下一代网络NGN中QoS的研究分析

admin

1、引言    网络体系结构的演变和宽带技术的发展推动并加快了传统网络向下一代网络（NGN）的演进。随着网络规模的扩大、应用的逐步扩展，特别是具有实时要求的新兴业务（如VoIP、视频会议、多媒体远程教学、视频点播等）不断出现，更要求通信网络能提供高效的端到端的服务质量支持；同时用户对网络服务质量（QoS，QualityofService）的要求也越来越高。因此，如何提供端到端的QoS将是NGN的核心问题之一。
    2、NGN的体系结构及其QoS问题
    2.1NGN体系机构
    NGN是以软交换为核心，采用开放、标准体系结构，能够同时提供话音、视频、数据等多种业务。
    软交换技术是下一代业务网络的核心技术，也是NGN的关键技术之一。软交换的基本含义是把呼叫控制从媒体网关中分离出来，通过服务器上的软件实现基本呼叫控制功能，包括呼叫选路、管理控制、连接控制、（建立会话、拆除会话）和信令互通。软交换的主要设计思想是业务/控制与传送/接入分离，各实体间通过标准的协议进行连接和通信，其主要功能包括以下几部分：1）呼叫控制功能；2）业务提供功能；3）业务交换功能；4）互通功能；5）SIP代理功能；6）计费功能；7）网管功能；8）路由、地址解析和认证功能；9）H.248终端、SIP终端、MGCP终端的控制和管理功能；10）七号信令（即MTP及其应用部分）功能；11）H.323终端控制、管理功能（任选）。
    软交换的功能结构如图1所示。

    图1  软交换系统结构示意图

    2.2NGN中的QoS问题
    就QoS而言，软交换网络和Internet有两个重要的不同之处。首先，软交换网络是一个多媒体通信网络，不但要支持IP网络的传统数据应用，而且要支持高质量的实时音视频通信业务。其次，软交换网络是一个商业运营网络，必需向用户提供承诺的服务质量，而且需根据所提供的服务质量计费。因此，必须根据不同的应用需求，提供相应的QoS。
    在技术上，软交换网络和传统的GSTN也有很大的不同。GSTN是电路交换网络，当网络话务量大到一定程度时，由于网络资源全部被占用，交换机将拒绝后来的呼叫请求。拒绝一个呼叫只影响一个用户，对于正在进行中的呼叫没有任何影响。软交换网络是资源统计复用的分组网络，当网络业务量增大时，网络资源使用出现拥塞，后续的呼叫虽然仍可以进入网络，但是其QoS将下降，不但如此，正在进行中的呼叫的QoS也将受到影响。因此，软交换网络中的QoS问题比GSTN中的要复杂的多。
    在NGN中实现端到端的QoS包括以下方面：端到端的涵义、边界的定位、UNI的范围；定义端到端的多媒体QoS等级和单个媒体流注册QoS等级的方式；准入控制和资源管理，包括网络层实体和应用层实体之间的互操作；指明在网内如何用低层的QoS机制获得高层的QoS以及低层的域内QoS控制。
    3、QoS框架模型和关键技术
    3.1QoS框架模型
    NGN中支持QoS的框架模型的核心是一系列用以控制网络性能、防止网络资源争用的模块，可归纳为设计多个平面的综合技术：管理平面、控制平面和数据平面，如图2所示。

    图2  QoS框架模型

    管理平面：需要定义SLS、管理策略和度量标准，据此配置整个网络的资源。
    控制平面：需要进行接纳控制、支持流量工程的QoS选路和资源预留。
    数据平面：需要对数据流进行整形、管制、排队等一系列处理，并实施缓存管理和拥塞避免控制。
    3.2QoS实现的关键技术
    3.2.1综合服务模型和资源预留协议（IntServ/RSVP）
    IntServ/RSVP服务模型在IETFRFC1633中进行了定义。RFC1633将资源预留协议RSVP作为IntServ结构中的主要信令协议。其基本思想就在于以资源预留的方式来实现QoS保障，RSVP是其核心部分。
    在服务层次上，IntServ/RSVP提供了3种级别的业务：
    1）端到端的质量保证型服务：保证带宽、限制延迟、无丢包。
    2）可控负载型服务：类似于在当前的一个负载较轻网络中实现的尽力而为业务的服务质量。
    3）尽力而为的服务：类似当前Internet在提供的尽力而为的服务。
    在结构层次上，IntServ/RSVP服务模型主要由四个部分构成：信令协议RSVP，接入控制器，分类器以及包调度器。
    在实现层次上，综合服务需要所有路由器在控制路径上处理每个流的信令消息并维护每个流的路径状态和资源预留状态，在数据路径上执行流的分类、调度和缓冲区管理。具体而言，资源预留协议RSVP负责逐点地建立或者拆除每个流的资源预留软状态，也即建立或拆除数据传输路径；接入控制器根据链路和网络节点的资源使用情况以及QoS请求的具体要求，来决定是否接受一个资源预留请求；分类器则对传输的数据包进行分类成传输流，IntServ常用的分类器是多域分类器，当路由器接收到数据包时，它根据数据包头部的多个域将数据包放入相应的队列中；调度器则根据不同的策略对各个队列中的数据包进行调度转发。
    IntServ/RSVP可提供严格的端到端细粒度的服务质量，但其扩展性差，对网络节点要求高，要求源到目的间途经的所有路由器都需维护，还要求处理各流的状态信息，对于网络核心路由器来说，处理和维护大量的流状态信息并支持IntServ/RSVP的节点机制将极大的增加路由器的负担和网络管理的复杂度。
    3.2.2区分服务（DiffServ）
    DiffServ通过在IP头设置DSCP（DiffServCodePoint）值，为业务定义了一组每跳行为PHB（PerHopBehavoir），根据不同的DSCP，DiffServ采用不同的PHB，从而为用户提供不同等级的区分服务。用户为获得定制的服务质量，先与服务提供商协商SLA，然后网络边界路由器通过对报文分类、整形和策略，将具有相同DSCP的大量业务流汇聚成少数的聚合流，DS域的内部节点只根据与DSCP对应的PHB对报文进行转发。
    与IntServ类似，DiffServ也定义了三种服务类型：
    1）尽力而为的服务：类似于目前Internet上尽力而为的服务。
    2）奖赏服务：为用户提供低延迟、低抖动、低丢包率和保证带宽的端到端或者网络边界到边界的传输服务。
    3）确保服务：确保服务通过控制丢包优先级，提供比“尽力而为”服务更好的服务。
    DiffServ采用聚合的机制将具有相同特性的若干业务流聚合起来，为整个聚合流提供服务，而不再面向单个业务流。也就是说在DiffServ网络边界路由器上保持每流状态，核心路由器只负责数据包的转发而不保持状态信息。因而，DiffServ具有良好的扩张性，实现简单。但其很难做到基于流的端到端的QoS，并且QoS的颗粒度也较差。
   3.2.3多协议标签交换
    多协议标签交换（MPLS）将灵活的三层IP选路和高速的二层交换技术完美地结合起来，从而弥补了传统IP网络的许多缺陷。它引入了“显式路由”机制对QoS提供了更为可靠的保证。
    MPLS网络主要由标签交换边缘路由器LER和标签交换路由器LSR组成。当数据流进入MPLS网络时，入口标签交换边缘路由器LER首先将数据流映射到某个转发等价类FEC，再根据FEC为每个分组加上固定长度的短标签。每个FEC对应的标签是由基于限制路由的标签分发协议CR-LDP根据路由协议（如OSPF协议等）以及考虑到带宽的可用性和业务特性分发给各个LSR和LER的。进入MPLS网络以后，标签交换路由器LSR只是仅仅根据分组所携带的标签进行交换式转发，从而提高了转发速度。另外，CR-LDP在分发标签时充分考虑了带宽的可用性和业务特性，避免了拥塞的发生，充分利用了网络带宽资源。
    MPLS有两种途径对QoS支持：一是让标记本身就具有服务质量ToS（TypeofService）的意义：LER事先把标记空间分成多个区间，不同区间的标记具有不同的服务质量，在为新数据流分配标记时，根据其QoS的不同为其分配相应区间的标记；另一途径是让标记条目中的ExP域来标识传送分组的ToS。MPLS数据包的服务质量类型就由ToS等参数来决定。LER根据ToS来决定输出队列和丢包优先级。同时，通过对特殊路由的管理，还能有效的解决网络中的负载分担和拥塞问题。在MPLS之前的综合服务和区分服务只能解决一部分服务质量问题，只有MPLS才是一种最全面的服务质量保证体系。
    3.3数据平面技术
    数据处理技术是指当数据流被准许进入网络以后，在传输路径上的每个节点对它的处理过程。数据处理操作应该保证数据流量符合合约的规定，保证高级别业务流优先得到服务，保证所有业务都能获得应分配的带宽、缓存和处理器等网络资源，实现资源的统计复用。数据流处理包括分类、整形、管制、标记、排队和调度技术。相对来说，这些技术已经比较成熟，不再做详细介绍。
    4、总结
    本文首先从NGN的内涵和体系结构出发，阐明了NGN中QoS问题，然后着重介绍了QoS的框架模型、实现QoS的关键技术以及简要介绍了数据平面技术。有关NGN中QoS的分层控制模型已基本趋于一致，但实现技术尚有很大空缺，尤其是接纳控制模型和算法、网络资源规划和配置、动态SLA协商和准入、多域QoS控制等问题有待深入研究。
    QoS问题是一个十分复杂的问题，NGNQoS的最终解决也是一个长期的过程。在对于NGNQoS的研究和实验中，应该把握如下的原则：以满足NGN业务的QoS需求为导向；保持IP的基本优点：简单性、灵活性；充分考虑业务的QoS管理机制；尽量对用户透明，隐藏网络的复杂性；具有可操作性，能够在现有网络上应用和部署；QoS的部署应分阶段。