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在家庭IP網路中提供QoS的設計考慮及解決方法

上網時間: 2005年06月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:家庭IP網路  QoS  基於優先級  服務品質  CableHome QoS 

本文提出了在家庭網路環境中提供服務品質(QoS)保障的設計考慮因素,透過對實際的媒體接入考慮、佇列和轉發控制機制以及QoS特性管理的分析,認為基於優先級的媒體接入和封包轉發是在基於封包家庭網路中數據行動時保證QoS的最佳方法

家庭網路相比於企業或者服務供應商基礎架構內部網路具有很大的區別。同樣地,在家庭網路中保證QoS要求的處理也不相同。企業基礎架構或寬頻接入基礎架構網路一般利用專業管理設備以及工程有線設備,這些設備採用了能提供?定頻寬的技術。相反,家庭網路連接採用各種現有的有線技術或非工程配置的無線接入點,它們採用了具有不同頻寬的技術。沒有多少經驗或網路管理知識的家庭網路用戶通常不希望主動地去管理他們的網路,家庭中的應用趨向於那些具有不同頻寬和封包特性的多媒體密集型應用。

一旦像家庭網路環境的這些特性被確定,就可以開始評估提供適當QoS方案的技術。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):網路上的每個設備如何接入共享媒體?

封包轉發:在家庭網路閘道、路由器或者網路橋接器內部如何轉發數據封包?

QoS特性:家庭網路設備的用戶、電信業者和應用程式如何管理期望的QoS特性?

為在家庭網路中提供QoS,設備上的網路介面必須執行兩個基本功能:媒體接入和封包轉發。QoS媒體接入是確定什麼時候將封包從設備發送到網路上,以便不妨礙另外一個設備適時的媒體封包傳輸。特別的,規則要求指出可接受時間,每個設備上的網路介面可能在這樣的假設下發送數據:多個設備將在幾乎相同的時間發送數據。

QoS封包轉發是根據提供QoS的規則集發送來自單個設備內一個或多個網路介面的數據封包的過程。一般地,住宅網路閘道是家庭網路中這個具有多個網路介面的單個設備,在多種網路技術之間轉發必須需要一些規則。可以以兩種不同範例之一來實現兩種基本的QoS功能:分為優先級的QoS或者參數化(預定的)QoS。優先級範例是針對共享媒體技術和區分的媒體接入。在這種方法下,當數據封包進入到網路就被打上標記,這些標記由在像住宅網路閘道這樣的設備處的區分轉發/佇列引擎授予。

參數化範例(parameterized paradigm)是針對共享媒體技術以及規劃的媒體接入機會。在這種方法中,所有的設備和應用必須請求特定量的時間來發送它們的數據,規劃的媒體轉發根據串流狀態執行,在每一次跳頻(hop)時發送訊號。

在下面的討論中,我們將展示為什麼基於優先級的媒體接入方案非常適合於家庭網路。我們將從展示如何應用封包轉發來保證不同家庭網路技術之間的QoS來開始這個討論;然後,我們將討論一個系統對家庭網路中所有的設備怎樣進行優先級分配和管理;最後的討論圍繞基於QoS方案設計的CableHome QoS和UPnP QoS架構,這些架構以一個完整系統的形式實現了家庭內部媒體接入、封包轉發和特性管理。註:本文假設在家庭內的網路部份是基於IP的,數據和內容是透過基於IP的接入網路發送到家庭,基於IP的家庭內部網路允許底層網路部份對應用透明。

實際的媒體接入考慮

今天的家庭網路採用了三種技術:10/100baseT乙太網路、IEEE 802.11g/b/a(Wi-Fi)和HomePNA。在將來,像HomePlug這樣的其他技術可能變得流行。

很多人會根據有線和無線來對這些技術進行劃分,但對於QoS來說更好的分類應該是共享媒體相對於點對點。交換式10/100BaseT乙太網路是一種點對點的技術,本質上,每段媒體上只有一個設備。所有其他技術為共享媒體技術,在這些方法中,多個設備共享一個媒體段,需要一些機制來控制設備如何在媒體上發送資訊。

圖1:三個QoS設計考量
:媒體接入、封包轉發和QoS特性。

家庭中的絕大多數集線器不支援參數化或IEEE 802.1p/q優先級方案,而且不可升級來實現這些功能支援。然而,當在家庭網路上增加像CableHome這樣的業務時,現有的集線器將可能為整合到住宅網路閘道內的交換機所替代。

對交換式乙太網路(Switched Ethernet)而言,不同的媒體接入並沒有多大的意義,因為數據串流是點對點的,在這樣的鏈路上實際不會有競爭。很多住宅網路閘道內置有四或五埠乙太網路交換機,因此對於每個乙太網路埠來說不太會有QoS問題。100BaseT頻寬足夠解決大多數家庭網路的頻寬和時延要求,尤其是當專用在點對點鏈路上。這樣,為了QoS媒體接入目的,家庭中的乙太網路可以考慮點對點的技術,與共享媒體技術分別處理。

所有其他標準的共享媒體技術,例如802.11 b/g/a、HomePNA以及HomePlug具有或即將具有對基於優先級的QoS方案的一些支援。總之,這些基於優先級的媒體接入技術是根據優先級來控制哪個設備先接入媒體。那些具有最高優先級數據串流的設備允許優先發送,然後根據可用的頻寬,那些低優先級數據串流的設備再獲得機會在媒體上發送它們的數據。一般優先級方案不能嚴格控制最高優先級數據串流佔用的頻寬。

參數化QoS依賴於這樣的假設:底層的實體層/媒體接入控制(PHY/MAC)技術能提供非常穩定的頻寬和最小的抖動。對於乙太網路或Docsis這樣的網路技術來說,這個假設是可接受的,但是對於像無線區域網、電話線和電力線這樣的家庭網路技術來說是不恰當的,因為這種網路的吞吐量和抖動會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作業大不相同的情況。此外,除了音頻或者視頻(AV)以外,絕大多數的應用沒有QoS考慮。因此,家庭網路首選基於優先級的媒體接入。

可行性

如果要求QoS的新業務被加入到家庭網路中,新的設備必須包含必要的QoS訊號功能。在安裝這樣的設備之前,假定具有QoS功能的由服務供應商管理的住宅網路閘道已經存在。這個住宅網路閘道可能支援那些沒有可管理QoS功能的已有PC以及網際網路設備。

通常,對已有主機的改變,無論是軟體或者是硬體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。

分優先級的媒體接入可以覆蓋在現有的共享媒體家庭網路上。儘管上面提到的不同家庭網路技術具有設置優先級的方法,但總體上沒有一個實體來設置優先級。使用那些技術的數據串流趨向於盡力而為的傳送。因此,當QoS被加入到住宅網路閘道,來自住宅網路閘道的數據串流可以被分優先級。

圖2:有線QoS的組成單元示例(摘自ITU-T J.190)。

同樣,符合QoS規範的網路用戶設備可以使用分優先級的媒體接入,不符合的設備將繼續使用盡力而為的優先級。這樣一來,對於家庭網路中既有支援QoS的設備又有不支援QoS的設備的情況,可以透過在共享介面上設置優先級來實現QoS,並只在住宅網路閘道的交換式乙太網路介面上發送適當的數據串流。

疊加於傳統Wi-Fi網路的分優先級QoS系統的一個實例是基於IEEE 802.11e草案EDCA部份的WiFi Wireless Multimedia Enhancements(無線多媒體增強,WME)。對於高優先級的數據串流,WME縮短接入參數以便數據封包在傳統設備發送數據串流之前發送,WME還能成長接入參數,以允許具有比傳統數據串流優先級低的背景類數據串流(background class of traffic)。

然而,參數化的媒體接入不能疊加在傳統網路上,因為傳統設備不能防止在中央控制器分配給符合QoS規範的(新的)設備的時間內發送數據。傳統設備不能在共享網路上對參數、預留位元和頻寬管理器作業。

佇列和封包轉發

在如住宅網路閘道這樣的具有多個網路介面的任何設備中,需要一種機制來對從多個埠接收到並將通過單個介面再發送的封包進行控制。這種控制過程稱為轉發優先級或者佇列。

有幾種途徑來實現基於優先級的封包轉發機制。如果接收數據封包的介面包含一個第二層(L2)或第三層(L3)的優先機制,並且如果在不同介面上的優先級具有全局相關性(global relevance),那麼這些數據封包可能僅僅根據它們的相對優先級進行佇列發送。

L3機制需要將封包進行標注/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上的標誌(indicator)來進行佇列決策。

802.1p的再生特性提供了檢查封包內容以及標記封包在下一個轉發器上的優先級的能力。然而,即使住宅網路閘道接收的數據封包內容被檢查以確定它是否是高優先級,對於在WAN(DSL或纜線modem)傳輸或返回到LAN的數據封包進行標記處理並沒有多大的價值,因為住宅網路閘道僅須做出一個關於將其放入哪個佇列的內部決策。

如果接收器介面基於參數來實現QoS機制,佇列決策或許可以基於延遲或抖動參數來進行串流規劃。然而,如果數據封包的長度可能意味將接收一個潛在低延遲的數據封包,並必須在一個特定的發送機會發送的話,根據封包的長度來決定一個封包是否應該傳輸將可能問題重重。

由於QoS優先級封包轉發方法完全存在於住宅網路閘道內,可以被看成對現有的封包處理性能的一個很小的提升,透過軟體升級,這種新的QoS功能特性相對容易實現。幸運的是,這種方法還可以處理所有連接到介面上的傳統設備,因為QoS封包轉發在住宅網路閘道內部實現的。

QoS特性管理

上面我們討論了在家庭網路中和住宅網路閘道內分優先級的數據是如何行動的。但是,主機和應用如何確定什麼數據應該具有優先權?QoS特性管理功能透過執行下面兩個主要功能可以回答這個問題:

1. 設置基本的網路策略決定哪個應用得到哪個高優先級;

2. 在家庭網路設備之間溝通應用資訊和分配的QoS優先級。

家庭網路用戶保留對哪些應用應該獲得比其他應用更高優先級的決策權。例如,用戶可能希望串流媒體獲得比網路遊戲更高的優先權。如果住宅網路閘道由服務供應商提供,供應商可能建議默認優先級或者透過住宅網路閘道提供優先級管理。默認優先級在營運商服務區域內可能都是一致的,或者根據每個家庭進行定製,以解決對於某個家庭的不同服務的差異。

優先級策略可能採用標準的資訊,例如服務或者應用名稱。除了基於應用或服務的優先級定義,基於每個網路設備或者目的設備的更精細的控制也可能是值得期待的。

一旦優先級分配的策略確定後,這個策略必須為家庭網路上的所有符合QoS規範的設備共享。這樣一來,QoS特性管理的第二個功能就是提供管理頭端或QoS策略擁有者與住宅網路閘道,並進一步與主機對期望的QoS特性進行溝通。

除了住宅網路閘道上已有的管理介面,必須有一個允許營運商管理和修改默認QoS的管理介面庫(MIB)。住宅網路閘道也必須被告知不同主機上應用的存在。然後,QoS特性管理的媒體接入特性被住宅網路閘道透過一個指定的消息和協議傳遞到主機,這告知主機在其上執行的應用應該用哪個優先級。

在傳統PC上,分優先級的媒體接入可以利用已有的API由附加的軟體來實現。某些作業系統和網路堆疊允許應用發送優先級或參數訊號。例如,Windows最新版本包括了GQoS API,在這?應用可以透過Winsock2網路堆疊請求802.1p優先級或RSVP參數。其它的平台,例如使用vconfig的skb優先級的Linux核心2.4.14以及以上版本,具有能實現QoS的網路堆疊。利用那些實現了QoS的介面的兩個QoS特性管理系統是CableHome和UPnP QoS,將在下面介紹。

基於優先級的QoS系統的應用

在家庭網路上的媒體接入和封包佇列上考慮了以上問題的情況下,CableHome QoS架構規定了一個基於優先級的範例。這與基於參數的範例形成了鮮明的對比,基於參數的範例一般用作有線寬頻接入網路的QoS。因此,這種CableHome QoS架構的領域專注於在家庭內住宅網路閘道和網路設備之間提供QoS。總的網路目標變成:實現家庭網路應用以建立在CableHome主機和CableHome住宅網路閘道之間使用一致消息的分優先級數據傳輸。

為獲得這個目標,建立三個主要的設計指導方針來解決本文開始提出的三個設計考慮問題:

1. QoS媒體接入:CableHome QoS定義了針對CableHome住宅網路閘道和CableHome主機在共享媒體上採用優先級控制傳輸接入的機制。該機制提供了在家庭網路中到不同設備和應用的分優先級的媒體接入。

2. QoS轉發:CableHome住宅網路閘道支援一種佇列機制,該機制對從多個介面接收到的數據封包以及將透過每個介面再發送的數據封包進行分優先級。

3. QoS特性管理:CableHome QoS規定了在家庭網路內部的CableHome主機和CableHome住宅網路閘道之間進行QoS特性(優先級設置)通訊一種訊號發送和管理機制。這種機制在CableHome住宅網路閘道內匯集並管理。

採用一種邏輯架構而不是專門針對設備的架構來定義對符合QoS規範的設備的要求。CableHome QoS架構顯示在圖2中,由下面的實體組成:

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

CableHome住宅網路閘道(CRG)包含入口服務(portal services,PS)邏輯單元;

CableHome host(CH)包含邊界點(BP)邏輯單元;

CableHome QoS入口子單元(CQP);

CableHome QoS邊界點子單元(QBP)。

CQP用作符合QoS規範的應用的匯集器,其主要功能是在家庭網路內部實現基於優先級的QoS,它執行基於優先級的佇列/轉發以及產生自PS的數據串流的媒體接入,它還負責到家庭中不同設備的QoS參數通訊。在UPnP QoS架構中,這個功能稱為QoS管理器服務。

QBP子單元執行產生於BP的串流的基於優先級的媒體接入,它還負責對來自PS的QoS參數資訊接收。在UPnP QoS架構中,這個功能被稱為QoS設備服務(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提供QoS:

PS轉發:在CQP中的分優先級的佇列和封包轉發功能。

PS媒體接入:在CQP中的分優先級共享媒體接入功能。

QoS管理伺服器:該CQP功能負責為家庭網路內部不同設備和應用的QoS優先級參數儲存,還負責到這些設備和應用的這些參數通訊。

BP媒體接入:QBP中的分優先級共享媒體接入功能。

QoS管理客戶:該QBP功能在QoS管理伺服器的支援下,確定某個特定應用/設備需要使用的QoS參數。

CableHome QoS環境中,應用或者與BP相關的端點在使用UpnP中的協議的發現階段被QBP到CQP識別和通訊。那些應用的分優先級處理是透過營運商資料庫以及分配優先級的用戶來決定的。在UPnP QoS架構中,這個資料庫被稱為QoS策略擁有者服務(policy holder service)。那些針對應用的優先級始終用在由BP產生的IP數據封包,通過整個家庭內部網路中的PS。

標準化的消息很少在QBP和CQP之間就優先級分配資訊進行通訊。BP使用像WME這樣的區域L2分優先級媒體接入機制在共享媒體網路上發送封包。CQP實現對通過其介面的封包的分優先級佇列機制。那些標準化的消息可以透過利用UPnP QoS架構來增強。UPnP QoS允許那些支援QoS的消費電子設備相互發現對方,然後使用通常駐留在住宅網路閘道中的QoS策略保持者服務,在整個家庭網路和應用中統一分配優先級。

本文總結:

基於優先級的媒體接入和封包轉發方法推薦給那些期望QoS的家庭網路。這個建議是基於在傳統網路設備存在的情況下,在不同家庭網路技術上管理頻寬的可行性。家庭QoS和接入系統QoS的補充將提供一個能提供高品質、產生利潤的業務的低成本方法,這種方法不需要替換現有的家庭內部網路設備。

作者:Stephen Palm


Broadcom公司





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