双向网改技术CCMTS之QoS机制
【摘要】CCMTS技术是面向三网融合的广电宽带接入网改造技术，它符合C-DOCSIS/DOCSIS3.0标准，具有优异的QoS保障，提供有效的访问和传输调度机制，完全可以满足人们对传输数据质量的要求。通过CCMTS技术可以实现最大的吞吐量及最小的延迟，可以支撑丰富的双向业务，如完美承载对时延、抖动要求苛刻的语音与视频业务，同时也为未来的物联网、云计算做好网络基础。
【关键词】QoS CCMTS C-DOCSIS/DOCSIS3.0服务质量
一、 QoS简介
QoS（Quality of Service），又称服务质量，是指为使用户在吞吐量、延迟抖动、延迟，丢包率等方面获得预期服务水平所采取的一系列技术的集合。更简单地说：QoS就是针对各种不同需求，提供不同服务质量的网络服务。
在传统IP网络中，对所有报文都无区别地等同对待，每个路由器对所有报文都采用先入先出的策略（FIFO）处理，也就是说它尽力而为（Best-effort）地将报文送到目的地，但是对报文的吞吐量、延迟、延迟抖动、丢包率等都不能预期，可能很好，也可能极差，一切都要视网络状况而定。随着计算机网络的高速发展，对带宽、延迟、抖动敏感的实时性强的语音、图像、重要数据同时在网上传输，使得网络资源极大地丰富。但是同时人们对于网络传输数据质量的要求也越来越高，人们期望报文在吞吐量、延迟、延迟抖动、丢包率等方面获得一定程度上的服务保证，期望可以根据客户类型提供有差别的服务。解决这些问题的一个途径是增加网络的带宽，但带宽的增加毕竟是有限的且代价昂贵，并且它也只能在一定程度上缓解这个问题。所以QoS就成为了人们对未来IP网络的基本要求。
二、 CCMTS技术提供高质量的网络服务
CCMTS技术符合C-DOCSIS/DOCSIS3.0标准,具有优异的QoS保障，完全可以满足各种业务对网络传输数据质量的要求。通过CCMTS设备可以实现最大的吞吐量及最小的延迟，不仅可以方便地开展各种双向业务，如VoIP(voice over IP)、VoD(video on demand)、HDTV(high definition TV交互式高清晰数字电视)和高速web浏览业务，还可以完美的支撑云计算、物联网等未来应用。该技术在DOCSIS标准的基础上扩展并完善了QoS标准，使网络不仅能传输数据信号，还能传输对时延、抖动要求苛刻的语音、视频业务，可以为不同的服务提供不同的服务质量保证，真正将数据网、移动电话网、广播电视网融合在一起，实现三网融合。
CCMTS通过服务流机制、上行带宽请求、服务流映射、硬件QoS等为网络提供良好的QoS机制，为广电运营商提供精细化管理、全方位运营，为用户提供高品质的网络生活。以下针对每一个功能进行详细介绍。
1. 服务流机制
CCMTS技术能够实现服务流识别，做基于服务流的优先级设置。CCMTS技术可以根据分类器的设置来决定数据帧与服务流的对应关系。分类器可以通过配置文件直接或间接地配置，保证了一个服务流将只包含所需业务的数据帧。
因为DOCSIS系统具有对各个服务流分别进行排队和整形，因而CCMTS系统可以针对每个服务流来调度传输，从而实现“基于流”的服务质量保证。一个服务流不可能比它被指定的QoS参数消耗更多的带宽。这样就从根本上保证了突发流不会消耗多于指定给它的带宽，从而保证最小的服务延迟。突发流可以由最大突发参数（每个流可单独设置）来整形，使其无法在其他传输流之前填塞传输。这就阻止了一个用户的突发流量或重负荷对其它的用户的影响。这同样有益于一个用户使用多个服务流的场合，例如，如果一个用户同时使用多个语音或多媒体流，对每一个语音或多媒体流单独排队会防止在一个流上的突发流量引起其它流的服务质量下降。
CCMTS技术利用业务流量标识符，针对每个用户和每种业务单独调度数据包。利用这种CCMTS技术提供的QoS 机制，运营商就可以针对每个用户和每种业务提供不同的服务级别。业务可以通过动态配置建立，或动态地根据运营商的要求建立，业务流一旦建立，除了上行和下行方向的延迟限制，还拥有最小带宽保证和最大带宽限制，所以CCMTS能够提供精准的流量整形，从而减少网络对昂贵的流量管理设备的需求。利用多个业务流和嵌入式流量管理，运营商可以在轻负载或超负载网络中提供高质量的三网合一业务。
2. 单台Cable Modem限速
为了满足不同用户对宽带的个性化需求，在CCMTS技术中可以针对每一台Cable Modem（以下简称CM）限速。按照用户对带宽的不同需求，对每台CM的上下行带宽的最大值及突发带宽做一定的限制，从而提高整个系统的带宽利用率。
这一项功能的实现方法类似于端口限速原理即采用令牌桶的原理。如果在CCMTS系统的某台CM上启用了限速功能，同所有经由CM的报文首先要经过令牌桶进行处理。如果令牌桶中有足够的令牌，那么CM就可接收或发送报文；否则报文将进入QoS队列进行拥塞管理。这样就可以对通过该CM的报文流量进行控制。由于采用了类似令牌桶的控制原理来控制流量，那么当令牌桶中存有令牌时，就可以允许报文的突发性传输；当令牌桶中没有令牌时，报文必须等到桶中生成了新的令牌后才可以继续发送。这就限制了报文的流量不能大于令牌生成的速度，从而达到了限制流量，同时允许突发流量通过的目的。
与其它限速方案相比CCMTS的令牌桶方案具有较大优势，它能够限制在CM上通过的所有报文，并且在使用时比较简单、方便。
3. 上行带宽请求与业务调度
CCMTS技术中的上行通讯机制为SCDMA，所以每个CM在任意时刻都有通道和CCMTS设备稳定通信。该系统上下行通道分开，采用全双工方式，保证优先级高的数据流优先传输，可以说SCDMA的通讯机制是高QoS保障实现的根本基础。
在CCMTS技术中对于上行带宽请求策略是采用按优先级顺序进行请求，通过对MAP进行解析，获得IUC参数，优先为高优先级的数据申请发送机会。在上行业务流的调度策略问题上，DOCSIS在上行信道定义了UGS、RTPS、UGSAD、NRTPS以及BE五种业务。根据数据的特性，把不同性质的数据放到不同的业务流中传输。CCMTS技术采用基于多优先级队列的数据传输调度策略，保证对时间延迟敏感业务的优先调度，并且对UGS和UGAD业务流队列进行监测，当发现UGS队列深度超过头端分配的每周期固定数据授权个数时，通过QI标志位通知CMTS授权额外带宽，并在检测到其业务流队列深度在控制范围内时，清空标志位并通知头端。对于UGS-AD业务流队列的监测主要在于检测该业务流是否处于活动状态，以通知CCMTS采用什么样的时隙分配策略，将UGS的低延迟特性和rtPS的高效性相结合提高了带宽利用率。这样，通过采用按优先级匹配分类器，净负荷标头的抑制，“尽量级联”的级联策略和流量控制，发送请求策略，调度业务，队列监控等机制保证了CM对QoS的控制。
4. 服务流映射，LLID—SSID
CCMTS技术中的 QoS机制解决方案中的构件主要集中在OSI的第二层即MAC层，适用于CCMTS和CM之间的交互环境。CCMTS技术实现了将DOCSIS的QoS规范与IP的QoS方案结合在一起，即CCMTS技术的服务流与EPON系统的逻辑链路标识一一对应，保证端到端的QoS，为用户提高良好的QoS机制，满足为用户对宽带业务的不同需求。
在DOCSIS系统中，利用业务流量标识符，针对每个用户和每种业务单独调度数据包，利用这种DOCSIS 中提供的QoS 方法，CCMTS技术可以针对每个用户和每种业务提供不同的服务级别；在PON系统中，通过不同的逻辑链路来区分不同用户和不同业务，从而保证网络的服务质量。在EPON+CCMTS系统中怎样来保证QoS，怎样完成服务流与逻辑链路的映射呢？
在CCMTS设备中存在一个协议转化模块，它可以将DOCSIS侧的服务流对应到EPON侧的逻辑链路标识，使高优先级的业务在DOCSIS侧被优先传输，在对应到EPON侧仍然为被标识为高优先级业务，保证EPON+CCMTS系统具有优异的QoS机制，为用户提高质量的宽带服务。
5. 硬件QoS
CCMTS技术通过硬件QoS有效地进行高吞吐量下的带宽管理，在此基础上可以增加优先级的划分并有效提高带宽控制粒度，从而弥补传统CPU对性能的拖累，提高设备整体的性能。
CCMTS技术是通过网络处理器（NP）实现硬件QoS。NP是一种可编程器件，它特别适用于通信领域的各种任务，除QoS外还可以应用到包处理、协议分析、路由查找等技术领域。网络处理器器件内部由若干个微码处理器和若干硬件协处理器组成，多个微码处理器在网络处理器内部并行处理，通过预先编制的微码来控制处理流程。而对于一些复杂的标准操作(如QoS的拥塞控制算法、流量调度算法、内存操作、路由表查找算法等)，则采用硬件协处理器来进一步提高处理性能，从而实现了业务灵活性和高性能的有机结合。
相对于FPGA、ASIC等硬件，NP在性能、可靠性和灵活性方面更具有鲜明的特点，可实现复杂的拥塞管理、队列调度、流分类和QoS功能，并具有极高的查找、转发性能，实现“硬件流控”。CCMTS技术通过基于NP硬件的高效带宽分配算法，能够根据用户定义的带宽策略，结合当前网络处理器的流量信息，实现对CCMTS系统带宽的实时控制，从而保证更短的延时，更低的响应时间，保重数据QoS。
运营商可自定义多种不同的带宽控制策略，并通过安全规则对基于源IP 地址、目的IP地址、协议
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