NGN的QoS保障措施与实现

　　摘要　分析了下一代网络的QoS要求和关键技术，论述了下一代网络的QoS的控制策略和实施方式。

　　服务质量（Quality of Service，简称QoS）是各种存在服务供需关系的场合中普遍存在的概念，它评估服务方满足客户服务需求的能力。在因特网中，QoS所评估的就是网络投递分组的服务能力。由于网络提供的服务是多样的，因此对QoS的评估可以基于不同方面。通常所说的QoS，是对分组投递过程中可为延迟、延迟抖动、丢包率等需求提供支持的服务能力的评估。

　　对于电信运营商而言，面临的挑战是如何使用一种有效率而现实的方式来为不同的业务提供满意的端到端QoS保证，同时还要考虑全网的性能。从而实现网络的可管理，可控制和可运营。目前的QoS解决方法包括RSVP、IntServ、DiffServ、MPLS、TE和策略管理等。

1、 IP QoS的基本概念

　　1.1　传统的IP分组投递服务：

　　（1）IP体系的设计目标就是实现网络的互连

　　（2）分组投递过程中的差错控制、网络拥塞时的流量控制等功能，由发送和接收分组的源端和接收端来完成。

　　（3）早期的路由器在功能上只进行了简单的设计，分组能被正确地路由并转发。

　　（4）所有用户的报文共同分享网络和路由器的带宽资源，采用Best-Effort的服务策略。

　　（5）Best-Effort服务策略适用于对带宽、延迟性能不敏感的WWW文件传输、E-mail等业务。

　　1.2　新的业务和需求

　　（1）当前的IP网络承载多种业务：VoIP、VPN、ERP等。

　　（2）新业务的不断涌现对网络的服务能力提出了更高的要求。

　　（3）期望在延迟、延迟抖动、丢包率等传输性能上获得一定的承诺和保障。

　　1.3　IP QoS的基本概念

　　IP QoS（Quality of Service）是指IP网络的一种能力，即在跨越多种底层网络技术（MP、FR、ATM、Ethernet、SDH、MPLS等）的IP网络上，为特定的业务提供其所需要的服务，在丢包率、延迟、抖动和带宽等方面获得可预期的服务水平。在骨干网上，问题的焦点为丢包率（packet loss）、时延和抖动（jitter）。

　　1.4　影响语音QoS的多个因素

　　一系列的网络参数会影响语音质量。主要是IP网络的实时数据传输性能受时延、抖动和丢包率的影响。

　　（1）时延形成的因素有很多，主要有网络上的传输时延，即包括在线路上传送的时延还有在节点设备上的处理时延。为了减小这个传送时延，主要是尽量减少路由跳数，并尽量减少设备的处理时延，例如优化路由器上对时延影响大的设置，如访问列表、排队算法及传输的模式等。也可以为语音流量指定高优先级来减小队列时延。还有可以通过网络带宽的轻载来减少网络拥塞，降低时延。另一个主要的因素是语音包编解码及压缩算法的时延，例如，G.723会增加30 ms的时延。再一个因素是抖动缓存大小。为了补偿网络抖动造成的影响，在语音网关中都有抖动缓存，用于在转发数据包之前先缓存一段时间的数据包以平滑数据包的传输，补偿包抖动、丢失、延时及其它不利影响。然而不利的一面就是会增加时延。对于网络时延的评估应当在建设IP电话系统之前实施。

　　（2）对于IP网络这样的尽力传送的网络来说，传送实时数据并不能保证数据包能够按时到达，到达间隔的不一致就产生了抖动。抖动值就是数据包到达间隔时间差的平均值。抖动值如果超过一定数值，就会产生可听出来的语音质量问题。过度抖动的效果与过大时延的效果很接近，因为当包抖动超过抖动缓存可以容忍的限度时同样会丢数据包。另外局域网设备的传送机制对抖动也有影响，因为数据交换的网络里面比共享式网络里的数据碰撞及重传的几率少，抖动产生的机率也就小。

　　（3）IP网络设计的初衷是保证数据的可靠传输，不能忍受数据的传输错误。对于语音来说，不能忍受数据包的时延，但是可以忍受少量的丢包。

　　1.5　IP QoS目标

　　（1）差错控制

　　（2）流量控制

　　（3）回声抑制

　　（4）抖动消除

　　（5）为特定用户或特定业务提供专用带宽

2、服务质量保证要求

　　在IP网上不同的业务对带宽、时延、时延抖动和丢包率等都有不同的需求。目前，在IP网中，主要通过各种IP QoS手段来控制不同IP业务的差异化服务质量，以满足不同业务的不同等级需求。

　　根据YD/T1071-2000《IP电话网关设备技术要求》，网络质量可以分为以下3级，如表1所示。

表1　网络质量级别

　　经过试验测试，对不同网络质量下的NGN业务表现如表2所示。

表2　不同网络质量下的业务效果

　　即IP承载网的网络质量达到“良好”（网络时延≤40 ms、时延抖动≤10 ms、丢包率≤0.1%）时，VoIP话音、视频等NGN业务质量的主观评价可以达到良以上，其中G.711的话音业务质量可达到优；在IP承载网的网络质量“较差”（网络时延≤100 ms、时延抖动≤20 ms、丢包率≤1%）时，VoIP话音、视频等NGN业务基本满足运营需要；在IP承载网质量为“恶劣”的条件下，VoIP话音、视频等NGN业务达不到运营要求。

　　因此，网络应能对不用的应用进行分类，并通过设置优先级来保证各SLA指标。

3、IP QoS模型

　　3.1　IntServ模型

　　IntServ模型（Integrated Service，简称IntServ）：业务通过信令向网络申请特定的QoS服务，网络在流量参数描述的范围内，预留资源以承诺满足该请求。

　　IntServ是一个综合服务模型，它可以满足多种QoS需求。如图1所示，这种服务模型在发送报文前，需要向网络申请特定的服务。这个请求是通过信令（signal）来完成的。应用程序首先通知网络它自己的流量参数和需要的特定服务质量请求，包括带宽、时延等，应用程序一般在收到网络的确认信息，即确认网络已经为这个应用程序的报文预留了资源后，才开始发送报文。同时应用程序发出的报文应该控制在流量参数描述的范围以内。

图1　IntServ示意图

　　网络在收到应用程序的资源请求后，执行资源分配检查（Admission control），即基于应用程序的资源申请和网络现有的资源情况，判断是否为应用程序分配资源。一旦网络确认为应用程序的报文分配了资源，则只要应用程序的报文控制在流量参数描述的范围内，网络将承诺满足应用程序的QoS需求。而网络将为每个流（flow，由两端的IP地址、端口号、协议号确定）维护一个状态，并基于这个状态执行报文的分类、流量监管（policing）、排队及其调度，来实现对应用程序的承诺。

　　在IntServ服务模型中，负责传送QoS请求的信令是RSVP（Resource Reservation Protocol，资源预留协议），它通知路由器应用程序的QoS需求。RSVP是在应用程序开始发送报文之前来为该应用申请网络资源的，所以是带外（out-bind）信令。

　　IntServ可以提供以下两种服务：　①保证服务（Guaranteed service）它提供保证的带宽和时延限制来满足应用程序的要求。如VoIP应用可以预留10M带宽和要求不超过1秒的时延。②负载控制服务（Controlled-Load service）。它保证即使在网络过载（overload）的情况下，能对报文提供近似于网络未过载类似的服务，即在网络拥塞的情况下，保证某些应用程序的报文低时延和高通过。

　　3.2　DiffServ模型

　　当网络出现拥塞时，根据业务的不同服务等级约定，有差别地进行流量控制和转发来解决拥塞问题

　　差分服务DiffServ（Differentiated Service）是一个多服务模型，如图2所示，它可以满足不同的QoS需求。与IntServ不同，它不需要使用RSVP，即应用程序在发出报文前，不需要通知路由器为其预留资源。对DiffServ服务模型，网络不需要为每个流维护状态，它根据每个报文指定的QoS，来提供特定的服务。可以用不同的方法来指定报文的QoS，如IP报文的优先级位（IP Precedence），报文的源地址和目的地址等。网络通过这些信息来进行报文的分类、流量整形、流量监管和队列调度。

图2　DiffServ示意图

　　DiffServ一般用来为一些重要的应用提供端到端的QoS。它通过下列技术来实现：

　　CAR：它根据报文的ToS或CoS值（对于IP报文是指IP优先级或者DSCP，对于MPLS报文是指EXP域等等）、IP报文的五元组等信息进行报文分类，完成报文的标记和流量监管。

　　队列技术：WRED、PQ、CQ、WFQ、CBWFQ等队列技术对拥塞的报文进行缓存和调度，实现拥塞管理。

　　Diffserv模型体系结构如图3所示。

图3　Diffserv模型体系结构

　　SLA（Service Level Agreements）是客户（个人、企业、有业务往来的相邻ISP等用户）和运营商签署的服务协定。SLA包括很多方面，例如付费协议。其中的技术说明部分即SLS（Service Level Specification）。SLS的研究重点是流量控制说明TCS（traffic conditioning Specification），它描述了每个服务层次的详细性能参数。这些包括：TCS的流量参数（如平均速率、峰值速率、承诺突发尺寸、突发尺寸等）是Diffserv网络进行流控的主要依据，如图4所示。

图4　服务等级协定

　　3.3　多协议标签交换

　　多协议标签交换（Multiprotocol Label Switching，简称MPLS）是由Cisco提交的由IETF MPLS工作组研制的标准协议，它将第三层技术及与第二层技术有机地结合起来，使得在同一个网络上允许各种消息传递，即能提供单点传输，也可以提供多点传输；即能提供无特殊服务质量要求的无连接信息传递服务，也能提供具有很高QoS要求的实时交互服务。

　　MPLS与传统的根据IP包头决定前向路径的方式十分不同。它的宗旨是使用定长的标记来决定分组处理。在MPLS技术中，在数据报文的链路层头与网络层头之间填加一个MPLS头，其中包括一个20 bit的标记、一个3 bit的业务类别（CoS）字段、一个1bit的标记栈指示符以及一个8 bit的生存时间（TTL）字段。当分组进入MPLS网络时，入口标记交换路由器（LSR）首先为其分配一个MPLS标记，标为相同标记的分组属于同一个转发等价类（FEC），然后分组将被转发给下一跳的标记交换路由器，下一跳标记交换路由器将依据分组的MPLS标记，查找标记转发表，将分组转发至相应的输出端口，同时打上新标记。COS字段用于在输出端口选择正确的业务队列。当分组到达MPLS网络的出口时，它所携带的标记将被去除，恢复正常的IP路由。

　　3.4　呼叫许可控制

　　呼叫许可控制（Call Admission Control）问题产生于IP网络的Best-effort策略和面向非连接（Connectionless）的属性。对于传统的面向连接的电话网络，当呼叫经过每个电话交换机时，交换机如果发现没有电路可以提供连接时，会拒绝呼叫，从而不影响已经建立的呼叫连接。如果不能够保证网络可以提供足够的资源保证话音质量的情况下，建立新的通话链路可能影响已经建立的链路，或者是降低所有的通话话音质量。在这种情况下，拒绝呼叫好过建立一条没有质量保证的链路。

　　Best-effort策略：路由器在实施投递服务时无区别地对待所有的报文，它依照报文到达时间的先后顺序提供转发服务，所有用户的报文共同分享网络和路由器的带宽资源，至于得到资源的多少完全取决于报文到达的时机。这种服务策略被称作Best-Effort（尽力而为），它对分组投递的延迟、延迟抖动、丢包率和可靠性等需求不提供任何承诺和保证。

　　面向非连接（Connectionless）：在面向非连接的IP网络技术中，TCP/IP标准没有提供相应机制，实现端到端的的确定网络是否可以资源提供语音服务不容易。

　　目前，实现呼叫许可控制有以下方法：

　　（1）基于本地网关状态机制：这种CAC方式主要取决于主叫网关的自身配置信息。这种方式简单易行，而且不会增加网络资源的开销，但当网络拓扑结构复杂时，可能会失效。

　　（2）基于网络测试机制：这种CAC方式是主叫网关在发起新的呼叫前采用某种方式确认从主叫网关到被叫网关是否满足语音通信。这种方式非常有效，可适用于各种网络规模，扩展性好，但是对网关设备要求较高而且不适用于网络资源波动较大的网络，同时探针也会带来一定的网络开销。

　　（3）基于网络资源机制：这种CAC方式是通过某种机制，在呼叫建立之前，将网络资源预留出来，实现端到端的网络保证。如果确定网络没有足够的资源，网关应拒绝建立呼叫连接。这种方式提供了端到端的QoS保证和呼叫控制，但要求所有网络设备支持RSVP，这对IP网络的要求及扩展性要求较高，同时也增加了信令的开销。

4、业务QoS实现

　　IP网是基于统计复用，在承载实时性业务如语音业务时应考虑采用怎样的技术手段。目前，IP承载网通用方法是采用以下技术实现实时性业务的带宽：

　　（1）在路由器和以太网交换机上实现CoS（class of service）。在实时性业务与非实时性业务共用一个局域网交换机时，可以考虑根据IP地址或端口区分开实时性业务和传统IP业务，并赋予实时性业务较高的Cos级别。

　　（2）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）。业务通过信令向网络申请特定的QoS服务，网络在流量参数描述的范围内，预留资源以承诺满足该请求。在实时性业务与非实时性业务接入路由器的情况下，在对实时性业务数据和路由器上行带宽分析后，可以给非实时性业务接入速率的限制或整形，使其不至于影响到实时性业务。

　　（3）在全网做业务分类（Diff-serv），进行队列调度和拥塞控制。当网络出现拥塞时，根据业务的不同服务等级约定，有差别地进行流量控制和转发来解决拥塞问题。在全网对实时性业务与非实时性业务分别做标志，在路由器所有端口对不同的标志的数据包归入不同队列，使实时性业务比非实时性业务数据包有较高的优先级，即使在有拥塞也不会对前者造成影响。

　　（4）为提高IP网络的QoS性能，基于MPLS的流量工程手段也引起业界关注。流量工程是指为了平衡网络链路、交换机和路由器上的流量负载，根据数据流量进行路径选择的过程，主要用于提高网络运作效率与可靠性，并优化网络资源利用和流量性能。采用MPLS来支持流量工程的实现方法是利用约束路由计算显式路径、利用显式路径建立标记交换路径（LSP）、利用标记交换路径进行流量分配，并具有与SDH相当的自愈恢复功能。

　　（5）实现呼叫许可控制，在呼叫建立之前，确定网络资源满足需求，实现端到端的网络保证。

　　目前保证QoS的较好方法是对重要的流量采取业务更高的传送优先权，这样，即使是在繁忙、拥塞的时候依然可以保证VoIP的质量，因此在现在可用的技术中，Diff-serv较适合NGN的要求：IP层可以采用Diff-serv等IP CoS技术，甚至可以采用MPLS VPN技术单独为NGN划分一个保证带宽的VPN网络。接入层可以在LAN交换机上采用VLAN技术专门为话音接入提供一个VLAN，如果用户通过宽带接入服务器（BRAS）接入，可以在BRAS上进行策略控制，通过在上联带宽上设置优先级，确保上联带宽优先分配给语音流。当通过IAD进行话音和数据的混合接入时，IAD上应该进行策略设置，以保证话音流优先，确保下挂的以太网接入流量不会对语音流产生影响。