空管多業務傳輸服務質量保障技術研究

潘樂義

（國家空管通信導航技術重點實驗室　北京　100085）

作者簡介：潘樂義（1972—），男，江西修水人，博士，高工，研究方向為網絡通信和衛星通信。E-mail：plykyh@aliyun.com

摘　要：本文對國內外發展現狀與趨勢進行了闡述，結合我國空管系統的發展現狀，對空管多業務傳輸服務質量保障需求進行了分析，并根據空管業務傳輸特點，研究提出了基于區分服務的空管多業務傳輸服務質量保障技術及相應的實施機制和管理機制。

關鍵詞：空中交通管理；多業務傳輸；服務質量保障

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建議E.800中將“通信服務質量”定義為“用戶對業務滿意程度的業務性能的綜合體現”。服務質量是相對用戶業務而言的，在保證某類業務服務質量的同時，可能就是在損害其他業務的服務質量。由于網絡資源總是有限的，只要存在搶奪網絡資源的情況，就會出現服務質量保障的需求。因此，需要根據各種業務的特點合理規劃和分配網絡資源，優先保證高級別業務的傳輸需要，并最大限度地滿足其他業務的傳輸需要，即考慮業務優先級的同時，兼顧公平性，使網絡資源得到高效利用。隨著我國空管信息系統的建設及綜合化、一體化的傳輸保障發展趨勢，該問題在空管多業務傳輸中日益突出。

1　國內外多業務傳輸服務質量保障技術發展情況

IETF、ITU-T、ETSI TIPHON、MSF等重要的國際標準化組織對服務質量保障技術開展了大量研究，主要研究成果包括集成服務模型（IntServ）、區分服務模型（DiffServ）、多協議標簽交換（MPLS）和分組網絡QoS參考體系結構。其中，IntServ依靠資源預留協議為每個流逐跳建立或拆除相應的資源預留狀態，由接納控制模塊、分組調度器根據相應的策略對不同隊列中的分組進行調度，以滿足不同應用的傳輸質量要求；DiffServ由區分服務域邊緣和核心設備聯合操作，針對網絡流的不同服務質量保障要求（如延遲、丟失率等）實現差異性服務，克服了IntServ的可擴展性差、實現復雜等缺點，適合主干網的使用，但不能獨立提供端到端的服務質量保障解決方法；MPLS的流量工程主要是通過它的約束路由能力來實現的，根據流量的服務質量保障要求，選擇一條優化的邊緣到邊緣的路徑，并與DiffServ結合使用，實現對不同類別的業務流作進一步區分，從而為其提供不同級別的服務質量保障；分組網絡QoS參考體系結構將IP QoS分為業務控制層、承載控制層和承載層，承載層用來傳送各種業務流，采用DiffServ技術、MPLS等技術，承載控制層負責管理承載層的網絡資源以及承載層的路由選擇、資源分配和接納控制等任務。業務控制層處理用戶的業務流的QoS要求。交由承載控制層負責實施，以滿足業務流QoS的要求。

ICAO作為民航業界的重要國際標準化組織，對基于IP協議族的航空電信網（ATN/IPS）中的服務質量保障機制也作了深入研究與詳細規定。其主要成果體現在“基于IPS標準和協議的ATN手冊（Doc 9896）第一版”中，主要內容有：①管理域必須采用RFC 2475所規定的區分服務（DiffServ）作為向ATN/IPS應用和服務提供服務質量（QoS）保證的一種方式。②管理域必須執行ATN/IPS的區分服務分類標準，以滿足運行和應用要求。支持IP話音業務的管理域，必須將此類業務劃定到RFC 3246所規定的加速轉發（EF）每跳行為（PHB）類別。管理域必須將ATN應用業務劃定到RFC 2597所規定的有保證的轉發（AF）每跳行為（PHB）類別。③對有保證的轉發（AF）每跳行為（PHB）提供優先級機制的管理域，應當根據所定義的ATN優先級映射關系，確定各類業務之間的相對措施。ATN/IPS基于DiffServ為各類業務傳輸提供服務質量保證，它將每種ATN應用都映射為一個固定的服務類別（CoS），并不需要對其中各種不同的用戶消息動態地提供不同的優先級支持。

2　空管多業務傳輸服務質量保障技術研究的必要性

傳輸服務質量保障技術可為新一代管制中心的業務傳輸提供可靠保障：新一代管制中心系統中提出了空域管理、流量管理、飛行服務、管制指揮四大空管業務運行體系。上述四大業務系統間需要共享多種空管信息，系統之間也有信息交鏈與融合，因此，需要建立統一的信息傳輸平臺。但各種業務的傳輸特征、傳輸性能要求各不相同，主要體現在：①各類業務的數據傳輸特征各異。以現有的雷達數據和飛行情報系統為例，雷達數據為連續恒比特率數據，飛行情報數據為突發型數據業務；雷達數據為單向廣播分發業務，飛行情報數據一般則需要交互控制（如可靠確認）。②不同業務在傳輸性能（如傳輸速率、傳輸時延、時延抖動、傳輸可靠性等）要求方面也存在很大區別。雷達監視數據對帶寬及誤碼率的要求相對較低，對傳輸時延及時延抖動要求卻非常嚴格（實時傳輸），同時為了保證目標顯示的連續性，對丟包（幀）率也有較高的要求；飛行情報對端到端可靠傳輸要求較高，對傳輸時延則相對寬松。如特急、加急、急報等報文的傳輸時限要求從2min到10min不等，有的報文還要一發八十。在這種情況下，為適應新一代管制中心“橫向集成、縱向貫通，信息匯聚、按需服務”的傳輸需求，迫切需要建立一套涵蓋業務交換、網絡交換、鏈路傳輸等功能層次，橫跨系統接入、網絡傳輸等不同環節的一整套服務質量保障機制，并根據需要對現有系統進行完善與功能擴充，以滿足新一代管制中心的信息傳輸需求。

傳輸服務質量保障技術有助于實現空管傳輸網絡的一體化保障：面對越來越多的空管業務系統和越來越復雜的業務傳輸保障需求，傳統的通信資源獨享、“煙囪式”的發展模式已不適應今后發展的需要。當前，傳輸平臺的發展趨勢就是一體化。所謂“一體化”，就是要用統一的基礎設施提供一體化接入、一體化傳輸、一體化路由交換、一體化應用、一體化網絡管理、一體化網絡安全等服務策略，并且為不同的應用業務系統提供傳輸支持，建立一體化的空管多業務傳輸服務質量保障體系，是空管網絡向一體化方向發展的基礎。服務質量保障，就是網絡為不同要求的數據流提供不同類型服務的能力。服務的能力一般指網絡能夠保證的性能，如數據傳輸的可靠性、網絡吞吐率、延遲等。保證服務質量，就是保證當前的網絡狀況能夠達到數據流服務質量請求中所要求的性能參數。在一個綜合業務的網絡環境中，面對不同類型的應用業務，面對有限的信道帶寬、數據處理、數據緩存資源，為滿足業務傳輸的服務質量要求，充分發揮網絡資源的效益，需要根據空管業務的特點，從網絡管理、網絡控制、數據處理等多個角度，從鏈路傳輸、路由轉發、應用處理等諸多層面建立起一套完整的服務質量保障體系。通過該體系的建立，規范各類業務的服務保障要求，合理分配信息和網絡資源，保障空管一體化網絡的良性發展。

3　基于策略管理的空管多業務傳輸服務質量保障

參照分組網絡QoS參考體系結構，結合空管通信系統實際情況，空管多業務傳輸體系架構如圖1所示，各層功能如下。

業務控制層主要面向業務提供服務質量保障管理與控制功能，如業務定義和訂購、服務等級協定（SLA）等。承載控制層主要實現服務質量業務管理和服務質量資源管理與控制功能。服務質量業務管理功能實現服務質量業務管理的能力，如服務質量策略管理、服務質量認證、服務質量監測和統計等，服務質量資源管理與控制功能負責對鏈路層、網絡層、業務數據處理與交換層所提供的服務質量資源（如帶寬、緩沖區等）進行管理，并負責控制這些資源在多個業務中進行分配、隔離與共享，同時將資源控制的操作傳遞給網絡承載層來實現。承載層主要實現具體的QoS流量處理和傳送功能，以實現區分服務（Diffserv）的每跳行為，它由具有QoS功能的具體設備構成，設備類型包括信道傳輸設備、網絡路由交換設備、多業務數據交換設備，它們都具有相應的服務質量保障能力。

空管多業務傳輸實現區分服務，可從通信資源層、網絡層、多業務數據交換層三個層面整體考慮，各層QoS功能機制如圖2所示。

目前階段，區分服務（Diffserv）可通過靜態配置或者簡單的策略切換方式實現，這種方式對于業務種類較少、網絡規模較小的情況較為適用。但隨著業務種類的增多、網絡規模的擴大，出于網絡靈活調整與自動控制的需要，建議采用集中式、自動化的策略管理方式。按IETF的QoS管理模型，策略管理是整個服務質量管理的核心。QoS策略定義了QoS的管理規則，決定了QoS是如何、什么時間、什么地點應用到不同網絡業務的詳細細節。策略管理的目的主要是要實現策略管理的集中、自動化和應用整合這三個概念。QoS策略的實施可通過集中策略產品，如QoS管理工具QPM（QoS Policy Manager）實現對設備的配置。例如，QPM實際上是把用戶通過圖形界面輸入的策略變換成Cisco的命令行語言，通過自動發起的Telnet進程向分布在各地的設備灌輸。其效果與命令行方式是一樣的，但用戶界面要友好得多，并且實現了策略的集中管理和自動同步。

基于策略的網絡管理由4個核心組件構成：策略控制臺，它是策略管理員定義和編輯策略的一種管理工具；策略服務器，又稱策略決策點（PDP），負責通知交換機和路由器該如何處理不同類型的流量；目錄服務器或策略數據庫，用于保存策略；策略執行點（PEP），通過訪問列表、隊列管理算法和其他方式執行策略的網絡設備，如被策略激活的交換機或路由器。在PDP和PEP間可使用COPS、SNMP及CLI通信。圖3給出了策略網絡的系統架構。

在策略性網絡中按四個策略規則決定網絡的運作，它們是服務質量、安全、監控和配置。服務質量根據業務的類型（如話音、圖像等數據）決定業務的優先級，然后路由器或交換機再根據優先級進行處理，高優先級的業務先得到服務；安全是為了防止用戶的權益受到非法侵犯，通常采用密碼、身份認證、防火墻和加密來實現。監控是檢測網絡的設備和鏈路是否處于正常工作狀態，一般與網絡的管理有關；配置則是為網絡設置工作方式。策略對不同的功能組件有不同形式的體現，如圖4所示。

策略網絡中各實體的關系如下：目錄服務器存儲網絡節點的資源使用情況，由策略管理員配置的策略決定規則以及配置好的策略決定；策略管理員通過策略服務器上的策略配置界面維護目錄服務器中的數據庫，配置各種策略決定規則，提供相關信息；系統建立了策略庫后，當接收到一個策略請求時，策略服務器從策略實施者接收該請求，從目錄服務器獲得相關信息，綜合考慮簡單網管定時更新的信息和目錄服務器中存儲的策略配置做出策略決定，并將結果返回給策略實施者；策略實施者（網絡節點）包括路由器和交換機等，根據返回的策略，在分組過濾、帶寬預留、業務分類中具體實現策略。策略網絡的構成如圖5所示。

4　結束語

我國空管信息系統的不斷建設與發展，對空管信息傳輸保障的可靠性、實時性等要求越來越高。同時，隨著空管通信系統的逐步建設與發展，多種通信資源綜合化、多種業務傳輸一體化的傳輸網絡已初具規模。在一體化傳輸平臺中如何滿足各級管制中心對不同種類空管信息傳輸需求，建立完善的空管多業務傳輸服務質量保障體系是關鍵。本文從理論上對如何建立空管多業務傳輸服務質量保障體系進行了初步研究，其具體實施方案還需立足現有空管通信系統、飛行情報聯網系統等既有設施，在一體化數據交互模式和一體化傳輸保障的基礎上，有針對性地提出構建覆蓋空管業務數據交換層、網絡層和通信資源層的服務質量保障技術，并根據各類空管業務傳輸保障特點，研究適應空管需要的傳輸服務保障策略，既可提高現有網絡資源的利用效率，又可提高業務信息傳輸的可靠性、實時性。