信息高速公路中多媒體服務質量（QoS）的管理與控制

一、引言

發展高速公路是為了解決交通擁塞。然而，是否有了高速公路就一定能夠解決交通擁塞呢？這取決于高速公路設計流量與容納能力及汽車的增長速度是否大于這個設計能力。與高速公路相似，信息高速公路是為了解決多媒體信息的大量高速傳輸而提出來的。同樣，我們也要問一個問題，即有了信息高速公路，是否就一定能夠解決信息的傳輸擁塞問題呢？回答是否定的。其原因除了需要傳輸多媒體信息的用戶數量的增長大大超過信息高速公路設計傳輸能力的增長之外，還有很重要的一點就是在信息高速公路上傳輸的信息單元不同于高速公路上奔馳的汽車，它們不具備識別自己要走的路徑及自己要達到的目的地等的能力，只能依靠計算機（包括收發方主機、路由器、交換機等）對其進行處理。因此，如何高速地處理這些信息也成了解決信息高速公路擁塞的關鍵問題之一。

另外，用戶信息的多媒體化對信息傳輸提出了新的要求。多媒體信息是二進制數據、語音、圖像和視頻等各種媒體信息的總稱。傳輸不同媒體的信息對通信系統的性能要求不一。例如，語音傳輸要求傳輸延遲和延遲變化都非常小，但對出錯率要求不高，有一點失真也沒關系。然而，傳輸不同的視頻信息則都要求有較大的帶寬和非常小的延遲變化。表1列出了一些常見多媒體應用對帶寬、延遲變化和出錯率的要求。

另外，傳統的數據傳輸應用對網絡的傳輸性能要求也不完全一樣。例如FTP要求100%的正確率和較大的吞吐量，但對延遲不十分敏感。Telnet則是一種交互性的操作，對實時性和可靠性要求較高。其中實時性要求可以低于視頻和聲頻信息，但可靠性則要大大高于普通聲頻和視頻信息。

顯然，眾多多媒體應用的出現導致了用戶對網絡性能的不同要求，也就是說，網絡需對不同的多媒體應用提供不同質量的服務，以滿足用戶需求。

現有網絡的資源分配方法大多采用靜態方式，例如，網絡帶寬的分配大都是固定的。這顯然不利于多媒體信息的有效傳輸，極易造成資源浪費，而且成本較高，用戶又很難獲得最佳的服務質量。因此，如何統一地描述和衡量多媒體應用對網絡服務質量的不同要求，并合理高效地管理、協調和分配計算機系統資源與網絡資源，是解決高速信息公路擁塞的重要課題。

二、什么是QoS

1. QoS的一般描述

服務質量（Quality of Service），簡稱QoS，是一個抽象概念。它是用戶和服務提供者之間及發送和接收信息的用戶之間有關信息傳輸的質的約定。服務質量包括用戶要求（User's Request）和服務提供者的行為（Activity）兩個方面，用戶要求是用戶進行多媒體通信時所要求的傳輸性能和表示質量等，服務提供者行為指系統能夠提供和達到的性能。

由于計算機網絡是層次化的體系結構，因此，服務質量的體系結構也是層次化的。高層用戶將把所要求的服務質量以參數形式傳遞給低層，低層為高層用戶提供所需要的服務。每層的服務質量的內容及實現這些服務質量的方法和技術各不相同。

高速信息公路的每一層都應該按最高的性能價格比為用戶提供所需的QoS。對QoS的研究開始于20世紀80年代初期。但是，由于當時網絡性能比較低，能夠提供服務的種類較少，人們對QoS的研究主要停留在性能評價、吞吐量的計算、服務質量的定義、數據流傳輸中的正確率和數據延遲等方面。直到20世紀80年代末期和90年代初期，隨著寬帶ISDN技術及ATM交換技術與多媒體應用的急劇發展才誤使人們對QoS管理和控制的深入研究。國際標準化組織ISO及CCITT（現稱ITU）還分別于1988年和1990年對OSI參考模型及基于ATM的B-ISDN網絡定義了相應的QoS。

2. OSI參考模型中的QoS

OSI參考模型把QoS定義為面向功能的和非面向功能的兩種。與此相對應，這些QoS用不同的參數來描述，其定義如表2和表3所示。

3. CCITT的QoS定義

從表2和表3可知，OSI參考模型的QoS定義主要是針對數據傳輸的。在該定義中未考慮傳輸出錯的概率分布及傳輸峰值的持續時間等。例如，對于聲頻信號來說，盡管一般情況下，語音失真率在25%左右是允許的，但是，如果失真的25%的聲音信號連續集中在某一部分的話，其失真就變得不能容忍了。對此， CCITT又于1990年制訂了CCITT-I系列建議。該建議從呼叫控制、連接及數據單元控制等三個不同層次上定義了寬帶ISDN網的QoS。該定義在呼叫控制級的QoS包括連接延遲、連接失敗率及釋放延遲和釋放失敗率等。連接級和數據單元控制級的參數包括數據單元峰值到達率、峰值持續時間、數據單元平均到達率、峰值率與平均到達率之比、數據單元丟失率、比特出錯率、數據單元插入率等。

不過，迄今為止的QoS定義及QoS管理和控制方法都是站在服務提供者，也就是網絡系統的基礎上制訂的，這些定義和方法很少站在用戶的立場上考慮問題。這也就帶來了用戶無法有效地根據自己的應用提出QoS要求，以及和系統通信對方協商QoS的困難。

三、QoS研究的主要技術課題與發展動態

如上所述，根據用戶應用的QoS要求，系統依據網絡負載和資源使用情況動態地為用戶分配能滿足用戶QoS需求的資源是解決高速信息公路擁塞、并得到好的服務質量的關鍵技術之一。那么，當前有關QoS研究的主要技術課題是什么？發展動態又如何呢？

當前，有關QoS的研究大致集中在如下幾個方面：QoS標準制訂（即QoS定義），QoS協商協議與方法，根據QoS要求的資源分配和調度，QoS維護、監視和控制方法，QoS驅動的支撐環境，以及基于QoS的高速協議等。圍繞這些研究課題，國內外都已展開了研究。例如，英國曼徹斯特大學正在進行的QoS-A工程、Esprit OSI95工程，以及富士通研究所和清華大學計算機系合作進行的Mouse工程等都是圍繞QoS的上述有關課題進行的。下面我們進一步介紹這些課題。

1. QoS管理

所謂QoS管理，是指計算機網絡系統按照一定的管理策略，對用戶應用所需要的QoS進行分類統計，并調用相應的資源分配和調度程序去保證用戶得到所需QoS的過程。QoS管理是現有網絡管理的升級，它包括現有網絡管理的所有內容，并從服務質量的角度去管理用戶和系統。與傳統網絡管理不同的是，QoS管理將對用戶提出的QoS要求進行審查，以檢驗用戶是否提出了過高的QoS要求，并看網絡系統是否能提供滿足用戶QoS要求所需的所有資源。當系統不具備滿足用戶要求所需資源時，和用戶協商是否要以降級使用較低級的服務。

2. QoS的分層、分維和分類

如前所述，OSI和CCITT（ITU）的QoS定義主要是站在系統的角度考慮問題，對用戶服務的性質、類型，以及QoS要求考慮較少。另外，OSI和CCITT盡管分層次描述了系統的QoS，但是，由于描述各層QoS的工作小組是單獨工作的，因此，各層的QoS之間的關系不明確、不一致。如何建立能反映用戶和系統二者的QoS需求與定義的QoS模型就成了QoS研究中必須解決的技術課題之一。

英國曼徹斯特大學的研究小組在QoS-A工程中提出了一個按系統處理方式對QoS進行分層、按用戶需求和應用進行分維，并將不同維中具有某些共同屬性的QoS組成類的新方法。圖1是QoS-A對QoS進行分層、分維和分類的一個例子。

在圖1中，QoS被劃分為四個不同層次，即應用平臺和操作系統層、協商調整層、傳輸系統層與ATM網絡層。與各層相對應，用戶要求的QoS被設置成了不同的維，例如突發、延遲、吞吐量、出錯率等。圖1只給出了少部分用戶的QoS要求。這些QoS要求在不同的層中被映射成不同的操作。例如，為了獲得用戶要求的吞吐量，在應用平臺層和操作系統應選擇合適的調度策略和方法，以保證用戶應用的QoS要求。而在操作系統與傳輸系統之間，系統還必須調整傳輸速率等比例值以便在用戶應用得到CPU等資源處理之后，按所要求的速率傳輸轉發。流量控制則是緩沖區資源和傳輸速率等之間的平衡。最后，ATM網將把那些吞吐量要求大、實時性要求高的信息優先發送，從而使得用戶要求的QoS得到滿足。

分層、分維和分類定義QoS的方法較好地反映了系統能力和用戶需求，但是，這種方法在不同服務之間的QoS的可比性，以及用戶如何根據維、類與系統進行協商方面仍存在不足。近來有人提出采用主客觀相關函數的方法來解決這一問題。

3. QoS協商和準許控制

QoS協商指用戶和系統及用戶和用戶之間就所傳輸信息的服務質量進行交互，最后根據應用和系統資源確定系統和用戶的QoS的過程。

用戶和系統之間的協商過程如下：首先，協商程序分析用戶的行為，將其分解為一些元素，使得每一個元素都可由一個或多個獨立的QoS參數表示。用戶行為分解的基本準則是這些參數的組合應該保證用戶行為的QoS。在對用戶行為分析結束之后，系統把所得到的參數組映射到相鄰的低層，并確定相鄰的低層是否能夠支持這些QoS要求。在此基礎上，系統將為用戶的行為元素定出各自的QoS級別，或者向用戶報告拒絕服務的情況和原因。

端到端的QoS協商分為前向和后向兩個階段。前向階段由一端的用戶發起，將該端用戶應用所需要的QoS逐級向下層映射并進行比較，如果得到允許，就通過網絡將QoS要求發送給網絡另一端的用戶。在網絡另一端，用戶的QoS需求逆向映射到用戶應用層并顯示給另一端用戶。在網絡該端的用戶得到另一端用戶的QoS需求之后，將根據自己的要求和處理能力修改得到的QoS參數，并逐層向下協商后通過網絡傳回發送端。發送端將根據所得到的QoS參數和協商情況決定QoS參數的級別。

每一個應用都必須進行QoS協商，QoS協商將用戶行為的QoS請求與系統可用資源進行比較，并從所用資源最少和獲得用戶滿意度最高的角度出發，確定QoS的級別。當前，有關QoS協商和準許控制的研究主要集中在QoS協商協議、協商模型，以及QoS比較和判斷策略等方面。

4. 基于QoS的資源分配和調度

QoS協商的最終結果是將用戶應用的QoS請求與系統內可以控制的資源進行比較后得到不同的QoS級別。但是，為了使用戶得到滿意的QoS，系統還必須進一步分配網絡和計算機內的可調配資源。這些資源包括CPU、進程、線程、緩沖區、傳輸帶寬、路由表等。

合理地進行資源分配和調度是成功進行QoS管理的關鍵。然而，資源分配又是一個與QoS協商密切相關的問題，資源分配與QoS協商過程通常是一個多次反饋過程。而且，在現有操作系統中，像CPU時間、進程與線程資源等是由操作系統的既定策略調度與分配的，從而無法對不同的QoS需求做出合理的響應。因此，基于QoS的資源分配和調度的難度較大。到目前為止，研究人員提出了幾種預約式資源分配控制方法。加尼福利亞大學伯克利分校的D.P.Anderson教授提出了一種支持端系統和網絡資源分配的SRP協議，施樂公司的L.X.Zhang等提出了對信息接收方的資源進行預約的RSVP算法。再者，最近還出現了從QoS驅動的角度設計和抽象操作系統的新動向。不過，總的來說，基于QoS的資源分配和調度方法的研究還處于起步階段。

5. QoS維護、監視和控制

QoS維護是指在網絡負載不斷變化的情況下，動態地管理資源，以確保在QoS協商和資源分配過程中所確定的資源不受其他負載的影響。

QoS監視是指系統的每一層動態地監視下層的行為是否保證了預期的QoS。

QoS控制則是在QoS監視的基礎上，對那些越界行為進行強制性處理。

QoS維護在資源共享和被統計復用時表現得尤為重要，例如在CPU調度和ATM交換中，在處理超負荷和低優先級輪空事件時，QoS維護保證用戶行為不受這些事件的影響。QoS監視則是和QoS維護一起進行的。通常采用的維護方法是，使用反饋循環將實際所得的QoS與預期的值作比較，通過調整系統資源來改善QoS。

6. QoS重協商

QoS重協商是對已確定的QoS級別進行再調整的響應過程。當系統在最上層的用戶應用接口處檢測到下層已無法保證用戶的QoS要求時，向用戶報告需要進行QoS降級的消息。用戶將根據系統報告決定是進行QoS重協商或終止用戶行為。

一般來說，QoS重協商不是對某一個QoS元素的局部調整，而是指整個行為所有QoS元素由用戶應用級開始往下全部重新進行QoS協商的過程。

7. 高速協議與基于QoS的支撐環境

當前，廣域網上使用的傳輸協議以TCP/IP和UDP/IP為主。其中，點對點傳輸采用TCP/IP協議，成組廣播傳輸采用UDP/IP協議。這些協議存在的主要缺點是，對于TCP/IP協議來說，盡管提供了端到端的可靠連接，但其處理時間過長，無法滿足QoS的實時性要求。相反，UDP/IP協議處理時間少，但不提供端到端的可靠連接，在QoS的可靠性要求方面有所欠缺。因此，如何在以ATM為代表的高速信息網中構筑新的高速協議就成了急需解決的重大課題之一。美國華盛頓大學的A.Danthine等人提出的基于QoS的TPX協議就是一個有用的嘗試。基于QoS的支撐環境是上述各種研究課題的總體集成，包括以滿足QoS要求為目標的操作系統的設計與開發、分布式多媒體系統平臺，以及應用開發工具等。

四、展望

隨著用戶對多媒體應用需求的增加，網絡負載的急劇增加是明顯的。特別是在我國，網絡的傳輸速度和性能都受到了較大限制。例如，盡管具有2.048Mbps傳輸速率的DDN網已于1994年開通，但距真正全面使用，恐怕還有一定的距離。我國現在對外的網絡接口最高速率為128Kbps。因此，我國的Internet用戶無一不感到網絡速度太低，無法快速地獲取信息。這還是使用Netscape獲取數據信息時的狀況。解決上述問題的辦法有兩個，一是增加網絡帶寬和提高傳輸速度，二是采用本文所述方法對網絡資源進行綜合管理和合理利用，以保證在使用資源最少的情況下獲得最好的用戶滿意度。顯然，這兩種解決途徑是相輔相成的。特別是在我國，在缺乏巨額資金大量建設高速寬帶網的條件下，如何以QoS為目的管理和控制網絡資源和計算機資源就成了一個極為重要的問題，盡管目前我們對這點或許沒有多少認識。其實，就連美國的具有45Mbps速率的NSF網也已到了滿負荷邊緣。

另外，與西方國家相比我國的多媒體應用具有一定的特殊性。例如，漢字、漢語等都是其他國家所沒有的。而這些媒介在QoS中又占有極其重要的地位。因此，我們有必要盡早開展在該方面的研究。

當前，國際上有關QoS的研究剛剛開始，有關QoS研究的報告和文獻大都在Internet上，在正式出版的雜志上，幾乎很難找到。因此，無論是從QoS標準的制訂和定義來看，還是從基于QoS的支撐環境來說，我們都有很多機會獲得突破。事實上，計算機網絡的工作方式正在從簡單的聯合向多層次、智能化、合作化及社會化（與人類一樣，不久的將來，將會出現一個嶄新的計算機社會）方向發展。計算機的社會化、群體化的工作方式則要求系統為不同用戶提供用戶所需要的QoS。比起擁有高速信息網的美、日、歐等國家和地區來說，如何在中、低速網絡上適應這一變革并開發出能提供用戶滿意的QoS的網絡產品才是擺在我國網絡科技人員面前的一項非常艱巨的、充滿誘惑的挑戰和機遇。

（《計算機世界》報 1995年 第38期）