在家庭IP网络中提供QoS的设计考虑及解决方法
本文提出了在家庭网络环境中提供服务质量(QoS)保障的设计考虑因素，通过对实际的媒体接入考虑、排队和转发控制机制以及QoS特性管理的分析，认为基于优先级的媒体接入和包转发是在基于分组家庭网络中数据移动时保证QoS的最佳方法。
家庭网络相比于企业或者服务提供商基础架构内部网络具有很大的区别。同样地，在家庭网络中保证QoS要求的处理也不相同。企业基础架构或宽带接入基础架构网络一般利用专业管理设备以及工程有线设备，这些设备采用了能提供恒定带宽的技术。相反，家庭网络连接采用各种现有的有线技术或非工程配置的无线接入点，它们采用了具有不同带宽的技术。没有多少经验或网络管理知识的家庭网络用户通常不希望主动地去管理他们的网络，家庭中的应用趋向于那些具有不同带宽和包特性的多媒体密集型应用。
一旦像家庭网络环境的这些特性被确定，就可以开始评估提供适当QoS方案的技术。最终的QoS系统应该注意以下的设计考虑(图1)：
媒体接入(media access)：网络上的每个设备如何接入共享媒体？
包转发：在家庭网关、路由器或者网桥内部如何转发数据包？
QoS特性：家庭网络设备的用户、操作者和应用程序如何管理期望的QoS特性？
为在家庭网络中提供QoS，设备上的网络接口必须执行两个基本功能：媒体接入和包转发。QoS媒体接入是确定什么时候将包从设备发送到网络上，以便不妨碍另外一个设备适时的媒体包传输。特别的，规则要求指出可接受时间，每个设备上的网络接口可能在这样的假设下发送数据：多个设备将在几乎相同的时间发送数据。
QoS包转发是根据提供QoS的规则集发送来自单个设备内一个或多个网络接口的数据包的过程。一般地，住宅网关是家庭网络中这个具有多个网络接口的单个设备，在多种网络技术之间转发必须需要一些规则。可以以两种不同范例之一来实现两种基本的QoS功能：分优先级的QoS或者参数化(预定的)QoS。分优先级范例是针对共享媒体技术和区分的媒体接入。在这种方法下，当数据包进入到网络就被打上标记，这些标记由在像住宅网关这样的设备处的区分转发/排队引擎授予。
参数化范例(parameterized paradigm)是针对共享媒体技术以及规划的媒体接入机会。在这种方法中，所有的设备和应用必须请求特定量的时间来发送它们的数据，规划的媒体转发根据流状态执行，在每一跳(hop)发送信令。
在下面的讨论中，我们将展示为什么基于优先级的媒体接入方案非常适合于家庭网络。我们将从展示如何应用包转发来保证不同家庭网络技术之间的QoS来开始这个讨论；然后，我们将讨论一个系统对家庭网络中所有的设备怎样进行优先级分配和管理；最后的讨论围绕基于QoS方案设计的CableHome QoS和UPnP QoS架构，这些架构以一个完整系统的形式实现了家庭内部媒体接入、包转发和特性管理。注：本文假设在家庭内的网络部分是基于IP的，数据和内容是通过基于IP的接入网络发送到家庭，基于IP的家庭内部网络允许底层网络部分对应用透明。
实际的媒体接入考虑
今天的家庭网络采用了三种技术：10/100baseT以太网、IEEE 802.11g/b/a(Wi-Fi)和HomePNA。在将来，像HomePlug这样的其他技术可能变得流行。
很多人会根据有线和无线来对这些技术进行划分，但对于QoS来说更好的分类应该是共享媒体相对于点对点。交换式10/100BaseT以太网是一种点对点的技术，本质上，每段媒体上只有一个设备。所有其他技术为共享媒体技术，在这些方法中，多个设备共享一个媒体段，需要一些机制来控制设备如何在媒体上发送信息。
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图1：三个QoS设计考量： 媒体接入、包转发和QoS特性。 |
家庭中的绝大多数集线器不支持参数化或IEEE 802.1p/q优先级方案，而且不可升级来实现这些功能支持。然而，当在家庭网络上增加像CableHome这样的业务时，现有的集线器将可能为集成到住宅网关内的交换机所替代。
对交换式以太网(switched Ethernet)而言，不同的媒体接入并没有多大的意义，因为数据流是点对点的，在这样的链路上实际不会有竞争。很多住宅网关内置有四或五端口以太网交换机，因此对于每个以太网端口来说不太会有QoS问题。100BaseT带宽足够解决大多数家庭网络的带宽和延时要求，尤其是当专用在点对点链路上。这样，为了QoS媒体接入目的，家庭中的以太网可以考虑点对点的技术，与共享媒体技术分别处理。
所有其他标准的共享媒体技术，例如802.11 b/g/a、HomePNA以及HomePlug具有或即将具有对基于优先级的QoS方案的一些支持。总之，这些基于优先级的媒体接入技术是根据优先级来控制哪个设备先接入媒体。那些具有最高优先级数据流的设备允许优先发送，然后根据可用的带宽，那些低优先级数据流的设备再获得机会在媒体上发送它们的数据。一般优先级方案不能严格控制最高优先级数据流占用的带宽。
参数化QoS依赖于这样的假设：底层的物理层/媒体接入控制(PHY/MAC)技术能提供非常稳定的带宽和最小的抖动。对于以太网或Docsis这样的网络技术来说，这个假设是可接受的，但是对于像无线局域网、电话线和电力线这样的家庭网络技术来说是不恰当的，因为这种网络的吞吐量和抖动会受快速变化的干扰以及零星干扰严重影响。
为获得对参数化保障的较高信心，必须对底层参数做出最保守的估计，保守的估计导致与一般的操作大不相同的情况。此外，除了音频或者视频(AV)以外，绝大多数的应用没有QoS考虑。因此，家庭网络首选基于优先级的媒体接入。
可行性
如果要求QoS的新业务被加入到家庭网络中，新的设备必须包含必要的QoS信令功能。在安装这样的设备之前，假定具有QoS功能的由服务提供商管理的住宅网关已经存在。这个住宅网关可能支持那些没有可管理QoS功能的已有PC以及互联网设备。
通常，对已有主机的改变，无论是软件或者是硬件改变可能都是不可行的。因此，家庭QoS方案必须在传统设备存在的情况下可以工作。
分优先级的媒体接入可以覆盖在现有的共享媒体家庭网络上。尽管上面提到的不同家庭网络技术具有设置优先级的方法，但总体上没有一个实体来设置优先级。使用那些技术的数据流趋向于尽力而为的传送。因此，当QoS被加入到住宅网关，来自住宅网关的数据流可以被分优先级。
同样，符合QoS规范的网络用户设备可以使用分优先级的媒体接入，不符合的设备将继续使用尽力而为的优先级。这样一来，对于家庭网络中既有支持QoS的设备又有不支持QoS的设备的情况，可以通过在共享接口上设置优先级来实现QoS，并只在住宅网关的交换式以太网接口上发送适当的数据流。
叠加于传统Wi-Fi网络的分优先级QoS系统的一个实例是基于IEEE 802.11e草案EDCA部分的WiFi Wireless Multimedia Enhancements(无线多媒体增强,WME)。对于高优先级的数据流，WME缩短接入参数以便数据包在传统设备发送数据流之前发送，WME还能增长接入参数，以允许具有比传统数据流优先级低的背景类数据流(background class of traffic)。
然而，参数化的媒体接入不能叠加在传统网络上，因为传统设备不能防止在中央控制器分配给符合QoS规范的(新的)设备的时间内发送数据。传统设备不能在共享网络上对参数、预留位和带宽管理器操作。
排队和包转发
在如住宅网关这样的具有多个网络接口的任何设备中，需要一种机制来对从多个端口接收到并将通过单个接口再发送的包进行控制。这种控制过程称为转发优先级或者排队。
有几种途径来实现基于优先级的包转发机制。如果接收数据包的接口包含一个第二层(L2)或第三层(L3)的优先机制，并且如果在不同接口上的优先级具有全局相关性(global relevance)，那么这些数据包可能仅仅根据它们的相对优先级进行排队发送。
L3机制需要将包进行标注/标记(marked/labeled)，标记必须映射到L2机制以提高在共享媒体上的优先级。如果L2和L3上的不同标记被映射，可以根据L2或L3上的标志(indicator)来进行排队决策。
802.1p的再生特性提供了检查包内容以及标记包在下一个转发器上的优先级的能力。然而，即使住宅网关接收的数据包内容被检查以确定它是否是高优先级，对于在WAN(DSL或有线modem)传输或返回到LAN的数据包进行标记处理并没有多大的价值，因为住宅网关仅仅必须做出一个关于将其放入哪个队列的内部决策。
如果接收器接口基于参数来实现QoS机制，排队决策或许可以基于延时或抖动参数来进行流规划。然而，如果数据包的长度可能意味将接收一个潜在低延时的数据包，并必须在一个特定的发送机会发送的话，根据包的长度来决定一个包是否应该传输将可能问题重重。
由于QoS优先级包转发方法完全存在于住宅网关内，可以被看成对现有的包处理性能的一个很小的提升，通过软件升级，这种新的QoS功能特性相对容易实现。幸运的是，这种方法还可以处理所有连接到接口上的传统设备，因为QoS包转发在住宅网关内部实现的。
QoS特性管理
上面我们讨论了在家庭网络中和住宅网关内分优先级的数据是如何移动的。但是，主机和应用如何确定什么数据应该具有优先权？QoS特性管理功能通过执行下面两个主要功能可以回答这个问题：
- 设置基本的网络策略决定哪个应用得到哪个高优先级；
- 在家庭网络设备之间沟通应用信息和分配的QoS优先级。
家庭网络用户保留对哪些应用应该获得比其他应用更高优先级的决策权。例如，用户可能希望流媒体获得比网络游戏更高的优先权。如果住宅网关由服务提供商提供，提供商可能建议默认优先级或者通过住宅网关提供优先级管理。默认优先级在运营商服务区域内可能都是一致的，或者根据每个家庭进行定制，以解决对于某个家庭的不同服务的差异。
优先级策略可能采用标准的信息，例如服务或者应用名称。除了基于应用或服务的优先级定义，基于每个网络设备或者目的设备的更精细的控制也可能是值得期待的。
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图2：有线QoS的组成单元 示例(摘自ITU-T J.190)。 |
一旦优先级分配的策略确定后，这个策略必须为家庭网络上的所有符合QoS规范的设备共享。这样一来，QoS特性管理的第二个功能就是提供管理头端或QoS策略拥有者与住宅网关，并进一步与主机对期望的QoS特性进行沟通。
除了住宅网关上已有的管理接口，必须有一个允许运营商管理和修改默认QoS的管理接口库(MIB)。住宅网关也必须被告知不同主机上应用的存在。然后，QoS特性管理的媒体接入特性被住宅网关通过一个指定的消息和协议传递到主机，这告知主机在其上运行的应用应该用哪个优先级。
在传统PC上，分优先级的媒体接入可以利用已有的API由附加的软件来实现。某些操作系统和网络堆栈允许应用发送优先级或参数信号。例如，Windows最新版本包括了GQoS API，在这里应用可以通过Winsock2网络堆栈请求802.1p优先级或RSVP参数。其它的平台，例如使用vconfig的skb优先级的Linux内核2.4.14以及以上版本，具有能实现QoS的网络堆栈。利用那些实现了QoS的接口的两个QoS特性管理系统是CableHome和UPnP QoS，将在下面介绍。
基于优先级的QoS系统的应用
在家庭网络上的媒体接入和包排队上考虑了以上问题的情况下，CableHome QoS架构规定了一个基于优先级的范例。这与基于参数的范例形成了鲜明的对比，基于参数的范例一般用作有线宽带接入网络的QoS。因此，这种CableHome QoS架构的领域专注于在家庭内住宅网关和网络设备之间提供QoS。总的网络目标变成：实现家庭网络应用以建立在CableHome主机和CableHome住宅网关之间使用一致消息的分优先级数据传输。
为获得这个目标，建立三个主要的设计指导方针来解决本文开始提出的三个设计考虑问题：
- QoS媒体接入：CableHome QoS定义了针对CableHome住宅网关和CableHome主机在共享媒体上采用优先级控制传输接入的机制。该机制提供了在家庭网络中到不同设备和应用的分优先级的媒体接入。
- QoS转发：CableHome住宅网关支持一种排队机制，该机制对从多个接口接收到的数据包以及将通过每个接口再发送的数据包进行分优先级。
- QoS特性管理：CableHome QoS规定了在家庭网络内部的CableHome主机和CableHome住宅网关之间进行QoS特性(优先级设置)通信一种信号发送和管理机制。这种机制在CableHome住宅网关内汇集并管理。
采用一种逻辑架构而不是面向设备的架构来定义对符合QoS规范的设备的要求。CableHome QoS架构显示在图2中，由下面的实体组成：
包含CableHome QoS影响范围的Q域。头端设备管理CableHome QoS功能，但不在Q域内；
CableHome住宅网关(CRG)包含入口服务(portal services，PS)逻辑单元；
CableHome host(CH)包含边界点(BP)逻辑单元；
CableHome QoS入口子单元(CQP)；
CableHome QoS边界点子单元(QBP)。
CQP用作符合QoS规范的应用的汇集器，其主要功能是在家庭网络内部实现基于优先级的QoS，它执行基于优先级的排队/转发以及产生自PS的数据流的媒体接入，它还负责到家庭中不同设备的QoS参数通信。在UPnP QoS架构中，这个功能称为QoS管理器服务。
QBP子单元执行产生于BP的流的基于优先级的媒体接入，它还负责对来自PS的QoS参数信息接收。在UPnP QoS架构中，这个功能被称为QoS设备服务(QoS device service)。这些单元利用在ITU-T J.190和J.192 IPCable2Home或CableLab的CableHome架构中的以下功能来提供QoS：
PS转发：在CQP中的分优先级的排队和包转发功能。
PS媒体接入：在CQP中的分优先级共享媒体接入功能。
QoS管理服务器：该CQP功能负责为家庭网络内部不同设备和应用的QoS优先级参数储存，还负责到这些设备和应用的这些参数通信。
BP媒体接入：QBP中的分优先级共享媒体接入功能。
QoS管理客户：该QBP功能在QoS管理服务器的支持下，确定某个特定应用/设备需要使用的QoS参数。
在CableHome QoS环境中，应用或者与BP相关的端点在使用UpnP中的协议的发现阶段被QBP到CQP识别和通信。那些应用的分优先级处理是通过咨询运营商数据库以及分配优先级的用户来决定的。在UPnP QoS架构中，这个数据库被称为QoS策略拥有者服务(policy holder service)。那些针对应用的优先级始终用在由BP产生的IP数据包，通过整个家庭内部网络中的PS。
标准化的消息很少在QBP和CQP之间就优先级分配信息进行通信。BP使用像WME这样的本地L2分优先级媒体接入机制在共享媒体网络上发送包。CQP实现对通过其接口的包的分优先级排队机制。那些标准化的消息可以通过利用UPnP QoS架构来增强。UPnP QoS允许那些支持QoS的消费电子设备相互发现对方，然后使用通常驻留在住宅网关中的QoS策略保持者服务，在整个家庭网络和应用中统一分配优先级。
本文总结：
基于优先级的媒体接入和包转发方法推荐给那些期望QoS的家庭网络。这个建议是基于在传统网络设备存在的情况下，在不同家庭网络技术上管理带宽的可行性。家庭QoS和接入系统QoS的补充将提供一个能提供高质量、产生利润的业务的低成本方法，这种方法不需要替换现有的家庭内部网络设备。
作者：Stephen Palm Broadcom公司
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