天宫翼:演进中的IP-QoS电信网络架构

一、背景
多年来，TDM难以综合宽带业务和窄带业务，而不能成为下一代网络的核心技术，电信产业已全面停止对TDM产品的研发即是有力的佐证。而ATM缺乏业务并具有太高的技术复杂性，这基本上决定了ATM不会成为下一代网络技术。
目前，多数运营商对于电信业务网的承载主要采用IP专网的方式，如专门的VoIP网和专门的视频会议网。其主要思路是将IP专网直接架构在SDH或ATM网之上。这是非常浪费资源的方式，还加大了运维成本，不利于新业务的推出。另一种常用方法就是加大IP层之下SDH和ATM的传送能力，即“过带宽解决方式”。这种方式也是以牺牲运营商巨大投资为代价的。
为此，电信运营商一直致力于采用基于Internet理念的IP网技术来作为下一代网络技术的统一平台，但随时间的推移，人们设想中的基于ＩＰ和ＭＰＬＳ的多业务网并未真正得以实施，ＱｏＳ和流量管理都没有得到很好解决，多播几乎没有实施，安全性问题基本上没有解决，这些问题日益强烈地在冲击电信业务，简单的将Internet技术用于电信网也是行不通的。其根本原因是，现有的因特网只适合传送非实时的数据类业务，如www、FTP、E-mail等。而今，宽带接入的迅速增长已导致了运营商的IP网络架构得以膨胀式地扩张。几年前，VoIP业务首先被引入到IP网络中来，但其服务质量未得到解决。更进一步的是，运营商为增加赢利空间、拓展用户群，也正在尝试在此单一而庞大的IP网络上能够提供越来越多的新型增值服务，尤其是交互式的个人多媒体通信。然而，由于不同的应用会产生相当不同的需求。例如，对电子医疗应用而言，传送的精确性将比延时和抖动更为重要；而对于IP电话应用而言，抖动和延迟是至关重要的，应当被尽力减少。
各运营商和设备提供商都在积极开展相关研究并达成了一致结论：实现统一的支持QoS能力的电信级多业务IP网络是发展的趋势。现存的解决方案包括RSVP、IntServ、DiffServ,、MPLS、TE、策略管理、QoS信令等，但这些解决方案并未能使得QoS的问题得以根本解决。而且，目前各设备制造商实现QoS的方式不尽相同，对QoS的理解也很不一致，成为端到端QoS未能得到有效保证的主要障碍。
在IP网络中支持端到端QoS能力的标准化方面，IETF和ITU-T发挥了各自的作用，其中IETF致力于各种具体实施协议的制定，而ITU-T则更偏重于整体框架的制定和IP性能指标体系的构建。此外，MSF(城域网交换论坛)、Internet II和IPCablecom也提供了多种的多种端到端IP QoS解决方案。
二、IP QoS电信网络架构中的关键构件
对电信营运商而言，现在面临的挑战是如何以一种非常有效而现实的方式来为不同的业务提供满意的端到端QoS保证，同时还要充分考虑到整个网络的性能。电信运营商拟采用的承载级QoS架构需要具备可扩展性、可靠性、可操作性和可管理性。
IP QoS架构中的关键在于形成一组通用的网络运行机制来控制网络对某一业务需求进行正确的响应。具体可体现为一网络元素，或用于网络元素间的信令，或用于控制和管理穿越网络的业务流。IP QoS电信网络架构的关键构件可归属于三个平面，即控制平面、数据平面和管理平面。如图1所示。

图1 IP QoS电信网络通用架构
其中，控制平面包含了与业务流行走路径相关的机制，这些机制包括了允许控制、QoS路由及资源预留；数据平面包含了与用户数据流处理相关的机制，这些机制包括了缓存器管理、拥塞避免、包标记、队列和调度、业务流分类、业务流策略和流量整形；管理平面包含了与运营、管理相关的机制，这些机制包括了服务等级合同(SLA)、业务流恢复，计量和记录。
在上述机制中，允许控制是一个关键机制。借助这一机制可以控制进入网络中的业务流量。是否允许业务流进入网络取决于用户与业务提供者签订的SLA及可得的网络资源情况。在具体满足用户QoS需求的落实方面，允许控制机制需要确保满意的性能参数指标(即ITU-T建议Y.1541的类别)以及可靠性/可用性指标。为达成这些指标的方法可以是基于具体参数的，也可以是基于测量的。其中，基于参数的方法目标是达成一系列参数的最坏界限(如包丢失、延迟和抖动)，因此适合于提供针对实时业务的硬QoS指标。而基于测量的方法使用对现有业务流的测量来做出判决。这种方法难于保证严格的QoS，对网络资源有更充分的利用。
通过上述描述可看出，通过有效的允许控制机制来进行针对业务的逻辑资源隔离是一种有效的解决方法。
三、实现电信级IP QoS架构的一种方法
在上述技术背景下一种可实现的电信级IP QoS架构被称之为集中资源管理方式下的预配置MPLS网络。其基本思想是：
依据业务类型和QoS级别，请求QoS保证的业务被划分为若干类别。 对于每一种业务类，业务管理者进行容量规划，具体包括现存的和预期的业务流模式、拓扑规划、路由设计等。根据容量规划的结果，应用MPLS技术来针对每种业务预先配置(pre-provision)一个逻辑承载网络 (LBN)。该LBN是借助LSP配置和资源预留后叠加在网络IP网络上的一个逻辑网络。
对于属于每种业务类的业务流而言，在统一LBN中需要完成路径选择、资源分配、允许控制和标记转发。对于没有服务质量要求的尽力转发(BE)业务流，仍采用传统的IP路由和转发方法来完成路由和转发。只是它们利用各LBN占据资源后的剩余资源。承载网资源管理器(BRM)是用来在IP网络的每个管理域中负责管理所有的LBN。BRM分别记录和管理每个LBN的拓扑和网络资源表。BRM负责为相应LBN中的每个业务流选择路径、资源分配及允许控制。多种业务控制服务器(SCS)负责控制各种业务请求(如语音呼叫信令)，识别每种业务请求的起始和终止点，将号码(或名字)翻译成IP地址，请求BRM选择路径，分配资源及完成对应LBN的呼叫控制。如图2所示。

图2 集中管理下的预配置叠加MPLS网络为基础的IP QoS电信网络架构
在图2中，这一架构由三层组成：承载层、承载控制层和业务控制层。承载层被进一步在逻辑上划分为基本承载网络层和逻辑承载网络层。基本承载网络层是由边界路由器及核心路由器组成的IP骨干网络架构，用来传送各种Best Effort业务。
逻辑承载网络层由一个或多个逻辑承载网络(LBN)组成，叠加在基本承载网之上。该层是用MPLS LSP技术进行预先配置。每个LBN承载一个特定类型的业务(如语音)或某一特定QoS级别的IP分组(例如快速转发级).
承载控制层由承载网资源管理者(BRM)组成，负责管理承载层的网络资源(包括带宽、处理器及缓冲器)，并完成相应LBN中的路径选择、资源分配和允许控制任务，用来满足每个业务流的QoS需求。
业务控制层由业务控制服务器(SCS)来处理用户请求，用来决定每个业务流的QoS请求；然后将资源请求发送给承载控制层。SCS可以有多种表现形式，例如软交换机、应用网关、应用代理、流媒体服务器、VOD服务器和其它应用服务器。SCS可以是一个单独的设备或集成到某一设备中的功能模块。
在这一架构中，MPLS TE技术被用来动态调整LBN拓扑和带宽(针对LSP保护或容量改变)。该架构要求在IP网络中支持DiffServ-aware MPLS。

图3、LBN示例
一个逻辑承载网络(LBN)由边界路由器、中间汇接路由器和节点间的LSP组成(如图3所示)。边界路由器可以被视为本地交换机。汇接路由器可以被视为汇接交换机；根据容量规划的结果，其中某些被指定为核心路由器。域边界路由器被视为长途交换机。路由器间的标记交换路径(LSP)可以被视为中继(trunk)，在汇接路由器处完成加入(joint)及汇聚(converge)。
在LBN中应配置LSP带宽和其它QoS属性。根据容量规划及流量计量数据的结果，LSP可以是静态配置得到的或是用RSVP-TE/CR-LDP自动建立的。针对 LSP保护或容量变化，MPLS TE 可以被用来动态调整及维护LBN拓扑及带宽(利用LSP快速重路由技术)。在这一架构下当一主机或代理发起一个业务请求时会产生下列动作：
1.当接收到一个业务请求时(如一个VoIP 呼叫建立)，SCS (例如软交换机) 负责处理业务信令和业务控制(如呼叫控制)，在相应的LBN中请求BRM来选择路径和针对该业务流的控制允许。
2.在接收到这一包含业务流QoS需求的资源请求时，BRM根据LBN的拓扑和资源表来完成路径选择、资源分配和允许控制。如果该资源请求被许可的话，BRM将通知SCS并向入口边界路由器(ER)发送业务流的描述、路径和QoS参数。 　　3.入口边界路由器(ER)通过该流的描述参数来识别进入的业务流分组，利用路径参数进行打标记，用QoS参数进行着色，接下来将其转发至相应的LBN。
4.在该LBN中，核心路由器借助MPLS头中的路径参数来转发流分组，直至其抵达出口边界路由器(ER)。
5.当接收到一业务终止消息时，SCS会指令BRM释放为该业务流所分配的资源。
6.当接收到这一释放指令时，BRM会更新其所属LBN的拓扑和资源表。同时，BRM会指令入口边界路由器(ER)取消对应该流业务分类选项(包含流描述、路径、QoS参数)。
借助这种架构，有以下优势：
1.利用预配置的LBN, 可以用一种简单、稳定和可管理的方式来完成流量汇聚和资源隔离，从而降低流量控制和QoS管理的复杂度。
2.做为LBN的控制和管理平面，BRM 负责完成资源管理和精确的路由控制功能。核心路由器只需支持Diffserv-aware MPLS，而无需支持RSVP。这种中等颗粒度(相比于基于流的RSVP方式)的控制能力有助于整个IP骨干网络的稳定性和可靠性。
3.终端系统无需支持用于精确资源预留的RSVP，而只需发起正常的业务呼叫(如一SIP 呼叫)。
4.这种架构能够较精确地保证每个穿越IP骨干网的QoS，有利于支持需要承载级QoS的各种新型增值业务。
5.在完成精确的QoS保证的同时，这一架构可用于大规模的、多域IP网络，而无需改变现有的路由器，也不会影响现有的Best Effort业务。每个管理域需要配备一个BRM。起始域BRM和终止域BRM间需要彼此交互信息来完成域间业务流的路径选择、资源分配和允许控制。
此外，在次架构中QoS管理可以与用户管理和业务管理进行较好的配合。从而有可能改变目前基于接入的IP网络计费模式，将其演进成更为合理的基于业务的计费模式。
上述优点有利于达成电信级IP QoS架构所要求的可扩展性、稳定性、可操作性和可管理性的目标。
四、国际电联(ITU-T)在IP QoS架构方面的标准化进展
ITU-T建议草案Y.qosar明确定义了基本QoS构建模块（接入控制、拥塞反馈、计量和测量、策略及策略配置、队列和调度、资源预留、服务等级管理, 费率表征和流量标识等），通过不同的方式把这些块组织起来，就可以控制网络提供业务所要求的性能。同时也考虑了实现QoS对安全的影响及相应机制。从建议草案的完整性角度看，Y.qosar仍处于编辑及完善阶段。在2003年7月21日至8月1日ITU-T SG13 2001-2004研究期的第五次会议上取得了较大进展。该次会议对建议草案Y.qosar 做了以下完善：
1.完善了QoS路由、资源预留、QoS信令方面的内容；
2.在案例方法中补充了集中资源管理下的预配置叠加MPLS网络(Pre-provisioned overlay MPLS networks with centralized resource management)。(注：这一案例方法是由中国电信和华为公司联合在本次会议提交的)
中国电信和华为联合提交的两篇文稿成为本次会议中重点讨论的内容，这两篇文稿是：
1.A Carrier-class QoS Solution Framework for IP-based Backbone Networks；
(该文稿基于资源隔离和业务请求， 提出了用于基于IP骨干网络的运营级QOS解决框架。)
2.A Carrier-class QoS Solution Framework for IP-based Access Network；
(该文稿提出了用于基于以太网IP接入网络的运营级QOS解决框架。)
其中上述第二篇文稿的基本内容做为了新建议草案Y.123.qos的基本参考模型。
Y.123.qos是纳入到Y.qosar统一框架中的一个基于以太的IP接入网的QoS架构。它强调了呼叫控制和承载分离的思想，是在接入段保证用户服务质量的重要方法。该草案对参考模型、流允许控制(Flow Admission Control)和协议需求等方面给出了最基本的内容，有利于今后的进一步完善与修正。
应当说，在此方面中国的电信运营商和设备制造商与国际上的研究是同步的。
五、结论
很明显，无论从业务开展还是从技术实施的角度出发，服务质量(QoS)保证都是在IP网络上支持各种实时应用所需考虑的最重要因素。由于IP网络固有的无连接的特征, 使得在IP网络中保证端到端的QoS成为一项艰难的工作。目前，VoIP、视频服务及NGN、3G中各种交互式多媒体业务的开展已经成为电信运营商能否成功运营这些业务的关键所在。同时，QoS也已成为当今网络技术研究、标准化工作的一个极为活跃课题。有鉴于此，国内的电信运营商和设备制造商会持续跟踪这一领域的进展，通过研制和试商用具有实用性的解决方案来析解决这一电信业的难题。
摘自《中国多媒体视讯》