NGN學習筆記7——NGN的服務質量

1.基本定義

服務質量(Quality of Service, QoS)體現了消費者對服務提供者所提供的服務的滿意程度，是對服務提供者所提供的服務的一種度量和評價，不少組織都對QoS進行了大量的研究
ISO
ITU-T
IETF
ATM Forum

2.NGN中的QoS問題

1）問題背景：

NGN以分組網絡做爲其傳送網，QoS是很是重要的內容。NGN是多網、多業務融合的網絡，端到端QoS是其研究重點：多種QoS機制共存，各有優缺點，各運營商部署的QoS機制不盡相同，成爲端到端，QoS沒法獲得保證的主要障礙。

2）相關標準：

ITU-T

Y.1291, An architectural framework for supporting of QoS in packet networks
提出了在分組網絡中支持QoS的體系結構框架
該框架結構由三個邏輯平面的QoS構建模塊組成
Y.2111 (draft), Resource and Admission control Functions in Next Generation Networks
Y.2112, A QoS Control Architecture for Ethernet-based IP access networks
Y.2113 (draft), Ethernet QoS Control for Next Generation Networks
Y.2121, Requirements for the support of flow state aware transport technology in an NGN
Y.2173, Management of performance measurement for NGN
Y.2174, Distributed RACF architecture for MPLS networks

3GPP

3GPP TS 23.107, QoS concept and architecture
3GPP TS 23.207, End-to-end QoS concept and
architecture
3GPP TS 23.802, Architectural enhancements for
end-to-end Quality of Service

3）QoS/NP/QoE的定義：

QoS (E.800)：決定業務用戶的滿意程度的業務性能的整體印象

NP (I.350)：NP由一些對網絡提供者有意義的參數來度量，這些參數一般用於系統設計、配置、運營和維護。NP的定義與終端性能和用戶行爲無關。

QoE：對一個業務或應用的可接受程度的整體描述，是端用戶的主觀感覺，包括徹底的端到端系統效果（客戶、終端、網絡、業務基礎結構等）總的可接受程度受用戶指望值和環境的影響。

三者區別：

• QoS爲網絡提供商提供了一種有價值的框架
• NP決定了用戶最終觀察到的QoS
• QoE是一種純主觀的評測標準，依賴於用戶的行爲和主觀意見
• QoS、NP和QoE之間不存在簡單的一對一的映射關係

NGN QoS 和NP的分層模型

3.IP  QoS

1）定義：

IETF對IP QoS的定義--QoS是網絡在傳輸數據流時要求知足的一系列服務請求，具體能夠量化爲帶寬、延遲、抖動、分組丟失率和吞吐量等性能指標,強調網絡傳輸服務性能。

QoS是IP網支持實時應用應考慮的最重要因素，IP網固有的無鏈接特徵（分組丟失、時延抖動），使得端到端的QoS保證並不是垂手可得。IP QoS的目的是控制分組流，使某些分組流
可以獲得比「盡力而爲」更好的待遇。

2）指標：

分組傳送時延：從發送方發出分組的第一個比特到接收方接收到分組的最後一個比特所持續的時間，節點處理時延＋鏈路傳輸時延

分組傳送時延抖動：同一路徑上發送的數據流中一組分組之間的時延差別

分組丟失率（丟包率）：在網絡中傳輸數據分組時丟棄數據分組的最高比率

獲取的帶寬（吞吐量）：網絡發送數據包的速率(平均速率或峯值速率)

3）技術：

• 公平排隊——FQ
  • 傳統IP路由器在每一個輸出端口都採用FIFO排隊規則。缺點：
    • 對高優先級或時延敏感業務流無特殊照顧
    • 長分組獲得的服務會更好
    • 貪婪的TCP鏈接會擠掉其餘鏈接
  • 公平排隊則是在路由器每一個輸出端口維護多個(每業務流)隊列，每一個分組放入合適的隊列，對隊列輪流服務，在流之間提供了負載均衡。

• 加權公平排隊——WFQ
  • FQ的缺點：短分組受到懲罰，每次傳送的分組都很短
  • WFQ則經過分組長度和流標識等對不一樣隊列中分組的傳送提供不一樣的傳送權重
• 綜合服務（IntServ）
  • 最先由MIT在1993年提出，IETF標準化，基本思想是爲用戶提供多種服務類型，按照用戶的質量要求提供不一樣的服務，並相應地收取費用，是基於數據流提供精確的服務，在提供服務以前需進行資源預留。
  • IntServ服務在兩個級別上定義
    • 通用的服務類型
    • 針對每種服務類型的業務量規範TSpec（具體參數）
  • IntServ定義了三種通用服務類型
    • 保證型服務(GS)：提供時延、帶寬和丟包率保證
    • 負載受控型服務(CLS)：提供可靠的和改進的盡力而爲服務，至關於網絡在輕負載下的盡力而爲服務，能提供較小的傳送時延，絕大多數分組被成功交付
    • 盡力而爲型服務(BS)——傳統IP網的服務
  • 模型：
    接->分類->調度
    

  設置協議 (Setup Protocol)——RSVP，使主機或路由器可以動態地保留網絡資源，以知足特殊業務流的QoS要求。

  業務流規範 (Flow Specification)：用於定義一個特定業務流的QoS，業務流 (flow) 是指具備相同QoS的、從某個源到某個目的端的一個分組序列。

  流量控制：接納控制 (Admission Control)、分類器 (Classifier)、調度器 (Scheduler)。

  • RSVP協議：
    • 終端主機：用RSVP協議向網絡申請資源
    • 路由器(網絡節點)：經過RSVP協議創建和保持資源預留狀態，並將資源預留請求轉發給數據流通過的其它路由器，最終實現資源預留。
    • RSVP的特色：
    • 適用於單播和多播預留
    • 單向預留——只預留從發送方到接受方的資源
    • 接收方發起預留——在多播通訊中，容許不一樣的接收方要求不一樣的QoS
    • 軟狀態——在分組途經的路由器中創建資源預留「軟」狀態。需不斷刷新，不然會過期
    • 提供不一樣的預留風格
    • 透明經過非RSVP路由器

  在Internet中實現QoS的信令協議，是利用現有的Internet網絡結構和路由協議將業務流的QoS要求傳遞給通路上的主機或路由器，協商進行資源預留。支持組播業務。

  資源預留過程：
  

  •PATH消息內容包括預留資源、會話類型、數據分組的格式和流量特性等

  •RESV消息肯定了資源的預留方式和對應的發送方式

• 區分服務(DiffServ)

DiffServ體系最先由Nichols於1997底提出，IETF成立了一個專門的DiffServ工做組。DiffServ與InterServ的本質區別在於它不是針對每個業務流進行網絡資源的分配和QoS
參數的設置，而是將用戶的業務流匯聚成少數幾類，爲不一樣的業務類提供優先級服務。與InterServ不一樣，DiffServ只提供相對的服務質量保障。

網絡結構：

DS結構=QoS策略或資源管理器+邊緣業務量調節器+ 核心PHB處理

PHB：

DS邊緣路由器和核心路由器：

• QoS路由
  • 鏈路狀態信息的發佈：路由器須要拓撲和資源信息以計算路由
  • 路由計算
  • 路由表存儲
  • 源端路由：源端節點根據全局信息計算可行路徑
  • 分佈式路由：每一個節點經過距離矢量計算每一跳路由
  • 層次路由：網絡中的節點造成一個多級的層次結構，分層遞歸選路

傳統的Internet路由協議 (OSPF，RIP) 是採用單個參度 (如跳數、成本) 計算最短路由，沒有考慮多個QoS參數的要求。QoS路由能夠根據多個QoS參數進行路由，對應用提供QoS保證。度量參數包括帶寬、成本、每一跳開銷、 時延、可靠性等，其目標是要儘可能知足每一個鏈接的QoS請求，同時優化網絡資源利用率。

QoS路由的三個核心功能

QoS路由策略

優勢：知足各種業務的QoS要求，提升網絡的利用率。
缺點：增長開銷：計算開銷和協議開銷，實現複雜。

• MPLS概述

IETF的MPLS工做組提出，主要思想是要開發一種綜合選路和交換的標準，將路由選擇功能轉移到網絡邊緣，將效率更高、結構更簡單的交換功能放在覈心網絡，經過提供虛電路 (LSP) 的方式來提供QoS保證，能夠與資源預留進行結合提供QoS保證。

LSR (標籤交換路由器)：支持第三層分組轉發和第二層標籤交換

FEC (轉發等價類)：在同一路徑上以相同的方式被處理和轉發的一組IP包，能夠被映射爲單一的標籤

LSP (標籤交換路徑)：由一系列LSR創建的從入口到出口的交換路徑，經過標籤轉發分組

LDP (標籤分發協議)：在LSR之間交換FEC/標籤綁定信息的MPLS控制協議

LIB (標籤信息庫)：保存在LSR中的鏈接表

MPLS轉發和傳統的IP轉發：

過程：

4.分組網的通用QoS框架

1）基本定義：

QoS框架由一組與網絡能力、DiffServ、IntServ、MPLS等實現QoS的具體方式無關的QoS構建模塊組成。按照三個邏輯平面組 織：控制、數據、管理，經過這些構建模塊的不一樣組合，爲各類應用提供滿意的業務性能，並最終幫助電信運營商提供決定業務用戶滿意度的綜合服務性能。

2）控制平面的機制：

a）接納控制——控制業務流量是否被容許進入網絡。接納控制一般由策略驅動，業務流是否被接納取決於預先肯定的SLA及可用網絡資源接納控制能夠採用基於參數的方法或基於測量的方法來保證業務的QoS。

• 基於參數的方法：根據最壞狀況下的邊界值(分組丟失、時延和抖動等)，對實時業務提供「硬」QoS，一般須要進行資源預留
• 基於測量的方法：經過測量現有的流量來進行接納決策。不能保證吞吐量、分組丟失、時延和時延抖動的「硬」指標，只能提供「軟」的或相對的QoS
• 基於測量的方法具備更高的網絡資源利用率

b）QoS選路——QoS選路就是找到一條知足一個或多個QoS條件的路徑，實際的QoS選路方案通常只考慮一個或兩個QoS參數。幾種能夠減小計 算複雜性的路由策略：源路由、分佈式路由、分級路由。爲了保證QoS路徑的性能，QoS選路一般須要與資源預留機制一塊兒來爲該路徑預留必要的網絡資源。

c）資源預留——擁塞避免經過採用有效手段保證網絡負載在其容量之下，從而使網絡運行在可接受的性能水平。典型的網絡擁塞避免方案是在網絡擁塞指示 (分組丟失或定時器超時)出現時由發端減小進入網絡的流量。業務源如何減小進入網絡的流量取決於傳輸協議。如TCP的成倍減少窗口尺寸，通常來講，先削減 准入優先級不高的用戶的業務量。 ECN(顯示擁塞通知，對遭遇擁塞的分組進行標記)可避免因爲分組丟失後的重傳致使額外延時的可能。

d）排隊和調度——排隊和調度機制用來控制將哪些分組發送到輸出鏈路上。輸入業務流被保存在由多重隊列構成的排隊系統中。管理隊列系統就是應用排隊和調度規則

e）分組標記——能夠根據分組在網絡中的特定服務類別對分組進行標記。分組標記就是爲分組的特定頭域指定一個值，一般由邊緣節點來完成，若是由主機來完成，邊緣節點必須對其進行必要的檢查和變換，網絡能夠經過改變標記對分組進行升級或降級。

f）流分類、流量監管——流量分類能夠針對流或分組進行，在網絡邊緣，負責流量分類的實體經過察看分組的多個字段來決定該分組屬於哪一個集合及相應的服務等級協議 (SLA)。而流量監管以逐跳轉發爲基礎，根據預約的策略或協議來決定某一流量是否被提供。

g）流量整形——用來控制進入網絡的流量的速率和容量。一般在出節點和入節點之間完成。

3）管理平面機制

a）SLA——SLA是客戶與服務提供者就一項業務在可用性等級、適用性、性能、操做和其它業務屬性等方面達成的協議，SLA的技術部分稱爲業務等級規範(SLS)，包括一組參數和值，它們一塊兒規定了網絡提供給客戶的服務。管理SLA主要是管理SLA協商的服務質量。

b）流量測量——測量（Metering）主要是根據協商的流量描述來監視業務流的臨時特性（如速率），包括在一個給定的網絡點觀察業務流特性，並 收集和存儲流量信息，以便分析和進行進一步的處理。根據協商的等級，測量器能夠調用相應的機制，對分組進行處理，如丟棄分組或對分組流整形。

c）流量恢復——流量恢復廣義的定義是，在故障條件下儘可能減輕流量丟失。流量恢復應從多個層次上來考慮：光網絡層、SONET/SDH層、IP 層……不一樣層次能夠經過不一樣的方式來進行流量恢復，有兩種類型的故障：鏈路故障和節點故障，衡量業務恢復能力的參數有兩個：恢復時間、恢復百分比。

d）策略——策略是一組用於管理和控制對網絡資源的訪問的規則，能夠是爲了知足業務提供者的須要，或者反映客戶與業務提供者之間的協議。業務提供者能夠根據策略實現控制平面和數據平面的機制。

4）不一樣構建塊之間的交互

一個全面的QoS解決方案一般須要協同使用控制平面、數據平面和管理平面的多個構建塊。所以，須要在不一樣的平面、不一樣的構建塊之間交換QoS參數，包括分組級的傳輸性能（如時
延和丟包率）、服務的有效性和可靠性指標、服務等級參數等。不一樣構建塊之間QoS參數的傳遞和交換能夠經過信令和數據庫查找等機制完成。

5.NGN的端到端QoS

1）目標： 爲各類業務和應用提供要求的質量，可以保證具備不一樣QoS體系結構的不一樣管理域之間的互通，以獲取端到端的QoS。所以，端到端QoS的設計目標應該是一種體系結構框架，該框架能夠提供知足用戶 (包括端用戶和其它應用提供商以及網絡提供商等)的綜合需求。

2）需求：

考慮NGN的通常約束：支持不一樣的商業模型、不一樣的業務類型、不一樣的接入和傳送技術……

• 支持業務生命週期相關的過程：業務的訂購、調用、售後處理等
• 支持不一樣的QoS控制粒度：基於流、基於會話、基於業務類，支持動態QoS
• QoS互通：不一樣提供商、不一樣域
• QoS信令：用戶發起/網絡發起，通道解耦/通道耦合

3）體系結構模型:

4)業務訂購過程

• 業務提供層：負責管理業務訂購。它提供一個正式的業務合同，在客戶與提供者之間進行協商
• 業務執行層：激活QoS合同，並訂購 (order)資源協調層
• 資源協調層：管理端到端資源性能相關的信息 (鏈接、接入網等)，將QoS特性與網絡資源性能進行綁定
• 網絡資源處理層：對網絡資源配置進行管理，按微觀方式 (接口、緩衝區等)將QoS約束條件考慮進行
• 網絡元素資源管理層：負責對網絡元素配置參數進行管理，並將資源標爲臨時佔用狀態

5）業務調用過程

• 業務提供層：將客戶訂購的QoS和客戶請求的QoS進行對照
• 業務執行層：處理適合客戶的請求的QoS
• 數據資源協調層：選擇知足上述QoS約束的端到端QoS資源 (接入網、核心網、子網等)
• 網絡資源處理層：根據QoS約束進行包括接納控制在內的控制
• 網絡元素資源處理層：根據每一個節點的實際資源狀態進行接納控制
• 資源層：業務流按照業務合同的規定進行交換和轉發

6）業務售後過程

基於網絡測量，獲得估算的業務實際佔用的資源信息，與事前訂購的業務合同進行比較，據此向用戶計費。

7）通用參考模型

8）資源控制方式

a）集中的接納和資源控制

b）接納和資源控制在邊緣完成

c）混合控制

9）資源接納控制功能

RACF（資源接納控制功能）經過接入網和核心傳送網，提供QoS控制（包括資源預留和接納控制）、網絡地址端口轉換（NAPT）/防火牆控制、NAT穿越控制功能。RACF在業務控制功能和傳送功能之間進行資源協商和分配的協調。

6.UMTS網絡的端到端QoS

1）模型：

2）UMTS端到端服務的提供

• 一個本地TE/MT本地承載服務
• 一個UMTS承載服務
• 一個外部承載服務(多是另外一個UMTS承載服務)

3）UMTS 承載服務

UMTS承載服務負責提供UMTS QoS。UMTS承載服務包含無線接入承載服務和核心網承載服務，兩種服務構成了實現UMTS承載服務的最優路徑，即基於各自的網絡拓撲考慮瞭如移動性和移動用戶配置等各個方面的實現。

• 無線接入承載服務爲MT和CN邊緣節點之間的信令傳輸和用戶數據傳輸提供符合UMTS承載服務協商的QoS或默認的QoS
  無線接入承載服務由一個無線承載服務和一個RAN接入承載服務來實現。無線接入承載服務包括了無線接口傳輸的全部方面，此承載服務由UTRAN FDD/TDD或GERAN提供。RAN接入承載服務及其物理承載服務負責在RAN和CN之間提供傳輸服務。傳輸分組流的RAN接入承載服務應該根據不一樣 的QoS來支持不一樣的承載服務。RAN接入承載服務由Iu或Gb接口上的承載服務提供。
• UMTS核心承載服務利用CN網關鏈接到UMTS CN邊緣節點，最後連到外部網絡。核心承載服務負責有效性控制並利用骨幹網絡來提供約定的UMTS承載服務。
  核心網承載服務利用通常骨幹網服務來實現，骨幹網服務包括Layer1/Layer2的功能實體，由運營商策略選擇所需的骨幹網服務來知足核心網承載服務的QoS需求。
  

IMS端到端QoS架構