空管多业务传输服务质量保障技术研究
潘乐义
（国家空管通信导航技术重点实验室 北京 100085）
作者简介：潘乐义（1972—），男，江西修水人，博士，高工，研究方向为网络通信和卫星通信。E-mail：plykyh@aliyun.com
摘 要：本文对国内外发展现状与趋势进行了阐述，结合我国空管系统的发展现状，对空管多业务传输服务质量保障需求进行了分析，并根据空管业务传输特点，研究提出了基于区分服务的空管多业务传输服务质量保障技术及相应的实施机制和管理机制。
关键词：空中交通管理；多业务传输；服务质量保障
The Technical Research of QoS for Multi ATM Traffic Transmission
Pan Leyi
（National Key Laboratory of ATC Communication & Navigation Technology，Beijing 100085，China）
Abstract：The technology development and the trend of Qos for multi traffic transmission are introduced.The capacity requirements of QoS for multi traffic transmission are analyzed In the base of current situation of ATM system in China.According the characteristic of multi ATM traffic transmission，the technology of QoS for multi ATM traffic transmission in the base of DiffServ and it’s implementation mechanism and management mechanism are proposed.
Key words：ATM，Multi traffic transmission，QoS
0 引言
ITU-T建议E.800中将“通信服务质量”定义为“用户对业务满意程度的业务性能的综合体现”。服务质量是相对用户业务而言的，在保证某类业务服务质量的同时，可能就是在损害其他业务的服务质量。由于网络资源总是有限的，只要存在抢夺网络资源的情况，就会出现服务质量保障的需求。因此，需要根据各种业务的特点合理规划和分配网络资源，优先保证高级别业务的传输需要，并最大限度地满足其他业务的传输需要，即考虑业务优先级的同时，兼顾公平性，使网络资源得到高效利用。随着我国空管信息系统的建设及综合化、一体化的传输保障发展趋势，该问题在空管多业务传输中日益突出。
1 国内外多业务传输服务质量保障技术发展情况
IETF、ITU-T、ETSI TIPHON、MSF等重要的国际标准化组织对服务质量保障技术开展了大量研究，主要研究成果包括集成服务模型（IntServ）、区分服务模型（DiffServ）、多协议标签交换（MPLS）和分组网络QoS参考体系结构。其中，IntServ依靠资源预留协议为每个流逐跳建立或拆除相应的资源预留状态，由接纳控制模块、分组调度器根据相应的策略对不同队列中的分组进行调度，以满足不同应用的传输质量要求；DiffServ由区分服务域边缘和核心设备联合操作，针对网络流的不同服务质量保障要求（如延迟、丢失率等）实现差异性服务，克服了IntServ的可扩展性差、实现复杂等缺点，适合主干网的使用，但不能独立提供端到端的服务质量保障解决方法；MPLS的流量工程主要是通过它的约束路由能力来实现的，根据流量的服务质量保障要求，选择一条优化的边缘到边缘的路径，并与DiffServ结合使用，实现对不同类别的业务流作进一步区分，从而为其提供不同级别的服务质量保障；分组网络QoS参考体系结构将IP QoS分为业务控制层、承载控制层和承载层，承载层用来传送各种业务流，采用DiffServ技术、MPLS等技术，承载控制层负责管理承载层的网络资源以及承载层的路由选择、资源分配和接纳控制等任务。业务控制层处理用户的业务流的QoS要求。交由承载控制层负责实施，以满足业务流QoS的要求。
ICAO作为民航业界的重要国际标准化组织，对基于IP协议族的航空电信网（ATN/IPS）中的服务质量保障机制也作了深入研究与详细规定。其主要成果体现在“基于IPS标准和协议的ATN手册（Doc 9896）第一版”中，主要内容有：①管理域必须采用RFC 2475所规定的区分服务（DiffServ）作为向ATN/IPS应用和服务提供服务质量（QoS）保证的一种方式。②管理域必须执行ATN/IPS的区分服务分类标准，以满足运行和应用要求。支持IP话音业务的管理域，必须将此类业务划定到RFC 3246所规定的加速转发（EF）每跳行为（PHB）类别。管理域必须将ATN应用业务划定到RFC 2597所规定的有保证的转发（AF）每跳行为（PHB）类别。③对有保证的转发（AF）每跳行为（PHB）提供优先级机制的管理域，应当根据所定义的ATN优先级映射关系，确定各类业务之间的相对措施。ATN/IPS基于DiffServ为各类业务传输提供服务质量保证，它将每种ATN应用都映射为一个固定的服务类别（CoS），并不需要对其中各种不同的用户消息动态地提供不同的优先级支持。
2 空管多业务传输服务质量保障技术研究的必要性
传输服务质量保障技术可为新一代管制中心的业务传输提供可靠保障：新一代管制中心系统中提出了空域管理、流量管理、飞行服务、管制指挥四大空管业务运行体系。上述四大业务系统间需要共享多种空管信息，系统之间也有信息交链与融合，因此，需要建立统一的信息传输平台。但各种业务的传输特征、传输性能要求各不相同，主要体现在：①各类业务的数据传输特征各异。以现有的雷达数据和飞行情报系统为例，雷达数据为连续恒比特率数据，飞行情报数据为突发型数据业务；雷达数据为单向广播分发业务，飞行情报数据一般则需要交互控制（如可靠确认）。②不同业务在传输性能（如传输速率、传输时延、时延抖动、传输可靠性等）要求方面也存在很大区别。雷达监视数据对带宽及误码率的要求相对较低，对传输时延及时延抖动要求却非常严格（实时传输），同时为了保证目标显示的连续性，对丢包（帧）率也有较高的要求；飞行情报对端到端可靠传输要求较高，对传输时延则相对宽松。如特急、加急、急报等报文的传输时限要求从2min到10min不等，有的报文还要一发八十。在这种情况下，为适应新一代管制中心“横向集成、纵向贯通，信息汇聚、按需服务”的传输需求，迫切需要建立一套涵盖业务交换、网络交换、链路传输等功能层次，横跨系统接入、网络传输等不同环节的一整套服务质量保障机制，并根据需要对现有系统进行完善与功能扩充，以满足新一代管制中心的信息传输需求。
传输服务质量保障技术有助于实现空管传输网络的一体化保障：面对越来越多的空管业务系统和越来越复杂的业务传输保障需求，传统的通信资源独享、“烟囱式”的发展模式已不适应今后发展的需要。当前，传输平台的发展趋势就是一体化。所谓“一体化”，就是要用统一的基础设施提供一体化接入、一体化传输、一体化路由交换、一体化应用、一体化网络管理、一体化网络安全等服务策略，并且为不同的应用业务系统提供传输支持，建立一体化的空管多业务传输服务质量保障体系，是空管网络向一体化方向发展的基础。服务质量保障，就是网络为不同要求的数据流提供不同类型服务的能力。服务的能力一般指网络能够保证的性能，如数据传输的可靠性、网络吞吐率、延迟等。保证服务质量，就是保证当前的网络状况能够达到数据流服务质量请求中所要求的性能参数。在一个综合业务的网络环境中，面对不同类型的应用业务，面对有限的信道带宽、数据处理、数据缓存资源，为满足业务传输的服务质量要求，充分发挥网络资源的效益，需要根据空管业务的特点，从网络管理、网络控制、数据处理等多个角度，从链路传输、路由转发、应用处理等诸多层面建立起一套完整的服务质量保障体系。通过该体系的建立，规范各类业务的服务保障要求，合理分配信息和网络资源，保障空管一体化网络的良性发展。
3 基于策略管理的空管多业务传输服务质量保障
参照分组网络QoS参考体系结构，结合空管通信系统实际情况，空管多业务传输体系架构如图1所示，各层功能如下。
图1 空管多业务传输体系架构
业务控制层主要面向业务提供服务质量保障管理与控制功能，如业务定义和订购、服务等级协定（SLA）等。承载控制层主要实现服务质量业务管理和服务质量资源管理与控制功能。服务质量业务管理功能实现服务质量业务管理的能力，如服务质量策略管理、服务质量认证、服务质量监测和统计等，服务质量资源管理与控制功能负责对链路层、网络层、业务数据处理与交换层所提供的服务质量资源（如带宽、缓冲区等）进行管理，并负责控制这些资源在多个业务中进行分配、隔离与共享，同时将资源控制的操作传递给网络承载层来实现。承载层主要实现具体的QoS流量处理和传送功能，以实现区分服务（Diffserv）的每跳行为，它由具有QoS功能的具体设备构成，设备类型包括信道传输设备、网络路由交换设备、多业务数据交换设备，它们都具有相应的服务质量保障能力。
空管多业务传输实现区分服务，可从通信资源层、网络层、多业务数据交换层三个层面整体考虑，各层QoS功能机制如图2所示。
图2 空管多业务传输区分服务机制
目前阶段，区分服务（Diffserv）可通过静态配置或者简单的策略切换方式实现，这种方式对于业务种类较少、网络规模较小的情况较为适用。但随着业务种类的增多、网络规模的扩大，出于网络灵活调整与自动控制的需要，建议采用集中式、自动化的策略管理方式。按IETF的QoS管理模型，策略管理是整个服务质量管理的核心。QoS策略定义了QoS的管理规则，决定了QoS是如何、什么时间、什么地点应用到不同网络业务的详细细节。策略管理的目的主要是要实现策略管理的集中、自动化和应用整合这三个概念。QoS策略的实施可通过集中策略产品，如QoS管理工具QPM（QoS Policy Manager）实现对设备的配置。例如，QPM实际上是把用户通过图形界面输入的策略变换成Cisco的命令行语言，通过自动发起的Telnet进程向分布在各地的设备灌输。其效果与命令行方式是一样的，但用户界面要友好得多，并且实现了策略的集中管理和自动同步。
基于策略的网络管理由4个核心组件构成：策略控制台，它是策略管理员定义和编辑策略的一种管理工具；策略服务器，又称策略决策点（PDP），负责通知交换机和路由器该如何处理不同类型的流量；目录服务器或策略数据库，用于保存策略；策略执行点（PEP），通过访问列表、队列管理算法和其他方式执行策略的网络设备，如被策略激活的交换机或路由器。在PDP和PEP间可使用COPS、SNMP及CLI通信。图3给出了策略网络的系统架构。
图3 策略网络的系统架构
在策略性网络中按四个策略规则决定网络的运作，它们是服务质量、安全、监控和配置。服务质量根据业务的类型（如话音、图像等数据）决定业务的优先级，然后路由器或交换机再根据优先级进行处理，高优先级的业务先得到服务；安全是为了防止用户的权益受到非法侵犯，通常采用密码、身份认证、防火墙和加密来实现。监控是检测网络的设备和链路是否处于正常工作状态，一般与网络的管理有关；配置则是为网络设置工作方式。策略对不同的功能组件有不同形式的体现，如图4所示。
图4 策略功能组件及对应的策略内容
策略网络中各实体的关系如下：目录服务器存储网络节点的资源使用情况，由策略管理员配置的策略决定规则以及配置好的策略决定；策略管理员通过策略服务器上的策略配置界面维护目录服务器中的数据库，配置各种策略决定规则，提供相关信息；系统建立了策略库后，当接收到一个策略请求时，策略服务器从策略实施者接收该请求，从目录服务器获得相关信息，综合考虑简单网管定时更新的信息和目录服务器中存储的策略配置做出策略决定，并将结果返回给策略实施者；策略实施者（网络节点）包括路由器和交换机等，根据返回的策略，在分组过滤、带宽预留、业务分类中具体实现策略。策略网络的构成如图5所示。
图5 策略网络的构成
4 结束语
我国空管信息系统的不断建设与发展，对空管信息传输保障的可靠性、实时性等要求越来越高。同时，随着空管通信系统的逐步建设与发展，多种通信资源综合化、多种业务传输一体化的传输网络已初具规模。在一体化传输平台中如何满足各级管制中心对不同种类空管信息传输需求，建立完善的空管多业务传输服务质量保障体系是关键。本文从理论上对如何建立空管多业务传输服务质量保障体系进行了初步研究，其具体实施方案还需立足现有空管通信系统、飞行情报联网系统等既有设施，在一体化数据交互模式和一体化传输保障的基础上，有针对性地提出构建覆盖空管业务数据交换层、网络层和通信资源层的服务质量保障技术，并根据各类空管业务传输保障特点，研究适应空管需要的传输服务保障策略，既可提高现有网络资源的利用效率，又可提高业务信息传输的可靠性、实时性。