基于IMS的動態QoS控制

何菲

（泰州供電公司，江蘇泰州 225300）

1 IMS系統

IMS技術即IP多媒體子系統技術，是由3GPP標準化組織編制的下一代網絡架構，它能夠滿足終端客戶更新穎、更多樣化多媒體業務的需求，是新一代網絡的核心技術，也是解決移動與固網融合，引入語音、數據、視頻三重業務融合等差異化業務的重要方式。IMS可以實現對全新的用戶-用戶業務、用戶-服務器業務（IPTV）和多用戶媒體業務的控制和執行。一種典型的IMS網絡解決方案如圖1所示。

由于IMS必須提供一種高效益的解決方案。因此，IMS提供的業務必須根據服務等級協議（SLA）進行支付并保證服務質量（QoS）。因業務流量可能在任何時間、任何地點產生，則對于QoS的管理必須根據用戶的需求動態實現。在IMS系統中建立一種靈活且健壯的的QoS管理系統對于實現網絡中的服務質量保證是十分重要的[1]。

2 IMS體系架構和主要協議

2.1 主要功能實體

（1）代理呼叫會話控制功能 （P-CSCF），它是IMS系統中用戶的第一個接觸點，轉發所有SIP客戶端的注冊和呼叫；

（2）代理呼叫會話控制功能（I-CSCF），它是歸屬域的入口，為每個呼叫找到相應S-CSCF；

（3）服務呼叫會話控制功能（S-CSCF），它是整個IMS的控制核心，位于歸屬網絡，它完成用戶的注冊認證、會話控制、URI解析、應用服務器觸發等功能；

（4）歸屬用戶服務器（HSS），它是用戶數據庫服務器，包括用戶身份、注冊信息、接人參數和服務觸發信息等；

（5）簽約關系定位功能（SLF），當部署了多個HSS時，能夠找到給定用戶簽約的HSS，向I-CSCF和S-CSCF提供用戶標識到HSS名的解析；

（6）媒體資源控制器（MRFC）和媒體資源處理器 （MRFP），根據S-CSCF和應用服務器的調用，MRFC通過H.248協議控制MRFP完成相應的媒體流編解碼、轉換、混合和播放，在系統中起到會議橋和IVR的作用；

（7）媒體網關控制功能 （MGCF），它是實現IMS用戶和CS用戶通信的網關；

（8）媒體網關 （MGW），它提供 CS網絡（PSTN，GSN）和IMS之間的用戶平面鏈路；

（9）出口網關控制功能（BGCF），它負責選擇到CS域的出口位置，其一是選擇同一網絡中的MGCF和MGW，其二是選擇不同IMS網絡中的另一個BGCF，并由其選擇MGCF來實現到CS域的出口。

2.2 主要協議

IMS系統架構的主要信令協議為SIP協議。SIP是由IETF定義，基于IP的一個應用層控制協議。SIP協議已經廣泛使用在Internet上。SIP會話實現是基于請求/應答模型，實現在2個SIP用戶代理之間雙向會話描述的交互，與請求/應答交互相關的用戶代理能獲得實現一個會話所需的所有信息。

SIP為應用層協議，基于傳輸控制協議（TCP）或者數據包協議（UDP）來實現對IP多媒體會話的控制 （建立、修改和終止）。它和超文本傳輸協議（HTTP）及簡單郵件傳輸協議（SMTP）協議一樣，SIP協議依賴文本信息格式來請求和應答兩個用戶代理或服務器之間的對話。為了保證媒體數據的傳送，終端還需使用由IETF定義的其他兩個協議：實時傳送協議（RTP）和實時傳送控制協議（RTCP）。

公共開放策略服務（COPS）協議是由IETF定義，用于支持基于IP的QoS環境中的策略控制。

3 IMS中基于策略的QoS架構

策略是網絡運營者定義的一種基于應用層業務類型和服務方式，用來管理網絡資源、提高服務質量的管理方法。通過引入策略控制方法來管理網絡，可以使網絡靈活的為用戶提供服務，而不必了解網絡的類型、運行機制或具體配置。IETF定義了一種策略框架，通過傳送策略規則以實現對網絡設備配置步驟的規范。

在基于策略的網絡中，策略是一系列規范的描述，用于定義網絡資源在各終端如何分配。基于策略的網絡中主要包括2種功能實體：策略確定節點（PDP）和策略執行節點（PEP）。策略規則是以策略模型規范的形式定義并存儲在策略存儲器中，通過策略管理工具調用。

當PEP發起一個請求時，PDP將從策略存儲器中檢索到相應的策略規則。然后，策略規則將轉換為配置信息發送到相應的PEP去執行。

IMS中的QoS架構是一種基于策略的QoS架構，它基于業務的策略控制機制，為QoS提供動態控制。這種架構為保證IP傳輸中QoS的一些重要指標（如帶寬，端到端時延，時延抖動，傳輸速率及誤碼率等）起到了重要作用。IMS網絡中的IMS會話控制并不直接控制承載網絡的資源分配，因此需要在IMS會話層和傳輸層之間建立一套交互機制。IMS網絡中的QoS機制完成IMS媒體業務流將要適用的承載業務的授權和控制，它是基于在IMS會話中所協商的會話描述協議（SDP）參數，這種交互被稱為基于業務的本地策略。

4 IMS中的QoS服務模型

在業務傳送場景中的大部分流量是音頻和視頻通信。這些流量的特性是在數據傳送過程中存在時延限制。為了解決這種時限要求，系統必須監控網絡參數并保證數據流的網絡資源。這些都需要有QoS管理機制來實現。IETF組織定義了兩種基于IP網絡的QoS模型：綜合服務模型（IntServ）和區分服務模型（DiffServ）。

（1）綜合服務模型。綜合服務模型被設計用于提供端到端QoS，其基本思想是對屬于不同數據流的分組在路由器中進行不同的處理。端點為其數據流請求一定水平的QoS，如果網絡接受這個請求，路由器將據此處理這個數據流。綜合服務模型為應用提供其所要求的端到端行為，使應用能夠為其數據包的傳送選擇服務等級。為了支持端到端的QoS，數據包所經過的每個網絡元素 （子網和IP路由器）都必須能夠支持控制QoS的機制，并且必須提供一種手段把應用的要求通知給每個網絡元素，并在應用與網絡元素之間傳送QoS管理信息。

（2）區分服務模型。區分服務模型定義了一種可以在互連網上實施可擴展的服務分離體系結構，它解決了綜合服務模型中存在的一些問題。較之綜合服務模型，區分服務模型Diffserv重點放在聚合數據流和每一條行為（PHB）上，從而在很大程度上簡化了信令的工作。DiffServ定義了三類合適在IMS中實現PHB。

① 加速轉發 EF （Expedited Forwarding）PHB：這種方式則不用考慮其他流量是否分享其鏈路，適用于低時延、低丟失、低抖動和確保帶寬的端對端的業務；

② 確保轉發 AF（Assured Forwarding）PHB：每個AF類又分為3個優先級，可以對相應業務進行等級細分，QoS性能參數低于EF類型；

③ 默認或盡力而為型 BE（Best Effort）PHB：沒有任何QoS保證，AF類超限后可以降級為BE類，現有IP網絡流量也都默認為此類。

除了上述兩種服務模型，還有一些將IntServ和其他QoS模型相結合的可升級的動態QoS模型；同時，DiffServ模型本身也是可以升級的[2]。

5 IMS中的動態QoS和SLA

5.1 服務等級協議

服務等級協議（SLA）是服務等級合同（SLC）的關鍵部分。SLC是由業務提供者向終端用戶提供的網絡連通性、服務質量和服務類型等的合同。SLA能作為基于策略的網絡的觸發器，能夠幫助高效網絡的運作并提供可測量性。同時，通過策略保證網絡應用流量的優先級是管理基于服務等級網絡的重要方面。

5.2 動態QoS

IETF已經定義了基于策略的網絡管理架構（PBNM）以設置網絡業務。目前，大多研究都是基于DiffServ模型。基于策略的網絡管理目標是通過定義設置原則即策略來實現對網絡的控制和管理。策略定義了網絡節點的獨立、可協同的并可升級的行為機制。

例如：若定義一種策略機制——丟包機制，則被定義的包無論網絡是否有能力傳送都將被丟棄。網絡中的流量將由邊緣路由器保證監控并按照策略執行。這些路由器能動態地決定哪些行為必須用于哪些包上，這些行為需要基于網絡的鏈路負荷情況或流量行為情況等狀態。

5.3 IMS中的動態QoS

在IMS架構中，定義了一個單獨的集中式服務器ISMS（IMS-SDP管理服務器）。服務器服務在垂直于IMS/SDP水平層面的各層，如圖1所示。這種服務器，通過簡單網絡管理協議（SNMP）代理、被管理實體、和業務管理實體（SMO）來收集網絡參數，以提供網絡和業務的管理。它利用SIP信令對會話進行管理。QoS管理策略通過COPS協議來執行。當某個網絡實體提出行為要求時，它對應的PEP要求PDP提供所有由COPS標記的DiffServ的策略。策略通過PDP傳遞到PEP，策略中提供了所有節點相關的QoS設置或者部分設置，作為DiffServ標記過濾器的更新。PDP會將對外部事件的響應預先提供給PEP，PDP對外部事件的獲取是通過監控器（寬帶監視器）來實現。

信息安全管理體系（ISMS）為每個用戶管理相應的SLA，并保證根據SLA來實現業務的支付。ISMS相當于PDP，而網絡及相關的IMS節點 （網關）則相當于PEP的角色。這些PEP執行由SLA提供的策略。例如：若一個網關需保證一定數量的資源（帶寬）提供給固定的業務流（由SLA定義），則它必須實現對一定數量的帶寬的保障；同時，應限制和檢查是否有超過的資源用于某固定業務流。總之，這些PEP節點要保證每個業務流得到他們的合法資源。但有時由于網絡參數的變更，如網絡性能的下降等，某些業務流將無法得到其根據SLA所應獲取的相應的資源數量。針對這種情況，現有很多的解決方案，如妥協某些優先級較低的業務流以保證較高需求的業務流。若采用如此方式，則將導致相應的這些部分用戶會因其競爭者而犧牲其相應的權益。

ISMS實時監控網絡的參數和端對端的QoS，通過客戶端設備將信息反饋給ISMS。當遇到SLA需要妥協的狀況時，ISMS開始通過客戶端設備與SLA進行重新協商。由于ISMS是集中式信息收集器，它可以很容易地實現客戶和業務服務器之間的協商策略。在協商過程中采用SIP信令，SIP INVITE和INFO信息用于和客戶端設備進行通信，同時一種基于可擴展標記語言（XML）的Web服務架構用于實現與業務提供者間的溝通。

6 結束語

目前國家電網公司系統網絡中有數據網、信息網和視頻網，但三個網絡互相獨立，限制了新型業務的應用和發展。將來智能電網、智能小區等網絡的建設對目前專網專用的現狀是個挑戰，建設IMS網絡勢在必行。未來IMS網絡將實現電網公司系統語音數據業務的融合，推進智能電網和物聯網的建設，解決移動和固網融合，推進公司視頻會議的發展。

[1]鄭 榮，萬曉榆，樊自甫.基于區分業務技術的IMS QoS機制[J].重慶郵電學院，2006（12）：46-49.

[2]孫 濤，劉凱明，劉元安.IMS中QoS架構、控制機制和服務模型的研究[J].北京郵電大學，2007（8）：96-98.