[摘要] 隨著VoIP業(yè)務(wù)在世界范圍內(nèi)的快速發(fā)展，IP網(wǎng)絡(luò)已不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸所需要的服務(wù)質(zhì)量。如何提高實(shí)時(shí)性能，確保通信的服務(wù)質(zhì)量，是IP電話(huà)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，也是技術(shù)難點(diǎn)之一。本文提出了一種資源管理改進(jìn)算法，改善了VoIP的服務(wù)質(zhì)量，提高了帶寬利用率。

[關(guān)鍵詞] 網(wǎng)絡(luò)電話(huà) 服務(wù)質(zhì)量 資源預(yù)留協(xié)議 區(qū)分服務(wù) 準(zhǔn)入控制

VoIP(Voice over IP)俗稱(chēng)IP電話(huà)，是一種基于IP網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通信的技術(shù)手段。它利用電話(huà)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器等設(shè)備將電話(huà)語(yǔ)音數(shù)字化，壓縮成數(shù)據(jù)包，通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)侥康牡?；目的地接收后，將?shù)據(jù)重組和解壓縮還原成聲音。在語(yǔ)音承載方面，VoATM (Voice over ATM)技術(shù)、VoFR(Voice over FR)技術(shù)，以及VoIP技術(shù)在不斷發(fā)展之中，而VoIP以自身的特點(diǎn)在其應(yīng)用方面有著巨大的潛力。

一、VoIP的QoS

VoIP的QoS是指VoIP語(yǔ)音數(shù)據(jù)流通過(guò)網(wǎng)絡(luò)時(shí)的性能。QoS所追求的傳輸質(zhì)量在于：數(shù)據(jù)包不僅要到達(dá)傳輸?shù)哪康牡刂?，而且要保證數(shù)據(jù)包的順序性、完整性和實(shí)時(shí)性。在IP網(wǎng)絡(luò)中，帶寬是影響語(yǔ)音服務(wù)質(zhì)量的最關(guān)鍵因素，由于不同應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求有所不同，所以帶寬本身解決不了網(wǎng)絡(luò)擁塞。因此，必須采用一定的技術(shù)措施來(lái)保障VoIP的服務(wù)質(zhì)量。

二、VoIP QoS解決方案

在VoIP系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，VoIP業(yè)務(wù)的QoS保障措施占有十分重要的地位。在IP網(wǎng)絡(luò)上，如何能在實(shí)時(shí)語(yǔ)音傳輸中保障良好的QoS是VoIP技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。IETF(Internet Engineering Task Force)建議了數(shù)種支持QoS的技術(shù)解決方案，主要有：資源預(yù)留協(xié)議(RSVP)、綜合服務(wù)(IntServ)、區(qū)分服務(wù)(DiffServ)、多協(xié)議標(biāo)簽交換(MPLS)等。

1.資源預(yù)留協(xié)議(RSVP)

在VoIP具體應(yīng)用中，資源預(yù)留協(xié)議通過(guò)RSVP消息，端點(diǎn)應(yīng)用程序可以提出數(shù)據(jù)傳送全程必須保留的網(wǎng)絡(luò)資源，同時(shí)也確定了沿途各路由器的傳輸調(diào)度策略，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)流的QoS進(jìn)行控制。在RSVP中，RSVP采用單向數(shù)據(jù)流資源預(yù)留機(jī)制，如果是雙向數(shù)據(jù)流，則兩個(gè)方向需要獨(dú)立執(zhí)行。

2.IntServ(綜合服務(wù))

該模型的主要思想是模擬面向連接的電路交換提供端到端的服務(wù)質(zhì)量。綜合服務(wù)模型利用信令機(jī)制，根據(jù)每個(gè)IP流精確的QoS等級(jí)描述，進(jìn)行QoS分類(lèi)。IntServ的主要優(yōu)點(diǎn)是為較好地適應(yīng)了不同應(yīng)用的QoS要求，定義了三種服務(wù)類(lèi)型：保證業(yè)務(wù)(Guaranteed Services－GS)；負(fù)載受控服務(wù)(Controlled-load Services－CLS)；盡力而為服務(wù)(Best-Effort)。

但I(xiàn)ntServ也存在一些問(wèn)題。首先，有較差的可擴(kuò)展性和魯棒性；其次，預(yù)留請(qǐng)求將消耗路由器大量的CPU資源，嚴(yán)重制約了路由器的容量；再次，以每一個(gè)數(shù)據(jù)流的大小為基礎(chǔ)預(yù)留網(wǎng)絡(luò)資源，如果來(lái)自VoIP網(wǎng)關(guān)的多個(gè)數(shù)據(jù)流都要求相同的資源，IntServ對(duì)這些數(shù)據(jù)流仍然是逐個(gè)處理。

3.DiffServ(區(qū)分服務(wù))

為了改善IntServ擴(kuò)展性差的缺點(diǎn)，IETF提出了更容易擴(kuò)展的DiffServ體系結(jié)構(gòu)。DiffServ將業(yè)務(wù)流聚集為不同服務(wù)質(zhì)量要求的類(lèi)，通過(guò)降低一個(gè)應(yīng)用的QoS為另一個(gè)應(yīng)用提供較高的QoS，前提是第二個(gè)應(yīng)用的確需要較高QoS而第一個(gè)應(yīng)用并不在意服務(wù)降低所帶來(lái)的差異。

DiffServ體系結(jié)構(gòu)引入了域的概念，一個(gè)DiffServ域可以認(rèn)為是一個(gè)能提供DiffServ業(yè)務(wù)的子網(wǎng)。DiffServ通過(guò)行為聚集(Behavior Aggregate，BA)和PHB的方式來(lái)提供一定程度上的QoS保證。

4.MPLS(多協(xié)議標(biāo)簽交換)

MPLS是一種多協(xié)議標(biāo)簽轉(zhuǎn)換技術(shù)，它兼有第二層交換分組轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)和第三層路由選擇技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，主要解決當(dāng)前使用的分組轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)存在的問(wèn)題。由于MPLS的定位在IP骨干網(wǎng)絡(luò)，因而MPLS保障QoS的主要目標(biāo)是和現(xiàn)有的IP QoS模型集成，而主干網(wǎng)絡(luò)中使用DiffServ已經(jīng)是明顯的趨勢(shì)，因此IETF MPLS工作組將和DiffServ集成作為MPLS標(biāo)準(zhǔn)化的重要任務(wù)之一。

三、RM改進(jìn)算法

目前已有大量的解決方案來(lái)提高通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)接收的語(yǔ)音質(zhì)量。本文提出了一個(gè)VoIP系統(tǒng)中的資源管理改進(jìn)算法，用來(lái)改善QoS和提高帶寬利用率。

1.算法提出

IntServ結(jié)構(gòu)中使用了RSVP，很好地保證了QoS，但它可伸縮性較差，DiffServ是可伸縮的，但它沒(méi)有基于流(per-flow)的機(jī)制，不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)服務(wù)的需要。

準(zhǔn)入控制(Admission Control，AC)算法和資源管理系統(tǒng)是所有提出解決語(yǔ)音QoS最重要的方法。在這些方法中，一種是，AC算法分為集中式和分布式兩種。分布式的的算法中最著名的方法是RSVP缺乏可伸縮性。帶寬代理(Bandwith Broker，BB)是集中式算法中一個(gè)重要的解決方案。另一種是，AC算法分為基于測(cè)量的(Mb)和基于參數(shù)的(Pb)兩種。Mb算法的問(wèn)題是由探測(cè)路徑引起的探測(cè)包負(fù)載和建立呼叫延遲過(guò)大。Pb算法以發(fā)送者請(qǐng)求參數(shù)為基礎(chǔ)決定接收或拒絕通話(huà)，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)的低利用率。

本文在合并Pb和Mb算法的基礎(chǔ)上，提出一種新的集中式算法，通過(guò)提高帶寬的利用率和減少包丟失率來(lái)改善QoS。

2.算法描述

該算法將網(wǎng)絡(luò)分割成比較小的域，每一個(gè)域中有一個(gè)資源管理器(RM)。RM保存了域中資源信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)域中可用的資源來(lái)決定接收或拒絕新的通話(huà)請(qǐng)求，給被允許的通話(huà)計(jì)算最佳路徑和保留必需的資源。RM通過(guò)OSPFte路由協(xié)議獲得所需要的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)上可用資源的信息。RM系統(tǒng)是一個(gè)GK后面隱藏的服務(wù)。在該算法中，客戶(hù)端和其他網(wǎng)絡(luò)元素不需要新的接口。

新算法有兩個(gè)階段：準(zhǔn)入控制階段和更新階段。

(1)準(zhǔn)入控制階段

資源管理器通過(guò)OSPFte協(xié)議獲得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒑涂捎玫馁Y源信息。它根據(jù)這些信息產(chǎn)生兩個(gè)表：link_table和path_table。當(dāng)RM接收一個(gè)新的通話(huà)請(qǐng)求時(shí)，首先，從path_table中提取這個(gè)源、目的地址對(duì)的現(xiàn)有路徑，之后，檢查提取路徑鏈接上的帶寬滿(mǎn)足狀態(tài)：

unused_bw>0 AND unreserved_bw>=requested_bw (1)

在這個(gè)表達(dá)示中，unreserved_bw是：

unreseved_bw=max_reservable_bw-reserved_bw(2)

從一開(kāi)始，max_reservable_bw就等于：

max_reservable_bw=ā*bw(3)

通過(guò)把ā替換成大于1的值，使用了一個(gè)稱(chēng)為“超訂(overbooking)” 的技術(shù)。

(2)更新階段

該算法周期性地測(cè)量未被使用帶寬的實(shí)際數(shù)量，每500ms從網(wǎng)絡(luò)上收集信息和進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。這些信息包括上一個(gè)500ms中每個(gè)路由器傳輸鏈接的比特?cái)?shù)。通過(guò)使用這個(gè)信息能計(jì)算鏈接負(fù)載：

load(j)=bits(j)/(500*bw) (4)

也能計(jì)算基于加權(quán)平均表達(dá)式的鏈接新負(fù)載：

load(i)=w*load(i-1)+(1-w)*load(j) (5)

load(j)是依照上個(gè)測(cè)量計(jì)算的鏈接負(fù)載，load(i)是先前的鏈接負(fù)載。使用加權(quán)平均來(lái)適當(dāng)?shù)刈饔玫酵话l(fā)業(yè)務(wù)上。從鏈接負(fù)載得到每一個(gè)鏈接的unused_bw：

unused_bw=(0.8-load)*bw(6)

0.8是在DiffServ結(jié)構(gòu)中為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)類(lèi)(EF)分配的鏈接帶寬的一小部分。選擇500ms作為更新周期是因?yàn)檫@樣能使更多會(huì)話(huà)有感應(yīng)。

link_table中鏈接信息更新后，重新考慮所有的呼叫活動(dòng)，根據(jù)更新信息計(jì)算新的最優(yōu)路徑。如果新的最優(yōu)路徑和先前的不同，就使用新的最優(yōu)路徑傳輸，從而獲得更好的質(zhì)量。另外，有些時(shí)候使用“超訂”技術(shù)能引起擁塞，加入更新階段可以避免這個(gè)擁塞。

3.算法仿真

本文使用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真器來(lái)檢驗(yàn)RM算法的有效性:首先，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和模型來(lái)驗(yàn)證RM的性能；其次，收集統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，評(píng)估結(jié)果。

測(cè)試拓?fù)湓O(shè)計(jì)了三個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含必需的節(jié)點(diǎn)模型和確定節(jié)點(diǎn)功能的進(jìn)程模型。第一個(gè)節(jié)點(diǎn)是RM，RM的節(jié)點(diǎn)模型由大量的接收者和發(fā)送者模塊組成，模塊的數(shù)量由RM接近的節(jié)點(diǎn)決定。第二個(gè)節(jié)點(diǎn)是路由器，它負(fù)責(zé)路由數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)包。路由器的節(jié)點(diǎn)模型由一個(gè)處理器模塊、大量連接路由器、鄰近節(jié)點(diǎn)的信道和一個(gè)每隔500ms產(chǎn)生的包含路由器傳輸比特?cái)?shù)的源模塊組成。第三個(gè)節(jié)點(diǎn)是外圍節(jié)點(diǎn)。另外設(shè)計(jì)兩個(gè)鏈接模型，一個(gè)是連接路由器的2Mbs鏈路，另一個(gè)是連接路由器和外圍節(jié)點(diǎn)的64Kbps鏈路。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ陀?個(gè)路由器，40個(gè)外圍設(shè)備和一個(gè)RM組成。

4.仿真結(jié)果

仿真結(jié)果在圖1中顯示了測(cè)試拓?fù)淦款i鏈接的吞吐量。帶寬利用率由下面這個(gè)表達(dá)式計(jì)算：

u=(p*s)/b (7)

u:實(shí)際使用的bw的一部分(帶寬利用率)

p:單位時(shí)間接收的包數(shù)量；

s是以bits表示的包大小；

b：總的帶寬。

從圖1可以得出：p大部分時(shí)間是在120packets/s到125packets/s之間，包大小為16kbits/s，總帶寬為2M/s。由表達(dá)式(7)可得出，u數(shù)量大部分時(shí)間是96%，有時(shí)是100%。為了更精確的比較，進(jìn)行拓?fù)渲袥](méi)有RM的仿真。仿真結(jié)果如圖2所示。從圖中可看出p的值為115.7packets/s。由表達(dá)示(7)得出，在沒(méi)有RM的測(cè)試拓?fù)渲械钠款i鏈接的帶寬利用率是92%，可以斷定，加入RM的拓?fù)浣Y(jié)果在瓶頸鏈接的帶寬利用率提高了4%到8%。

在表達(dá)示(5)中最佳結(jié)果的依據(jù)是“w”。第一個(gè)拓?fù)渥罴呀Y(jié)果是把w替換為0.5獲得的，第二個(gè)是0.6。

四、結(jié)論

本文提出了一個(gè)VoIP系統(tǒng)的資源管理改進(jìn)算法。該算法通過(guò)加入一個(gè)更新階段和在A(yíng)C階段中使用“超訂”技術(shù)，提高了語(yǔ)音質(zhì)量和帶寬利用率。本文還通過(guò)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)，證明了該算法的有效性。

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