淺析VoIP在基于MPLS集成模型中QoS技術(shù)
2009/09/03
1 引言
VoIP(Voice over IP)是指利用IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行語音通信的技術(shù)。由于IP技術(shù)是一種面向無連接的技術(shù)，IP網(wǎng)絡(luò)的初衷只是提供一種稱之為“盡力而為”(Best Effort)的服務(wù)，這對于只要求準(zhǔn)確率而對時延沒有嚴(yán)格要求的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來說是合適的，而對于話音、視頻等實時通信業(yè)務(wù)，它們的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)是難以保障的。VoIP的服務(wù)主要歸結(jié)為承載網(wǎng)絡(luò)問題，而目前的網(wǎng)絡(luò)帶寬限制是造成時延過大、擁塞的主要原因。另外，在一個網(wǎng)絡(luò)中同時提供語音和數(shù)據(jù)應(yīng)用，就必須特別考慮語音應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量。
為保證IP網(wǎng)絡(luò)上的QoS，IETF首先提出用RSVP發(fā)送信號協(xié)議的綜合業(yè)務(wù)模型(Intserv)[1]，在發(fā)送數(shù)據(jù)前對接收端建立路徑和預(yù)留資源，通過接納控制、策略控制、分類調(diào)度控制等機(jī)制實現(xiàn)端到端的QoS。由于要在每個節(jié)點上為每一個流進(jìn)行資源預(yù)留，并且要建立和拆除路徑，這就要求每個節(jié)點都要支持RSVP，都要維護(hù)路由和資源的“軟狀態(tài)”信息，這樣它的可擴(kuò)展性及魯棒性差，在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)上特別對大型廣域網(wǎng)實現(xiàn)起來比較困難。這就促使LETF去發(fā)展區(qū)分業(yè)務(wù)模型(Diffserv)[2]，它是在網(wǎng)絡(luò)邊緣將業(yè)務(wù)流解成很小數(shù)據(jù)量的聚集流(類)，由IP分組頭標(biāo)的DSCP (Diffserv Code Point，區(qū)分業(yè)務(wù)碼)來標(biāo)識，在網(wǎng)絡(luò)邊緣結(jié)點實施分類、標(biāo)記、管理等功能，在網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點僅僅根據(jù)DSCP相關(guān)的PHB(per-hop-behavior)轉(zhuǎn)發(fā)分組，這簡化了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點的結(jié)構(gòu)，這比綜合服務(wù)可擴(kuò)展性要大的多。但Diffserv仍采用了逐跳路由的分組轉(zhuǎn)發(fā)方式，對端到端的QoS支持顯得不足。
對VoIP來說，Internet必須具有提供QoS保證以及資源最優(yōu)化使用這兩個最基本的屬性。最優(yōu)化使用資源是避免流量阻塞和服務(wù)退化的必要的一步，這項工作由流量工程來完成。多協(xié)議標(biāo)簽交換(Multi-Protocol Label Switching, MPLS)對IP網(wǎng)絡(luò)來說已經(jīng)被廣泛的認(rèn)為是一個重要的流量控制工具。這種重要性歸結(jié)為兩個主要的特征：首先，在傳輸數(shù)據(jù)包過程中短小而又固定長度的標(biāo)簽的使用，使其表述性能得到增強(qiáng);其次，創(chuàng)建電路的能力(label switch path, LSP)在網(wǎng)絡(luò)中無需連結(jié)[3]。這些MPLS特征無論在Intserv還是在Diffserv中都能夠提供。
由此我們可以看出，Intserv/RSVP，Diffserv，以及MPLS在追求端到端的QoS中是互補(bǔ)的技術(shù)。因此，為保證VoIP的QoS，采用這樣一種集成模型，在邊緣網(wǎng)絡(luò)里采用Intserv，在核心網(wǎng)里采用Diffserv Over MPLS。本文就是討論在這種集成模型上傳輸VoIP業(yè)務(wù)的QoS技術(shù)。
2 MPLS
2.1 MPLS簡介
MPLS是一種多協(xié)議標(biāo)簽轉(zhuǎn)換技術(shù)，它兼有第二層交換的分組轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)和第三層路由選擇技術(shù)的優(yōu)點，旨在解決當(dāng)前聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中使用的分組轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)所存在的許多問題。MPLS實質(zhì)是當(dāng)IP包進(jìn)入MPLS網(wǎng)絡(luò)時被分配一個短小、長度固定、具有本地意義、能區(qū)別于其他信息流的標(biāo)簽作為MPLS頭來封裝這個IP包，在MPLS網(wǎng)絡(luò)所有轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制都是依據(jù)這個標(biāo)簽，該標(biāo)簽告訴分組路徑上的交換節(jié)點如何處理和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，在離開MPLS網(wǎng)絡(luò)時解封裝MPLS頭。MPLS頭包括一個二十比特的標(biāo)簽，一個三比特的擴(kuò)展域(最初被定義為擴(kuò)展，現(xiàn)在使用為COS-服務(wù)類型域)，一個比特的標(biāo)簽棧指示，還有一個比特的TTL(time-to-live)域。
MPLS有幾個核心技術(shù)和組件：流量工程、基于約束路由、標(biāo)簽交換路由器(Label Switch Router, LSR)、標(biāo)簽、標(biāo)簽交換和標(biāo)簽分發(fā)等，其中LSR是指實現(xiàn)標(biāo)簽分發(fā)并能夠根據(jù)標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)分組的交換機(jī)或路由器。在一個MPLS網(wǎng)絡(luò)中，交換路徑可以是點到點、多到一、一到多和多到多等路徑。
2.2 MPLS上的LSP和流量工程
所有的分組都是通過入口LSR進(jìn)入MPLS網(wǎng)絡(luò)，并通過出口LSR離開MPLS網(wǎng)絡(luò)的這種機(jī)制創(chuàng)建了LSP，它指的是對于特定的FEC，帶標(biāo)簽的分組到達(dá)出口LSR之前，必須經(jīng)過的一組LSR的標(biāo)簽序列。這種LSP是單向的，即返回特定FEC中的數(shù)據(jù)流時，將使用不同的LSP。
LSP的建立可以是控制驅(qū)動(也就是由控制流量觸發(fā))，也可以是數(shù)據(jù)驅(qū)動(也就是特殊流的出現(xiàn)而觸發(fā))。IP包和LSP之間的映射必須在LSR的入口通過為一個標(biāo)簽指定一個FEC發(fā)生。LSR的入口使用一個FEC到NHLFE(Next Hop Label Forwarding Entry)的映射，在轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包沒有標(biāo)簽以及在轉(zhuǎn)發(fā)前將被標(biāo)記時使用。
為了建立LSP，LSR使用信令信息來協(xié)調(diào)和分發(fā)標(biāo)簽。這些信令信息既可以用一種叫做LDP(Label Distribution Protocol)的新協(xié)議來承載，也可以用擴(kuò)展的RSVP[4]去承載。在建立LSP以及支持流量工程的約束路由上兩種協(xié)議可以提供相類似的功能。在MPLS網(wǎng)絡(luò)中傳輸VoIP流時，一般采用擴(kuò)展的RSVP去分發(fā)標(biāo)簽綁定信息。
流量工程能夠從路由協(xié)議計算出的最短路中移動數(shù)據(jù)流，從而安排數(shù)據(jù)流通過網(wǎng)絡(luò)，避開因不均勻的使用網(wǎng)絡(luò)造成的阻塞。因此，在IP網(wǎng)絡(luò)上能夠執(zhí)行流量工程有著很多的好處，主要體現(xiàn)在兩個方面：基于流量的和基于資源的。前者屬于優(yōu)化關(guān)鍵的流量執(zhí)行特征，如延時，包丟失以及吞吐效率;后者指的是使用最有效的方式使用可用的網(wǎng)絡(luò)資源去避免阻塞和低利用率。使用流量工程技術(shù)的直接好處是在轉(zhuǎn)發(fā)流量時能避開阻塞點，萬一失敗時能快速地重新選擇路由，能有效使用可利用的帶寬以及QoS。
3 基于MPLS的集成模型
整個集成模型結(jié)構(gòu)由邊緣網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。對MPLS來說，它實際上是一個提供VPN的承載網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多節(jié)點QoS需求的無縫連結(jié)。邊緣網(wǎng)絡(luò)是一個Intserv域，支持綜合服務(wù)，RSVP可為業(yè)務(wù)流提供較好的QoS管理粒度和資源預(yù)留，并且能夠穿過核心網(wǎng)絡(luò)區(qū)域。邊緣網(wǎng)絡(luò)通過核心網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)端到端的QoS服務(wù)，核心網(wǎng)絡(luò)是在MPLS之上的Diffserv域，由于MPLS與Diffserv對分組的處理及QoS支持比較相似，二者集成既可保留MPLS的便于流量管理、快速轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)點，也可對Diffserv域的資源提供聚合傳輸控制，具有良好的擴(kuò)展性。下面結(jié)合主機(jī)A、B實現(xiàn)定量的QoS通信為例，主要介紹幾個部件的相關(guān)工作。
3.1 ER
ER是純粹的Intserv路由器，在發(fā)送與接收間處理正常的RSVP信令信息，并預(yù)定的策略控制資源有效性。主機(jī)A產(chǎn)生RSVP PATH信令，該信令詳細(xì)講述了應(yīng)用進(jìn)程要求的QoS，并激活本地流量控制。經(jīng)過正常的RSVP操作后，信令到達(dá)Intserv域邊緣路由器ER。
3.2 BR/LER
BR/LER既是Diffserv域邊界路由器，同時也是MPLS域中的標(biāo)簽邊界路由器LER，結(jié)構(gòu)和功能相對復(fù)雜。RSVP信令進(jìn)入核心網(wǎng)絡(luò)時，首先經(jīng)過Diffserv域，在Diffserv域不識別RSVP的情況下，BR/LER作為純粹的Diffserv邊界路由器BR，將轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)要求相同的一類微流聚合，組成一類以DSCP標(biāo)識的行為聚合(behavior aggregate，BA)，并映射到MPLS LSP上進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，同時對流聚集進(jìn)行監(jiān)測、調(diào)度。在Diffserv域識別RSVP的情況下， LER實施接納控制，建立LSP，另外對進(jìn)入的分組還負(fù)責(zé)分類、申請(或者除去)MPLS標(biāo)簽，而BR則參加RSVP的信令過程并作為Diffserv域的接納控制代理[5]。
入站分組通過BR/LER的分類器后，首先執(zhí)行第三層的查找，若是沒有標(biāo)記的分組，將被標(biāo)記并作為帶標(biāo)簽的分組發(fā)送給核心網(wǎng)絡(luò)的其他MPLS節(jié)點;若是帶標(biāo)簽的分組，可以作為帶標(biāo)簽的分組被轉(zhuǎn)發(fā)給其他的MPLS節(jié)點，而對于目的地為非MPLS節(jié)點的，刪除標(biāo)簽并執(zhí)行第3層查找，由IP轉(zhuǎn)發(fā)表發(fā)送出去;其余的作為純粹的IP分組被轉(zhuǎn)發(fā)給非MPLS節(jié)點。
3.3 CR/LSR
核心網(wǎng)絡(luò)中內(nèi)部的路由器CR，即MPLS域中的LSR，主要完成MPLS分組的標(biāo)記交換和轉(zhuǎn)發(fā)。CR/LSR結(jié)構(gòu)比BR/LER要簡單得多。當(dāng)LSR收到一個標(biāo)記過的數(shù)據(jù)包后，它就把這個標(biāo)簽在包含NHLFE的ILM(Incoming Label Map)表里當(dāng)成索引。進(jìn)入的標(biāo)簽被新出去的標(biāo)簽取代，包被轉(zhuǎn)發(fā)到下一跳，最后，當(dāng)MPLS包離開網(wǎng)絡(luò)時LSR的出口解封裝MPLS頭。LSR還承載Diffserv流聚集的MPLS分組進(jìn)行調(diào)度、整形、丟棄。
4 集成模型上傳輸VoIP的QoS實現(xiàn)技術(shù)
這種集成模型包括Intserv和Diffserv的集成以及Diffserv和MPLS的集成，前者的關(guān)鍵是經(jīng)由邊緣網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的含有一定的QoS的數(shù)據(jù)包如何被分類并確定DSCP的值，也就是如何將Intserv各種服務(wù)類型映射到Diffserv的PHB(per hop behavior);后者的關(guān)鍵是如何將Diffserv中的BA映射到MPLS中的LSP上。在這只考慮BA不多于八種的情況，Intserv、Diffserv和MPLS之間的服務(wù)映射見表一。下面結(jié)合集成模型上傳輸VoIP來對其QoS實現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行分析。
4.1 Intserv和Diffserv的集成
Intserv定義三種服務(wù)類型：
(1) 確保業(yè)務(wù)(Guaranteed Service, GS)：可提供一種端到端的嚴(yán)格固定隊列延遲的服務(wù)，確保帶寬。
(2) 可控負(fù)載服務(wù)(Controlled-load Service, CL)：比盡力服務(wù)要好，是一種相當(dāng)于在負(fù)載不重的網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行的盡力而為的服務(wù)。
(3) 盡力服務(wù)(Best Effort，BE)：傳統(tǒng)的服務(wù)，沒有在QoS保障。
對于屬于GS的VoIP分組，MPLS網(wǎng)絡(luò)必須能夠識別并將它們從網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)分組中區(qū)分出來，才能在MPLS網(wǎng)絡(luò)上提供特別QoS支持。在Diffserv網(wǎng)絡(luò)里，定義一種替代的報頭域，叫做DS域，它替代IPv4 TOS字節(jié)(RFC 791)以及IPv6流量類字節(jié)。DS被分割為一個六比特的DSCP字段和一個兩比特的CU(current unused)字段，DS域使用DSCP去選擇每一個接口的PHB，CU字段還沒分配，是為ECN(explicit congestion notification)預(yù)留的，可以用于前向/后向擁塞通知，這在幀中繼網(wǎng)絡(luò)中非常有用。當(dāng)決定PHB應(yīng)用到一個已收到的數(shù)據(jù)包時CU的作用被相應(yīng)的DS接口忽略。
依據(jù)DSCP設(shè)置標(biāo)記包的系統(tǒng)的能力，以同樣的DSCP設(shè)置收集的包或以一個特定的方向發(fā)送的包將被集合成BA。從多種信息源或者應(yīng)用傳送來的包可以屬于同樣的BA。換句話說，當(dāng)用SLA(service level agreement)或者策略映射配置時，PHB指的是在任何給定的屬于BA的包上對包進(jìn)行排序，隊列，管理或者對節(jié)點修整的形為。PHB有四種類型，分別為default PHB、Class-Selector PHB、Assured Forwarding(Afny) PHB、Expedited Forwarding(EF) PHB (詳細(xì)說明見RFC2474，2597，2598)。
RSVP作為Diffserv的組件，提供一個保證帶寬的服務(wù)，VoIP需要這種健壯(robust)的服務(wù)。而作為Diffserv的關(guān)鍵組成部件EF PHB，支持這種健壯的服務(wù)，并提供低丟失、低延遲、低抖動以及確定的帶寬服務(wù)，很好滿足VoIP的QoS的要求。在使用優(yōu)先排隊(priority queueing，PQ)以及類(或者BA)上速率限制時執(zhí)行EF。在Diffserv網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行EF PHB時，它提供虛擬專用線路，或者額外的服務(wù)。因此，EF PHB是對VoIP這樣要求低帶寬，保證帶寬，低時延，低抖動的應(yīng)用是最理想的。
這樣，通過DS域的使用，能夠在BR/LER對語音的有效負(fù)載流量和信令流量指定不同的優(yōu)先等級。語音缺省的DSCP為101110(RFC 2598)，信令缺省的DSCP為011010(RFC 2597)。對CISCO IOS的IP DSCP的配置及驗證見[6]。
4.2 Diffserv和MPLS的集成
在MPLS網(wǎng)絡(luò)里將服務(wù)定義為以下幾類：
(1) Premium：對延時很敏感的一類，以PDA(peak data rate)速率最大可能的傳遞用戶數(shù)據(jù)包，低于PDA的數(shù)據(jù)包將被丟棄。
(2) Olympic：對呑吐量很敏感的一類，由三種服務(wù)類組成：Gold，Silver以及Bronze。在每個類里有兩個微處理級，網(wǎng)絡(luò)至少以CDR(committed data rate)速率最大可能傳遞用戶數(shù)據(jù)包，可以高于該速率，但如果低于該速率數(shù)據(jù)包傳遞的可能性就極小。
(3) Best Effort：網(wǎng)絡(luò)里無QoS保證的服務(wù)類。
很顯然，要將VoIP分組映射為Premium類，也就是須將封裝VoIP的MPLS頭中Exp字段映射成111，具有最高的服務(wù)等級。其實，如何將BA映射到LSP實質(zhì)上是如何在MPLS分組頭標(biāo)中攜帶BA信息(DSCP)[7]。把一類具有相同隊列處理要求、調(diào)度行為，但丟棄優(yōu)先級不同的PHB定義為一個PHB調(diào)度類(PHB Scheduling Class, PSC)[8]，那么這樣映射實質(zhì)上也是就是如何在MPLS頭標(biāo)中標(biāo)識分組所屬的PSC以及分組的丟棄優(yōu)先級。IETF組織將LSP分為兩類，即E-LSP和L-LSP。E-LSP定義8種BA，映射到MPLS標(biāo)記的Exp字段超過8種BA時，定義為L-LSP，要聯(lián)合使用Lable字段和Exp字段標(biāo)識種類，可單獨使用Exp字段表示丟棄優(yōu)先級，但擴(kuò)展性不如E-LSP。兩種服務(wù)之間的映射關(guān)系見表一。
在MPLS網(wǎng)絡(luò)中，提供無擁塞(較低的延遲、抖動和分組丟失率)LSP對VoIP業(yè)務(wù)至關(guān)重要的。在MPLS網(wǎng)絡(luò)里存在一個這樣的問題，就是路由器建立了-個LSP，卻不能保證該路由器能夠處理這個LSP的帶寬要求，其它通過這個路由器的LSP可能會與它爭奪相同的資源。MPLS網(wǎng)絡(luò)采用RSVP技術(shù)，RSVP是一種與電路交換網(wǎng)絡(luò)的呼叫建立非常類似的帶寬預(yù)留技術(shù)，這樣就可以在每個路由器為每個LSP預(yù)留帶寬，這樣從開始就避免了路由器的過度預(yù)訂。此外，在為VoIP語音業(yè)務(wù)指定網(wǎng)絡(luò)資源時，需要根據(jù)嚴(yán)格的計算，逐個鏈路進(jìn)行，MPLS的流量工程可以勝任這種工作。流量工程利用RSVP為語音業(yè)務(wù)流預(yù)留資源，如果最短路徑的資源不夠，流量工程可以建立路由來傳送業(yè)務(wù)。如果RSVP建立MPLS流量工程隧道，MPLS標(biāo)記也可用于這種業(yè)務(wù)流。這些標(biāo)記加上Exp比特，為話音流提供了一個簡單、可擴(kuò)展的標(biāo)識方式。
5 結(jié)論
本文首先對IP網(wǎng)絡(luò)上的各種QoS服務(wù)模型進(jìn)行了分析和比較，并著重分析了MPLS的工作原理，在此基礎(chǔ)上深入研究了一種結(jié)合Intserv、Diffserv和MPLS的集成服務(wù)模型，特別分析了其邊緣路由器和核心路由器的結(jié)構(gòu)及功能。然后重點分析在集成模型上的傳輸VoIP的QoS實現(xiàn)技術(shù)，包括各服務(wù)類型之間的映射。隨著技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的不斷成熟，伴隨著“三網(wǎng)合一”的大潮，VoIP可望成為下一代電信基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的核心，使未來各電信業(yè)務(wù)統(tǒng)-到IP網(wǎng)上，如何更好地保證VoIP的QoS，還需要作更多的有益的探討。
慧聰網(wǎng)
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