QoS的基本概念、路由及研究现状和发展

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、可管理的、可验证和计费的，而且在使用时它们必须是始终如一的、可预测的、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的关键指标

　　QoS的关键指标主要包括：可用性、吞吐量、时延、时延变化(包括抖动和漂移)和丢失。下面详细叙述。

　　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，特别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，特别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意不到。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，因为传输控制协议允许丢失的信息重发。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管理人员告警。

　　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，提高用户的满意度，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的有效实施必须依赖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预测性传输，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支持特殊路由，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断(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，容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，通过对特殊路由的管理，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：队列管理机制，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。C