關于下一代網絡VoIP業務的QoS體系結構研究

2019-11-03 09:05:22

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供稿：網友

王懿鄭雄張順頤饒翔

　　摘要如何保證Voip的QoS是VoIP網絡向NGN目標演進必須解決的問題。本文分析了目前VoIP網絡中存在的問題，針對VoIP的QoS需求，闡述了下一代網絡支持VoIP QoS保證的技術和機制，并且提出了一種基于SIP的下一代網絡VoIP QoS體系結構。

　　關鍵詞 NGN VoIP QoS IntServ DiffServ SBM SIP 體系結構

1 概述

　　隨著Internet技術的快速發展，各種服務和應用不斷產生。IP電話（VoIP）技術成為現在最有前途的技術之一，全球許多國家開通了IP電話的運營業務。IP電話業務在中國更是得到了迅猛發展，特別是中國聯通已經建成了世界上最大的VoIP網絡。IP電話的成功源于它具有的以下優勢：

　　· 一個PSTN電話需要獨占64kbit/s的帶寬，而IP電話一般只需要復用6~8kbit/s或者更少的帶寬，從而大大提高了VoIP承載網絡的利用效率。

　　· IP電話使新運營商在長途電話業務上能夠以一種經濟有效的方式和傳統電信運營商競爭。

　　· 從網絡的長遠發展來看，IP電話為一些增值業務提供了應用經驗，比如可視電話、可視電話會議、遠程醫療、遠程教育、語音瀏覽器等。

　　· 由于目前的政策因素，VoIP網絡的網間結算費用較低，也降低了VoIP網絡的運營成本。

　　而且IP網絡與傳統的PSTN的融合已經成為電信網絡發展的必然趨勢，NGN（Next Generation Network）將是一個基于IP的綜合業務平臺。無論從市場角度，還是從技術發展趨勢來看，對于現有的IP網絡或是NGN，利用IP技術來提供語音業務都是極為重要的。

　　VoIP是典型的實時性業務，與QoS（Quality of Service）的聯系尤為密切，對于QoS有很高的要求。用戶在使用VoIP業務的時候，最關心的就是通話的語音質量問題。但是現在的VoIP缺少QoS保證。如何保證VoIP的QoS成為了VoIP網絡向NGN目標演進必須解決的問題，也是NGN研究的關鍵問題之一。因此，本文將VoIP的QoS作為研究的特定對象。

2 VoIP 的 QoS需求

　　有一種方案認為可以較好地解決VoIP QoS問題，就是增加網絡帶寬。其實，這只是解決VoIP QoS問題的一個方面。IP網的流量具有突發性，流量出現突發時，網絡會出現擁塞，產生的較大的時延和抖動會嚴重影響實時性的VoIP業務，這不是增加網絡帶寬就能解決的，還需要有其他機制來保證。在分析VoIP QoS的保證機制前，我們先看一下VoIP的QoS需求。

　　（1）在呼叫控制器接受呼叫請求及為呼叫分配資源后，呼叫應該自始至終具有所要求的語音質量。

　　（2）除非是物理故障，已經建立的呼叫能夠不受網絡狀況變化的干擾。在IP網絡上，這種干擾經常出現，比如網絡中其他部分的一些流量突然重路由到一條鏈路上，那么這條鏈路的流量就會急劇增加以至干擾正在通話中的呼叫。

　　（3）VoIP網絡必須能夠處理大量的呼叫建立請求。現在的窄帶交換在忙時能處理數百萬個試呼，VoIP網絡也應達到相當的容量。

　　（4）當網絡超負荷時，為了不降低網絡的傳輸能力應能拒絕不再能傳輸的呼叫。有時，試呼數會遠遠地超過網絡的傳輸能力，這就需要有效的資源預留機制來解決這個矛盾。

　　（5）對于緊急呼叫和高優先級的呼叫，應該能夠優先處理并能保證其通話質量。比如像110、119這樣的呼叫。

　　（6）呼叫建立時間應該相當于現在的PSTN。在IP網絡上的資源預留機制不應該大大增加呼叫建立時間。

　　（7）網絡能夠經受拒絕服務攻擊和欺詐攻擊等。

　　（8）在特殊情況下網絡還需要支持搶占呼叫（call PRe-emption）。網絡能夠把已經分配給一個呼叫的資源收回分配給另一個新的呼叫。　　現在的PSTN支持上面所有的需求。而當前的VoIP的QoS離這些需求還有很大的差距。這是由于IP技術是一種面向無連接的技術，IP網絡最初是為提供盡力而為（best effort）服務而設計的。適合于非實時的數據業務，而對于語音等實時通信業務，QoS就變得難以保證。為了使VoIP能提供和PSTN相當的服務質量，就要求IP網絡能夠提供新的機制來保證VoIP業務的合理的、可預測的QoS。

3 NGN對VoIP的QoS保證機制

　　到目前，人們對IP QoS已經做了大量的研究，提出了很多的QoS技術。接下來我們著重討論最有可能在NGN中保證VoIP QoS的機制：集成服務（IntServ）、區分服務（DiffServ）、多協議標簽交換（MPLS）、子網帶寬管理（SBM）等。

　　1. 集成服務（IntServ）

　　IntServ通過端到端的資源預約協商，在發送方到接收方之間建立起一條保證滿足QoS需求的路徑。在IntServ網絡中，一個終端應用發出包含QoS相關信息的請求后，網絡使用接納控制（admission control）和帶寬管理策略來分配帶寬、處理器、存儲空間等資源，并由接受者來最終決定是否接受這一請求。IntServ網絡的每一個節點都需要保留資源如何分配、路由如何維護更新和選路（routing）的相關信息和狀態，同時，必須保留一張分組類別狀態表，用來判斷如何將收到的數據分組正確劃分到不同的服務類別，從而確保相應的數據流得到可靠的服務響應。

　　IntServ網絡通過RSVP來完成QoS的協商、網絡資源的預留以及策略管理。IntServ的最大優點就是能夠在多種業務并存的網絡環境下，通過RSVP與終端應用交互，為對服務質量有著不同要求的應用提供滿足需要的服務等級，在理論上實現了絕對的服務質量保證，具有最高的QoS支持粒度。IntServ還通過RSVP的“軟狀態”信息，可以支持網絡狀態的動態改變與多播業務中葉節點動態加入退出問題，在最大限度上實現了網絡資源的優化分配。但是，由于在端到端路徑中的每一個節點中，都需要保留和刷新RSVP軟狀態（Soft State）信息，會產生大量的信令處理和存儲資源開銷，從而引起擴展性差的問題，這在核心骨干網絡上尤為嚴重。并且，IntServ要求從發送者到接收者之間的所有路由器都支持諸如RSVP的信令協議，如果其中存在有不支持的網元設備，雖然信令可以透明地通過，但已無法實現最佳的資源預留，不能完全保證服務質量的有效提供。

　　2. 區分服務（DiffServ）

　　DiffServ不是針對每一個數據流進行資源預留分配，而是根據服務等級協議（SLA），將具有相似QoS要求的數據流劃歸為一類，對同一類數據流采取一致的傳輸處理。它在網絡層和傳輸層對數據流進行匯聚分類，給予級別高的數據流以優先的處理，從而為不同QoS需求的數據流提供不同的服務質量保證。DiffServ網絡中的網元（network element）并不保留資源分配的相關信息和狀態，也不記錄每一個數據流的相關狀態。

　　因此在DiffServ網絡中，節點存儲的狀態信息數量與服務級別的多少成正比，而不是數據流的數量。在網絡規模擴大和數據流量增加時，DiffServ不會像IntServ會引起網絡的狀態存儲和轉發處理開銷線性增加。但是，DiffServ對數據流的分類和優先級簡化，會降低它提供服務質量的靈活性和準確性，使得QoS的支持粒度“變粗”。也就是說，DiffServ不能知道某一特定應用的QoS的具體需求細節，它提供的QoS能力可能高于也可能低于應用需求。并且，當應用程序愿意更改起初發出的QoS請求（增高或降低QoS能力）的時候，DiffServ無法知道這一情況，也無法與終端應用進行通信協商。

　　DiffServ只是在網絡的邊緣對數據流進行復雜的分類（classification）和區分（conditioning），在網絡核心的每個節點只根據IP頭中的DSCP（Differentiated Service Control Point）來選擇相應PHB（Per-Hop Behaviors，逐跳行為）進行簡單的轉發處理。也正如前面所提到的，DiffServ的存儲處理開銷只與服務級別的多少成正比，而不是數據流的數量。因此，DiffServ具有良好的可伸縮性，比IntServ更適合應用于核心骨干網絡。另一方面，由于DiffServ對數據的分類標記都在網絡邊緣進行，網絡核心相對比較簡單，只執行數據的聚集轉發，現有的網絡能夠以較小的代價實現對它的支持。

　　3. 多協議標簽交換（MPLS）

　　MPLS的基本思想就是將第三層的IP路由技術與第二層的快速交換轉發技術相結合，給每個分組打上定長的標記（label），作為分組在傳輸時需要處理的唯一標志，通過簡化協議堆棧來提高處理性能，為各種高層業務提供一個簡單而高效的傳輸交換平臺。它兼具有IP技術的靈活性、可伸縮性，以及ATM等硬件交換的高速處理性能、QoS、流量控制功能，不僅可以解決當前存在的許多重大問題，包括Ｎ平方問題、帶寬瓶頸、多播控制以及VPN管理等；還能夠實現流量工程、顯式路由、QoS保證等IP網絡目前尚不具備的功能。要徹底解決IP技術的QoS問題，在很大程度上依賴于MPLS能否得到廣泛的認可和應用。

　　MPLS中的標記分配和FEC機制與DiffServ中對服務質量的分類和標記機制實際上十分相似。可以設想，如果將DSCP的分配融入到MPLS的標記分配過程中，MPLS的標記就將具有標記分組QoS特性的能力，一類FEC劃分實際上就標定了一類具有相同QoS特性的IP分組。通過FEC的劃分和標記的分配，MPLS就能按照不同的QoS要求，為每一個FEC建立起一條虛電路，對數據流進行可預測結果的傳輸。

　　由于MPLS與DiffServ內在的相似性，再加上MPLS本身的諸多優點，MPLS是一種很適于用來實現DiffServ的技術。

　　4. 子網帶寬管理（SBM）

　　由于QoS保證是從上而下的，前面所描述的QoS技術（IntServ、DiffServ、MPLS）已經到了OSI第三層及以上層，因此數據鏈路層也就是OSI的第二層也必須支持QoS，以便具有高優先級的幀在網絡媒介中傳送時可以獲得高優先級的處理。

　　某些第二層的技術已經可以支持QoS了，例如異步轉移模式（ATM）。而其他更多的LAN技術（如以太網技術）最初并非為支持QoS設計的。以太網作為共享的廣播媒介，在它的交換方式中，提供了一種類似于標準的盡力而為的IP服務，這種服務中的各種時延對像VoIP這樣有實時要求的應用有很大影響。子網帶寬管理（SBM）協議就是一種用于802 LAN（如以太網）資源共享和交換的信令協議，它使IEEE 802系列子網能夠支持RSVP。

4 基于SIP的綜合VoIP QoS體系結構

　　前面分析了IntServ、DiffServ、MPLS、SBM四種不同的QoS技術，它們都能夠為數據流的可預測傳輸提供支持，但設計思想和實現機制各有不同。如果單獨應用在大規模的網絡系統中，它們都會表現出一定的局限性，任何其中一種技術，都無法獨立實現基于全網、從上而下的QoS保證。從另一方面來看，這四種技術在QoS支持粒度、網絡拓撲分布和網絡實現層次等方面又有著很強的互補性。因此，只有綜合應用這四種QoS技術，才有可能真正實現大規模網絡環境中數據流傳輸的QoS保證。也才能真正實現VoIP的QoS保證。

　　在目前的兩套VoIP機制：ITU的H.323和IETF的SIP中，SIP（session Initiation Protocol）更像一個Internet范疇的協議（所有消息均采用文本方式表示）。SIP以其簡單、靈活的特性，很可能成為未來IP電話的標準（UMTS中選擇SIP）。所以我們提出的綜合VoIP QoS體系結構是基于SIP的。

　　在網絡邊緣，用戶子網采用基于RSVP的IntServ體系結構，并在鏈路層采用支持RSVP的SBM，從而提供面向終端應用的QoS協商手段和通信機制。在網絡中心，核心骨干網通過使用DiffServ和MPLS，建立起具有良好伸縮性的核心QoS傳輸平臺。用戶子網和核心骨干網之間通過邊界路由器相連，邊界路由器能夠完成RSVP到DiffServ/MPLS之間QoS參數的映射轉換。

　　和傳統基于SIP的VoIP網絡不同，為了將呼叫控制功能從底層網絡分離出來，以使VoIP網絡能有更大的伸縮性，需要增加帶寬管理器或叫帶寬代理。帶寬管理器的作用可以理解為呼叫控制功能和網絡具體承載功能之間的接口。它在網絡中建立或斷開一條帶寬并控制在這條帶寬上呼叫的接入。帶寬管理器也負責在邊界路由器中安置適當的策略來修整每個呼叫的媒體流。每個網絡不只一個帶寬管理器，每個帶寬管理器只負責管理它自己創建的聚合承載鏈路，并負責判斷呼叫能否接入到這些預留的帶寬上。

　　下面我們著重分析QoS體系結構中應用層與網絡層之間的QoS映射信令協議，即帶寬管理器與SIP實體之間的通信機制。

　　當用戶需要建立一條跨越網絡的端到端QoS語音連接時，呼叫代理先向帶寬管理器提出該呼叫的帶寬請求，帶寬管理器然后確定要建立這個呼叫所需要的兩個出入邊界路由器，接著帶寬管理器和兩個邊界路由器協商，如有可用帶寬則在兩個邊界路由器之間建立語音連接，從而建立一條具有端到端QoS的語音連接。

　　呼叫建立過程：

　　（1）SIP終端發送Invite消息，發起一個呼叫；

　　（2）對端呼叫代理處理Invite請求，并在其所在網絡為此呼叫預留資源后發回183 Ses-sion Progress消息，要求呼叫發起網絡開始資源預留進程，在IP核心網中的資源預留是基于DiffServ機制的資源預留，而不是通過RSVP；

　　（3）呼叫代理向帶寬管理器申請帶寬資源；

　　（4）帶寬管理器確定出建立語音連接所需要的入口邊界管理器（路由器 A）和出口邊界管理器（路由器 B），并要求路由器A和路由器 B為此呼叫建立雙向連接；

　　（5）兩個邊界管理器判斷是否有資源可以預留給這個媒體流，如有則預留資源并通知帶寬管理器。被預留的資源仍然可以用來傳輸盡力而為（best effort）數據流；

　　（6）帶寬管理器通知呼叫代理呼叫所需的雙向資源已經預留；

　　（7）呼叫代理向對端呼叫代理發送Update消息證實有QoS保證的連接已經建立；

　　（8）對端呼叫代理發送180 Ringing消息，被叫應答后發回200 Ok消息；

　　（9）呼叫代理收到200 Ok消息后，要求帶寬管理器把預留的資源分配給這個呼叫；

　　（10）帶寬管理器通知兩個邊界路由器打開雙向媒體流連接的接入點，這樣把預留資源分配給呼叫后意味著用戶有了一條通過網絡的有QoS保證的鏈路；

　　（11）兩個邊界路由器通知帶寬管理器這個呼叫的媒體流已經獲準接入網絡；

　　（12）帶寬管理器通知呼叫代理呼叫語音流可以開始傳輸。邊界路由器對接入的語音流一般打上EF（Expedited Forwarding）流的標記，再送往網絡中的核心節點進行傳輸。

5 結論

　　隨著網絡技術和網絡體系結構的不斷演變和發展，傳統網絡向NGN的演進勢不可擋。VoIP技術是傳統PSTN業務向NGN目標演進的第一階段。但是當前的VoIP網絡和NGN目標還有很大差距，特別是它的服務質量并不能與傳統電話相媲美。所以，VoIP網絡向NGN目標演進必須解決QoS問題。我們提出的基于SIP的綜合VoIP QoS體系結構就是通過在IP網上綜合應用IntServ、DiffServ、MPLS和SBM等QoS機制，來使VoIP的QoS達到NGN目標。

　　王懿，男，1997~2001年就讀于南京郵電學院計算機科學與技術系，2001年開始攻讀該院計算機應用專業碩士研究生，研究方向為IP網絡技術。

　　鄭雄，男，1997~2001年就讀于南京郵電學院計算機科學與技術系，2001年開始攻讀該院計算機應用專業碩士研究生，研究方向為IP網絡技術。

　　張順頤，男，南京郵電學院副院長，信息網絡技術研究所所長，教授，博士生導師。1968年畢業于天津大學。1983~1985年在日本國立電氣通信大學電子工學科進修。目前主要研究方向是計算機通信網及數字信息傳輸。

　　饒翔，男，2002年畢業于南京郵電學院碩士，2002年開始攻讀該院計算機應用專業博士研究生，目前研究方向為IP網絡技術與計算機通信網。

----《中國數據通信》