IP网络及其QoS技术发展研究

IP网络及其QoS技术发展研究什么是QoSQoS（QualityofService）服务质量，是网络的一种安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。在正常情况下，如果网络只用于特定的无时间限制的应用系统，并不需要QoS，比如Web应用，或E-mail设置等。但是对关键应用和多媒体应用就十分必要。当网络过载或拥塞时，QoS能确保重要业务量不受延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行。目录1IPQoS技术研究背景2IPQoS体系结构与影响因素3IP技术带宽保障机制结论4需要注意的几个关键问题5对IP网络及QoS发展的再认识第一章IPQoS技术研究背景随着分组传送技术和软交换概念的引入，电信核心网络将经历完全不同于以往单纯语音交换网的巨大变革，同时数据业务的IP化，承载需求的多样化也对下一代核心网络承载技术提出了更高的要求。因此包括对服务质量(QoS)的研究在内，所有对IP网络研究的目的基本集中在：希望既采用IP技术，又要能达到现在电信网络的水平，或者说试图完全用IP技术来改造现在的电信网络。从理论上讲，分组交换技术能够综合实时业务与非实时业务、宽带和窄带业务，是实现电信业务综合的最佳技术。IP技术作为分组传输的一种，采用了不面向连接的工作方式，简化了信令，又克服了为端到端连接提供资源保证而带来节点设备复杂化的问题，自产生以来获得了极为广泛的应用，IP技术也被业界认为是下一代核心网络的主要承载技术。但必须承认，传统的IP技术在QoS方面还存在较多缺陷，由于业界的愿望与自身不足之间的矛盾，使得IPQoS问题倍受关注，并提出了电信级IP网络等一些新的概念。目前许多专家倾向认为下一代网络是以基于IP分组的数字通信技术为核心技术的综合通信网络，但前提是必须对目前的IP技术进行改进，其中要改进的一个重要方面就是可以满足未来核心网络的QoS要求。这是一个重要和关键的命题，要让这个命题成立QoS问题必须澄清。本文试图抛开对IP技术的主观愿望，从具体实现机制客观分析其对电信级QoS的满足程度，进而对网络发展提出一些认识。第二章IPQoS体系结构与影响因素IPQoS具体指标QoS从概念上来说，可以看作是为一项或一类网络业务而定义的一组网络性能参数。IPQoS则是指数据包在网络传输中得到的服务质量，其研究目标是有效地为用户提供端到端的服务质量控制或保证。QoS并没有创造带宽，只是根据应用程序的需求以及网络状况来管理带宽。IPQoS有一套性能参数，主要包括：1)可用性：用户与网络连接的可靠性。2)传输延迟：两个参照点之间发送和接收数据包的时间间隔。3)可变延迟：也称为延迟抖动，指接收的一组数据流中数据包之间的时间差异。4)吞吐量：网络中发送数据包的速率，可用平均速率或峰值速率表示。5)丢包率：在网络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率。数据包丢失一般是由网络拥塞引起的。下一代核心网络主要承载业务与QoS需求根据时延和可靠性的敏感程度，对有代表性的业务所需QoS级别进行分类，如图1所示：IPQoS影响因素分析针对以上QoS具体指标，结合业务需求分析现网中的主要QoS表征，当前影响IP技术作为下一代网络核心的主要因素如下：1)丢包率：当网络健康状况下降时，分组包频繁丢失造成控制层不断发起重传，一方面所承载业务的用户感受显著下降；另一方面会使得网络整体负荷有较大增加，对所承载的其他业务造成冲击。2)可变时延：即抖动，它会对语音，视频流等实时业务造成较大影响，严重时甚至会造成业务质量无法被用户接受。3)业务时延：测试结果表明，如果网络中数据包的整体到达速率较为稳定，即使对于语音等较为敏感的实时业务，在传输时延较大时仍能维持相对较好的用户感受。4)业务带宽：对于未来核心网络中的承载业务而言，其对带宽的需求分为两类：一类以背景类业务为代表，对总体时延和抖动等实时指标并不敏感，只关心在单位时间内能否将数据送达接收方，其体现在带宽需求上就是平均带宽；另一类以交互式业务为代表，对抖动等实时指标敏感，强调尽可能保障其最大带宽需求。业务带宽保障机制保障数据业务实现带宽需求的思路有两个：一种思路寄希望于承载资源的极大丰富，不断扩大节点处理能力，也就是“当道路建设无限加宽时，车队到达速度将得到保障”，这种思路是从宏观的角度分析业务与资源之间的关系，其思想本质是从全网角度提高数据业务的平均带宽需求，从而提高业务服务质量。但其不足是在时间和空间上都对各类业务带宽需求进行了统计平均，不保障忙时，忙区域的业务服务质量，实际只是使业务满足QoS的概率得到了提高而已。另外该思路忽视了业务之间的服务等级差别，提高所有业务的平均带宽必然使得网络建设成本大为上升。另一种思路则是试图在IP网络中提供一种带宽分配机制，不论是针对每个具体业务流的带宽资源预留，还是针对不同业务等级的优先转发机制，都是带宽分配机制的一种体现方式，这也是目前集成服务和区分服务模型QoS机制的基本思想。第三章IP技术带宽保障机制在IP网络中，端到端的带宽保障机制涉及中继链路、网络节点路由协议的共同参与，目前中继链路和网络节点设备已经获得了较大的发展，中继带宽设置和设备处理能力基本可满足当前的业务发展的需求，业界尤其是设备厂商对此有着较为乐观的展望。当前热点问题更多集中在对路由协议的研究上，也就是如何避免对网络资源的不合理使用。传统IP技术的带宽保障机制IP技术最初的设计目的是进行高效的数据传输，其提供的“尽力而为”的服务很难保证传送时延要求。IP技术执行的动态路由协议，不论是OSPF或IS-IS，其本质都是最短路由优先，由网络自行根据状态进行收敛，并更新路由表，最终依靠路由表为IP包引导下一跳传送，其优点是简单、开放、兼容和易扩展。但该机制同时带来的缺点有：同会话流的不同分组包可能经不同路由到达；在网络层不保障传递结果，若在设定时间内未收到接收确认，由应用层启动重发机制；会话流在传输中不了解网络整体情况，可能出现部分网络拥塞而其他部分空闲的不合理现象。传统IP技术不能保障IPQoS已经是业界定论，目前不断提高的中继带宽和节点处理能力，只是使得业务满足QoS的概率得到了提高，但并不意味着能保障QoS。IPQoS体系结构当前的IP服务质量体系结构主要有IETF建议的IntServ体系和DiffServ体系。1)IntServ模型集成服务的基本思想是在传送数据之前，根据业务的服务质量需求进行网络资源预留，从而为该数据流提供端到端的服务质量保证。IntServ模型使用资源预留协议，这一模型的思想是“为了给特定的客户包流提供特殊的QoS，要求路由器必须能够预留资源，反过来要求路由器中有特定流的状态信息”。IntServ模型的优点是能够提供绝对有保证的QoS。运行在从源端到目的端的每个路由器上，经过改进可以监视每个流，以防止其消耗比其请求、预留和预先购买的要多的资源。集成服务虽然能提供确定的服务质量保证，但是它需要在网络中维护每个流的状态，因而扩展性差，对路由器的要求高，难以在大型IP网络中实施。IPQoS体系结构2)DiffServ模型区分服务的基本思想是将用户的数据流按照服务质量要求来划分等级，任何用户的数据流都可以自由进入网络，但是当网络出现拥塞时，级别高的数据流在排队和占用资源时比级别低的数据流有更高的优先权。区分服务只包含有限数量的业务级别，状态信息数量少、实现简单、扩展性较好。目前，区分服务是业界认同的IP骨干网的服务质量解决方案。它的不足之处是不能为每个单独的IP流提供端到端的质量保证，此外，由于标准还不够详尽，不同运营商的网络之间很难进行服务质量参数的协商和调整。区分业务本质上只是实现了一种相对的优先级策略，因此并不能严格保证业务端到端的QoS。MPLS技术多协议标记交换（MPLS）最初并不是作为一个QoS的解决方案提出的，而是以一个新的转发机制的角色出现，其主要思想是将二层交换和三层路由有机结合，将二层的快速转发引入第三层，提高路由器的转发性能。如果说IntServ和DiffServ是从资源分配角度来保证QoS，那么MPLS更多地则是从优化整体网络性能角度提供了对实现QoS的支持，包括面向连接的QoS支持和流量工程（TE）两个方面：1)连接的QoS支持MPLS网络中分组在转发之前就已经有了一条源端到目的端的路径LSP（标记交换路径）。该LSP类似于ATM中的虚电路，实际它就是发送主机到接收主机的中间节点序列。因此，MPLS实质上是一种面向连接的技术。MPLS技术2)流量工程MPLS所提供的面向连接环境，非常有利于流量工程的实现。MPLS的流量工程侧重于测量和控制，它通过对资源的合理配置，对路由过程的有效控制使得网络资源可以得到最优的利用，在网络的运行中使得LSP能够自动地绕开网络故障、网络拥塞与网络瓶颈，从而缓解了由于某些资源过度使用而有些资源未被充分使用造成的时延，利于实现实时业务对时延和抖动的QoS要求。MPLS约束路由（QoS路由）不一定是最短的，但是最优的。目前实现MPLS流量工程的控制协议有基于约束路由的标记分发协议CR-LDP和RSVP扩展。当前IPQoS技术的局限性MPLS技术通过在IP网中定义LSP，部分引入“虚电路”的概念，通过预先对LSP的配置，实现对网络资源的合理调度，解决了“最短路径优先”所引起的不合理忙闲状态。通过MPLS与IntServ或者DiffServ模型的结合，使IP网络对QoS的支持程度获得了极大的提高，是目前最被看好的IPQoS技术。但同时必须注意到，目前MPLS技术仍然存在相当程度的局限性，主要表现在：·MPLS网络必须依赖IP路由协议来准确地传播可达性信息，同时执行与标记分发相关的职能，因此MPLS网络对路由协议的依赖性要高于传统IP网络。但到目前为止，路由协议的发展并没有发生本质的改变，对QoS的支持尚未达到令人满意的程度。当前IPQoS技术的局限性·MPLS流量工程想要达到的目标很有价值，但理想目标和现实的网络运营、管理之间还存在较大差距，在大型网络中流量工程的实施非常复杂，缺乏大规模运营经验，目前设备互通情况尚不理想。·MPLS与IP网络的高层应用之间存在冲突，表现在，目前IP网上的绝大多数流量是基于TCP流的应用，而TCP会根据网络的拥塞情况，动态调整发送数据包的速率，以适应网络的拥塞情况，如果判断网络发生拥塞，则快速降低发送速率；否则缓慢增加发送速率。现在面临的问题是，如果高层应用基于TCP机制，而又运行在启用了MPLSTE的网络上的话，这时高层的TCP和低层的MPLS都会对拥塞做出反应。事实上，这时无论是TCP还是MPLS流量工程都已经很难对路径是否“过载”做出比较准确的判断。另一个问题是，如果流量工程选择了另一条LSP，则可能会因为路径的改变而导致TCP重排序的可能性增加，降低TCP的效率。第四章需要注意的几个关键问题总的说来，IPQoS目前仍处于研究试验阶段，离实用还有一定的距离，另外还有一些关键问题需要引起足够的重视，主要表现在：1)服务质量管理的研究落后于服务质量控制当前的IPQoS研究主要集中在数据平面，对服务质量管理、服务质量测量和服务质量计费还缺乏系统的解决方案，这严重影响到将服务质量机制投入到网络运营中。2)缺乏统一的服务质量体系架构和详尽的标准众多的设备制造商选择了不同的服务质量技术，不同厂商设备的互操作性需要加强，这已经成为整个网络实现服务质量的一大障碍。3)服务质量管理和服务质量控制机制脱节当前的网络管理可以对网络性能进行监测，但不能实时地调整服务质量控制参数。网络资源的配置和服务质量控制参数设置基本上是静态的，管理和控制之间缺乏一个闭环的机制。因此在网络拥塞时，无法真正保证实时业务的服务质量。4)服务质量研究同具体应用相脱节没有针对网络中典型业务的需求提出一整套服务质量控制和管理方法，包括SLA模型、参数映射、资源分配、计费原则等，而这些问题是多业务IP网运营的重要基础。第五章对IP网络及QoS发展的再认识IP技术能否成为今后电信网络的核心技术，IP网络能否像目前电信网络那样提供各种电信业务，QoS是最重要的关键因素之一。如