IP QoS在鐵路通信數據專網中的應用

劉 娜

（北京國鐵華晨通信信息技術有限公司，北京 100070）

1 概述

隨著鐵路客運專線的發展，IP網絡逐漸向多業務網絡發展，業務種類不斷增加。由于IP網是基于分組交換的，那么對于關鍵性、交互性、實時通信的業務，如何確保音、視頻通信帶寬，避免非關鍵性業務擠占關鍵業務，保障實時交互型業務的傳送質量，將是鐵路專網中IP數據通信的關鍵問題。

2 網絡傳輸質量的主要技術參數

常用網絡傳輸質量的技術參數主要有以下3個指標。

（1）丟包率：是指在網絡中傳輸數據包時丟掉的數據包的最高比率。

（2）延時：通常指固化網絡延時，可分為分組延時、序列延時和傳輸延時。

（3）延時變化（或抖動）：也稱為分組間延時，是連續兩個數據包之間的端到端延時的差值。

3 QoS服務模型及其工具

IETF提供了兩種在IP網絡中實施QoS的方法：集成服務（IntServ）和區分服務（DiffServ）。

3.1 集成服務

（1）資源預留

資源預留協議（RSVP）技術對于在Internet有限的帶寬上傳送實時視頻是一種重要保障方式，要求通信雙方在建立傳輸信息之前預留足夠的帶寬，從而使服務質量得到較好保證。

（2）呼叫接入控制（CAC）

大部分QoS工具都是用于保護語音流量免受數據流量的影響，而呼叫接入控制用于保護語音流量免受其他語音流量的影響，也保護交互式視頻不受其他交互式視頻的影響。

3.2 區分服務

區分服務是針對每個數據包提供不同的網絡服務級別。

區分服務QoS主要包含分類和標記、策略和整形、擁塞避免（選擇丟棄）、擁塞管理（隊列）工具。

各工具關系如圖1所示。

（1）分類和標記

QoS策略的第一部分就是識別并分類需要區別對待的流量。

在鐵路數據專網中，可以做二層或三層的標記。具體如下。

802.1Q/p CoS——設置802.1p用戶優先位，在二層標記以太網幀，僅8個CoS（0-7）可用于以太網幀標記。

IP服務類型ToS字節——IPv4包的第二字節是ToS字節。ToS字節的前三位是IPP位。前三位結合后面三位構成DSCP位。

DSCP PHB標記——有4個主要類別：盡力而為（BE或DSCP 0），RFC2474（CS1-CS7，同等于IPP值的1-7），RFC 2597確保轉發（AFxy），RFC3268/5246 快速轉發（EF）。

IP顯式擁塞通告（ECN）——利用IP ToS字節中最后兩位。用于向TCP發送方指出在傳輸中是否發生了擁塞。如果發生擁塞，TCP發送方可以調整TCP窗口使其不發送超出網絡服務能力范圍的流量。

（2）策略和整形

策略定義了3種級別：符合、溢出和違反。

策略針對“溢出流量”和“違反流量”做降級或丟棄。

整形則延遲發送“溢出”和“違反”流量，使得在符合服務水平協議（SLA）的情況下，平滑流量中的突發部分變得平滑。

（3）擁塞管理

擁塞管理包括隊列和調度。

目前常用低延遲隊列（LLQ）和基于類型的加權公平隊列（CBWFQ）。

圖2顯示了LLQ和CBWFQ算法的二層和三層隊列子系統。

（4）擁塞避免

擁塞避免是一種流控機制，可以通過監視網絡資源（如隊列或內存緩沖區）的使用情況，在擁塞有加劇趨勢時，主動丟棄報文，通過調整網絡的流量來解除網絡過載。

4 鐵路專網業務需求分析

鐵路通信數據專網目前所承載的業務種類主要有交互式視頻（會議電視）、視頻流（視頻監控）和數據流量（辦公自動化系統、動力環境監控系統和旅客信息服務系統等）。考慮未來可能會承載VoIP流量，這里也做討論。

4.1 VoIP的需求

語音是對延時和丟包率非常敏感的流量，所以VoIP對數據網的需求如下。

*丟包率不大于1％；

*單向延時不大于150 ms；

*平均單向抖動小于30 ms；

*每個呼叫要求21～320 kbits/s的保障優先帶寬。

4.2 會議電視系統的需求

*丟包率不大于1％；

*單向延時不大于150 ms；

*抖動不大于30 ms；

*超出交互式視頻隊列的20％調節到突發部分。

4.3 視頻監控系統的需求

*丟包率不大于1‰；

*延時不大于500 ms；

*抖動不大于100 ms；

*保證帶寬CBWFQ的要求取決于編碼格式和視頻流的速度。

4.4 數據流量的需求

針對交互式數據流量，要做滿足業務需求的帶寬。

5 鐵路數據專網QoS設計

由于在通道利用方面區分服務比集成服務更加靈活，所以在鐵路數據專網中，建議采用區分服務保障服務質量。

5.1 分類和標記

首先，考慮到目前國內鐵路專網承載的業務非常少，建議在各區域接入層設備采用五級QoS保障，并采用DSCP PHB的標記方式。具體分配建議如表1所示。

表1 各業務的QoS分配

其次，為達到核心設備高速轉發性能，在骨干網的邊界設備對各區域流量進行重標記，將區域網絡的五級QoS映射為三級QoS保障，如圖3所示。

5.2 隊列和調度機制

基于表1中的QoS策略，要求各個業務接入端口均提供硬件隊列。LLQ一般用于針對IP電話等VoIP業務，所以不推薦采用LLQ。在鐵路專網中，建議采用CBWFQ實施擁塞管理。會議電視業務對于丟包、延時和抖動非常敏感，因此放入嚴格優先隊列，擁塞時，在保障規定范圍的流量能正常傳輸的情況下，對于超出的流量采取降級傳輸策略，以保證不丟包。視頻監控及其他業務數據流量加入到加權公平的輪詢隊列，隊列之間通過優先級的不同，調度的權重有所不同，帶寬保證程度不同。普通業務的權重最低，采用盡力轉發方式，不保證帶寬。

出入網帶寬保障原則如圖4所示，隨著各級流量的不斷增加，超額部分流量逐步降級處理，當流量達到總額定帶寬時，BE隊列開始丟包。

5.3 擁塞避免

在各層網絡設備中，對各優先級數據流采用WRED實施擁塞避免。隊列內部在擁塞情況下通過WRED算法來丟包避免擁塞，優先級低的丟包門限低，先行丟包。

6 結語

就目前的業務承載狀況，以及考慮到未來可能會承載VoIP等業務需求，在鐵路數據專網綜合應用上述QoS保證策略，能有效保證系統服務質量，達到語音清晰、圖像質量良好、音視頻一致，從而達到為實施業務、關鍵業務、交互業務提供整體QoS保障的目的。

[1] R.Braden，L.Zhang.RFC2205 Resource ReSerVation Protocol（RSVP）--Version 1 Functional Specification[S].

[2] S.Black，D.Black，Z.Wang.RFC2475 An Architecture for Differentiated Service[S].

[3] J.Heinanen，F.Baker.RFC2597 Assured Forwarding PHB Group[S].

[4]維格斯納.IP服務質量[M].信達工作室，譯.北京：人民郵電出版社，2001.

[5]運基通信[2008]630 鐵路綜合視頻監控系統技術規范（試行）[S].