PTN的QoS技术应用研究

2011-05-24单滤斌虞有池华信邮电咨询设计研究院有限公司浙江杭州310014

邮电设计技术 2011年4期

单滤斌，虞有池（华信邮电咨询设计研究院有限公司，浙江杭州 310014）

0 前言

分组传送网（PTN）虽以分组交换（PS）技术为核心，且具有传统SDH传送网的某些特征，但在本质上仍属IP承载网络。PTN与传统IP网络的重大区别是承载业务的多样性，以及能满足传统电信业务高质量的传送要求。PTN除了承载传统业务如文件传输协议（FTP）、万维网（WWW）等简单业务外，更多、更重要的是承载实时性强、有高带宽和低时延要求的语音及视频等业务。

传统SDH传送网络以电路交换为核心，使用固定时隙承载业务，能够保证优质、无差别的端到端通信服务。但这种无差别服务方式的带宽利用率较低，网络只具备管道输送特征，无法成为可运营的网络。

传统IP网络对所有IP报文都使用“先进先出”的无差别处理策略，并“尽力而为”地将报文送达目的地，但却对在传送过程中产生的可靠性及时延性等问题不做任何保证。

显然，业务的可靠性要求PTN应具有可靠的服务能力，承载业务的多样性又要求PTN应能根据业务特性在服务质量和网络带宽耗用上取得平衡。也就是说，PTN必须具有服务质量（QoS）特性，而QoS特性正是PTN较传统SDH和IP网络的重大区别和进步。可以说，没有QoS技术就没有商用的PTN，因此对PTN的QoS技术应用研究具有十分重要的意义。

1 PTN的QoS服务模型选择

QoS是指数据通过网络时的性能。QoS通过对网络资源的合理分配与监控，使用流量分类、着色、监管、整形、网络拥塞管理与避免等技术，为用户提供端到端的服务质量保证，最终达到针对各种应用的不同需求，为其提供不同的服务质量。

PTN保留分组交换核心，采用传送多协议标签交换（T-MPLS）技术，将面向无连接的数据网络改造为面向连接的数据网络，以实现面向连接的分组交换传送。

基于T-MPLS的QoS技术能对区分服务（Diff-Serv）和集成服务（Int-Serv）2种服务模型提供支持。

1.1 MPLS Diff-Serv模型

传统IP网络的Diff-Serv模型，主要是通过携带在IP分组报头的QoS参数信息来指定自身服务类别的。网络通过QoS参数信息，对报文的服务质量进行等级划分并作相应处理。

Diff-Serv模型以流的 “聚合类”（即具有相同QoS服务类别的分组集合）为服务对象，对分组进行“粗粒度”分类（如IP报文的源和目的地址、协议类型等）服务。Diff-Serv模型只在网络边界上进行分类、标记、监管和访问控制等操作。核心路由器只需进行简单的流分类，并加以识别和按类处理即可。因在网络规模扩大时无须增加额外的功能和处理，因而Diff-Serv模型具有良好的可扩展性。

MPLS Diff-Serv在对QoS支持方面与Diff-Serv类似，所不同的是MPLS网络是通过MPLS报文头中的实验（EXP）值携带 Diff-Serv单跳行为（PHB）来实现的。T-MPLS是通过在网络入口点将数据包划分为不同的转发等价类（FEC）后打上相应标记（label）对数据包进行处理的。

在IP网络的Diff-Serv体系中，将传统IP分组中的业务类型（ToS）字段重新定义为DS（Differentiated Services）字段，通过标记分组的DS字段来申请不同等级的服务。网络中的各节点根据该字段对各种业务采取预先设定的服务策略，保证相应的服务质量。

基于MPLS的Diff-Serv就是通过将DS的分配与MPLS的标签分配过程结合来实现的。

在MPLS网络边缘缺省的情况下，将IP报文的IP优先级直接拷贝到MPLS报文的EXP域；但在ISP不信任用户网络或ISP定义的差别服务类别不同于用户网络时，则可以根据一定的分类策略，在MPLS网络边缘重新设置MPLS报文的EXP域，而在MPLS网络转发的过程中保持IP报文的ToS域不变。

1.2 MPLS Int-Serv模型

传统的IP网络Int-Serv模型主要是通过资源预留协议（RSVP）信令进行网络资源预留达到保证服务和负载控制的目的。

Int-Serv模型的核心是RSVP协议，它能够提供绝对有保证的QoS。RSVP运行在从源端到目的端的每个网络节点上，并监视每个数据流，以防止其消耗超出预留的网络资源。RSVP使用“软状态”概念，以此反应网络拓扑的变化、更改或释放资源。

PTN通过MPLS流量工程（MPLS-TE）技术实现Int-Serv模型。MPLS-TE在网络资源有限的情况下，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，间接地实现网络的QoS。

MPLS-TE把Int-Serv模型中的RSVP信令扩展为RESVP-TE，并作为一个独立的协议在网络中运行，为数据流建立有带宽保证的路径。

MPLS-TE通过中间系统到中间系统（IS-IS）协议收集路由信息，如：每条链路可配置的带宽（最大物理带宽及最大可预留带宽），通过IS-IS扩展泛洪这些信息生成流量工程数据库（TEDB），在流量入口建立标签交换通道（LSP）路径时指定LSP所需要的带宽，通过基于约束的最短路径优先（CSPF）计算出满足带宽、时延等要求的路径，RSVP-TE根据计算结果建立路径。

1.3 服务模型选择

在PTN中，一条端到端的业务通常是按照图1方式完成传送的。

图1 业务传送方式示意

由图1可知，业务由用户侧进入网络，先通过伪线层（PW）完成业务的统一封装（PTN采用IETF定义的PWE3协议，实现多业务的分组化封装，保持传送网与业务网的相对独立）。通过MPLS隧道层嵌套多个同路由的PW业务路径，在传输过程中确定流向和流量，构成端到端传送通道。多个MPLS隧道层形成段层，对应于光纤链路。整个PTN分层模型包括PW、MPLS隧道层和段层。

从QoS的角度考虑，在PTN的实际运行中，需要根据用户侧和网络侧的特点选择服务模型。在用户侧，可考虑采用MPLS Diff-Serv模型。在网络侧，主要考虑PW和隧道层的QoS问题，根据基于链路资源的规划是共享还是预留，合理选择T-MPLS Diff-Serv、TMPLS Int-Serv或2者相结合的MPLS DS-TE服务模型。

1.3.1 资源共享下的Diff-Serv模型

在多个用户共享网络资源的情况下，PTN使用Diff-Serv模型来确定转发优先级级别，使节点能够对业务实现差分转发。

PTN通过MPLS-TE与Diff-Serv相结合产生了E-LSP和L-LSP 2种技术，它们均可实现Diff-Serv模式，其比较见表1。

表1 E-LSP和L-SLP技术的比较

如图1所示，Ingress节点通过MPLS标签中的EXP字节或Label来识别数据包不同的CoS级别，Transit节点根据优先级进行不同的转发处理。

每个业务流根据优先级别的不同享受不同的QoS服务。这种方式实现简单，但也存在着以下缺点。

a）资源共享导致了多个同优先级之间的业务流竞争资源的问题。若按照高峰流量配置带宽时，会导致带宽浪费；若按照平均流量配置带宽时，则会导致拥塞与丢包现象。

b）在网络规模较大时，业务流需要经过多个链路，而这些链路所分配的带宽是很难实现完全匹配的。因此会出现有些链路带宽相匹配、有些链路带宽分配不足的现象，难以保证端到端的QoS。

c）L-LSP实现复杂，需要使用信令来分配标签，可扩展性差。

1.3.2 资源预留下的Int-Serv模型

在业务流需要独享带宽资源时采用MPLS-TE技术，网络通过RSVP-TE信令在Ingress和Egress节点之间建立专用TE隧道，这个隧道是有带宽保证的。

RSVP-TE用于在一条路径的各节点上进行资源预留，支持MPLS标签分发，并在传送标签绑定消息的同时携带资源预留信息。如图1所示，Ingress向Egress发送Path消息，Egress在收到Path消息后产生Resv消息返回Egress，同时在沿途的Transit节点上进行资源预留。

MPLS-TE技术能有效地管理带宽资源、改善网络服务质量，但其带宽管理无法做到基于业务的类别。如果在一个隧道中同时存在着EF、AF及BF业务，在竞争资源时将无法保证EF、AF的QoS。

1.3.3 MPLSDS-TE模型

MPLS DS-TE（MPLS Diff-Serv-Aware TE ）是 Diff-Serv机制和MPLS-TE技术相结合产生的一种新的QoS机制，以实现在差分服务网络上进行全路径的资源预留。

MPLS DS-TE在一个MPLS隧道上采用Int-Serv模式并应用MPLS-TE技术，而在隧道内的每个PW再采用Diff-Serv模式，根据优先级（如EF、AF及BF）来区分、转发数据流。

MPLS DS-TE充分利用了Diff-Serv模式的可扩展性和Int-Serv模式的显示路由能力，是解决PTN QoS的有效技术，其网络资源可以根据用户需求得到最优化的利用。

2 PTN层次化QoS（H-QoS）技术

2.1 H-QoS技术基本概念

QoS技术虽能解决单节点报文转发的服务质量问题，但当PTN复杂时就必须引入H-QoS技术。

DSL论坛TR-059协议定义的H-QoS的基本模型，主要包括分类器、流对列、Session级调度器、VC级调度器、VC Group级调度器、VP级调度器及物理端口级调度器。

H-QoS操作过程为：感知数据流类型并对数据流进行报文分类，根据分类结果进入相应级别的调度队列，通过逐级调度器的调度最终解决网络拥塞问题。

与传统QoS相比，PTN设备提供的H-QoS具有以下2个优点。

a）多级的调度机制实现了基于端口、业务及PW的调度，更加细化了QoS的控制粒度。

b）多级的流量控制机制实现了基于端口、业务及PW的流量控制，更全面地控制了业务的QoS质量。

通过支持H-QoS技术，PTN设备可以实现在多用户接入情况下的带宽质量分级，分别控制单个业务类型、单个业务接入点、多个业务接入点及单个业务或多个业务的总带宽，同时差分业务和用户，实现整个网络的端到端QoS。

2.2 H-QoS技术应用

以下以PTN最为常见的3G Node B基站和以太网业务为例，描述H-QoS技术的应用。

2.2.1 3G基站ATM业务H-QoS技术的应用

ATM业务传送示意见图2。PTN设备通过E1端口分别与4个Node B建立ATM反向复用（IMA）连接，接收来自Node B的ATM业务。PTN设备将ATM业务进行端到端的伪线仿真（PWE3）封装后，通过LSP隧道层嵌套跨越PTN传送到对端PTN设备。对端PTN设备对PWE3解封装后，将ATM业务通过ATM STM-1光口传送给RNC。

图2 ATM业务传送示意

在该案例中，Node B1和Node B2为一用户组，Node B3和Node B4为一用户组。Node B传送的业务类型包括实时语音业务、信令和数据业务，分别通过PW1、PW2和PW3来承载。不同用户组的PW通过不同的隧道（Tunnel）来承载。Node B1和Node B2 PW嵌套于LSP Tunnel1，Node B3和Node B4 PW嵌套于LSP Tunnel2。

ATM业务策略指定示意见图3，业务类型与主要的ATM策略见表2。由图3可知，在用户侧，PTN设备为不同类型的业务指定不同的ATM策略。在网络侧，PTN设备为不同的PW及Tunnel分配不同的带宽，满足不同业务、不同用户组的带宽要求。指定PW策略为网络侧流量指定调度策略，以及为不同服务类别（CoS）指定不同的流量控制参数及报文丢弃方式，以实现差异化的QoS服务。