VOIP技术和QOS技术.doc

一、VOIP技术和QOS技术 1.1 VOIP技术语音在IP网络上的基本传输 为了在VoIP网络上传输语音，要求VoIP设备必须将语音信号转换成IP数据流，并把数据流发送到IP目的地。接收端又将它们转换成为语音信号。 VoIP网络的基本要求VoIP是在IP网络上传输语音信号的技术。构造一个VoIP网络必须具备几个最基本的功能。即语音压缩、电话号码映射、呼叫分段鉴别、语音数据传送的协议。1、语音压缩为了减少把模拟信号转换成数字信号和分组在网络上传输所引起的开销，可以使用压缩算法减少在网络上传输的数据量。语音压缩操作于初始的模数转换产生的数字信号，并减少语音信号使用的带宽达8:1甚至更多。压缩的结果补偿了IP分组所应用的寻址信息，并且允许更多的语音呼叫通过有限的带宽的链路。2、电话号码映射在普通的语音网络中使用电话号码选择目的地，而在IP中使用IP地址选择目的地。因此，为了允许一个VoIP路由器同多个VoIP路由器通信，必须将用户的电话号码映射到路由器所使用的IP地址。映射过程可以在路由器内静态的配置，也可以借用DNS系统动态的执行。3、呼叫分段鉴别为了合适地鉴别、处理和转发语音分组呼叫，路由器把这些呼叫划分成段，称为呼叫分段。当呼叫被鉴别后，路由器可以对每个呼叫分段应用特定的服务。4、会话协议实时协议（Real Time Protocol，RTP）是IP网络上传输语音的标准。它通过提供定时、定序和其他控制功能，使无连接的IP数据流适应于支持实时传输.上是建立一个简单的VoIP网络所应必须具备的基本功能。VoIP网络协议组 VoIP依靠一整套的协议建立完整的网络体系，提供可靠的服务。VoIP协议组如图1-1所示。 应用层 Call Center TAPI 表示层 G.723.1 G.711 G.729 会话层 H.323 SGCP MGCP Ststion Protocol 传输层 RTP/UDP RTCP 网络层 IP 链路层 Ethernet 物理层 Copper Fiber 图1-1 VOIP协议组1、H.323协议组 在VoIP协议组中，应特别关注H.323协议组。该协议组是国际电信联盟（ITU-T）于1996年颁布，并在1998年进行了更新，加入了呼叫等待、呼叫转移等新功能。它为基于分组的网络基础设施上的音频、视频和数据通信提供一个基础。H.323由4个部件组成，即网关（Gateway）、关守（Gatekeeper）、终端（Terminal）、多点控制单元（Multipoint Control UnitMCU）。网关提供IP网络与PSTN之间的连接，关守提供地址翻译、控制、带宽管理以及区域管理的功能。H.323协议的体系结构如图1-2所示 图 1-22、RTP/UDP和RTCP以UDP这种非面向连接的协议传输话音似乎有些离奇，因为这于语音传输所要求的可靠性背道而驰。而事实的确如此，那么矛盾是怎样解决的呢？通过两种途径：首先，依靠RTCP（Real-time TCP）可靠的面向连接会话协议建立话音通道。其次，在话音通过UDP传送的同时利用RTP协议在每个UDP包打上顺序编号和时间标记。顺序编号使接收端能够验证数据已经按顺序收到，而且没有数据报丢失发生。时间标记帮助保证合适的回放速率，而不管数据报的到达时间。依靠以上两种方法，不仅充分利用了UDP传输的低延时，还保证了语音传输的可靠性。 VoIP网络中的信令、寻址、路由 1、信令 信令用于向端站点和网络部件提供状态信息以及它们在建立连接时的任务。VoIP信令包含三方面：从PBX到路由器(网关)的信令，路由器之间的信令以及路由器(网关)到PBX的信令。PBX与路由器(网关)通过中继线相连，从PBX到企业内部数据网络的信令可以是选择中继线时使用的任何一种用信令方式，如模拟信令方式FXO或E&M信令；也可以是数字信令，如CAS中的E1/R2或E1/DTMF等，CCS中的SS7、QSIG。PBX拨号数字送到路由器(网关)的方法与发送至公网交换设备的方法相同。企业内部数据网VoIP的实现主要采用H.323协议组来完成的，配合过程如下：1)地址映射：在路由器(网关)内拨号规则映射功能把拨号数字映射为IP地址； 2)呼叫建立：源路由器(网关)向对应于该IP地址的远程站点发送Q.931通话建立请求信令； 3)信令传输：在呼叫建立的同时，系统使用实时信道建立控制协议(RTCP)，建立信道，传输Q.931信令； 4)话音传输：经压缩的话音采用RTP协议传输并使用RSVP协议申请服务质量(QoS)。 5)话音接收：远程路由器(网关)接收到Q.931通话请求后，它向PBX发送线路选择信令，PBX应答相应的信令后，路由器(网关)将把号码发送至PBX，并通知源路由器(网关)。在网络内增加H.323的关守，可以完成地址转换和带宽管理。这种情况下，通过RAS信令向关守发出请求，关守告知被叫号码所在的目的地网关的IP报告地址，源网关(主叫号码所在的网关)通过Q.931发起对目的地网关的呼叫，过程如前所述。2、寻址寻址是用于鉴别呼叫和被呼叫方，它也用于为通话方指定适当的服务质量。VoIP的寻址对于IP编号规则来说，网关可作为新增的IP主机，该主机既是现有IP编号规则的扩展，也可以有新的IP地址。从PBX到IP主机地址的拨号数字转换由拨号规则映射功能完成。系统可以将目标电话号码、或该号码的一部分，映射为目标IP地址。接收到来自PBX的号码后，路由器将该号码与路由表中的号码相比较；如果找到匹配的号码，就将呼叫路由到IP主机。建立连接后，内部网络连接对用户而言就是透明的了。3、路由路由的任务是寻找从通话源到目的地的“最佳”路径，并以设计者规定的最有效的方式在网络中传输信息。IP的优势之一是其路由协议的成熟和丰富功能。现代路由协议使话音业务能够利用IP网络的自较正功能，诸如策略路由和访问列表等先进功能为话音业务提供了复杂、安全等路由方案。2.2 VoIP的服务质量QOS影响语音质量的因素在VoIP应用中，话音的质量成为另一个关注点。影响语音质量的因素有：压缩、语音活动检测、回声、延时、抖动、丢失分组、汇接交换。在上述因素当中，两种常见的网络特征是：延迟和抖动。1、延迟延迟直接影响到话音的质量。而且如果网络中的延迟在2535毫秒以上，就会引发回声。延迟通常可以分为传播延迟、串行链路延迟和处理延迟。传播延时传播延迟是指电流通过介质发送报文的速度，只于源和目标之间的总距离有关系。这个数值非常低，每公里仅为6微秒。串行链路延迟串行链路延迟指将数据发送到电路这一过程的延迟，延迟大小与链路的速率有关。在64Kbps电路上加载1个字节需要125微秒。处理延迟处理延迟是在语音传输过程中处理语音数据流时导致的延迟。包括数/模转换过程、编/解码、压缩/解压缩、设备处理过程等。2、抖动抖动，通常也称做变化延迟。抖动是指各种延迟的变化导致网络中数据分组到达速率的变化。IP网络不提供一致的性能，常常会引起引起分组到达时间的不一致。这主要有几个因素：排队延迟、可变的分组大小、中间链路和路由器的相对负载。为了补偿抖动，在接收设备端设置缓冲区，使最慢的分组到达后顺序处理。VoIP中的服务质量技术1、压缩实时传输协议在VoIP网络中采用压缩实时协议（Compressed Real-Time Protocol，CRTP）作为语音压缩的机制。它对用于语音分组的RTP 报头进行操作，将标准的IP/UDP/RTP报头从40字节减少到25个字节。CRTP仅按单一链路模式操作，并且链路的两端必须同时使用CRTP才能正常工作。CRTP允许以被动的方式进行，路由器仅在一个接口上收到压缩的分组后，才压缩通过该接口送出的分组。同时建议不要在速率大于2M的串行链路上使用CRTP。RTP报头压缩如图1-3图 1-32、用于业务分类的IP优先权IP优先权提供了将业务划分为多个服务类的功能。网络管理员可以定义多达六个服务类，并利用扩展访问控制列表(扩展 ACL)，为每个服务类定义拥塞处理和带宽分配策略。IP优先权功能利用在IP头上用于标识服务类型(Type-of-Service)的三个比特位,确定每个分组的服务类。IP优先权功能为预定分配提供了相当的灵活性，包括客户分配(如根据应用程序和访问服务器) 和基于IP或MAC地址、物理端口或应用程序的网络分配。IP优先权功能既可采用被动模式(接收客户分配的优先权)，也可采用主动模式，此时，网络根据预先定义的策略设置优先权或超越客户分配的优先权。IP优先权可被映射到邻接技术(如标记交换、帧中继或ATM)，在非均匀网络环境下提供端到端的QoS策略。在不改变现有应用程序，不需要复杂化网络信令的前提下，仅利用IP优先权功能就可建立服务类等级。3、用允许访问速率(Committed Access Rate)管理访问带宽。CAR为网络管理员提供了一个为业务目的地分配带宽，并制定超过带宽分配额度时的业务处理策略的工具。CAR既可以用于网络入口也可以用于网络出口。CAR阈值可根据访问端口、IP地址和应用程序设定。CAR测量业务负载，限制带宽资源分配，能适应IP业务固有的流量突增特点。CAR利用扩展ACL对超出分配带宽的业务制定处理策略，包括重新定义带宽可用阈值、修改分组的优先级、制定分组丢弃原则等。CAR策略的选择包括：1）FirmCAR：丢弃超过分配带宽的分组2）CAR+Premium：为分组重新定义更高或更低的优先级3）CAR+BestEffort：丢弃之前先为其分配一个极大的阈值4）PerApplicationCAR：为不同的应用程序制定不同的策略。4、用于拥塞管理的随机早期预测(RED)RED为网络管理员提供了灵活制定流量控制策略的能力，使其能在拥塞情况下保持尽可能大的吞吐量。RED与抗干扰的传输协议(如TCP)协同工作，可根据如下的实现算法智能化地避免网络拥塞：区分网络可适应的临时性流量爆炸和将耗尽网络资源的极度超载；提供公平的带宽递减策略，按比例减少带宽的可用额度。RED和TCP协同工作，在大流量出现时，能预先控制拥塞，并用丢弃分组的方式，保持大吞吐量。同时，RED也为网络管理员提供了相当灵活的参数设置手段，包括调整队列长度阈值的最大值和最小值、分组丢弃几率和MIB，分组交换和分组丢弃的管理策略等。5、加权RED，基于服务类的拥塞管理WRED结合了IP优先权和RED功能，为不同类别的服务提供不同的性能-对优先权较高的分组优先处理。WRED在拥塞情况下仍能进行优先处理，而且不会加剧拥塞。网络管理员可以灵活地为不同的服务类定义排队长度最大和最小阈值以及分组丢弃率。系统还为每个服务级别提供MIB，以实现网络管理的可见性。 6、根据服务类别加权公平排队(WFQ)WFQ提供了这样一种能力，在为较低优先