局域網(wǎng)IP電話的QoS策略

2019-11-03 09:03:06

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供稿：網(wǎng)友

羅小娟

華東理工大學信息學院 200237

　　摘要本文論述了影響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）的機制，提出了在園區(qū)網(wǎng)及骨干接入中的QoS保證策略。

　　關(guān)鍵詞 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。

　　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，如上行線路和局域主干，當一個組織配置越來越多要求帶寬的應(yīng)用時，可能存在超過預計的情況。這終將導致需要在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:

　　（1）實時帶寬：IP網(wǎng)絡(luò)當初的設(shè)計并不為語音的實時傳輸保證應(yīng)有的帶寬，雖然實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。

　　（2）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。

　　（3）包丟失：IP網(wǎng)上數(shù)據(jù)的完整性是依靠TCP的重發(fā)機制來實現(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。

　　（4）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的機制

　　1. 分類

　　在一個集中的LAN環(huán)境中，當需要保護語音通信不受數(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的參數(shù)指標來衡量。

　　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. 隊列管理

　　LAN中的QoS是通過在通信進入一個交換機的時候?qū)ζ溥M行檢查，根據(jù)某些特定規(guī)則對幀進行分類，然后對重要數(shù)據(jù)進行排隊，以便優(yōu)先傳輸這些重要數(shù)據(jù)來提供的。排隊的實際處理方法可以根據(jù)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物理接口有兩個分開的隊列。交換機可以根據(jù)前面所描述的802.1Q/p標記方法而對通信進行分類，或者就像網(wǎng)絡(luò)管理員為沒有標記的幀定義的那樣，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）隊列，而低優(yōu)先級通信（CoS=0-3）則被送到普通隊列。這個調(diào)度的本質(zhì)上是一個優(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列并支持各種優(yōu)先調(diào)度技術(shù)，如加權(quán)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(quán)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。因為其中兩個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：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（CBWFQ）：是標準WFQ功能的擴展版本，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現(xiàn)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行服務(wù)。各種網(wǎng)絡(luò)流都可以根據(jù)下面幾項來進行分類：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(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。這個百分比的能力保證了每個隊列都將被有規(guī)律地服務(wù)并保證了某些級別的帶寬。

　　（6）加權(quán)隨機早期檢測（WRED）

　　WRED試圖通過在緩沖區(qū)擁塞之前隨機進行丟包來克服丟棄問題。WRED根據(jù)平均隊列長度來確定什么時候開始丟包。一旦隊列中的分組數(shù)超過定義的隊列上限，WRED就開始在隊列上限的范圍內(nèi)丟包。丟包對于網(wǎng)絡(luò)流完全不另選擇。因為分級在隊列中隨機丟棄，這就導致只有幾個會話將重新啟動。這向網(wǎng)絡(luò)提供了一個排空隊列的機會。因為剩余的會話繼續(xù)流動，所以緩沖區(qū)可以清空并允許其它的TCP會話有恢復的機會。

　　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列的交換機

　　CISCO以下交換機具有多個隊列：Catalyst6000、Catalyst4000、Catalyst3500和Catalyst 2900。

　　3. 采用不同的隊列輸出策略

　　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)計了這一方案在LAN Ethernet中的語音QoS的實現(xiàn)策略和方法。探索了在局域網(wǎng)條件下，利用包優(yōu)先級字段和路由隊列機制來實現(xiàn)高質(zhì)量通話，對進一步探討在局域網(wǎng)上的QoS具有較高的研究和實用價值。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還是一個相當復雜的問題，值得進一步的研究。

　　
----《中國數(shù)據(jù)通信》