网络转型下的宽带接入QoS技术实施研究

摘要　本文首先介绍了目前宽带接入网络的QoS现状，然后从网络转型的角度探讨了在宽带接入网络实施QoS的主要思路及相关技术，最后，针对固网运营商提出对现网进行改造、在接入网引入QoS技术以适应多业务承载的策略建议。

1、概述

当前，随着市场和技术的变化使得固网运营商正在寻求新的业务战略转型，传统的通信业务正向信息娱乐、数字化生活领域扩展，IPTV、VoIP以及P2P应用等业务种类不断丰富。这使得宽带网络所承载的业务将从以传统互联网业务为主逐步向多业务承载方向发展。这就要求宽带网络实施网络转型，以适应业务需求的变化和业务发展的要求。

能否成功实施网络转型涉及多个方面的因素，包括网络的物理架构、网络的业务提供及QoS能力、网络的运营支撑体系等。其中，网络的业务提供及QoS能力是最基本的因素。本文将主要从宽带接入的角度探讨固网运营商实施QoS技术的相关问题。

2、宽带接入QoS的现状

目前的宽带接入网主要以承载数据业务为主，也有少量的视频流业务，所有业务都无法得到QoS保证，网络为所有业务提供的只是一种尽力而为的转发服务。对于专线业务，一般是通过ATM、SDH及DDN网络来提供的。

早期的城域网/接入网设备在DiffServ/802.1p优先级等QoS保障机制方面的能力参差不齐，但缺乏可运营的电信级QoS方案，无法实现端到端的QoS保证，导致视频断断续续，时好时坏，VoIP业务经常出现丢包情况，用户无法尽情享受多媒体IP业务体验。

3、宽带接入QoS的实现机制

对于宽带接入网来说，QoS的控制点主要是接入终端、接入平台、汇聚网络及BRAS/SR 3个关键部件。由于接入网内部网络的情况比较复杂，而且涉及多种技术，一般来说，在这个层次采用区分服务（DiffServ）的思想实现QoS是一个比较好的解决办法，即采用业务区分与标记、业务映射与分类承载、二层优先级处理以及带宽管理和拥塞管理的策略。

3.1　业务区分与标记

宽带接入网实施QoS必须要实现业务区分与标记，业务区分与标记可以使网络具有多业务传递边缘的能力。在业务区分的网络中，业务首先必须被识别并实现分类标记。这样，网络中的其他设备便可利用这个分类标记进行相应的处理。目前，比较可行的技术方案是在网络边缘进行业务识别及分类标记。即上行方向在用户端的接入终端上完成业务流分类和业务等级标识，在电信可信任的设备上进行业务等级的审查或重标识，下行方向在业务边缘网关（BRAS）完成业务识别及分类标记。接入终端与业务边缘网关之间主要是根据业务标记进行相应的业务分流、优先级队列调度及QoS处理。

上行方向，接入终端可以采用多种技术实现业务区分与标记，如基于物理端口的业务区分、基于以太网协议类型的业务区分、基于业务终端类型的业务区分、基于IP报文深度分析的业务区分等。目前，基于物理端口的业务区分方法是比较可行的，而且对现有的网络兼容性比较好，但是，必须要考虑运营商对接入终端的控制与管理，以及用户私有接入终端的业务盗用问题。从长远来看，随着无线技术及家庭网关的成熟和应用，基于IP报文深度分析的业务区分是今后上行方向实现业务区分的发展趋势。

与上行方向相对应，下行方向也有两种技术实现业务区分与标记，主要是基于以太网协议类型和基于IP地址及五元组的业务区分方法。

基于以太网协议类型的业务区分是指业务边缘网关（BRAS）通过检测下行业务流的以太网帧中的以太网协议类型实现业务区分和业务标记。目前的以太网协议类型有PPPoE和IPoE两种。PPPoE一般用于低优先级的宽带业务，如高速上网，而IPoE一般用于视频或其他的VoIP业务。这种业务区分方法的特点是技术实现简单，但是无法进一步细分业务等级，可扩展性较差。

基于IP地址及五元组的业务区分有两种：一种是基于静态IP地址的业务区分，通过IP地址静态规划，将不同类型的IP地址段用于不同类型业务的IP地址分配，这样，业务边缘网关根据下行方向IP报文的源IP地址类型就可以识别相应的业务类型，然后进行相应的业务标识和QoS处理；另一种是基于动态IP地址及五元组的业务区分，这种方法可根据用户需要实现动态业务区分和服务质量保证，而且比较容易细分客户群。但是，对业务边缘网关的处理能力有较高的要求。

目前，在业务边缘网关实施基于静态IP地址的业务区分和标识是比较可行的。随着宽带业务的深入发展以及用户业务需求的个性化，在业务边缘网关实施基于动态IP地址的业务区分是未来的发展趋势。

3.2　业务映射与分类承载

在实施业务区分与标记后，必须在接入网内采取业务映射与分类承载，业务映射与分类承载的作用主要是将接入网内的不同业务标记的数据流映射到不同的承载通道，以便实施不同的优先级处理策略。

整个接入网可分为两个子层，即接入终端至宽带接入平台之间的接入子层和宽带接入平台至业务边缘网关之间汇聚子层。接入子层的业务映射与承载有两种承载方案：一种是多逻辑通道方案，即为用户的每种业务分配不同的逻辑通道（如多PVC、多VLAN等）；另一种是单逻辑通道方案，即用户的所有业务共享一个逻辑通道（如单PVC、单VLAN等）。而且，其逻辑通道还与具体的接入技术有关，这里主要考虑ADSL接入技术。

汇聚子层也可根据业务类型的划分情况采用多逻辑通道或单逻辑通道方案，即为每种不同的业务流分配不同或相同的业务VLAN。其中的单VLAN或者多VLAN是指同一个用户的不同单播业务类型，是否将其分别承载到不同的VLAN上。为保证DSLAM之间的隔离，不同DSLAM之间的单播业务的VLAN互不相同。对于视频组播业务，采用不同于单播业务的VLAN。为保证组播的高效复制，所有DSLAM的所有用户的视频组播VLAN相同。

对于单VLAN方案，DSLAM上的所有类型单播业务共用一个VLAN，视频组播业务使用另外的组播VLAN。在BRAS/SR上，对于单播VLAN，根据IP地址，将不同业务类型映射到不同子接口，而组播VLAN映射到另一个子接口。

对于多VLAN方案，DSLAM上需要配置4个业务VLAN，分别是数据VLAN、话音VLAN、视频单播VLAN、视频组播VLAN。在BRAS上，不同DSLAM相同业务的VLAN属于同一个子接口，数据、话音、视频单播业务分占3个子接口，视频组播业务占另一个子接口。

将接入层的PVC和汇聚层的VLAN情况结合，DSL接入网的业务映射和分类承载有以下3种方案：

（1）单PVC单VLAN方案：在接入子层所有业务承载一条PVC上，在汇聚子层所有单播业务承载在一个VLAN上。

（2）单PVC多VLAN方案：在接入子层所有业务承载在一条PVC上，由DSLAM标记不同的VLAN Tag，区分不同的业务，在汇聚子层上不同单播业务承载在不同VLAN上。

（3）多PVC多VLAN方案：在接入子层上不同业务承载在不同PVC上，在汇聚子层上不同单播业务承载在不同VLAN上。

单PVC与多PVC方式相比，其区别主要体现在业务配置、业务标记的审查和重标识以及优先级处理策略方面。在单PVC方式下，业务配置比较简单，能够较好的兼容现有网络，但是DSLAM设备必须基于二层802.1D优先级标记进行业务标识的信任度检查和重标记；在多PVC方式下，业务配置比较复杂，但是DSLAM设备实现比较灵活，可基于二层802.1D优先级标记或PVC进行业务标识的信任度检查和重标记。

单VLAN与多VLAN方式相比，在单VLAN方式下，汇聚子层只能基于二层802.1D优先级标记进行QoS处理；而在多VLAN方式下，汇聚子层可基于VLAN+二层802.1D优先级标记进行QoS处理，如实施带宽管控、队列调度等。

目前，多PVC多VLAN方式对接入网设备的技术要求相对容易实现，能够支持现网的DSLAM设备升级，具有较强的可操作性，可基本解决接入网的QoS问题。但是，其最大的不足就是业务模式变化后，需要配置的工作量比较大，网络的扩展性受限于PVC资源。随着家庭网关功能的增强和普及，单PVC多VLAN方式将是未来宽带接入网实施业务映射和分类承载的发展方向。

3.3　二层优先级处理

3.3.1　上行方向处理机制

当不同用户端口上行方向有数据流时，接入终端根据用户端口属性进行相应的IEEE802.1D二层优先级标记和队列调度处理，然后，将数据流转发到相应的线路接口上。

在宽带接入平台，根据IEEE802.1D优先级标记进行队列调度、QoS处理，将同一端口上的具有不同IEEE802.1D优先级标记的业务流映射到上联接口的不同业务VLAN域，从而实现不同用户的业务流汇聚及不同类型业务的分流功能。宽带接入平台可根据业务需要采用多个上联接口，也可以采用一个上联接口。

在汇聚网络侧，主要是根据业务VLAN实施不同类型业务的流量隔离，并根据IEEE802.1D优先级标记进行QoS处理和转发策略。

在业务边缘网关侧，主要根据IEEE802.1D优先级标记实施队列调度和QoS处理，如有必要，还需要根据IEEE802.1D优先级标记对DiffServ的DSCP参数进行标记，然后转发到骨干网。

3.3.2　下行方向处理机制

在业务边缘网关侧，主要根据DiffServ的DSCP参数（如果进入业务边缘网关的业务流无DSCP标记，业务边缘网关可根据IP地址/五元组进行DSCP标记）实施优先级队列调度和QoS处理，并实现DiffServ的DSCP标记与IEEE802.1D二层优先级标记和业务VLAN的映射，然后将具有IEEE802.1D二层优先级和业务VLAN标记的数据流转发到汇聚网络。

在汇聚网络侧，主要是根据业务VLAN和IEEE802.1D二层优先级实施不同类型业务的流量隔离、带宽控制、QoS处理和转发策略。

在宽带接入平台，根据IEEE802.1D优先级标记进行队列调度和QoS处理，并将同一端口上的不同业务流根据IEEE802.1D优先级标记映射并转发到线路接口上。

接入终端将下行数据流直接转发到相应的用户端口上

3.4　带宽管理和拥塞管理

能够对电信业务进行识别，并且执行了优先级处理机制，还不足够完全保障业务的QoS，还必须实现一套带宽管理的CAR机制。带宽管理CAR机制是在对业务识别的基础上，严格控制已接纳业务对资源的使用，防止已接纳业务超标准使用承载网资源，从而避免业务造成资源的争夺，保障网络资源的合理使用。

在带宽管理技术的具体实现时，设备内部是通过不同层级的逻辑标识来执行的。以下是各层级对应的与带宽管理技术相关的逻辑标识：

物理端口级：带宽规划

业务级：业务VLAN

用户级：接入设备的用户端口

用户不同业务Session：IP地址或五元组

因此，上行方向，接入网应能够实现针对用户端口、业务VLAN的速率限制；下行方向，接入网应能够实现基于IP地址、业务VLAN的速率限制策略。

另外，宽带接入网还必须提供强有力的WRED拥塞管理机制，能够针对802.1D优先级设置处理策略，在出现拥塞时先丢弃那些低等级的业务，而优先保证高等级业务的转发。

4、宽带接入QoS的实施策略

实施宽带接入QoS策略的关键是能够配合骨干网络在接入网的各种设备内部实施完整而统一的业务区分与标记、业务映射与分类承载以及优先级处理策略，使整个网络的QoS能够做到：

（1）可预见：不同业务对QoS有不同的要求，需要从业务的角度明确需要实现何种程度的QoS保障；

（2）可部署：QoS需要进行全程全网的实施，要求做到端到端的实施保证。

（3）可监控：对QoS进行测量和监控，快速判断各种故障对SLA的影响程度，提高客户的满意度。

（4）可感知：通过部署QoS，使用户可以获得一致的业务感受。

4.1　宽带接入QoS的总体规划

实施宽带接入QoS，首先必须进行QoS的总体规划，其规划原则可如下：

（1）根据不同业务特性在接入网内实施针对业务类型的业务分流

目前可考虑的业务类型可以分为VoIP语音、视频、专线互联及互联网接入等。另外，还必须考虑到宽带网络本身还存在管理和控制信令等，这种消息流与VoIP数据流具有同等的QoS保证需求。

（2）在接入网的汇聚层实施业务VLAN策略

实施业务VLAN策略，可根据业务及流量特性对业务VLAN进行合理的带宽规划，流量控制和隔离，尽量减少不同类型业务流量之间影响。

（3）不同客户实施不同的QoS

对于重要的企业VPN专线、同城互联客户，至少在接入网汇聚层实施独享带宽和独立逻辑通道（业务VLAN）的二层QoS策略；对于个人和家庭用户，可针对用户的业务类型，提供不同的QoS策略。

（4）不同业务类型实施不同的QoS

个人和家庭用户的业务基本上以VoIP、视频和互联网接入为主，其业务优先等级依次由高到低，这三类业务之间实施绝对优先级调度策略。

对于互联网接入业务，可根据业务内容再细分成不同优先级类型。根据业务内容细分的情况下，用户访问不同的内容具有不同的服务质量，如访问互联星空内容时比访问其它网站内容具有更好的服务质量。

根据业务内容细分的优先级的确定有两种实现方法：一种是ISP与运营商双方共同确定ISP所提供内容的服务等级，ISP内容在进入运营商网络之前打好相应的优先级标记，用户访问ISP的不同内容，可能获得不同的服务质量；另一种是用户在访问ISP内容前，首先访问ISP提供的Portal页面，在Portal页面中用户选定欲访问内容的服务等级，然后，再通知运营商网络针对相关内容打上相应的优先级标记。

4.2　宽带接入QoS的引入

QoS技术的部署主要包括资源控制、资源隔离和资源调度等各种技术及策略的运用。资源控制对使用的网络资源进行限制，主要通过对流量的许可控制实现，例如对不同类型的流量的限制、对流量的优先级控制等，资源的限制使得在网络中不同类型的流量具有合理的比例和分布。资源隔离主要保证不同的流量不会相互干扰，这种隔离可以通过设置流量优先级来实现，优先级主要确保低优先级的流量不会干扰高优先级的流量。资源调度对资源进行分配和调度。

考虑到QoS现实技术成熟程度的限制，QoS的引入实施及完善必将是长期的过程，建议分两个阶段来实施。

4.2.1　第一阶段

在宽带多业务发展初期，建议在宽带接入网内引入802.1D二层优先级+拥塞调度机制的静态QoS机制，具体措施如下：

（1）根据业务需要，定义服务等级；

（2）在网络边缘，实施业务区分与标记策略。下行方向，由业务边缘网关根据IP地址/五元组对业务流进行识别，上行方向，由接入终端根据物理端口进行业务区分和标记。

（3）汇聚层及宽带接入平台根据802.1D优先级标记执行预设置的QoS处理策略，如队列调度，拥塞处理等。另外，宽带接入平台负责对上行802.1D二层优先级标记的信任度检查和重标记。

（4）汇聚层通过VLAN技术进行必要的带宽资源隔离，至少应实现组播业务带宽资源与其他业务带宽资源的隔离。

4.2.2　第二阶段

802.1D二层优先级+拥塞调度机制的QoS机制存在许多不足，因此，随着宽带业务的发展，必须在网络层的基础上引入承载控制层，实现基于呼叫接纳控制技术的动态QoS机制。

动态QoS技术主要通过资源预留及呼叫接纳控制（CAC）机制实现对基于呼叫的VoIP和VoD业务的QoS保证。另外，通过动态QoS技术还可以比较灵活的实现基于用户/内容的按需QoS保证业务等。其基本思路如下：

在网络层之上构建网络层的"大脑"，即承载控制层，实现对网络中关键节点（如BRAS设备）的资源控制和调度。承载控制层包括两个基本部件：资源管理服务器和用户位置信息系统。另外，为了便于动态QoS的部署，还需要在业务管理层面引入QoS业务管理平台或业务服务器中间件，QoS业务管理平台主要是针对非呼叫类业务，业务服务器中间件主要是针对基于呼叫的业务。用户在使用具有QoS保证的业务前或在建立基于呼叫的业务过程中，增加资源请求和分配的过程，从而实现对用户的动态QoS保证。

QoS业务管理平台提供QoS业务管理、用户管理、资源管理以及QoS计费信息等；资源管理服务器用于QoS策略分发、带宽资源利用等情况的统计；用户位置信息系统用于提供用户所在的接入节点的线路信息。

用户通过PC在使用具有QoS保证的业务之前，可以通过Portal页面方式进行QoS请求，相关的QoS参数可以包括用户服务等级、用户所需带宽、时长及对端IP地址等。以下以用户的按需带宽业务为例，说明其具体业务流程（如图1所示）：

图1　QoS业务流程示意图

（1）用户通过QoS业务管理平台的Portal页面申请所需要的带宽大小及相应的服务等级；

（2）QoS业务管理平台通过SOAP接口向资源管理服务器申请资源；

（3）资源管理服务器通过SOAP接口查询用户的物理位置；

（4）资源管理服务器根据用户的物理位置查询资源，并决定是否接纳或拒绝来自QoS业务管理平台的请求；

（5）如果接纳，资源管理服务器进行资源预留，并通过COPS接口将用户的服务等级下发给BRAS设备，BRAS设备建立用户IP地址与服务等级之间的映射关系；同时，资源管理服务器相应QoS业务管理平台的资源请求；

（6）QoS业务管理平台接收来自资源管理服务器的响应，将计费信息通过相关接口下发给计费系统；

（7）用户开始使用具有QoS保证的互联网业务。

另外，BRAS设备需要具有带宽资源预留功能。为了在宽带接入网范围内提供更好的QoS保证，BRAS设备应能够将用户的服务等级信息转化成802.1D二层优先级标记下发给下层网络，下层网络直接根据802.1D优先级标记进行队列调度和QoS处理。

如果是基于呼叫的VoIP、VoD等业务，则可以直接定义这种业务的服务等级，用户发起业务请求时，只需要通过业务服务器中间件向资源管理服务器提出业务资源占用请求即可。

5、现有宽带接入网的技术改造

针对宽带接入QoS的部署需求，应从以下5个方面入手实施宽带接入网络的技术改造，以解决接入网适应多业务承载所面临的QoS技术问题：

（1）优化宽带接入网络架构

对接入网进行优化的思路是：使BRAS下移，减少汇聚网络的层次，将规模较大的二层汇聚网络改成多个相互隔离的规模较小的二层网络，尽量减少DSLAM级联级数，扩展DSLAM设备的上联口带宽能力。

（2）DSLAM的IP化改造

为支持多媒体业务，现有的ATM上行的DSLAM设备必须改造成IP上行，或在原有的ATM-DSLAM节点旁新建IP-DSLAM节点，直接将多业务用户割接到新的IP-DSLAM节点。

（3）多业务VLAN隔离

在汇聚网络通过实施不同业务采用不同的VLAN策略，进行业务分流，并保证VLAN之间的隔离，根据VLAN进行相应的QoS处理策略。

（4）网络设备QoS功能的统一和升级

对接入网范围内网络设备的QoS功能进行统一规划，特别是涉及到的BRAS、接入终端和接入平台三个关键部件，并进行相应的技术升级或改造以保证接入网范围内网络设备对端到端的QoS功能的支持。

（5）智能多业务端口接入终端

采用智能的多业务端口接入终端替换现有的单端口终端，并采用多PVC上行、实施业务与端口、端口与PVC绑定的策略。