

（3）通过对资源的管理，而非针对每个会话的控制实现质量保证；

（4）融合当前的各种IPQoS技术和方案，根据不同的网络情况，在可扩展性、实现的复杂性、QoS性能等方面进行合理的协调和折中。

　　电信级IPQoS是一个非常复杂和困难的问题，当前的解决方案都在不同的方面存在许多不足。因此，根据业务的需求，结合网络的实际情况，不断融合新技术，实现一个可管理、可运营的电信级IPQoS架构具有重要的意义。

摘自　人民邮电报

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