多媒体业务服务质量相关问题的研究

曹蓟光 周永丽

　　摘要：给出了ＩＰ网络服务质量体系模型并对其进行了简单的介绍，在此基础上，对服务质量体系中与多媒体业务相关的主要问题进行了讨论，包括多媒体业务类型的划分、业务服务质量向网络服务质量的映射、网络服务质量指标的分配等，目的在于为了解基于ＩＰ网络的多媒体业务的服务质量研究现状、存在的问题与发展方向提供参考。

　　关键词：服务质量，多媒体业务， 业务类型

一、IP网络服务质量体系

　　ＩＰ 网络服务质量体系的建立是以用户可以感知的业务服务质量为出发点的，它涉及到网络的各个层面。首先，业务为用户提供的服务质量与支持业务的网络层的服务质量有密切关系，同时还与业务的处理逻辑以及业务自身对于服务质量的优化方式有关。同样，网络层所能提供的服务质量又与链路层所能提供的服务质量，以及网络层所采用的ＱｏＳ优化方式有关；链路层所能提供的服务质量又与底层所能提供的服务质量，以及链路层所采用的ＱｏＳ优化方式有关。因此ＩＰ 网络服务质量问题并不局限于网络层，它涉及到ＩＰ网络的各个层面。

　　具体地讲，按照基于ＴＣＰ／ＩＰ协议的ＱｏＳ模型，一项业务的服务质量的主要部分包括应用ＱｏＳ、应用层ＱｏＳ优化策略、网络ＱｏＳ、网络层ＱｏＳ优化策略、Ｌ２ ＱｏＳ、链路层ＱｏＳ优化策略和底层ＱｏＳ等。

　　１．应用ＱｏＳ

　　应用ＱｏＳ实际上就是应用层ＱｏＳ，是指应用层能为用户提供的具体业务的服务质量。其研究内容主要包括：业务类型的划分、不同业务类型的ＱｏＳ需求分析、业务相关的ＱｏＳ参数的确定、ＱｏＳ参数的测量方法、ＱｏＳ参数对应的评测指标的确定等。

　　对于应用ＱｏＳ的研究在ＩＥＴＦ中并没有受到足够的重视，其原因是ＩＥＴＦ通常只关注网络层的ＱｏＳ（主要是ＩＰ层的ＱｏＳ）及其相关内容（但是与ＩＥＴＦ有密切关系的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ２已经开始关注应用ＱｏＳ的问题，设立了名为“应用质量测量”的研究项目，并且已经提交了研究报告的初稿）。作为电信研究领域的标准化组织ＩＴＵ和ＥＴＳＩ对应用层ＱｏＳ的研究比较重视，对于电信网的传统业务——ＴＤＭ电话的服务质量的研究取得了很大的成绩，并且在实际应用中获得了成功。但是，随着ＩＰ技术在电信网络中应用范围的不断扩展，尤其是基于ＩＰ的多业务的开展，对应用层ＱｏＳ的研究提出了新的课题。

　　２． 应用层ＱｏＳ优化策略

　　应用层ＱｏＳ优化策略在逻辑上实现了网络层ＱｏＳ向应用层ＱｏＳ的转化。它包括的内容较多，不同种类的业务所涉及的内容也就不同。概括起来讲，应用层ＱｏＳ优化策略的研究与具体业务类型、业务特性、业务逻辑、业务运维模式均有较大关系，对具体问题需要具体分析。这一研究方向在未来几年将依然是研究的热点。

　　３．网络ＱｏＳ

　　关于网络ＱｏＳ的研究一直是ＩＥＴＦ的研究重点，并且取得了较多的成果，其中相当一部分已经成功地应用到网络运营的实践中。但是，依然有一些问题没有得到圆满的解决，随着ＩＰ技术研究的不断深入以及ＩＰ网络应用范围的逐步拓宽，这些问题对于ＩＰ网络发展的制约也越来越突出地表现出来。

　　网络ＱｏＳ（不含网络层ＱｏＳ优化处理策略部分）的主要研究课题包括：

　　·网络ＱｏＳ性能指标分配方法（网络模型、网络ＱｏＳ性能指标的端到端分解准则）；

　　·网络ＱｏＳ等级的划分；

　　·网络ＱｏＳ性能参数的定义（包括设备ＱｏＳ性能参数与网络ＱｏＳ性能参数）；

　　·网络ＱｏＳ性能参数的测量方法（包括设备ＱｏＳ性能参数与网络ＱｏＳ性能参数）；

　　·网络ＱｏＳ性能参数所对应指标的确定（包括设备ＱｏＳ性能参数与网络ＱｏＳ性能参数）；

　　另外，关于网络层服务水平协议（ＳＬＡ）的ＱｏＳ相关内容的制订也与网络ＱｏＳ有较大的关联。

　　４．网络层ＱｏＳ优化策略

　　网络层ＱｏＳ优化策略一直是ＩＥＴＦ和ＩＴＵ的研究重点，也是研究难点，目前对这个问题存在多种解决方法，但没有一种方法同时具有绝对的技术优势和工程实现优势，就现在的研究情况来看，这种状态将会长期保持。归结起来目前存在的网络层ＱｏＳ保证策略包括：

　　·尽力而为；

　　·基于规划的粗放式管理机制；

　　·基于ＤｉｆｆＳｅｒｖ的开环ＱｏＳ控制机制；

　　·基于ＤｉｆｆＳｅｒｖ的闭环ＱｏＳ控制机制；

　　·基于信令的闭环ＱｏＳ控制机制。

　　在相当长一段时间内，网络层ＱｏＳ优化策略的研究是Ｉｎｔｅｒｎｅｔ研究领域和电信网研究领域的共同热点。

　　５．链路层ＱｏＳ

　　由于ＩＰ网络的链路层可以采用多种技术来实现，即ＴＣＰ／ＩＰ模型并未规定链路层必须采用哪种技术，目前可用的技术主要有以太网、ＡＴＭ、帧中继等。因此，链路层ＱｏＳ与所采用的具体技术有关，有着较大的差异性，但也存在一些共性的问题，这些共性问题就是链路层ＱｏＳ的主要研究内容，包括：

　　·数据链路层（以太网、ＡＴＭ、帧中继等）相关的ＱｏＳ参数的定义；

　　·链路层ＱｏＳ参数测量方法的研究；

　　·链路层ＱｏＳ参数所对应评测指标的确定。

　　其中，对于采用ＡＴＭ、帧中继的链路层ＱｏＳ问题研究得比较充分，并且均有相关的ＩＴＵ建议可以参照，而对于采用以太网的链路层ＱｏＳ的研究则依然有许多问题没有解决。

　　６． 链路层ＱｏＳ优化策略

　　目前可以利用的链路层ＱｏＳ优化策略包括下面所列五种。

　　（１）ＩＥＥＥ ８０２．１ｐ

　　在ＩＥＥＥ ８０２．１ｐ的帧头中有３个服务类别（ＣｏＳ）比特，用来表示八类服务。

　　（２）ＡＴＭ 技术

　　ＡＴＭ可以分别指定固定比特率（ＣＢＲ）、实时可变比特率（ｒｔ－ＶＢＲ）、非实时可变比特率（ｎｒｔ－ＶＢＲ）、未规定比特率（ＵＢＲ）来支持不同的业务。

　　（３）帧中继

　　在帧中继的帧格式中没有表示业务优先级的字段，也就是说帧中继协议本身不区分数据链路连接的优先级。但是通常设备制造商会在设备中为不同的数据链路连接标识符（ＤＬＣＩ）指定不同的重要程度（优先级）。

　　在帧中继中有丢失许可（ＤＥ）比特，用来表明当网络发生拥塞时是否丢弃此帧：“１”表示丢弃；“０”表示不可丢弃。

　　（４）ＰＰＰ的多类别扩展

　　最早的多链路点到点协议（ＭＬ－ＰＰＰ）不支持ＣｏＳ，但是在ＲＦＣ ２６８６中对其包头进行了扩展。可以支持４个或１６个优先级，可以分别对应不同类型的业务。

　　（５）ＭＰＬＳ 的 Ｅ－ＬＳＰ

　　ＭＰＬＳ中的基于试验用字段的标签交换路径（Ｅ－ＬＳＰ）利用试验用字段中的３个比特来表示８个优先级，可以分别对应不同类型的业务。

　　７．底层ＱｏＳ

　　电信级ＩＰ运营网络的底层通常是指传输网络。按照传输网络的时钟特性来分，包括同步传输网络、准同步传输网络和异步传输网络。其中，同步传输网络主要指ＳＤＨ／ＳＯＮＥＴ，准同步传输网络是指ＰＤＨ网络，而异步传输网络主要是指基于以太网技术的传输网络等。关于这些技术的研究成果在ＩＴＵ已形成相关的建议。其中，准同步传输网络可以说已不是技术主流；以ＳＤＨ技术为代表的同步传输网络经过十多年的发展已经基本成熟，现已形成相对完善的ＳＤＨ系列技术标准，并在传输网络的组网实践中取得巨大成功。但是，对同步传输网的研究并没有停止，就目前来看主要朝下列三个方向发展。

　　（１）向高带宽、高速率发展。比如，４０ Ｇｂｉｔ／ｓ ＳＤＨ的国际标准已经形成，国内的相关行业标准也正在制订之中。

　　（２）向低端接入网络发展。经过改造的简化ＳＤＨ 已经在一些网络环境中应用，它通过简化ＳＤＨ协议栈，采用单纤组网，降低了技术复杂度和实现成本。因此，它有一定的应用空间，只是尚缺乏统一的技术标准。

　　（３）向纵深发展。在ＳＤＨ中集成了以太网的部分功能（以太网透传、二层交换）、ＡＴＭ的部分功能（信元透传、虚电路的交叉连接功能）等。

　　总之，ＩＰ网络服务质量体系的体系结构中应该包括的内容归纳起来可以形成表１。

表1 IP网络服务质量体系的主要内容

系统组成

主要研究内容

备注

应用QoS

业务类型的划分、不同业务类型的QoS需求分析、业务相关的QoS参数的确定、QoS参数的测量方法、QoS参数对应的指标的确定等

SLA的测试点，也是考核整个IP网络的出发点

应用层QoS优化策略

数据平面：数据处理（算法）、优化策略、资源利用等

管理平面：用户管理、资源管理、监测与故障管理、SLA管理等，端到端QoS指标的分解

控制平面：与业务相关的各种协议、信令等

逻辑上实现了网络层QoS向应用层QoS的转化（具体转发方法的研究）

网络QoS

IP网络QoS等级的划分、相关的QoS参数（针对设备、针对网络）的确定、QoS参数（针对设备、针对网络）的测量方法、QoS参数对应的指标的确定、网络端到端的QoS指标的分解等

SLA测试点（包括针对设备的QoS与针对网络的QoS）

网络层QoS优化策略

数据平面：数据处理（队列管理、封装/解封装）与数据包转发、优先级处理（区分服务）、其他与QoS相关的优化处理策略等

管理平面：用户管理、资源管理、故障管理、SLA管理、业务区分与标识、业务逻辑承载网络的划分与管理、多个异构网相连时不同QoS机制的协同工作方式等

控制平面：QoS信令、接纳控制、资源预留、QoS路由等

逻辑上实现了数据链路层QoS向网络层QoS的转化（具体转发方法的研究——利用低层QoS的实现机理保证上层QoS）

L2

QoS

与数据链路层（以太网、ATM、帧中继等）相关的QoS参数的定义、QoS参数测量方法的研究、QoS参数所对应评测指标的确定等

SLA测试点

数据链路层QoS优化策略

数据平面：与具体链路层技术相关的数据处理功能，如数据封装/解封装、数据转发等等

管理平面：与具体链路层技术相关的管理功能

控制平面：与具体链路层技术相关的控制功能

逻辑上实现了底层QoS向数据链路层QoS的转化

底层QoS

通常指传输网的QoS，如SDH、WDM等的服务质量

与传输网络相关的QoS参数

　　从上述分析中可以看出，在多媒体业务服务质量的研究中，有许多问题需要进一步探讨，其中一些问题的研究结果对于此领域其他问题的解决具有一定的支持作用，属于多媒体业务服务质量研究中的基本问题，比如从应用层ＱｏＳ的角度如何对多媒体业务类型进行划分、从网络层面如何对ＩＰ ＱｏＳ进行分类、对这些不同的ＩＰ ＱｏＳ性能要求如何按照合理的ＩＰ网络端到端模型进行逐段分解等，都是有较大研究空间和重要研究价值的问题。下文将对这些问题分别进行讨论。

二、业务类型的划分

　　业务类型的划分与多业务规划、应用ＱｏＳ需求分析（业务流聚合）、业务逻辑结构组织等诸多问题的研究有密切的联系。目前，ＩＴＵ Ｆ．７００中基于业务流的流转方向将业务划分为会议业务（ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｓｅｒｖｉｃｅ）、 谈话业务（ｃｏｎｖｅｒｓａｔｉｏｎ ｓｅｒｖｉｃｅ）、分发业务（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｅｒｖｉｃｅ）、 检索业务（ｒｅｔｒｉｅｖａｌ ｓｅｒｖｉｃｅ）、采集业务（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｓｅｒｖｉｃｅ）和消息业务（ｍｅｓｓａｇｅ ｓｅｒｖｉｃｅ）六类。这种业务分类方法对于业务实施有很大帮助，但是对于ＱｏＳ分析则没有直接的指导意义。实际上，业务类型划分可以有多种依据，比如：实时与非实时、交互与响应、音频／视频／数据、重要与非重要、宽带与窄带、传统与多媒体等。

　　综合上述多种因素，并面向ＱｏＳ分析，这里提出一种业务类型划分方法，将各种业务划分为：

　　·网络控制（重要告警、心跳命令、计费信息、路由更新等）；

　　·实时交互（ＩＰ电话、视频会议、交互游戏、实时监控）；

　　·实时非交互（ＶＯＤ、广播、ＭＰ３播放、电子商务）；

　　·尽力而为（Ｅ－ｍａｉｌ、语音邮件、远程网络登录（Ｔｅｌｎｅｔ）、ＦＴＰ、ＷＷＷ、非重要ＯＡＭ信息）等。

　　这种划分方法实际上是对多种业务进行了面向ＱｏＳ需求的聚合，便于ＩＰ逻辑承载网络的规划、设计，尤其是ＱｏＳ优化策略的实施。

三、IP QoS类别的划分

　　对ＩＰ层ＱｏＳ进行分类的目的是使网络可以根据不同类型的应用层ＱｏＳ进行资源管理和分配，例如，给实时服务分配较大的带宽和较多的ＣＰＵ处理时间等。另一方面，在网络层面对ＩＰ ＱｏＳ进行分类定义也方便用户根据不同的应用向网络层提出不同的ＱｏＳ要求。

　　（１） ＩＴＵ对ＩＰ ＱｏＳ的分类

　　在ＩＴＵ Ｙ．１５４１中定义了６种ＩＰ ＱｏＳ等级，具体如表２所示。

表2 Y.1541规定的IP QoS等级

网络性能参数

参数描述

等级0

等级1

等级2

等级3

等级4

等级5

IPTD

平均时延的上限

100ms

400ms

100ms

400ms

1s

未规定

IPDV

最大时延与最小时延的差

50ms

50ms

未规定

IPLR

最大丢包率

1×10-3

1×10-3

1×10-3

1×10-3

1×10-3

IPER

最大错包率

1×10-4

　　（２） 不同业务所对应的ＩＰ ＱｏＳ类别

　　根据前面对业务的应用ＱｏＳ和网络ＱｏＳ的分析，可以给出如表３所示的映射关系。

表3 不同业务与Y.1541规定的IP QoS等级的映射关系

应用类别

应用实例

对应Y.1541类别

网络控制

网络的重要告警、心跳命令

等级2

计费信息、路由更新信息

实时交互

IP电话

等级0或等级1

会议电视、网上实时交互游戏

非实时交互

音频/视频点播（VOD/MP3广播）

等级3

电子商务、客户—服务器模型事务处理、Telnet

等级4

非实时非交互

电子邮件、文件传输

等级5

Web浏览、非重要消息

四、IP层QoS性能指标分配

　　上面给出了不同的多媒体业务类型与ＩＰ层ＱｏＳ的对应关系，下面一个问题很自然地要涉及到ＩＰ层的ＱｏＳ如何按照端到端的ＩＰ网络模型来分解。这种指标的分解对于ＩＰ网络的规划、设计、测试、评估，以及业务的开展均具有重要意义。

　　（１） ＩＰ网端到端参考模型

　　在ＩＴＵ的Ｍ．２３０１（原来的Ｍ．２３ＩＰ）中给出了如图１所示的ＩＰ网络层端到端参考模型。这个参考模型可以作为ＩＰ层ＱｏＳ性能指标分解的基础。

　　图１描述了一个典型的端到端ＩＰ业务流穿过网络的情况，它需要穿过一个包括多个ＩＰ操作域（ＩＰＯＤ）的ＩＰ网到达远端。

图1 网络层端到端网络模型

　　对这个模型需要说明的是：此模型是指ＩＰ层端到端的情况，因此其实际上定义了ＮＩ到ＮＩ之间的网络模型；在应用中要区别于应用层的端到端模型，后者定义的是ＵＩ到ＵＩ之间的网络模型。ＩＰＯＤ对应不同运营商的ＩＰ网络，每个ＩＰＯＤ中可以包括多个自治域（ＡＳ）。

　　（２）指标分解准则

　　根据ＩＰ流所经过的ＩＰＯＤ的数目的不同，以及端到端网络跨度长短的不同，Ｍ．２３０１提出了两种假定参考模型：

　　·一种假定参考模型由两段接入链路和８个ＩＰＯＤ组成，可以跨越的长度为２７ ５００ ｋｍ；

　　·另一种假定参考模型由两段接入链路和３个ＩＰＯＤ组成，可以跨越的长度为１０ ０００ ｋｍ。

　　后者通过限制ＩＰ流所经过的ＩＰＯＤ数目和其所跨越的长度，来支持更好的网络层ＱｏＳ性能。

　　①ＱｏＳ指标分配的基本准则

　　整个端到端性能指标的２／３分配给ＩＰＯＤ，１／３分配给连接链路。每个接入链路得到全部连接链路所分配指标的１７．５％（即整个端到端性能指标的５．８３％）。单个ＩＰＯＤ或两个相邻ＩＰＯＤ之间的连接链路的性能指标由所分配的端到端的性能指标导出。

　　②ＱｏＳ指标分配的具体准则

　　当参考模型中有８个ＩＰＯＤ时，

　　·一个ＩＰＯＤ的指标 ＝ 端到端指标×（２／３）×（１／８） （对于ＱｏＳ等级 １、３、４、５）。

　　·单个链路指标 ＝ 端到端指标 ×（１／３）×０．６５×（１／７） （对于ＱｏＳ等级１、３、４、５）。

　　当参考模型中有３个ＩＰＯＤ时，

　　·一个ＩＰＯＤ的指标 ＝ 端到端指标 ×（２／３） ×（１／３） （对于 ＱｏＳ等级 ０ 和等级 ２）。

　　·单个链路指标 ＝ 端到端指标 ×（１／３）×０．６５ ×（１／２） （对于ＱｏＳ 等级０ 和等级２）。

　　下面的性能指标为ＮＩ和接入网关（ＡＧ）之间的接入链路而规定。一段接入链路的性能指标由下面的公式给出：

　　·接入链路指标 ＝ 端到端指标 ×（１／３）×０．１７５

五、结语

　　本文给出了ＩＰ网络的服务质量体系模型，并在此模型的基础上，对基于ＩＰ网络的多媒体业务的服务质量相关问题进行了讨论，包括的主要内容有多媒体业务类型的划分、业务服务质量向网络服务质量的映射、网络服务质量指标的分配等。

　　目前，ＩＴＵ对于多媒体业务服务质量问题的研究已有很大的进展：对于不同业务应用ＱｏＳ的研究受到越来越多的关注；对网络层ＱｏＳ类型与指标给出了明确的定义；并且将这种网络层性能指标按照网络端到端模型进行了分解。按照本文提出的ＩＰ网络服务质量体系模型，下一阶段关于多媒体服务质量问题的研究主要集中在应用层ＱｏＳ优化处理逻辑上，而上述这些研究成果为多媒体业务的应用层ＱｏＳ优化处理逻辑的研究创造了条件。

　　首先，由于应用ＱｏＳ是用户直接感知结果的主观体现，与业务的具体实现方式无关，因此网络ＴＤＭ业务中的一些研究成果可以直接引入到多媒体的应用ＱｏＳ研究中来。最明显的例子是电话，对于用户来讲，不管是ＶｏＩＰ还是基于ＴＤＭ的电话，他们对话音质量的主观评价准则是一样的，因此原来关于ＴＭＤ电话的语音质量标准Ｇ．１１４中的一些结论可以引入到ＶｏＩＰ的应用ＱｏＳ研究中来（包括性能参数的定义、指标的确定、测量方法、评价准则等）。

　　其次，由于网络层ＱｏＳ类型与指标已经确定（Ｙ．１５４１），也就明确了多媒体业务的网络基础。

　　还有，由于网络质量指标按照网络端到端模型的分解策略已经确定，也就明确了多媒体业务处理实体之间的网络性能。这为进一步确定业务处理实体自身的性能要求创造了条件。

　　总之，ＩＴＵ关于ＱｏＳ的一些研究成果为多媒体业务服务质量的深入研究创造了条件，下一阶段可以根据不同业务的不同处理逻辑，来确定逻辑实体之间的性能要求以及物理实体自身（设备）的性能要求，从而为业务的规划与运维、设备的设计与研发提供理论指导。

摘自　泰尔网