概述

下一代网络要求支持多种业务，从高质量的交互式实时业务（如话音和实时性的视频业务）到因特网的尽力而为服务。对于现有的IP网络，用户业务量的增加造成网络资源相对使用不平衡，Internet的尽力而为服务也远远满足不了实时业务的要求。解决IP网的QoS问题，就是如何在保持IP网固有的无连接传输的优势下，合理利用现有的有限带宽，保证网内传输的各种业务的QoS，同时提供较低的操作和管理开销，从而保证实现IP网新业务的发展。对于承载层，可利用基于业务分类、定义优先级、资源预留、加权公平排队等策略的Diff－Serve、MPLS等现有技术来实现。对于业务层，这里提出了网络控制服务器的概念，以把应用的业务请求与承载层的传输质量有效地连接起来。

QoS的要求

用户不同的应用有不同的需求。例如，对于远距离医学，传送的准确性比时延或抖动更加重要；而对于IP电话，抖动和时延是关键因素，必须将其降至最小。ITU提出了很多关于QoS的建议。ITU－T建议E.800中把QoS定义为“决定用户满意程度的服务性能的综合效果”。E.800考虑到了服务性能所有部分的支持能力、操作能力、业务能力和安全性，是对QoS的综合定义。ITU－T建议G.1000对E.800作扩展，把服务性能（或服务质量）分成不同的功能部分，并将它们与相应的网络性能联系起来。G.1010对G.1000作了补充，提出了一种可满足以端用户为中心的应用要求（如交互性、容错能力）的结构框架。考虑到特定应用和功能参数，ITU－T建议M.1079定义了端到端的话音和数据质量以及对ITM－2000接入网的性能要求，而G.114则定义了跨接数据网的范围。

ITU－T关于IP业务性能指标的建议Y.1541“IP通信业务－IP性能和可用性指标和分配”（原I.381），将IP性能建议以类似ATM层性能建议I.356的方式来规范，但只将IP业务QoS分为六类：IP分组丢失率IPLR对第零、一类、二类、三类和四类QoS均规定为10－3；关于IP分组传送时延IPTD，对第零类（class0）要求为100ms，对第一类（class1）考虑实时话音要求为400ms，对第二类（class2）为100ms，第三类为400ms，第四类则放松到1秒。IP分组时延变化IPDV对class0和class1都规定为50ms，其余类别均为不规范。

实现QoS的关键

PSTN的路由方式是基于电路的概念，即在整个通话期间建立端到端的电路连接。这样，通话中两个端用户之间的任何信息总是经过相同的物理通道传送的。在这种路由方式下，一旦通话建立，就可以直接保证所要求的传输特性。这种从支持电话交换中产生的模式，也被ITU－T用于数据通信标准的虚电路定义中。这个概念在X.25中被使用，后来又用于帧中继和ATM网络中。

相比之下，IP路由方式避免了为建立和维持虚电路所需要的机制。IP的QoS主要处理可分配带宽、等待时间控制、抖动控制和包丢失。一直以来，IP网络都支持所谓的尽力而为的包传送。这样，不同类型的业务没有被区别对待，并且信息包到达的次序以及是否能够准确到达都得不到保证。不管端对端的QoS要求是什么，在网络层，信息包都是逐跳传送的（即从一个路由器传到另一个路由器）。每个路由器把新到达的包进行排队，然后，根据路由表把它们转发到与之相连的最适合的路由器或目的主机。大多数路由器采用先进先出的排队机制以保证对所有的包公平，也正是这个原因没法设置优先级。

QoS体系架构

QoS结构框架的关键是使用通用的网络机制，把网络业务响应转换成可以具体到网络元素的业务请求，在网络元素之间发送信号以及控制和管理跨网业务量。QoS架构可分为三个平面：一是控制平面———由处理用户业务流路径的一系列机制构成，这些机制包括准入控制、QoS选路、资源预留；二是数据平面———由直接处理用户业务的一系列机制构成，这些机制包括缓冲器管理、避免拥塞、标记分组、排队和时序安排、业务分类、业务管辖、业务整形；三是管理平面———由处理网络的操作、运行、管理的一系列机制构成，这些机制包括服务标准协议（SLA）、业务预定、计量和记录。

准入控制机制控制业务是否被允许进入网络。通常，准入标准是策略驱动的。业务是否允许进入要依靠预先规定的服务标准协议，还依靠可用的网络资源，即不能使网络过载或降低已进入网络的业务的服务质量。对于运营商而言，要在保证现有业务的QoS基础上最大限度地准入业务。

数据平面的机制包括以下方面。

一是队列（或缓冲器）管理。队列（或缓冲器）管理用于处理等待转发的分组的存储或丢弃。队列管理的一个重要目标就是要使稳定队长最小，同时避免单个连接或流独占队列空间而造成的封锁现象。不同的队列管理方案主要是在丢弃分组的规则上有所不同。多重排队的应用引入了更多的方案变化，例如，分组在队列中的分配方式。丢弃分组的一个普遍标准是最大队长标准，即当队列已满时，再来的分组就被丢弃。丢弃那些分组要依靠丢弃规则。

二是避免拥塞。当由于网络资源（诸如链路带宽或缓冲器空间）不足使得业务量超过或接近网络的处理能力时，就会出现网络拥塞。拥塞避免采用有效手段保持网络负载在其容量之下，从而使网络运行在可接受的性能水平下而不至于造成拥塞。

三是排队和时序安排。简单地说，这种机制用来控制选择将哪些分组发送到呼出链路上。输入业务量被保存在多重队列的排队系统中。管理排队系统就是应用排队和时序安排规则。下面列出了几种主要的排队方法：先进先出排队、公平排队、优先排队、加权公平排队、基于等级的排队。分组被划分成不同的服务等级并分别被分配到指定了服务等级的队列。系统分配给每个队列不同份额的输出带宽，且以循环方式服务，跳过空队列。

四是分组标记。系统可以根据分组在网络中的特定服务等级对分组进行标记。分组标记即为分组的标题字段指定一个值（如IPv4分组头中的TOS域）。分组标记通常由边缘节点来完成，如果由主机来完成，边缘节点应对其进行必要的检查和变换。有时，可把构造未完全的分组标记为特殊值，在网络拥塞时可将其丢弃。分组也可以被升级或降级。

五是业务分类。业务分类可以针对流或分组。在网络边缘，负责业务分类的实体察看分组的各个域来决定该分组属于那个集合以及其相应的服务等级协议。

六是业务策略。策略待遇以逐跳转发为基础，根据预定的策略或协约来决定某一业务是否能被提供。一般来讲，构造未完全的分组就被丢弃，同时将被丢弃的分组及其原因通知发端。

七是业务整形。业务整形用来处理入网业务的速率和容量。整形通常在出节点和入节点之间完成。业务整形有两种典型的方法：漏桶和标记桶。

在管理平面的机制方面，业务恢复广义定义为在故障条件下减轻来自网络的响应。下面列出了两种类型的网络故障。一是节点故障，即网络节点上的网元（如路由卡）故障。这种故障的典型处理方法是为网络元素设置冗余特性以使故障的影响最小化，可以重新选路到绕过故障节点的备用路由上。二是传输链路故障，即连接两个网络节点的链路故障。链路故障的典型原因是线路元素（如线路卡）故障，可以通过设置额外的备用能力来减轻此类故障的影响，同时存储业务流直到故障消除。

一个典型的全面的QoS解决方案就是协同使用控制平面、数据平面和管理平面。因此QoS参数需要在不同的层面之间进行交换。这些参数包括分组的传输性能（如时延和丢包率）和服务的有效性和可靠性指标，对于诸如准入控制和业务恢复这样的特定网络功能，这些参数是以业务优先级的形式出现。信令和数据库查找就属于输送这些参数值的机制。

业务优先级

业务优先级是QoS保证中的一个关键概念，分组交换网中的QoS指标可以从两个方面来考虑。处理分组性能指标由ITU－T建议定义的处理等级来管理。这些等级覆盖了很宽的范围，包括话音、数据和多媒体应用。相关的参数为每种处理等级定义了可接受的性能标准。可靠性指标由与链路或连接（如MPLS的LSP）的建立相关的优先权来表征。用来获得这些QoS目标的机制包括呼叫和连接路由方法、QoS资源分配方法，如带宽分配、优先选路、优先排队、传输恢复。这里着重讨论以优先权形式表征的LSP的可靠性以及为QoS信号指定优先级的必要性。

业务优先权在为用户提供可接受的服务可靠性和有效性中起着重要的作用。

从运营商的角度来讲，业务优先权的建立应为执行提供最大的灵活性和实用性。优先级应满足如下原则：优先级的数量应较小以确保可测量性；应避免同一优先级内部的再划分以确保简单性。

对于业务恢复，可以定义三个优先级：高级、普通级和尽力而为级。紧急通信列在高级中。

网络控制服务器的功能

目前讨论比较多的是承载层面如何保证服务质量，而在业务层面如何控制承载层面来保证网络资源，达到服务质量保证的目的是非常重要的。即如何将业务层与承载层形成一个环路才是最重要的。由于业务请求在入网传输之前必须先向网络边缘的准入实体提出相应的QoS请求，而准入实体必须根据当前网络的总体情况来判断该等级的QoS能否得到满足，从而决定是否准入该业务，因此，如何基于全网观点为准入实体提供可靠的资源预留信息以及把应用的业务请求与承载层的传输实体有效地连接起来是一项十分重要的工作。

实际的网络中，业务负载和其他运行条件总是快速地波动，因此不可能即时调整网络使其总保持在最佳运行状态。网络控制服务器（NCS）的任务就是根据统计流量数据、网络拓扑信息、路由信息和故障情况等安排全网的流量分配以及计算和更新网络准入控制实体（Networkadmissioncontrolentity）的网络资源信息。NCS持续地监控网络运行参数，当网络临近不理想状态时，它可以及时识别并决定做出适当反应。可能的反应包括：重新分配流量、重新分配网络准入控制实体（NAC）的预算参数、优化路由及其它参数。NCS的工作可以周期性进行，例如每15分钟一次，也可以由网络状态的变化（如链路或节点故障）或被观测流量的变化来触发。本身支持多路径路由算法的节点可用分散方式处理。NCS可以通过这种自动监控网络流量、性能、结构、故障管理的重要参数来实现对网络管理的支持的。

随着通信技术的飞速发展，人们对下一代网络解决QoS充满了期待。人们希望提供给用户的服务要满足快速、稳定、可靠性、有效性、多样性、灵活性等高的质量要求。但如何在业务层面的业务请求中使用标准的协议传送QoS等级，承载层面如何根据业务等级调配合理的网络资源仍是值得探索的问题。