QoS研究及展望

2019-11-03 09:00:04

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供稿：網(wǎng)友

王曉燕

　　摘要　互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)上服務(wù)和應(yīng)用越來越多，并不斷向傳統(tǒng)電信服務(wù)滲透，因此，互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)就成為討論的熱點。在參與研發(fā)課題的過程中，筆者就實時與非實時業(yè)務(wù)是否分開及其對網(wǎng)絡(luò)QoS的影響程度進行了研究。本文旨在介紹QoS的基本概念、Qos路由及研究現(xiàn)狀和發(fā)展等。

　　關(guān)鍵詞　QoS 參數(shù)選擇尋路開銷不準確路由信息

　　0、概述

　　目前的Internet僅提供盡力而為(best-effort service)的傳送服務(wù)，業(yè)務(wù)量盡快傳送，沒有明確的時間和可靠性保障。隨著網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，Internet上的多媒體應(yīng)用層出不窮，如ip電話、視頻會議、視頻點播(VOD)、遠程教育等多媒體實時業(yè)務(wù)、電子商務(wù)在Internet上傳送等。Internet已逐步從單一的數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)向數(shù)據(jù)、語音、圖像等多媒體信息的綜合傳輸網(wǎng)演化。這些不同的應(yīng)用需要有不同的Qos(quality of service)要求，Qos通常用帶寬、時延、時延抖動和分組丟失率來衡量。各種應(yīng)用對服務(wù)質(zhì)量的需求在迅速增長。

　　Internet上一些主要應(yīng)用的業(yè)務(wù)特征及其QoS如表1所示。

　　顯然，現(xiàn)有的盡力傳送服務(wù)已無法滿足各種應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量的不同要求，需要Internet提供多種服務(wù)質(zhì)量類型的業(yè)務(wù)。而盡力而為的服務(wù)仍將提供給那些只需要連通性的應(yīng)用。

　　服務(wù)質(zhì)量Qos系指用來表示服務(wù)性能之屬性的任何組合。為了使其具有價值，這些屬性必須是可提供的、可管理的、可驗證和計費的，而且在使用時它們必須是始終如一的、可預(yù)測的、有的屬性甚至是起決定性作用的。為了滿足各種用戶應(yīng)用的需要，構(gòu)建對IP最優(yōu)并具備各種服務(wù)質(zhì)量機制的網(wǎng)絡(luò)是完全必要的。專線服務(wù)、語音、文件傳遞、存儲轉(zhuǎn)發(fā)、交互式視頻和廣播視頻是現(xiàn)有應(yīng)用的一些例子。

　　0.1　QoS的關(guān)鍵指標

　　QoS的關(guān)鍵指標主要包括：可用性、吞吐量、時延、時延變化(包括抖動和漂移)和丟失。下面詳細敘述。

　　可用性

　　是當(dāng)用戶需要時網(wǎng)絡(luò)即能工作的時間百分比。可用性主要是設(shè)備可靠性和網(wǎng)絡(luò)存活性相結(jié)合的結(jié)果。對它起作用的還有一些其他因素，包括軟件穩(wěn)定性以及網(wǎng)絡(luò)演進或升級時不中斷服務(wù)的能力。

　　吞吐量

　　是在一定時間段內(nèi)對網(wǎng)上流量(或帶寬)的度量。對IP網(wǎng)而言可以從幀中繼網(wǎng)借用一些概念。根據(jù)應(yīng)用和服務(wù)類型，服務(wù)水平協(xié)議(SLA)可以規(guī)定承諾信息速率(CIR)、突發(fā)信息速率(BIR)和最大突發(fā)信號長度。承諾信息速率是應(yīng)該予以嚴格保證的，對突發(fā)信息速率可以有所限定，以在容納預(yù)定長度突發(fā)信號的同時容納從話音到視像以及一般數(shù)據(jù)的各種服務(wù)。一般講，吞吐量越大越好。

　　時延

　　指一項服務(wù)從網(wǎng)絡(luò)入口到出口的平均經(jīng)過時間。許多服務(wù)，特別是話音和視像等實時服務(wù)都是高度不能容忍時延的。當(dāng)時延超過200-250毫秒時，交互式會話是非常麻煩的。為了提供高質(zhì)量話音和會議電視，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須能保證低的時延。

　　產(chǎn)生時延的因素很多，包括分組時延、排隊時延、交換時延和傳播時延。傳播時延是信息通過銅線、光纖或無線鏈路所需的時間，它是光速的函數(shù)。在任何系統(tǒng)中，包括同步數(shù)字系列(SDH)、異步傳輸模式（ATM）和彈性分組環(huán)路(RPR)，傳播時延總是存在的。

　　時延變化

　　是指同一業(yè)務(wù)流中不同分組所呈現(xiàn)的時延不同。高頻率的時延變化稱作抖動，而低頻率的時延變化稱作漂移。抖動主要是由于業(yè)務(wù)流中相繼分組的排隊等候時間不同引起的，是對服務(wù)質(zhì)量影響最大的一個問題。某些業(yè)務(wù)類型，特別是話音和視像等實時業(yè)務(wù)是極不容忍抖動的。分組到達時間的差異將在話音或視像中造成斷續(xù)。所有傳送系統(tǒng)都有抖動，只要抖動落在規(guī)定容差之內(nèi)就不會影響服務(wù)質(zhì)量。利用緩存可以克服過量的抖動，但這將增加時延，造成其他問題。

　　漂移是任何同步傳輸系統(tǒng)都有的一個問題。在SDH系統(tǒng)中是通過嚴格的全網(wǎng)分級定時來克服漂移的。在異步系統(tǒng)中，漂移一般不是問題。漂移會造成基群失幀，使服務(wù)質(zhì)量的要求不能滿足。

　　丟包

　　不管是比特丟失還是分組丟失，對分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的影響比對實時業(yè)務(wù)的影響都大。在通話期間，丟失一個比特或一個分組的信息往往用戶注意不到。在視像廣播期間，這在屏幕上可能造成瞬間的波形干擾，然后視像很快恢復(fù)如初。即便是用傳輸控制協(xié)議(TCP)傳送數(shù)據(jù)也能處理丟失，因為傳輸控制協(xié)議允許丟失的信息重發(fā)。事實上，一種叫做隨機早丟(RED)的擁塞控制機制在故意丟失分組，其目的是在流量達到設(shè)定門限時抑制TCP傳輸速率，減少擁塞，同時還使TCP流失去同步，以防止因速率窗口的閉合引起吞吐量擺動。但分組丟失多了，會影響傳輸質(zhì)量。所以，要保持統(tǒng)計數(shù)字，當(dāng)超過預(yù)定門限時就向網(wǎng)絡(luò)管理人員告警。

　　0.2　研究QoS的推動力

　　網(wǎng)絡(luò)中，服務(wù)質(zhì)量(QoS)的研究有三個主要的推動力。

　　·是對QoS有嚴格要求業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，如交互式實時多媒體業(yè)務(wù)、BP電話等；

　　·是通過QoS研究，有助于提高網(wǎng)絡(luò)效率，降低網(wǎng)絡(luò)成本；

　　·是運營商可以通過QoS機制，按照不同用戶對服務(wù)質(zhì)量的不同要求，提供多種有區(qū)別的服務(wù)，提高用戶的滿意度，同時提高網(wǎng)絡(luò)運營商的收益。

　　因此，服務(wù)質(zhì)量的研究重點是如何提高網(wǎng)絡(luò)提供QoS保證的能力，而最終研究的目標是保證用戶對QoS的要求。

　　1、IP Qos主要體系結(jié)構(gòu)及其實現(xiàn)機制

　　Internet如何提供QoS支持（即IP QoS問題）已成為業(yè)界關(guān)注的焦點。IP QoS是指IP數(shù)據(jù)流通過網(wǎng)絡(luò)時表現(xiàn)出來的特性，這種特性可以用下列指標來表示：傳輸服務(wù)的可靠性、延時、延時抖動、吞吐量、丟包率。到目前為止，IP QoS主要有3種體系結(jié)構(gòu)。

　　(1)int—serv集成業(yè)務(wù)

　　int—serv主要引入了一個重要的網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議RSVP(資源預(yù)留協(xié)議)。RSVP的引入使得IP網(wǎng)絡(luò)為應(yīng)用提供所要求的端到端的QoS保證成為可能。Int—serv盡管提供QoS保證，但其擴展性差。因為其工作方式是基于每個流的，這就需要保存大量的與分組隊列數(shù)成正比的狀態(tài)信息。此外，RSVP的有效實施必須依賴于分組所經(jīng)過路徑上的每個路由器。在骨干網(wǎng)上，業(yè)務(wù)流的數(shù)目可能很大，因此要求路由器的轉(zhuǎn)發(fā)速率很高，這使得int—serv難于在骨干網(wǎng)上得到實施。

　　(2)Diff—serv區(qū)分業(yè)務(wù)

　　IETF在RFC2475中提出diff—serv體系結(jié)構(gòu)，旨在定義一種能實施QoS且更易擴展的方式，以解決int—serv擴展性差的缺點。diff—serv簡化了信令，對業(yè)務(wù)流的分類顆粒度更粗。Diff—serv通過匯聚(aggregate)和PHB(per hop behavior)的方式提供QoS。匯聚是指路由器把QoS需求相近的業(yè)務(wù)流看成一個大類，以減少調(diào)度算法所處理的隊列數(shù)。PHB是指逐跳的轉(zhuǎn)發(fā)方式，每個PHB對應(yīng)一種轉(zhuǎn)發(fā)方式或QoS要求。由于diff—serv采用對數(shù)據(jù)流分類聚集后提供差別服務(wù)的方法實現(xiàn)對數(shù)據(jù)流的可預(yù)測性傳輸，所以對QoS的支持粒度取決于傳輸服務(wù)的分級層次，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中存儲的狀態(tài)信息數(shù)量僅正比于服務(wù)級別的數(shù)量而不是數(shù)據(jù)流的數(shù)量，由此diff-serv獲得了良好的擴展性。

　　(3)MPLS多協(xié)議標簽交換

　　多協(xié)議標簽交換(MPLS)將靈活的3層IP選路和高速的2層交換技術(shù)完美地結(jié)合起來，從而彌補了傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)的許多缺陷。它引入了“顯式路由”機制，對QoS提供了更為可靠的保證。

　　多協(xié)議標簽轉(zhuǎn)換MPLS在路由尋址方面同傳統(tǒng)路由器有明顯的不同。MPLS支持特殊路由，到達同一目的地的數(shù)據(jù)包可沿不同路徑進行轉(zhuǎn)發(fā)。MPLS網(wǎng)絡(luò)主要由標簽交換邊緣路由器LER和標簽交換路由器LSR組成；MPLS技術(shù)的Qos 保證機理如下：

　　——標簽交換，LabeISwap)機制

　　當(dāng)數(shù)據(jù)流進入M PLS網(wǎng)絡(luò)時，入口標

　　簽交換邊緣路由器LER首先將數(shù)據(jù)流映射到某個轉(zhuǎn)發(fā)等價類FEC(轉(zhuǎn)發(fā)等價類是指網(wǎng)絡(luò)中沿相同路徑進行轉(zhuǎn)發(fā)的一類分組的集合)。再根據(jù)FEC為每個分組加上固定長度的短標簽。每個FEC對應(yīng)的標簽是由基于限制路由的標簽分發(fā)協(xié)議CR—LDP根據(jù)路由協(xié)議(如OSPF、RIP、BGP協(xié)議)以及考慮到帶寬的可用性和業(yè)務(wù)特性分發(fā)給各個LSR和LER的。進入MPLS網(wǎng)絡(luò)以后，標簽交換路由器LSR不再根據(jù)原來的分組中的信息轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，而只是僅僅根據(jù)分組所攜帶的標簽進行交換式轉(zhuǎn)發(fā)。由于分組在通過網(wǎng)絡(luò)時只需一次路由，轉(zhuǎn)發(fā)時無需做傳統(tǒng)意義上的路由判斷(如查找路由表)，從而提高了轉(zhuǎn)發(fā)速度。另外，CR—LDP避免了以前LDP協(xié)議分發(fā)標簽時只是根據(jù)傳統(tǒng)路由協(xié)議來分發(fā)標簽：而傳統(tǒng)路由協(xié)議是基于最短路徑算法的，容易導(dǎo)致多條標簽交換路徑LSP選用同一系列LSR，進而可能使部分網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，而網(wǎng)絡(luò)的其它部分仍有可用資源，極大地浪費了網(wǎng)絡(luò)資源。CR —LDP在分發(fā)標簽時充分考慮了帶寬的可用性和業(yè)務(wù)特性，避免了擁塞的發(fā)生，充分利用了網(wǎng)絡(luò)帶寬資源。

　　——M PLS技術(shù)對QoS的保證

　　M PLS有兩種途徑對Qos支持：一是讓標記本身就具有服務(wù)質(zhì)量ToS(Type of Service)的意義：LER事先把標記空間分成多個區(qū)間，不同區(qū)間的標記具有不同的服務(wù)質(zhì)量，在為新數(shù)據(jù)流分配標記時，根據(jù)其Qos的不同為其分配相應(yīng)區(qū)間的標記；另一途徑是讓標記條目中的ExP域來標示傳送分組的Tos。M PLS數(shù)據(jù)包的服務(wù)質(zhì)量類型就由Tos等參數(shù)來決定。LER根據(jù)T0s來決定輸出隊列和丟包優(yōu)先級，如對于到達同一目的地的IP包，可根據(jù)設(shè)置在標簽中ExP域的Tos值來建立不同的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，不同的轉(zhuǎn)發(fā)路徑對應(yīng)不同的擁塞控制機制和丟包優(yōu)先級，達到其對傳輸質(zhì)量的要求。同時，通過對特殊路由的管理，還能有效的解決網(wǎng)絡(luò)中的負載分擔(dān)和擁塞問題，如當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)擁塞時，MPLS可實時的建立新的轉(zhuǎn)發(fā)路由來分擔(dān)其流量，或通過強制丟包、通知信源降低數(shù)據(jù)發(fā)送率等手段來緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞。雖在MPLS之前的綜合服務(wù)和區(qū)分服務(wù)能解決一部分服務(wù)質(zhì)量問題，但只有MPLS才是一種最全面的服務(wù)質(zhì)量保證體系。

　　以上3種體系結(jié)構(gòu)僅僅是提供了一種在—子網(wǎng)絡(luò)域內(nèi)實施QoS的框架結(jié)構(gòu)，而具體的一些策略和相應(yīng)的實現(xiàn)機制則由不同的廠商來決定。目前有關(guān)IP QoS的4種實現(xiàn)機制大致可歸納為：隊列管理機制，隊列調(diào)度機制，基于約束的路由(CBR)和流量工程。其中CBR是對QoS的限制參數(shù)進行一定的擴充。CBR需各路由器間相互配合，如相互通知網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息等。CBR的難點在于如何在狀態(tài)信息的精確發(fā)布和發(fā)布頻率之間取得一個折衷。CBR包括QoS路由(QoS-based routing)和策略性路由(poIicy routing)。

　　2、QoS路由

　　目前網(wǎng)絡(luò)研究主要通過兩個途徑提高QoS，一個是節(jié)點控制；另一個是整網(wǎng)或局部網(wǎng)絡(luò)控制。節(jié)點控制在單節(jié)點或單鏈路完成，主要控制業(yè)務(wù)對單節(jié)點共享資源的占用，包括共享的鏈路、緩存區(qū)、處理器資源。節(jié)點控制主要的策略包括：業(yè)務(wù)流整形、業(yè)務(wù)調(diào)度、節(jié)點緩沖區(qū)管理，整網(wǎng)或局部網(wǎng)絡(luò)控制通常通過對路由與信令的控制達到對業(yè)務(wù)流或業(yè)務(wù)連接在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)闹苯涌刂疲蚵酚芍苯雨P(guān)系到網(wǎng)絡(luò)性能，所以QoS路由成為解決QoS問題的一項關(guān)鍵技術(shù)。

　　QoS路由的主要目標是為接入的業(yè)務(wù)選擇滿足其服務(wù)質(zhì)量要求的傳輸路徑，同時保證網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用一般路由選擇過程由兩個部分組成：一是為到達業(yè)務(wù)選擇路徑并發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程，本文稱之為尋路過程；一是節(jié)點問路由信息的交互過程，與傳統(tǒng)的盡力而為的路由過程相比，QoS尋路過程涉及兩個方面的問題：一是依據(jù)哪些度量參數(shù)作為尋路標準，這里簡稱為度量參數(shù)選擇問題；另一個是在尋路標準設(shè)定后，如何找到滿足業(yè)務(wù)需求的路徑，并保證數(shù)據(jù)經(jīng)由選定路徑傳輸?shù)侥康墓?jié)點，我們稱之為尋路問題，路由信息交互過程中，由于鏈路傳輸延時的存在，每個節(jié)點獲得的其他節(jié)點的狀態(tài)信息總是具有一定的不準確性，這些不準確性將在一定程度上影響QoS路由算法的有效性，因此，路由信息不準確的問題，也是QoS路由中的一個主要問題。度量參數(shù)選擇問題、尋路問題和路由信息不準確問題是首要解決的基本問題，也是QoS路由中的研究重點。

　　2.1　QoS路由研究中需要解決的主要難點

　　QoS路由研究中需要解決的主要難點包括以下幾個方面：

　　(1)NP-Comp l ete問題

　　同時對兩個以上相互獨立的參數(shù)提出要求時，這個問題就是一個NP-Complete的問題,實時應(yīng)用往往會對延時，延時抖動，帶寬，丟失率，業(yè)務(wù)代價等多個參數(shù)同時提出性能要求,例如，實時多媒體業(yè)務(wù)會對延時和延時抖動同時提出要求,這些參數(shù)相互獨立時，選擇滿足多個參數(shù)限制的路由就成為NP—Complete問題,NP—Complete問題直接關(guān)系到路由算法的可實現(xiàn)性。

　　(2)多業(yè)務(wù)并存

　　同時承載多種QoS要求不同的業(yè)務(wù)時，網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化困難，擴展困難，尤其是QoS和盡力而為best-effort業(yè)務(wù)獨立共存時，很難確定最優(yōu)的操作點。

　　(3)節(jié)點狀態(tài)信息的存儲量大

　　QoS路由中，節(jié)點需記錄的狀態(tài)參量將增多，如狀態(tài)信息的存儲量隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點個數(shù)的增加而指數(shù)性增加，將限制網(wǎng)絡(luò)的擴展。

　　(4)信息不準確

　　傳輸負荷的抖動、新連接的加入稱消等都可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化，這些變化因素直接影響全網(wǎng)狀態(tài)信息的準確性，同時也直接影響算法的性能。

　　這幾點中，“信息不準確”是路由信息不準確中主要解決的問題。

　　2.2　QoS路由研究存的問題：

　　QoS路由研究存在著以下幾個問題：

　　(1)缺乏路由模型，理論研究困難

　　由于網(wǎng)絡(luò)拓撲和業(yè)務(wù)特性復(fù)雜多樣，協(xié)議數(shù)學(xué)描述困難，因此，目前多數(shù)路由研究主要是針對某個問題設(shè)計啟發(fā)式算法，而不是基于某種模型從理論上推導(dǎo)算法特性和性能，這種情況下，為分折算法性能，需要大量仿真工作，由于缺乏理論支持，在不同的拓撲結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)特性下，算法性能可能差異較大，而且仿真得到的結(jié)果缺乏說服力。

　　(2)優(yōu)化目標不同，評估標準不一致

　　目前主要的優(yōu)化目標包括代價和延時等加性參數(shù)，評估標準主要有：業(yè)務(wù)接入率、阻塞率、數(shù)據(jù)丟包率、帶寬利用率、節(jié)點隊列長度、代價、信令開銷等，由于各個研究者解決的問題不同，優(yōu)化目標往往不相同，評估標準也不一致，不利于比較不同算法的性，因此制定出統(tǒng)一的路由性能評估對路由研究具有重要意義。

　　(3)接入業(yè)務(wù)的變化對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)影響大

　　現(xiàn)有的QoS路由依據(jù)用戶業(yè)務(wù)對服務(wù)質(zhì)量的要求進行尋路，一旦存在滿足要求的路徑就會將業(yè)務(wù)接入，在業(yè)務(wù)接入時，沒有考慮該業(yè)務(wù)的接入對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)有多大的改變，因此，可以說目前的QoS路由是基于服務(wù)質(zhì)量要求的盡力而為的路由，在這種情況下，如果業(yè)務(wù)特性變化過快，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)急劇變化，網(wǎng)絡(luò)效率、阻塞率等特性都會受到很大影響，因此，在今后的研究中網(wǎng)絡(luò)的性能變化也應(yīng)該作為業(yè)務(wù)接入的一個參考。

　　(4)節(jié)點控制與路由過程脫離

　　網(wǎng)絡(luò)為業(yè)務(wù)提供QoS服務(wù)時，節(jié)點控制和路由控制是相輔相成，缺一不可的。

　　以上問題的解決對設(shè)計出高性能的路由算法，更好地滿足業(yè)務(wù)對服務(wù)質(zhì)量的要求，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，實現(xiàn)用戶級QoS至關(guān)重要。

　　從表2中的參數(shù)可以看出，基于算術(shù)平均的線性組合預(yù)測法Y′在預(yù)測方差和有效度指標上都不及基于調(diào)和平均的組合預(yù)測法Y"，說明組合預(yù)測法Y"較優(yōu)。同時，由于單項方法(成長曲線法)的預(yù)測效果存在較大差別，組合預(yù)測法Y′的預(yù)測效果甚至不及趨勢外推法和灰色系統(tǒng)預(yù)測單項方法的預(yù)測效果，由此印證了原有的線性組合預(yù)測有偏向較差方法的傾向。

　　從浙江省2003年移動通信用戶數(shù)發(fā)展的實際情況來看，截至到2003年6月底，全省移動用戶數(shù)為1772萬戶，按照上半年用戶發(fā)展速度，全年用戶數(shù)可達2040萬左右，假定按浙江省近三年的平均增長率0.9%計算全省總?cè)丝冢?002年底浙江省人口總數(shù)為4694.6萬，預(yù)計2003年底全省移動用戶滲透率可以達到43.1%，明顯與組合預(yù)測法Y"的預(yù)測結(jié)果更吻合。

摘自泰爾網(wǎng)

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