信息高速公路中多媒體服務(wù)質(zhì)量（QoS）的管理與控制

一、引言

發(fā)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(shè)計流量與容納能力及汽車的增長速度是否大于這個設(shè)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(shù)量的增長大大超過信息高速公路設(shè)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?shù)男畔卧煌诟咚俟飞媳捡Y的汽車，它們不具備識別自己要走的路徑及自己要達(dá)到的目的地等的能力，只能依靠計算機(jī)（包括收發(fā)方主機(jī)、路由器、交換機(jī)等）對其進(jìn)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(guān)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(jìn)制數(shù)據(jù)、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(tǒng)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(guān)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(yīng)用對帶寬、延遲變化和出錯率的要求。

另外，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用的出現(xiàn)導(dǎo)致了用戶對網(wǎng)絡(luò)性能的不同要求，也就是說，網(wǎng)絡(luò)需對不同的多媒體應(yīng)用提供不同質(zhì)量的服務(wù)，以滿足用戶需求。

現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的資源分配方法大多采用靜態(tài)方式，例如，網(wǎng)絡(luò)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(fèi)，而且成本較高，用戶又很難獲得最佳的服務(wù)質(zhì)量。因此，如何統(tǒng)一地描述和衡量多媒體應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的不同要求，并合理高效地管理、協(xié)調(diào)和分配計算機(jī)系統(tǒng)資源與網(wǎng)絡(luò)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(wù)質(zhì)量（Quality of Service），簡稱QoS，是一個抽象概念。它是用戶和服務(wù)提供者之間及發(fā)送和接收信息的用戶之間有關(guān)信息傳輸?shù)馁|(zhì)的約定。服務(wù)質(zhì)量包括用戶要求（User's Request）和服務(wù)提供者的行為（Activity）兩個方面，用戶要求是用戶進(jìn)行多媒體通信時所要求的傳輸性能和表示質(zhì)量等，服務(wù)提供者行為指系統(tǒng)能夠提供和達(dá)到的性能。

由于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是層次化的體系結(jié)構(gòu)，因此，服務(wù)質(zhì)量的體系結(jié)構(gòu)也是層次化的。高層用戶將把所要求的服務(wù)質(zhì)量以參數(shù)形式傳遞給低層，低層為高層用戶提供所需要的服務(wù)。每層的服務(wù)質(zhì)量的內(nèi)容及實現(xiàn)這些服務(wù)質(zhì)量的方法和技術(shù)各不相同。

高速信息公路的每一層都應(yīng)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(jì)80年代初期。但是，由于當(dāng)時網(wǎng)絡(luò)性能比較低，能夠提供服務(wù)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(wù)質(zhì)量的定義、數(shù)據(jù)流傳輸中的正確率和數(shù)據(jù)延遲等方面。直到20世紀(jì)80年代末期和90年代初期，隨著寬帶ISDN技術(shù)及ATM交換技術(shù)與多媒體應(yīng)用的急劇發(fā)展才誤使人們對QoS管理和控制的深入研究。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO及CCITT（現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)定義了相應(yīng)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(yīng)，這些QoS用不同的參數(shù)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(shù)據(jù)傳輸?shù)摹Ｔ谠摱x中未考慮傳輸出錯的概率分布及傳輸峰值的持續(xù)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(xù)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(shù)據(jù)單元控制等三個不同層次上定義了寬帶ISDN網(wǎng)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(shù)據(jù)單元控制級的參數(shù)包括數(shù)據(jù)單元峰值到達(dá)率、峰值持續(xù)時間、數(shù)據(jù)單元平均到達(dá)率、峰值率與平均到達(dá)率之比、數(shù)據(jù)單元丟失率、比特出錯率、數(shù)據(jù)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(wù)提供者，也就是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(jù)自己的應(yīng)用提出QoS要求，以及和系統(tǒng)通信對方協(xié)商QoS的困難。

三、QoS研究的主要技術(shù)課題與發(fā)展動態(tài)

如上所述，根據(jù)用戶應(yīng)用的QoS要求，系統(tǒng)依據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和資源使用情況動態(tài)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(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。那么，當(dāng)前有關(guān)QoS研究的主要技術(shù)課題是什么？發(fā)展動態(tài)又如何呢？

當(dāng)前，有關(guān)QoS的研究大致集中在如下幾個方面：QoS標(biāo)準(zhǔn)制訂（即QoS定義），QoS協(xié)商協(xié)議與方法，根據(jù)QoS要求的資源分配和調(diào)度，QoS維護(hù)、監(jiān)視和控制方法，QoS驅(qū)動的支撐環(huán)境，以及基于QoS的高速協(xié)議等。圍繞這些研究課題，國內(nèi)外都已展開了研究。例如，英國曼徹斯特大學(xué)正在進(jìn)行的QoS-A工程、Esprit OSI95工程，以及富士通研究所和清華大學(xué)計算機(jī)系合作進(jìn)行的Mouse工程等都是圍繞QoS的上述有關(guān)課題進(jìn)行的。下面我們進(jìn)一步介紹這些課題。

1. QoS管理

所謂QoS管理，是指計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)按照一定的管理策略，對用戶應(yīng)用所需要的QoS進(jìn)行分類統(tǒng)計，并調(diào)用相應(yīng)的資源分配和調(diào)度程序去保證用戶得到所需QoS的過程。QoS管理是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)管理的升級，它包括現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)管理的所有內(nèi)容，并從服務(wù)質(zhì)量的角度去管理用戶和系統(tǒng)。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理不同的是，QoS管理將對用戶提出的QoS要求進(jìn)行審查，以檢驗用戶是否提出了過高的QoS要求，并看網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是否能提供滿足用戶QoS要求所需的所有資源。當(dāng)系統(tǒng)不具備滿足用戶要求所需資源時，和用戶協(xié)商是否要以降級使用較低級的服務(wù)。

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(tǒng)的角度考慮問題，對用戶服務(wù)的性質(zhì)、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(tǒng)的QoS，但是，由于描述各層QoS的工作小組是單獨(dú)工作的，因此，各層的QoS之間的關(guān)系不明確、不一致。如何建立能反映用戶和系統(tǒng)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(shù)課題之一。

英國曼徹斯特大學(xué)的研究小組在QoS-A工程中提出了一個按系統(tǒng)處理方式對QoS進(jìn)行分層、按用戶需求和應(yīng)用進(jìn)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(jìn)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(yīng)用平臺和操作系統(tǒng)層、協(xié)商調(diào)整層、傳輸系統(tǒng)層與ATM網(wǎng)絡(luò)層。與各層相對應(yīng)，用戶要求的QoS被設(shè)置成了不同的維，例如突發(fā)、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(yīng)用平臺層和操作系統(tǒng)應(yīng)選擇合適的調(diào)度策略和方法，以保證用戶應(yīng)用的QoS要求。而在操作系統(tǒng)與傳輸系統(tǒng)之間，系統(tǒng)還必須調(diào)整傳輸速率等比例值以便在用戶應(yīng)用得到CPU等資源處理之后，按所要求的速率傳輸轉(zhuǎn)發(fā)。流量控制則是緩沖區(qū)資源和傳輸速率等之間的平衡。最后，ATM網(wǎng)將把那些吞吐量要求大、實時性要求高的信息優(yōu)先發(fā)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(tǒng)能力和用戶需求，但是，這種方法在不同服務(wù)之間的QoS的可比性，以及用戶如何根據(jù)維、類與系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)商方面仍存在不足。近來有人提出采用主客觀相關(guān)函數(shù)的方法來解決這一問題。

3. QoS協(xié)商和準(zhǔn)許控制

QoS協(xié)商指用戶和系統(tǒng)及用戶和用戶之間就所傳輸信息的服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行交互，最后根據(jù)應(yīng)用和系統(tǒng)資源確定系統(tǒng)和用戶的QoS的過程。

用戶和系統(tǒng)之間的協(xié)商過程如下：首先，協(xié)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(dú)立的QoS參數(shù)表示。用戶行為分解的基本準(zhǔn)則是這些參數(shù)的組合應(yīng)該保證用戶行為的QoS。在對用戶行為分析結(jié)束之后，系統(tǒng)把所得到的參數(shù)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(chǔ)上，系統(tǒng)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(wù)的情況和原因。

端到端的QoS協(xié)商分為前向和后向兩個階段。前向階段由一端的用戶發(fā)起，將該端用戶應(yīng)用所需要的QoS逐級向下層映射并進(jìn)行比較，如果得到允許，就通過網(wǎng)絡(luò)將QoS要求發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)另一端的用戶。在網(wǎng)絡(luò)另一端，用戶的QoS需求逆向映射到用戶應(yīng)用層并顯示給另一端用戶。在網(wǎng)絡(luò)該端的用戶得到另一端用戶的QoS需求之后，將根據(jù)自己的要求和處理能力修改得到的QoS參數(shù)，并逐層向下協(xié)商后通過網(wǎng)絡(luò)傳回發(fā)送端。發(fā)送端將根據(jù)所得到的QoS參數(shù)和協(xié)商情況決定QoS參數(shù)的級別。

每一個應(yīng)用都必須進(jìn)行QoS協(xié)商，QoS協(xié)商將用戶行為的QoS請求與系統(tǒng)可用資源進(jìn)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(fā)，確定QoS的級別。當(dāng)前，有關(guān)QoS協(xié)商和準(zhǔn)許控制的研究主要集中在QoS協(xié)商協(xié)議、協(xié)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(diào)度

QoS協(xié)商的最終結(jié)果是將用戶應(yīng)用的QoS請求與系統(tǒng)內(nèi)可以控制的資源進(jìn)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(tǒng)還必須進(jìn)一步分配網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)內(nèi)的可調(diào)配資源。這些資源包括CPU、進(jìn)程、線程、緩沖區(qū)、傳輸帶寬、路由表等。

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

5. QoS維護(hù)、監(jiān)視和控制

QoS維護(hù)是指在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不斷變化的情況下，動態(tài)地管理資源，以確保在QoS協(xié)商和資源分配過程中所確定的資源不受其他負(fù)載的影響。

QoS監(jiān)視是指系統(tǒng)的每一層動態(tài)地監(jiān)視下層的行為是否保證了預(yù)期的QoS。

QoS控制則是在QoS監(jiān)視的基礎(chǔ)上，對那些越界行為進(jìn)行強(qiáng)制性處理。

QoS維護(hù)在資源共享和被統(tǒng)計復(fù)用時表現(xiàn)得尤為重要，例如在CPU調(diào)度和ATM交換中，在處理超負(fù)荷和低優(yōu)先級輪空事件時，QoS維護(hù)保證用戶行為不受這些事件的影響。QoS監(jiān)視則是和QoS維護(hù)一起進(jìn)行的。通常采用的維護(hù)方法是，使用反饋循環(huán)將實際所得的QoS與預(yù)期的值作比較，通過調(diào)整系統(tǒng)資源來改善QoS。

6. QoS重協(xié)商

QoS重協(xié)商是對已確定的QoS級別進(jìn)行再調(diào)整的響應(yīng)過程。當(dāng)系統(tǒng)在最上層的用戶應(yīng)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(jìn)行QoS降級的消息。用戶將根據(jù)系統(tǒng)報告決定是進(jìn)行QoS重協(xié)商或終止用戶行為。

一般來說，QoS重協(xié)商不是對某一個QoS元素的局部調(diào)整，而是指整個行為所有QoS元素由用戶應(yīng)用級開始往下全部重新進(jìn)行QoS協(xié)商的過程。

7. 高速協(xié)議與基于QoS的支撐環(huán)境

當(dāng)前，廣域網(wǎng)上使用的傳輸協(xié)議以TCP/IP和UDP/IP為主。其中，點對點傳輸采用TCP/IP協(xié)議，成組廣播傳輸采用UDP/IP協(xié)議。這些協(xié)議存在的主要缺點是，對于TCP/IP協(xié)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(xié)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(wǎng)中構(gòu)筑新的高速協(xié)議就成了急需解決的重大課題之一。美國華盛頓大學(xué)的A.Danthine等人提出的基于QoS的TPX協(xié)議就是一個有用的嘗試。基于QoS的支撐環(huán)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(biāo)的操作系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)、分布式多媒體系統(tǒng)平臺，以及應(yīng)用開發(fā)工具等。

四、展望

隨著用戶對多媒體應(yīng)用需求的增加，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的急劇增加是明顯的。特別是在我國，網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)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(xiàn)在對外的網(wǎng)絡(luò)接口最高速率為128Kbps。因此，我國的Internet用戶無一不感到網(wǎng)絡(luò)速度太低，無法快速地獲取信息。這還是使用Netscape獲取數(shù)據(jù)信息時的狀況。解決上述問題的辦法有兩個，一是增加網(wǎng)絡(luò)帶寬和提高傳輸速度，二是采用本文所述方法對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)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(shè)高速寬帶網(wǎng)的條件下，如何以QoS為目的管理和控制網(wǎng)絡(luò)資源和計算機(jī)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(rèn)識。其實，就連美國的具有45Mbps速率的NSF網(wǎng)也已到了滿負(fù)荷邊緣。

另外，與西方國家相比我國的多媒體應(yīng)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(dāng)前，國際上有關(guān)QoS的研究剛剛開始，有關(guān)QoS研究的報告和文獻(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)的制訂和定義來看，還是從基于QoS的支撐環(huán)境來說，我們都有很多機(jī)會獲得突破。事實上，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的工作方式正在從簡單的聯(lián)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(xiàn)一個嶄新的計算機(jī)社會）方向發(fā)展。計算機(jī)的社會化、群體化的工作方式則要求系統(tǒng)為不同用戶提供用戶所需要的QoS。比起擁有高速信息網(wǎng)的美、日、歐等國家和地區(qū)來說，如何在中、低速網(wǎng)絡(luò)上適應(yīng)這一變革并開發(fā)出能提供用戶滿意的QoS的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品才是擺在我國網(wǎng)絡(luò)科技人員面前的一項非常艱巨的、充滿誘惑的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

（《計算機(jī)世界》報 1995年 第38期）