淺析VoIP在基于MPLS集成模型中QoS技術(shù)
2009/09/03
1 引言
VoIP(Voice over IP)是指利用IP網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行語(yǔ)音通信的技術(shù)。由于IP技術(shù)是一種面向無(wú)連接的技術(shù)，IP網(wǎng)絡(luò )的初衷只是提供一種稱(chēng)之為“盡力而為”(Best Effort)的服務(wù)，這對于只要求準確率而對時(shí)延沒(méi)有嚴格要求的數據業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)是合適的，而對于話(huà)音、視頻等實(shí)時(shí)通信業(yè)務(wù)，它們的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)是難以保障的。VoIP的服務(wù)主要歸結為承載網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題，而目前的網(wǎng)絡(luò )帶寬限制是造成時(shí)延過(guò)大、擁塞的主要原因。另外，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中同時(shí)提供語(yǔ)音和數據應用，就必須特別考慮語(yǔ)音應用的服務(wù)質(zhì)量。
為保證IP網(wǎng)絡(luò )上的QoS，IETF首先提出用RSVP發(fā)送信號協(xié)議的綜合業(yè)務(wù)模型(Intserv)[1]，在發(fā)送數據前對接收端建立路徑和預留資源，通過(guò)接納控制、策略控制、分類(lèi)調度控制等機制實(shí)現端到端的QoS。由于要在每個(gè)節點(diǎn)上為每一個(gè)流進(jìn)行資源預留，并且要建立和拆除路徑，這就要求每個(gè)節點(diǎn)都要支持RSVP，都要維護路由和資源的“軟狀態(tài)”信息，這樣它的可擴展性及魯棒性差，在現有的網(wǎng)絡(luò )上特別對大型廣域網(wǎng)實(shí)現起來(lái)比較困難。這就促使LETF去發(fā)展區分業(yè)務(wù)模型(Diffserv)[2]，它是在網(wǎng)絡(luò )邊緣將業(yè)務(wù)流解成很小數據量的聚集流(類(lèi))，由IP分組頭標的DSCP (Diffserv Code Point，區分業(yè)務(wù)碼)來(lái)標識，在網(wǎng)絡(luò )邊緣結點(diǎn)實(shí)施分類(lèi)、標記、管理等功能，在網(wǎng)絡(luò )的核心節點(diǎn)僅僅根據DSCP相關(guān)的PHB(per-hop-behavior)轉發(fā)分組，這簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò )內部節點(diǎn)的結構，這比綜合服務(wù)可擴展性要大的多。但Diffserv仍采用了逐跳路由的分組轉發(fā)方式，對端到端的QoS支持顯得不足。
對VoIP來(lái)說(shuō)，Internet必須具有提供QoS保證以及資源最優(yōu)化使用這兩個(gè)最基本的屬性。最優(yōu)化使用資源是避免流量阻塞和服務(wù)退化的必要的一步，這項工作由流量工程來(lái)完成。多協(xié)議標簽交換(Multi-Protocol Label Switching, MPLS)對IP網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)已經(jīng)被廣泛的認為是一個(gè)重要的流量控制工具。這種重要性歸結為兩個(gè)主要的特征：首先，在傳輸數據包過(guò)程中短小而又固定長(cháng)度的標簽的使用，使其表述性能得到增強;其次，創(chuàng )建電路的能力(label switch path, LSP)在網(wǎng)絡(luò )中無(wú)需連結[3]。這些MPLS特征無(wú)論在Intserv還是在Diffserv中都能夠提供。
由此我們可以看出，Intserv/RSVP，Diffserv，以及MPLS在追求端到端的QoS中是互補的技術(shù)。因此，為保證VoIP的QoS，采用這樣一種集成模型，在邊緣網(wǎng)絡(luò )里采用Intserv，在核心網(wǎng)里采用Diffserv Over MPLS。本文就是討論在這種集成模型上傳輸VoIP業(yè)務(wù)的QoS技術(shù)。
2 MPLS
2.1 MPLS簡(jiǎn)介
MPLS是一種多協(xié)議標簽轉換技術(shù)，它兼有第二層交換的分組轉發(fā)技術(shù)和第三層路由選擇技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，旨在解決當前聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中使用的分組轉發(fā)技術(shù)所存在的許多問(wèn)題。MPLS實(shí)質(zhì)是當IP包進(jìn)入MPLS網(wǎng)絡(luò )時(shí)被分配一個(gè)短小、長(cháng)度固定、具有本地意義、能區別于其他信息流的標簽作為MPLS頭來(lái)封裝這個(gè)IP包，在MPLS網(wǎng)絡(luò )所有轉發(fā)機制都是依據這個(gè)標簽，該標簽告訴分組路徑上的交換節點(diǎn)如何處理和轉發(fā)數據，在離開(kāi)MPLS網(wǎng)絡(luò )時(shí)解封裝MPLS頭。MPLS頭包括一個(gè)二十比特的標簽，一個(gè)三比特的擴展域(最初被定義為擴展，現在使用為COS-服務(wù)類(lèi)型域)，一個(gè)比特的標簽棧指示，還有一個(gè)比特的TTL(time-to-live)域。
MPLS有幾個(gè)核心技術(shù)和組件：流量工程、基于約束路由、標簽交換路由器(Label Switch Router, LSR)、標簽、標簽交換和標簽分發(fā)等，其中LSR是指實(shí)現標簽分發(fā)并能夠根據標簽轉發(fā)分組的交換機或路由器。在一個(gè)MPLS網(wǎng)絡(luò )中，交換路徑可以是點(diǎn)到點(diǎn)、多到一、一到多和多到多等路徑。
2.2 MPLS上的LSP和流量工程
所有的分組都是通過(guò)入口LSR進(jìn)入MPLS網(wǎng)絡(luò )，并通過(guò)出口LSR離開(kāi)MPLS網(wǎng)絡(luò )的這種機制創(chuàng )建了LSP，它指的是對于特定的FEC，帶標簽的分組到達出口LSR之前，必須經(jīng)過(guò)的一組LSR的標簽序列。這種LSP是單向的，即返回特定FEC中的數據流時(shí)，將使用不同的LSP。
LSP的建立可以是控制驅動(dòng)(也就是由控制流量觸發(fā))，也可以是數據驅動(dòng)(也就是特殊流的出現而觸發(fā))。IP包和LSP之間的映射必須在LSR的入口通過(guò)為一個(gè)標簽指定一個(gè)FEC發(fā)生。LSR的入口使用一個(gè)FEC到NHLFE(Next Hop Label Forwarding Entry)的映射，在轉發(fā)的數據包沒(méi)有標簽以及在轉發(fā)前將被標記時(shí)使用。
為了建立LSP，LSR使用信令信息來(lái)協(xié)調和分發(fā)標簽。這些信令信息既可以用一種叫做LDP(Label Distribution Protocol)的新協(xié)議來(lái)承載，也可以用擴展的RSVP[4]去承載。在建立LSP以及支持流量工程的約束路由上兩種協(xié)議可以提供相類(lèi)似的功能。在MPLS網(wǎng)絡(luò )中傳輸VoIP流時(shí)，一般采用擴展的RSVP去分發(fā)標簽綁定信息。
流量工程能夠從路由協(xié)議計算出的最短路中移動(dòng)數據流，從而安排數據流通過(guò)網(wǎng)絡(luò )，避開(kāi)因不均勻的使用網(wǎng)絡(luò )造成的阻塞。因此，在IP網(wǎng)絡(luò )上能夠執行流量工程有著(zhù)很多的好處，主要體現在兩個(gè)方面：基于流量的和基于資源的。前者屬于優(yōu)化關(guān)鍵的流量執行特征，如延時(shí)，包丟失以及吞吐效率;后者指的是使用最有效的方式使用可用的網(wǎng)絡(luò )資源去避免阻塞和低利用率。使用流量工程技術(shù)的直接好處是在轉發(fā)流量時(shí)能避開(kāi)阻塞點(diǎn)，萬(wàn)一失敗時(shí)能快速地重新選擇路由，能有效使用可利用的帶寬以及QoS。
3 基于MPLS的集成模型
整個(gè)集成模型結構由邊緣網(wǎng)絡(luò )和核心網(wǎng)絡(luò )構成。對MPLS來(lái)說(shuō)，它實(shí)際上是一個(gè)提供VPN的承載網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現多節點(diǎn)QoS需求的無(wú)縫連結。邊緣網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)Intserv域，支持綜合服務(wù)，RSVP可為業(yè)務(wù)流提供較好的QoS管理粒度和資源預留，并且能夠穿過(guò)核心網(wǎng)絡(luò )區域。邊緣網(wǎng)絡(luò )通過(guò)核心網(wǎng)絡(luò )實(shí)現端到端的QoS服務(wù)，核心網(wǎng)絡(luò )是在MPLS之上的Diffserv域，由于MPLS與Diffserv對分組的處理及QoS支持比較相似，二者集成既可保留MPLS的便于流量管理、快速轉發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，也可對Diffserv域的資源提供聚合傳輸控制，具有良好的擴展性。下面結合主機A、B實(shí)現定量的QoS通信為例，主要介紹幾個(gè)部件的相關(guān)工作。
3.1 ER
ER是純粹的Intserv路由器，在發(fā)送與接收間處理正常的RSVP信令信息，并預定的策略控制資源有效性。主機A產(chǎn)生RSVP PATH信令，該信令詳細講述了應用進(jìn)程要求的QoS，并激活本地流量控制。經(jīng)過(guò)正常的RSVP操作后，信令到達Intserv域邊緣路由器ER。
3.2 BR/LER
BR/LER既是Diffserv域邊界路由器，同時(shí)也是MPLS域中的標簽邊界路由器LER，結構和功能相對復雜。RSVP信令進(jìn)入核心網(wǎng)絡(luò )時(shí)，首先經(jīng)過(guò)Diffserv域，在Diffserv域不識別RSVP的情況下，BR/LER作為純粹的Diffserv邊界路由器BR，將轉發(fā)服務(wù)要求相同的一類(lèi)微流聚合，組成一類(lèi)以DSCP標識的行為聚合(behavior aggregate，BA)，并映射到MPLS LSP上進(jìn)行轉發(fā)，同時(shí)對流聚集進(jìn)行監測、調度。在Diffserv域識別RSVP的情況下， LER實(shí)施接納控制，建立LSP，另外對進(jìn)入的分組還負責分類(lèi)、申請(或者除去)MPLS標簽，而B(niǎo)R則參加RSVP的信令過(guò)程并作為Diffserv域的接納控制代理[5]。
入站分組通過(guò)BR/LER的分類(lèi)器后，首先執行第三層的查找，若是沒(méi)有標記的分組，將被標記并作為帶標簽的分組發(fā)送給核心網(wǎng)絡(luò )的其他MPLS節點(diǎn);若是帶標簽的分組，可以作為帶標簽的分組被轉發(fā)給其他的MPLS節點(diǎn)，而對于目的地為非MPLS節點(diǎn)的，刪除標簽并執行第3層查找，由IP轉發(fā)表發(fā)送出去;其余的作為純粹的IP分組被轉發(fā)給非MPLS節點(diǎn)。
3.3 CR/LSR
核心網(wǎng)絡(luò )中內部的路由器CR，即MPLS域中的LSR，主要完成MPLS分組的標記交換和轉發(fā)。CR/LSR結構比BR/LER要簡(jiǎn)單得多。當LSR收到一個(gè)標記過(guò)的數據包后，它就把這個(gè)標簽在包含NHLFE的ILM(Incoming Label Map)表里當成索引。進(jìn)入的標簽被新出去的標簽取代，包被轉發(fā)到下一跳，最后，當MPLS包離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )時(shí)LSR的出口解封裝MPLS頭。LSR還承載Diffserv流聚集的MPLS分組進(jìn)行調度、整形、丟棄。
4 集成模型上傳輸VoIP的QoS實(shí)現技術(shù)
這種集成模型包括Intserv和Diffserv的集成以及Diffserv和MPLS的集成，前者的關(guān)鍵是經(jīng)由邊緣網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)生的含有一定的QoS的數據包如何被分類(lèi)并確定DSCP的值，也就是如何將Intserv各種服務(wù)類(lèi)型映射到Diffserv的PHB(per hop behavior);后者的關(guān)鍵是如何將Diffserv中的BA映射到MPLS中的LSP上。在這只考慮BA不多于八種的情況，Intserv、Diffserv和MPLS之間的服務(wù)映射見(jiàn)表一。下面結合集成模型上傳輸VoIP來(lái)對其QoS實(shí)現技術(shù)進(jìn)行分析。
4.1 Intserv和Diffserv的集成
Intserv定義三種服務(wù)類(lèi)型：
(1) 確保業(yè)務(wù)(Guaranteed Service, GS)：可提供一種端到端的嚴格固定隊列延遲的服務(wù)，確保帶寬。
(2) 可控負載服務(wù)(Controlled-load Service, CL)：比盡力服務(wù)要好，是一種相當于在負載不重的網(wǎng)絡(luò )上進(jìn)行的盡力而為的服務(wù)。
(3) 盡力服務(wù)(Best Effort，BE)：傳統的服務(wù)，沒(méi)有在QoS保障。
對于屬于GS的VoIP分組，MPLS網(wǎng)絡(luò )必須能夠識別并將它們從網(wǎng)絡(luò )中的數據分組中區分出來(lái)，才能在MPLS網(wǎng)絡(luò )上提供特別QoS支持。在Diffserv網(wǎng)絡(luò )里，定義一種替代的報頭域，叫做DS域，它替代IPv4 TOS字節(RFC 791)以及IPv6流量類(lèi)字節。DS被分割為一個(gè)六比特的DSCP字段和一個(gè)兩比特的CU(current unused)字段，DS域使用DSCP去選擇每一個(gè)接口的PHB，CU字段還沒(méi)分配，是為ECN(explicit congestion notification)預留的，可以用于前向/后向擁塞通知，這在幀中繼網(wǎng)絡(luò )中非常有用。當決定PHB應用到一個(gè)已收到的數據包時(shí)CU的作用被相應的DS接口忽略。
依據DSCP設置標記包的系統的能力，以同樣的DSCP設置收集的包或以一個(gè)特定的方向發(fā)送的包將被集合成BA。從多種信息源或者應用傳送來(lái)的包可以屬于同樣的BA。換句話(huà)說(shuō)，當用SLA(service level agreement)或者策略映射配置時(shí)，PHB指的是在任何給定的屬于BA的包上對包進(jìn)行排序，隊列，管理或者對節點(diǎn)修整的形為。PHB有四種類(lèi)型，分別為default PHB、Class-Selector PHB、Assured Forwarding(Afny) PHB、Expedited Forwarding(EF) PHB (詳細說(shuō)明見(jiàn)RFC2474，2597，2598)。
RSVP作為Diffserv的組件，提供一個(gè)保證帶寬的服務(wù)，VoIP需要這種健壯(robust)的服務(wù)。而作為Diffserv的關(guān)鍵組成部件EF PHB，支持這種健壯的服務(wù)，并提供低丟失、低延遲、低抖動(dòng)以及確定的帶寬服務(wù)，很好滿(mǎn)足VoIP的QoS的要求。在使用優(yōu)先排隊(priority queueing，PQ)以及類(lèi)(或者BA)上速率限制時(shí)執行EF。在Diffserv網(wǎng)絡(luò )中執行EF PHB時(shí)，它提供虛擬專(zhuān)用線(xiàn)路，或者額外的服務(wù)。因此，EF PHB是對VoIP這樣要求低帶寬，保證帶寬，低時(shí)延，低抖動(dòng)的應用是最理想的。
這樣，通過(guò)DS域的使用，能夠在BR/LER對語(yǔ)音的有效負載流量和信令流量指定不同的優(yōu)先等級。語(yǔ)音缺省的DSCP為101110(RFC 2598)，信令缺省的DSCP為011010(RFC 2597)。對CISCO IOS的IP DSCP的配置及驗證見(jiàn)[6]。
4.2 Diffserv和MPLS的集成
在MPLS網(wǎng)絡(luò )里將服務(wù)定義為以下幾類(lèi)：
(1) Premium：對延時(shí)很敏感的一類(lèi)，以PDA(peak data rate)速率最大可能的傳遞用戶(hù)數據包，低于PDA的數據包將被丟棄。
(2) Olympic：對呑吐量很敏感的一類(lèi)，由三種服務(wù)類(lèi)組成：Gold，Silver以及Bronze。在每個(gè)類(lèi)里有兩個(gè)微處理級，網(wǎng)絡(luò )至少以CDR(committed data rate)速率最大可能傳遞用戶(hù)數據包，可以高于該速率，但如果低于該速率數據包傳遞的可能性就極小。
(3) Best Effort：網(wǎng)絡(luò )里無(wú)QoS保證的服務(wù)類(lèi)。
很顯然，要將VoIP分組映射為Premium類(lèi)，也就是須將封裝VoIP的MPLS頭中Exp字段映射成111，具有最高的服務(wù)等級。其實(shí)，如何將BA映射到LSP實(shí)質(zhì)上是如何在MPLS分組頭標中攜帶BA信息(DSCP)[7]。把一類(lèi)具有相同隊列處理要求、調度行為，但丟棄優(yōu)先級不同的PHB定義為一個(gè)PHB調度類(lèi)(PHB Scheduling Class, PSC)[8]，那么這樣映射實(shí)質(zhì)上也是就是如何在MPLS頭標中標識分組所屬的PSC以及分組的丟棄優(yōu)先級。IETF組織將LSP分為兩類(lèi)，即E-LSP和L-LSP。E-LSP定義8種BA，映射到MPLS標記的Exp字段超過(guò)8種BA時(shí)，定義為L(cháng)-LSP，要聯(lián)合使用Lable字段和Exp字段標識種類(lèi)，可單獨使用Exp字段表示丟棄優(yōu)先級，但擴展性不如E-LSP。兩種服務(wù)之間的映射關(guān)系見(jiàn)表一。
在MPLS網(wǎng)絡(luò )中，提供無(wú)擁塞(較低的延遲、抖動(dòng)和分組丟失率)LSP對VoIP業(yè)務(wù)至關(guān)重要的。在MPLS網(wǎng)絡(luò )里存在一個(gè)這樣的問(wèn)題，就是路由器建立了-個(gè)LSP，卻不能保證該路由器能夠處理這個(gè)LSP的帶寬要求，其它通過(guò)這個(gè)路由器的LSP可能會(huì )與它爭奪相同的資源。MPLS網(wǎng)絡(luò )采用RSVP技術(shù)，RSVP是一種與電路交換網(wǎng)絡(luò )的呼叫建立非常類(lèi)似的帶寬預留技術(shù)，這樣就可以在每個(gè)路由器為每個(gè)LSP預留帶寬，這樣從開(kāi)始就避免了路由器的過(guò)度預訂。此外，在為VoIP語(yǔ)音業(yè)務(wù)指定網(wǎng)絡(luò )資源時(shí)，需要根據嚴格的計算，逐個(gè)鏈路進(jìn)行，MPLS的流量工程可以勝任這種工作。流量工程利用RSVP為語(yǔ)音業(yè)務(wù)流預留資源，如果最短路徑的資源不夠，流量工程可以建立路由來(lái)傳送業(yè)務(wù)。如果RSVP建立MPLS流量工程隧道，MPLS標記也可用于這種業(yè)務(wù)流。這些標記加上Exp比特，為話(huà)音流提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、可擴展的標識方式。
5 結論
本文首先對IP網(wǎng)絡(luò )上的各種QoS服務(wù)模型進(jìn)行了分析和比較，并著(zhù)重分析了MPLS的工作原理，在此基礎上深入研究了一種結合Intserv、Diffserv和MPLS的集成服務(wù)模型，特別分析了其邊緣路由器和核心路由器的結構及功能。然后重點(diǎn)分析在集成模型上的傳輸VoIP的QoS實(shí)現技術(shù)，包括各服務(wù)類(lèi)型之間的映射。隨著(zhù)技術(shù)和標準的不斷成熟，伴隨著(zhù)“三網(wǎng)合一”的大潮，VoIP可望成為下一代電信基礎設施結構的核心，使未來(lái)各電信業(yè)務(wù)統-到IP網(wǎng)上，如何更好地保證VoIP的QoS，還需要作更多的有益的探討。
慧聰網(wǎng)
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