浅谈QoS发展历程

李绍庆

摘 要 QoS一直是网络优化分析中的“明珠”。尽管人们在该领域投入了大量精力，但因互联网信息传输中“尽力而为”的特点，很少有保证端到端 QoS方案。本文介绍Qos发展历程，并考虑未来QoS的发展方向。展望了随着技术发展，将有大量数据在网络的边缘产生，计算也需要迁移到边缘以保证QoS。边缘服务与计算的需求将不可避免需要服务设施分散化，推动CDN与虚拟化的部署。Qos演进到适应流量发展的CDN，到5G时代的边缘计算，最后我们分析了结合区块链进行的分布式网络治理如何影响未来网络QoS发展。

关键词 Qos;ATM;CDN;边缘计算

1 电话网络向信息网络演进：ATM

早在20世纪80年代，人们就在研究如何由电话网络向信息网络演进。 SDH / SONET数字传输结构允许语音与窄带数据以数字信息方式传输。模拟电话网络向数字信息网络演进是通过ATM的普遍引入而实现，这种改变是一种革命。

ATM关键设计原理是通过端到端信令为每个信息流保留网络资源。这种方法是适应公共交换电话网（PSTN），为7号信令保留两个64 Kbps信道，以便承载电话的编码信息。在PSTN中资源预留方法效果很好，每个交换机处理的资源类型完全相同。但是，在基于ATM的多服务网络的情况下，交换机将处理大量不同规格数据的资源分配。这给交换机带来了更高的技术要求[1]。

2 IP技术中Qos技术演进

1990年代初，万维网的出现改变了网络格局。人们通过TCP/IP 协议簇保证IP网络的QoS的服务，该框架是一种相对轻量且类似于ATM的技术。2000年代初，在IP框架下，引入DSCP等流量标记技术。根据与客户签订SLA对不同业务流量进行不同标记。实现在网络资源紧张时，区分服务的目标，提升整体业务的Qos。

通过广泛使用网络流量工程，Qos发展方向上出现了变化。网络优化的目标不是为保证付费的用户服务质量而保留资源，而是通过流量工程来更有效地利用整个网络资源，从而实现更好的端到端延迟。通过多协议标签交换（MPLS）的广泛部署来实现更好的质量服务，该协议支持为从入口到出口的潜在多路径构建显式路由，从而允许通过适当的路由选择方案平均分配流量，并产生相对统一的最优链路。

视频流逐步成为主流引用，并持续增长。为了确保视频传送中的Qos，并降低网络成本产生了CDN，该技术将内容部署在网络边缘，以便用户访问最接近请求的副本。这项技术为用户QoS提供了保障，同时它使全球网络负载更易管理。

2010年出现的与QoS相关的技术是软件定义网络（SDN）。 SDN的主要目标是将控制与数据转发分离，并提供可编程性功能，并允许网络能力开放。SDN将集中控制原理应用于分组网络。SDN目标是实现实时的网络管理能力，并逐步实现更细粒度的资源管理，从而更好地提升整体网络QoS水平。

3 新技术展望：边缘计算

在最近3-4年中，在通信网络中寻求QoS提升的同时，出现了新的技术演进，边缘计算（MEC）是QoS领域的最新发展。从AR、VR，到自动驾驶汽车，无人驾驶飞机大量应用实现及共享单车的广泛应用，对通信方式提出了更高的要求。在这种情况下，对响应时间提出更高的质量保障要求。应用的快速发展及对网络质量更高要求，也给通信协议与标准的演进带来更大的挑战。

在过往的二十年里，我们见证了互联网集中化内容服务发展。集中化服务导致大规模数据中心的发展。尽管这种发展趋势很好地满足了当今互联网的发展，并且也符合规模经济的要求，但它肯定不适合将来的应用。在5G网络时代，集中化的计算能力与处理速度不满足不同应用低时延响应需求。

边缘计算与网络虚拟化相结合。将计算能力分散与下沉。这种改变使计算转移更接近用户。还有另外一因素会影响QoS，并且需要在边缘计算的应用中解决，即当前的DNS架构无法即时解决解析更新问题，边缘计算要求几秒钟的时间内实现实例化和计算能力分解，并且需要以毫秒为单位进行解析和执行，而正常的DNS更新几分钟时间内完成。需要新的以计算为中心的体系结构，以解决在网络边缘执行的网络功能快速解析的需求。

4 新挑战：应用安全与信息安全

随着边缘计算发展，在提升QoS同时，需要关注：管理边缘计算基础架构自身的信息安全。在当前的互联网环境中，基础架构是由“技术巨头”所设计和运营的。到目前为止，该模型在效果方面表现相对较好，在分布式網络的情况下，类似的模型是否能很好地工作还存在疑问。

首先，对一些集中式计算中心进行技术管理相对容易，但是几乎不可能管理数十亿个计算点;其次，数据中心瘫痪或关键设备故障，可能造成最基本的功能就会中断。同时，我们可以预见到移动边缘计算基础架构，它将负责重要的应用程序，例如自动驾驶。显然Qos要对高延迟敏感的应用程序负责，在关键应用中会和每一个人的生命安全相关。

去集中化应用需求会使网络转向分散式和分布式的治理模型，并且为了实现可接受的QoS，用户将不得不信任未知的运营商，从而有效地改变了过去20年的互联网生态系统。在这一点上，加密技术和区块链技术的最新进展会做出重大贡献。区块链可以在不可变的历史记录中以不信任的方式跟踪和记录任何两个实体之间的任何信息交换，可以提高安全性并可以确保隐私。计算基础架构可以分布到数十亿个可操作的计算点都可以在上面进行创新，而治理可以变得分散，并可以保证比当前基础结构更高的安全性和隐私性。

这种发展对QoS的影响是巨大的。不信任节点之间的分布式计算是无处不在计算的一种实现方式，在该计算中，可以利用任何备用计算周期在地理位置较近的位置执行对延迟敏感的应用程序。

5 结束语

随着互联网在过去几十年中的发展，需要基础结构来适应无处不在的应用与信息连接。新的5G与云网时代需要应用程序在网络边缘部署，以提供更低的延迟。在以信息为中心的网络，移动边缘计算以及信息安全的一般领域中的新发展都有潜力补充此类应用程序的需求。因此，当前的挑战是弥补已建立的Internet基础结构和相关协议与安全，隐私和区块链技术领域中等新发展技术之间的差距。这些融合可以共同提供行业所期望的QoS。

参考文献

[1] 单志广，林闯，肖人毅，等.WebQoS控制研究综述[J].计算机学报，2004（2）：2-13.