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宽带城域网服务质量的设计与实现(二)
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3.3接入层网络
城市接入网络应具有高度的可靠性、灵活方便的扩展能力、完备的接入手段扩展能力。城市接入网络需在整体上考虑IP优化。IP优化至少包括如下几个要素：
（1）网络结构的IP优化：网络体系结构以IP为设计基础，体现在网络层的层次化体系结构，可以减少对传统传输体系的依赖。
（2）IP路由协议的优化：IGP（多为IS-IS/OSPF）路由只用来建立骨干路由器之间的路径，确保骨干路由器之间的通道的畅通和可靠。Internet路由和用户路由信息根本上加入路由计算，以确保骨干稳定。若为了实现MPLS VPN QOS建议采用MP-BGP作为ISP的PE设备之间的路由协议，用来在ISP的骨干网中分布VPN的路由信息，而MPLS被用来将VPN业务从一个VPN站点转发到另一个VPN站点；在与外网互联上建议采用BGP4外部网关路由协议，如果Internet互联，可采用ISP分配的自治域号或采用Internet保留自制域号；如果与其他非Internet互联，建议采用Internet保留自制域号。
（3）IP包转发的优化：适合大型、高速宽带网络和下一代因特网的特征，提供高速路由查找和包转发机制。
（4）带宽优化：在合理的QoS控制下，最大限度地利用光纤的带宽
（5）稳定性优化：最大限度地利用光传输在故障恢复方面快速切换的能力，快速恢复网络连接，避免路由表颤动引起的整网震荡，提供符合高速宽带网络要求的可靠性和稳定性。
在多服务接入层，我们主要关心的是不同的用户应该提供不同服务质量的服务，针对不同的用户（不同的服务质量的服务）收取不同的费用。在宽带多媒体网络中，用户大致来自下面几个方面：首先是信息源用户，这些用户希望向广大的宽带多媒体网络的用户提供信息服务，其接入方式也是多样化的，包括高速的10/100Mbit/s接入，甚至1000mbit/s接入；其次是广大的IP上网用户；再者是广大的企事业单位，他们可通过光纤用局域网接口方式进入宽带多媒体网络，这部分用户主要是利用宽带IP骨干网提供多媒体的传输服务，IP的服务质量保证服务，VPN/VPDN即虚拟专网或虚拟拨号专网等服务，这部分用户是最活跃的，对新技术、新服务是容易接受的。
对于宽带城域网，主要提供10/100/1000Mbit/s宽带接入，它是宽带IP骨干网主要的业务接入，它主要有两种形式：第一种，提供10/100Mbit/s接口可直接接入用户路由器10/100Mbit/s以太网口。这样，通过IP隧道等技术可实现VPN（虚拟专网）功能，并且可实现对ISP的访问；第二种，提供10/100Mbit/s接口直接接入用户LAN交换机。对于同一用户在不同交换机的LAN的接入，即跨宽带IP骨干网的用户的数据传输可使用VPN技术及路由器的安全技术，保证数据传输的安全。至于同一用户在同一交换机的LAN接入，只需在交换机本地进行LAN的划分，即可保证数据的安全传输。
宽带城域网可以根据各核心节点周边用户量的多少选择不同档次的交换机，二层或三层交换机，它们都可提供大量的10/100Mbit/s的接口，并具有强大的端口扩充能力，便于用户直接以LAN方式大量接入。
3.4IP Multicast技术的实现
在传统的IP网络中，从一台服务器送出的每个数据包只能传送给一个客户机，如果有另外的用户希望顺路获得这个数据包的拷贝是做不到的。这种工作方式要求每个用户必须分别对信息源服务器（如视频服务器）发送单独的查询，而信息源服务器必须向每个用户发送它们自己申请的数据包拷贝。这种巨大冗余的代价首先在于信息源服务器负担过重，对用户的响应时间过长；其次是IP网络业务提供者被迫购买本来不必要的硬件以及增加带宽来保证一定的服务质量。
解决的办法是构建一种具有多播（Multicast）能力的IP网络。IP多播（IP Multicasting）技术允许路由器一次将数据包复制到几个通道上，也就是说，采用多点广播技术，一个服务器可以向一组终端用户发送单一的多媒体信息流，而无需同时向每个目标站点发送一个数据拷贝，从而减少引起网络拥塞的可能性。采用多点广播方式，单台服务器能够对几十台桌面终端同时发送单一的连续数据流而无时延，最新的IP多点广播技术可以让多点广播服务器做到检测和重发个别终端用户未接收到的数据包，从而每一终端用户的需求。
4 网络业务的QoS的设计和实现
4.1IP话音服务
随着人们在工作和日常生活中对信息需求的迅速增长，Internet迅速发展成为全球性的数据传输网络。人们可以非常方便地与世界其他地方的人通过Internet联络。在Internet上传输多媒体信息的试验在多年前就已开始进行。IP网上传输多媒体信息包括话音的标准也不断得到完善。目前，在IP网上传输话音的技术已进入实用阶段。
传统的话音业务经过几十年的发展，已经非常成熟，并且开发出了许多附加业务。话音通信是人们日常通信的主要手段，但是电信资费仍然较为昂贵。这样，使用Internet或其他IP网络传输话音成为一种极具竞争力的手段，这就是潜力巨大的IP电话市场。在为最终用户带来巨大的商业机会，因此，在宽带城域网中，IP电话服务是一个重要的网络增值服务。
不同于其他的数据应用，话音业务对时延非常敏感。高质量的话音业务是对于谈话的真实再现，包含了与说话人同样的口气、音调、停顿等等感性成分。信号分组的长时间、变化着的时延，轻微一些可能造成令人听起来不自然的语音语调，严重一些会直接影响甚至改变人们交流的结果。如果信号分组丢失，带来的会是时断时续的声音和极低的话音质量。
处理时延及网络阻塞的一类有效方法是为重要的应用增加额外的带宽，虽然对于主干网络来说是简单可行的，但对于接入网来说，这类方案需要极高的成本。最好的解决方案是在顾客前端、接入点、管理时延以及阻塞的骨干网络上实施不同的机制，例如为不同类型的传输建立不同的属性，这样做不用增加额外的带宽。这类设备可以对不同的应用采取不同的优先级，从而把时延和阻塞降低到最小程度，而无需额外的带宽占用。
话音压缩在IP承载中极为重要，一方面是因为IP分组传输常常是基于低速的链路；另一方面也能有效地节约带宽。依照ITU G.723.1的话音压缩标准，将有可能保证话音在IP上传输的质量。电话质量的语音信号压缩编码的主要标准有G.711、G.721、GSM、CTIA和NSA，分别对应64、32、16、13.8、4.8和2.4kbit/s的传输速率。
设备采用H.323的VOIP的技术，通过G.729话音压缩将64kbit/s语音压缩成8kbit/s，并通过IP的队列RSVP的方式保证语音的传输质量。
4.2IP视频服务
会议电视、远程教学、远程医疗等网络增值业务，均需要网络提供高质量的IP视频传输。DWDM交换，可充分保证基于MPEG-2/MPEG-4的视频数据实时性传输，并采用IP Multicast技术实现基于IP视频数据流多点传送，从而为宽带城域网实现基于IP视频的多种增值业务提供了一个新的高效途径。
4.3LAN数据传输服务
IP是目前最为普遍的数据业务形式，绝大多数行业单位均采用IP交换技术组建内联网。宽带城域网采用IP技术组建骨干网，可以十分方便、高效地实现多个企业网互联，成为宽带城域网一个重要的网络增值服务。
4.4VPN业务接入
在进行企业网之间的互联时，网络管理与安全性是一个十分重要的问题。目前，各种业务服务商普遍采用VPN技术解决这些问题。在我们构建宽带城域网时，将提供完善的VPN业务接入能力。在宽带城域网建成以后，将为其他单位、组织及个人用户提供网络服务。让他们可以通过宽带城域网互连。而企业或组织的各分支机构有自己的小网段，地理位置可能是分散的，他们接入到宽带城域网后，可以组织在同一个逻辑的局域中，在此逻辑局域网内的用户可以相互访问，就像在一个物理的局域网中一样（即各个分支机构小网段上的用户可透明地通过宽带城域网而相互访问），而不同逻辑局域网之间的访问会受到限制，以提高各逻辑局域网内用户的安全性。
利用VPN技术和以太网或长距以太网接入，为企业/学校提供高速而廉价的企业联网解决方案。利用其他运营商的IP电话长途网和多种业务多种接入，提供真正的话音/数据/视频合一解决方案。MPLS QoS和IP多播能力将是多媒体应用的保证。
4.5MPLS QoS的实现
MPLS变得如此引人注意的原因是由于这个协议提供了服务质量（QoS）和流量工程（TE）控制的能力。采用QoS和TE后，网络的使用状况将出现独特的改进。
MPLS的QoS实现是由LER和LSR共同完成的。在LER上进行IP包的分类，将IP包的业务类型映射到LSP的服务等级上，在LER和LSR上同时进行带宽管理和业务量控制，从而保证每种业务的服务质量得到满足。
IP包在进入MPLS域之前，MPLR将会根据IP包所携带的信息将其分成不同的类别。LER对IP包进行分类后，将 IP QoS映射成ATM的QoS。QoS的参数以Traffic Parameter的形式体现在建立LSP的Request信令消息中，每个LSR在收到Request消息后都会根据Traffic Parameter TLV中的参数做连接接纳控制，为特定的业务预留特定的资源。下面以CR-LDP信令方式为例，分析MPLS是如何支持IP QoS的。
CR-LDP采用显式路由方式建立LSP，需要建立LSP的LER发送请求消息。Request消息中携带FEC（转发等价类）、ER-HOP（显式路由信息）和QoS参数Traffic Parameter TLV等。
Request沿着ER-HOP指明的路径向下游节点发送，下游所有节点都会根据Traffic Parameter TLV中携带的参数做CAC，为特定QoS要求的LSP预留出资源。Request一直发送到出口LER，出口LER返回一个Mapping消息，Mapping消息通知入口LER，保证每条LSP得到所申请的网络资源。
因此Traffic Parameter TLV是实现ipQoS的关键因素，在这个TLV中承载了LSP所要求的QoS参数，入口LER根据IP包携带的信息将IP包分类，然后将该类业务对于网络资源的要求映射到Traffic Parameter TVL的参数中，向网络节点申请资源。
最终，Traffic Parameter TLV携带的参数会映射到ATM的批参数中，然后通过ATM硬件资源，主要是UPC、CAC、Queue实现对用户申请资源的分配，进而保证IP业务的QoS。IP业务转换成ATM业务后，链路层的控制机制完全与ATM一样，进入了ATM流量控制机制。
5 结束语
QoS在城域网的建设和运营中有着举足轻重的作用，它关系到网络运行质量的高低和业务的开展，在宽带城域网建设很热的今天，显得尤为重要，我们一定要把它放在首要的位置加以考虑和实施。尽管目前城域网QoS还有很多问题没有解决，但是只要努力学习，勇于实践，把新技术应用好，可以相信在不久的将来，服务的质量和级别将迅速提高，使更多的用户群可以享用到功能更为丰富和质量更高的服务。
摘自《中国数据通信》2002.9
城市接入网络应具有高度的可靠性、灵活方便的扩展能力、完备的接入手段扩展能力。城市接入网络需在整体上考虑IP优化。IP优化至少包括如下几个要素：
（1）网络结构的IP优化：网络体系结构以IP为设计基础，体现在网络层的层次化体系结构，可以减少对传统传输体系的依赖。
（2）IP路由协议的优化：IGP（多为IS-IS/OSPF）路由只用来建立骨干路由器之间的路径，确保骨干路由器之间的通道的畅通和可靠。Internet路由和用户路由信息根本上加入路由计算，以确保骨干稳定。若为了实现MPLS VPN QOS建议采用MP-BGP作为ISP的PE设备之间的路由协议，用来在ISP的骨干网中分布VPN的路由信息，而MPLS被用来将VPN业务从一个VPN站点转发到另一个VPN站点；在与外网互联上建议采用BGP4外部网关路由协议，如果Internet互联，可采用ISP分配的自治域号或采用Internet保留自制域号；如果与其他非Internet互联，建议采用Internet保留自制域号。
（3）IP包转发的优化：适合大型、高速宽带网络和下一代因特网的特征，提供高速路由查找和包转发机制。
（4）带宽优化：在合理的QoS控制下，最大限度地利用光纤的带宽
（5）稳定性优化：最大限度地利用光传输在故障恢复方面快速切换的能力，快速恢复网络连接，避免路由表颤动引起的整网震荡，提供符合高速宽带网络要求的可靠性和稳定性。
在多服务接入层，我们主要关心的是不同的用户应该提供不同服务质量的服务，针对不同的用户（不同的服务质量的服务）收取不同的费用。在宽带多媒体网络中，用户大致来自下面几个方面：首先是信息源用户，这些用户希望向广大的宽带多媒体网络的用户提供信息服务，其接入方式也是多样化的，包括高速的10/100Mbit/s接入，甚至1000mbit/s接入；其次是广大的IP上网用户；再者是广大的企事业单位，他们可通过光纤用局域网接口方式进入宽带多媒体网络，这部分用户主要是利用宽带IP骨干网提供多媒体的传输服务，IP的服务质量保证服务，VPN/VPDN即虚拟专网或虚拟拨号专网等服务，这部分用户是最活跃的，对新技术、新服务是容易接受的。
对于宽带城域网，主要提供10/100/1000Mbit/s宽带接入，它是宽带IP骨干网主要的业务接入，它主要有两种形式：第一种，提供10/100Mbit/s接口可直接接入用户路由器10/100Mbit/s以太网口。这样，通过IP隧道等技术可实现VPN（虚拟专网）功能，并且可实现对ISP的访问；第二种，提供10/100Mbit/s接口直接接入用户LAN交换机。对于同一用户在不同交换机的LAN的接入，即跨宽带IP骨干网的用户的数据传输可使用VPN技术及路由器的安全技术，保证数据传输的安全。至于同一用户在同一交换机的LAN接入，只需在交换机本地进行LAN的划分，即可保证数据的安全传输。
宽带城域网可以根据各核心节点周边用户量的多少选择不同档次的交换机，二层或三层交换机，它们都可提供大量的10/100Mbit/s的接口，并具有强大的端口扩充能力，便于用户直接以LAN方式大量接入。
3.4IP Multicast技术的实现
在传统的IP网络中，从一台服务器送出的每个数据包只能传送给一个客户机，如果有另外的用户希望顺路获得这个数据包的拷贝是做不到的。这种工作方式要求每个用户必须分别对信息源服务器（如视频服务器）发送单独的查询，而信息源服务器必须向每个用户发送它们自己申请的数据包拷贝。这种巨大冗余的代价首先在于信息源服务器负担过重，对用户的响应时间过长；其次是IP网络业务提供者被迫购买本来不必要的硬件以及增加带宽来保证一定的服务质量。
解决的办法是构建一种具有多播（Multicast）能力的IP网络。IP多播（IP Multicasting）技术允许路由器一次将数据包复制到几个通道上，也就是说，采用多点广播技术，一个服务器可以向一组终端用户发送单一的多媒体信息流，而无需同时向每个目标站点发送一个数据拷贝，从而减少引起网络拥塞的可能性。采用多点广播方式，单台服务器能够对几十台桌面终端同时发送单一的连续数据流而无时延，最新的IP多点广播技术可以让多点广播服务器做到检测和重发个别终端用户未接收到的数据包，从而每一终端用户的需求。
4 网络业务的QoS的设计和实现
4.1IP话音服务
随着人们在工作和日常生活中对信息需求的迅速增长，Internet迅速发展成为全球性的数据传输网络。人们可以非常方便地与世界其他地方的人通过Internet联络。在Internet上传输多媒体信息的试验在多年前就已开始进行。IP网上传输多媒体信息包括话音的标准也不断得到完善。目前，在IP网上传输话音的技术已进入实用阶段。
传统的话音业务经过几十年的发展，已经非常成熟，并且开发出了许多附加业务。话音通信是人们日常通信的主要手段，但是电信资费仍然较为昂贵。这样，使用Internet或其他IP网络传输话音成为一种极具竞争力的手段，这就是潜力巨大的IP电话市场。在为最终用户带来巨大的商业机会，因此，在宽带城域网中，IP电话服务是一个重要的网络增值服务。
不同于其他的数据应用，话音业务对时延非常敏感。高质量的话音业务是对于谈话的真实再现，包含了与说话人同样的口气、音调、停顿等等感性成分。信号分组的长时间、变化着的时延，轻微一些可能造成令人听起来不自然的语音语调，严重一些会直接影响甚至改变人们交流的结果。如果信号分组丢失，带来的会是时断时续的声音和极低的话音质量。
处理时延及网络阻塞的一类有效方法是为重要的应用增加额外的带宽，虽然对于主干网络来说是简单可行的，但对于接入网来说，这类方案需要极高的成本。最好的解决方案是在顾客前端、接入点、管理时延以及阻塞的骨干网络上实施不同的机制，例如为不同类型的传输建立不同的属性，这样做不用增加额外的带宽。这类设备可以对不同的应用采取不同的优先级，从而把时延和阻塞降低到最小程度，而无需额外的带宽占用。
话音压缩在IP承载中极为重要，一方面是因为IP分组传输常常是基于低速的链路；另一方面也能有效地节约带宽。依照ITU G.723.1的话音压缩标准，将有可能保证话音在IP上传输的质量。电话质量的语音信号压缩编码的主要标准有G.711、G.721、GSM、CTIA和NSA，分别对应64、32、16、13.8、4.8和2.4kbit/s的传输速率。
设备采用H.323的VOIP的技术，通过G.729话音压缩将64kbit/s语音压缩成8kbit/s，并通过IP的队列RSVP的方式保证语音的传输质量。
4.2IP视频服务
会议电视、远程教学、远程医疗等网络增值业务，均需要网络提供高质量的IP视频传输。DWDM交换，可充分保证基于MPEG-2/MPEG-4的视频数据实时性传输，并采用IP Multicast技术实现基于IP视频数据流多点传送，从而为宽带城域网实现基于IP视频的多种增值业务提供了一个新的高效途径。
4.3LAN数据传输服务
IP是目前最为普遍的数据业务形式，绝大多数行业单位均采用IP交换技术组建内联网。宽带城域网采用IP技术组建骨干网，可以十分方便、高效地实现多个企业网互联，成为宽带城域网一个重要的网络增值服务。
4.4VPN业务接入
在进行企业网之间的互联时，网络管理与安全性是一个十分重要的问题。目前，各种业务服务商普遍采用VPN技术解决这些问题。在我们构建宽带城域网时，将提供完善的VPN业务接入能力。在宽带城域网建成以后，将为其他单位、组织及个人用户提供网络服务。让他们可以通过宽带城域网互连。而企业或组织的各分支机构有自己的小网段，地理位置可能是分散的，他们接入到宽带城域网后，可以组织在同一个逻辑的局域中，在此逻辑局域网内的用户可以相互访问，就像在一个物理的局域网中一样（即各个分支机构小网段上的用户可透明地通过宽带城域网而相互访问），而不同逻辑局域网之间的访问会受到限制，以提高各逻辑局域网内用户的安全性。
利用VPN技术和以太网或长距以太网接入，为企业/学校提供高速而廉价的企业联网解决方案。利用其他运营商的IP电话长途网和多种业务多种接入，提供真正的话音/数据/视频合一解决方案。MPLS QoS和IP多播能力将是多媒体应用的保证。
4.5MPLS QoS的实现
MPLS变得如此引人注意的原因是由于这个协议提供了服务质量（QoS）和流量工程（TE）控制的能力。采用QoS和TE后，网络的使用状况将出现独特的改进。
MPLS的QoS实现是由LER和LSR共同完成的。在LER上进行IP包的分类，将IP包的业务类型映射到LSP的服务等级上，在LER和LSR上同时进行带宽管理和业务量控制，从而保证每种业务的服务质量得到满足。
IP包在进入MPLS域之前，MPLR将会根据IP包所携带的信息将其分成不同的类别。LER对IP包进行分类后，将 IP QoS映射成ATM的QoS。QoS的参数以Traffic Parameter的形式体现在建立LSP的Request信令消息中，每个LSR在收到Request消息后都会根据Traffic Parameter TLV中的参数做连接接纳控制，为特定的业务预留特定的资源。下面以CR-LDP信令方式为例，分析MPLS是如何支持IP QoS的。
CR-LDP采用显式路由方式建立LSP，需要建立LSP的LER发送请求消息。Request消息中携带FEC（转发等价类）、ER-HOP（显式路由信息）和QoS参数Traffic Parameter TLV等。
Request沿着ER-HOP指明的路径向下游节点发送，下游所有节点都会根据Traffic Parameter TLV中携带的参数做CAC，为特定QoS要求的LSP预留出资源。Request一直发送到出口LER，出口LER返回一个Mapping消息，Mapping消息通知入口LER，保证每条LSP得到所申请的网络资源。
因此Traffic Parameter TLV是实现ipQoS的关键因素，在这个TLV中承载了LSP所要求的QoS参数，入口LER根据IP包携带的信息将IP包分类，然后将该类业务对于网络资源的要求映射到Traffic Parameter TVL的参数中，向网络节点申请资源。
最终，Traffic Parameter TLV携带的参数会映射到ATM的批参数中，然后通过ATM硬件资源，主要是UPC、CAC、Queue实现对用户申请资源的分配，进而保证IP业务的QoS。IP业务转换成ATM业务后，链路层的控制机制完全与ATM一样，进入了ATM流量控制机制。
5 结束语
QoS在城域网的建设和运营中有着举足轻重的作用，它关系到网络运行质量的高低和业务的开展，在宽带城域网建设很热的今天，显得尤为重要，我们一定要把它放在首要的位置加以考虑和实施。尽管目前城域网QoS还有很多问题没有解决，但是只要努力学习，勇于实践，把新技术应用好，可以相信在不久的将来，服务的质量和级别将迅速提高，使更多的用户群可以享用到功能更为丰富和质量更高的服务。
摘自《中国数据通信》2002.9
