軌道交通VoIP網絡的服務質量設計策略

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網絡,是對現有電路交換網絡的一項重大革新。VoIP網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絡所提供的服務要求也各不相同。盡管軌道交通骨干網的不斷完善提高了整個網絡的性能和帶寬,但更多的帶寬并不能保證網絡不發生擁塞,因為網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據都對網絡基礎設施提出了嚴格的服務要求,需要在網絡傳輸過程中保證帶寬、低延遲、低抖動和低的數據包丟失。如果語音、交互視頻和關鍵任務型數據沒有從網絡設備獲得高優先級服務,這些重要應用的質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網絡需要強大的“端到端”的IP QoS(服務質量)解決方案來有效地、可預見地傳遞具有不同服務質量要求的數據。針對軌道交通VoIP通信網的網絡結構和應用,需要從網絡邊緣、網絡核心等方面來設計QoS的策略。

1 VoIP網絡QoS設計原則

設計 VoIP網絡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絡控制信息、Keep alive信息、路由協議、網絡管理信息(SNMP(簡單網絡管理協議)、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”實現的,同時,一個設計良好、效率高、能真正發揮作用的QoS體系應該是層次化的。即QoS機制的實現應合理地分配到網絡的不同層次。從網絡的高效性來看,對數據包的分類、標記、整形等策略化操作應放在網絡邊緣。這些操作往往需要對數據包進行深入分析,可能要分析到數據包的上層協議,也可能會用到訪問控制列表。而網絡核心的作用是高速轉發數據包,由大量的高速連接和數據流組成。核心節點不應監視所有的數據流,它只需要簡單地執行,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,最好的結構是在網絡的入口邊界對流量進行分類,如將數據包的分類、標記、整形/策略等操作放在網絡接入邊緣,而在連接廣域網的核心骨干路由器上只執行擁塞管理和擁塞避免,以保證網絡的高效。

2 保證VoIP網絡QoS的方式

為了實現IP網絡上真正的端到端QoS,IETF(互聯網工程任務組)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,終端主機系統通過信令傳送它們的QoS需求到網絡上。DiffServ的工作模式則是預先定義好的QoS模式,網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之間獨立的、單向的數據流,由源IP地址、源端口、目的IP地址、目的端口和傳輸協議等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量。

IntServ在實際中存在以下問題:

·在數據包所經過的路徑上,每個設備包括端系統(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,這增加了網絡的流量;如果刷新的數據包丟失,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條線以上的線網結構。為適應其網絡化的運營要求,VoIP網絡的應用種類繁多,數據量大,采用InteServ這樣基于流的模式實現端到端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。IETF定義了IPv4包頭的ToS(type of service)字段來表示數據包的優先級。一旦數據包被標記上適當的優先級(IP-precedence或DSCP(差別服務代碼點)),任意一個網絡節點就都知道其對應的優先級別而給予相應的轉發優先權。這樣就可以將數據流進行歸類,然后給予適當的QoS服務。例如:所有的VoIP流可以歸為一類,然后為這類數據包分配一定的帶寬和優先級(而不是為每個單獨的數據流進行資源的分配和預留),從而使每個網絡節點上所需要的信令和狀態維護極大地減少。

在軌道交通VoIP網絡的環境中,QoS策略必須滿足關鍵業務應用能得到必需的資源,利用差別服務模式,一個設計適當的網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:數據包的分類標記和每一跳動作PHBs(Per Hop Behaviors)。

2.2.2 數據包的分類和標識

當數據包進入DiffServ域(支持差別服務的路由器的組合)時被區分到不同類別,用IP包頭里的ToS字節來標示。IPv4 ToS字節或者IPv6的Traffic Class字節,被用來標示數據包在每個節點的每一跳的轉發特性。對這標識的統一的理解,保證了多廠的互操作,使數據包能得到一致的轉發服務。

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來標志數據包的分類,稱為DSCP。DSCP可以支持64種(26)不同的級別,如圖1所示。

圖1 ToS字節中差別服務編碼區域

數據包可根據IP源/目的地址、第四層協議/端口號、進入的端口、MAC地址、IP優先級(IP precedence)、DSCP值、第二層信息(如幀中繼的DE比特,以太網的802.1p比特位)分類。這些數據包按上述規則進行分類后,就能被進行相應的處理。

2.2.3 轉發處理(每一跳動作PHBs)

一旦數據包在網絡的邊緣被分類和標記后,其特定的轉發處理動作,稱為PHB(Per-Hop Behavior),就在每個網絡設備上實施,向數據包提供適當的延遲范圍、延遲抖動范圍和帶寬等QoS參數。DSCP對應于網絡管理員所定義的PHB,這種包標識與明確定義的PHBs的結合,為任何數據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,也不需要網絡設備保持所有流的狀態信息,只需要保持數據包的類別和各自的PHBs,網絡設備所需保持的信息的數量大為減小。

有以下4種標準的PHBs用于構建差別服務網絡,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值的數據包將獲得傳統的盡量服務,或者數據包的DSCP值不能映射到其他任何一種PHB也獲得傳統的盡量服務。

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相關聯的PHB稱為Class-selector PHBs。這些PHBs保留了和基于IP-Precedence的分類、轉發的節點一樣的轉發動作。在軌道交通 VoIP網絡,根據需要既可以用DSCP,也可以用IP-Precedence,來對數據包進行分類和標識。

2.2.3.3 特快轉發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,用于關鍵業務、語音和視頻等。EF能通過優先隊列(如LLQ(低延遲排隊)或MDRR(擁塞控制))來實現,同時也限定一定的帶寬。EF PHB在差別服務網絡中提供了絕對優先的服務,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先級流量,即當優先級的流量太多時,實際上也保證不了優先級。

對應網絡的語音應用,可將其分類到EF級別。

2.2.3.4 有保障的轉發AFxy PHB(RFC-2597)

AFPHBs定義了不同的轉發保證。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個不同的包丟棄優先級。丟棄優先級的概念很有用,VoIP網絡中其他的應用類別可以采用這種轉發方式。例如:為應用業務、視頻和Internet訪問分配不同的轉發優先級,而對于具有相同優先級的詳細應用個體,又可以分配不同的包丟棄優先級。

3 網絡差別服務應用策略

根據軌道交通VoIP網絡中的應用模式和需求,同時按照DiffServ的結構,可在網絡入口點分類和標識數據包,核心網絡只簡單地執行網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DiffServ策略。

3.1 網絡邊緣數據包分類和標記策略

按照Diff Serv的模式,建議數據包的分類和標記等策略性工作放在網絡的邊緣接入(Ingress)部分。為了實現Diff Serv模式的IP QoS,可以定義class map來對數據包進行分類,然后用這些定義好的class map來創建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,然后在局域網輸入端口采用DSCP技術對包進行分類,給不同業務設置不同的DSCP值。建議在骨干網的Ingress路由器(也可以是Layer3交換機)的入端口(即局域網口)上,對數據包進行分類。

3.2 網絡核心PHB策略

進入網絡核心,PHB就執行數據包的DSCP值。根據軌道交通VoIP網絡中的不同應用,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、實時業務等,需要在整個傳輸路徑上給予嚴格的優先級別,可以采用EF類PHB。對于網絡上的增值業務、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),在網絡發生擁塞時實現基于包丟棄優先級的包丟棄。

3.3 流量策略/整形策略

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

4 結語

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

[1]趙強.基于軟交換的NGN技術與應用開發實例[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[2]穆維新.現代通信工程設計[M].北京:人民郵電出版社,2007.

[3]桂海源.IP電話技術與軟交換[M].北京:北京郵電大學出版社,2004.