局域網(wǎng)IP電話(huà)的QoS策略
2009/01/04
本文論述了影響IP網(wǎng)上語(yǔ)音服務(wù)質(zhì)量的主要因素，并提出了基于局域網(wǎng)VoIP相應的解決方案。著(zhù)重分析了局域網(wǎng)中的保證語(yǔ)音QoS(Quality of Service)的機制，提出了在園區網(wǎng)及骨干接入中的QoS保證策略。
VoIP IP電話(huà) QoS 局域網(wǎng)
一、引言
隨著(zhù)因特網(wǎng)的發(fā)展，由于易于管理和經(jīng)濟節約等可行性的原因，越來(lái)越多的應用加到IP網(wǎng)絡(luò )上。人們已經(jīng)廣泛認為，現今的IP網(wǎng)絡(luò )是“盡力而為”的質(zhì)量保證方式，不能滿(mǎn)足已出現的各種服務(wù)和市場(chǎng)要求。在語(yǔ)音方面，人們已習慣了PSTN的高質(zhì)量的語(yǔ)音，所以在IP網(wǎng)上傳輸語(yǔ)音，就須改善IP網(wǎng)上的語(yǔ)音質(zhì)量，與此同時(shí)，成為全行業(yè)范圍內的研究熱點(diǎn)。
以太網(wǎng)是目前應用最廣泛的局域網(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規范為基礎的擴展。一些人可能在爭論說(shuō)QoS不是LAN中所要關(guān)心的問(wèn)題。但是，考慮到LAN中的臨界點(diǎn)，如上行線(xiàn)路和局域主干，當一個(gè)組織配置越來(lái)越多要求帶寬的應用時(shí)，可能存在超過(guò)預計的情況。這終將導致需要在LAN中使用QoS工具。
二、IP語(yǔ)音質(zhì)量的影響因素
現有的網(wǎng)絡(luò )(Internet)對于IP電話(huà)和傳真的服務(wù)質(zhì)量的影響大致有以下幾點(diǎn):
- 實(shí)時(shí)帶寬：IP網(wǎng)絡(luò )當初的設計并不為語(yǔ)音的實(shí)時(shí)傳輸保證應有的帶寬，雖然實(shí)時(shí)語(yǔ)音的傳輸帶寬需求很低，但它卻需要一個(gè)恒定的或直接可用的帶寬。
- 延時(shí)：端到端(在250-350 ms以下)的延時(shí)包括編、解碼造成的延時(shí)，打包與解包的延時(shí)及網(wǎng)絡(luò )傳送延時(shí)。
- 包丟失：IP網(wǎng)上數據的完整性是依靠TCP的重發(fā)機制來(lái)實(shí)現的，IP網(wǎng)上語(yǔ)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(huà)質(zhì)量，一般要求包丟失率應在5%以下。
- 非線(xiàn)性語(yǔ)音編碼: 非線(xiàn)性語(yǔ)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(yǔ)音QoS的機制
1. 分類(lèi)
在一個(gè)集中的LAN環(huán)境中，當需要保護語(yǔ)音通信不受數據通信影響時(shí)，LAN中通信的分類(lèi)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，以區分不同的優(yōu)先級。嚴格地講，在局域網(wǎng)中只能簡(jiǎn)單地區分業(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的參數指標來(lái)衡量。
分類(lèi)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對IEEE 802.1p/Q協(xié)議字段的處理來(lái)區分不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)的。IEEE 802.1p/Q同屬于一個(gè)子集，它在傳統的以太網(wǎng)幀頭中加入了4個(gè)字節，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(gè)優(yōu)先等級。而802.1Q利用VI(VLAN Identifier，虛擬網(wǎng)標識)位識別傳送的幀究竟屬于哪一個(gè)虛網(wǎng)。VI位共有12位，最大可以支持的虛網(wǎng)個(gè)數不會(huì )超過(guò)4096個(gè)。
2. 隊列管理
LAN中的QoS是通過(guò)在通信進(jìn)入一個(gè)交換機的時(shí)候對其進(jìn)行檢查，根據某些特定規則對幀進(jìn)行分類(lèi)，然后對重要數據進(jìn)行排隊，以便優(yōu)先傳輸這些重要數據來(lái)提供的。排隊的實(shí)際處理方法可以根據所使用的特定交換機而變化。像Cisco的Catalyst 2900和3500系列第二層交換機支持每個(gè)物理接口有兩個(gè)分開(kāi)的隊列。交換機可以根據前面所描述的802.1Q/p標記方法而對通信進(jìn)行分類(lèi)，或者就像網(wǎng)絡(luò )管理員為沒(méi)有標記的幀定義的那樣，分類(lèi)可以在每個(gè)端口上完成。一旦通信已經(jīng)被分類(lèi)，高優(yōu)先級通信(CoS=4-7)就能被送到加速(高優(yōu)先級)隊列，而低優(yōu)先級通信(CoS=0-3)則被送到普通隊列。這個(gè)調度的本質(zhì)上是一個(gè)優(yōu)先級隊列算法。
一般用于局域網(wǎng)核心的第三層LAN交換機，如Catalyst 6500系列為優(yōu)先級語(yǔ)音通信提供了附加的QoS特性，可以支持使用IP優(yōu)先權的分類(lèi)，也可以為每個(gè)接口提供多個(gè)隊列并支持各種優(yōu)先調度技術(shù)，如加權公平排隊(WFQ，Weighted Fair Queuing)、自定義隊列(CQ，Custom Quening)、優(yōu)先隊列(PQ，Precedence Queuing)、和加權隨機早期檢測(WRED、Weighted Random Early Detection)。
(1)IP優(yōu)先級：使用IP包頭部的服務(wù)類(lèi)型(Type of Service，ToS)域中的三個(gè)比特位，這意味著(zhù)通過(guò)使用優(yōu)先權比特位，最多能得到8個(gè)值。因為其中兩個(gè)值通常保留給路由協(xié)議、ICMP消息和其它網(wǎng)絡(luò )額外開(kāi)銷(xiāo)，所以這注允許定義最多6種服務(wù)類(lèi)型。一旦IP優(yōu)先級值已經(jīng)設置，網(wǎng)絡(luò )設備上的QoS特性就可以啟用，路由器能使用這個(gè)信息來(lái)決定特定分組所要求的服務(wù)類(lèi)型。如WFO和WRED能使用IP優(yōu)先權來(lái)控制QoS的狀態(tài)。
(2)加權公平排隊：WFQ的目標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(lèi)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(dòng)態(tài)地將通信分到信息流中，第二層的特性也可以用來(lái)給通信分類(lèi)，如源端/目的端MAC地址或幀中繼DLCI。WFQ能識別IP優(yōu)先權值，并對這些包進(jìn)行調度，從而更快地傳送它們，縮短延遲和響應時(shí)間。下面的公式是在WFQ中，根據優(yōu)先級別和信息流數目來(lái)為每個(gè)IP通信流給出的總接口帶寬的百分比。
當IP優(yōu)先權級高時(shí)，WFQ就在擁塞發(fā)生時(shí)為這個(gè)通信分配更多的帶寬。WFQ能避免一個(gè)像FTP這樣的大流量應用在一條鏈路上占用所有可用的帶寬，而像語(yǔ)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(gè)缺點(diǎn)是：如果在給定時(shí)間內網(wǎng)絡(luò )中有很多信息流，它可能變得過(guò)于公平，無(wú)法保證特定通信類(lèi)型的帶寬。
(3)基于類(lèi)的加權公平排隊(CBWFQ)：是標準WFQ功能的擴展版本，它增加了對用戶(hù)定義通信類(lèi)的支持。使用CBWFQ，網(wǎng)絡(luò )管理員可以分離通信并根據協(xié)議，訪(fǎng)問(wèn)控制列表(ACL)或者輸入接口將各種通信放入隊列中。CBWFQ方式最多可定義64類(lèi)通信。一旦通信已被指定為一種類(lèi)型，就能為該類(lèi)指定帶寬，并在擁塞期保證帶寬。CBWFQ為特定通信類(lèi)型保證帶寬的能力使得它成為語(yǔ)音實(shí)現一種較佳的WFQ方式。
(4)優(yōu)先隊列(PQ)：為網(wǎng)絡(luò )管理員決定哪種通信必須被率先排隊并進(jìn)行服務(wù)。各種網(wǎng)絡(luò )流都可以根據下面幾項來(lái)進(jìn)行分類(lèi)：協(xié)議或協(xié)議類(lèi)型、呼入接口、分組大小、分段、訪(fǎng)問(wèn)列表。
PQ隊列優(yōu)先級可設為高、中等、普通和低。路由器按優(yōu)先級從最高到最低的順序為隊列提供服務(wù)。服務(wù)順序是這樣的：如果高優(yōu)先級隊列中有通信，那么普通隊列直到高優(yōu)先級隊列中所有的分組被傳送完之前，不能轉發(fā)任何分組。這對于確保關(guān)鍵應用如交互式語(yǔ)音來(lái)說(shuō)是很好的機制。
服務(wù)高優(yōu)先級隊列并且永遠不服務(wù)低優(yōu)先級隊列。CQ考慮到其他隊列，允許處理其他一定百分比的通信。這個(gè)百分比的能力保證了每個(gè)隊列都將被有規律地服務(wù)并保證了某些級別的帶寬。
(6)加權隨機早期檢測(WRED)
WRED試圖通過(guò)在緩沖區擁塞之前隨機進(jìn)行丟包來(lái)克服丟棄問(wèn)題。WRED根據平均隊列長(cháng)度來(lái)確定什么時(shí)候開(kāi)始丟包。一旦隊列中的分組數超過(guò)定義的隊列上限，WRED就開(kāi)始在隊列上限的范圍內丟包。丟包對于網(wǎng)絡(luò )流完全不另選擇。因為分級在隊列中隨機丟棄，這就導致只有幾個(gè)會(huì )話(huà)將重新啟動(dòng)。這向網(wǎng)絡(luò )提供了一個(gè)排空隊列的機會(huì )。因為剩余的會(huì )話(huà)繼續流動(dòng)，所以緩沖區可以清空并允許其它的TCP會(huì )話(huà)有恢復的機會(huì )。
WFQ、CBWFQ、CQ、PQ和WRED在一個(gè)接口上是互斥的。
四、局域網(wǎng)中IP電話(huà)的QoS保證策略
目前局域網(wǎng)的基礎技術(shù)以以太網(wǎng)(傳統的交換式10Mb/s以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)或千兆位以太網(wǎng))為基礎。對于IP網(wǎng)絡(luò )電話(huà)服務(wù)而言，延遲的影響不會(huì )成為問(wèn)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(mǎn)，并由此帶來(lái)包的丟失。所以為保證語(yǔ)音/視頻的質(zhì)量，在園區網(wǎng)中需采用以下QoS機制：
1. 將不同的應用分類(lèi)，其策略為：(Precedence為優(yōu)先級)
(a)語(yǔ)音： Precedence=5
(b)語(yǔ)音控制： Precedence=3
(c)視頻會(huì )議： Precedence=4
(d)視頻流： Precedence=1
(e)數據： Precedence=0-2
2. 選用在輸入/輸出端口支持多個(gè)隊列的交換機
CISCO以下交換機具有多個(gè)隊列：Catalyst6000、Catalyst4000、Catalyst3500和Catalyst 2900。
3. 采用不同的隊列輸出策略
語(yǔ)音： PQ
視頻會(huì )議Video： PQ
視頻流： CBWFQ
語(yǔ)音控制：CBWFQ(8kb/s)
五、總結
本論文設計了這一方案在LAN Ethernet中的語(yǔ)音QoS的實(shí)現策略和方法。探索了在局域網(wǎng)條件下，利用包優(yōu)先級字段和路由隊列機制來(lái)實(shí)現高質(zhì)量通話(huà)，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(jià)值。由于局域網(wǎng)信息建設與應用系統的逐漸增加，網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)集成了語(yǔ)音、數據、視頻甚至其他媒體形式的多種多媒體通信。如何保證語(yǔ)音QoS還是一個(gè)相當復雜的問(wèn)題，值得進(jìn)一步的研究。
ChinaByte(e.chinabyte.com)
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