淺談QoS發展歷程

李紹慶

摘 要 QoS一直是網絡優化分析中的“明珠”。盡管人們在該領域投入了大量精力，但因互聯網信息傳輸中“盡力而為”的特點，很少有保證端到端 QoS方案。本文介紹Qos發展歷程，并考慮未來QoS的發展方向。展望了隨著技術發展，將有大量數據在網絡的邊緣產生，計算也需要遷移到邊緣以保證QoS。邊緣服務與計算的需求將不可避免需要服務設施分散化，推動CDN與虛擬化的部署。Qos演進到適應流量發展的CDN，到5G時代的邊緣計算，最后我們分析了結合區塊鏈進行的分布式網絡治理如何影響未來網絡QoS發展。

關鍵詞 Qos;ATM;CDN;邊緣計算

1 電話網絡向信息網絡演進：ATM

早在20世紀80年代，人們就在研究如何由電話網絡向信息網絡演進。 SDH / SONET數字傳輸結構允許語音與窄帶數據以數字信息方式傳輸。模擬電話網絡向數字信息網絡演進是通過ATM的普遍引入而實現，這種改變是一種革命。

ATM關鍵設計原理是通過端到端信令為每個信息流保留網絡資源。這種方法是適應公共交換電話網（PSTN），為7號信令保留兩個64 Kbps信道，以便承載電話的編碼信息。在PSTN中資源預留方法效果很好，每個交換機處理的資源類型完全相同。但是，在基于ATM的多服務網絡的情況下，交換機將處理大量不同規格數據的資源分配。這給交換機帶來了更高的技術要求[1]。

2 IP技術中Qos技術演進

1990年代初，萬維網的出現改變了網絡格局。人們通過TCP/IP 協議簇保證IP網絡的QoS的服務，該框架是一種相對輕量且類似于ATM的技術。2000年代初，在IP框架下，引入DSCP等流量標記技術。根據與客戶簽訂SLA對不同業務流量進行不同標記。實現在網絡資源緊張時，區分服務的目標，提升整體業務的Qos。

通過廣泛使用網絡流量工程，Qos發展方向上出現了變化。網絡優化的目標不是為保證付費的用戶服務質量而保留資源，而是通過流量工程來更有效地利用整個網絡資源，從而實現更好的端到端延遲。通過多協議標簽交換（MPLS）的廣泛部署來實現更好的質量服務，該協議支持為從入口到出口的潛在多路徑構建顯式路由，從而允許通過適當的路由選擇方案平均分配流量，并產生相對統一的最優鏈路。

視頻流逐步成為主流引用，并持續增長。為了確保視頻傳送中的Qos，并降低網絡成本產生了CDN，該技術將內容部署在網絡邊緣，以便用戶訪問最接近請求的副本。這項技術為用戶QoS提供了保障，同時它使全球網絡負載更易管理。

2010年出現的與QoS相關的技術是軟件定義網絡（SDN）。 SDN的主要目標是將控制與數據轉發分離，并提供可編程性功能，并允許網絡能力開放。SDN將集中控制原理應用于分組網絡。SDN目標是實現實時的網絡管理能力，并逐步實現更細粒度的資源管理，從而更好地提升整體網絡QoS水平。

3 新技術展望：邊緣計算

在最近3-4年中，在通信網絡中尋求QoS提升的同時，出現了新的技術演進，邊緣計算（MEC）是QoS領域的最新發展。從AR、VR，到自動駕駛汽車，無人駕駛飛機大量應用實現及共享單車的廣泛應用，對通信方式提出了更高的要求。在這種情況下，對響應時間提出更高的質量保障要求。應用的快速發展及對網絡質量更高要求，也給通信協議與標準的演進帶來更大的挑戰。

在過往的二十年里，我們見證了互聯網集中化內容服務發展。集中化服務導致大規模數據中心的發展。盡管這種發展趨勢很好地滿足了當今互聯網的發展，并且也符合規模經濟的要求，但它肯定不適合將來的應用。在5G網絡時代，集中化的計算能力與處理速度不滿足不同應用低時延響應需求。

邊緣計算與網絡虛擬化相結合。將計算能力分散與下沉。這種改變使計算轉移更接近用戶。還有另外一因素會影響QoS，并且需要在邊緣計算的應用中解決，即當前的DNS架構無法即時解決解析更新問題，邊緣計算要求幾秒鐘的時間內實現實例化和計算能力分解，并且需要以毫秒為單位進行解析和執行，而正常的DNS更新幾分鐘時間內完成。需要新的以計算為中心的體系結構，以解決在網絡邊緣執行的網絡功能快速解析的需求。

4 新挑戰：應用安全與信息安全

隨著邊緣計算發展，在提升QoS同時，需要關注：管理邊緣計算基礎架構自身的信息安全。在當前的互聯網環境中，基礎架構是由“技術巨頭”所設計和運營的。到目前為止，該模型在效果方面表現相對較好，在分布式網絡的情況下，類似的模型是否能很好地工作還存在疑問。

首先，對一些集中式計算中心進行技術管理相對容易，但是幾乎不可能管理數十億個計算點;其次，數據中心癱瘓或關鍵設備故障，可能造成最基本的功能就會中斷。同時，我們可以預見到移動邊緣計算基礎架構，它將負責重要的應用程序，例如自動駕駛。顯然Qos要對高延遲敏感的應用程序負責，在關鍵應用中會和每一個人的生命安全相關。

去集中化應用需求會使網絡轉向分散式和分布式的治理模型，并且為了實現可接受的QoS，用戶將不得不信任未知的運營商，從而有效地改變了過去20年的互聯網生態系統。在這一點上，加密技術和區塊鏈技術的最新進展會做出重大貢獻。區塊鏈可以在不可變的歷史記錄中以不信任的方式跟蹤和記錄任何兩個實體之間的任何信息交換，可以提高安全性并可以確保隱私。計算基礎架構可以分布到數十億個可操作的計算點都可以在上面進行創新，而治理可以變得分散，并可以保證比當前基礎結構更高的安全性和隱私性。

這種發展對QoS的影響是巨大的。不信任節點之間的分布式計算是無處不在計算的一種實現方式，在該計算中，可以利用任何備用計算周期在地理位置較近的位置執行對延遲敏感的應用程序。

5 結束語

隨著互聯網在過去幾十年中的發展，需要基礎結構來適應無處不在的應用與信息連接。新的5G與云網時代需要應用程序在網絡邊緣部署，以提供更低的延遲。在以信息為中心的網絡，移動邊緣計算以及信息安全的一般領域中的新發展都有潛力補充此類應用程序的需求。因此，當前的挑戰是彌補已建立的Internet基礎結構和相關協議與安全，隱私和區塊鏈技術領域中等新發展技術之間的差距。這些融合可以共同提供行業所期望的QoS。

參考文獻

[1] 單志廣，林闖，肖人毅，等.WebQoS控制研究綜述[J].計算機學報，2004（2）：2-13.