多业务差异化运营的利器——城域宽带网QoS机制

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本文从多业务运营的需求出发，分析现网存在的问题和解决方式，剖析电信级以太网技术在满足城域网优化（特别是QoS提供）方面的特点，并最后对其发展趋势作出判断。为什么需要多业务运营？
　　多业务运营、综合信息服务提供已然成为新时代运营商发展的新方向。提出这样的策略，主要是因为传统业务的用户新增量、每用户收入的持续下降（如下图1、2所示）导致收入增长乏力，运营商必须寻找新的业务及业务运营思路来刺激收入的增长；

　　宽带数据接入业务发展的一枝独秀，让固网运营商仍然维持收入的增长。但数据业务收入的增长率远低于网络带宽的增加率，使得运营商开始考虑脱离类似批发性质的管道提供商角色，努力向产业的上游延伸，挖掘基于宽带的业务收益。而且据调查统计，多业务捆绑的提供可以有效增进用户忠诚度和倾向性。如何基于宽带提供多业务成为运营商进一步发展的关键。
　　从用户的角度看，单纯的语音通信、被动的电视观看、雷同的网站浏览已经显得单调乏味，多样化、互动化、多媒体化的新业务（如彩铃、流媒体、互动电视、视频通信）才是大势所趋。下图列举了用户业务需求的范例：

图3：多姿多彩的用户业务需求

　　另一方面基于IP网承载全业务（语音、视频、数据，NGN、IPTV、3G）的思路已然被固网及移动运营商所接受，并且已经积极地进行相关试验。综上所述，基于宽带网实现多业务运营从营收压力、用户需求以及未来发展等多角度考虑有其必然性。
如何支持宽带多业务运营？
　　从图3可以看出，基于IP宽带网络可以提供给用户的业务种类非常多。在承载业务时，由于不同业务的业务特性的不同，对带宽、时延、抖动等网络条件的要求也就大相径庭。同时对用户类型的细分，更是提出了对不同用户的不同业务进行区分服务的要求。当前的IP承载网（特别是城域网）基本上是为网页浏览、E-mail、FTP等传统非实时业务设计的，只能提供“一勺烩”的Best Effort服务，对所有的业务流均是一视同仁进行先来先处理，对数据包的传递可靠性、延迟等不能提供有效保证。因而运营商只能根据接入带宽进行收费，无法通过差异化服务来获取更多收益。
　　因此区分对待、按需服务成为宽带网络支持多业务运营的关键。这涉及到对用户/业务的标识、不同优先级的赋予、流量的控制与调度、拥塞时候的有效处理，也就是需要完善的QoS机制。
　　完善的QoS机制不是某一种技术，而是一个策略处理体系，需要多个方面的控制以及各方面的协同工作，要素列举如下：
　　网络层次架构优化
　　用户/业务标识、分类
　　流量策略、整形
　　拥塞避免机制
　　多优先级队列及调度
　　1). 网络层次架构优化
　　在宽带网实施QoS机制之前首先要保证网络层次的清晰化、网络架构的可靠性：网络层次不清晰，会造成用户/业务划分的紊乱、带宽/流量分配的不合理；网络架构不可靠，会导致收敛时间过长（如秒级），无法达到QoS的基本要求，从而无法基于这样的网络提供有保证的服务。对于这两个前提，网络层次清晰化可以通过网络疏清和良好规划来实现，网络架构可靠性则可以通过部署快速收敛技术来保证。
　　2). 用户/业务标识、分类
　　分类是通过数据包的某个头域或属性来标识不同的用户/业务流量，从而在后续的处理当中根据不同的类别进行相应的策略操作（如标记、排队、整形等）。网络设备中的分类器将入流量整理区分成多种不同的流量类型（traffic class）。分类器的分类依据越灵活、分类粒度越细，则后续可进行的策略和处理则越全面。
　　3). 流量策略、整形
　　在对用户/业务流量进行分类后，则可以对每一种流量进行策略定义，也就是实施预定义的SLA标准，限制某些流量的速率。典型的SLA标准包括两类内容：带宽指标（如CIR/EIR/CBS/EBS）和业务性能指标（时延、抖动、丢包率）。不同的业务要求不同的SLA，例如流媒体业务要求低时延、低抖动、高带宽，而互联网访问业务要求保证的带宽，对时延和抖动的要求则没有那么严格。用户可以选择和使用低档的SLA来传输视频业务，只是这时业务的体验/质量无法得到严格的保障。
　　4). 拥塞避免机制
　　拥塞避免机制是用来保证高优先级流量可以在网络拥堵时仍然正常通过。与在拥塞出现后才进行相应处理的拥塞管理技术（即排队技术）不同，拥塞避免机制主要是通过检测网络流量负荷，如果拥塞开始增加，将随机地丢弃数据包，从而促使信息源发现流量丢失继而降低其传输速率。拥塞避免的主要算法包括RED和WRED，后者是前者的扩展，增加了对流量的权重识别（先抛弃权重低的数据包）。
　　5). 多优先级队列及调度
　　QoS机制中的关键是提供多优先级队列，所有用户/业务流量按类型被分配到各个队列中等候转发。继而调度器/调度算法根据出端口的可用带宽，从队列中抽取相应优先级别的数据包进行转发。优先级队列的合理划分、调度算法的选择对QoS的准确性起到极其重要的作用。常用的排队、调度算法包括FIFO、SP（严格优先级）、CQ（定制排队）、WFQ（加权公平队列）。对于多业务运营的环境，任何一种单一算法都无法很好地实现调度的公平性和有效性，所以常常采用多种算法结合的方式来体现队列的优先级程度。
　　QoS的实施涉及全网的部署支持，从网络层面看，划分为全国骨干网、城域网（城域骨干网、城域接入网）等3个层面。在国干层面，由于节点少、流量大、性能要求高，运营商均部署了高端路由器，通过MPLS等技术实现QoS保障，可以很好地实现对多业务的承载。
　　在城域骨干层面，运营商倾向于建造以BRAS、业务路由器及核心路由器组成的路由网络，主要解决高带宽、大容量、业务集中控制等需求。该层次设备采用MPLS、层次化QoS等技术支持多业务承载。
　　城域网的QoS实现和规模优化改造集中于城域接入网部分。这个层面的设备在建造之时主要是为传统互联网业务（如WWW、FTP、EMAIL等）而设计，没有考虑如QoS、组播以及各种网络应用（NGN、IPTV、3G）承载等问题，而且相关设备品牌/种类繁多、鱼龙混杂，成为多业务承载、QoS实施的瓶颈。
　　城域接入网现存的问题主要包括：
　　·网络架构可靠性低：
　　　　采用星型结构，存在多级级联以及单链路、单节点故障点。
　　　　采用STP/RSTP支持双归属，收敛时间较长（秒级）；
　　　　二三层设备混杂，功能性能不一；
　　·不具备QoS能力，无法区分业务及提供SLA；
　　·VLAN数量有限，无法支持用户标识唯一性；
　　·可管理性较差，无法进行严格的流量和业务控制。
　　对于城域网存在的问题，可以通过清晰的网络规划和优化技术改造来解决。当前在城域网优化方面的技术主要分为两类：电信级以太网技术（如ERP、RPR）、城域光网（如MSTP、WDM）技术。前者沿继以太网应用广泛和成本低廉的优势，通过改进和增强以太网技术以实现对多业务、QoS的完善支持；后者通过光网技术向城域的扩展来支持数据业务。两者均采用环形结构和等级QoS机制支持多业务承载，但后者的问题是价格昂贵，在原本规模庞大、投资巨额的城域接入网层面难以广泛适用。
　　ERP以太环网技术RPR环网技术MSTP技术WDM波分技术
　　复杂性简单复杂复杂复杂
　　商用情况较多少较少较少
　　适用范围承载各种数据业务及三网合一业务承载各种数据业务和TDM业务以TDM业务量为主的混合型业务数据业务量为主，TDM业务量为辅
　　设备投资成本低较高较高高
　　设备维护成本低较高较高高
　　后续扩展成本低较高较高高
　　存在问题国际标准化工作待进一步完善无跨环结构，组网能力弱，不适合组建大型城域网传输效率低，数据业务支持不灵活，设备成本及后期维护成本较高组网及维护成本相对其他技术为最高
　　表1：城域网优化技术对比矩阵
电信级以太网技术，完备城域交换QoS能力
　　以太网技术以其廉价、简单、快速、扩展性好等特点占据着大部分企业网络和部分城域网络市场。但传统的以太网技术在支撑多业务运营及电信级性能方面存在着不少缺陷，如缺乏可靠的QoS机制、快速故障恢复能力、安全机制、OAM能力等。
　　电信级以太网技术如其所名，继承以太网技术成本低、操作简单、互通性好等优点，并且通过系列新型技术为以太网设备添加电信级性能：
　　·通过ERP（以太环保护）技术实现小于50ms的保护倒换时间；
　　·通过QinQ及其增强技术提供对用户/业务的唯一标识；
　　·通过系列整合技术提供完善的QoS机制；
　　·接入网二层化、扁平化，提供汇聚环、接入环双环层保护；
　　·增强对接入网安全及组播业务的支持。
　　在QoS方面，电信级以太网技术集成了各种优化技术，组合成为一套完善的QoS体系：
　　灵活的业务分类
　　用户/业务数据包包含多个属性域，电信级以太网交换设备可以根据各属性域对业务流量进行分类，例如入端口、VLAN标识、源/目的MAC地址或类型、802.1p比特位、TOS/DSCP比特位、IP源/目的地址/子网等，运营商可以根据自定义或统一规划的分类规则进行流量区分操作，进而对各个流量标记不同的流量管理参数（如策略参数、TC-流量类型等）。
　　流量策略及整形
　　在入口处，对于每一种流量，可以配置不同的流量参数（CIR-承诺信息速率；EIR-超出信息速率；PIR-峰值信息速率），基于上述参数进行双漏桶/三色（MEF建议）算法处理（即保证CIR的带宽提供，对于超出PIR的数据包进行抛弃操作），从而规范和满足流量的带宽消耗。
　　在出口处的整形操作包括：速率限制（丢弃超出PIR的包）和平缓整形（通过缓存转发来平滑流量，防止阻塞）。
　　合理的拥塞避免
　　电信级以太网技术中引入WRED算法。该算法的特点是：扩展RED以区分不同的流量，对每个流量分配相应的权重；在网络负荷增加并且可能导致拥塞时随机丢弃数据包；根据丢弃系数，先丢弃优先级低（丢弃系数高）的数据包；新到的数据包丢弃系数高。从而有效地控制和避免网络拥塞情况的出现，减少网络拥塞对优先级高的数据流量的影响。
　　多优先级队列及组合调度
　　随着带宽的增加、承载业务类型的增多，在城域网上跑的业务会越来越多（目前有WWW、FTP、EMAIL、流媒体播放和下载，可预见的有DTV、VOD、NGN语音及视频业务、3G数据业务等）。两、三个优先级别和简单的调度算法势必无法满足今后几年网络的发展。
　　在电信级以太网交换设备中，每个端口均拥有多个优先级队列（7~11个），并且根据单播、组播业务的区别提供单播优先级队列和组播优先级队列。每个队列对不同的流量类型，例如GBW-EF（确保带宽的快速转发）、GBW-AF（确保带宽的有保证转发）、DS-EF（普通快速转发）、DS-AF（普通有保证转发）、BE（尽力而为转发）等。而且每个队列拥有自己的带宽配置，以确认对该队列业务转发的最大带宽。
　　在队列调度方面，电信级以太网设备结合了SP（严格优先级队列）和WFQ（加权公平队列）两类算法的优势，对于最高优先级的队列，采用严格优先级算法，不受其他流量的影响，享受绿色通道；对于中低等优先级的队列，通过加权轮循调度，以确保高优先级的队列享受的待遇高于低优先级的队列。同时通过限制严格优先级队列的带宽以避免严格优先级队列占用带宽导致低优先级队列吊死的现象。
　　虽然为了实现差分服务和多业务承载，电信级以太网技术增加了不少复杂的处理机制，但通过软硬件部件的紧密配合和算法的优化，可以做到保证设备数据转发的线速并且CPU负荷不受影响。而且相对其他城域网技术（如RPR、MSTP、WDM等）需要增加专有硬件或特殊封装层面来说，电信级以太网这种软件机制方面的优化从成本和清晰度来言均有明显的优势。
总结
　　利用IP宽带网络承载多业务已经成为运营商未来全业务经营发展的趋势。现有网络（特别是城域网）在业务差分服务以及电信级性能方面存在缺陷，因而对多业务运营支撑的关键是通过网络优化改造部署完善的QoS机制和其他相关能力。电信级以太网技术通过灵活业务分类、流量策略整形、合理拥塞避免、多优先级队列及组合调度为城域网提供完备的QoS能力，并且保留价格低、维护简单、扩展灵活等以太网传统优势。随着技术的进一步成熟和IP/以太网业务量的日益增加并成为主导，电信级以太网技术将成为多业务运营、城域网络优化的主要解决方案
　　参考文献：
　　[1]. Carrier Ethernet Solution Traffic Management & QoS Mechanism, Siemens, 2006-01-23
　　[2]. 城域网的发展与技术选择，韦乐平，中国城域网技术与应用论坛，2006-07-27；
　　[3]. 运营级以太网仅在咫尺，胡晓女，通信世界网，2006-10-18；
　　[4]. 构建可持续发展的城域网，陈耿，人民邮电报，2005-08-16；
　　[5]. 让以太网技术在城域网改造中大展身手，西门子，通信世界网，2006-05-30；