PTN的QoS技術應用研究

單濾斌，虞有池（華信郵電咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

0 前言

分組傳送網（PTN）雖以分組交換（PS）技術為核心，且具有傳統SDH傳送網的某些特征，但在本質上仍屬IP承載網絡。PTN與傳統IP網絡的重大區別是承載業務的多樣性，以及能滿足傳統電信業務高質量的傳送要求。PTN除了承載傳統業務如文件傳輸協議（FTP）、萬維網（WWW）等簡單業務外，更多、更重要的是承載實時性強、有高帶寬和低時延要求的語音及視頻等業務。

傳統SDH傳送網絡以電路交換為核心，使用固定時隙承載業務，能夠保證優質、無差別的端到端通信服務。但這種無差別服務方式的帶寬利用率較低，網絡只具備管道輸送特征，無法成為可運營的網絡。

傳統IP網絡對所有IP報文都使用“先進先出”的無差別處理策略，并“盡力而為”地將報文送達目的地，但卻對在傳送過程中產生的可靠性及時延性等問題不做任何保證。

顯然，業務的可靠性要求PTN應具有可靠的服務能力，承載業務的多樣性又要求PTN應能根據業務特性在服務質量和網絡帶寬耗用上取得平衡。也就是說，PTN必須具有服務質量（QoS）特性，而QoS特性正是PTN較傳統SDH和IP網絡的重大區別和進步。可以說，沒有QoS技術就沒有商用的PTN，因此對PTN的QoS技術應用研究具有十分重要的意義。

1 PTN的QoS服務模型選擇

QoS是指數據通過網絡時的性能。QoS通過對網絡資源的合理分配與監控，使用流量分類、著色、監管、整形、網絡擁塞管理與避免等技術，為用戶提供端到端的服務質量保證，最終達到針對各種應用的不同需求，為其提供不同的服務質量。

PTN保留分組交換核心，采用傳送多協議標簽交換（T-MPLS）技術，將面向無連接的數據網絡改造為面向連接的數據網絡，以實現面向連接的分組交換傳送。

基于T-MPLS的QoS技術能對區分服務 （Diff-Serv）和集成服務（Int-Serv）2種服務模型提供支持。

1.1 MPLS Diff-Serv模型

傳統IP網絡的Diff-Serv模型，主要是通過攜帶在IP分組報頭的QoS參數信息來指定自身服務類別的。網絡通過QoS參數信息，對報文的服務質量進行等級劃分并作相應處理。

Diff-Serv模型以流的 “聚合類”（即具有相同QoS服務類別的分組集合）為服務對象，對分組進行“粗粒度”分類（如IP報文的源和目的地址、協議類型等）服務。Diff-Serv模型只在網絡邊界上進行分類、標記、監管和訪問控制等操作。核心路由器只需進行簡單的流分類，并加以識別和按類處理即可。因在網絡規模擴大時無須增加額外的功能和處理，因而Diff-Serv模型具有良好的可擴展性。

MPLS Diff-Serv在對QoS支持方面與Diff-Serv類似，所不同的是MPLS網絡是通過MPLS報文頭中的實驗（EXP）值攜帶 Diff-Serv單跳行為（PHB）來實現的。T-MPLS是通過在網絡入口點將數據包劃分為不同的轉發等價類（FEC）后打上相應標記（label）對數據包進行處理的。

在IP網絡的Diff-Serv體系中，將傳統IP分組中的業務類型 （ToS）字段重新定義為DS（Differentiated Services）字段，通過標記分組的DS字段來申請不同等級的服務。網絡中的各節點根據該字段對各種業務采取預先設定的服務策略，保證相應的服務質量。

基于MPLS的Diff-Serv就是通過將DS的分配與MPLS的標簽分配過程結合來實現的。

在MPLS網絡邊緣缺省的情況下，將IP報文的IP優先級直接拷貝到MPLS報文的EXP域；但在ISP不信任用戶網絡或ISP定義的差別服務類別不同于用戶網絡時，則可以根據一定的分類策略，在MPLS網絡邊緣重新設置MPLS報文的EXP域，而在MPLS網絡轉發的過程中保持IP報文的ToS域不變。

1.2 MPLS Int-Serv模型

傳統的IP網絡Int-Serv模型主要是通過資源預留協議（RSVP）信令進行網絡資源預留達到保證服務和負載控制的目的。

Int-Serv模型的核心是RSVP協議，它能夠提供絕對有保證的QoS。RSVP運行在從源端到目的端的每個網絡節點上，并監視每個數據流，以防止其消耗超出預留的網絡資源。RSVP使用“軟狀態”概念，以此反應網絡拓撲的變化、更改或釋放資源。

PTN通過MPLS流量工程 （MPLS-TE）技術實現Int-Serv模型。MPLS-TE在網絡資源有限的情況下，將網絡流量合理引導，達到實際網絡流量負載與物理網絡資源相匹配，間接地實現網絡的QoS。

MPLS-TE把Int-Serv模型中的RSVP信令擴展為RESVP-TE，并作為一個獨立的協議在網絡中運行，為數據流建立有帶寬保證的路徑。

MPLS-TE通過中間系統到中間系統（IS-IS）協議收集路由信息，如：每條鏈路可配置的帶寬（最大物理帶寬及最大可預留帶寬），通過IS-IS擴展泛洪這些信息生成流量工程數據庫（TEDB），在流量入口建立標簽交換通道（LSP）路徑時指定LSP所需要的帶寬，通過基于約束的最短路徑優先（CSPF）計算出滿足帶寬、時延等要求的路徑，RSVP-TE根據計算結果建立路徑。

1.3 服務模型選擇

在PTN中，一條端到端的業務通常是按照圖1方式完成傳送的。

圖1 業務傳送方式示意

由圖1可知，業務由用戶側進入網絡，先通過偽線層（PW）完成業務的統一封裝（PTN采用IETF定義的PWE3協議，實現多業務的分組化封裝，保持傳送網與業務網的相對獨立）。通過MPLS隧道層嵌套多個同路由的PW業務路徑，在傳輸過程中確定流向和流量，構成端到端傳送通道。多個MPLS隧道層形成段層，對應于光纖鏈路。整個PTN分層模型包括PW、MPLS隧道層和段層。

從QoS的角度考慮，在PTN的實際運行中，需要根據用戶側和網絡側的特點選擇服務模型。在用戶側，可考慮采用MPLS Diff-Serv模型。在網絡側，主要考慮PW和隧道層的QoS問題，根據基于鏈路資源的規劃是共享還是預留，合理選擇T-MPLS Diff-Serv、TMPLS Int-Serv或2者相結合的MPLS DS-TE服務模型。

1.3.1 資源共享下的Diff-Serv模型

在多個用戶共享網絡資源的情況下，PTN使用Diff-Serv模型來確定轉發優先級級別，使節點能夠對業務實現差分轉發。

PTN通過MPLS-TE與Diff-Serv相結合產生了E-LSP和L-LSP 2種技術，它們均可實現Diff-Serv模式，其比較見表1。

表1 E-LSP和L-SLP技術的比較

如圖1所示，Ingress節點通過MPLS標簽中的EXP字節或Label來識別數據包不同的CoS級別，Transit節點根據優先級進行不同的轉發處理。

每個業務流根據優先級別的不同享受不同的QoS服務。這種方式實現簡單，但也存在著以下缺點。

a）資源共享導致了多個同優先級之間的業務流競爭資源的問題。若按照高峰流量配置帶寬時，會導致帶寬浪費；若按照平均流量配置帶寬時，則會導致擁塞與丟包現象。

b）在網絡規模較大時，業務流需要經過多個鏈路，而這些鏈路所分配的帶寬是很難實現完全匹配的。因此會出現有些鏈路帶寬相匹配、有些鏈路帶寬分配不足的現象，難以保證端到端的QoS。

c）L-LSP實現復雜，需要使用信令來分配標簽，可擴展性差。

1.3.2 資源預留下的Int-Serv模型

在業務流需要獨享帶寬資源時采用MPLS-TE技術，網絡通過RSVP-TE信令在Ingress和Egress節點之間建立專用TE隧道，這個隧道是有帶寬保證的。

RSVP-TE用于在一條路徑的各節點上進行資源預留，支持MPLS標簽分發，并在傳送標簽綁定消息的同時攜帶資源預留信息。如圖1所示，Ingress向Egress發送Path消息，Egress在收到Path消息后產生Resv消息返回Egress，同時在沿途的Transit節點上進行資源預留。

MPLS-TE技術能有效地管理帶寬資源、改善網絡服務質量，但其帶寬管理無法做到基于業務的類別。如果在一個隧道中同時存在著EF、AF及BF業務，在競爭資源時將無法保證EF、AF的QoS。

1.3.3 MPLSDS-TE模型

MPLS DS-TE（MPLS Diff-Serv-Aware TE ）是 Diff-Serv機制和MPLS-TE技術相結合產生的一種新的QoS機制，以實現在差分服務網絡上進行全路徑的資源預留。

MPLS DS-TE在一個MPLS隧道上采用Int-Serv模式并應用MPLS-TE技術，而在隧道內的每個PW再采用Diff-Serv模式，根據優先級（如EF、AF及BF）來區分、轉發數據流。

MPLS DS-TE充分利用了Diff-Serv模式的可擴展性和Int-Serv模式的顯示路由能力，是解決PTN QoS的有效技術，其網絡資源可以根據用戶需求得到最優化的利用。

2 PTN層次化QoS（H-QoS）技術

2.1 H-QoS技術基本概念

QoS技術雖能解決單節點報文轉發的服務質量問題，但當PTN復雜時就必須引入H-QoS技術。

DSL論壇TR-059協議定義的H-QoS的基本模型，主要包括分類器、流對列、Session級調度器、VC級調度器、VC Group級調度器、VP級調度器及物理端口級調度器。

H-QoS操作過程為：感知數據流類型并對數據流進行報文分類，根據分類結果進入相應級別的調度隊列，通過逐級調度器的調度最終解決網絡擁塞問題。

與傳統QoS相比，PTN設備提供的H-QoS具有以下2個優點。

a）多級的調度機制實現了基于端口、業務及PW的調度，更加細化了QoS的控制粒度。

b）多級的流量控制機制實現了基于端口、業務及PW的流量控制，更全面地控制了業務的QoS質量。

通過支持H-QoS技術，PTN設備可以實現在多用戶接入情況下的帶寬質量分級，分別控制單個業務類型、單個業務接入點、多個業務接入點及單個業務或多個業務的總帶寬，同時差分業務和用戶，實現整個網絡的端到端QoS。

2.2 H-QoS技術應用

以下以PTN最為常見的3G Node B基站和以太網業務為例，描述H-QoS技術的應用。

2.2.1 3G基站ATM業務H-QoS技術的應用

ATM業務傳送示意見圖2。PTN設備通過E1端口分別與4個Node B建立ATM反向復用 （IMA）連接，接收來自Node B的ATM業務。PTN設備將ATM業務進行端到端的偽線仿真（PWE3）封裝后，通過LSP隧道層嵌套跨越PTN傳送到對端PTN設備。對端PTN設備對PWE3解封裝后，將ATM業務通過ATM STM-1光口傳送給RNC。

圖2 ATM業務傳送示意

在該案例中，Node B1和Node B2為一用戶組，Node B3和Node B4為一用戶組。Node B傳送的業務類型包括實時語音業務、信令和數據業務，分別通過PW1、PW2和PW3來承載。不同用戶組的PW通過不同的隧道（Tunnel）來承載。Node B1和Node B2 PW嵌套于LSP Tunnel1，Node B3和Node B4 PW嵌套于LSP Tunnel2。

ATM業務策略指定示意見圖3，業務類型與主要的ATM策略見表2。由圖3可知，在用戶側，PTN設備為不同類型的業務指定不同的ATM策略。在網絡側，PTN設備為不同的PW及Tunnel分配不同的帶寬，滿足不同業務、不同用戶組的帶寬要求。指定PW策略為網絡側流量指定調度策略，以及為不同服務類別（CoS）指定不同的流量控制參數及報文丟棄方式，以實現差異化的QoS服務。

表2 業務類型與主要的ATM策略

2.2.2 以太網業務H-QoS技術的應用

以太網業務傳送示意見圖4。PTN設備通過FE接口將來自某用戶的以太網業務（包含VoIP、IPTV及數據3種業務類型）接入到PTN中，并通過層次化的QoS技術，分別為該用戶的不同業務類型提供不同級別的QoS保證。

以太網業務策略指定示意見圖5。在該案例中的用戶側，單個用戶的不同業務具有優先級，提供差異化的服務；不同業務可帶寬共享，實現統計復用。

PTN設備為不同類型的業務指定不同的服務策略（見表 3）。

圖3 ATM業務策略指定示意

圖4 以太網業務傳送示意

表3 以太網業務類型與主要的服務策略

在網絡側的處理方式和第一個案例相同，區別在于此案例僅為單個用戶配置1條Tunnel帶寬即可。

3 結束語

圖5 以太網業務策略指定示意

QoS是PTN區別于傳統SDH傳送網的核心技術，是PTN中業務服務質量的保障。QoS技術的差分化服務特性，使傳送網在節約帶寬、保證服務質量的同時，也使運營商找到了根據用戶服務要求差分收費的新的贏利方式，這應是QoS技術帶來的一個良好的副產品。

［1］龔倩，徐榮，李允博，等.分組傳送網 ［M］.北京：人民郵電出版社，2010.