IP QoS研究的现状与发展趋势

2019-11-03 09:09:52

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供稿：网友

　　目前，随着电信业务的引入，ip网的服务质量（IP QoS）成为下一代Internet的重要研究课题。由于IP协议的无连接特性和IP网络松散的控制管理方式，使这项研究面临很大的挑战。IP QoS的研究范围十分广泛，不仅包含路由和业务流量控制，还涉及到网络管理、计费和网络测量。本文将重点介绍当前主要的IP QoS技术，移动IP网的QoS解决方案，QoS管理和测量技术，并讨论IP QoS研究的发展趋势。

当前主要的IP QoS技术

　　当前主要的IP QoS技术有集成服务（IntServ），区分服务（DiffServ），QoS路由和MPLS。

1．集成服务（IntServ）

　　集成服务的体系结构和参考框架见文献[1]。集成服务的基本思想是在传送数据之前，根据业务的QoS需求进行网络资源预留，从而为该数据流提供端到端的QoS保证。

　　资源预留协议RSVP[2]是集成服务的核心。这是一种信令协议，用来通知网络节点预留资源。如果资源预留失败，RSVP协议会向主机发回拒绝消息。

　　集成服务能够在IP网上提供端到端的QoS保证。但是，集成服务对路由器的要求很高，当网络中的数据流数量很大时，路由器的存储和处理能力会遇到很大的压力。因此，集成服务可扩展性很差，难以在Internet核心网络实施，目前业界普遍认为集成服务有可能会应用在网络的边缘上。

2．区分服务（DiffServ）

　　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。区分服只承诺相对的服务质量，而不对任何用户承诺具体的服务质量指标。IETF定义了区分服务的体系结构[3] [4]。

　　在区分服务机制下，用户和网络管理部门之间需要预先商定服务等级合约（SLA），根据SLA,用户的数据流被赋予一个特定的优先等级，当数据流通过网络时，路由器会采用相应的方式（称为每跳行为PHB）来处理流内的分组。

　　区分服务只包含有限数量的业务级别，状态信息的数量少，因此实现简单，扩展性较好。它的不足之处是很难提供基于流的端到端的质量保证。目前，区分服务是业界认同的IP骨干网的QoS解决方案，但是由于标准还不够详尽，不同运营商的DiffServ网络之间的互通还存在困难。

3．QoS路由

　　现在的Internet路由协议（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QoS参数的要求。QoS路由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。QoS路由包括三个主要功能：链路状态信息发布，路由计算和路由表存储。

　　QoS路由能够满足业务的QoS要求，同时提高网络的资源利用率。但是QoS路由的计算十分复杂，增加了网络的开销，目前实用的QoS路由算法还不多见。

4．MPLS

　多协议标签交换MPLS并不是主要的QoS机制，也不是QoS的体系结构，但MPLS的显式路由功能大大增强了在IP网络中实施流量工程的能力。对于骨干网业务提供者来说，这是目前使用最普遍，可实现性最强的一种QoS机制。

　　以上四种QoS技术可以结合使用。例如IntServ 和Diffserv结合，在核心网采用Diffserv，在接入网采用IntServ。又如MPLS和Diffserv结合，或MPLS和QoS路由结合。目前MPLS+DiffServ技术最有可能成为IP网络运营商首选的QoS方案。

移动IP网的QoS解决方案

　　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。目前，根据无线和移动环境的特点，人们对原有的QoS技术作了改进。

1．移动环境下的IntServ和RSVP

　　目前的RSVP不适合于移动IP网络，主要原因是它无法感知主机的移动，因而不能在移动主机即将访问的位置上提前预留资源，当主机移动到新的子网后往往因缺乏资源而形成服务质量下降。另外，目前的RSVP不支持经过IP隧道的资源预留，因此不能适应移动IP网利用隧道传送数据时的服务质量要求。为了克服RSVP的缺陷，学者们提出了以下4种解决方案：

（1）MRSVP

　　MRSVP[5] 协议要求预测主机未来可能到达的位置，并在这些位置提前预留资源。在MRSVP中有主动和被动两种资源预留方式，主动资源预留用于移动主机当前所在的子网，被动资源预留用于未来访问的子网。被动预留的资源可以被子网中其他业务流使用，但当移动主机移动到该子网时，网中被动预留的资源即转变为主动预留资源，供移动主机使用，而原来使用这些资源的业务流需要立刻释放所占有的资源。

（2）支持隧道的RSVP

　　文献[6]提出了一种支持隧道的RSVP方案，该方案建议在隧道的两个端点之间为通过隧道的总业务量预留资源，这样，端到端的RSVP会话经过隧道时，就没有必要再考虑隧道中的资源预留。

（3）基于组播的RSVP

　　文献[7]提出了一种基于组播的RSVP协议。在这个方案中，每个移动主机用一个组播地址来标识，所有移动主机发送、接收RSVP消息和IP数据包都通过组播方式进行，主机的移动可视为组播组成员的变动。该方案还采用了类似于MRSVP的运动预测机制，由移动代理将移动主机下一步将要访问的位置提前加入到组播树中，并预留资源。另一方面，用剪枝的方法将主机已经离开的位置从树上删除。

（4）DRSVP

　　DRSVP[8]是一种支持可变服务质量的动态资源预留协议，它使用户能够根据网络资源的变化动态调整服务质量要求。DRSVP的主要做法是在RESV消息中增加参数来描述业务流的适应范围，通报上、下游的资源“瓶颈”，并引入新的带宽分配算法，以适应网络资源的动态变化。这个方案的优点是允许预留的资源有一个波动范围，从而灵活地支持服务质量需求，并使网络资源利用率也得到提高。

2．移动环境下的DiffServ

　　目前的DiffServ不能满足移动IP网的要求，主要原因有两个：一是没有信令，不能做到实时控制。另一个原因是不能动态配置服务质量参数。

　　文献[9]提出了无线环境下的DiffServ框架，对DiffServ的功能进行了以下扩展：

（1）增加信令协议，用于在移动终端和基站之间传送控制消息及相关参数（如移动终端的能量、当前的丢失率等）。

（2）增加对移动性的支持，为移动主机预留带宽，或者赋予移动主机高优先级，使其在切换时能够抢占低优先级业务的带宽，或使用预留带宽来补偿无线链路的高误码损失。

（3）要求基站能够过滤掉部分不重要信息，以解决有线和无线链路速率不匹配的问题，或减少终端的能耗。

　　移动环境下的QoS策略的发展趋势是在核心网采用DiffServ，在无线接入网既可采用IntServ也可采用DiffServ；无线接入网内用信令协议支持动态资源分配；资源分配信令可以和移动主机位置管理信令相结合，以加快资源分配过程，减少信令开销。另外，动态资源分配可以和接纳控制和无线分组调度等技术结合，更好地解决QoS问题。

IP QoS管理和测量

1．QoS管理模型

　　目前IP网还没有标准的QoS管理模型，只有两个很好的参考模型。

　　一个是电信管理论坛TMF提出的TOM（Telecom Operations Map）模型[10]。TOM在电信管理网（TMN）的四层结构基础上，对每个管理层面的功能和操作进行了具体的描述，使其适合IP网络的管理。在这个模型中，IP QoS管理主要在业务管理层实现。TOM还将业务的生命周期分为三个阶段：业务开通，业务保障和业务计费。业务开通将用户的QoS要求传送到网络中，并进行相应的配置；业务保障维护协商好的QoS，是IP QoS管理的主要阶段；业务计费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QoS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[11]。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定，因此采用不同QoS技术的异构网能够实现统一的QoS管理。

2．SLA管理

　　SLA（服务等级合约）是用户与网络服务提供商（ISP）签订的关于服务质量的协议。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在一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，大部分网络仍采用静态SLA，而动态SLA还处于研究阶段。

　　文献[12]提出了SLA的结构和内容。SLA中包括一个或多个TCA（流量调节合约），SLA和TCA都属于商业上的协议，它们的技术细节分别由SLS（服务等级规范）和TCS（流量调节规范）来表述。目前的研究主要集中在SLS和TCS的内容定义，现在还没有这方面的标准。SLA的建模和标准化是当前亟待解决的重要问题。

3．QoS资源管理

　　在QoS管理过程中，需要对用户的业务进行接纳控制。InterServ可以通过资源预留来达到这一目标，但DiffServ还不能实现端到端的资源预留和接纳控制。为了解决这个问题，出现了带宽代理BB（Bandwidth Broker）。

　　BB实际上就是一个资源管理器，它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。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。当前，BB的研究是实现QoS管理的又一个重要环节。

4．QoS测量

　　QoS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指标。显然，网络的QoS控制、维护、管理和计费都需要QoS测量的支持。QoS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；按照测试设备所处的位置，又可分为基于路由器的测量，端到端测量，以及路由器协助的测量。QoS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测量，以及路由器流量监测。

　　QoS测量需要复杂的技术。特别是端到端QoS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QoS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，而且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QoS测量技术还不成熟，国外有一些研究成果报道，国内在此领域的研究则刚刚开始。

QoS研究的发展趋势

　　目前QoS控制研究已有不少成果，需要解决的主要问题是算法复杂性和QoS控制效果之间的权衡。QoS管理、计费和QoS测量的研究则还处于起步阶段，研究成果较少，标准尚未形成，是IP QoS研究的新热点。

　　QoS研究的另一发展趋势是多种技术的结合，即多层次（应用层、传输层、网络层、链路层、物理层），多平面（数据平面、控制平面和管理平面）的QoS研究相结合，研究各层、各面之间的交互作用，将各种QoS机制综合起来，改善IP网的服务质量。

参考文献
【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.
【6】A. Terzis, M. Srivastava, et al. A Simple QoS Signaling Protocol for Mobile Hosts in the Integrated Services Internet[C]. IEEE INFOCOM’99, NY, 1999: 1011-1018
【7】W. Chen, L. Huang, et al. RSVP Mobility Support: A Signaling Protocol for Integrated Services Internet with Mobile Hosts[C]. IEEE INFOCOM’2000, Tel-Aviv, Israel 2000:1283 –1292
【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《通讯世界》