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QoS发展史

文/余卉

随着IP技术和网络的发展,IP网络已经从当初的单一数据网络向集成数据、语音、视频、图像的多业务网络转变。为了实现端到端QoS,IP QoS目前的研究主要集中在以下方面:

1)为多业务网络定义合理可行的QoS业务分类标准

2)为端到端QoS建立可实施的整网IP QoS模型

当前国际上各个研究组织都在为自己所关注的业务设计IP QoS模型。本文将逐一分析IETF(互联网工程工作组)、ITU-T(国际电信同盟)、ETSI(欧洲标准化组织)、MSF(多业务交换论坛)、TIPHON/TISPAN(传输平台功能体)等提出的QoS业务分类标准以及几种QoS应用模型发展的概况。

QoS业务分类标准

  业务优先级分类的基本模型是区分不同类型的业务,在数据包头的特定域携带该优先级,然后网络节点根据包头携带的优先级实施不同的转发处理。目前,优先级分类根据各种网络所关注的业务类型已经出现多种不同的标准,相关标准可以参考:

RFC 791, Internet Protocol(根据各IP应用的特点,将业务分为Network Control、Internetwork Control、CRITIC/ECP、Flash Override、Flash、Immediate、Priority、Routine共8类优先级。其中,Routine优先级最低,Network Control优先级最高)

RFC 1349, Type of Service in the Internet Protocol Suite(将业务按照TOS的定义分为16类优先级,TOS使用4个bit位分别表示:minimize delay、maximize throughput、minimize monetary cost、maximize reliability,并建议了各IP应用应该如何取TOS值,例如,FTP CONTROL报文建议其TOS取值为minimize delay)

RFC 1490(被RFC 2427替代), Multiprotocol Interconnect over Frame Relay(将业务按照Frame Relay Discard Eligibility bit的定义分为2类丢弃优先级)

RFC 1483(被RFC 2684替代), Multiprotocol Encapsulation over ATM Adaptation Layer 5(将业务按照ATM Cell Loss Priority bit的定义分为2类丢弃优先级)

RFC 2474, Definition of the Differentiated Services Field (DS Field) in the IPv4 and IPv6 Header(DiffServ网络定义了四类PHB(per-hop behavior):EF(Expedited Forwarding)PHB适用于低时延、低丢失、低抖动、确保带宽的优先业务;AF(Assured Forwarding)PHB分为四类,每个AF类又分为三个丢弃优先级,可以对相应业务进行等级细分,QoS性能参数低于EF类型;CS(class selector)PHB是从IP TOS字段演变而来,共8类;BE PHB是CS中特殊一类,没有任何保证,现有IP网络流量也都默认为此类)

IEEE 802.5, Token ring access method and Physical Layer specifications(令牌环网的优先级,可以将业务根据Access Priority的定义为8类优先级)

IEEE 802.1p, Class of Service(以太网优先级,可以将业务根据802.1P Priority的定义分为8类优先级,0类至7类优先级相应递增,0类是BE业务,尽力传输)

  除了IETF,其它从事IP网络QoS标准研究的主要组织,例如ITU-T、ETSI等也都根据其业务定义的QoS业务分类标准:

  ITU-T 13组建议Y.1541,主要根据IPTD(传输时延)、IPDV(时延变化)、IPLR(丢包率)、IPER(错误率)四个方面将业务划分为5类,0类至5类优先级相应递减,第5类是BE业务,对性能无保证。其中0类和2类对时延要求很严格,并且0类对抖动还有限制;1类和3类的时延要求比较严格,1类对抖动有限制;4类对时延要求比较宽松,且没有定义抖动限制;除了第5类外都对丢包率和错误率有要求。相关标准可以参考:

ITU-T Recommendation Y.1541, Network Performance Objectives for IP-Based Services

  ITU-T H.323 Annex N定义的业务类别分为两大类:GSC和CSC。前者对时延和抖动敏感,后者则无要求。其中GSC又分为GSC1、2、3、4。GSC1和2适用于CBR类型的流量,区别在于1对错误率有要求,而2没有;GSC3和GSC4适用于VBR类型的流量,区别在于3对于错误率有要求,而4没有。CSC也分为CSC1、2、3、4。CSC1和CSC2适用于nrt-VBR类型的流量,区别在于1对错误率有要求,而2没有;CSC3和CSC4适用于ABR类型的流量,区别在于3对错误率有要求,而4没有。相关标准可以参考:

ITU-T Recommendation ANNEX N of H.323, End to End Quality of Service (QoS) and Service Priority Control and Sig-nalling in H.323 systems

  ETSI 3GPP主要针对移动网络,它将业务类别分为conversational、streaming、interactive、background四大类,分类的主要依据是业务对时延的敏感度。Conversational类对时延非常敏感,依次递减,background对时延最不敏感。Conversational和streaming主要用于实时流量业务,区别只在于对时延的容许程度。Interactive和background主要用于传统的IP应用,两者都定义了一定的误码率要求,区别在于前者更多用于交互式场合,而后者主要用于后台业务。相关标准可以参考:

3GPP TS 23.107, QoS Concept and Architecture

  TIPHON基于VoIP,将业务分为3大类,wideband、narrowband、BE,分类的依据是端到端时延。三类业务的时延限值依次递增,对应于用户感知的语音质量的满意度则是依次递减。其中narrowband又根据时延大小细分为三类:high、medium、acceptable,对应于narrowband中有等级区别的应用。相关标准可以参考:

ETSI TS 102 024-2, Telecommunications and Internet Protocol Harmonization Over Networks (TIPHON) Release 4; End-to-end Quality of Service in TIPHON Systems; Part 2: Definition of Speech Quality of Service (QoS) Classes

IETF的Inter-Serv模型和Diff-Serv模型

1) Inter-Serv模型

   1994年,IETF出版RFC1633提出Inter-Serv模型,该模型使用资源预留(RSVP)协议,RSVP运行在从源端到目的端的每个路由器上,可以监视每个流,以防止其消耗比其请求、预留和预先购买的要多的资源。这种体系能够明确区分并保证每一个业务流的服务质量,为网络提供最细粒度化的服务质量区分。相关标准可以参考:

• RFC 1633, Integrated Services in the Internet Architecture: An Overview

• RFC 2205, Resource Reservation Protocol

• RFC 2206, RSVP Management Information Base using SMIv2

• RFC 2210, RSVP with IETF Integrated Services

• RFC 2211, Controlled-Load Network Element Service

• RFC 2212, Specification of Guaranteed Quality of Service

• RFC 2215, General Characterization Parameters for Integrated Service Network Elements

• RFC 2748, The COPS (Common Open Policy Service) Protocol

• RFC 2749, COPS Usage for RSVP

  Inter-Serv模型能够在IP网上提供端到端的QoS保证。但是,Inter-Serv模型对路由器的要求很高,当网络中的数据流数量很大时,路由器的存储和处理能力会遇到很大的压力。因此,Inter-Serv模型可扩展性很差,难以在Internet核心网络实施,目前业界普遍认为Inter-Serv模型有可能会应用在网络的边缘上。

2) Diff-Serv模型

  区分服务(DiffServ)是IETF工作组为了克服Inter-Serv的可扩展性差在1998年提出的另一个服务模型,目的是制定一个可扩展性相对较强的方法来保证IP的服务质量。相关标准可以参考:

• RFC 2474, Definition of the Differentiated Services Field (DS Field) in the IPv4 and IPv6 Headers

• RFC 2475, An Architecture for Differentiated Services Framework

• RFC 2597, Assured Forwarding PHB

• RFC 2598, An Expedited Forwarding PHB

• RFC 2983, Differentiated Services and Tunnels

• RFC 3086, Definition of Differentiated Services Per Domain Behaviors and Rules for their Specification

• RFC 3140, Per Hop Behavior Identification Codes

• RFC 3246, An Expedited Forwarding PHB

• RFC 3247, Supplemental Information for the New Definition of the EF PHB

• RFC 3248, A Delay Bound alternative revision of RFC2598

一同发展的还有许多与DiffServ有关的因特网草案(Internet-Drafts)可以参考:

An Informal Management Model for Diffserv Routers

Management Information Base for the Differentiated Services Architecture

New Terminology and Clarification for Diffserv

Differentiated Services Quality of Service Policy Information Base

An Assured Rate Per-Domain Behaviour for Differentiated Services

在Diff-Serv模型中,业务流被划分成不同的差分服务类。一个业务流的差分服务类由其IP包头中的差分服务标记字段(Different Service Code Point,简称DSCP)来表示。在实施DiffServ的网络中,每一个路由器都会根据数据包的DSCP字段执行相应的PHB行为。区分服务只包含有限数量的业务级别,状态信息的数量少,因此实现简单,扩展性较好。它的不足之处是很难提供基于流的端到端的质量保证。目前,区分服务是业界认同的IP骨干网的QoS解决方案,但是由于标准还不够详尽,不同运营商的DiffServ网络之间的互通还存在困难。IETF RSVP和DiffServ两个工作组都正在研究RSVP与DiffServ相结合的问题,以进一步扩大DiffServ与现有系统的可兼容性,此外在业务分类、业务性能的量化描述以及域间业务类型映射等问题上,DiffServ模型也需进一步明确和开展的研究。

• QoS路由

  现在的Internet路由协议(OSPF、RIP等)都采用单个测度(如跳数、成本)来计算最短路由,没有考虑多个QoS参数的要求。QoS路由根据多种不同的度量参数(如带宽、成本、每一跳开销、时延、可靠性等)来选择路由。QoS路由包括三个主要功能:链路状态信息发布,路由计算和路由表存储。QoS路由能够满足业务的QoS要求,同时提高网络的资源利用率。但是QoS路由的计算十分复杂,增加了网络的开销,目前实用的QoS路由算法还不多见。相关标准可以参考:

• RFC 2386, A Framework for QoS-based Routing in the Internet

• RFC 2676, QoS Routing Mechanisms and OSPF Extensions

此外,还有一些草案可以参考,例如:

• IETF-draft-boucadair-QoS-bgp-spec-01, QoS-Enhanced Border Gateway Protocol

• MPLS/TE

  1997年,以Cisco公司为主的几家公司(包括Ipsilon、IBM、Cascade、Toshiba)提出了MPLS(Multiprotocol Label Switch)技术。MPLS技术产生的初衷就是为了综合利用网络核心的交换技术和网络边缘的IP路由技术各自的优点。对于骨干网业务提供者来说,MPLS已成为实现TE(Traffic Engineering)的重要手段,并且与DiffServ结合成为提供QoS的重要手段。流量工程的主要目的是合理分布数据流通过网络的路径,以避免不均匀地使用网络而导致拥塞。一般的动态路由协议都会导致不均匀的通信分布,因为它们总是选择最短路径转发包,直接导致两个网络节点之间的最短路径上可能发生了拥塞,而较长路径上的路由器和链路却是空闲的。当网络中存在多条并行或可选的路径时,流量工程就显得非常重要了。面对复杂网络时,由于流量分布的变化是实时的,而且变化较大,因此流量工程需要能够自动化和适应业务流量分布的变化,这样才能保证业务的服务质量。可以参考的标准与草案比较多,此处不再敷述。

子网带宽管理SBM

  由于数据包的发送能要经过中间某个网络的子网,为了实现端到端QoS,在子网内也要保证高优先级的数据帧获得高级别的服务。某些链路层的技术已经可以支持QoS了,例如异步传输模式ATM。而其它更多的LAN技术(如以太网技术)最初并非为支持QoS设计的。为此,IETF的ISSLL小组定义了上层QoS协议和服务与以太网之类的数据链路层技术之间的映射关系,并且提出了子网带宽管理(Subnet Bandwidth Management,SBM)的方案,它适用于802.1 LAN,如以太网、令牌环和FDDI等,相关标准可以参考:

• RFC 2814, SBM (Subnet Bandwidth Manager): A Protocol for RSVP-based Admission Control over IEEE 802-style networks

SBM的主要构件有以下三个部分,在其体系结构中提供了RM-to-BA以及BA-to-BA的信令机制来请求资源、改变或删除分配资源。

(1)请求模块(Request Module, RM):请求模块驻留在每个端系统中而不驻留在任何交换机中。请求模块根据管理员所定义的策略,将高层的QoS协议参数映射到第二层的优先级别。

(2)带宽分配器(Bandwidth Allocator, BA):带宽分配器保存子网内资源的分配状态,并且根据可用资源的情况以及管理员所定义的策略来执行接入控制。

(3)通信协议(Communication Protocols, CP):通信协议用于在SBM系统中,各个不同的组件之间进行通信。

  上述这些QoS基本模型可以互为补充,在不同的网络层次上组合使用,例如IntServ 和Diffserv结合,在核心网采用Diffserv,在接入网采用IntServ。又如MPLS和Diffserv结合,或MPLS和QoS路由结合。目前MPLS+DiffServ技术最有可能成为IP网络运营商首选的QoS方案。

  但是这些成果没有解决全网的QoS问题,仍然缺乏一个可以整网实施的QoS机制与模型。与此同时,Internet2、MSF、ETSI TIPHON、ITU等组织目前也都在大力研究和制订可整网实施的IP QoS模型,以及无线领域的QoS模型,如IEEE 802.11e为无线局域网制订的QoS模型,美国有线电视工业的标准组织CableLab为Cable运营商研究制订的IP QoS模型,3GPP为下一代无线核心网络研究制订的QoS模型。

Internet2的BB(Bandwidth Broker)

  Internet2研究的一个主要目标是创建一个可伸缩、可交互操作和可管理的QoS体系结构。以实现一些在现有的互联网上不能实现的应用,如远程医疗、数字化图书馆及虚拟实验室等。为此,在1997年,参加Internet2工程的大学和研究机构共同成立了QoS工作组,建立了QBone计划,以进行下一代互联网的QoS测试、开发和部署工作。Internet2开发的BB模型(Bandwidth Broker)是在DiffServ架构上运用带宽资源管理,其主要机制是在IP骨干网上使用DiffServ,每个DS域引入BB收集网络的拓扑和节点及链路状态信息,管理网络资源并结合策略服务器规定的策略进行接入控制。BB负责处理所有带宽申请请求,并根据当前网络的资源预留状况和配置的策略以及与用户签订的业务SLA,确定是否允许用户的带宽申请。DS域之间通过BB进行SLA协商,使DiffServ能够实现端到端的接入控制和QoS保障。相关的协议草案可以参考:

QBone Architecture (v1.0), Ben Teitelbaum et al. Internet 2 QoS Working Group Draft, August 1999, Work-in-progress

 

TIPHON / MSF的QoS标准化研究 

  欧洲标准化组织ETSI的TIPHON工作组,致力于发展电信与IP融合的下一代电信网络架构。ETSI TIPHON的QoS架构中,在IP网络的核心层引入了TRM(Transmission Resource Manager)来动态管理核心网的资源调度,实现实时的流量工程能力。而TRM接受接入层的业务资源申请,为业务分配和管理核心骨干网的资源和转发路径,并控制边缘或网关路由器,识别用户的业务流,让用户的业务流按照TRM分配的路由和资源转发。

  美国多业务交换论坛MSF研究NGN架构,提出类似的电信级IP网络。MSF的QoS架构与ETSI类似,在核心骨干层引入了Bandwidth Manager来动态管理核心网的资源调度,实现实时的流量工程能力。

  ETSI/MSF等组织定义的模型目前遇到的问题是如何在目前的网络条件下实现承载业务按照所分配的路径去转发,还有各类接口的标准化过程以及运营中的网络管理体系建立等。由于这是一个全新的网络运营环境,还有很多细致的工作要做。

ITU-T的研究

  ITU-T SG13组负责对NGN的总体研究,如果要在NGN上支持各种业务(实时业务/流媒体业务/非实时业务/多媒体业务⋯),那么NGN就必须为各种QoS 级别的业务提供可预见的、一致的、端到端的QoS 保证。ITU-T SG13组目前正在研究制订的Y.QoSar和Y.123.QoS两篇标准草案。草案Y.QoSar明确定义了基本QoS构建模块(接入控制、拥塞反馈、计量和测量、策略及策略配置、队列和调度、资源预留、服务等级管理, 费率表征和流量标识等),通过不同的方式把这些块组织起来,就可以控制网络提供业务所要求的性能。同时也考虑了实现QoS对安全的影响及相应机制。从建议草案的完整性角度看,Y.QoSar仍处于编辑及完善阶段,在2003年7月21日至8月1日ITU-T SG13 2001-2004研究期的第五次会议上取得了较大进展。该次会议对建议草案Y.QoSar 做了以下完善:1.完善了QoS路由、资源预留、QoS信令方面的内容;2.在案例方法中补充了集中资源管理下的预配置叠加MPLS网络(Pre-provisioned overlay MPLS networks with centralized resource management)。(注:这一案例方法是由中国电信和华为公司联合在本次会议提交的)中国电信和华为联合提交的两篇文稿成为本次会议中重点讨论的内容,这两篇文稿分别是:

(1)A Carrier-class QoS Solution Framework for IP-based Backbone Networks(该文稿提出了用于基于IP骨干网络的运营级QoS解决框架)

(2)A Carrier-class QoS Solution Framework for IP-based Access Network(该文稿提出了用于基于以太网IP接入网络的运营级QoS解决框架)

  其中第二篇文稿的基本内容作为了新建议草案Y.123.QoS的基本参考模型。Y.123.QoS是纳入到Y.QoSar统一框架中的一个基于以太的IP接入网的QoS架构。它强调了呼叫控制和承载分离的思想,是在接入段保证用户服务质量的重要方法。

我国行业标准的研究状况

  我国电信标准协会网络与交换标准技术委员会已经研究制订了《IP网络技术要求--网络性能参数与指标》标准(编号为YD/T 1171-2001)。该标准规定了支持IPv4的IP网络性能参数和临时指标,其中有些指标与用户所选择的服务质量(QoS)类型相关,还规定了满足推荐的、端到端国际IP网通信的、性能指标的每个网络段,应该提供的性能指标要求。适用于具有一个或多个网络段的端到端路径,所定义的QoS类型适用于终端用户与网络服务提供商之间以及网络服务提供商之间的IP网通信,可作为IP网网络规划、工程设计、运行维护以及相应设备的引进、开发的技术依据。该标准定义的QoS类型主要基于对下列应用的支持:点到点电话、多媒体会议和数据传输。

今后的研究方向

  从这些标准组织的研究方向和思路来看,一方面是统一实施整网的IP QoS,但是目前的研究成果主要是一些比较笼统的框架性文件,在具体的实施技术规范上还没有显著的成果,这将是国际标准组织未来几年内的研究和制订的重点。国内外的运营商/研究机构和设备厂商也在积极研究制订IP网络的QoS机制和技术。另一方面, IP网与电信网络的运维、规划的统一融合也成为新的研究方向。国际电信联盟2008年世界电信标准化全会(WTSA-08)确定了2009年~2012年研究期的工作计划及重点。伴随着国内外运营商对于NGN网络的部署和各类多媒体业务的发展,对IP网络的QoS机制的研究和部署变得日益迫切起来,而电信级IPQoS是在IP网络上开展可运营、可管理、高质量的电信业务的关键技术,是实现电信和IP网络融合的基础。电信级IPQoS要求能够在IP网络上承载电信级多媒体业务,如IP电话、视讯会议、视频点播等,并为3G、软交换等提供承载层的服务质量保证。目前,各个标准化组织都在积极研究和制订电信级IPQoS的相关标准,各个厂家也纷纷提出相关的技术实现方案。

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