未来IP网络承载多媒体业务的方向
2014-04-18 17:41:30
目前，分布式多媒体应用包括语音、图形、图像、视频、动画等多种类型。其不仅对网络带宽有很高的要求，还要求信息传输低延迟和低抖动等，非连接IP网络“尽力而为”的业务模式已不适应未来网络需求。那么，未来IP网络承载多媒体业务该如何发展？
传统的IP网络主要是面向数据业务的，是一种“尽力而为”的网络。而当今分布式多媒体应用包括语音、图形、图像、视频、动画等类型。贝尔实验室的研究预测，2010年，互联网骨干业务流量的80％以上将会是时延敏感的流媒体业务。分布式多媒体应用不仅对网络带宽有很高的要求，还要求信息传输低延迟和低抖动等。IP网络“尽力而为”的业务模式已不适应未来网络业务需求，为未来占统治地位的实时交互式流媒体业务提供良好支持将是对NGN服务质量的要求，需要其提供更为有效的QoS控制和保证。同时，运营商可以根据不同用户对服务质量的不同要求,提供有针对性的服务,从而更有效的提高收益。
QoS技术可分为基于IP终端的控制技术和基于IP网络的控制技术。基于终端的QoS控制技术主要是利用协议来控制发送端和接收端，从而使得双方共同感知网络状况，使得双方同步发送和接收过程；基于网络的QoS控制技术主要是通过改变网络“尽力而为”的业务模式，在无连接的路径上提供QoS保证。并且通过改变网络存储转发中的调度策略、网络带宽资源的使用方式、借鉴交换的思想提高转发速度等技术来显著的改变网络QoS。
基于IP终端的QoS控制技术
基于IP终端的QoS控制技术是在“尽力而为”网络架构下通过终端的拥塞控制机制和错误恢复机制，在网络流量突发的情况下来保证多媒体业务的质量。控制技术主要包括流量控制、拥塞控制和错误控制。
流量控制
流量控制就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收，即达到发送方和接收方的同步，主要是通过滑动窗口rwnd来控制发送速率。
拥塞控制
拥塞控制就是防止对网络资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，避免网络性能变差。RFC2581定义了进行拥塞控制的四种算法，即慢开始、拥塞避免、快重传和快恢复，RFC2582和RFC3390在此基础上又做了一些改进。
慢开始和拥塞避免的思想是由小到大逐渐增大拥塞窗口cwnd，通过设置慢开始门限ssthresh，当cwnd小于ssthresh时，执行慢开始算法，加倍扩大拥塞窗口；当cwnd大于或等于ssthresh时，执行拥塞避免算法，拥塞窗口按线性规律缓慢增长，比慢开始算法的增长速度慢。慢开始门限值通过“乘法减小”和“加法增大”设置，“乘法减小”指的是只要出现超时，门限值就迅速减半；门限值通过“加法增大”的方式缓慢增大拥塞窗口。
快重传算法思想是发送方只要连续收到三个重复确认就应该快速重传未收到的报文段。快恢复算法是指发送方只要连续收到三个重复确认就应该把慢开始门限减半，然后执行“加法增大”算法，使拥塞窗口缓慢增加。
流量控制主要是指点对点通信量的控制；而拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、路由器以及降低网络传输性能的所有因素。
错误控制
对于多媒体实时业务而言，错误控制是为了在丢包和延时的情况下能更好的保证多媒体业务的质量。目前常用的错误控制方法分为四类：重传法、前向纠错法、错误恢复和错误隐藏。其中错误隐藏只在接收端完成，而其它三类都需要发送端和接收端共同完成。
基于IP网络的QoS控制技术
IP网络的队列调度策略
队列调度是系统管理资源的核心机制之一，也是解决多个业务竞争共享资源的重要手段。对于IP分组队列的调度策略是实现IP分组存储转发机制的关键，队列调度所影响的性能参数主要包括带宽分配、时延以及抖动等，它是实现IP网络QoS的核心技术之一。
队列调度算法的性能指标主要包括有效性，公平性和复杂性，典型的队列调度算法主要包括：FIFO队列，优先级队列PQ，公平队列FQ，加权公平队列WFQ，权值循环轮转WRR等。
综合服务和区分服务
为了适应业务对IP网络服务QoS的要求，IETF提出了两种服务模型，即综合服务模型(IntServ)和区分服务模型(DiffServ)。
综合服务借鉴传统电路交换的思想，在IP网络终端之间通过信令建立一条面向连接的链路，来保证网络业务的服务质量。
该方法的主要优点是能保证业务的QoS要求，不需要改变现有网络的转发机制。
但是该方法也存在着不少缺点，主要有网络的扩展性不好，核心路由器要维护上百万的流信息，负荷太重；必须要求所有的路由器都支持RSVP协议。
区分服务则是传统路由思想的延伸。它由DS域边缘和核心联合操作，针对网络流的不同QoS要求(如延迟、丢失率等)对IP数据包进行分类。然后按照优先级顺序来为数据包提供相应的服务质量，区分服务通过汇聚和逐跳行为(PHB)方式提供一定程度上的QoS保证。具有实现简单，扩展性好的特点。目前几乎所有的IP设备都支持DiffServ架构。在网络上实施DiffServ架构一般需要实现以下功能：
多条件流量区分、流量标记和转发等级映射、队列和调度、拥塞控制、MPLS DiffServ。
区分服务局限性在于区分服务只能提供相对的服务质量，以及区分服务着眼于每跳行为，缺乏对全网的考虑。对于数据包到达下一跳路由器的状态如何，它无法保证。
基于标签交换的QoS技术
多协议标签交换（MPLS）是由IETF提出的一种基于标签交换的路由技术，结合了第二层ATM交换技术和第三层IP路由技术，通过在IP层报头和链路层报头之间添加标签来完成不同网络之间的互连，能够使得无连接的IP网络存在连接特性，改变了IP网络的服务质量保障模式。
MPLS由标签交换路由器(LSR)和标签边界路由器(LER)组成，路由功能在网络的边缘实施,而在网络核心采用第二层交换技术，实现了边界复杂、核心简单的核心架构，通过标记分发协议(LDP)预先为边界路由器提供显式的路由计算。标签交换的原理是当IP分组到达MPLS域时，首先到达LER，由LER将IP分组分为不同转发等价类(FEC)，计算并建立标签交换路径(LSP)，并为IP数据包分配、插入标签。分组即可在MPLS核心网中通过标签交换进行数据传输，当分组到达目的LER时，去除MPLS标签，继续作为IP分组进行传输。
MPLS允许路由器在转发数据包时仅仅以简单的标签为基础，而不是基于目标IP地址进行复杂的路由查找，实现了IP数据包的高速转发。MPLS的最主要功能是流量工程，形成了MPLS-TE技术，流量工程机制可以根据当前网络资源状态和网络拓扑结构，通过合理控制业务流在网络中的流向，使流量均匀分布在网络中，优化了网络的运行性能，提高了网络资源利用率和服务质量。主要体现在利用MPLS-TE，可以在多条可能的转发路径中进行负载平衡，从而避免拥塞，提高QoS；可以通过备份LSP、FRR(快速重路由)等方式对隧道进行额外保护，从而提高网络的QoS。
区分服务提供了基于类的QoS，具有良好的可扩展性。如果既能够保留区分服务针对不同业务提供不同等级QoS的特点，又能基于每个区分服务业务类采用MPLS的流量工程和标签交换，这样通过二者的结合能显著改善网络的QoS性能。
集成的QoS保障策略
《新一代网络QoS研究》提出了新的IP网QoS体系结构，采用集中式与分布式相结合的路由计算和选路控制模式，将复杂系统的共性功能进行抽象剥离。其基本思路是：将各个路由器中的路由计算和选路控制功能剥离出来，通过管理控制服务器来进行路由计算和选路控制，路由器作为数据转发元件只负责根据网络控制服务器的控制信息对数据分组进行转发。这种模式的优点主要有：
(1)提高效率。将原来转发和路由计算集中通过硬件实现，提高了效率并减小了路由器的工作负载，提高了报文转发的吞吐能力。
(2)可扩展性。由少量的管理控制服务器根据收集的服务质量信息进行集中决策，并直接控制各个数据转发元件完成相关的数据包转发和处理功能。不会再给核心路由器带来负荷，增强了网络的可扩展性。
QoS的新成员：访问控制机制
RACF(Resource and Admission Control Functions)，资源接纳控制功能)是在NGN中引入的一个全新概念，位于业务控制层和承载传送层之间。主要由PDF（策略决定功能）和TRCF（传输资源控制功能）两个关键组件构成，多个TRCF实体存在于核心传送网中进行不同子网的资源控制，PDF通过网络策略规则，SCF（业务控制功能）提供的业务信息和TRCF提供的可用资源信息来最终决定资源访问控制。通过实行资源接纳控制，向上对业务层屏蔽传送网络的具体细节，支持业务控制与传送功能相分离,向下感知传送网络的资源使用情况，通过接纳和资源控制确保正确合理地使用传送网络资源，从而保证端到端的QoS。
IP网络对于QoS的保证一直是研究的热点，随着Internet网络及应用的飞速发展，新型业务不断涌现，能够融合语音、视频、数据的网络是发展的必然趋势。未来的业务承载网络必定是多种网络技术融合的结果，如何把电信网的服务质量融入到IP网中是未来QoS技术发展的趋势。下一代网络通过网络附着子系统和资源接纳控制子系统来实现全网资源的监控和分配，从而更好的保证服务质量，是未来发展的方向。
转载：http://www.edu.cn/do_9658/20100813/t20100813_508661.shtml
传统的IP网络主要是面向数据业务的，是一种“尽力而为”的网络。而当今分布式多媒体应用包括语音、图形、图像、视频、动画等类型。贝尔实验室的研究预测，2010年，互联网骨干业务流量的80％以上将会是时延敏感的流媒体业务。分布式多媒体应用不仅对网络带宽有很高的要求，还要求信息传输低延迟和低抖动等。IP网络“尽力而为”的业务模式已不适应未来网络业务需求，为未来占统治地位的实时交互式流媒体业务提供良好支持将是对NGN服务质量的要求，需要其提供更为有效的QoS控制和保证。同时，运营商可以根据不同用户对服务质量的不同要求,提供有针对性的服务,从而更有效的提高收益。
QoS技术可分为基于IP终端的控制技术和基于IP网络的控制技术。基于终端的QoS控制技术主要是利用协议来控制发送端和接收端，从而使得双方共同感知网络状况，使得双方同步发送和接收过程；基于网络的QoS控制技术主要是通过改变网络“尽力而为”的业务模式，在无连接的路径上提供QoS保证。并且通过改变网络存储转发中的调度策略、网络带宽资源的使用方式、借鉴交换的思想提高转发速度等技术来显著的改变网络QoS。
基于IP终端的QoS控制技术
基于IP终端的QoS控制技术是在“尽力而为”网络架构下通过终端的拥塞控制机制和错误恢复机制，在网络流量突发的情况下来保证多媒体业务的质量。控制技术主要包括流量控制、拥塞控制和错误控制。
流量控制
流量控制就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收，即达到发送方和接收方的同步，主要是通过滑动窗口rwnd来控制发送速率。
拥塞控制
拥塞控制就是防止对网络资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，避免网络性能变差。RFC2581定义了进行拥塞控制的四种算法，即慢开始、拥塞避免、快重传和快恢复，RFC2582和RFC3390在此基础上又做了一些改进。
慢开始和拥塞避免的思想是由小到大逐渐增大拥塞窗口cwnd，通过设置慢开始门限ssthresh，当cwnd小于ssthresh时，执行慢开始算法，加倍扩大拥塞窗口；当cwnd大于或等于ssthresh时，执行拥塞避免算法，拥塞窗口按线性规律缓慢增长，比慢开始算法的增长速度慢。慢开始门限值通过“乘法减小”和“加法增大”设置，“乘法减小”指的是只要出现超时，门限值就迅速减半；门限值通过“加法增大”的方式缓慢增大拥塞窗口。
快重传算法思想是发送方只要连续收到三个重复确认就应该快速重传未收到的报文段。快恢复算法是指发送方只要连续收到三个重复确认就应该把慢开始门限减半，然后执行“加法增大”算法，使拥塞窗口缓慢增加。
流量控制主要是指点对点通信量的控制；而拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、路由器以及降低网络传输性能的所有因素。
错误控制
对于多媒体实时业务而言，错误控制是为了在丢包和延时的情况下能更好的保证多媒体业务的质量。目前常用的错误控制方法分为四类：重传法、前向纠错法、错误恢复和错误隐藏。其中错误隐藏只在接收端完成，而其它三类都需要发送端和接收端共同完成。
基于IP网络的QoS控制技术
IP网络的队列调度策略
队列调度是系统管理资源的核心机制之一，也是解决多个业务竞争共享资源的重要手段。对于IP分组队列的调度策略是实现IP分组存储转发机制的关键，队列调度所影响的性能参数主要包括带宽分配、时延以及抖动等，它是实现IP网络QoS的核心技术之一。
队列调度算法的性能指标主要包括有效性，公平性和复杂性，典型的队列调度算法主要包括：FIFO队列，优先级队列PQ，公平队列FQ，加权公平队列WFQ，权值循环轮转WRR等。
综合服务和区分服务
为了适应业务对IP网络服务QoS的要求，IETF提出了两种服务模型，即综合服务模型(IntServ)和区分服务模型(DiffServ)。
综合服务借鉴传统电路交换的思想，在IP网络终端之间通过信令建立一条面向连接的链路，来保证网络业务的服务质量。
该方法的主要优点是能保证业务的QoS要求，不需要改变现有网络的转发机制。
但是该方法也存在着不少缺点，主要有网络的扩展性不好，核心路由器要维护上百万的流信息，负荷太重；必须要求所有的路由器都支持RSVP协议。
区分服务则是传统路由思想的延伸。它由DS域边缘和核心联合操作，针对网络流的不同QoS要求(如延迟、丢失率等)对IP数据包进行分类。然后按照优先级顺序来为数据包提供相应的服务质量，区分服务通过汇聚和逐跳行为(PHB)方式提供一定程度上的QoS保证。具有实现简单，扩展性好的特点。目前几乎所有的IP设备都支持DiffServ架构。在网络上实施DiffServ架构一般需要实现以下功能：
多条件流量区分、流量标记和转发等级映射、队列和调度、拥塞控制、MPLS DiffServ。
区分服务局限性在于区分服务只能提供相对的服务质量，以及区分服务着眼于每跳行为，缺乏对全网的考虑。对于数据包到达下一跳路由器的状态如何，它无法保证。
基于标签交换的QoS技术
多协议标签交换（MPLS）是由IETF提出的一种基于标签交换的路由技术，结合了第二层ATM交换技术和第三层IP路由技术，通过在IP层报头和链路层报头之间添加标签来完成不同网络之间的互连，能够使得无连接的IP网络存在连接特性，改变了IP网络的服务质量保障模式。
MPLS由标签交换路由器(LSR)和标签边界路由器(LER)组成，路由功能在网络的边缘实施,而在网络核心采用第二层交换技术，实现了边界复杂、核心简单的核心架构，通过标记分发协议(LDP)预先为边界路由器提供显式的路由计算。标签交换的原理是当IP分组到达MPLS域时，首先到达LER，由LER将IP分组分为不同转发等价类(FEC)，计算并建立标签交换路径(LSP)，并为IP数据包分配、插入标签。分组即可在MPLS核心网中通过标签交换进行数据传输，当分组到达目的LER时，去除MPLS标签，继续作为IP分组进行传输。
MPLS允许路由器在转发数据包时仅仅以简单的标签为基础，而不是基于目标IP地址进行复杂的路由查找，实现了IP数据包的高速转发。MPLS的最主要功能是流量工程，形成了MPLS-TE技术，流量工程机制可以根据当前网络资源状态和网络拓扑结构，通过合理控制业务流在网络中的流向，使流量均匀分布在网络中，优化了网络的运行性能，提高了网络资源利用率和服务质量。主要体现在利用MPLS-TE，可以在多条可能的转发路径中进行负载平衡，从而避免拥塞，提高QoS；可以通过备份LSP、FRR(快速重路由)等方式对隧道进行额外保护，从而提高网络的QoS。
区分服务提供了基于类的QoS，具有良好的可扩展性。如果既能够保留区分服务针对不同业务提供不同等级QoS的特点，又能基于每个区分服务业务类采用MPLS的流量工程和标签交换，这样通过二者的结合能显著改善网络的QoS性能。
集成的QoS保障策略
《新一代网络QoS研究》提出了新的IP网QoS体系结构，采用集中式与分布式相结合的路由计算和选路控制模式，将复杂系统的共性功能进行抽象剥离。其基本思路是：将各个路由器中的路由计算和选路控制功能剥离出来，通过管理控制服务器来进行路由计算和选路控制，路由器作为数据转发元件只负责根据网络控制服务器的控制信息对数据分组进行转发。这种模式的优点主要有：
(1)提高效率。将原来转发和路由计算集中通过硬件实现，提高了效率并减小了路由器的工作负载，提高了报文转发的吞吐能力。
(2)可扩展性。由少量的管理控制服务器根据收集的服务质量信息进行集中决策，并直接控制各个数据转发元件完成相关的数据包转发和处理功能。不会再给核心路由器带来负荷，增强了网络的可扩展性。
QoS的新成员：访问控制机制
RACF(Resource and Admission Control Functions)，资源接纳控制功能)是在NGN中引入的一个全新概念，位于业务控制层和承载传送层之间。主要由PDF（策略决定功能）和TRCF（传输资源控制功能）两个关键组件构成，多个TRCF实体存在于核心传送网中进行不同子网的资源控制，PDF通过网络策略规则，SCF（业务控制功能）提供的业务信息和TRCF提供的可用资源信息来最终决定资源访问控制。通过实行资源接纳控制，向上对业务层屏蔽传送网络的具体细节，支持业务控制与传送功能相分离,向下感知传送网络的资源使用情况，通过接纳和资源控制确保正确合理地使用传送网络资源，从而保证端到端的QoS。
IP网络对于QoS的保证一直是研究的热点，随着Internet网络及应用的飞速发展，新型业务不断涌现，能够融合语音、视频、数据的网络是发展的必然趋势。未来的业务承载网络必定是多种网络技术融合的结果，如何把电信网的服务质量融入到IP网中是未来QoS技术发展的趋势。下一代网络通过网络附着子系统和资源接纳控制子系统来实现全网资源的监控和分配，从而更好的保证服务质量，是未来发展的方向。
转载：http://www.edu.cn/do_9658/20100813/t20100813_508661.shtml