在家庭IP網(wǎng)絡(luò )中提供QoS的設計考慮及解決方法

本文提出了在家庭網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中提供服務(wù)質(zhì)量(QoS)保障的設計考慮因素，通過(guò)對實(shí)際的媒體接入考慮、排隊和轉發(fā)控制機制以及QoS特性管理的分析，認為基于優(yōu)先級的媒體接入和包轉發(fā)是在基于分組家庭網(wǎng)絡(luò )中數據移動(dòng)時(shí)保證QoS的最佳方法。

家庭網(wǎng)絡(luò )相比于企業(yè)或者服務(wù)提供商基礎架構內部網(wǎng)絡(luò )具有很大的區別。同樣地，在家庭網(wǎng)絡(luò )中保證QoS要求的處理也不相同。企業(yè)基礎架構或寬帶接入基礎架構網(wǎng)絡(luò )一般利用專(zhuān)業(yè)管理設備以及工程有線(xiàn)設備，這些設備采用了能提供恒定帶寬的技術(shù)。相反，家庭網(wǎng)絡(luò )連接采用各種現有的有線(xiàn)技術(shù)或非工程配置的無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)，它們采用了具有不同帶寬的技術(shù)。沒(méi)有多少經(jīng)驗或網(wǎng)絡(luò )管理知識的家庭網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)通常不希望主動(dòng)地去管理他們的網(wǎng)絡(luò )，家庭中的應用趨向于那些具有不同帶寬和包特性的多媒體密集型應用。

一旦像家庭網(wǎng)絡(luò )環(huán)境的這些特性被確定，就可以開(kāi)始評估提供適當QoS方案的技術(shù)。最終的QoS系統應該注意以下的設計考慮(圖1)：

媒體接入(media access)：網(wǎng)絡(luò )上的每個(gè)設備如何接入共享媒體？

包轉發(fā)：在家庭網(wǎng)關(guān)、路由器或者網(wǎng)橋內部如何轉發(fā)數據包？

QoS特性：家庭網(wǎng)絡(luò )設備的用戶(hù)、操作者和應用程序如何管理期望的QoS特性？

為在家庭網(wǎng)絡(luò )中提供QoS，設備上的網(wǎng)絡(luò )接口必須執行兩個(gè)基本功能：媒體接入和包轉發(fā)。QoS媒體接入是確定什么時(shí)候將包從設備發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )上，以便不妨礙另外一個(gè)設備適時(shí)的媒體包傳輸。特別的，規則要求指出可接受時(shí)間，每個(gè)設備上的網(wǎng)絡(luò )接口可能在這樣的假設下發(fā)送數據：多個(gè)設備將在幾乎相同的時(shí)間發(fā)送數據。

QoS包轉發(fā)是根據提供QoS的規則集發(fā)送來(lái)自單個(gè)設備內一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò )接口的數據包的過(guò)程。一般地，住宅網(wǎng)關(guān)是家庭網(wǎng)絡(luò )中這個(gè)具有多個(gè)網(wǎng)絡(luò )接口的單個(gè)設備，在多種網(wǎng)絡(luò )技術(shù)之間轉發(fā)必須需要一些規則?？梢砸?xún)煞N不同范例之一來(lái)實(shí)現兩種基本的QoS功能：分優(yōu)先級的QoS或者參數化(預定的)QoS。分優(yōu)先級范例是針對共享媒體技術(shù)和區分的媒體接入。在這種方法下，當數據包進(jìn)入到網(wǎng)絡(luò )就被打上標記，這些標記由在像住宅網(wǎng)關(guān)這樣的設備處的區分轉發(fā)/排隊引擎授予。

參數化范例(parameterized paradigm)是針對共享媒體技術(shù)以及規劃的媒體接入機會(huì )。在這種方法中，所有的設備和應用必須請求特定量的時(shí)間來(lái)發(fā)送它們的數據，規劃的媒體轉發(fā)根據流狀態(tài)執行，在每一跳(hop)發(fā)送信令。

在下面的討論中，我們將展示為什么基于優(yōu)先級的媒體接入方案非常適合于家庭網(wǎng)絡(luò )。我們將從展示如何應用包轉發(fā)來(lái)保證不同家庭網(wǎng)絡(luò )技術(shù)之間的QoS來(lái)開(kāi)始這個(gè)討論；然后，我們將討論一個(gè)系統對家庭網(wǎng)絡(luò )中所有的設備怎樣進(jìn)行優(yōu)先級分配和管理；最后的討論圍繞基于QoS方案設計的CableHome QoS和UPnP QoS架構，這些架構以一個(gè)完整系統的形式實(shí)現了家庭內部媒體接入、包轉發(fā)和特性管理。注：本文假設在家庭內的網(wǎng)絡(luò )部分是基于IP的，數據和內容是通過(guò)基于IP的接入網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到家庭，基于IP的家庭內部網(wǎng)絡(luò )允許底層網(wǎng)絡(luò )部分對應用透明。

實(shí)際的媒體接入考慮

今天的家庭網(wǎng)絡(luò )采用了三種技術(shù)：10/100baseT以太網(wǎng)、IEEE 802.11g/b/a(Wi-Fi)和HomePNA。在將來(lái)，像HomePlug這樣的其他技術(shù)可能變得流行。

很多人會(huì )根據有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)來(lái)對這些技術(shù)進(jìn)行劃分，但對于QoS來(lái)說(shuō)更好的分類(lèi)應該是共享媒體相對于點(diǎn)對點(diǎn)。交換式10/100BaseT以太網(wǎng)是一種點(diǎn)對點(diǎn)的技術(shù)，本質(zhì)上，每段媒體上只有一個(gè)設備。所有其他技術(shù)為共享媒體技術(shù)，在這些方法中，多個(gè)設備共享一個(gè)媒體段，需要一些機制來(lái)控制設備如何在媒體上發(fā)送信息。

圖1：三個(gè)QoS設計考量： 媒體接入、包轉發(fā)和QoS特性。

家庭中的絕大多數集線(xiàn)器不支持參數化或IEEE 802.1p/q優(yōu)先級方案，而且不可升級來(lái)實(shí)現這些功能支持。然而，當在家庭網(wǎng)絡(luò )上增加像CableHome這樣的業(yè)務(wù)時(shí)，現有的集線(xiàn)器將可能為集成到住宅網(wǎng)關(guān)內的交換機所替代。

對交換式以太網(wǎng)(switched Ethernet)而言，不同的媒體接入并沒(méi)有多大的意義，因為數據流是點(diǎn)對點(diǎn)的，在這樣的鏈路上實(shí)際不會(huì )有競爭。很多住宅網(wǎng)關(guān)內置有四或五端口以太網(wǎng)交換機，因此對于每個(gè)以太網(wǎng)端口來(lái)說(shuō)不太會(huì )有QoS問(wèn)題。100BaseT帶寬足夠解決大多數家庭網(wǎng)絡(luò )的帶寬和延時(shí)要求，尤其是當專(zhuān)用在點(diǎn)對點(diǎn)鏈路上。這樣，為了QoS媒體接入目的，家庭中的以太網(wǎng)可以考慮點(diǎn)對點(diǎn)的技術(shù)，與共享媒體技術(shù)分別處理。

所有其他標準的共享媒體技術(shù)，例如802.11 b/g/a、HomePNA以及HomePlug具有或即將具有對基于優(yōu)先級的QoS方案的一些支持?？傊?，這些基于優(yōu)先級的媒體接入技術(shù)是根據優(yōu)先級來(lái)控制哪個(gè)設備先接入媒體。那些具有最高優(yōu)先級數據流的設備允許優(yōu)先發(fā)送，然后根據可用的帶寬，那些低優(yōu)先級數據流的設備再獲得機會(huì )在媒體上發(fā)送它們的數據。一般優(yōu)先級方案不能?chē)栏窨刂谱罡邇?yōu)先級數據流占用的帶寬。

參數化QoS依賴(lài)于這樣的假設：底層的物理層/媒體接入控制(PHY/MAC)技術(shù)能提供非常穩定的帶寬和最小的抖動(dòng)。對于以太網(wǎng)或Docsis這樣的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)來(lái)說(shuō)，這個(gè)假設是可接受的，但是對于像無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、電話(huà)線(xiàn)和電力線(xiàn)這樣的家庭網(wǎng)絡(luò )技術(shù)來(lái)說(shuō)是不恰當的，因為這種網(wǎng)絡(luò )的吞吐量和抖動(dòng)會(huì )受快速變化的干擾以及零星干擾嚴重影響。
為獲得對參數化保障的較高信心，必須對底層參數做出最保守的估計，保守的估計導致與一般的操作大不相同的情況。此外，除了音頻或者視頻(AV)以外，絕大多數的應用沒(méi)有QoS考慮。因此，家庭網(wǎng)絡(luò )首選基于優(yōu)先級的媒體接入。

可行性

如果要求QoS的新業(yè)務(wù)被加入到家庭網(wǎng)絡(luò )中，新的設備必須包含必要的QoS信令功能。在安裝這樣的設備之前，假定具有QoS功能的由服務(wù)提供商管理的住宅網(wǎng)關(guān)已經(jīng)存在。這個(gè)住宅網(wǎng)關(guān)可能支持那些沒(méi)有可管理QoS功能的已有PC以及互聯(lián)網(wǎng)設備。

通常，對已有主機的改變，無(wú)論是軟件或者是硬件改變可能都是不可行的。因此，家庭QoS方案必須在傳統設備存在的情況下可以工作。

分優(yōu)先級的媒體接入可以覆蓋在現有的共享媒體家庭網(wǎng)絡(luò )上。盡管上面提到的不同家庭網(wǎng)絡(luò )技術(shù)具有設置優(yōu)先級的方法，但總體上沒(méi)有一個(gè)實(shí)體來(lái)設置優(yōu)先級。使用那些技術(shù)的數據流趨向于盡力而為的傳送。因此，當QoS被加入到住宅網(wǎng)關(guān)，來(lái)自住宅網(wǎng)關(guān)的數據流可以被分優(yōu)先級。

同樣，符合QoS規范的網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)設備可以使用分優(yōu)先級的媒體接入，不符合的設備將繼續使用盡力而為的優(yōu)先級。這樣一來(lái)，對于家庭網(wǎng)絡(luò )中既有支持QoS的設備又有不支持QoS的設備的情況，可以通過(guò)在共享接口上設置優(yōu)先級來(lái)實(shí)現QoS，并只在住宅網(wǎng)關(guān)的交換式以太網(wǎng)接口上發(fā)送適當的數據流。

疊加于傳統Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )的分優(yōu)先級QoS系統的一個(gè)實(shí)例是基于IEEE 802.11e草案EDCA部分的WiFi Wireless Multimedia Enhancements(無(wú)線(xiàn)多媒體增強,WME)。對于高優(yōu)先級的數據流，WME縮短接入參數以便數據包在傳統設備發(fā)送數據流之前發(fā)送，WME還能增長(cháng)接入參數，以允許具有比傳統數據流優(yōu)先級低的背景類(lèi)數據流(background class of traffic)。

然而，參數化的媒體接入不能疊加在傳統網(wǎng)絡(luò )上，因為傳統設備不能防止在中央控制器分配給符合QoS規范的(新的)設備的時(shí)間內發(fā)送數據。傳統設備不能在共享網(wǎng)絡(luò )上對參數、預留位和帶寬管理器操作。

排隊和包轉發(fā)

在如住宅網(wǎng)關(guān)這樣的具有多個(gè)網(wǎng)絡(luò )接口的任何設備中，需要一種機制來(lái)對從多個(gè)端口接收到并將通過(guò)單個(gè)接口再發(fā)送的包進(jìn)行控制。這種控制過(guò)程稱(chēng)為轉發(fā)優(yōu)先級或者排隊。

有幾種途徑來(lái)實(shí)現基于優(yōu)先級的包轉發(fā)機制。如果接收數據包的接口包含一個(gè)第二層(L2)或第三層(L3)的優(yōu)先機制，并且如果在不同接口上的優(yōu)先級具有全局相關(guān)性(global relevance)，那么這些數據包可能僅僅根據它們的相對優(yōu)先級進(jìn)行排隊發(fā)送。

L3機制需要將包進(jìn)行標注/標記(marked/labeled)，標記必須映射到L2機制以提高在共享媒體上的優(yōu)先級。如果L2和L3上的不同標記被映射，可以根據L2或L3上的標志(indicator)來(lái)進(jìn)行排隊決策。

802.1p的再生特性提供了檢查包內容以及標記包在下一個(gè)轉發(fā)器上的優(yōu)先級的能力。然而，即使住宅網(wǎng)關(guān)接收的數據包內容被檢查以確定它是否是高優(yōu)先級，對于在WAN(DSL或有線(xiàn)modem)傳輸或返回到LAN的數據包進(jìn)行標記處理并沒(méi)有多大的價(jià)值，因為住宅網(wǎng)關(guān)僅僅必須做出一個(gè)關(guān)于將其放入哪個(gè)隊列的內部決策。

如果接收器接口基于參數來(lái)實(shí)現QoS機制，排隊決策或許可以基于延時(shí)或抖動(dòng)參數來(lái)進(jìn)行流規劃。然而，如果數據包的長(cháng)度可能意味將接收一個(gè)潛在低延時(shí)的數據包，并必須在一個(gè)特定的發(fā)送機會(huì )發(fā)送的話(huà)，根據包的長(cháng)度來(lái)決定一個(gè)包是否應該傳輸將可能問(wèn)題重重。

由于QoS優(yōu)先級包轉發(fā)方法完全存在于住宅網(wǎng)關(guān)內，可以被看成對現有的包處理性能的一個(gè)很小的提升，通過(guò)軟件升級，這種新的QoS功能特性相對容易實(shí)現。幸運的是，這種方法還可以處理所有連接到接口上的傳統設備，因為QoS包轉發(fā)在住宅網(wǎng)關(guān)內部實(shí)現的。

QoS特性管理

上面我們討論了在家庭網(wǎng)絡(luò )中和住宅網(wǎng)關(guān)內分優(yōu)先級的數據是如何移動(dòng)的。但是，主機和應用如何確定什么數據應該具有優(yōu)先權？QoS特性管理功能通過(guò)執行下面兩個(gè)主要功能可以回答這個(gè)問(wèn)題：

1. 設置基本的網(wǎng)絡(luò )策略決定哪個(gè)應用得到哪個(gè)高優(yōu)先級；
2. 在家庭網(wǎng)絡(luò )設備之間溝通應用信息和分配的QoS優(yōu)先級。

家庭網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)保留對哪些應用應該獲得比其他應用更高優(yōu)先級的決策權。例如，用戶(hù)可能希望流媒體獲得比網(wǎng)絡(luò )游戲更高的優(yōu)先權。如果住宅網(wǎng)關(guān)由服務(wù)提供商提供，提供商可能建議默認優(yōu)先級或者通過(guò)住宅網(wǎng)關(guān)提供優(yōu)先級管理。默認優(yōu)先級在運營(yíng)商服務(wù)區域內可能都是一致的，或者根據每個(gè)家庭進(jìn)行定制，以解決對于某個(gè)家庭的不同服務(wù)的差異。

優(yōu)先級策略可能采用標準的信息，例如服務(wù)或者應用名稱(chēng)。除了基于應用或服務(wù)的優(yōu)先級定義，基于每個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備或者目的設備的更精細的控制也可能是值得期待的。

圖2：有線(xiàn)QoS的組成單元 示例(摘自ITU-T J.190)。

一旦優(yōu)先級分配的策略確定后，這個(gè)策略必須為家庭網(wǎng)絡(luò )上的所有符合QoS規范的設備共享。這樣一來(lái)，QoS特性管理的第二個(gè)功能就是提供管理頭端或QoS策略擁有者與住宅網(wǎng)關(guān)，并進(jìn)一步與主機對期望的QoS特性進(jìn)行溝通。

除了住宅網(wǎng)關(guān)上已有的管理接口，必須有一個(gè)允許運營(yíng)商管理和修改默認QoS的管理接口庫(MIB)。住宅網(wǎng)關(guān)也必須被告知不同主機上應用的存在。然后，QoS特性管理的媒體接入特性被住宅網(wǎng)關(guān)通過(guò)一個(gè)指定的消息和協(xié)議傳遞到主機，這告知主機在其上運行的應用應該用哪個(gè)優(yōu)先級。

在傳統PC上，分優(yōu)先級的媒體接入可以利用已有的API由附加的軟件來(lái)實(shí)現。某些操作系統和網(wǎng)絡(luò )堆棧允許應用發(fā)送優(yōu)先級或參數信號。例如，Windows最新版本包括了GQoS API，在這里應用可以通過(guò)Winsock2網(wǎng)絡(luò )堆棧請求802.1p優(yōu)先級或RSVP參數。其它的平臺，例如使用vconfig的skb優(yōu)先級的Linux內核2.4.14以及以上版本，具有能實(shí)現QoS的網(wǎng)絡(luò )堆棧。利用那些實(shí)現了QoS的接口的兩個(gè)QoS特性管理系統是CableHome和UPnP QoS，將在下面介紹。

基于優(yōu)先級的QoS系統的應用

在家庭網(wǎng)絡(luò )上的媒體接入和包排隊上考慮了以上問(wèn)題的情況下，CableHome QoS架構規定了一個(gè)基于優(yōu)先級的范例。這與基于參數的范例形成了鮮明的對比，基于參數的范例一般用作有線(xiàn)寬帶接入網(wǎng)絡(luò )的QoS。因此，這種CableHome QoS架構的領(lǐng)域專(zhuān)注于在家庭內住宅網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò )設備之間提供QoS?？偟木W(wǎng)絡(luò )目標變成：實(shí)現家庭網(wǎng)絡(luò )應用以建立在CableHome主機和CableHome住宅網(wǎng)關(guān)之間使用一致消息的分優(yōu)先級數據傳輸。

為獲得這個(gè)目標，建立三個(gè)主要的設計指導方針來(lái)解決本文開(kāi)始提出的三個(gè)設計考慮問(wèn)題：

1. QoS媒體接入：CableHome QoS定義了針對CableHome住宅網(wǎng)關(guān)和CableHome主機在共享媒體上采用優(yōu)先級控制傳輸接入的機制。該機制提供了在家庭網(wǎng)絡(luò )中到不同設備和應用的分優(yōu)先級的媒體接入。
2. QoS轉發(fā)：CableHome住宅網(wǎng)關(guān)支持一種排隊機制，該機制對從多個(gè)接口接收到的數據包以及將通過(guò)每個(gè)接口再發(fā)送的數據包進(jìn)行分優(yōu)先級。
3. QoS特性管理：CableHome QoS規定了在家庭網(wǎng)絡(luò )內部的CableHome主機和CableHome住宅網(wǎng)關(guān)之間進(jìn)行QoS特性(優(yōu)先級設置)通信一種信號發(fā)送和管理機制。這種機制在CableHome住宅網(wǎng)關(guān)內匯集并管理。

采用一種邏輯架構而不是面向設備的架構來(lái)定義對符合QoS規范的設備的要求。CableHome QoS架構顯示在圖2中，由下面的實(shí)體組成：

包含CableHome QoS影響范圍的Q域。頭端設備管理CableHome QoS功能，但不在Q域內；

CableHome住宅網(wǎng)關(guān)(CRG)包含入口服務(wù)(portal services，PS)邏輯單元；

CableHome host(CH)包含邊界點(diǎn)(BP)邏輯單元；

CableHome QoS入口子單元(CQP)；

CableHome QoS邊界點(diǎn)子單元(QBP)。

CQP用作符合QoS規范的應用的匯集器，其主要功能是在家庭網(wǎng)絡(luò )內部實(shí)現基于優(yōu)先級的QoS，它執行基于優(yōu)先級的排隊/轉發(fā)以及產(chǎn)生自PS的數據流的媒體接入，它還負責到家庭中不同設備的QoS參數通信。在UPnP QoS架構中，這個(gè)功能稱(chēng)為QoS管理器服務(wù)。

QBP子單元執行產(chǎn)生于BP的流的基于優(yōu)先級的媒體接入，它還負責對來(lái)自PS的QoS參數信息接收。在UPnP QoS架構中，這個(gè)功能被稱(chēng)為QoS設備服務(wù)(QoS device service)。這些單元利用在ITU-T J.190和J.192 IPCable2Home或CableLab的CableHome架構中的以下功能來(lái)提供QoS：

PS轉發(fā)：在CQP中的分優(yōu)先級的排隊和包轉發(fā)功能。

PS媒體接入：在CQP中的分優(yōu)先級共享媒體接入功能。

QoS管理服務(wù)器：該CQP功能負責為家庭網(wǎng)絡(luò )內部不同設備和應用的QoS優(yōu)先級參數儲存，還負責到這些設備和應用的這些參數通信。

BP媒體接入：QBP中的分優(yōu)先級共享媒體接入功能。

QoS管理客戶(hù)：該QBP功能在QoS管理服務(wù)器的支持下，確定某個(gè)特定應用/設備需要使用的QoS參數。

在CableHome QoS環(huán)境中，應用或者與BP相關(guān)的端點(diǎn)在使用UpnP中的協(xié)議的發(fā)現階段被QBP到CQP識別和通信。那些應用的分優(yōu)先級處理是通過(guò)咨詢(xún)運營(yíng)商數據庫以及分配優(yōu)先級的用戶(hù)來(lái)決定的。在UPnP QoS架構中，這個(gè)數據庫被稱(chēng)為QoS策略擁有者服務(wù)(policy holder service)。那些針對應用的優(yōu)先級始終用在由BP產(chǎn)生的IP數據包，通過(guò)整個(gè)家庭內部網(wǎng)絡(luò )中的PS。

標準化的消息很少在QBP和CQP之間就優(yōu)先級分配信息進(jìn)行通信。BP使用像WME這樣的本地L2分優(yōu)先級媒體接入機制在共享媒體網(wǎng)絡(luò )上發(fā)送包。CQP實(shí)現對通過(guò)其接口的包的分優(yōu)先級排隊機制。那些標準化的消息可以通過(guò)利用UPnP QoS架構來(lái)增強。UPnP QoS允許那些支持QoS的消費電子設備相互發(fā)現對方，然后使用通常駐留在住宅網(wǎng)關(guān)中的QoS策略保持者服務(wù)，在整個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò )和應用中統一分配優(yōu)先級。

本文總結：

基于優(yōu)先級的媒體接入和包轉發(fā)方法推薦給那些期望QoS的家庭網(wǎng)絡(luò )。這個(gè)建議是基于在傳統網(wǎng)絡(luò )設備存在的情況下，在不同家庭網(wǎng)絡(luò )技術(shù)上管理帶寬的可行性。家庭QoS和接入系統QoS的補充將提供一個(gè)能提供高質(zhì)量、產(chǎn)生利潤的業(yè)務(wù)的低成本方法，這種方法不需要替換現有的家庭內部網(wǎng)絡(luò )設備。

作者：Stephen Palm Broadcom公司