潘春华 刘寿强 吕国斌 林涛 墙芳躅
摘要：本文首先简介了城域网的主要技术体制要求，尤其是QoS的相关知识和技术，然后结合宽带城域网建设的实际，分几个方面详细介绍了宽带城域网QoS的设计与实现的具体思想及实现方案，具有理论和技术上的先进性，同时也有较好的可操作性和参考性。
关键词：服务质量 体制 信令 设计 实现
1 城域网主要技术体制要求
作为多种综合业务的传输平台，宽带城域网骨干节点设备应具有第三层（网络层）交换功能，支持标准的路由协议如：BGP4、OSPF、RIPV1、RIPV2、IS-IS；支持VLAN之间的路由；支持语音、视频等多媒体业务；支持标准IGMP（V1和V2）、PIM（SPARSEMODE和DENSEMODE）。并能提供多等级业务质量（QoS），具体包括网络拥塞能提供多等级业务质量（QoS），具体包括网络拥塞控制、流量整形、接入带宽控制、QoS路由和信令、策略管理等，以保证基于IP的多媒体业务网的可靠传输。下面重点论述QoS在城域网中的设计和实现。
2 QoS（服务质量）
QoS是指在通过不同技术包括帧中继、异步传输模式（ATM）、以太网和802.1网络、SDH/SONET中的一种或几种技术组成的IP路由网络中，为指定的网络数据流提供更好服务的能力。QoS的主要目标包括专用带宽、可控的抖动和时延（实时和交互式多媒体应用的需要），以及改进了的信息丢失特性。QoS技术提供了可用于未来园区网、城域网、广域网和服务提供商网络中业务应用的基本建造模块。
QoS的基本体系结构使用三种基本技术来实施：
*队列和流量整形的QoS；
*用于在网络元素间协调端到端的QoS信令技术；
*QoS政策、管理和记帐功能，可控制并管理网络中的端到端流量。
2.1队列和流量整形机制
（1）队列机制
（2）带宽管理
承诺访问速率（CAR）提供带宽管理的功能，当网络流量达到或超出规定时，可以实施流量管理策略。CAR流量的界限策略可以物理端口、MAC地址、IP地址、应用类型或其他策略为依据。CAR可用于输出、输入流量管理。
（3）拥塞避免机制
拥塞避免技术通过监视网络流量负荷，可预测和避免公共网络瓶颈处发生的拥塞。这与在拥塞出现时对其进行管理的拥塞管理技术不同。避免拥塞的主要工具是加权随机早期检测（WRED）。随机早期检测（RED）算法可在网络出现拥塞问题之前，避免拥塞。RED在网络中各点监视流量负荷，如果拥塞开始增加，将采取随机的信息包丢弃措施。丢弃的结果是信息源将发现有流量丢失，从而降低其传输速率。RED主要是在IP互连网环境中与TCP共用。WRED是实现的技术。在早期文件中，它被简单地称为RED，改名为WRED是为了更好地反映其功能，WRED可以与QoS信令技术共用，WRED结合IP优先和RED算法的功能。这种结合可为较高优先级信息包提供优先流量处理。当接口开始出现拥塞时，它将有选择地丢弃较低优先级的流量，并为不同服务水平提供不同的性能特性。WRED也通过通晓RSVP，并能提供集成业务负载控制QoS服务。
2.2QoS信令控制机制
QoS信令是一种网络通信方式，它为终端或网络元素提供向相邻元素发出特定请求的方法。例如，IP网络可使用部分IP信息包报头来申请为优先流量或对时间敏感的流量提供特殊处理。QoS信令地协调流量处理技术上有簋大作用，并且在网络中成功进行端到端QoS服务的配置方面也扮演着关键角色。
在这里我们介绍两种QoS信令的协议：IP优先、RSVP。
2.2.1 IP优先为差别化QoS提供信令
IP优先使用IPv4报头TOS域中的3个优先们来为每个信息包指定服务水平。使用IP优先最多可将流量分成6个服务水平（其他两个为网络内部使用）。整个网络的排队技术可使用这种信令提供相应的快速处理。
基于策略的路由选择和CAR等特性可用来根据扩展访问列表分类来设置优先级。这将为优先级的分配带来可观的灵活性，这样就可根据应用或用户、目的地和源子网等来分配。一般来说，这种功能在尽可能靠近网络边缘（或管理域）外实施，这样，随后的每个网络元素就可根据定好的策略来提供服务。
IP优先也可设置在主机或网络客户机中，这种信令是可以选择使用的，然而，这种信令可被网络中的策略覆盖。IP优先可使用现有网络排队机制来实现服务水平，用户无需改变现有应用或复杂的网络要求。
多业务路在能够提供多等级的QoS数据服务质量，因此采用的路由器均采用多种手段以保证不同等级的用户、不同级别的多媒体业务有效地传输，其中服务质量控制技术主要有：
*Prioirty Queue;
*Custom Queue;
*Weighted Fair Queue;
*Weighted Randon Early Discard；
*RSVP
*CAR
*IP Precedence。
由于高端路由器在硬件设计上支持多个业务级别，因此保证了在标准组织制定新业务级别后，无需硬件升级。
2.2.2资源预留的传输控制协议（RSVP）
由于传统无状态的分组交换网络仅提供尽力而为的IP分组转发能力，因此在网络层与运输层之间插入新的资源预留（包括网络带宽分组缓存和计算能力等）协议是很有必要的。RSVP是基于接收方的资源预留协议，发送方首先发出的PATH信息，经过下层路由协议多点投递到每个可能的接收方，接收方根据各自对于服务质量的需求，确定它们各自的需求和资源预留能力，从而给出RESV信息，通过PATH信息路径反向回送到发送方，每个经过的路由器都将进行接纳控制和资源预留，如果失败则通知接收方，否则将资源预留请求递交给前一个路由器，为使接收方能够在路由器可接收的范围内给出预留请求，PATH信息将携带发送方支持的通信需求，PATH信息分组路由器可能会修改PATH分组有关可用资源的描述以通告接收方。RSVP协议在一定程度上对保证业务质量起了很大作用，由源端进程发出路由信息，各RSVP路由器把路由命令以接力方式发送到宿端相应进程，各路由器均下路由信息，然后由宿端反向地发送预留带宽信息，如果沿这条线路中各路由器均能发出可预留带宽的信息，则可保证建立相应带宽的线路，直到通信完成时才撤除；如果某路由器不能预留带宽，则该线路就无法建立流量工程能力（RSVP是支持MPLS流量工程的主要协议）。通过资源预留不仅能提高网络质量和市场份额，增加利润，而且能使ISP为用户提供更多更有效的服务。
3 宽带城域网QoS的设计和实现
3.1核心层网络
在宽带城域网核心层网络中，由核心节点组成IP骨干网的核心关键部分，而采用环型结构连接各骨干节点，形成宽带城域网核心传输骨干。因此该核心节点的网络设备要求具有很高的数据传输能力和非常高的交换容量，而且具备相当高的可靠性。因此，我们采用DWDM路由器作为整个骨干网的核心设备。DWDM的技术与其高速线速IP转发结合可实时传送MPEG-2视频、G.729的语音与数据。资源预留协议（RSVP）优先映射亦可使用，以确保及时提供时间敏感的Intranet应用。基于如此高速的背板交换和有效的QoS，可实现IP及其他数据的线速的传输，实现IP语音、视频实时传输，为数据、语音及视频用户的大量接入提供了可靠的传输平台。
宽带城域网核心层形成一个环状拓扑，作为整个网络的枢纽。在此，我们采用了DWDM路由器配备相应的模块，它可提供带保护的32×2.5Gbit/s端口，利用双光纤连接相邻核心节点，在广域网拓扑上形成两个反向环。采用DWDM技术构成物理传输通道，这两条链路之间可以起到线路的负载均衡、链路冗余。此外，在每个核心节点路由器（GSR12012）上配置3GE-GBIC-SC模块，利用吉比特以太网连接汇结层设备。
3.2汇聚层网络
在宽还城域网中，除了核心节点利用DWDM环连接，构成网络的传输的骨干通道之外，还存在更多个汇聚层节点，分别采用高速传输链路与核心节点连接，提供各种网络访问的高速接入。根据需求为每个汇结层节点配置一台高端路由器交换机，该路由器具有大容量高速背板带宽，以及丰富的10/100/1000Mbit/s以太网端口，同时还可以提供POS等广域网传输链路连接能力，具有极为出色的性能。
宽带城域网汇聚层节点采用双吉比特链路连接至核心节点，形成汇结层与核心层的有效连接。在此，我们采用三层交换路由器，配备大容量背板，采用吉比特模块，利用双光纤连接相邻核心节点，在广域网拓扑上形成双链路连接，提供负载均衡、链路冗余；在目前配置情况下，设备具有大量的扩充插槽，可以根据需求扩展不同的模块。由于该设备具有很强的处理能力，还能够根据用户的不同用户级别、不同业务类型提供QoS服务。
（未完待续）
摘自《中国数据通信》2002.9
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