摘要：随着Internet的发展、普及，以及各种新业务的出现（VOIP、VPN、ERP等），Internet已经由一个传统的数据网络转变为具有商业价值的承载网，其必须为所承载的每一类业务提供所需要的服务质量保证；本文简要回顾了IP QoS技术的发展历程，介绍了华为公司各项IP QoS技术，最后结合一些典型的组网应用详细介绍了华为IP QoS解决方案
关键字：IP QoS、VOIP、VPN、IntServ、DiffServ、MPLS VPN、MPLS TE、VRP

一 、IP QoS技术的发展历程
1.1业务驱动
传统的IP网络主要承载数据业务，诸如E-Mail、FTP、WWW等，这些数据业务对网络的带宽、时延、抖动等没有严格的依赖，因此可以采用尽力而为的服务（Best Effort）。尽力而为的服务不属于QoS的范畴，在转发报文时不提供任何服务或传送保证，是当前Internet提供的主要的一种服务。大多数数据应用使用尽力而为的服务就可以正确地工作，虽然性能会降低；所有的数据应用都会根据带宽、时延以及分组丢失率最大限度地获得网络资源。随着Internet的发展、普及，以及各种新业务的出现（VOIP、VPN、ERP、视频通信、流媒体等），Internet已经由一个传统的数据网络转变为具有商业价值的承载网，因此其必须采用一定的QoS技术为关键业务提供所需要的服务质量保证。
1.2 IP QoS的定义
IP QoS ( Quality of Service ) 是指IP网络的一种能力，即在跨越多种底层网络技术（FR、ATM、Ethernet、SDH等）的IP网络上，为特定的业务提供其所需要的服务。衡量IP QoS的技术指标包括：
1）带宽/吞吐量 - 指网络的两个节点之间特定应用业务流的平均速率；
2）时延 - 指数据包在网络的两个节点之间传送的平均往返时间；
3）抖动 - 指时延的变化；
4）丢包率 - 指在网络传输过程中丢失报文的百分比，用来衡量网络正确转发用户数据的能力；
5）可用性 - 指网络可以为用户提供服务的时间的百分比。
不同的用户及业务对IP QoS技术指标的要求是不同的，通过有效地实施各项IP QoS技术，使得网络运营商能够有效地控制网络资源及其使用，能够在单一IP网络平台上融合语音、视频及数据等多种业务，能够在现有网络上细分客户、针对不同的客户需求提供特色的差别业务、以便能迅速获得利益回报、从而进一步扩大市场占有率、提高市场竞争力。
1.3 IP QoS的发展历程
随着人们认识问题的逐步深入，IP QoS技术的发展经历了一个漫长、曲折的过程，如图1：

图1 IP QoS技术的发展历程
1） 20世纪80年代，当时的Internet主要承载数据业务，网络采用尽力而为的服务、无QoS保障。
2） 到了20世纪90年代初期，由于受到VOIP等实时业务的驱动，IETF组织在IP QoS领域做了第
一次尝试，在1994年推出了基于RSVP的IntServ解决方案，这是一种端到端基于流的QoS技术。使用IntServ，两端应用程序在通信前，需要根据业务类型及对网络资源的要求，通过带外的RSVP信令建立端到端的通信路径，沿途的每一个路由器都需要记录每一个业务流的状态信息-“软状态”，并提供相应的服务确保。
IntServ主要借鉴了窄带PSTN领域的成功经验 – 通信前先通过信令协议建立端到端的通信路径、解决QoS问题，但同样的思想在IP领域却没有获得成功，其中一个重要的原因在于IP网络与PSTN网络的流量模型和业务模型是不同的：
流量模型 业务模型
PSTN网络 以本地网范围内的业务（市话）为主，少量的业务（长话）要穿透本地网 对于一个源电话号码和目的电话号码对，只需提供一条64Kbps的电路交换路径
IP网络 大量的业务都要穿透本地网 对于一个源IP地址和目的IP地址对，可并发存在多种业务，如FTP、WWW、E-Mail、VOIP等，各类业务的QoS要求也不相同

由于IP网络流量模型和业务模型的特点，使得Internet骨干网瞬间要为成千上万的业务流提供服务，因此粒度为单个流的路径预留的解决思路在Internet骨干网上无法扩展，这严重制约了IntServ在实际网络中的应用。当然还存在其他一些限制IntServ应用的因素，包括RSVP信令大规模的部署、不同厂商设备之间的互通以及基于业务的管理（认证、计费）等。可以说基于RSVP的IntServ解决方案是在IP QoS方面一次失败的尝试，IntServ从1994年推出至今并没有获得任何规模的商用。
3） 为了寻求扩展性和简易性，IETF组织在1998年推出了基于DSCP的DiffServ解决方案，这是一
种基于类的QoS技术，主要用于骨干网。使用DiffServ，在网络入口处根据服务要求对业务进行分类、流量控制，同时设置报文的DSCP域；在网络中根据实施好的QoS机制来区分每一类通信（依据分组的DSCP值）、并为之服务（包括资源分配、队列调度、分组丢弃策略等，统称为PHB），DiffServ域中的所有节点都将根据分组的DSCP字段来遵守PHB。DiffServ通过将业务定义为有限的类、可以很好地解决扩展性的问题，但由于各种业务的流量模型和业务模型的不同（例如VPN业务是点到点、星型或半网状、双工通信，流媒体业务是星型、单工通信等），各种业务叠加在一起后，其流量模型和业务模型将会是非常复杂的，使得在现实网络中DiffServ无法去真正部署，必须利用一些智能化的工具（例如动态收集网络流量信息、通过显示路由的方式部署网络流量），这就是MPLS DS-TE，下面即将介绍。
业界同时提出了一种将IntServ与DiffServ结合的思路：即在用户网络仍使用RSVP协议、在运营
商的DiffServ网络边界将IntServ的业务类型映射为DiffServ的业务类型，这样解决了端到端的QoS，同时也具有很好的扩展性。但这种方法并没有解决DiffServ的部署问题，同时也存在IntServ的信令复杂、管理等问题，该方法仍处于一种理论的研究阶段。
4） MPLS网络本身的QoS技术可以采用两种思路，首先可以采用IntServ方案，提供基于流的QoS，
但由于IntServ存在的问题，这条路在一开始就没有走通。MPLS QoS的另一种思路是采用DiffServ方案。
MPLS与DiffServ都具有很好的可扩展性、处理过程也类似 - 在网络边缘聚合（DSCP或Label）、在网络核心处理（基于DSCP的PHB或基于Label的转发）；如果将DS字节的设置融入MPLS的标记分配过程中，MPLS的标记将具备区分分组服务质量的能力。MPLS与DiffServ的结合称为MPLS CoS。
IP报文头的DS字节对MPLS设备（LSR）是不可见的，因此必须存在某种机制让DS字节对LSR是可见的，根据将IP DiffServ信息通过Label传达给LSR方式的不同，业界存在两种MPLS CoS的解决方案：
E-LSP - 在LER上将IP DS字节映射到MPLS Label的EXP位，通过EXP位向LSR表示分组的QoS要求，这样一个LSP最多可支持8个服务等级；LSR根据Label和EXP对分组进行队列调度，根据EXP进行报文丢弃，同一LSP中的分组可能被分到不同的队列；E-LSP是通过LDP协议建立的普通的LSP。
L-LSP - 在LER上将IP DS字节映射为一个LSP，通过Label和EXP位向LSR表示分组的QoS要求；LSR根据Label对分组进行队列调度，根据EXP进行报文丢弃，同一LSP中的分组被分到同一个队列；L-LSP需要通过CR-LDP或RSVP扩展来建立，有一定的QoS能力。
选择上述两种方案主要取决网络所规划的业务类别数目、分组丢弃值以及MPLS运行的模式（帧模式或信元模式）；当采用信元模式的MPLS*作时，Label与VPI/VCI相对应，只能采用L-LSP，此时将Label的EXP映射为信元的CLP；当采用帧模式的MPLS*作时，采用E-LSP或L-LSP方案都可以；目前大部分网络运营商所使用的业务等级都在4个以内（话音、视频、VPN与高质量上网、普通上网），所以E-LSP基本能够满足应用，又能很容易与IP Precedence和802.1p做到互通； L-LSP与MPLS DS-Aware TE使用了很多相同的机制，DS-TE本身就使用L-LSP，两者都可以为不同服务等级的业务提供不同的LSP、满足业务要求，但DS-TE比L-LSP功能更为强大，例如DS-TE可以对整个网络的资源进行优化；目前MPLS DiffServ的相关RFC草案尚未形成标准，业界趋向于采用E-LSP方式。
5） MPLS TE是一种间接改善网络QoS的技术。传统路由协议（如OSPF或IS-IS）主要是保障网络
的连通性和可达性，通常选取不是非常灵敏的参数作为SPF计算根据，导致网络负载不均衡、路由动荡等缺陷；MPLS TE利用了LSP支持显示路由的能力，在网络资源有限的前提下，将网络流量合理引导，达到实际网络流量负载与物理网络资源相匹配，间接改善了网络的服务质量。
MPLS TE通过对IGP协议（OSPF或IS-IS）进行扩展，使其能够收集网络流量信息（包括最大链路带宽、最大保留带宽、当前保留带宽和链路类别等）形成流量工程数据库（TED），每个LER根据自己的TED、结合各类策略实施在线约束路由计算，得到显示路由（从它开始的LSP路径），最后显示路由（LSP）通过信令协议CR-LDP或RSVP扩展来部署，MPLS TE的工作原理如图2所示。
图2 MPLS TE的工作原理
根据用户需求（显示路由、带宽等）及网络资源的情况，MPLS TE能够自动通过CR-LDP信令（或RSVP扩展）建立一条跨越骨干网的从LER到LER的隧道，同时可完成隧道的维护、统计、属性修改（如带宽）及备份等功能；LER与LER设备之间，可以认为通过一个隧道直连；MPLS TE隧道可广泛应用于VPN、各类接入及互联业务中；MPLS TE隧道如图3所示。
图3 MPLS TE隧道
通过MPLS TE，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EF、AF及BE业务时，业务之间会相互干扰，也就是说MPLS TE存在一个严重的问题- MPLS TE隧道不能够感知业务类型。
6） 2002年业界提出了一种MPLS DiffServ-Aware TE 的解决方案。
DiffServ提供了基于类的QoS，具有良好的可扩展性，但缺乏有效的端到端部署的机制；MPLS TE
通过有效地管理带宽资源间接改善网络服务质量，但其带宽管理以及MPLS TE隧道都无法做到基于业务类别（时延），如果EF、AF、BE业务都承载在一个MPLS TE隧道中EF和AF业务将受到严重的影响。MPLS DiffServ-Aware TE在原来MPLS TE的基础上，增加了基于类别的资源管理，例如可根据带宽及时延的不同将接口资源划分为EF、AF、BE三类，通过IGP协议对每个类别的资源使用情况进行收集、分别建立TED，通过信令协议携带类别建立LSP。
MPLS DS-TE充分利用了DiffServ的可扩展性以及MPLS 的显示路由能力，是解决骨干网QoS的有效技术，网络资源可根据用户的需求得到最优的利用；与DS-TE相关的RFC草案已提交IETF工作组进行审核，尚未形成最终标准。
1.4总结
通过上面的分析我们可以看出，IP QoS技术的发展经历了一个漫长、曲折的过程，在众多的QoS技术中，IP DiffServ、MPLS DiffServ E-LSP及MPLS DiffServ-Aware TE将成为主流的QoS技术，这也是华为公司研究与开发的重点。
同时我们也应看到，IP QoS技术即使发展到今天，也不存在这样一种技术可以提供类似于PSTN网络的、全网范围的、端到端的、基于流的QoS，原因是多方面的，涉及到IP网络业务、技术及设备等多方面的因素。因此解决现有网络的QoS问题，需要详细分析网上各类业务的流量模型、业务模型，详细分析现有网络的各个环节、找出影响业务QoS的关键因素所在，充分运用各种QoS技术（如IP QoS及各种二层网络的QoS技术），从IP承载网、业务终端和应用程序以及用户管理（包括认证与计费等）等多方面着手，提供QoS解决方案。

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