曹流学号2013140021---VoIP的Qos实现技术

1、VoIP 的Qos实现技术（曹流 学号2013140021 工程9班）摘要 VoIP的服务主要归结为承载网络的问题。本文首先衬综合服务(IntServ)、区分服务(DiffServ)以及多协议标签交换(MPLS)三种服务模型进行分析，然后提出一种基于这三种服务模型的集成模型，并对这种集成模型的结构及主要部件进行详细分析。在此基拙上着重讨论了在这种模型上传输VoIP业务的QoS保障技术，并对存在的问题，提出一种自适应LSP策略，以更好地满足端到端的VoIP QoS需求。关键词 VoIP，服务质量，综合服务，区分服务，多协议标签交换，标签交换路径1 研究背景 1.1 VoIP技术现状1目前，有线V

2、oIP主要采用两类方法来保证QoS：在终端上，即应用层上采用相应的技术;在网络层上采用相应的技术。无线局域网因其自身的特点，其上所承载的语音Qos除了可以从上述两个方面来加以改善外，还可在MAC层上采用相应的技术。1.1.1 应用层的VoIP Qos技术要在应用层上保证VoIP的QoS，可采用的关键技术包括:语音编码与压缩技术;语音活动检测技术;回声消除技术;抖动缓存技术;差错控制技术等。目前大多是针对应用层来进行VoIP的QoS保障。1、 语音编码与压缩技术ITU-T在G系列建议中对语音编码技术进行了标准化，己经公布了一系列语音编码协议。这些协议采用不同的算法，具有不同的速率。目前基于电路交

3、换的电话采用PCM调制方式的G.711标准，语音质量最好，但比特率编码为64 KbPs，占用较多的网络资源。在IP网络特别是带宽资源比较宝贵的无线IP网络中多采用CODEC比特率为8Kbps的G.729标准和6.3Kbps或5.3Kbps的G.723.1标准。G.729标准采用的是共扼结构代数码激励线性预测编码(CS-ACELP)，而6.3KbPs的G723.1标准采用的是多脉冲最大似然量化编码(MP-MLQ)，而5.3KbPs的G723.1标准采用的是代数码激励线性预测编码(ACELP)。但并不是占用带宽越少，该编码就一定越好，因为其算法往往越复杂，语音处理所需的时延也就越大，而时延又将影响

4、语音质量。 G系列编码方式也称为固定比特率(CBR)编码方式，即在整个会话期间采用恒定的编码速度。而根据统计，在会活期间，有65%的时间是无声的，其通话特点符合两状态ON-OFF的Markov模型，ON对应有声期，OFF对应无声期。如果有声期采用CBR编码，无声期则传送低比特率编码或无编码，则整个会话期间的编码方式称为可变比特率编码(VBR)。因此在WLAN无线护网络中为了充分利用网络资源，增加语音通话个数，宜采用VBR编码方式。而语音活动检测技术(VAD)是实现VBR编码的手段之一。2、语音活动检测技术也称为静音抑止技术。在用户没有讲话时，就没有语音分组的发送，从而可以进一步降低语音比特率。

5、当用户的语音信号能量低于一定门限值时就认为是静默状态，就不发送语音分组。当检测到突发的活动声音时才生成语音信号，并加以传输。当讲话停顿时，话音传输所占用的带宽自动释放，大大提高了信道利用率。3、回声消除技术本地扬声器输出的模拟语音信号可能又会被传回到源端，这时就会产生不必要的回声。人耳可以明显感到大于10ms的回声。一般情况下，回声返回很决，人耳听不出来。但是IP电话的延迟相当长，会使回声问题变得很明显。目前一般是采用回声消除器来加以控制，其基本原理是把去话的波形乘上一定的幅度系数后延时一段再与来话的波形相减，这样就可以消除大部分的回声。 4、抖动缓存技术由于IP网络是面向非连接的，因此在两个

6、终端之间所传送的数据包的传送路径可能不同，即使相同，网络的状态也是经常变化的，这就造成了发送方按一定时间间隔发出的IP包在接收方收到的时间间隔有长有短，从而产生话音抖动。抖动是包预期到达的时间与它实际到达的时间的差异。语音的实时应用对抖动是非常敏感的。在有线网络环境中，很少出现几十个毫秒级的抖动，但在802.11 b网络中会出现501OOms的抖动，因此，在为WLAN设计VoIP设备时，应当考虑无线局域网的网络特征。为了消除抖动，目前普遍采用的是抖动缓存技术。使用抖动缓存，可以将先到达的包存放在缓冲队列中，再根据算法要求按照固定间隔发送给解码。采用抖动缓存技术能够使得发送给解码程序的语音包较为

7、有序和平稳，但却会增加语音包的时延。5、差错控制技术为了降低包的丢失率和减少包丢失对接收端话音质量的影响，差错控制是一种比较有效的方法。其基本思想是在回放一段语音前，若发现有丢失的包，则或者重新传输丢失的包，或者使用冗余信息，最大限度地降低接收端的包丢失率。差错控制一般可以分为两步:差错检测和差错纠正语音传输的差错检测非常简单，由于语音数据包是通过RTP/RTCP协议来传输的，因此可以利用包中的顺序号来检测是否有包丢失。而差错纠正技术主要有以下几种:松散自动请求重发(Slack-ARQ)、前向纠错(Forward Error Control: FEC)和丢失掩蔽(Packet Loss Con

8、cealment: PLC)。因为重传包会明显增加端到端的延迟，所以VoIP中一般不采用Slack-ARQ，而多采用后两种方法。FEC是目前普遍看好的一种改善语音质量的冗余编码技术，它除了传递原始数据外，还传递一些冗余数据，称为奇偶包，接受端就是利用这些冗余数据来恢复丢失的数据包的。但传递冗余数据需要占用一定的带宽，因此，在使用时必须权衡所需带宽和提高语音质量两者之间的关系。另外一个最近出现的差错控制技术是PLC，它的基本的思想是为丢失的数据包找一个替代者。PLC是VoIP中减轻错误技术中最高效的。G.723.1和G.729译码器中均包含分组丢失掩蔽算法。Henning Sanneck基于并不

9、是所有的分组对语音质量都同样重要的事实，提出了一种有选择的将这些分组重传的机制。Christian Hoene也提出了一种分组丢失掩蔽的方法，该方法除了在链路层重传一部分高优先级的分组外，还在应用层引入了冗余传输。1.1.2 网络层的VoIP QoS技术网络层的QOS保障技术主要有基于资源预留和基于优先级两种方法1、基于资源预留网络资源按照某个业务的QOS要求进行分配，制定资源管理策略。互联网工程任务组IETF提出的综合服务模型IntServ便是基于这种策略，资源预留协议RSVP是其核心部分。根据RSVP的预留资源占所有资源的比例，Intserv模型定义了几种服务类型:(1)有保障的服务:对带

10、宽、时延及分组丢失率提供定量的要求和质量保证措施，如VoIP应用建议可以预留10 M带宽和小于1S的时延;(2)可控负载服务:在网络负荷较大的情况下所能够提供的近似于没有过载时的服务;(3)尽力而为的服务:和当前互联网向多数用户提供的服务机制类似，没有任何可以控制的质量保证。2、基于优先级网络边界节点对业务流进行分类、整形和标记，核心节点按照资源管理策略分配资源，对QoS要求高的业务给以优先处理。IETF提出的区分服务模型DiffServ便是基于这种策略，它取代了IP服务类型字段(TOS )改名为DS并用它承载IP包服务所要求的信息，是严格意义上的三层技术，不涉及低层的传输技术。 Intser

11、v模型中的RSVP可为数据流提供良好带宽保证，而DiffServ则不需要信令，在发送报文前，不需要通知路由器，网络也不必为每个流维护状态，它只根据报文中规定的QoS来提供特定的服务。并且，它不像Intserv那样对每个流都进行QoS控制，而是对流聚合后的每一类进行QoS控制，它只是对数据流简单加标记进行优先级分类。从对路由器的要求来说，RSVP比DifPServ更复杂，因此RSVP不适用于骨干网路由器。Diffserv和Intserv相结合为WAN提供全局的分级服务方案将是很好的选择。用户端主机使用RSVP的粗粒度请求(带宽、抖动门限等)，在骨干网入口的带宽代理路由器可以将RSVP“预约”映射

12、为用DS位指示的服务分类;在骨干网上采用DiffServ对包头中规定的QoS进行资源分配;在骨干网的输出端，RSVP再次被利用，直至终点。从而最终实现了在输入端以客户为基础进行流量调节，以确保服务水平。VoIP网络中为了获得较好的QoS效果，WAN适合于采用区分型业务模型，而LAN适合Intserv和DiffServ模型的混合形式。在实现Intserv和DiffServ的互通中，需要解决RSVP在DiffServ域中如何进行处理，以及Intserv支持的业务与DiffServ支持的PHB (Per-Hop-Behavior)之间的映射这两个主要问题。IETF建议了两种互通方式来保证端到端的Qo

13、S。一种方法是将综合服务覆盖在DiffServ网上，RSVP信令完全透明地通过;另外一种方法是简单的并行处理，即DiffServ域参与RSVP的协议处理:采取一些策略决定哪些包用RSVP，哪些用DiffServ处理1.1.3 MAC层的VoIP QoS技术IEEE 802.11 MAC层的DCF是基于CSMA/CA协议的强制方式，它是为数据业务而设计的;而PCF是基于轮询的可选方式，它是为像语音之类的实时应用而设计的。目前MAC层的VoIP QoS保障主要是通过对DCF和PCF这两种信道接入方式进行改进来实现的。802.11的DCF在语音等实时业务的传送方面存在两个缺点:对实时业务和非实时业务

14、竞争信道的中立性，以及过多的退避时间。针对这两个缺点，对DCF进行改动，在信道竞争过程中引入优先级的概念，即让实时业务在竞争信道时享有比非实时业务更高的优先级。Amit Jain和Jeonggyun Yu实现了两个具有不同接入优先级的传输队列，并让具有高优先级的传输队列来存放实时业务分组，以此来保证VoIP的QoS。Farooq Anjum提出了一种BC-PQ机制，即在引入双队列的同时，使实时业务的退避时间为0。这些对DCF进行改进的思想和IEEE 802.11a EDCA机制的思想非常相似。尽管PCF是为语音之类的实时应用而设计的，但它在支持QoS方面仍然存在着以下三个问题.(1) CFP不

15、可预知的开始时间。CFP周期是AP在CP期间获得信道的控制权后开始的，如果由于介质的繁忙，下一个CFP就可能被延迟。那么AP轮询序列后面的VoIP结点在本次轮询中就有可能没有被轮询到，从而发生丢包的情况。同时，由于延迟长短的波动，也会增大VoIP结点的抖动。(2) VoIP结点未知的发送时间。由于语音包大小的不同或发送速率以及调制方式的不同(如802.1 la提供多种调制方式)，被轮询结点包的发送时间不固定，会影响其它VoIP结点的发送。(3)当VoIP结点的语音编解码器采用可变比特率编码时，利用语音活动检测技术检测到没有话音即没有语音包要发送，此时AP照样轮询该结点，由于没有数据可发，就会浪

16、费一定的无线网络资源。 对于第一个问题，Eustathia Ziouva提出了一种轮询序列动态循环变动的方法，即把最后结点的丢包概率平摊给各个VoIP结点，只要每个结点的丢包率低于1%。但由于无线链路传输出错的高突发性等特点，不容易做到。 对于第二个问题，Apichan Kanjanavapastit提出了类似 TDMA的轮询访问方法。这种方法对现有的PCF机制改动较大，且没有解决CFP的延迟问题。 对于第三个问题，Andrews Kopsel利用了MAC数据包中的more data字段，AP通过判断该字段的值来决定下次是否轮询该VoIP结点。若more data值为0，表示该结点没有数据要发

17、送，那么AP会将其从轮询序列中删掉。如果需要再次被轮询，则该结点必须通过CP竞争方式重新加入轮询序列。采用这种方法，一次通话需要多次在CFP和CP之间进行切换，若CP期间信道忙，就不能及时地加入轮询序列中，实时性就会降低。2 IP网络上的三种基本服务模型22.1 IntServ模型为保证IP网络上的QoS，IETF首先提出用资源预留协议（RSVP）发送信号协议的IntServ模型，在发送数据前对接收端度控制等机制实现端到端的QoS, IntServ定义三种服务类型:·确保业务(Guaranteed Service,GS):可提供一种端到端的严格固定队列延迟的服务，确保带宽。·

18、;可控负载服务(Controlled Load Service , CLS ):比尽力服务要好，是一种相当于在负载不重的网络上进行的尽力而为的服务。·尽力服务(Best Effort Service,BES):传统的服务，没有QoS保障。IntServ根据每个IP流的QoS等级的精确描述，由具有RSVP功能的路由器中的RSVP和流的接纳控制支持IP的QoS分类.IntServ的主要优点是它较好地适应了不同应用的QoS要求，如GS业务可满足实时性较高的任务应用，而适应性应用可使用CLS业务，其他应用可使用BES业务。另外IntServ保留了传统的尽力传送业务，不需改变现有Interne

19、t的转发机制。但IntServ也存在一些问题。首先，由于要在每个节点上为每一个流进行资源预留，并且要建立和拆除路径，这就要求每个节点都要支持RSVP，都要维护路由和资源的“软状态”信息，这样它的可扩展性及鲁棒性差;其次，在大型网络中，路由器端口连接的都是高带宽链路，而每个数据流预留的带宽都较小，因此预留请求将消耗路由器大量的CPU资源，严重制约了路由器的容量;另外，它是以每一数据流的大小为基础预留网络资源的，如果来自一个汇集点(如VoIP网关)的多个数据流都要求相同的资源,IntServ对这些数据流仍是逐个单独处理，即每个流的RESV信息都必须单独发送。因此，IntServ的应用主要限用于企业

20、网和小型ISP网络.2.2 DiffServ 模型 为改善IntServ的一些不足，IETF提出DiffServ体系结构，旨在定义一种实施IP QoS且更容易扩展的方式，以改善IntServ扩展性差的缺点。DiffServ通过行为聚集(Behavior Aggregate,BA)和每一跳行为(Per-Hop-Behavior , PHB)的方式来提供一定程度上的QoS保证。它是在网络边缘把QoS需求相近的各业务流聚集为一个大类，然后由IP分组头标的DSCP (DiffServ Code Point，区分业务码)来标识，在网络边缘结点实施分类、标记、管理等功能，在网络的核心节点仅仅根据DSCP相

21、关的PHB转发分组，这简化了网络内部节点的结构，这比综合服务可扩展性要大得多。目前IETF提出四种与DSCP相对应的PHB·EF (Expedited Forwarding) PHB:相应的DSCP为101110，它可以实现低时延、低抖动、低丢失率，保证一定带宽的跨越DS域的端到端的服务。·AF(Assured Forwarding)PHB:分成4类，每个AF类有3种丢弃优先级，可使用RED算法来确定.提供的确保服务AS的原则是无论拥塞与否，保证用户占有预约的最低限量的带宽。·DF PHB(Default PHB):尽力而为的转发行为，对应的DSCP是OOOOOO

22、。·CS (Class Selector) PHB:类选择PHB，兼容现有的IPv4ToS字节中IP优先级字段.型如xxx000的DSCP被保留为CS PHB的标记值。DiffServ为流的聚集提供QoS保证，较好地解决了IntServ中的规模性问题，但其只是使网络的工作模式变得简单，而把实现的复杂度推向了网络的规划和配置。在一个网络中同时提供几种业务的网络资源规划以及如何将本地业务级联起来形成一个端到端的业务，仍然是一个十分复杂的问题。2.3 MPLSMPLS是一种多协议标签转换技术，它兼有第二层交换的分组转发技术和第三层路由选择技术的优点，旨在解决当前联网环境中使用的分组转发技术所存在的许多问题。MPLS实质是当IP包进入MPLS网络时被分配一个短小、长度固定、具有本地意义、能区别于其它信息流的标签作为MPLS头来封装这个IP包，在MPLS网络所有转发机制都是依据这个标签，该标签告诉分组路径上的交换节点如何处理和转发数据，在离开MPLS网络时解封装MPLS头。MPLS头包括一个20比特的标签，一个3比特的扩展域(最初被定义为扩展，现在使用为C0S-服务类型域)，一个比特的标签栈指示，还有一个