在家庭IP网络中提供QoS的设计考虑及解决方法

本文提出了在家庭网络环境中提供服务质量(QoS)保障的设计考虑因素，通过对实际的媒体接入考虑、排队和转发控制机制以及QoS特性管理的分析，认为基于优先级的媒体接入和包转发是在基于分组家庭网络中数据移动时保证QoS的最佳方法。

家庭网络相比于企业或者服务提供商基础架构内部网络具有很大的区别。同样地，在家庭网络中保证QoS要求的处理也不相同。企业基础架构或宽带接入基础架构网络一般利用专业管理设备以及工程有线设备，这些设备采用了能提供恒定带宽的技术。相反，家庭网络连接采用各种现有的有线技术或非工程配置的无线接入点，它们采用了具有不同带宽的技术。没有多少经验或网络管理知识的家庭网络用户通常不希望主动地去管理他们的网络，家庭中的应用趋向于那些具有不同带宽和包特性的多媒体密集型应用。

一旦像家庭网络环境的这些特性被确定，就可以开始评估提供适当QoS方案的技术。最终的QoS系统应该注意以下的设计考虑(图1)：

媒体接入(media access)：网络上的每个设备如何接入共享媒体？

包转发：在家庭网关、路由器或者网桥内部如何转发数据包？

QoS特性：家庭网络设备的用户、操作者和应用程序如何管理期望的QoS特性？

为在家庭网络中提供QoS，设备上的网络接口必须执行两个基本功能：媒体接入和包转发。QoS媒体接入是确定什么时候将包从设备发送到网络上，以便不妨碍另外一个设备适时的媒体包传输。特别的，规则要求指出可接受时间，每个设备上的网络接口可能在这样的假设下发送数据：多个设备将在几乎相同的时间发送数据。

QoS包转发是根据提供QoS的规则集发送来自单个设备内一个或多个网络接口的数据包的过程。一般地，住宅网关是家庭网络中这个具有多个网络接口的单个设备，在多种网络技术之间转发必须需要一些规则。可以以两种不同范例之一来实现两种基本的QoS功能：分优先级的QoS或者参数化(预定的)QoS。分优先级范例是针对共享媒体技术和区分的媒体接入。在这种方法下，当数据包进入到网络就被打上标记，这些标记由在像住宅网关这样的设备处的区分转发/排队引擎授予。

参数化范例(parameterized paradigm)是针对共享媒体技术以及规划的媒体接入机会。在这种方法中，所有的设备和应用必须请求特定量的时间来发送它们的数据，规划的媒体转发根据流状态执行，在每一跳(hop)发送信令。

在下面的讨论中，我们将展示为什么基于优先级的媒体接入方案非常适合于家庭网络。我们将从展示如何应用包转发来保证不同家庭网络技术之间的QoS来开始这个讨论；然后，我们将讨论一个系统对家庭网络中所有的设备怎样进行优先级分配和管理；最后的讨论围绕基于QoS方案设计的CableHome QoS和UPnP QoS架构，这些架构以一个完整系统的形式实现了家庭内部媒体接入、包转发和特性管理。注：本文假设在家庭内的网络部分是基于IP的，数据和内容是通过基于IP的接入网络发送到家庭，基于IP的家庭内部网络允许底层网络部分对应用透明。

实际的媒体接入考虑

今天的家庭网络采用了三种技术：10/100baseT以太网、IEEE 802.11g/b/a(Wi-Fi)和HomePNA。在将来，像HomePlug这样的其他技术可能变得流行。

很多人会根据有线和无线来对这些技术进行划分，但对于QoS来说更好的分类应该是共享媒体相对于点对点。交换式10/100BaseT以太网是一种点对点的技术，本质上，每段媒体上只有一个设备。所有其他技术为共享媒体技术，在这些方法中，多个设备共享一个媒体段，需要一些机制来控制设备如何在媒体上发送信息。

图1：三个QoS设计考量： 媒体接入、包转发和QoS特性。 家庭中的绝大多数集线器不支持参数化或IEEE 802.1p/q优先级方案，而且不可升级来实现这些功能支持。然而，当在家庭网络上增加像CableHome这样的业务时，现有的集线器将可能为集成到住宅网关内的交换机所替代。 对交换式以太网(switched Ethernet)而言，不同的媒体接入并没有多大的意义，因为数据流是点对点的，在这样的链路上实际不会有竞争。很多住宅网关内置有四或五端口以太网交换机，因此对于每个以太网端口来说不太会有QoS问题。100BaseT带宽足够解决大多数家庭网络的带宽和延时要求，尤其是当专用在点对点链路上。这样，为了QoS媒体接入目的，家庭中的以太网可以考虑点对点的技术，与共享媒体技术分别处理。 所有其他标准的共享媒体技术，例如802.11 b/g/a、HomePNA以及HomePlug具有或即将具有对基于优先级的QoS方案的一些支持。总之，这些基于优先级的媒体接入技术是根据优先级来控制哪个设备先接入媒体。那些具有最高优先级数据流的设备允许优先发送，然后根据可用的带宽，那些低优先级数据流的设备再获得机会在媒体上发送它们的数据。一般优先级方案不能严格控制最高优先级数据流占用的带宽。 参数化QoS依赖于这样的假设：底层的物理层/媒体接入控制(PHY/MAC)技术能提供非常稳定的带宽和最小的抖动。对于以太网或Docsis这样的网络技术来说，这个假设是可接受的，但是对于像无线局域网、电话线和电力线这样的家庭网络技术来说是不恰当的，因为这种网络的吞吐量和抖动会受快速变化的干扰以及零星干扰严重影响。 为获得对参数化保障的较高信心，必须对底层参数做出最保守的估计，保守的估计导致与一般的操作大不相同的情况。此外，除了音频或者视频(AV)以外，绝大多数的应用没有QoS考虑。因此，家庭网络首选基于优先级的媒体接入。