QoS保障措施與實(shí)現(xiàn)

./QoS保障措施與實(shí)現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量〔QualityofService,簡稱QoS是各種存在服務(wù)供需關(guān)系的場合中普遍存在的概念,它評(píng)估服務(wù)方滿足客戶服務(wù)需求的能力。在因特網(wǎng)中,QoS所評(píng)估的就是網(wǎng)絡(luò)投遞分組的服務(wù)能力。由于網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)是多樣的,因此對(duì)QoS的評(píng)估可以基于不同方面。通常所說的QoS,是對(duì)分組投遞過程中可為延遲、延遲抖動(dòng)、丟包率等核心需求提供支持的服務(wù)能力的評(píng)估。對(duì)于電信運(yùn)營商而言,面臨的挑戰(zhàn)是如何使用一種有效率而現(xiàn)實(shí)的方式來為不同的業(yè)務(wù)提供滿意的端到端QoS保證,同時(shí)還要考慮全網(wǎng)的性能。從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可管理,可控制和可運(yùn)營。1、IPQoS的基本概念

1.1傳統(tǒng)的IP分組投遞服務(wù)IP體系的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互連分組投遞過程中的差錯(cuò)控制、網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)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(jìn)行了簡單的設(shè)計(jì),分組能被正確地路由并轉(zhuǎn)發(fā)。所有用戶的報(bào)文共同分享網(wǎng)絡(luò)和路由器的帶寬資源,采用Best-Effort的服務(wù)策略。Best-Effort服務(wù)策略適用于對(duì)帶寬、延遲性能不敏感的WWW文件傳輸、E-mail等業(yè)務(wù)。

1.2新的業(yè)務(wù)和需求當(dāng)前的IP網(wǎng)絡(luò)承載多種業(yè)務(wù)：VoIP、VPN、ERP等。新業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力提出了更高的要求。期望在延遲、延遲抖動(dòng)、丟包率等傳輸性能上獲得一定的承諾和保障。

1.3IPQoS的基本概念I(lǐng)PQoS〔QualityofService是指IP網(wǎng)絡(luò)的一種能力,即在跨越多種底層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)〔MP、FR、ATM、Ethernet、SDH、MPLS等的IP網(wǎng)絡(luò)上,為特定的業(yè)務(wù)提供其所需要的服務(wù),在丟包率、延遲、抖動(dòng)和帶寬等方面獲得可預(yù)期的服務(wù)水平。在骨干網(wǎng)上,問題的焦點(diǎn)為丟包率〔packetloss、時(shí)延和抖動(dòng)〔jitter。1.4影響語音QoS的多個(gè)因素一系列的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)會(huì)影響語音質(zhì)量。主要是IP網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸性能受時(shí)延、抖動(dòng)和丟包率的影響。

〔1時(shí)延形成的因素有很多,主要有網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時(shí)延,即包括在線路上傳送的時(shí)延還有在節(jié)點(diǎn)設(shè)備上的處理時(shí)延。為了減小這個(gè)傳送時(shí)延,主要是盡量減少路由跳數(shù),并盡量減少設(shè)備的處理時(shí)延,例如優(yōu)化路由器上對(duì)時(shí)延影響大的設(shè)置,如訪問列表、排隊(duì)算法及傳輸?shù)哪Ｊ降?。也可以為語音流量指定高優(yōu)先級(jí)來減小隊(duì)列時(shí)延。還有可以通過網(wǎng)絡(luò)帶寬的輕載來減少網(wǎng)絡(luò)擁塞,降低時(shí)延。另一個(gè)主要的因素是語音包編解碼及壓縮算法的時(shí)延,例如,G.723會(huì)增加30ms的時(shí)延。再一個(gè)因素是抖動(dòng)緩存大小。為了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)造成的影響,在語音網(wǎng)關(guān)中都有抖動(dòng)緩存,用于在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包之前先緩存一段時(shí)間的數(shù)據(jù)包以平滑數(shù)據(jù)包的傳輸,補(bǔ)償包抖動(dòng)、丟失、延時(shí)及其它不利影響。然而不利的一面就是會(huì)增加時(shí)延。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的評(píng)估應(yīng)當(dāng)在建設(shè)IP系統(tǒng)之前實(shí)施。

〔2對(duì)于IP網(wǎng)絡(luò)這樣的盡力傳送的網(wǎng)絡(luò)來說,傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并不能保證數(shù)據(jù)包能夠按時(shí)到達(dá),到達(dá)間隔的不一致就產(chǎn)生了抖動(dòng)。抖動(dòng)值就是數(shù)據(jù)包到達(dá)間隔時(shí)間差的平均值。抖動(dòng)值如果超過一定數(shù)值,就會(huì)產(chǎn)生可聽出來的語音質(zhì)量問題。過度抖動(dòng)的效果與過大時(shí)延的效果很接近,因?yàn)楫?dāng)包抖動(dòng)超過抖動(dòng)緩存可以容忍的限度時(shí)同樣會(huì)丟數(shù)據(jù)包。另外局域網(wǎng)設(shè)備的傳送機(jī)制對(duì)抖動(dòng)也有影響,因?yàn)閿?shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò)里面比共享式網(wǎng)絡(luò)里的數(shù)據(jù)碰撞及重傳的幾率少,抖動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)率也就小。

〔3IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(cuò)誤。對(duì)于語音來說,不能忍受數(shù)據(jù)包的時(shí)延,但是可以忍受少量的丟包。1.5IPQoS目標(biāo)差錯(cuò)控制流量控制回聲抑制抖動(dòng)消除為特定用戶或特定業(yè)務(wù)提供專用帶寬2、服務(wù)質(zhì)量保證要求在IP網(wǎng)上不同的業(yè)務(wù)對(duì)帶寬、時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)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IPQoS手段來控制不同IP業(yè)務(wù)的差異化服務(wù)質(zhì)量,以滿足不同業(yè)務(wù)的不同等級(jí)需求。根據(jù)YD/T1071-2000《IP網(wǎng)關(guān)設(shè)備技術(shù)要求》,網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量可以分為以下3級(jí),如表1所示。表1

網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量級(jí)別經(jīng)過試驗(yàn)測試,對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量下的NGN業(yè)務(wù)表現(xiàn)如表2所示。表2

不同網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量下的業(yè)務(wù)效果即IP承載網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量達(dá)到"良好"〔網(wǎng)絡(luò)時(shí)延≤40ms、時(shí)延抖動(dòng)≤10ms、丟包率≤0.1%時(shí),VoIP話音、視頻等NGN業(yè)務(wù)質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)可以達(dá)到良以上,其中G.711的話音業(yè)務(wù)質(zhì)量可達(dá)到優(yōu)；在IP承載網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量"較差"〔網(wǎng)絡(luò)時(shí)延≤100ms、時(shí)延抖動(dòng)≤20ms、丟包率≤1%時(shí),VoIP話音、視頻等NGN業(yè)務(wù)基本滿足運(yùn)營需要；在IP承載網(wǎng)質(zhì)量為"惡劣"的條件下,VoIP話音、視頻等NGN業(yè)務(wù)達(dá)不到運(yùn)營要求。因此,網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能對(duì)不用的應(yīng)用進(jìn)行分類,并通過設(shè)置優(yōu)先級(jí)來保證各SLA指標(biāo)。目前的QoS解決方法包括RSVP、IntServ、DiffServ、MPLS、TE和策略管理等。3、IPQoS模型3.1IntServ模型IntServ模型〔IntegratedService,簡稱IntServ：業(yè)務(wù)通過信令向網(wǎng)絡(luò)申請(qǐng)?zhí)囟ǖ腝oS服務(wù),網(wǎng)絡(luò)在流量參數(shù)描述的圍,預(yù)留資源以承諾滿足該請(qǐng)求。IntServ是一個(gè)綜合服務(wù)模型,它可以滿足多種QoS需求。如圖1所示,這種服務(wù)模型在發(fā)送報(bào)文前,需要向網(wǎng)絡(luò)申請(qǐng)?zhí)囟ǖ姆?wù)。這個(gè)請(qǐng)通過信令〔signal來完成的。應(yīng)用程序首先通知網(wǎng)絡(luò)它自己的流量參數(shù)和需要的特定服務(wù)質(zhì)量請(qǐng)求,包括帶寬、時(shí)延等,應(yīng)用程序一般在收到網(wǎng)絡(luò)的確認(rèn)信息,即確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)為這個(gè)應(yīng)用程序的報(bào)文預(yù)留了資源后,才開始發(fā)送報(bào)文。同時(shí)應(yīng)用程序發(fā)出的報(bào)文應(yīng)該控制在流量參數(shù)描述的圍以。圖1

IntServ示意圖網(wǎng)絡(luò)在收到應(yīng)用程序的資源請(qǐng)求后,執(zhí)行資源分配檢查〔Admissioncontrol,即基于應(yīng)用程序的資源申請(qǐng)和網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有的資源情況,判斷是否為應(yīng)用程序分配資源。一旦網(wǎng)絡(luò)確認(rèn)為應(yīng)用程序的報(bào)文分配了資源,則只要應(yīng)用程序的報(bào)文控制在流量參數(shù)描述的圍,網(wǎng)絡(luò)將承諾滿足應(yīng)用程序的QoS需求。而網(wǎng)絡(luò)將為每個(gè)流〔flow,由兩端的IP地址、端口號(hào)、協(xié)議號(hào)確定維護(hù)一個(gè)狀態(tài),并基于這個(gè)狀態(tài)執(zhí)行報(bào)文的分類、流量監(jiān)管〔policing、排隊(duì)及其調(diào)度,來實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用程序的承諾。在IntServ服務(wù)模型中,負(fù)責(zé)傳送QoS請(qǐng)求的信令是RSVP〔ResourceReservationProtocol,資源預(yù)留協(xié)議,它通知路由器應(yīng)用程序的QoS需求。RSVP是在應(yīng)用程序開始發(fā)送報(bào)文之前來為該應(yīng)用申請(qǐng)網(wǎng)絡(luò)資源的,所以是帶外〔out-bind信令。IntServ可以提供以下兩種服務(wù)：①保證服務(wù)〔Guaranteedservice它提供保證的帶寬和時(shí)延限制來滿足應(yīng)用程序的要求。如VoIP應(yīng)用可以預(yù)留10M帶寬和要求不超過1秒的時(shí)延。②負(fù)載控制服務(wù)〔Controlled-Loadservice。它保證即使在網(wǎng)絡(luò)過載〔overload的情況下,能對(duì)報(bào)文提供近似于網(wǎng)絡(luò)未過載類似的服務(wù),即在網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況下,保證某些應(yīng)用程序的報(bào)文低時(shí)延和高通過。3.2DiffServ模型當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí),根據(jù)業(yè)務(wù)的不同服務(wù)等級(jí)約定,有差別地進(jìn)行流量控制和轉(zhuǎn)發(fā)來解決擁塞問題差分服務(wù)DiffServ〔DifferentiatedService是一個(gè)多服務(wù)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(yīng)用程序在發(fā)出報(bào)文前,不需要通知路由器為其預(yù)留資源。對(duì)DiffServ服務(wù)模型,網(wǎng)絡(luò)不需要為每個(gè)流維護(hù)狀態(tài),它根據(jù)每個(gè)報(bào)文指定的QoS,來提供特定的服務(wù)?？梢杂貌煌姆椒▉碇付▓?bào)文的QoS,如IP報(bào)文的優(yōu)先級(jí)位〔IPPrecedence,報(bào)文的源地址和目的地址等。網(wǎng)絡(luò)通過這些信息來進(jìn)行報(bào)文的分類、流量整形、流量監(jiān)管和隊(duì)列調(diào)度。圖2

DiffServ示意圖DiffServ一般用來為一些重要的應(yīng)用提供端到端的QoS。它通過下列技術(shù)來實(shí)現(xiàn)：CAR：它根據(jù)報(bào)文的ToS或CoS值〔對(duì)于IP報(bào)文是指IP優(yōu)先級(jí)或者DSCP,對(duì)于MPLS報(bào)文是指EXP域等等、IP報(bào)文的五元組等信息進(jìn)行報(bào)文分類,完成報(bào)文的標(biāo)記和流量監(jiān)管。隊(duì)列技術(shù)：WRED、PQ、CQ、WFQ、CBWFQ等隊(duì)列技術(shù)對(duì)擁塞的報(bào)文進(jìn)行緩存和調(diào)度,實(shí)現(xiàn)擁塞管理。

Diffserv模型體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3

Diffserv模型體系結(jié)構(gòu)SLA〔ServiceLevelAgreements是客戶〔個(gè)人、企業(yè)、有業(yè)務(wù)往來的相鄰ISP等用戶和運(yùn)營商簽署的服務(wù)協(xié)定。SLA包括很多方面,例如付費(fèi)協(xié)議。其中的技術(shù)說明部分即SLS〔ServiceLevelSpecification。SLS的研究重點(diǎn)是流量控制說明TCS〔trafficconditioningSpecification,它描述了每個(gè)服務(wù)層次的詳細(xì)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、最大突發(fā)尺寸等是Diffserv網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行流控的主要依據(jù),如圖4所示。圖4

服務(wù)等級(jí)協(xié)定3.3多協(xié)議標(biāo)簽交換多協(xié)議標(biāo)簽交換〔MultiprotocolLabelSwitching,簡稱MPLS是由Cisco提交的由IETFMPLS工作組研制的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,它將第三層技術(shù)及與第二層技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來,使得在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上允許各種消息傳遞,即能提供單點(diǎn)傳輸,也可以提供多點(diǎn)傳輸；即能提供無特殊服務(wù)質(zhì)量要求的無連接信息傳遞服務(wù),也能提供具有很高QoS要求的實(shí)時(shí)交互服務(wù)。MPLS與傳統(tǒng)的根據(jù)IP決定前向路徑的方式十分不同。它的宗旨是使用定長的標(biāo)記來決定分組處理。在MPLS技術(shù)中,在數(shù)據(jù)報(bào)文的鏈路層頭與網(wǎng)絡(luò)層頭之間填加一個(gè)MPLS頭,其中包括一個(gè)20bit的標(biāo)記、一個(gè)3bit的業(yè)務(wù)類別〔CoS字段、一個(gè)1bit的標(biāo)記棧指示符以及一個(gè)8bit的生存時(shí)間〔TTL字段。當(dāng)分組進(jìn)入MPLS網(wǎng)絡(luò)時(shí),入口標(biāo)記交換路由器〔LSR首先為其分配一個(gè)MPLS標(biāo)記,標(biāo)為相同標(biāo)記的分組屬于同一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類〔FEC,然后分組將被轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳的標(biāo)記交換路由器,下一跳標(biāo)記交換路由器將依據(jù)分組的MPLS標(biāo)記,查找標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)表,將分組轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的輸出端口,同時(shí)打上新標(biāo)記。COS字段用于在輸出端口選擇正確的業(yè)務(wù)隊(duì)列。當(dāng)分組到達(dá)MPLS網(wǎng)絡(luò)的出口時(shí),它所攜帶的標(biāo)記將被去除,恢復(fù)正常的IP路由。3.4呼叫許可控制呼叫許可控制〔CallAdmissionControl問題產(chǎn)生于IP網(wǎng)絡(luò)的Best-effort策略和面向非連接〔Connectionless的屬性。對(duì)于傳統(tǒng)的面向連接的網(wǎng)絡(luò),當(dāng)呼叫經(jīng)過每個(gè)交換機(jī)時(shí),交換機(jī)如果發(fā)現(xiàn)沒有電路可以提供連接時(shí),會(huì)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(luò)可以提供足夠的資源保證話音質(zhì)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(zhì)量。在這種情況下,拒絕呼叫好過建立一條沒有質(zhì)量保證的鏈路。Best-effort策略：路由器在實(shí)施投遞服務(wù)時(shí)無區(qū)別地對(duì)待所有的報(bào)文,它依照?qǐng)?bào)文到達(dá)時(shí)間的先后順序提供轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù),所有用戶的報(bào)文共同分享網(wǎng)絡(luò)和路由器的帶寬資源,至于得到資源的多少完全取決于報(bào)文到達(dá)的時(shí)機(jī)。這種服務(wù)策略被稱作Best-Effort〔盡力而為,它對(duì)分組投遞的延遲、延遲抖動(dòng)、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(luò)技術(shù)中,TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)沒有提供相應(yīng)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)端到端的的確定網(wǎng)絡(luò)是否可以資源提供語音服務(wù)不容易。目前,實(shí)現(xiàn)呼叫許可控制有以下方法：基于本地網(wǎng)關(guān)狀態(tài)機(jī)制：這種CAC方式主要取決于主叫網(wǎng)關(guān)的自身配置信息。這種方式簡單易行,而且不會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)資源的開銷,但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí),可能會(huì)失效?；诰W(wǎng)絡(luò)測試機(jī)制：這種CAC方式是主叫網(wǎng)關(guān)在發(fā)起新的呼叫前采用某種方式確認(rèn)從主叫網(wǎng)關(guān)到被叫網(wǎng)關(guān)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(luò)規(guī)模,擴(kuò)展性好,但是對(duì)網(wǎng)關(guān)設(shè)備要求較高而且不適用于網(wǎng)絡(luò)資源波動(dòng)較大的網(wǎng)絡(luò),同時(shí)探針也會(huì)帶來一定的網(wǎng)絡(luò)開銷?；诰W(wǎng)絡(luò)資源機(jī)制：這種CAC方式是通過某種機(jī)制,在呼叫建立之前,將網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留出來,實(shí)現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)保證。如果確定網(wǎng)絡(luò)沒有足夠的資源,網(wǎng)關(guān)應(yīng)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(luò)設(shè)備支持RSVP,這對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)的要求及擴(kuò)展性要求較高,同時(shí)也增加了信令的開銷。4、業(yè)務(wù)QoS實(shí)現(xiàn)IP網(wǎng)是基于統(tǒng)計(jì)復(fù)用,在承載實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)如語音業(yè)務(wù)時(shí)應(yīng)考慮采用怎樣的技術(shù)手段。目前,IP承載網(wǎng)通用方法是采用以下技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)的帶寬：在路由器和以太網(wǎng)交換機(jī)上實(shí)現(xiàn)CoS〔classofservice。在實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)與非實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)共用一個(gè)局域網(wǎng)交換機(jī)時(shí),可以考慮根據(jù)IP地址或端口區(qū)分開實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)和傳統(tǒng)IP業(yè)務(wù),并賦予實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)較高的Cos級(jí)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(wù)通過信令向網(wǎng)絡(luò)申請(qǐng)?zhí)囟ǖ腝oS服務(wù),網(wǎng)絡(luò)在流量參數(shù)描述的圍,預(yù)留資源以承諾滿足該請(qǐng)求。在實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)與非實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)接入路由器的情況下,在對(duì)實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和路由器上行帶寬分析后,可以給非實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)接入速率的限制或整形,使其不至于影響到實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)。在全網(wǎng)做業(yè)務(wù)分類〔Diff-serv,進(jìn)行隊(duì)列調(diào)度和擁塞控制。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí),根據(jù)業(yè)務(wù)的不同服務(wù)等級(jí)約定,有差別地進(jìn)行流量控制和轉(zhuǎn)發(fā)來解決擁塞問題。在全網(wǎng)對(duì)實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)與非實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)分別做標(biāo)志,在路由器所有端口對(duì)不同