信息高速公路中多媒体服务质量（QoS）的管理与控制

一、引言

发展高速公路是为了解决交通拥塞。然而，是否有了高速公路就一定能够解决交通拥塞呢？这取决于高速公路设计流量与容纳能力及汽车的增长速度是否大于这个设计能力。与高速公路相似，信息高速公路是为了解决多媒体信息的大量高速传输而提出来的。同样，我们也要问一个问题，即有了信息高速公路，是否就一定能够解决信息的传输拥塞问题呢？回答是否定的。其原因除了需要传输多媒体信息的用户数量的增长大大超过信息高速公路设计传输能力的增长之外，还有很重要的一点就是在信息高速公路上传输的信息单元不同于高速公路上奔驰的汽车，它们不具备识别自己要走的路径及自己要达到的目的地等的能力，只能依靠计算机（包括收发方主机、路由器、交换机等）对其进行处理。因此，如何高速地处理这些信息也成了解决信息高速公路拥塞的关键问题之一。

另外，用户信息的多媒体化对信息传输提出了新的要求。多媒体信息是二进制数据、语音、图像和视频等各种媒体信息的总称。传输不同媒体的信息对通信系统的性能要求不一。例如，语音传输要求传输延迟和延迟变化都非常小，但对出错率要求不高，有一点失真也没关系。然而，传输不同的视频信息则都要求有较大的带宽和非常小的延迟变化。表1列出了一些常见多媒体应用对带宽、延迟变化和出错率的要求。

另外，传统的数据传输应用对网络的传输性能要求也不完全一样。例如FTP要求100%的正确率和较大的吞吐量，但对延迟不十分敏感。Telnet则是一种交互性的操作，对实时性和可靠性要求较高。其中实时性要求可以低于视频和声频信息，但可靠性则要大大高于普通声频和视频信息。

显然，众多多媒体应用的出现导致了用户对网络性能的不同要求，也就是说，网络需对不同的多媒体应用提供不同质量的服务，以满足用户需求。

现有网络的资源分配方法大多采用静态方式，例如，网络带宽的分配大都是固定的。这显然不利于多媒体信息的有效传输，极易造成资源浪费，而且成本较高，用户又很难获得最佳的服务质量。因此，如何统一地描述和衡量多媒体应用对网络服务质量的不同要求，并合理高效地管理、协调和分配计算机系统资源与网络资源，是解决高速信息公路拥塞的重要课题。

二、什么是QoS

1. QoS的一般描述

服务质量（Quality of Service），简称QoS，是一个抽象概念。它是用户和服务提供者之间及发送和接收信息的用户之间有关信息传输的质的约定。服务质量包括用户要求（User's Request）和服务提供者的行为（Activity）两个方面，用户要求是用户进行多媒体通信时所要求的传输性能和表示质量等，服务提供者行为指系统能够提供和达到的性能。

由于计算机网络是层次化的体系结构，因此，服务质量的体系结构也是层次化的。高层用户将把所要求的服务质量以参数形式传递给低层，低层为高层用户提供所需要的服务。每层的服务质量的内容及实现这些服务质量的方法和技术各不相同。

高速信息公路的每一层都应该按最高的性能价格比为用户提供所需的QoS。对QoS的研究开始于20世纪80年代初期。但是，由于当时网络性能比较低，能够提供服务的种类较少，人们对QoS的研究主要停留在性能评价、吞吐量的计算、服务质量的定义、数据流传输中的正确率和数据延迟等方面。直到20世纪80年代末期和90年代初期，随着宽带ISDN技术及ATM交换技术与多媒体应用的急剧发展才误使人们对QoS管理和控制的深入研究。国际标准化组织ISO及CCITT（现称ITU）还分别于1988年和1990年对OSI参考模型及基于ATM的B-ISDN网络定义了相应的QoS。

2. OSI参考模型中的QoS

OSI参考模型把QoS定义为面向功能的和非面向功能的两种。与此相对应，这些QoS用不同的参数来描述，其定义如表2和表3所示。

3. CCITT的QoS定义

从表2和表3可知，OSI参考模型的QoS定义主要是针对数据传输的。在该定义中未考虑传输出错的概率分布及传输峰值的持续时间等。例如，对于声频信号来说，尽管一般情况下，语音失真率在25%左右是允许的，但是，如果失真的25%的声音信号连续集中在某一部分的话，其失真就变得不能容忍了。对此， CCITT又于1990年制订了CCITT-I系列建议。该建议从呼叫控制、连接及数据单元控制等三个不同层次上定义了宽带ISDN网的QoS。该定义在呼叫控制级的QoS包括连接延迟、连接失败率及释放延迟和释放失败率等。连接级和数据单元控制级的参数包括数据单元峰值到达率、峰值持续时间、数据单元平均到达率、峰值率与平均到达率之比、数据单元丢失率、比特出错率、数据单元插入率等。

不过，迄今为止的QoS定义及QoS管理和控制方法都是站在服务提供者，也就是网络系统的基础上制订的，这些定义和方法很少站在用户的立场上考虑问题。这也就带来了用户无法有效地根据自己的应用提出QoS要求，以及和系统通信对方协商QoS的困难。

三、QoS研究的主要技术课题与发展动态

如上所述，根据用户应用的QoS要求，系统依据网络负载和资源使用情况动态地为用户分配能满足用户QoS需求的资源是解决高速信息公路拥塞、并得到好的服务质量的关键技术之一。那么，当前有关QoS研究的主要技术课题是什么？发展动态又如何呢？

当前，有关QoS的研究大致集中在如下几个方面：QoS标准制订（即QoS定义），QoS协商协议与方法，根据QoS要求的资源分配和调度，QoS维护、监视和控制方法，QoS驱动的支撑环境，以及基于QoS的高速协议等。围绕这些研究课题，国内外都已展开了研究。例如，英国曼彻斯特大学正在进行的QoS-A工程、Esprit OSI95工程，以及富士通研究所和清华大学计算机系合作进行的Mouse工程等都是围绕QoS的上述有关课题进行的。下面我们进一步介绍这些课题。

1. QoS管理

所谓QoS管理，是指计算机网络系统按照一定的管理策略，对用户应用所需要的QoS进行分类统计，并调用相应的资源分配和调度程序去保证用户得到所需QoS的过程。QoS管理是现有网络管理的升级，它包括现有网络管理的所有内容，并从服务质量的角度去管理用户和系统。与传统网络管理不同的是，QoS管理将对用户提出的QoS要求进行审查，以检验用户是否提出了过高的QoS要求，并看网络系统是否能提供满足用户QoS要求所需的所有资源。当系统不具备满足用户要求所需资源时，和用户协商是否要以降级使用较低级的服务。

2. QoS的分层、分维和分类

如前所述，OSI和CCITT（ITU）的QoS定义主要是站在系统的角度考虑问题，对用户服务的性质、类型，以及QoS要求考虑较少。另外，OSI和CCITT尽管分层次描述了系统的QoS，但是，由于描述各层QoS的工作小组是单独工作的，因此，各层的QoS之间的关系不明确、不一致。如何建立能反映用户和系统二者的QoS需求与定义的QoS模型就成了QoS研究中必须解决的技术课题之一。

英国曼彻斯特大学的研究小组在QoS-A工程中提出了一个按系统处理方式对QoS进行分层、按用户需求和应用进行分维，并将不同维中具有某些共同属性的QoS组成类的新方法。图1是QoS-A对QoS进行分层、分维和分类的一个例子。

在图1中，QoS被划分为四个不同层次，即应用平台和操作系统层、协商调整层、传输系统层与ATM网络层。与各层相对应，用户要求的QoS被设置成了不同的维，例如突发、延迟、吞吐量、出错率等。图1只给出了少部分用户的QoS要求。这些QoS要求在不同的层中被映射成不同的操作。例如，为了获得用户要求的吞吐量，在应用平台层和操作系统应选择合适的调度策略和方法，以保证用户应用的QoS要求。而在操作系统与传输系统之间，系统还必须调整传输速率等比例值以便在用户应用得到CPU等资源处理之后，按所要求的速率传输转发。流量控制则是缓冲区资源和传输速率等之间的平衡。最后，ATM网将把那些吞吐量要求大、实时性要求高的信息优先发送，从而使得用户要求的QoS得到满足。

分层、分维和分类定义QoS的方法较好地反映了系统能力和用户需求，但是，这种方法在不同服务之间的QoS的可比性，以及用户如何根据维、类与系统进行协商方面仍存在不足。近来有人提出采用主客观相关函数的方法来解决这一问题。

3. QoS协商和准许控制

QoS协商指用户和系统及用户和用户之间就所传输信息的服务质量进行交互，最后根据应用和系统资源确定系统和用户的QoS的过程。

用户和系统之间的协商过程如下：首先，协商程序分析用户的行为，将其分解为一些元素，使得每一个元素都可由一个或多个独立的QoS参数表示。用户行为分解的基本准则是这些参数的组合应该保证用户行为的QoS。在对用户行为分析结束之后，系统把所得到的参数组映射到相邻的低层，并确定相邻的低层是否能够支持这些QoS要求。在此基础上，系统将为用户的行为元素定出各自的QoS级别，或者向用户报告拒绝服务的情况和原因。

端到端的QoS协商分为前向和后向两个阶段。前向阶段由一端的用户发起，将该端用户应用所需要的QoS逐级向下层映射并进行比较，如果得到允许，就通过网络将QoS要求发送给网络另一端的用户。在网络另一端，用户的QoS需求逆向映射到用户应用层并显示给另一端用户。在网络该端的用户得到另一端用户的QoS需求之后，将根据自己的要求和处理能力修改得到的QoS参数，并逐层向下协商后通过网络传回发送端。发送端将根据所得到的QoS参数和协商情况决定QoS参数的级别。

每一个应用都必须进行QoS协商，QoS协商将用户行为的QoS请求与系统可用资源进行比较，并从所用资源最少和获得用户满意度最高的角度出发，确定QoS的级别。当前，有关QoS协商和准许控制的研究主要集中在QoS协商协议、协商模型，以及QoS比较和判断策略等方面。

4. 基于QoS的资源分配和调度

QoS协商的最终结果是将用户应用的QoS请求与系统内可以控制的资源进行比较后得到不同的QoS级别。但是，为了使用户得到满意的QoS，系统还必须进一步分配网络和计算机内的可调配资源。这些资源包括CPU、进程、线程、缓冲区、传输带宽、路由表等。

合理地进行资源分配和调度是成功进行QoS管理的关键。然而，资源分配又是一个与QoS协商密切相关的问题，资源分配与QoS协商过程通常是一个多次反馈过程。而且，在现有操作系统中，像CPU时间、进程与线程资源等是由操作系统的既定策略调度与分配的，从而无法对不同的QoS需求做出合理的响应。因此，基于QoS的资源分配和调度的难度较大。到目前为止，研究人员提出了几种预约式资源分配控制方法。加尼福利亚大学伯克利分校的D.P.Anderson教授提出了一种支持端系统和网络资源分配的SRP协议，施乐公司的L.X.Zhang等提出了对信息接收方的资源进行预约的RSVP算法。再者，最近还出现了从QoS驱动的角度设计和抽象操作系统的新动向。不过，总的来说，基于QoS的资源分配和调度方法的研究还处于起步阶段。

5. QoS维护、监视和控制

QoS维护是指在网络负载不断变化的情况下，动态地管理资源，以确保在QoS协商和资源分配过程中所确定的资源不受其他负载的影响。

QoS监视是指系统的每一层动态地监视下层的行为是否保证了预期的QoS。

QoS控制则是在QoS监视的基础上，对那些越界行为进行强制性处理。

QoS维护在资源共享和被统计复用时表现得尤为重要，例如在CPU调度和ATM交换中，在处理超负荷和低优先级轮空事件时，QoS维护保证用户行为不受这些事件的影响。QoS监视则是和QoS维护一起进行的。通常采用的维护方法是，使用反馈循环将实际所得的QoS与预期的值作比较，通过调整系统资源来改善QoS。

6. QoS重协商

QoS重协商是对已确定的QoS级别进行再调整的响应过程。当系统在最上层的用户应用接口处检测到下层已无法保证用户的QoS要求时，向用户报告需要进行QoS降级的消息。用户将根据系统报告决定是进行QoS重协商或终止用户行为。

一般来说，QoS重协商不是对某一个QoS元素的局部调整，而是指整个行为所有QoS元素由用户应用级开始往下全部重新进行QoS协商的过程。

7. 高速协议与基于QoS的支撑环境

当前，广域网上使用的传输协议以TCP/IP和UDP/IP为主。其中，点对点传输采用TCP/IP协议，成组广播传输采用UDP/IP协议。这些协议存在的主要缺点是，对于TCP/IP协议来说，尽管提供了端到端的可靠连接，但其处理时间过长，无法满足QoS的实时性要求。相反，UDP/IP协议处理时间少，但不提供端到端的可靠连接，在QoS的可靠性要求方面有所欠缺。因此，如何在以ATM为代表的高速信息网中构筑新的高速协议就成了急需解决的重大课题之一。美国华盛顿大学的A.Danthine等人提出的基于QoS的TPX协议就是一个有用的尝试。基于QoS的支撑环境是上述各种研究课题的总体集成，包括以满足QoS要求为目标的操作系统的设计与开发、分布式多媒体系统平台，以及应用开发工具等。

四、展望

随着用户对多媒体应用需求的增加，网络负载的急剧增加是明显的。特别是在我国，网络的传输速度和性能都受到了较大限制。例如，尽管具有2.048Mbps传输速率的DDN网已于1994年开通，但距真正全面使用，恐怕还有一定的距离。我国现在对外的网络接口最高速率为128Kbps。因此，我国的Internet用户无一不感到网络速度太低，无法快速地获取信息。这还是使用Netscape获取数据信息时的状况。解决上述问题的办法有两个，一是增加网络带宽和提高传输速度，二是采用本文所述方法对网络资源进行综合管理和合理利用，以保证在使用资源最少的情况下获得最好的用户满意度。显然，这两种解决途径是相辅相成的。特别是在我国，在缺乏巨额资金大量建设高速宽带网的条件下，如何以QoS为目的管理和控制网络资源和计算机资源就成了一个极为重要的问题，尽管目前我们对这点或许没有多少认识。其实，就连美国的具有45Mbps速率的NSF网也已到了满负荷边缘。

另外，与西方国家相比我国的多媒体应用具有一定的特殊性。例如，汉字、汉语等都是其他国家所没有的。而这些媒介在QoS中又占有极其重要的地位。因此，我们有必要尽早开展在该方面的研究。

当前，国际上有关QoS的研究刚刚开始，有关QoS研究的报告和文献大都在Internet上，在正式出版的杂志上，几乎很难找到。因此，无论是从QoS标准的制订和定义来看，还是从基于QoS的支撑环境来说，我们都有很多机会获得突破。事实上，计算机网络的工作方式正在从简单的联合向多层次、智能化、合作化及社会化（与人类一样，不久的将来，将会出现一个崭新的计算机社会）方向发展。计算机的社会化、群体化的工作方式则要求系统为不同用户提供用户所需要的QoS。比起拥有高速信息网的美、日、欧等国家和地区来说，如何在中、低速网络上适应这一变革并开发出能提供用户满意的QoS的网络产品才是摆在我国网络科技人员面前的一项非常艰巨的、充满诱惑的挑战和机遇。

（《计算机世界》报 1995年 第38期）