隊列調(diào)度算法在ＶｏＩＰ電話系統(tǒng)上的應(yīng)用研究

阮少偉

（徐州工程學(xué)院 江蘇 徐州221006）

【摘要】本文運用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真方法，考察了在基于VoIP業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)下，不同調(diào)度算法對各個業(yè)務(wù)時延性以及時延抖動性方面的影響，得出結(jié)論：PQ調(diào)度算法以犧牲低優(yōu)先級業(yè)務(wù)帶寬的代價，滿足了高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的時延性以及時延抖動性，因此最適合處理VoIP等實時性較強的業(yè)務(wù)。

【關(guān)鍵詞】列隊調(diào)度算法；VoIP電話；OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真

一． VoIP電話系統(tǒng)的介紹

VoIP系統(tǒng)是近年來發(fā)展起來的基于分組網(wǎng)絡(luò)傳送語音信號的新型電信業(yè)務(wù)。與傳統(tǒng)電話相比，IP電話具有價格低廉，可方便開展各種增值業(yè)務(wù)的優(yōu)勢。

與VoIP相關(guān)的協(xié)議主要有ITU-T的H.323協(xié)議、IETF的SIP協(xié)議等，而支持H.323協(xié)議的IP電話系統(tǒng)是新一代寬帶IP網(wǎng)絡(luò)通信的主流設(shè)備，該系統(tǒng)主要包括終端、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)守、多點控制單元等。在H.323系統(tǒng)中不同領(lǐng)域可以存在一個或多個網(wǎng)守并且它們之間可以相互通訊。所有的H.323終端設(shè)備都必須在其所屬領(lǐng)域的網(wǎng)守注冊以獲得H.323協(xié)議的應(yīng)用。

二.調(diào)度算法的介紹。

在目前常用的隊列調(diào)度算法中，目前較為常用的有4種類型；先入先出隊列（FIFO）、優(yōu)先級隊列（PQ）、加權(quán)循環(huán)隊列（WRR）以及加權(quán)公平隊列（WFQ）。

1．先入先出（First In First Out）

FIFO(First In First Out)算法是一種基本的隊列調(diào)度算法，也是目前路由器上最常用的一種調(diào)度策略。在這種調(diào)度策略下，分組進入隊列的順序與被傳輸?shù)捻樞蛳嗤?。通過將分組放置到一個隊列中，并按照它們到達的先后順序?qū)λ鼈冞M行調(diào)度。

該算法的特點是：隊列管理簡單，調(diào)度實現(xiàn)方便，且不需要對分組進行重排序。其缺點是：不能夠?qū)τ胁煌?wù)等級要求的業(yè)務(wù)區(qū)別對待，即不能對不同流提供區(qū)分服務(wù)；不能實現(xiàn)對UDP和TCP之間的公平性；當(dāng)擁塞發(fā)生時，所有的業(yè)務(wù)流的平均排隊時延都增加，所以這種隊列調(diào)度方式對所有業(yè)務(wù)流影響都是一樣的。

2.加權(quán)循環(huán)（Weighted Round Robin）

WRR(Weighed Round Robin)算法是將交換芯片的各個端口分為多個優(yōu)先級，其優(yōu)先級的劃分可以根據(jù)服務(wù)類型或業(yè)務(wù)屬性，隊列之間采用的是輪流調(diào)度機制，從而保證了每個隊列都會得到一定的服務(wù)時間。

WRR為每個隊列都配置了一個加權(quán)值，其代表著獲取資源的比重。如一個10M的4隊列端口，假設(shè)它的WRR隊列調(diào)度算法為其配置的加權(quán)值分別為50、30、10、10，則在調(diào)度時，從高到低優(yōu)先級隊列分別獲得帶寬為5Mbits/s、3 Mbits/s、1 Mbits/s、1 Mbits/s，這樣就可以保證最低優(yōu)先級隊列至少獲得1 Mbits/s的帶寬。

WRR為所有業(yè)務(wù)隊列服務(wù)，并且將優(yōu)先權(quán)分配給較高優(yōu)先級隊列。在大多數(shù)情況下，WRR首先處理的是高優(yōu)先級數(shù)據(jù)，但是當(dāng)高優(yōu)先級業(yè)務(wù)超出鏈路容量時，較低優(yōu)先級的業(yè)務(wù)并不會因此而完全阻塞。WRR的另一個優(yōu)點是：盡管多個隊列調(diào)度是輪循進行的，但并不是每個隊列都固定地分配服務(wù)時間片，倘若某個隊列為空，則會立即轉(zhuǎn)換到下一個隊列調(diào)度，而不會在該空隊列上停留，從而使帶寬資源得到充分的利用。

這種算法比較適合用于一般網(wǎng)絡(luò)通信，既能為高優(yōu)先級業(yè)務(wù)提供高帶寬，同時也避免了低優(yōu)先級業(yè)務(wù)餓死。

3. 加權(quán)公平隊列(Weighted Fair Queue)

WFQ(Weighted Fair Queue)算法是一種基于數(shù)據(jù)流的排隊算法，它提供了動態(tài)的、公平的排隊方式，基于權(quán)重來劃分通信隊列的帶寬。該算法根據(jù)源和目標(biāo)地址，不同的協(xié)議和會話端口號等特性將所有數(shù)據(jù)流分成不同的類型，賦予相應(yīng)的加權(quán)系數(shù)，并分配對應(yīng)的帶寬。在缺省狀態(tài)下，WFQ盡量限制大流量的通信從而保護小流量及連接不暢的通信，達到讓所有數(shù)據(jù)流使用相等網(wǎng)絡(luò)資源的目的。

WFQ算法的優(yōu)點是對所有應(yīng)用都能比較公平地提供服務(wù)質(zhì)量，對于要求較高的業(yè)務(wù)則可以通過設(shè)置權(quán)重保障優(yōu)先級，能智能劃分和調(diào)度隊列，配置相對簡單。缺點是由于相對公平，因此不會保證提供對QoS要求很高的應(yīng)用，同時算法計算復(fù)雜，比較消耗交換芯片的處理能力。而且WFQ不具備一個針對個別數(shù)據(jù)流進行控制的機制，因此也無法為每一個數(shù)據(jù)流提供帶寬的保證。

加權(quán)公平隊列算法適用于應(yīng)用較復(fù)雜，且應(yīng)用相對公平的網(wǎng)絡(luò)。

4. 優(yōu)先級隊列（Priority Queue）

PQ（Priority Queue）算法是根據(jù)業(yè)務(wù)屬性定義各自的優(yōu)先級別，并且在調(diào)度處理時，先處理高優(yōu)先級業(yè)務(wù)。若交換工作在第二層時，則可使用MAC數(shù)據(jù)包頭的三個字段（源地址、目的地址、標(biāo)記號）來區(qū)分業(yè)務(wù)的級別；對于三層，則可通過使用IP包頭的五個字段（源地址、目的地址、源端口、目的端口和上層協(xié)議號）來區(qū)分業(yè)務(wù)的級別。

在實施隊列調(diào)度時，PQ嚴格按照優(yōu)先級從高到低的次序優(yōu)先發(fā)送較高優(yōu)先級隊列的數(shù)據(jù)，當(dāng)較高優(yōu)先級隊列為空后，再發(fā)送較低優(yōu)先級隊列中的數(shù)據(jù)。PQ特別適合與對延遲抖動較敏感的應(yīng)用，采用優(yōu)先模式進行隊列調(diào)度，可以讓關(guān)鍵業(yè)務(wù)如音頻、視頻業(yè)務(wù)的報文進入最高優(yōu)先級隊列，保證在擁塞時總是獲得轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。

采用該算法調(diào)度時，只要高優(yōu)先級隊列中還有數(shù)據(jù)包，低優(yōu)先級隊列便得不到調(diào)度。該算法優(yōu)點是配置簡單，絕對保證高優(yōu)級應(yīng)用的帶寬；缺點時不能保證高優(yōu)先級以外的服務(wù)得到合理帶寬，甚至?xí)I死，從而不能公平地保證各種應(yīng)用地服務(wù)質(zhì)量。

三．OPNET對有關(guān)算法的仿真

為了驗證隊列調(diào)度管理算法的相關(guān)應(yīng)用，我們以O(shè)pnet10.0為軟件平臺，在此基礎(chǔ)上對Diffserv機制的隊列調(diào)度管理進行仿真計算。整個需要驗證的網(wǎng)絡(luò)同時會運行四種業(yè)務(wù)，每種業(yè)務(wù)都設(shè)有不同的優(yōu)先級別，并設(shè)置了相應(yīng)的PHB轉(zhuǎn)發(fā)方式。圖1為需要驗證的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，其中，交換機A，交換機B分別以10M以太網(wǎng)接口與四種業(yè)務(wù)終端相連。路由器A，路由器B為邊緣路由器，路由器A_1,路由器A_2為中間路由器，它們之間以E1接口相連，構(gòu)成Diffserv域。

確定好網(wǎng)絡(luò)拓撲以后，就需要對四種不同業(yè)務(wù)的Diffserv模型進行配置了。首先要進行配置的是四種不同業(yè)務(wù)所對應(yīng)的PHB模型。我們假設(shè)節(jié)點6到節(jié)點8為我們所要關(guān)心的VoIP電話業(yè)務(wù)，因此選定其應(yīng)用模式為Voice over IP Call(PCM Quality) ,根據(jù)IP語音電話對實時性要求較高，對時延、時延抖動要求敏感的特點，我們將此節(jié)點對設(shè)置為EF PHB類型，同時將語音編碼方式設(shè)為G.711編碼方式。同理，我們把其余三節(jié)點對分別設(shè)為AF11，AF13，BE PHB類型，其對應(yīng)的業(yè)務(wù)分別假定為Video、Http、Ftp。在選擇調(diào)度算法方式上，這里主要設(shè)置了四種不同的場景，分別對應(yīng)著：FIFO，WFQ，WRR以及PQ算法，業(yè)務(wù)的QoS配置選擇的是基于DSCP模式（FIFO除外）。每個終端配置該業(yè)務(wù)所對應(yīng)的DSCP值，邊緣路由器通過DSCP值對業(yè)務(wù)進行分類，并將DSCP值映射到相應(yīng)的PHB中，中間路由器再根據(jù)設(shè)、定的PHB方式進行轉(zhuǎn)發(fā)。四種業(yè)務(wù)VoIP、Video、Http、Ftp的 PHB映射關(guān)系分別為EF、AF11、AF13、BE；DSCP映射關(guān)系分別為1011110、1011110、001010、000000；其中WFQ分配的參數(shù)權(quán)值分別為60、30、10、5；WRR所分配的參數(shù)權(quán)值分別為60、25、10、5；PQ所配備的優(yōu)先級分別為High、Medium、Normal、Low。

因為本文主要考慮的是VoIP業(yè)務(wù)，所以O(shè)pnet的仿真統(tǒng)計變量的收集主要是考慮語音傳輸在整個網(wǎng)絡(luò)拓撲中的實時性，其中包括語音傳輸時延及時延抖動。Opnet仿真中時間設(shè)為1000s。整個仿真結(jié)果如下組圖示，圖2、3分別顯示了整個網(wǎng)絡(luò)拓撲中的語音端到端時延以及時延抖動。

從上兩圖可以看出，當(dāng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞時，與其它算法相比，PQ算法可以以犧牲低優(yōu)先級業(yè)務(wù)帶寬，甚至使其餓死為代價，有效地保護整個網(wǎng)絡(luò)拓撲中的高優(yōu)先級業(yè)務(wù)，從而縮短語音包的端到端平均時延以及時延抖動。

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