軌道交通VoIP網(wǎng)絡的服務質(zhì)量設計策略

趙曉蓉

(中國鐵路通信信號集團公司上海電信測試中心,200436,上海∥高級工程師)

軌道交通VoIP(基于IP技術的語音通信)網(wǎng)絡,是為軌道交通運營管理提供信息溝通的通信平臺,是一個高性能、高帶寬、多鏈路的IP網(wǎng)絡,是對現(xiàn)有電路交換網(wǎng)絡的一項重大革新。VoIP網(wǎng)絡同時承載其他各種應用,而這些應用對軌道交通的關鍵性各不相同,應用本身的特點對網(wǎng)絡所提供的服務要求也各不相同。盡管軌道交通骨干網(wǎng)的不斷完善提高了整個網(wǎng)絡的性能和帶寬,但更多的帶寬并不能保證網(wǎng)絡不發(fā)生擁塞,因為網(wǎng)絡上的各種新的應用對帶寬的占用越來越多,只靠增加帶寬不能保證各個服務的級別。另外,語音、視頻和關鍵任務型數(shù)據(jù)都對網(wǎng)絡基礎設施提出了嚴格的服務要求,需要在網(wǎng)絡傳輸過程中保證帶寬、低延遲、低抖動和低的數(shù)據(jù)包丟失。如果語音、交互視頻和關鍵任務型數(shù)據(jù)沒有從網(wǎng)絡設備獲得高優(yōu)先級服務,這些重要應用的質(zhì)量將會迅速地降低到無法正常使用的程度。而其他一些應用,如OA(辦公自動化)、Internet訪問則可能占用較大的帶寬,但能容忍一定的延遲和抖動。因此,軌道交通VoIP網(wǎng)絡需要強大的“端到端”的IP QoS(服務質(zhì)量)解決方案來有效地、可預見地傳遞具有不同服務質(zhì)量要求的數(shù)據(jù)。針對軌道交通VoIP通信網(wǎng)的網(wǎng)絡結構和應用,需要從網(wǎng)絡邊緣、網(wǎng)絡核心等方面來設計QoS的策略。

1 VoIP網(wǎng)絡QoS設計原則

設計 VoIP網(wǎng)絡QoS時,有一個需要遵循的“75%原則”。即所有需要保證的帶寬的總和不能超過總帶寬的75%。因為25%的總帶寬必須留給網(wǎng)絡控制信息、Keep alive信息、路由協(xié)議、網(wǎng)絡管理信息(SNMP(簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議)、LMI(本地管理接口))。這些信息的帶寬是不能被搶占的。

完整的QoS保證應該是“端到端”實現(xiàn)的,同時,一個設計良好、效率高、能真正發(fā)揮作用的QoS體系應該是層次化的。即QoS機制的實現(xiàn)應合理地分配到網(wǎng)絡的不同層次。從網(wǎng)絡的高效性來看,對數(shù)據(jù)包的分類、標記、整形等策略化操作應放在網(wǎng)絡邊緣。這些操作往往需要對數(shù)據(jù)包進行深入分析,可能要分析到數(shù)據(jù)包的上層協(xié)議,也可能會用到訪問控制列表。而網(wǎng)絡核心的作用是高速轉發(fā)數(shù)據(jù)包,由大量的高速連接和數(shù)據(jù)流組成。核心節(jié)點不應監(jiān)視所有的數(shù)據(jù)流,它只需要簡單地執(zhí)行,否則將消耗大量資源,影響交換效率。這和設計QoS的初衷相反。所以,最好的結構是在網(wǎng)絡的入口邊界對流量進行分類,如將數(shù)據(jù)包的分類、標記、整形/策略等操作放在網(wǎng)絡接入邊緣,而在連接廣域網(wǎng)的核心骨干路由器上只執(zhí)行擁塞管理和擁塞避免,以保證網(wǎng)絡的高效。

2 保證VoIP網(wǎng)絡QoS的方式

為了實現(xiàn)IP網(wǎng)絡上真正的端到端QoS,IETF(互聯(lián)網(wǎng)工程任務組)定義了綜合服務(IntServ)和差別服務(Diff Serv)兩種模式。IntServ采用信令QoS模式,終端主機系統(tǒng)通過信令傳送它們的QoS需求到網(wǎng)絡上。DiffServ的工作模式則是預先定義好的QoS模式,網(wǎng)絡設備預先設置好為各種流量提供多級服務,滿足不同的QoS需求。

2.1 綜合服務

IntServ模式依賴于資源預留協(xié)議(RSVP)來傳送QoS信令和預留每一個流所需的資源。每個流都是兩個應用系統(tǒng)之間獨立的、單向的數(shù)據(jù)流,由源IP地址、源端口、目的IP地址、目的端口和傳輸協(xié)議等5個因素唯一標示。通過 RSVP能夠請求兩種類型的服務:一種是非常嚴格的確保帶寬,提供端到端的穩(wěn)定延遲和保證的預留帶寬;另一種是比盡量服務好的控制負載服務,在網(wǎng)絡輕度到中度負載的情況下提供低延遲服務。所以,從理論上講,每個流都能得到需要的服務質(zhì)量。

IntServ在實際中存在以下問題:

·在數(shù)據(jù)包所經(jīng)過的路徑上,每個設備包括端系統(tǒng)(如服務器和PC),都需要完全支持RSVP,具有QoS信令的能力。

·沿途的每個設備上資源的預留是“軟”的,即需要定期刷新,這增加了網(wǎng)絡的流量;如果刷新的數(shù)據(jù)包丟失,資源的預留就會超時。盡管采取一些措施可減輕這個問題,但同時也增加了RSVP的復雜性。

目前各城市的軌道交通都是至少3條線以上的線網(wǎng)結構。為適應其網(wǎng)絡化的運營要求,VoIP網(wǎng)絡的應用種類繁多,數(shù)據(jù)量大,采用InteServ這樣基于流的模式實現(xiàn)端到端QoS比較困難(除非增加很大的復雜度和成本),并且存在擴展性的問題。

2.2 差別服務

Diff Serv將流量分類到不同級別,也叫作服務級別(Class of Service,簡為CoS),然后對這些級別施以不同的QoS參數(shù)。IETF定義了IPv4包頭的ToS(type of service)字段來表示數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級。一旦數(shù)據(jù)包被標記上適當?shù)膬?yōu)先級(IP-precedence或DSCP(差別服務代碼點)),任意一個網(wǎng)絡節(jié)點就都知道其對應的優(yōu)先級別而給予相應的轉發(fā)優(yōu)先權。這樣就可以將數(shù)據(jù)流進行歸類,然后給予適當?shù)腝oS服務。例如:所有的VoIP流可以歸為一類,然后為這類數(shù)據(jù)包分配一定的帶寬和優(yōu)先級(而不是為每個單獨的數(shù)據(jù)流進行資源的分配和預留),從而使每個網(wǎng)絡節(jié)點上所需要的信令和狀態(tài)維護極大地減少。

在軌道交通VoIP網(wǎng)絡的環(huán)境中,QoS策略必須滿足關鍵業(yè)務應用能得到必需的資源,利用差別服務模式,一個設計適當?shù)木W(wǎng)絡能夠提供確保的帶寬、低延遲、低延遲抖動和低的包丟失,同時保證其他級別也能得到相應的服務。因此,建議在軌道交通的VoIP網(wǎng)絡上采用DiffServ的QoS模式。

2.2.1 DiffServ的組成

DiffServ的QoS模式提供了應用級的服務質(zhì)量和流量管理,包括控制帶寬、延遲、延遲抖動和包丟失的機制。同時RFC-2475定義了差別服務的兩個主要組成部分:數(shù)據(jù)包的分類標記和每一跳動作PHBs(Per Hop Behaviors)。

2.2.2 數(shù)據(jù)包的分類和標識

當數(shù)據(jù)包進入DiffServ域(支持差別服務的路由器的組合)時被區(qū)分到不同類別,用IP包頭里的ToS字節(jié)來標示。IPv4 ToS字節(jié)或者IPv6的Traffic Class字節(jié),被用來標示數(shù)據(jù)包在每個節(jié)點的每一跳的轉發(fā)特性。對這標識的統(tǒng)一的理解,保證了多廠的互操作,使數(shù)據(jù)包能得到一致的轉發(fā)服務。

IETF定義的ToS字段劃分為6 bit的DSCP字段和2 bit的未使用部分。使用6 bit來標志數(shù)據(jù)包的分類,稱為DSCP。DSCP可以支持64種(26)不同的級別,如圖1所示。

圖1 ToS字節(jié)中差別服務編碼區(qū)域

數(shù)據(jù)包可根據(jù)IP源/目的地址、第四層協(xié)議/端口號、進入的端口、MAC地址、IP優(yōu)先級(IP precedence)、DSCP值、第二層信息(如幀中繼的DE比特,以太網(wǎng)的802.1p比特位)分類。這些數(shù)據(jù)包按上述規(guī)則進行分類后,就能被進行相應的處理。

2.2.3 轉發(fā)處理(每一跳動作PHBs)

一旦數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡的邊緣被分類和標記后,其特定的轉發(fā)處理動作,稱為PHB(Per-Hop Behavior),就在每個網(wǎng)絡設備上實施,向數(shù)據(jù)包提供適當?shù)难舆t范圍、延遲抖動范圍和帶寬等QoS參數(shù)。DSCP對應于網(wǎng)絡管理員所定義的PHB,這種包標識與明確定義的PHBs的結合,為任何數(shù)據(jù)包的應用提供了具有非常好的擴展性的QoS解決方案。因而,對于差別服務,不需要QoS的信令,也不需要網(wǎng)絡設備保持所有流的狀態(tài)信息,只需要保持數(shù)據(jù)包的類別和各自的PHBs,網(wǎng)絡設備所需保持的信息的數(shù)量大為減小。

有以下4種標準的PHBs用于構建差別服務網(wǎng)絡,達到端到端CoS(服務級別)和QoS。

2.2.3.1 缺省PHB(RFC-2474)

缺省PHB定義了具有‘000000'DSCP值的數(shù)據(jù)包將獲得傳統(tǒng)的盡量服務,或者數(shù)據(jù)包的DSCP值不能映射到其他任何一種PHB也獲得傳統(tǒng)的盡量服務。

2.2.3.2 分類選擇PHBs(RFC-2474)

為了和 IP precedence兼容,DSCP值為‘xxx000'(xxx為 0或 1)的稱為 Class-Selector Codepoint。缺省DSCP值‘000000'也屬于其中一種。和Class-Selector Codepoint相關聯(lián)的PHB稱為Class-selector PHBs。這些PHBs保留了和基于IP-Precedence的分類、轉發(fā)的節(jié)點一樣的轉發(fā)動作。在軌道交通 VoIP網(wǎng)絡,根據(jù)需要既可以用DSCP,也可以用IP-Precedence,來對數(shù)據(jù)包進行分類和標識。

2.2.3.3 特快轉發(fā)EF PHB(RFC-2598)

在Diff Serv模式中,EF PHB是提供低包丟失率、低延遲、低延遲抖動和確保帶寬服務的關鍵,用于關鍵業(yè)務、語音和視頻等。EF能通過優(yōu)先隊列(如LLQ(低延遲排隊)或MDRR(擁塞控制))來實現(xiàn),同時也限定一定的帶寬。EF PHB在差別服務網(wǎng)絡中提供了絕對優(yōu)先的服務,但只能用于最關鍵的應用。因為當擁塞存在時,EF PHB不可能處理所有的高優(yōu)先級流量,即當優(yōu)先級的流量太多時,實際上也保證不了優(yōu)先級。

對應網(wǎng)絡的語音應用,可將其分類到EF級別。

2.2.3.4 有保障的轉發(fā)AFxy PHB(RFC-2597)

AFPHBs定義了不同的轉發(fā)保證。例如:流量被分為金、銀、銅等級別,金牌服務可以占用50%的可用帶寬,銀牌服務占用30%,銅牌服務占用20%。AF PHB在DiffServ中使用得最多。

AFxy PHB有AF1、AF2、AF3和 AF4等4種AFx級別。每個級別都被分配一定的緩沖空間和端口帶寬。在每個AFx級別里,又可以定義3個不同的包丟棄優(yōu)先級。丟棄優(yōu)先級的概念很有用,VoIP網(wǎng)絡中其他的應用類別可以采用這種轉發(fā)方式。例如:為應用業(yè)務、視頻和Internet訪問分配不同的轉發(fā)優(yōu)先級,而對于具有相同優(yōu)先級的詳細應用個體,又可以分配不同的包丟棄優(yōu)先級。

3 網(wǎng)絡差別服務應用策略

根據(jù)軌道交通VoIP網(wǎng)絡中的應用模式和需求,同時按照DiffServ的結構,可在網(wǎng)絡入口點分類和標識數(shù)據(jù)包,核心網(wǎng)絡只簡單地執(zhí)行網(wǎng)絡管理員所定義的每一跳行為(PHB),以響應DSCP所包含的QoS級別的信息,實現(xiàn)DiffServ策略。

3.1 網(wǎng)絡邊緣數(shù)據(jù)包分類和標記策略

按照Diff Serv的模式,建議數(shù)據(jù)包的分類和標記等策略性工作放在網(wǎng)絡的邊緣接入(Ingress)部分。為了實現(xiàn)Diff Serv模式的IP QoS,可以定義class map來對數(shù)據(jù)包進行分類,然后用這些定義好的class map來創(chuàng)建policy map,最后把這些policy應用到需要的端口/子端口上(可以是入的方向,也可以是出的方向)。

可通過TCP、UDP的端口號和源/目的地址對包進行分類,然后在局域網(wǎng)輸入端口采用DSCP技術對包進行分類,給不同業(yè)務設置不同的DSCP值。建議在骨干網(wǎng)的Ingress路由器(也可以是Layer3交換機)的入端口(即局域網(wǎng)口)上,對數(shù)據(jù)包進行分類。

3.2 網(wǎng)絡核心PHB策略

進入網(wǎng)絡核心,PHB就執(zhí)行數(shù)據(jù)包的DSCP值。根據(jù)軌道交通VoIP網(wǎng)絡中的不同應用,采用4種不同的PHB進行靈活配置。例如:對延遲敏感的流量如VoIP、實時業(yè)務等,需要在整個傳輸路徑上給予嚴格的優(yōu)先級別,可以采用EF類PHB。對于網(wǎng)絡上的增值業(yè)務、視頻和Internet訪問等應用,可采用 AF類 PHB,利用加權隨機早期偵測(WRED),在網(wǎng)絡發(fā)生擁塞時實現(xiàn)基于包丟棄優(yōu)先級的包丟棄。

3.3 流量策略/整形策略

除了在核心網(wǎng)絡上采用PHB來進行擁塞的避免和管理,對某些應用,可在數(shù)據(jù)包進入網(wǎng)絡時就對流量進行策略處理。例如:對有突發(fā)特性的OA和Internet訪問,可限制其帶寬。

4 結語

VoIP網(wǎng)絡是軌道交通內(nèi)部通信發(fā)展的趨勢。要替代傳統(tǒng)的時分復用(TDM)程控交換系統(tǒng),VoIP網(wǎng)絡必然要在系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性上進行策略研究和合理的規(guī)劃設計,并在實踐中不斷完善。

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