IP城域网QoS设计探讨

摘　要　IP QoS技术已经被业界公认为解决目前IP网络建设及发展尴尬局面的主要技术之一，也是IP网络走向成熟运营的象征。文中首先简要的回顾IP QoS核心技术体制，接着分析和探讨了当前IP城域网发展过程中遇到的问题，最后着重针对IP城域网如何进行IP QoS实施进行了深入的探讨。

关键词　城域网　QoS　MPLS　RSVP

目前，随着互联网和各种应用业务的迅猛发展，尤其是语音、视频等多媒体业务的迅猛增长，IP网络也由原来单一的数据业务承载要求具备有多业务承载能力。经过业界多年的讨论，IP网络最终已经成为各种业务的统一承载平台，也是实现未来各种网络（NGN、3G等）融合的基石。然而，传统的IP网络是基于开放式架构和尽力而为的基础发展起来的，无法满足当前各种业务类型电信级的要求。针对业务类型的多样化、业务流量/流向的不确定性，如何有效地提供完善的QoS机制成为IP网络成为电信级网络的关键。

本文主要针对IP城域网如何实施QoS进行探讨。IP城域网作为运营商网络最重要的组成部分，也是实施QoS最主要的环节。此外，QoS在某种程度上也可以看作就是一种业务，是运营商对用户实施SLA服务的关键技术，因此对于城域网如何实施QoS十分值得研究。

1　QoS概述

目前，各大标准组织、科研单位及设备厂商等均争相研究的IP QoS技术，运营商为了提高网络运行效率，增加业务收入，在IP网络中也不同程度上部署QoS技术。IP QoS技术包括多个方面的内容，如带宽、时延、时延抖动等，城域网中的每种业务都对QoS有特定的要求，有些可能对其中的某些指标要求高一些，有些则可能对另外一些指标要求高些。在进行城域网QoS设计实施阐述之前，有必要对这些技术进行简要介绍。

1.1　IP QoS关键指标

IP QoS的目标是为用户提供端到端的服务质量保证或控制，根据网络状况以及业务的需求来管理带宽。主要包括如下：

（1）业务可用性：指用户到Internet业务之间连接的可靠性。

（2）传输延迟：指两个参照点之间发送和接收数据包的时间间隔。

（3）延迟抖动：指在同一条路由上发送的一组数据流中数据包之间的时间差异。

（4）丢包率：指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。

（5）吞吐量：指网络中发送数据包的速率，可用平均速率或峰值速率表示。

1.2　IP QoS主要解决方案

IP QoS技术一直在不断发展当中，从目前来看主要的解决方案有：综合业务模型（IntServ），区分业务模型（DiffServ），多协议标记交换＋区分业务（MPLS＋DiffServ）和流量工程（MPLS TE）等。

1. 综合业务模型（IntServ）

IntServ（Integrated Services）模型是IETF在RFC1633上定义的，其基本思路借鉴了传统电路交换的思想，即在通信前首先通过信令协议（RSVP）建立端到端的通信路径以解决QoS问题。

这种模型的优点是能提供端到端的绝对的QoS保证，但由于每个节点都必须保留流的状态信息，设备负荷比较重，可扩展性较差。

2. 区分业务模型（DiffServ）

为了解决IntServ的局限性，IETF在RFC2475上提出了DiffServ（Differentiated Services）模型，又称为区分服务模型。其最基本思想是在网络边缘处将业务流划分为不同的区分服务类，一个业务流的差分服务类由IP包头的区分服务代码点（DSCP，DiffServ Code Point）来表示。在网络核心处则只是简单的根据DSCP字段执行相应的PHB行为即可。

目前DiffServ主要有三类业务类型，分别为EF（Expedite Forwarding）、AF（Assured Forwarding）和BE（Best Effort）。EF业务是一类低时延、低抖动、低丢包率的业务。AF业务提供一定程度的确保服务，分配了带宽和缓冲区，协议定义了4个服务级别，AF4的优先级高，AF1的优先级低。此外，AF每个服务级别中又有3个丢弃优先级，因此，AF共有12个优先级别。BE为尽力而为的转发，没有任何QoS保证。

DiffServ这种模型实现比较简单，扩展性较好，但很难提供基于流的端到端服务质量保证。

3. 多协议标记交换＋区分业务（MPLS＋DiffServ）

多协议标签交换（MPLS）是一种结合第二层和第三层的交换技术，它引入了"显式路由"机制，对QoS提供了更为可靠的保证。此外，MPLS的报文头中包含一个3bit的EXP字段，通过该字段可以标记该MPLS报文的优先级，从而使设备在转发该MPLS报文时能根据优先级标志进行区别对待。

MPLS DiffServ是DiffServ在MPLS网络中的实现，在LSP中为不同业务等级提供有区分的服务，根据标记业务等级的方法的不同，有E-LSP和L-LSP两种方法，E-LSP使用Label中的Exp字段进行标记，而L-LSP则使用Label+Exp字段的方式进行标记，它们没有本质的不同，只是标记的种类有区别。E-LSP是通过LDP协议建立的普通的LSP，L-LSP需要通过CR-LDP或RSVP扩展来建立。目前业界的实现主要采用E-LSP。

该解决方案要求网络必须支持MPLS协议。

4. 流量工程（MPLS TE）

流量工程（MPLS TE）主要利用LSP支持显示路由的能力，在网络资源有限的前提下，将网络流量合理引导，达到实际网络流量负载与物理网络资源相匹配。

MPLS TE通过对IGP协议进行扩展，使其能够收集网络流量信息（包括最大链路带宽、最大保留带宽、当前保留带宽和链路类别等）形成流量工程数据库（TED），每个LER根据自己的TED、结合各类策略实施在线约束路由计算，得到显示路由（从它开始的LSP路径），最后显示路由（LSP）通过信令协议CR-LDP或RSVP扩展来部署。

该解决方案目前主要在支持MPLS协议的单个域网络中，而且只是支持流的分类，忽略了QoS服务业务等级的分类，如果要实现服务业务等级还需同DiffServ相结合，形成MPLS DiffServ-TE。

2　IP城域网发展主要问题

当前，国内宽带IP城域网的建设此起彼伏，如何才能构建一个电信级IP城域网是一个非常值得探讨的问题。IP城域网建设过程主要存在以下问题。

2.1　业务多元化，传统IP城域网无法满足要求

在城域网内，业务类型趋向于的多元化，不同业务对网络的性能要求各不相同。如语音业务和视频业务对时延和抖动要求较高；专线业务对安全性要求较高；网管型数据对时延和抖动没有严格要求，但要求IP包的无误率为百分之百。传统IP城域网无法满足多业务类型的需求。

2.2　带宽利用率低

目前，运营商绝大多数都是采用过量的带宽来保证网络各种业务的需求，这种需求的保证是以牺牲带宽利用率为前提的，尽管链路比较便宜，但网络建设和运营的综合成本仍然较高，不断的扩容给运营商带来极大的压力。

2.3　垃圾流量占用大量带宽资源

目前，基于P2P技术的各类业务（如BT下载、Skype等）降低了对服务器端的带宽和性能要求，而加大对网络带宽的需求，消耗了大量的带宽资源。当前，在城域网内基于P2P应用的流量约占总流量的50%～80%，这对于运营商而言是非常头痛的事。如果不考虑接入费用，使用这些业务是免费的。收益和回报均无法满足城域网可持续发展的要求，而且还造成了对有收入的业务无法保证网络质量。

3　IP城域网QoS实施方案

基于IP网承载全业务（包括语音、视频、数据等）的思路已经被运营商所接受，并且已经积极地进行了相关试验。如何解决IP网络发展中面临的问题，保证网络服务质量，这对于在IP网中实施QoS提出了更高的要求。IP城域网作为业务从骨干网逐步向用户的延伸网络，QoS实施成功与否直接影响到骨干网络的服务质量，是实施QoS机制的关键环节。

3.1　IP城域网QoS实施原则

（1）端到端的解决方案：包括核心层、汇聚层和接入层，各层分别实施QoS策略并且相互间衔接；

（2）差异性：为不同用户，不同业务提供不同的QoS保证；

（3）可管理：灵活的带宽控制，体现QoS的计费策略；

（4）高可用性：设计备份路径，对关键的网络节点进行冗余备份；

（5）经济性：有效利用网络资源，包括带宽、端口等；

（6）可扩展性：QoS的实施不影响后续业务的扩展，业务种类增加时可以平滑扩容。

3.2　IP城域网QoS需求分析

目前IP城域网上承载的业务多种多样，比如NGN、3G、IPTV等，这些业务都已经有了成熟的部署模型。对于本文来说，为了讨论方便可以归结为语音、视频和数据等三类应用，各种业务类型对于QoS需求如下：

（1）语音业务：对于流量需求较小，但对丢包和延迟敏感。具体要求是，延迟不大于150ms、抖动不大于30ms、丢包率不大于1%，每个呼叫需要21～320kbit/s带宽，并且每个呼叫的控制信息需要150 bit/s的带宽。

（2）视频业务：对流量需求很大，对丢包和延迟敏感程度中等。具体要求是，延迟不大于150 ms、抖动不大于30ms、丢包率不大于1%，最小的高优先级带宽需求也要达到视频流所用带宽的基础上增补20%，例如384kbit/s的视频流就至少需要460kbit/s高优先级的带宽。

（3）数据业务：对流量需求突发性很强，对丢包和延迟不太敏感。城域网中数据业务类型多种多样，有些对延时很敏感，有些则没有，有些对抖动要求很苛刻，有些则没有。因此，对于不同的业务类型应有不同的流量模型，并加以区分，比如WWW、E-mail、FTP、ERP等应用。

3.3　IP城域网QoS实施方案

IP QoS是一个系统工程，并不是简单的把几个相对成熟的技术罗列起来就能实现全网端到端的QoS，这其中还包括网络的管理、市场经营等多方面的因素。此外，IP QoS技术的发展以及电信级以太网技术（如QinQ、MAC in MAC、VPLS等）的发展均为IP城域网提供完备的QoS机制保证。本文只是对当前城域网实施QoS做个探讨，以期起到抛砖引玉的作用。

1. 总体方案

IP城域网按照网络层次可以分为核心层、汇聚层和接入层，各层次需要根据不同的业务实施不同的QoS策略。根据前面的QoS技术及业务需求分析，提出本文IP城域网的QoS解决思路，即在IP城域网中采用MPLS DiffServ的QoS机制，在业务量增大，一些链路、节点成为瓶颈，而其他链路、节点还有富裕带宽的情况下，再考虑采用MPLS TE，以优化网络，提高带宽利用率，如图1所示。

2. 业务种类

目前，绝大多数IP城域网主要提供了语音、视频、数据上网、电子商务、VPN等业务，此外，语音和视频业务除了数据流之外，还有控制流。

为了在IP城域网实现MPLS DiffServ的QoS机制，首先要能够对以上各种业务类型进行标记，将QoS需求程度较高的业务标记为高优先级，然后网络节点通过优先级字段进行报文分类、流量整形、流量监管和队列调度，从而实现对高优先级业务的优先处理，最大程度的减少了低优先级业务对高优先级业务的冲击。

为了标记各种业务的类别，在IP层可以使用了IP头部的ToS字段，RFC 2474定义了ToS字段的前6bit，称为DSCP，可以区分64个类别。在以太网中可以使用了802.1p，3bit，可以区分8个类别。MPLS E-LSP中也使用3bit，可以区分8个类别。这样，在全网能够支持8个优先级类别。则IP城域网各类业务分类及优先级映射关系如表1所示。

3. 核心层

在核心层面，由于节点少、流量大、性能要求高，运营商均部署了高端路由器，通过MPLS等技术实现QoS保障，可以很好地实现对多业务的承载。网络核心层主要功能是根据业务报文中的QoS标记进行有差别的队列调度处理，主要包括拥塞管理和拥塞避免等。

当数据报文从汇聚层到达了网络核心层，网络核心层根据各种优先级字段进行拥塞管理，即进行队列调度执行PHB。不同的队列调度技术用来解决不同的问题，并产生不同的效果，因此队列调度算法的选择对QoS的准确性起到极其重要的作用；目前提供的队列调度技术主要包括FIFO（先进先出）、PQ（优先级队列）、CQ（定制排队）、WFQ（加权公平队列）等。

拥塞避免是用来监控网络负载，预见并避免拥塞的发生。如果拥塞开始增加，将随机地丢弃数据包，从而促使信息源发现流量丢失继而降低其传输速率，达到拥塞避免的目的。一般核心网提供拥塞避免机制包括RED和WRED。

此外，核心层在业务量增大，部分链路流量差异较大时，可以采用MPLS TE技术优化网络流量。

4. 汇聚层

目前，汇聚层除了完成部分队列调度和拥塞控制功能外，其主要任务是要实现优先级类型的映射，主要是从802.1p到DSCP/MPLS EXP业务优先级类型的映射。各种业务优先级映射关系见表1。

当前各大运营商在汇聚层面倾向于建造以BRAS、业务路由器（SR）及汇聚路由器组成的路由网络，主要解决高带宽、大容量、业务集中控制等需求。该层次设备要求具备足够容量的转发能力，提供充足的带宽，并能根据接入层透传过来优先级信息进行队列调度，针对每用户每业务优先级类别实施相应的QoS策略，保证高优先级别的业务得以优先转发。

5. 接入层

接入层是实施QoS最为复杂的部分，该层次涉及到的设备品牌/种类繁多，设备功能不一，部分设备不具备QoS能力，无法区分业务及提供SLA，而且网络架构可靠性比较低，成为全网实施端到端QoS的瓶颈。此外，由于接入层网络往往带宽是固定的，无法采用过量带宽实施QoS。

根据目前接入层网络情况，要实现全网端到端的QoS策略，应按照网络实际情况对接入层进行规模改造。主要可以改造内容有：

· 优化接入层网络结构，网络扁平化，提高网络的可靠性及稳定性；

· 对不具备QoS能力的低端设备进行更换；

· 通过电信级以太环网技术实现小于50ms的保护倒换时间；

· 通过QinQ及其增强技术提供对用户/业务的唯一标识；

· 增强接入网对多播等业务的支持能力；

· 增强接入网络的OAM能力。

通过以上各方面对接入网网络的改造，可以有效的对接入网进行QoS实施，满足端到端业务QoS需求。

根据现有网络情况，目前，在QoS实现中，接入层的主要功能是区分用户和业务，并进行标记，以便于汇聚层针对用户和业务进行带宽控制。建议接入层采用VLAN+802.1p进行对用户和业务进行区分。接入层要求接入交换机应至少支持802.1q VLAN，最好还能支持802.lp或DiffServ。对于仅有802.1q VLAN功能的，要求通过VLAN识别，在汇聚层实现业务优先级映射；若同时支持802.1p或DiffServ，则接入层至汇聚层业务优先级必须严格匹配。

接入层QoS实施通过为不同用户不同业务分配不同的优先级，将话音、视频业务配置为高优先级，经过接入层网络直接将优先级信息透传至汇聚层设备，由汇聚层进行相关QoS策略调度。

4　结束语

利用IP网络承载全业务已经成为运营商发展的趋势。在IP城域网实施QoS不仅能够帮助运营商避免频繁扩容带宽的压力，而且能够提供差异化服务，提高网络服务质量。目前，QoS技术还在不断发展当中，随着城域网内部承载业务的多种多样，相应也会要求QoS技术能够进行深层次的业务感知，包括对报文任意层次和字段的解析（比如识别P2P流量），对业务的连接和状态进行分析等。此外，IP网实施QoS是个复杂的系统工程，不能纯粹依靠相关的QoS技术来保证网络的服务质量。还应与其他相关的应用系统（如CDN、电信级网管等）相结合建设才能起到相辅相成的作用。

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作者：莫华国 来源：中国新通信（原《中国数据通信》6月）