互联网与服务质量保证

于德水

（辽河油田通信公司，辽宁 盘锦 124010）

1 引言

由于Internet技术的成功应用，各国也相继发展起来。随着范围的扩大，逐渐形成全球范围的互联网，到1992年正式成立了Internet协会。它并不直接经营互联网，而是由IAB(Internet Activities Board)来管理，下设负责TCP/IP进展的IETF (Internet I程任务组)和负责网络技术的IRTF(Internet研究任务组)。

互联网的成功主要归因于分组交换、无连接的网络层和TCP拥塞控制。互联网开创了分组交换的先河，传统的电信网络均采用电路交换和时分复用，这对于固定带宽的应用是高效的，但对于具有突发性的数据通信而言，效率却很低。分组交换却正好适应数据通信的特点，能统计复用带宽资源，为数据通信提供高速、高效的传输技术。互联网采用IP作为其网络层协议，一方面为各种不同介质的物理网络提供了互联、互通的平台，另一方面由于IP采用无连接机制，网络资源分配相对简单，从而降低了网络设备的复杂度。互联网采用了基于端系统的拥塞控制，既解决了逐跳流量控制的低传输速度，又避免了端到端窗口控制的拥塞崩溃问题，使互联网的扩展更加容易。

2 服务质量保证

目前，互联网上的信息传递仍采用尽可能好(Best-effort)的服务模式，对于文件传输、Web浏览和媒体下载等非实时业务可以提供很好的服务。但随着互联网的发展，实时多媒体应用(Real-Time Multimedia Application)将扮演越来越重要的角色，IP电话已作为一种业务进入互联网，多媒体游戏、远程教学也需要通过互联网得以实现，互联网必须为实时业务提供必要的服务质量保证，才可能取得进一步的发展。

有关服务质量保证的理论研究早已开展，其中一个热点就是研究在分组交换环境下的资源置理和口丛列调度，.早期的研究主要集中在C'rPS调度算法的具体实现方法上，其中包括WFQ,VirtualClock,SCFQ.WFQ的缺陷在于计算复杂度太大，Virtual－Clock的公平性不好，而SCFQ的延迟特性较差。其后，RP服务模型成为一个更广泛、更具有实用价值的理论模型，根据该模型提出的SPFQ调度算法具有较大的实用价值，它较好地解决了计算复杂度和服务质量间的矛盾。近年来，随着网络实践的发展，路由设备的链路速度越来越快，导致路由器的体系结构发生了变化。在体系结构下，随着总线(Crossbar)拥塞的产生，输入接口的队头阻塞问题，入口队列和出口队列的分布式联合调度问题，正成为研究的热点。

有关服务质量保证的网络实践也取得了丰硕的成果，在许多试验网上开展了服务质量保证的研究。集成服务是最早提出的服务模型之一，它采用资源预留协议作为其接入控制的手段，为每个数据流提供单独的队列，并保证端到端的服务质量。但在实验网的运行中发现，集成服务缺乏伸展性(Scalability)，随着数据流数量的增长，无论是接入控制还是队列调度都对路由设备的处理能力产生巨大的压力，特别是在核心网络已严重影响了路由器的转发能力，于是当前的研究热点就逐渐从集成服务转到了区分服务，区分服务的队列调度不再把每个数据流作为一个调度对象，而是在网络边界把每个数据流映射到特定的服务类型中，内部设备不是根据数据流，而是根据数据包的服务类型来提供相应的服务，这样就大大减轻了队列调度的复杂性。

3 服务质量的度量

在大多数QoS服务模型中，都把延迟、延迟抖动、丢包率和带宽作为重要的评价指标，但它们对于多媒体业务有着不尽相同的影响。

延迟是指数据包从发送端到接收端的时间长度，它分为固定部分和可变部分。固定部分主要为传输时延和转发延迟，而可变部分包括处理时延和排队时延。传输时延主要是由源节点和目的节点间的线路距离决定的，它通常以光速传播。在目前的通信手段中，卫星通信的传输时延是最大的，它对于TCP拥塞控制和交互式会话都有很大的影响。转发时延取决于数据包的长度和链路带宽，它是指从数据包发送开始到发送结束的时间间隔。处理时延取决于网络接点的处理能力和包处理的复杂度，网关设备的过滤和地址转换功能将增大延迟，路由器采用复杂的队列调度算法也可能导致延迟的明显增加。排队时延则与网络负载、流量突发性和队列调度算法相关。采用复杂的调度算法可能减少排队时延，但由于增加了处理器的开销，又会导致转发时延的增长。队列调度算法的关键就是在满足应用需要的同时，寻求两者的平衡。

延迟抖动是指端到端延迟的变化特性，它是由于延迟的可变部分的变化导致的，流量的突发性、不公平的队列调度方法都可能导致较大的延迟抖动。按照对延迟和延迟抖动的敏感性，多媒体应用分为两类:交互式和非交互式。非交互式业务对延迟的影响不敏感，仅仅是多媒体节目晚几秒开始而已;对于延迟抖动，只要缓存的长度大于延迟抖动的极值，就可以避免它的影响。交互式业务则不同，它对于延迟和延迟抖动都有严格的要求。

丢包率是指包丢失数占全部包传输量的比例。造成丢包的原因包括误码、路由变化和队列溢出等。随着传输设备性能的提高，误码引起的包丢失己非常小，路由变化引起的包丢失也占很少的比例。由于现在互联网没有接入控制机制，网络拥塞引起的队列溢出成为包丢失的主要原因。实时多媒体业务由于不能采取重传的方式补救丢失的数据，因而包丢失对于服务质量会产生巨大影响。通常多媒体业务的数据包都较大，传输过程中可能被分成多个小包，一旦有一个小包丢失，就可能造成整个数据包都不能重组，从而造成更大的损失。

带宽是网络提供的吞吐能力，它反映了在一段时间内网络能为应用传送的信息量。多媒体业务的一个重要特点就是其业务量是不断变化的，活跃期与非活跃期业务量会有非常大的变化，这给网络资源的使用和网络接入控制都带来了巨大的挑战。从带宽和丢包率的影响来看，多媒体业务分为恒定速率(CBR)和可变速率((YBR)。恒定速率的业务接入控制较为简单，只要为它预留峰值带宽即可。可变速率的业务则较为复杂，若按照峰值速率来分配带宽，虽然可以避免包丢失，但会导致网络资源的低效率和昂贵的服务费用;若按照平均速率来分配带宽，又会导致瞬时的网络拥塞，服务质量的下降。采用漏斗方法来控制数据源的发送速度，并在接入控制中，根据漏斗参数，为其预留适当的带宽和缓存，就可以保证实时业务的延迟和丢包率。

结语

随着互联网的飞速发展，随着服务质量保证体系的建立，实时多媒体应用终将成为互联网的主要服务内容，也将为互联网的发展提供新的契机。在此过程中，队列调度技术也将逐步走向成熟，从开始的公平分配带宽到按照业务需要分配带宽，从按会话调度资源到按数据类型调度资源:接入控制也从TCP拥塞控制到集成服务模型，再到区分服务模型。网络技术的每一次进步，都是大量研究和实践的成果，都是辛勤工作的结晶。本文在广泛研究前人成果的基础上，从队列调度和接入控制两个方面对互联网的服务质量保证进行了初步研究和探讨。

[1]马媛媛.互联网环境下的服务质量管理问题研究[D].北京工业大学，2007-05-10.