IP网络及其QoS技术发展研究(上)

摘要　目前IP QoS已成为业界广泛关注的热点，本文系统地论述了IP QoS的有关问题，并试图从不同角度分析其体系结构、业务需求和保障机制，进而给出了对IP QoS发展的一些观点，同时也对电信网络的发展提出了相应的看法。

关键词　服务质量　集成服务　区分服务　多协议标记交换

1、IP QoS研究背景

随着分组传送技术和软交换概念的引入，电信核心网络将经历完全不同于以往单纯语音交换网的巨大变革，同时数据业务的IP化、承载需求的多样化也对下一代核心网络承载技术提出了更高的要求。因此包括对服务质量(QoS)的研究在内，所有对IP网络研究的目的基本集中在：希望既采用IP技术，又要能达到现在电信网络的水平，或者说试图完全用IP技术来改造现在的电信网络。

从理论上讲，分组交换技术能够综合实时业务与非实时业务、宽带和窄带业务，是实现电信业务综合的最佳技术。IP技术作为分组传输的一种，采用了不面向连接的工作方式，简化了信令，又克服了为端到端连接提供资源保证而带来节点设备复杂化的问题，自产生以来获得了极为广泛的应用，IP技术也被业界认为是下一代核心网络的主要承载技术。但必须承认，传统的IP技术在QoS方面还存在较多缺陷，由于业界的愿望与自身不足之间的矛盾，使得IP QoS问题倍受关注，并提出了电信级IP网络等一些新的概念。

目前许多专家倾向认为下一代网络是以基于IP分组的数字通信技术为核心技术的综合通信网络，但前提是必须对目前的IP技术进行改进，其中要改进的一个重要方面就是可以满足未来核心网络的QoS要求。这是一个重要和关键的命题，要让这个命题成立，QoS问题必须澄清。本文试图抛开对IP技术的主观愿望，从具体实现机制客观分析其对电信级QoS的满足程度，进而对网络发展提出一些认识。

2、IP QoS体系结构与影响因素分析

2.1　IP QoS具体指标

QoS从概念上来说，可以看作是为一项或一类网络业务而定义的一组网络性能参数。IP QoS则是指数据包在网络传输中得到的服务质量，其研究目标是有效地为用户提供端到端的服务质量控制或保证。QoS并没有创造带宽，只是根据应用程序的需求以及网络状况来管理带宽。

IP QoS有一套性能参数，主要包括：

* 可用性：用户与网络连接的可靠性。

* 传输延迟：两个参照点之间发送和接收数据包的时间间隔。

* 可变延迟：也称为延迟抖动，指接收的一组数据流中数据包之间的时间差异。

* 吞吐量：网络中发送数据包的速率，可用平均速率或峰值速率表示。

* 丢包率：在网络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率。数据包丢失一般是由网络拥塞引起的。

一般在QoS保证的实现中，可以根据具体应用的不同要求将这些参数组合起来构成不同的服务等级。

2.2　下一代核心网络主要承载业务与QoS需求

根据时延和可靠性的敏感程度，对有代表性的业务所需QoS级别进行分类。

2.3　IP QoS影响因素分析

针对以上QoS具体指标，结合业务需求分析现网中的主要QoS表征，当前影响IP技术作为下一代网络核心的主要因素如下。

2.3.1　丢包率

当网络健康状况下降时，分组包频繁丢失造成控制层不断发起重传，一方面所承载业务的用户感受显著下降；另一方面会使得网络整体负荷有较大增加，对所承载的其他业务造成冲击。其形成原因有两点：一是物理传输过程中的误码，这种情况发生的概率极低；另一个是传统IP技术不能保障业务带宽造成的，而且越是当网络流量拥塞时，影响更为强烈，其发生概率也就越大。

2.3.2　可变时延

即抖动，它会对语音、视频流等实时业务造成较大影响，严重时甚至会造成业务质量无法被用户接受。其形成原因可能是IP网络路由状态频繁变化，使得各数据包分别经由不同物理路由到达；网络节点流量超忙，数据包在各节点缓存时间过长，使得到达速率变化较大。在核心网络中，后一种情况更为常见。

2.3.3　业务时延

测试结果表明，如果网络中数据包的整体到达速率较为稳定，即使对于语音等较为敏感的实时业务，在传输时延较大时仍能维持相对较好的用户感受。影响时延的因素主要有：物理传输时延、包处理时延和缓存排队时延，前二者相对稳定，而后者是造成抖动的原因之一。

2.3.4　业务带宽

对于未来核心网络中的承载业务而言，其对带宽的需求分为两类：一类以背景类业务为代表，对总体时延和抖动等实时指标并不敏感，只关心在单位时间内能否将数据送达接收方，其体现在带宽需求上就是平均带宽；另一类以交互式业务为代表，对抖动等实时指标敏感，强调尽可能保障其最大带宽需求。

针对不同数据业务，将满足用户需求的最小带宽称为该业务的等效带宽需求。由于数据业务多种多样，在计算其等效带宽需求时应考虑对不同业务的通用性和可扩展性。具体而言，则是针对不同业务时延容忍程度和重要级别对最小带宽需求进行调节，通过调节系数Φ实现。其等效带宽可以由以下数学表达公式来估算：

BWeffective=TH平均+Φ×(TH最大-TH平均)

BWeffective为业务的等效带宽，TH平均为业务要求的平均吞吐量，TH最大为业务要求的最大吞吐量，Φ为与业务时延和重要级别相关的参数，该值由运营商来确定，取值范围从0到1。业务时延要求越高则Φ值越大，业务的突发性强也需要较大的Φ值。Φ值越大系统为该业务预留的资源越多，保证业务的QoS的可靠性越高。高可靠性的代价是能同时被接纳服务的业务和用户数的减少。当然如果业务要求的平均吞吐量等于最大吞吐量，这个参数将不起作用。

数据业务速率自身具有突发性和波动性。如果以业务平均吞吐量做为业务的等效带宽，可以看到在大多数时候，即时速率高于平均吞吐量的数据部分(图中的"峰")都能在较短的时间内被传送出去(在与"峰"紧邻的"谷"内)。形象的说法就是大部分"峰"都能填在紧随其后的"谷"里，如图中"峰"②、"峰"③、"峰"④，这样业务的吞吐量要求和时延要求都能满足，但对于"峰"①、"峰"⑤就不能被及时传送。又因为IP网络不执行逐跳的转发接收确认，不能及时传送的数据将被网络丢弃，从而引发上层协议的重传，进一步增大系统负载和时延，恶化系统性能。

对于波动性比较强、优先级比较高的业务选择比业务平均吞吐量高一些的值作为业务的等效带宽就可以避免上述问题。从图2可以清楚看到，被实线截的"峰"都能被紧随其后的"谷"所容纳，从而在网络层解决所带来的延迟、抖动、丢包等问题。

从以上分析中不难发现，对于不同数据业务，保障IP QoS的核心思想实际就是根据其自身业务特点，合理选择业务的等效带宽需求，并通过一定的机制在网络层保障实现其带宽需求。

2.4　业务带宽保障机制

保障数据业务实现带宽需求的思路有两个：一种思路寄希望于承载资源的极大丰富，不断扩大节点处理能力，也就是"当道路建设无限加宽时，车队到达速度将得到保障"，这种思路是从宏观的角度分析业务与资源之间的关系，其思想本质是从全网角度提高数据业务的平均带宽需求，从而提高业务服务质量。但其不足是在时间和空间上都对各类业务带宽需求进行了统计平均，不保障忙时、忙区域的业务服务质量，实际只是使业务满足QoS的概率得到了提高而已。另外该思路忽视了业务之间的服务等级差别，提高所有业务的平均带宽必然使得网络建设成本大为上升。

另一种思路则是试图在IP网络中提供一种带宽分配机制，不论是针对每个具体业务流的带宽资源预留，还是针对不同业务等级的优先转发机制，都是带宽分配机制的一种体现方式，这也是目前集成服务(IntServ)和区分服务(DiffServ)模型QoS机制的基本思想。

本文将重点对第二种带宽保障思路进行探讨。

作者：袁捷　张同须 来源：中国联通网站