王亞宏 鄔賀銓
（1. 北京郵電大學 北京 100876；2. 電信科學技術研究院 北京 100083； 3. 中國工程院 北京 100038）
摘要：近年來業界對IP QoS做了比較深入的研究和探討，提出了很多支持IP QoS的算法，但相對其對QoS的改進，這些算法的復雜性越來越大，所提出的IP QoS技術在實際的工程領域應用不多而且效果并不顯著。本文從公路網的視角重新認識IP QoS問題，提出了互聯網所需要和所能提供的是一種適合的、相對的、統計意義上的IP服務質量保證能力，并分析目前在網絡實際應用中有助于改善IP QoS一些方法的成功之處，包括提高網絡的硬件通行能力、提供差異化的服務質量保證、提高網絡對流量的控制能力，最后討論公路網對IP QoS下一步研究的一些啟示。
關鍵詞：IP服務質量保證；公路網；IP網
1 引言
自從20世紀90年代互聯網大規模進入商業應用，IP QoS就成為互聯網研究的一個重要方面，業界對其中關鍵技術如接納控制、整形和策略（shaping and policing）、信令和資源管理、排隊和調度、擁塞控制和隊列管理、QoS 路由等都有著深入的研究[1，2] 。但IP QoS在實際的工程領域推廣應用并不普遍，大多數互聯網運營商只是采取輕載(over-provisioning)設計來減輕對IP QoS的壓力[3，4]。而關于QoS所研究的算法則越來越復雜，過于復雜的算法無助于實際網絡設備的開發，很難得到應用，復雜的算法也不見得能夠適應互聯網應用的復雜環境[1,5,6]，同時無論是IntServ、DiffServ都需要在網絡的終端或邊緣處進行大量的流量分類和標識工作，給實際應用和終端的支持帶來困難。從近年的三大會議(Sigcomm、Infocom和Globecom)發表的有關IP QoS的論文發現[6]，實際上業界對目前IP QoS的研究存在分歧和質疑。IP QoS的目標是什么？在IP網上能夠達到傳統電話網的QoS嗎？用什么指標來衡量IP QoS？除了在流量算法方面的改進外，是否需要在網絡設計和網絡體系上尋找解決IP QoS問題的突破？因此有必要從新的視角重新審視IP QoS問題。我們發現如果將電話交換網比作鐵路網，那么基于包交換的IP網絡則可以看作公路網[7]，可以借鑒公路網的一些規劃、運營和研究經驗來分析IP QoS問題。如表1所示，我們將IP網和公路網、電話網、鐵路網的基本屬性進行了類比，發現在網絡運行方式上，IP網絡和公路網有許多相似之處，而且兩者對外表現出來的一些現象頗為相似，如排隊、擁塞等。以下從公路網的視角來分析什么是IP QoS。
表1 IP網和公路網、電話網、鐵路網的特性比較
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基本屬性 |
IP 網 |
公路網 |
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電話網(PSTN) |
鐵路網 |
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交換單元 |
IP包 |
汽車 |
時隙 |
車廂 |
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單元屬性 |
長度變化大，一個IP包就是一個基本單元 |
長度(速度)變化大，一個汽車就是一個基本單元 |
長度固定，由控制時隙加上數據時隙構成復合單元 |
長度基本固定，火車頭加上車廂構成復合單元 |
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單元標識 |
IP地址 |
車牌 |
時隙編號 |
某一列車的第幾個車廂 |
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復用方式 |
統計復用 |
統計復用 |
時分復用 |
某一時段，某一區間只有一列火車運行 |
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連接方式 |
無連接 |
無需連接 |
面向連接 |
面向連接 |
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尋址方式 |
根據報頭IP地址和網絡圖尋址 |
司機根據地圖尋址 |
根據信令和時隙編碼進行尋址 |
根據通信信號和列車編組尋址 |
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交換節點 |
路由器 |
交叉路口 |
電話交換機 |
火車站/編組站 |
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接入方式 |
只有IP地址，隨意接入 |
只要有牌照，隨意接入 |
由運營部門認證接入，并且適配時隙 |
由運營部門認證接入，并且適配車廂 |
2 IP QoS問題溯源
盡管對IP QoS研究有很多年了，但是業界對它仍然沒有一個統一的定義[8，9]，從字面上理解為IP服務質量，一般可認為它是指IP分組或流通過網絡時的性能，這種性能通過一系列可度量的參數來描述：帶寬（bandwidth）、延遲(delay)、延遲抖動(delay variation)、丟包率(loss ratio)和出錯率(error ratio)等[9，10]。隨著對IP QoS研究的深入，對IP QoS定義的討論也更為細致，例如參考文獻[1]將用以上參數衡量的IP QoS分為三種形式：絕對的、統計的和時間平均的。通常多數研究總是希望IP網上能夠提供傳統電話網的QoS，特別是用以上參數嚴格衡量的端到端服務質量保證。
2.1 為什么需要IP QoS
互聯網提供IP QoS的目標是什么？它滿足什么樣的需求呢？對于互聯網的初期應用而言，初期計算機(終端)的能力較弱和人們對互聯網的依賴性比較小，互聯網的“盡力而為”服務能力是足夠的。這與汽車發展初期對公路的要求比較類似，只要有基本連通性即可。
隨著計算機能力提升和更多商業應用對互聯網依賴性的增強，人們希望互聯網能提供有別于“盡力而為”的服務能力。
對用戶和終端應用來說，不僅希望互聯網的整體服務質量可以持續改善，例如更高的帶寬，同時也希望能在一定代價的情況下獲得較高（或者明確）的服務質量承諾，特別對商業客戶(應用)提供有保證的服務能力是非常必要的。
對IP網絡研究者而言，更希望IP網一統天下(everything on IP)，IP網能夠取代傳統電話網，所以也希望IP網能夠提供像傳統電話網那樣的QoS承諾，特別是隨著路由器能力的加強和對TCP/IP研究的深入，提供嚴格的端到端服務保證能力似乎是理所當然的。
如果能以較低的代價實現電話網一樣的QoS保證能力，IP網運營商(ISP)會非常歡迎，但是由于互聯網的復雜性和IP應用的多樣性，運營商很難提供可測量的、嚴格的IP QoS服務承諾，而轉向更容易衡量和感知的服務水平協議(service level agreement，LSA),IP QoS手段也更多地是用于保證運營商與客戶簽訂的SLA [11]。
因此，近期來看，IP QoS主要目標是改善用戶的體驗(quality of experience)、提供有一定保證的差異化服務能力、以及用以衡量和改善ISP的網絡運營服務水平，保證向客戶提供更好的SLA。
2.2 IP網能否提供像傳統電話網那樣的QoS
我們先看一下公路網的情況，在交通繁忙時間，除了警車開道等特殊情況外，很難像鐵路那樣從絕對意義上保證汽車出行所需的時間，特別是端到端的時間；而汽車的速度、舒適度等服務指標是跟汽車本身有很大關系。另一方面，道路有設計時速和等級，交叉道口有通行能力等設計指標，公路通過劃分車道、紅綠燈、警察、交通法規等手段保證通行能力盡可能達到設計水平。公路網提供了一種相對的、統計意義上的服務質量保障。
傳統電話網（PSTN）提供一種嚴格的、有保證的服務質量能力，因此，人們往往也希望IP網能夠提供像PSTN那樣嚴格的QoS，IP網是否能夠提供這種QoS保障呢？
為什么PSTN能夠提供嚴格的QoS? 這是因為PSTN是針對語音這種單一業務來建設，網絡的質量就是語音業務質量，可以說PSTN是以效率(時分復用)、復雜性(面向連接、電路交換)、接入控制(不易接入)、單一業務為代價換來的實際網絡運行能力能夠達到其設計能力。
IP報文采用了無連接、長度可變、最短路徑尋址、統計復用、無接納控制等技術。因此，IP網絡有較高的效率、簡單和易接入等優勢，如果要求IP網絡能夠提供像PSTN那樣的服務質量，那必將犧牲IP網現有的特點，從這一意義上說，IP網對所有業務都保證嚴格的QoS可能得不償失。
正是IP網和電路網之間基本機理的不同，使得它們對QoS的要求、定義和提供手段是不相同的。IP網很難提供傳統電話網那樣的QoS保證。IP網絡可能更多地需要像公路網那樣提供適應自身應用(和客戶)需要的服務質量保證。
2.3 什么是合適的IP QoS
盡管可以用帶寬、丟包率、延遲、抖動等指標來衡量IP網絡的服務質量，但是IP網絡提供的QoS保證應該是一種相對差異化的、統計意義上的QoS能力[1，9]。QoS服務能力的獲得是有代價的，因此不同的用戶(應用)對QoS需求不同，并且大多數情況希望服務能力是在預期范圍內的，滿足使用體驗的需要。因此，可以對IP網絡有嚴格的設計能力要求，但是很難有嚴格的QoS服務承諾(實際上也難以準確測量IP QoS)。
除了使用具有一定可測量性的傳統QoS指標外，還可以考慮采用新的指標來衡量IP QoS，例如服務可用性(service availability)。參考文獻[11]定義服務可用性為SLA的一項指標，是指IP網絡能成功轉發IP報文到目的地的時間比例，一般可用于衡量ISP服務水平。參考文獻[11]中主要針對網絡故障的情況定義服務可用性指標，其實還可以考慮網絡擁塞導致網絡不可用的情況。
同時，我們認為IP QoS網絡的服務能力是分層次，除了滿足大多數用戶良好體驗的基本QoS能力和滿足商業應用的差異化的QoS能力外，IP網絡還需要提供最低QoS能力和緊急情況下的QoS能力。最低服務能力是指在最差情況下互聯網能夠提供的服務能力保證，最低服務能力可以用帶寬、時延指標來衡量，以滿足業務對互聯網可靠性的要求，改善用戶體驗。緊急服務能力保證是提供一種類似于公路網的警車開道的服務能力，用以保證臨時性關鍵應用的服務質量和緊急狀態下的特定應用的服務質量，例如災難情況下，對救災、指揮等關鍵應用，可以提供一種類似公路網上發特別通行證以保證重要車輛通行的優先服務能力。
IP網絡需要像公路網那樣提供適應自身應用(和客戶)需要的服務質量保證。可以一方面通過設備能力的提升使得設計能力得到提高（好比修高等級公路）；另一方面采取措施使得網絡的實際運行能力符合設計能力，當網絡負荷超過網絡設計能力時進行適時的網絡改造和擴容，以提供不斷提高的基本的服務質量保證，并且逐步增加對互聯網的控制能力，以便提供差異化、最低和緊急的QoS能力。
3 實用化的IP QoS技術分析
為了保證用戶對IP網絡的可接受性，特別是適應接入帶寬增加，運營商和設備廠商對IP網絡進行改進，以保證大多數用戶可接受的服務質量。下面從公路網的視角對目前在IP網絡中得到應用的IP QoS相關技術做簡單對比分析。
3.1 提高網絡的硬件通行能力
提高網絡承載能力仍然是保證基本服務質量的基礎。如同公路網一樣為了適應汽車技術的發展，只有提供更寬的道路、更高等級的路面才能保證更好的質量服務；對互聯網而言，只有網絡傳輸帶寬增加，交換節點(路由器)的帶寬和功能提升，才有可能實現更好的質量服務能力。例如目前路由器的容量與早期NSFNet的路由器相比增加了106倍，骨干節點IP傳輸帶寬也大致增加了104倍。
光傳輸網的廣泛應用(對應于公路中的提高設計時速)和路由器無阻塞交換能力(對應公路中的改平面道口為立體交叉道口)的提升，也使IP報文傳送時延有了較大改進，并且在骨干網絡采用輕載設計。針對主要TCP應用的改進[12]和路由器在丟包與隊列管理方面的優化也使網絡能更好地適應承載業務(好比改進公路以更好適應汽車)，提高網絡的硬件通行能力。
3.2 提供差異化的服務質量保證
大多數用戶對IP服務質量只是一個相對的、統計意義上的需求，但是不同的用戶對IP QoS還是存在差異化的需求。因此，需要提供差異化的QoS能力。
一般來說，客戶對QoS需求可以分為三大類：最嚴格要求的用戶可以不計代價，這樣可以為其提供IP專網或者其他網絡承載方式；對那些希望花一部分代價獲取較高質量服務的用戶，可以為其提供單獨的或者優于其他用戶的傳輸通道，如提供一個單獨的、有整體質量保證的專用核心網，如中國電信建設的CN2[13]；或者在網絡接入和城域部分，使用DiffServ或者MPLS提供相對好的質量保證；對質量服務不敏感的客戶，則提供大眾化的“盡力而為”承載服務。
對應公路網而言：對第一類客戶可提供警車開道、專用道路或改乘飛機等方式保證其質量要求；對第二類客戶，提供收費的省際高速公路和城市道路中的快車道以滿足其需求；對第三類用戶，提供基本的道路通行能力和免費的但是路面較差的省際公路。
因此，通過MPLS結合DiffServ手段和建設單獨的專網來提供差異化的服務質量保證是現實的一種選擇[13]，也會取得較好的效果。如中國電信建設的CN2網絡將用于承載高收益的應用，如VOIP和企業應用等[14]。
3.3 提高網絡對流量的控制能力
早期的互聯網對IP業務流量是一視同仁的，但是隨著IP流量增加和應用的廣泛，需要增加網絡對流量的控制能力。就好比公路發展了就必須制定交通規則，必須有紅綠燈和警察。目前IP網絡對流量的控制能力主要有:
通過MPLS和DiffServ對流量分類和標識，以便區別對待，包括接入控制、丟包、排隊策略等，就好比給汽車上牌照，給公路劃分快、慢車道。但是部署和管理MPLS和DiffServ相對復雜，目前大規模應用還不多，有效性還有待檢驗。
通過路由協議[15]和MPLS[16]提供流量工程能力，以便人工干預疏導流量，就好比用交通警察和紅綠燈來控制流量。
在網絡接入側可以進行接納控制，就好比在道路入口限制通行能力。
在路由器無阻塞交換中劃分隊列以便更好地交換，就好比在十字路口劃分車道和轉向。
應該說這些實用化的IP QoS技術基本上是以相對簡單、有效為原則，不追求完美，也可以認為是盡力而為地提供IP QoS。
4 公路網對IP QoS下一步研究的啟示
以上我們對比公路網的情況分析了在網絡中用于改善IP QoS的一些方法，下面著重參考公路網的網絡結構、網絡節點和流量控制三方面探討有可能進一步改善IP QoS的方法。
為改善通行質量，公路網結構很重要的一點是建立了高速直達通道(高速公路) 以及大中城市里的高架橋和環路等，以減少所經道口的數目，同時在熱點地區間或者線路間修建快速聯絡線，以改善局部交通情況。這一點對互聯網而言也是非常重要的，目前互聯網的直達通道太少，一個IP報文經歷的跳數較多，這與路由器的層次太多有關，因此對互聯網來說，可以考慮在熱點地區之間建立直達路由，在大城市內建立快速路，并設計好相應的流量工程措施。
對公路網和互聯網而言，吞吐率都是衡量網絡節點性能的關鍵指標。但是從局部網絡而言，在某些節點對網絡流量控制(或者提前丟包)會對局部網絡整體性能的改善有好處，因此，建立基于路由器端口層次的節點間流量的區域聯網控制是有必要的。另外，進出立交橋處或環網出口一般是容易擁堵的地方，對公路網而言，一般會采用較長的引路或者迂回來減少擁堵的發生，對IP網絡而言，在進出骨干網這種流量變化較大的地方也容易出現擁塞現象，可以考慮增加流量匯聚層或者采用一定的流量迂回策略來減少擁塞。
公路網一般采用單行線、限制某一路段、某一時間內的車輛通行種類、路口繳費、路段限速（不能低于某一速度）、有些路段不同的費用等措施對通行流量進行控制。而IP網絡一般只在邊緣的接入控制層有一定的流量控制能力，這方面的流量控制能力需要加強，例如可以考慮在網絡繁忙時限制P2P下載業務。因此，互聯網需要在網絡邊緣建立有效的流量識別和標識能力，根據預先配置或者動態地在某些路由上對特定流量進行控制。根據流量情況，交通臺可臨時指揮車輛繞道，因此對互聯網來說也需要能夠提供一種機制，在某些鏈路擁塞時，使流量能夠自動繞行疏導，即臨時讓路由器不按OSPF最短徑方式選路。
人們對互聯網的服務質量要求是動態變化的，并且要求越來越高，單純靠在流量算法方面的改進是很難進一步提高IP QoS能力的。根據以上分析可以看出從網絡設計和網絡體系上尋找解決IP QoS問題的空間還是比較大的，并且這方面的改進一般不影響IP報文的基本轉發機制，隨著互聯網設施越來越多地由專業化的商業ISP公司來部署和管理，從網絡設計和網絡體系上改進IP QoS也是可行的，可以與傳統的流量控制技術相結合提供合適的IP QoS服務保障。
5 小結
人們常將互聯網比作“信息高速公路”，本文將電話網比作鐵路，將互聯網比作公路來探討IP QoS問題。主要從公路網的視角分析了IP QoS的定義、實際應用中有助于改善IP QoS的方法，并討論了進一步改善IP QoS的可能的方向。
以上的對比分析只是借助公路網來進一步理解IP QoS這個難題，公路網和互聯網本身還是有許多不同。例如汽車由智能的人來駕駛，而IP報文則由路由器按照目的地址轉發；IP網絡節點間的距離長短對性能影響很小，因此可以采用迂回的方式，而公路網的距離長短對路由決策有很大影響；IP網完全是由路由器這個電子設備來控制的，應該說控制手段和能力比公路網強。
盡管公路網與IP網絡有很大的不同，用公路網來類比IP網不一定很準確，但借著公路網這面鏡子，我們還是可以從另外一個角度來重新認識IP QoS問題，分析目前IP QoS研究的困境，希望借此能拋磚引玉，促進當前IP QoS研究走上一個新臺階。
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Abstract IP QoS has been studied thoroughly in recent years, however few IP QoS technologies have been adopted in a real IP network and the algorithms for IP QoS have become more and more complicated. In this paper, we rethink the IP QoS problem from the view of road networks, and put forward that we need an appropriate and statistical IP QoS which can be provided by Internet. Also we analyze the successful methods in the real network to improve IP QoS, such as to enhance the traffic throughput, to provide different ability for quality of service and enrich the control ability to IP traffic. Finally we give our view to some illumination for further IP QoS research
Key words IP QoS, road network,IP network
