MPLS DiffServ在艦內(nèi)VoIP QoS中的仿真與研究*

裴康樂　鄭巧珍　李含輝

(武漢船舶通信研究所　武漢　430205)

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MPLS DiffServ在艦內(nèi)VoIP QoS中的仿真與研究*

裴康樂鄭巧珍李含輝

(武漢船舶通信研究所武漢430205)

摘要艦艇內(nèi)部以IP承載語音VoIP作為話音通信手段,由于IP網(wǎng)絡的固有劣勢,使得VoIP服務質(zhì)量得不到保障。為了改善VoIP的服務質(zhì)量,對MPLS技術和QoS機制進行了理論分析,研究了MPLS DiffServ的工作原理,并通過OPNET仿真進一步驗證其QoS保障能力,這對MPLS DiffServ在艦內(nèi)通信系統(tǒng)的使用有著一定的促進作用。

關鍵詞IP承載語音; 服務質(zhì)量; MPLS DiffServ; OPNET

Simulation and Research of MPLS DiffServ Module in the VoIP QoS inside the Ship

PEI KangleZHENG QiaozhenLI Hanhui

(Wuhan Maritime Communication Research Institute, Wuhan430205)

AbstractVoIP(Voice over IP) is treated as a means of voice communication inner vessel. Due to the inherent disadvantages of IP network, the QoS of VoIP can not be guaranteed. In order to improve the VoIP QoS, the paper introduces the theory of MPLS technology and QoS mechanism, studies the working principle of MPLS DiffServ, and verifies its QoS guarantee ability through the OPNET simulation. The study promotes the use of the MPLS DiffServ theory in the communication system inside the ship.

Key WordsVoIP, QoS, MPLS DiffServ, OPNET

Class NumberTN912

1引言

艦用移動通信系統(tǒng)是艦艇內(nèi)部人員溝通,定位的重要手段。得益于IP網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展,艦用移動通信網(wǎng)絡也逐步朝著全IP化發(fā)展演進。VoIP(Voice over IP)[1]作為一種把數(shù)據(jù)通信融入了傳統(tǒng)話音業(yè)務的通信技術手段,具有成本低廉及占用較小帶寬的優(yōu)勢,自然而然就成了艦內(nèi)話音通信的首選。目前艦艇內(nèi)部移動通信系統(tǒng)能實現(xiàn)多種業(yè)務,其中就包含了數(shù)據(jù)業(yè)務和話音業(yè)務。數(shù)據(jù)業(yè)務流量主要由艦內(nèi)人員通過WIFI瀏覽網(wǎng)頁,發(fā)送郵件等產(chǎn)生;話音業(yè)務流量則主要來源于VoIP。VoIP是基于艦內(nèi)IP傳輸網(wǎng)來傳輸話音信號,屬于實時性業(yè)務,需要較高的時延保障,而艦內(nèi)IP傳輸網(wǎng)采用的是“盡力而為”的服務方式,那么網(wǎng)絡質(zhì)量的好壞就嚴重影響到了其通話質(zhì)量與清晰度,一旦網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)業(yè)務量過大,就會占用話音業(yè)務帶寬資源,造成VoIP丟包率上升,時延、抖動急劇增加,影響用戶體驗。這就要求對網(wǎng)絡進行技術優(yōu)化,采用MPLS DiffServ等手段來保障VoIP的服務質(zhì)量。

2MPLS技術原理與QoS機制

2.1QoS機制概述

IP服務質(zhì)量[2](Quality of Service,QoS)指一個網(wǎng)絡能夠利用各種基礎技術,為指定的網(wǎng)絡通信提供更好的服務能力,是網(wǎng)絡的一種安全機制,是用來解決網(wǎng)絡延遲和阻塞等問題的一種技術,它不會為網(wǎng)絡創(chuàng)造額外帶寬資源,而是幫助用戶更好的利用帶寬資源。在正常情況下,如果網(wǎng)絡只用于特定的無時間限制的應用系統(tǒng),并不需要QoS,比如Web應用或E-mail設置等。但是對類似于VoIP這種時延要求比較高的應用就十分必要。當網(wǎng)絡過載或擁塞時,QoS能確保重要業(yè)務量不受延遲或丟棄,同時保證網(wǎng)絡的高效運行。為了解決IP QoS問題,IETF先后提出了兩種模型:IntServ模型和DiffServ模型。

· IntServ[3]模型的主要思想是采用RSVP在流傳輸路徑上的每個節(jié)點中為每一個流預留并維護資源,其最大優(yōu)點是能為VoIP夠提供端到端的服務質(zhì)量保證。但同時,RSVP[4]的資源預留過程也降低了其可擴展性,嚴重阻礙了該模型在VoIP系統(tǒng)的應用。

· DiffServ[5]是一個起源于IntServ,但相對簡單、粗劃分的控制系統(tǒng)。它將實現(xiàn)復雜度推向了網(wǎng)絡邊緣,邊緣路由器為具有不同QoS要求的流分配不同的標記,并將具有相識要求的業(yè)務歸于一類,而網(wǎng)絡核心路由器只需要對聚集流采取一致的處理方式即可。DiffServ重新定義了IPv4的TOS字段,并更名為DS字段,如圖1所示。DS包含6bit的DSCP以及2bit的ECN,DSCP的不同取值代表了業(yè)務的不同QoS要求。每一個路由器都會根據(jù)數(shù)據(jù)包的DSCP字段執(zhí)行相應的PHB行為,產(chǎn)生不同的服務級別。

圖1　DSCP域與TOS域

2.2DiffServ模型在VoIP中的應用分析

DiffServ根據(jù)DSCP定義了三類標準的PHB服務類型:默認轉發(fā)DF、保證轉發(fā)AF和加速轉發(fā)EF。其中,EF PHB能夠提供低丟包率、低延遲、低抖動和有保證的帶寬服務。EF PHB轉發(fā)對數(shù)據(jù)流進行最小程度的排隊,并在邊界路由器丟棄任何超過EF規(guī)定的對應DSCP值的流,它是Diffserv中嚴格保障QoS的主要服務,適用于對QoS要求較強的VoIP業(yè)務。雖然EF服務的存在會減弱網(wǎng)絡處理“盡力而為”分組的能力,但當EF不傳輸分組時(例如,語音具有突發(fā)性,VoIP連接時只有40%的時間傳送語音分組),帶寬可以釋放給其它分組使用,而不像RSVP那樣持續(xù)占用帶寬資源。但是,DiffServ模型本身也不夠完善,當傳輸VoIP的鏈路資源極度缺乏時,路由器不會改變VoIP的路由路徑,不能實現(xiàn)負載均衡,很可能會造成網(wǎng)絡堵塞。

2.3MPLS的技術原理

MPLS[6]是一種在網(wǎng)絡上通過標簽引導數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g,它將第二層交換技術(面向連接,具有服務質(zhì)量保證)和第三層路由技術(面向無連接,沒有服務質(zhì)量保證)結合在一起,建立一個性能更好、可靠性更高、靈活且易于擴展的網(wǎng)絡構架。MPLS將網(wǎng)絡節(jié)點分為兩種類型:邊緣標簽路由器和標簽交換路由器。邊緣標簽路由器主要負責LSP的建立、維護、重新路由、拆除以及標簽轉發(fā)信息表(LFIB)的維護等工作。MPLS可以使用IP網(wǎng)中的路由協(xié)議(如OSPF,IS-IS)為FEC進行路由選擇,并通過LDP、基于約束的路由選擇標簽分發(fā)協(xié)議或擴展的資源預留協(xié)議實現(xiàn)標簽的綁定交換,最終完成LSP的建立。標簽交換路由器主要工作是沿著己經(jīng)建立好的LSP,根據(jù)分組中的標簽,通過標簽交換的方式進行分組轉發(fā)。

MPLS標簽由四個域組成,其中Label域占20bit,用來指定轉發(fā)等價類(FEC);EXP域占3bit,提供一中服務分類機制,一般用來指定PHB;S域占1bit,用于支持標簽棧的結構;TTL域占8bit,指定包生存時間,防止包循環(huán)。具體格式如圖2所示。

圖2MPLS標簽

2.4MPLS模型在VoIP中的應用分析

在傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡中,VoIP業(yè)務流只是被簡單的分配到由內(nèi)部網(wǎng)關協(xié)議計算出來的的最短路徑中去,當鏈路資源充足時,VoIP業(yè)務的QoS能夠得到滿足;但是當數(shù)據(jù)業(yè)務所分配的最短路徑和VoIP重合時,數(shù)據(jù)業(yè)務的傳輸就會沖擊VoIP業(yè)務,影響它的QoS。通過采用MPLS流量工程技術,可以手動建立LSP,引導VoIP業(yè)務流繞過重合的鏈路,避開網(wǎng)絡擁堵的區(qū)間,通過標簽交換技術,快速到達目的節(jié)點,降低傳輸時延,實現(xiàn)負載均衡。但是MPLS技術有一個比較明顯的缺陷,那就是它不具備區(qū)分能力,對于同一條LSP路徑上的不同QoS要求的業(yè)務不能加以區(qū)分,不能完全保障VoIP業(yè)務的服務質(zhì)量。

3MPLS DiffServ在VoIP中的實現(xiàn)

3.1MPLS與DiffServ結合的可能性

從前面的分析中可以發(fā)現(xiàn),MPLS能降低VoIP傳輸時延,實現(xiàn)負載均衡,但是這種方法有一個弊端就是無法區(qū)分實時和非實時的業(yè)務,不能在數(shù)據(jù)話音混合傳輸?shù)木W(wǎng)絡中對高時延需求的VoIP進行針對性的控制,無法完全滿足其QoS。對于DiffServ模型來說,雖然它能提供區(qū)分服務,但是由于沒有進行資源預留,不能為VoIP提供細粒度的端對端的QoS保證。所以盡管MPLS和DiffServ在降低延遲,減少網(wǎng)絡堵塞方面各具優(yōu)點,但是單獨使用兩者中的任何一個都不能完全滿足VoIP的QoS要求。對于這種問題,MPLS和DiffServ的結合[7]是一個很好的解決方法。MPLS網(wǎng)絡模型與DiffServ模型有很大的相似性,MPLS網(wǎng)絡中的標記分配機制和DiffServ網(wǎng)絡中的優(yōu)先級分類相似:MPLS的LER按照FEC分類映射標記,而DiffServ模型對IP數(shù)據(jù)包進行服務質(zhì)量分類;MPLS中的數(shù)據(jù)包基于標記交換,DiffServ模型根據(jù)DSCP進行發(fā)送處理;MPLS網(wǎng)絡與DiffServ模型都是把復雜的運算放在網(wǎng)絡邊緣,核心網(wǎng)絡只負責簡單的轉發(fā)。這些相似性為MPLS與DiffServ的結合提供了便利,因此MPLS非常適合作為DiffServ網(wǎng)絡的載體。它們兩者的結合能為VoIP提供非常好的端到端的QoS保證。

3.2基于MPLS的DiffServ的實現(xiàn)

在DiffServ模型中,VoIP流傳輸路徑上的每一個路由器都需要對IP報頭進行解析,并根據(jù)解析出來的DSCP值執(zhí)行對應的PHB操作。MPLS技術則是在網(wǎng)絡入口路由器處對包頭進行一次解析,根據(jù)其目標IP地址或QoS要求插入不同的標簽,而后對數(shù)據(jù)包轉發(fā)時只檢查標簽,不再解析IP報頭,這是一對矛盾。要在MPLS中實現(xiàn)DiffServ,就必須找到一種方法使得MPLS標簽能夠映射不同的PHB。目前有兩種方法可以解決這種問題。

一是使用E-LSP。E-LSP是一種可以將實現(xiàn)DiffServ所需的信息傳入MPLS標簽的方法。E-LSP的基本思想是將DSCP值映射到標簽中的EXP比特位上去。由于標簽中EXP只包含3個比特位,E-LSP只能提供最多八種PHB級別的設定,詳細設置如圖3所示。使用E-LSP時,LSR可以識別在同一條LSP上傳輸?shù)牟煌占墑e的業(yè)務流。如果網(wǎng)絡需要定義八種以上的PHB級別,就要使用L-LSP(Label-Only Inferred PSC LSP)方法來實現(xiàn)。

L-LSP將使用同一個PHB類別的數(shù)據(jù)包歸入相同的FEC中,使得每條LSP只能有一種PHB類別,而丟棄優(yōu)先級則會被編入標簽中的EXP字段。因此,LSR通過分析在某條LSP中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包標簽的EXP字段,就可以獲得PHB信息,然后進行相應操作。使用L-LSP時,LSR需要從分析數(shù)據(jù)包是在哪條LSP上傳輸?shù)玫絇HB的類別信息(如DF.AF1x,AF2x.AF:3a,AF4x或EF),以及從分析數(shù)據(jù)包標簽中Exp字段值,得到丟棄優(yōu)先級信息后,才推斷出傳輸這個數(shù)據(jù)包具體使用的PHB級別。

圖3　E-LSP中EXP與PHB之間的映射

在艦內(nèi)移動通信網(wǎng)絡中,總體上包含兩類業(yè)務,一類是語音業(yè)務,另一類是數(shù)據(jù)業(yè)務。由于網(wǎng)絡中業(yè)務QoS需求低于八種,可以采用E-LSP。語音業(yè)務包含有VoIP以及由此產(chǎn)生的各種信令,在DiffServ網(wǎng)絡中,把它的DSCP設置為101110,對應于EF PHB,映射到EXP為6或者7。為了突出數(shù)據(jù)業(yè)務和語音業(yè)務的級別差距,把數(shù)據(jù)業(yè)務的DSCP設置為001010,對應于AF11 PHB,映射到EXP為0。通過采用MPLS DiffServ,手動建立LSP,引導業(yè)務流繞過高負載鏈路,避開網(wǎng)絡擁堵的區(qū)間,同時采用區(qū)分服務,提高VoIP流的QoS等級,通過標簽交換技術,快速到達目的節(jié)點,降低傳輸時延,保障QoS,實現(xiàn)負載均衡。

4仿真與驗證

4.1抽象系統(tǒng)結構

首先分析艦內(nèi)移動通信系統(tǒng),抽象出系統(tǒng)的拓撲結構。整個系統(tǒng)運行在一個彈性分組環(huán)(Resilient Packet Ring,RPR)上,向上有若干臺服務器通過交換機連接在環(huán)網(wǎng)上,向下則有若干區(qū)域交換設備和微基站連接到環(huán)網(wǎng)上,其中微基站能夠接收用戶的話音信號,并且還具有WIFI熱點的功能。目前艦艇內(nèi)部移動通信系統(tǒng)能實現(xiàn)多種業(yè)務,其中就包含了數(shù)據(jù)業(yè)務和話音業(yè)務。數(shù)據(jù)業(yè)務流量主要由艦內(nèi)人員通過WIFI瀏覽網(wǎng)頁,發(fā)送郵件等產(chǎn)生;話音業(yè)務流量則主要來源于VoIP。數(shù)據(jù)業(yè)務和話音業(yè)務共享10M的接入層網(wǎng)絡帶寬,考慮到數(shù)據(jù)業(yè)務產(chǎn)生的突發(fā)性流量對話音業(yè)務造成的沖擊,可以把整個RPR環(huán)網(wǎng)用MPLS DiffServ網(wǎng)絡來代替,通過設置業(yè)務優(yōu)先級、使用流量控制等手段優(yōu)化,使話音業(yè)務QoS得到保障。

4.2仿真的目的與任務

本章仿真的目的:MPLS DiffServ網(wǎng)絡對通過LSP的不同數(shù)據(jù)流進行服務區(qū)分,使不同數(shù)據(jù)流能夠得到不同的服務質(zhì)量,以滿足不同業(yè)務的服務質(zhì)量要求。通過本次仿真實驗說明MPLS技術與DiffServ的結合能夠有效控制業(yè)務的服務質(zhì)量,提高通信網(wǎng)絡在支持多類業(yè)務QoS方面的性能。

旅游者、旅行社和地方管理部門的故意無視以及旅游者的默認補償行為導致了一個后果，那就是低價旅游的囚徒困境○16。囚徒困境的本質(zhì)是個體理性導致了集體的非理性。對于旅游者、旅行社和地方管理部門來說，故意無視是一種理性行為——為自身利益著想，旅游者的默認補償也是一種理性行為——修復內(nèi)疚心理，彌補對方損失。但是，這種理性行為導致的結果是無序競爭和市場亂象，最終損害了所有利益相關者的利益。2015-2016年即使在中國政府與韓國和日本產(chǎn)生摩擦的情況下，韓國和日本旅游市場仍然火爆，其中一個很重要的原因就是旅游市場亂象導致了旅游者的不信任。

本次仿真實驗的任務是通過采集網(wǎng)絡入口LER及各條鏈路中話音業(yè)務和數(shù)據(jù)業(yè)務的相關數(shù)據(jù),分析在不同情況下,MPLS DiffServ對不同業(yè)務的QoS的影響。本次仿真內(nèi)容包括以下兩個對比實驗:

· 在不使用MPLS DiffServ的情況下,使用同一條鏈路傳輸話音流和數(shù)據(jù)流,并對結果進行分析。

· 使用MPLS DiffServ,通過DiffServ對同一條LSP中傳輸?shù)膬煞N業(yè)務加以區(qū)分,提高話音業(yè)務的QoS性能。

4.3基于MPLS DiffServ的VoIP網(wǎng)絡建模

本次實驗使用OPNET[8]進行網(wǎng)絡仿真,具體網(wǎng)絡拓撲結構如圖4所示。

圖4　MPLS DiffServ仿真建模

仿真實驗仿真環(huán)境如下:整個模型設置了7個路由器節(jié)點(3個LER,4個LSR),3個LAN節(jié)點(2個VoIP發(fā),1個VoIP收),2個PPP_WKSTN節(jié)點(2個FTP發(fā))以及1個FTP服務器節(jié)點。路由器之間使用PPP_E3鏈路模型,每條鏈路帶寬為34.368Mbps,LAN節(jié)點到LER的鏈路設為10Base_T,帶寬為10M,FTP節(jié)點和FTP服務器到LER采用100Base_T,帶寬為100M。VoIP業(yè)務采用G.711編碼,編碼延時和解碼延時均設置為0.02s,FTP業(yè)務則設置為每10s向FTP服務器上傳一個大小為25MB的FTP文件。

實驗二在IP網(wǎng)絡中采用MPLS DiffServ建立了一條從LSR1→LSR2→LSR3→LER2的LSP[10],引導FTP1以及VoIP_SRC_1通過此路徑到達目的端,避開了擁堵的LSR4→LER2鏈路,提高了鏈路利用率,并且在該LSP中還采用了DiffServ技術,提高了VoIP業(yè)務QoS級別,保證VoIP業(yè)務不受FTP業(yè)務的影響。

圖5　LSR4→LER2鏈路利用率

圖6　LSR1→LSR2鏈路利用率

使用MPLS DiffServ后,LSR4→LER2鏈路利用率由接近80%降到了接近60%,而LSR1→LSR2鏈路利用率則由0提高到了60%左右,整個網(wǎng)絡實現(xiàn)了負載均衡,提高了網(wǎng)絡資源的利用率。

使用MPLS DiffServ前,VoIP_Dest節(jié)點接收時延和抖動會隨著FTP業(yè)務的進行有明顯的波動,使用MPLS DiffSer后,時延和抖動變得平穩(wěn),不會被

FTP業(yè)務所干擾,很好的保障了VoIP的QoS。

圖7　VoIP_Dest節(jié)點接收抖動

圖8　VoIP_Dest節(jié)點接收時延

5結語

本文從理論上進行分析,得出MPLS DiffServ技術能夠影響VoIP的話音質(zhì)量,并通過對比仿真,驗證了MPLS DiffServ模型對語音流的保護、改善作用,通過仿真實驗,可以明確在艦內(nèi)移動通信網(wǎng)絡這樣一個數(shù)據(jù)話音等多種業(yè)務混合傳輸?shù)奶厥猸h(huán)境中,MPLS DiffServ能夠通過建立LSP實現(xiàn)負載均衡,并且還能在數(shù)據(jù)話音混合流中區(qū)分出VoIP話音業(yè)務并對它加以保護,提升艦內(nèi)話音通信質(zhì)量。

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中圖分類號TN912

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.015

作者簡介:裴康樂,男,碩士,研究方向:通信與信息系統(tǒng)通信與信息系統(tǒng)。鄭巧珍,女,研究員,研究方向:信號與信息處理。李含輝,男,研究員,研究方向:無線通信。

*收稿日期:2015年7月5日,修回日期:2015年8月21日