NGN网络系统QoS问题分析及解决方法

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1、NGNQoS的目标
NGN的QoS需要解决的是多业务承载的QoS问题，而不是提供一个通用的IP流量的QoS解决方案。
 
　　IPQoS一直是IP/Internet领域研究的热点。从集成服务(Intserv)到区分服务(Diffserv)，业界在QoS研究方面已经取得了大量的成果。然而，多数专家认为，IP要提供真正的有保障的QoS，还有很长的路要走。
NGNQoS不同于传统的IPQoS，NGNQoS希望能够在IP网络上为电信业务提供质量保证。因此，NGN关注的是业务的QoS保证，而传统的IP QoS研究的是通用流量的QoS。从这个意义上说，NGN QoS可以理解为电信级的IP QoS。
2、NGNQoS的思路
随着DWDM、ASON等光传输技术的发展，传输层可以提供的链路带宽越来越宽，智能化越来越高，价格也越来越便宜。许多专家相信，过量提供(over-provision)可以解决IP的QoS问题，辅以一定的流量工程技术，就可以提供NGNQoS。然而，这种方式尽管在短期内可行，但从长远来看，仍存在许多问题：
●　资源的利用率问题。过量提供通常都是以牺牲资源利用的效率为代价的，尽管链路比较便宜，但是网络建设和运营的综合成本仍然较高，不断的升级扩容会给运营商带来极大的压力。
●　网络流量的均衡问题。IP网络的流量分布极不均衡，随时间变化很大。过量提供要求网络的每一条链路都要保持“轻载”，这在实际中很难实现，即使采用流量工程(TE)技术，也难以有效地动态调节流量。
●　城域接入问题。QoS问题是一个端到端的问题，网络边缘的QoS往往更难以控制，因此过量提供无法解决边缘接入的QoS问题。
●　用户流量的需求是无穷的。事实证明，无论网络的带宽增长有多快，增长的带宽都将很快被用户的流量消耗掉。视频通讯、IPTV、BT文件下载、虚拟现实、在线游戏、网络存储等应用将会消耗掉运营商能够提供的所有带宽。
因此，在IP网络中建立有效的QoS机制，特别是针对业务流量建立QoS机制，而不是依赖于简单的过量提供是NGN业务承载的当务之急。
由于IP在提供QoS上存在一些“固有”缺陷，许多专家认为IP至少不适合要求高度服务保证的电信业务的承载，因此应当采用电信网络的QoS机制。我们通过仔细分析PSTN/ATM的QoS机制发现，PSTN/ATM的QoS能力实际上是有许多其他(非技术的)有利条件的：
●　在PSTN/ATM上承载的业务较为单一，PSTN仅承载话音业务，ATM目前也是仅仅提供专线业务。单一的业务使得流量特征比较简单，易于预测，而这些使得网络的规划可以非常逼近实际的流量，从而保证网络路径上不存在严重的拥塞。比较IP而言，IP上的应用类型众多，流量复杂，研究表明，Internet的流量模型符合“长相关”的分形特征，这就使得Internet的流量从数学上是不可预测的。
●　PSTN/ATM上承载的电信业务以点对点通信模式为主，而当前IP上的应用业务除了点对点模式外，还存在大量的C/S(客户/服务器)模式和多点模式。业务模式的差异使得IP网络上流量流向十分复杂，难以控制。
●　PSTN/ATM的业务流量较低，尽管目前的PSTN交换机处理的话务量已经很高，但还是远远比不上IP网络骨干的GB级路由器处理的流量。巨大的流量压力使得IP网络无法实现精细的基于“流”或者“连接”的QoS控制。
因此，简单地照搬现有的PSTN/ATM技术未必能够解决业务和网络更为复杂的NGN的QoS问题。
然而，如果我们能够把NGN的业务和网络复杂性进行分解和隔离，就有可能在IP上通过借鉴一些电信网的QoS机制来解决NGN的QoS问题。一个最简单的思路是在IP上引入资源管理设备，并根据业务构建逻辑叠加网，通过这个逻辑叠加网实现业务流量的隔离。这样，NGN就变成由多个逻辑叠加网构成的多业务网，但是在每个逻辑叠加网络中仅承载单一业务(或者同一类型)的业务。因此，可以借助电信网的一些QoS机制来提供保证。
最终解决NGN的QoS的方法既不能单纯地采用IP过载的机制，也不能照搬PSTN/ATM的QoS技术，而应该是两种技术的融合。总之，QoS的本质问题是一个折中问题。我们认为，只有在现有IP的基础架构上，结合电信网络的一些QoS机制和方法，才能够实现满足业务需求的NGNQoS。
3、NGNQoS的核心
NGNQoS的核心是资源/流量管理的问题。
深入分析IP难以获得有效QoS的原因，我们认为其根本在于IP是一个终端控制的网络。具体体现在：
(1)　流量的发送不受网络限制。网络中流量的发送受终端控制，事实上，在TCP协议中，流量的拥塞控制依赖于终端的自律，而非网络的控制。
(2)　流量的流向不可预测。IP是一个无连接每包路由的网络，不但流量的流向对网络是透明的，而且流量的传输路径也是不断变化的。
(3)　业务流不可管理。IP仅仅对包进行处理，对流不识别、不处理。业务流的控制在终端进行。
在传统的BestEffort网络中，上述因素使得IP网络的拥塞几乎是不可避免的。特别是放到一个较长的周期去考察的话，短时间的、突发性的拥塞是难以有效控制的。
在NGN中，如果要解决网络的拥塞，提供有效的QoS保证，就需要解决上述问题。而这些问题的关键是流量管理的问题，对于网络而言，流量管理的本质是资源管理。如何限制流量的进入?如何引导流量的流向，并为其保证足够的资源(带宽)?如何根据业务的需求对流量进行管理和控制?这些都是实现NGNQoS的关键。
实际上，现有的IPQoS技术也都试图从不同的侧面去解决上述问题。Intserv欲通过引入信令机制(RSVP)在网络中预留资源，并要求实际的流量和流向满足预留的资源要求，以实现QoS。然而，端到端的资源建立和维护的成本太高，不具备良好的扩展性。Diffserv试图通过优先级区分的方法将需要保证的流量和不需要保证的流量隔离开来，达到限制流量的目的(低优先级的流量在网络拥塞时会被丢弃)。然而，由于无法控制流向，无法完全避免局部的拥塞，加之缺乏上层的业务信息，流量的优先级往往只能够通过判定流量的应用类型判定，因此无法做到基于“业务流”的标记。Diffserv可以实现相对的QoS保证，但是Diffserv较低的资源利用率(只有当网络优先级流量的资源利用率低于10%时，才能保证这部分流量的QoS)和不能提供绝对的QoS保证，使得它很难成为一个解决NGNQoS的理想方案。
随着NGN、QoS研究的深入，目前针对NGNQoS的解决方案有很多，但需要指出的是，NGNQoS的解决需要一个长期的过程。如何在现有网络的基础上，分步骤、分阶段地实现向NGN QoS目标网络的演进，是一个需要不断探索和创新的问题。
4、当前的QoS解决方案
目前，对于业务的QoS保证可以在多个层面上采用多种技术结合实现。
实现一个理想的NGNQoS需要较长的时间。对于现有NGN业务的QoS，一般可以采取如下的方法：
(1)　为业务建立(IP)专网；
(2)　采用现有的、简单的QoS体系，如Intserv/Diffserv，实现粗粒度的QoS；
(3)　在应用层上解决问题，利用应用层技术(如CDN)缓解网络的QoS压力；
(4)　网络层的改造，包括容量扩充(实现过量提供)、部署流量工程；
(5)　直接采用传输层技术，如利用ASON等智能光交换等技术实现。
上述方法在实现的复杂性、性能功能、可扩展性、可操作性、运维复杂性、实施成本、业务可管理性等方面各有不同。目前，方法(1)、(3)最常见，(4)虽然在实施上有一定难度，但是也已被广泛采用。
专网的方式在实现上比较简单，也能够提供较好的QoS保证，但是在多业务的支持和扩展性以及随业务快速变化的灵活性方面则会受到限制。
近年来，利用应用层的技术实现QoS得到越来越多的关注和应用，典型的例子是内容分发网络(CDN)技术和点对点(P2P)技术。图1是一个利用CDN等应用层技术实现多层面视频流媒体QoS保证的示意图。

图1  利用CDN等应用层技术实现多层面视频流媒体QoS保证的示意图

图1中，对宽带流媒体的服务质量控制可以分为3个层次实现：
(1)　应用层服务质量控制。主要涉及编码的QoS考虑、应用层传输协议的QoS控制机制以及媒体服务器的QoS控制等。
(2)　内容承载层服务质量控制。通过一个叠加的内容承载层，可以有效地解决流媒体传输的QoS问题。
(3)　网络层服务质量控制。通过网络的QoS能力为流媒体传输提供QoS保证。
多个层面的QoS机制的综合应用可以有效地解决流媒体业务的QoS保证，同时避免对现有网络的大规模改造。
5、对NGNQoS问题的思考
近年来，NGN、QoS成为各运营商和网络设备提供商关注的焦点。但是，QoS问题是一个十分复杂的问题，NGNQoS的最终解决也需要一个长期的过程。
在对NGNQoS的研究和实验中，我们认为应该把握如下的原则：
(1)　以满足NGN业务的QoS需求为导向；
(2)　保持IP的基本优点，即简单性和灵活性；
(3)　充分考虑业务的QoS管理机制；
(4)　尽量对用户透明，隐藏网络的复杂性；
(5)　具有可操作性，能够在现有网络上应用和部署；
(6)　QoS的部署应分阶段、分步骤进行。