PTN的QoS技術(shù)應(yīng)用研究

單濾斌，虞有池（華信郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

0 前言

分組傳送網(wǎng)（PTN）雖以分組交換（PS）技術(shù)為核心，且具有傳統(tǒng)SDH傳送網(wǎng)的某些特征，但在本質(zhì)上仍屬IP承載網(wǎng)絡(luò)。PTN與傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)的重大區(qū)別是承載業(yè)務(wù)的多樣性，以及能滿足傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)高質(zhì)量的傳送要求。PTN除了承載傳統(tǒng)業(yè)務(wù)如文件傳輸協(xié)議（FTP）、萬維網(wǎng)（WWW）等簡單業(yè)務(wù)外，更多、更重要的是承載實(shí)時(shí)性強(qiáng)、有高帶寬和低時(shí)延要求的語音及視頻等業(yè)務(wù)。

傳統(tǒng)SDH傳送網(wǎng)絡(luò)以電路交換為核心，使用固定時(shí)隙承載業(yè)務(wù)，能夠保證優(yōu)質(zhì)、無差別的端到端通信服務(wù)。但這種無差別服務(wù)方式的帶寬利用率較低，網(wǎng)絡(luò)只具備管道輸送特征，無法成為可運(yùn)營的網(wǎng)絡(luò)。

傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)對(duì)所有IP報(bào)文都使用“先進(jìn)先出”的無差別處理策略，并“盡力而為”地將報(bào)文送達(dá)目的地，但卻對(duì)在傳送過程中產(chǎn)生的可靠性及時(shí)延性等問題不做任何保證。

顯然，業(yè)務(wù)的可靠性要求PTN應(yīng)具有可靠的服務(wù)能力，承載業(yè)務(wù)的多樣性又要求PTN應(yīng)能根據(jù)業(yè)務(wù)特性在服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)帶寬耗用上取得平衡。也就是說，PTN必須具有服務(wù)質(zhì)量（QoS）特性，而QoS特性正是PTN較傳統(tǒng)SDH和IP網(wǎng)絡(luò)的重大區(qū)別和進(jìn)步?？梢哉f，沒有QoS技術(shù)就沒有商用的PTN，因此對(duì)PTN的QoS技術(shù)應(yīng)用研究具有十分重要的意義。

1 PTN的QoS服務(wù)模型選擇

QoS是指數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)時(shí)的性能。QoS通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的合理分配與監(jiān)控，使用流量分類、著色、監(jiān)管、整形、網(wǎng)絡(luò)擁塞管理與避免等技術(shù)，為用戶提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證，最終達(dá)到針對(duì)各種應(yīng)用的不同需求，為其提供不同的服務(wù)質(zhì)量。

PTN保留分組交換核心，采用傳送多協(xié)議標(biāo)簽交換（T-MPLS）技術(shù)，將面向無連接的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)改造為面向連接的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)面向連接的分組交換傳送。

基于T-MPLS的QoS技術(shù)能對(duì)區(qū)分服務(wù) （Diff-Serv）和集成服務(wù)（Int-Serv）2種服務(wù)模型提供支持。

1.1 MPLS Diff-Serv模型

傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)的Diff-Serv模型，主要是通過攜帶在IP分組報(bào)頭的QoS參數(shù)信息來指定自身服務(wù)類別的。網(wǎng)絡(luò)通過QoS參數(shù)信息，對(duì)報(bào)文的服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行等級(jí)劃分并作相應(yīng)處理。

Diff-Serv模型以流的 “聚合類”（即具有相同QoS服務(wù)類別的分組集合）為服務(wù)對(duì)象，對(duì)分組進(jìn)行“粗粒度”分類（如IP報(bào)文的源和目的地址、協(xié)議類型等）服務(wù)。Diff-Serv模型只在網(wǎng)絡(luò)邊界上進(jìn)行分類、標(biāo)記、監(jiān)管和訪問控制等操作。核心路由器只需進(jìn)行簡單的流分類，并加以識(shí)別和按類處理即可。因在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)無須增加額外的功能和處理，因而Diff-Serv模型具有良好的可擴(kuò)展性。

MPLS Diff-Serv在對(duì)QoS支持方面與Diff-Serv類似，所不同的是MPLS網(wǎng)絡(luò)是通過MPLS報(bào)文頭中的實(shí)驗(yàn)（EXP）值攜帶 Diff-Serv單跳行為（PHB）來實(shí)現(xiàn)的。T-MPLS是通過在網(wǎng)絡(luò)入口點(diǎn)將數(shù)據(jù)包劃分為不同的轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類（FEC）后打上相應(yīng)標(biāo)記（label）對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理的。

在IP網(wǎng)絡(luò)的Diff-Serv體系中，將傳統(tǒng)IP分組中的業(yè)務(wù)類型 （ToS）字段重新定義為DS（Differentiated Services）字段，通過標(biāo)記分組的DS字段來申請(qǐng)不同等級(jí)的服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)根據(jù)該字段對(duì)各種業(yè)務(wù)采取預(yù)先設(shè)定的服務(wù)策略，保證相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量。

基于MPLS的Diff-Serv就是通過將DS的分配與MPLS的標(biāo)簽分配過程結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的。

在MPLS網(wǎng)絡(luò)邊緣缺省的情況下，將IP報(bào)文的IP優(yōu)先級(jí)直接拷貝到MPLS報(bào)文的EXP域；但在ISP不信任用戶網(wǎng)絡(luò)或ISP定義的差別服務(wù)類別不同于用戶網(wǎng)絡(luò)時(shí)，則可以根據(jù)一定的分類策略，在MPLS網(wǎng)絡(luò)邊緣重新設(shè)置MPLS報(bào)文的EXP域，而在MPLS網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)的過程中保持IP報(bào)文的ToS域不變。

1.2 MPLS Int-Serv模型

傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)Int-Serv模型主要是通過資源預(yù)留協(xié)議（RSVP）信令進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留達(dá)到保證服務(wù)和負(fù)載控制的目的。

Int-Serv模型的核心是RSVP協(xié)議，它能夠提供絕對(duì)有保證的QoS。RSVP運(yùn)行在從源端到目的端的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，并監(jiān)視每個(gè)數(shù)據(jù)流，以防止其消耗超出預(yù)留的網(wǎng)絡(luò)資源。RSVP使用“軟狀態(tài)”概念，以此反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓⒏幕蜥尫刨Y源。

PTN通過MPLS流量工程 （MPLS-TE）技術(shù)實(shí)現(xiàn)Int-Serv模型。MPLS-TE在網(wǎng)絡(luò)資源有限的情況下，將網(wǎng)絡(luò)流量合理引導(dǎo)，達(dá)到實(shí)際網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載與物理網(wǎng)絡(luò)資源相匹配，間接地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的QoS。

MPLS-TE把Int-Serv模型中的RSVP信令擴(kuò)展為RESVP-TE，并作為一個(gè)獨(dú)立的協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行，為數(shù)據(jù)流建立有帶寬保證的路徑。

MPLS-TE通過中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng)（IS-IS）協(xié)議收集路由信息，如：每條鏈路可配置的帶寬（最大物理帶寬及最大可預(yù)留帶寬），通過IS-IS擴(kuò)展泛洪這些信息生成流量工程數(shù)據(jù)庫（TEDB），在流量入口建立標(biāo)簽交換通道（LSP）路徑時(shí)指定LSP所需要的帶寬，通過基于約束的最短路徑優(yōu)先（CSPF）計(jì)算出滿足帶寬、時(shí)延等要求的路徑，RSVP-TE根據(jù)計(jì)算結(jié)果建立路徑。

1.3 服務(wù)模型選擇

在PTN中，一條端到端的業(yè)務(wù)通常是按照?qǐng)D1方式完成傳送的。

圖1 業(yè)務(wù)傳送方式示意

由圖1可知，業(yè)務(wù)由用戶側(cè)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，先通過偽線層（PW）完成業(yè)務(wù)的統(tǒng)一封裝（PTN采用IETF定義的PWE3協(xié)議，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)的分組化封裝，保持傳送網(wǎng)與業(yè)務(wù)網(wǎng)的相對(duì)獨(dú)立）。通過MPLS隧道層嵌套多個(gè)同路由的PW業(yè)務(wù)路徑，在傳輸過程中確定流向和流量，構(gòu)成端到端傳送通道。多個(gè)MPLS隧道層形成段層，對(duì)應(yīng)于光纖鏈路。整個(gè)PTN分層模型包括PW、MPLS隧道層和段層。

從QoS的角度考慮，在PTN的實(shí)際運(yùn)行中，需要根據(jù)用戶側(cè)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)的特點(diǎn)選擇服務(wù)模型。在用戶側(cè)，可考慮采用MPLS Diff-Serv模型。在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，主要考慮PW和隧道層的QoS問題，根據(jù)基于鏈路資源的規(guī)劃是共享還是預(yù)留，合理選擇T-MPLS Diff-Serv、TMPLS Int-Serv或2者相結(jié)合的MPLS DS-TE服務(wù)模型。

1.3.1 資源共享下的Diff-Serv模型

在多個(gè)用戶共享網(wǎng)絡(luò)資源的情況下，PTN使用Diff-Serv模型來確定轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)級(jí)別，使節(jié)點(diǎn)能夠?qū)I(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)差分轉(zhuǎn)發(fā)。

PTN通過MPLS-TE與Diff-Serv相結(jié)合產(chǎn)生了E-LSP和L-LSP 2種技術(shù)，它們均可實(shí)現(xiàn)Diff-Serv模式，其比較見表1。

表1 E-LSP和L-SLP技術(shù)的比較

如圖1所示，Ingress節(jié)點(diǎn)通過MPLS標(biāo)簽中的EXP字節(jié)或Label來識(shí)別數(shù)據(jù)包不同的CoS級(jí)別，Transit節(jié)點(diǎn)根據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行不同的轉(zhuǎn)發(fā)處理。

每個(gè)業(yè)務(wù)流根據(jù)優(yōu)先級(jí)別的不同享受不同的QoS服務(wù)。這種方式實(shí)現(xiàn)簡單，但也存在著以下缺點(diǎn)。

a）資源共享導(dǎo)致了多個(gè)同優(yōu)先級(jí)之間的業(yè)務(wù)流競爭資源的問題。若按照高峰流量配置帶寬時(shí)，會(huì)導(dǎo)致帶寬浪費(fèi)；若按照平均流量配置帶寬時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致?lián)砣c丟包現(xiàn)象。

b）在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，業(yè)務(wù)流需要經(jīng)過多個(gè)鏈路，而這些鏈路所分配的帶寬是很難實(shí)現(xiàn)完全匹配的。因此會(huì)出現(xiàn)有些鏈路帶寬相匹配、有些鏈路帶寬分配不足的現(xiàn)象，難以保證端到端的QoS。

c）L-LSP實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，需要使用信令來分配標(biāo)簽，可擴(kuò)展性差。

1.3.2 資源預(yù)留下的Int-Serv模型

在業(yè)務(wù)流需要獨(dú)享帶寬資源時(shí)采用MPLS-TE技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通過RSVP-TE信令在Ingress和Egress節(jié)點(diǎn)之間建立專用TE隧道，這個(gè)隧道是有帶寬保證的。

RSVP-TE用于在一條路徑的各節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行資源預(yù)留，支持MPLS標(biāo)簽分發(fā)，并在傳送標(biāo)簽綁定消息的同時(shí)攜帶資源預(yù)留信息。如圖1所示，Ingress向Egress發(fā)送Path消息，Egress在收到Path消息后產(chǎn)生Resv消息返回Egress，同時(shí)在沿途的Transit節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行資源預(yù)留。

MPLS-TE技術(shù)能有效地管理帶寬資源、改善網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，但其帶寬管理無法做到基于業(yè)務(wù)的類別。如果在一個(gè)隧道中同時(shí)存在著EF、AF及BF業(yè)務(wù)，在競爭資源時(shí)將無法保證EF、AF的QoS。

1.3.3 MPLSDS-TE模型

MPLS DS-TE（MPLS Diff-Serv-Aware TE ）是 Diff-Serv機(jī)制和MPLS-TE技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的一種新的QoS機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)在差分服務(wù)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行全路徑的資源預(yù)留。

MPLS DS-TE在一個(gè)MPLS隧道上采用Int-Serv模式并應(yīng)用MPLS-TE技術(shù)，而在隧道內(nèi)的每個(gè)PW再采用Diff-Serv模式，根據(jù)優(yōu)先級(jí)（如EF、AF及BF）來區(qū)分、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流。

MPLS DS-TE充分利用了Diff-Serv模式的可擴(kuò)展性和Int-Serv模式的顯示路由能力，是解決PTN QoS的有效技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)資源可以根據(jù)用戶需求得到最優(yōu)化的利用。

2 PTN層次化QoS（H-QoS）技術(shù)

2.1 H-QoS技術(shù)基本概念

QoS技術(shù)雖能解決單節(jié)點(diǎn)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的服務(wù)質(zhì)量問題，但當(dāng)PTN復(fù)雜時(shí)就必須引入H-QoS技術(shù)。

DSL論壇TR-059協(xié)議定義的H-QoS的基本模型，主要包括分類器、流對(duì)列、Session級(jí)調(diào)度器、VC級(jí)調(diào)度器、VC Group級(jí)調(diào)度器、VP級(jí)調(diào)度器及物理端口級(jí)調(diào)度器。

H-QoS操作過程為：感知數(shù)據(jù)流類型并對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行報(bào)文分類，根據(jù)分類結(jié)果進(jìn)入相應(yīng)級(jí)別的調(diào)度隊(duì)列，通過逐級(jí)調(diào)度器的調(diào)度最終解決網(wǎng)絡(luò)擁塞問題。

與傳統(tǒng)QoS相比，PTN設(shè)備提供的H-QoS具有以下2個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

a）多級(jí)的調(diào)度機(jī)制實(shí)現(xiàn)了基于端口、業(yè)務(wù)及PW的調(diào)度，更加細(xì)化了QoS的控制粒度。

b）多級(jí)的流量控制機(jī)制實(shí)現(xiàn)了基于端口、業(yè)務(wù)及PW的流量控制，更全面地控制了業(yè)務(wù)的QoS質(zhì)量。

通過支持H-QoS技術(shù)，PTN設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)在多用戶接入情況下的帶寬質(zhì)量分級(jí)，分別控制單個(gè)業(yè)務(wù)類型、單個(gè)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)、多個(gè)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)及單個(gè)業(yè)務(wù)或多個(gè)業(yè)務(wù)的總帶寬，同時(shí)差分業(yè)務(wù)和用戶，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的端到端QoS。

2.2 H-QoS技術(shù)應(yīng)用

以下以PTN最為常見的3G Node B基站和以太網(wǎng)業(yè)務(wù)為例，描述H-QoS技術(shù)的應(yīng)用。

2.2.1 3G基站ATM業(yè)務(wù)H-QoS技術(shù)的應(yīng)用

ATM業(yè)務(wù)傳送示意見圖2。PTN設(shè)備通過E1端口分別與4個(gè)Node B建立ATM反向復(fù)用 （IMA）連接，接收來自Node B的ATM業(yè)務(wù)。PTN設(shè)備將ATM業(yè)務(wù)進(jìn)行端到端的偽線仿真（PWE3）封裝后，通過LSP隧道層嵌套跨越PTN傳送到對(duì)端PTN設(shè)備。對(duì)端PTN設(shè)備對(duì)PWE3解封裝后，將ATM業(yè)務(wù)通過ATM STM-1光口傳送給RNC。

圖2 ATM業(yè)務(wù)傳送示意

在該案例中，Node B1和Node B2為一用戶組，Node B3和Node B4為一用戶組。Node B傳送的業(yè)務(wù)類型包括實(shí)時(shí)語音業(yè)務(wù)、信令和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，分別通過PW1、PW2和PW3來承載。不同用戶組的PW通過不同的隧道（Tunnel）來承載。Node B1和Node B2 PW嵌套于LSP Tunnel1，Node B3和Node B4 PW嵌套于LSP Tunnel2。

ATM業(yè)務(wù)策略指定示意見圖3，業(yè)務(wù)類型與主要的ATM策略見表2。由圖3可知，在用戶側(cè)，PTN設(shè)備為不同類型的業(yè)務(wù)指定不同的ATM策略。在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，PTN設(shè)備為不同的PW及Tunnel分配不同的帶寬，滿足不同業(yè)務(wù)、不同用戶組的帶寬要求。指定PW策略為網(wǎng)絡(luò)側(cè)流量指定調(diào)度策略，以及為不同服務(wù)類別（CoS）指定不同的流量控制參數(shù)及報(bào)文丟棄方式，以實(shí)現(xiàn)差異化的QoS服務(wù)。

表2 業(yè)務(wù)類型與主要的ATM策略

2.2.2 以太網(wǎng)業(yè)務(wù)H-QoS技術(shù)的應(yīng)用

以太網(wǎng)業(yè)務(wù)傳送示意見圖4。PTN設(shè)備通過FE接口將來自某用戶的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)（包含VoIP、IPTV及數(shù)據(jù)3種業(yè)務(wù)類型）接入到PTN中，并通過層次化的QoS技術(shù)，分別為該用戶的不同業(yè)務(wù)類型提供不同級(jí)別的QoS保證。

以太網(wǎng)業(yè)務(wù)策略指定示意見圖5。在該案例中的用戶側(cè)，單個(gè)用戶的不同業(yè)務(wù)具有優(yōu)先級(jí)，提供差異化的服務(wù)；不同業(yè)務(wù)可帶寬共享，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)復(fù)用。

PTN設(shè)備為不同類型的業(yè)務(wù)指定不同的服務(wù)策略（見表 3）。

圖3 ATM業(yè)務(wù)策略指定示意

圖4 以太網(wǎng)業(yè)務(wù)傳送示意

表3 以太網(wǎng)業(yè)務(wù)類型與主要的服務(wù)策略

在網(wǎng)絡(luò)側(cè)的處理方式和第一個(gè)案例相同，區(qū)別在于此案例僅為單個(gè)用戶配置1條Tunnel帶寬即可。

3 結(jié)束語

圖5 以太網(wǎng)業(yè)務(wù)策略指定示意

QoS是PTN區(qū)別于傳統(tǒng)SDH傳送網(wǎng)的核心技術(shù)，是PTN中業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的保障。QoS技術(shù)的差分化服務(wù)特性，使傳送網(wǎng)在節(jié)約帶寬、保證服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，也使運(yùn)營商找到了根據(jù)用戶服務(wù)要求差分收費(fèi)的新的贏利方式，這應(yīng)是QoS技術(shù)帶來的一個(gè)良好的副產(chǎn)品。

［1］龔倩，徐榮，李允博，等.分組傳送網(wǎng) ［M］.北京：人民郵電出版社，2010.