郎 赫，張宇辰，姜元建，李 洋，羅 威，李 揚(yáng)

(1.國網(wǎng)天津市電力公司信息通信公司，天津 300010；2.南瑞集團(tuán)公司 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院,江蘇 南京 211000；3.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,江蘇 南京 210003)

IMS網(wǎng)絡(luò)的視頻會(huì)議接入QoS保證

郎 赫1，張宇辰1，姜元建2，李 洋2，羅 威2，李 揚(yáng)3

(1.國網(wǎng)天津市電力公司信息通信公司，天津 300010；2.南瑞集團(tuán)公司 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院,江蘇 南京 211000；3.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,江蘇 南京 210003)

IP多媒體子系統(tǒng)(IMS)作為下一代網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)，在現(xiàn)代視頻會(huì)議中廣泛采用IMS作為關(guān)鍵技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的視頻會(huì)議接入，從而為用戶提供可靠的QoS(服務(wù)質(zhì)量)保證。為此，設(shè)計(jì)并提出了一種基于IMS網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議的QoS保證架構(gòu)。該架構(gòu)采用從核心網(wǎng)和承載網(wǎng)多個(gè)層次實(shí)現(xiàn)IMS網(wǎng)絡(luò)QoS保證的解決思路，通過上下兩個(gè)層次保證QoS。上層改進(jìn)了區(qū)分服務(wù)(DiffServ)策略控制和計(jì)費(fèi)(PCC)架構(gòu)，使視頻會(huì)議中的不同業(yè)務(wù)(語音，視頻，數(shù)據(jù))享有不同的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的業(yè)務(wù)會(huì)享有更優(yōu)的QoS保證，實(shí)現(xiàn)更加靈活的QoS；下層利用多協(xié)議標(biāo)簽轉(zhuǎn)換(MPLS)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)DiffServ模型的承載。仿真結(jié)果表明，所提出的MPLS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)資源占用率要優(yōu)于普通網(wǎng)絡(luò)，所采用的整體系統(tǒng)架構(gòu)有效可行，能夠達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源、提高服務(wù)質(zhì)量的目的。

IP多媒體子系統(tǒng)；服務(wù)質(zhì)量；區(qū)分服務(wù)；多協(xié)議標(biāo)簽轉(zhuǎn)換

0 引 言

IMS是一種基于會(huì)話發(fā)起協(xié)議(SIP)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，IMS全I(xiàn)P核心網(wǎng)采用分組交換模型來提供多媒體業(yè)務(wù)，IMS網(wǎng)絡(luò)既可以應(yīng)用于支持傳統(tǒng)話音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，同時(shí)也可以支持多網(wǎng)絡(luò)、多終端接入到統(tǒng)一的IP核心網(wǎng)。由于這些技術(shù)特性，基于IMS的下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN)架構(gòu)將是通信產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的重要目標(biāo)[1]。

目前的IMS商用化進(jìn)程中存在一大難題，那便是現(xiàn)有的IMS網(wǎng)絡(luò)無法提供電信級(jí)的QoS保證。所以當(dāng)IMS為NGN提供技術(shù)支持的同時(shí)，必須首先解決基于全I(xiàn)P應(yīng)用的電信級(jí)QoS保障問題[2]。IMS是3GPP在Release5版本中提出的旨在支持IP多媒體業(yè)務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)[3]，并在其后版本中逐步完善。在不同的版本演進(jìn)過程中，IMS核心網(wǎng)絡(luò)QoS控制策略是一個(gè)研究的聚焦點(diǎn)。但是，對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的端到端QoS的相關(guān)研究卻非常少。由于IMS核心網(wǎng)絡(luò)的信令和數(shù)據(jù)是基于IP承載層，所以QoS也需要依靠IP網(wǎng)絡(luò)的支持。為此，改進(jìn)了IETF區(qū)分服務(wù)DiffServ模型，該模型根據(jù)不同的訂閱服務(wù)類型和不同的業(yè)務(wù)屬性來提供不同的QoS控制策略，并且由IP網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)多協(xié)議標(biāo)簽交換(MPLS)獲得DiffServ的承載。鑒于在版本演進(jìn)過程中IMS的QoS已經(jīng)研究了大量的不同問題，但由動(dòng)態(tài)QoS需求帶來的問題以及業(yè)務(wù)層重設(shè)和它們?cè)趥鬏斁W(wǎng)絡(luò)中的影響均沒有加以考慮，因此設(shè)計(jì)并提出了增強(qiáng)的PCC架構(gòu)，以解決QoS動(dòng)態(tài)需求的問題。

1 DiffServ及MPLS概述

1.1區(qū)分服務(wù)

IETF工作組為了改進(jìn)綜合服務(wù)(IntServ)擴(kuò)展性差的缺點(diǎn)，提出了區(qū)分服務(wù)(DiffServ)，目的是制定一個(gè)可擴(kuò)展性相對(duì)較強(qiáng)的方法來保證IP的服務(wù)質(zhì)量[4]。與IntServ不同，DiffServ是基于類的QoS技術(shù)，不需要信令。在網(wǎng)絡(luò)入口處，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備檢查數(shù)據(jù)包內(nèi)容，并為數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類和標(biāo)記，所有后續(xù)的QoS策略都依據(jù)數(shù)據(jù)包中的標(biāo)記做出。DiffServ模型可以對(duì)IMS媒體業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)基于用戶業(yè)務(wù)的差分授權(quán)和管理，目前的DiffServ模型功能包含AF(應(yīng)用功能)、PCRF(策略和計(jì)費(fèi)規(guī)則功能)、PCEF(策略和計(jì)費(fèi)執(zhí)行功能)和SPR(用戶屬性存儲(chǔ)器)[5]。

1.2多協(xié)議標(biāo)簽交換

多協(xié)議標(biāo)簽交換(MPLS)是下一代IP承載網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)[6]。作為一種三層交換技術(shù)，它組合了網(wǎng)絡(luò)層路由機(jī)制和鏈路層標(biāo)簽轉(zhuǎn)換機(jī)制。在MPLS網(wǎng)絡(luò)的入口，標(biāo)簽轉(zhuǎn)換路由器(LSR)為每個(gè)分組基于轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類(FEC)分配固定長度的標(biāo)簽。在MPLS網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部，路由節(jié)點(diǎn)根據(jù)分組攜帶標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)分組[7]。

MPLS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 MPLS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2 上層DiffServ模型的設(shè)計(jì)

將于上下兩個(gè)層次實(shí)現(xiàn)QoS的保證，上層是DiffServ模型，對(duì)IMS媒體業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)基于用戶業(yè)務(wù)的差分授權(quán)和管理，在此基礎(chǔ)上新增QoS-LRF(QoS Level Relocation Function)功能，負(fù)責(zé)重設(shè)QoS等級(jí)。QoS-LRF主要目的是為了使視頻會(huì)議中的不同業(yè)務(wù)(語音，視頻，數(shù)據(jù))享有不同的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的業(yè)務(wù)會(huì)享有更優(yōu)的QoS保證，實(shí)現(xiàn)更加靈活的QoS，同時(shí)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源。下層利用MPLS技術(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)DiffServ模型的承載，借以實(shí)現(xiàn)IMS端到端的QoS保證。MPLS是利用標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的，將DiffServ中的行為聚合映射成不同的標(biāo)簽，在轉(zhuǎn)發(fā)過程中，交換節(jié)點(diǎn)僅依據(jù)標(biāo)簽進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，提高轉(zhuǎn)發(fā)效率，保證QoS。首先考慮上層DiffServ模型的設(shè)計(jì)。

2.1區(qū)分服務(wù)模型架構(gòu)

研究聚焦視頻會(huì)議中擁堵的網(wǎng)絡(luò)，其中需要利用不同的機(jī)制去解決不同會(huì)話試圖接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)的沖突。在目前的IMS架構(gòu)中，這些機(jī)制基于包含在分配和保留優(yōu)先級(jí)(ARP)中的QoS參數(shù)信息，ARP參數(shù)影響了信息優(yōu)先等級(jí)[8]，提前占用能力(PEC)和被搶占能力(PEV)，而PEC與PEV分別定義為會(huì)話從已經(jīng)配置給其他低等級(jí)會(huì)話處獲取資源的能力，以及低等級(jí)會(huì)話對(duì)于高等級(jí)失去資源的能力。然而，目前并沒有完整的規(guī)范來規(guī)定這些參數(shù)如何被應(yīng)用于解決沖突，從而配置可能根據(jù)自己所方便的載體被應(yīng)用。如果信息的這個(gè)問題沒有被說明，那么每個(gè)載體可能遵循3GPP提出的服務(wù)優(yōu)先級(jí)應(yīng)用自己的配置，但是可能錯(cuò)過合適的配置，從而導(dǎo)致即將進(jìn)入用戶服務(wù)和當(dāng)前用戶服務(wù)被拒絕概率的增加。

DiffServ對(duì)于每一跳行為(PHB)分配了網(wǎng)絡(luò)容量的百分比，這基于先前的信息載體知道其用戶的需求[9]。盡管有著精確的信息，IMS服務(wù)引入的動(dòng)態(tài)機(jī)制為載體收集信息也非常困難，同時(shí)當(dāng)引入了不同載體之間的聯(lián)系，有些場(chǎng)景中的一些服務(wù)就會(huì)被拒絕。IMS引入了動(dòng)態(tài)服務(wù)，這些服務(wù)的QoS需求具有一定的靈活性，靈活性可以用于定義一種機(jī)制，這種機(jī)制在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)沒有足夠資源時(shí)不需要通過阻塞或取消會(huì)話的方式來解決會(huì)話沖突。采用阻塞和取消的概念來區(qū)分會(huì)話在網(wǎng)絡(luò)中如何被拒絕，當(dāng)一個(gè)新的會(huì)話試圖去接入網(wǎng)絡(luò)并且其請(qǐng)求被拒絕，稱之為阻塞會(huì)話；當(dāng)會(huì)話已被激活等到它從網(wǎng)絡(luò)中被移除，稱之為取消會(huì)話。

在R7中規(guī)定了IMS策略和計(jì)費(fèi)控制架構(gòu)PCC包含了計(jì)費(fèi)和QoS的高級(jí)功能[10]。它主要由四個(gè)實(shí)體組成，策略與計(jì)費(fèi)規(guī)則功能(PCRF)是負(fù)責(zé)制定決策的實(shí)體，尤其是策略控制和基于流的計(jì)費(fèi)控制。其決定確切的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流如何對(duì)待和授權(quán)QoS資源。由PCRF做出的決策傳輸?shù)讲呗约坝?jì)費(fèi)執(zhí)行功能(PCEF)，其主要負(fù)責(zé)策略執(zhí)行，QoS處理，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流檢測(cè)和其他計(jì)費(fèi)功能。在IMS網(wǎng)絡(luò)中,應(yīng)用功能(AF)是通過代理呼叫會(huì)話控制功能(P-CSCF)完成的。這個(gè)部分提供需要?jiǎng)討B(tài)策略和計(jì)費(fèi)控制的應(yīng)用程序。它同時(shí)也提供一些會(huì)話相關(guān)的信息，需要PCRF做出決策。最后是用戶屬性存儲(chǔ)器(SPR)，包含有與所有簽約用戶或簽約相關(guān)的信息，如接入類型、位置信息和使用次數(shù)，簽約用戶的類型等，SPR與PCRF通過Sp參考點(diǎn)進(jìn)行交互。

提出了一種增強(qiáng)的IMS中的QoS架構(gòu)，這種架構(gòu)可以支持靈活業(yè)務(wù)，并且可以重新設(shè)定QoS等級(jí)。首先，根據(jù)PCC架構(gòu)中服務(wù)層的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)[11]，規(guī)定了一個(gè)叫做服務(wù)靈活性比特(SFB)的新參數(shù)，用以反映重新定位到不同QoS等級(jí)的服務(wù)能力。SFB可以設(shè)定為“1”或“0”,各自表示會(huì)話接受或不接受重新定位。提出的增強(qiáng)PCC架構(gòu)如圖2所示。這個(gè)架構(gòu)引入了一個(gè)新的實(shí)體，稱作QoS等級(jí)重新定位功能(QoS-LRF)，其負(fù)責(zé)做關(guān)于會(huì)話重新定位QoS等級(jí)的決定。

圖2 增強(qiáng)的PCC架構(gòu)

2.2QoS等級(jí)重新設(shè)定功能

QoS-LRF利用SFB給出的信息，如優(yōu)先權(quán)等級(jí)，PEC和PEV，除此之外還有傳輸網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的參數(shù)，以決定會(huì)話是否需要被重新設(shè)定，以及重新設(shè)定在什么等級(jí)。以國網(wǎng)天津市電力公司IMS融合視頻會(huì)議系統(tǒng)為例，融合視頻會(huì)議需要向著開放性、融合性、簡(jiǎn)易性和多樣性的方向發(fā)展，這就必然會(huì)涉及到多種不同服務(wù)接入網(wǎng)絡(luò)，并且這些服務(wù)根據(jù)其占用帶寬等資源能力和對(duì)延遲的不同需求，從而具有不同的優(yōu)先級(jí)，1表示最高的優(yōu)先級(jí)，如表1所示。

表1 各種服務(wù)優(yōu)先權(quán)等級(jí)

根據(jù)優(yōu)先權(quán)等級(jí)的分類和可能用到每一個(gè)這些等級(jí)的服務(wù)，定義服務(wù)重新定位作為一種在不同的優(yōu)先權(quán)等級(jí)保留所需的網(wǎng)絡(luò)資源的可能性，同時(shí)轉(zhuǎn)移業(yè)務(wù)到一個(gè)不同的等級(jí)并根據(jù)新的等級(jí)規(guī)定的QoS參數(shù)來提供服務(wù)。QoS-LRF特性的主要目的是使得在QoS等級(jí)中具有高優(yōu)先權(quán)的會(huì)話受益，同時(shí)使得網(wǎng)絡(luò)資源最優(yōu)化，提供利用其他QoS等級(jí)資源的可能性。

利用PCC架構(gòu)提出的提前占用功能，PEC和PEV參數(shù)給了利用其他會(huì)話資源的可能性，SFB的引入給予了在其他QoS等級(jí)中去使用優(yōu)先占用功能的可能性。QoS-LRF的算法流程如圖3所示。

圖3 QoS-LRF算法流程

3 基于MPLS的IMS網(wǎng)絡(luò)QoS保證

端到端QoS由終端，接入網(wǎng)絡(luò)和多級(jí)核心網(wǎng)共同保證。在IMS架構(gòu)中，核心網(wǎng)絡(luò)信令和數(shù)據(jù)是基于IP承載，IP承載網(wǎng)是運(yùn)營商為了承載有較高傳輸質(zhì)量要求的業(yè)務(wù)，以IP技術(shù)構(gòu)建的一張專網(wǎng)[12-13]。因此，IMS的QoS是依賴于IP網(wǎng)絡(luò)的QoS支持，在考慮基于IMS網(wǎng)絡(luò)的視頻會(huì)議QoS時(shí)，不僅要考慮到IMS核心網(wǎng)絡(luò)PCC(策略和計(jì)費(fèi)控制)架構(gòu)設(shè)計(jì)，同樣要考慮承載層來支持系統(tǒng)的有效性。下面研究用MPLS技術(shù)搭載DiffServ模型，實(shí)現(xiàn)IMS端到端QoS保證。

3.1利用MPLS承載DiffServ實(shí)現(xiàn)QoS保證

目前實(shí)現(xiàn)QoS保證的機(jī)制主要分為兩個(gè)模型：IntServ和DiffServ。其中IntServ模型采用網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留協(xié)議(RSVP)，其優(yōu)點(diǎn)在于可以提供絕對(duì)的QoS保證，但其缺點(diǎn)更加明顯，表現(xiàn)為可拓展性差，對(duì)路由器要求高，使得其實(shí)際應(yīng)用要求較高。與IntServ模型相比，DiffServ模型在擴(kuò)展性上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。該模型將復(fù)雜計(jì)算任務(wù)集中于網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)，核心路由器處理過程相對(duì)比較簡(jiǎn)單。然而，DiffServ模型通過多跳路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議獲得端到端QoS保證存在支持問題的不足[14]，因此可以利用MPLS，以使得映射網(wǎng)絡(luò)層路由分組轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)鏈路層的標(biāo)簽交換，能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)端到端QoS保證創(chuàng)建一個(gè)基本的平臺(tái)。

3.2基于MPLS的IMS網(wǎng)絡(luò)QoS總體架構(gòu)

基于MPLS的IMS網(wǎng)絡(luò)[2]QoS整體架構(gòu)如圖4所示，主要涉及在控制層IMS會(huì)話建立過程中的QoS參數(shù)授權(quán)管理以及在MPLS承載網(wǎng)中數(shù)據(jù)包傳輸過程中的QoS保證。圖中的虛線表示用戶終端和IMS核心網(wǎng)元之間信令的相互傳輸，用戶終端進(jìn)行服務(wù)業(yè)務(wù)應(yīng)用，經(jīng)過核心網(wǎng)絡(luò)協(xié)商后接入資源授權(quán)；實(shí)線表示數(shù)據(jù)和媒體流的傳輸，主要和承載網(wǎng)絡(luò)中的門控，路由和轉(zhuǎn)發(fā)有關(guān)。

圖4 基于MPLS的IMS網(wǎng)絡(luò)QoS整體架構(gòu)

4 仿真結(jié)果

根據(jù)改進(jìn)的IMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對(duì)改進(jìn)后的整體網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，圖5為普通網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)資源占用情況。

圖5 不同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)資源的占用情況

在傳輸相同數(shù)據(jù)量的情況下，兩種不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所提供的服務(wù)質(zhì)量是不同的，可以由其所占用的網(wǎng)絡(luò)資源比例的不同反映出不同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)之間QoS的差別，能夠明顯看出，普通網(wǎng)絡(luò)的資源占用率要高于新策略機(jī)制下的網(wǎng)絡(luò)。新策略下的IMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將不同類型的服務(wù)根據(jù)其優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分類，保證優(yōu)先權(quán)等級(jí)高的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先接入網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)利用MPLS對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效承載，提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率，使得網(wǎng)絡(luò)整體具有更好的服務(wù)質(zhì)量。

5 結(jié)束語

為設(shè)計(jì)一種基于IMS網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議的QoS保證架構(gòu)，通過采用分層架構(gòu)實(shí)現(xiàn)QoS保證，上層改進(jìn)DiffServ模型策略控制和計(jì)費(fèi)(PCC)架構(gòu)，使得系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更加靈活的QoS，下層利用MPLS技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)DiffServ模型的有效承載。這種通過從核心網(wǎng)和承載網(wǎng)多個(gè)層次實(shí)現(xiàn)IMS網(wǎng)絡(luò)QoS保證的解決思路，可以達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源、提高QoS保證的目的，能夠滿足多業(yè)務(wù)、多用戶的不同需求，從而結(jié)合公司實(shí)際情況進(jìn)行應(yīng)用。

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QoS Assurance for Video Conference Access in IMS Network

LANG He1，ZHANG Yu-chen1，JIANG Yuan-jian2，LI Yang2，LUO Wei2，LI Yang3

(1.State Grid Tianjin Electric Power Company,Tianjin 300010,China;2.State Grid Electric Power Research Institute，NARI Group Corporation，Nanjing 211000,China;3.Institute of Telecommunications & Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

As the core technology in next generation network,IP Multimedia Subsystem (IMS) has been widely used as a key technology in modern video conference.If it is needed to ensure the high quality of video conference access,it is necessary to provide reliable QoS (Quality of Service) guarantee.A QoS architecture based on IMS network video conference is proposed,in which the method of realizing IMS network QoS guarantee from multiple levels of the core network and bearing network is adopted.It has provided two layers of QoS,the upper of which has improved Differentiated Services (DiffServ) Policy Control and Charging (PCC) architecture to make different services (voice,video,data) in video conference with different priorities.Service with high priority would enjoy better QoS guarantee and therefore more flexible QoS has been achieved in this way.The other layer uses the Multi-Protocol Label Switching (MPLS) technology to achieve the DiffServ model bearer.The simulation shows that the network resources utilization of it is better than that of common one,as well as effectiveness of overall system and that it has achieved the goal of optimizing network resources and improving QoS.

IP multimedia subsystem；quality of service；differentiated services；multi-protocol label switch

2016-10-28

：2017-02-17 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間：2017-07-11

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61302100)；國網(wǎng)天津市電力公司2016年科技項(xiàng)目(KJ16-1-16)

郎 赫(1982-)，男，碩士，中級(jí)工程師，從事通信傳輸、交換等項(xiàng)目建設(shè)管理工作。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170711.1456.074.html

TN929.5

:A

:1673-629X(2017)09-0175-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.09.038