轨道交通VoIP网络的服务质量设计策略

赵晓蓉

(中国铁路通信信号集团公司上海电信测试中心,200436,上海∥高级工程师)

轨道交通VoIP(基于IP技术的语音通信)网络,是为轨道交通运营管理提供信息沟通的通信平台,是一个高性能、高带宽、多链路的IP网络,是对现有电路交换网络的一项重大革新。VoIP网络同时承载其他各种应用,而这些应用对轨道交通的关键性各不相同,应用本身的特点对网络所提供的服务要求也各不相同。尽管轨道交通骨干网的不断完善提高了整个网络的性能和带宽,但更多的带宽并不能保证网络不发生拥塞,因为网络上的各种新的应用对带宽的占用越来越多,只靠增加带宽不能保证各个服务的级别。另外,语音、视频和关键任务型数据都对网络基础设施提出了严格的服务要求,需要在网络传输过程中保证带宽、低延迟、低抖动和低的数据包丢失。如果语音、交互视频和关键任务型数据没有从网络设备获得高优先级服务,这些重要应用的质量将会迅速地降低到无法正常使用的程度。而其他一些应用,如OA(办公自动化)、Internet访问则可能占用较大的带宽,但能容忍一定的延迟和抖动。因此,轨道交通VoIP网络需要强大的“端到端”的IP QoS(服务质量)解决方案来有效地、可预见地传递具有不同服务质量要求的数据。针对轨道交通VoIP通信网的网络结构和应用,需要从网络边缘、网络核心等方面来设计QoS的策略。

1 VoIP网络QoS设计原则

设计 VoIP网络QoS时,有一个需要遵循的“75%原则”。即所有需要保证的带宽的总和不能超过总带宽的75%。因为25%的总带宽必须留给网络控制信息、Keep alive信息、路由协议、网络管理信息(SNMP(简单网络管理协议)、LMI(本地管理接口))。这些信息的带宽是不能被抢占的。

完整的QoS保证应该是“端到端”实现的,同时,一个设计良好、效率高、能真正发挥作用的QoS体系应该是层次化的。即QoS机制的实现应合理地分配到网络的不同层次。从网络的高效性来看,对数据包的分类、标记、整形等策略化操作应放在网络边缘。这些操作往往需要对数据包进行深入分析,可能要分析到数据包的上层协议,也可能会用到访问控制列表。而网络核心的作用是高速转发数据包,由大量的高速连接和数据流组成。核心节点不应监视所有的数据流,它只需要简单地执行,否则将消耗大量资源,影响交换效率。这和设计QoS的初衷相反。所以,最好的结构是在网络的入口边界对流量进行分类,如将数据包的分类、标记、整形/策略等操作放在网络接入边缘,而在连接广域网的核心骨干路由器上只执行拥塞管理和拥塞避免,以保证网络的高效。

2 保证VoIP网络QoS的方式

为了实现IP网络上真正的端到端QoS,IETF(互联网工程任务组)定义了综合服务(IntServ)和差别服务(Diff Serv)两种模式。IntServ采用信令QoS模式,终端主机系统通过信令传送它们的QoS需求到网络上。DiffServ的工作模式则是预先定义好的QoS模式,网络设备预先设置好为各种流量提供多级服务,满足不同的QoS需求。

2.1 综合服务

IntServ模式依赖于资源预留协议(RSVP)来传送QoS信令和预留每一个流所需的资源。每个流都是两个应用系统之间独立的、单向的数据流,由源IP地址、源端口、目的IP地址、目的端口和传输协议等5个因素唯一标示。通过 RSVP能够请求两种类型的服务:一种是非常严格的确保带宽,提供端到端的稳定延迟和保证的预留带宽;另一种是比尽量服务好的控制负载服务,在网络轻度到中度负载的情况下提供低延迟服务。所以,从理论上讲,每个流都能得到需要的服务质量。

IntServ在实际中存在以下问题:

·在数据包所经过的路径上,每个设备包括端系统(如服务器和PC),都需要完全支持RSVP,具有QoS信令的能力。

·沿途的每个设备上资源的预留是“软”的,即需要定期刷新,这增加了网络的流量;如果刷新的数据包丢失,资源的预留就会超时。尽管采取一些措施可减轻这个问题,但同时也增加了RSVP的复杂性。

目前各城市的轨道交通都是至少3条线以上的线网结构。为适应其网络化的运营要求,VoIP网络的应用种类繁多,数据量大,采用InteServ这样基于流的模式实现端到端QoS比较困难(除非增加很大的复杂度和成本),并且存在扩展性的问题。

2.2 差别服务

Diff Serv将流量分类到不同级别,也叫作服务级别(Class of Service,简为CoS),然后对这些级别施以不同的QoS参数。IETF定义了IPv4包头的ToS(type of service)字段来表示数据包的优先级。一旦数据包被标记上适当的优先级(IP-precedence或DSCP(差别服务代码点)),任意一个网络节点就都知道其对应的优先级别而给予相应的转发优先权。这样就可以将数据流进行归类,然后给予适当的QoS服务。例如:所有的VoIP流可以归为一类,然后为这类数据包分配一定的带宽和优先级(而不是为每个单独的数据流进行资源的分配和预留),从而使每个网络节点上所需要的信令和状态维护极大地减少。

在轨道交通VoIP网络的环境中,QoS策略必须满足关键业务应用能得到必需的资源,利用差别服务模式,一个设计适当的网络能够提供确保的带宽、低延迟、低延迟抖动和低的包丢失,同时保证其他级别也能得到相应的服务。因此,建议在轨道交通的VoIP网络上采用DiffServ的QoS模式。

2.2.1 DiffServ的组成

DiffServ的QoS模式提供了应用级的服务质量和流量管理,包括控制带宽、延迟、延迟抖动和包丢失的机制。同时RFC-2475定义了差别服务的两个主要组成部分:数据包的分类标记和每一跳动作PHBs(Per Hop Behaviors)。

2.2.2 数据包的分类和标识

当数据包进入DiffServ域(支持差别服务的路由器的组合)时被区分到不同类别,用IP包头里的ToS字节来标示。IPv4 ToS字节或者IPv6的Traffic Class字节,被用来标示数据包在每个节点的每一跳的转发特性。对这标识的统一的理解,保证了多厂的互操作,使数据包能得到一致的转发服务。

IETF定义的ToS字段划分为6 bit的DSCP字段和2 bit的未使用部分。使用6 bit来标志数据包的分类,称为DSCP。DSCP可以支持64种(26)不同的级别,如图1所示。

图1 ToS字节中差别服务编码区域

数据包可根据IP源/目的地址、第四层协议/端口号、进入的端口、MAC地址、IP优先级(IP precedence)、DSCP值、第二层信息(如帧中继的DE比特,以太网的802.1p比特位)分类。这些数据包按上述规则进行分类后,就能被进行相应的处理。

2.2.3 转发处理(每一跳动作PHBs)

一旦数据包在网络的边缘被分类和标记后,其特定的转发处理动作,称为PHB(Per-Hop Behavior),就在每个网络设备上实施,向数据包提供适当的延迟范围、延迟抖动范围和带宽等QoS参数。DSCP对应于网络管理员所定义的PHB,这种包标识与明确定义的PHBs的结合,为任何数据包的应用提供了具有非常好的扩展性的QoS解决方案。因而,对于差别服务,不需要QoS的信令,也不需要网络设备保持所有流的状态信息,只需要保持数据包的类别和各自的PHBs,网络设备所需保持的信息的数量大为减小。

有以下4种标准的PHBs用于构建差别服务网络,达到端到端CoS(服务级别)和QoS。

2.2.3.1 缺省PHB(RFC-2474)

缺省PHB定义了具有‘000000'DSCP值的数据包将获得传统的尽量服务,或者数据包的DSCP值不能映射到其他任何一种PHB也获得传统的尽量服务。

2.2.3.2 分类选择PHBs(RFC-2474)

为了和 IP precedence兼容,DSCP值为‘xxx000'(xxx为 0或 1)的称为 Class-Selector Codepoint。缺省DSCP值‘000000'也属于其中一种。和Class-Selector Codepoint相关联的PHB称为Class-selector PHBs。这些PHBs保留了和基于IP-Precedence的分类、转发的节点一样的转发动作。在轨道交通 VoIP网络,根据需要既可以用DSCP,也可以用IP-Precedence,来对数据包进行分类和标识。

2.2.3.3 特快转发EF PHB(RFC-2598)

在Diff Serv模式中,EF PHB是提供低包丢失率、低延迟、低延迟抖动和确保带宽服务的关键,用于关键业务、语音和视频等。EF能通过优先队列(如LLQ(低延迟排队)或MDRR(拥塞控制))来实现,同时也限定一定的带宽。EF PHB在差别服务网络中提供了绝对优先的服务,但只能用于最关键的应用。因为当拥塞存在时,EF PHB不可能处理所有的高优先级流量,即当优先级的流量太多时,实际上也保证不了优先级。

对应网络的语音应用,可将其分类到EF级别。

2.2.3.4 有保障的转发AFxy PHB(RFC-2597)

AFPHBs定义了不同的转发保证。例如:流量被分为金、银、铜等级别,金牌服务可以占用50%的可用带宽,银牌服务占用30%,铜牌服务占用20%。AF PHB在DiffServ中使用得最多。

AFxy PHB有AF1、AF2、AF3和 AF4等4种AFx级别。每个级别都被分配一定的缓冲空间和端口带宽。在每个AFx级别里,又可以定义3个不同的包丢弃优先级。丢弃优先级的概念很有用,VoIP网络中其他的应用类别可以采用这种转发方式。例如:为应用业务、视频和Internet访问分配不同的转发优先级,而对于具有相同优先级的详细应用个体,又可以分配不同的包丢弃优先级。

3 网络差别服务应用策略

根据轨道交通VoIP网络中的应用模式和需求,同时按照DiffServ的结构,可在网络入口点分类和标识数据包,核心网络只简单地执行网络管理员所定义的每一跳行为(PHB),以响应DSCP所包含的QoS级别的信息,实现DiffServ策略。

3.1 网络边缘数据包分类和标记策略

按照Diff Serv的模式,建议数据包的分类和标记等策略性工作放在网络的边缘接入(Ingress)部分。为了实现Diff Serv模式的IP QoS,可以定义class map来对数据包进行分类,然后用这些定义好的class map来创建policy map,最后把这些policy应用到需要的端口/子端口上(可以是入的方向,也可以是出的方向)。

可通过TCP、UDP的端口号和源/目的地址对包进行分类,然后在局域网输入端口采用DSCP技术对包进行分类,给不同业务设置不同的DSCP值。建议在骨干网的Ingress路由器(也可以是Layer3交换机)的入端口(即局域网口)上,对数据包进行分类。

3.2 网络核心PHB策略

进入网络核心,PHB就执行数据包的DSCP值。根据轨道交通VoIP网络中的不同应用,采用4种不同的PHB进行灵活配置。例如:对延迟敏感的流量如VoIP、实时业务等,需要在整个传输路径上给予严格的优先级别,可以采用EF类PHB。对于网络上的增值业务、视频和Internet访问等应用,可采用 AF类 PHB,利用加权随机早期侦测(WRED),在网络发生拥塞时实现基于包丢弃优先级的包丢弃。

3.3 流量策略/整形策略

除了在核心网络上采用PHB来进行拥塞的避免和管理,对某些应用,可在数据包进入网络时就对流量进行策略处理。例如:对有突发特性的OA和Internet访问,可限制其带宽。

4 结语

VoIP网络是轨道交通内部通信发展的趋势。要替代传统的时分复用(TDM)程控交换系统,VoIP网络必然要在系统的稳定性和可靠性上进行策略研究和合理的规划设计,并在实践中不断完善。

[1]赵强.基于软交换的NGN技术与应用开发实例[M].北京:人民邮电出版社,2009.

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