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IP网络QoS问题的对策简析

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IP 网络 Qo S 问题的对策简析
都 珂 中兴通讯股份有限公司系统架构师
摘要: 能否保证 QoS 是 IP 网络能否能成为未来 统一平台的关键。从网络拥塞时长的角度定量 分 析 了 IP 网 络 QoS 风 险 的 分 类 及 各 种 QoS 技 术适用场景, 在此基础上研究了 IP 网络整体解 决方案。 关键词: IP 网络, 服务质量, 风险分类

能否保证 QoS 是 IP 网络能否能成为未来统 一平台的 关键。随着电信业务的承载向 IP 网络迁移, 以及接纳控制 等技术的引入, 业务 “接通” 的概念出现在无连接的 IP 网络 上。 从业务的角度看, 网络的服务质量包括接通率和业务质 量两部分指标, 业务质量是指已经接通的业务的服务质量, 可以客观和主观地评价, 如 VoIP 业务的 PSQM 值和 MOS 值 , 并 可 以 映 射 到 传 统 IP 网 络 丢 包 、 延 、 动 等 QoS 参 时 抖 数, 而接通率则衡量系统工作情况的综合指标, 反映业务接 续的实现和丢失情况, 其对称的指标是呼损。目前 IP 网络 在 QoS 上有了很大的进步, 衍生出了很多种 QoS 技术, 但 是对 QoS 整体解决方案还有相当大的争议, 如轻载还是资 源接纳控制, 并且显然对呼损的指标重视不足。 其 实 每 一 种 QoS 技 术 都 能 解 决 , 而 且 只 能 解 决 一 类

Abs tract: Guarantee the QoS is the key point for IP network becoming the unified platform in the future. This article analysis the risk classification of IP network QoS and QoS application sences from the view of network congestion. Then the solution of IP network being researched. Key Words : IP network, QoS, risk classification

QoS 问题, 讨论 QoS 整体解决方案必须首先对 IP 网络中的 QoS 风险进行分类, 并确定每一类 QoS 问题的对策。

1 Qo S 风险分类
IP 网络是一种基于 packet 的统计复用的网络, 拥塞在
所难免, 无论带宽如何大、 平均负荷如何轻, 都有突发拥塞 的可能 , 由此产生 QoS 风 险, 所以 QoS 风 险 可 以 按 照 网 络 中拥塞的时长分类。有些网络中主要的 QoS 问题是微秒级 的拥塞, 即发生绝大多数 或者对业务产生关键影响) 的问 ( 题是持续时间在微秒级别的拥塞, 我们把这类问题成为微 秒级 QoS 风险; 依此类推, 网络中 QoS 风险还有毫秒级、 秒 级、 分钟级和更长时间的 QoS 风险。 微秒级的 QoS 风险可以用简单的调度 Scheduler) 机制 ( 解决, 比如从两个接口上同时来的 packet, 要从同一个端口上 出, 由路由器 / 交换机的网络接口卡 NIC) 上收包成帧缓存, ( 以及转发进程调度, 就可以解决这两个包的顺序扇出的问题。 毫秒级的 QoS 风险需要更多的包缓存 ( Packets Buffer) 和更复杂的队列 Queue) 机制来应对, 即主动队列管理 Ac- ( (

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tive Queue Manager) , 包括入队列时的包丢弃和出队
列时的队列调度技术, 如 WRED、 、 、 PQ LLQ CBWFQ 等。 秒 级 的 QoS 风 险 靠 设 备 级 的 队 列 技 术 难 以 解 决, 因为设备的缓存是有限的, 很难缓存数以秒计的

宏观上看, 这些队列技术的性能差距并不大, 至 少不像想象或者宣传中的那么大, 都只是解决毫秒 级以下 QoS 风险的机制。 即使现代设备制造技术可以支持很大的包缓存 队列, 但调度和主动队列管理技术仍不能用于解决 更大的 QoS 风险, 因为缓存实际上是以时延和抖动 指标换取丢包率指标, 而业务对 QoS 的三大指标要 求是均衡的, 过分的倾斜于某个指标并得不到理想 的结果。

packet, 特别是大容量的高速路由器和交换机。秒级
的 QoS 风 险 需 要 网 络 级 的 接 纳 控 制 来 解 决 , 即 在 “忙秒” 出现或者即将出现的时候, 在业务接入点上 拒绝接入部分业务, 避免路由 / 交换设备上出现超 出处理能力的长时间拥塞。 但是长时间的业务丢弃, 也就是电信业所称的 , “呼损” 是电信网络不允许出现的, 因此分钟级的

3 接纳控制技术
调度和主动队列管理技术增加了一点时延和抖 动, 减轻了因为拥塞而可能引起的丢包的影响, 使得 网络的 QoS 指标控制在业务需求范围之内。但是如 果长时间持续拥塞, 则业务的体验, 如 VoIP 业务的

QoS 风险需要有其它的解决措施, 目前已有的技术
就是流量工程和资源预留。就是在 “忙分” 出现或即 将出现时, 通过人工或者策略服务器自动方式, 采用 流量工程技术将部分业务疏导到空闲的链路上 , 绕 开拥塞点。 由于流量工程隧道的部署决策需要时间, 部署也需要时间, 所以不能取代接纳控制技术, 作为 短时间拥塞控制技术的替代, 以免频繁的网络动荡。 更 长 时 间 的 QoS 风 险 就 需 要 运 营 商 在 网 络 性 能测量的基础上, 通过有针对性的网络扩容来解决。 毫秒、 分等均是 秒、 需要说明的是, 此处的微秒、 相对 概 念 , 比 如 毫 秒 级 QoS 风 险 , 其 拥 塞 时 长 上 限 是 由 设 备 能 够 处 理 的 时 长 和 业 务 可 以 允 许 的 QoS 容限决定的, 而分钟级的概念和流量工程决策时间、 业务呼损容限有关。

MOS 值会 下降, 直至不 可接受 , 所 以 毫 秒 级 以 上 的 QoS 风险需要接纳控制技术来应对。
接纳控制有基于业务设备的接纳控制和基于

IP 网络设备的接纳控制两种。业务层设备的接纳控
制方案中, IP 网络根据规划的业务量为业务网络准 备了相应的资源, 业务设备则对接续中的业务量计 数, 并对超限的业务拒绝接纳。而 IP 网络设备的接 纳控制, 则是在 IP 网络资源控制服务器的参与下, 由 IP 网络设备拒绝接纳超限业务。 无论是基于业务设备的接纳控制还是基于 IP 网 络设备的接纳控制, 客观上都拒绝了业务的接入, 增加 , “呼损” 指标的损失换取 MOS 值指标。 了 “呼损”是以

2 调度和主动队列管理技术
调度和主动队列管理技术以低优先级的业务, 或者接续中的业务允许范围内的损伤为代价, 处理 微秒级和毫秒级的 QoS 风险。 典型路由 / 交换设备的队列调度和管理流程包 括流分类、 入队列算法和出队列调度算法三部分, 现 在有各种各样的流分类机制, 简单的有基于 802.1p、

4 流量工程和资源预留技术
绝 大 多 数 分 钟 级 的 QoS 风 险 是 由 于 业 务 突 发 引起的, 如大型会议、 活动等。这些突发业务具有局 部性和暂时性的特点, 带宽扩容则投入产出比不佳, 而且建设周期上不能满足要求, 采用接纳控制技术 则呼损指标同样是 QoS 的评估准则之一。 为了解决这些分钟级的 QoS 风险, 完成这些大 型会议、 活动的保障任务, 流量工程和资源预留技术 是最佳选择。 流量工程技术是在正常 的 IP 路由之外 的包投 递机制, 原则上区别于正常的 IP 路由的技术都可以

IP ToS、 DSCP 等优先级分类的, 复杂的有基于五元组
甚至七层 DPI 的流分类; 入队列调度大致有 RED、

WRED 算法两种; 出队列调度算法非常多, 基本的有
严格优先队列 ( PQ) 、效率较高的有加权公平队列 ( WFQ) 、对某种业务重点保障的低延迟队列 LLQ) ( 等, 每年还有各种形形色色的新研究成果出现。

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称之为流量工程, 如 IP 显式路由选项技术和 GRE 显式路由技术, 只是这两种技术显著影响 IP 包的转 发效率而被废弃了。策略路由也可以认为是一种流 量工程技术, 其优点是可以在关键节点上, 而不必全 路径部署。 MPLS- TE 是 目前最 高 效 的 流 量 工 程 技 术, 可以显式路由而不损失转发效率。 MPLS- TE 技 术还可以和资源预留技术联合使用, 进一步改善分 钟级的 QoS 风险的解决效果。

轻载程度的选择与网络业务的突发性质有关。 以城域网为例, 平均负荷率 30% 的 SR 上行链路, 其 在 5min 平 均 负 荷 率 分 时 图 上 的 峰 值 约 为 65% , 秒 平均负荷率分时图上的峰值约为 90% , 毫秒负荷率 分时图上的峰值约为 110% 。控制链路平均负荷率

30%, 其 QoS 风险主要是低阶的, 可以用调度和主动
队列管理技术有效化解。部署网络级 QoS 技术可以 提高带宽利用率, 同样的业务量下, 链路带宽降低

10% 左右, 则网络中的 QoS 风险将是秒级的 QoS 风

5 网络级 Qo S 解决措施
我 们 把 毫 秒 级 及 以 下 QoS 风 险 称 为 低 阶 QoS 风险, 把秒级及以上 QoS 风险称为高阶 QoS 风险。 低 阶 QoS 风 险 可 以 用 设 备 级 的 调 度 和 主 动 队 列 管 理技术解决, 高阶 QoS 风险则需要网络级的解决方 案。网络级的解决方案有三种: ? 风险降阶; ? 忽略背景业务的质量; ? 采用接纳控制等技术。 所 谓 轻 载 的 网 络 QoS 解 决 方 案 实 际 上 就 是 风 险降阶的方案, 将网络的 QoS 风险降低到毫秒级以 下, 以便用基本设备级 QoS 技术来解决。中国电信 中国移动、 网通、 联通的 IP 专用承载骨干网都 CN2、 是采用这个思路来建设的。 而在城域网等多业务 IP 网络中, 往往采用忽略 背景业务流量的方案。在这些网络中, 业务可以分 为无 QoS 要求的尽力而为业务, 有一定 QoS 要求的 差异化服务业务, 以及需要严格 QoS 保证的确保的 业务。无 QoS 要求的尽力而为业务就是背景业务 , 一般占总业务量的大部分, 引进来是为了分担网络 建 设 和 运 营 成 本 。 在 网 络 上 部 署 Diff- Serv 技 术 之 后, 意外地发现, 差异化服务业务加上要求保证的业 务之和, 一般情况其 QoS 风险总是在毫秒级以下。 虽然总体上网络的 QoS 风险是高阶的, 但由于背景 业务没有 QoS 要求, 所以其丢包并不需要做特殊处 理。而如果差异化服务业务加上要求保证的业务之 和的 QoS 风险升级到高阶风险之后, 接纳控制等技 术也不满足运营商的运营要求, 需要在新的业务量 约束下, 组织网络扩容。 因此网络轻载 +Diff- Serv 技术仍是目前运营商 网络建设的优先选择。

险, 则需要部署接纳控制技术来应对。 也就是说, 采用高阶风险应对 QoS 技术可以节 省的带宽及提高的链路负荷率与不同时间颗粒度的 负荷率分时图上的峰值之比有关, 电信行业传统上 用业务集中系数的概念来反映不同时间颗粒度的负 荷率分时图上的峰值之间的关系。如 PSTN 网络业 务分析理论中, 话务量最大的一小时称为忙时, 忙时 集中系数的定义为忙时业务与全天业务量之比 , 则 在一小时平均负荷率分时图上的峰值与全天平均负 荷率之比就是 24×忙时集中系数。因为大多数数据 网络网管系统的流量采样周期是 5 min , 所以网管系 统 上 颗 粒 度 最 小 的 分 时 图 是 5 min 平 均 流 量 分 时 图, 同样定义最忙 5 min 集中系数为忙时业务量最 大的 5 min 业务量与忙时业务量之比; 定义最忙秒 集中系数为最忙 5 min 中业 务量最大的 1 s 业务量 与该 5 min 业务量之比; 定义最忙毫秒集中系数为 最忙秒中 1 ms 业务量与该秒业务量之比, 则: ? min 平均负荷率分时图上的峰值 = 平均业务 5 量÷忙时集中系数÷ 最忙 5 min 集中系数; ? 秒平均负荷率分时图上的峰值 = 5 min 平均负 荷率分时图上的峰值÷ 最忙秒集中系数; ?毫秒平均负荷率分时图上的峰值 = 秒平均负 荷率分时图上的峰值÷ 最忙毫秒集中系数。 未部署 QoS 技术的网络, 其带宽要求应等于或 超过毫秒平均负荷率分时图上的峰值, 部署调度和 主动队列管理技术, 网络带宽要求大于秒平均负荷 率分时图上的峰值即可, 相对于未部署 QoS 技术的 网络, 节省 1/ 最忙毫秒集中系数” “ 的带宽; 在此基础 上部署接纳控制技术, 网络带宽要求大于 5 min 平 均负荷率分时图上的峰值即可, 相当于再节省 1/ 最 “ 忙秒集中系数” 的带宽。
MSTT
收稿日期: 2008- 03- 25

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