互联网服务质量QoS的解决方案

一、网络服务质量QoS的概念

　　服务质量的概念本身源于通信网络，它描述数据传输中的质量特性。在开放系统互连OSI参考模型中，有一组QoS参数，描述传送速率和可靠性要求等方面的特性。但是这些参数大多作用于较低协议层，某些QoS参数是为传送时间无关的数据而设置的，因此不能照搬用于描述分布多媒体应用及其传输的质量需求，从而引出了与多媒体相关的QoS的概念。而我们现在指的服务质量QoS，多是指多媒体传输及其应用相关的QoS。

1．什么是QoS

　　QoS是分布多媒体应用及其传输系统为了达到应用要求的能力所需要的一组定量的和定性的质量特性。对于多媒体来说，应用要求的能力包括媒体表现和用户的满意性，这是过去的QoS不考虑的，因为多媒体的视听感知直接作用与人。用一组参数定量地表示QoS，典型地有带宽、延迟、延迟抖动和可靠性等。参数有二层含义：参数本身，例如吞吐量；参数值，例如分组丢失率=10-4。表1所示为Vogel的五种典型的QoS参数示例，包括定量和定性的描述。QoS参数与其它系统参数的一个区别在于：QoS参数需要在分布系统各部件之间协商，以达成一致的QoS级别，而一般的系统参数不需这样做。

2．编码与QoS的伸缩性

　　数据编码的方法也与多媒体传输的QoS关联，因为视频和音频编码与质量有关，这是多媒体传输的新特点。例如，对于视频编码，涉及到帧内压缩、帧间压缩和分层压缩编码。对于只采用帧内压缩的编码，如采用运动JPEG，每帧都独立压缩和编码，因此减低帧率（丢帧）就可以允许QoS变化。当吞吐量减小，数据率降低时，可以利用各种显示抖动算法，通过减低视频显示分辨率而保持原帧率不变。对于同时采用帧内和帧间压缩的编码，如MPEG系列，可以通过建立不同的优先级来发送MPEG视频的I、P和 B帧来达到QoS的调节。I帧包含帧内编码，应具有最高的优先级，高优先级的数据流可以获得良好保障的QoS服务，而对较低优先级的数据流将用最大努力获得尽量高的QoS。分层压缩（又称可伸缩编码）按不同层次和颗粒度来编码，最低层包含基本信息，如亮度信息，而较高层包含其它信息，如色差信息或用于增强分辨率的信息位。当采用这种编码时，就可以根据端点的通信能力来优化数据传送的质量，例如接收工作站的显示器是黑白的，仅需向它传送基本层的编码。

表1. QoS参数的五种分类方法示例

　　在另一方面，视频传送中允许一定的差错率。但是对于压缩的媒体来说，由于出错和信道拥塞，可能会丢失用于解压的关键信息，如运动矢量等，将对解码后的图像质量带来很大的影响。解决的一种办法是用分层编码将重要信息，如运动矢量、DCT的低频分量或基本的信息，用高质量的信道传输，并标以高优先级。当信道拥塞时，只扔掉低优先级的分组。这样，接收端仍能够从接收的主要信息中恢复出一定质量的图像。

3．通信协议层中的QoS

　　对于子网协议结构来说，ATM的设计能够很好地支持QoS,可是在交换式快速以太网和高速路由器技术的冲击下，渐渐淡出市场。交互式快速以太网（尤其是千兆、万兆级的）为多媒体通信提供足够的带宽和可接受的延迟，因此关键是IP以上层次如何实现良好的QoS。

　　任何握手协议会引起传送延迟的变化，对于延迟敏感的多媒体通信来说，不适于用交互应答的滑窗流控制和差错恢复控制。在这种情况下，不是恢复而是丢弃损坏的帧，因为一个迟到的帧在实时流中是没有用的，除非反馈机制能够来得及保障媒体流的实时性。因此，前向纠错FEC机制适合媒体流的差错恢复。

　　对于网络和传送层（甚至会话层）来说，这些层次提供处理跨越异构网络的QoS机制，并把QoS参数从较高层映像到较低层。

　　与普通数据相比，连续媒体具有特殊的通信要求，即连续媒体必须以平稳流的形式传送并交付给端点。在数据流中的不规则性（抖动）将引起音频或视频质量的降低。因此，多媒体传送层协议中的QoS参数主要有：吞吐量、端到端的延迟、延迟抖动、同步时滞、丢包率等。QoS的保障需要资源预留。

　　对于应用层协议来说，它支持在分布多媒体应用的所有成员之间进行整体的QoS协商。当网络不提供资源预留和QoS控制时，必须在应用层进行适当的QoS控制，例如调整通信源，以适应网络负荷的变化。在视频流中，这可能意味着降低帧速率或帧的分辨率，而保障某些QoS参数指标。例如，通过减少帧的分辨率而保持帧率不变，或降低帧率而保持图像帧质量不变。当拥塞发生时，按比例缩放是一种QoS的控制和恢复方法。

二、提高服务质量QoS的基本方法

　　QoS服务能力的实现，需要多种方法及其综合。下面列出的是一些典型的基本方法，有些方法是交叉的，有些需要组合起来发挥作用。在后面介绍IntServ、DiffServe模型和MPLS技术的时候，会用到这些基本方法。

1. 增加网络资源基础设施

　　最简单的方法就是显著增加网络的资源，例如增加链路带宽、路由器的容量和缓冲空间，改进路由器的转发方式，提供转发速度，使得网络能够容纳更多的数据流传输，转发速度更快。问题是，一方面这种方法要求费用高；另一方面是网络资源的增加是相对静态的过程，随着时间的推移，网络流量发生变化，单纯的增加网络资源，不能根本解决网络QoS问题，因此需要全网络协调。

2. 接收端缓冲平衡接收流

　　这是一种简单易行的方法。在实时媒体流的接收端，媒体提交和表现之前，可以缓存接收到的媒体流数据包，这样就可以在接收端平滑媒体流的输出，即平滑媒体传输中的时间抖动，使得媒体播放的效果平稳流畅。这种缓冲技术通过平滑和吸收抖动来改进服务质量。

3. 通信量整形平滑输出流

　　视频流和音频流传输需要相对规则的通信量（Traffic），这是一种服务质量需求。常规的突发性质的通信量方式不适合流媒体的传输。通信量整形的技术，就是在发送端平滑输出通信量，从而提供改善的服务质量。

　　在传输之初，也许用户和子网之间需要协商，达成一个通信量模式（通信量整形的输出）的约定，约定有时称为服务等级协定SLA（Service Level Agreement），这是一个QoS保障元素。用户的输出是否遵守通信量模式，子网需要一个监督机制来监管通信量，这个机制称为通信量监管（Traffic Policing）。漏桶算法或令牌桶算法可以用来实现通信量整形。

4. 资源预留预约网络资源

　　提供规整的通信量输出是保障服务质量的良好开端。但是，以满足服务质量要求的形式传输这些通信流，还需要沿着传输路由，为数据流提供足够的网络资源。

网络资源包括带宽、缓存空间和CPU处理周期等。为了提供需要的服务质量，网络的资源容量应该满足用户的需求。但是网络资源是有限的，而需求往往会超出资源的容量。因此为了提供理想的服务质量，要求用户对网络资源进行预订，网络为用户预留出资源。

5. 接纳控制预防网络过载

　　预留资源也是有限度的。由于网络资源被分配得差不多了，或资源被用得差不多了，没有资源了怎么办？可以采用拒绝新的流进入网络的方法，这就是接纳控制。就像列车的座位和卧铺票全部被预订完了，只有拒绝多余的旅客上车，才能保障有座位旅客的服务质量。

6. 路由均衡平衡网络负荷

　　常规的路由选择算法是选择达到目的结点的最佳通路。在面向连接的方式下，所有分组都沿着一条最佳通路传输；而在非连接的方式下，一段时间内，情况也是那样。也就是说，源到目的，只有一条通路。这样会造成这些通路上网络资源的大量消耗，服务质量降低。一种提高服务质量的方法就是把通信流分割为到达目的结点的多条路径，分散负荷，减少资源消耗，提高沿途的服务质量。一种简单的方法是等分通信量，或与输出链路的容量成比例分配负荷。均衡网络负荷的技术也称为流量工程TE或通信量工程。

7. 分组分类和分组调度

　　分组调度就是路由器中分组队列的调度。常用的方法是公平队列算法FQ。其基本原理是，分组进入网络的时候被分类，在转发路由器中按类别排队，每个队列对应一种流，路由器循环扫描队列，从每个队列取出一个分组转发。这种队列的问题是，大分组的队列比小分组的队列获得较多的带宽，而且公平队列的每个队列不具备优先级的调度。但是在某些情况下，某些队列需要更高的优先级，例如视频流类型的队列应该比文件传输类型的队列具有更高的优先级，以获得更大的带宽和延迟性能。因此，一种改进的队列算法就是加权公平队列WFQ。通过为每个队列施加不同的权重，各个队列的输出率将不同，因此对于流队列的转发，可以实现不同带宽和时间约束，提高相应流的服务质量。

三、QoS模型和技术

1. 综合服务IntServ模型与资源预留协议RSVP

　　综合服务IntServ（Integrated Service）模型的基本思想是采用资源预留的方式使IP网络能够提供QoS能力，适合用于对QoS要求较为严格的实时业务（例如声音和视频流的传输）。资源预留是建立在流（Flow）的概念上。“流”是具有同样的源和目的IP地址和端口号、协议标识符及其QoS需求的一连串分组。它基于每个流提供端到端的QoS服务。其体系结构中采用了资源预留协议RSVP，在发送方和接收方之间用RSVP作为每个流的信令。RSVP通过发送端发送通信量特性报文Path和接收端响应的资源预留请求报文Resv，以接收方发起的方式，从接收方到发送方之间沿途的每个路由器，为每一个要求QoS的数据流预留资源。路径沿途的各路由器必须为RSVP数据流维护软状态。IntServ模型主要由4个功能部件组成。资源预留协议（RSVP）、接纳控制、分类器、调度器。

2. 区分服务DiffServ

　　差分服务DiffServ（Differentiated Service）模型没有采用分组流沿路节点上的进行资源预留的方案，其基本思想是：尽量少地改变网络的基础结构。根据预先确定的规则对数据流进行分类，以便将多种应用数据流综合为有限的几种数据流等级，然后根据不同的类别进行转发，提高通信流的服务质量。在原有路由器上添加区分服务的功能即可实现DiffServ。

　　区分服务使用IPv4报头中8比特的服务类型字段或IPv6的通信量类别字段，并重新命名，作为区分服务字段DS，其中的6位（称为区分服务码点DSCP）可供目前使用，其余2位以备将来使用。路由器根据DS字段的值来进行分组转发。因此利用DS字段的不同数值就可以提供不同等级的服务质量。在使用DS字段之前，用户要与ISP协商一个服务等级协定SLA。差分服务域的主要成员有：内部路由器和边缘路由器。

　　网络的边缘路由器包含分类器、标记器、整形器和测定器。分类器根据分组首部的一些字段（例如源、目的地址、端口和分组的标识等）对分组进行分类。然后，标记器根据分组的类别设置DS字段的值，用DS字段来携带IP分组对服务的需求信息。测定器根据事先商量的服务级别协定SLA不断地测量和监视分组流的速率，控制整形器平滑通信量的输出。在网络的内部结点上，内部路由器根据分组头上的DS字段的码点值，将进入的数据包按级别排队，并按事先设定的带宽和缓冲处理进行下一跳转发（PHB），实现相应的服务质量。

3. 多协议标记交换MPLS

　　多协议标记交换MPLS（MultiProtocol Label Switching）技术过去是为IP能够与ATM结合推出的标准，后来随着ATM的淡出和高速路由器的广泛使用，MPLS成为IP直接在标记交换路由器LSR上运行的协议。该协议的一个重要特点就是：不是采用长度可变的IP地址前缀来查找转发表中的匹配项，而是使用简单的基于标签的转发方法对打上固定长度标记的分组用硬件在第二层进行转发（即标记交换），省去了每到达一个结点都要上第三层用软件查路由表的过程，从而使得分组的转发速度显著加快。MPLS可以使用多种链路层协议，如PPP、帧中继、以太网等，因此称为多协议的标记交换。

　　MPLS的实现也是在域中，要求MPLS域中的所有路由器都能够支持MPLS技术。这些路由器称为标记交换路由器LSR。LSR具有标记交换和路由选择两种功能，标记交换是在第二层对分组进行转发，转发之前用路由选择功能构造分组转发表。

　　提供QoS能力与MPLS的转发等价类FEC相关。FEC就是指路由器按照同样的方式对待分组集合。同样的方式就是说从同样的接口转发到同样的下一跳地址，并且具有同样的服务类别和同样的丢弃优先级。入口结点将属于同样FEC类的分组都打上同样的标记，使得这类分组按照指定的路径传输，在该路径资源有保障的情况下，这种传输方式可以为指定通信量提供QoS保障，满足要求的延迟和分组丢失率等。也可以利用MPLS标记交换路径LSP和FEC类的能力，实现负荷平衡。即为不同的负荷，分别指定不同的FEC和标记交换路径，从而分解负荷，提高服务质量。

四、问题和挑战

　　多媒体IP QoS的研究目标是提出一种与业务无关的通用的网络流量服务质量保证机制，目前提供QoS的方案多种多样，包括：综合服务IntServ和区分服务DiffServ体系结构，以及新的多协议标记交换MPLS技术；资源预留协议RSVP；分组分类、排队和丢弃算法、负荷平衡、通信量整形算法等等。然而，这些模型和技术，都存在或多或少的问题。

　　（1）IntServ的结构复杂、扩展能力弱。它基于资源预留协议RSVP为每个流提供QoS保障。由于IntServ下的预留状态是与业务流的个数成正比，这使得路由器的负担会随着网络的扩大、业务流的增加而加重。资源预留协议还要求沿途的每个路由器为每一个数据流都维持一个“软状态”，这无疑也限制了这种结构的可扩展性，因为每个路由器的内存有限，可以保存的软状态信息都是有限的。IntServ需要进行端到端的资源预留，必须要求从发送者到接收者之间的所有路由器都支持所实施的信令协议，因此所有路由器必须实现RSVP、接纳控制、分类和分组调度，这对路由器的实现要求太高。

　　（2）DiffServ模型伸缩性好，但是需要其他技术支撑。DS字段只是规定了有限数量的服务级别，状态信息的数量正比于服务级别，而不是流的数量。DS不是为网络中的每一个流维持供转发时使用的状态信息，而是将若干个流根据其聚合成少量的流。路由器对具有相同DSCP值的分组按相同的PHB服务方式进行转发，显著简化了网络内部路由器的转发机制。DiffServ只在网络的边界上才需要复杂的分类、标记、管制和整形操作，内部路由器只需要实现聚集方式的分类，因此实现和部署区别型业务都比较容易。但是DiffServ模型本质上只是实现了一种相对优先级策略，因此并不能严格保证业务端到端的QoS。该需要大量网络单元的协同动作，才能向用户提供端到端的服务质量。

　　（3）现有QoS模型和技术难以实施

目前虽然研制和推出了一些QoS服务，但是比较简单，或难以实用。学术界提出的QoS机制过于理想和复杂，而业界难以实现支持IP网络服务质量的硬件和软件，使得研究的QoS方案难以在电信运营商的网络上得到真正的实现和应用。在尚无满意的QoS技术部署的情况下，铺设足够带宽的网络是提供QoS保障的最简单的方法，例如美国能在Internet上提供有质量保证的语音业务就是基于其良好的基础设施。中国联通采用单一业务重叠网结构提供多种业务，将逻辑上统一的IP网络分解为物理上分离的多个IP网络，分别提供话音、视频会议、数据业务。中国电信的方案是建立多张并行的IP网络，分别服务于不同等级的用户，在确保重要用户服务质量的同时，也能保证一般用户的普遍服务。

　　（4）难点和挑战

　　在理论指导下实现实用性强的QoS方案才是解决QoS问题的关键。随着多协议标记交换MPLS和通信量工程TE等一些新技术的出现，为提高IP网的QoS能力提供了新的办法。但总体上，还不能完全解决当前IP网所面临的所有QoS问题。这些难点和挑战是：

　　如何提供端到端的QoS服务；

　　如何管理全网QoS策略，提供全网的QoS；

　　如何动态调整QoS能力；

　　如何解决网络上大量用户的个性化QoS问题；

　　如何提供多业务IP QoS服务。

　　虽然未来IP QoS问题总体上在理论上已经明确，然而不少关键技术尚待解决。因此，应该加强学术界和工业界的合作，兼顾长远目标和当前需求，采用演进的策略，研究、开发和部署Internet的QoS技术。

----《中国多媒体通信》

作者：国防科技大学信息系统与管理学院 李国辉