差异化QoS保证的系统架构及其应用方案的研究.doc

1、差异化 QoS 保证的系统架构及其应用方案的研究王爱宝 1，2（1. 中山大学电子与通信工程系 广州 510275；2. 中国电信集团互联网与增值业务事业部 北京 100032）摘要 随着互联网上各种宽带应用尤其是大带宽应用的普及和人们对服务质量越来越高的期待，IP 网络的差异化 QoS 提供能力成为近几年关注的热点。本文在对主流 IP QoS技术及相关规范研究的基础上，提出了一种可以大规模部署使用的端到端差异化 QoS 保证的系统架构及其应用方案。开发完成的差异化 QoS 保证系统，对于宽带运营商转变宽带运营模式、提升宽带网络价值具有实际的使用价值。关键词 数据通信；服务质量；互联网；QoS

2、 保证；差异化1 引言随着互联网的普及，网络已渗透到人们的日常生活和工作中，然而，伴随着互联网用户数的规模扩张和各种应用的繁荣发展，互联网面临诸多问题，其中一个较为严重的问题是：IP 网络缺乏服务质量（quality of service，QoS）保障。互联网提供的是“尽力而为” （best-effort）的数据传送服务模式，在该模型下所有的业务流公平地竞争网络带宽资源，即路由器对所有的 IP 包都采用公平的处理方式，尽最大努力将 IP 包送达目的地。这种模式对于可靠性、延迟等要求较低的应用如 E-mail、FTP、WWW 等，非常适合。但随着视频语音类应用在互联网上的兴起，尤其是基于互联网技

3、术的各类通信和信息服务的发展， “尽力而为”的服务模式已经不能满足。实际上，由于互联网带宽的快速消耗和用户规模化发展，电信运营商已经面临 ARPU值快速下降，资源消耗与收益增长不匹配，投资效益日益下滑等问题。同时，普遍存在的网络拥塞，导致运营商推出的各类宽带服务如商务应用、IPTV、影视等，经常面临服务质量差、用户体验不好的问题。为此，电信运营商开始推出差异化的 QoS 宽带业务，并已取得初步效果。2003 年 8 月，新加坡电信旗下的 SingNet 推出“1.5 Mbit/s 带宽随心”的新服务，实现普通宽带和高速宽带服务之间的自由切换。通过登录指定的界面，用户就可以切换到 1.5 Mbi

4、t/s 的高速宽带服务，一年内用户增加了 10 万。2004 年英国电信推出“灵活带宽”新业务，用户可以将其宽带的速率临时提高到 2 Mbit/s，DSL 用户在快速下载收费内容（如 DVD 视频流）时感觉到非常方便。 “灵活带宽” 、BT 富媒体、BT 通信软件和 BT 远程管理等增值业务使其 2006 年宽带用户数达到了 500 万户。可以看出，宽带服务质量已经成为宽带运营商关注的焦点，人们急切希望通过有效的QoS 机制来保证 IP 网络上实时业务和大带宽应用的良好运行。多年来，经过不断地研究和试验，陆续出现各种不同的 QoS 模型，但是，适用于电信运营的差异化 QoS 保证服务方案，仍然

5、有待验证。本文在研究业界 IP QoS 实现方法的基础上，提出一种电信级差异化 QoS 保证的系统架构，以组建一个业务可管理、资源可有效利用的 IP 网络系统，真正实现端对端的差异化 QoS 保证。2 相关研究工作关于 IP 网络差异化 QoS 保证的技术研究，当前主要有以下两种 IP QoS 模型。（1）Int-Serv 模型该模型以 RSVP（资源预留协议）作为实现机制，提供 3 种类型的服务：带宽保证型服务（guaranteed service） 、流量受控型服务（controlled load service）和尽力而为型服务（best effort service） 。Int-Ser

6、v 模型用类似连接的方式控制服务质量，边缘节点用 RSVP 等协议为业务流预留端到端的网络资源，核心节点则通过控制资源的使用来保证网络不出现拥塞，从而保证端到端的服务质量。但是，该模型要使用“软状态”对大量资源预留信息进行刷新和存储。当骨干的 QoS 流量增加时，刷新次数和存储量会成比例增加，因此可扩展性较差，一般只应用于网络规模小、业务质量要求较高的边缘网络。（2）Diff-Serv 模型Diff-Serv 模型的实现是首先将业务流分类归入不同服务等级，然后路由设备按服务等级分别提供相应的服务质量保证。流量在网络边缘被分类、整形和标记；核心节点检查差分业务编码点（DSCP）值，以确定采用相应

7、的每跳行为（ per hop behavior，PHB ） 。该模型实现简单，扩展性较好。不足之处是很难提供基于流的端到端的质量保证，只承诺相对的服务质量，而不对任何用户承诺具体的服务质量指标。 近年来，各国研究组织又开发研究了一些不同的模型，如：IETF 的 BB 模型、ETSI TIPHONE 的 QoS 模型等，3 大国际组织在 QoS 技术方面也制定了相关规范。（1）ITU-T： RACFRACF（resource and admission control function）提供对接入网和核心传送网的 QoS 控制（包括资源预留、接纳控制和门控） 、NAPT（网络地址端口转换）或防火

8、墙控制功能，接纳控制功能包括根据用户清单、SLA、运营商特定策略、业务优先级以及接入网、核心网的资源可用性进行授权检查。（2）TISPAN： RACSRACS（resource and admission control subsystem）R1 版本已经发布，目前正在积极开展 R2 的研究工作。在 RACS R1 中，TISPAN 只考虑了固定接入网的服务质量控制机制，并给出了相应的功能架构，主要完成的功能有：接纳控制、资源预留、策略控制、NAT 穿越和门控。（3）3GPP：PCC在 3GPP R7 草案中，完成资源接纳控制功能的实体称为 PCC（policy control and cha

9、rging，策略控制和计费） ，主要针对移动接入网的特性实现一定的服务质量控制机制，主要提供的功能有：基于用户的定制信息实现策略控制、基于业务数据流的计费控制。以上模型和规范，在实现差异化 QoS 保证方面都有很好的借鉴作用，但是由于它们都存在着对现有 IP 网络改变较大，改造成本高，实施困难等缺陷，离实用尚有一定距离，无法在规模较大的、正在运营中的 IP 网上实现端到端的差异化 QoS 保证。3 差异化 QoS 保证的系统架构及其工作机制时至今日，不加区别地让所有数据流公平竞争带宽资源的宽带服务运营模式，已经严重影响了宽带网络的可持续发展。一方面，各种宽带应用尤其是大带宽消耗的应用，如P2P

10、 技术，使得带宽消耗越来越快，每次扩容所获得的带宽在很短时间内就被消耗殆尽，导致运营商增加的投资并未获得相应的收入增长；另一方面，网络拥塞现象频频发生，使得视频点播、网络直播类的宽带服务难以获得满意的质量效果，不利于视频业务的长远发展。为此，宽带运营商急需建立一个可以大规模部署、基于现有互联网的差异化 QoS 保证网络系统。3.1 差异化 QoS 保证系统的实现思路和组成基于现有的宽带网络，对网络带宽进行资源的合理规划以简化网络模型，将较易出现网络拥塞的城域网和骨干网通过逻辑上或物理上的划分形成两张独立的网络（即将网络中的主要传输电路的物理带宽划分为两个逻辑上独立的传输电路） ，其中一个网络具

11、有充足的带宽资源，基本不存在带宽拥塞现象，用于传送较高 QoS 等级的数据包，称这个网络为NET1；而另一个网络则带宽资源比较紧张，易出现带宽拥塞现象，用于传送普通 QoS 等级的数据包，称该网络为 NET0。在以上网络区分和分界的基础上，部署 QoS 业务管理系统来进行带宽资源的管理，以实现差异化 QoS 保证服务。图 1 是差异化 QoS 保证的系统架构示意（以区分业务的系统架构为例） ，它由 QoS 业务管理系统，可控网元（如宽带远程接入服务器（BRAS ） 、业务路由器（SR ） ） ，资源管理器，QoS 客户端，资源充足的骨干网络（NET1）和资源紧张的骨干网络（NET0）6 大部分

12、组成，各部分职能定义如下。 QoS 客户端是指安装有 QoS 客户端软件或互联网浏览器的用户终端，用于向 QoS业务管理系统申请所需的 QoS 通道。 可控网元为 NET1 和 NET0 两网分界处的网络设备，一般指带宽资源较为紧张的路由节点（如 BRAS 或 SR） 。该网络设备具有带宽控制能力，负责接受资源管理器的指令，将未经授权的 IP 数据流引入 NET0，而将具有 QoS 要求的数据流导入 NET1 网络。 资源管理器负责对可控网元的资源进行监控和配置管理，同时接受来自 QoS 业务管理系统的策略管理和指示。在一个 QoS 网络系统中，可以存在若干个资源管理器，分别对应不同的可控网络

13、设备。 QoS 业务管理系统负责整个网络系统的 QoS 业务管理，包括：进行 QoS 用户认证、授权和计费，负责 QoS 资源的计算和调度，与各应用系统的接口等。 带宽资源富裕的网络 NET1，负责传送较高等级 QoS 的 IP 业务流。在 NET1 网络中，虽然数据包的传送采取的是“尽力而为”的传送模式，但由于带宽充足，基本不发生拥塞现象，故而进入 NET1 的数据包可被顺利送达目的地址。 带宽资源不足的网络 NET0，负责传送普通等级 QoS 的 IP 数据包。在 NET0 网络中，由于传输带宽不足而易出现拥塞现象，通过 NET0 进行传送的数据流，其服务质量将不能获得保障，即是传统互联网

14、的尽力而为传送模式。3.2 差异化 QoS 保证的工作流程图 2 为 IP QoS 服务的工作流程，包括 3 个阶段共 12 个操作步骤。（1）注册登记、业务申请和接入控制阶段步骤 1：QoS 客户端向 QoS 业务管理系统提出使用 QoS 服务的请求。该请求至少包括：申请所需的业务，在线应用类型、带宽、时长等信息。如果是第一次使用该网络系统的 QoS 客户端，还需要先注册登记。步骤 2：QoS 业务管理系统向 QoS 客户端返回申请结果和相关信息，包括：确认用户是否可以使用某个等级的 QoS 服务，并通知 QoS 客户端其所对应的资源管理服务器的位置信息（如 IP 地址） 。（2）网络资源调

15、度、分配和业务控制阶段步骤 3：QoS 客户端（如图 1 中 QoS 客户端 1）根据 QoS 业务管理系统返回的信息，向所属区域的本地资源管理器（如图 1 中的资源管理器 1）申请网络资源，该请求至少包括：路径的起点（业务流的源 IP 地址）和终点（业务流的目的 IP 地址） 、所需路径的带宽大小、业务流的 QoS 类型等信息。步骤 4：资源管理器 1（如图 1 所示）在获得用户的 QoS 路径请求信息后，将根据自己和该路径相关的其他资源管理器所掌握的资源状况，确认是否可以满足该 QoS 客户的申请，即：如果该用户所请求的路径没有超出资源管理器 1 所管辖的网络范围，则资源管理器 1 可以根

16、据自己所掌握的资源状况确认是否向该用户提供 QoS 服务；如果该用户所请求的路径超出资源管理器 1 的管理区域，则资源管理器 1 将向其他资源管理器提出资源请求，包括向路径终点所在的远端资源管理器（如图 1 中资源管理器 2）查询并提出资源请求。步骤 5：资源服务器在无资源可分配情况下返回失败信息，而在有资源情况下，进行资源预留和相关配置并返回成功信息，并定期向 QoS 业务管理系统汇报自己所管辖区域的网络资源占用状况。即：如果该业务流的传送路径带宽资源不足，则远端资源管理器将向本地资源管理器返回失败信息，本地资源管理器将向 QoS 客户端返回失败信息；如果该业务流路径具有足够的带宽资源，则本

17、地资源管理器或远端资源管理器将进行网络资源的预留配置，也即控制其所管辖的可控网元，要求其执行相应的 QoS 业务规则以便为该业务流分配需要的带宽资源。同时，本地资源管理器向 QoS 客户端返回资源申请成功的反馈信息。步骤 6：QoS 客户端接收到资源分配成功信息后，正式启动业务流的数据发送。如果接收到的是失败信息，则由 QoS 客户端决定是否放弃或者重新申请资源。步骤 7：来自 QoS 客户端的业务数据包进入可控网元，接受带宽控制、分类、流量整形等各种业务规则的处理操作，再根据 QoS 业务类型被打上相应的标记，接受拥塞控制处理，再发送至 NET1 网络中。步骤 8：对于直接来自未 QoS 授

18、权客户的 IP 数据流，可控网元将根据 QoS 业务管理系统下发的控制策略，将该 IP 数据流标识为普通 QoS 等级的业务流（即不考虑原始 IP 数据包的 QoS 等级，将其强制转换为普通 QoS 等级） ，再发送至骨干网络 NET0 中。（3）资源释放和业务结束阶段步骤 9：业务结束后，QoS 客户端向本地资源管理器要求结束本次 QoS 资源的占用。步骤 10：本地资源管理器向 QoS 业务管理系统提出退出该客户端的本次 QoS 业务路径服务，并将本次 QoS 业务路径服务的相关信息发送至 QoS 业务管理系统以进行统计和计费。步骤 11：本次 QoS 资源路径上的相关资源管理器向其对应的

19、可控网元下发资源释放命令。步骤 12：各可控网元完成资源释放，即完成本次 QoS 服务管理的全部操作。3.3 差异化 QoS 保证系统架构的特点相对于现有的 IP QoS 技术而言，本文提出的差异化 QoS 保证系统具有以下特点。（1）差异化的带宽资源服务模式差异化的带宽资源服务模式，使得比特流量的贡献被正式认可，电信运营商将可以从各种宽带应用服务中获得收益。目前宽带运营中存在的一个难题是：宽带应用的价值与其所消耗的比特流量大小无关，这导致运营商难以从宽带应用服务中获取到应得的流量价值，其本质原因在于宽带服务的无差异化的经营模式。在无差异化网络接入的前提下，互联网上所有用户均可平等地参与带宽资

20、源的竞争使用，这种“公平”竞争带宽的原则导致了另一种“不公平”的带宽使用现象：高资费用户与低资费用户使用的是同一品质的网络服务，消耗网络资源少的用户需要付出与消耗资源多的用户同样多的宽带接入费用。本方案提出的差异化 QoS 能力的提供策略，将为运营商从各种宽带应用中获取应得的价值提供了依据和保障手段，也避免了不公平使用带宽的现象，使得高端用户可以获得与其付出相当的高等级 QoS 服务。（2）作为 IP 网络“大脑”的 QoS 业务管理系统为网络提供了一个可以实时监测和调度全网资源的“大脑” ，为 IP 网络的有序发展和升级扩容提供了可靠的数据依据。本方案中的 QoS 业务管理系统，实际上是给现

21、有的扁平化的 IP 网络安装上一个可以管理和利用全局资源的 IP 网络“大脑” ，运营商可以通过该“IP 网络大脑”充分了解网络中各项业务的开展情况和各关键节点的网络资源利用情况，对网络资源使用情况及时掌握，为宽带网络的发展规划和扩容升级提供了重要的手段。（3）选择关键节点作为可控网元这种方法避免了对所有网络设备进行复杂的管理工作，使得本方案结构简单，扩展能力强，有利于在大规模网络中部署使用。本方案在考虑大型运营商网络运行现状的基础上，提出了在网络资源规划的基础上，选择关键路径和关键节点进行带宽资源的合理使用，从而大大减少了可控单元的数目，即资源管理器只需要关注部分边缘节点的管理，控制网络瓶颈

22、处的资源使用，而对骨干网络中的路由设备不做控制（可依然使用尽力而为传送模式） 。这样，只要控制关键节点的路由设备，就可以在实现差异化 QoS 保证能力的同时，避免对整个网络系统中的路由设备进行复杂管理的问题。4 差异化 QoS 保证系统的应用方案上文主要是从原理实现角度说明差异化 QoS 保证的系统架构的可行性，在现网部署时，可实施的应用方案还需考虑以下因素。 差异化 QoS 服务的发起方与各应用系统密切相关。就应用场景而言，互联网用户并不一定直接与 QoS 业务管理系统进行会话，原因在于一般用户只关心当前运行的应用本身，至于该应用需要的带宽大小和延迟要求，应用系统更为了解。实际上，就用户归属

23、地而言，互联网用户是属于某个应用系统的用户而非 QoS 业务系统的用户。因此，当某个用户需要获取较高 QoS 等级的服务时（如视频点播服务） ，他实际上是向应用系统（视频点播系统）提出申请，再由应用系统向差异化 QoS 保证系统提出高品质的路径要求。从这个角度来说，本文所说的差异化的 QoS 保证系统，实际上是为各种应用系统服务的支撑系统。 简化网络结构，在优化关键路径的基础上，重点关注关键节点设备的管理。互联网应用数据传送过程中，最易出现拥塞瓶颈的节点主要有两处：一是宽带用户端所在的宽带接入服务器，另一处就是主流应用系统的出入口节点。因此，可以将城域网中 BRAS 设备和 IDC（互联网数据

24、中心）节点的出口路由设备作为 “可控网元”进行控制和管理，在业务策略上，将通往应用系统的传输路径所具有的带宽资源分为 2 个部分，并将主要的带宽资源预留给需要高等级 QoS 服务的用户使用（即通过对传输路径中的关键路由器设备端口进行配置，将主要带宽资源分配给 NET1 网络） 。 为体现差异化 QoS 能力的服务价值，差异化 QoS 保证系统应能提供计费功能。为实现差异化服务的计费问题，差异化 QoS 保证系统需要与宽带接入支撑系统、支付系统等建立接口关系，以便用户在使用 QoS 服务的过程中，能够实时计费。综合以上因素考虑，中国电信开发了差异化应用控制系统（如图 3 所示） ，并在城域网进行

25、了部署试验。图 3 中的差异化接入管理平台（DAMP）相当于图 1 中的 QoS 业务管理系统，它不仅需要与位于各本地网的资源管理器进行接口互联，还需要与各应用系统（如IPTV/VOD/Web Server 等系统）以及宽带认证系统、支付平台等（如 IBSS/163 后台系统等）进行互联，以确保差异化 QoS 服务的提供形成一个完整的业务闭环。在差异化 QoS 保证方案的城域网试验系统中，中国电信进行了视频点播（VOD ） 、IPTV、视频会议 3 种应用的测试。与无 QoS 保证能力的 IP 网络系统相比，具有差异化接入管理平台的城域网在提供视频点播、IPTV 直播、视频会议等过程中，获得了

26、稳定的 QoS保证。如：城域网上最大的影院在线网站，每天都有很多用户在线看电影，虽然网站出口带宽很大，但用户看电影常感到停顿现象，缓冲时间也较长。在同样出口带宽条件下，DAMP 对影院网站的带宽和用户访问带宽进行了有效管理，让用户获得了流畅的电影体验。实验说明，通过对带宽的有序管理，避免了纯“尽力而为”竞争模式导致的带宽浪费，在节省骨干资源的同时，因提供差异化 QoS 承载能力而获得了带宽增值。5 结束语在宽带网络不能提供差异化 QoS 服务能力之前，当前互联网存在的悖论，即：“一方面，网络价值与用户数平方成正比，另一方面，体现网络价值的应用价值却与比特流量的消耗无关” ，使得宽带运营商难以分享到因用户规模发展而带来的网络价值提升的空间，相反，用户数的规模增长反而导致宽带运营商获得的 ARPU 值下降。本文提出的端到端差异化 QoS 保证的系统架构及其方案，对于宽带网络的发展优化具有实际的应用价值；同时，对于宽带运营商转变宽带业务运营模式，挖掘宽带网络价值，避免沦为简单的物理管道提供商具有里程碑式的意义。作者简介 王爱宝， 1996 年毕业于清华大学获硕士学位，中山大学电子与通信工程系博士研究生，现任职于中国电信集团互联网与增值业务事业部。主要研究方向：基于互联网技术的通信系统、增值业务平台、网络存储和计算、互联网运营模式等。