关于下一代网络VoIP业务的QoS体系结构研究

2019-11-03 09:05:22

字体：大中小

来源：转载

供稿：网友

王懿郑雄张顺颐饶翔

　　摘要如何保证Voip的QoS是VoIP网络向NGN目标演进必须解决的问题。本文分析了目前VoIP网络中存在的问题，针对VoIP的QoS需求，阐述了下一代网络支持VoIP QoS保证的技术和机制，并且提出了一种基于SIP的下一代网络VoIP QoS体系结构。

　　关键词 NGN VoIP QoS IntServ DiffServ SBM SIP 体系结构

1 概述

　　随着Internet技术的快速发展，各种服务和应用不断产生。IP电话（VoIP）技术成为现在最有前途的技术之一，全球许多国家开通了IP电话的运营业务。IP电话业务在中国更是得到了迅猛发展，特别是中国联通已经建成了世界上最大的VoIP网络。IP电话的成功源于它具有的以下优势：

　　· 一个PSTN电话需要独占64kbit/s的带宽，而IP电话一般只需要复用6~8kbit/s或者更少的带宽，从而大大提高了VoIP承载网络的利用效率。

　　· IP电话使新运营商在长途电话业务上能够以一种经济有效的方式和传统电信运营商竞争。

　　· 从网络的长远发展来看，IP电话为一些增值业务提供了应用经验，比如可视电话、可视电话会议、远程医疗、远程教育、语音浏览器等。

　　· 由于目前的政策因素，VoIP网络的网间结算费用较低，也降低了VoIP网络的运营成本。

　　而且IP网络与传统的PSTN的融合已经成为电信网络发展的必然趋势，NGN（Next Generation Network）将是一个基于IP的综合业务平台。无论从市场角度，还是从技术发展趋势来看，对于现有的IP网络或是NGN，利用IP技术来提供语音业务都是极为重要的。

　　VoIP是典型的实时性业务，与QoS（Quality of Service）的联系尤为密切，对于QoS有很高的要求。用户在使用VoIP业务的时候，最关心的就是通话的语音质量问题。但是现在的VoIP缺少QoS保证。如何保证VoIP的QoS成为了VoIP网络向NGN目标演进必须解决的问题，也是NGN研究的关键问题之一。因此，本文将VoIP的QoS作为研究的特定对象。

2 VoIP 的 QoS需求

　　有一种方案认为可以较好地解决VoIP QoS问题，就是增加网络带宽。其实，这只是解决VoIP QoS问题的一个方面。IP网的流量具有突发性，流量出现突发时，网络会出现拥塞，产生的较大的时延和抖动会严重影响实时性的VoIP业务，这不是增加网络带宽就能解决的，还需要有其他机制来保证。在分析VoIP QoS的保证机制前，我们先看一下VoIP的QoS需求。

　　（1）在呼叫控制器接受呼叫请求及为呼叫分配资源后，呼叫应该自始至终具有所要求的语音质量。

　　（2）除非是物理故障，已经建立的呼叫能够不受网络状况变化的干扰。在IP网络上，这种干扰经常出现，比如网络中其他部分的一些流量突然重路由到一条链路上，那么这条链路的流量就会急剧增加以至干扰正在通话中的呼叫。

　　（3）VoIP网络必须能够处理大量的呼叫建立请求。现在的窄带交换在忙时能处理数百万个试呼，VoIP网络也应达到相当的容量。

　　（4）当网络超负荷时，为了不降低网络的传输能力应能拒绝不再能传输的呼叫。有时，试呼数会远远地超过网络的传输能力，这就需要有效的资源预留机制来解决这个矛盾。

　　（5）对于紧急呼叫和高优先级的呼叫，应该能够优先处理并能保证其通话质量。比如像110、119这样的呼叫。

　　（6）呼叫建立时间应该相当于现在的PSTN。在IP网络上的资源预留机制不应该大大增加呼叫建立时间。

　　（7）网络能够经受拒绝服务攻击和欺诈攻击等。

　　（8）在特殊情况下网络还需要支持抢占呼叫（call PRe-emption）。网络能够把已经分配给一个呼叫的资源收回分配给另一个新的呼叫。　　现在的PSTN支持上面所有的需求。而当前的VoIP的QoS离这些需求还有很大的差距。这是由于IP技术是一种面向无连接的技术，IP网络最初是为提供尽力而为（best effort）服务而设计的。适合于非实时的数据业务，而对于语音等实时通信业务，QoS就变得难以保证。为了使VoIP能提供和PSTN相当的服务质量，就要求IP网络能够提供新的机制来保证VoIP业务的合理的、可预测的QoS。

3 NGN对VoIP的QoS保证机制

　　到目前，人们对IP QoS已经做了大量的研究，提出了很多的QoS技术。接下来我们着重讨论最有可能在NGN中保证VoIP QoS的机制：集成服务（IntServ）、区分服务（DiffServ）、多协议标签交换（MPLS）、子网带宽管理（SBM）等。

　　1. 集成服务（IntServ）

　　IntServ通过端到端的资源预约协商，在发送方到接收方之间建立起一条保证满足QoS需求的路径。在IntServ网络中，一个终端应用发出包含QoS相关信息的请求后，网络使用接纳控制（admission control）和带宽管理策略来分配带宽、处理器、存储空间等资源，并由接受者来最终决定是否接受这一请求。IntServ网络的每一个节点都需要保留资源如何分配、路由如何维护更新和选路（routing）的相关信息和状态，同时，必须保留一张分组类别状态表，用来判断如何将收到的数据分组正确划分到不同的服务类别，从而确保相应的数据流得到可靠的服务响应。

　　IntServ网络通过RSVP来完成QoS的协商、网络资源的预留以及策略管理。IntServ的最大优点就是能够在多种业务并存的网络环境下，通过RSVP与终端应用交互，为对服务质量有着不同要求的应用提供满足需要的服务等级，在理论上实现了绝对的服务质量保证，具有最高的QoS支持粒度。IntServ还通过RSVP的“软状态”信息，可以支持网络状态的动态改变与多播业务中叶节点动态加入退出问题，在最大限度上实现了网络资源的优化分配。但是，由于在端到端路径中的每一个节点中，都需要保留和刷新RSVP软状态（Soft State）信息，会产生大量的信令处理和存储资源开销，从而引起扩展性差的问题，这在核心骨干网络上尤为严重。并且，IntServ要求从发送者到接收者之间的所有路由器都支持诸如RSVP的信令协议，如果其中存在有不支持的网元设备，虽然信令可以透明地通过，但已无法实现最佳的资源预留，不能完全保证服务质量的有效提供。

　　2. 区分服务（DiffServ）

　　DiffServ不是针对每一个数据流进行资源预留分配，而是根据服务等级协议（SLA），将具有相似QoS要求的数据流划归为一类，对同一类数据流采取一致的传输处理。它在网络层和传输层对数据流进行汇聚分类，给予级别高的数据流以优先的处理，从而为不同QoS需求的数据流提供不同的服务质量保证。DiffServ网络中的网元（network element）并不保留资源分配的相关信息和状态，也不记录每一个数据流的相关状态。

　　因此在DiffServ网络中，节点存储的状态信息数量与服务级别的多少成正比，而不是数据流的数量。在网络规模扩大和数据流量增加时，DiffServ不会像IntServ会引起网络的状态存储和转发处理开销线性增加。但是，DiffServ对数据流的分类和优先级简化，会降低它提供服务质量的灵活性和准确性，使得QoS的支持粒度“变粗”。也就是说，DiffServ不能知道某一特定应用的QoS的具体需求细节，它提供的QoS能力可能高于也可能低于应用需求。并且，当应用程序愿意更改起初发出的QoS请求（增高或降低QoS能力）的时候，DiffServ无法知道这一情况，也无法与终端应用进行通信协商。

　　DiffServ只是在网络的边缘对数据流进行复杂的分类（classification）和区分（conditioning），在网络核心的每个节点只根据IP头中的DSCP（Differentiated Service Control Point）来选择相应PHB（Per-Hop Behaviors，逐跳行为）进行简单的转发处理。也正如前面所提到的，DiffServ的存储处理开销只与服务级别的多少成正比，而不是数据流的数量。因此，DiffServ具有良好的可伸缩性，比IntServ更适合应用于核心骨干网络。另一方面，由于DiffServ对数据的分类标记都在网络边缘进行，网络核心相对比较简单，只执行数据的聚集转发，现有的网络能够以较小的代价实现对它的支持。

　　3. 多协议标签交换（MPLS）

　　MPLS的基本思想就是将第三层的IP路由技术与第二层的快速交换转发技术相结合，给每个分组打上定长的标记（label），作为分组在传输时需要处理的唯一标志，通过简化协议堆栈来提高处理性能，为各种高层业务提供一个简单而高效的传输交换平台。它兼具有IP技术的灵活性、可伸缩性，以及ATM等硬件交换的高速处理性能、QoS、流量控制功能，不仅可以解决当前存在的许多重大问题，包括Ｎ平方问题、带宽瓶颈、多播控制以及VPN管理等；还能够实现流量工程、显式路由、QoS保证等IP网络目前尚不具备的功能。要彻底解决IP技术的QoS问题，在很大程度上依赖于MPLS能否得到广泛的认可和应用。

　　MPLS中的标记分配和FEC机制与DiffServ中对服务质量的分类和标记机制实际上十分相似。可以设想，如果将DSCP的分配融入到MPLS的标记分配过程中，MPLS的标记就将具有标记分组QoS特性的能力，一类FEC划分实际上就标定了一类具有相同QoS特性的IP分组。通过FEC的划分和标记的分配，MPLS就能按照不同的QoS要求，为每一个FEC建立起一条虚电路，对数据流进行可预测结果的传输。

　　由于MPLS与DiffServ内在的相似性，再加上MPLS本身的诸多优点，MPLS是一种很适于用来实现DiffServ的技术。

　　4. 子网带宽管理（SBM）

　　由于QoS保证是从上而下的，前面所描述的QoS技术（IntServ、DiffServ、MPLS）已经到了OSI第三层及以上层，因此数据链路层也就是OSI的第二层也必须支持QoS，以便具有高优先级的帧在网络媒介中传送时可以获得高优先级的处理。

　　某些第二层的技术已经可以支持QoS了，例如异步转移模式（ATM）。而其他更多的LAN技术（如以太网技术）最初并非为支持QoS设计的。以太网作为共享的广播媒介，在它的交换方式中，提供了一种类似于标准的尽力而为的IP服务，这种服务中的各种时延对像VoIP这样有实时要求的应用有很大影响。子网带宽管理（SBM）协议就是一种用于802 LAN（如以太网）资源共享和交换的信令协议，它使IEEE 802系列子网能够支持RSVP。

4 基于SIP的综合VoIP QoS体系结构

　　前面分析了IntServ、DiffServ、MPLS、SBM四种不同的QoS技术，它们都能够为数据流的可预测传输提供支持，但设计思想和实现机制各有不同。如果单独应用在大规模的网络系统中，它们都会表现出一定的局限性，任何其中一种技术，都无法独立实现基于全网、从上而下的QoS保证。从另一方面来看，这四种技术在QoS支持粒度、网络拓扑分布和网络实现层次等方面又有着很强的互补性。因此，只有综合应用这四种QoS技术，才有可能真正实现大规模网络环境中数据流传输的QoS保证。也才能真正实现VoIP的QoS保证。

　　在目前的两套VoIP机制：ITU的H.323和IETF的SIP中，SIP（session Initiation Protocol）更像一个Internet范畴的协议（所有消息均采用文本方式表示）。SIP以其简单、灵活的特性，很可能成为未来IP电话的标准（UMTS中选择SIP）。所以我们提出的综合VoIP QoS体系结构是基于SIP的。

　　在网络边缘，用户子网采用基于RSVP的IntServ体系结构，并在链路层采用支持RSVP的SBM，从而提供面向终端应用的QoS协商手段和通信机制。在网络中心，核心骨干网通过使用DiffServ和MPLS，建立起具有良好伸缩性的核心QoS传输平台。用户子网和核心骨干网之间通过边界路由器相连，边界路由器能够完成RSVP到DiffServ/MPLS之间QoS参数的映射转换。

　　和传统基于SIP的VoIP网络不同，为了将呼叫控制功能从底层网络分离出来，以使VoIP网络能有更大的伸缩性，需要增加带宽管理器或叫带宽代理。带宽管理器的作用可以理解为呼叫控制功能和网络具体承载功能之间的接口。它在网络中建立或断开一条带宽并控制在这条带宽上呼叫的接入。带宽管理器也负责在边界路由器中安置适当的策略来修整每个呼叫的媒体流。每个网络不只一个带宽管理器，每个带宽管理器只负责管理它自己创建的聚合承载链路，并负责判断呼叫能否接入到这些预留的带宽上。

　　下面我们着重分析QoS体系结构中应用层与网络层之间的QoS映射信令协议，即带宽管理器与SIP实体之间的通信机制。

　　当用户需要建立一条跨越网络的端到端QoS语音连接时，呼叫代理先向带宽管理器提出该呼叫的带宽请求，带宽管理器然后确定要建立这个呼叫所需要的两个出入边界路由器，接着带宽管理器和两个边界路由器协商，如有可用带宽则在两个边界路由器之间建立语音连接，从而建立一条具有端到端QoS的语音连接。

　　呼叫建立过程：

　　（1）SIP终端发送Invite消息，发起一个呼叫；

　　（2）对端呼叫代理处理Invite请求，并在其所在网络为此呼叫预留资源后发回183 Ses-sion Progress消息，要求呼叫发起网络开始资源预留进程，在IP核心网中的资源预留是基于DiffServ机制的资源预留，而不是通过RSVP；

　　（3）呼叫代理向带宽管理器申请带宽资源；

　　（4）带宽管理器确定出建立语音连接所需要的入口边界管理器（路由器 A）和出口边界管理器（路由器 B），并要求路由器A和路由器 B为此呼叫建立双向连接；

　　（5）两个边界管理器判断是否有资源可以预留给这个媒体流，如有则预留资源并通知带宽管理器。被预留的资源仍然可以用来传输尽力而为（best effort）数据流；

　　（6）带宽管理器通知呼叫代理呼叫所需的双向资源已经预留；

　　（7）呼叫代理向对端呼叫代理发送Update消息证实有QoS保证的连接已经建立；

　　（8）对端呼叫代理发送180 Ringing消息，被叫应答后发回200 Ok消息；

　　（9）呼叫代理收到200 Ok消息后，要求带宽管理器把预留的资源分配给这个呼叫；

　　（10）带宽管理器通知两个边界路由器打开双向媒体流连接的接入点，这样把预留资源分配给呼叫后意味着用户有了一条通过网络的有QoS保证的链路；

　　（11）两个边界路由器通知带宽管理器这个呼叫的媒体流已经获准接入网络；

　　（12）带宽管理器通知呼叫代理呼叫语音流可以开始传输。边界路由器对接入的语音流一般打上EF（Expedited Forwarding）流的标记，再送往网络中的核心节点进行传输。

5 结论

　　随着网络技术和网络体系结构的不断演变和发展，传统网络向NGN的演进势不可挡。VoIP技术是传统PSTN业务向NGN目标演进的第一阶段。但是当前的VoIP网络和NGN目标还有很大差距，特别是它的服务质量并不能与传统电话相媲美。所以，VoIP网络向NGN目标演进必须解决QoS问题。我们提出的基于SIP的综合VoIP QoS体系结构就是通过在IP网上综合应用IntServ、DiffServ、MPLS和SBM等QoS机制，来使VoIP的QoS达到NGN目标。

　　王懿，男，1997~2001年就读于南京邮电学院计算机科学与技术系，2001年开始攻读该院计算机应用专业硕士研究生，研究方向为IP网络技术。

　　郑雄，男，1997~2001年就读于南京邮电学院计算机科学与技术系，2001年开始攻读该院计算机应用专业硕士研究生，研究方向为IP网络技术。

　　张顺颐，男，南京邮电学院副院长，信息网络技术研究所所长，教授，博士生导师。1968年毕业于天津大学。1983~1985年在日本国立电气通信大学电子工学科进修。目前主要研究方向是计算机通信网及数字信息传输。

　　饶翔，男，2002年毕业于南京邮电学院硕士，2002年开始攻读该院计算机应用专业博士研究生，目前研究方向为IP网络技术与计算机通信网。

----《中国数据通信》