移动互联网数据业务QoS优化与控制研究.docx

移动互联网数据业务qos优化与控制研究 张高毅 （中国移动四川公司计划建设部，成都610041）摘 要： 本文立足于未来移动互联网，致力于高速移动互联网网络的服务质量优化和管理。通过对网络 新技术和新架构的分析，研究针对不同的网络、用户类型、业务类型、时间段、时长进行qos和流量、带宽的 控制，提升业务体验和用户满意度的方法；同时提升互联网带宽的使用率，实施网络流量控制、均匀网络流 量、降低并有效控制流量峰值，合理配置网络、合理有效控制网络投资，为高速数据业务发展创造条件。文中 通过对移动互联网的特点和未来发展的分析，基于dpi业务感知技术及pcc承载架构，提出了移动互联网qos的 优化和控制方案，为高速移动互联网时代做好充分的技术储备。一、引言治标不治本。3）管理不够精细 移动互联网是一个有机的整体，包括用户、网络和业无线宽带通信技术的迅速发展，为运营商带来了新的务。而当前的网络流量管理仅仅是一种粗放的网络资源的 竞争机遇和挑战，通过构建移动宽带互联网，为用户提供调度，很难实现精细的网络资源、业务资源和用户资源的 宽带、高性能网络，可以有效的吸引用户数量的快速提综合管理。 升，改善用户体验和提升用户的忠诚度。然而随着虚拟运综上述，当前网络qos管理中缺乏对用户、业务等的 营商的牌照发放，用户数和分组宽带业务速率的发展，基多方位感知能力，是网络管理能力不足的主要原因。因此 于内容收费的模式受到挑战，同时各种基于ip的创新业务移动宽带网络的运营商需要通过积极参与业务运营、提高 将使基础业务收入流失，运营网络管道化、增量不增收成网络的业务感知能力，同时结合电信网络自身对用户身 为众多传统运营商面临的主要问题。尽管业界已经从技份、位置等的感知能力，提供基于用户、业务、位置、时 术、管理、制度等多个方面采取了很多措施来解决上述问间等多方位的区分qos服务等级的分组网络，实现网络的 题，然而由于互联网原始设计理念导致了其在网络管理方精细化管理，将网络资源合理、有效的引导到高附加值 面存在着能力缺陷，主要问题如下：的、高竞争力的数据业务，成为提高网络资源的单位价值1）重网络，轻业务比，解决和改善运营网络管道化、增量不增收的问题，增 当前，绝大多数的网络流量管理措施都位于网络层，强网络竞争力的关键能力。主要致力于网络性能（qos）优化的基本流量流向的控制，以及简单粗略的源地址过滤。即便是基于业务的流量 管理措施，也多是依据网络层的协议信息和传输层的标准二、移动互联网qos优化与控制方法端口号进行制定，业务流量管理效果十分有限，尤其对避免移动互联网运营网络管道化，将网络资源合理、 p2p的流量管理，有些力不从心。有效的引导到高附加值的、高竞争力的数据业务，其核心 2）业务层和网络层缺乏通用性和关联性问题是如何提高网络对于用户业务的感知能力，进而实现 当前针对业务的流量管理技术和措施大多都是一事一基于用户、业务网络的精细化管理和控制。本文主要通过 议，只针对特定业务应用，缺乏通用性；另一方面由于互研究两种不同的业务感知和qos控制架构，分析两种架构 联网本身网络与业务分离的基本特征，也导致了业务层的的基本原理、工作流程和应用条件，为后续的网络精细化流量管理措施和网络基础设施之间缺乏关联性，常常导致运营、提高网络竞争力提供技术储备。1、基于dpi业务识别的策略控制业务识别是伴随着网络业务的蓬勃发展而出 现的一个新的概念，通过对业务流量从数据链路 层到应用层的报文深度检查分析，依据协议类 型、端口号、特征字符串和流量行为特征等参 数，获取业务类型、业务状态、业务内容和用户 行为等信息，并进行分类统计和存储1-2。dpi检测，依据本地策略进行静态qos策略控制pdndpiue1.会话信令sgsn(mme)ggsn(sae-gw)（1）基本原理图1 基于dpi的策略控制架构业务识别的基本目的是帮助网络管理者获得网络层数在网络侧（无线、核心、承载）为用户建立一个专用的 之上的业务层流量信息，如业务类型、业务状态、业务承载通道，并将该业务绑定在该通道上，网络侧依据此 分布、业务流量流向等。业务识别是一个相对复杂的过qos参数需求对该通道进行qos管理，实现区分业务的 程，需要多个功能模块的协同工作，主要包括识别处理qos控制。 模块、识别结果存储模块、统计分析模块和网络流量管（3）应用条件理模块。基于dpi业务识别的qos策略控制的主要过程是通过 识别处理模块采用多通道识别处理，通过对网络流量获取dpi业务识别模块获得的相关业务流量的类型、状态 的源/目的ip地址和源/目的端口号的hash算法，将网络流或者内容等业务流量特征信息，并结合用户接入网络过程 量均匀的分配到多个处理通道中。多处理通道并行执行网中的用户认证id、获得的ip地址、特殊的接入属性、用户 络流量的深度报文检查，获取网络流量的特征信息，并与位置信息等用户特征信息，按照一定的规则，对不同业务业务识别特征库中的特征进行比对。将匹配结果送往识别流量进行qos服务区分，实施精细化的管理。例如： 处理模块，并标识特定网络流量。如果存在多个匹配结1）为不同业务提供不同qos服务等级的承载通道， 果，选取优先级较高的匹配结果进行标识。特定网络流量对高附加值的业务提供高优先级、高服务品质的qos保 一经识别确定，该网络流量的后续连接将不再进行深度的证。如：当网络资源负载较大时，对用户的业务请求按照 报文检查，直接将其网络层和传输层信息与已知识别结果优先级进行调度，提升业务运营效率。 进行比对，提高执行效率。识别处理模块将网络流量的业2） 在某一特定时间， 提高某类特定业务的qos等 务识别结果存储到识别结果存储模块中，为网络流量的统级，如足球比赛时间段，对足球比赛的付费视频服务提供 计分析提供依据。统计分析模块从识别结果存储模块中读高qos等级的业务，保证此类用户的业务体验。 取相关信息，并以曲线、饼图、柱状图或者文本的方式将3）实现黑名单的业务，限制某些非法业务的访问， 识别结果信息显示，或以文件的形式输出。在结果存储模保证网络环境的安全性。 块中保存的识别结果信息会输出到网络流量管理功能区，综上述，当在网络中的业务出现区分等级的qos服务 为实施网络流量管理提供依据。需求，对该业务进行qos控制能够实现网络资源向高附加（2）工作流程值、高收益的业务引导时，提高网络运营效率时，可以考 基于dpi业务识别的qos策略控制如图1所示。具体步虑引入基于dpi业务识别的qos策略控制。骤如下：2、基于pcc架构的策略控制1）在ggsn上基于apn本地静态配置，配置相应特基于dpi业务识别的策略控制方法实现基于业务级的 殊业务（高附加值的业务或需要进行流量管控的业务）的qos管理和控制，但是该方法的所有业务检测规则和业务 dpi检测规则，以及为此类业务所提供的qos服务等级，的qos策略都需要事先在ggsn上进行本地配置。这种方 如接入优先级、转发优先级、时延、保证速率、丢包率、式在互联网业务不断涌现的情况下，无法实现及时、动态 最大速率等。同时也可以将用户的imsi号段、时间段、用的策略更新，并且使得网络配置的工作量大大增加，增加 户的位置等信息作为影响因素或参考值。网络运维成本。同时因该方法需要进行静态策略配置，无 2）用户登录移动互联网，激活一个普通的pdp上下法实现正在开展业务中的业务qos策略调整。此外dpi深 文，按照签约信息建立一个普通qos等级的承载通道，开度检测功能会大大降低设备的性能，减小设备容量。因此 展正常的互联网业务。如果能够在业务层和网络层间建立一种沟通机制，将业务 3）ggsn按照设定的业务dpi检测规则，开展dpi检的信息告诉给网络层，实现基于业务的qos控制，可以降 测，当检测到特殊的业务时，按照预先配置的业务qos参低对网络设备的要求，实现动态的业务策略下发。基于此service data flow based credit controlpcefsubscription profile repository(spr)afonline charging system(ocs)rxpolicy and charging rules function (pcrf)gatewayoffline charging system (ofcs)spgxgygz3gpp提 出 了 一 种 基 于 策 略 与 计 费 控 制 架 构（pcc）来实现网络中的策略控制。（1）基本原理pcc架构工作在业务数据流（ service data flow） 级别上， 提供策略控制、 计费控制功 能、和业务数据流的事件报告功能，逻辑架构 如图2所示。pcc架构中主要包括pcef，pcrf，af， ocs，ofcs和spr等功能实体，主要功能实体 描述如下：1） pcef（ policy and charging enforcement function）策略和计费执行单元pcef包含业务数据流的检测、策略执行和基于流的图2 pcc逻辑架构图计费功能。1）新增pcrf网络作为策略决策实体，与业务应用平 这个功能实体位于网关，例如gprs的ggsn网关、台af进行交互，获取业务的基本信息和qos需求信息，结 wlan的pdg网关、epc的p-gw和/或s-gw。它提供业合签约数据和自身的规则，实现动态业务控制策略下发。 务数据流检测、用户面业务的处理、触发控制面会话的管2） 在 ggsn上 部 署 pcef功 能 ， 支 持 通 过 标 准 的 理（需要ip-can允许）、qos处理和业务数据流的测量，gx接口获取pcrf下发的业务pcc规则， 并执行相关的还有在线计费和离线计费的交互。qos控制。2）pcrf（policy and charging rule function）策略和3） 业 务 应 用 平 台 af支 持 标 准 的 rx接 口 和 pcrf交 计费规则单元互，向pcrf传递业务的信息：业务的ip五元组，媒体类pcrf包含策略控制决策和基于流计费控制的功能，型和需求带宽等信息。 向pcef提供关于业务数据流检测、门控、基于qos和基基于pcc的业务qos控制基本流程如下： 于流计费的网络控制功能。1）用户登录移动网络，为普通业务1(如网络浏览业3）af（application function）应用功能务)激活一个pdp上下文，按照签约信息建立一个qos等级 af是一个提供应用业务的单元，其应用需要对ip-为x的承载通道，开展正常的互联网业务。can用户面行为进行动态策略/计费控制。af与pcrf通2）当终端要进行业务2时，终端和业务层在初始的承 信交互以传输动态的会话信息，pcrf需要这些会话信息载通道上进行业务链接建立的协商。 进行pcc决策，af还与pcrf交互接收具体ip-can的信息3）当终端和业务层完成业务建立协商过程后，af向 和ip-can承载级事件的通知。pcrf发送业务2的承载通道建立的请求消息，携带业务的4）ocs（online charging system）在线计费系统基本信息和通道的qos请求，如带宽等。 用户信用控制功能。4）pcrf根据af侧收到的业务请求消息，结合签约 5）spr（subscription profile repository）用户属性存储信息和其自身的规则信息，决策生成新的pcc规则，并下 用户属性存储逻辑实体包含与所有签约用户或签约相发给ggsn(pcef)。关的信息，pcrf使用这些信息决定基于签约的策略和ip-5）ggsn根据pcrf下发的规则，判断现有网络中是 can承载级的pcc规则。spr可能与运营商其它数据库合否有满足业务2qos需求的承载，若有则将该业务直接承并或者分布设置，但是这些功能实 体和对spr的要求不在pcc的研究范 围内。（2）工作流程3.下发授权的 qos、pcc规则pcrf2.触发pcrf初始的ip-cansession modification基于pcc的qos策略控制架构如 图3所示。通过在现有的移动分组网ue 络中部署pcc架构，实现基于业务sgsn(mme)1.会话信令backboneaf支持标准rx接口ggsn(sae-gw)数据流的qos控制，具体如下：图3 基于pcc的qos策略控制架构载；若没有则重新发起一个pdp建立的过程，为业务业务 2建立一个新的承载通道，该承载通道的qos等级为满足 业务 2需求的qos等级。 并将该承载建立的信息返回给 pcrf。6）pcrf向af返回承载通道已建立。7）af收到承载建立后，开启该业务数据的下发。 pcef将该业务的数据流绑定到对应的承载通道上，实现 业务承载的qos控制。（3）应用条件基于pcc的qos控制架构可以实现基于不同网络（包bandwidth(bps)qos2m1m384k128k00.51510图4 基于累积使用量的qos控制usage(gb)括2g3、3g、wlan4、lte）针对特定业务的qos控制， 即对不同的业务提供不同qos服务等级的承载通道。如对 高附加值、高收益的业务，提供高优先级的网络转发和业 务接入能力，以及相应的带宽保证等高等级的qos服务， 将网络资源向高附加值、高收益的业务引导，提升业务运 营效率。区分用户等级和签约信息的qos控制指根据不同用户 等级提供不同的qos服务，结合带宽分配对用户和业务信 息进行qos控制，为运营商开展差异化、个性化的定制业 务和商业策略提供有效的控制方法。ggsn（pcef）通过检测用户的位置信息，如用户 当前所在的小区等，并上报给pcrf，pcrf可以根据预先 配置的无线覆盖情况进行qos策略决策，并动态下发给 pcef执行。 如某些信号覆盖好的小区可以提供较高的 qos速率，对某些信号覆盖较差或者漫游用户提供较低的 qos速率等。pcrf可以基于灵活的时间策略动态调整相应业务的 qos策略，如在网络忙时，如早8点到晚8点提供较低的 qos速率，网络闲时，如晚上11：00到凌晨5：00提供较高 的qos速率。或者在特定的时间段，如某重要体育赛事的 直播时间，对该体育赛事直播的视频业务提供高的优先级 和qos速率保障，保证这部分用户的体验。随着移动互联网网络的发展，按时长收费、包流量或 包月的分组业务资费套餐成为用户需求的资费方式，然而 在网络中由于某些个别用户长期占用大量网络资源，导致 其他用户的业务无法正常开展，影响其他用户对网络资源 的 公 平 使 用 。 基 于 pcc的 qos控 制 中 可 以 通 过 pcrf和 spr对用户的累积使用量进行统计，基于用户使用的累积 流量，动态提供不同的qos策略，如图4所示。综上述，当大量新型、多样化、区分服务质量的数据 业务涌入市场，需要根据业务需求实时、动态、灵活的调 整业务qos