光網(wǎng)絡(luò)的QoS機制研究

盧莎，薛威陽

1、南京大學(xué)金陵學(xué)院信息科學(xué)與工程系，江蘇 南京 210089

2、中興通訊股份有限公司南京分公司，江蘇 南京 210012

光網(wǎng)絡(luò)的QoS機制研究

盧莎1，薛威陽2

1、南京大學(xué)金陵學(xué)院信息科學(xué)與工程系，江蘇 南京 210089

2、中興通訊股份有限公司南京分公司，江蘇 南京 210012

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，服務(wù)質(zhì)量(QoS)對于網(wǎng)絡(luò)來說越來越重要。QoS是網(wǎng)絡(luò)的一種安全機制，一種用來解決網(wǎng)絡(luò)延遲和阻塞等問題的技術(shù)。本文主要討論了光網(wǎng)絡(luò)中QoS的關(guān)鍵性指標(biāo)，實現(xiàn)QoS的主要方法以及優(yōu)缺點，最后論述了基于標(biāo)簽的光交換網(wǎng)的QoS實現(xiàn)方法。

服務(wù)質(zhì)量；基于標(biāo)簽的光突發(fā)交換；盡力而為模型；區(qū)分服務(wù)模型；集成服務(wù)模型

1 光網(wǎng)絡(luò)QoS的基本要求

服務(wù)質(zhì)量(QoS)是指網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商與用戶之間以及網(wǎng)絡(luò)上互相通信的用戶之間關(guān)于信息傳輸與共享的質(zhì)的約定(例如，傳輸延遲允許時間、最小傳輸畫面失真度以及聲像同步等)。光網(wǎng)絡(luò)中的QoS的關(guān)鍵性能指標(biāo)主要包括:可用性、吞吐量、時延、時延變化(包括抖動和漂移)和丟包率。

可用性:是當(dāng)用戶需要時網(wǎng)絡(luò)能正常工作的時間百分比。可用性主要是設(shè)備可靠性和網(wǎng)絡(luò)存活性相結(jié)合的結(jié)果。對它起作用的還有一些其他因素，包括軟件穩(wěn)定性以及網(wǎng)絡(luò)升級時不中斷服務(wù)的能力。

吞吐量:是在一定時間段內(nèi)對網(wǎng)絡(luò)上能夠承載流量(或帶寬)的度量。根據(jù)應(yīng)用和服務(wù)類型，服務(wù)水平協(xié)議（SLA)可以規(guī)定承諾信息速率(CIR)、突發(fā)信息速率(BIR)和最大突發(fā)信號長度。一般講，吞吐量越大越好。

時延:指一項服務(wù)從網(wǎng)絡(luò)入口到出口的平均經(jīng)過時間。產(chǎn)生時延的因素很多，包括分組時延、排隊時延、交換時延和傳播時延。傳播時延是信息通過銅線、光纖或無線鏈路所需的時間，它是光速的函數(shù)。在任何系統(tǒng)中，包括同步數(shù)字系列(SDH)、異步傳輸模式(ATM)和彈性分組環(huán)路(RPR)，傳播時延總是存在的。

時延變化:是指同一業(yè)務(wù)流中不同分組所呈現(xiàn)的時延不同。高頻率的時延變化稱作抖動(jitter)，而低頻率的時延變化稱作漂移(excursion)。抖動主要是由于業(yè)務(wù)流中相繼分組的排隊等候時間不同引起的，是對服務(wù)質(zhì)量影響最大的一個問題。漂移是任何同步傳輸系統(tǒng)都有的一個問題。漂移會造成基群失幀，使服務(wù)質(zhì)量的要求不能滿足。

丟包率:不管是比特丟失還是分組丟失，對分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的影響比對實時業(yè)務(wù)的影響都大。要保持統(tǒng)計數(shù)字，當(dāng)超過預(yù)定門限時就向網(wǎng)絡(luò)管理人員告警。

2 光網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)QoS的方法

光網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)QoS的方法主要有：盡力而為模型、區(qū)分服務(wù)模型、集成服務(wù)模型等。

2.1 盡力而為（Best Effort）模型

盡力而為模型是傳統(tǒng)IP的QoS服務(wù)模型，存在許多缺點：在發(fā)生瞬時擁塞時，路由器提供的時間響應(yīng)不可預(yù)測；對不同業(yè)務(wù)流類型不能提供不同優(yōu)先級的服務(wù)；不能動態(tài)的請求端到端的服務(wù)質(zhì)量；只有有限的機制可以用來審計網(wǎng)絡(luò)資源的使用質(zhì)量。

2.2 集成服務(wù)（IntServ）模型

集成服務(wù)在RFC1633中進行了定義，將資源預(yù)留協(xié)議作為IntServ結(jié)構(gòu)中的主要信令協(xié)議。

集成服務(wù)的基本思想是在傳送數(shù)據(jù)之前，根據(jù)業(yè)務(wù)的QoS需求進行網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留，從而為該數(shù)據(jù)流提供端到端的QoS保證。IntServ依靠資源預(yù)留協(xié)議RSVP逐節(jié)點的建立或拆除每個流的資源預(yù)留軟狀態(tài)；依靠接納控制（也稱準(zhǔn)入控制)決定鏈路或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是否有足夠的資源滿足QoS請求；依靠傳輸控制將分組分類成傳輸流，并根據(jù)每個流的狀態(tài)對分組的傳輸實施QoS路由、傳輸調(diào)度等控制。

IntServ和RSVP在整個網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，存在如下根本的局限：

(1)基于流的RSVP資源預(yù)留、調(diào)度處理以及緩沖區(qū)管理，有利于提供QoS保證，但是系統(tǒng)開銷過高，對于大型網(wǎng)絡(luò)存在可擴展性的問題。

(2)許多應(yīng)用需要某種形式的QoS，但是無法使用IntServ模型來表達QoS請求。

(3)必要的策略控制和價格機制，如訪問控制、鑒別、記賬等目前尚處于發(fā)展階段，無法輔助應(yīng)用。

2.3 區(qū)分服務(wù)（DiffServ）模型

區(qū)分服務(wù)的基本思想是將用戶的數(shù)據(jù)流按照服務(wù)質(zhì)量要求來劃分等級，任何用戶的數(shù)據(jù)流都可以自由進入網(wǎng)絡(luò)，但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時，級別高的數(shù)據(jù)流在排隊和占用資源時比級別低的數(shù)據(jù)流有更高的優(yōu)先權(quán)。區(qū)分服務(wù)的基本機制是在網(wǎng)絡(luò)的邊緣路由器上根據(jù)某一業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求將該業(yè)務(wù)映射到一定的業(yè)務(wù)類別之中，隨后利用IP分組中的DS字段唯一的標(biāo)示這一業(yè)務(wù)所需的服務(wù)類別，網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點將依據(jù)該字段對各種業(yè)務(wù)類別采取預(yù)先設(shè)定好的服務(wù)策略，保證相應(yīng)的傳送速率、延時、抖動等服務(wù)質(zhì)量參數(shù)。

3 基于標(biāo)簽的光交換網(wǎng)的QoS實現(xiàn)

全光交換（AOS）包括：傳統(tǒng)的光波長交換、光突發(fā)交換和光包/分組交換。隨著多協(xié)議標(biāo)簽交換(MPLS) 技術(shù)的發(fā)展，人們又將傳統(tǒng)的AOS技術(shù)與MPLS技術(shù)結(jié)合起來，對應(yīng)地提出了一套基于標(biāo)簽的全光交換技術(shù)：多協(xié)議波長標(biāo)簽交換(MPLmS) 、基于標(biāo)簽的光突發(fā)交換(LOBS)和光標(biāo)簽包/分組交換(OLPS) 。下面討論3種基于標(biāo)簽的全光交換技術(shù)(MPLmS，LOBS和OLPS)中的QoS實現(xiàn)。

3.1 MPLS/MPLmS網(wǎng)絡(luò)中的QoS模型

在MPLS網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)QoS主要有兩種模型：綜合業(yè)務(wù)( IntServ) 和區(qū)分業(yè)務(wù)(DiffServ) 。

IntServ是在建立標(biāo)簽交換路徑的過程中，預(yù)留適當(dāng)?shù)馁Y源，使在這個LSP中的傳輸具備QoS保證。其QoS實現(xiàn)的關(guān)鍵就在于把標(biāo)簽請求和標(biāo)簽綁定與一定的參數(shù)結(jié)合起來。發(fā)送方先發(fā)送RSVP的路徑信息，在該路徑信息中包含本次傳輸?shù)牧髁啃畔⒑蚎oS級別。MPLS網(wǎng)絡(luò)的入口節(jié)點收到該路徑信息后，向該網(wǎng)絡(luò)中的下一級節(jié)點發(fā)送一個含有標(biāo)簽請求、流量消息和QoS請求信息的信息包。在MPLS網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)簽交換則是在標(biāo)簽交換路由器由標(biāo)簽請求部分的交換來實現(xiàn)的。當(dāng)該信息包到達MPLS網(wǎng)絡(luò)的出口節(jié)點后，這個出口節(jié)點把此RSVP的路徑信息發(fā)送給接收方。接收方收到該路徑信息后，向該網(wǎng)絡(luò)的ER發(fā)送相應(yīng)的預(yù)留信息。出口節(jié)點根據(jù)預(yù)留信息進行資源預(yù)留，同時根據(jù)標(biāo)簽請求進行標(biāo)簽分配，并將分配到的標(biāo)簽和相應(yīng)的預(yù)留信息一起向上游的中間節(jié)點LSR發(fā)送。LSR根據(jù)預(yù)留信息進行資源預(yù)留，同時進行標(biāo)簽交換。當(dāng)含有指向入口節(jié)點標(biāo)簽的信息包到達入口節(jié)點時，表明一條具有QoS保證的LSP已經(jīng)建立起來了。入口節(jié)點再向發(fā)送方發(fā)回RSVP的預(yù)留信息，發(fā)送方可以開始傳輸數(shù)據(jù)。

DiffServ的建立必須先由用戶和LSP協(xié)商一個服務(wù)等級協(xié)議。發(fā)送方先向本地的寬帶代理發(fā)出RSVP的路徑信息，提出DiffServ申請。若申請被拒絕，則發(fā)送錯誤信息給發(fā)送方，結(jié)束該過程。若申請被接受，則帶寬代理向MPLS網(wǎng)絡(luò)的入口節(jié)點LER1發(fā)出路徑信息，請求建立LSP。接受請求后，LER1就將標(biāo)簽請求信息嵌入PHS信息，并向下游節(jié)點傳送。當(dāng)該信息包到達LSP出口節(jié)點LER2后，LER2向其相應(yīng)的本地帶寬代理發(fā)出路徑信息，帶寬代理則對其域的邊緣路由器做出相應(yīng)的設(shè)置，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。此本地帶寬代理接著向LER2發(fā)回RSVP的預(yù)留信息。當(dāng)LER2收到預(yù)留信息后，向上游節(jié)點發(fā)出標(biāo)簽綁定消息，當(dāng)此綁定消息返回LER1時，則建立起了一條LSP。LER1向它的本地代理返回預(yù)留信息，本地代理收到后，即對ER1進行相關(guān)配置，并向發(fā)送方發(fā)回預(yù)留信息，可以開始發(fā)送數(shù)據(jù)。

IntServ和DiffServ都是在MPLS網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)QoS的模型。IntServ是在發(fā)送方和接收方之間利用RSVP預(yù)留帶寬，形成一條“通道”。它對路由的要求很高，算法和策略都極其復(fù)雜，它的實現(xiàn)必須要對現(xiàn)有的路由方法做很大的修改。而DiffServ則更易實施，其對路由的要求要低得多，對現(xiàn)有路由方法的修改也少得多。因此，DiffServ模型在實際應(yīng)用中要比IntServ模型更受歡迎。

3.2 LOBS網(wǎng)絡(luò)中的QoS模型

在LOBS網(wǎng)絡(luò)中，避開過載節(jié)點，對不同的服務(wù)類提供QoS，使用將離線和在線相結(jié)合的混合路由算法。為了區(qū)分服務(wù)類，可以用優(yōu)先級機制來實現(xiàn)QoS。在此，我們將數(shù)據(jù)塊分成兩類：一類是高優(yōu)先級LSP(HPLSP)；一類是低優(yōu)先級LSP (LPLSP)，LPLSP可以繼續(xù)分成L P1、LP2等(LP1的優(yōu)先級要高于LP2)。HPLSP是“提供質(zhì)量保證”的，而LPLSP則是“盡力而為”的。另外，還有3個模塊協(xié)助實現(xiàn)QoS：(1) 通道建立模塊(PR)：根據(jù)流量矩陣計算離線路由。PR描述了網(wǎng)絡(luò)的實際拓?fù)浜唾Y源信息。(2)動態(tài)路由模塊(DR)：根據(jù)LSP請求信息計算在線路由。其目的是尋找無阻塞路由來替代過載的現(xiàn)存最短路由。(3)搶占機制模塊(PM)：負(fù)責(zé)處理搶占帶寬。當(dāng)發(fā)生搶占帶寬時，其將被搶占的LP數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)移到無阻塞的路由上。PM需要包含有目前LSP鏈路信息的動態(tài)LSP數(shù)據(jù)庫(DLD)來實現(xiàn)其功能。在IR處，先進行標(biāo)簽請求分析，更新DLD數(shù)據(jù)庫，然后開始建立LSP。HPLSP先調(diào)用PR模塊，計算離線路由，嘗試建立LSP。如果成功，則可以在控制包上貼上標(biāo)簽開始轉(zhuǎn)發(fā)和傳輸，并采用延遲預(yù)留機制預(yù)留帶寬，即數(shù)據(jù)包到達時才分配帶寬，然后即可以開始轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。如果建立LSP失敗，則調(diào)用DR模塊，計算在線路由，再嘗試建立LSP。如果失敗，就會搶占LPLSP的帶寬，即開始轉(zhuǎn)發(fā)控制、預(yù)留帶寬和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的過程。而當(dāng)搶占發(fā)生時，被搶占的節(jié)點就會調(diào)用PM模塊，將被搶占的LPLSP轉(zhuǎn)移到其他無阻塞路由上。而此時，由于采用了延遲預(yù)留機制，所以被搶占的LPLSP就會有時間建立新的LSP。另外，采用額外偏置時間機制，還可以增加HPLSP建立成功的機會。這種方法的優(yōu)點是避免了大數(shù)據(jù)包的O/ E/ O轉(zhuǎn)換，有效地提高傳輸效率。雖然犧牲了部分的網(wǎng)絡(luò)透明度，但LOBS的可實現(xiàn)性卻大為增加，所以這種在LOBS中實現(xiàn)QoS的方法是非常接近實際應(yīng)用的。

3.3 OLPS網(wǎng)絡(luò)中的QoS模型

與LOBS中的標(biāo)簽頭和數(shù)據(jù)包的相對“分離”的關(guān)系相比，OLPS中的標(biāo)簽頭是被“粘”在數(shù)據(jù)包上的。所以在OLSR處，要先將標(biāo)簽頭與數(shù)據(jù)包分開，然后利用離線和在線相結(jié)合的混合路由算法來建立LSP，最后就可以進行數(shù)據(jù)包的傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)了。數(shù)據(jù)流在OLSR中的處理過程是：首先在入口處，需要進行去復(fù)用，把分離出的標(biāo)簽在控制單元中進行相應(yīng)的處理(如根據(jù)標(biāo)簽信息分配帶寬，標(biāo)簽交換等) 。而數(shù)據(jù)包則根據(jù)標(biāo)簽中的信息在光交叉矩陣(OXC)中進行處理(路由)。最后在OLSR出口處，還需要進行復(fù)用，即將新的標(biāo)簽粘在數(shù)據(jù)包上，繼續(xù)向下游節(jié)點傳輸。副載波復(fù)用/去復(fù)用的過程可以采取光單邊帶副載波頭擦除/替換技術(shù)來實現(xiàn)。而實現(xiàn)該技術(shù)的關(guān)鍵就是相關(guān)器件的實現(xiàn)。

除了上述方法外，還可以采取類似于LOBS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的“先傳光包頭和光標(biāo)簽，經(jīng)過一段偏置時間后，再傳包的凈荷信息”的隨路方式(實質(zhì)上是一種時分復(fù)用技術(shù)) 。但是這種方式卻需要預(yù)先對整個網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知。當(dāng)整個網(wǎng)絡(luò)中有一個節(jié)點發(fā)生變化時，就需要對整個網(wǎng)絡(luò)進行“重新認(rèn)識”，而且光包頭和光標(biāo)簽與包的凈荷必須占用不同的波長，再加上偏置時間技術(shù)所固有的問題(需要非常復(fù)雜的算法以精確設(shè)置偏置時間) ，所以將這種方法付諸于實用是有一定困難的。

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[3]董世強.網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量_QoS_控制的研究[D].濟南：山東大學(xué).2005年4月

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.17.035