一．引言

一般來說，基于存儲轉發機制的Internet(ipv4標準)只為用戶提供了“盡力而為(best-effort)”的服務，不能保證數據包傳輸的實時性、完整性以及到達的順序性，不能保證服務的質量，所以主要應用在文件傳送和電子郵件服務。隨著Internet的飛速發展，人們對于在Internet上傳輸分布式多媒體應用的需求越來越大，一般說來，用戶對不同的分布式多媒體應用有著不同的服務質量要求，這就要求網絡應能根據用戶的要求分配和調度資源，因此，傳統的所采用的“盡力而為”轉發機制，已經不能滿足用戶的要求。為了解決在Internet等計算機網上高質量地傳輸多媒體信息地問題，美國于1996年底，開始了以提高網絡服務質量研究為核心底InternetⅡ以及NGI（下一代Internet）等研究項目。IETF（Internet Engineering Task Force）也成立了專門的工作小組來研究多媒體服務質量的定義和相關的標準。

網絡服務質量（quality of service，簡稱QoS）是網絡于用戶之間以及網絡上互相通信的用戶之間關于信息傳輸與共享的質的約定，例如，傳輸延遲答應時間、最小傳輸畫面失真度以及聲像同步等。在Internet等計算機網絡上為用戶提供高質量的QoS必須解決以下問題：

1. QoS的分類與定義。對QoS進行分類和定義的目的是使網絡可以根據不同類型的QoS進行治理和分配資源。例如 ，給實時服務分配較大的帶寬和較度的CPU處理時間等，另一方面，對QoS進行分類定義也方便用戶根據不同的應用提出QoS需求。

2. 準入控制和協商。即根據網絡中資源的使用情況，答應用戶進入網絡進行多媒體信息傳輸并協商其QoS。

3. 資源預約。為了給用戶提供滿足的QoS，必須對端系統、路由器以及傳輸帶寬等相應的資源進行預約，以確保這些資源不被其他應用所強用。

4. 資源調度與治理。對資源進行預約之后，是否能得到這些資源，還依靠于相應的資源調度與治理系統。

二．QoS現狀及相關技術

現在，IP網絡如何提供服務質量QoS支持這一問題現已成為業界關注的焦點。對于由QoS控制來實現QoS保證，國際上不同組織和團體提出了不同的控制機制和策略，比較聞名的有：

1) ISO/OSI提出了基于ODP分布式環境的QoS控制，但至今仍只停留在只給出了用戶層的QoS參數說明和變成接口階段，具體實現QoS控制策略并未提出；

2) ATM論壇提出了QoS控制的策略和實現，ATM控制是“連接預定”型（connection and reservation），它的核心內容是在服務建立之前，通過接納控制和資源預留來提供服務的QoS保證，而在服務交互的過程中，用戶進程和網絡要嚴格按照約定的QoS實現服務QoS保證；

3) IETF組織也已經提出了多種服務模型和機制來滿足對QoS的需求，其中比較典型的有：RFC2115，RFC2117以及1998、1999年提出的RFC26xx系列中的綜合業務模型（Int-Serv）、差分業務模型(differentiated services)、多協議標簽MPLS技術(Multi-PRotocol Label Switching)、流量工程(traffic engineering)和QoS路由(QoS-based routing)等均用于解決Internet網絡的QoS控制和治理。

以下就一些比較典型的模型作簡單的介紹。

綜合業務模型（Int-Serv）主要引入了一個重要的網絡控制協議RSVP（資源預留協議），它不是路由協議，但是需要與路由協議一起使用。RSVP的引入使得IP網絡為應用提供所要求的端到端的QoS保證成為可能，但為了支持這種能力，數據包所經過的每個網絡元素（子網和IP路由器）都必須能夠支持RSVP控制服務質量的機制。RSVP資源預留方式與異步轉移模式（ATM）中資源預留方式有兩個不同之處：第一，RSVP是一種面向信宿端的協議，由信宿端來描述資源需求；而ATM是由信源端來要求資源預留。第二，RSVP中保留的是“軟狀態”，需要周期性的更新；而ATM保留的是“硬狀態”，通信期間不改變。

綜合業務模型的這種利用RSVP全程信令將原本面向無連接的IP網絡改為面向連接的網絡的方法存在著許多致命的缺陷，使得原本欲提供的端到端全程QoS保證，實際上是很難實現的，原因有二：

綜合業務模型下的預留狀態信息是與業務流的個數成正比的，這使得路由器的負擔會隨著網絡的擴大、業務流的增多而加重，網絡的擴展性不好。

綜合業務模型中的每個路由器都要支持RSVP控制協議，為業務流保持狀態信息，這對路由器的實現要求太高。假如有一個中間路由器不支持RSVP控制協議，雖然RSVP仍可透明通過，但服務質量仍不能保證。

針對這些確定，IETF組織指定了一個相對擴展性較強的方案，來保證IP網絡的服務質量QoS，這就是差分業務模型。差分業務模型主要是重新利用了IP數據包頭中的服務類型（ToS）字段（改為DS域），使得對RSVP網絡控制協議的使用僅局限在用戶網絡一側，而將骨干傳送網從RSVP中解脫出來。骨干網中的核心路由器只需檢查數據包中的ToS字段判定業務的類別，再為不同的業務提供不同的QoS保證策略，這種模型并不提供從信源端道信宿端的全程QoS保證，而將QoS限制再不同的域（Domain）范圍內加以實現，不同域之間應有一定的約定和標識的翻譯機制。

多協議標簽交換（MPLS）是時下最熱門的技術之一，它將靈活的三層IP選路和高速的二層交換技術完美地結合起來，從而彌補了傳統IP網絡地許多缺陷。它引入了新的標簽結構，對IP網絡的改變較大，引入了“顯式路由”機制，對QoS提供了更為可靠的保證。

對IP網絡提供QoS支持的發展動向可作如下的總結：從“經歷而為”走向“綜合業務”；從“無狀態”道“面向流的軟狀態”；從服務的“先進先出策略”道“多隊列機制和面向業務的調度策略”；從數據轉發的“軟件交換”到“硬件交換”。

三．存在的問題及相關的研究方向

問題一

以上這些傳統的QoS模型基本上是由通訊系統的網絡層完成的，并在傳輸服務中引入QoS控制來提高QoS。然而在分布式每題計算環境中，由于全局的QoS依靠于網絡各部分的QoS，因此問題之一就是必須提高系統的每一層的QoS保障，亦即端到端系統必須能治理參與傳輸服務的每一層（從服務層到網絡層）。為了達到以上目的，有人就提出了一種基于CORBA的分布式多媒體服務的QoS治理模型。當用戶提出他要求服務的多媒體QoS參數的規格說明，系統首先將用戶的QoS請求參數映射為系統的QoS參數，然后通過協商與再協商QoS的方式進行系統和網絡的介入控制，一旦接入成功，系統就開始為用戶提供多媒體服務。在服務過程中，系統應能隨時監控網絡和系統的性能狀況，假如出現了網絡擁擠致使服務質量下降，就可以采取降級服務的方式繼續為用戶提供服務，或停止服務。它具有層次性、互操作性以及分布式等特點，是一種便于開發和維護的分布式多媒體服務系統，具有良好的應用前景。但在該模型中，QoS參數映射和QoS參數協商與再協商的系統開銷較大。QoS參數映射既要考慮多個多媒體服務請求合一的策略問題，又必須謹慎地對待它的反問題。在多媒體服務開始之前，必須進行QoS參數協商，在服務過程中，一旦系統或網絡地性能發生重大變化（如：網絡的有效帶寬增加了10M），又要根據需要進行QoS參數的再協商。頻繁地協商與再協商會降低網絡性能，對于這一問題，系統可以提供一種策略來控制協商發生地頻率，或直接把這個選擇權利交給用戶。

問題二

目前，許多有關支持QoS的研究主要著眼于調度、擁塞控制和資源預留，而對 QoS路由研究得很少。當前Internet中的路由算法主要是保證基本的連通性，路由協議是基于單一度量(metric)優化，難以滿足多樣的QoS需求，在設計能夠支持實時通信或多媒體應用QoS保證的網絡時，必須考慮五個方面的問題：流規范、路由、資源預留、分組調度和接納控制。目前已經提出了許多方法來支持在通信系統級別提供確保的性能，它們均采用面向連接和面向預留的方法。預留協議（如RSVP）支持每一個連接的QoS保證，例如最大延遲和丟失率。這些參數在連接建立階段進行協商，假如可用資源不能保證所需的QoS，請求將被拒絕，目前大部分支持QoS保證的連接建立協議，一般都執行下列步驟：

（1）從選定路由的第一個結點開始，發送預留請求，以預留支持新連接所需的資源。

（2）當中繼結點接收到預留請求時，它檢查是否有足夠的資源以支持請求的QoS，假如有足夠的資源，則將預留請求發送下一個結點；否則，將拒絕報文發送回源結點，并且前面的結點必須釋放了它們預留給該請求的資源。

（3）當目的結點接收了預留請求，它必須評估被選路由上不同結點所支持的QoS，以驗證端到端的QoS（如延遲等）是否保證。

（4）假如端到端的QoS不能保證，發送拒絕報文至源結點，而且各結點解除預留資源，否則，將帶有生育QoS（即提供的QoS減去請求的QoS）的證實報文發送回源結點。

上述這些方法有著共同的缺點，那就是它們都假定通信實體間的路由初始時是已知的，當源與目的結點之間只有一條路由時，這種假設當然是合理的，但假如存在著多條路由時，由于在建立連接時必須進行多次重試操作，將導致阻塞概率上升，而成功建立新連接的概率將下降。因此，應當讓路由選擇與QoS支持相關聯，在連接建立之前降低重試的次數，并且，合適的路由選擇機制將使高速網絡的資源利用率最大化，并降低每一網絡的沖突。

我們把根據網絡上可利用資源和流（flow）的QoS需求決定流的路由的機制稱為QoS路由（QoS-based routing）。QoS路由應能達到一下目標：

（1）動態確定可行路徑；

（2）優化資源利用；

（3）對性能影響盡可能小。

更進一步，大部分交互式多媒體應用是多方應用（multi-party applications），需要網絡的多點投遞支持。假如能通過有效的方法找出既滿足應用的QoS需求，又具有最小代價的路由，再利用上述的連接建立規程和資源預留協議，則阻塞概率將大大降低，同時頁將顯著提高網絡的利用率。因此從這個意義上講，一個優化的QoS路由選擇策略顯得格外重要，它是實現QoS保證的要害之一，也是目前關于QoS的一個重要的研究方向。

問題三

建立一個適用于QoS路由機制的網絡模型，是選擇并計算合適的路由尺度和路由信息的要害，網絡的帶寬和緩存能力是減少端到端延遲的決定因素，合適的調度、接納和路由機制是保證不同服務質量需求、平衡網絡伏在的必要措施。前面所講的方法都是網絡通過對各類業務的數據包的區別對待實現與業務不同需求相適應的QoS，其中對延時、抖動或丟失率敏感的業務，其數據包將得到相應的優先處理，而對傳統的數據業務一般仍采用Best－Effort原則進行傳輸，這樣做存在著一個潛在問題，那就使在網絡出現擁塞時，高QoS要求的業務會產生對低QoS要求的業務（如采用Best－Effort原則傳輸的數據業務）的“排擠”，手“排擠”的數據包將會在一段時間內滯留于網絡中并進行不斷重傳，進一步加劇網絡的擁塞。對于這一問題，簡單的解決方法是為不同業務分配一定的網絡資源，但是這將影響網絡資源的利用率。所以更進一步的，可以根據各類業務對資源的實時需求情況動態的調整網絡資源在不同業務間的分配，這樣可以達到充分利用資源和平衡各類業務需求的目的。

問題四

目前還有一個問題是，要建立一個支持QoS保證的分布式系統必須建立統一的QoS框架，這個框架包括QoS體系結構和統一的QoS說明分類，其總QoS體系結構完成把復雜的資源對象結合起來，依次來建立復雜高效的分布式系統；而QoS說明分類是在具體研究QoS參數和它們之間的相互關系的基礎上，建立統一的QoS參數，具體定義QoS參數的含義、表示、度量單位和相互關系，最終使得在分布式的各個系統資源組件之間，在QoS層面上進行統一的轉換------即QoS映射。這樣建立的基于QoS框架將是下一代分布式多媒體和實時系統的基礎。于是，人們越來越關注QoS的分類技術，對各類別的QoS參數進行統一分類，來簡化QoS說明分類，使得QoS的映射得到簡化和易于實現，從而為建立統一的異質分布式多媒體和實時系統打下基礎。