隨著網際網路的蓬勃發展，網路電話（VoIP）、視訊會議、多媒體隨選視訊（MOD）等應用也呈現大幅度的成長，與傳統網路上提供的服務如E-mail、FTP所不同的是，這些新的應用皆需耗用大量的頻寬（bandwidth）。但是目前廣泛應用在網際網路上的網際網路協定（Internet Protocol）是個不可靠的傳輸協定，在其資料傳送規格中，僅針對傳送端及接收端的位址及服務等做出規範，並以所謂盡力而為（best effort）的方式來提供服務，並沒有提供傳輸頻寬的保證，因此如何解決頻寬不足所導致的服務品質不佳或者網路效能低落等問題，就成了這些新興服務能否普及的重要前提。當然，加大頻寬是眾多選項之一，但所需成本不僅相當可觀，加上人們的慾望無窮，如此並不能確實解決問題。有鑑於此，服務品質保證（Quality of Service） － 一個能夠確保服務品質，而又不至於讓整體網路效能降低太多的方法 － 就成了最佳選擇。
服務品質保證（QoS）的架構
在網際網路的相關技術詞彙裏，服務品質保證（QoS）當為新一代無線行動網路中最關鍵的幾個之一。雖然許多人對QoS朗朗上口，但對其意義卻又常感到困惑。究竟什麼是QoS？所謂QoS，即為『滿足網路上某服務的一組"可量化（quantitative）"的特定要求（requirements）。』我們不再只是含糊不清地要求一個"好的"網路服務，更要明確的指出量化的標準，例如延遲（latency）、不穩定性（jitter）、頻寬效能（throughput）、封包遺失率（packet loss rate）等。簡言之，QoS乃是提供穩定、可預測的資料傳送服務，來滿足應用程式的需求。需注意的是，QoS並不能產生新的頻寬，而是依據應用程式的需求以及網路管理的設定來有效的管理網路頻寬。
為了確保使用者對於各項新興多媒體應用的QoS，新一代的無線行動網路可配合執行下列四項機基本機制：
1.將不同應用程式的封包分類（Packet Classification）
依據個別的需求提供網路資源是QoS的基本概念，因此提供QoS的先決條件就是必須區別來自不同應用程式的封包。在目前的IPv4架構下，我們可用標頭（header）中的TOS（Type of Service）欄位來做區分；至於下一世代的網路架構IPv6，則可利用其定義在標頭中的TC（Traffic Class）欄位來達成。
2.封包行為的監控管理（Packet Monitoring and Policing）
雖然經由封包分類可以區分出不同的服務以分配合適的網路資源，但有時仍避免不了會有不正常的情況出現。例如某些應用程式可能超量使用了其分配到的資源，因此必須有一台機器監看各個應用程式的行為，通常這個任務都就近交由使用者端直接連結到的路由器（router）來負責。
3.有效的資源配置管理（Efficient Resource Management）
由於有限的網路資源非常珍貴，當某個網路服務終止後，我們希望能很快速地將其原先佔有的資源釋放出來並做重新分配，因此如何有效地做資源管理是QoS中一項非常重要的議題，包含佇列管理（queue management）、封包排程（packet scheduling）等都是其中的一環。
4.適當的網路流量允入控管（Admission Control）
網路上的使用者非常多，很多時候不可能滿足每個人的個別需求，此時我們通常會採用先到先服務（FCFS）或者根據不同的優先權（priority）來做資源的分配。若所有可用的資源都已分配完或者剩餘的資源無法滿足新的使用者時，此人就必須等待，以免強行加入而造成其他人的效能低落。
QoS在WLAN的應用與技術說明
隨著無線通訊技術的快速進步，大量的無線區域網路（802.11 WLAN）在校園、辦公室、會議廳、機場、購物中心等場所被廣泛地建置。未來人們將不再侷限於固定的工作環境，而是透過無線寬頻的連繫自由自在地享受網際網路中豐富的資源，例如學生們可在校園的任意一角透過筆記型電腦中內建的無線網路上網查閱資料或抓取上課所需的講義，或者利用各種傳訊程式（例如MSN）與分散在校園各處的同學即時作問題的討論或心得的分享等。
圖一所示為一常見的網路連接方式，假定現在使用者位於左邊的無線區域網路中，則他需先與基地台（base station）聯繫，接著在中間的骨幹網路（backbone）上路由（routing），最後才能獲得最右邊網際網路上提供的特定服務。由此可知，我們必需在接近使者端的無線存取網路提供足夠的無線頻寬資源、並進一步在骨幹網路中提供快速且穩當的骨幹連結，如此方能滿足使用者的QoS。在無線區域網路端，IEEE 802.11e是最新被提出來確保QoS的網路協定；而在骨幹網路上，則以IETF（Internet Engineering Task Force）發展出來的兩種技術"整合性服務（Integrated Services）"及"差異性服務（Differentiated Services）"最為常見。
IEEE 802.11e
在傳統的IEEE 802.11 WLAN中，每位使用者都必須使用DCF（Distributed Coordination Function）互相競爭以取得網路資源的存取權，雖然公平，但對於QoS需求殷切的網路服務而言卻相當不利。於是IEEE task group e（TGe）自1999年九月起開始起草新的通訊協定，此協定不僅要能夠相容於現有的IEEE 802.11，還必須在WLAN上提供QoS的機制，這就是IEEE 802.11e。
IEEE 802.11e共定義了八種不同的優先權，優先權越高者有越多的機會獲得網路存取權（因其等待下一次傳輸的時間較短）；除此之外，IEEE 802.11e也允許使用者一次傳送多個封包以提高傳輸的效能。因此，只要依據不同的網路應用指派不同的優先權，QoS的問題即可迎刃而解。
去年IEEE 802.11e已經發佈了第四版的草案，規格大致底定，在可預見的未來，相信IEEE 802.11e一定會成為無線網路上QoS的首選並被廣泛的支援。
整合性服務（IntServ）
整合性服務（IntServ）將資料流（data flow）劃分成三種不同的等級，如(表一)所示：
在IntServ網路中，使用者需透過頻寬保留通訊協定（RSVP）來宣告資料流的特性並作頻寬保留，換言之IntServ提供"點對點（end-to-end）"的QoS。什麼是點對點的QoS？簡單地說就是從傳送端到接收端間的每一個網段（segment）都必須滿足QoS的要求。
除了點對點的QoS之外，IntServ提供了包含best-effort在內的諸多服務等級，因此可和現存的網路服務相容而不需額外作升級或轉換的動作，同時封包在傳統網路與支援IntServ的網路間傳遞也不會有任何問題；但在IntServ架構中，所有介於傳送端與接收端之間的路由器（包含core router與edge router）都必須要能夠辨識、記錄、並且管控每一筆資料流的狀態，如此一來，隨著網路的逐漸擴張，資料流大量增加，無論是在儲存設備或是處理速度方面對於路由器而言都是一大挑戰，這就是IntServ一直為人所詬病的延展性（scalability）問題。圖二顯示RSVP在IntServ中運作的情形。
差異性服務（DiffServ）
差異性服務（DiffServ）解決了IntServ中的種種缺點，其目標在於提供一個簡單、延展性佳（scalable）、且具備彈性（flexible）的QoS機制。DiffServ採用階層式（hierarchical）的網路架構，如圖三。
DiffServ分成EF、AF與Best-effort三種服務等級，不同的等級以不同的DSCP（DiffServ codepoint）表示。當封包進入一DiffServ domain時，首先edge router會對封包作分類與標記，並將DSCP紀錄在該封包標頭的DS欄位（即IPv4中的TOS欄位與IPv6中的TC欄位），接著core router會依據不同的服務等級採取不同的傳送方式以確保QoS。
DiffServ的優點在於簡化了core router的複雜度。不過由於DiffServ只對各個封包作QoS的分級服務，因此在DiffServ domain下對於不同的資料流無法作有效的管理。
整合性服務與差異性服務的結合
從前面的敘述中可看出IntServ與DiffServ有互補的特徵，因為IntServ提供了DiffServ無法達到的點對點QoS；而DiffServ又解決了IntServ中的scalability問題，因此將兩者截長補短就成為了再合理不過的事情，此即IntServ over DiffServ的基本概念。
IntServ over DiffServ的網路架構如圖四，傳送與接收兩端採用IntServ網路，彼此之間則包含一至數個DiffServ網路。如此一來資料在傳輸的過程中仍可保留IntServ的點對點特性，同時又可以減輕core router的負擔（因封包的分類與標記均由DiffServ中的edge router進行），可說是一舉兩得。
| 《圖四 IntServ over DiffServ》 |
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QoS在無線行動網路的應用
目前我們所使用的行動網路絕大多數仍是以第二代（2G）的行動通訊技術GSM（Global System for Mobile communications）或者是二‧五代（2.5G）的GPRS（General Packet Radio Service）為主，由於多媒體簡訊（MMS）、互動式手機遊戲、大量資料下載（如video clip）等應用逐漸風行，在行動網路上的QoS也越來越受到人們的關注。以下我們就分別探討在GPRS與第三代（3G）行動通訊UMTS（Universal Mobile Telecommunications System）中的QoS。
QoS over GPRS
GPRS是以封包交換（packet switch）為基礎的網路架構，主要提供各種數據傳輸的服務。相較GSM，GPRS具有較短的連線時間、較快的傳輸速率、與較有效率的資源利用。GPRS的架構如圖五所示。
GPRS定義了五種QoS參數：precedence、delay、reliability、peak throughput及mean throughput，隨著網路應用的不同，其QoS要求也會依此五種參數有所差異。這些QoS要求是由GPRS網路上的HLR（Home Location Register）負責維護，而SGSN（Serving GPRS Support Node）則負責滿足這些不同程度的QoS要求。換言之，當一使用者發出特定網路服務的請求時，SGSN即檢查現有的網路資源能否滿足其QoS，若可則確保其服務品質，不行則拒絕其要求。
QoS over UMTS
UMTS是由ITU（International Telecommunication Union）發展出來應用在第三代行動通訊上的網路架構，其核心繼承自GPRS，較大的不同在於UMTS中的3G-SGSN支援移動管理（mobility management）、認證（authentication）與收費（charging）等機制。圖六為UMTS的架構。
UMTS定義了四種不同的傳輸等級如表二，由於UMTS之架構與GPRS相似，故其提供QoS的方式也大同小異，在此就不多作贅述了。
QoS未來的發展趨勢
雖然在無線區域網路與無線行動網路上各有不同的技術來提供服務品質的保證，但目前仍有許多問題尚待解決。
移動性（mobility）
首先是移動性的問題。當使用者在網路中移動時，很可能必須從原先連線的Access Point（或基地台）轉換到新的Access Point（或基地台），此行為稱為換手（hand-off）。由於不同的Access Point（或基地台）所負責的網路狀況並不相同，假設移動到的網路恰巧處於壅塞狀態，可能會導致原先的QoS無法繼續維持；若硬要滿足其QoS，則可能得犧牲數個原本即位於此的使用者的權益。如果是大範圍的換手，則情況更加複雜，此時可能連IP位址都需要更換。IP位址的更動意味著原先的網路服務均無法繼續提供，那就更別談QoS了。
公平性（fairness）
除了移動性之外，公平性也是一大問題。由於資源有限，滿足某些特定的需求勢必會讓某些人無法獲得服務，即所謂排擠效應。以手機用戶來說，一般人大概都不太能接受因某些服務佔用較多頻道而導致電話常打不通的情形吧。因此如何拿捏其中的分寸，讓有特殊需求的人能夠享有一定的QoS，同時卻又不會對一般使用者造成太大的影響，同樣也是一個不能忽視的重要課題。
在異質性（heterogeneous）的網路間提供QoS
假定現在某公司主管正以視訊會議（videoconferencing）與地球另一端的合作伙伴開會，過程中不僅畫面延遲情況嚴重，甚至因為訊號斷斷續續進而遺漏了重要的訊息，試問此位主管往後還會願意使用此種方式開會嗎？又以一個線上遊戲（on-line game）的玩家為例，好不容易發現極微珍稀的道具，卻因為連線品質不佳使得道具被別人撿走；又或者與其他玩家約好一同向大魔王挑戰，卻因為傳輸品質不佳導致彼此傳遞的訊息無法及時送達而喪命，試問此位玩家會不感到沮喪萬分嗎？
從使用者的角度來看，他並不在乎傳輸的過程採用何種技術。不管是短距離的藍芽（Bluetooth）、紅外線（Infrared）、超寬頻（UWB）；中程的無線區域網路（WLAN）；長距離的3G、WiMAX；甚至涵蓋地表範圍的衛星通訊（Satellite），都不是他關注的重點，他只希望網路服務能夠順暢的進行，換言之，能否確保異質性網路間的服務品質就成為了QoS能否普及的先決條件。一個麻煩的問題是：IP網路端的QoS是以IETF制訂的方法為準，但行動網路端的QoS卻是依循ITU所發展的標準進行；這使得IP網路上的方法不能直接套用在行動網路上，而行動網路所提供的方法卻又不能完全相容於IP網路。因此如何從比較宏觀的角度將各種異質性的網路一併納入考量以提供令人滿意的QoS，將是未來需要深入研究的議題。（作者吳曉光為中央大學資訊工程學系副教授，机哲霆為中央大學資訊工程學系學生）
參考資料
(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)陳明志, 差異性服務環境中以預算為基礎的允入控制, 政治大學資訊科學研究所, http://www.cs.nccu.edu.tw/~g9004/progress.htm
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