本文提出了在家庭網絡環境中提供服務質量(QoS)保障的設計考慮因素，通過對實際的媒體接入考慮、排隊和轉發控制機制以及QoS特性管理的分析，認為基于優先級的媒體接入和包轉發是在基于分組家庭網絡中數據移動時保證QoS的最佳方法。

家庭網絡相比于企業或者服務提供商基礎架構內部網絡具有很大的區別。同樣地，在家庭網絡中保證QoS要求的處理也不相同。企業基礎架構或寬帶接入基礎架構網絡一般利用專業管理設備以及工程有線設備，這些設備采用了能提供恒定帶寬的技術。相反，家庭網絡連接采用各種現有的有線技術或非工程配置的無線接入點，它們采用了具有不同帶寬的技術。沒有多少經驗或網絡管理知識的家庭網絡用戶通常不希望主動地去管理他們的網絡，家庭中的應用趨向于那些具有不同帶寬和包特性的多媒體密集型應用。

一旦像家庭網絡環境的這些特性被確定，就可以開始評估提供適當QoS方案的技術。最終的QoS系統應該注意以下的設計考慮(圖1)：

媒體接入(media access)：網絡上的每個設備如何接入共享媒體？

包轉發：在家庭網關、路由器或者網橋內部如何轉發數據包？

QoS特性：家庭網絡設備的用戶、操作者和應用程序如何管理期望的QoS特性？

為在家庭網絡中提供QoS，設備上的網絡接口必須執行兩個基本功能：媒體接入和包轉發。QoS媒體接入是確定什么時候將包從設備發送到網絡上，以便不妨礙另外一個設備適時的媒體包傳輸。特別的，規則要求指出可接受時間，每個設備上的網絡接口可能在這樣的假設下發送數據：多個設備將在幾乎相同的時間發送數據。

QoS包轉發是根據提供QoS的規則集發送來自單個設備內一個或多個網絡接口的數據包的過程。一般地，住宅網關是家庭網絡中這個具有多個網絡接口的單個設備，在多種網絡技術之間轉發必須需要一些規則。可以以兩種不同范例之一來實現兩種基本的QoS功能：分優先級的QoS或者參數化(預定的)QoS。分優先級范例是針對共享媒體技術和區分的媒體接入。在這種方法下，當數據包進入到網絡就被打上標記，這些標記由在像住宅網關這樣的設備處的區分轉發/排隊引擎授予。

參數化范例(parameterized paradigm)是針對共享媒體技術以及規劃的媒體接入機會。在這種方法中，所有的設備和應用必須請求特定量的時間來發送它們的數據，規劃的媒體轉發根據流狀態執行，在每一跳(hop)發送信令。

在下面的討論中，我們將展示為什么基于優先級的媒體接入方案非常適合于家庭網絡。我們將從展示如何應用包轉發來保證不同家庭網絡技術之間的QoS來開始這個討論；然后，我們將討論一個系統對家庭網絡中所有的設備怎樣進行優先級分配和管理；最后的討論圍繞基于QoS方案設計的CableHome QoS和UPnP QoS架構，這些架構以一個完整系統的形式實現了家庭內部媒體接入、包轉發和特性管理。注：本文假設在家庭內的網絡部分是基于IP的，數據和內容是通過基于IP的接入網絡發送到家庭，基于IP的家庭內部網絡允許底層網絡部分對應用透明。

實際的媒體接入考慮

今天的家庭網絡采用了三種技術：10/100baseT以太網、IEEE 802.11g/b/a(Wi-Fi)和HomePNA。在將來，像HomePlug這樣的其他技術可能變得流行。

很多人會根據有線和無線來對這些技術進行劃分，但對于QoS來說更好的分類應該是共享媒體相對于點對點。交換式10/100BaseT以太網是一種點對點的技術，本質上，每段媒體上只有一個設備。所有其他技術為共享媒體技術，在這些方法中，多個設備共享一個媒體段，需要一些機制來控制設備如何在媒體上發送信息。

圖1：三個QoS設計考量： 媒體接入、包轉發和QoS特性。

家庭中的絕大多數集線器不支持參數化或IEEE 802.1p/q優先級方案，而且不可升級來實現這些功能支持。然而，當在家庭網絡上增加像CableHome這樣的業務時，現有的集線器將可能為集成到住宅網關內的交換機所替代。

對交換式以太網(switched Ethernet)而言，不同的媒體接入并沒有多大的意義，因為數據流是點對點的，在這樣的鏈路上實際不會有競爭。很多住宅網關內置有四或五端口以太網交換機，因此對于每個以太網端口來說不太會有QoS問題。100BaseT帶寬足夠解決大多數家庭網絡的帶寬和延時要求，尤其是當專用在點對點鏈路上。這樣，為了QoS媒體接入目的，家庭中的以太網可以考慮點對點的技術，與共享媒體技術分別處理。

所有其他標準的共享媒體技術，例如802.11 b/g/a、HomePNA以及HomePlug具有或即將具有對基于優先級的QoS方案的一些支持。總之，這些基于優先級的媒體接入技術是根據優先級來控制哪個設備先接入媒體。那些具有最高優先級數據流的設備允許優先發送，然后根據可用的帶寬，那些低優先級數據流的設備再獲得機會在媒體上發送它們的數據。一般優先級方案不能嚴格控制最高優先級數據流占用的帶寬。

參數化QoS依賴于這樣的假設：底層的物理層/媒體接入控制(PHY/MAC)技術能提供非常穩定的帶寬和最小的抖動。對于以太網或Docsis這樣的網絡技術來說，這個假設是可接受的，但是對于像無線局域網、電話線和電力線這樣的家庭網絡技術來說是不恰當的，因為這種網絡的吞吐量和抖動會受快速變化的干擾以及零星干擾嚴重影響。
為獲得對參數化保障的較高信心，必須對底層參數做出最保守的估計，保守的估計導致與一般的操作大不相同的情況。此外，除了音頻或者視頻(AV)以外，絕大多數的應用沒有QoS考慮。因此，家庭網絡首選基于優先級的媒體接入。

可行性

如果要求QoS的新業務被加入到家庭網絡中，新的設備必須包含必要的QoS信令功能。在安裝這樣的設備之前，假定具有QoS功能的由服務提供商管理的住宅網關已經存在。這個住宅網關可能支持那些沒有可管理QoS功能的已有PC以及互聯網設備。

通常，對已有主機的改變，無論是軟件或者是硬件改變可能都是不可行的。因此，家庭QoS方案必須在傳統設備存在的情況下可以工作。

分優先級的媒體接入可以覆蓋在現有的共享媒體家庭網絡上。盡管上面提到的不同家庭網絡技術具有設置優先級的方法，但總體上沒有一個實體來設置優先級。使用那些技術的數據流趨向于盡力而為的傳送。因此，當QoS被加入到住宅網關，來自住宅網關的數據流可以被分優先級。

同樣，符合QoS規范的網絡用戶設備可以使用分優先級的媒體接入，不符合的設備將繼續使用盡力而為的優先級。這樣一來，對于家庭網絡中既有支持QoS的設備又有不支持QoS的設備的情況，可以通過在共享接口上設置優先級來實現QoS，并只在住宅網關的交換式以太網接口上發送適當的數據流。

疊加于傳統Wi-Fi網絡的分優先級QoS系統的一個實例是基于IEEE 802.11e草案EDCA部分的WiFi Wireless Multimedia Enhancements(無線多媒體增強,WME)。對于高優先級的數據流，WME縮短接入參數以便數據包在傳統設備發送數據流之前發送，WME還能增長接入參數，以允許具有比傳統數據流優先級低的背景類數據流(background class of traffic)。

然而，參數化的媒體接入不能疊加在傳統網絡上，因為傳統設備不能防止在中央控制器分配給符合QoS規范的(新的)設備的時間內發送數據。傳統設備不能在共享網絡上對參數、預留位和帶寬管理器操作。

排隊和包轉發

在如住宅網關這樣的具有多個網絡接口的任何設備中，需要一種機制來對從多個端口接收到并將通過單個接口再發送的包進行控制。這種控制過程稱為轉發優先級或者排隊。

有幾種途徑來實現基于優先級的包轉發機制。如果接收數據包的接口包含一個第二層(L2)或第三層(L3)的優先機制，并且如果在不同接口上的優先級具有全局相關性(global relevance)，那么這些數據包可能僅僅根據它們的相對優先級進行排隊發送。

L3機制需要將包進行標注/標記(marked/labeled)，標記必須映射到L2機制以提高在共享媒體上的優先級。如果L2和L3上的不同標記被映射，可以根據L2或L3上的標志(indicator)來進行排隊決策。

802.1p的再生特性提供了檢查包內容以及標記包在下一個轉發器上的優先級的能力。然而，即使住宅網關接收的數據包內容被檢查以確定它是否是高優先級，對于在WAN(DSL或有線modem)傳輸或返回到LAN的數據包進行標記處理并沒有多大的價值，因為住宅網關僅僅必須做出一個關于將其放入哪個隊列的內部決策。

如果接收器接口基于參數來實現QoS機制，排隊決策或許可以基于延時或抖動參數來進行流規劃。然而，如果數據包的長度可能意味將接收一個潛在低延時的數據包，并必須在一個特定的發送機會發送的話，根據包的長度來決定一個包是否應該傳輸將可能問題重重。

由于QoS優先級包轉發方法完全存在于住宅網關內，可以被看成對現有的包處理性能的一個很小的提升，通過軟件升級，這種新的QoS功能特性相對容易實現。幸運的是，這種方法還可以處理所有連接到接口上的傳統設備，因為QoS包轉發在住宅網關內部實現的。

QoS特性管理

上面我們討論了在家庭網絡中和住宅網關內分優先級的數據是如何移動的。但是，主機和應用如何確定什么數據應該具有優先權？QoS特性管理功能通過執行下面兩個主要功能可以回答這個問題：

1. 設置基本的網絡策略決定哪個應用得到哪個高優先級；
2. 在家庭網絡設備之間溝通應用信息和分配的QoS優先級。

家庭網絡用戶保留對哪些應用應該獲得比其他應用更高優先級的決策權。例如，用戶可能希望流媒體獲得比網絡游戲更高的優先權。如果住宅網關由服務提供商提供，提供商可能建議默認優先級或者通過住宅網關提供優先級管理。默認優先級在運營商服務區域內可能都是一致的，或者根據每個家庭進行定制，以解決對于某個家庭的不同服務的差異。

優先級策略可能采用標準的信息，例如服務或者應用名稱。除了基于應用或服務的優先級定義，基于每個網絡設備或者目的設備的更精細的控制也可能是值得期待的。

圖2：有線QoS的組成單元 示例(摘自ITU-T J.190)。

一旦優先級分配的策略確定后，這個策略必須為家庭網絡上的所有符合QoS規范的設備共享。這樣一來，QoS特性管理的第二個功能就是提供管理頭端或QoS策略擁有者與住宅網關，并進一步與主機對期望的QoS特性進行溝通。

除了住宅網關上已有的管理接口，必須有一個允許運營商管理和修改默認QoS的管理接口庫(MIB)。住宅網關也必須被告知不同主機上應用的存在。然后，QoS特性管理的媒體接入特性被住宅網關通過一個指定的消息和協議傳遞到主機，這告知主機在其上運行的應用應該用哪個優先級。

在傳統PC上，分優先級的媒體接入可以利用已有的API由附加的軟件來實現。某些操作系統和網絡堆棧允許應用發送優先級或參數信號。例如，Windows最新版本包括了GQoS API，在這里應用可以通過Winsock2網絡堆棧請求802.1p優先級或RSVP參數。其它的平臺，例如使用vconfig的skb優先級的Linux內核2.4.14以及以上版本，具有能實現QoS的網絡堆棧。利用那些實現了QoS的接口的兩個QoS特性管理系統是CableHome和UPnP QoS，將在下面介紹。

基于優先級的QoS系統的應用

在家庭網絡上的媒體接入和包排隊上考慮了以上問題的情況下，CableHome QoS架構規定了一個基于優先級的范例。這與基于參數的范例形成了鮮明的對比，基于參數的范例一般用作有線寬帶接入網絡的QoS。因此，這種CableHome QoS架構的領域專注于在家庭內住宅網關和網絡設備之間提供QoS。總的網絡目標變成：實現家庭網絡應用以建立在CableHome主機和CableHome住宅網關之間使用一致消息的分優先級數據傳輸。

為獲得這個目標，建立三個主要的設計指導方針來解決本文開始提出的三個設計考慮問題：

1. QoS媒體接入：CableHome QoS定義了針對CableHome住宅網關和CableHome主機在共享媒體上采用優先級控制傳輸接入的機制。該機制提供了在家庭網絡中到不同設備和應用的分優先級的媒體接入。
2. QoS轉發：CableHome住宅網關支持一種排隊機制，該機制對從多個接口接收到的數據包以及將通過每個接口再發送的數據包進行分優先級。
3. QoS特性管理：CableHome QoS規定了在家庭網絡內部的CableHome主機和CableHome住宅網關之間進行QoS特性(優先級設置)通信一種信號發送和管理機制。這種機制在CableHome住宅網關內匯集并管理。

采用一種邏輯架構而不是面向設備的架構來定義對符合QoS規范的設備的要求。CableHome QoS架構顯示在圖2中，由下面的實體組成：

包含CableHome QoS影響范圍的Q域。頭端設備管理CableHome QoS功能，但不在Q域內；

CableHome住宅網關(CRG)包含入口服務(portal services，PS)邏輯單元；

CableHome host(CH)包含邊界點(BP)邏輯單元；

CableHome QoS入口子單元(CQP)；

CableHome QoS邊界點子單元(QBP)。

CQP用作符合QoS規范的應用的匯集器，其主要功能是在家庭網絡內部實現基于優先級的QoS，它執行基于優先級的排隊/轉發以及產生自PS的數據流的媒體接入，它還負責到家庭中不同設備的QoS參數通信。在UPnP QoS架構中，這個功能稱為QoS管理器服務。

QBP子單元執行產生于BP的流的基于優先級的媒體接入，它還負責對來自PS的QoS參數信息接收。在UPnP QoS架構中，這個功能被稱為QoS設備服務(QoS device service)。這些單元利用在ITU-T J.190和J.192 IPCable2Home或CableLab的CableHome架構中的以下功能來提供QoS：

PS轉發：在CQP中的分優先級的排隊和包轉發功能。

PS媒體接入：在CQP中的分優先級共享媒體接入功能。

QoS管理服務器：該CQP功能負責為家庭網絡內部不同設備和應用的QoS優先級參數儲存，還負責到這些設備和應用的這些參數通信。

BP媒體接入：QBP中的分優先級共享媒體接入功能。

QoS管理客戶：該QBP功能在QoS管理服務器的支持下，確定某個特定應用/設備需要使用的QoS參數。

在CableHome QoS環境中，應用或者與BP相關的端點在使用UpnP中的協議的發現階段被QBP到CQP識別和通信。那些應用的分優先級處理是通過咨詢運營商數據庫以及分配優先級的用戶來決定的。在UPnP QoS架構中，這個數據庫被稱為QoS策略擁有者服務(policy holder service)。那些針對應用的優先級始終用在由BP產生的IP數據包，通過整個家庭內部網絡中的PS。

標準化的消息很少在QBP和CQP之間就優先級分配信息進行通信。BP使用像WME這樣的本地L2分優先級媒體接入機制在共享媒體網絡上發送包。CQP實現對通過其接口的包的分優先級排隊機制。那些標準化的消息可以通過利用UPnP QoS架構來增強。UPnP QoS允許那些支持QoS的消費電子設備相互發現對方，然后使用通常駐留在住宅網關中的QoS策略保持者服務，在整個家庭網絡和應用中統一分配優先級。

本文總結：

基于優先級的媒體接入和包轉發方法推薦給那些期望QoS的家庭網絡。這個建議是基于在傳統網絡設備存在的情況下，在不同家庭網絡技術上管理帶寬的可行性。家庭QoS和接入系統QoS的補充將提供一個能提供高質量、產生利潤的業務的低成本方法，這種方法不需要替換現有的家庭內部網絡設備。

作者：Stephen Palm Broadcom公司