分组传送网部署QoS研究

sola1217

摘要：
本文主要是研究中国联通贵州省分公司对分组传送网承载的3G、4G分组域业务QoS部署思路和方法，从理论分析、建立流量模型、制定方法、优化部署等几个方面入手，最终成功实现了分组传送网高负荷下移动分组域业务正常使用的目的，在提升资源使用效率的同时保障了用户感知。

01
背景概述
2016年至2018年期间，贵州省的GDP由10502.56亿元增长至14806.45亿元，贵州通信产业得到很大发展，贵州联通移动网络用户从400万户增长到589万户，增幅47.25%（见图一），贵州联通移动网络用户流量3G日均总流量从89120GB增长至196390.97GB，4G日均总流量从268116GB增长至4153299.07GB（见图二），导致全省各本地网分组传送网的大部分环路资源利用率居高不下，超预警门限的环路阈值（集团运维部规范为70%），导致其承载的移动网业务受损，严重影响用户感知。实际测试发现环路资源利用率达到80%左右业务开始受到影响，离环路资源利用率100%还有较大空间。


图一、贵州联通用户数规模统计图
（2016.1-2019.4）


图二、贵州联通日均总流量统计图
（2016.1-2019.4）

提速降费大背景下，增量不增收网络投资受限，分组传送网作为综合业务承载网，如何提升现网网络资源利用率，是运营商面临的一大难题。提升网络资源利用率，就必须先熟悉分组传送网的特点。

02
分组传送网特点

分组传送网技术是以太网、IP／MPLS以及传送网三种网络传送技术的融合，其进行传送的特性是面向连接的，适用于电信运营商的以太网专线、无线回传网络、L2 VPN以及IPTV等高品质的多媒体数据业务。相比于基于路由器的IP／MPLS，分组数据传送网有着可靠性高、成本低廉以及便于维护的优点。分组数据广泛应用在我国运营商的城域网络中，城域网络的汇聚接入层是分组传输网的功能定位，目前我国分组数据传输网络具有以下特性：  

2.1 多业务承载:

多业务的承载需求主要包括企业事业单位和家庭用户的以太网业务以及无线基站传回的TMD／ATM业务。

2.2 完善的QoS功能:

QoS（Quality of Service，服务质量）指一个网络能够利用各种基础技术，为指定的网络通信提供更好的服务能力，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。QoS保证对于容量有限的网络来说是十分重要的，特别是对于流媒体应用，例如VoIP和IPTV等，因为这些应用常常需要固定的传输码率，对延时也比较敏感。低抖动、低时延以及高带宽保证是高级业务数据以及TMD／ATM业务的重要保障，然而宽带数据业务峰值流量相对较大，同时具有较高的突发性，要求分组传送网具备带宽管理、流分类、阻塞可控制以及优先级调度等完善的QoS能力。　　  

2.3 可靠的电信级承载:

为了提供网络保护能力和端到端的OAM能力，需要可靠的且面向连接的电信级承载。  

2.4 网络成本控制:

很多城市的业务接入点和业务汇聚节点相对较多，需要对网络成本进行控制，由于QoS能够优化网络的利用率以避免冗余配置网络的需求，从而能够延缓容量升级的投资，在保证网络成本低廉同时还可以进行统一管理和维护。

随着网络的发展，网络环境中的流量类型也日渐增多，用户对网络的要求也越来越高，那么我们如何在有限的网络资源下，让用户体验到更好的网络服务呢？这时候Qos应运而生。新业务的不断涌现对网络的服务能力提出了更高的要求，期望在延迟、延迟抖动、丢包率等传输性能上获得一定的承诺和保障。

QoS顾名思义，就是提供服务保证质量。那对于网络来说QoS又是起什么作用？通常来说QoS就是对网络中带宽、延时、丢包率、抖动有一个控制。让我们网络中的数据以一个低延时，低丢包率，低抖动的形式在网络中传输，当然QoS的功能也不局限于此，站在更高层面来看，只要是在提高我们的网络通信质量，就是在做QoS。传统设备在转发报文的时候会依照先到先发的原则对报文执行统一的转发，那么当入口的速率远远高于出口的速率时，我的流量将得不到及时转发，导致流量拥塞，这使得一些关键性业务的数据（语音、视频）在传输的时候得不到保证，进而使用户的体验变差。

报文在转发的时候，如果链路有拥塞，报文在传输的过程中会出现问题，那么影响端到端通信质量的因素有哪些呢？这里简单介绍几个：
带宽：在一个单位时间，链路所能传输的数据量就是指带宽。那我们的链路带宽是如何计算的呢，在一条链路上最大是100Mbps的带宽，最小只有256Kbps的带宽可以使用，假设在链路传输的过程中，user-1端报文以100Mbps速率进入网络，当报文到达B路由器后，由于B的出口带宽较低，无法将user-1的数据及时的转发出去，此时流量就会因为得不到转发而产生拥塞，进而导致业务不正常。所以传输的过程中最大的带宽是我们链路的最小带宽。

网络时延：一份报文从发送端到接收端所需要的时间。时延通常包括传输时延、串行化时延、处理时延、队列时延，那么他们具体是如何计算的呢？我们来逐一解释：首先什么是传输时延，传输时延指的是链路一端设备发出的第一份报文的第一个数据位到达链路另外一端接收方所需要的时间，影响传输时延的因素一般有传输介质、传输距离；第二个串行化时延，它的计算是发送方发出报文的第一个比特到报文的最后一个比特所需要的时间，影响到串行化时延的因素有链路带宽和报文的大小；第三个处理时延，这个就比较好理解，处理时延的计算是报文从路由器入接口到出接口队列所需要的时间，影响到处理时延的因素主要是路由器的性能；最后一个队列时延，他指的是报文在队列中等待处理的时间，影响到队列时延的因素有报文的大小，队列中报文的大小及数量，以及队列调度机制。以上就是我们所说的网络时延。

丢包率：丢包率指的是在一次报文的发送过程中，丢的包所占全部报文的比重，我们称之为丢包率，通过定义我们可以知道丢包率是影响我们通信质量的一个很重要的因素，那么丢包（packet loss）会在哪些过程中产生呢？以下我们简单说几个，第一、在处理过程中，路由器在收到报文cpu处理的时候，因为处理器较忙，导致数据产生丢包；第二、在排队过程中，由于队列占满产生丢包；第三、在传输过程中，由于链路故障等问题产生丢包。通常极少的丢包对于网络通信的影响是很小的，但是大量的丢包会影响到我们正常的通信。

抖动：在网络传输的过程中，由于端到端的时延不一样，导致报文不能在相同的时间间隔下到达接收端，这就叫抖动。通常来说时延越小，抖动也就越小。

03
QoS模型

网络通信都是由各种流量组成，其中有语音流量、视频流量、上网流量、数据流量，而每一种流量他们所希望得到的服务又不相同，比如说，语音流量它在传输的过程中希望能保证尽量少的延迟和抖动，下载业务希望保证较高的带宽，但是这些流量所希望得到的保证又取决于网络QoS所提供的能力，根据所实现的服务不同，业界将QoS分为三个模型：

3.1 Best-Effort  Services Model:

Best-Effort是一个比较单一的服务模型，也是一个比较简单的服务模型，设备根据先进先出的原则转发报文，不会事先做处理，也不会考虑所经过的网络情况，在Best-Effort服务模型下尽最大的可能性来发送报文，但对时延、抖动、丢包率等性能不提供任何保证，但他适用于绝大多数的应用，所以Best-Effort模型是网络缺省的服务模型，通过FIFO队列实现。

3.2 Integrated  Services  Model:

IntServ服务模型，他是一个比较复杂的服务模型，在这种服务模型下，需要用到RSVP协议（资源预留协议），该模型在工作的时候，节点在发送报文前，首先通过RSVP信令构建一条专属于这个流的资源预留路径，从而确保网络能够数据流的需求。但是在IntServ服务模型下的每一台设备都需要启用RSVP，并且周期性的交互状态信息，这使得我们的网络开销比较大，当前Internet中有成千上万条网络流，因此IntServ在大型网络中得不到广泛的应用

3.3 Differentiated  Services Model:

DiffSer服务模型也叫区分服务模型，它的工作原理是将我们网络中的数据流进行分类、标记，对不同的类进行不同的处理，使其拥有不同的优先级转发、时延、丢包率、抖动等服务。

DiffSer服务模型的分类和标记是在DS边界节点路由器上实现的，边界节点路由器通过MQC（Modular QoS Command-Line Interface）中的traffic classfail基于多种条件灵活的对报文进行分类，然后对不同类型的报文打上不同的标记，而节点外其他的路由器只需要简单的识别报文上所携带的标记，对其进行资源分配和流量管理即可，这样减少了网络中路由器的开销，也满足了不同的流需要不同的服务的需求。同是根据以上的特点，说明了DiffSer是一个基于流的QoS服务模型。

DiffSer服务模型充分的利用了IP网络的灵活性，扩展性强等特点，将复杂的服务质量保证通过数据报文自身携带的信息转换为单跳行为，从而减少了DS节点的工作。使得该模型是目前应用最广的一种服务模型。

图三、差分服务示意图

路由器的每个端口配置了8个队列，分别是：CS7、CS6、EF、AF4、AF3、AF2、AF1、BE队列，调度方式如下：

CS7、CS6、EF：采用SP调度算法，优先级为：CS7>CS6>EF；
AF4、AF3、AF2、AF1：采用WFQ调度，权重可以自行设置；
BE：采用SP调度算法；
8个队列最终分三组采用SP队列进行调度，优先级为：( CS7、CS6、EF)>(AF4、AF3、AF2、AF1)>BE
针对分组网络的QoS特性，可以通过业务优先级保障不同类型的业务，为了提升网络环路资源使用效率，部署QoS是一个不错的方法.

04
QoS部署方案

要部署QoS必须先熟悉QoS针对各业务划分的级别及各种调度处理方式。经与无线专线多次推算和模拟，确定无线侧QoS配置如下：


图四、无线侧QoS配置（3G）


图五、无线侧QoS配置（LTE）

上图中现网语音业务默认为最高级别EF，3G与LTE网络PS域业务优先级低于语音业务。用户上网及实时游戏体验在分组传送网环路资源利用率较高的情况下优先保障语音业务，会导致PS域业务体验感知度降低。为提升PS域业务用户感知度，必须提升PS域业务的QoS级别，将其级别提升至EF级别。


图六、QoS部署示意图

4.1IPRAN网络QoS-关键配置

a）如果无线侧、核心网QOS标签与IPRAN侧不一致，则需要修改IPRAN设备的的映射关系：
diffserv domain default
ip-dscp-inbound 62 phb cs6 green  //设置优先级映射关系
ip-dscp-outbound cs6 green map 62 //反向映射

b）CSG需要修改业务侧及网络侧端口配置：
业务侧：
interface GigabitEthernetX/X/X
trust upstream default
qos phb disable
网络侧：
interface GigabitEthernetX/X/X
trust upstream default
qos phb disable

c）ASG需要修改汇聚环、接入环端口配置：
汇聚侧：
interface GigabitEthernetX/X/X
trust upstream default
qos phb disable
接入侧：
interface GigabitEthernetX/X/X
trust upstream default
qos phb disable

d）RSG需配置网络侧及接RNC、EPC等业务侧端口配置，业务侧端口又分为二层接口和三层接口的配置：
网络侧：
interface GigabitEthernetX/X/X
trust upstream default
qos phb disable
业务侧（二层）：
interface GigabitEthernetX/X/X
trust upstream default vlan 100
qos phb disable vlan 100
业务侧（三层）：
interface GigabitEthernetX/X/X
trust upstream default
qos phb disable
华为接入网元910或ATN950设备的QoS配置略有差异：
VPN实例下特殊配置。
ip vpn-instance IPRAN
ipv4-family
egress priority-mapping pipe //V200R001CXX版本的ATN910或ATN950设备必配，否则影响网络到AC的dscp报文修改，根据DSCP的种类定义ACL。
未部署QoS前，当环路带宽利用率超过80%时，测试移动互联网业务开始出现丢包，现场手机上网受影响；当环路利用率达到90%-93%后，手机能拨通电话，但语音通话质量劣化严重，手机上网网页刷新缓慢；当环路利用率超过95%后，移动电话呼叫困难。


图七、未部署QoS前流量测试截图


图八、未部署QoS前环路资源利用率截图

部署QoS后环路资源利用率达到96%，环路出现拥塞后，能够对业务流量实现差异化管理，优先保障部署QoS的移动分组域业务。经测试，所有部署QoS的移动网业务全部未受影响，提高分组网网络环路资源的使用效率，保障了用户感知，使得网络资源能够得到最大化的利用。


图九、部署QoS后流量及资源利用率截图


图十、部署QoS后流量及资源利用率


图十一、部署QoS后验收流量及资源
利用率仪表测试图

05
结束语
贵州联通组织对分组传送网实施QoS部署工作，部署分组传送网设备1.6万台，执行命令38万余条，成功的实现了分组传送网高负荷下移动分组域业务的正常使用，环路资源利用率提升至95%以上，提升近20%，有效的减轻了当年的扩容投资压力，具有较高的推广价值。同时提升了维护人员的专业技术水平，掌握了跨专业优化的思路和方法，并为今后党政军、金融、保险等重要行业用户的业务保障积累了经验。

参考文献
［1］《CCNA标准教材》席奥若 (美国) 电子工业出版社
［2］《数字通信原理参考教材_卷三(组播、QoS和安全》华为技术有限公司.
［3］《华为认证数据通信工程师》华为技术有限公司.
［4］《CCNA学习指南》谢希仁


作者简介：
罗朝聪:  毕业于湖南科技大学，工学学士，现就职于中国联通贵州省分公司运行维护部
金华：毕业于电子科技大学，工学学士，现就职于中国联通贵州省分公司网络运营部
薛丽红：毕业于北京邮电大学，现就职于中国联通贵州省分公司网络运营部
栾大海: 辽宁工业大学 本科 现工作于贵州联通贵州分公司 5G共建共享工作组