淺談ＩＰ網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量問題

［摘要］文章分析未來IP網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)質(zhì)量（QoS）的分類及產(chǎn)生的原因和應(yīng)對措施，并從提高IP網(wǎng)絡(luò)對服務(wù)質(zhì)量的支持能力方面，簡單介紹幾項(xiàng)技術(shù)。

［關(guān)鍵詞］IP網(wǎng)絡(luò)；服務(wù)質(zhì)量（QoS）

［作者簡介］陳祖周，中國電信揭西分公司助理工程師，廣東揭西，515400

［中圖分類號］ TP393.03［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1007-7723（2008）08-0054-0002

一、前言

IP技術(shù)是未來數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的核心技術(shù)。無論人們怎樣看待ATM和IP之間的競爭，事實(shí)是IP將成為未來承載各種應(yīng)用業(yè)務(wù)的平臺。因此，人們需要考慮如何在IP之上開展各種多媒體業(yè)務(wù)和實(shí)時業(yè)務(wù)。另一方面，三大網(wǎng)絡(luò)之間的融合是不可避免的，并將從業(yè)務(wù)的融合最終發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)的融合。人們期待著在一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)上開展各種業(yè)務(wù)、傳輸各種信號，以保障高效率地利用資源和更好地開展業(yè)務(wù)。更重要的是網(wǎng)絡(luò)目前已經(jīng)轉(zhuǎn)變成為一種商品，其上的各種增值服務(wù)有著巨大的利潤潛力。有理由相信，IP技術(shù)是未來網(wǎng)絡(luò)綜合的主要力量之一，它可以集成語音業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、圖像和視頻業(yè)務(wù)。IP網(wǎng)絡(luò)最終可能成為新一代電信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)選擇。

二、IP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量分類及產(chǎn)生的原因

作為下一代網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)的主要支撐平臺，服務(wù)質(zhì)量(QoS)技術(shù)是IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能否成為未來統(tǒng)一承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)鍵。從業(yè)務(wù)的角度看，網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量包括業(yè)務(wù)質(zhì)量和接通率兩部分指標(biāo)。業(yè)務(wù)質(zhì)量指已經(jīng)接通業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，可以客觀或主觀地評價(jià)，如IP語音(VoIP)業(yè)務(wù)的知覺通話質(zhì)量測量值（PSQM）和平均主觀值(MOS)，并映射到傳統(tǒng)的丟包、時延、抖動、吞吐量等IP網(wǎng)絡(luò)QoS參數(shù)。接通率則是衡量系統(tǒng)工作情況的綜合指標(biāo)，反映業(yè)務(wù)接續(xù)的實(shí)現(xiàn)和丟失情況，其對應(yīng)的指標(biāo)是呼損。

每一種QoS技術(shù)都有其合理的應(yīng)用場景，能且只能最佳解決一類特定的QoS問題。研討QoS整體解決方案必須首先對IP網(wǎng)絡(luò)中的QoS風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分類，進(jìn)而確定每一類QoS問題各自的對策。

導(dǎo)致IP網(wǎng)絡(luò)QoS問題出現(xiàn)的原因大致有兩類：一是與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的一些因素；二是與網(wǎng)絡(luò)無關(guān)的一些因素。

（一）與網(wǎng)絡(luò)無關(guān)的因素

1.業(yè)務(wù)服務(wù)器過載。如WWW服務(wù)器或E-mail服務(wù)器等過載。解決這類問題的方法是對這些服務(wù)器進(jìn)行升級，或增加業(yè)務(wù)服務(wù)器的數(shù)量并在它們之間做負(fù)載均衡。

2.人為因素。配置路由器/服務(wù)器在技術(shù)上是一件很復(fù)雜的事情，很容易出現(xiàn)錯誤。比如配置重復(fù)了的IP地址會導(dǎo)致路由錯誤。

（二）網(wǎng)絡(luò)的原因

1.網(wǎng)絡(luò)設(shè)備原因?，F(xiàn)在的路由器和交換機(jī)都是由非常復(fù)雜的軟硬件系統(tǒng)組成的，每秒需要處理上百萬個IP包。數(shù)據(jù)產(chǎn)品制造商被迫盡可能快地推出他們的設(shè)備，因此客戶發(fā)現(xiàn)路由器或交換機(jī)經(jīng)常存在軟/硬件問題是不足為怪的。必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣硖岣咴O(shè)備的可用性，特別是對重要的流量更應(yīng)如此。

2.接入鏈路的容量。出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，客戶接入鏈路總是低速的，并且運(yùn)營商通常會超賣上游鏈路。從技術(shù)上講解決這類問題的方法很簡單：（1）提高接入鏈路的能力；（2）對流量進(jìn)行分類并做標(biāo)記，利用策略、整形等技術(shù)分類處理。

3.不均衡的流量分布導(dǎo)致的擁塞。這是網(wǎng)絡(luò)引起QoS問題的最主要原因。即使一個網(wǎng)絡(luò)的平均鏈路利用率可能會比較低（比如30%），但完全有可能該網(wǎng)絡(luò)中的某一小部分鏈路的利用率接近100%。這些擁塞的鏈路將導(dǎo)致包延遲加長和出現(xiàn)抖動，甚至導(dǎo)致包丟失。導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)這些擁塞熱點(diǎn)的原因有：（1）無法預(yù)期的事件，如線纜切斷或設(shè)備故障；（2）流量模式發(fā)生大的變化，而網(wǎng)絡(luò)路由、拓?fù)浜腿萘繜o法及時得到調(diào)整。在骨干網(wǎng)中，不可能指望在合適的時間和合適的地點(diǎn)總是具有足夠的容量。因此，一個Web站點(diǎn)的突然成功，一個計(jì)劃外的多媒體流量廣播或不斷變化的需求都可能會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中某些鏈路出現(xiàn)擁塞。

IP網(wǎng)絡(luò)是基于分組的統(tǒng)計(jì)復(fù)用網(wǎng)絡(luò)，因此高帶寬、輕載的網(wǎng)絡(luò)中也有突發(fā)擁塞的可能，進(jìn)而引起IP網(wǎng)絡(luò)QoS問題。正因?yàn)镼oS問題的主要原因是由擁塞引起的，所以網(wǎng)絡(luò)QoS風(fēng)險(xiǎn)可以按照網(wǎng)絡(luò)中擁塞的時間長度分類進(jìn)行定量分析。根據(jù)擁塞時間長度對業(yè)務(wù)的影響程度以及解決擁塞問題所需要的技術(shù)措施不同，網(wǎng)絡(luò)QoS風(fēng)險(xiǎn)可以分為微秒級、毫秒級、秒級、分鐘級和更長時間級別5個等級。

微秒級的QoS風(fēng)險(xiǎn)可以采用簡單的調(diào)度機(jī)制避免丟包。例如，從兩個接口上同時到達(dá)的分組從同一個端口上輸出造成的擁塞，由路由器/交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)成幀緩存，再由轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)程調(diào)度，就可以解決這兩個包的順序輸出問題。

毫秒級的QoS風(fēng)險(xiǎn)則需要更多的分組緩存和較復(fù)雜的隊(duì)列機(jī)制來應(yīng)對，包括流分類、擁塞避免和隊(duì)列調(diào)度技術(shù)，如加權(quán)隨機(jī)早期檢測(WRED)、嚴(yán)格優(yōu)先隊(duì)列(PQ)、低延遲隊(duì)列(LLQ)、基于類的加權(quán)公平隊(duì)列(CBWFQ)等。

秒級的QoS風(fēng)險(xiǎn)靠緩存和隊(duì)列技術(shù)難以解決。設(shè)備的緩存有限，很難緩存數(shù)以秒計(jì)的分組，尤其是大容量的高速路由器和交換機(jī)應(yīng)用。秒級的QoS風(fēng)險(xiǎn)需要網(wǎng)絡(luò)級的接納控制來解決，即在秒級時間長度的業(yè)務(wù)擁塞出現(xiàn)或預(yù)判即將出現(xiàn)時，在業(yè)務(wù)接入點(diǎn)上通過策略定制拒絕接入部分業(yè)務(wù)，避免高速路由/交換設(shè)備上出現(xiàn)超出處理能力的擁塞流量從而導(dǎo)致大量丟包。

分鐘級的QoS風(fēng)險(xiǎn)往往由突發(fā)的業(yè)務(wù)量增加引起。采用接納控制技術(shù)丟棄業(yè)務(wù)降低了業(yè)務(wù)接通率，增加了呼損，并且電信網(wǎng)絡(luò)不允許這種狀態(tài)持續(xù)數(shù)分鐘以上，因此分鐘級的QoS風(fēng)險(xiǎn)需要有其他的解決措施。目前已有的解決方案技術(shù)是流量工程和資源預(yù)留，即在分鐘級時間長度的擁塞出現(xiàn)或預(yù)判即將出現(xiàn)時，通過人工或者策略服務(wù)器自動方式，采用流量工程技術(shù)將部分業(yè)務(wù)疏導(dǎo)到空閑的鏈路上，繞開擁塞點(diǎn)。由于流量工程隧道的部署決策需要時間，部署也需要時間，所以不能取代接納控制技術(shù)，作為短時間擁塞控制技術(shù)的替代，以避免頻繁的網(wǎng)絡(luò)動蕩。

三、提高IP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的對策

目前，人們一直在研究如何提高IP網(wǎng)絡(luò)對服務(wù)質(zhì)量的支持能力。其中主要包括如下技術(shù)。

（一）虛擬專用網(wǎng)虛擬專用網(wǎng)（VPN）

是通過私有的隧道技術(shù)在公共數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上仿真點(diǎn)到點(diǎn)專線的技術(shù)。利用VPN可以為企業(yè)提供不同的服務(wù)質(zhì)量保證，同時更有效地利用廣域網(wǎng)資源。

（二）區(qū)分服務(wù)區(qū)分服務(wù)（Diff-Serv）

在IP網(wǎng)中通過傳輸匯聚提供服務(wù)質(zhì)量支持，數(shù)據(jù)包在區(qū)分服務(wù)邊緣被分類和傳輸。在不同的區(qū)分服務(wù)域之間要建立服務(wù)層規(guī)范（SLS），這是邊緣路由器的傳輸狀況動作基礎(chǔ)。

（三）流量工程流量工程（Traffic Engineering）

是一個控制傳輸流怎樣經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)資源的最佳利用和性能保證的過程。出現(xiàn)流量工程的原因是最短路徑的路由算法使得某些路由出現(xiàn)擁塞而某些路由卻未被使用。以前的流量工程是基于層模式的，即IP處于一個面向連接的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之上，比較典型的是將IP置于ATM之上。

（四）多協(xié)議標(biāo)簽交換

多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS）允許在IP包頭前增加包頭來建立通道，不對IP數(shù)據(jù)包的內(nèi)容做任何處理。采用固定長度的標(biāo)簽加快了MPLS交換機(jī)查找路由表的速度，減輕了交換機(jī)的負(fù)擔(dān)。MPLS技術(shù)為IP網(wǎng)絡(luò)引入了更好、更復(fù)雜的路由技術(shù)和服務(wù)質(zhì)量管理功能，加快了數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的速度，減少了時延和時延抖動，增加了網(wǎng)絡(luò)的吞吐能力。MPLS同樣是流量工程的一種。