解析下一代网络的QoS技术

计算机网络最初是为传送数据信息而设计，传统IP网络认为所有的主机都是平等的，从而提供"尽力而为"(best-effort)服务和每一个分组独立选择路由的策略，这些对传送数据信息是合适的。由于IP业务将成为未来电信业务的主体，1999年ITU-T确定以IP为核心的电信网演进方向：下一代网络(NGN)将是一个以IP为核心，可以支持语音、数据和多媒体业务的融合的全业务网络。但是传统IP网络提供的best-effort服务，无法保证时延、时延抖动、分组丢失率等对于电信级业务来说至关重要的服务质量(QoS：quality of service)。20世纪90年代前期占主导地位的ATM虽然有一整套完整的QoS机制，但是它基于面向连接的控制技术，不能简单地移植到无连接的IP网络中。因此，多业务IP网络的QoS实现技术的研究是部署NGN的一项极其重要和具有挑战性的重要内容，成为整个信息业界的热点研究课题。

　　1、QoS概念

　　ITU-T在建议书E.800中给出QoS定义[1]：QoS是服务性能的总效果，该效果决定了一个用户对服务的满意程度。因此在最简单的意义上，有QoS的服务就是能够满足用户的应用需求的服务。从技术角度来看，QoS是指网络系统各种性能尺度的综合，主要包括可提供的带宽、丢包率、差错率、时延和抖动、接通率等方面。具体应用不同，对QoS各项指标的要求也不同。比如：长文件传输要求传输速率高且分组丢失低，但对时延和抖动不是太敏感；而视频会议不仅要求传输速率高，而且对时延和抖动也很敏感。

　　保证QoS，实质上就是要提高网络的传输条件。如高质量的语音通信，就是依赖于带宽、时延和抖动这3个要素。一般而言，网络提供QoS保证的途径有：过度配置、优先级、队列、避免拥塞和传输整形等。

　　1)过度配置：这是最简单的一种QoS途径，通常应用在局域网，是靠提供大量带宽来满足用户的业务需求。广域网中，由于带宽成本，过度建设这一方法目前还不可能占主导地位。

　　2)优先级：该方法是对每个IP分组的级别进行分类，不同级别的分组在网络进行带宽分配、通过顺序、时延抖动、丢包等方面的处理时，所受到的待遇是不同的，这样可以确保诸如语音、图像等对实时性要求比较高的分组享受高的级别，从而提高其传输的质量。

　　3)队列：队列和队列调度算法是在已经应用了优先级的前提下采用的一种QoS方案。队列实际上是路由器或交换机内部的一块缓冲区，用来存储带有优先级别的IP分组。队列调度算法则用来确定存储在队列中的分组的发送顺序，为优先级高的分组提供更好的服务。

　　4)避免拥塞：拥塞控制与避免机制是QoS的另一个重要方面。拥塞控制使在网络在负载达到某一限度时降低传输流速度。但拥塞控制本身并不能保证QoS。只有与拥塞避免功能同时存在时，拥塞控制才能发挥作用。随机早期检测(RED：random early detection)[2]技术是标准的拥塞避免方法。每当队列满时，RED就随机地丢弃一些分组，使队列不出现溢出。

　　5)传输整形：传输整形是一种处理和修改分组长度以保证QoS的技术，例如分组分段。ATM网络提供高QoS的原因之一就是它采用了固定长度的短信元。任何信元可以被延时的上限是传输一个信元所需的时间。

　　2、QoS业务模型

　　具有QoS保证的网络，其QoS系统应是将优先级、队列、消除拥塞等几种技术集成在一起的整体，形成一种基于策略的管理系统，称为业务模型。Internet工程任务组(IETF)，已经提出了几种改善QoS的业务模型，其中包括综合业务(IntServ)[3]，区分业务(DiffServ)[4]和多协议标签交换(MPLS：multiprotocol label switching)[5]。

　　2.1　综合业务

　　综合业务(IntServ)是根据每个IP流的QoS等级的精确描述，由具有资源预留协议(RSVP)[6]功能的路由器中的RSVP和流的准入控制支持IP的QoS分类。在IntServ流中，除保留了原有的尽力传送业务(BS：best-effort service)之外，新增了2类业务：保证业务(GS：guaranteed service)和受控业务(CLS：controlled load service)。对于GS，流的最大排队时延是受到控制的。CLS可以使应用得到比BS更加可靠的服务。

　　一旦特定的业务流被分配给某类通信，一个"PATH"消息将被向前发送直至目的地址，以便确定网络是否具有支持该特定业务所必需的足够资源(如带宽、缓冲空间等)。如果发现路径上所有设备都可以提供所需资源，接收端则生成一个"RESV"消息返回给发送端，通知发送端可以开始传输数据。这一过程，就是资源预留协议。

IntServ的主要优点是它较好地适应了不同应用的QoS要求。例如GS可满足关键任务应用，而适应性应用可使用CLS，其它弹性应用可使用BS。IntServ的主要缺陷为控制颗粒过细(