服務(wù)質(zhì)量（QoS）在IP視頻監(jiān)控中的應(yīng)用

白 衡

（陜西西延鐵路有限責(zé)任公司 信息技術(shù)中心，西安 710054）

近年來，IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，從小區(qū)的安防監(jiān)控到工廠的生產(chǎn)監(jiān)控，從公安部門的平安城市到鐵路部門的行車實時監(jiān)控，采集數(shù)字視頻信號并利用IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像傳送，遠(yuǎn)程集中監(jiān)控已經(jīng)成為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本組網(wǎng)模式。但由于傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)“盡力而為”的數(shù)據(jù)傳送模式，數(shù)據(jù)傳輸中分組丟失、延時、抖動等網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量問題比較普遍，傳送時快時慢、時通時斷（丟包），難以滿足語音、視頻這些實時性較強(qiáng)的業(yè)務(wù)的需求，影響實時視頻監(jiān)控的效果，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法使用。西延鐵路公司行車安全實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)在建設(shè)初期也碰到了同樣的問題，通過在視頻監(jiān)控的內(nèi)部IP承載網(wǎng)上實施服務(wù)質(zhì)量（QoS）工程，解決了IP網(wǎng)絡(luò)傳輸實時信息和分優(yōu)先級傳輸數(shù)據(jù)的問題，收到了比較好的效果。

1 IP服務(wù)質(zhì)量（QoS）技術(shù)

為解決IP網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）問題，比較常見和成熟的協(xié)議有資源預(yù)留協(xié)議（RSVP）和差別服務(wù)協(xié)議（Diffserv）。然而，無論單獨采用這些機(jī)制中的哪一種，都不能完全解決分組丟失、延時、抖動等問題，在實際應(yīng)用中，往往結(jié)合使用這兩種手段，相互取長補(bǔ)短。

（1）資源預(yù)留協(xié)議（RSVP）工作原理

資源預(yù)留協(xié)議（RSVP）是基于IP協(xié)議的單向資源預(yù)留協(xié)議，為數(shù)據(jù)流經(jīng)過的每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行帶寬預(yù)留，通過隊列管理等技術(shù)實現(xiàn)。數(shù)據(jù)在傳輸過程中，發(fā)送端給接收端發(fā)送路徑資源需求，接收端根據(jù)路徑資源需求為該業(yè)務(wù)流請求帶寬、時延等網(wǎng)絡(luò)資源，如果資源足夠，從發(fā)送端到接收端網(wǎng)絡(luò)路徑中的每個中間路由器都要為該業(yè)務(wù)流分配帶寬和緩沖區(qū)等資源，并在傳送過程中為該業(yè)務(wù)流維護(hù)數(shù)據(jù)流的類別、流量監(jiān)管、排隊調(diào)度等狀態(tài)，直至傳輸完成。簡而言之，用戶通過RSVP協(xié)議向網(wǎng)絡(luò)請求滿足特殊服務(wù)質(zhì)量要求的緩存和帶寬，中間節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備利用RSVP信令在數(shù)據(jù)傳輸通路上建立起資源預(yù)留并維護(hù)該通路，從而實現(xiàn)相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量。

從資源預(yù)留協(xié)議（RSVP）的原理可以看出，數(shù)據(jù)流經(jīng)過的每個路由器上都要運(yùn)行RSVP協(xié)議，數(shù)據(jù)在傳輸前就提前預(yù)定了所有需要的網(wǎng)絡(luò)資源，通過周期性的重傳資源請求，隨時可以對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓龀龇磻?yīng)，但由于需要進(jìn)行端到端的資源預(yù)留，從發(fā)送到接收之間所有路由器都必須支持RSVP協(xié)議，而且每個路由器還要花費(fèi)大量的資源來維護(hù)和更新業(yè)務(wù)狀態(tài)，隨著網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)流的增加，各種狀態(tài)控制信息的數(shù)量會占用大量的路由器存儲空間和處理能力。

（2）差別服務(wù)協(xié)議（DiffServ）工作原理

差別服務(wù)協(xié)議（DiffServ）采用類似于平信、掛號信、特快專遞不同等級的郵政服務(wù)的思想來處理數(shù)據(jù)流，發(fā)送端為發(fā)送的數(shù)據(jù)設(shè)置不同的優(yōu)先級別，在邊緣路由器，數(shù)據(jù)包被分類、標(biāo)記，中途每個路由器根據(jù)優(yōu)先級和相對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)級別進(jìn)行不同質(zhì)量的傳輸。

差別服務(wù)協(xié)議（DiffServ）的原理簡單，層次清晰，只有在邊界路由器上才需要復(fù)雜的分類、標(biāo)記、管制和整形等操作，其他路由器只需根據(jù)分類標(biāo)識做出轉(zhuǎn)發(fā)、緩沖或丟棄等行為，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供服務(wù)的手段只限于隊列調(diào)度和緩沖管理，實現(xiàn)起來比較容易，而且當(dāng)有額外資源或者資源總量不足時，路徑中的各個路由器可以按照事先定義好的規(guī)則對數(shù)據(jù)流按相應(yīng)的按比例提升或者降低服務(wù)級別。

（3）資源預(yù)留協(xié)議（RSVP）和差別服務(wù)協(xié)議（DiffServ）的結(jié)合

資源預(yù)留協(xié)議（RSVP）可以為數(shù)據(jù)流提供良好帶寬保證，而差別服務(wù)協(xié)議（DiffServ）則不需要控制信令，在發(fā)送數(shù)據(jù)前，不需要通知中途路由器，也不必為每個數(shù)據(jù)流維護(hù)狀態(tài)，它只是對數(shù)據(jù)流簡單加標(biāo)記進(jìn)行優(yōu)先級分類。在實際應(yīng)用中，Diffserv和RSVP經(jīng)常結(jié)合使用，用戶端主機(jī)使用RSVP對帶寬、抖動門限等的進(jìn)行請求，在入口路由器將RSVP的資源請求映射為服務(wù)分類，在中途路由器上采用DiffServ對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類傳輸，直至終點，從而最終實現(xiàn)了從發(fā)起端到接收端全程的服務(wù)質(zhì)量。

2 在IP網(wǎng)絡(luò)中啟用服務(wù)質(zhì)量（QoS）

按照端到端的數(shù)據(jù)流過程，在IP網(wǎng)絡(luò)中啟用服務(wù)質(zhì)量（QoS），首先在入口路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)的分類和標(biāo)記，然后在中途路由器定義分類傳輸級別，進(jìn)行數(shù)據(jù)流的管制、整形以及擁塞處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的有序傳輸。

2.1 數(shù)據(jù)的分類和標(biāo)記

定義服務(wù)質(zhì)量（QoS）的第一步，就是要識別出需要進(jìn)行區(qū)分處理的數(shù)據(jù)流，以后就可以在其上應(yīng)用不同的策略，通常在數(shù)據(jù)流的入口路由器啟用分類定義，根據(jù)數(shù)據(jù)包中一個或多個字段識別分組的流量類型。在CISCO路由器里，使用class-map命令定義分類名稱，使用match命令匹配類別。下例將數(shù)據(jù)流中的H.323、RTP等視頻流分類為視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，并命名為shipin_jiankong_in類型數(shù)據(jù)。

match命令還可以根據(jù)IP地址、訪問控制列表（ACL）、數(shù)據(jù)進(jìn)入的接口等多種方式進(jìn)行匹配，如將所有視頻監(jiān)控主服務(wù)器（源地址為192.168.255.10）發(fā)出的數(shù)據(jù)定義為視頻控制數(shù)據(jù)，命名為control_data_in類型數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)分類后，在數(shù)據(jù)包中寫入一個字段，后續(xù)節(jié)點就可以根據(jù)這個標(biāo)記決定如何處理該分組，在IP數(shù)據(jù)包中，利用TOS字段中的6位作為定義優(yōu)先級，稱為IP DSCP字段，常用的IP DSCP定義如表1。

表1 常用的IP DSCP定義

根據(jù)表1，在實際應(yīng)用中使用policy-map和set命令將視頻流和控制流的IP DSCP字段分別標(biāo)記為AF41和AF31。

2.2 數(shù)據(jù)流量的管制和整形

在除入口路由器以外的其他路由器上，需要根據(jù)數(shù)據(jù)包的IP DSCP字段定義不同的傳輸級別和帶寬分配規(guī)則，實施數(shù)據(jù)流的管制和整形。

流量的管制就是對數(shù)據(jù)流量進(jìn)行實時性的檢查，一旦發(fā)現(xiàn)超過預(yù)約的流量就降級傳輸或是強(qiáng)制性的丟棄。整形的目的是將數(shù)據(jù)流平滑地發(fā)送到某個網(wǎng)絡(luò)接口，如果出現(xiàn)瞬間流量超過約定的速率，過量的流量將被緩存，一直到出現(xiàn)的流量再次低于預(yù)定的速率時再將緩存的數(shù)據(jù)發(fā)出。

在定義數(shù)據(jù)流量的管制和整形前，先根據(jù)IP DSCP字段對各種不同數(shù)據(jù)流命名。

通過policy-map和policy命令定義數(shù)據(jù)流量的管制和整形，具體需要多少帶寬定義可以根據(jù)視頻監(jiān)控組網(wǎng)實際情況進(jìn)行確定。比如在任何情況下都要滿足同時傳送5路384 kbit CIF級別畫質(zhì)的圖像（帶寬需求1.92 kbit）；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)資源比較豐富的情況下可以同時傳送6路384 kbit CIF級別畫質(zhì)的圖像（帶寬需求2.3 Mbit）；不要求同時傳送6路以上的圖像。則可以定義承諾流量cir為1.92 Mbit，整形緩沖區(qū)bc為20 kbit，對應(yīng)的處理方式為傳輸（conform-action transmit）；峰值流量pir為.2.3 Mbit，整形緩沖區(qū)be為25 kbit，對應(yīng)的處理方式為將IP DSCP設(shè)為默認(rèn)值0后傳輸（exceed-action set-dscp-transmit default），當(dāng)這些額外流量到達(dá)下一個路由器時，由于IP DSCP為0，下一個路由器將按普遍數(shù)據(jù)“盡力而為”的處理方式進(jìn)行傳輸，有富裕帶寬時進(jìn)行傳輸，沒富裕帶寬時進(jìn)行緩存甚至丟棄；對于超過峰值流量的數(shù)據(jù)流則不論網(wǎng)絡(luò)是否還有富裕帶寬直接丟棄（violate-action drop）。

2.3 數(shù)據(jù)流的擁塞處理機(jī)制

數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中，當(dāng)多個數(shù)據(jù)流向一個方向匯聚，或是數(shù)據(jù)從高速鏈路向低速鏈路傳輸時，有可能出現(xiàn)擁塞的現(xiàn)象。當(dāng)擁塞發(fā)生時，必須采取擁塞控制機(jī)制進(jìn)行處理，必要時犧牲非關(guān)鍵業(yè)務(wù)，確保關(guān)鍵性的語音、視頻和控制數(shù)據(jù)優(yōu)先通過。

擁塞處理的主要方法是使用隊列技術(shù)，將所有要從一個接口發(fā)出的報文通過一定的規(guī)則導(dǎo)入到多個隊列，按照各個隊列的不同處理方式進(jìn)行傳輸，常見的隊列有先進(jìn)先出隊列（FIFO）、優(yōu)先隊列（PQ）、定制隊列（CQ）、加權(quán)公平隊列（WFQ）、基于類的隊列（CBWFQ或CBQ）和低延遲優(yōu)先隊列（LLQ）。IP網(wǎng)絡(luò)的默認(rèn)服務(wù)模式—“盡力而為”的傳輸模式采用先進(jìn)先出隊列（FIFO）。優(yōu)先隊列（PQ）、定制隊列（CQ）和加權(quán)公平隊列（WFQ）3個隊列類型屬于早期基本隊列，目前基本不再使用?；陬惖年犃校–BWFQ或CBQ）是基于類的一種隊列調(diào)度機(jī)制，這里的類就是在前面數(shù)據(jù)分類中定義好的類，當(dāng)接口出現(xiàn)擁塞時，根據(jù)類的優(yōu)先級，擁塞處理算法選擇丟棄較低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，保留優(yōu)先級較高的數(shù)據(jù)。低延遲優(yōu)先隊列（LLQ）在所有隊列中具有最高優(yōu)先級，在任何情況下，轉(zhuǎn)發(fā)時間不超過200 ms。

在路由器中使用priority、bandwidth、randomdetect命令定義擁塞處理機(jī)制，priority命令表示將該類數(shù)據(jù)放入LLQ隊列優(yōu)先傳輸，并提供最低帶寬保證。bandwidth命令針對CBWFQ/CBQ隊列中的不同類別數(shù)據(jù)提供的最低帶寬保證。randomdetect命令啟用加權(quán)隨機(jī)早期檢測（Weighted RED, WRED）算法進(jìn)行數(shù)據(jù)丟棄，random-detect dscp-based 表示根據(jù)數(shù)據(jù)包的IP DSCP值進(jìn)行判斷，當(dāng)擁塞時丟棄IP DSCP值低的數(shù)據(jù)包。

通過以上對數(shù)據(jù)處理機(jī)制的介紹，可以看出：數(shù)據(jù)管制與整形限定數(shù)據(jù)流帶寬上限并平滑數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)擁塞處理保證數(shù)據(jù)流帶寬下限，當(dāng)擁塞時根據(jù)數(shù)據(jù)隊列不同調(diào)用相應(yīng)的算法進(jìn)行調(diào)度，兩種機(jī)制相結(jié)合，就可以明確定義出各類數(shù)據(jù)流對帶寬等資源的占用情況，保證數(shù)據(jù)有序傳輸。

2.4 在網(wǎng)絡(luò)接口上啟用QoS

當(dāng)數(shù)據(jù)的分類與標(biāo)示，管制與整形，擁塞處理等機(jī)制都定義完成后，就可以在路由器接口上啟用這些規(guī)則，實現(xiàn)QoS。

首先，在入口路由器的接入端口上啟用數(shù)據(jù)標(biāo)記：

interface FastEthernet0/0

service-policy input input_mark

在中途路由器網(wǎng)絡(luò)接口上啟用管制與整形和擁塞處理機(jī)制：

在網(wǎng)絡(luò)的各個路由器上都啟用了IP QoS機(jī)制以后，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量測試，在視頻監(jiān)控的同時在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行大量文件的下載，由于IP QoS的作用，視頻流流暢，與網(wǎng)絡(luò)輕載時的視頻監(jiān)控質(zhì)量相當(dāng)。當(dāng)取消IP QoS設(shè)置后，在網(wǎng)絡(luò)重載情況下，視頻流明顯出現(xiàn)馬賽克、時斷時續(xù)甚至無法播放等情形，說明IP QoS在分級傳輸、流量控制和擁塞處理等方面發(fā)揮了顯著的作用。

3 結(jié)束語

隨著TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，IP承載一切（Everything Over IP）幾乎成了數(shù)據(jù)通信的主流，但由于IP協(xié)議“盡力而為、眾生平等”的設(shè)計理念，大量信息業(yè)務(wù)涌入IP網(wǎng)絡(luò)后，如果要保證各種信息有序傳輸，必須要有IP QoS的保證。雖然現(xiàn)在主流的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都已經(jīng)支持基本的IP QoS機(jī)制，但由于各種原因，很多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和IP網(wǎng)絡(luò)都沒有使用這些技術(shù)。通過本文的介紹可知，在IP網(wǎng)絡(luò)中啟用QoS并不復(fù)雜，只需要4個步驟：（1）對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和標(biāo)記；（2）定義數(shù)據(jù)管制與整形；（3）定義數(shù)據(jù)擁塞處理；（4）在網(wǎng)絡(luò)接口上啟用，并使用少數(shù)幾個配置命令就可以開啟。因此，對于需要在IP網(wǎng)絡(luò)中傳輸語音、視頻的用戶來說，啟用QoS是一種簡單易行、保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的可靠方式。

[1]Tim Szigeti, Christina Hattingh.（美）端到端的QoS網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[M]. 北京：人民郵電出版社，2007.