摘要：本文对限制IP网络发展的关键技术QoS进行了分析，并分析了可运营的宽带接入IP网络中实现DiffServ区分服务模型的思路，以及中兴宽带接入设备实现QoS的特点。 关键词：QoS服务质量， IntServ综合业务服务，TE流量工程，DiffServ区分业务服务，DSCP区分服务码点，PHB单中继段行为，AF确保转发，EF加速转发，RSVP资源预留协议，流分类，流策略，队列和调度，拥塞避免，流量整形 1 QoS发展综述 随着Internet网络及应用的飞速发展，新型业务不断涌现，例如VoIP、IPTV和视频会议等非传统数据通信业务。能够融合语音、视频、数据的三网合一将是网络发展的必然趋势。Internet能够有如此巨大的发展，IP作为其核心技术起到了决定性的作用。但其无连接、每包路由、尽力服务的特点使其发展到今日成为支持新型需要服务保证的业务的最大障碍，这也使IP 网络的QoS研究和实施成为当前IP网络进一步发展的关键。 对于具有不同网络服务要求的语音、视频和数据应用通信而言，要求IP网络核心具有区分出不同的通信的能力，进而为之提供不同的服务，达到区分服务的目的。QoS（Quality of Service）服务质量技术的出现便是致力于达到区分服务、保证服务质量的目的。QoS旨在针对各种应用的不同需求，为其提供不同的服务质量。 在IP网络中实现端到端QoS能力的标准化方面，IETF和ITU-T均发挥了巨大的作用，其中IETF主要致力于各种具体实施协议的制定，而ITU-T则更偏重于整体框架的制定和IP性能指标体系的构建。此外，MSF(城域网交换论坛)、Internet II等也提供了多种端到端IP QoS的解决方案。 目前，各个标准化组织在研究IP网络中如何搭建、实现IP QoS网络架构时，比较一致的观念为：IP QoS网络架构需要具备可扩展性、可靠性、可操作性和可管理性。IP QoS网络架构中的关键在于形成一组通用的网络运行机制来控制网络对某一业务需求进行正确的响应。具体可体现为一种网络元素，或用于网络元素间的信令，或用于控制和管理穿越网络的业务流。因此，IP QoS网络架构的关键构件可归属于三个平面，即控制平面、数据平面和管理平面（如下图所示）。
其中，控制平面包含了与业务流传输路径相关的机制，这些机制包括了访问控制（Admission Control）、QoS路由（QoS Routing）及资源预留（Resource Reservation）；数据平面包含了与用户数据流处理相关的机制，这些机制包括了缓存器管理、拥塞避免、报文标签、队列和调度、流分类、流策略和流量整形；管理平面包含了与运营、管理相关的机制，这些机制包括了服务级别协定(SLA)、业务恢复、计量和策略管理。
2 承载QoS优先级标签的方式 在IP网络中，IPv4报文中有三种承载QoS优先级标签的方式，分别为基于二层的CoS字段（IEEE802.1p）的优先级、基于IP层的IP优先级字段ToS优先级和基于IP层的DSCP（Differentiated Services Codepoint）字段优先级。每种优先级的定义如下： （1） IEEE802.1p优先级 它是位于二层带标签的以太网帧的CoS字段，和VLAN ID在一起使用，在字节中的位置如下： 其中：IEEE802.1p优先级：3bit（P2-P0）
未用（CU）：1bit
VLAN ID：12bit（V11-V0）
IEEE802.1p优先级值有8个（0-7），0优先级最低，7优先级最高。报文分为三种情况：带优先级和VLAN ID的标签报文，其优先级值是自身带的值；只带优先级的标签报文，此时VLAN ID为0，其优先级值是自身带的值；未带标签的报文，一般默认的优先级值为0，也可以进行更改指定新的优先级。 （2） IP优先级 它由IP分组报头中的服务类型（ToS）字节中的3位组成，其在字节中的位置如下： P2 P1 P0 T3 T2 T1 T0 CU 其中：IP优先级：3bit（P2-P0）
服务类型（ToS）：4bit（T3-T0）
未用（CU）：1bit
IP优先级值有8个（0-7），0优先级最低，7优先级最高。在默认情况下，IP优先级6和7用于网络控制通讯使用，不推荐用户使用。ToS字段的服务类型未能在现有的IP网络中普及使用。 （3） DSCP优先级 它由IP分组报头中的6位组成，使用的是ToS字节，因此在使用DSCP后，该字节也被称为DSCP字节。其在字节中的位置如下： DS5 DS4 DS3 DS2 DS1 DS0 CU CU 其中：DSCP优先级：6bit（DS5-DS0）
未用（CU）：2bit
DSCP优先级值有64个（0-63），0优先级最低，63优先级最高。事实上DSCP字段是IP优先级字段的超集，DSCP字段的定义向后与IP优先级字段兼容。目前定义的DSCP有默认的DSCP，值为0；类选择器DSCP，定义为向后与IP优先级兼容，值为（8，16，24，32，40，48，56）；加速转发（EF），一般用于低延迟的服务，推荐值为46（101110）；确定转发（AF），定义了4个服务等级，每个服务等级有3个下降过程，因此使用了12个DSCP值（（10，12，14），（18，20，22），（26，28，30），（34，36，38））。 由于存在三种优先级，因此就有相应的6种优先级的映射关系，即：Dot1p-DSCP、DSCP- Dot1p、IP Pri-DSCP、DSCP-IP Pri、Dot1p-IP Pri和IP Pri- Dot1p，其中最常用的是Dot1p -DSCP和DSCP- Dot1p两种映射关系。 在IP网络中，IPv6提供了一定的QoS控制策略。IPv6分组头定义了一个4比特的优先级区域，可以指示16种优先级别，同Ipv4平台的ToS字节类似。16种优先级别中的9种用于非实时传输业务，其余的8种用于实时传输业务。但在协议中并没有严格规定IPv6路由器应如何使用这一优先级区域。 在未来的IP网络中，优先级标签并不是IPv6标识分组QoS的唯一方法。IPv6的分组头还包括1个24比特的信息流标签，这个标签可由程序来设定，指示某组数据分组属于某个特定的IP信息流。这样，设备不需检查地址、端口或其它信息，就可将数据分组分类。但是，信息流标签并没有指明QoS的提供方式，所以仍需使用RSVP和其它预留协议。 3 IP网络中QoS服务模型的选择 在IP QoS网络架构的基础上，IETF已经建议了很多服务模型和机制，以满足QoS的需求。其中比较有名的有：IntServ（Integrated Service）综合业务模型，DiffServ（Differentiated Service）区分业务模型，MPLS多协议标记交换，TE（Traffic Engineering）流量工程和约束路由等。 目前IP QoS主要的几种服务模型描述如下： （1） 尽力而为（Best-Effort）服务模型
尽力而为是一个单一的服务模型，网络尽最大的可能性来发送报文，对时延、可靠性等性能不提供任何保证。 该模型为最早的无QoS保障的服务模型，这也是IP网络最基本的特点所决定的。 （2） IntServ综合业务服务模型
其基本思想为“所有的流相关状态信息应该是在端系统上”，它基于每个流（单个的或是汇聚的）提供端到端的保证或是受控负载的服务。IntServ使用资源预留协议RSVP（Resource Reservation Protocol）作为每个流的信令。RSVP信息跨越整个网络, 从接收方到发送方之间沿途的每个路由器都要为每一个要求QoS的数据流预留资源。
在IntServ流中，定义了三种类型的业务：保证业务、受控负载业务和尽力而为的业务。同时IntServ定义了四个功能部件：资源预留协议RSVP(RFC2205)、访问控制、分类器和.队列调度器。
该模型的优点是：能够提供绝对有保证的端到端QoS服务质量；RSVP在源和目的地间可以使用现有的路由协议来决定流的通路；该模型使得QoS能够在Unicast和Multicast下均能实现。
该模型的缺点是：IntServ结构最致命的一个问题是其可扩展性很差；由于所有路由器必须实现RSVP、访问控制，因此其对路由器的要求也很高；该模型不适合短生存期的流。 （3） DiffServ区分业务服务模型
基本思想为：在网络入口为每个包加以标记，产生不同的级别，每个级别的包得到不同的服务级别。该模型是由IntServ发展而来的，它采用了IETF的基于RSVP的服务分类标准，抛弃了分组流沿路节点上的资源预留。区分业务服务将会有效地取代跨越大范围的RSVP的使用。
区分服务区域的主要成员有：核心路由器、边缘路由器、资源控制器。在区分服务中，网络的边缘设备对每个分组进行分类、标记DS域，用DS域来携带IP分组对服务的需求信息。在网络的核心节点上，路由器根据分组头上的DS码点（Code Point）选择码点所对应的转发处理。资源控制器配置了管理规则，为客户分配资源，它可以通过服务级别协定SLA与客户进行相互协调以分享规定的带宽。
DiffServ也定义了三种业务类型：最优的业务、分等级的业务和尽力而为的业务。 DiffServ提供了一种简单的方法对各种服务加以分类。目前的单中继段行为PHB（Per-hop Behavior）的标准中对两个最有代表性的服务等级作了规定：
EF（Expedited Forwarding）快速转发：有一个单独的码点(DiffServ值)。EF可以把延迟和抖动减到最小，因而能提供总合服务质量的最高等级。任何超过服务范围（由本地服务策略决定）的业务被删除。
AF（Assured Forwarding）保证转发：有四个等级，每个等级有三个下降过程(总共有12个码点)。超过AF范围的业务不会象“业务范围内”的业务那样以尽可能高的概率传送出去。这意味着业务量有可能下降，但不是绝对的。
该模型的优点是：伸缩性较好，DS字段只是规定了有限数量的业务级别，状态信息的数量正比于业务级别，而不是流的数量；便于实现，只在网络的边界上才需要复杂的分类、标记、管制和整形操作。核心路由器只需要实现行为聚集（BA）的分类，因此实现和部署区分型业务都比较容易。
该模型的缺点是：无法完全依靠自己来提供端到端的QoS服务。需要大量网络单元的协同动作，才能向用户提供端到端的服务质量。解决这一问题的方法有两种：一是用功能强大的全局策略管理器来完成这一任务；另外一种就是利用MPLS将第三层的QoS转换为第二层的QoS，通过运营网中第二层的交换机来实现端到端的服务质量保证。 （4） MPLS 服务模型
基本思想为：MPLS是一种前向转发策略，在进入MPLS作用域时给包赋予一定的标签，随后包的分类、转发和服务都将基于标签完成。MPLS是利用IntServ模型中现有的技术的主要思想与优势，制定出一个统一的、完善的第三层交换技术标准。MPLS规定了一整套协议和操作过程，在IP网内实现快速交换。MPLS中的关键概念是用标签来识别和标记IP报文，并把标签封装后的报文转发到已升级改善过的交换机或路由器，由它们在网络内部继续交换标签，转发报文。
MPLS实现信令的方式有两类，一类是LDP／CR-LDP，它是基于ATM网络的。另外一类是RSVP，它基于传统的IP网。RSVP和LDP／CR-LDP是两种不同的协议，它们在协议特性上存在不同，有不同的消息集和信令处理规程。
MPLS网络由标签边缘路由器（LER）和标签交换路由器（LSR）组成。在LSR内，MPLS控制模块以 IP功能为中心，转发模块基于标签交换算法，并通过标签分配协议（LDP）在节点间完成标签信息以及相关信令的发送。
MPLS服务模型的优点为MPLS有着传统IP技术所无法实现的功能，可以将ATM和IP很好地结合在一起；缺点为MPLS协议规定的标签只具有本地意义，LDP信令以及标签绑定信息只能在MPLS相邻节点间传递。LSR之间或 LSR与LER之间依然需要运行标准的路由协议来获了拓扑信息。
其它的服务模型：流量工程是一种安排通信流量如何通过网络的过程；约束路由在寻径路由时会受到一定的约束，如带宽或时延的要求。 通过以上对各种主要QoS服务模型的分析，则在可运营的电信级IP网络中实现QoS服务机制时，应考虑如下： （1） 核心/骨干网络的QoS 当前，由于DWDM等技术的发展，使得核心/骨干网络的带宽得到大幅度的增长。带宽的增长为QoS服务质量减轻了压力。但是，随着网络流量的增加，特别是IP网络的路径不确定性和流量的突发行为，使得网络的流量具有较大的突发性和不均衡性。因此，仅仅依靠带宽是不足以提供良好QoS服务质量。 在核心/骨干网络中提供QoS服务质量有两种方法：一种是采用流量工程，一种是部署DiffServ区分服务模型。目前，流量工程的实施一般都是静态手工或半静态，缺乏动态实时的进行流量工程的工具。因此，流量功能很难对短期突发行为进行调节。而区分服务从长远来看具有更完整的QoS提供能力，通过和流量工程、MPLS等机制结合，可以发挥更大的作用。 （2） 汇聚/接入网络的QoS 由于在汇聚层和接入层，一方面网络的带宽较小，另一方面网络的情况也比较复杂，涉及到多种接入技术，如以太网、ATM、FR等。因此，汇聚/接入网络的QoS实现是一个比较复杂的问题。 为了能快速、简单、有效地部署和实现QoS服务质量，一般在这个汇聚/接入网络层次采用区分服务的思想实现QoS，即通过流量分类和优先级处理。实际上，包括以太网、ATM、MPLS在内的多种网络技术都支持报文的标记能力，这为报文的区分和标记提供了基础。而网络设备，特别是接入设备一般都提供流量分类、标记和限制的能力。因此，在汇聚/接入网络中部署区分服务模型是一个可行的方案，也是一个必然的发展趋势。 4 汇聚/接入设备中实现QoS的DiffServ服务模型 通过前面的分析，在可运营的电信级IP网络中，在汇聚/接入层次的设备中部署DiffServ服务模型是实现完善的QoS服务机制最适合的方案。 由于汇聚/接入层次设备的多样性、复杂性，因此在部署QoS的DiffServ服务模型时，要力求简单、有效、实用。因此，参考IP QoS的网络架构，汇聚/接入设备中应该首先考虑实现以下QoS功能：数据平面的缓存器管理、拥塞避免、报文标签、队列和调度、流分类、流策略和流量整形；管理平面的计量管理和策略管理等。 (1) 缓存器管理（Buffer Managment）
汇聚/接入设备中应该拥有报文收发、交换的缓存器，并可对其进行设置、管理。实现对端拥塞控制（HOL）、背压等控制的功能。 (2) 拥塞避免（Congestion Avoidance）
拥塞避免是为了在报文较多，超出转发速率时，通过一些算法丢弃转发队列中的一些报文，从而达到避免拥塞的产生。拥塞避免算法有尾部直接丢弃（Tail-Drop）、随机早期检测（RED）和加权的随机早期检测（WRED）等。在汇聚/接入设备中应该首先考虑支持尾部直接丢弃（Tail-Drop）和加权的随机早期检测（WRED）。 (3) 报文标签（Packet Marking）
通过前面我们已经了解到IP报文中承载QoS优先级标签的有三种： IEEE802.1p优先级（CoS字段）、IP优先级（ToS字段）和DSCP优先级（DSCP字段）。因此，在汇聚/接入设备中应该支持以下功能： - 对入口未带优先级标签的报文可以加上各种新的优先级标签；
- 对入口携带优先级标签的报文可以更改其各种优先级标签，变为新的优先级标签；
- 支持报文携带新的优先级标签从出口输出；
- 支持按一定的映射关系实现各种优先级之间的映射，特别是IEEE802.1p优先级和DSCP优先级之间。
(4) 队列和调度（Queuing & Scheduling）
为了能够实现较完善的QoS服务机制，支持VoIP、IPTV、视频会议等多种业务。在汇聚/接入设备中应该支持多个队列的机制，一般情况下应该至少支持4个队列。
队列调度有多种算法，在汇聚/接入设备中比较适用的有：严格优先级队列调度（PQ）、加权循环队列调度（WRR）和加权公平队列调度（WFQ）。同时，也应该支持对WRR的队列权重和WFQ的参数进行设置的功能。 (5) 流分类（Traffic Classification）
汇聚/接入设备是处于网络的边沿，因此对数据流的分类是其一项非常重要的功能。通过对入口数据流按一定的规则进行匹配，区分出需要QoS保障的业务流来。一般用于匹配规则的字段应该有： - eth-type：以太网包的类型（IP/ARP/RARP）
- ip-type：ip包的类型(ICMP/IGMP/TCP/UDP)
- source-ip: 源IP地址的匹配
- dest-ip: 目的IP地址的匹配
- source-mac: 源MAC地址的匹配
- dest-mac: 目的MAC地址的匹配
- source-port : 源端口的匹配
- dest-port: 目的端口的匹配
- cos ：CoS优先级的匹配
- dscp：dscp优先级的匹配
- vlan：VLAN的匹配
(6) 流策略（Traffic Policing）
在汇聚/接入设备中应该支持对区分出来的业务流按一定的策略进行处理。即对通过流分类之后的业务流类进行行为控制，一般策略中对流的动作有：对流的速率限制、优先级标签的更改、VLAN的更改、超出速率的丢弃或更改优先级等。 (7) 流量整形（Traffic Shaping）
在汇聚/接入设备的入口和出口，应该支持对数据流的流量整形，并可以设置流量整形的粒度，从而实现对入口或出口突发数据流的缓冲和整形。 (8) 计量管理（Metering）
在汇聚/接入设备中，应该支持对通过流分类之后的业务流进行速率的计量管理，从而达到设备中对各种业务的精确计量管理，保证各种业务的QoS服务质量。 (9) 策略管理（Policy）
在汇聚/接入设备中，应该支持对各种流分类的统一管理，即策略管理，从而达到设备对整体资源的统一调度，对各种业务流的统一协调处理，保证资源的合理应用和各种业务的QoS服务质量。 5 中兴宽带接入设备中实现的QoS功能 中兴企业在多年发展的基础上，为了适应市场及新业务的需求，目前推出了全新系列的综合宽带接入设备，即全业务接入平台FSAP（Full Service Access Platform）。它不仅是一个全新的宽带接入DSLAM设备，而且是宽带、窄带、光纤的综合接入平台，以强大的交换、接入能力完全支持各种新业务的需求。全业务接入平台FSAP系列产品从大容量到小容量有ZXDSL 9800/9800i、ZXDSL 9803、ZXDSL 9806等设备。 在这些设备中，目前已经实现了完善的QoS的DiffServ服务机制，完全可以适应各种新业务的需求，具体支持的QoS功能如下： - 支持缓存器管理，实现HOL、全双工的IEEE802.3X流控和半双工的背压等功能；
- 支持拥塞避免，实现Tail-Drop、WRED的拥塞避免算法；
- 支持报文的各种优先级标签，实现优先级标签的添加和更改，以及各优先级之间的映射；
- 支持队列机制，网络侧接口支持8个优先级队列，用户侧接口支持4个优先级队列；支持优先级队列的调度算法PQ、WRR和WFQ，并可进行权重等参数设定；
- 支持流分类，实现按各种匹配字段灵活组合进行匹配区分数据流，系统可以支持至少512种流分类；
- 支持流策略，实现对各种流分类的行为动作定义，系统可以支持至少128种流策略；
- 支持流量整形，实现对数据流的入口和出口的流量整形，系统的整形粒度可以达到最小64Kbps；
- 支持计量管理，实现对各种数据流的流量计量管理，系统的流量计量管理粒度可以达到64Kbps；
- 支持策略管理，实现对各种流策略的统一管理，合理分配系统的资源，达到系统资源的统一调配、统一管理。
6 结论 根据以上的分析，可以看出，无论是从各种业务的开展还是从技术实施的角度出发，QoS服务质量保证都是在IP网络中支持各种实时应用所必须考虑的最重要因素，是IP网络今后进一步发展的基石。 由于IP网络本身所固有的无连接特征, 使得在IP网络中实现端到端的QoS成为一项非常艰巨的工程。但在目前，VoIP、IPTV、视频会议以及NGN、3G中各种交互式多媒体业务的开展已经成为各个电信营运商能否成功持续发展的关键所在。因此，如何部署和实施QoS也就成为最关键、最重要的课题。 | 
发表于 2015-10-9 11:14:15
