局域網(wǎng)IP電話的QoS策略
2009/01/04
本文論述了影響IP網(wǎng)上語音服務(wù)質(zhì)量的主要因素，并提出了基于局域網(wǎng)VoIP相應(yīng)的解決方案。著重分析了局域網(wǎng)中的保證語音QoS(Quality of Service)的機(jī)制，提出了在園區(qū)網(wǎng)及骨干接入中的QoS保證策略。
VoIP IP電話 QoS 局域網(wǎng)
一、引言
隨著因特網(wǎng)的發(fā)展，由于易于管理和經(jīng)濟(jì)節(jié)約等可行性的原因，越來越多的應(yīng)用加到IP網(wǎng)絡(luò)上。人們已經(jīng)廣泛認(rèn)為，現(xiàn)今的IP網(wǎng)絡(luò)是“盡力而為”的質(zhì)量保證方式，不能滿足已出現(xiàn)的各種服務(wù)和市場要求。在語音方面，人們已習(xí)慣了PSTN的高質(zhì)量的語音，所以在IP網(wǎng)上傳輸語音，就須改善IP網(wǎng)上的語音質(zhì)量，與此同時，成為全行業(yè)范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。
以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)。100Mbit/s快速以太網(wǎng)和1Gbit/s千兆以太網(wǎng)都是以IEEE802.3 CDMA/CD規(guī)范為基礎(chǔ)的擴(kuò)展。一些人可能在爭論說QoS不是LAN中所要關(guān)心的問題。但是，考慮到LAN中的臨界點(diǎn)，如上行線路和局域主干，當(dāng)一個組織配置越來越多要求帶寬的應(yīng)用時，可能存在超過預(yù)計(jì)的情況。這終將導(dǎo)致需要在LAN中使用QoS工具。
二、IP語音質(zhì)量的影響因素
現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)(Internet)對于IP電話和傳真的服務(wù)質(zhì)量的影響大致有以下幾點(diǎn):
- 實(shí)時帶寬：IP網(wǎng)絡(luò)當(dāng)初的設(shè)計(jì)并不為語音的實(shí)時傳輸保證應(yīng)有的帶寬，雖然實(shí)時語音的傳輸帶寬需求很低，但它卻需要一個恒定的或直接可用的帶寬。
- 延時：端到端(在250-350 ms以下)的延時包括編、解碼造成的延時，打包與解包的延時及網(wǎng)絡(luò)傳送延時。
- 包丟失：IP網(wǎng)上數(shù)據(jù)的完整性是依靠TCP的重發(fā)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的，IP網(wǎng)上語音包的傳輸采用UDP的方式，不能保證包的的完整性。為保證通話質(zhì)量，一般要求包丟失率應(yīng)在5%以下。
- 非線性語音編碼: 非線性語音壓縮編碼方案并不能保留所有頻譜的信息
三、局域網(wǎng)中保證語音QoS的機(jī)制
1. 分類
在一個集中的LAN環(huán)境中，當(dāng)需要保護(hù)語音通信不受數(shù)據(jù)通信影響時，LAN中通信的分類就變得很重要了。局域網(wǎng)中的QoS主要是對第二層的以太網(wǎng)幀頭加入了優(yōu)先級字段，以區(qū)分不同的優(yōu)先級。嚴(yán)格地講，在局域網(wǎng)中只能簡單地區(qū)分業(yè)務(wù)的優(yōu)先級，并不能像ATM QoS那樣有精確的定義和詳細(xì)的參數(shù)指標(biāo)來衡量。
分類技術(shù)在以太網(wǎng)、虛擬局域網(wǎng)(VLAN)等網(wǎng)絡(luò)上提供了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先的功能。這種解決方案是根據(jù)對IEEE 802.1p/Q協(xié)議字段的處理來區(qū)分不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)的。IEEE 802.1p/Q同屬于一個子集，它在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)幀頭中加入了4個字節(jié)，其中802.1p占3位。802.1p延伸了802.1d的協(xié)議，利用3位優(yōu)先級位可以最多提供8個優(yōu)先等級。而802.1Q利用VI(VLAN Identifier，虛擬網(wǎng)標(biāo)識)位識別傳送的幀究竟屬于哪一個虛網(wǎng)。VI位共有12位，最大可以支持的虛網(wǎng)個數(shù)不會超過4096個。
2. 隊(duì)列管理
LAN中的QoS是通過在通信進(jìn)入一個交換機(jī)的時候?qū)ζ溥M(jìn)行檢查，根據(jù)某些特定規(guī)則對幀進(jìn)行分類，然后對重要數(shù)據(jù)進(jìn)行排隊(duì)，以便優(yōu)先傳輸這些重要數(shù)據(jù)來提供的。排隊(duì)的實(shí)際處理方法可以根據(jù)所使用的特定交換機(jī)而變化。像Cisco的Catalyst 2900和3500系列第二層交換機(jī)支持每個物理接口有兩個分開的隊(duì)列。交換機(jī)可以根據(jù)前面所描述的802.1Q/p標(biāo)記方法而對通信進(jìn)行分類，或者就像網(wǎng)絡(luò)管理員為沒有標(biāo)記的幀定義的那樣，分類可以在每個端口上完成。一旦通信已經(jīng)被分類，高優(yōu)先級通信(CoS=4-7)就能被送到加速(高優(yōu)先級)隊(duì)列，而低優(yōu)先級通信(CoS=0-3)則被送到普通隊(duì)列。這個調(diào)度的本質(zhì)上是一個優(yōu)先級隊(duì)列算法。
一般用于局域網(wǎng)核心的第三層LAN交換機(jī)，如Catalyst 6500系列為優(yōu)先級語音通信提供了附加的QoS特性，可以支持使用IP優(yōu)先權(quán)的分類，也可以為每個接口提供多個隊(duì)列并支持各種優(yōu)先調(diào)度技術(shù)，如加權(quán)公平排隊(duì)(WFQ，Weighted Fair Queuing)、自定義隊(duì)列(CQ，Custom Quening)、優(yōu)先隊(duì)列(PQ，Precedence Queuing)、和加權(quán)隨機(jī)早期檢測(WRED、Weighted Random Early Detection)。
(1)IP優(yōu)先級：使用IP包頭部的服務(wù)類型(Type of Service，ToS)域中的三個比特位，這意味著通過使用優(yōu)先權(quán)比特位，最多能得到8個值。因?yàn)槠渲袃蓚�值通常保留給路由協(xié)議、ICMP消息和其它網(wǎng)絡(luò)額外開銷，所以這注允許定義最多6種服務(wù)類型。一旦IP優(yōu)先級值已經(jīng)設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的QoS特性就可以啟用，路由器能使用這個信息來決定特定分組所要求的服務(wù)類型。如WFO和WRED能使用IP優(yōu)先權(quán)來控制QoS的狀態(tài)。
(2)加權(quán)公平排隊(duì)：WFQ的目標(biāo)是為小流量通信提供一種更公平的可用帶寬分配，或者和通信類型交互作用從而在擁塞的鏈路上提高，而不必增加帶寬。WFQ算法可以基于包部特性，如源端/目的端地址、協(xié)議和端口/套接字編號，動態(tài)地將通信分到信息流中，第二層的特性也可以用來給通信分類，如源端/目的端MAC地址或幀中繼DLCI。WFQ能識別IP優(yōu)先權(quán)值，并對這些包進(jìn)行調(diào)度，從而更快地傳送它們，縮短延遲和響應(yīng)時間。下面的公式是在WFQ中，根據(jù)優(yōu)先級別和信息流數(shù)目來為每個IP通信流給出的總接口帶寬的百分比。
當(dāng)IP優(yōu)先權(quán)級高時，WFQ就在擁塞發(fā)生時為這個通信分配更多的帶寬。WFQ能避免一個像FTP這樣的大流量應(yīng)用在一條鏈路上占用所有可用的帶寬，而像語音這樣的其它小流量通信卻因資源不足而“餓死”。WFQ是支持RSVP的。WFQ的一個缺點(diǎn)是：如果在給定時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中有很多信息流，它可能變得過于公平，無法保證特定通信類型的帶寬。
(3)基于類的加權(quán)公平排隊(duì)(CBWFQ)：是標(biāo)準(zhǔn)WFQ功能的擴(kuò)展版本，它增加了對用戶定義通信類的支持。使用CBWFQ，網(wǎng)絡(luò)管理員可以分離通信并根據(jù)協(xié)議，訪問控制列表(ACL)或者輸入接口將各種通信放入隊(duì)列中。CBWFQ方式最多可定義64類通信。一旦通信已被指定為一種類型，就能為該類指定帶寬，并在擁塞期保證帶寬。CBWFQ為特定通信類型保證帶寬的能力使得它成為語音實(shí)現(xiàn)一種較佳的WFQ方式。
(4)優(yōu)先隊(duì)列(PQ)：為網(wǎng)絡(luò)管理員決定哪種通信必須被率先排隊(duì)并進(jìn)行服務(wù)。各種網(wǎng)絡(luò)流都可以根據(jù)下面幾項(xiàng)來進(jìn)行分類：協(xié)議或協(xié)議類型、呼入接口、分組大小、分段、訪問列表。
PQ隊(duì)列優(yōu)先級可設(shè)為高、中等、普通和低。路由器按優(yōu)先級從最高到最低的順序?yàn)殛?duì)列提供服務(wù)。服務(wù)順序是這樣的：如果高優(yōu)先級隊(duì)列中有通信，那么普通隊(duì)列直到高優(yōu)先級隊(duì)列中所有的分組被傳送完之前，不能轉(zhuǎn)發(fā)任何分組。這對于確保關(guān)鍵應(yīng)用如交互式語音來說是很好的機(jī)制。
服務(wù)高優(yōu)先級隊(duì)列并且永遠(yuǎn)不服務(wù)低優(yōu)先級隊(duì)列。CQ考慮到其他隊(duì)列，允許處理其他一定百分比的通信。這個百分比的能力保證了每個隊(duì)列都將被有規(guī)律地服務(wù)并保證了某些級別的帶寬。
(6)加權(quán)隨機(jī)早期檢測(WRED)
WRED試圖通過在緩沖區(qū)擁塞之前隨機(jī)進(jìn)行丟包來克服丟棄問題。WRED根據(jù)平均隊(duì)列長度來確定什么時候開始丟包。一旦隊(duì)列中的分組數(shù)超過定義的隊(duì)列上限，WRED就開始在隊(duì)列上限的范圍內(nèi)丟包。丟包對于網(wǎng)絡(luò)流完全不另選擇。因?yàn)榉旨壴陉?duì)列中隨機(jī)丟棄，這就導(dǎo)致只有幾個會話將重新啟動。這向網(wǎng)絡(luò)提供了一個排空隊(duì)列的機(jī)會。因?yàn)槭Ｓ嗟臅捓^續(xù)流動，所以緩沖區(qū)可以清空并允許其它的TCP會話有恢復(fù)的機(jī)會。
WFQ、CBWFQ、CQ、PQ和WRED在一個接口上是互斥的。
四、局域網(wǎng)中IP電話的QoS保證策略
目前局域網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)以以太網(wǎng)(傳統(tǒng)的交換式10Mb/s以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)或千兆位以太網(wǎng))為基礎(chǔ)。對于IP網(wǎng)絡(luò)電話服務(wù)而言，延遲的影響不會成為問題，而由于1000M到100M，多到一的網(wǎng)絡(luò)流量分布使交換端口的Buffer易于填滿，并由此帶來包的丟失。所以為保證語音/視頻的質(zhì)量，在園區(qū)網(wǎng)中需采用以下QoS機(jī)制：
1. 將不同的應(yīng)用分類，其策略為：(Precedence為優(yōu)先級)
(a)語音： Precedence=5
(b)語音控制： Precedence=3
(c)視頻會議： Precedence=4
(d)視頻流： Precedence=1
(e)數(shù)據(jù)： Precedence=0-2
2. 選用在輸入/輸出端口支持多個隊(duì)列的交換機(jī)
CISCO以下交換機(jī)具有多個隊(duì)列：Catalyst6000、Catalyst4000、Catalyst3500和Catalyst 2900。
3. 采用不同的隊(duì)列輸出策略
語音： PQ
視頻會議Video： PQ
視頻流： CBWFQ
語音控制：CBWFQ(8kb/s)
五、總結(jié)
本論文設(shè)計(jì)了這一方案在LAN Ethernet中的語音QoS的實(shí)現(xiàn)策略和方法。探索了在局域網(wǎng)條件下，利用包優(yōu)先級字段和路由隊(duì)列機(jī)制來實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量通話，對進(jìn)一步探討在局域網(wǎng)上的QoS具有較高的研究和實(shí)用價值。由于局域網(wǎng)信息建設(shè)與應(yīng)用系統(tǒng)的逐漸增加，網(wǎng)絡(luò)是一個集成了語音、數(shù)據(jù)、視頻甚至其他媒體形式的多種多媒體通信。如何保證語音QoS還是一個相當(dāng)復(fù)雜的問題，值得進(jìn)一步的研究。
ChinaByte(e.chinabyte.com)
相關(guān)鏈接: