關于多業務解決方案的實現的QoS描述

2019-11-04 21:22:34

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　　一、QoS概述
　　
　　在任何時間、任何地點和任何人實現任何媒介信息的交流是人類在通信領域的永恒需求，在ip技術成熟以前，所有的網絡都是單一業務網絡，如PSTN只能開電話業務，有線電視網只能承載電視業務，X.25網只能承載數據業務等。網絡的分離造成業務的分離，降低了溝通的效率。
　　
　　由于互聯網的流行，IP應用日益廣泛，IP網絡已經滲入各種傳統的通信范圍，基于IP構建一個多業務網絡成為可能。但是，不同的業務對網絡的要求是不同的，如何在分組化的IP網絡實現多種實時和非實時業務成為一個重要話題，人們提出了QoS（服務質量，Quality of Service）的概念。
　　
　　IP QoS是指IP網絡的一種能力，即在跨越多種底層網絡技術（FR、ATM、Ethernet、SDH等）的IP網絡上，為特定的業務提供其所需要的服務。QoS包括多個方面的內容，如帶寬、時延、時延抖動等，每種業務都對QoS有特定的要求，有些可能對其中的某些指標要求高一些，有些則可能對另外一些指標要求高些。衡量IP QoS的技術指標包括以下幾個。
　　
　　（1）可用帶寬：指網絡的兩個節點之間特定應用業務流的平均速率，主要衡量用戶從網絡取得業務數據的能力，所有的實時業務對帶寬都有一定的要求，如對于視頻業務，當可用帶寬低于視頻源的編碼速率時，圖像質量就無法保證。
　　
　　（2）時延：指數據包在網絡的兩個節點之間傳送的平均往返時間，所有實時性業務都對時延有一定要求，如VoIP業務，一般要求網絡時延小于200ms，當網絡時延大于400ms時，通話就會變得無法忍受。
　　
　　（3）丟包率：指在網絡傳輸過程中丟失報文的百分比，用來衡量網絡正確轉發用戶數據的能力。不同業務對丟包的敏感性不同，在多媒體業務中，丟包是導致圖像質量惡化的最根本原因，少量的丟包就可能使圖像出現馬賽克現象。
　　
　　（4）時延抖動：指時延的變化，有些業務，如流媒體業務，可以通過適當的緩存來減少時延抖動對業務的影響；而有些業務則對時延抖動非常敏感，如語音業務，稍許的時延抖動就會導致語音質量迅速下降。
　　
　　（5）誤包率：指在網絡傳輸過程中報文出現錯誤的百分比。誤碼率對一些加密類的數據業務影響尤其大。
　　
　　此外，QoS還可能包含其他一些指標，如網絡可用性等。QoS指標實際上是業務質量的技術化描述，對于不同的業務，QoS缺乏保障時，所呈現出來的業務表象是不同的。
　　
　　目前QoS主要有兩種解決模型：IntServ和DiffServ。
　　
　　IntServ是一種端到端基于流的QoS技術。使用IntServ，從某種程度上說，是采用了電路交換網絡中面向連接的思想。業務的兩端在通信前，需要根據業務類型向網絡提出QoS要求，網絡根據一定的接納策略控制（Admission Policy Control），判定是否接納該業務的請求；假如網絡有足夠的資源可以滿足這個業務的要求，就接納該業務流，同時必須負責保障該業務所申請的資源。通過帶外的RSVP信令建立端到端的通信路徑，沿途的每一個網絡設備都需要記錄每一個業務流的狀態信息——“軟狀態”，并提供相應的資源預留，確保該業務的服務質量。
　　
　　從技術角度講，RSVP在目前的網絡上是一種行之有效的QoS保障方法。但是，由于IP網絡流量模型和業務模型的特點，使得Internet骨干網瞬間要為成千上萬的業務流提供服務，因此粒度為單個流的路徑預留的解決思路在Internet骨干網上無法擴展，這嚴重制約了IntServ在實際網絡中的應用。當然還存在其他一些限制IntServ應用的因素，包括RSVP信令大規模的部署、不同廠商設備之間的互通以及基于業務的治理（認證、計費）等。另外，IntServ需要端到端的全網支持，由于RSVP技術的復雜性，可以說是目前最復雜的IP技術之一，讓目前所有的網絡硬件設備升級支持RSVP是不現實的。
　　
　　同時，RSVP模型實際上是將電路交換業務的理念進行了IP化的翻譯，很大程度上是顛覆了IP開放互聯、逐跳轉發的理念，在和其他IP業務及技術的融合方面存在很多未知的問題。總地來說，IntServ目前的實用性很低。
　　
　　DiffServ是IETF組織在1998年推出的基于DSCP的QoS解決方案，這是一種基于類的QoS技術，主要用于骨干網。使用DiffServ，在網絡入口處根據服務要求對業務進行分類、流量控制，同時設置報文的DSCP域；在網絡中根據實施好的QoS機制來區分每一類通信（依據分組的DSCP值），并為之服務（包括資源分配、隊列調度、分組丟棄策略等，統稱為PHB），DiffServ域中的所有節點都將根據分組的DSCP字段來遵守PHB。DiffServ通過將業務定義為有限的類，可以很好地解決擴展性的問題，同時，由于DiffServ很好地沿襲了IP本身的技術理念。相對而言，很輕易在現有的IP網絡及產品中實現。因此，目前商用網絡中的QoS實現總體上基本都是基于DiffServ模型的。
　　
　　目前，有些人提出將IntServ及DiffServ結合使用，此外，還出現了其他一些QoS技術，如與MPLS技術相結合的MPLS QoS、流量工程（TE，Traffic Engineering）等。
　　
　　吞吐量、傳輸時延、時延抖動和誤包率是常用的QoS參數，不同的多媒體應用對網絡性能有不同的要求，在通信初始，用戶向網絡提交的QoS參數實際上描述了應用對網絡資源的需求，網絡可以此作為對內部共享資源（如帶寬、處理能力、緩存空間等）進行治理的依據。假如網絡資源不能滿足用戶的QoS要求，或者接納一個新的呼叫要侵犯預留給正在進行通信的線路的資源，從而降低這些通信的QoS時，網絡將不接納這個新的呼叫，這種機制通常稱為連接接納控制（CAC，Connection Admission Control）。
　　
　　一旦網絡接納了用戶的呼叫，它就有責任在整個會話過程中保障用戶所提出的QoS要求。因此，網絡要為這個呼叫預留資源，并在通信過程中進行性能監控，動態調整資源的分配，當資源不能保障用戶的QoS要求時，通知有關的用戶，直至終止相關的通信等。上述各種功能構成了網絡的QoS保障機制，目前只有少數的網絡實現了或部分地實現了這些功能。二、集合通信中的QoS解決方案
　　
　　以往的業務都是孤立的，業務不同，采用的標準、系統、終端，甚至基礎網絡等都不同，不同系統之間無法互通，無法互操作，最終造成多個孤立的業務環境，每種業務都只能實現有限的溝通。IP網絡技術的成熟及媒體技術的成熟推動了集合通信的發展。集合通信是基于統一的網絡，由統一的業務支撐系統控制，采用共同的通信組件，運用智能化的多媒體終端，從而實現各種業務的有機結合，實現集語音、圖像、數據等一體化的通信手段。
　　
　　集合通信實現了多種業務對網絡資源的共享，極大地提高網絡應用的效率，從另一個角度，也可以說在IP網絡中引入了各種業務之間的資源競爭。如何協調這些不同業務，正是QoS需要解決的問題。
　　
　　業務是由網絡承載的，離開了高品質的IP基礎網絡，QoS技術無法實現，保證多種業務的服務質量就成了鏡花水月。根據中華人民共和國通信行業標準《IP網絡技術要求——網絡性能參數與指標》中規定：進行多媒體傳輸（視訊業務），網絡性能要求達到1級或1級以上。中華人民共和國通信行業標準《IP網絡技術要求——網絡性能參數與指標》中規定的網絡性能等級參數如表1所示。
　　
　　由于網絡的容量是有限的，所以滿足以上指標的業務流量也是有限的。為此，從網絡的可運營性來說，只有給出滿足以上指標的極限業務容量（等效最大并發用戶數），才能確實保證用戶的服務質量。
　　
　　在高品質的IP網絡基礎上，實施合理的QoS策略，才能真正保證集合通信中所有業務的QoS，見圖1《中國多媒體視訊》第12期。 1. 網絡邊緣
　　
　　主網絡邊緣，最注重的工作就是進行業務識別及分類標記，流分類經常和接納控制策略、流量監控等配合使用。流分類將業務報文映射到某一類業務中，接納策略控制（Admission Policy Control）決定了該業務的QoS請求是否可以/應該得到滿足，流量監控則對各業務流進行監控，確保其沒有濫用網絡資源。
　　
　　在實際操作中，可以在邊緣路由器上簡單地將IP數據包是否來自于特定的業務終端（如視頻會議終端、MCU）作為數據流分類的依據，對其業務報文進行特定的優先級標記。但是對于集合通信環境，多種特征完全不同的業務流共享同一網絡資源，簡單的流分類措施很難滿足要求，尤其是很多業務可能都是基于80端口。這樣，就要求基礎網絡具備很強的業務感知能力，大致可分為以下幾個方面。
　　
　　深度報文分析：能對IP報文任意層次和字段全解析；
　　
　　深度行為分析：能對業務連接和狀態進行分析；　深度流分析：能對業務流內容進行深度分析。
　　
　　通過對業務報文的深度分析，結合業務行為等，可以動態智能地標識業務流，從而為后續的QoS調度操作打下基礎。 2. QoS策略中心
　　
　　對業務進行識別及分類標記后，接下來的工作就是根據預訂的策略采取相應的動作。實際上接納控制策略是QoS策略的一部分，對于有些業務，是合法的，并且是需要優先保障的，如語音、視頻業務等，應對這類業務接納，并標以高優先級，甚至進行適當的資源預留；對于有些業務，如BT業務，根據策略可能是要拒絕的，則直接指示網絡設備將其報文丟棄；對于另外一些業務，如上網業務，則給予通行，但要根據現有的網絡資源狀況對其進行一定的限制。
　　
　　QoS策略控制不僅僅局限于在網絡邊緣的接納控制等，同時還指導核心層的調度處理策略，并根據網絡狀況的變化動態調整策略，同時指示業務系統采取相應的措施。 3. 網絡核心
　　
　　網絡核心根據業務報文中的QoS標記進行有差別的調度處理。一般網絡核心對報文的調度操作主要分為兩類：擁塞治理及擁塞避免。
　　
　　當報文到達網絡設備接口的速度大于接口的發送能力時，即將產生擁塞；擁塞發生時，一般采用隊列調度的技術來解決，每一種隊列調度技術都用來解決特定的問題，都會對網絡性能產生特定的影響；VRP目前提供的隊列調度技術包括FIFO、PQ、CQ、WFQ、RTP實時隊列、CBWFQ/LLQ。
　　
　　擁塞避免用來監控網絡負載，預見并避免擁塞的發生，擁塞避免一般通過丟包技術來實現。一般核心網提供多種擁塞避免機制來滿足不同的應用，包括尾丟棄、RED、WRED。
　　
　　擁塞避免和擁塞治理機制是緊密聯系在一起的，對于每一種隊列調度技術，都可以采用相應的丟包機制與之配合；擁塞治理和避免是所有路由器必須提供的PHB。
　　
　　業務的服務質量還不僅僅取決于網絡本身的傳輸，還與業務系統設備（如視頻終端、MCU等）能夠提供的功能和性能有關。如有些視頻終端，可以根據網絡的帶寬情況，自動調整其發送帶寬，當發現網絡帶寬不足時，自動選擇帶寬需求更小的編碼方式。在集合通信中，基礎網絡除了需要具備深度業務感知的能力，還需要能夠與業務系統形成聯動。當網絡中某個設備的狀態發生變化，引起資源緊張時，這些信息上報給策略中心，策略中心判定這些變化是否會影響當前的業務，以及這些影響是否可以通過網絡本身的調節消化。假如出現網絡本身無法處理的影響，就需通知相應的業務系統，以便做出相應的調整，如降低發送帶寬，申請更多的緩存資源等。
　　
　　可見，對于集合通信，單純依靠業務系統本身或是基礎網絡，都是無法真正保障高質量服務的，只有實現基礎網絡與業務系統的有機融合，才能有效合理地利用網絡資源，保障各種業務的質量。三、結語
　　
　　真正的QoS解決方案應該是一個系統工程，涉及的不僅僅是IP網絡設備和業務系統，還包括以下幾個方面。
　　
　　線路質量：線路質量會直接影響丟包率及誤包率，在多媒體業務中，這些問題引起圖像馬賽克、圖像抖動、聲音斷續等問題；另外二者又可能引起報文的重傳，進一步惡化網絡質量。
　　
　　網絡規劃：如合理地規劃網絡拓撲，提高網絡動態調節能力，盡可能縮短業務流從源到目的端的跳數等；合理地規劃IP地址，進行路由收斂，為某些高等級業務設置路由直通等。
　　
　　凈化網絡應用：有些網絡應用可能不負責任地濫用網絡資源，如一些惡意網站或網絡游戲；另外，網絡病毒、蠕蟲等破壞型應用對網絡的沖擊很大，嚴重影響其他業務的正常應用。
　　
　　此外，網絡中各種業務的服務質量還取決于業務運營模式、監管策略等非技術因素。進入討論組討論。

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