SIP系列講座-SIP和QoS-1

　　今天，為了更好地結合VOIP網(wǎng)絡(luò )來(lái)解釋QOS相關(guān)技術(shù)的重要性，我們重點(diǎn)討論以下幾個(gè)方面的內容：

　　1、VOIP網(wǎng)絡(luò )的概念回顧。VOIP網(wǎng)絡(luò )中的網(wǎng)絡(luò )傳輸方式的不同，IPPBX場(chǎng)景應用，編碼格式問(wèn)題。

　　UDP和TUP。在VOIP網(wǎng)絡(luò )中，我們經(jīng)常會(huì )看到UDP和TCP的技術(shù)討論。簡(jiǎn)單區別在于：UDP是一種實(shí)時(shí)傳輸的方式，沒(méi)有ACK確認，如果在發(fā)送過(guò)程中數據包丟失，系統也不會(huì )重新傳輸。TCP則不同，發(fā)送方每次發(fā)送一個(gè)數據包，它需要拿到ACK確認，如果在進(jìn)行下一次發(fā)送。所以，TCP可以保證數據的可靠性，但是傳輸速度和UDP相比，有所下降。在以下圖例中，Voice 3 在傳輸過(guò)程中已經(jīng)丟失，發(fā)送方仍然繼續發(fā)送Vocie 4. 所以，對端聽(tīng)到的語(yǔ)音可能不是完整的語(yǔ)音，但是可以滿(mǎn)足雙方之間的基本溝通。在一般的應用場(chǎng)景中，我們通話(huà)時(shí)，突然語(yǔ)音丟失或者失真，雙方可以接受這種狀態(tài)。但是，如果是數據的話(huà)，傳輸過(guò)程中有數據丟失，那可能對端完全不能打開(kāi)這個(gè)文件。這是完全不能接受的應用服務(wù)。

　　目前很多應用環(huán)境中，UDP的使用范圍仍然很普遍，但是隨著(zhù)SIP技術(shù)的應用越來(lái)越多，SIP header數據越來(lái)越大，UDP已經(jīng)很難滿(mǎn)足這些應用的需求。所以，很多廠(chǎng)家的產(chǎn)品更多則支持了TCP傳輸方式。在剛才的討論中，我們已經(jīng)談到了TCP支持更多的交互和數據重組，因此，TCP的傳輸方式被很多廠(chǎng)家慢慢采用，最典型的例子就是微軟的Skype for Business。

　　用戶(hù)可以根據應用場(chǎng)景來(lái)使用相應的傳輸協(xié)議。

　　企業(yè)IPPBX是VOIP應用中最為典型的應用環(huán)境，同時(shí)又充分利用了TDM的語(yǔ)音優(yōu)勢和傳統資源。用戶(hù)可以通過(guò)TDM設備或者網(wǎng)關(guān)接入到IPPBX，也可以實(shí)現全國或者全世界分支機構之間的互通。以下討論就是一個(gè)簡(jiǎn)單的北京分公司和深圳分公司之間的互相連方式。

　　企業(yè)IPPBX具有自己的優(yōu)勢，我們簡(jiǎn)單羅列幾個(gè)方面的優(yōu)勢：

　　目前，隨著(zhù)云計算的普及，企業(yè)通信已經(jīng)實(shí)現了云化，支持的功能更加廣泛。我們在未來(lái)的系列講座中會(huì )介紹基于云的融合通信的一些特點(diǎn)。

　　2、語(yǔ)音編碼和編碼采樣率討論。在以前的文章中，我們已經(jīng)介紹過(guò)語(yǔ)音數模轉換的基本原理和相關(guān)的技術(shù)，今天，我們再簡(jiǎn)單回顧一下數模轉換的簡(jiǎn)單過(guò)程。在以下的三個(gè)圖例說(shuō)明了模擬信號輸入，通過(guò)數模轉換以后，變成網(wǎng)絡(luò )傳輸的數據，然后到另外一個(gè)終端，終端最后再輸出模擬信號，這樣，接聽(tīng)者就可以聽(tīng)到對方的語(yǔ)音。

　　事實(shí)上，在目前的應用場(chǎng)景中，因為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展出很多其他的編碼，這些編碼能夠更好地為某些特定環(huán)境提供更好的語(yǔ)音質(zhì)量，同時(shí)占用更低的帶寬，網(wǎng)絡(luò )適應性也很好。為了對語(yǔ)音質(zhì)量做一個(gè)判斷，通常情況下，我們使用MOS來(lái)作為一個(gè)參考值。MOS 5 為最高分，G.711是最理想的編碼。

　　關(guān)于高清語(yǔ)音的需求。因為越來(lái)越多的應用場(chǎng)景，例如劇場(chǎng)，音樂(lè )會(huì )等環(huán)境更加注重語(yǔ)音質(zhì)量好壞，和以前傳統TDM時(shí)代的語(yǔ)音相比，用戶(hù)更加希望得到更加清晰的語(yǔ)音。用戶(hù)不僅僅要求只是能夠聽(tīng)到語(yǔ)音，要求語(yǔ)音更加飽滿(mǎn)，更加逼真，發(fā)音時(shí)每個(gè)單詞的字母都可以聽(tīng)的非常清楚。運營(yíng)商同樣也需要提供更加優(yōu)質(zhì)的語(yǔ)音質(zhì)量和服務(wù)。以下圖例說(shuō)明了運營(yíng)商對用戶(hù)提供的手機高清語(yǔ)音服務(wù)的數據報告。

　　一般電話(huà)系統可能感受不到高清語(yǔ)音和普通語(yǔ)音的區別，用戶(hù)可以訪(fǎng)問(wèn)一些相關(guān)的技術(shù)網(wǎng)站播放語(yǔ)音文件來(lái)判別它們之間的不同，包括各種語(yǔ)音編碼的窄帶語(yǔ)音，寬帶語(yǔ)音的不同。

　　因為WebRTC的逐漸普及，Opus也是一種非常流行的編碼。它支持了語(yǔ)音呼叫，視頻會(huì )議等場(chǎng)景。用戶(hù)可以自己下載測試不同bitrate的語(yǔ)音質(zhì)量。我們這里不做過(guò)多解釋。

　　通過(guò)以上的介紹，大家可能都了解了一些基本的概念和相關(guān)的帶寬要求。為了保證合理的語(yǔ)音質(zhì)量，選擇什么樣的編碼是一個(gè)比較復雜的問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題涉及了公司帶寬，終端支持能力，語(yǔ)音質(zhì)量等因素。筆者建議大家，如果在一般的語(yǔ)音環(huán)境中，為了保證語(yǔ)音質(zhì)量和兼容性的問(wèn)題，最好選擇G.711編碼。當然，如果客戶(hù)要求不同，網(wǎng)絡(luò )環(huán)境不同則可能需要用戶(hù)自己做出一個(gè)合理的選擇來(lái)達到一個(gè)平衡。很多公司提供各種編碼占用帶寬的計算公式，大家可以在網(wǎng)上查找，通過(guò)準確地計算來(lái)部署自己的帶寬。送大家一句老話(huà)，選擇是需要付出成本的。

　　編碼打包時(shí)長(cháng)對網(wǎng)絡(luò )帶寬的要求也是不同的。通常情況下，運營(yíng)商或設備提供商支持兩種打包時(shí)長(cháng)。打包時(shí)長(cháng)的不同也產(chǎn)生了不同的數據流量，這樣對路由器處理能力的要求也有所不同。大家可以在下面的圖例中看到，如果調整了打包時(shí)長(cháng)，無(wú)論是G.711編碼還是G.729編碼產(chǎn)生的數據流量有明顯的不同。

　　3、RTP協(xié)議是一種實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議，它支持音頻和視頻的應用傳輸。網(wǎng)絡(luò )上有很多關(guān)于RTP的介紹。因為篇幅的關(guān)系，我們僅介紹和QoS相關(guān)的部分。RTP可以在單播或多播的應用場(chǎng)景，它提供的服務(wù)中可以包含幾種消息：

　　這里需要和讀者說(shuō)明的是，RTP使用中幾個(gè)需要注意：

　　在前面的討論中，我們討論的大部分的語(yǔ)音或視頻傳輸仍然使用的是UDP傳輸方式，很少有廠(chǎng)家產(chǎn)品完全僅使用TCP傳輸視頻或者語(yǔ)音。如果傳輸視頻的話(huà)，因為T(mén)CP的傳輸機制中，為了保證數據傳輸的可靠性，有時(shí)需要大量的重傳數據，所以很可能會(huì )是影響已傳輸的視頻數據或數據損壞。如果是語(yǔ)音的話(huà)，用戶(hù)可能還能接受，但是視頻圖像的話(huà)，這樣可能導致視頻效果不佳的問(wèn)題。如果是HTTP中涉及了數據傳輸的話(huà)，則需要TCP傳輸。

　　RTP通過(guò)接入的數據，對數據進(jìn)行封裝，然后經(jīng)過(guò)Layer 5到Layer1 的層層處理和創(chuàng )新封裝，最后在物理層把數據發(fā)送出去。

　　我們通過(guò)消息體的簡(jiǎn)單對照說(shuō)明來(lái)解釋一下RTP中的頭消息內容。以下是RTP頭的格式消息體：

　　RTP 跟蹤消息的說(shuō)明：

　　這里，我們不做過(guò)多的關(guān)于RTP協(xié)議的介紹，如果大家有興趣的話(huà)，可以查閱RFC3550來(lái)做進(jìn)一步的研究。

　　RTCP是對應TCP協(xié)議來(lái)說(shuō)的，全稱(chēng)是實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議，其主要目的就是控制RTP數據的傳輸。它主要有五個(gè)任務(wù)：

　　在RTCP中還有一個(gè)RTCP-XR拓展協(xié)議， RTCP-XR協(xié)議定義了一系列關(guān)于定義語(yǔ)音質(zhì)量和語(yǔ)音問(wèn)題的參數設置。RTCP XR 消息中包含了多種關(guān)于語(yǔ)音質(zhì)量的要素指標：

　　以上各種指標包含了大約20多個(gè)參數，這些參數在RFC3611中有非常詳細的定義和解釋說(shuō)明，用戶(hù)可以查閱RFC做進(jìn)一步的研究。

　　本講座其實(shí)是一個(gè)以往知識點(diǎn)的回顧。在本講座中，我們介紹了TCP/UDP的使用環(huán)境和一些區別，重點(diǎn)對TCP支持語(yǔ)音或視頻的問(wèn)題做了解釋。另外，我們還介紹了企業(yè)IPPBX的應用案例，語(yǔ)音編碼中會(huì )影響QoS的幾個(gè)核心概念，高清語(yǔ)音，還有RTP，RTCP，RTCP XR中對于QoS的管理機制。以上因素都會(huì )影響到QoS的數據質(zhì)量。在本講座的基礎上，筆者會(huì )在后續的講座中會(huì )逐步探討更多關(guān)于QoS的因素。筆者希望經(jīng)過(guò)對整個(gè)SIP中QoS的討論為讀者提供一個(gè)對語(yǔ)音質(zhì)量的要素有一個(gè)比較全面的認識。

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