IP QoS在铁路通信数据专网中的应用

刘 娜

（北京国铁华晨通信信息技术有限公司，北京 100070）

1 概述

随着铁路客运专线的发展，IP网络逐渐向多业务网络发展，业务种类不断增加。由于IP网是基于分组交换的，那么对于关键性、交互性、实时通信的业务，如何确保音、视频通信带宽，避免非关键性业务挤占关键业务，保障实时交互型业务的传送质量，将是铁路专网中IP数据通信的关键问题。

2 网络传输质量的主要技术参数

常用网络传输质量的技术参数主要有以下3个指标。

（1）丢包率：是指在网络中传输数据包时丢掉的数据包的最高比率。

（2）延时：通常指固化网络延时，可分为分组延时、序列延时和传输延时。

（3）延时变化（或抖动）：也称为分组间延时，是连续两个数据包之间的端到端延时的差值。

3 QoS服务模型及其工具

IETF提供了两种在IP网络中实施QoS的方法：集成服务（IntServ）和区分服务（DiffServ）。

3.1 集成服务

（1）资源预留

资源预留协议（RSVP）技术对于在Internet有限的带宽上传送实时视频是一种重要保障方式，要求通信双方在建立传输信息之前预留足够的带宽，从而使服务质量得到较好保证。

（2）呼叫接入控制（CAC）

大部分QoS工具都是用于保护语音流量免受数据流量的影响，而呼叫接入控制用于保护语音流量免受其他语音流量的影响，也保护交互式视频不受其他交互式视频的影响。

3.2 区分服务

区分服务是针对每个数据包提供不同的网络服务级别。

区分服务QoS主要包含分类和标记、策略和整形、拥塞避免（选择丢弃）、拥塞管理（队列）工具。

各工具关系如图1所示。

（1）分类和标记

QoS策略的第一部分就是识别并分类需要区别对待的流量。

在铁路数据专网中，可以做二层或三层的标记。具体如下。

802.1Q/p CoS——设置802.1p用户优先位，在二层标记以太网帧，仅8个CoS（0-7）可用于以太网帧标记。

IP服务类型ToS字节——IPv4包的第二字节是ToS字节。ToS字节的前三位是IPP位。前三位结合后面三位构成DSCP位。

DSCP PHB标记——有4个主要类别：尽力而为（BE或DSCP 0），RFC2474（CS1-CS7，同等于IPP值的1-7），RFC 2597确保转发（AFxy），RFC3268/5246 快速转发（EF）。

IP显式拥塞通告（ECN）——利用IP ToS字节中最后两位。用于向TCP发送方指出在传输中是否发生了拥塞。如果发生拥塞，TCP发送方可以调整TCP窗口使其不发送超出网络服务能力范围的流量。

（2）策略和整形

策略定义了3种级别：符合、溢出和违反。

策略针对“溢出流量”和“违反流量”做降级或丢弃。

整形则延迟发送“溢出”和“违反”流量，使得在符合服务水平协议（SLA）的情况下，平滑流量中的突发部分变得平滑。

（3）拥塞管理

拥塞管理包括队列和调度。

目前常用低延迟队列（LLQ）和基于类型的加权公平队列（CBWFQ）。

图2显示了LLQ和CBWFQ算法的二层和三层队列子系统。

（4）拥塞避免

拥塞避免是一种流控机制，可以通过监视网络资源（如队列或内存缓冲区）的使用情况，在拥塞有加剧趋势时，主动丢弃报文，通过调整网络的流量来解除网络过载。

4 铁路专网业务需求分析

铁路通信数据专网目前所承载的业务种类主要有交互式视频（会议电视）、视频流（视频监控）和数据流量（办公自动化系统、动力环境监控系统和旅客信息服务系统等）。考虑未来可能会承载VoIP流量，这里也做讨论。

4.1 VoIP的需求

语音是对延时和丢包率非常敏感的流量，所以VoIP对数据网的需求如下。

*丢包率不大于1％；

*单向延时不大于150 ms；

*平均单向抖动小于30 ms；

*每个呼叫要求21～320 kbits/s的保障优先带宽。

4.2 会议电视系统的需求

*丢包率不大于1％；

*单向延时不大于150 ms；

*抖动不大于30 ms；

*超出交互式视频队列的20％调节到突发部分。

4.3 视频监控系统的需求

*丢包率不大于1‰；

*延时不大于500 ms；

*抖动不大于100 ms；

*保证带宽CBWFQ的要求取决于编码格式和视频流的速度。

4.4 数据流量的需求

针对交互式数据流量，要做满足业务需求的带宽。

5 铁路数据专网QoS设计

由于在通道利用方面区分服务比集成服务更加灵活，所以在铁路数据专网中，建议采用区分服务保障服务质量。

5.1 分类和标记

首先，考虑到目前国内铁路专网承载的业务非常少，建议在各区域接入层设备采用五级QoS保障，并采用DSCP PHB的标记方式。具体分配建议如表1所示。

表1 各业务的QoS分配

其次，为达到核心设备高速转发性能，在骨干网的边界设备对各区域流量进行重标记，将区域网络的五级QoS映射为三级QoS保障，如图3所示。

5.2 队列和调度机制

基于表1中的QoS策略，要求各个业务接入端口均提供硬件队列。LLQ一般用于针对IP电话等VoIP业务，所以不推荐采用LLQ。在铁路专网中，建议采用CBWFQ实施拥塞管理。会议电视业务对于丢包、延时和抖动非常敏感，因此放入严格优先队列，拥塞时，在保障规定范围的流量能正常传输的情况下，对于超出的流量采取降级传输策略，以保证不丢包。视频监控及其他业务数据流量加入到加权公平的轮询队列，队列之间通过优先级的不同，调度的权重有所不同，带宽保证程度不同。普通业务的权重最低，采用尽力转发方式，不保证带宽。

出入网带宽保障原则如图4所示，随着各级流量的不断增加，超额部分流量逐步降级处理，当流量达到总额定带宽时，BE队列开始丢包。

5.3 拥塞避免

在各层网络设备中，对各优先级数据流采用WRED实施拥塞避免。队列内部在拥塞情况下通过WRED算法来丢包避免拥塞，优先级低的丢包门限低，先行丢包。

6 结语

就目前的业务承载状况，以及考虑到未来可能会承载VoIP等业务需求，在铁路数据专网综合应用上述QoS保证策略，能有效保证系统服务质量，达到语音清晰、图像质量良好、音视频一致，从而达到为实施业务、关键业务、交互业务提供整体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]维格斯纳.IP服务质量[M].信达工作室，译.北京：人民邮电出版社，2001.

[5]运基通信[2008]630 铁路综合视频监控系统技术规范（试行）[S].