一種基于分層架構的端到端QoS保障系統與方法

楊振東，馮銘能（.中國聯通廣東分公司，廣東廣州 5067；.中訊郵電咨詢設計院有限公司，廣東廣州 5067）

1 概述

目前移動互聯網快速發展，對低延遲、無擁塞、高質量的QoS 保障需求愈加迫切，現網的QoS 保障方式已不能滿足業務發展需要，需要一種新型的QoS 保障系統和方法來滿足業務快速發展的需要。

1.1 互聯網+的發展

隨著互聯網+的高速發展，用戶對移動互聯網服務質量及有線網絡服務質量的要求越來越高，希望可以實現互聯網的低延遲、無擁塞、高質量服務；隨著IP網絡的發展，最初以承載為主要功能的IP 網絡正漸漸地轉變為以提供差異化增值服務為主要功能的網絡。

1.2 NFV/SDN發展

電信運營商傳統網絡采用專用硬件設備，難以支撐日新月異的互聯網應用快速部署和業務創新的需求，而NFV 將云計算引入到電信網絡，能大幅提升網絡的靈活性。SDN 通過基于軟件編程的SDN 控制器來實現網絡控制功能的集中化，SDN 控制器向編排層開放接口，可支撐軟件編程控制的各類業務。隨著NFV/SDN 發展，網絡層級分為轉發層、控制層、編排層，為基于業務編排的QoS保障提供了部署條件。

1.3 5G/MEC應用發展

在5G 網絡高容量熱點場景中，用戶體驗速率達1 Gbit/s，峰值速率達10 Gbit/s，流量密度每平方千米達10 Tbit/s，這將對無線回傳網絡造成巨大的壓力，需要將業務平臺向網絡邊緣下沉，實現業務的本地處理。需要通過業務編排器對5G/4G 邊緣云應用進行QoS 保障。MEC（Mobile Edge Computing）可助力運營商搭建與OTT 或應用開發商合作的橋梁。運營商可以將網絡能力封裝成各種服務（如位置服務、帶寬管理服務等）開放給第三方，而基于MEC 的QoS 保障能力也是可以同步部署并開放的。

1.4 業務編排器在固移網絡中起關鍵作用

業務編排器負責資源的分配及業務的編排部署。業務編排器為運營商提供了資源和業務的統一視圖，對全網資源進行有效的管理和調度。通過業務編排器可以進行全程全網、跨層跨域、端到端、多業務、快速高效的QoS保障。

2 現有端到端QoS保障現狀及存在的問題

2.1 QoS保障現狀

現有的QoS 保障采用對骨干網、城域網或IP RAN等分段保障的機制，不是端到端的保障。僅支持對某一類業務的保障，比如基于PCF/PCRF 對移網用戶的QoS 保障，不支持對固移綜合業務的QoS 保障。不同業務有不同的QoS 保障需求，網絡質量保障等級和個性化定制化的業務需求之間不能滿足一一匹配的要求，所以對業務進行端到端靈活的QoS 保障成了運營商要解決的重點問題。

2.2 存在的問題

a）當前城域網因網絡架構原因，跨AS（Autonomous System）域流量經過骨干網設備過程中QoS 標記會被抹去，導致端到端的QoS部署困難，體現在：

（a）骨干網不信任城域網的QoS 標記，經過骨干網的一跳并未提供相應的QoS 保障，不是完整意義上的端到端QoS保障。

（b）跨AS 域流量在經過骨干網時QoS 標記不連續，導致必須在城域網出口路由器以及IDC 路由設備上基于源或目地IP 地址標記QoS 等級，而客戶需要保障的IP 地址經常變化，手動配置的方式增加工作負擔。

（c）城域網出口路由器上已有很多安全相關配置，頻繁增加/修改QoS配置容易出現安全事件。

b）現有的網管不支持批量配置下發，啟用QoS 的難度主要在配置工作量層面。QoS 標記的信任與映射、設備內隊列等，采用逐端口修改模式，需要大量的配置修改。

c）沒有全網端到端的QoS 保障機制，只有分段保障，在這一段保障的業務不能在下一段得到保障；沒有云網協同的QoS保障機制，無法對云業務進行保障。

d）現網對移網或固網采用單獨QoS 保障，沒有綜合業務保障的能力，無法實現固移業務綜合保障。

e）QoS保障能力沒有向第三方開放和實現能力變現。

3 端到端QoS質量保障系統和方法

為解決以上問題，需要一個新的QoS 質量保障系統，為全網提供端到端的全業務QoS保障，并進行云網協同的QoS保障，提升業務體驗。

3.1 新網絡架構說明

通過在全國核心云和省級核心云部署業務編排器，實現分層架構的端到端QoS保障（見圖1）。

邊緣云部署固移綜合承載網絡，很好地滿足了邊緣云接入、安全、計費、QoS 保障等方面的需求。將UPF、移網數據業務服務網關U面，即UP（SPGW-U）和多業務匯聚網關U 面（MSG-U）下沉部署在邊緣節點，移網及固網所有數據業務（不含VoLTE）在匯聚節點由MSG-U 統一接入邊緣云或互聯網。SPGW-C、SMF/AMF、PCF/PCRF（移網數據業務服務網關C 面，即CP）全省集中部署，負責移網業務控制。固網轉控分離，由MSG-U 統一轉發，控制層由全省或地（市）集中部署的多業務匯聚網關C面（MSG-C）統一負責。

3.2 QoS總體規劃

業務需求與業務特征，對QoS規劃有重要影響，因而在考慮QoS 規劃前，應首先根據業務需求和特征對其進行分類。其后，再考慮各項業務的QoS規劃，以及部分業務是否可以共用QoS隊列。根據各項業務的特點，對業務類型進行劃分，并匹配對應的QoS 保障策略。

3.3 QoS保障方法

全國業務編排器與骨干網路由器、省級業務編排器對接，編排指令下發，負責骨干網設備的QoS 保障，調用省級業務編排器的QoS保障能力；與互聯網SP/CP應用平臺對接，提供API接口實現能力開放。

圖1 基于分層架構的端到端QoS保障系統架構

省級業務編排器與全國業務編排器、省分/地（市）核心云、地（市）邊緣云、省內核心網、城域網、傳輸網、寬帶網等對接，負責QoS 保障能力落地；與互聯網SP/CP應用平臺對接，提供API接口實現能力開放。

省級業務編排器與各平臺設備對接，主要完成如下工作。

3.3.1 與移網核心網設備PCF/PCRF對接

業務編排器與PCF/PCRF 對接，為5G/4G 用戶提供網絡加速和QoS保障服務。編排器向第三方提供標準和互聯網化的REST/JSON 接口，簡化了第三方的集成難度。通過QoS 保障時延優化：為手游電競、證券、移動視頻類業務打上高優先級5QI（5G QoS Indicator）、QCI（QoS Class Identifier）標識，通過差異化調度策略對報文數據進行優先調度。通過業務編排器，將PCC（Policy Control and Charging）保障策略開放給第三方，為第三方應用動態申請差異化的PCC 保障策略，如設定5QI 或QCI 保障等級、用戶接入資源分配保持優先級（ARP）和數據流帶寬等。PCF/PCRF 支持下達QoS策略給UPF/SPGW-U，包括GBR/MBR/5QI/QCI/ARP 等參數的配置和調整。

核心網側：UPF/SMF/SPGW 根據PCF/PCRF 下發的QoS 策略發起5QI flow 或QCI 專載建立流程，通過UPF/SMF/SPGW 傳遞到無線側，并根據無線側的反饋建立承載專用網絡。核心網元UPF/SPGW 需支持5QI/QCI至差分服務代碼點（DSCP）映射。

無線側：以手游業務為例，根據核心網觸發的5QI flow 或QCI 專載建立流程為手游用戶建立專載網絡并反饋結果給核心網。核心網與無線網共同組成專用網絡，與公網手游服務器連接共同承載手游端到端數據流。基站需支持5QI/QCI至DSCP映射。

3.3.2 與城域網設備對接

與城域網核心路由器CR、BRAS/MSG 對接，完成如下工作。

與CR 交互：在業務流分類上，編排器發送配置指令給CR，將上行、下行業務流量在CR 處基于源IP、目的IP 等特征部署流分類，將特殊業務報文優先級重標記為高優先級，即根據源IP 地址、目的IP 地址為特殊業務流做QoS 標記。然后根據QoS 標記進行隊列調度，隊列調度可采用相應的調度算法，同時將QoS標記傳遞到下一層級設備。

與BRAS/MSG 交互：在業務流分類上，編排器發送配置指令給BRAS/MSG，上下行流量信任上游設備報文優先級。在優先級處理上，上行流量，將固網寬帶802.1p優先級映射為IP頭域DSCP值，同時將QoS標識傳遞到上層設備；下行流量，將QoS 標識IP 頭域DSCP值映射為802.1p 傳遞到固網寬帶設備。在流量監管上，配置QoS模板，為上下行特殊業務進行承諾信息速率（CIR）限速。當MSG-U 和UPF/SPGW-U 互聯時，信任對端傳遞的IP頭域DSCP值。

3.3.3 與IP RAN設備對接

匯聚節點距離無線基站、有線CPE 約10 km，光回傳網絡的傳輸時延通常在0.1 ms 以內（7 ms/1 000 km），光傳輸時延可以忽略不計。影響用戶體驗主要因素是擁塞、誤碼和時延，需要部署QoS 策略：IP RAN QoS 保障可通過調用編排協同器的QoS 保障能力，在IP RAN 匯聚設備配置GTP-U 外層IP 頭域DSCP 值，或信任上游設備傳遞過來的參數；IP RAN 接入設備信任上游設備傳遞過來的GTP-U 外層IP 頭域DSCP 值，映射到MPLS EXP 對應比特，基于VPN 網絡進行QoS 調度。

QoS配置主要涉及3個方面的問題：劃分業務并進行QoS 標記、進入IP RAN 時QoS 標記的信任與映射、IP RAN內QoS隊列配置。

業務的分類與標記，需要按需配置。例如專線類需要在業務接入點添加配置；移網業務則需要核心網、無線網設備做配合，在IP RAN 外部打好QoS 標記。QoS 標記的信任與映射，需要統一配置，IP RAN 的QoS策略主要基于信任QoS 標記執行，需要在IP RAN 入口進行配置。設備內QoS隊列，需要統一配置，涉及隊列調度、權重、限速、丟棄規則等問題，各廠家有其缺省配置，且各型號設備也會有差異。

IP RAN 應透傳業務的QoS 標記，即IP RAN 內部的QoS 操作（如信任/不信任、重標記等）不應修改業務原始報文的QoS標記。

3.3.4 與寬帶接入設備交互

省級編排器與光線路終端（OLT）控制器交互。在流分類上，每條業務流基于服務商VLAN（SVLAN）標簽標記802.1p，或者信任上游設備傳遞過來的SVLAN報文優先級；在流量監管上，可為特殊業務建立獨立的GEMPORT（GPON 中一種虛擬的接口，業務虛端口），將該業務流映射到該GEMPORT，不同SVLAN 業務流通過映射到不同的GEMPORT 端口實現區分；在隊列調度上，根據802.1p COS（Code Of Service）字段優先級進行調度。編排器可基于不同SVLAN 進行差異化的QoS質量保障。

3.3.5 與IDC機房出口設備交互、云管平臺交互

省級編排器與省級/地（市）核心云（IDC 機房）出口路由交換設備交互，在IDC 出口設備標記數據流量的QoS 等級，為符合一定業務規則的業務流提供高QoS保障。

3.3.6 與互聯網SP/CP應用平臺對接，API能力開放

業務編排器向第三方應用提供標準和互聯網化的REST/JSON API 接口，由第三方應用根據業務需要動態申請QoS保障，簡化了第三方的集成難度，第三方應用需支持API接口。

業務編排器對接移網和固網設備，對網絡能力進行標準化，轉化為第三方可以快速、低門檻調用的API接口，滿足第三方動態調用移網、固網智能管道的需求，為各類應用的用戶提供帶寬提速、QoS 保障等服務。

4 效益分析

4.1 全程全網端到端QoS保障

通過全國、省級業務編排器分工協作，實現全程全網、端到端、跨層跨域QoS 保障，其中全國業務編排器負責骨干網設備的QoS質量保障以及調用省級業務編排器的QoS 保障能力；省級業務編排器負責省內各業務網的QoS 保障落地實施。通過分層級的編排器平臺，實現對全網的QoS保障。

4.2 對固網和移網提供QoS保障

省中心集中部署的網關UPF 或SPGW-U 下沉至邊緣云，固移業務在邊緣云由多業務匯聚網關MSG 實現接入和轉發。

移網數據業務通過本地IP RAN 的接入環、匯聚環收斂后接入UPF/SPGW-U，完成移動業務請求的封裝，并接入多業務匯聚網關MSG-U訪問互聯網。省去本地IP RAN 一個層級、本地承載網及骨干承載網所有層級，實現移網數據業務承載的高度扁平化。

固網業務包含寬帶業務、IPTV 業務、專線業務及VPN業務，原來通過BRAS、SR、PE、BNG等設備匯聚接入，現統一由多業務匯聚網關MSG-U 接入和承載。MSG 可以有效地實現轉發和控制分離。MSG-U 分布在邊緣云，負責移網和固網業務的接入和承載。

PCF/PCRF/SMF/AMF/SPGW-C 和MSG-C 在省中心或地（市）核心機房集中部署，負責區域內UPF/SPGW-U 和MSG-U 管理控制，實現資源的集中控制及統一配置、業務快捷開通。

業務編排器通過對MSG、PCF/PCRF、UPF/SPGW、IP RAN、寬帶接入網、無線等網元的配置，實現對固網和移網業務QoS綜合保障。

4.3 為邊緣云業務提供專屬QoS保障

運營商充分發揮豐富的移網、固網接入網資源和本地化支撐服務的優勢，向第三方提供基于IaaS/PaaS層邊緣云資源和多業務接入網資源的云網一體化產品，實現邊緣云和接入網能力開放和變現。運營商可以允許第三方接入邊緣云的基礎設施進行應用開發，在邊緣云部署各類應用，比如云游戲，物聯網應用、高清視頻等內容，為用戶提供低時延、大帶寬的高品質服務。

通過將包含第三方熱點應用的內容部署在邊緣云，接入MSG-U。對于訪問已分發至邊緣云熱點內容的移動和固網業務請求，由邊緣云就近提供服務，減少了MSG-U以上層次網絡的帶寬占用。另外，對于某些應用（比如視頻監控、安全監控、大數據分析等）需要將大量的數據存儲在網絡邊緣，邊緣云的第三方應用可以做分析和預處理，將原始數據進行抽象、壓縮和緩存，再送往核心云，大大減少送往核心云的數據流量，節省傳輸網絡帶寬。

業務編排器可以通過移動網、城域網、IP RAN、寬帶接入網的QoS 保障，為邊緣云業務提供更高QoS 的服務，支持邊緣云個性化的業務需求。

4.4 提升業務配置效率

通過業務編排器實現全網各網元的QoS統一配置下發，大大減輕了逐臺設備手工配置的工作量，提高了業務響應和新產品上線速度，提高了網絡自動化運營水平，提升了業務支撐能力。

4.5 QoS保障能力開放

網絡QoS 保障能力向第三方開放，為網絡能力變現提供了條件，支持政企客戶和互聯網CP/SP 根據業務運行情況進行動態地QoS調度。業務編排器屏蔽底層通信網絡設備的差異化配置問題，向第三方應用提供標準和互聯網化的REST/JSON API 接口，由第三方根據業務需求動態調用QoS 保障能力，簡化了第三方的集成難度。滿足第三方動態調用移網、固網智能管道質量保障的需求，為各類應用所服務的用戶提供動態帶寬加速、QoS保障等服務。

5 結論

本文對互聯網+、SDN/NFV、MEC 邊緣云及業務編排器的發展趨勢進行分析，并對現有的QoS 質量保障方案進行分析，研究一種基于分層架構的端到端QoS保障系統與方法，通過省級業務編排器與全國業務編排器、省級/地（市）核心云、地（市）邊緣云、核心網、城域網、傳輸網、寬帶網對接，與互聯網SP/CP 應用平臺對接，提供API接口實現能力開放，實現全程全網端到端的QoS保障。