下一代网络IMS中QoS

下一代网络IMS中QoS的研究
来源：《中国多媒体通信》                  浏览：232 次
北京邮电大学信息工程学院媒体中心    谭启超 魏芳 李鹏飞
摘要：服务质量（QoS）是下一代网络（NGN）的关键问题，IMS作为3GPP提出的下一代网络的核心架构，需要提供可靠的QoS保障，本文分别从控制层面、数据平面论述了IMS中的QoS的解决方案。
关键词：NGN  IMS  QoS  SCTP
一、前言
下一代网络（NGN）中服务质量（QoS）是一个核心问题。NGN的目标是既要具有传统电信级的QoS，又要具有IP网络的灵活性，因此需要借鉴IP网络和电信网络的QoS解决方案。此外，NGN中QoS策略又不同于传统的电信网络和IP网络，很多新的QoS保证技术和QoS解决方案都应用到了NGN中。
IP多媒体子系统（IP Multimedia Subsystem，IMS）是3GPP在R5版本提出的。作为NGN的核心构架，IMS中也要能提供可靠的QoS保障。IMS的主要特点是：采用SIP协议进行对会话进行控制；支持IPv6与IPv4协议；融合不同接入网络；承载网络与业务网络分离；等等。IMS体系结构中有两个层面——管理层面和数据层面，数据层面自上而下包括四个层次——应用层、传输层、网络层、接入层。IMS在各个层面和层次上都有相应的QoS保证措施。目前，3GPP的R6、R7版本中又对IMS做出了进一步的完善。但从总体来看，IMS中QoS在各个层面和层次上都需要不断完善，因此具有重要的研究价值。本文将从各个层面和层次上介绍IMS中QoS解决方案。
二、基于策略的QoS管理
基于策略的管理是网络管理中研究的一个热点，主要思想是网络管理通过策略（Policy）机制将网络中的管理（Management）和执行（Enforcement）分开，把定义好的策略存于策略仓库中，网络实体可以根据这些策略自动地执行预设的任务。这样网络管理可以更好地适应用户的需求和网络动态的变化，提高网络资源的利用率。基于策略的网络管理主要包括以下几部分：策略管理工具、策略仓库、策略决策点（PDP）、策略执行点（PEP）。
IMS采用了基于策略的QoS管理，把基于策略的网络管理的思想应用到QoS管理中，把定义好的QoS策略存于策略仓库中，策略执行点（PEP）请求策略决策点（PDP），PDP查询策略仓库做出响应。IMS网络中，策略判决功能（PDF）相当于策略决策点（PDP），GGSN包含策略执行点（PEP）。

图1 基于策略的QoS管理框架
Go参考点在PDF与GGSN之间用于媒体授权，3GPP采用COPS-PR作为Go接口的通信协议。在PDF 在QoS进行协商和授权的过程中，PEP 需要对PDF 的资源授权请求进行检验，对于符合策略规则的用户会话流，PDF 生成跨越多个PDP 上下文的SIP 会话的授权令牌，UE 以此令牌标识获得相应级别的服务。
P-CSCF在IMS网络中的负责多媒体会话过程拜访网络的资源管理和授权。P-CSCF与PDF通过Gq参考点传输策略配置信息，P-CSCF相当于应用功能，将关于含有SDP净荷的SIP消息的策略信息发送给PDF，这些信息包括：目的IP地址于端口、传输协议ID、媒体传输方向、信号源方向、媒体要素所在的组、媒体类型信息、带宽参数、是否分叉。
UE和GGSN都采用IP QoS到UMTS QoS的映射与转换，PDF通过LDAP协议与策略数据库进行数据传输。当QoS 服务触发了一个策略事件（如PEP 接受到RSVP 消息要求预留资源）后，PDP从策略数据库中获得相应的策略，并将其翻译为对QoS机制进行配置和执行的一组行为。PEP 根据PDP 的策略判决结果完成针对网络设备的具体操作。基于策略的QoS管理完成了接纳控制、资源预留等操作。
基于策略QoS管理的实现流程如下：
（1）QoS资源授权：主叫用户向P-CSCF建立呼叫请求，然后把请求转发给被叫用户，被叫用户接受返回SIP 183消息，被叫P-CSCF分析消息中的SDP，把流标识符、数据速率、QoS类型到PDF进行授权认证，返回一个令牌标识会话与对网络资源的请求。被叫用户把令牌、流标识符加入SIP 183中发送到主叫用户。主叫用户侧也会产生相应的令牌。
（2）资源预留过程：主叫用户和被叫用户将会话级QoS映射为UMTS QoS，然后发送PDP上下文激活请求到各自的GGSN，GGSN通过内部的PEP模块通过Go接口将流标识、令牌等信息传送给PDF，PDF根据令牌与开始的授权信息相比较，若相符PDF向GGSN发送授权容许的信息，GGSN中的PEP执行资源预留，完成后向用户端返回PDP上下文接受消息，完成UMTS级资源预留。
（3）QoS承诺批准：被叫用户开始接听会话，发送SIP 200到主叫用户，P-CSCF接收到SIP 200 OK消息后，通知GGSN把通路打开，GGSN此时容许业务流通过GGSN，被叫用户此时也打开通路。
（4）QoS承诺删除：当PDF不容许业务流穿过GGSN时，关闭GGSN的通路。
当目前IETF的基于策略的QoS管理框架是一个基于PDP的集中式系统，所有的决策都在PDP，完全集中式管理可扩展性差，可以构建层次式PDP解决域内扩展性问题。相邻域之间采用协商服务等级（SLA），并将协商好的SLA转换为流量调解协议，以达到全网统一的服务质量保证。因此需要改进目前集中式的PDP，采取分布式PDP管理系统架构。此外，由于IMS网络中终端的移动性，也为基于策略的QoS管理提出了新的难题。
三、网络层的QoS
网络层QoS主要使用区分服务（Diffserv）。Diffserv对用户的数据流按照服务质量要求来划分等级，任何用户的数据流都可以自由进入网络。拥塞发生时，级别高的数据流在排队和占用资源时优先级高于优先级低的流。DiffServ通过在IP包头定义DSCP来对分组的优先级进行区分，根据其PHB行为进行下一跳选路转发。
在IMS中应用Diffserv的原因是Diffserv比较简单易行，采用总体集中控制，层次化结构，只涉及队列调度和缓冲管理，不涉及分组的路由，可以满足实际应用对可扩展性的要求。在核心网只进行简单的调度转发，流状态在边界节点GGSN保存，这样可以有效地在网络边缘进行分组调度，按优先级提供服务。SGSN将QoS需求传送给GGSN，进行接纳控制，对会话级和流级进行资源预留，根据对应承载的QoS业务能力进行标记，将PDP上下文的QoS类型映射为DSCP，即把UMTS QoS 等级映射成相应的Diffserv PHB 等级。根据不同PHB等级把包放入相应队列来进行调度。
表1  IMS中应用与QoS级别的对应关系
QoS 类别
会话级
流级
背景级
交互级
Diffserv PHB
EF
AF1x
AF2x
AF3x
优先级
1
2
3
4
应用
SIP信令 VOIP
流媒体
Web访问
Ftp Email
针对IMS中不同应用对QoS的不同需求，设计不同的优先级，该机制可以保障应用层到网络层的QoS映射，应用层QoS要求由SDP协议承载，具体包括：上下行链路的最大授权带宽、延时、丢包率等。
分组调度算法是Diffserv的核心，它影响着带宽分配、时延、时延抖动、丢包率等参数，是一项重要的QoS技术。目前分组调度算法主要包括：静态优先级算法、轮转算法、GPS模型算法、基于时延的算法等。在IMS中，既要保障不同流量的优先级，保证高优先级流量的带宽和延时，又要提供一定的公平性，使低优先级的业务不至于长时间得不到调度。因此需要设计良好的分组调度算法。可以借鉴[1]中提到的MPWDRR算法，此算法将会话类和流类分别放到优先级较高的队列中，减少了数据的排队时间，保证其延时和抖动保持在较小范围内；交互类和背景类业务对延时要求不高，所以允许较大的平均队列长度，以保证足够的带宽的利用率。同时保存了WRR的主要特征，根据各类业务的流量轮廓和流特征将数据放到不同队列中，按权值分配带宽。也可以采用改进的WFQ算法，加入对优先级和延时因素的考虑。
IMS接入网络部分如果采用无线接入方式，无线误码率较高， [2提出了一种改进算法，应用在无线网络中TCP协议传输数据，可以判断队头阻塞（HOL）是由拥塞控制引起还是无线链路错误引起。通过改进WFQ算法，不仅对队列进行区分，对每一个队列中的具体的流也进行区分，如果检测到某个流发生信道错误，就等待重传，先不调度这个流。
可以看出在无线DiffServ中，终端的移动性、无限频谱资源的限制、无线信道的高误码率等，都对目前的DiffServ体系架构会有一定的影响。
四、传输层
传输层作为端到端的流量控制层也需要一定的QoS功能。虽然TCP、UDP协议应用广泛，但目前TCP和UDP协议都显现出一定的局限性，尤其在无线IP网络方面。
Stream Control Transmission Protocol（SCTP）协议是IETF提出的，初衷是在IP网络上面传输PSTN信令，目前随着对SCTP研究的深入，SCTP协议的应用领域被大大扩展，其应用前景十分广阔。SCTP可以适应多种接入方式的平滑切换的需要，适应高速数据可靠传输的需要，适应对不同实时性要求数据区分的需要。下面从几个方面来论述SCTP的特性和在下一代网络中的应用。
1．SCTP协议主要特性
（1）多宿（Multi-Homing）：SCTP支持一个主机拥有多个IP地址，传输时使用一个IP地址，如果判断此地址不可达，则启动另一个IP地址传输。
（2）多流（Multi-Streaming）：在SCTP关联时，可以指定流的数目。多个流可以并行传输并且可以独立交付到应用层，一个流阻塞不影响其它流的交付。
（3）强制SACK：SCTP协议的流量控制和拥塞控制和TCP协议基本相同，但也有一些新特性，如强制的SACK重传，SACK可以加速错误检测并提高带宽的利用率。
（4）四次握手：TCP协议采用三次握手容易受到DoS攻击，是SYN Flooding存在的基础。而在SCTP中，采用四次握手，只有在连接建立后才为连接分配存储和处理器资源。
（5）HeartBeat机制：当链路在一段时间内没有数据发送或者数据传输超时，就发送HeartBeat消息，这个消息可以精确测量回路时延RTT，可估计目前网络的带宽状况。
（6）流的部分可靠性：SCTP可以设置一部分流为可靠的，另一部分流为不可靠的。
2．SCTP协议和TCP、UDP协议的性能比较
与TCP相比，在网络拥塞的情况下，SCTP的多宿（多个IP，多条链路）特性可以提高吞吐率。在一定的丢包率下，多流特性可以降低HOL，提高吞吐率、降低时延。
与UDP相比，SCTP在网络拥塞时分组传输的平均时延更小、决定重传丢失分组的时间更短、带宽的合理利用率高，所以比UDP更适合在网络状况不太好（比如常发生拥塞、丢包、网络流量的突发性强）的情况下传输实时性较强的信息。
3．无线环境下的SCTP协议的应用
在无线网络环境下，对SCTP协议进行改进，由于无线网络物理层和网络层的误码率较高，所以要判断丢包是由于拥塞还是由于底层误码率造成的，如果是由于底层误码率造成的丢包，应该对其发送窗口进行相应的调整，如果网络拥塞造成的丢包，进行相应的拥塞控制。
在IMS中，SCTP协议可以应用于无线网络的小区切换中，利用“多宿”特性保证传输层的平滑切换。一个UE可以分配两个IP，当UE在两个小区移动过程中，Heartbeat消息探测到一个IP实效时，立即启动另一个IP，这样可以有效地降低切换的时延，并且传输层切换效果要好于网络层Mobile IP的切换。也可以利用多宿特性在不同的接入网络进行平滑的切换，利用SCTP的多流特性可以提高FTP、WEB应用的传输速率。
4．SCTP传输SIP信令与多媒体数据
（1）使用SCTP传输SIP信令。经研究得出，在SIP呼叫流量较小的情况下，由于分组丢失和重传比较少，使用UDP可以取得更低的延时；在SIP呼叫流量比较大的时候，使用SCTP能取得更高的吞吐率和更小的呼叫建立延时。可以在IMS中使用分段连接的传输层协议，从UE到SIP服务器间使用UDP协议，在SIP服务器间使用SCTP传输SIP消息。图2是连接的框图：

图2 分段传输层连接框图
此方案的优点在于分段连接可以充分利用不同传输协议的优点，提高网络带宽利用效率，缺点是SIP服务器需要缓存大量数据。
（2）使用SCTP传输多媒体数据。SCTP与TCP、UDP相比在在网络状况较差的情况下，可以取得更好的性能。根据文献[3][4]，可以使用部分流可靠SCTP协议（PR-SCTP），PR-SCTP中可靠的流可以传输多媒体数据的一些重要的部分，不可靠的流可以传输其他的数据，如视频的I帧使用可靠的传输，B、P帧采用不可靠传输。这样既可以保障重要的数据能及时重传，也能保证实时性。在IMS网络传输中可以考虑采用PR-SCTP和RTP代替目前的UDP和RTP传输实时多媒体数据。
五、应用层面的QoS
IMS应用层面提供一系列接口，包括：SIP Servlet、JAIN、Parlay等。通过这些接口，可以开发出丰富多彩的应用。目前IP网络出现了一系列应用层QoS的解决方案，比如网格理论、P2P技术的发展与应用，目前。应用层QoS的解决方案是建立在充分而合理地利用闲置的资源或者加入资源冗余的基础之上。
1. 应用服务器的设计
IMS中应用服务器（AS）一般位于用户归属网络中或第三方服务商提供的位置。AS的主要功能：处理和响应IMS发来的SIP请求，发起SIP请求，发送计费。应用服务器设计与QoS也是密切相关的，需要对应用服务器进行有效的设计。
（1）代理服务器：在IMS网络的接入边缘，架设代理服务器可以降低骨干网络中的流量。由于无线资源的稀缺和终端处理能力的限制，那么可以把数据运算量比较大、占用传输资源比较多的一些处理由代理服务器完成。对于Web应用来说，比如终端用户要浏览某一网站的信息，可以向代理服务器请求，代理服务器把此网站的信息重新排列，把有用的用户感兴趣的信息返回给用户。
（2）CDN分发：在数据量较大的视频传输中，可以在不同的地域设置服务器，用户下载文件或观看视频可以从本地网络或者边缘网络下载，减少核心网络中传输的数据量。热门的视频节目可以采用CDN分发。
2．终端接收QoS能力需求
对IMS网络中用户终端进行SDP描述。包括：屏幕大小、色彩显示位数、CPU处理能力、内存大小。服务器根据用户终端的状况和其接入网络的带宽为不同的用户提供不同的服务。对于一个视频点播服务来说，在传输之前，首先获得用户终端状况的配置文件并解析，对视频文件进行转码，转换成适合终端屏幕大小、色彩位数、合适的帧数的视频格式，再进行传输，可以有效地降低流量并取得较好的播放效果。此外，伸缩性编码技术可以根据网络反馈的状况及时调整终端应用层的编码速率，提高其自适应性。
六、小结
本文重点论述了下一代网络核心架构IMS中的QoS技术，介绍了控制层面的基于策略的QoS管理、数据层面的网络层QoS解决方案Diffserv、传输层SCTP协议的QoS性能、以及应用层QoS。本文只是论述了IMS中QoS的一些解决方案，但真正实现还需要经过一系列实践，同时需要进一步融合不同技术、引入新的协议与方法。
参考文献：
[1] UMTS核心网中基于区分服务的QoS控制模型，刘威  易波  毛珊，微电子学与计算机 2004年，21卷4期
[2] A Scheduling Algorithm for Wireless Internet DiffServ Networks，Sang-Jo Yoo, Kang-Sik Shin, IEEE, 2004
[3] Using SCTP with Partial Reliability for MPEG-4 Multimedia Streaming, M. Molteni and M. Villari, Proc. of BSDCon Europe 2002, October 2002
[4] The Performance Comparison of PRSCTP, TCP and UDP for Mpeg-4 Multimedia Traffic in Mobile Network, Hongtao WANG Yuehui JIN Wendong WANG, etc, Proceedings of ICCT2003, 2003