互聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)質(zhì)量保證

于德水

（遼河油田通信公司，遼寧 盤(pán)錦 124010）

1 引言

由于Internet技術(shù)的成功應(yīng)用，各國(guó)也相繼發(fā)展起來(lái)。隨著范圍的擴(kuò)大，逐漸形成全球范圍的互聯(lián)網(wǎng)，到1992年正式成立了Internet協(xié)會(huì)。它并不直接經(jīng)營(yíng)互聯(lián)網(wǎng)，而是由IAB(Internet Activities Board)來(lái)管理，下設(shè)負(fù)責(zé)TCP/IP進(jìn)展的IETF (Internet I程任務(wù)組)和負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的IRTF(Internet研究任務(wù)組)。

互聯(lián)網(wǎng)的成功主要?dú)w因于分組交換、無(wú)連接的網(wǎng)絡(luò)層和TCP擁塞控制。互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)創(chuàng)了分組交換的先河，傳統(tǒng)的電信網(wǎng)絡(luò)均采用電路交換和時(shí)分復(fù)用，這對(duì)于固定帶寬的應(yīng)用是高效的，但對(duì)于具有突發(fā)性的數(shù)據(jù)通信而言，效率卻很低。分組交換卻正好適應(yīng)數(shù)據(jù)通信的特點(diǎn)，能統(tǒng)計(jì)復(fù)用帶寬資源，為數(shù)據(jù)通信提供高速、高效的傳輸技術(shù)。互聯(lián)網(wǎng)采用IP作為其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，一方面為各種不同介質(zhì)的物理網(wǎng)絡(luò)提供了互聯(lián)、互通的平臺(tái)，另一方面由于IP采用無(wú)連接機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)資源分配相對(duì)簡(jiǎn)單，從而降低了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的復(fù)雜度。互聯(lián)網(wǎng)采用了基于端系統(tǒng)的擁塞控制，既解決了逐跳流量控制的低傳輸速度，又避免了端到端窗口控制的擁塞崩潰問(wèn)題，使互聯(lián)網(wǎng)的擴(kuò)展更加容易。

2 服務(wù)質(zhì)量保證

目前，互聯(lián)網(wǎng)上的信息傳遞仍采用盡可能好(Best-effort)的服務(wù)模式，對(duì)于文件傳輸、Web瀏覽和媒體下載等非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)可以提供很好的服務(wù)。但隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，實(shí)時(shí)多媒體應(yīng)用(Real-Time Multimedia Application)將扮演越來(lái)越重要的角色，IP電話已作為一種業(yè)務(wù)進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)，多媒體游戲、遠(yuǎn)程教學(xué)也需要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)得以實(shí)現(xiàn)，互聯(lián)網(wǎng)必須為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)提供必要的服務(wù)質(zhì)量保證，才可能取得進(jìn)一步的發(fā)展。

有關(guān)服務(wù)質(zhì)量保證的理論研究早已開(kāi)展，其中一個(gè)熱點(diǎn)就是研究在分組交換環(huán)境下的資源置理和口叢列調(diào)度，.早期的研究主要集中在C'rPS調(diào)度算法的具體實(shí)現(xiàn)方法上，其中包括WFQ,VirtualClock,SCFQ.WFQ的缺陷在于計(jì)算復(fù)雜度太大，Virtual－Clock的公平性不好，而SCFQ的延遲特性較差。其后，RP服務(wù)模型成為一個(gè)更廣泛、更具有實(shí)用價(jià)值的理論模型，根據(jù)該模型提出的SPFQ調(diào)度算法具有較大的實(shí)用價(jià)值，它較好地解決了計(jì)算復(fù)雜度和服務(wù)質(zhì)量間的矛盾。近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐的發(fā)展，路由設(shè)備的鏈路速度越來(lái)越快，導(dǎo)致路由器的體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。在體系結(jié)構(gòu)下，隨著總線(Crossbar)擁塞的產(chǎn)生，輸入接口的隊(duì)頭阻塞問(wèn)題，入口隊(duì)列和出口隊(duì)列的分布式聯(lián)合調(diào)度問(wèn)題，正成為研究的熱點(diǎn)。

有關(guān)服務(wù)質(zhì)量保證的網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐也取得了豐碩的成果，在許多試驗(yàn)網(wǎng)上開(kāi)展了服務(wù)質(zhì)量保證的研究。集成服務(wù)是最早提出的服務(wù)模型之一，它采用資源預(yù)留協(xié)議作為其接入控制的手段，為每個(gè)數(shù)據(jù)流提供單獨(dú)的隊(duì)列，并保證端到端的服務(wù)質(zhì)量。但在實(shí)驗(yàn)網(wǎng)的運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，集成服務(wù)缺乏伸展性(Scalability)，隨著數(shù)據(jù)流數(shù)量的增長(zhǎng)，無(wú)論是接入控制還是隊(duì)列調(diào)度都對(duì)路由設(shè)備的處理能力產(chǎn)生巨大的壓力，特別是在核心網(wǎng)絡(luò)已嚴(yán)重影響了路由器的轉(zhuǎn)發(fā)能力，于是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)就逐漸從集成服務(wù)轉(zhuǎn)到了區(qū)分服務(wù)，區(qū)分服務(wù)的隊(duì)列調(diào)度不再把每個(gè)數(shù)據(jù)流作為一個(gè)調(diào)度對(duì)象，而是在網(wǎng)絡(luò)邊界把每個(gè)數(shù)據(jù)流映射到特定的服務(wù)類型中，內(nèi)部設(shè)備不是根據(jù)數(shù)據(jù)流，而是根據(jù)數(shù)據(jù)包的服務(wù)類型來(lái)提供相應(yīng)的服務(wù)，這樣就大大減輕了隊(duì)列調(diào)度的復(fù)雜性。

3 服務(wù)質(zhì)量的度量

在大多數(shù)QoS服務(wù)模型中，都把延遲、延遲抖動(dòng)、丟包率和帶寬作為重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，但它們對(duì)于多媒體業(yè)務(wù)有著不盡相同的影響。

延遲是指數(shù)據(jù)包從發(fā)送端到接收端的時(shí)間長(zhǎng)度，它分為固定部分和可變部分。固定部分主要為傳輸時(shí)延和轉(zhuǎn)發(fā)延遲，而可變部分包括處理時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延。傳輸時(shí)延主要是由源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的線路距離決定的，它通常以光速傳播。在目前的通信手段中，衛(wèi)星通信的傳輸時(shí)延是最大的，它對(duì)于TCP擁塞控制和交互式會(huì)話都有很大的影響。轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延取決于數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度和鏈路帶寬，它是指從數(shù)據(jù)包發(fā)送開(kāi)始到發(fā)送結(jié)束的時(shí)間間隔。處理時(shí)延取決于網(wǎng)絡(luò)接點(diǎn)的處理能力和包處理的復(fù)雜度，網(wǎng)關(guān)設(shè)備的過(guò)濾和地址轉(zhuǎn)換功能將增大延遲，路由器采用復(fù)雜的隊(duì)列調(diào)度算法也可能導(dǎo)致延遲的明顯增加。排隊(duì)時(shí)延則與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、流量突發(fā)性和隊(duì)列調(diào)度算法相關(guān)。采用復(fù)雜的調(diào)度算法可能減少排隊(duì)時(shí)延，但由于增加了處理器的開(kāi)銷，又會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延的增長(zhǎng)。隊(duì)列調(diào)度算法的關(guān)鍵就是在滿足應(yīng)用需要的同時(shí)，尋求兩者的平衡。

延遲抖動(dòng)是指端到端延遲的變化特性，它是由于延遲的可變部分的變化導(dǎo)致的，流量的突發(fā)性、不公平的隊(duì)列調(diào)度方法都可能導(dǎo)致較大的延遲抖動(dòng)。按照對(duì)延遲和延遲抖動(dòng)的敏感性，多媒體應(yīng)用分為兩類:交互式和非交互式。非交互式業(yè)務(wù)對(duì)延遲的影響不敏感，僅僅是多媒體節(jié)目晚幾秒開(kāi)始而已;對(duì)于延遲抖動(dòng)，只要緩存的長(zhǎng)度大于延遲抖動(dòng)的極值，就可以避免它的影響。交互式業(yè)務(wù)則不同，它對(duì)于延遲和延遲抖動(dòng)都有嚴(yán)格的要求。

丟包率是指包丟失數(shù)占全部包傳輸量的比例。造成丟包的原因包括誤碼、路由變化和隊(duì)列溢出等。隨著傳輸設(shè)備性能的提高，誤碼引起的包丟失己非常小，路由變化引起的包丟失也占很少的比例。由于現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)沒(méi)有接入控制機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)擁塞引起的隊(duì)列溢出成為包丟失的主要原因。實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)由于不能采取重傳的方式補(bǔ)救丟失的數(shù)據(jù)，因而包丟失對(duì)于服務(wù)質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生巨大影響。通常多媒體業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包都較大，傳輸過(guò)程中可能被分成多個(gè)小包，一旦有一個(gè)小包丟失，就可能造成整個(gè)數(shù)據(jù)包都不能重組，從而造成更大的損失。

帶寬是網(wǎng)絡(luò)提供的吞吐能力，它反映了在一段時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)能為應(yīng)用傳送的信息量。多媒體業(yè)務(wù)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是其業(yè)務(wù)量是不斷變化的，活躍期與非活躍期業(yè)務(wù)量會(huì)有非常大的變化，這給網(wǎng)絡(luò)資源的使用和網(wǎng)絡(luò)接入控制都帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。從帶寬和丟包率的影響來(lái)看，多媒體業(yè)務(wù)分為恒定速率(CBR)和可變速率((YBR)。恒定速率的業(yè)務(wù)接入控制較為簡(jiǎn)單，只要為它預(yù)留峰值帶寬即可。可變速率的業(yè)務(wù)則較為復(fù)雜，若按照峰值速率來(lái)分配帶寬，雖然可以避免包丟失，但會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源的低效率和昂貴的服務(wù)費(fèi)用;若按照平均速率來(lái)分配帶寬，又會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)的網(wǎng)絡(luò)擁塞，服務(wù)質(zhì)量的下降。采用漏斗方法來(lái)控制數(shù)據(jù)源的發(fā)送速度，并在接入控制中，根據(jù)漏斗參數(shù)，為其預(yù)留適當(dāng)?shù)膸捄途彺妫涂梢员ＷC實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的延遲和丟包率。

結(jié)語(yǔ)

隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，隨著服務(wù)質(zhì)量保證體系的建立，實(shí)時(shí)多媒體應(yīng)用終將成為互聯(lián)網(wǎng)的主要服務(wù)內(nèi)容，也將為互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供新的契機(jī)。在此過(guò)程中，隊(duì)列調(diào)度技術(shù)也將逐步走向成熟，從開(kāi)始的公平分配帶寬到按照業(yè)務(wù)需要分配帶寬，從按會(huì)話調(diào)度資源到按數(shù)據(jù)類型調(diào)度資源:接入控制也從TCP擁塞控制到集成服務(wù)模型，再到區(qū)分服務(wù)模型。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的每一次進(jìn)步，都是大量研究和實(shí)踐的成果，都是辛勤工作的結(jié)晶。本文在廣泛研究前人成果的基礎(chǔ)上，從隊(duì)列調(diào)度和接入控制兩個(gè)方面對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量保證進(jìn)行了初步研究和探討。

[1]馬媛媛.互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的服務(wù)質(zhì)量管理問(wèn)題研究[D].北京工業(yè)大學(xué)，2007-05-10.