固定通信與移動通信網(wǎng)絡(luò)中QoS 路由技術(shù)的思路探討

彭 鵬

（重慶信科設(shè)計有限公司，401121）

0 引言

伴隨著各種業(yè)務(wù)的不同需求，通信網(wǎng)絡(luò)不斷的進(jìn)行著更新和改革，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的逐步優(yōu)化。例如，在傳統(tǒng)的話音網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)通信中，滿足了人們對于語音通信的需求；在移動通信網(wǎng)絡(luò)中，滿足了人們對于不受地點限制的通信要求；Intenet 實現(xiàn)了人們對多種信息進(jìn)行傳遞的要求。隨著各種不同通信需求的提出，網(wǎng)絡(luò)的類型也在發(fā)生著不斷的變化和改進(jìn)，但是到目前為止，還沒有一種網(wǎng)絡(luò)能夠完全滿足人們的各種通信需求，因此，新一代網(wǎng)絡(luò)的概念便應(yīng)運而生了。這種網(wǎng)絡(luò)將會有效地實現(xiàn)各大網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)融合，通過分組技術(shù)來承載各種業(yè)務(wù)，實現(xiàn)在各個環(huán)節(jié)的資源共享，大大提高了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的質(zhì)量。下面先講一講QOS 路由的含義及其分類。

1 QOS 路由

1.1 QOS 路由的含義

在新一代網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)和語音等多項業(yè)務(wù)都會通過IP 分組來進(jìn)行傳輸，不同的業(yè)務(wù)內(nèi)容對于QOS 的要求是不相同的，如何根據(jù)業(yè)務(wù)的QOS 要求在分組核心的網(wǎng)絡(luò)中為其進(jìn)行選路，并且通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，將會成為分組交換網(wǎng)絡(luò)的重要功能。QOS 路由主要的性能指標(biāo)是能夠?qū)崿F(xiàn)對資源利用的優(yōu)化，其功能主要是路由計算、鏈路狀態(tài)信息發(fā)布和路由表存儲。

QOS 路由技術(shù)主要是依據(jù)度量的參數(shù)來選擇和計算最佳的路由，為了實現(xiàn)最佳的路徑，路由的選擇算法必須要維護(hù)和啟動含有路由信息的路由表。路由器之間的狀態(tài)更新是通過互通信息來進(jìn)行的，并且其最佳的路徑是路由器依據(jù)量度的參數(shù)來進(jìn)行決定的。

同以往的路由算法基本相似，QOS 路由主要包括兩個方面的內(nèi)容，即：尋經(jīng)和轉(zhuǎn)發(fā)。這兩項內(nèi)容需要有不同的路由選擇協(xié)議和路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議作為支撐。尋經(jīng)主要是指對到達(dá)目的地的最佳途徑進(jìn)行判斷，通過路由選擇協(xié)議來實現(xiàn)；轉(zhuǎn)發(fā)主要是指將數(shù)據(jù)的分組沿著尋找到的最佳路徑進(jìn)行傳送數(shù)據(jù)。路由選擇協(xié)議與路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議既相互的獨立又相互的配合，其中路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議利用路由選擇協(xié)議來實現(xiàn)對路由表的維護(hù)，與此同時，路由選擇協(xié)議又是利用路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議提供的功能來發(fā)布路由協(xié)議的數(shù)據(jù)。

目前，常用的Internet 路由協(xié)議有很多種，比如：開放式的最短路徑優(yōu)先協(xié)議、路由信息協(xié)議和邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議等，都是利用單個的計量單位來進(jìn)行最短的路由計算，沒有將QOS 參數(shù)的多個要求考慮進(jìn)去，端到端之間的資源預(yù)留得不到有效的支持和保證，不能夠預(yù)測分組延遲。因此，如何能夠使QOS 路由算法同時滿足不同業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)多方面服務(wù)質(zhì)量的要求是QOS 路由算法的難點所在，并且要同時考慮在設(shè)計算法時，還要滿足以下的設(shè)計目標(biāo)：最優(yōu)化、靈活性、堅固性、簡潔性和快速收斂性等等。

盡管就目前來說，QOS 路由存在網(wǎng)絡(luò)開銷大和計算比較復(fù)雜的情況，并且現(xiàn)在能夠?qū)嵱玫腝OS 路由算法也不多見，但是QOS 路由能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的要求，滿足業(yè)務(wù)對服務(wù)質(zhì)量的需要，能夠有效的提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，這些優(yōu)點使得QOS 路由適應(yīng)了高速網(wǎng)絡(luò)發(fā)展對于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的要求，成為了新一代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然選擇。

1.2 QOS 路由的分類

QOS 路由根據(jù)不同的準(zhǔn)則劃分為不同的種類，根據(jù)實際應(yīng)用業(yè)務(wù)的不同，可以將常見的QOS 路由協(xié)議劃分為動態(tài)和靜態(tài)，域間和域內(nèi)，距離矢量和連接狀態(tài)等不同的形式；根據(jù)路由服務(wù)的節(jié)點范圍不同，QOS 路由又可以分為組播和單播兩種不同的方式。

靜態(tài)的QOS 路由是指將固定的路由表設(shè)置在節(jié)點中，而動態(tài)的QOS 路由則是由中節(jié)點之間相互的通信，傳遞路由的信息，并根據(jù)收到的路由信息進(jìn)行路由表的更新，同時根據(jù)流量和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵崟r的進(jìn)行選路，以適應(yīng)在運行過程中各種不同情況的出現(xiàn)。在現(xiàn)代的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中大多是使用動態(tài)的路由算法，因為動態(tài)的路由算法靈活性比較的強，能夠及時地應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的不同變化。

域間和域內(nèi)這兩種形式的劃分依據(jù)是路由器的協(xié)議是否在同一個自治域內(nèi)部使用。

距離矢量協(xié)議主要是指中節(jié)點將路由表中的部分信息或者是全部的信息發(fā)送到鄰近的節(jié)點上；鏈路狀態(tài)協(xié)議主要是指中節(jié)點將路由表中描述自身鏈路狀態(tài)的部分信息發(fā)送到網(wǎng)上所有的節(jié)點。

在信源路由的策略中，全局的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息都需要保存在每一個節(jié)點上，比如：網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，到達(dá)其他節(jié)點的路徑度量參數(shù)值等等。當(dāng)業(yè)務(wù)的路由請求到達(dá)的時候，源節(jié)點會根據(jù)業(yè)務(wù)的QOS 要求和網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息來計算出一條最適合的路由，隨后將資源的預(yù)約信令在其選擇的路徑上進(jìn)行傳送，并通知在該路徑上的各個節(jié)點，并說明其后繼節(jié)點和前繼節(jié)點，預(yù)約資源建立路徑。與其他類型的路由策略相比較，源路由在運行過程中比較的簡單和靈活，特別是能夠有效避免在分布式路由中存在的環(huán)路和死鎖等多個問題；但是源路由自身也存在很多的不足和問題，比如說：狀態(tài)的信息準(zhǔn)確性不是太高，源路由的開銷也比較的大等等，同時，源路由存在一個關(guān)鍵性的問題就是其擴(kuò)展性會受到一定的限制，并且源路由的不足將會隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大而變得更加的嚴(yán)重和凸顯。

在分布式的路由策略中，路由的選擇是由多個節(jié)點協(xié)同進(jìn)行分布式計算來共同完成的。大多數(shù)的算法是利用鏈路狀態(tài)協(xié)議和距離矢量協(xié)議來獲取全局的狀態(tài)信息，節(jié)點通過接力的形式來完成對于路由的選擇。在分布式的路由算法中目前最為常見和典型的方式就是通過探測消息來進(jìn)行的路由選擇，這種算法的主要問題是網(wǎng)絡(luò)效率和探測包數(shù)量的折中。經(jīng)過巧妙設(shè)計的分布式路由算法不但能夠比源路由更加快速的響應(yīng)并建立路由，而且能夠在探測開銷較小的情況下迅速地收斂到最佳的路徑，與此同時，分布式路由不受擴(kuò)展性的影響，能夠更加適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步擴(kuò)大。分布式路由的主要不足之處在于節(jié)點間的協(xié)議問題和環(huán)路問題。

層次路由主要是指由多個的物理點相互的聚合進(jìn)而形成組，組又進(jìn)一步的進(jìn)行聚合，然后形成更加高一層的組，物理點經(jīng)過這樣不斷的匯集，進(jìn)而組建成為一個分層的網(wǎng)絡(luò)。在每一個的物理節(jié)點上都保存了經(jīng)過聚合的全局的網(wǎng)絡(luò)信息，這些信息僅包括此節(jié)點所在組的節(jié)點特征和其他組的總體特性。在尋路的過程中，每個節(jié)點都會將其他的匯聚組看成是一個邏輯節(jié)點，邏輯節(jié)點在收到控制消息之后再進(jìn)行鏈路的擴(kuò)展。分層路由具備的優(yōu)點是能夠縮小路由計算的開銷和減少節(jié)點信息的更新頻率。但是分層路由又同時存在不足之處，就是因為節(jié)點的匯聚從而在某種程度上更加地加重了信息的不準(zhǔn)確性，成為了分層路由的關(guān)鍵問題所在。

單播QOS 路由的特點是在節(jié)點之間滿足QOS 要求的點到點之間的連接；實現(xiàn)一點到多點之間進(jìn)行連接，同時可以滿足業(yè)務(wù)對于多點通信的要求，但是這種單播QOS 路由存在的不足之處就是其擴(kuò)展性受到一定的限制，并且路由的開銷比較的大。因此，如果利用組播技術(shù)來支持多點的通信業(yè)務(wù)則可以實現(xiàn)良好的擴(kuò)展性，QOS 組播路由主要就是要尋找以信宿節(jié)點為葉子、以源節(jié)點為根的可行路由樹的問題。組播樹又可以分為兩種形式：一種是以接收者為葉子、以源為樹根叫做分發(fā)樹；另一種是不管有多少個源、在一個組中所有的成員都共享一棵分發(fā)樹，這種方式叫共享樹。

2 分組核心網(wǎng)絡(luò)QOS 路由研究

2.1 IP 網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

研究路由算法主要的目的是將路由算法轉(zhuǎn)化成為路由協(xié)議，所以對現(xiàn)有的路由協(xié)議進(jìn)行了解是非常重要的。現(xiàn)在以路由器為基礎(chǔ)的Internet 中，在OSI 協(xié)議的第三層是IP 路由，路由的過程就是一個節(jié)點尋找通向目的節(jié)點路徑的過程，路由器一方面負(fù)責(zé)對IP 分組進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，另一方面也負(fù)責(zé)和別的路由器聯(lián)絡(luò)，共同來完成維護(hù)路由表和選擇路由的目的。在路由表中儲存了到達(dá)網(wǎng)絡(luò)上任意一個目的地的所有信息，路由協(xié)議主要是通過路由表提供網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的信息，通過鏈接路由器來完成信息的交換和傳送。

在目前Internet 中最為常用的一種距離矢量路由協(xié)議是RIP 路由協(xié)議。RIP 路由協(xié)議主要是依據(jù)距離來選擇路由，適用于平面和小型的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。在RIP 路由協(xié)議中路由器能夠收集到所有的能夠到達(dá)目的地的不相同的路徑，并且保存有關(guān)的到達(dá)每一個目的地的節(jié)點數(shù)的路徑信息，除了能夠保存到達(dá)目的的最佳的路徑之外，其他的任何信息將會全部丟棄；與此同時，路由器會將所收集的信息通過RIP 協(xié)議全部發(fā)送到相鄰的其他路由器，這樣以來，正確的路由信息便被逐步的擴(kuò)散到了全部的網(wǎng)絡(luò)。

距離矢量路由協(xié)議是將大量的更新信息發(fā)送到鄰節(jié)點，而鏈路狀態(tài)路由協(xié)議則只是把少量更新的信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點上，對于每個路由器來說，只是負(fù)責(zé)發(fā)送在路由表中描述的其自身鏈路狀態(tài)的那些信息。鏈路狀態(tài)協(xié)議具有以下的優(yōu)點：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)比較穩(wěn)定的時候，在網(wǎng)絡(luò)中相互傳遞的鏈路狀態(tài)的信息就比較的少，并且與距離矢量路由算法相比較鏈路狀態(tài)的路由算法收斂的更加快捷，從而使鏈路狀態(tài)的路由不容易產(chǎn)生環(huán)路；但是鏈路狀態(tài)的路由對于內(nèi)存空間和CPU 的能力有比較高的要求。除此之外，鏈路狀態(tài)路由和距離矢量路由在多數(shù)的環(huán)境下都能夠?qū)崿F(xiàn)很好的運行。基于鏈路狀態(tài)較為典型的路由協(xié)議主要是采取SPF 算法的OSPF 協(xié)議。運行OSPF 協(xié)議的路由器將會維護(hù)拓?fù)鋽?shù)據(jù)庫和鄰居列表，同時利用OSPF 協(xié)議把鏈路狀態(tài)廣播數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳送從而到達(dá)在某一個區(qū)域內(nèi)的所有路由器，與此同時，OSPF 路由器將相關(guān)狀態(tài)的信息進(jìn)行收集，并且依據(jù)一定的算法對到達(dá)其他節(jié)點的最短路經(jīng)進(jìn)行有效計算。

2.2 基于QOS 路由的分組核心網(wǎng)絡(luò)模型

在實際應(yīng)用中分組核心網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)為一種非對稱的通信網(wǎng)絡(luò)，可以用G=(V ,E )來表示，V 表示頂點的集合，可以代表路由器、交換機(jī)以及主機(jī)。E 表示向邊的集合，可以代表通信的鏈路。在網(wǎng)路中，每一個節(jié)點都對應(yīng)著唯一的一個ID 或者物理地址，用于保存QOS 路由的全局狀態(tài)的信息以及局部狀態(tài)的信息。

時延參數(shù)可以抽象為傳送時延、排隊時延以及傳播時延等的綜合，主要是指信源發(fā)送到信宿的第一個比特到接收到第一個比特之間的時間差。

時延抖動主要是反映在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r候時延的變化，時延抖動能夠用在一段時間之內(nèi)最短和最長的時延之間的差來表示。時延抖動能影響到媒體流的同步，視頻和話音等媒體的實時業(yè)務(wù)對時延抖動都是非常的敏感。解決時延抖動的主要方法就是將回放緩存器放置在終端上，以用來吸收時延的抖動。

差錯率主要是表示在網(wǎng)絡(luò)的傳輸過程中所產(chǎn)生差錯的一種度量方式。包括有誤分組率、誤比特率以及分組丟失率等等。誤分組率主要是指分組丟失、分組的重復(fù)接收或者是因為分組的次序顛倒從而引起的分組錯誤等等，誤分組率產(chǎn)生的原因主要有，因為網(wǎng)絡(luò)擁塞從而造成在分組進(jìn)行傳輸?shù)臅r候時延過長，導(dǎo)致節(jié)點來不及進(jìn)行處理從而丟棄分組，或者是因為超過了時限從而被中間的節(jié)點丟棄，另外，還有一種可能就是因為傳輸?shù)腻e誤從而造成包頭信息有誤，節(jié)點拒絕進(jìn)行接收分組；誤比特率主要是指在點與點之間的傳輸過程中所殘余的錯誤比特頻數(shù)，通常用誤比特率來對傳輸介質(zhì)的質(zhì)量進(jìn)行衡量；分組丟失率和誤分組率非常的相類似，只是因為關(guān)注問題的角度不同。

除此之外，還有一些專門用來描述節(jié)點狀態(tài)信息的一些參數(shù)，例如吞吐量、剩余緩沖區(qū)容量、節(jié)點的處理能力以及終端應(yīng)用程序之間實際達(dá)到的數(shù)據(jù)數(shù)率等等。

3 結(jié)束語

目前，通信網(wǎng)絡(luò)正在全球范圍內(nèi)發(fā)生著日新月異的深刻變化，同時網(wǎng)絡(luò)的運用環(huán)境、用戶特性也都在發(fā)生著巨大的變化，以往使用的網(wǎng)絡(luò)概念面臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，已不能很好地適應(yīng)新的社會市場環(huán)境變化的需求。通信服務(wù)的質(zhì)量是衡量通信系統(tǒng)優(yōu)劣的一個重要的指標(biāo)，通信服務(wù)質(zhì)量的好壞將會直接地影響到用戶對于網(wǎng)絡(luò)使用的滿意程度，是目前所有的網(wǎng)絡(luò)運營商一直追求的永恒主題。尤其是在新一代的網(wǎng)絡(luò)中都是基于利用分組的技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，在網(wǎng)絡(luò)通信的各個環(huán)節(jié)都要實現(xiàn)對于資源的共享，所以對于QOS 問題必須要給予高度的重視。希望通過本文對于固定通信和移動通信網(wǎng)絡(luò)中QOS 路由技術(shù)的分析，能夠?qū)Υ龠M(jìn)新一代路由技術(shù)的提升有所促進(jìn)，不斷地提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的質(zhì)量，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)時代的發(fā)展。

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