一種基于分層架構的端到端QoS保障系統(tǒng)與方法

楊振東，馮銘能（.中國聯通廣東分公司，廣東廣州 5067；.中訊郵電咨詢設計院有限公司，廣東廣州 5067）

1 概述

目前移動互聯網快速發(fā)展，對低延遲、無擁塞、高質量的QoS 保障需求愈加迫切，現網的QoS 保障方式已不能滿足業(yè)務發(fā)展需要，需要一種新型的QoS 保障系統(tǒng)和方法來滿足業(yè)務快速發(fā)展的需要。

1.1 互聯網+的發(fā)展

隨著互聯網+的高速發(fā)展，用戶對移動互聯網服務質量及有線網絡服務質量的要求越來越高，希望可以實現互聯網的低延遲、無擁塞、高質量服務；隨著IP網絡的發(fā)展，最初以承載為主要功能的IP 網絡正漸漸地轉變?yōu)橐蕴峁┎町惢鲋捣諡橹饕δ艿木W絡。

1.2 NFV/SDN發(fā)展

電信運營商傳統(tǒng)網絡采用專用硬件設備，難以支撐日新月異的互聯網應用快速部署和業(yè)務創(chuàng)新的需求，而NFV 將云計算引入到電信網絡，能大幅提升網絡的靈活性。SDN 通過基于軟件編程的SDN 控制器來實現網絡控制功能的集中化，SDN 控制器向編排層開放接口，可支撐軟件編程控制的各類業(yè)務。隨著NFV/SDN 發(fā)展，網絡層級分為轉發(fā)層、控制層、編排層，為基于業(yè)務編排的QoS保障提供了部署條件。

1.3 5G/MEC應用發(fā)展

在5G 網絡高容量熱點場景中，用戶體驗速率達1 Gbit/s，峰值速率達10 Gbit/s，流量密度每平方千米達10 Tbit/s，這將對無線回傳網絡造成巨大的壓力，需要將業(yè)務平臺向網絡邊緣下沉，實現業(yè)務的本地處理。需要通過業(yè)務編排器對5G/4G 邊緣云應用進行QoS 保障。MEC（Mobile Edge Computing）可助力運營商搭建與OTT 或應用開發(fā)商合作的橋梁。運營商可以將網絡能力封裝成各種服務（如位置服務、帶寬管理服務等）開放給第三方，而基于MEC 的QoS 保障能力也是可以同步部署并開放的。

1.4 業(yè)務編排器在固移網絡中起關鍵作用

業(yè)務編排器負責資源的分配及業(yè)務的編排部署。業(yè)務編排器為運營商提供了資源和業(yè)務的統(tǒng)一視圖，對全網資源進行有效的管理和調度。通過業(yè)務編排器可以進行全程全網、跨層跨域、端到端、多業(yè)務、快速高效的QoS保障。

2 現有端到端QoS保障現狀及存在的問題

2.1 QoS保障現狀

現有的QoS 保障采用對骨干網、城域網或IP RAN等分段保障的機制，不是端到端的保障。僅支持對某一類業(yè)務的保障，比如基于PCF/PCRF 對移網用戶的QoS 保障，不支持對固移綜合業(yè)務的QoS 保障。不同業(yè)務有不同的QoS 保障需求，網絡質量保障等級和個性化定制化的業(yè)務需求之間不能滿足一一匹配的要求，所以對業(yè)務進行端到端靈活的QoS 保障成了運營商要解決的重點問題。

2.2 存在的問題

a）當前城域網因網絡架構原因，跨AS（Autonomous System）域流量經過骨干網設備過程中QoS 標記會被抹去，導致端到端的QoS部署困難，體現在：

（a）骨干網不信任城域網的QoS 標記，經過骨干網的一跳并未提供相應的QoS 保障，不是完整意義上的端到端QoS保障。

（b）跨AS 域流量在經過骨干網時QoS 標記不連續(xù)，導致必須在城域網出口路由器以及IDC 路由設備上基于源或目地IP 地址標記QoS 等級，而客戶需要保障的IP 地址經常變化，手動配置的方式增加工作負擔。

（c）城域網出口路由器上已有很多安全相關配置，頻繁增加/修改QoS配置容易出現安全事件。

b）現有的網管不支持批量配置下發(fā)，啟用QoS 的難度主要在配置工作量層面。QoS 標記的信任與映射、設備內隊列等，采用逐端口修改模式，需要大量的配置修改。

c）沒有全網端到端的QoS 保障機制，只有分段保障，在這一段保障的業(yè)務不能在下一段得到保障；沒有云網協同的QoS保障機制，無法對云業(yè)務進行保障。

d）現網對移網或固網采用單獨QoS 保障，沒有綜合業(yè)務保障的能力，無法實現固移業(yè)務綜合保障。

e）QoS保障能力沒有向第三方開放和實現能力變現。

3 端到端QoS質量保障系統(tǒng)和方法

為解決以上問題，需要一個新的QoS 質量保障系統(tǒng)，為全網提供端到端的全業(yè)務QoS保障，并進行云網協同的QoS保障，提升業(yè)務體驗。

3.1 新網絡架構說明

通過在全國核心云和省級核心云部署業(yè)務編排器，實現分層架構的端到端QoS保障（見圖1）。

邊緣云部署固移綜合承載網絡，很好地滿足了邊緣云接入、安全、計費、QoS 保障等方面的需求。將UPF、移網數據業(yè)務服務網關U面，即UP（SPGW-U）和多業(yè)務匯聚網關U 面（MSG-U）下沉部署在邊緣節(jié)點，移網及固網所有數據業(yè)務（不含VoLTE）在匯聚節(jié)點由MSG-U 統(tǒng)一接入邊緣云或互聯網。SPGW-C、SMF/AMF、PCF/PCRF（移網數據業(yè)務服務網關C 面，即CP）全省集中部署，負責移網業(yè)務控制。固網轉控分離，由MSG-U 統(tǒng)一轉發(fā)，控制層由全省或地（市）集中部署的多業(yè)務匯聚網關C面（MSG-C）統(tǒng)一負責。

3.2 QoS總體規(guī)劃

業(yè)務需求與業(yè)務特征，對QoS規(guī)劃有重要影響，因而在考慮QoS 規(guī)劃前，應首先根據業(yè)務需求和特征對其進行分類。其后，再考慮各項業(yè)務的QoS規(guī)劃，以及部分業(yè)務是否可以共用QoS隊列。根據各項業(yè)務的特點，對業(yè)務類型進行劃分，并匹配對應的QoS 保障策略。

3.3 QoS保障方法

全國業(yè)務編排器與骨干網路由器、省級業(yè)務編排器對接，編排指令下發(fā)，負責骨干網設備的QoS 保障，調用省級業(yè)務編排器的QoS保障能力；與互聯網SP/CP應用平臺對接，提供API接口實現能力開放。

圖1 基于分層架構的端到端QoS保障系統(tǒng)架構

省級業(yè)務編排器與全國業(yè)務編排器、省分/地（市）核心云、地（市）邊緣云、省內核心網、城域網、傳輸網、寬帶網等對接，負責QoS 保障能力落地；與互聯網SP/CP應用平臺對接，提供API接口實現能力開放。

省級業(yè)務編排器與各平臺設備對接，主要完成如下工作。

3.3.1 與移網核心網設備PCF/PCRF對接

業(yè)務編排器與PCF/PCRF 對接，為5G/4G 用戶提供網絡加速和QoS保障服務。編排器向第三方提供標準和互聯網化的REST/JSON 接口，簡化了第三方的集成難度。通過QoS 保障時延優(yōu)化：為手游電競、證券、移動視頻類業(yè)務打上高優(yōu)先級5QI（5G QoS Indicator）、QCI（QoS Class Identifier）標識，通過差異化調度策略對報文數據進行優(yōu)先調度。通過業(yè)務編排器，將PCC（Policy Control and Charging）保障策略開放給第三方，為第三方應用動態(tài)申請差異化的PCC 保障策略，如設定5QI 或QCI 保障等級、用戶接入資源分配保持優(yōu)先級（ARP）和數據流帶寬等。PCF/PCRF 支持下達QoS策略給UPF/SPGW-U，包括GBR/MBR/5QI/QCI/ARP 等參數的配置和調整。

核心網側：UPF/SMF/SPGW 根據PCF/PCRF 下發(fā)的QoS 策略發(fā)起5QI flow 或QCI 專載建立流程，通過UPF/SMF/SPGW 傳遞到無線側，并根據無線側的反饋建立承載專用網絡。核心網元UPF/SPGW 需支持5QI/QCI至差分服務代碼點（DSCP）映射。

無線側：以手游業(yè)務為例，根據核心網觸發(fā)的5QI flow 或QCI 專載建立流程為手游用戶建立專載網絡并反饋結果給核心網。核心網與無線網共同組成專用網絡，與公網手游服務器連接共同承載手游端到端數據流?；拘柚С?QI/QCI至DSCP映射。

3.3.2 與城域網設備對接

與城域網核心路由器CR、BRAS/MSG 對接，完成如下工作。

與CR 交互：在業(yè)務流分類上，編排器發(fā)送配置指令給CR，將上行、下行業(yè)務流量在CR 處基于源IP、目的IP 等特征部署流分類，將特殊業(yè)務報文優(yōu)先級重標記為高優(yōu)先級，即根據源IP 地址、目的IP 地址為特殊業(yè)務流做QoS 標記。然后根據QoS 標記進行隊列調度，隊列調度可采用相應的調度算法，同時將QoS標記傳遞到下一層級設備。

與BRAS/MSG 交互：在業(yè)務流分類上，編排器發(fā)送配置指令給BRAS/MSG，上下行流量信任上游設備報文優(yōu)先級。在優(yōu)先級處理上，上行流量，將固網寬帶802.1p優(yōu)先級映射為IP頭域DSCP值，同時將QoS標識傳遞到上層設備；下行流量，將QoS 標識IP 頭域DSCP值映射為802.1p 傳遞到固網寬帶設備。在流量監(jiān)管上，配置QoS模板，為上下行特殊業(yè)務進行承諾信息速率（CIR）限速。當MSG-U 和UPF/SPGW-U 互聯時，信任對端傳遞的IP頭域DSCP值。

3.3.3 與IP RAN設備對接

匯聚節(jié)點距離無線基站、有線CPE 約10 km，光回傳網絡的傳輸時延通常在0.1 ms 以內（7 ms/1 000 km），光傳輸時延可以忽略不計。影響用戶體驗主要因素是擁塞、誤碼和時延，需要部署QoS 策略：IP RAN QoS 保障可通過調用編排協同器的QoS 保障能力，在IP RAN 匯聚設備配置GTP-U 外層IP 頭域DSCP 值，或信任上游設備傳遞過來的參數；IP RAN 接入設備信任上游設備傳遞過來的GTP-U 外層IP 頭域DSCP 值，映射到MPLS EXP 對應比特，基于VPN 網絡進行QoS 調度。

QoS配置主要涉及3個方面的問題：劃分業(yè)務并進行QoS 標記、進入IP RAN 時QoS 標記的信任與映射、IP RAN內QoS隊列配置。

業(yè)務的分類與標記，需要按需配置。例如專線類需要在業(yè)務接入點添加配置；移網業(yè)務則需要核心網、無線網設備做配合，在IP RAN 外部打好QoS 標記。QoS 標記的信任與映射，需要統(tǒng)一配置，IP RAN 的QoS策略主要基于信任QoS 標記執(zhí)行，需要在IP RAN 入口進行配置。設備內QoS隊列，需要統(tǒng)一配置，涉及隊列調度、權重、限速、丟棄規(guī)則等問題，各廠家有其缺省配置，且各型號設備也會有差異。

IP RAN 應透傳業(yè)務的QoS 標記，即IP RAN 內部的QoS 操作（如信任/不信任、重標記等）不應修改業(yè)務原始報文的QoS標記。

3.3.4 與寬帶接入設備交互

省級編排器與光線路終端（OLT）控制器交互。在流分類上，每條業(yè)務流基于服務商VLAN（SVLAN）標簽標記802.1p，或者信任上游設備傳遞過來的SVLAN報文優(yōu)先級；在流量監(jiān)管上，可為特殊業(yè)務建立獨立的GEMPORT（GPON 中一種虛擬的接口，業(yè)務虛端口），將該業(yè)務流映射到該GEMPORT，不同SVLAN 業(yè)務流通過映射到不同的GEMPORT 端口實現區(qū)分；在隊列調度上，根據802.1p COS（Code Of Service）字段優(yōu)先級進行調度。編排器可基于不同SVLAN 進行差異化的QoS質量保障。

3.3.5 與IDC機房出口設備交互、云管平臺交互

省級編排器與省級/地（市）核心云（IDC 機房）出口路由交換設備交互，在IDC 出口設備標記數據流量的QoS 等級，為符合一定業(yè)務規(guī)則的業(yè)務流提供高QoS保障。

3.3.6 與互聯網SP/CP應用平臺對接，API能力開放

業(yè)務編排器向第三方應用提供標準和互聯網化的REST/JSON API 接口，由第三方應用根據業(yè)務需要動態(tài)申請QoS保障，簡化了第三方的集成難度，第三方應用需支持API接口。

業(yè)務編排器對接移網和固網設備，對網絡能力進行標準化，轉化為第三方可以快速、低門檻調用的API接口，滿足第三方動態(tài)調用移網、固網智能管道的需求，為各類應用的用戶提供帶寬提速、QoS 保障等服務。

4 效益分析

4.1 全程全網端到端QoS保障

通過全國、省級業(yè)務編排器分工協作，實現全程全網、端到端、跨層跨域QoS 保障，其中全國業(yè)務編排器負責骨干網設備的QoS質量保障以及調用省級業(yè)務編排器的QoS 保障能力；省級業(yè)務編排器負責省內各業(yè)務網的QoS 保障落地實施。通過分層級的編排器平臺，實現對全網的QoS保障。

4.2 對固網和移網提供QoS保障

省中心集中部署的網關UPF 或SPGW-U 下沉至邊緣云，固移業(yè)務在邊緣云由多業(yè)務匯聚網關MSG 實現接入和轉發(fā)。

移網數據業(yè)務通過本地IP RAN 的接入環(huán)、匯聚環(huán)收斂后接入UPF/SPGW-U，完成移動業(yè)務請求的封裝，并接入多業(yè)務匯聚網關MSG-U訪問互聯網。省去本地IP RAN 一個層級、本地承載網及骨干承載網所有層級，實現移網數據業(yè)務承載的高度扁平化。

固網業(yè)務包含寬帶業(yè)務、IPTV 業(yè)務、專線業(yè)務及VPN業(yè)務，原來通過BRAS、SR、PE、BNG等設備匯聚接入，現統(tǒng)一由多業(yè)務匯聚網關MSG-U 接入和承載。MSG 可以有效地實現轉發(fā)和控制分離。MSG-U 分布在邊緣云，負責移網和固網業(yè)務的接入和承載。

PCF/PCRF/SMF/AMF/SPGW-C 和MSG-C 在省中心或地（市）核心機房集中部署，負責區(qū)域內UPF/SPGW-U 和MSG-U 管理控制，實現資源的集中控制及統(tǒng)一配置、業(yè)務快捷開通。

業(yè)務編排器通過對MSG、PCF/PCRF、UPF/SPGW、IP RAN、寬帶接入網、無線等網元的配置，實現對固網和移網業(yè)務QoS綜合保障。

4.3 為邊緣云業(yè)務提供專屬QoS保障

運營商充分發(fā)揮豐富的移網、固網接入網資源和本地化支撐服務的優(yōu)勢，向第三方提供基于IaaS/PaaS層邊緣云資源和多業(yè)務接入網資源的云網一體化產品，實現邊緣云和接入網能力開放和變現。運營商可以允許第三方接入邊緣云的基礎設施進行應用開發(fā)，在邊緣云部署各類應用，比如云游戲，物聯網應用、高清視頻等內容，為用戶提供低時延、大帶寬的高品質服務。

通過將包含第三方熱點應用的內容部署在邊緣云，接入MSG-U。對于訪問已分發(fā)至邊緣云熱點內容的移動和固網業(yè)務請求，由邊緣云就近提供服務，減少了MSG-U以上層次網絡的帶寬占用。另外，對于某些應用（比如視頻監(jiān)控、安全監(jiān)控、大數據分析等）需要將大量的數據存儲在網絡邊緣，邊緣云的第三方應用可以做分析和預處理，將原始數據進行抽象、壓縮和緩存，再送往核心云，大大減少送往核心云的數據流量，節(jié)省傳輸網絡帶寬。

業(yè)務編排器可以通過移動網、城域網、IP RAN、寬帶接入網的QoS 保障，為邊緣云業(yè)務提供更高QoS 的服務，支持邊緣云個性化的業(yè)務需求。

4.4 提升業(yè)務配置效率

通過業(yè)務編排器實現全網各網元的QoS統(tǒng)一配置下發(fā)，大大減輕了逐臺設備手工配置的工作量，提高了業(yè)務響應和新產品上線速度，提高了網絡自動化運營水平，提升了業(yè)務支撐能力。

4.5 QoS保障能力開放

網絡QoS 保障能力向第三方開放，為網絡能力變現提供了條件，支持政企客戶和互聯網CP/SP 根據業(yè)務運行情況進行動態(tài)地QoS調度。業(yè)務編排器屏蔽底層通信網絡設備的差異化配置問題，向第三方應用提供標準和互聯網化的REST/JSON API 接口，由第三方根據業(yè)務需求動態(tài)調用QoS 保障能力，簡化了第三方的集成難度。滿足第三方動態(tài)調用移網、固網智能管道質量保障的需求，為各類應用所服務的用戶提供動態(tài)帶寬加速、QoS保障等服務。

5 結論

本文對互聯網+、SDN/NFV、MEC 邊緣云及業(yè)務編排器的發(fā)展趨勢進行分析，并對現有的QoS 質量保障方案進行分析，研究一種基于分層架構的端到端QoS保障系統(tǒng)與方法，通過省級業(yè)務編排器與全國業(yè)務編排器、省級/地（市）核心云、地（市）邊緣云、核心網、城域網、傳輸網、寬帶網對接，與互聯網SP/CP 應用平臺對接，提供API接口實現能力開放，實現全程全網端到端的QoS保障。