TD-LTE-端到端QoS关键技术研究报告要点.doc

LTE 端到端QoS关键技术研究报告第 46 页 LTE接入传输研究报告修订历史记录目录1文档介绍51.1文档的编写目的51.2文档读者51.3定义及缩略语51.4参考资料52LTE端到端QoS概述62.1LTE 端到端QoS的概念62.2LTE端到端QoS架构63IP QoS体系架构83.1QoS服务模型83.2QoS参数113.3端到端QoS的实现策略154端到端QoS的关键技术164.1流量分类与标记164.2流量监管与流量整形204.3拥塞管理244.4拥塞避免294.5接纳控制314.6负载均衡365LTE端到端QoS实现机制425.1无线承载服务的QoS解决方案425.2核心网承载服务的QoS解决方案441 文档介绍1.1 文档的编写目的本文档的主要目的是总体介绍LTE系统中端到端QoS关键技术，包括LTE端到端QoS架构、流量监管和流量整形、拥塞管理、拥塞避免、接纳控制和负载均衡等内容。此文档参考了“移动关于TD LTE RAN的技术需求”。1.2 文档读者此档的读者是eNB和SAE相关开发、设计人员，以及对上述内容感兴趣的人员。1.3 定义及缩略语英文缩写英文全称ATMAsynchronous Transfer ModeE-UTRANEvolved UTRANeNBEvolved NodeBFEFast EthernetGEGigabit EthernetEoSEthernet over SDHPOSPassive Optical SplitterPBTProvider Backbone TransportPBB-TEProvider Backbone Bridging-Traffic EngineeringPDHPlesiochronous Digital HierarchySDHSynchronous Digital HierarchyT-MPLSTransport MPLS1.4 参考资料1 3GPP TS 23.401: Architecture model and concepts and GPRS Enhancements for E-UTRAN Access.2 3GPP TS36.410: “Evolved Universal Terrestrial Access Network (S1 aspects and principles)”.3 3GPP TS 36.420: “Evolved Universal Terrestrial Access Network (X2 aspects and principles)”. 4 城域网多业务传送理论与技术，余少华、陶智勇主编，人民邮电出版社2 LTE端到端QoS概述2.1 LTE 端到端QoS的概念网络体系结构的演变和宽带技术的发展，推动并加快了现有3G网络向下一代无线通信网络LTE的演进。随着网络规模的扩大、应用的逐步扩展，在LTE将提供大量具有实时要求的新兴业务，如VoIP、视频会议、视频点播、交互游戏等，更要求通信网络能提供高效的端到端的服务质量支持；同时用户对网络服务质量（QoS，QualityofService）的要求也越来越高。因此，如何提供端到端的QoS将是LTE的核心问题之一。所谓端到端的QoS，就是指网络运营商保证用户的数据在整个网络的传送过程中（从源端到目的端）得到所需要的QoS服务。这实际体现的是一种网络能力，即在网络上，针对各种应用的不同需求，为其提供不同的服务质量。2.2 LTE端到端QoS架构LTE的QoS体系结构采用分层的体系结构（如所示）来为业务提供端到端的QoS保证，其中在特定层上的承载服务都可以根据下层的承载服务来为用户提供相应的服务。在从一个用户终端到另一个用户终端的路径中，业务必须通过网络的不同承载服务。端到端服务是通过EPS承载服务和外部承载服务共同来实现的，其中由运营商提供的EPS承载服务为用户提供LTE的QoS保证。EPS承载服务是由无线接入承载服务和核心网承载服务两部分组成。 LTE中端到端QoS的承载服务架构图2.2.1 端到端服务在从一个用户终端到另一个用户终端的路径中，业务必须通过网络的不同承载服务。端到端服务是通过EPS承载服务和外部承载服务共同来实现的，其中由运营商提供的EPS承载服务为用户提供LTE业务的QoS保证。EPS承载服务是由无线接入承载服务和核心网承载服务两部分组成。2.2.2 无线接入承载服务和核心网承载服务无线接入承载服务在移动终端和核心网边界节点之间提供了可靠的信令和用户数据的传输服务，并且保证协商好的EPS承载服务的QoS需求以及信令的缺省QoS需求。无线接入承载服务是基于无线接口的特征参数来提供，并通过无线承载服务和S1承载服务来实现的。LTE的核心网承载服务通过核心网网关将LTE核心网边界节点和接入网络连接起来，并通过有效地控制和使用骨干网络来提供协商好的EPS承载服务。LTE核心网应该支持具有不同QoS需求的骨干网承载服务。2.2.3 无线承载服务和S1承载服务 无线承载服务包括了无线接口传输的所有方面，使用LTE FDD和LTE TDD两种模式。S1承载服务和无线承载服务共同提供在eNB和CN之间的信息传输。S1承载服务能够为具有不同QoS需求的分组业务提供不同的承载服务。3 IP QoS体系架构3.1 QoS服务模型服务模型是指一组端到端的QoS功能通常QoS提供以下三种服务模型： Integrated Service (综合服务模型，简称InServ服务模型) Differentiated Service (区分服务模型，简称DiffServ服务模型) Multiple Protocol Label Switch (多协议标记交换，简称MPLS) 3.1.1 InServ服务模型IntServ将ATM中的QoS概念引入到IP网络中，象ATM一样，IntServ是基于保留和控制网络资源来实现QoS的。IntServ通过可量化的QoS参数定义了不同的业务等级，如需要的带宽数量、允许的延迟、抖动和丢包等。它是基于资源预留协议（RSVP）信令来传递通过网络的某个特定业务流所需QoS参数。网络节点为信令请求保留所需的资源，同时保持每个数据流的状态信息。这种服务模型在发送报文前需要向网络申请特定的服务。应用程序首先通知网络它自己的流量参数和需要的特定服务质量请求，包括带宽、时延等应用程序。网络为这个应用程序的报文预留了资源后发回确认信息，应用程序才开始发送报文。网络在收到应用程序的资源请求后，执行资源分配检查，即基于应用程序的资源申请和网络现有的资源情况，判断是否为应用程序分配资源。一旦网络确认为应用程序的报文分配了资源，则只要应用程序的报文控制在流量参数描述的范围内，网络将承诺满足应用程序的QoS需求。而网络将为每个流（flow，由两端的IP地址、端口号、协议号确定）维护一个状态并基于这个状态执行报文的分类、流量监管、 排队及其调度，来实现对应用程序的承诺。IntServ可以提供以下两种服务：保证服务（Guaranteed service）：它提供保证的带宽和时延限制来满足应用程序的要求如VoIP应用可以预留10M带宽和要求不超过1秒的时延。负载控制服务（Controlled-Load service）：它保证即使在网络过载的情况下能对报文提供近似于网络未过载类似的服务，即在网络拥塞的情况下保证某些应用程序的报文低时延和高通过。这种通过预定网络资源来实现QoS的方法，在实现时有许多问题，首先，网络中的每个节点要花费大量时间来处理请求的保留资源，因此每个QoS协商过程都要有比较大的延迟；其次，IntServ模式需要在路由器中保留每个业务流的信息状态，当业务流的数量增大后，就需要设备有很强的处理能力，而且也限制了网络的扩展能力：最后IntServ模式需要数据源确切地知道多少带宽要保留，这对处理IP网中的突发业务是不可能的，在这种情况下，要么浪费资源，要么牺牲QoS。3.1.2 DiffServ服务模型DiffServ是为了解决IntServ没有解决的可扩展性和可实现的问题而提出的。和IntServ与ATM利用端到端的信令和状态转发判定机制所不同的是，DiffServ不使用信令来处理流汇聚，而是通过在每个IP包头中加入路由器能很快地检查的标识来实现的。DiffServ根据业务等级需要分别标识每个IP包。这比以前的QoS机制更有效地利用带宽，因为它不需要预先保留带宽。DiffServ利用的是IPv4包头中的ToS域，8比特的ToS域被重命名为DS域（Diferentiated Service），它由两部分组成：6比特的编码点DSCP和2个未用比特CU。DSCP承载着业务需要的信息。DSCP和每一跳行为（PHB）相对应，和模糊的ToS值相比，DiffServ的PHB分级更容易实现。DiffServ工作组已经定义了几个标准的PHB：尽力而为（Best Effort）、快速转发（Expedited Forwarding）和确保转发（Assured Forwarding），其中“Best Effort”充分考虑到了向后兼容性的问题。因为DiffServ模式工作在第三层，因此具有QoS请求可以在端到端实现的优点，DSCP是利用原有TOS域，所以能读IP头和DS字节的网络设备都可识别DiffServQoS。DiffSevr模式可使所有具有相同PHB的包聚成同一个流，从而更有效地在Internet上传送。将业务流分成标准的业务等级，DiffSevr每一跳QoS模式使得路由器很容易管理不同等级的业务。由于具有相似优先级的包可以聚合到有限的可管理的业务流内，DiffSevr很容易扩展到较大的网络环境，而且由于QoS实现是基于每一跳的，因此它能更有效地利用带宽，在不知道确切需求的情况下不再保留带宽。总之，DiffServ提供了易于被核心路由器管理的、标准的和很高扩展性的业务分类模型，它的简单性、灵活性和有效性使端到端的IP QoS易于实现。3.1.3 IntServ与DiffServ的综合使用IntServ与DiffServ技术各有长处和局限。例如，IntSevr使主机能够请求端到端数据路径上的每个流程和可计量资源，并能够获得关于这些请求可接受性的反馈；而DiffServ使大型网络具有可缩放性。为了支持端到端的QoS，可考虑将IntServ和DiffServ看作互相补充的技术，互相协同，共同实现端到端的QoS提供机制，最终达到使网络既能提供高质量服务，又能实现网络本身的可扩展性。基于IntServ与DiffServ技术的混合构架已获得了广泛认可。它假定了一个模型，其周围的子网络是RSVP和IntServ，这些子网络由DiffServ网络（如IP骨干网）互连。在这个模型中，DiffServ网络的可缩放性扩展到了IntServ/RSVP网络。标准的IntServ/RSVP处理应用于IntServ/RSVP的周围网络内。RSVP信令可准确地通过DiffServ网络，在IntServ/RSVP网络和DiffServ网络间边界上的设备对RSVP信令进行处理，并在DifServ网络内提供基于资源有效性的许可控制。RSVP在Diffserv域的处理可以有多种可选择的方式例如一种方式为RSVP对Diffserv域透明，RSVP 在Intserv域边界路由器终结，Diffserv域对Intserv域采用静态资源提供方式；一种方式为Diffserv域参与RSVP协议处理，Diffserv域对Intserv域采用动态资源提供方式。前一种互通方式实现相对简单，可能造成Diffserv域资源的浪费，后一种互通方式实现相对复杂，可以优化Diffserv域资源的使用。除此以外，还需要解决Intserv支持的业务与Diffserv支持的PHB之间的映射问题。映射标准为两者支持的应用是否相同或相近。为了说明这个问题，我们首先回顾一下Intserv支持的业务。它支持的业务包括保证服务（Guaranteed Service）、负载控制服务（Controlled-Load Service）。前者可以为用户应用提供严格的端到端时延及带宽保证，适用于实时应用；后者在网络负荷较重的情况下为用户应用提供与网络轻负荷情况下相近似的性能，不能保证端到端的时延 。Diffserv提供的PHB包括EF（Expedited Forwarding，加速转发）、AF（Assured Forwarding，确保转发）。EF用于支持低丢失率、低时延、确保带宽的应用；AF可以保证在应用向网络发送的业务流量没有超过约定值的情况下，该应用的报文丢失概率非常低，AF有4类，每一类可以设置3个不同的丢弃优先级。从上面的叙述易于获得Diffserv与Intserv 之间的映射关系：将Intserv中的保证服务映射为Diffserv中的EF将Intserv中的负载控制服务映射为Diffserv中的AF3.1.4 MPLSMPLS能够将不同的业务分类传送，主要是因为实行了流量工程（TE），流量工程可以用来帮助实现QoS，但它的根本目的并不是我们前面讨论的IP QoS，QoS是解决业务分类、优先级和管理的问题，而流量工程解决的是流路径判定和控制的问题。MPLS流量工程通过给每个数据包增加一个标签，使得数据包经过网络时通过指定的路径寻路。在传统的路由中，IP包是按照最短路径经过一个网络的，与之相反的是，在MPLS中IP流可以配置成预先指定的显式路径经过网络，从而可以将业务流避开拥塞的路径。因此MPLS可以更好地平衡网络负载和更有效进行IP寻路，而且防止了网络设备在超负荷工作，从而使得网络的响应时间最小，吞吐量达到最大。与ATM和IntServ一样，MPLS也采用信令机制，如通过RSVP来保留资源和建立穿过网络的路径。但是MPLS并不受RSVP的扩展性有限所限制，因为它不象IntServ那样用RSVP信令为每个独立的流分别建立，而是用RSVP为汇聚的业务流建立一个穿过整个网络的通道，而且MPLS引入了IETF批准的RSVP扩展部分（RFC2205和RFC2209），减少了发送的更新消息数目和需要处理的协议。MPLS提供了前所未有的对通过IP网的业务流控制能力，但是它也只是IP QoS解决方案的一部分。经过流量工程后的数据一旦流出MPLS网络后，仍然需要其它的QoS机制。3.2 QoS参数根据参数所面向对象的不同， QoS参数可以分为面向业务的QoS参数（如传输速率、BLERIB ER和用户/业务优先级等）和面向系统的QoS参数（如容量、掉话率和接入率等）。虽然这两组参数所面向对象的不同，但两者不是完全独立的，而是相互关联、相互影响的。当用户业务的QoS需求较高时，则用户业务要求较高的传输速率，较严格的BLER/BER要求和较高的业务优先级，而系统为了满足较高的QoS需求，就必须为用户分配相对较多的无线资源，使得系统能够同时接纳的用户数较少（即系统容量的降低），尤其在业务量较大时，只能接纳较少的用户，拒绝大多数用户，致使系统接入率的降低。另外，可能随着系统环境的恶化，系统在满足业务尤其是具有较高QoS需求的能力降低，从而导致系统掉话率的提高。3.2.1 面向业务的QoS参数面向业务的QoS参数是业务对系统承载服务质量的要求，即对系统资源的需求。在请求一个端到端的业务时，系统根据业务的具体QoS需求建立相应的EPS承载服务来满足业务的QoS需求。LTE的业务级别的QoS参数包括：QCI，ARP，GBR和MBR。 Traffic Class（业务类）3GPP根据业务的不同QoS需求，将业务分为四类：Conversational（会话类）、Streaming（流类）、Interactive（交互类）和Background （后台类）。这四种业务类的主要不同之处是对时延的敏感程度：会话类对时延最敏感而后台类对时延最不敏感。其中会话类和流类主要用于实时业务，但随着面向用户的各种业务特别是数据业务的引入，上述两种业务类也可用于对时延要求比较高的数据业务中，如Interactive Games（交互式游戏）等。交互类和后台类主要用于传统的Internet应用中，比如网页浏览、电子邮件和Telnet等。此四类业务的QoS特征如表所示。表3-1 四类业务的QoS特征业务类会话类业务流类业务交互类业务后台类业务基本特征保证信息流实体之间的时间相关性；严格的低延迟要求保证信息流实体之间的时间相关性；单向的连续业务流请求响应模式；有效负载内容的完整性目的地在某一段时间内并不期望接收数据；有效负载内容的完整性应用举例语音业务视频流业务网页浏览文件下载 从上表可知，四类业务的QoS需求都各不相同，除此之外，各类业务对资源的使用优先级各不相同。当资源有限不能同时满足几个业务时，就可以根据业务类对所请求分配资源的业务进行优先级排列，以使有限的资源能够首先满足优先级别高的业务请求。根据各类业务的基本特征，可以认为四类业务的优先级排列为：会话类业务、流类业务、交互类业务和后台类业务，其中会话类业务优先级别最高，而后台类业务优先级别最低。 QoS Class Identifier (QCI，QoS等级标识)LTE中引入的一个重要概念是服务流(Service Flow)，每个SDF和而且仅和一个QCI相关联。与相同IP-CAN会话对应的多个SDF，如果具有相同的QCI和ARP值，可以作为一个单独的业务集合来处理，成为DF集合。QCI是一个标量，指一个特定接入点的参数的参考，用来代表控制承载级别的包传输处理的接入点参数（例如调度负担，接入门限，队列管理门限，链路层协议配置等），它应该已经在运营生拥有的节点中（例如eNodeB）中预定义。QCI参数包含以下四个子参数： Resource Type (GBR or Non-GBR) Priority Packet Delay Budget Packet Error Loss Rate表3-2 标准QCI值和标准特性的一对一的对应关系QCIResource TypePriorityPacket Delay Budget (NOTE1)Packet Error LossRate (NOTE2)Example Services1(NOTE3)2100ms10-2Conversational Voice2(NOTE3)GBR4150ms10-3Conversational Video (Live Streaming)3(NOTE3)5300ms10-6Non-Conversational Video (Buffered Streaming)4(NOTE3)350ms10-3Real Time Gaming5(NOTE3)1100ms10-6IMS Signalling6(NOTE3)7100ms10-3Voice,Video (Live Streaming)Interactive Gaming7(NOTE4)Non-GBR6Video (Buffered Streaming)8(NOTE5)8300ms10-6TCP-based(e.g., www, e-mail, chat, ftp,p2p file sharing, progressive video, etc.)9(NOTE6) Allocation/Retention prioriyt（分配/保持优先级）这个参数表示相对于其它无线接入承载而言，本无线接入承载分配和保持的相对重要性。Allocation/Retention Priority参数是一个签约参数而不是由用户来协商的参数。此参数主要用于接纳控制和资源分配过程中。此参数包含四个子参数：Priority Level（优先级）、Pre-emption Capability（抢占能力）、Pre-emption Vulnerability（抢占抵抗力）和Queuing Allowed（允许排队）。 Priority Level（优先级）这个参数表示业务请求的优先级。参数Priority Level和参数Preemption Indicator可以用于判断业务请求是否应该无条件和立即执行。此参数的取值范围为1-3：1为最高级，3为最低级。 Pre-emption Capability（抢占能力）这个参数表示本RAB对其它RAB的抢占能力。分为shall not preemption和may trigger preemption两类，即不能启动抢占行为和可以启动抢占行为。在一般情况下，优先级相对比较高的会话类和流类业务具有抢占能力，在系统当前有效资源不足的情况下，可对己分配给优先级较低的交互类和后台类业务的无线资源进行抢占操作，从而满足优先级较高的业务的服务质量要求。 Pre-emption Vulnerability（被抢抵抗力）这个参数表示本RAB对其它RAB的抢占的抵抗能力。分为not pre-emptable和pre-emptable两类，即能被抢占和不能被抢占。在一般情况下，优先级相对较低的交互类和后台类业务所占据的资源可以被抢占。这样就可以在系统当前有效资源不足的情况下，为了满足优先级较高的会话类和流类业务的服务要求，系统将牺牲优先级较低的交互类和后台类业务的服务质量，释放其所占据的无线资源，以分配给优先级高的业务。 Queuing Allowed（允许排队）这个参数表示业务请求是否可以放入资源分配队列中。分为queuing not allowed和queuing allowed两类，即不允许进入队列和允许进入队列。当同时有多个业务请求建立时，无线资源管理将根据业务的优先级别，对优先级别最高的业务请求先进行接纳判决，其它业务请求将根据其优先级别进行排队等候。 Guaranteed Bit Rate（保证比特率）GBR表示期望GBR承载提供的比特速率。MBR对期望GBR承载提供的比特速率进行限制，（如，超出的业务量可以通过速率整形功能丢弃）。 Maximum Bit Rate（最大比特率）这个参数指出了在一段时间内，LTE通过无线接口传送的最大比特数量或者到达LTE的业务接入点（SAP）的最大比特数量。此参数值为用户或者应用所能够接受或者提供的传输速率的上限。 Aggregate Maximum Bit Rate（最大总比特速率）AMBR分为APNAMBR (对应于每一个APN) 和UEAMBR (对应于每一个UE)，是一个签约参数，存储在HSS中，用于指示每一承载组的流量比特速率。APNAMBR是指通过相同APN的所有NonGBR 承载和所有PDN连接的比特总量 (超出的业务量可以通过流量整形丢弃)。UEAMBR是指通过UE的所有NonGBR 承载 (超出的业务量可以通过流量整形丢弃)。3.2.2 面向系统的QoS参数系统性能的优劣可以通过系统的容量、业务的接纳成功率和业务的掉话率等指标来衡量。也就是系统满足系统内所有用户服务质量的综合体现。整个系统性能的好坏直接影响到业务QoS需求的满足情况即系统为用户提供服务并令用户满意的程度。 系统的容量系统无线资源包括频率、时隙，码字和功率，并且这些无线资源都是有限的。系统由于会受到来自外界以及系统内部的干扰，从而导致系统有限的无线资源不能够得到完全充分的使用，最终导致系统容量的降低。LTE系统通过采用相应的无线资源管理技术，最大限度地降低干扰对系统的影响，使系统有限的无线资源尽可能得到充分的使用，从而使系统容量达到最大化。 业务的接纳成功率业务的接纳成功率是指：在某一段足够长的统计时间内，系统成功接纳的业务请求数在业务请求总数中所占的比例。系统根据业务的QoS需求，即对无线资源的需求，判断系统当前资源是否可以满足业务的需求，若能够满足，则接纳：若不能满足，则拒绝。业务的接纳成功率是与系统当前的有效容量是紧密相关的，反映了系统特别在业务量比较大的情况时的服务性能。 业务的掉话率业务的掉话率是指：在某一段足够长的统计时间内，由于系统自身的原因或者其它原因而导致非正常停止的业务在系统成功接纳的业务中所占的比例。在业务执行的过程中，当系统判决发现不能满足业务的QoS需求即导致业务质量恶化时，将终止当前业务的服务。业务的掉话率与系统的抗千扰能力是紧密相关的，反映了系统特别在传播环境比较差的情况时的服务性能。3.3 端到端QoS的实现策略端到端QoS的实现应该从三个层面考虑： 首先是网络实体层，要求每个网络实体都要支持QoS，其关键技术包括报文分类、流量整形、流量监管、拥塞管理、拥塞避免等； 其次是信令控制层，协调端到端之间的所有网络节点为报文提供QoS信令技术； 最后是网络管理层，实施QoS策略和管理功能，例如生成对应的QoS策略、按照QoS策略收费、对网络资源进行宏观上的调配和管理、对QoS的实施过程进行监控等。 每个网络实体需要提供如下功能： 报文分类对不同类别的报文提供不同的处理 队列管理和调度来满足不同应用要求的不同服务质量 流量监管和流量整形限制和调整报文输出的速度 接入控制来确定是否允许用户信息流使用网络资源4 端到端QoS的关键技术在TD-LTE系统中，各eNodeB和A-GW设备均支持QoS是实现端到端的QoS的一个基本要求，eNodeB和A-GW对QoS的支持是通过结合各种QOS特性技术来实现的。eNodeB对转发报文进行QoS保障的处理，发生在报文从设备的一个接口进入，到从另一个接口出去的整个过程中。从技术上，这个过程按照处理顺序分为流分类和标记、流量监管与流量整形、拥塞管理、拥塞避免等部分。图4-1是整体的QOS操作模型。图4-1 整体的QOS操作模型4.1 流量分类与标记流量分类(Traffic Classification)是将数据报文划分为多个优先级或多个服务类，如使用IP报文头的ToS (Type of service，服务类型) 字段的前三位 (即IP优先级) 来标记报文，可以将报文最多分成8类；若使用DSCP(Differentiated Services Code Point，区分服务编码点，ToS域的前6位) 则最多可分成64类。在报文分类后就可以将其它的QoS特性应用到不同的分类实现基于类的拥塞管理、流量整形等。网络管理者可以设置报文分类的策略，这个策略除可以包括IP报文的IP优先级或DSCP值、MPLS报文的EXP域值、802.1p的CoS值等带内信令，还可以包括输入接口、源地址、目的地址、MAC地址、IP协议或应用程序的端口号等。分类的结果是没有范围限制的，它可以是一个由五元组(源地址、源端口号、协议号码、目的地址、目的端口号)确定的流这样狭小的范围，也可以是到某某网段的所有报文。通常于网络边界处对报文进行分类时，同时标记IP优先级或DSCP ，这样在网络的内部就可以简单的使用IP优先级或DSCP作为分类的标准。而队列技术如WFQ、 CBWFQ就可以使用这个优先级来对报文进行不同的处理。下游downstream 网络可以选择接收上游upstream 网络的分类结果，也可以按照自己的分类标准对数据流量重新进行分类。4.1.1 DSCP标记DiffServ区分服务是在IP层上对不同业务类别提供不同QoS保障的技术，DiffServ技术重新定义了IP头上的TOS域，将其改称为DS域，其优先级的比特数为6个比特，这6个比特称为区分服务码点（DSCP, Differentiated Services Code Point），可以提供64个优先级别。每一个DSCP都有一种转发处理行为PHB(Per-Hop Behavior，也称逐跳行为）与之对应，一种PHB也可对应多个DSCP。网络设备实体通过查看DSCP值，并根据每一类的特定逐跳行为（PHB）来调度包的转发。IETF工作组按照优先级别从高到低的顺序将DSCP总共分成了类别选择器CS（CS6、CS7）、加速转发EF 、保证转发AF和尽力而为BE四大类， 其中AF可以再分为四类，这样可以对应8类优先级： CS（class selector）PHB是从IP TOS字段演变而来，共8类；CS6和CS7可用于承载管理控制类业务，如LTE中的IMS信令（IMS Signaling）业务。 EF（Expedited Forwarding）PHB方式，适用于低时延、低丢失、低抖动、确保带宽的优先业务，可用于承载LTE中实时游戏（Real Time Gaming）、视频会议等业务。 AF（Assured Forwarding）PHB分为四类，每个AF类又分为三个丢弃优先级，可以对相应业务进行等级细分： AF4用来承载直播视频业务，直播的实时性很强，需要连续性和大吞吐量的保证。 AF3可以用来承载缓存流媒体业务（Buffered Streaming），这类业务丢包率非常低， 时延中等，抖动较高。 AF2可以用来承载VOD的流量，相对于直播，VOD要求时时性不是很强，允许有延迟或者缓冲。 AF1可以用来承载交互类业务，如交互游戏等业务。 BE（Best effort）PHB是CS中特殊一类，没有任何保证，最不重要的业务是INTERNET业务，可以放在BE模型来传输。DS标记域定义为IPv4头部的TOS（Type of Service）字节或IPv6头部的流类型（Traffic Class）字节，如图4-2所示。其中DSCP（6bit）即为区分服务标记，CU（2bit）在DiffServ体系中没有使用，IETF已将它定义为ECN（Explicit Congestion Notification，显式拥塞指示）使用。对于不支持CU域的网络设备，当决定所收到的报文的PHB时，将忽略CU的值；对于不支持该域的主机，在发送数据包的时候，将该域的值置零。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设备。图4-3所示为IP数据报结构，其中Type of Service域即为区分服务（DS）域，8 bit。图4-4所示为DS域的结构，由差分服务码点DSCP和CU（2 bit，当前预留，bit 67都置0）两部分组成。其中DSCP由PRECEDENCE（3bit）、D、T和R共6bit组成。图4-3 IP数据报 图4-4 DS域的组成 DSCP值的前3个Bit是传输优先级,后3个Bit是丢弃优先级； Bit 02为PRECEDENCE，代表优先顺序位（即传输优先级），路由器可以使用它优先处理通过路由器队列的通信，这里数值越大，传输优先级别越高； Bit3为D，代表延迟，0-正常延迟，1-低延迟； Bit4为T，代表吞吐量，0-正常吞吐量，1-高吞吐量； Bit5为R，代表可靠性，0-正常可靠性，1-高可靠性； 路由器可以根据D、T、R组合的值（即丢弃优先级）来进行特定处理。4.1.2 VLAN标记在以太网的MAC层同样也定义了业务的优先级别，即流量优先权控制标准IEEE 802.1p。 IEEE 802.1p协议头包括一个3位优先级字段，能提供07共8种层二的优先级别。VLAN的优先级映射通过IEEE 802.1P规范来实现。最高优先级为7，应用于关键性网络流量，如路由选择信息协议（RIP）和开放最短路径优先（OSPF）协议的路由表更新；优先级6和5主要用于延迟敏感（delay-sensitive）应用程序，如交互式视频和语音；优先级4到1主要用于受控负载（controlled-load）应用程序，如流式多媒体（streaming multimedia）和关键性业务流量（business-critical traffic），例如，SAP数据以及 loss eligible 流量；优先级0是缺省值，主要支持尽力而为（best-effort）业务，在没有设置其它优先级值的情况下自动启用。4.1.3 DSCP与VLAN CoS的映射关系为了使高优先级数据拥有端到端的QoS保证，需要保证层间QoS的一致性，这就需要建立业务、802.1p和DSCP之间的QoS映射关系，这个映射关系可由运营商来统一配置， 三者之间的映射关系举例如表3，其中优先级7表示最高优先级，优先级0表示最低优先级：表4-1 业务、802.1p和DSCP之间的QoS映射关系举例对应的服务IPv4优先级/ EXP / 802.1PDSCP(二进制)TOS(十六进制)应用BE000InternetAF1100101028Leased LineAF2201001048IPTV VODAF3301101068IPTV BroadcastAF4410001088SignalingEF5101110B8voiceCS66110000C0ProtocolCS77111000E0Protocol4.1.4 DSCP与QCI的映射关系在LTE中，业务级别的QoS参数（每个SDF或者SDF集合）包括QCI，ARP，GBR和MBR。对于LTE系统中的无线接口和S1接口，每一个PDU (e.g. RLC PDU 或GTP-u PDU) 通过PDU头部携带的承载标识间接的与一个QCI相关联。业务、优先级和DSCP之间的QoS映射关系如表2所示，其中优先级1代表最高优先级，优先级8表示最低优先级。表4-2 业务、优先级、QCI和DSCP之间的QoS映射关系举例对应的服务优先级QCIDSCPTOS(十六进制)应用BE8800TCP-based (e.g., www, e-mail, chat, ftp, p2p file sharing, progressive video, etc.)Aoice、Video (Live Streaming), Interactive GamingAF26701001048Video(Buffered Streaming)AF35301101068Non-Conversational Video(Buffered Streaming)AF44210001088Conversational Video (Live Streaming)EF34101110B8Real-Time GamingCS621110000C0Conversational VoiceCS715111000E0IMS Signaling4.2 流量监管与流量整形流量监管(traffic policing)的典型作用是限制进入某一网络的某一连接的流量与突发。在报文满足一定的条件时，如某个连接的报文流量过大，流量监管就可以对该报文采取不同的处理动作，例如丢弃报文或重新设置报文的优先级等。因此，流量监管中不仅包括限制流量，还可以实现限定流量内的流与超出流量的流分别对待。通常是使用CAR来限制某类报文的流量。流量整形(traffic shaping)的典型作用是限制流出某一网络的某一连接的流量与突发，使这类报文以比较均匀的速度向外发送。流量整形通常使用缓冲区和令牌桶来完成，当报文的发送速度过快时，首先在缓冲区进行缓存，在令牌桶的控制下，再均匀地发送这些被缓冲的报文。流量整形采用的技术叫做通用流量整形（Generic Traffic Shaping，简称GTS），它可以对不规则或不符合预定流量特性的流量进行整形，以利于网络上下游之间的带宽匹配。CAR和GTS都是通过令牌桶技术 (Token Bucket，TB)对流量进行监管和整形的，下面先介绍令牌桶算法的原理，然后再介绍令牌桶算法在CAR和GTS中的应用。4.2.1 令牌桶的实现原理令牌桶算法是目前IP QoS中最常采用的一种流量测量方法。IETF RFC 建议规范了单速率三色标记和双速率三色标记两种令牌桶算法，其评估结果都是为报文打上红、黄、绿三色标记。QoS根据报文的颜色，设置报文的丢弃优先级，为0、1、2三个等级，分别对应红、黄、绿三种颜色。其中单速率三色标记比较关心报文尺寸的突发，而双速率三色标记则关注速率上的突发。在桶的构成、令牌添加和报文处理流程方面前者较后者简单，成为目前业界比较常用的流量标记方式。 单速率三色标记算法单速率三色标记算法的评估依据以下3个参数：承诺访问速率(CIR)，即向令牌桶中填充令牌的速率；承诺突发尺寸(CBS)，即令牌桶的容量，每次突发所允许的最大流量尺寸（设置的突发尺寸必须大于最大报文长度）；超额突发尺寸(EBS)。单速率三色标记算法一般采用双桶结构：C桶和E桶。Tc表示C桶中的令牌数，Te表示E桶中令牌数，两桶的总容量分别为CBS和EBS。初始状态时两桶是满的，即Tc和Te初始值分别等于CBS和EBS。令牌的产生速率是CIR，通常是先往C桶中添加令牌，等C桶满了，再往E桶中添加令牌，当两桶都被填满时，新产生的令牌将会被丢弃。色盲模式下，假设到达的报文长度为B。若报文长度B小于C桶中的令牌数Tc，则报文被标记为绿色，且C桶中的令牌数减少B；若TcB Te，标记为红色，两桶总令牌数都不减少。在非色盲模式下，若报文已被标记为绿色或B Tc，则报文被标记为绿色，Tc减少B；若报文已被标记为黄色或TcB Te，则标记为红色，Tc和Te都不减少。 双速率三色标记算法双速率三色算法主要是根据4种流量参数来评估：CIR、CBS、峰值信息速率(PIR)，峰值突发尺寸(PBS)。前两种参数与单速率三色算法中的含义相同，PIR值必须不小于CIR的设置值，如果大于CIR，则速率限制在CIR于PRI之间的一个值。与单速率三色标记算法不同，双速率三色标记算法的两个令牌桶C桶和P桶填充令牌的速率不同，C桶填充速率为CIR，P桶为PIR；两桶的容量分别为CBS和PBS。用Tc和Tp表示两桶中的令牌数目，初始状态时两桶是满的，即Tc和Tp初始值分别等于CBS和PBS。色盲模式下，如果到达的报文速率大于PIR，超过Tp+Tc部分无法得到令牌，报文被标记为红色，未超过Tp+Tc而从P桶中获取令牌的报文标记为黄色，从C桶中获取令牌的报文被标记为绿色；当报文速率小于PIR，大于CIR时，报文不会得不到令牌，但超过Tp部分报文将从P桶中获取令牌，被标记为黄色报文，从C桶中获取令牌的报文被标记为绿色；当报文速率小于CIR时，报文所需令牌数不会超过Tc，只从C桶中获取令牌，所以只会被标记为绿色报文。在非色盲模式下，如果报文已被标记为红色或者超过Tp+Tc部分无法得到令牌的报文，被标记为红色；如果标记为黄色或者超过Tc未超过Tp部分报文记为黄色；如果报文被标记为绿或未超过Tc部分报文，被标记为绿色。4.2.2 约定访问速率(Committed Access Rate, CAR) 流量控制(Policing)约定访问速率（CAR）是一种带宽管理机制，利用令牌桶技术 (Token Bucket，TB) 进行流量控制。图4-5 CAR进行流量控制的基本处理过程示意图图4-5所示为利用CAR进行流量控制的基本处理过程。对于已经分类好的报文，如果没有规定流量特性，就直接继续发送，不需要经过令牌桶的处理。如果需要进行流量控制，则会进入令牌桶中进行处理。如果令牌桶中有足够的令牌可以用来发送报文，则允许报文通过，报文可以被继续发送下去，同时令牌桶中的令牌量按报文的长度做相应的减少；如果令牌桶中的令牌少到报文不能再发送时，则报文被丢弃。这样，就可以对某类报文的流量进行控制。令牌桶可以很好的控制数据流量。当令牌桶中充满令牌的时候，桶中所有的令牌代表的报文都可以被发送，这样可以允许数据的突发性传输。当令牌桶中没有令牌的时候，报文将不能被发送，只有等到桶中生成了新的令牌，报文才可以发送，这就可以限制报文的流量只能是小于等于令牌生成的速度，达到限制流量的目的。在进行流量监管时，令牌桶按运营商设定的速度向桶中放置令牌，并且运营商可以设置令牌桶的容量，当桶中令牌的量超出桶的容量的时候，令牌的量不再增加。 报文标记(Making)在实际应用中，CAR还可以进行报文的标记(mark)或重新标记(re-mark)。因此，当采用CAR进行流量监管时，不仅能够实现流量控制，还可以实现限定流量内的流与超出流量的流分别对待。对于在限制流量内的报文，可根据重新设置它的丢弃优先级；对于对超出流量的报文，可以通过CAR来设置IP报文的优先级或修改IP报文的优先级，来配置这些报文是继续发送还是丢弃。例如，对符合流量特性报文