IP QoS標準化進展

2019-11-03 09:01:34

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供稿：網友

趙慧玲楊明川

　　隨著ip技術和網絡的發展，世界各國的運營商基于IP網絡已經開發出多種多樣的新業務，IP網正在從當初單純傳送數據向可傳送數據、語音、活動/靜止圖像的多媒體網絡轉變。終端軟硬件的不斷發展使得很多終端已能夠滿足多媒體應用的需要，因此在IP網上實現類似語音、傳真、會議等實時多媒體應用的問題焦點便集中在了如何傳輸這些時延敏感的業務上。而目前的IP網絡所提供的是一種“盡力而為”的服務，無法保障實時多媒體業務服務質量（QoS），因此在IP網上實現QoS的機制已成為目前國際上的研究熱點。

IETF關于IP QoS的研究現狀

　　IETF在IP網絡的QoS方面建議了一些服務模型和機制，其中最基本的是綜合業務/RSVP模型（IntServ）和區別型（DiffServ）業務模型。

綜合業務模型（IntServ）

　　綜合業務（IntServ）模型使用資源預留（RSVP）協議。這一模型的思想是“為了給特定的客戶包流提供特殊的QoS，要求路由器必須能夠預留資源。反過來要求路由器中有特定流的狀態信息”。

　　綜合業務模型的優點是能夠提供絕對有保證的QoS。RSVP運行在從源端到目的端的每個路由器上，可以監視每個流，以防止其消耗比其請求、預留和預先購買的要多的資源。該模型的缺點主要有：伸縮性不好、對路由器的要求高、無法在大網上實施。

區別型業務模型（DiffServ）

　　區別型業務（Diffserv）定義了TOS字節的格式（術語叫DS字段），以及一個包轉發處理庫的集合（術語叫Per－Hop行為，或PHB）。通過對一個包DS字段的不同標記，以及基于DS字段的處理，能夠產生一些不同的服務級別。因此，區別業務本質上是一種相對優先級策略。

　　區別型業務模型的優點是便于實現，只在網絡的邊界上才需要復雜的分類、標記、管制和整形操作，ISP核心路由器只需要實現行為聚集（BA）的分類，因此實現和部署區別型業務都比較容易。

　　區別型業務本質上只是實現了一種相對優先級策略，因此并不能嚴格保證業務端到端的QoS。

流量工程（TrafficEngineering）

　　目前IETF的這些技術可以作為基礎QoS技術在相關的網絡部件上使用，但是IETF的這些成果沒有解決全網的QoS問題，缺乏一個可以實施的整網QoS機制，而從路由器等設備來看，已初步具備基本的QoS能力。因此如何制訂整網QoS機制，發揮出路由器的QoS能力成為很多有影響力的標準組織的關注熱點。包括Internet2、MSF（多業務交換機論壇）、ETSITIPHON、ITU等組織目前都在大力研究和制訂IP網的整網QoS機制，而美國有線電視工業的標準組織CableLab也在為Cable運營商研究制訂IP網QoS機制，3GPP則為下一代無線核心網絡研究制訂QoS機制。

　　從這些研究成果來看，通過實施一些流量工程技術，利用核心網的路由器DiffServ和MPLS的支持能力，是一個發展方向。MPLS可以與區別型業務用在一起來提供QoS?；贒S字段的體系結構和基于MPLS的體系結構能夠很容易地互操作。

　　流量工程的根本作用在于安排傳輸流如何通過網絡，以避免不均勻地使用網絡而導致擁塞。而現在的動態路由協議都會導致不均勻的通信分布，因為它們總是選擇最短路徑轉發包。結果是，在兩個節點之間順著最短路徑上的路由器和鏈路可能發生了擁塞，而沿較長路徑的路由器和鏈路卻是空閑的。因此，無法指望升級改造目前的路由協議來達到流量工程的目標。

　　對于簡單網絡，可以讓網絡管理員根據業務量的分布情況，手工配置鏈路和路由，均勻地發配流量。但是當業務量分布發生較大變化時乃至面對復雜網絡，就無法依靠網絡管理員手工配置鏈路和路由。因此流量工程實施需要能夠自動化和適應業務流量分布的變化，這樣才能保證業務的服務質量。

Internet 2的研究

　　Internet2開發的BandwidthBroker模型是一個嘗試。它是在IP的骨干網上使用DiffServ，引入了BandwidthBroker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。帶寬代理器負責處理來自用戶主機，或者業務服務器，或者網絡維護人員的帶寬申請請求，帶寬代理器根據當前網絡的資源預留狀況和配置的策略以及與用戶簽訂的業務SLA，確定是否允許用戶的帶寬申請。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。帶寬管理器內記錄各類SLA配置信息、物理網絡的拓撲信息、路由器的配置信息和策略信息、用戶認證信息、當前的資源預留信息、網絡占用狀態信息等大量靜態的和動態的信息。同時，帶寬管理器還須要記錄路由信息，以確立用戶的業務流路徑和跨域的下游帶寬管理器位置。

　　Internet2的帶寬管理器模型中，帶寬管理器直接管理區域內的所有路由器的資源和配置信息，存在拓撲和管理過于復雜的問題；同時，帶寬管理器須要記錄本區域的動態路由信息，存在路由表更新頻繁的問題，造成網絡預留的不穩定；帶寬管理器根據本區域的動態路由信息確定的業務路由也很難與業務流實際的轉發路由一致。

ETSI的TIPHON及其他組織的研究

　　由于帶寬管理器模型存在以上很多實際問題，目前Internet2基本停止了相應的研究，而由其他標準組織在Internet2基礎上進行了改進和發展。包括歐洲標準化組織ETSI專門為下一代的電信網絡架構研究而設立的TIPHON工作組制訂的QoS模型以及美國多業務交換論壇MSF在下一代網絡的QoS架構上的研究成果都是在向相同的方向努力。

　　ETSITIPHON的QoS架構中，在承載層引入了TRM來動態管理承載網的資源調度，實現實時的流量工程能力。而TRM接受業務控制層的業務資源申請，為業務分配和管理承載網的資源和轉發路徑，并控制邊緣或網關路由器，識別用戶的業務流，讓用戶的業務流按照TRM分配的路由和資源轉發。

　　MSF的QoS架構與ETSI類似，在承載層引入了BandwidthManager來動態管理承載網的資源調度，實現實時的流量工程能力。而BandwidthManager接受業務控制層的業務資源申請，為業務分配和管理承載網的資源和轉發路徑，并控制邊緣或網關路由器，識別用戶的業務流，讓用戶的業務流按照BandwidthManager分配的路由和資源轉發。

　　包括ITU在內的許多在QoS和流量工程方面進行大力研究的標準化組織目前在QoS方面基本都是像ETSI/MSF的思路：在承載網上引入資源管理器來實現實時的流量工程，資源管理器接受業務資源申請，為業務分配和管理承載網的資源和轉發路徑，并控制邊緣/或網關路由器，識別用戶的業務流，讓用戶的業務流按照分配的路由和資源轉發。PacketCable和3GPP在核心網上也借鑒了以上的解決思路。

　　ETSI/MSF等組織定義的模型目前遇到的問題是如何在目前的網絡條件下實現承載業務按照所分配的路徑去轉發，還有各類接口的標準化過程以及運營中的網絡管理體系建立等。由于這是一個全新的網絡運營環境，還有很多細致的工作要做。

ITU－T IP QoS的研究

　　ITU－T建議E.800中把QoS定義為“決定用戶滿意程度的服務性能的綜合效果”。E.800考慮到服務性能所有部分的支持能力、操作能力、業務能力和安全性，是對QoS的綜合定義。ITU－T建議G.1000對E.800作了擴展，把服務性能（或服務質量）分成不同的功能部分，并將它們與相應的網絡性能聯系起來。G.1010對G.1000作了補充，提出了一種可滿足以端用戶為中心的應用要求（如交互性、容錯能力）的結構框架。考慮到特定應用和功能參數，ITU－T建議M.1079定義了端到端的話音和數據質量以及對IMT－2000接入網的性能要求，而G.114則定義了跨接數據網的范圍。

　　ITU－T關于IP業務性能指標的建議Y.1541“IP通信業務－IP性能和可用性指標和分配”（原I.381）將IP性能建議以類似ATM層性能建議I.356的方式來規范，但只將IP業務QoS分為六類：IP分組丟失率IPLR對第零類、一類、二類、三類和四類QoS均規定為10－3；關于IP分組傳送時延IPTD，對第零類（class0）要求為100ms，對第一類（class1）考慮實時話音要求為400ms，對第二類（class2）為100ms，第三類為400ms，第四類則放松到1秒。IP分組時延變化IPDV對class0和class1都規定為50ms，其余類別均為不規范。

　　Y1541同時還規定了IP性能指標的分配、路由長度計算方法、IP分組時延變化IPDV參數規定的一般考慮、核實IP性能指標的參考路徑、IP網絡上端到端的用戶之間的連接示意圖、網絡段示意圖、路由器節點遲延分配值以及用于IP性能測量方法的相關信息等。

　　ITU－TSG13組目前正在研究制訂新建議草案Y.qosar“分組網絡QoS參考體系結構”。該建議草案在對電路交換和分組交換網絡實現QoS方式的特征和異同分析的基礎上，從應用和網絡角度，概括分析了不同應用對QoS有不同要求和網絡對不同類型的業務提供相應的響應方式，提出了達到綜合效果使用該業務的用戶感到滿意的QoS參考體系結構的目標要求。

　　建議草案Y.qosar明確定義了與網絡能力、DiffServ、MPLS、IntServ等實現QoS的具體方式無關的基本QoS構建模塊（接入控制、擁塞反饋、計量和測量、策略及策略配置、隊列和調度、資源預留、服務等級管理、費率表征和流量標示等），通過不同的方式把這些模塊組織起來，就可以控制網絡提供業務所要求的響應。同時也考慮了實現QoS對安全的影響及相應機制。該建議草案為了支持某些可用性和可靠性要求，增加了基于優先級的接納控制（admissioncontrol）、QoS選路、QoS信令，引入了業務量恢復功能，標示了用于提出接納控制的優先級，補充了各功能模塊之間的相互作用圖用來識別支持一個完整QoS解決方案的信令機制等。為了使該建議草案更具有可操作性，該建議草案在2003年7月會議上專門增加了解決方案的示例。中國電信和華為公司聯合對該建議草案提出了對IP網絡實現IPQoS的總體架構模型，體現了我國在該領域的研究水平。

ITU－T將繼續完成IP接入網絡的QoS體系架構。

我國行業標準的研究狀況

　　我國電信標準協會網絡與交換標準技術委員會已經研究制訂了“IP網絡技術要求、網絡性能參數與指標的行業標準”，該標準主要參考了我國其他網絡性能指標（如ATM）的技術規范、ITU和IETF相關的標準編制的。

　　該標準規定了IP網絡性能和可用性參數的臨時指標，其中有些指標與用戶所選擇的服務質量（QoS）類型相關。該標準可作為IP網絡規劃、工程設計以及相應設備的引進和開發的技術依據。

　　由于IP協議本質上是一種把其他真正的物理網絡（如ATM）連接起來的“互聯網協議”，不是一種真正的物理網絡；IP網絡是不可管理的和控制的；IP網絡提供的是一種沒有性能保證的服務。因此，IP網絡的性能參數、性能指標和測試方法在國內外都還處在研究和發展中。

今后的研究方向

　　從這些標準組織的研究方向和思路來看，基本上都是在IP網QoS機制上，借鑒包括PSTN/FR/ATM等電信網的機制、運維和規劃經驗，結合IP網本身的特點，實現IP網與其他電信網絡的運維規劃機制的統一，實現比較完善的流量工程，實時適應業務量的變化，從而確保IP新業務的服務質量。但是目前包括ETSI、ITU等標準組織在IP網的QoS方面還處于初步框架制訂階段，已有的研究成果主要是一些比較籠統的框架性文件，在具體的實施技術規范上還沒有顯著的成果，這將是國際標準組織未來幾年內的研究和制訂的重點。

　　國內的運營商/研究機構和設備廠商需要積極研究制訂IP網絡的QoS機制和技術，抓住機會提出解決方案，積極關注相關知識產權并影響國際標準組織的相關標準制訂，確保我國在這個新的領域內有領先的優勢。

電信級IP QoS的發展趨勢和展望

　　電信級IPQoS從本質上說可以看作一種在性能和復雜性之間的折中。這種折中從設計思想的角度體現了兩種網絡設計方式的融合，一種方式是依賴一個可靠的、可控制網絡來提供業務（傳統電信網的方式），另一種方式是在一個不可靠的網絡上依賴終端的智能性來提供業務（傳統的IP的方式）。這兩種網絡在各自的領域都取得了巨大的成功，但是隨著網絡的發展，新的業務的要求，這兩種技術都呈現了不足，網絡融合是一個不可逆轉的趨勢，也是人們不斷追求的夢想。問題在于如何融合，或者說，如何折中。

從電信級IPQoS的角度，這種融合和折中的趨勢可能體現在幾個方面：

（1）基于IP，盡量保留IP的優良特性，特別是保持網絡的簡單性、組網方式的靈活性、終端的透明性、業務開發的靈活性等；

（2）以業務需求為導向，引入針對業務提供的QoS信令機制或者控制機制，實現一定程度上的控制和數據分離；

（3）通過對資源的管理，而非針對每個會話的控制實現質量保證；

（4）融合當前的各種IPQoS技術和方案，根據不同的網絡情況，在可擴展性、實現的復雜性、QoS性能等方面進行合理的協調和折中。

　　電信級IPQoS是一個非常復雜和困難的問題，當前的解決方案都在不同的方面存在許多不足。因此，根據業務的需求，結合網絡的實際情況，不斷融合新技術，實現一個可管理、可運營的電信級IPQoS架構具有重要的意義。

摘自　人民郵電報

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