支持qos的下一代网络结构框架文档格式.docx
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这些网络机制用来控制和传递多种网络业务响应，包括防止网络资源争用。
IETFRFC2990把可控制服务响应的可能特性描述为：
可提前确定可预测的、达到或超过最低保证标准的特性。
为了避免网络资源争用和进行有效的业务响应，需要有差分的、公平的资源分配方案。
上述的以及其他一些机制（如用来指示网络性能状态的信令方法）是支持QoS的结构框架的重点所在。
网络不仅要使在一次通话中所涉及的网络各元素满足端到端的QoS的要求，而且要合理设置参数，以使上层协议可以用来控制传输和接入层面的资源以保证QoS。
QoS控制在电话系统和多媒体系统中是有差别的，因为后者不仅要进行综合处理，还要针对单个媒体流进行处理。
同样，底层的QoS控制机制也分为两个部分，即连接上层和下层QoS机制的垂直协议和连接不同域或网络的下层QoS控制之间的水平协议。
下一代网络在解决端到端的QoS问题上应着重研究以下几点：
●完成包括基于分组话音在内的电话系统的端到端的QoS等级定义
●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
●指明在网内如何用低层的QoS机制获得高层的QoS
●低层的域内QoS控制
三、分组交换网中实现QoS的关键技术
PSTN的路由方式是基于电路的概念，即在整个通话期间建立端到端的电路连接。
这样，通话中两个端用户之间的任何信息总是经过相同的物理通道传送的。
在这种路由方式下，一旦通话建立，就可以直接保证所要求的传输特性。
这种从支持电话交换中产生的模式也被ITU-T用于数据通信标准的虚电路定义中。
这个概念在X.25中被使用，后来又用于帧中继和ATM网络中。
相比之下，IP路由方式避免了为建立和维持虚电路所需要的机制。
IP的QoS主要处理可分配带宽、等待时间控制、抖动控制和包丢失。
一直以来，IP网络都支持所谓的尽力而为的包传送。
这样，不同类型的业务没有被区别对待，并且信息包到达的次序以及是否能够准确到达都得不到保证。
不管端对端的QoS要求是什么，在网络层，信息包都是逐跳传送的（即从一个路由器传到另一个路由器）。
每个路由器把新到达的包进行排队，然后，根据路由表把它们转发到与之相连的最适合的路由器或目的主机。
大多数路由器采用先进先出的排队机制以保证对所有的包公平，也正是这个原因没法设置优先级。
目前在承载层面解决QOS的几种方式如下：
1．公平排队和加权公平排队
总的来看，对于基于IP的话音和视频业务，无疑需要一个新的网络层模型。
从二十世纪九十年代起，人们就一直在对这种模型进行研究和试点，提出了两种排队机制的新方法，即现在所谓的公平排队和加权公平排队。
应用这两种机制的路由器不再需要对所有的包平等对待。
流入的业务量被分别定义明确的流（FTP连接就是这样的例子），每个流有它自己的队长。
在公平排队策略下，信息包在环形路径上传送以保证每个流对容量的平等共享（在网络拥塞期间，一些大分组的流可能的不到保证）。
加权公平策略为不同类型的流分配不同的带宽。
2．综合业务和带宽预留（Inter-ServeandRSVP）
RFC2210对于综合业务模型（Int-serv）进行了定义，该模型以标准的RSVP协议作为实现机制。
通过Int-serv，将可以实现IP网中的QoS传输以及对于实时业务的支持，使得各种应用能够为其数据包选择服务等级。
该模型的原理是对于每一个需要进行QoS处理的数据流，通过一定的信令机制，在其经由的每一个路由器上进行资源预留，以便实现端到端的QoS业务。
首先，该模型定义了一个作用于整个网络的要求集合，整个网络中的每一个元素（子网或路由器）都将能够实现这一要求集合。
随后，通过一定的信令机制，将特定应用的服务等级要求通知其传输路径上的所有网络元素，并在应用与各个网络元素之间进行管理信息的交换，网络元素将为该应用进行各种资源预留与处理策略的设置。
这样，当整条路径建立起来之后，这一路径上的所有网络元素都已经做好了为相应的数据流提供QoS业务的准备。
目前，Int-Serv模型定义了三种业务类型，并且就这些业务类型对路由器的要求进行了描述：
Ø
保证型业务（GuaranteedService）—该业务将提供时延，带宽与丢包率等参数的保证。
该业务不能控制固定延迟（传输延迟等，它们取决于由连接建立机制所选的路由），它所能保证的是排队延迟的大小（排队延迟是令牌桶大小和数据速率的函数）。
网络使用加权公平排队（WFQ）算法。
控制负载型业务（ControlledloadService）—在轻载网络中这种业务类似于best-effort业务。
它能够提供最小的传输时延，对于排队算法没有特别的要求。
在控制负载业务网络中，应用可以假设网络传输的包差错率近似于下层传输媒质的基本包差错率；
包平均传输延迟与网络绝对延迟（包括光传输延迟加路由器转发延迟）差别不大。
尽力而为型业务（Best-effortService）—实际就是传统的Internet所提供的业务，该业务不提供任何QoS保证。
Int-Serv的技术基础包括：
先进的冲撞管理；
限制延迟、抖动以及网络内带宽消耗的排队算法；
资源预留协议（RSVP）。
需要继续深入考虑的问题包括以下几个方面：
1）预留所需的开销太大2）短时间流（主要由Internet业务流组成）的损失率高3）管理那些需要更高QoS的流出现困难。
在任何情况下，RSVP在广域网和Internet中的适用性都受到质疑，它现在主要应用于较小的企业网中。
从本质上讲，综合业务方法是一个组织管理严密的方法，基于每一流具有绝对的QoS保证。
3.差分业务（Diff-Serve）
为了解决骨干网络上的QoS问题，业界提出了区别业务（Diff-serv）模型。
这一模型与Int-serv的本质不同在于它将不是针对每一个业务流进行网络资源的分配与QoS参数的配置，而是将具有相似要求的一组业务归为一类，随后对这一类业务采取一致的处理方式。
Diff-serv的基本机制是在网络的边缘路由器上根据某一业务的服务质量要求将该业务映射到一定的业务类别之中，随后利用IP分组中的DS字段唯一地标志这一业务所需的服务类别，网络中的各个节点将依据该字段对各种业务类别采取预先设定好的服务策略，保证相应的延迟、传送速率、抖动等服务质量参数。
这样，对于一次会话中特定的数据流，在每次连接的过程中，将无须传递各种QoS信息，从而避免了RSVP中高昂的建立成本。
同时，也使得这种技术具有较好的反应灵敏度，特别适合于Internet中大量存在的短时间的连接。
该技术是以定义了多种业务等级为内涵的。
业务提供商为每个用户建立相应的服务标准协议（SLA），SAL指定了用户在特定等级的业务中可以发送的业务量。
分组业务的等级类型在IP包头中规定。
之后所传送的业务流由服务提供商的网络边界进行管辖。
一旦业务流进入网络，专门的路由器就依据其业务类型对其进行差别对待，这与综合业务方式中以每一流为依据是不同的。
整个网络要满足所有SLA的要求。
4.多协议标记交换（MPLS）
MPLS与传统的根据IP包头决定前向路径的方式十分不同。
其优势在于：
1）传统的方式需要搜索路由表，这就比查看相对较短的标签需要更多的时间和更大的处理能力。
2）不具备分析网络层分组能力的路由器仍可以通过相对简单的操作完成标记的查找和置换。
3）利用标签，可以通过分组进入网络的初始路由器标志做出前向选路决定，因为由不同的路由器进入网络的分组被分配不同的标签。
4）当分组不是按照路由算法而是被迫进入一个特定的路由器时，MPLS的标记就可以用来代表这个路由器。
5）通过把被标记的路径与业务流联系起来也可以把RSVP扩展到MPLS中。
可见，MPLS可以通过明确的路由得到资源预留信息来实现QoS保证。
值得一提的是，MPLS还有一种更重要的应用：
通过堆叠标记为隧道效应提供了一种极好的机制，从而支持嵌套选路决策。
在RSVP的帮助下，可以从丢包或拥塞的网络点开始重新选路。
四、QoS体系架构
QoS结构框架的关键是使用通用的网络机制，把网络业务响应转换成可以具体到网络元素的业务请求，在网络元素之间发送信号以及控制和管理跨网业务量。
QOS架构可分为三个平面，如图1所示：
－控制平面：
由处理用户业务流路径的一系列机制构成。
这些机制包括准入控制、QoS选路、资源预留。
－数据平面：
由直接处理用户业务的一系列机制构成。
这些机制包括缓冲器管理、避免拥塞、标记分组、排队和时序安排、业务分类、业务管辖、业务整形。
－管理平面：
由处理网络的操作、运行、管理的一系列机制构成。
这些机制包括服务标准协议（SLA）、业务预定、计量和记录。
4．1控制平面机制
准入控制机制控制业务是否被允许进入网络。
通常，准入标准是策略驱动的。
业务是否允许进入要依靠预先规定的服务标准协议，还依靠可用的网络资源，即不能使网络过载或降低已进入网络的业务的服务质量。
对于运营商而言，要在保证现有业务的QoS基础上最大限度地准入业务。
图1支持QoS的结构框架
4．2数据平面机制
－队列（或缓冲器）管理
队列（或缓冲器）管理用于处理等待转发的分组的存储或丢弃。
队列管理的一个重要目标就是要使稳定队长最小，同时避免单个连接或流独占队列空间而造成的封锁现象。
不同的队列管理方案主要是在丢弃分组的规则上有所不同。
多重排队的应用引入了更多的方案变化，例如，分组在队列中的分配方式。
丢弃分组的一个普遍标准是最大队长标准，即当队列已满时，再来的分组就被丢弃。
丢弃那些分组要依靠丢弃规则。
－避免拥塞
当由于网络资源（诸如链路带宽或缓冲器空间）不足使得业务量超过或接近网络的处理能力时，就会出现网络拥塞。
拥塞避免采用有效手段保持网络负载在其容量之下，从而使网络运行在可接受的性能水平下而不至造成拥塞。
一种典型的拥塞避免方案是在网络拥塞出现指示下由发端减少入网业务量。
如果没有明确的指示，通常把丢包或定时器终止认为是网络拥塞的隐含标志。
业务源如何调节要依靠传输协议的具体规定。
在诸如TCP的基于窗口的协议中，通过成倍减小窗口尺寸来实现。
理想上，被削减的业务量应来自于准入优先级不高的用户，从而保证较高优先级的业务继续得到正常的服务。
当拥塞得到控制后，发端需慎重输出业务量。
－排队和时序安排
简单地说，这种机制用来控制选择将哪些分组发送到呼出链路上。
输入业务量被保存在多重队列的排队系统中。
管理排队系统就是应用排队和时序安排规则，例如先进先出排队；
公平排队；
优先排队；
加权公平排队；
基于等级的排队。
－分组标记
系统可以根据分组在网络中的特定服务等级对分组进行标记。
分组标记即为分组的标题字段指定一个值（如IPV4分组头中的TOS域）。
分组标记通常由边缘节点来完成。
如果由主机来完成，边缘节点应对其进行必要的检查和变换。
有时，可把构造未完全的分组标记为特殊值，在网络拥塞时可将其丢弃。
分组也可以被升级或降级。
－业务分类
业务分类可以针对流或分组。
在网络边缘，负责业务分类的实体察看分组的各个域来决定该分组属于那个集合以及其相应的服务等级协议。
－业务策略
策略待遇以逐跳转发为基础，根据预定的策略或协约来决定某一业务是否能被提供。
一般地，构造未完全的分组就被丢弃，同时通知发端被丢弃的分组及其原因。
－业务整形
业务整形用来处理入网业务的速率和容量。
整形通常在出节点和入节点之间完成。
业务整形有两种典型的方法：
漏桶和标记桶。
漏桶方法是用一个漏桶管理离开节点的业务速率。
不管流入流的速率是多少，漏桶都将流出流的速率保持在一个恒定值。
溢出桶的过多的分组就被丢弃。
漏桶方法有两个特征参数，且通常由使用者配置，即桶的大小和传输速率。
标记桶方法对离开节点的业务速率的管理不那么严格，假如有足够的标记，它允许分组以流入的速率流出。
标记以一定的速率产生并存放在标记桶中直到桶满。
以标记为代价允许一定容量的业务（如一定数量的字节）离开节点，若桶中没有标记则无法传送分组。
然而，一旦允许猝发信息通过，则会消耗大量标记。
与漏桶方法不同的是，这种方法不丢弃分组。
标记桶方法有两个特征参数且通常由用户配置：
标记桶的大小和标记产生的速率。
漏桶和标记桶方法可以结合使用。
业务可以首先由标记桶方法整形，然后由漏桶方法消除操作差错。
两个标记桶也可以一前一后结合使用。
4．3管理平面机制
业务恢复广义定义为在故障条件下减轻来自网络的响应。
下面列出了两种类型的网络故障：
●节点故障：
即网络节点上的网元（如路由卡）故障。
这种故障的典型处理方法是为网络元素设置冗余特性以使故障的影响最小化。
可以重新选路到绕过故障节点的备用路由上。
●传输链路故障：
即连接两个网络节点的链路故障。
链路故障的典型原因是线路元素（如线路卡）故障。
可以通过设置额外的备用能力来减轻此类故障的影响，同时存储业务流直到故障消除。
在有准入控制的情况下，某种关键业务的业务流可能需要更高的恢复优先级。
这就要求服务运营商做出备用资源的适当等级（如QoS服务标准协议）计划以利于实现业务恢复。
衡量业务恢复能力的典型参数是恢复时间和业务恢复的百分比。
4．4三个层面相互作用
一个典型的全面的QoS解决方案就是协同使用控制平面、数据平面和管理平面。
因此QoS参数需要在不同的层面之间进行交换。
这些参数包括分组的传输性能（如时延和丢包率）和服务的有效性和可靠性指标，对于诸如准入控制和业务恢复这样的特定网络功能，这些参数是以业务优先级的形式出现。
信令和数据库查找就属于输送这些参数值的机制。
5．业务优先级
业务优先级是QoS保证中的一个关键概念，分组交换网中的QoS指标可以从两个方面来考虑。
处理分组性能指标由ITU-T建议定义的处理等级来管理。
这些等级覆盖了很宽的范围，包括话音、数据和多媒体应用。
相关的参数为每种处理等级定义了可接受的性能标准。
可靠性指标由与链路或连接（如MPLS的LSP）的建立相关的优先权来表征。
用来获得这些QoS目标的机制包括呼叫和连接路由方法、QoS资源分配方法，如带宽分配、优先选路、优先排队、传输恢复。
这里着重讨论以优先权形式表征的LSP的可靠性以及为QoS信号指定优先级的必要性。
业务优先权在为用户提供可接受的服务可靠性和有效性中起着重要的作用。
例如，在自然灾害或恐怖分子袭击的情况下，紧急通信需要最高的准入控制优先权。
对于一种特定的网络功能，所期望的可靠性和有效性可通过优先级的形式提出请求，进而决定LSP的建立。
在改进的分组交换网络中，两种考虑优先权的网络功能即为准入控制和业务恢复。
从运营商的角度来讲，业务优先权的建立应为执行提供最大的灵活性和实用性。
优先级应满足如下原则：
●优先级的数量应较小以确保可测量性。
●应避免同一优先级内部的再划分以确保简单性。
运营商可以为其业务提供选择一定数量的优先级，并为用户提供相应的LSA。
例如对于客户服务业务，为连接准入控制可以定义四个优先级：
紧急级：
专为所有的国内外业务提供者保留的用于紧急通信的优先级。
高级：
其业务包括政府服务、重要商业客户、虚拟专用网络。
普通级：
其业务为住宅区话音业务。
尽力而为即：
其业务包括因特网服务提供者的业务。
对于业务恢复，可以定义三个优先级：
高级、普通级和尽力而为级。
各自包含的业务同上，紧急通信列在高级中。
如上所述，运营商可以根据网络能力和客户要求提供特定优先级的服务。
例如，运营商可以提供四种定义的连接准入优先级而只选择高级和普通级的恢复优先级。
而一个ISP提供者可能仅提供紧急和尽力而为两种连接准入优先级和尽力而为的恢复优先级。
6．网络控制服务器的功能
目前讨论比较多的是承载层面如何保证服务质量，而在业务层面如何控制承载层面来保证网络资源，达到服务质量保证的目的是非常重要的。
即如何将业务层与承载层形成一个环路才是最重要的。
由于业务请求在入网传输之前必须先向网络边缘的准入实体提出相应的QoS请求，而准入实体必须根据当前网络的总体情况来判断该等级的QoS能否得到满足，从而决定是否准入该业务，因此，如何基于全网观点为准入实体提供可靠的资源预留信息，以及把应用的业务请求与承载层的传输实体有效地连接起来是一项十分重要的工作。
实际的网络中，业务负载和其他运行条件总是快速地波动，因此不可能即时调整网络使其总保持在最佳运行状态。
网络控制服务器（NCS）的任务就是根据统计流量数据、网络拓扑信息、路由信息和故障情况等安排全网的流量分配以及计算和更新网络准入控制实体（Networkadmissioncontrolentity）的网络资源信息。
NCS持续地监控网络运行参数，当网络临近不理想状态时，它可以及时识别并决定做出适当反应。
可能的反应包括：
重新分配流量、重新分配网络准入控制实体（NAC）的预算参数、优化路由及其它参数。
NCS的工作可以周期性进行，例如每15分钟一次，也可以由网络状态的变化（如链路或节点故障）或被观测流量的变化来触发。
本身支持多路径路由算法的节点可用分散方式处理。
NCS可以通过这种自动监控网络流量、性能、结构、故障管理的重要参数来实现对网络管理的支持。
假定用户发起一个要求高优先级别的业务，如实时的视频通信，首先，它必须被指定为某一网络业务等级（如签订SLA），之后，NCS可以根据当前网络的各种适当参数进行计算，提供给处于网络边缘的NAC当前的预留资源状态信息，由NAC来决定该业务所要求的QoS在当前情况下是否能够得以保证，若能，就允许该业务以指定的等级进入网络。
业务流入网后，所经过的每个节点都按照其QoS等级以相应的策略（如加权公平排队、多路径选路、快速的失败恢复、低丢包率）对待。
同时，NCS持续地对网络进行监控，并根据网络状态进行流量调整以及不断更新NAC预算数据。
这样，从接入到传输，要求一定业务等级的应用就可以获得相应的QoS。
7．结论
随着通信技术的飞速发展，人们对下一代网络解决QoS充满了期待。
人们希望提供给用户的服务要满足快速、稳定、可靠性、有效性、多样性、灵活性等高的质量要求。
但如何在业务层面的业务请求中使用标准的协议传送QOS等级，承载层面如何根据业务等级调配合理的网络资源仍是值得探索的问题。
本文着重提出了分组交换网络中支持QoS的结构框架，并介绍了QoS解决方案的一些基本思路，如基于优先级的准入控制和区分优先级的业务恢复等；
为准入控制定义了四个优先级，为业务恢复定义了三个优先级；
增加了各层面间的交互作用以识别诸如信令的附加机制，进而支持更完备的QoS解决方案。
当然，服务质量的完美没有止境，更完备的系统解决办法还有待研究。
作者简介：
教授级高级工程师;
曾任信息产业部电信传输研究所副所长;
现任中国电信集团北京研究院副院长，北京邮电大学客座教授,信息产业部通信科技委委员，国家863通信主题专家组成员，网络与交换标准研究组主席。
曾任863中国高速信息示范网总体技术组副组长.北京通信学会常务理事,获国家政府津贴,被国家人事部授予中青年有突出贡献专家的称号。
曾获国家科技进步二等奖一项,部科技进步二等奖2项、三等奖6项,在国内已发表100余篇论文和多部技术专著。
曾从事宽带网技术标准,网络战略和科研项目管理工作。
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