基于异构网络的端到端QoS控制技术研究

王永欣，妥艳君，崔丽珍，葛洪武

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

基于异构网络的端到端QoS控制技术研究

王永欣，妥艳君，崔丽珍，葛洪武

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

为了保证跨有线网络和无线网络端到端业务互通的服务质量，对有线网络和无线网络分别取得的服务质量控制成果和存在的问题进行了简要分析，提出了一种基于有线和无线一体的通信网络服务质量控制框架，该框架覆盖了异构网络的各个层面，支持有线固定通信方式和卫星、短波等无线通信方式。固定网侧采用区分服务的方式，并延伸到无线网中，同时综合利用优先级分配、负载均衡(路径选择)和状态反馈等多种手段对有线和无线网络业务互通进行端到端服务质量保障，满足不同用户和应用对信息传输的需求。

异构网络；端到端；服务质量控制；负载均衡；拥塞控制；状态反馈

0 引言

随着网络融合技术的发展，通信网络已逐步由单一的数据传送网络或话音传送网络向数据、话音、视频和交互式多媒体等多种类型信息的综合传输网络演进，但现有的网络传输模式仍为尽力而为型，没有提供面向多媒体和实时任务所要求的服务质量保证机制，尤其在专用通信网络中，对交互式话音、视频和实时任务等应用的需求更加迫切。交互式话音和实时视频需要较小的延迟，在话音传输过程中有较大的时延抖动或视频传输时带宽过窄，都会导致服务质量不可接受。

减小交互式话音中的抖动，确保实时业务拥有足够的带宽是交互式媒体服务的基本服务质量保障要求，文献[1-5]中，主要针对有线固定网络的服务质量控制进行研究分析，采用综合服务[6]、区分服务[7-8]、优先级设置、流量整形等方式为固定网络业务提供服务质量保障。文献[9]采用基于服务质量对象选项的移动代理管理架构，在固定网侧扩展了RSVP协议，对端到端的服务质量进行了有效的管理，文献[10]采用IMS技术和网络融合技术在一定程度上实现了固定网络和机动网络的统一服务质量管理，但在媒体面的服务质量提升主要通过媒体编码的方式解决。文献[11-16]主要研究在资源受限的无线通信网络中如何实现端到端服务质量保证。

综上所述，虽然在有线网络和无线网络中分别取得了一定的成果，但在有线和无线多手段互联情况下，基于多种无线手段实现有线网络和无线网络业务互通的端到端服务质量保障机制还不完善。

1 端到端服务质量控制框架

在专用通信网络中，如图1所示，到达末端用户的通信链路一般为无线通信手段，如卫星、短波、超短波、微波等。与有线光纤网络“带宽无限大”相比[17]，专用无线网络的带宽总是受限的，尽管有更大带宽的卫星通信、开发新的无线传输手段等多种技术来提高带宽容量和通信服务质量，但烟囱式的无线信道稳定性和通信效率总是不高，不能有效利用现有的无线通信网络带宽资源来进行通信网络的服务质量控制。

图1 跨有线无线网络互通应用模型

传统的服务质量控制往往是指在网络某一层采取流控措施[18]，如采取接纳控制、流量控制、拥塞控制、队列调度、优先级映射和IP压缩等措施，如图2中虚线所示。

跨层端到端的服务质量控制是指在通信网络各个层面进行服务质量联动控制，如图2所示。在网络层通过IP网络QoS技术，为上层用户提供可进行QoS协商的机制，对下综合利用多种信道进行路径选择与组合，采用状态反馈、门限监视等手段，获取实时传输状态，根据通信网络的资源状况自适应地分配网络资源，以满足用户的传输要求。

图2 信息传输QoS框架结构

基于异构网络的端到端服务质量控制除接纳控制、流量控制、拥塞控制、队列调度等传统QoS功能外，新增策略决策功能实体，能够根据网络状态和业务传送需求进行智能决策，为业务传输提供合适的QoS控制手段，以满足不同用户、不同业务类型的传输要求。

网络层还负责对网络资源状态进行综合监测，主要包括网络状态监测和网络传输路径维护与选择，与传统网络层QoS控制相比，新增了用于负载均衡的传输路径维护与选择、网络状态监测、传输信道门限监视、状态反馈等功能模块，与优先级映射、IP压缩等方法有机结合，在网络层形成传输状态实时反馈机制。

综合管理主要为实现跨层QoS联动，需具备通信传输管理、策略管理等功能，可根据用户身份信息进行策略配置和传输信道配置管理。

2 服务质量控制方法及设计要点

在异构融合通信网络中，涉及到有线网络到无线网络的延伸，由于无线信道的多样性和不确定性，大部分现有无线信道带宽较窄，无法满足大业务量的通信传输需求，仅使用传统的服务质量控制方法很难达到端到端保障的目的。在接纳控制、流量控制、拥塞控制、队列调度等传统方法的基础上增加基于策略的多信道选择、自适应状态反馈等机制。

策略决策实体是QoS控制框架主体的“大脑”，具有智能化的网络调配能力，能够基于统一的网络策略进行智能决策，一方面通过对网络资源态势的分析得到网络资源使用情况，另一方面根据业务传输需求和用户优先级等信息给出传输策略，最终生成顶层服务质量保障方案。

负载均衡主要通过多信道选择实现，在机动平台和固定接入站点之间存在的多条无线传输链路都可以作为信息传输链路，可通过负载均衡和负载共享的方式将信息通过多个信道同时传输，以达到增加信息传输带宽的目的。

针对每个信道均设置一个队列门限，由综合管理系统中的通信传输管理进行统一管理和配置，如果队列门限达到了预设阈值，则把门限信息反馈给门限监视模块，由状态反馈模块将门限信息反馈到信源地，实现对信息发端的源抑制，实现基于状态反馈的自适应服务质量控制。

3 机固互通服务质量控制设计及业务流程

具有QoS保障的端到端业务传输流程涉及终端用户、路由/交换、综合网络控制、射频信道、固定网络及有线用户等要素。

路由交换采用标准的IPv4路由器，运行OSPF协议。综合网络控制功能模块除实现IP接口与信道适配模块之间的接口类型转换外，还实现优先级分配控制，根据用户及其应用情况，分配数据报文优先级。信道适配模块功能是不同无线信道的链路层接入控制协议，信道适配模块中对数据报文进行分类，并对业务拥塞进行监视。

各射频链路有相应的信道适配模块，对每个分配到数据报文的优先级，信道适配模块有一个对应的队列，最高优先级队列优先发送报文到射频链路，低优先级的队列需等待高优先级队列空时才能发送报文；由于每个队列长度总是有限的，因此队列存在溢出的可能，会出现数据报文丢失，为阻止这种情况发生或将丢包减少到最小程度，采用了一种拥塞控制机制，每个信道适配模块队列预置一门限，一旦达到该门限，信息就反馈到IP路由器暂停发送(源抑制ICMP报文)，其主要功能如图3所示。

图3 综合网络控制功能框图

以端到端服务质量控制框架为指导，在传统优先级配置、队列调度等基础上，增加路径选择与组合、状态反馈等机制，在实际应用中搭建了具有端到端服务质量保障的原型系统，该系统综合利用卫星信道、超短波信道组成传输链路，如图4所示。终端用户上线后，根据综合网络管理系统的策略进行优先级配置，用户发起的数据流根据用户优先级进行转发，大块的数据信息可通过卫通信道和超短波信道进行负载均衡，同时如果各个信道达到预设门限后，将状态信息反馈给路由交换设备，减少源数据的发送，数据信息通过无线信道落地后，在固定网络中将无线侧用户优先级映射为固网用户优先级，从而保障端到端的服务质量保障。

图4 业务传输原型系统

4 结束语

根据跨层QoS控制框架，通过新增QoS控制大脑——“策略决策功能”，基于综合网络管理中的传输信道状态和传输策略，智能化地选择信息传输信道，同时各个信道以预设门限的方式形成状态反馈，实时调整数据发送，实现通信业务服务质量的自适应控制。在有线通信网络和无线通信网络构成的一体化通信网络中，话音、视频与数据等各类业务需要根据用户要求采取端到端服务质量保障措施，本方案提出了一种跨层联动的QoS控制机制，在应用层根据用户的签约信息进行QoS检查并添加优先级信息(对于无法升级的现有终端，可由综合网络控制设备添加优先级信息)，然后再通过分类标记、路径选择(信道选择)、负载均衡、拥塞控制、门限监视等机制进行数据包传输，满足不同应用或用户的信息传输需求。

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Research on End-to-end QoS Control Technique Based on Heterogeneous Network

WANG Yong-xin,TUO Yan-jun,CUI Li-zhen,GE Hong-wu

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

In order to ensure the end-to-end QoS across cable networks and wireless networks,the QoS control results and existing problems are briefly introduced. A QoS control frame of united mobile and fixed networks is proposed,which includes all the logical layers,supporting cable fixed communications and wireless communications such as satellite and high frequency radio communications. Differentiated services are applied within the fixed network,and this mechanism is extended to the wireless network. Meanwhile,priority allocation,load balancing (path selecting) and state feedback are used to control the end-to-end QoS across cable networks and wireless networks to meet the needs of information transmission for different users and applications.

heterogeneous network;end-to-end;QoS control;load balancing;congestion control;state feedback

2017-04-10

国家部委基金资助项目

王永欣(1984—)，男，工程师，主要研究方向：通信网络体系结构及通信网络服务质量控制技术。妥艳君(1965—)，女，研究员，主要研究方向：通信网络总体及信息系统顶层设计技术。

TP393

A

1003-3114(2017)04-06-3