端到端QoS技术研究及现网实践.doc

端到端QoS技术研究及现网实践周 勇1， 李辉遒2， 杜春生3（1.中国电信集团广东省电信有限公司 广州 510080； 2.中国电信集团深圳分公司 深圳518048；3.中国电信集团广州研究院 广州 510080）摘要 随着向全IP统一融合承载网的演进，如何为IP网提供服务质量保障已成为运营商不可回避的问题。广东电信公司积极探索各种QoS 解决方案，并联合相关力量进行了基于ETSI RACS标准的端到端QoS方案设计和现网实验，研究和实验的结果表明，RACS及文中提出的端到端QoS控制方案对下一代IP网将产生积极影响，将帮助运营商摆脱在宽带产业链中日益边缘化的危险，为下一代多媒体新业务提供必要的支持和保障。关键词NGN；IP；QoS；RACS1概述电信网正向下一代网络（NGN）演进，统一多业务IP承载网络是NGN的核心组成部分之一，各种电信业务，包括语音、视频和数据，将统一承载在这一网络上。为了满足电信级业务承载需求，IP技术需要在多个方面进行扩展和改进，如QoS、安全性和可扩展性等，其中QoS问题的解决面临巨大挑战。为了成功实现向NGN的网络转型，近年来中国电信广东分公司对IP网的QoS控制和演进进行了深入研究，本文将介绍近期实施的基于RACS（resource and admission control subsystem，资源接纳控制子系统）的端到端方案设计和现场实验情况。从实验网的测试结果及相关研究来看，RACS对运营商的下一代多业务IP承载网将产生积极的影响，并对探索下一代宽带电信业务的新模式有积极的意义。2 RACS体系架构2.1架构介绍RACS是NGN的一个子系统，目前正由ETSI进行标准化，根据ETSI标准，整个NGN架构由业务层和基于IP的传送层组成，业务层负责处理与应用相关的事务，而传送层负责IP的连接。RACS和另一个子系统NASS（网络附着子系统）共同实现传送层的控制功能。RACS负责策略控制、资源预留和接纳控制，同时支持边界网关功能，如NAT（网络地址转换）。RACS保证了网络应用能够请求传送层的网络资源来为其服务，并通过将网络应用和传送资源结合起来，使得网络应用并不需要感知底层的传送层网络。RACS为运营商提供了接纳控制和设置相关业务策略的机制，保证用户的增值业务获得相应的网络资源，RACS是资源预留会话感知的，并不感知应用会话，也就是说，它同时支持基于会话型应用和非会话型应用，为它们提供网络资源预留，如RACS允许实时多媒体业务（包括VoIP、视频会议、视频点播和在线游戏等）申请带宽。RACS负责基于策略的传送控制以及根据运营商预先制定的策略来衡量网络层应用请求，如果应用请求在RACS的策略控制那里得以通过，并且有相应的网络资源，则RACS将接纳应用请求，为网络应用预留相应的网络资源。2.2标准化进展目前ETSI将RACS作为NGN中一个高层的功能模块，更详细的组件功能要求和协议还处于起草阶段，计划在NGN的Release 2标准系列中完成。另外一个与RACS相关的标准化组织是ITU，它采纳ETSI标准作为基础。两个标准化组织的关注点基本相同，只是ETSI当前的工作主要在xDSL接入段，而ITU主要在核心段定义了端到端的QoS功能架构。另外，两个标准化组织对功能模块的命名有所不同，ETSI的RACS和NASS在ITU中分别称作RACF（资源与接纳控制功能）和NACF（网络附着控制功能）。为了加快标准化进程和保证标准的兼容性，ETSI和ITU之间建立了紧密的联系。在RACS/RACF的构架中定义了功能模块和参考点，ITU定义的网络架构如图1所示，PDF（策略决定功能）和TRCF（传送资源控制功能）是RACS架构中两个关键组件。PDF根据网络策略规则、SCF（业务控制功能）提供的业务信息和TRCF提供的可用资源信息来最终决定网络资源与接纳控制，同时利用PEF（策略执行功能）控制每一个流的开关，其与传送技术和业务控制功能无关。TRCF基于网络信息（如网络拓扑/连接、网络资源的可用性）来实现特定传送网络的资源控制，其与业务无关，但是与传送技术相关，处在单个网络运营商的网络域内。TRCF的策略规则与特定的传送技术相关，多个TRCF实体可能同时存在于核心网中来实现不同子网的控制。ITU和ETSI正在评估已有的网络协议，并修改或扩展相应功能，将它们应用到RACS的接口标准中。目前推荐的网络协议如表1所示。3基于RACS的端到端QoS方案设计本项目是一个粤港重点领域合作项目，由政府立项提供资金支持，运营商、设备商和研究机构共同承担研发任务和实验，其中广东电信公司提供现场环境，同时基于未来业务发展商业模式和网络策略对RACS功能和性能进行研究和设计。3.1 方案设计本项目端到端的QoS设计方案遵循ITU和ETSI定义的RACS构架，端到端网络由接入层、城域层和核心层组成。ITU和ETSI对RACS的逻辑模块功能进行了定义，但很多具体的网络协议还没有颁布，也没有明确指出采用何种技术实现RACS，因此在具体的网络实施中如何实现RACS的各个功能将是关键，同时，为了今后能够进行全网大规模部署，方案可扩展性和协议兼容性也非常重要。3.1.1RACS功能的实现RACS的功能模块主要包括TRCF和PDF，在本方案中，这两个功能模块都是在一个称为“资源服务器”的网络设备内实现，因此参考点Rt就成了一个内部接口。资源服务器是IP网络域的一个带宽代理器，拥有IP域的网络拓扑、网络连接和可用资源等信息。资源服务器检测和确定可用网络资源的方法如下：比较IP网络的总带宽，检查是否有足够的可用网络资源，如果有则根据新的应用请求更新数据库的资源状态信息，并且向SCF返回一个接纳消息，如果没有则返回一个拒绝消息。3.1.2RACS路由选择和QoS策略执行实现方案为了实现真正的端到端QoS，方案必须完全掌控相关网络资源，在此基础上根据资源和需求进行显式路由选择，并且根据选定的路由进行QoS策略的下发和执行。这部分功能在标准规范中由TRCF模块实现，在本方案中，TRCF功能由资源服务器实现。端到端的业务提供涉及接入层、城域层和核心层网络，在不同的网络中，由于具体承载网技术的不同，因此资源服务器需采用不同的技术实现路由的选择和QoS策略执行。（1）城域层和核心层城域层和核心层基于MPLS（多协议标签交换）技术，采用相对复杂的Mesh网络拓扑，如何完全掌控相关网络资源并实现有效的显式路由选择和QoS策略执行比较复杂。本方案通过在MPLS网上组建静态逻辑承载网的办法使问题得到简化，具体如下：首先建立静态逻辑承载网，它由MPLS LSP（标签交换路径）分段连接相关交换节点组成，其中LSP的建立可以通过手工配置或者通过信令（如RSVP-TE）自动配置，在后期网络运行过程中，逻辑承载网相关拓扑、资源保持稳定；然后，将建好的逻辑承载网络的拓扑、带宽、路径标签等信息配置于资源服务器信息库中，由资源服务器完全掌控这部分资源的分配。经过这些相关配置，相当于在现有MPLS网络上隔离出了一个独立的网络，这个独立网络完全由资源服务器控制资源分配。有了以上相关配置，资源服务器在收到相关资源请求之后，就可以根据请求的资源情况查找自己的信息库，计算最佳的路由，从而完成显式路由的选择。由于城域层和核心层采用MPLS技术，某一具体显式路由可以采用标签堆栈方式表示，因此资源服务器可以将选定好的显式路由以标签栈的形式（同时还有对应数据流的标识信息、带宽信息）告知入口边缘节点设备（如BRAS）。边缘节点收到这个信息后，将在后续收到的对应数据流上打上这个标签堆栈，之后，这个数据流就会按照资源服务器选定的路由在城域和核心层进行传送。由于资源服务器在计算路由时已经考虑资源分配情况，因此这个数据流在传送中将得到确切的QoS保障，从而执行了QoS策略。上述解决办法的最大特点是不需要对现网运行的MPLS网络节点路由器进行大规模升级以支持新的特性，将网络的改动要求降至最低，大大降低运营商的网络部署成本，有利于端到端QoS方案的顺利规模部署。（2）接入网接入网通常采用树型网络结构，如图2 所示。为了实现简单和经济性，交换机和接入点都不具有基于每个数据流或者会话的QoS执行能力，因此在接入网中与资源服务器相连的只有BRAS设备。为了下行方向的资源分配和最大化利用网络资源， BRAS应支持层次化的QoS能力。由于接入网位于网络末梢，每个BRAS下行端口都可以形成一个独立的接入网单元，每个单元的规模和结构都很简单，因而其QoS方案可以很简单：首先，在资源服务器的信息库中配置每个接入网单元的拓扑和带宽信息，这样资源服务器就可以完全掌控接入网的资源分配，资源服务器收到相关资源请求后，查看其信息库，如果有剩余资源，则接纳其请求，并告知BRAS，告知的信息中包含对应数据流的标识和带宽信息（不必携带路由信息，因为接入网是树型拓扑，其路由已经隐性确定）；BRAS收到资源服务器的告知信息后，就可以执行对应的QoS策略。 扩展性设计。QoS方案应该具有良好的扩展性。RACS架构要求每个网络域拥有一个单独的PDF实体，而每个PDF可以与多个TRCF相关联，当网络扩容时，RACS能够平滑增加容量。本方案遵循RACS结构要求，可以根据网络和处理能力要求，按需平滑扩展资源服务器的数量，可以在接入层、城域层和核心层配置多台设备。 协议选择。表1中的协议虽然目前尚未颁布，但是已经被ETSI和ITU采纳作为将来研究工作的基础。考虑兼容性，本方案中各个网元之间的通信接口尽量选择标准化的协议，采用的标准协议主要有Diameter、COPS 和 RCIP，如图3所示。3.2方案特点（1）严格的端到端QoS保障本方案可管控接入网、城域网以及核心网的全部资源，具有呼叫接纳控制能力，只要业务呼叫得到接纳，就可以保证业务在使用过程中得到严格的端到端QoS保障直至呼叫释放，端到端网络的任何部分出现资源短缺只会导致新增呼叫的拒绝，而不会影响现有业务。（2）网络部署要求低部署本方案对网络的要求以及现网应进行的升级改造见表2，可见，本方案的部署不要求现网进行大规模升级改造，只需对部分早期设备进行升级或更换，以及对部分接入网拓扑进行优化调整。4现网实验情况4.1网络架构为了验证本设计方案保障端到端QoS的可行性以及对运营商未来宽带网络新型商业模式的支持效果，在广东电信现网上搭建了RACS实验网，其覆盖深圳、中山和佛山3个城市，网络结构如图3所示，分为业务控制层、承载控制层和数据传送层3个逻辑层，分别与ITU标准的SCF、RACF和 TF功能实体相关。业务控制层设备包括1台软交换设备和其他应用服务器，如VoD服务器（图中未标出）；承载控制层设备为资源服务器，实现RACF的PDF和TRCF功能；数据传送层是采用MPLS技术的IP网，包括3个城域网（及对应接入网）和1个核心网，每个城域网采用相似的网络拓扑。城域网边缘设备（BRAS）根据相关策略将进出IP网的数据流分为两个优先级，核心路由器采用DiffServ模型对不同优先级的数据流进行处理。当实时性要求高的数据流（如VoIP、视频）进入网络时，资源服务器首先从应用层服务器收到与该数据流相关的资源请求，然后执行资源与接纳控制进程，如果接纳这个呼叫，则告知BRAS将该数据流设置为高优先级；低优先级的数据流（如 E-mail）将直接进入网络，资源服务器不对它们做特别处理，当然，这些低优先级没有QoS保证。为了模拟实际网络的运行环境，实验中插入了大量的低优先级数据流，这些低优先级数据流具有较差的QoS性能。4.2网络测试4.2.1基本性能测试测试配置如图4所示，流量测试仪1和2分别放置于佛山和深圳2个城域网，通过GE接口分别与BRAS相连。配置测试仪，使测试仪1向网络满速率注入流量，目的地址指向测试仪2。（1）测试环境1：网络未开启端到端QoS保障功能不触发资源服务器， 测试仪1向网络注入普通流量，测试测试仪2收到的流量（运行时间1 h），记录显示流量为满速率；然后，在核心层的路由器之间注入低优先级数据流，其流量逐步增大，直至满线路速率，记录显示测试仪2收到的流量由满速率逐步减少。可见，在没有端到端QoS保障的情况下，业务流量会随着网络负荷情况变动。（2）测试环境2：网络启用端到端QoS保障功能 网络资源充足条件下测试。在资源服务器上配置测试仪1至测试仪2的流量参数：测试仪 2的IP地址，1 Gbit/s保障带宽，触发资源服务器的资源保障进程。其他测试过程同上。记录显示，在核心路由器间注入低优先级数据流前后，测试仪2 收到的流量无变化，均为满速率。 在网络资源不充足条件下测试。在上述测试基础上，增加1条测试仪1至测试仪2的2.5 Gbit/s端口及流量（原有流量与新增流量之和超出核心层链路带宽），按上述步骤在资源服务器上进行配置：测试仪2的IP地址，2.5 Gbit/s保障带宽，触发资源服务器的资源保障进程。记录显示，资源服务器的资源保障进程触发不成功，测试仪 2无法收到新增流量，但原有流量保持不变。从以上两种测试结果来看，在采用基于RACS的端到端QoS方案的情况下，受保障的业务流量不随网络负荷而变动，在资源不足时，新增流量被拒绝接受，但原有流量不受影响，本方案的实施严格保障了业务流量的端到端QoS。4.2.2对运营商未来宽带网络新型商业模式的支持效果测试基于设计的未来商业模式和应用，希望QoS解决方案能够在以下两个方面发挥作用：首先，有助于运营商在宽带产业链中争取主导权；其次，必须支持基于IP的各种多媒体通信新业务，如三重播放、视频监控等。在实验网中设计了多种应用测试案例，下面描述两个具有代表性的案例。（1）应用超市在这个案例中，运营商应用代理门户汇集了大量由自己或者第三方业务提供商开发的宽带增值应用，用户可以从应用门户中选择各种各样的增值应用，就如在超市里选购商品一样，超市的所有者（运营商）与商品提供者（业务提供商）分享所得的收入。超市中的业务提供商出售它们的应用，而运营商采用本次实验的解决方案来保证业务的QoS，对于超市之外的业务提供商，网络将不保障它们业务的QoS。这种应用可望改变运营商目前作为“比特管道提供者”的窘迫局面，降低在未来宽带产业链中边缘化的危险。为了满足应用超市的要求，运营商需要采用门户技术来开发一个业务平台。门户与 VoD服务器/资源服务器之间的协议可以选择SOAP（simple object access protocol），它是信息技术领域中的一种标准通信协议。当用户决定从门户网站中购买某种业务时，如定制VoD电影，门户将首先向VoD服务器生成相应请求，告诉服务器用户A想点播电影X，只要这个请求通过VoD服务器预置的策略验证并且服务器有足够的能力来处理这个电影进程，VoD服务器将会接纳这个请求，然后门户请求资源服务器为这个用户预留从VoD服务器到用户A的网络资源，资源服务器接到请求后计算路由并预留资源，然后由相关路由器执行QoS策略，之后用户A点播的电影就可以得到严格的QoS保障。（2）三重播放在这个案例中，运营商能在统一多业务IP网中为用户提供语音、视频和数据业务，三重播放能够创造新的收入机会，能够为运营商捆绑用户。随着PSTN业务收入逐渐减少和竞争加剧，对固网运营商来说，三重播放将是一种重要的网络应用。语音和视频流对丢包和抖动比较敏感，当提供这些业务时，网络应该保证它们的QoS,采用基于RACS的端到端QoS解决方案，三重播放业务得到了电信级质量保障。从实验情况来看，基于RACS的端到端