摘要　分析了下一代網(wǎng)絡的QoS要求和關鍵技術，論述了下一代網(wǎng)絡的QoS的控制策略和實施方式。

　　服務質量（Quality of Service，簡稱QoS）是各種存在服務供需關系的場合中普遍存在的概念，它評估服務方滿足客戶服務需求的能力。在因特網(wǎng)中，QoS所評估的就是網(wǎng)絡投遞分組的服務能力。由于網(wǎng)絡提供的服務是多樣的，因此對QoS的評估可以基于不同方面。通常所說的QoS，是對分組投遞過程中可為延遲、延遲抖動、丟包率等需求提供支持的服務能力的評估。

　　對于電信運營商而言，面臨的挑戰(zhàn)是如何使用一種有效率而現(xiàn)實的方式來為不同的業(yè)務提供滿意的端到端QoS保證，同時還要考慮全網(wǎng)的性能。從而實現(xiàn)網(wǎng)絡的可管理，可控制和可運營。目前的QoS解決方法包括RSVP、IntServ、DiffServ、MPLS、TE和策略管理等。

1、 IP QoS的基本概念

　　1.1　傳統(tǒng)的IP分組投遞服務：

　?。?）IP體系的設計目標就是實現(xiàn)網(wǎng)絡的互連

　?。?）分組投遞過程中的差錯控制、網(wǎng)絡擁塞時的流量控制等功能，由發(fā)送和接收分組的源端和接收端來完成。

　?。?）早期的路由器在功能上只進行了簡單的設計，分組能被正確地路由并轉發(fā)。

　?。?）所有用戶的報文共同分享網(wǎng)絡和路由器的帶寬資源，采用Best-Effort的服務策略。

　　（5）Best-Effort服務策略適用于對帶寬、延遲性能不敏感的WWW文件傳輸、E-mail等業(yè)務。

　　1.2　新的業(yè)務和需求

　?。?）當前的IP網(wǎng)絡承載多種業(yè)務：VoIP、VPN、ERP等。

　?。?）新業(yè)務的不斷涌現(xiàn)對網(wǎng)絡的服務能力提出了更高的要求。

　?。?）期望在延遲、延遲抖動、丟包率等傳輸性能上獲得一定的承諾和保障。

　　1.3　IP QoS的基本概念

　　IP QoS（Quality of Service）是指IP網(wǎng)絡的一種能力，即在跨越多種底層網(wǎng)絡技術（MP、FR、ATM、Ethernet、SDH、MPLS等）的IP網(wǎng)絡上，為特定的業(yè)務提供其所需要的服務，在丟包率、延遲、抖動和帶寬等方面獲得可預期的服務水平。在骨干網(wǎng)上，問題的焦點為丟包率（packet loss）、時延和抖動（jitter）。

　　1.4　影響語音QoS的多個因素

　　一系列的網(wǎng)絡參數(shù)會影響語音質量。主要是IP網(wǎng)絡的實時數(shù)據(jù)傳輸性能受時延、抖動和丟包率的影響。

　?。?）時延形成的因素有很多，主要有網(wǎng)絡上的傳輸時延，即包括在線路上傳送的時延還有在節(jié)點設備上的處理時延。為了減小這個傳送時延，主要是盡量減少路由跳數(shù)，并盡量減少設備的處理時延，例如優(yōu)化路由器上對時延影響大的設置，如訪問列表、排隊算法及傳輸?shù)哪Ｊ降?。也可以為語音流量指定高優(yōu)先級來減小隊列時延。還有可以通過網(wǎng)絡帶寬的輕載來減少網(wǎng)絡擁塞，降低時延。另一個主要的因素是語音包編解碼及壓縮算法的時延，例如，G.723會增加30 ms的時延。再一個因素是抖動緩存大小。為了補償網(wǎng)絡抖動造成的影響，在語音網(wǎng)關中都有抖動緩存，用于在轉發(fā)數(shù)據(jù)包之前先緩存一段時間的數(shù)據(jù)包以平滑數(shù)據(jù)包的傳輸，補償包抖動、丟失、延時及其它不利影響。然而不利的一面就是會增加時延。對于網(wǎng)絡時延的評估應當在建設IP電話系統(tǒng)之前實施。

　　（2）對于IP網(wǎng)絡這樣的盡力傳送的網(wǎng)絡來說，傳送實時數(shù)據(jù)并不能保證數(shù)據(jù)包能夠按時到達，到達間隔的不一致就產(chǎn)生了抖動。抖動值就是數(shù)據(jù)包到達間隔時間差的平均值。抖動值如果超過一定數(shù)值，就會產(chǎn)生可聽出來的語音質量問題。過度抖動的效果與過大時延的效果很接近，因為當包抖動超過抖動緩存可以容忍的限度時同樣會丟數(shù)據(jù)包。另外局域網(wǎng)設備的傳送機制對抖動也有影響，因為數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡里面比共享式網(wǎng)絡里的數(shù)據(jù)碰撞及重傳的幾率少，抖動產(chǎn)生的機率也就小。

　?。?）IP網(wǎng)絡設計的初衷是保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，不能忍受數(shù)據(jù)的傳輸錯誤。對于語音來說，不能忍受數(shù)據(jù)包的時延，但是可以忍受少量的丟包。

　　1.5　IP QoS目標

　?。?）差錯控制

　?。?）流量控制

　?。?）回聲抑制

　?。?）抖動消除

　?。?）為特定用戶或特定業(yè)務提供專用帶寬

2、服務質量保證要求

　　在IP網(wǎng)上不同的業(yè)務對帶寬、時延、時延抖動和丟包率等都有不同的需求。目前，在IP網(wǎng)中，主要通過各種IP QoS手段來控制不同IP業(yè)務的差異化服務質量，以滿足不同業(yè)務的不同等級需求。

　　根據(jù)YD/T1071-2000《IP電話網(wǎng)關設備技術要求》，網(wǎng)絡質量可以分為以下3級，如表1所示。

表1　網(wǎng)絡質量級別

　　經(jīng)過試驗測試，對不同網(wǎng)絡質量下的NGN業(yè)務表現(xiàn)如表2所示。

表2　不同網(wǎng)絡質量下的業(yè)務效果

　　即IP承載網(wǎng)的網(wǎng)絡質量達到“良好”（網(wǎng)絡時延≤40 ms、時延抖動≤10 ms、丟包率≤0.1%）時，VoIP話音、視頻等NGN業(yè)務質量的主觀評價可以達到良以上，其中G.711的話音業(yè)務質量可達到優(yōu)；在IP承載網(wǎng)的網(wǎng)絡質量“較差”（網(wǎng)絡時延≤100 ms、時延抖動≤20 ms、丟包率≤1%）時，VoIP話音、視頻等NGN業(yè)務基本滿足運營需要；在IP承載網(wǎng)質量為“惡劣”的條件下，VoIP話音、視頻等NGN業(yè)務達不到運營要求。

　　因此，網(wǎng)絡應能對不用的應用進行分類，并通過設置優(yōu)先級來保證各SLA指標。

3、IP QoS模型

　　3.1　IntServ模型

　　IntServ模型（Integrated Service，簡稱IntServ）：業(yè)務通過信令向網(wǎng)絡申請?zhí)囟ǖ腝oS服務，網(wǎng)絡在流量參數(shù)描述的范圍內(nèi)，預留資源以承諾滿足該請求。

　　IntServ是一個綜合服務模型，它可以滿足多種QoS需求。如圖1所示，這種服務模型在發(fā)送報文前，需要向網(wǎng)絡申請?zhí)囟ǖ姆?。這個請求是通過信令（signal）來完成的。應用程序首先通知網(wǎng)絡它自己的流量參數(shù)和需要的特定服務質量請求，包括帶寬、時延等，應用程序一般在收到網(wǎng)絡的確認信息，即確認網(wǎng)絡已經(jīng)為這個應用程序的報文預留了資源后，才開始發(fā)送報文。同時應用程序發(fā)出的報文應該控制在流量參數(shù)描述的范圍以內(nèi)。

圖1　IntServ示意圖

　　網(wǎng)絡在收到應用程序的資源請求后，執(zhí)行資源分配檢查（Admission control），即基于應用程序的資源申請和網(wǎng)絡現(xiàn)有的資源情況，判斷是否為應用程序分配資源。一旦網(wǎng)絡確認為應用程序的報文分配了資源，則只要應用程序的報文控制在流量參數(shù)描述的范圍內(nèi)，網(wǎng)絡將承諾滿足應用程序的QoS需求。而網(wǎng)絡將為每個流（flow，由兩端的IP地址、端口號、協(xié)議號確定）維護一個狀態(tài)，并基于這個狀態(tài)執(zhí)行報文的分類、流量監(jiān)管（policing）、排隊及其調度，來實現(xiàn)對應用程序的承諾。

　　在IntServ服務模型中，負責傳送QoS請求的信令是RSVP（Resource Reservation Protocol，資源預留協(xié)議），它通知路由器應用程序的QoS需求。RSVP是在應用程序開始發(fā)送報文之前來為該應用申請網(wǎng)絡資源的，所以是帶外（out-bind）信令。

　　IntServ可以提供以下兩種服務：?、俦ＷC服務（Guaranteed service）它提供保證的帶寬和時延限制來滿足應用程序的要求。如VoIP應用可以預留10M帶寬和要求不超過1秒的時延。②負載控制服務（Controlled-Load service）。它保證即使在網(wǎng)絡過載（overload）的情況下，能對報文提供近似于網(wǎng)絡未過載類似的服務，即在網(wǎng)絡擁塞的情況下，保證某些應用程序的報文低時延和高通過。

　　3.2　DiffServ模型

　　當網(wǎng)絡出現(xiàn)擁塞時，根據(jù)業(yè)務的不同服務等級約定，有差別地進行流量控制和轉發(fā)來解決擁塞問題

　　差分服務DiffServ（Differentiated Service）是一個多服務模型，如圖2所示，它可以滿足不同的QoS需求。與IntServ不同，它不需要使用RSVP，即應用程序在發(fā)出報文前，不需要通知路由器為其預留資源。對DiffServ服務模型，網(wǎng)絡不需要為每個流維護狀態(tài)，它根據(jù)每個報文指定的QoS，來提供特定的服務?？梢杂貌煌姆椒▉碇付▓笪牡腝oS，如IP報文的優(yōu)先級位（IP Precedence），報文的源地址和目的地址等。網(wǎng)絡通過這些信息來進行報文的分類、流量整形、流量監(jiān)管和隊列調度。

圖2　DiffServ示意圖

　　DiffServ一般用來為一些重要的應用提供端到端的QoS。它通過下列技術來實現(xiàn)：

　　CAR：它根據(jù)報文的ToS或CoS值（對于IP報文是指IP優(yōu)先級或者DSCP，對于MPLS報文是指EXP域等等）、IP報文的五元組等信息進行報文分類，完成報文的標記和流量監(jiān)管。

　　隊列技術：WRED、PQ、CQ、WFQ、CBWFQ等隊列技術對擁塞的報文進行緩存和調度，實現(xiàn)擁塞管理。

　　Diffserv模型體系結構如圖3所示。

圖3　Diffserv模型體系結構

　　SLA（Service Level Agreements）是客戶（個人、企業(yè)、有業(yè)務往來的相鄰ISP等用戶）和運營商簽署的服務協(xié)定。SLA包括很多方面，例如付費協(xié)議。其中的技術說明部分即SLS（Service Level Specification）。SLS的研究重點是流量控制說明TCS（traffic conditioning Specification），它描述了每個服務層次的詳細性能參數(shù)。這些包括：TCS的流量參數(shù)（如平均速率、峰值速率、承諾突發(fā)尺寸、突發(fā)尺寸等）是Diffserv網(wǎng)絡進行流控的主要依據(jù)，如圖4所示。

圖4　服務等級協(xié)定

　　3.3　多協(xié)議標簽交換

　　多協(xié)議標簽交換（Multiprotocol Label Switching，簡稱MPLS）是由Cisco提交的由IETF MPLS工作組研制的標準協(xié)議，它將第三層技術及與第二層技術有機地結合起來，使得在同一個網(wǎng)絡上允許各種消息傳遞，即能提供單點傳輸，也可以提供多點傳輸；即能提供無特殊服務質量要求的無連接信息傳遞服務，也能提供具有很高QoS要求的實時交互服務。

　　MPLS與傳統(tǒng)的根據(jù)IP包頭決定前向路徑的方式十分不同。它的宗旨是使用定長的標記來決定分組處理。在MPLS技術中，在數(shù)據(jù)報文的鏈路層頭與網(wǎng)絡層頭之間填加一個MPLS頭，其中包括一個20 bit的標記、一個3 bit的業(yè)務類別（CoS）字段、一個1bit的標記棧指示符以及一個8 bit的生存時間（TTL）字段。當分組進入MPLS網(wǎng)絡時，入口標記交換路由器（LSR）首先為其分配一個MPLS標記，標為相同標記的分組屬于同一個轉發(fā)等價類（FEC），然后分組將被轉發(fā)給下一跳的標記交換路由器，下一跳標記交換路由器將依據(jù)分組的MPLS標記，查找標記轉發(fā)表，將分組轉發(fā)至相應的輸出端口，同時打上新標記。COS字段用于在輸出端口選擇正確的業(yè)務隊列。當分組到達MPLS網(wǎng)絡的出口時，它所攜帶的標記將被去除，恢復正常的IP路由。

　　3.4　呼叫許可控制

　　呼叫許可控制（Call Admission Control）問題產(chǎn)生于IP網(wǎng)絡的Best-effort策略和面向非連接（Connectionless）的屬性。對于傳統(tǒng)的面向連接的電話網(wǎng)絡，當呼叫經(jīng)過每個電話交換機時，交換機如果發(fā)現(xiàn)沒有電路可以提供連接時，會拒絕呼叫，從而不影響已經(jīng)建立的呼叫連接。如果不能夠保證網(wǎng)絡可以提供足夠的資源保證話音質量的情況下，建立新的通話鏈路可能影響已經(jīng)建立的鏈路，或者是降低所有的通話話音質量。在這種情況下，拒絕呼叫好過建立一條沒有質量保證的鏈路。

　　Best-effort策略：路由器在實施投遞服務時無區(qū)別地對待所有的報文，它依照報文到達時間的先后順序提供轉發(fā)服務，所有用戶的報文共同分享網(wǎng)絡和路由器的帶寬資源，至于得到資源的多少完全取決于報文到達的時機。這種服務策略被稱作Best-Effort（盡力而為），它對分組投遞的延遲、延遲抖動、丟包率和可靠性等需求不提供任何承諾和保證。

　　面向非連接（Connectionless）：在面向非連接的IP網(wǎng)絡技術中，TCP/IP標準沒有提供相應機制，實現(xiàn)端到端的的確定網(wǎng)絡是否可以資源提供語音服務不容易。

　　目前，實現(xiàn)呼叫許可控制有以下方法：

　?。?）基于本地網(wǎng)關狀態(tài)機制：這種CAC方式主要取決于主叫網(wǎng)關的自身配置信息。這種方式簡單易行，而且不會增加網(wǎng)絡資源的開銷，但當網(wǎng)絡拓撲結構復雜時，可能會失效。

　?。?）基于網(wǎng)絡測試機制：這種CAC方式是主叫網(wǎng)關在發(fā)起新的呼叫前采用某種方式確認從主叫網(wǎng)關到被叫網(wǎng)關是否滿足語音通信。這種方式非常有效，可適用于各種網(wǎng)絡規(guī)模，擴展性好，但是對網(wǎng)關設備要求較高而且不適用于網(wǎng)絡資源波動較大的網(wǎng)絡，同時探針也會帶來一定的網(wǎng)絡開銷。

　　（3）基于網(wǎng)絡資源機制：這種CAC方式是通過某種機制，在呼叫建立之前，將網(wǎng)絡資源預留出來，實現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡保證。如果確定網(wǎng)絡沒有足夠的資源，網(wǎng)關應拒絕建立呼叫連接。這種方式提供了端到端的QoS保證和呼叫控制，但要求所有網(wǎng)絡設備支持RSVP，這對IP網(wǎng)絡的要求及擴展性要求較高，同時也增加了信令的開銷。

4、業(yè)務QoS實現(xiàn)

　　IP網(wǎng)是基于統(tǒng)計復用，在承載實時性業(yè)務如語音業(yè)務時應考慮采用怎樣的技術手段。目前，IP承載網(wǎng)通用方法是采用以下技術實現(xiàn)實時性業(yè)務的帶寬：

　　（1）在路由器和以太網(wǎng)交換機上實現(xiàn)CoS（class of service）。在實時性業(yè)務與非實時性業(yè)務共用一個局域網(wǎng)交換機時，可以考慮根據(jù)IP地址或端口區(qū)分開實時性業(yè)務和傳統(tǒng)IP業(yè)務，并賦予實時性業(yè)務較高的Cos級別。

　?。?）在接入路由器上做流量限制或流量整形，即面向流作QoS（Inter-serv）。業(yè)務通過信令向網(wǎng)絡申請?zhí)囟ǖ腝oS服務，網(wǎng)絡在流量參數(shù)描述的范圍內(nèi)，預留資源以承諾滿足該請求。在實時性業(yè)務與非實時性業(yè)務接入路由器的情況下，在對實時性業(yè)務數(shù)據(jù)和路由器上行帶寬分析后，可以給非實時性業(yè)務接入速率的限制或整形，使其不至于影響到實時性業(yè)務。

　　（3）在全網(wǎng)做業(yè)務分類（Diff-serv），進行隊列調度和擁塞控制。當網(wǎng)絡出現(xiàn)擁塞時，根據(jù)業(yè)務的不同服務等級約定，有差別地進行流量控制和轉發(fā)來解決擁塞問題。在全網(wǎng)對實時性業(yè)務與非實時性業(yè)務分別做標志，在路由器所有端口對不同的標志的數(shù)據(jù)包歸入不同隊列，使實時性業(yè)務比非實時性業(yè)務數(shù)據(jù)包有較高的優(yōu)先級，即使在有擁塞也不會對前者造成影響。

　?。?）為提高IP網(wǎng)絡的QoS性能，基于MPLS的流量工程手段也引起業(yè)界關注。流量工程是指為了平衡網(wǎng)絡鏈路、交換機和路由器上的流量負載，根據(jù)數(shù)據(jù)流量進行路徑選擇的過程，主要用于提高網(wǎng)絡運作效率與可靠性，并優(yōu)化網(wǎng)絡資源利用和流量性能。采用MPLS來支持流量工程的實現(xiàn)方法是利用約束路由計算顯式路徑、利用顯式路徑建立標記交換路徑（LSP）、利用標記交換路徑進行流量分配，并具有與SDH相當?shù)淖杂謴凸δ堋?/P>

　?。?）實現(xiàn)呼叫許可控制，在呼叫建立之前，確定網(wǎng)絡資源滿足需求，實現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡保證。

　　目前保證QoS的較好方法是對重要的流量采取業(yè)務更高的傳送優(yōu)先權，這樣，即使是在繁忙、擁塞的時候依然可以保證VoIP的質量，因此在現(xiàn)在可用的技術中，Diff-serv較適合NGN的要求：IP層可以采用Diff-serv等IP CoS技術，甚至可以采用MPLS VPN技術單獨為NGN劃分一個保證帶寬的VPN網(wǎng)絡。接入層可以在LAN交換機上采用VLAN技術專門為話音接入提供一個VLAN，如果用戶通過寬帶接入服務器（BRAS）接入，可以在BRAS上進行策略控制，通過在上聯(lián)帶寬上設置優(yōu)先級，確保上聯(lián)帶寬優(yōu)先分配給語音流。當通過IAD進行話音和數(shù)據(jù)的混合接入時，IAD上應該進行策略設置，以保證話音流優(yōu)先，確保下掛的以太網(wǎng)接入流量不會對語音流產(chǎn)生影響。