（通信与信息系统专业论文）ipcme服务质量的研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向： i p 与宽带网络技术 作 者：三q 堕级研究生杜苏花指导教师张理云 题目：i p c m e 服务质量的研究 英文题目：t h er e s e a r c ho fi p c m e sq o s 主题词：服务质量时延抖动丢包率复用结构 k e y w o r d s ： q o sd e l a yj i t t e r p a c k e tl o s sr a t e m u l t i p l e x i n ga r c h i t e c t u r e 南京邮电大学顾士研究生学位论文 摘要 摘要 近年来随着因特网( i n t e m e t ) 的发展，已经使i p 成为未来信息网络的支柱技术，以 i p 为核心的分组技术已成为电信网络演进的主流方向。基于t c p i p 的网络技术已经成为 数据领域的主导技术，开始进入电信领域，其突破口主要是电话业务。为了在下一代网络 建设中实现低廉的话音、传真和话带数据的传输，i t u t 提出了i p c m e 的概念，即优化 i p 网络的电路倍增设备，它采用诸如复用技术、话音可变比特率编码及其它高效信源编 码，使得在话音质量不变的情况下，优化利用i p 网络资源，降低路由器的选路负荷，提 高i p 网络的传输性能。而研究i p c m e 的基础就是研究i p c m e 的服务质量。 文章首先详细介绍了i p c m e 的工作原理、各模块的功能及其主要的技术，并对 g 7 6 9 协议中比较模糊的概念给出了清楚的解释：然后回顾了当前实现i pq o s 保障的网络 模型和传输机制，比较了各自的优缺点，结合各种模型提出了综合利用各种模型的优点提 高网络q o s 的思想；分析了影响i p c m e 服务质量的几种因素，对i p c m e 服务质量的 衡量指标如话音清晰度、话音激活度测量和时延做了分析讨论；通过n s 一2 搭建网络模型 进行仿真，分别加载i p c m e 信源模型和v o l p 信源模型，对不同信源模型带来的时延、 时延抖动和丢包率进行定性分析；最后提出了能进一步提高网络传输效率的复用结构，并 讨论了几种复用结构之间的动态选择问题。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s 仃a c t a b s t r a c t i pt e c h n o l o g yh a sb e c o m et h ec o r et e c h n o l o g yo f t h ef u t u r ei n f o r m a t i o nn e t w o r ka l o n gw i t h t h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e t p a c k e tt e c h n o l o g yi ni p b a s e dn e t w o r ka l w a y sb e c o m e sm a i n t e c h n o l o g yo ft e l e c o m m u n i c a t i o ne v o l u t i o n t c p i p - b a s e dt e c h n o l o g yh a s e n t e r e di n t o t e l e c o m m u n i c a t i o n sd o m a i n ，a n dt e l e p h o n es e r v i c e si si t sb r e a k t h r o u g hp o i n t i no r d e rt o c o n s t r u c tf u t u r ec o s t - e f f e c t i v ev o i c e ，f a c s i m i l ea n dv o i c e b a n ds i g n a l st r a n s m i s s i o nn e t w o r k si n t h en e x tg e n e r a t i o ng l o b a li n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ，i t u ts u b m i tar e c o m m e n d a t i o ng 7 6 9t o r e s e a r c hi t ，n a m e l yac m eo p t i m i z e df o ri p b a s e dn e t w o r k s ( i p c m e ) i p - c m ea d o p t ss u c ha s m u l t i p l e x c o d i n gw i t hv a r yb i tr a t ea n do t h e rl o wr a t ee n c o d i n gt og a i nt h es a m eq o sw i t h v o i p , i nt h es a l t l et i m er e d u c i n gt h eo v e r h e a do fp a c k e t ，r e d u c i n gp r o c e s s i n gl o a d so fi pp a c k e t r o u t i n gd e v i c e s ，o p t i m i z e df o ri p b a s e dn e t w o r k t h eb a s eo fr e s e a r c h i n gi p - c m ei st h e r e s e a r c h i n go f i p c m e q o s f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ew o r kp r i n c i p l eo fi p c m e ，e v e r yb l o c k sf u n c t i o n a n di t sc o r et e c h n o l o g yi nd e t a i l r e d e f m i n gt h eu n c l e a rc o n c e p ti ng 7 6 9 f u r t h e r m o r e ，g i v e s a no v e r v i e wo fi pq o sr e l a t e dt e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n gi n t s e r v r s v p , d i f f s e r v , m p l sa n db b t h e nc o m p a r et h e ma n da d v a n c eat h o u g h to fc o m b i n i n ge v e r yt e c h n o l o g y sa d v a n t a g e st o c o n s t r u c tac o m b i n a t i v ea r c h i t e c t u r e t h i sp a p e ra n a l y z e st h o s ef a c t o r s ，s u c ha s c l a r i t y m e a s u r e m e n t s ，v o i c ea c t i v i t ym e a s u r e m e n t sa n dd e l a ym e a s u r e m e n tw h i c ha f f e c t i n gi p c m e s q o s n e x t ，t h ep a p e rb u i l d sa na s 一2b a s e ds i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ，a n a l y z e st h e i rd e l a y , j i t t e r a n dp a c k e tl o s t w ec a r l f i n dt h ea d v a n t a g e so fi p - c m et h r o u g hi t i nt h el a s t ，a n o t h e r m u l t i p l e x i n ga r c h i t e c t u r ea n dh o w t oc h o o s em u l t i p l e xt e c h n o l o g yd y n a m i ci sd i s c u s s e d i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 第一章引言 1 1 课题研究的背景和意义 自从1 8 7 6 年b e l l a g 发明电话至今，电话逐渐走入到平常人的日常生活中去，特别 是近些年来，各国的电信事业蓬勃发展，电话成为人们不可缺少的通信工具。伴随着电话 用户的猛增，有效的电路传输资源越来越紧张。传统的电话采用电路交换的方式进行传输， 就是在通信用户之间建立一条链路，在通信过程中，这条链路始终建立，在通信结束才释 放，供其它通信用户使用。i t 运营商要满足快速增长的业务的需要有两种方法：一是把 通信线路加宽，如新建光纤，光纤的密集波分复用技术或者采用更先进的调制解调器，二 是在满足一定质量的前提下，删除信源中的冗余信号使有用信息高度压缩，在做到带宽不 变的情况下，使承载业务的容量大大扩展。近几年在电路交换网中采用数字电路倍增设备 ( d i g i t a lc i r c u i tm u l t i p l i c a t i o ne q u i p m e n t 简称d c m e ) ，使得链路的利用率成倍提高，但 该设备是点对点通信，无法直接组网使用。并且随着互联网( i n t e r n e t ) 的迅速发展，分 组交换网络的出现，在i p 网络上传送话音、数据、多媒体等业务成为必然的趋势。从上 个世纪7 0 年代人们开始研究分组话音通信至今，i p 电话的优点也都凸现出来：降低通话 费用：可以灵活的提供增值业务；有利于企业建立高效综合服务内部网：有利于运营商开 拓新的市场；有助于和新技术融合，促进网络技术的发展。因此，优化i p 网络的电路倍 增设备( c i r c u i tm u l t i p l i c a t i o ne q u i p m e n to p t i m i z e df o ri p b a s e dn e t w o r k 简称i p c m e ) 就 应运而生了。 i t u t 于2 0 0 2 年8 月出版了g 7 6 9 协议，该协议简要的定义了i p c m e 各个模块的 功能、用到的各种技术、信息处理和传送的流程。并于2 0 0 4 年6 月进行了进一步的详细 的定义。i t u t 研究此设备的目的就是希望能够在下一代全球信息化基础建设中构建低廉 的话音、传真和话带数据信号的传输网络。 设备的可用性是通过该设备提供的服务质量来评价的，本论文的主要任务通过网络 仿真来衡量该设备的服务质量。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 1 2i p c m e 研究的现状 i p c m e 的研究现在还处于初级阶段，从2 0 0 2 年至今，没有特别详细的协议出版， 各国的研究都是基于g 7 6 9 协议定义的框架进行的，协议中定义的基本功能都可以实现， 但是具体采用的机制有所不同。i t u - ts g1 5 一直致力于研究制定出新的协议来确保 i p c m e 的通用性和其广泛的应用性。从目前研究的现状来看，国内还没有真正的设备生 产出来，都只是处于实验调试阶段。从国外来看，日本三菱公司已经生产出i p c m e p x 1 0 0 p x - 3 0 ，从它采用的各种技术来看都是基于g 7 6 9 协议的，它采用的信令协议是 s i p ，采用g 7 2 9 g 7 11 编码方式，最大信道承载可达1 0 0 3 0 ，最大带宽增益是3 5 3 3 ，最 小时延低至2 0 m s e e ，采用的q o s 保证模型是区分服务( d i t t s e r v ) 模型。从理论上讲， 各项性能指标都比现在使用的v o i p 设备好，这给i p c m e 的研究提供的强大的动力。然 而协议中采用的信令协议是s s 7 ，而三菱公司采用的是s i p 协议，不过从现在的通信信令 控制来看，s i p 协议的广泛使用，使用s i p 协议的后向扩展性较好，但是如果用在s s 7 的 网络上，要进行信令的转换，比较麻烦。没有完整标准的发行，使得生产出的i p c m e 通 用性很差，信息的发送端和接收端必须采用同一厂家的设备才能进行通信。但是它采用的 各项具体技术，可以供教学研究，并为i h j t 制定更完整的协议提供参考。 1 3 本论文的主要内容和本人所做的主要工作 本论文课题来源于信息产业部的“i p c m e 的研究和实现”，项目的目的是研究 i p c m e 的优越性，并根据g 7 6 9 协议研究出设备。本人所做的主要工作是：掌握i p c m e 采用的各种技术，分析影响i p c m e 服务质量的各种因素，通过在n s 一2 仿真平台上搭建 网络模型，实现i p c m e 复用技术，并与现有v o l p 技术的进行性能比较，通过合理设嚣 网络参数，提出保障i p c m e 服务质量的网络模型，并计算出具体的性能指标，最后在张 老师的指导下提出了一种新的复用结构，并研究了新提出的复用结构和g 7 6 9 协议本身的 复用结构之间的动态选择方案。 论文主要内容包括： 详细介绍了g 7 6 9 协议定义的i p c m e 信息传输流程、通过其结构来介绍各个 模块的功能，以及所采用的各项技术，并与现在的v o l p 技术相比较，分析了各 自的优缺点。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引南 分析影响1 p c m e 服务质量的各种因素，主要关注协议中提到的衡量设备服务 质量的几个指标。 概述i n t s e r v r s v p 、d i f f s e r v 、m p l s 等基本的q o s 技术，以及当前比较认同 的q o s 体系结构，分析各自的优缺点；提出了综合考虑各种模型和机制的优点 搭建综合结构的思想。 通过n s 2 仿真平台搭建网络模型，分别加载v o l p 信源和i p c m e 信源，采用 尽力服务网络和d s 网络模型进行分析，同时分析生成的t r a c e 文件，画出性能 曲线，得出仿真结果。 提出了一种新的复用结构，并讨论了几种复用结构之间的识别和动态选择方法。 南京邮电太学硕士研究生学位论文第二章i p 。c m e 简介 第二章i p c m e 简介 i p c m e 是基于分组网络的电路倍增设备，是d c m e 在i p 分组网上的延伸，它主要 采用低比特率编码、复用技术等技术对数据流进行压缩、聚合。旨在改变长度电话费用较 高和现在i p 电话服务质量不好的现状。本章详细介绍i p c m e 的基本概念、结构、各种 技术、信息处理流程和各个模块的功能，并分析了i p c m e 服务质量的衡量标准以及影响 i p c m e 服务质量的几个因素。 2 1 有关i p c m e 的各种定义 2 1 1i p - c 卫v i e i p c m e 在g 7 6 9 ( 2 0 0 2 年出版) 中是这样定义的：就是用在i p 传输网络上的一种能把 许多6 4 k b i t s p c m 编码的输入中继信道集中到更少数的传输信道中传输的一类设备的总 称。主要用来进行话音、传真和话带数据的传输。 2 1 2 低速率编码( l r e ) 低速率编码就是用低于6 4 k b i t s 的编码方式对通过的语音信号进行编码，如i t u t g 7 2 6 、1 3 7 2 9 系列和g 7 2 3 1 的编码方式都是低速率编码，编码生成的帧间的基本间隔都 是1 0 m s 的整数倍。 2 1 3 可变比特率编码( v b r ) 通过i p - c m e 的控制模块，根据话音激活率来衡量网络负荷，在每次通话之前选择编 码方式，在通话过程中动态的选择编码速率，例如：如果选择1 3 7 2 6 或g 7 2 7 编码方式， 话音速率可在3 2 k b i t s 、2 4 k b i t s 和1 6 k b i f f s 之间动态转换；如果选择g 7 2 9 a 或g 7 2 9 b 可 在8 k b i t s 和6 4 k b i t s 之间动态转换。 2 。1 4i p 端口 i p c m e 之间的双向呼叫流由每个口传输信道中的i p 端口通过基于u d p 端口g - 笨j i p p 一1 d ( i p 端口i d ) 来识别，并分配到相应的中继信道中传输。 2 i 5i p 传输信道 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i p c m e 简介 在i p c m e 之间传送复用的i p a j d p r t p 数据流和话带信号的双向信道，此信道是基 于i p 网络的。 2 1 6 话音激活率 激活话音信号及其相应的悬挂时间和前端延迟占用中继信道的时间与总测量时问之 比，按载送话音的中继信道总数求平均。 2 2i p c m e 的运行模式 i p - c m e 部署在i p 骨干网络的两端，连接不同的p s t n 网络或者是连接两个不同的 i s c ( i n t e m e ts w i t c h i n gc e n t e r ) ，网络运行模式可以是点对点、点对多点、多点对多点。 图2 1 表示的是i p - c m e 在7 号信令网络下的部署，信令经过i p c m e 时直接进行传输， 不经过任何处理。 图2 ，1i p c m e 在网络中的应用 2 3i p - c m e 的主要功能和内部结构 i p c m e 主要由5 大功能模块构成：中继信道接v i 功能模块、信号处理功能模块、控 制模块、u d p i p 接口功能模块和核心功能模块。 中继信道功能模块主要是建立p s t n 网与时分复用信道的连接，并负责把接收到的 信号送到信号处理模块。 信号处理功能模块主要完成对呼叫中的话音、传真和话带信号的处理，具体包括话 音压缩、信号分析、传真中继或j 擘硌、调制解调器中继或j 棼略、回响消除、双语音多频信 嚅雅窝黠 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章1 p c m e 简介 号的检测等，并负责把处理成帧的信号送到核心模块进行封装。 控制模块也就是管理模块，通过收集网络中的信息对i p c m e 如何运行做出动态的 决定，如根据话音激活率或网络的q o s 指标来动态的选择合适的编码方式、激活算法。 u d p f l p 接口功能模块主要是对复用过的语音包分配i p 端口号，加上i p 头、u d p 头 和r t p 头，也就是对复用过的语音包进行i p 封装，并判定i p 信道的建立和拆除。 核心功能模块主要是对经过压缩处理的各路信号进行短包封装和复用封装，短包封 装完成短包头的填写和短包负荷的填写，复用封装是把具有相同目的地的信号封装在一 块，然后把复用后的数据包封装在一个r t p 协议中，发送到u d p i p 接口功能模块进行 i p 封装。核心功能模块是i p c m e 的核心，也是i p c m e 优越于现有的v o l p 设备的精髓 所在。 i p c m e 工作在双工模式下，可同时收发信息。下面我们来分析一下i p c m e 是如何 完成对呼叫信号的处理的。i p c m e 发送侧和接收侧的内部结构分别如下图2 2 和图2 3 所示。 图2 2i p c m e a 发送侧内部结构图 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i p c m e 简介 ： 二 1 徽一b - 3 卜l j 解撇l 一一 麴盐 l 7 f b 乒l _ 习豁f卜一1 檄i 蛳h 槲蚪卜 j 交换 信令 _ 。卜 、 j 解咧鞅l 模块 t 。 b - 9 - nb - 5 叫割招理l 一 1 塑f 1 o 一- 呼啦制 信令模块 b - l 幽2 3i p c m eb 接收侧的结构图 呼叫建立时，i p - c m ea 发送侧的i p 信道管理模块( a 2 ) 与i p c m eb 接收侧的i p 信道管理模块( b 一2 ) 进行通信、交换信息，商定对输入信号采用何种编码方式和i p 信道 其它方面的参数( 如复用包发送的激活算法等) 。呼叫信令通过i p c m e 时是透明传输的， 也就是说呼叫信令通过呼叫控制信令模块( a 1 ) 时不经过任何处理直接到达呼叫控制信 令模块( b 1 ) ，建立起i p c m e 之间发送端直至接收端的呼叫。 在i p - c m e 的发送侧，编码模块( a 一1 2 ) 从通信信道中获得话音、传真和v d b ( 话 带数据) 的数据流，并对其进行编码。具体的编码方式由编码方式库( a 7 ) 提供，编码 时只对有语音的部分进行编码，静默部分被压缩掉以提高传输效率。从编码模块出来的数 据送到缓存模块( a - 1 3 ) 暂时储存起来。短包构成模块( a 1 5 ) 的主要功能是：从短包 头产生模块( a - 8 ) 中为已编码信号取回一个短包头、从负荷长度指示模块( a 9 ) 得到 封装短包的负荷长度，然后从( a 1 3 ) 中抽取出长度等于负荷长度的一部分编码信号加 上短包头生成一个短包。短包头中包含该数据流的i p 端1 2 1 号和长度。短包缓存模块( a 1 6 ) 把生成的短包暂时存储起来，l p 包组装模块( a 4 ) 从缓存中取出各个短包并根据短包头 中的i p 端口号把它们组合在一起加上一个4 0 字节的包头( r t p 头，u d p 头和i p 头) 生 成i p 复用包并经过包发送模块( a 5 ) 发送到i p 网络上。 在i p c m eb 的接收侧，包转发模块( b 4 ) 接收到经由i p 网络抵达的i p 包。并把 它转送到包分解模块( b 3 ) ，( b 3 ) 把接收到的i p 包分解成一个个短包，并根据短包头 中包含的关于传输信道的信息，把这些小包转移到相应的短包缓存模块( b 一6 ) 。短包分解 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i p c m e 简介 模块( b 7 ) 把一个个短包分解成包头和负荷，并把负荷转移到缓存模块( b - 8 ) 中，缓存 模块对信号进行适当的处理，如在当前段和即将收到的信号段之间加入静默信号( 在编码 时静默信号被压缩掉了) 。解码模块( b 一9 一n ( 1 n l 时，i p c m e 的传输效率高于v o i p 的传输效率，并且随着n 的增大，i p c m e 的传输效率明显的增高，且高于现有的v o l p 技术，如果复用4 个e 1 的话音，每路话音传送2 0 字节的数据，i p c m e 的传输效率是 o 8 9 5 6 ，而v o l p 的传输效率仅仅是0 3 3 3 3 。 从信令转换的角度来说，i p - c m e 对信令透明传输，而v o l p 需要对信令进行转换。 从i p 地址的利用来说，i p c m e 是单一i p 绑定，而v o l p 是每路话音占用一个i p 地 址，虽然说采用i p v 6 后，i p 地址资源紧张的情况得到缓解，如果采用i p v 4 就可以省去i p 地址转换的麻烦，i p c m e 同时支持i p v 4 和i p v 6 。 2 6 衡量i p c m e 服务质量的指标 2 6 1 话音清晰度 人们在通话过程中总是要关注对方话音是否清楚，通话是否顺畅，这就是话音清晰度 的概念，它主要有主观测试方法和客观测试方法两种。 主观测试方法就是i t u t p 8 0 0 定义了一种m o s ( m e a n o p i n i o ns c o r e ) 评价。它把一 群用户对语音质量的评价取平均值，这样就得到了一种语音压缩法的m o s 分数。m o s 分为5 档，具体如下表2 2 所示： 表2 - 2m o s 分与话音质量对照表 m o s质量 话音损伤程度 5很好 不可察觉 4 好 稍有察觉 3 尚可有察觉，且令人稍有厌烦 2 较差 明显察觉，令人厌烦但可忍受 1 差 不可忍受 它是目前使用得最广泛的语音评价标准，一般高质量的语音m o s 值可以达到4 分。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i p c m e 简介 比如，g 7 2 9 共轭结构代数码本激励线性预测( c s a c e l p ) 的m o s 值可达到3 9 2 分，它 能够提供与自适应差分脉冲编码调制( a d p c m ) 相近的语音质量，同时以8 k b i t s 的速率编 码，节省了很大的带宽。 客观评价方法主要是p e s q ( p e r c e p t u a l e v a l u a t i o no fs p e e c hq u a l i t y ) 。p e s q 是评价各 类端到端网络条件和语音编码与解码的最新标准，它可以根据一些感知标准来客观地评价 语音信号的质量，从而提供可以完全量化的语音质量衡量方法，而这些衡量标准又是与人 类对语音质量的感受完全吻合的。比如，通过用语音测试仪对输入输出语音信号波形进行 分析，计算得到p e s q 和端到端时延值，再根据i t u - t 定义的p e s q 和m o s 的转换算法， 计算得到m o s 的估值，从而由此判断语音质量的好坏。p e s q 适用于更宽的网络环境， 包括模拟连接、编解码，包丢失和时延变化，有着更为广泛的应用。 2 6 2 话音激活度测量 主要是由于语音包丢失或其它的损伤而造成的语音流的阻塞占特定时间间隔内总的 话音流的比率。此项指标主要时通过网络的性能来衡量的，如发生网络拥塞引起丢包或超 时丢包。要测量这个指标不好定义其它的损伤，但是可以用由于网络性能的不好引起的丢 包率近似的来代替i p c m e 的话音激活度。 2 6 3 时延 时延是指话音从发起者到接收者所经过的时间。时延不影响话音的清晰度和可信度， 但是影响谈话的性质，对实时性通信造成了重大影响，i p c m e 要求端到端的q o s 保证， 一般来说端到端的时延由以下四部分组成： ( 1 ) 传播时延：指话音从一端到另一端通过网络的时间，由信号通过传播媒介的速度 和传播的距离决定。 ( 2 ) 传送时延：指通过网络路径上的所有网络设备的时间。 ( 3 ) 包转化时延：指的是编码器进行数模转化的时间。 ( 4 ) 抖动缓冲时延：指的是在接收端用来保持一个或多个接收的数据包的时间，用来 克服数据包到达时间的变化，也就是克服抖动产生的时延。 端到端的时延要求分成四个等级：1 5 0 m s 以下( 最好) 、1 5 0 - - 2 5 0 m s ( 较好) 、2 5 0 一 4 5 0 m s ( 一般) 和4 5 0 m s 以上( 差) 。 如果传输时延较大，说话者就会感到明显的回声，严重干扰通话，按照电话网的严格 规定，单向时延大于2 5 m s 就要考虑回波抵消问题，实际上单向时延达到1 0 0 1 5 0 m s 人 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i p c m e 简介 耳尚可容忍。 抖动，也叫做时延的变化，是指在一个呼叫过程中所有发送的数据包到达的时间差 异，在视频应用程序中，抖动表现为图像闪动，而在语音呼叫中，它表现的效果与丢包产 生的效果相似，某些字词听不清楚或错误。抖动的大小取决于数据包的通路时间的差异程 度，差异程度越大，则抖动越大。如果抖动值大于5 0 m s ，则平均主观值m o s 值剧烈地 降低，认为是极差的语音质量。通过增加抖动缓冲的数量，可以有效地降低抖动的影响， 但是增加了一毫秒的抖动缓冲，则相应增加了一毫秒的网络时延。时延抖动主要是由网络 负荷的不停变化引起的，从一定程度上反映了网络的拥塞程度。在i p c m e 接收端要设置 抖动缓冲器来根据时延抖动的变化情况消除通信中的时延抖动。 2 7 影响i p c m e 服务质量的各种可能因素 从i p c m e 采用的各种技术来看， 络时延；激活算法选择不当引起的时延 来的时延。 影响其服务质量的主要因素有：编解码时延；网 编解码算法对丢包的恢复程度；抖动缓冲器所带 编解码时延主要是由选择的编解码方式来确定的，可以根据网络负荷动态的选择编 解码方式，当网络负荷较小是就采用压缩率较低的p c m 编码或a d p c m 编码，当网络负 荷较重时就采用更低速率的编码方式，如果采用编解码方式是c s a c e l p ( c o n j u g a t e s t r u c t u r ea l g e b r a i cc o d ee x c i t e dl i n e a rp r e d i c t i o n ，共扼结构码激励线性算法) ，速率最低可 以压缩到8 k b i f f s ，处理一帧的时延为1 5 m s ；而如果采用g c 7 2 3 1 系列的编码，速率可以低 至6 4 5 3 k b i u s ，不过相应的时延比较大，处理一帧的时延是3 7 5 m s 。 网络时延主要由网络的性能来确定，在下一章主要介绍当今各种保证i p 网络服务质 量的各种技术，提出能提高网络服务质量的网络结构，并采用尽力服务模型和区分服务模 型进行仿真，比较i p c m e 的复用技术对网络时延的影响。 激活算法的选择主要由管理模块来控制，根据网络负荷动态的调整激活算法，引起 的时延不是很大，通常话音激活率是每隔一段时间更新一次，在更新的间隙会引起时延的 变化，一般来说可以忽略。 编解码算法对丢包的恢复程度从主观上影响话音的清晰度，当话音清晰度达到一个 引起人不舒服的程度时就要增大网络负荷参数，通过增大网络负荷参数来选择编解码方 式，从而改变通话质量。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i p c m e 简介 抖动缓冲器可以用来消除传输过程中的抖动影响，可是抖动缓冲的大小会引起时延 的变化，抖动缓冲每增大一秒，时延就要增大一秒，要合理的选择抖动缓冲的大小，并根 据抖动的变化动态的调整抖动缓冲的大小。 t 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章i p q o s 基本技术 第三章i pq o s 基本技术 i p 网络的飞速发展，人们对i p 网络提供的业务需求也从单纯的数据传输向语音、图像、 多媒体变化。如何改变目前网络无法保证实时性传输的多媒体业务的q o s 是i p 网络研究 的焦点。本章回顾了i p 网络的各种q o s 保证机制，主要介绍了i n t s e r v r s v p 模型、d i f f s e r v 模型和m p l s 、b b ( b a n d w i d t hb o k e r ，带宽管理) 。并比较了这几种机制的优缺点，提出 了综合利用各种机制的优点来保证网络q o s 的思想。 3 1i n t s e r v r s v p 模型 传统的电路交换网络能够可靠的传送服务，主要是在通信过程中始终端到端地建立起 一条通信链路，在通信结束时才释放链路。同样的，对于i pq o s 问题，首先想到的就是 借鉴电路交换网络的服务质量保证策略，i e t fr f c l 6 6 3 定义了i n t s e r v 模型，并将r s v p 作为i n t s e r v 模型中主要采用的信令协议。其基本思想是：采用r s v p 协议，以资源预留 的方式实现q o s 保障。 r s v p 是主机用来从应用程序获得特定q o s 的一种控制协议，负责完成支持i n t s e r v 模型的网络提供q o s 保证所定义的呼叫接纳控制功能和资源预留功能，运行于端点的应 用程序利用r s v p 消息向网络提出有效传送数据所必须保留的网络资源( 如带宽及缓冲区 大小等) ，同时也确定了传送路径上各个节点所采用的传送策略，从而对每个业务流分别 实施控制，以获得业务所需的q o s 。 在服务层次上，i n t s e r v r s v p 提供了3 种类别的服务：有保证型服务( g u a r a n t e e d s e r v i c e ) ，此类服务能够提供业务所需的有保证的网络带宽，有限制的时延，无丢包；负 载受控型服务( c o n t r o l l e d - l o a ds e r v i c e ) ，此类服务可以使相应业务获得q o s 类似于在一 个负载较轻的网络内实现尽力而为业务的q o s ；尽力而为的服务( b e s t e f f o r ts e r v i c e ) ， 此类服务和传统i n t e r n e t 提供的尽力而为服务具有相似的特性。 在结构层次上，i n t s e r v ，r s v p 服务模型主要由4 部分组成：信令协议r s v p 、接纳控 制器( a d m i s s i o nc o n t r o lr o u t i n e s ) 、分类器( c l a s s i f i e r ) 和分组调度器( p a c k e ts c h e d u l e r ) 。 在实现层次上，综合服务模型要求所有路由器在控制路径上处理每个流的信令消息， 并维护每个流的路径状态和资源预留状态：在数据路径上执行流的分类、调度和缓存管理。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章i p q o s 基本技术 具体来说，r s v p 负责逐跳( h o p - b y h o p ) 建立和拆除每个流的资源预留软状态，即建立 和拆除数据传送路径：接纳控制器决定是否接纳一个资源预留请求，其决策的依据是链路 和网络节点的资源使用情况，以及业务q o s 的具体需求；分类器将需要传送的数据分组 划分为不同类型的传输流。i n t s e r v 常用的分类器是多字段( m f ，m u l t i f i e l d ) 分类器， 即当路由器接收到数据分组时，它能根据数据分组头部的多个字段( 如5 元组：源i p 地 址、目的i p 地址、源端口号、目的端口号、传输协议) ，将数据分组放入相应的队列中； 调度器根据不同的策略对各个队列中的数据分组进行调度转发。 图3 1r s v p 的应用环境 从目前的实际情况看来，不可能在同一时刻，在整个i n t e m e t 中全部部署r s v p 或 其它新的协议。实际上，r s v p 不可能永远都随时存在，考虑到如何通过不支持r s v p 的 路由器进行通信，引入了r s v p 隧道的概念，当需要穿越不支持r s v p 的网络时，如图 3 1 所示，路由器a 、b 、c 、f 都支持r s v p 协议，而路由器d 、e 不支持r s v p ，当穿 过路由器d 、e 时，r s v p 自动建立隧道，隧道要求支持r s v p 的路由器和不支持r s v p 的路由器都使用本地路由表来向目的节点转发路径消息。当路径消息穿过一个不支持 r s v p 的网络时，该路径消息携带的i p 地址是最后一个支持r s v p 的路由器的i p 地址， 预留请求消息被转发到下一个具备r s v p 能力的上游路由器。 从理论上讲，i m s e r v r s v p 模型完全能够为i p 网络提供q o s 保障，但是一些实验表 明，支持集成服务的网络的扩展性差，并且要求核心路由器必须存储经过的每一个数据流 的状态信息，而核心路由器很难做到这一点。并且i n t s e r v 模型中实现q o s 保证是很困难 1 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章i p q o s 基本技术 的，它要求基于流的、复杂的资源预留、接纳控制、q o s 路由和调度机制。在诸如i n t e m e t 这种复杂的，规模很大的网络中，链路状态是不确定的，有效的预留带宽资源非常困难， 而且资源预留本身也与网络的无连接特性相矛盾，使得i n t s e r v r s v p 在实际应用中存在 着诸多问题。 3 2d i f f s e r v 模型 鉴于i n t s e r v r s v p 模型存在的诸多问题，i t e f 于1 9 9 8 年又提出了d i f f s e r v ( 区分服 务) 模型，该模型是一种实用于骨干网络，可满足多种业务服务需求的i pq o s 模型。 区分服务模型是针对具有相似要求的组业务归为一类，然后对这一类业务采取一致 的处理方式。区分服务的基本思想是将用户的数据流按照服务质量要求来划分等级，任何 用户的数据流都可以进入网络，但是当网络出现拥塞时，级别高的数据流在排队和占用资 源时比级别低的数据流有更高的优先权，区分服务只承诺相对的服务质量，而不对任何用 户承诺具体的服务质量指标。 在区分服务模型中，将大量的流控操作交由d i f f s e r v 网络的边界路由器完成，内部路 由器仅需对流的行为聚合进行流量控制，因而可以高效的实现p h b 转发操作，这一特点 非常符合i n t e m e t 核心网络对流量高速转发的要求，由于边界路由器只需处理有限的低速 用户接入流量，所以在边界路由器实现的流量控制可以处理的很精细，而且在一般情况下， 及时控制功能较多也不会对流量的处理性能带来太大的影响。 实现d i f f s e r v 功能的网络节点称为d s 节点。d s 域由一组采用相同服务提供策略和 实现相同p h b 组集合的相连的d s 节点组成，d s 边界节点根据域间制定的流量调节协议 ( t c a ，t r a f f i cc o n d i t i o n i n ga g r e e m e n t ) 进行流量控制，d s 边界节点同时作为d s 域的 输入( i n g r e s s ) 和输出( e g r e s s ) 节点，分组从输入节点进入d s 域，从输出节点流出d s 域，一般来说各自不同的d s 域可以有各自定义的d s c p 到p h b 的映射。 当数据流进入d i f f s e r v 网络，边界路由器主要负责完成复杂的流分类、为分组打上 d s c p ( d i f f s e r vc o d i n gp o i n t ) 标记、流量的接入速率管制和访问控制等操作，区域内部 的核心路由器只需根据d s c p 标记进行简单的流分类，对b a ( b e h a v i o u ra g g r e g a t e ) 实 施流量控制，从而使d s 网络内部的转发操作可以更高效的实现。 d i t t s e r v 模型定义了3 种标准的p h b ：加速转发( e f ，e x p e d i t e df o r w a r d i n g ) 、确保 转发( a f ，a s s u r e df o r w a r d i n g ) 和尽力而为( b e ，b e s t e f f o r t 。缺省p h b ) 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章i p o o s 基本技术 ( 1 ) e fp h b ( 加速转发p h b ) 加速转发对所有的转发处理是这样定义的，在任何情况下，从任何d i f t s e r v 节点 发出的业务流的速率必须等于或大于设定的速率。e fp h b 在同一个d s 域内不能被 重新标记，重新标记仅允许在边界节点进行，并且要求新的d s c p ( 不同d s 区域可 选用不同的d s c p 值到p h b 的映射) 满足e fp h b 的特性。 制定e fp h b 的目的是在d s 域内模拟一种类似于虚拟租用线( v l l ，v i r t u a l l e a s e dl i n e ) 服务的转发效果，提供一种低丢包率、低时延、高带宽的转发服务。 ( 2 ) a fp h b ( 确保转发p h b ) 确保转发业务能够满足以下服务要求：用户在向i m e m e t 服务提供者定购带宽服 务时，允许业务量超过所定购的流量轮廓。对于没有超出定购流量轮廓的流量，网络 应能够提供确保转发的q o s ，对于超出流量轮廓的流量，则希望在降低q o s 的情况 下继续转发，而不是简单的丢弃。 当前定义了4 种a f ( 确保转发) ，分别是a f l ，a f 2 、a f 3 、a f 4 。每一类a f 业务的分组又可以被细分为3 种不同的丢弃优先级，a f 编码点一f 表示a f 类为 i ( i i 4 ) ，丢弃优先级为j ( 1 s j 3 ) 。运营商在提供a f 服务时，为每类a f 分配不同 的网络资源。 ( 3 ) b ep h b ( 尽力服务p h b ) b ep h b 就是传统的i p 分组传送服务，该服务只关注流量的可达性，对其它方面 不做任何要求，任何路由器都必须支持b ep h b 。 i e t f 的有关文档为b e 、e f 、- g 以及类选择编码点( c l a s ss e l e c t o rc o d e p o i n t ， 为兼容i p v 4 的优先级模型而设景) 推荐了规范的编码点取值。 尽力而为p h b ：d s c p = 0 0 0 0 0 0 加速转发p h b ：d s c p = 1 0 111 0 爿e 编码点的取值如下表3 1 所示： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章i p q o s 基本技术 表3 - 1 a f 的编码点 低丢弃优先级，j = i 中丢弃优先级，j = 2高丢弃优先级，j = 3 a f ( i = 4 )1 0 0