QoS白皮书－extreme

来源： 作者： 出处：巧巧读书 2006-10-01 进入讨论组

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服务质量在IP语音部署中的应用
RJ Atkinson
Extreme网络
2004年1月30日

摘要

广大用户日益关注IP语音服务的部署，特别是在一个企业网环境内部。尽管文件传送或普通WEB等应用在大多数环境中不需要服务质量机制，但流行的语音编码算法在某些网络环境中可能需要服务质量(QoS)机制的支持。

当一个网络部署经过认真的设计并且提供超量开通的带宽，不可能会发生网络拥塞，因此也不需要服务质量机制。但是，超量开通带宽的作法在企业网络中并不常见。在可能发生拥塞的企业网络中，部署服务质量机制可以明显改善用户感受到的IP语音服务质量。

本文讨论了QoS机制的重要性的原因，部署以太网优先级及IP服务类型以支持QoS的方法，以及这些部署的潜在缺点。

1 简介

长期以来，语音应用一直在数据报网络，如互联网上得到使用。例如, 音频/视频应用在组播骨干网(MBONE)中已有超过十年的使用。最近，商业机构日益关注使用IP语音作为传统电话服务的辅助方案或替代方案。

由于互联网上可以使用任何多媒体应用，因此必需找到一种途径，获取模拟自然信号源(如人的声音)，并使用编码解码器算法1把模拟信号源转换成数据格式，以分组化及通过网络传输信号。在语音编码、并增加任何压缩或纠错编码后，语音被放到数据分组中，然后通过网络发送。在通常情况下，多媒体数据使用实时协议(RTP) [SCFJ03]成帧，然后通过用户数据报协议(UDP)[Pos81c]发送。

根据希望的多媒体质量、使用的编码方案及信源和目的地之间的底层网络的特点，可能会出现时延、抖动和/或丢包等问题。2 当时延，抖动和/或丢包问题是潜在的顾虑时，网络服务质量(QoS)机制提供了一种方式保证精确地提供希望的多媒体质量。

注1：选择合适的的编码解码器是IP语音系统工程设计中的重要组成部分，如G.729编码解码器的语音质量几乎与G.711相同，而只要求12%的带宽。[RGW97] 但评估和选择编码解码器的细节不在本文的讨论范围之内。

注2：不同的编码解码器具有不同的容忍时延、抖动和数据丢失的能力。

本文讨论了可能需要网络QoS机制或这种机制有所裨益的环境，考虑部署的某些备选网络QoS机制，备选的部署战略，以及在网络中部署网络QoS机制前应该考虑的其它问题。本文的重点是拥有自己的IP网络、并在网络内部署IP语音服务的单一机构或企业。涉及一个以上机构的部署方案不在本文的讨论范围之内。

2 网络设计中的考虑因素

人们已经认真设计了许多商用IP主干，以便在骨干中不会发生拥塞。在最典型的情况下，这需要超量开通骨干带宽，这样，骨干容量超过可能置于骨干上的最大负荷。但是，此类骨干的许多客户的接入链路连接到骨干上，其容量小于该链路上提供的最大负荷。因此在现代IP网络中，大多数接入链路偶尔或经常会发生业务拥塞。尽管常用的传输层协议3中内置的拥塞避免算法可以自动检测拥塞及降低提供的负荷，但拥塞避免算法一般至少需要双向(round-trip) 时间，才能帮助降低拥塞链路上提供的负荷。

如果链路发生拥塞，可能会导致排队和丢包。根据网络配置方式，周期性的拥塞还会导致从某个信源到某个目的地的分组经历的网络时延明显变化。这种变化通常称为抖动。4 如果用户经历的抖动超过使用的编码解码器可以容忍的抖动，那么用户应该考虑改变使用的编码解码器，或改变网络设计的方式。两个主要的网络工程设计选择是提高开通的带宽，以便不再发生拥塞；或在企业网络内部部署一种或多种服务质量机制。

传统网络工程设计因素是不能忽略的，相反，在部署语音或其它实时服务时，这些因素变得更加重要。网络主干交换机应具有高可用功能，如冗余电源、冗余交换阵列、冗余管理模块和快速故障切换。边缘交换机应至少有冗余电源选项，在理想情况下要通过线缆连接不同的电源，如一个连接主电源电路，另一个连接不同的备用电源电路。面向环形的拓扑结构，如以太网自动保护倒换(EAPS) [Sha03]，在面临光纤断开或设备故障时，比严格的树状分支拓扑提供了更高的弹性。此外，在交换/路由阵列内部部署抖动和时延较低的网络设备，通常有助于提供更高的VoIP服务质量。

3 网络QoS机制

服务质量是互联网的一个长期研究课题。到目前为止，互联网的大部分地方还没有广泛部署任何QoS机制。这在一定程度上是因为互联网应用一般是为了适应变化的网络条件而设计的，同时域间的QoS一般会产生重大的运行安全问题。另外，这在一定程度上也因为IP骨干运营商发现超量开通容量比部署和运行包括网络QoS机制的更加复杂的网络配置成本要低。

注3：例如传输控制协议(TCP)[Pos81b]或流控制传输协议(SCTP)[SXM+00]。

注4：许多语音编码解码器算法只容忍数量适中的抖动。

但在一个管理域内部，部署某些网络QoS机制是可行的。商用网络中公开指定及广泛使用的两种机制是最早在IEEE 802.1P规定的以太网优先级位以及IP服务类型[Pos81a, NBBB98]。5 IP服务类型在IPv4和IPv6的定义中完全相同，因此本文统一称之为"IP"，意思是指IPv4、IPv6或两者。这里列明的一般方法是在企业网络边缘标记业务及对业务进行策略管理，同时在整个企业网络中应用QoS。此外，值得一提的是，IETF在20世纪90年代中期着手标准化资源预留协议(RSVP) [BZB+97]，并没有导致该技术的广泛实现或部署。早期商业上实现的RSVP经历了严重的扩展性问题，可能是因为这些实现方案基于CPU，而不是基于ASIC。在任何情况下，运营网络界6得出的结论是，RSVP缺乏足够的扩展能力，不适用于逐条流量QoS。RSVP一直用于非常不同的目的，作为部署MPLS的一个可选的信令协议7使用。但是，对当前部署的VoIP，逐条流量预留资源的RSVP并不是广泛采用的或良好的设计选项。

最后，必需指出，并不是给定标准的所有实现方案都具有同样高的质量。在一个实现方案与另一个实现方案之间，经常有着明显的质量差异。因此，在用户选择部署在网络中之前，使用实验室测试设备进行测试非常重要。本文后面的章节试图重点介绍可能会明显影响VoIP部署质量的特定实现细节。在为VoIP服务设计整体系统时，必须审慎地考虑每一点。

3.1 超量开通带宽

这是互联网界使用的最古老的QoS机制。在局域网(LAN)环境中，自FDDI出现以来，光纤骨干已经非常常见。自千兆位以太网及现在的10 GB以太网出现以来，超量开通局域网和城域网(MAN)已经变得越来越常见，这在一定程度上是因为超量开通要求的成本明显下降。

与任何事物一样，采用超量开通作为QoS机制也有优缺点。首先，其购置成本可能比较高。另一方面，运营通常较低，因为其网络设计更加简单。如果已经超量开通网络，那么用户不必配置、运行或诊断任何其它QoS机制。此外，网络边缘发起的拒绝服务(DoS)攻击不能中断超量开通的网络主干。 3.2 以太网优先级位

到目前为止，以太网是企业网中使用最广泛的技术，并可望在将来继续保持下去。在20世纪90年代末，IEEE标准化以太网的各种扩展项目，如支持虚拟局域网 (VLAN)。通过增加IEEE 802.1p中最初规定的以太网优先级位这种QoS机制，它还扩展了以太网。9 这一扩展在VLAN标记包头内部规定了3位字段，用来承载优先级位信息。共有8个优先级位值，编号为0-7，其中优先位7最高。下面我们会看到，这一方案与IP优先位有非常好的对应关系。

注5：IP区分服务向下兼容IP优先位。

注6：例如，在北美网络运营商集团(NANOG)或欧洲运营商论坛(EOF)内部。

注7：RFC-3036中规定的标记分布协议(LDP)是用于MPLS的另一个可选协议。

注8：光纤分布式数据接口，这是ANSI标准化的一种100 Mbps光环技术。

注9：后来，IEEE 802.1d规范修订版中包括了IEEE 802.1p的内容。

许多以太网交换机现在都支持以太网优先级位。可以找到各种排队算法，包括最常见的严格优先级队列和加权轮循队列。在较好的实现方案中，可望为每个QoS值保证一定的最小带宽数量。一般来说，这样的实现将使得未在使用的任何被保证的带宽可以被其它的QOS值所使用。由于802.1p实现方案内部支持的排队方式，设备变化很大。尽管IEEE标准规定了8个不同的优先位值，并不是所有以太网设备都为每个端口支持全部8个排队。实现802.1p规范的某些设备每个端口支持8个队列；其它设备则每个端口仅支持4个队列，甚至每个端口支持两个队列。正如后面我们讨论的那样，在实践中，每个端口至少需要支持3个队列，才能为实际运行网络中的用户业务支持两种不同的QoS水平，当然每个端口8个队列最为理想。

此外，某些以太网设备将分析入口上的优先位标记，并使用这些信息协调对交换机背板的访问，帮助保证优先位高的业务可以更优先地访问交换机背板。相比之下，某些其它设备则没有这些功能，在这种情况下，优先位较低的业务可能会延迟优先位较高的业务访问底板。 但是，并不是所有以太网交换机都提供所有这些功能。因此，网络工程师应该认真选择和测试设备，保证其拥有全面的QoS功能，能够支持各类网络业务。

3.3 IP服务类型(Tos)

长期以来，IP一直在它的服务类型字段(ToS)中提供逐包服务质量标记的支持。这个8位字段最初使用3个位，支持8个优先位值，剩余的5位也被用作一些处理标志。尽管早期IP路由器中广泛支持优先位值，但并不是所有产品都支持它们。甚至还有用户在早期部署了IP优先位，如美国某些军事机构的IP网络中。

RFC-791优先位模型的设计人员简单地采用美国国防部长期采用的消息处理优先位方案[DoD83]。在这种方案中，用户业务共有6种优先位等级，从用于大多数业务的ROUTINE(例行优先位)，到仅在可怕的紧急事件中使用的FLASH OVERRIDE(闪速抢占优先位)。此外，IP优先位模型有两个优先位值高于任何用户业务使用的优先来自:http://www.qqread.com/net-knowledge/d227939.html 更多内容请看QoS服务质量专题、QoS技术研究专题，或进入讨论组讨论。

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