1 引言
自从20世纪90年代互联网大规模进入商业应用，IP QoS就成为互联网研究的一个重要方面，业界对其中关键技术如接纳控制、整形和策略（shaping and policing）、信令和资源管理、排队和调度、拥塞控制和队列管理、QoS 路由等都有着深入的研究[1，2] 。但IP QoS在实际的工程领域推广应用并不普遍，大多数互联网运营商只是采取轻载(over-provisioning)设计来减轻对IP QoS的压力[3，4]。而关于QoS所研究的算法则越来越复杂，过于复杂的算法无助于实际网络设备的开发，很难得到应用，复杂的算法也不见得能够适应互联网应用的复杂环境[1,5,6]，同时无论是IntServ、DiffServ都需要在网络的终端或边缘处进行大量的流量分类和标识工作，给实际应用和终端的支持带来困难。从近年的三大会议(Sigcomm、Infocom和Globecom)发表的有关IP QoS的论文发现[6]，实际上业界对目前IP QoS的研究存在分歧和质疑。IP QoS的目标是什么？在IP网上能够达到传统电话网的QoS吗？用什么指标来衡量IP QoS？除了在流量算法方面的改进外，是否需要在网络设计和网络体系上寻找解决IP QoS问题的突破？因此有必要从新的视角重新审视IP QoS问题。我们发现如果将电话交换网比作铁路网，那么基于包交换的IP网络则可以看作公路网[7]，可以借鉴公路网的一些规划、运营和研究经验来分析IP QoS问题。如表1所示，我们将IP网和公路网、电话网、铁路网的基本属性进行了类比，发现在网络运行方式上，IP网络和公路网有许多相似之处，而且两者对外表现出来的一些现象颇为相似，如排队、拥塞等。以下从公路网的视角来分析什么是IP QoS。
表1 IP网和公路网、电话网、铁路网的特性比较
| 基本属性 |
IP 网 |
公路网 |
电话网(PSTN) |
铁路网 | |
| 交换单元 |
IP包 |
汽车 |
时隙 |
车厢 | |
| 单元属性 |
长度变化大，一个IP包就是一个基本单元 |
长度(速度)变化大，一个汽车就是一个基本单元 |
长度固定，由控制时隙加上数据时隙构成复合单元 |
长度基本固定，火车头加上车厢构成复合单元 | |
| 单元标识 |
IP地址 |
车牌 |
时隙编号 |
某一列车的第几个车厢 | |
| 复用方式 |
统计复用 |
统计复用 |
时分复用 |
某一时段，某一区间只有一列火车运行 | |
| 连接方式 |
无连接 |
无需连接 |
面向连接 |
面向连接 | |
| 寻址方式 |
根据报头IP地址和网络图寻址 |
司机根据地图寻址 |
根据信令和时隙编码进行寻址 |
根据通信信号和列车编组寻址 | |
| 交换节点 |
路由器 |
交叉路口 |
电话交换机 |
火车站/编组站 | |
| 接入方式 |
只有IP地址，随意接入 |
只要有牌照，随意接入 |
由运营部门认证接入，并且适配时隙 |
由运营部门认证接入，并且适配车厢 |
2 IP QoS问题溯源尽管对IP QoS研究有很多年了，但是业界对它仍然没有一个统一的定义[8，9]，从字面上理解为IP服务质量，一般可认为它是指IP分组或流通过网络时的性能，这种性能通过一系列可度量的参数来描述：带宽（bandwidth）、延迟(delay)、延迟抖动(delay variation)、丢包率(loss ratio)和出错率(error ratio)等[9，10]。随着对IP QoS研究的深入，对IP QoS定义的讨论也更为细致，例如参考文献[1]将用以上参数衡量的IP QoS分为三种形式：绝对的、统计的和时间平均的。通常多数研究总是希望IP网上能够提供传统电话网的QoS，特别是用以上参数严格衡量的端到端服务质量保证。
2.1 为什么需要IP QoS
互联网提供IP QoS的目标是什么？它满足什么样的需求呢？对于互联网的初期应用而言，初期计算机(终端)的能力较弱和人们对互联网的依赖性比较小，互联网的“尽力而为”服务能力是足够的。这与汽车发展初期对公路的要求比较类似，只要有基本连通性即可。
随着计算机能力提升和更多商业应用对互联网依赖性的增强，人们希望互联网能提供有别于“尽力而为”的服务能力。
对用户和终端应用来说，不仅希望互联网的整体服务质量可以持续改善，例如更高的带宽，同时也希望能在一定代价的情况下获得较高（或者明确）的服务质量承诺，特别对商业客户(应用)提供有保证的服务能力是非常必要的。
对IP网络研究者而言，更希望IP网一统天下(everything on IP)，IP网能够取代传统电话网，所以也希望IP网能够提供像传统电话网那样的QoS承诺，特别是随着路由器能力的加强和对TCP/IP研究的深入，提供严格的端到端服务保证能力似乎是理所当然的。
如果能以较低的代价实现电话网一样的QoS保证能力，IP网运营商(ISP)会非常欢迎，但是由于互联网的复杂性和IP应用的多样性，运营商很难提供可测量的、严格的IP QoS服务承诺，而转向更容易衡量和感知的服务水平协议(service level agreement，LSA),IP QoS手段也更多地是用于保证运营商与客户签订的SLA [11]。
因此，近期来看，IP QoS主要目标是改善用户的体验(quality of experience)、提供有一定保证的差异化服务能力、以及用以衡量和改善ISP的网络运营服务水平，保证向客户提供更好的SLA。
2.2 IP网能否提供像传统电话网那样的QoS
我们先看一下公路网的情况，在交通繁忙时间，除了警车开道等特殊情况外，很难像铁路那样从绝对意义上保证汽车出行所需的时间，特别是端到端的时间；而汽车的速度、舒适度等服务指标是跟汽车本身有很大关系。另一方面，道路有设计时速和等级，交叉道口有通行能力等设计指标，公路通过划分车道、红绿灯、警察、交通法规等手段保证通行能力尽可能达到设计水平。公路网提供了一种相对的、统计意义上的服务质量保障。
传统电话网（PSTN）提供一种严格的、有保证的服务质量能力，因此，人们往往也希望IP网能够提供像PSTN那样严格的QoS，IP网是否能够提供这种QoS保障呢？
为什么PSTN能够提供严格的QoS? 这是因为PSTN是针对语音这种单一业务来建设，网络的质量就是语音业务质量，可以说PSTN是以效率(时分复用)、复杂性(面向连接、电路交换)、接入控制(不易接入)、单一业务为代价换来的实际网络运行能力能够达到其设计能力。
IP报文采用了无连接、长度可变、最短路径寻址、统计复用、无接纳控制等技术。因此，IP网络有较高的效率、简单和易接入等优势，如果要求IP网络能够提供像PSTN那样的服务质量，那必将牺牲IP网现有的特点，从这一意义上说，IP网对所有业务都保证严格的QoS可能得不偿失。
正是IP网和电路网之间基本机理的不同，使得它们对QoS的要求、定义和提供手段是不相同的。IP网很难提供传统电话网那样的QoS保证。IP网络可能更多地需要像公路网那样提供适应自身应用(和客户)需要的服务质量保证。
2.3 什么是合适的IP QoS
尽管可以用带宽、丢包率、延迟、抖动等指标来衡量IP网络的服务质量，但是IP网络提供的QoS保证应该是一种相对差异化的、统计意义上的QoS能力[1，9]。QoS服务能力的获得是有代价的，因此不同的用户(应用)对QoS需求不同，并且大多数情况希望服务能力是在预期范围内的，满足使用体验的需要。因此，可以对IP网络有严格的设计能力要求，但是很难有严格的QoS服务承诺(实际上也难以准确测量IP QoS)。
除了使用具有一定可测量性的传统QoS指标外，还可以考虑采用新的指标来衡量IP QoS，例如服务可用性(service availability)。参考文献[11]定义服务可用性为SLA的一项指标，是指IP网络能成功转发IP报文到目的地的时间比例，一般可用于衡量ISP服务水平。参考文献[11]中主要针对网络故障的情况定义服务可用性指标，其实还可以考虑网络拥塞导致网络不可用的情况。
同时，我们认为IP QoS网络的服务能力是分层次，除了满足大多数用户良好体验的基本QoS能力和满足商业应用的差异化的QoS能力外，IP网络还需要提供最低QoS能力和紧急情况下的QoS能力。最低服务能力是指在最差情况下互联网能够提供的服务能力保证，最低服务能力可以用带宽、时延指标来衡量，以满足业务对互联网可靠性的要求，改善用户体验。紧急服务能力保证是提供一种类似于公路网的警车开道的服务能力，用以保证临时性关键应用的服务质量和紧急状态下的特定应用的服务质量，例如灾难情况下，对救灾、指挥等关键应用，可以提供一种类似公路网上发特别通行证以保证重要车辆通行的优先服务能力。
IP网络需要像公路网那样提供适应自身应用(和客户)需要的服务质量保证。可以一方面通过设备能力的提升使得设计能力得到提高（好比修高等级公路）；另一方面采取措施使得网络的实际运行能力符合设计能力，当网络负荷超过网络设计能力时进行适时的网络改造和扩容，以提供不断提高的基本的服务质量保证，并且逐步增加对互联网的控制能力，以便提供差异化、最低和紧急的QoS能力。
3 实用化的IP QoS技术分析为了保证用户对IP网络的可接受性，特别是适应接入带宽增加，运营商和设备厂商对IP网络进行改进，以保证大多数用户可接受的服务质量。下面从公路网的视角对目前在IP网络中得到应用的IP QoS相关技术做简单对比分析。3.1 提高网络的硬件通行能力
提高网络承载能力仍然是保证基本服务质量的基础。如同公路网一样为了适应汽车技术的发展，只有提供更宽的道路、更高等级的路面才能保证更好的质量服务；对互联网而言，只有网络传输带宽增加，交换节点(路由器)的带宽和功能提升，才有可能实现更好的质量服务能力。例如目前路由器的容量与早期NSFNet的路由器相比增加了106倍，骨干节点IP传输带宽也大致增加了104倍。
光传输网的广泛应用(对应于公路中的提高设计时速)和路由器无阻塞交换能力(对应公路中的改平面道口为立体交叉道口)的提升，也使IP报文传送时延有了较大改进，并且在骨干网络采用轻载设计。针对主要TCP应用的改进[12]和路由器在丢包与队列管理方面的优化也使网络能更好地适应承载业务(好比改进公路以更好适应汽车)，提高网络的硬件通行能力。
3.2 提供差异化的服务质量保证
大多数用户对IP服务质量只是一个相对的、统计意义上的需求，但是不同的用户对IP QoS还是存在差异化的需求。因此，需要提供差异化的QoS能力。
一般来说，客户对QoS需求可以分为三大类：最严格要求的用户可以不计代价，这样可以为其提供IP专网或者其他网络承载方式；对那些希望花一部分代价获取较高质量服务的用户，可以为其提供单独的或者优于其他用户的传输通道，如提供一个单独的、有整体质量保证的专用核心网，如中国电信建设的CN2[13]；或者在网络接入和城域部分，使用DiffServ或者MPLS提供相对好的质量保证；对质量服务不敏感的客户，则提供大众化的“尽力而为”承载服务。
对应公路网而言：对第一类客户可提供警车开道、专用道路或改乘飞机等方式保证其质量要求；对第二类客户，提供收费的省际高速公路和城市道路中的快车道以满足其需求；对第三类用户，提供基本的道路通行能力和免费的但是路面较差的省际公路。
因此，通过MPLS结合DiffServ手段和建设单独的专网来提供差异化的服务质量保证是现实的一种选择[13]，也会取得较好的效果。如中国电信建设的CN2网络将用于承载高收益的应用，如VOIP和企业应用等[14]。
3.3 提高网络对流量的控制能力
早期的互联网对IP业务流量是一视同仁的，但是随着IP流量增加和应用的广泛，需要增加网络对流量的控制能力。就好比公路发展了就必须制定交通规则，必须有红绿灯和警察。目前IP网络对流量的控制能力主要有:
- 通过MPLS和DiffServ对流量分类和标识，以便区别对待，包括接入控制、丢包、排队策略等，就好比给汽车上牌照，给公路划分快、慢车道。但是部署和管理MPLS和DiffServ相对复杂，目前大规模应用还不多，有效性还有待检验。
- 通过路由协议[15]和MPLS[16]提供流量工程能力，以便人工干预疏导流量，就好比用交通警察和红绿灯来控制流量。
- 在网络接入侧可以进行接纳控制，就好比在道路入口限制通行能力。
- 在路由器无阻塞交换中划分队列以便更好地交换，就好比在十字路口划分车道和转向。
4 公路网对IP QoS下一步研究的启示以上我们对比公路网的情况分析了在网络中用于改善IP QoS的一些方法，下面着重参考公路网的网络结构、网络节点和流量控制三方面探讨有可能进一步改善IP QoS的方法。
为改善通行质量，公路网结构很重要的一点是建立了高速直达通道(高速公路) 以及大中城市里的高架桥和环路等，以减少所经道口的数目，同时在热点地区间或者线路间修建快速联络线，以改善局部交通情况。这一点对互联网而言也是非常重要的，目前互联网的直达通道太少，一个IP报文经历的跳数较多，这与路由器的层次太多有关，因此对互联网来说，可以考虑在热点地区之间建立直达路由，在大城市内建立快速路，并设计好相应的流量工程措施。
对公路网和互联网而言，吞吐率都是衡量网络节点性能的关键指标。但是从局部网络而言，在某些节点对网络流量控制(或者提前丢包)会对局部网络整体性能的改善有好处，因此，建立基于路由器端口层次的节点间流量的区域联网控制是有必要的。另外，进出立交桥处或环网出口一般是容易拥堵的地方，对公路网而言，一般会采用较长的引路或者迂回来减少拥堵的发生，对IP网络而言，在进出骨干网这种流量变化较大的地方也容易出现拥塞现象，可以考虑增加流量汇聚层或者采用一定的流量迂回策略来减少拥塞。
公路网一般采用单行线、限制某一路段、某一时间内的车辆通行种类、路口缴费、路段限速（不能低于某一速度）、有些路段不同的费用等措施对通行流量进行控制。而IP网络一般只在边缘的接入控制层有一定的流量控制能力，这方面的流量控制能力需要加强，例如可以考虑在网络繁忙时限制P2P下载业务。因此，互联网需要在网络边缘建立有效的流量识别和标识能力，根据预先配置或者动态地在某些路由上对特定流量进行控制。根据流量情况，交通台可临时指挥车辆绕道，因此对互联网来说也需要能够提供一种机制，在某些链路拥塞时，使流量能够自动绕行疏导，即临时让路由器不按OSPF最短径方式选路。
人们对互联网的服务质量要求是动态变化的，并且要求越来越高，单纯靠在流量算法方面的改进是很难进一步提高IP QoS能力的。根据以上分析可以看出从网络设计和网络体系上寻找解决IP QoS问题的空间还是比较大的，并且这方面的改进一般不影响IP报文的基本转发机制，随着互联网设施越来越多地由专业化的商业ISP公司来部署和管理，从网络设计和网络体系上改进IP QoS也是可行的，可以与传统的流量控制技术相结合提供合适的IP QoS服务保障。
5 小结人们常将互联网比作“信息高速公路”，本文将电话网比作铁路，将互联网比作公路来探讨IP QoS问题。主要从公路网的视角分析了IP QoS的定义、实际应用中有助于改善IP QoS的方法，并讨论了进一步改善IP QoS的可能的方向。
以上的对比分析只是借助公路网来进一步理解IP QoS这个难题，公路网和互联网本身还是有许多不同。例如汽车由智能的人来驾驶，而IP报文则由路由器按照目的地址转发；IP网络节点间的距离长短对性能影响很小，因此可以采用迂回的方式，而公路网的距离长短对路由决策有很大影响；IP网完全是由路由器这个电子设备来控制的，应该说控制手段和能力比公路网强。
尽管公路网与IP网络有很大的不同，用公路网来类比IP网不一定很准确，但借着公路网这面镜子，我们还是可以从另外一个角度来重新认识IP QoS问题，分析目前IP QoS研究的困境，希望借此能抛砖引玉，促进当前IP QoS研究走上一个新台阶。
