互聯網與服務質量保證

于德水

（遼河油田通信公司，遼寧 盤錦 124010）

1 引言

由于Internet技術的成功應用，各國也相繼發展起來。隨著范圍的擴大，逐漸形成全球范圍的互聯網，到1992年正式成立了Internet協會。它并不直接經營互聯網，而是由IAB(Internet Activities Board)來管理，下設負責TCP/IP進展的IETF (Internet I程任務組)和負責網絡技術的IRTF(Internet研究任務組)。

互聯網的成功主要歸因于分組交換、無連接的網絡層和TCP擁塞控制。互聯網開創了分組交換的先河，傳統的電信網絡均采用電路交換和時分復用，這對于固定帶寬的應用是高效的，但對于具有突發性的數據通信而言，效率卻很低。分組交換卻正好適應數據通信的特點，能統計復用帶寬資源，為數據通信提供高速、高效的傳輸技術。互聯網采用IP作為其網絡層協議，一方面為各種不同介質的物理網絡提供了互聯、互通的平臺，另一方面由于IP采用無連接機制，網絡資源分配相對簡單，從而降低了網絡設備的復雜度。互聯網采用了基于端系統的擁塞控制，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題，使互聯網的擴展更加容易。

2 服務質量保證

目前，互聯網上的信息傳遞仍采用盡可能好(Best-effort)的服務模式，對于文件傳輸、Web瀏覽和媒體下載等非實時業務可以提供很好的服務。但隨著互聯網的發展，實時多媒體應用(Real-Time Multimedia Application)將扮演越來越重要的角色，IP電話已作為一種業務進入互聯網，多媒體游戲、遠程教學也需要通過互聯網得以實現，互聯網必須為實時業務提供必要的服務質量保證，才可能取得進一步的發展。

有關服務質量保證的理論研究早已開展，其中一個熱點就是研究在分組交換環境下的資源置理和口叢列調度，.早期的研究主要集中在C'rPS調度算法的具體實現方法上，其中包括WFQ,VirtualClock,SCFQ.WFQ的缺陷在于計算復雜度太大，Virtual－Clock的公平性不好，而SCFQ的延遲特性較差。其后，RP服務模型成為一個更廣泛、更具有實用價值的理論模型，根據該模型提出的SPFQ調度算法具有較大的實用價值，它較好地解決了計算復雜度和服務質量間的矛盾。近年來，隨著網絡實踐的發展，路由設備的鏈路速度越來越快，導致路由器的體系結構發生了變化。在體系結構下，隨著總線(Crossbar)擁塞的產生，輸入接口的隊頭阻塞問題，入口隊列和出口隊列的分布式聯合調度問題，正成為研究的熱點。

有關服務質量保證的網絡實踐也取得了豐碩的成果，在許多試驗網上開展了服務質量保證的研究。集成服務是最早提出的服務模型之一，它采用資源預留協議作為其接入控制的手段，為每個數據流提供單獨的隊列，并保證端到端的服務質量。但在實驗網的運行中發現，集成服務缺乏伸展性(Scalability)，隨著數據流數量的增長，無論是接入控制還是隊列調度都對路由設備的處理能力產生巨大的壓力，特別是在核心網絡已嚴重影響了路由器的轉發能力，于是當前的研究熱點就逐漸從集成服務轉到了區分服務，區分服務的隊列調度不再把每個數據流作為一個調度對象，而是在網絡邊界把每個數據流映射到特定的服務類型中，內部設備不是根據數據流，而是根據數據包的服務類型來提供相應的服務，這樣就大大減輕了隊列調度的復雜性。

3 服務質量的度量

在大多數QoS服務模型中，都把延遲、延遲抖動、丟包率和帶寬作為重要的評價指標，但它們對于多媒體業務有著不盡相同的影響。

延遲是指數據包從發送端到接收端的時間長度，它分為固定部分和可變部分。固定部分主要為傳輸時延和轉發延遲，而可變部分包括處理時延和排隊時延。傳輸時延主要是由源節點和目的節點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，衛星通信的傳輸時延是最大的，它對于TCP擁塞控制和交互式會話都有很大的影響。轉發時延取決于數據包的長度和鏈路帶寬，它是指從數據包發送開始到發送結束的時間間隔。處理時延取決于網絡接點的處理能力和包處理的復雜度，網關設備的過濾和地址轉換功能將增大延遲，路由器采用復雜的隊列調度算法也可能導致延遲的明顯增加。排隊時延則與網絡負載、流量突發性和隊列調度算法相關。采用復雜的調度算法可能減少排隊時延，但由于增加了處理器的開銷，又會導致轉發時延的增長。隊列調度算法的關鍵就是在滿足應用需要的同時，尋求兩者的平衡。

延遲抖動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致的，流量的突發性、不公平的隊列調度方法都可能導致較大的延遲抖動。按照對延遲和延遲抖動的敏感性，多媒體應用分為兩類:交互式和非交互式。非交互式業務對延遲的影響不敏感，僅僅是多媒體節目晚幾秒開始而已;對于延遲抖動，只要緩存的長度大于延遲抖動的極值，就可以避免它的影響。交互式業務則不同，它對于延遲和延遲抖動都有嚴格的要求。

丟包率是指包丟失數占全部包傳輸量的比例。造成丟包的原因包括誤碼、路由變化和隊列溢出等。隨著傳輸設備性能的提高，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。由于現在互聯網沒有接入控制機制，網絡擁塞引起的隊列溢出成為包丟失的主要原因。實時多媒體業務由于不能采取重傳的方式補救丟失的數據，因而包丟失對于服務質量會產生巨大影響。通常多媒體業務的數據包都較大，傳輸過程中可能被分成多個小包，一旦有一個小包丟失，就可能造成整個數據包都不能重組，從而造成更大的損失。

帶寬是網絡提供的吞吐能力，它反映了在一段時間內網絡能為應用傳送的信息量。多媒體業務的一個重要特點就是其業務量是不斷變化的，活躍期與非活躍期業務量會有非常大的變化，這給網絡資源的使用和網絡接入控制都帶來了巨大的挑戰。從帶寬和丟包率的影響來看，多媒體業務分為恒定速率(CBR)和可變速率((YBR)。恒定速率的業務接入控制較為簡單，只要為它預留峰值帶寬即可。可變速率的業務則較為復雜，若按照峰值速率來分配帶寬，雖然可以避免包丟失，但會導致網絡資源的低效率和昂貴的服務費用;若按照平均速率來分配帶寬，又會導致瞬時的網絡擁塞，服務質量的下降。采用漏斗方法來控制數據源的發送速度，并在接入控制中，根據漏斗參數，為其預留適當的帶寬和緩存，就可以保證實時業務的延遲和丟包率。

結語

隨著互聯網的飛速發展，隨著服務質量保證體系的建立，實時多媒體應用終將成為互聯網的主要服務內容，也將為互聯網的發展提供新的契機。在此過程中，隊列調度技術也將逐步走向成熟，從開始的公平分配帶寬到按照業務需要分配帶寬，從按會話調度資源到按數據類型調度資源:接入控制也從TCP擁塞控制到集成服務模型，再到區分服務模型。網絡技術的每一次進步，都是大量研究和實踐的成果，都是辛勤工作的結晶。本文在廣泛研究前人成果的基礎上，從隊列調度和接入控制兩個方面對互聯網的服務質量保證進行了初步研究和探討。

[1]馬媛媛.互聯網環境下的服務質量管理問題研究[D].北京工業大學，2007-05-10.