光网络的QoS机制研究

卢莎，薛威阳

1、南京大学金陵学院信息科学与工程系，江苏 南京 210089

2、中兴通讯股份有限公司南京分公司，江苏 南京 210012

光网络的QoS机制研究

卢莎1，薛威阳2

1、南京大学金陵学院信息科学与工程系，江苏 南京 210089

2、中兴通讯股份有限公司南京分公司，江苏 南京 210012

随着信息技术的迅速发展，服务质量(QoS)对于网络来说越来越重要。QoS是网络的一种安全机制，一种用来解决网络延迟和阻塞等问题的技术。本文主要讨论了光网络中QoS的关键性指标，实现QoS的主要方法以及优缺点，最后论述了基于标签的光交换网的QoS实现方法。

服务质量；基于标签的光突发交换；尽力而为模型；区分服务模型；集成服务模型

1 光网络QoS的基本要求

服务质量(QoS)是指网络服务提供商与用户之间以及网络上互相通信的用户之间关于信息传输与共享的质的约定(例如，传输延迟允许时间、最小传输画面失真度以及声像同步等)。光网络中的QoS的关键性能指标主要包括:可用性、吞吐量、时延、时延变化(包括抖动和漂移)和丢包率。

可用性:是当用户需要时网络能正常工作的时间百分比。可用性主要是设备可靠性和网络存活性相结合的结果。对它起作用的还有一些其他因素，包括软件稳定性以及网络升级时不中断服务的能力。

吞吐量:是在一定时间段内对网络上能够承载流量(或带宽)的度量。根据应用和服务类型，服务水平协议（SLA)可以规定承诺信息速率(CIR)、突发信息速率(BIR)和最大突发信号长度。一般讲，吞吐量越大越好。

时延:指一项服务从网络入口到出口的平均经过时间。产生时延的因素很多，包括分组时延、排队时延、交换时延和传播时延。传播时延是信息通过铜线、光纤或无线链路所需的时间，它是光速的函数。在任何系统中，包括同步数字系列(SDH)、异步传输模式(ATM)和弹性分组环路(RPR)，传播时延总是存在的。

时延变化:是指同一业务流中不同分组所呈现的时延不同。高频率的时延变化称作抖动(jitter)，而低频率的时延变化称作漂移(excursion)。抖动主要是由于业务流中相继分组的排队等候时间不同引起的，是对服务质量影响最大的一个问题。漂移是任何同步传输系统都有的一个问题。漂移会造成基群失帧，使服务质量的要求不能满足。

丢包率:不管是比特丢失还是分组丢失，对分组数据业务的影响比对实时业务的影响都大。要保持统计数字，当超过预定门限时就向网络管理人员告警。

2 光网络中实现QoS的方法

光网络中实现QoS的方法主要有：尽力而为模型、区分服务模型、集成服务模型等。

2.1 尽力而为（Best Effort）模型

尽力而为模型是传统IP的QoS服务模型，存在许多缺点：在发生瞬时拥塞时，路由器提供的时间响应不可预测；对不同业务流类型不能提供不同优先级的服务；不能动态的请求端到端的服务质量；只有有限的机制可以用来审计网络资源的使用质量。

2.2 集成服务（IntServ）模型

集成服务在RFC1633中进行了定义，将资源预留协议作为IntServ结构中的主要信令协议。

集成服务的基本思想是在传送数据之前，根据业务的QoS需求进行网络资源预留，从而为该数据流提供端到端的QoS保证。IntServ依靠资源预留协议RSVP逐节点的建立或拆除每个流的资源预留软状态；依靠接纳控制（也称准入控制)决定链路或网络节点是否有足够的资源满足QoS请求；依靠传输控制将分组分类成传输流，并根据每个流的状态对分组的传输实施QoS路由、传输调度等控制。

IntServ和RSVP在整个网络中应用，存在如下根本的局限：

(1)基于流的RSVP资源预留、调度处理以及缓冲区管理，有利于提供QoS保证，但是系统开销过高，对于大型网络存在可扩展性的问题。

(2)许多应用需要某种形式的QoS，但是无法使用IntServ模型来表达QoS请求。

(3)必要的策略控制和价格机制，如访问控制、鉴别、记账等目前尚处于发展阶段，无法辅助应用。

2.3 区分服务（DiffServ）模型

区分服务的基本思想是将用户的数据流按照服务质量要求来划分等级，任何用户的数据流都可以自由进入网络，但是当网络出现拥塞时，级别高的数据流在排队和占用资源时比级别低的数据流有更高的优先权。区分服务的基本机制是在网络的边缘路由器上根据某一业务的服务质量要求将该业务映射到一定的业务类别之中，随后利用IP分组中的DS字段唯一的标示这一业务所需的服务类别，网络中各个节点将依据该字段对各种业务类别采取预先设定好的服务策略，保证相应的传送速率、延时、抖动等服务质量参数。

3 基于标签的光交换网的QoS实现

全光交换（AOS）包括：传统的光波长交换、光突发交换和光包/分组交换。随着多协议标签交换(MPLS) 技术的发展，人们又将传统的AOS技术与MPLS技术结合起来，对应地提出了一套基于标签的全光交换技术：多协议波长标签交换(MPLmS) 、基于标签的光突发交换(LOBS)和光标签包/分组交换(OLPS) 。下面讨论3种基于标签的全光交换技术(MPLmS，LOBS和OLPS)中的QoS实现。

3.1 MPLS/MPLmS网络中的QoS模型

在MPLS网络中实现QoS主要有两种模型：综合业务( IntServ) 和区分业务(DiffServ) 。

IntServ是在建立标签交换路径的过程中，预留适当的资源，使在这个LSP中的传输具备QoS保证。其QoS实现的关键就在于把标签请求和标签绑定与一定的参数结合起来。发送方先发送RSVP的路径信息，在该路径信息中包含本次传输的流量信息和QoS级别。MPLS网络的入口节点收到该路径信息后，向该网络中的下一级节点发送一个含有标签请求、流量消息和QoS请求信息的信息包。在MPLS网络中的标签交换则是在标签交换路由器由标签请求部分的交换来实现的。当该信息包到达MPLS网络的出口节点后，这个出口节点把此RSVP的路径信息发送给接收方。接收方收到该路径信息后，向该网络的ER发送相应的预留信息。出口节点根据预留信息进行资源预留，同时根据标签请求进行标签分配，并将分配到的标签和相应的预留信息一起向上游的中间节点LSR发送。LSR根据预留信息进行资源预留，同时进行标签交换。当含有指向入口节点标签的信息包到达入口节点时，表明一条具有QoS保证的LSP已经建立起来了。入口节点再向发送方发回RSVP的预留信息，发送方可以开始传输数据。

DiffServ的建立必须先由用户和LSP协商一个服务等级协议。发送方先向本地的宽带代理发出RSVP的路径信息，提出DiffServ申请。若申请被拒绝，则发送错误信息给发送方，结束该过程。若申请被接受，则带宽代理向MPLS网络的入口节点LER1发出路径信息，请求建立LSP。接受请求后，LER1就将标签请求信息嵌入PHS信息，并向下游节点传送。当该信息包到达LSP出口节点LER2后，LER2向其相应的本地带宽代理发出路径信息，带宽代理则对其域的边缘路由器做出相应的设置，准备接收数据。此本地带宽代理接着向LER2发回RSVP的预留信息。当LER2收到预留信息后，向上游节点发出标签绑定消息，当此绑定消息返回LER1时，则建立起了一条LSP。LER1向它的本地代理返回预留信息，本地代理收到后，即对ER1进行相关配置，并向发送方发回预留信息，可以开始发送数据。

IntServ和DiffServ都是在MPLS网络中实现QoS的模型。IntServ是在发送方和接收方之间利用RSVP预留带宽，形成一条“通道”。它对路由的要求很高，算法和策略都极其复杂，它的实现必须要对现有的路由方法做很大的修改。而DiffServ则更易实施，其对路由的要求要低得多，对现有路由方法的修改也少得多。因此，DiffServ模型在实际应用中要比IntServ模型更受欢迎。

3.2 LOBS网络中的QoS模型

在LOBS网络中，避开过载节点，对不同的服务类提供QoS，使用将离线和在线相结合的混合路由算法。为了区分服务类，可以用优先级机制来实现QoS。在此，我们将数据块分成两类：一类是高优先级LSP(HPLSP)；一类是低优先级LSP (LPLSP)，LPLSP可以继续分成L P1、LP2等(LP1的优先级要高于LP2)。HPLSP是“提供质量保证”的，而LPLSP则是“尽力而为”的。另外，还有3个模块协助实现QoS：(1) 通道建立模块(PR)：根据流量矩阵计算离线路由。PR描述了网络的实际拓扑和资源信息。(2)动态路由模块(DR)：根据LSP请求信息计算在线路由。其目的是寻找无阻塞路由来替代过载的现存最短路由。(3)抢占机制模块(PM)：负责处理抢占带宽。当发生抢占带宽时，其将被抢占的LP数据流转移到无阻塞的路由上。PM需要包含有目前LSP链路信息的动态LSP数据库(DLD)来实现其功能。在IR处，先进行标签请求分析，更新DLD数据库，然后开始建立LSP。HPLSP先调用PR模块，计算离线路由，尝试建立LSP。如果成功，则可以在控制包上贴上标签开始转发和传输，并采用延迟预留机制预留带宽，即数据包到达时才分配带宽，然后即可以开始转发数据包。如果建立LSP失败，则调用DR模块，计算在线路由，再尝试建立LSP。如果失败，就会抢占LPLSP的带宽，即开始转发控制、预留带宽和转发数据包的过程。而当抢占发生时，被抢占的节点就会调用PM模块，将被抢占的LPLSP转移到其他无阻塞路由上。而此时，由于采用了延迟预留机制，所以被抢占的LPLSP就会有时间建立新的LSP。另外，采用额外偏置时间机制，还可以增加HPLSP建立成功的机会。这种方法的优点是避免了大数据包的O/ E/ O转换，有效地提高传输效率。虽然牺牲了部分的网络透明度，但LOBS的可实现性却大为增加，所以这种在LOBS中实现QoS的方法是非常接近实际应用的。

3.3 OLPS网络中的QoS模型

与LOBS中的标签头和数据包的相对“分离”的关系相比，OLPS中的标签头是被“粘”在数据包上的。所以在OLSR处，要先将标签头与数据包分开，然后利用离线和在线相结合的混合路由算法来建立LSP，最后就可以进行数据包的传输和转发了。数据流在OLSR中的处理过程是：首先在入口处，需要进行去复用，把分离出的标签在控制单元中进行相应的处理(如根据标签信息分配带宽，标签交换等) 。而数据包则根据标签中的信息在光交叉矩阵(OXC)中进行处理(路由)。最后在OLSR出口处，还需要进行复用，即将新的标签粘在数据包上，继续向下游节点传输。副载波复用/去复用的过程可以采取光单边带副载波头擦除/替换技术来实现。而实现该技术的关键就是相关器件的实现。

除了上述方法外，还可以采取类似于LOBS网络技术的“先传光包头和光标签，经过一段偏置时间后，再传包的净荷信息”的随路方式(实质上是一种时分复用技术) 。但是这种方式却需要预先对整个网络的认知。当整个网络中有一个节点发生变化时，就需要对整个网络进行“重新认识”，而且光包头和光标签与包的净荷必须占用不同的波长，再加上偏置时间技术所固有的问题(需要非常复杂的算法以精确设置偏置时间) ，所以将这种方法付诸于实用是有一定困难的。

[1]何侃，张定春.基于标签的光交换网的QoS实现[J].光纤通信研究.总第129期，2005年3月

[2]徐荣，龚倩.高速宽带光互联网技术[M].北京:人民邮电出版社.2002年

[3]董世强.网络服务质量_QoS_控制的研究[D].济南：山东大学.2005年4月

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.17.035