局域網IP電話的QoS策略

2019-11-05 03:10:57

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供稿：網友

　　本文論述了影響ip網上語音服務質量的主要因素，并提出了基于局域網VoIP相應的解決方案。著重分析了局域網中的保證語音QoS（Quality of Service）的機制，提出了在園區網及骨干接入中的QoS保證策略。
　　
　　要害詞 VoIP IP電話 QoS 局域網
　　
　　一、引言
　　隨著因特網的發展，由于易于治理和經濟節約等可行性的原因，越來越多的應用加到IP網絡上。人們已經廣泛認為，現今的IP網絡是“盡力而為”的質量保證方式，不能滿足已出現的各種服務和市場要求。在語音方面，人們已習慣了PSTN的高質量的語音，所以在IP網上傳輸語音，就須改善IP網上的語音質量，與此同時，成為全行業范圍內的研究熱點。
　　
　　以太網是目前應用最廣泛的局域網技術。100Mbit/s快速以太網和1Gbit/s千兆以太網都是以IEEE802.3 CDMA/CD規范為基礎的擴展。一些人可能在爭論說QoS不是LAN中所要關心的問題。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語音質量的影響因素
　　現有的網絡（Internet）對于IP電話和傳真的服務質量的影響大致有以下幾點:
　　
　　（1）實時帶寬：IP網絡當初的設計并不為語音的實時傳輸保證應有的帶寬，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絡傳送延時。
　　
　　（3）包丟失：IP網上數據的完整性是依靠TCP的重發機制來實現的，IP網上語音包的傳輸采用UDP的方式，不能保證包的的完整性。為保證通話質量，一般要求包丟失率應在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、局域網中保證語音QoS的機制
　　1. 分類
　　
　　在一個集中的LAN環境中，當需要保護語音通信不受數據通信影響時，LAN中通信的分類就變得很重要了。局域網中的QoS主要是對第二層的以太網幀頭加入了優先級字段，以區分不同的優先級。嚴格地講，在局域網中只能簡單地區分業務的優先級，并不能像ATM QoS那樣有精確的定義和具體的參數指標來衡量。
　　
　　分類技術在以太網、虛擬局域網（VLAN）等網絡上提供了網絡優先的功能。這種解決方案是根據對IEEE 802.1p/Q協議字段的處理來區分不同優先級業務的。IEEE 802.1p/Q同屬于一個子集，它在傳統的以太網幀頭中加入了4個字節，其中802.1p占3位。802.1p延伸了802.1d的協議，利用3位優先級位可以最多提供8個優先等級。而802.1Q利用VI（VLAN Identifier，虛擬網標識）位識別傳送的幀究竟屬于哪一個虛網。VI位共有12位，最大可以支持的虛網個數不會超過4096個。
　　
　　2. 隊列治理
　　
　　LAN中的QoS是通過在通信進入一個交換機的時候對其進行檢查，根據某些特定規則對幀進行分類，然后對重要數據進行排隊，以便優先傳輸這些重要數據來提供的。排隊的實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物理接口有兩個分開的隊列。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行分類，或者就像網絡治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。一旦通信已經被分類，高優先級通信（CoS=4-7）就能被送到加速（高優先級）隊列，而低優先級通信（CoS=0-3）則被送到普通隊列。這個調度的本質上是一個優先級隊列算法。
　　
　　一般用于局域網核心的第三層LAN交換機，如Catalyst 6500系列為優先級語音通信提供了附加的QoS特性，可以支持使用IP優先權的分類，也可以為每個接口提供多個隊列并支持各種優先調度技術，如加權公平排隊（WFQ，Weighted Fair Queuing）、自定義隊列（CQ，Custom Quening）、優先隊列（PQ，PRecedence Queuing）、和加權隨機早期檢測（WRED、Weighted Random Early Detection）。
　　
　　（1）IP優先級：使用IP包頭部的服務類型（Type of Service,ToS）域中的三個比特位，這意味著通過使用優先權比特位，最多能得到8個值。因為其中兩個值通常保留給路由協議、ICMP消息和其它網絡額外開銷，所以這注答應定義最多6種服務類型。一旦IP優先級值已經設置，網絡設備上的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類型。如WFO和WRED能使用IP優先權來控制QoS的狀態。
　　
　　（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、協議和端口/套接字編號，動態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優先權值，并對這些包進行調度，從而更快地傳送它們，縮短延遲和響應時間。下面的公式是在WFQ中，根據優先級別和信息流數目來為每個IP通信流給出的總接口帶寬的百分比。
　　
　　當IP優先權級高時，WFQ就在擁塞發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：假如在給定時間內網絡中有很多信息流，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，網絡治理員可以分離通信并根據協議，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一種較佳的WFQ方式。
　　
　　（4）優先隊列（PQ）：為網絡治理員決定哪種通信必須被率先排隊并進行服務。各種網絡流都可以根據下面幾項來進行分類：協議或協議類型、呼入接口、分組大小、分段、訪問列表。
　　
　　PQ隊列優先級可設為高、中等、普通和低。路由器按優先級從最高到最低的順序為隊列提供服務。服務順序是這樣的：假如高優先級隊列中有通信，那么普通隊列直到高優先級隊列中所有的分組被傳送完之前，不能轉發任何分組。這對于確保要害應用如交互式語音來說是很好的機制。
　　
　　服務高優先級隊列并且永遠不服務低優先級隊列。CQ考慮到其他隊列，答應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律地服務并保證了某些級別的帶寬。
　　
　　（6）加權隨機早期檢測（WRED）
　　
　　WRED試圖通過在緩沖區擁塞之前隨機進行丟包來克服丟棄問題。WRED根據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超過定義的隊列上限，WRED就開始在隊列上限的范圍內丟包。丟包對于網絡流完全不另選擇。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。這向網絡提供了一個排空隊列的機會。因為剩余的會話繼續流動，所以緩沖區可以清空并答應其它的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、局域網中IP電話的QoS保證策略
　　目前局域網的基礎技術以以太網（傳統的交換式10Mb/s以太網、快速以太網或千兆位以太網）為基礎。對于IP網絡電話服務而言，延遲的影響不會成為問題，而由于1000M到100M，多到一的網絡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/視頻的質量，在園區網中需采用以下QoS機制：
　　
　　1. 將不同的應用分類，其策略為：（Precedence為優先級）
　　
　　（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）數據： 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
　　本論文設計了這一方案在LAN Ethernet中的語音QoS的實現策略和方法。探索了在局域網條件下，利用包優先級字段和路由隊列機制來實現高質量通話，對進一步探討在局域網上的QoS具有較高的研究和實用價值。由于局域網信息建設與應用系統的逐漸增加，網絡是一個集成了語音、數據、視頻甚至其他媒體形式的多種多媒體通信。如何保證語音QoS還是一個相當復雜的問題，值得進一步的研究。

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