（声学专业论文）声信息在ip网络传输的服务质量的实现.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着i p 宽带技术的发展和广泛应用，网络上多媒体信息和实时任务的数量与 日俱增。因特网已逐步由单一的数据传送网络向数据、语音、图像和实时任务等 多媒体信息的综合传输网络进化。但由于传统的因特网的传输模式仍为“尽力而 为”( b e s t e f f o r t ) 型服务，没有提供面向多媒体和实时任务所要求的服务质量 q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 保证技术，因此，如何提高i p 网络的服务质量使之能满足音 频等多媒体信息的通信业务已成为目前研究领域的一个热点。 本文研究的重点是服务质量在具体包交换芯片上的实现研究。 本论文主要分为以下四个部分： 第一部分分析了声信息在网络传输的特点。 声信息在网络实时传输的特点表现在网络必须满足其在传输过程中对延迟、 延迟抖动、丢包率、误码率等的严格的要求。 第二部分系统地研究分析了服务质量的概念及体系结构。 第三部分研究区分服务体系中服务质量各种技术手段的工作原理。 这些技术手段块主要包括有：( 1 ) 流分类、( 2 ) 流量监管、( 3 ) 流量整形、( 4 ) 优先 级标记、( 5 ) 拥塞避免、( 6 ) 拥塞管理和缺省8 0 2 1 p 优先级配置、( 7 ) 重定向及策略路 由、( 8 ) 流镜像、( 9 ) 流量统计。 第四部分结合特定的某款交换芯片，研究在网络设备中服务质量功能的具体实 现，并提供其在i p t v 中的应用案例。 关键词：音频，服务质量，区分服务体系，访问控制列表，包交换芯片 西北1 一业大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e tp r o t o c o l ( i p ) b r o a d b a n dt e c h n o l o g y , al o to f m u l t i m e d i ai n f o r m a t i o na n dr e a lt a s k si ni n t e m e ts t e a d i l yi n c r e a s e s c o n t r a s tt on e t w o r k f o r m e r l yo n l yf o rt r a n s m i t t i n gd a t a ，i n t e r n e ti sb e c o m i n gai n t e g r a t e ds e r v i c e sn e t w o r k f o rm u l t i m e d i as u c ha sd a t a ，s o u n d ，i m a g ea n dr e a lt a s ke t c h o w e v e r ，b e c a u s et h e p a t t e r no f t r a d i t i o n a ln e t w o r k i ss o c a l l e d 。b e s te f f o r ts e r v i c e s ”a n di s n ta b l et op r o v i d e t e c h n o l o g yg u a r a n t e ef o rt h eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) w h i c hi sr e q u e s t e db ym u l t i m e d i a a n dr e a lt a s k ，h o wt od e v e l o pt h eq o so fi pn e t w o r kh a sb e c o m eah o t s p o ti nn e t w o r k r e s e a r c hf i e l d t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ei m p l e m e n to fi n t e m e tp r o t o c o lq u a l i t yo fs e r v i c eb a s e d o nc e r t a i np a c k e ts w i t c hp r o c e s s o ri nal a y e r3s w i t c h t h ew h o l ep a p e ri n c l u d e sf o u rp a r t sa n di so r g a n i z e da sf o l l o w s ： p a r t1w ea n a l y s et h ef e a t u r e so fa u d i os e r v i c e si ni n t e r n e t t h ei n t e m e th a v et om e e tt h er e q u i r e m e n t sa b o u tj i t t e r , d a l a y , l o s s ，b i te r r o r ，e t c f o r s u p p o r t i n ga u d i os e r v i c e s p a r t2w ea n a l y s es y s t e m i c a l l yt h ec o n c e p ta n dt h ea r c h i t e c t u r eo fi pq o s p a r t3w ea n a l y s ea l lk i n d so ft e c h n i c a lm e a n si nt h ed i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e s a r c h i t e c t u r e ，i n c l u d i n gt r a f f i cc l a s s i f i c a t i o n ，t r a f f i cl i m i t ，t r a f f i cs h a p i n g ，p r i o r i t ym a r k ， c o n g e s t i o na v o i d a n c e ，c o n g e s t i o nm a n a g e m e n t ，r e d i r e c t i o n ，t r a f f i c m i r r o r ，t r a f f i c s t a t i s t i c s p a r t4w er e s e a r c ht h ei m p l e m e n to fi pq o si nl a y e r3s w i t c hb a s e do nac e r t a i n p a c k e ts w i t c hp r o c e s s o r k e y w o r d ：a u d i o ，i pq o s ，d i t p s e r v ，a c l ，p a c k e ts w i t c hp r o c e s s o r i i 西北，1 业大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 网络自6 0 年代出现以来迅速发展，近几年来更以惊人的速度增长，深刻而 广泛地影响着整个世界的方方面面。伴随着人们对网络服务需求的不断提高和 i p fi n t e r n e t p r o t o c 0 1 ) 宽带技术的发展和广泛应用，网络上多媒体信息和实时任务的 数量与日俱增。因特网已逐步由单一的数据传送网络向数据、语音、图像和实时 任务等多媒体信息的综合传输网络进化。同时各种数据网络向i p 网络的集中、合 并是当前的一种基本趋势，许多信息技术和商业应用都已转向和正在转向i p 网络。 广播和电视网与i p 网络的合并已经开始。并且随着多媒体通信技术的发展，可视 电话、电话会议、i p 电话，i p t v 等，与大众的生活的联系越来越密切。这一切都 涉及导多媒体信息的重要组成部分一一音频信息在i p 网络上的传输问题。 但由于传统的因特网的传输模式仍为“尽力而为”( b e s t e f f o r 0 型服务，没有提供 面向多媒体和实时任务所要求的服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 保证技术，即对 带宽、时延、时延抖动、丢包率等性能的保证。为适应新的业务，提供对多种q o s 业务的支持，必须改进当前的因特网网络。 目前，服务质量技术的体系结构主要有i e t f 建议的综合服务 f i n t s e r v i n t e g r a t e d s e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) 体系和区分服务( d i f t x 3 e r v d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e s ) 体系。两种体系各有优缺点及应用的场合。本论文将研究为了保证音频信 息在i p 网络中传输，运用目前广泛采用的区分服务体系的工作原理，在网络设备 中的具体实现。 1 2 研究意义 近几年来，服务质量已经成为网络研究领域中研究的热点。为了解决在因特 网等计算机网络上高质量地传输语音、视频等多媒体信息的问题，美国于1 9 9 6 年 底，开始了以提高网络服务质量研究为核心的i n t e r a c t 2 以及n g i f n e x tg e n e r a t i o n i n t e r n e t ) 等项目。i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 也成立了专门的工作小组来 研究多媒体服务质量的定义和相关的标准，服务质量保证技术成为了新一代网络 两北t 业大学硕士学位论文第一章绪论 的核一i i , 技术之一【“。 目前的i p 网络是一个尽力而为的网络，它将智能放在位于网络边缘的源和终 点的主机中，而主干网络尽量简单。不可靠、无连接、尽最大努力交付是目前i p 网络的三大特点 2 。 不可靠：是指不能保证交付每个分组数据包，分组数据包可能在传输途中丢 失、重复传送、延迟或不按序交付等。 无连接：是指每个分组数据包会被独立对待。从一台计算机发送到另一台计 算机的分组数据包序列，可能经过不同的传输路径，或者有的丢失有的到达。 尽最大努力交付：互联网软件尽力发送每个分组，分组不会被保证送到目的 地，在途中有可能被丢失。 由以上分析可知，i p 网络在设计当初就是一个非面向连接的协议，但随着i p 宽带技术和实时、多媒体应用技术的飞速发展，特别是实时业务，由于对带宽、 时延、和时延抖动等因素比较敏感，现有的i p 网络很难保证对其传输的服务质量。 表1 1 列出了一些不同业务对网络性能的要求。 表1 1 不同媒体对通信网的要求 最大时延最大时延抖平均吞吐量可接受的误可接受的误 ( s )动( m s lf m b i t s ) 码率分组率 语音 0 2 51 00 0 6 4 1 0 1 1 0 1 活动图像 o2 51 01 0 0 1 0 。2 1 0 2 压缩活动图像 0 2 312 1 0 0 1 0 。6 1 0 。9 数据文件传送12 1 0 0o0 实时数据 o0 0 1 1 1 0 0oo 静止图像 12 1 0 0 1 0 。4 1 0 9 从表中可以看到语音、图像、实时数据对时延都有较高的要求，时延一般不超 过2 5 0 m s ，而一般的数据业务如e m a i l 等对时延的要求就相对较低。语音和活动 图像对时延抖动非常敏感，一般不超过1 0 m s 。而对于平均吞量来说，活动图像对 此项参数指标要求为1 0 0 m b i l s ，因为活动图像的数据量通常非常大，会占用大量 的带宽。因此，当我们在网络中传送这些多媒体数据时，希望网络能够提供相应 较高级别的服务来保证服务质量，而不是一视同仁的尽力而为的服务。1 3 j 由于服务质量问题是解决i p 网承载多业务的关键因素，因此对服务质量的研 究一直是当今业界研究的热点。 2 暇北t 业火学硕士学位论文第一章绪论 1 3 国内外研究现状 服务质量研究已经走过近十年的历程，取得了不少理论成果，也产生了很多 相关的建议和标准。从当前的研究成果看，主要有以下几种解决方案。 1 综合服务体系 综合服务体系的基本思想是在传送数据之前，根据业务的服务质量需求进行 网络资源预留，从而为该数据流提供端到端的服务质量保证。综合服务虽能提供 确定的服务质量保证，但是它需要在网络中维护每个流的状态，因而扩展性差， 难以在大型i p 网络中实施。 2 区分服务体系 区分服务体系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。区分服务只包含有限 数量的业务级别，状态信息数量少，实现简单，扩展性较好。目前，区分服务是 业界认同的骨干网的服务质量解决方案。它的不足之处是不能为每个单独的流提 供端到端的质量保证。此外，由于标准还不够详尽，不同运营商的网络之间很难 进行服务质量参数的协商和调整。1 1 1 3 多协议标签交换( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ，m p l s ) p j 利用多协议标签交换技术，可以协助解决q o s 问题。m p l s 是一种结合第二 层和第三层的交换技术，引入了基于标签的机制，把路由选择和数据转发分开， 由标签来规定一个分组通过网络的路径。m p l s 网络由核心部分的标签交换路由器 ( l s r ) 、边缘部分的标签边缘路由器( l e r ) 组成。 由于m p l s 采用标签交换来进行m p l s 转发，因此其转发效率高于传统i p 通 过路由器的转发，从而通过减少转发时间来提高q o s 。此外，m p l s 的报文头中包 含个3 b i t 的e x p 字段，通过该字段可以标记该m p l s 报文的优先级，从而使设 备在转发该m p l s 报文时能根据优先级标志进行区别对待。 这种方式的局限性在于：首先它必须基于m p l s 网络实现，而当前许多网络 上并没有实施m p l s ；另外随着近几年芯片技术的不断发展，路由转发与交换转发 之间的性能差异也越来越小；而且通过e x p 字段进行优先级区分实际上也是区分 服务的实现方式，因而这种方式也不可避免地具有区分服务所具有的一些局限性。 4 m p l s t e 流量工程( t r a f f i ce n g i n e e r ，t e ) 是指为业务流选择路径的处理过程，以在网 络中不同的链路、路由器和交换机之间平衡业务流负载。其目标是在给一定节点 与另一节点之间计算一条路径( 源路由) ，该路径不违反它的约束( 例如带宽管理 洒北j ：业人学硕十学位论文 第一章绪论 要求) ，并且从一些数量指标看来是最优的。 m p l s 由于自身路由与转发分离的特点，适合与t e 的结合，形成m p l s t e 技术。应用m p l s t e ，可以提高网络的q o s ，主要体现在：利用m p l s t e ，可以 在多条可能的转发路径中进行负载平衡，从而避免拥塞，提高q o s 。应用m p l s t e ， 通过r s v p t e 信令创建一条具有严格的q o s 带宽保证的隧道，从而支持绝对的 q o s 。 但m p l s t e 也存在一些局限性，包括：首先它必须应用在m p l s 网络中，因 此目前部分非m p l s 现有网络无法支持该技术的应用；其次目前对m p l s t e 跨域 的应用仍然在研究阶段，这意味着当前m p l s t e 主要的应用只能在单个域中；另 外，m p l s t e 虽然可为用户创建具有带宽保证的隧道，但如果在隧道中同时传送 多种业务时，如何对这些不同优先级的业务进行区别处理也是需要研究的问题。【) 1 5 带宽代理 为了更有效地监视和控制全网的资源，在新一代的模型中，人们又提出了带 宽代理( b a n d w i d t hb r o k e r ，b b ) ，也就是网络资源管理器的概念。带宽代理收集 网络的拓扑和节点及链路状态信息，管理网络资源，并且结合策略服务器规定的 策略进行接纳控制。同时，带宽管理还负责管理域之间的通信，通过与相邻网络 域的带宽代理通信来达到跨域之间q o s 实现的目的。 带宽管理技术的优点是将q o s 控制层与数据传输层分离开，核心路由器不需 要进行接入控制和q o s 状态信息保存，路由器之间也简化了或者说消除了q o s 信 令，简化了路由器的复杂性。此外这种方式支持绝对的q o s 保证，包括支持跨域 的q o s 保证。还有就是这种方式中网络资源被统一地控制与管理，有利于电信运 营商把q o s 作为一种业务来开展。 但目前带宽管理技术仍然处于研究阶段，带宽代理与业务层和承载层设备之 问的信令交互，以及带宽代理之间的信令交互都还在讨论之中。另外，这种方式 对带宽代理的要求很高，在某些情况下，如果同时申请资源的业务流个数很多， 有可能会使带宽代理成为网络中的瓶颈。【0 1 1 4 研究的目的和研究内容 1 4 1 研究目的 通过对各种服务质量技术手段的研究，分析其工作原理和应用场合，并在商 用的网络设备( 这里指路由器和三层交换机) 上研究其具体的实现过程。 西北工业人学硕士学位论文第一章绪论 1 4 2 研究内容 ( 1 ) 研究音频信息在i p 网络传输的特点。 ( 2 ) 研究区分服务体系中服务质量各种技术手段的工作原理和应用场合。 ( 3 ) 结合特定的某款交换芯片，研究在网络设备中服务质量功能的实现。 1 5 论文的组织 论文后续几章的内容安排如下：第二章系统的分析了音频在i p 网络传输的特 点，第三章分析了服务质量的概念及服务质量的体系结构。第四章分析了目前主 要的区分服务体系中服务质量的各种技术手段的工作原理和应用场合。第五章详 细介绍了利用某款特定的交换芯片实现服务质量功能模块。第六章是总结。 1 6 本章小结 本章作为全文的绪论，由目前i p 网络的特点和用户的需求引出服务质量技术 的重要性。接着介绍了服务质量体系结构及各自特点、本论文研究的目的和研究 内容以及论文的组织结构。 两北t 业人学硕士学位论文笫二章音频在i p 网络中传输的特点 第二章音频在l p 网络中传输的特点 2 1 网络性能的描述指标 为了描述网络在提供服务时的质量，我们采用了一下一些指标来描述，包括 可用性、传输延迟、可变延迟、吞吐量、丢包率等。 可用性：用户与网络连接的可靠性。 传输延迟：两个参照点之间发送和接收数据包的时间间隔。 可变延迟：也称为延迟抖动，指接收的组数据流中数据包之间的时间差异。 吞吐量：网络中发送数据包的速率，可用平均速率或峰值速率表示。 丢包率：在网络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率。数据包丢失一般是 由网络拥塞引起的。 在下面的工作中，我们将重点讨论这些指标对音频等多媒体信息在i p 网中传 输特定和要求。 2 2 音频在l p 网络中传输的特点 2 2 1 延迟对音频在i p 网络中传输的影响 延迟是衡量网络性能的重要参数，它可采用多种方式表达。i p 网络音频数据 传输的延迟通常出以下四部分组成：累积延迟( 又称算法延迟) 、处理延迟、网络 传输延迟和缓存排队延迟。其中前三种延迟相对稳定，而缓存排队延迟是造成延 迟抖动的主要原因之一。 累积延迟是音频编码器收集一帧音频采用值而产生的。处理延迟是由编码器 编码和将编码数据组装成数据包而引起的。其中编码延迟与所选的编码算法有关。 i t u t 制订了多种语音编码标准，常用的有( 3 7 1 1 ，g 7 2 2 ，g 7 2 3 1 ，( 3 7 2 8 ，g 7 2 9 等。 不同的算法其累积延迟不同，如g 7 2 8 的累积延迟为2 5 m s ，g 7 2 3 为3 0 m s ，g , 7 2 9 为1 0 m s 。每种编码都有特定的算法复杂度要求，在特定的码率下，提供特定的编 码质量。应综合考虑应用的带宽要求、处理能力和环境条件选择合适的编解码器。 处理延迟与网络设备的业务处理能力相关。 丽4 l t ：业大学硕士学位论文第二章音频在i p 网络中传输的特点 网络传输延迟与物理传输介质、传输语音包的协议有关。 缓存排队延迟主要是由于接收端用于减少延迟抖动而设置的缓存造成的，它 跟缓存的大小直接相关。 国际电信联盟规定对于大多数应用来说，单路语音的延时最大不能超过 1 5 0 m s ，语音通信中可忍受的延时限度为4 0 0 m s ，当往返延时超过5 0 0 m s 时，系统 就完全无法使用了。一般情况下要求端到端单向时延在3 0 0 m s 以内，反馈的时延 在5 0 0 m s 以内。 2 2 2 延迟抖动对音频在i p 网络中传输的影响 在基于数据包的网络中，从相同源端发往相同目的端的数据包，其到达目的 端的延迟时间往往是不同的。这是因为各个数据包之间是独立的，每个数据包都 可能选择不同的路由，从而经历不同的处理延迟和不同的网络拥塞情况，最终导 致总延迟的不同。所谓延迟抖动是指在一条连接上数据包延迟的变化率。在理想 情况下，端到端延迟为一个恒定值即零抖动。但是延迟抖动是不可避免的，抖动 过大，会使接收端出现断断续续的现象，并且还会导致数据到达接收端时顺序颠 倒。对于连续媒体流的传输来说，应将延迟抖动限制在一定的范围内，这样有利 于改善所接收的音频的视频流的质量。 它会对语音、视频流等实时业务造成较大影响，严重时甚至会造成业务质量 无法被用户接受。比如抖动过大会严重影响视讯业务的视音频主观质量，具体表 现为声音出现剪切、图象出现凝固和快进。开展实时视讯业务的网络抖动最好能 控制在5 0 m s 以内，减少抖动的方法在于减少端到端的跳数，并保证足够的带宽和 视音频数据包传输时的优先级。 2 2 3 丢包率对音频在lp 网络中传输的影响 在i p 网络中，由于网络故障或拥塞，可能产生数据包出错或节流。结果在接 收端可能造成数据包的丢失。包丢失会验证降低语音通话的质量。每个i p 包一般 包含3 0 8 0 m s 的语音信息，与语音的基本单位音素的持续时间大致匹配。当一个 包丢失时，就会导致在连续的话音中丢掉一个或两个音素。尽管人脑可以重构话 音中丢失的一些音素，但是太多的音素的丢失将导致话音不可理解。国外有学者 就英语的话音数据包丢失对话音质量的影响做过专门的研究，结果表明1 0 以内 p q 北f i i j 业大学硕士学位论文第二章音频在i p 网络中传输的特点 的丢包率对话音质量的影响不是很大。国内针对汉语言数据包丢失对语音清晰度 的影响进行的研究表明：当数据包丢失率达到2 5 时，清晰度下降都不是很明显， 但是当丢包率超过2 5 时，清晰度急剧下降。当然，当丢包率达到2 5 时，虽然 清晰度还比较高，但语音听起来很不舒服，仅仅能听懂而已，这对于网络业务提 供商提高服务质量来说是非常不愿意看到的结果。一般来说，当丢包率超过5 时， 就会对通话产生很大的影响。 延迟、抖动和丢包之间存在着密切的关系。从网络的角度来看，这三者同时 制约于网络的运行情况，当网络的服务质量下降时，三者迅速恶化。从终端的角 度来看，延迟、抖动和丢包三者之间又相互影响。例如：在终端处理中，为了减 少抖动带来的影响，就要采用抗抖动缓冲区，这就引入了额外的时延；为了减少 迟到的数据包数量，可以延迟语音的回放，但也会引入额外的时延；为了采用丢 包恢复技术，往往需要利用后续帧信息，这样也引入了一定的时延；如果抖动效 应加强，势必会使迟到的数据包增多。所以，为了解决i p 网络上音频数据传输的 服务质量问题，必须在这三者之间进行权衡。【，1 22 4 回声对音频在i p 网络中传输的影响 语音通信系统中常常由于扬声器和麦克风相耦合而产生回声。回声与延时有 密切的关系，一般当回声强度一定时，延时越大回声干扰越严重。在短距离连接 中，延时很小，回声与用户的说话及背景噪声混杂在一起，通常都感觉不到。但 是，当延时超过2 5 m s 时，回声就会使m o s ( 主观打分) 明显下降，且使会话人 难以忍受。在远端通信中，由于线路传输延时以及语音信号的编解码延时和播放 缓冲延时等，延时通常都大于2 0 0 m s ，因此回声问题是语音通信中的一个至关重要 的问题。 2 3 总结 随着i p 网络上多媒体传输业务的增多，i p 网络在服务方面的诸多不足逐渐暴 露处理，使得制导相应标准和引入带宽管理机制的迫切性不断提升。音频信号的 带宽要求不高，相对于视频信号的带宽要求可以说是微不足道。 对于i p 电话等实时双向音频信号传输，在时间方面的要求远比带宽方面的要 求重要。对话双方对通话质量有即使而明显的感受，话音的不连续和延迟都是显 两北工业大学硕士学位论文第二章音频在i p 网络中传输的特点 而易见的。国际电信联盟规定对于大多数应用来说，单路语音的延时最大不能超 过15 0 m s ，语音通信中可忍受的延时限度为4 0 0 m s ，当往返延时超过5 0 0 m s 时， 系统就完全无法使用了。 正是因为音频信号对延时非常敏感，因网络的瞬间拥塞而引起的延时及延时 抖动严重的影响了音频信号的传输质量，延时过大还会导致数据包的丢失。对以 i p 电话为代表的i p 网络音频传输业务来说，公认的最大的障碍就是延时。 数据包丢失是i p 网络上音频传输的另一个障碍。当路由器或交换机发生拥塞 时，一些数据包就会被丢弃。由于交互式语音通信的实时性要求，一般不可能要 求发送方重传丢失的数据包。此外，若语音在其预定播放时间之后到达，则该语 音包的数据就不会被播放。这一切都严重的降低了音频数据传输的质量。在语音 通信中，人所能忍受的数据包丢失率一般在1 0 以内。 基于上述的分析，提高音频信息等多媒体信息在i p 网络中的传输质量，就必 须研究i p 网络的服务质量性能。 9 两 lj _ - 业大学硕士学位论文 第三章服务质量体系结构 第三章服务质量体系结构 3 1 服务质量概念 服务质量的提出是独立于宽带网络的。因为它泛指所有通信业务的服务质量。 但是宽带网络的发展使q o s 这个概念变得格外的重要。无论是在网络技术选型、 规划建设时期，还是在网络商的运营过程中，都是一个不容忽视的概念，有必要 对其作深入了解并进行全面考虑。 目前在电信研究领域，关于服务质量的概念比较混乱，由于一些原因，不同研 究组织，如i t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ) 、e t s i ( e u r o p e a n t e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d s i n s t i t u t e ) 、i s o ( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o n f o r s t a n d a r d i z a t i o n ) 、i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 等对于服务质量给出了不 同的定义，这些定义的内涵不尽相同。 下面我们对这些不同的服务质量定义进行比较分析，以确定它们之间的内涵关 系，从而澄清一些重要的概念。 ( 1 ) i e t f 对于服务质量的定义i s i e t f 有关的r f c ( r e q u e s t f o r c o m m e m s ) 文档中所指的服务质量实际上是指网 络层的q o s ，相应的，其所指的服务质量性能参数也是指i p 层的q o s 性能参数， 主要包括丢包率、吞吐量、传输时延、时延抖动等。这些性能参数的行为主体是 i p 包。 f 2 ) i t u t 对于服务质量的定义 i t u 关于q o s 问题的研究开展的比较早，最早的相关建议出现在上个世纪六 十年代，当时的q o s 主要是指传统电话业务的性能；但是随着i p 技术在电信领域 的应用，q o s 概念的内涵得以扩展。关于服务质量的问题，i t u 发布了一系列的 推荐标准( 建议) ，集中在i t u te 8 0 0 - e 8 9 9 系y o ( 电信服务质量：概念、模型、目 标与规划) 中。这里服务质量的行为主体是指用户、电信业务提供商( s p ) 、电信网 络提供商( n p l 。用户与电信业务提供商之间、电信业务提供商与电信网络提供商 之间签订s l a ，并按照s l a 中规定的服务功能和性能指标来确定服务的质量。 与i e t f 关于服务质量的定义相比，i t u t 的服务质量不单指网络层q o s ，还 包括应用层q o s ，它从网络运营的角度来定义服务质量，认为服务质量存在于各 个网络运营实体之间。 f 3 ) e t s i 对于服务质量的定义 西北： 业大学硕士学位论文第三章服务质鼍体系结构 由于e t s i 和i t u 均属于电信领域的研究机构，并且两个组织的研究人员在服 务质量研究领域有重叠，因此e t s i 对服务质量概念的理解基本上和i t u 对服务质 量的理解相同，均是从网络运营的角度，基于各个网络运营实体来定义的。 f 4 ) i s o 对于服务质量的定义 i s o 的o s i 网络七层协议栈模型一直是计算机网络协议和电信网络协议设计、 规划、实现的重要参考。i s o 认为各个网络层次之间、对等层次之间都存在服务和 被服务关系，因此就存在服务质量的概念。因此，q o s 不只局限于网络层和应用 层，它存在于网络的各个协议层次之间，只要有服务的地方就势必有服务质量的 概念。i s o 对q o s 的定义可以看作是i e t f 、i t u 、e t s i 关于q o s 定义的内涵的超 集。 i e t f 对于服务质量的定义只是局限于网络层，即通常所说的服务质量是指i p 层的q o s ，而不是从整个i p 运营网络的角度来分析q o s 。而i s o 对q o s 的定义是 存在于整个网络的各层之间，它的定义是目前为止最有实际指导意义的。它是对 i t u 中q o s 定义继续深化的结果。但是应该看到：i s o 的o s i 七层协议栈模型只 是一个理论参考模型，它具有较高的逻辑抽象层次，要把这些理论具体化时，还 有相当的困难。h 本文所指的服务质量是指i e t f 对于服务质量的定义，研究具体的网络设备， 如路由器、交换机等对服务质量的实现。具体来说q o s 从概念上来说，可以看作 是为一项或一类网络业务而定义的一组网络性能参数。服务质量则是指数据包在 网络传输中得到的服务质量，其研究目标是有效地为用户提供端到端的服务质量 控制或保证。q o s 并没有创造带宽，只是根据应用程序的需求以及网络状况来管 理带宽，提高网络资源利用率。 服务质量有一套性能参数，主要包括：可用性、传输延迟、可变延迟、吞吐 量、丢包率等。【1 0 一般在q o s 保证的实现中，可以根据具体应用的不同要求将这些参数组合起 来构成不同的服务等级。 例如，根据时延和可靠性的敏感程度，对有代表性的业务所需q o s 级别进行 分类，如表2 1 所示。l ”j 两北i _ , j k 大学硕士学位论文 第三章服务质量体系结构 表3 1 业务服务质量等级分析 应用 业务特征q o s 需求 屯子邮件文件传数据茸小、批文件的传输容许时延，带宽需求低；尽力而为传送 输远程终端 h t m l 网页浏览小的、突发的文件传输允许适当的延迟；带宽需求不确定；尽力 而为传送 电子商务小的双向传输对时延、丢包率敏感；带宽需求适当；可 靠性要求高 语音实时音频 连续或者变化的传送对时延、抖动非常敏感；带宽需求低：需 要可预计的时延和丢包率 流媒体 变化的传送对时延、抖动非常敏感；带宽需求高；需 要可预计的时延和丢包率 3 2 服务质量体系结构 当前的i p 服务质量体系结构主要有i e t f 建议的综合服务( i n t s e r v ) 体系和区分 服务( d i f f s er 、r ) 体系。【1 2 】 3 2 1 综合服务( in i e g r a t e ds e r v i c e s ，i n t s e r v ) 针对服务质量的问题，i e t f 在早期提出了综合服务模型，其基本思想是在传 送数据之前，根据业务的q o s 需求进行网络资源预留，从而为该数据流提供端到 端的q o s 保证。为此，集成服务通常采用面向流的资源预留协议( r e s o u r c e r e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 r s v p ) ，在流传输路径上的每个节点为流预留并维护资源。主 机利用r s v p 向网络为应用流提出q o s 的请求；路由器利用r s v p 将q o s 请求信 息传给流的路径中的其他路由器，并建立和保存该服务的信息：r s v p 请求将会使 得沿着数据路径的资源在路由器处预留。这种模型的优点是能提供端到端的绝对 的q o s 保证，但是缺点也非常的明显：u i i 副 1 对现有路由器的改造十分复杂。由于需要进行端到端的资源预留，必须要 求从发送到接收之间所有路由器都支持r s v p 和许可控制协议，同时每个路由器 还要花费大量的资源来维护和更新数据库( 如链路状态数据库) 。 2 综合业务模型下的预留状态信息是与业务流的个数成正比的，这使得路由 器的负担会随着网络的扩大、业务流的增多而加重，网络的扩展性不好。 3 该模型不适合于短生存期的流。在综合服务模型中，r s v p 进行的资源预 两北工业大学硕士学位论文第三章服务质量体系结构 留是单向的，因此必须对其规定两个方向的资源预留，从而增加网络开销。在短 生存期的流占大多数的网络中，采用综合服务模型就得不偿失了。一1 总之，综合服务能够在i p 网上提供端到端的q o s 保证。但是，综合服务要求 端到端的信令，对路由器的要求很高，当网络中的数据流数量很大时，路由器的 存储和处理能力会遇到很大的压力，在实际运营的网络中几乎无法实现。因此， 综合服务可扩展性很差，难以在因特网核心网络实施，目前业界普遍认为综合服 务有可能会应用在网络的边缘上。叫 32 2 区分服务( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ，d i f f s e r v ) ( 1 1 区分服务模型的概念 i e t f 在1 9 9 7 年酝酿并于1 9 9 8 年提出了因特网区分服务( d i f f s e r v ) 模式。 d i f f s e r v 的初衷就是避免高复杂性，提供一种具有良好扩展性的q o s 解决方案， 其核心思想是“边缘分类，内部转发”。 1 7 8 在区分服务中，引入了d i f f s e r v 域( d o m a i n ) f f q 概念，它是指一系列协同满足区 分服务策略管理的、连续的因特网网络的一部分。一个区分服务域可以包括不同 的主机与路由器、管理区域、自治域，不同的信任域与不同的网络技术( 比如信 元或帧) 等等。区分服务域也叫d s ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ) 域。 i p 包头部的区分服务标记域( d sf i e l d ) 是d s 区域边界节点和内部节点传输 流聚集信息的媒介，是内部核心路由器转发报文的依据，是连接报文与转发服务 ( p h b ，p e r h o p b e h a v i o r ) 的桥梁。d s 标记域定义为i p v 4 头部的t o s ( t y p eo f s e r v i c e ) 字节或i p v 6 头部的流类型( t r a f f i cc l a s s ) 字节。如图2 3 所示。 0567 i p v 4 的t o s 字节或者i p v 6 中的流字节 d s c p ：区分服务标记 c u ： 保留给e c n 图3 1i p 包头的区分服务标记域 其中d s c p ( d sc o d e p o i m ，6 b i t ) 即为区分服务标记，c u ( 2 b i t ) 在本体系 中没有使用，i e t f 已将它定义为e c n ( e x p l i c i tc o n g e s t i o nn o t i f i c a t i o n ，显式拥塞 指示) 使用。下行节点则通过识别这个字段，获取信息来处理到达输入端口的数 据包，并将它们正确地转发给下一跳的路由器。 每跳行为( p h b ) ：有关d s 节点对通过某一条链路的具有相同d s c p 的分组 西北：【业大学硕士学位论文第三章服务质量体系结构 集合所施加的外部可见的转发行为的描述。 ( 2 ) 区分服务物理结构及基本工作原理 如图2 2 ，d i f l s e r v 域主要由一些路由器组成，并对这些路由器进行了区分， 把位于d i f f s e r v 域边界的称为边界路由器( e d g er o u t e r ) ，而把d i f f s e r v 域内部的称 为内部路由n ( c o r er o u t e r ) 。边界路由器需要具有的功能有：对业务流的分类( 基于 i p 分组中一些字段的与i n t s e r v 类似的较细分类或者为基于汇聚的较粗分类) 、测量 ( m e t e r ) 、标i g ( m a r k i n g ) 、整n ( s h a p i n g ) 、和调度( s h e d u l i n g ) ；内部路由器需要具有 的功能有：分类( 为基于汇聚的较粗的分类) 、调度。d i f f s e r v 力图通过对业务流的 分类、测量、标记、整形、调度来实现对业务q o s 一定程度上的保证。 区分服务物理结构的主要成员：核心路由器、边缘路由器、三层交换机、高 性能二层交换机。 图3 2d i f f s e r v 服务模型 区分服务的基本原理是在网络边缘路由器上将用户的数据流按照服务质量要 求来划分等级，映射到一定的业务类别中，随后利用i p 分组中的d s 字段唯一地 标志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，保证相应的延迟、传送率、抖动等服务质量参数。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。区分服务只包含有限数 量的业务级别，状态信息数量少，实现简单，扩展性较好。目前，区分服务是业 界认同的i p 骨干网的服务质量解决方案。 ( 3 ) d i f t s e r v 功能模块 1 1 分类器 数据包分类器根据数据包包头的d s 字段选取数据包。r f c 2 4 7 5 定义了两种分类 器。一种是行为集合分类器( b a 分类器) ，仅根据d s c p 对数据包分类；另一种 是多字段分类器( m f 分类器) ，它根据包头中的一个或多个字段值，例如源地址， 4 西- 4 l _ l , l k 大学硕士学位论文第三章服务质颦体系结构 图3 3d i f f s e r v 服务模型 目的地址，d s 字段，协议标识符，源端口号，目的端口号，以及其它信息如引入 接口，对数据包分类。 分类器的任务就是选出匹配某种规则的数据包，然后指导它们进入流量控制 器模块接受进一步处理。 2 ) 流量控制器 流量控制器包括下列组件：测量器，标记器，整形器和丢包器。业务流首先 经过分类器的选择，然后被分类器送往流量控制器的测量器组件处。测量器负责 测量业务流是否符合业务量的q o s 规定。测量器对一个特定数据包的测量结果会 影响对此数据包的标记，丢弃，或整形行为。当数据包在d s 边缘节点处离开流量 控制器时，每个数据包的d s c p 值都会被赋予一个适当值。 a 坝0 量器 业务量测量器负责测量由分类器选出的数据包流的时间特征。测量器将其测 量结果( 也称为测量器状态) 传递给其它调节功能模块，从而引发对符合或不符 ( 在某种程度上) q o s 要求的每个数据包特殊处理。 b 标记器 数据包标记器负责把数据包的d s 段设置为特定的编码点值，并将标记过的数 据包加入到特定的d s 行为集合中去。标记器可能被配置为把所有送给它的数据包 标记为唯一的编码点值，也可能被配置为根据测量器状态把数据包标记为一些编 码点值中的一个值。如果标记器改变了数据包的编码点，那么我们就说标记器“重 标 己”了此数据包。 c 整形器 整形器负责延迟一个业务流中部分或全部数据包的传输，以便使业务流符合 陌北：】：业大学硕士学位论文第三章服务质繁体系结构 q o s 的要求。整形器有一个有限大小的缓冲区，当缓冲区没有更多的空间容纳需 延迟的数据包时，数据包就会被丢弃。 d 丢包器 丢包器负责丢弃一个业务流中部分或全部的数据包。这一过程也被称做“监察” 业务流。注意，丢包器可以作为一个特殊的整形器( 该整形器缓冲区大小为零或 仅能容纳几个数据包) 实现。 3 ) p h b 调度器 每一跳行为( p h b ) 是指d s 节点运用于特定d s 行为集合上的，外部可观察 的转发行为。p h b 是节点给行为集合分配资源的一种方法，正是基于这种逐跳进 行资源分配的机制，我们才构筑了分类业务模型。p h b 的最简单例子是保证至少 把一条链路带宽的x ( 在一定的时间间隔内) 分配给一个行为集合。这种p h b 在各种业务竞争条件下都可以被公正并且很容易测量。另一种稍复杂点的p h b 要 求确保最少占有x 的链路带宽，同时享受相应份额的链路剩余带宽。在节点处， p h b 是通过一定的缓冲区管理和数据包安排策略实现的。p h b 是通过与服务提供 策略相联系的行为特征定义的，而不是根据采取了何种实现机制。一般