QoS的基本概念、路由及研究现状和发展

2019-11-05 00:29:31

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　　0、概述
　　目前的Internet仅提供尽力而为(best-effort service)的传送服务，业务量尽快传送，没有明确的时间和可靠性保障。随着网络多媒体技术的飞速发展，Internet上的多媒体应用层出不穷，如ip电话、视频会议、视频点播(VOD)、远程教育等多媒体实时业务、电子商务在Internet上传送等。Internet已逐步从单一的数据传送网向数据、语音、图像等多媒体信息的综合传输网演化。这些不同的应用需要有不同的Qos(quality of service)要求，Qos通常用带宽、时延、时延抖动和分组丢失率来衡量。各种应用对服务质量的需求在迅速增长。
　　
　　Internet上一些主要应用的业务特征及其QoS如表1所示。
　　　

　　显然，现有的尽力传送服务已无法满足各种应用对网络传输质量的不同要求，需要Internet提供多种服务质量类型的业务。而尽力而为的服务仍将提供给那些只需要连通性的应用。
　　
　　服务质量Qos系指用来表示服务性能之属性的任何组合。为了使其具有价值，这些属性必须是可提供的、可治理的、可验证和计费的，而且在使用时它们必须是始终如一的、可猜测的、有的属性甚至是起决定性作用的。为了满足各种用户应用的需要，构建对IP最优并具备各种服务质量机制的网络是完全必要的。专线服务、语音、文件传递、存储转发、交互式视频和广播视频是现有应用的一些例子。
　　
　　0.1　QoS的要害指标
　　QoS的要害指标主要包括：可用性、吞吐量、时延、时延变化(包括抖动和漂移)和丢失。下面具体叙述。
　　
　　可用性
　　
　　是当用户需要时网络即能工作的时间百分比。可用性主要是设备可靠性和网络存活性相结合的结果。对它起作用的还有一些其他因素，包括软件稳定性以及网络演进或升级时不中断服务的能力。
　　
　　吞吐量
　　
　　是在一定时间段内对网上流量(或带宽)的度量。对IP网而言可以从帧中继网借用一些概念。根据应用和服务类型，服务水平协议(SLA)可以规定承诺信息速率(CIR)、突发信息速率(BIR)和最大突发信号长度。承诺信息速率是应该予以严格保证的，对突发信息速率可以有所限定，以在容纳预定长度突发信号的同时容纳从话音到视像以及一般数据的各种服务。一般讲，吞吐量越大越好。
　　
　　时延
　　
　　指一项服务从网络入口到出口的平均经过时间。许多服务，非凡是话音和视像等实时服务都是高度不能容忍时延的。当时延超过200-250毫秒时，交互式会话是非常麻烦的。为了提供高质量话音和会议电视，网络设备必须能保证低的时延。
　　
　　产生时延的因素很多，包括分组时延、排队时延、交换时延和传播时延。传播时延是信息通过铜线、光纤或无线链路所需的时间，它是光速的函数。在任何系统中，包括同步数字系列(SDH)、异步传输模式（ATM）和弹性分组环路(RPR)，传播时延总是存在的。
　　
　　时延变化
　　
　　是指同一业务流中不同分组所呈现的时延不同。高频率的时延变化称作抖动，而低频率的时延变化称作漂移。抖动主要是由于业务流中相继分组的排队等候时间不同引起的，是对服务质量影响最大的一个问题。某些业务类型，非凡是话音和视像等实时业务是极不容忍抖动的。分组到达时间的差异将在话音或视像中造成断续。所有传送系统都有抖动，只要抖动落在规定容差之内就不会影响服务质量。利用缓存可以克服过量的抖动，但这将增加时延，造成其他问题。
　　
　　漂移是任何同步传输系统都有的一个问题。在SDH系统中是通过严格的全网分级定时来克服漂移的。在异步系统中，漂移一般不是问题。漂移会造成基群失帧，使服务质量的要求不能满足。
　　
　　丢包
　　
　　不管是比特丢失还是分组丢失，对分组数据业务的影响比对实时业务的影响都大。在通话期间，丢失一个比特或一个分组的信息往往用户注重不到。在视像广播期间，这在屏幕上可能造成瞬间的波形干扰，然后视像很快恢复如初。即便是用传输控制协议(TCP)传送数据也能处理丢失，因为传输控制协议答应丢失的信息重发。事实上，一种叫做随机早丢(RED)的拥塞控制机制在故意丢失分组，其目的是在流量达到设定门限时抑制TCP传输速率，减少拥塞，同时还使TCP流失去同步，以防止因速率窗口的闭合引起吞吐量摆动。但分组丢失多了，会影响传输质量。所以，要保持统计数字，当超过预定门限时就向网络治理人员告警。
　　
　　0.2　研究QoS的推动力
　　网络中，服务质量(QoS)的研究有三个主要的推动力。
　　
　　是对QoS有严格要求业务的出现，如交互式实时多媒体业务、BP电话等；
　　
　　是通过QoS研究，有助于提高网络效率，降低网络成本；
　　
　　是运营商可以通过QoS机制，按照不同用户对服务质量的不同要求，提供多种有区别的服务，提高用户的满足度，同时提高网络运营商的收益。
　　
　　因此，服务质量的研究重点是如何提高网络提供QoS保证的能力，而最终研究的目标是保证用户对QoS的要求。
　　
　　1、IP Qos主要体系结构及其实现机制
　　Internet如何提供QoS支持（即IP QoS问题）已成为业界关注的焦点。IP QoS是指IP数据流通过网络时表现出来的特性，这种特性可以用下列指标来表示：传输服务的可靠性、延时、延时抖动、吞吐量、丢包率。到目前为止，IP QoS主要有3种体系结构。
　　
　　(1)int—serv集成业务
　　
　　int—serv主要引入了一个重要的网络控制协议RSVP(资源预留协议)。RSVP的引入使得IP网络为应用提供所要求的端到端的QoS保证成为可能。Int—serv尽管提供QoS保证，但其扩展性差。因为其工作方式是基于每个流的，这就需要保存大量的与分组队列数成正比的状态信息。此外，RSVP的有效实施必须依靠于分组所经过路径上的每个路由器。在骨干网上，业务流的数目可能很大，因此要求路由器的转发速率很高，这使得int—serv难于在骨干网上得到实施。
　　
　　(2)Diff—serv区分业务
　　
　　IETF在RFC2475中提出diff—serv体系结构，旨在定义一种能实施QoS且更易扩展的方式，以解决int—serv扩展性差的缺点。diff—serv简化了信令，对业务流的分类颗粒度更粗。Diff—serv通过汇聚(aggregate)和PHB(per hop behavior)的方式提供QoS。汇聚是指路由器把QoS需求相近的业务流看成一个大类，以减少调度算法所处理的队列数。PHB是指逐跳的转发方式，每个PHB对应一种转发方式或QoS要求。由于diff—serv采用对数据流分类聚集后提供差别服务的方法实现对数据流的可猜测性传输，所以对QoS的支持粒度取决于传输服务的分级层次，各网络节点中存储的状态信息数量仅正比于服务级别的数量而不是数据流的数量，由此diff-serv获得了良好的扩展性。
　　
　　(3)MPLS多协议标签交换
　　
　　多协议标签交换(MPLS)将灵活的3层IP选路和高速的2层交换技术完美地结合起来，从而弥补了传统IP网络的许多缺陷。它引入了“显式路由”机制，对QoS提供了更为可靠的保证。
　　
　　多协议标签转换MPLS在路由寻址方面同传统路由器有明显的不同。MPLS支持非凡路由，到达同一目的地的数据包可沿不同路径进行转发。MPLS网络主要由标签交换边缘路由器LER和标签交换路由器LSR组成；MPLS技术的Qos 保证机理如下：
　　
　　——标签交换，LabeISwap)机制
　　
　　当数据流进入M PLS网络时，入口标
　　
　　签交换边缘路由器LER首先将数据流映射到某个转发等价类FEC(转发等价类是指网络中沿相同路径进行转发的一类分组的集合)。再根据FEC为每个分组加上固定长度的短标签。每个FEC对应的标签是由基于限制路由的标签分发协议CR—LDP根据路由协议(如OSPF、RIP、BGP协议)以及考虑到带宽的可用性和业务特性分发给各个LSR和LER的。进入MPLS网络以后，标签交换路由器LSR不再根据原来的分组中的信息转发数据，而只是仅仅根据分组所携带的标签进行交换式转发。由于分组在通过网络时只需一次路由，转发时无需做传统意义上的路由判定(如查找路由表)，从而提高了转发速度。另外，CR—LDP避免了以前LDP协议分发标签时只是根据传统路由协议来分发标签：而传统路由协议是基于最短路径算法的，轻易导致多条标签交换路径LSP选用同一系列LSR，进而可能使部分网络出现拥塞，而网络的其它部分仍有可用资源，极大地浪费了网络资源。CR —LDP在分发标签时充分考虑了带宽的可用性和业务特性，避免了拥塞的发生，充分利用了网络带宽资源。
　　
　　——M PLS技术对QoS的保证
　　
　　M PLS有两种途径对Qos支持：一是让标记本身就具有服务质量ToS(Type of Service)的意义：LER事先把标记空间分成多个区间，不同区间的标记具有不同的服务质量，在为新数据流分配标记时，根据其Qos的不同为其分配相应区间的标记；另一途径是让标记条目中的EXP域来标示传送分组的Tos。M PLS数据包的服务质量类型就由Tos等参数来决定。LER根据T0s来决定输出队列和丢包优先级，如对于到达同一目的地的IP包，可根据设置在标签中ExP域的Tos值来建立不同的转发路径，不同的转发路径对应不同的拥塞控制机制和丢包优先级，达到其对传输质量的要求。同时，通过对非凡路由的治理，还能有效的解决网络中的负载分担和拥塞问题，如当网络中出现拥塞时，MPLS可实时的建立新的转发路由来分担其流量，或通过强制丢包、通知信源降低数据发送率等手段来缓解网络拥塞。虽在MPLS之前的综合服务和区分服务能解决一部分服务质量问题，但只有MPLS才是一种最全面的服务质量保证体系。
　　
　　以上3种体系结构仅仅是提供了一种在—子网络域内实施QoS的框架结构，而具体的一些策略和相应的实现机制则由不同的厂商来决定。目前有关IP QoS的4种实现机制大致可归纳为：队列治理机制，队列调度机制，基于约束的路由(CBR)和流量工程。其中CBR是对QoS的限制参数进行一定的扩充。CBR需各路由器间相互配合，如相互通知网络的状态信息等。CBR的难点在于如何在状态信息的精确发布和发布频率之间取得一个折衷。CBR包括QoS路由(QoS-based routing)和策略性路由(poIicy routing)。
　　
　　2、QoS路由
　　目前网络研究主要通过两个途径提高QoS，一个是节点控制；另一个是整网或局部网络控制。节点控制在单节点或单链路完成，主要控制业务对单节点共享资源的占用，包括共享的链路、缓存区、处理器资源。节点控制主要的策略包括：业务流整形、业务调度、节点缓冲区治理，整网或局部网络控制通常通过对路由与信令的控制达到对业务流或业务连接在网络中传输的直接控制，因路由直接关系到网络性能，所以QoS路由成为解决QoS问题的一项要害技术。
　　
　　QoS路由的主要目标是为接入的业务选择满足其服务质量要求的传输路径，同时保证网络资源的有效利用一般路由选择过程由两个部分组成：一是为到达业务选择路径并发送数据包的过程，本文称之为寻路过程；一是节点问路由信息的交互过程，与传统的尽力而为的路由过程相比，QoS寻路过程涉及两个方面的问题：一是依据哪些度量参数作为寻路标准，这里简称为度量参数选择问题；另一个是在寻路标准设定后，如何找到满足业务需求的路径，并保证数据经由选定路径传输到目的节点，我们称之为寻路问题，路由信息交互过程中，由于链路传输延时的存在，每个节点获得的其他节点的状态信息总是具有一定的不准确性，这些不准确性将在一定程度上影响QoS路由算法的有效性，因此，路由信息不准确的问题，也是QoS路由中的一个主要问题。度量参数选择问题、寻路问题和路由信息不准确问题是首要解决的基本问题，也是QoS路由中的研究重点。
　　
　　2.1　QoS路由研究中需要解决的主要难点
　　
　　QoS路由研究中需要解决的主要难点包括以下几个方面：
　　
　　(1)NP-Comp l ete问题
　　
　　同时对两个以上相互独立的参数提出要求时，这个问题就是一个NP-Complete的问题,实时应用往往会对延时，延时抖动，带宽，丢失率，业务代价等多个参数同时提出性能要求,例如，实时多媒体业务会对延时和延时抖动同时提出要求,这些参数相互独立时，选择满足多个参数限制的路由就成为NP—Complete问题,NP—Complete问题直接关系到路由算法的可实现性。
　　
　　(2)多业务并存
　　
　　同时承载多种QoS要求不同的业务时，网络性能优化困难，扩展困难，尤其是QoS和尽力而为best-effort业务独立共存时，很难确定最优的操作点。
　　
　　(3)节点状态信息的存储量大
　　
　　QoS路由中，节点需记录的状态参量将增多，如状态信息的存储量随网络节点个数的增加而指数性增加，将限制网络的扩展。
　　
　　(4)信息不准确
　　
　　传输负荷的抖动、新连接的加入称消等都可能导致网络状态变化，这些变化因素直接影响全网状态信息的准确性，同时也直接影响算法的性能。
　　
　　这几点中，“信息不准确”是路由信息不准确中主要解决的问题。
　　
　　2.2　QoS路由研究存的问题：
　　
　　QoS路由研究存在着以下几个问题：
　　
　　(1)缺乏路由模型，理论研究困难
　　
　　由于网络拓扑和业务特性复杂多样，协议数学描述困难，因此，目前多数路由研究主要是针对某个问题设计启发式算法，而不是基于某种模型从理论上推导算法特性和性能，这种情况下，为分折算法性能，需要大量仿真工作，由于缺乏理论支持，在不同的拓扑结构和业务特性下，算法性能可能差异较大，而且仿真得到的结果缺乏说服力。
　　
　　(2)优化目标不同，评估标准不一致
　　
　　目前主要的优化目标包括代价和延时等加性参数，评估标准主要有：业务接入率、阻塞率、数据丢包率、带宽利用率、节点队列长度、代价、信令开销等，由于各个研究者解决的问题不同，优化目标往往不相同，评估标准也不一致，不利于比较不同算法的性，因此制定出统一的路由性能评估对路由研究具有重要意义。
　　
　　(3)接入业务的变化对网络状态影响大
　　
　　现有的QoS路由依据用户业务对服务质量的要求进行寻路，一旦存在满足要求的路径就会将业务接入，在业务接入时，没有考虑该业务的接入对网络状态有多大的改变，因此，可以说目前的QoS路由是基于服务质量要求的尽力而为的路由，在这种情况下，假如业务特性变化过快，网络状态急剧变化，网络效率、阻塞率等特性都会受到很大影响，因此，在今后的研究中网络的性能变化也应该作为业务接入的一个参考。
　　
　　(4)节点控制与路由过程脱离
　　
　　网络为业务提供QoS服务时，节点控制和路由控制是相辅相成，缺一不可的。
　　
　　以上问题的解决对设计出高性能的路由算法，更好地满足业务对服务质量的要求，提高网络资源利用率，实现用户级QoS至关重要。
　　

　　从表2中的参数可以看出，基于算术平均的线性组合猜测法Y′在猜测方差和有效度指标上都不及基于调和平均的组合猜测法Y"，说明组合猜测法Y"较优。同时，由于单项方法(成长曲线法)的猜测效果存在较大差别，组合猜测法Y′的猜测效果甚至不及趋势外推法和灰色系统猜测单项方法的猜测效果，由此印证了原有的线性组合猜测有偏向较差方法的倾向。
　　
　　从浙江省2003年移动通信用户数发展的实际情况来看，截至到2003年6月底，全省移动用户数为1772万户，按照上半年用户发展速度，全年用户数可达2040万左右，假定按浙江省近三年的平均增长率0.9%计算全省总人口，2002年底浙江省人口总数为4694.6万，预计2003年底全省移动用户渗透率可以达到43.1%，明显与组合猜测法Y"的猜测结果更吻合。

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