随着因特网的蓬勃发展，网络电话（VoIP）、视频会议、多媒体随选视讯（MOD）等应用也呈现大幅度的成长，与传统网络上提供的服务如E-mail、FTP所不同的是，这些新的应用皆需耗用大量的带宽（bandwidth）。但是目前广泛应用在因特网上的因特网协议（Internet Protocol）是个不可靠的传输协议，在其数据传送规格中，仅针对传送端及接收端的地址及服务等做出规范，并以所谓尽力而为（best effort）的方式来提供服务，并没有提供传输带宽的保证，因此如何解决带宽不足所导致的服务质量不佳或者网络效能低落等问题，就成了这些新兴服务能否普及的重要前提。当然，加大带宽是众多选项之一，但所需成本不仅相当可观，加上人们的欲望无穷，如此并不能确实解决问题。有鉴于此，服务质量保证（Quality of Service） － 一个能够确保服务质量，而又不至于让整体网络效能降低太多的方法 － 就成了最佳选择。
服务质量保证（QoS）的架构
在因特网的相关技术词汇里，服务质量保证（QoS）当为新一代无线行动网络中最关键的几个之一。虽然许多人对QoS朗朗上口，但对其意义却又常感到困惑。究竟什么是QoS？所谓QoS，即为『满足网络上某服务的一组"可量化（quantitative）"的特定要求（requirements）。』我们不再只是含糊不清地要求一个"好的"网络服务，更要明确的指出量化的标准，例如延迟（latency）、不稳定性（jitter）、带宽效能（throughput）、封包遗失率（packet loss rate）等。简言之，QoS乃是提供稳定、可预测的数据传送服务，来满足应用程序的需求。需注意的是，QoS并不能产生新的带宽，而是依据应用程序的需求以及网络管理的设定来有效的管理网络带宽。
为了确保用户对于各项新兴多媒体应用的QoS，新一代的无线行动网络可配合执行下列四项机基本机制：
1.将不同应用程序的封包分类（Packet Classification）
依据个别的需求提供网络资源是QoS的基本概念，因此提供QoS的先决条件就是必须区别来自不同应用程序的封包。在目前的IPv4架构下，我们可用标头（header）中的TOS（Type of Service）字段来做区分；至于下一世代的网络架构IPv6，则可利用其定义在标头中的TC（Traffic Class）字段来达成。
2.封包行为的监控管理（Packet Monitoring and Policing）
虽然经由封包分类可以区分出不同的服务以分配合适的网络资源，但有时仍避免不了会有不正常的情况出现。例如某些应用程序可能超量使用了其分配到的资源，因此必须有一台机器监看各个应用程序的行为，通常这个任务都就近交由用户端直接链接到的路由器（router）来负责。
3.有效的资源分配管理（Efficient Resource Management）
由于有限的网络资源非常珍贵，当某个网络服务终止后，我们希望能很快速地将其原先占有的资源释放出来并做重新分配，因此如何有效地做资源管理是QoS中一项非常重要的议题，包含队列管理（queue management）、封包排程（packet scheduling）等都是其中的一环。
4.适当的网络流量允入控管（Admission Control）
网络上的用户非常多，很多时候不可能满足每个人的个别需求，此时我们通常会采用先到先服务（FCFS）或者根据不同的优先权（priority）来做资源的分配。若所有可用的资源都已分配完或者剩余的资源无法满足新的用户时，此人就必须等待，以免强行加入而造成其他人的效能低落。
QoS在WLAN的应用与技术说明
随着无线通信技术的快速进步，大量的无线局域网络（802.11 WLAN）在校园、办公室、会议厅、机场、购物中心等场所被广泛地建置。未来人们将不再局限于固定的工作环境，而是透过无线宽带的连系自由自在地享受因特网中丰富的资源，例如学生们可在校园的任意一角透过笔记本电脑中内建的无线网络上网查阅数据或抓取上课所需的讲义，或者利用各种传讯程序（例如MSN）与分散在校园各处的同学实时作问题的讨论或心得的分享等。
图一所示为一常见的网络连接方式，假定现在用户位于左边的无线局域网络中，则他需先与基地台（base station）联系，接着在中间的骨干网络（backbone）上路由（routing），最后才能获得最右边因特网上提供的特定服务。由此可知，我们必需在接近使者端的无线存取网络提供足够的无线带宽资源、并进一步在骨干网络中提供快速且稳当的骨干链接，如此方能满足用户的QoS。在无线局域网络端，IEEE 802.11e是最新被提出来确保QoS的网络协议；而在骨干网络上，则以IETF（Internet Engineering Task Force）发展出来的两种技术"整合性服务（Integrated Services）"及"差异性服务（Differentiated Services）"最为常见。
IEEE 802.11e
在传统的IEEE 802.11 WLAN中，每位用户都必须使用DCF（Distributed Coordination Function）互相竞争以取得网络资源的存取权，虽然公平，但对于QoS需求殷切的网络服务而言却相当不利。于是IEEE task group e（TGe）自1999年九月起开始起草新的通讯协议，此协议不仅要能够兼容于现有的IEEE 802.11，还必须在WLAN上提供QoS的机制，这就是IEEE 802.11e。
IEEE 802.11e共定义了八种不同的优先权，优先权越高者有越多的机会获得网络存取权（因其等待下一次传输的时间较短）；除此之外，IEEE 802.11e也允许用户一次传送多个封包以提高传输的效能。因此，只要依据不同的网络应用指派不同的优先权，QoS的问题即可迎刃而解。
去年IEEE 802.11e已经发布了第四版的草案，规格大致底定，在可预见的未来，相信IEEE 802.11e一定会成为无线网络上QoS的首选并被广泛的支持。
整合性服务（IntServ）
整合性服务（IntServ）将数据流（data flow）划分成三种不同的等级，如(表一)所示：
在IntServ网络中，用户需透过带宽保留通讯协议（RSVP）来宣告数据流的特性并作带宽保留，换言之IntServ提供"点对点（end-to-end）"的QoS。什么是点对点的QoS？简单地说就是从传送端到接收端间的每一个网段（segment）都必须满足QoS的要求。
除了点对点的QoS之外，IntServ提供了包含best-effort在内的诸多服务等级，因此可和现存的网络服务兼容而不需额外作升级或转换的动作，同时封包在传统网络与支持IntServ的网络间传递也不会有任何问题；但在IntServ架构中，所有介于传送端与接收端之间的路由器（包含core router与edge router）都必须要能够辨识、记录、并且管控每一笔数据流的状态，如此一来，随着网络的逐渐扩张，数据流大量增加，无论是在储存设备或是处理速度方面对于路由器而言都是一大挑战，这就是IntServ一直为人所诟病的延展性（scalability）问题。图二显示RSVP在IntServ中运作的情形。
差异性服务（DiffServ）
差异性服务（DiffServ）解决了IntServ中的种种缺点，其目标在于提供一个简单、延展性佳（scalable）、且具备弹性（flexible）的QoS机制。DiffServ采用阶层式（hierarchical）的网络架构，如图三。
DiffServ分成EF、AF与Best-effort三种服务等级，不同的等级以不同的DSCP（DiffServ codepoint）表示。当封包进入一DiffServ domain时，首先edge router会对封包作分类与标记，并将DSCP纪录在该包头的DS字段（即IPv4中的TOS字段与IPv6中的TC字段），接着core router会依据不同的服务等级采取不同的传送方式以确保QoS。
DiffServ的优点在于简化了core router的复杂度。不过由于DiffServ只对各个封包作QoS的分级服务，因此在DiffServ domain下对于不同的数据流无法作有效的管理。
整合性服务与差异性服务的结合
从前面的叙述中可看出IntServ与DiffServ有互补的特征，因为IntServ提供了DiffServ无法达到的点对点QoS；而DiffServ又解决了IntServ中的scalability问题，因此将两者截长补短就成为了再合理不过的事情，此即IntServ over DiffServ的基本概念。
IntServ over DiffServ的网络架构如图四，传送与接收两端采用IntServ网络，彼此之间则包含一至数个DiffServ网络。如此一来数据在传输的过程中仍可保留IntServ的点对点特性，同时又可以减轻core router的负担（因封包的分类与标记均由DiffServ中的edge router进行），可说是一举两得。
| 《图四 IntServ over DiffServ》 |
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QoS在无线行动网络的应用
目前我们所使用的行动网络绝大多数仍是以第二代（2G）的行动通讯技术GSM（Global System for Mobile communications）或者是二‧五代（2.5G）的GPRS（General Packet Radio Service）为主，由于多媒体简讯（MMS）、交互式手机游戏、大量数据下载（如video clip）等应用逐渐风行，在行动网络上的QoS也越来越受到人们的关注。以下我们就分别探讨在GPRS与第三代（3G）行动通讯UMTS（Universal Mobile Telecommunications System）中的QoS。
QoS over GPRS
GPRS是以分组交换（packet switch）为基础的网络架构，主要提供各种数据传输的服务。相较GSM，GPRS具有较短的连接时间、较快的传输速率、与较有效率的资源利用。GPRS的架构如图五所示。
GPRS定义了五种QoS参数：precedence、delay、reliability、peak throughput及mean throughput，随着网络应用的不同，其QoS要求也会依此五种参数有所差异。这些QoS要求是由GPRS网络上的HLR（Home Location Register）负责维护，而SGSN（Serving GPRS Support Node）则负责满足这些不同程度的QoS要求。换言之，当一用户发出特定网络服务的请求时，SGSN即检查现有的网络资源能否满足其QoS，若可则确保其服务质量，不行则拒绝其要求。
QoS over UMTS
UMTS是由ITU（International Telecommunication Union）发展出来应用在第三代行动通讯上的网络架构，其核心继承自GPRS，较大的不同在于UMTS中的3G-SGSN支持移动管理（mobility management）、认证（authentication）与收费（charging）等机制。图六为UMTS的架构。
UMTS定义了四种不同的传输等级如表二，由于UMTS之架构与GPRS相似，故其提供QoS的方式也大同小异，在此就不多作赘述了。
QoS未来的发展趋势
虽然在无线局域网络与无线行动网络上各有不同的技术来提供服务质量的保证，但目前仍有许多问题尚待解决。
移动性（mobility）
首先是移动性的问题。当用户在网络中移动时，很可能必须从原先联机的Access Point（或基地台）转换到新的Access Point（或基地台），此行为称为换手（hand-off）。由于不同的Access Point（或基地台）所负责的网络状况并不相同，假设移动到的网络恰巧处于壅塞状态，可能会导致原先的QoS无法继续维持；若硬要满足其QoS，则可能得牺牲数个原本即位于此的用户的权益。如果是大范围的换手，则情况更加复杂，此时可能连IP地址都需要更换。IP地址的更动意味着原先的网络服务均无法继续提供，那就更别谈QoS了。
公平性（fairness）
除了移动性之外，公平性也是一大问题。由于资源有限，满足某些特定的需求势必会让某些人无法获得服务，即所谓排挤效应。以手机用户来说，一般人大概都不太能接受因某些服务占用较多频道而导致电话常打不通的情形吧。因此如何拿捏其中的分寸，让有特殊需求的人能够享有一定的QoS，同时却又不会对一般用户造成太大的影响，同样也是一个不能忽视的重要课题。
在异质性（heterogeneous）的网络间提供QoS
假定现在某公司主管正以视频会议（videoconferencing）与地球另一端的合作伙伴开会，过程中不仅画面延迟情况严重，甚至因为讯号断断续续进而遗漏了重要的讯息，试问此位主管往后还会愿意使用此种方式开会吗？又以一个在线游戏（on-line game）的玩家为例，好不容易发现极微珍稀的道具，却因为联机质量不佳使得道具被别人捡走；又或者与其他玩家约好一同向大魔王挑战，却因为传输质量不佳导致彼此传递的讯息无法及时送达而丧命，试问此位玩家会不感到沮丧万分吗？
从用户的角度来看，他并不在乎传输的过程采用何种技术。不管是短距离的蓝芽（Bluetooth）、红外线（Infrared）、超宽带（UWB）；中程的无线局域网络（WLAN）；长距离的3G、WiMAX；甚至涵盖地表范围的卫星通讯（Satellite），都不是他关注的重点，他只希望网络服务能够顺畅的进行，换言之，能否确保异质性网络间的服务质量就成为了QoS能否普及的先决条件。一个麻烦的问题是：IP网络端的QoS是以IETF制订的方法为准，但行动网络端的QoS却是依循ITU所发展的标准进行；这使得IP网络上的方法不能直接套用在行动网络上，而行动网络所提供的方法却又不能完全兼容于IP网络。因此如何从比较宏观的角度将各种异质性的网络一并纳入考虑以提供令人满意的QoS，将是未来需要深入研究的议题。（作者吴晓光为中央大学信息工程学系副教授，机哲霆为中央大学信息工程学系学生）
参考数据
(1)Jukka Manner, "Provision of Quslity of Service in IP-based Mobile Access Networks," Department of Computer Science, University of Helsinki, Finland, October, 2003.
(2)Abbas Jamalipour, "The Wireless Mobile Internet: Architectures, Protocols and Services," Wiley, 2003.
(3)Shugong Xu, "Advances in WLAN QoS for 802.11: an Overview," Sharp Labs of America, The 14th IEEE 2003 International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communication Proceedings.
(4)Braden R, Clark D & Shenker S, Integrated Services in the Internet Architecture: An Overview, RFC 1633, June 1994.
(5)Blake S, Black D, Carlson M, Davies E, Wang Z & Weirs W, An Architecture for Differentiated Services, RFC 2475, December 1998.
(6)http://www.ietf.org
(7)http://www.iii.org.tw/ncl/document/Qos_web.htm
(8)陈明志, 差异性服务环境中以预算为基础的允入控制, 政治大学信息科学研究所, http://www.cs.nccu.edu.tw/~g9004/progress.htm
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