MPLS技术正是目前业界看好的解决IP骨干网络中QoS问题的最佳途径，利用MPLS集成模型在第二层上实现对第三层的QoS的控制，其MPLS环境下QoS实现模型如图3.14所示。......
2023-10-18
QoS资源控制与管理技术：下一代网络的关键因素
【摘要】：QoS的资源控制与管理技术是下一代骨干网络的核心关键技术之一，它一直是网络研究与开发的热点。QoS选路和资源的预留。图3.8给出了CAC接纳控制与流量控制关系示意图。UPC和NPC是由ITU-T在建议1.371中对B-ISDN UNI和NNI接口处对信息流的监管措施。为了保证网络服务的QoS，需要对到达的分组流速进行调整，这就是业务整形。
QoS的资源控制与管理技术是下一代骨干网络（MPLS网络）的核心关键技术之一，它一直是网络研究与开发的热点。MPLS Forum成立之初就将其定为研究开发的四大重点任务之一。国际上的一些标准化组织，如ITU、IETF等为QoS在各种网络中的实现制定了一些标准，例如，IP网络中的实时传输协议RTP/RTCP、资源预留协议RSVP；ATM网络中的漏桶算法和数据传输令牌机制、多媒体信息传输的H.323标准等。在QoS的研究上按其应用主要可分为如下几点：
（1）连接接纳控制和业务整形。
（2）QoS选路和资源的预留。
（3）基于QoS的传输调度与拥塞控制。
3.4.1.1 连接接纳控制与业务整形
连接接纳控制CAC是在用户数据传输链路建立阶段所执行的一组操作，用以拒绝或接受一个用户的传输连接请求。为了保证所接受业务的QoS，除完成接纳控制外，还需对用户传输信息进行整形，具体的可归结到用法参数控制UPC和网络参数控制NPC上。
对于一个给定的呼叫而言，只有当网络空闲资源能够满足连接请求分配的带宽和其服务质量要求时，网络才跟用户协商建立一个QoS传输的通信连接。然后，根据协定对用户数据流进行策略监管。常见的协定参数有如下几点：
（1）峰值分组速率（Peak Packet Rate）：指传输中的最大瞬间速率，可用产生两个相邻分组的最短时间间隔的倒数来表示。
（2）平均分组速率（Sustained Packet Rate）：指一段时间内分组传输的平均速率。
（3）分组丢失率（Packet Loss Rate）：指由于网络故障或拥塞导致丢失的分组数与用户发出的总分组数之比。
（4）分组传输时延（Packet Transfer Delay）：指分组从信源发出的源节点到目的节点之间的时间，它由传输时延、交换时延和排队时延等组成。
（5）分组时延抖动（Packet Delay Variation）：指分组传输时延的变化量。
图3.8 CAC接纳控制和流量控制图
以上这些参数的监控实际上表现为对数据传输速率（即流量）的控制。图3.8给出了CAC接纳控制与流量控制关系示意图。CAC操作控制过程的核心单元是CAC控制器，由它决定是否接受用户接入申请。由于不同的业务有不同的特性，单个业务和网络中多个业务复用后的特性有所不同，所以CAC控制器可以根据不同的业务种类和网络负载情况选择不同的工作策略。最简单和最直接的CAC控制器采取的策略是峰值速率资源分配法，也称为“非统计类CAC策略”，这种方法的优点在于实现简单，质量可保证。其主要的缺点是对于速率变化很大的VBR业务，网络资源的浪费非常严重。为了提高网络的运营效率，人们又提出了多种CAC控制策略，其中最著名的是等效带宽法（Equevalent Capacity）。该方法已被IBM公司用于其PlaNET网络设计之中。在使用该方法时，首先必须根据用户申请业务量的参数计算得到连接所希望得到的信道带宽，然后根据用户提交的有关参数得到实际传输所需的等效带宽，这样N个用户复用所需带宽大大小于各用户单独传输所需带宽之和，提高了网络资源利用率。
当用户允许接入到网络后，就需要对其向网络发送的数据速率进行控制，这称为基于速率的控制RBC。RBC的操作主要在用户网络接口UNI完成，例如，为了使进入网络的分组符合“用户/网络流量协议”，在网络入口对输入分组进行监督，采用漏桶法控制令牌产生的速率及令牌池大小，从而控制进入网络中的分组速率。这种控制又可分为UPC和NPC控制。
UPC和NPC是由ITU-T在建议1.371中对B-ISDN UNI和NNI接口处对信息流的监管措施。UPC和NPC操作过程基本相似，只是实施的地点不同。ITU-T建议使用UPC操作，而将NPC作为可选操作。ITU-T并没有给出UPC和NPC的具体算法，但要求采用的算法必须具有如下一些基本特点：
（1）算法易于实现。
（2）能够监测出非法业务量。
（3）允许用户/网络选择和设置测试参数集合和具体参数值范围。
（4）能够对违约数据分组作出快速响应。
在B-ISDN网络中，数据传输流具有高度突发的特点，其传输速率变化很大。为了保证网络服务的QoS，需要对到达的分组流速进行调整，这就是业务整形。业务整形是在保证业务QoS的前提下，在源端或网络访问点（SAP）处改变一个连接的流量特性，使业务流规范化，特性更接近流量合同。
可以使用传输限制函数来描述业务整形，如图3.9所示。b（t）表示在时间长度t内信源能够发送进入网络的分组个数，Aj［s1，s2］表示在时间间隔［s1，s2］内连接j到达的分组数量，于是传输限制函数可表达为
图3.9 业务整形图
目前最常用的业务整形和带宽监控技术是漏桶（Leaky Bucket）算法，这个算法可将突发业务流转化为平缓传输数据流，并确保用户的传输流遵守用户在CAC阶段达成的协定。
漏桶算法的基本思想是：任何一个分组要进入网络，一定要从令牌池即漏桶中获取一个令牌，如果此时令牌池为空，则该分组将被丢弃。令牌池的尺寸规定了可以发送分组的数目，从而可以控制业务源的突发长度。令牌按网络平均接纳速率R产生，令牌池最多可存放p个令牌（p即漏桶大小）。令牌池满时，新产生的令牌被丢弃。
图3.10是这种方法的示意图。在漏桶算法限定业务源模型中，传输限制函数b（t）=P+Rt。一个业务源允许在任意短时间间隔内发送p个分组的突发信息，但在长时间间隔范围内，业务源限定以平均速率R来发送。(www.chuimin.cn)
对上面的方法还可进一步加以改进。如图3.11所示，在输入端漏桶前增加一个缓冲区，这样，当令牌池为空，即令牌被用完时，只要缓冲区没有满，分组就可以缓存在缓冲器中而不至丢失。
图3.10 漏桶算法图
图3.11 带缓冲区的漏桶算法图
漏桶算法是目前在ATM网络中用得较多和较成熟的算法，但它仍有缺点，例如，即使在网络负载很低时，漏桶算法对违约的分组仍然采用丢弃或放入缓冲区的方法，由于算法的限制，减缓了传输速率，造成网络资源的浪费。另外，如果令牌产生速率小于分组平均速率，那么，如果网络是按用户的平均速率分配资源，就会导致符合流量协议的分组被丢弃。
3.4.1.2 基于QoS的传输调度与拥塞控制
调度算法的基本功能是从节点的每一个输出链路中挑选在下一个有效周期中发送的分组。QoS传输调度要基于一些策略，例如，带宽的保证、流的隔离、时延的保证和公平选择等。协议和算法的复杂性要适应网络高速传输的要求、便于实现、具有鲁棒性和扩展性。调度算法可以分为两类：基于速率的调度算法和基于时间的调度算法。
目前，使用最广的调度策略是近似处理器共享（Generalized Processor Sharing，简称GPS）的调度策略。在处理器共享（Processor Sharing，简称PS）调度中，对于每个连接（会话）都有一个先进先出（FIFO）队列，它们共享着相同的链路。在任何时间间隔都正好有N个非空队列，服务器以链路速率的1/N同时传送在队列头部的N个分组。GPS方案有两个特性：①可以保证端到端的延时是在要求范围内；②可以确保带宽的公平分配。
GPS算法基于两个假设：①分组长度无限可分；②让N个连接（会话）由共享一个输出链路，并用N个正实数φ1，φ2，...，φn描述其预约速率，Wi（s，t）是会话i在时间间隔［s，t］所接受服务，R表示链路的总容量。对于各个流的预约速率总和应满足
对于在（s，t）期间正在传输的任何两个会话i和j，有
式（3.3）表明，保证流所获得服务与各个数据流间相对权值成正比，因此φi称为服务共享权。设C是服务速率，所有服务的发送量为
从式（3.3）和式（3.4），可以得到会话i的最小服务速率xi为
式（3.5）表示GPS调度器的隔离特性，每一个会话不受其他会话的影响，保证各个数据流能获得不少于其预约的带宽份额，确保了会话传输的时延。
从上面的描述中可以看出GPS可以同时提供隔离和公平的特性连同速率和时延的保证。但GPS只是一个理想的流体模型，而不能在实际中完全应用。目前，提出了很多近似GPS调度策略的例子，例如，自时钟公平排队（Self-Clocked Fair Queueing）方案、虚拟时钟（Virtual Clock）方案、最坏状况公平权公平排队（Worst-case Fair Weighted Fair Queueing）方案、最小时延自钟公平排队的根本思想就是给每一个以有效带宽的公平共享，在加权公平排队方案中，调度器可以分配不同的权力给不同的会话。
合适的调度策略可以有效利用网络资源，降低拥塞的发生概率，但却不可能完全避免网络的拥塞。通常塞发生在基本原因是负荷量超过网络所可以允许的吞吐量，图3.12给出了网络负荷与吞吐量之间的关系。
图3.12 网络负荷与吞吐量之间的关系图
从图3.12可以看出，不进行拥塞控制的网络在网络负荷增大时，将使网络吞吐量迅速下降，甚至于无法传输信息，在QoS上的表现就是分组时延和丢失率增加，具体如图3.13所示。因此必须采取拥塞控制策略。
图3.13 网络负荷与分组延时与丢失率的关系图
拥塞控制策略的目的之一是在拥塞区内保证网络具有相当的吞吐量，另一方面就是在拥塞区内保证时实业务的分组具有较低的传递时延、数据性业务的分组具有较低的丢失率等。目前较常用的拥塞控制方法有如下几点：
（1）拥塞回避：这种方法是在负荷接近网络允许吞吐量采取一些措施，以避免网络进入拥塞区，它所采取的策略主要是限制用户发送端发送过多的分组，根据所采取限制方法的不同又可分为：基于窗口的流量控制方法（根据接受节点的反馈信息去态调整窗口大小，达到限制发送端发送信息量的目的）、基于速率的流量控制方法（动态调节发送端的传输速率以响应反馈信息）、基于信用证的流量控制方法（接收端发送允许发送端发送信息的“信用证”，发送端在接收到相应的“信用证”后才发送信息。）
（2）拥塞恢复：这种方法用于设备故障或由于过载使网络进入拥塞状态时。它又有两种处理方法：一种是选择性分组丢失，另一种是显示拥塞通告（Explicit Forward Congestion Indicatin）。从原理上说，拥塞控制应在网络各处进行。当网络发生拥塞时应该通知网络边界端节点限制进入网络的呼叫。
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