VoIP在基于MPLS集成模型中QoS技術

2019-11-03 09:03:56

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供稿：網友

周敏1　龍昭華1　王俊峰2

（1. 重慶郵電學院計算機學院重慶400065）

（2. 成都電子科技大學計算機學院 400065）

　　摘要：本文通過對Intserv、Diffserv服務模型以及MPLS提供QoS能力的分析，提出一種結合三者的集成服務模型，其邊緣網絡里采用Intserv，核心網里采用Diffserv Over MPLS。對這個集成模型中主要部件LSR和LER的結構和功能進行分析，最后著重分析了在這個集成模型中傳輸Voip時實現端到端的QoS技術。

　　關鍵詞 VoIP 　QoS　 Intserv　 Diffserv　 MPLS　LSP

1　引言

　　VoIP（Voice over IP）是指利用IP網絡進行語音通信的技術。由于IP技術是一種面向無連接的技術，IP網絡的初衷只是提供一種稱之為“盡力而為”（Best Effort）的服務，這對于只要求準確率而對時延沒有嚴格要求的數據業務來說是合適的，而對于話音、視頻等實時通信業務，它們的服務質量（Quality of Service, QoS）是難以保障的。VoIP的服務主要歸結為承載網絡問題，而目前的網絡帶寬限制是造成時延過大、擁塞的主要原因。另外，在一個網絡中同時提供語音和數據應用，就必須特別考慮語音應用的服務質量。

　　為保證IP網絡上的QoS，IETF首先提出用RSVP發送信號協議的綜合業務模型（Intserv）[1]，在發送數據前對接收端建立路徑和預留資源，通過接納控制、策略控制、分類調度控制等機制實現端到端的QoS。由于要在每個節點上為每一個流進行資源預留，并且要建立和拆除路徑，這就要求每個節點都要支持RSVP，都要維護路由和資源的“軟狀態”信息，這樣它的可擴展性及魯棒性差，在現有的網絡上特別對大型廣域網實現起來比較困難。這就促使LETF去發展區分業務模型（Diffserv）[2]，它是在網絡邊緣將業務流解成很小數據量的聚集流（類），由IP分組頭標的DSCP （Diffserv Code Point，區分業務碼）來標識，在網絡邊緣結點實施分類、標記、管理等功能，在網絡的核心節點僅僅根據DSCP相關的PHB（per-hop-behavior）轉發分組，這簡化了網絡內部節點的結構，這比綜合服務可擴展性要大的多。但Diffserv仍采用了逐跳路由的分組轉發方式，對端到端的QoS支持顯得不足。

　　對VoIP來說，Internet必須具有提供QoS保證以及資源最優化使用這兩個最基本的屬性。最優化使用資源是避免流量阻塞和服務退化的必要的一步，這項工作由流量工程來完成。多協議標簽交換（Multi-PRotocol Label Switching, MPLS）對IP網絡來說已經被廣泛的認為是一個重要的流量控制工具。這種重要性歸結為兩個主要的特征：首先，在傳輸數據包過程中短小而又固定長度的標簽的使用，使其表述性能得到增強；其次，創建電路的能力（label switch path, LSP）在網絡中無需連結[3]。這些MPLS特征無論在Intserv還是在Diffserv中都能夠提供。

　　由此我們可以看出，Intserv/RSVP，Diffserv，以及MPLS在追求端到端的QoS中是互補的技術。因此，為保證VoIP的QoS，采用這樣一種集成模型，在邊緣網絡里采用Intserv，在核心網里采用Diffserv Over MPLS。本文就是討論在這種集成模型上傳輸VoIP業務的QoS技術。

2　MPLS

2.1 MPLS簡介

　　MPLS是一種多協議標簽轉換技術，它兼有第二層交換的分組轉發技術和第三層路由選擇技術的優點，旨在解決當前聯網環境中使用的分組轉發技術所存在的許多問題。MPLS實質是當IP包進入MPLS網絡時被分配一個短小、長度固定、具有本地意義、能區別于其他信息流的標簽作為MPLS頭來封裝這個IP包，在MPLS網絡所有轉發機制都是依據這個標簽，該標簽告訴分組路徑上的交換節點如何處理和轉發數據，在離開MPLS網絡時解封裝MPLS頭。MPLS頭包括一個二十比特的標簽，一個三比特的擴展域（最初被定義為擴展，現在使用為COS-服務類型域），一個比特的標簽棧指示，還有一個比特的TTL（time-to-live）域。

　　MPLS有幾個核心技術和組件：流量工程、基于約束路由、標簽交換路由器（Label Switch Router, LSR）、標簽、標簽交換和標簽分發等，其中LSR是指實現標簽分發并能夠根據標簽轉發分組的交換機或路由器。在一個MPLS網絡中，交換路徑可以是點到點、多到一、一到多和多到多等路徑。

2.2 MPLS上的LSP和流量工程

　　所有的分組都是通過入口LSR進入MPLS網絡，并通過出口LSR離開MPLS網絡的這種機制創建了LSP，它指的是對于特定的FEC，帶標簽的分組到達出口LSR之前，必須經過的一組LSR的標簽序列。這種LSP是單向的，即返回特定FEC中的數據流時，將使用不同的LSP。

　　LSP的建立可以是控制驅動（也就是由控制流量觸發），也可以是數據驅動（也就是特殊流的出現而觸發）。IP包和LSP之間的映射必須在LSR的入口通過為一個標簽指定一個FEC發生。LSR的入口使用一個FEC到NHLFE（Next Hop Label Forwarding Entry）的映射，在轉發的數據包沒有標簽以及在轉發前將被標記時使用。

　　為了建立LSP，LSR使用信令信息來協調和分發標簽。這些信令信息既可以用一種叫做LDP（Label Distribution Protocol）的新協議來承載，也可以用擴展的RSVP[4]去承載。在建立LSP以及支持流量工程的約束路由上兩種協議可以提供相類似的功能。在MPLS網絡中傳輸VoIP流時，一般采用擴展的RSVP去分發標簽綁定信息。

　　流量工程能夠從路由協議計算出的最短路中移動數據流，從而安排數據流通過網絡，避開因不均勻的使用網絡造成的阻塞。因此，在IP網絡上能夠執行流量工程有著很多的好處，主要體現在兩個方面：基于流量的和基于資源的。前者屬于優化關鍵的流量執行特征，如延時，包丟失以及吞吐效率；后者指的是使用最有效的方式使用可用的網絡資源去避免阻塞和低利用率。使用流量工程技術的直接好處是在轉發流量時能避開阻塞點，萬一失敗時能快速地重新選擇路由，能有效使用可利用的帶寬以及QoS。

3　基于MPLS的集成模型

　　整個集成模型結構由邊緣網絡和核心網絡構成。對MPLS來說，它實際上是一個提供VPN的承載網絡，實現多節點QoS需求的無縫連結。邊緣網絡是一個Intserv域，支持綜合服務，RSVP可為業務流提供較好的QoS管理粒度和資源預留，并且能夠穿過核心網絡區域。邊緣網絡通過核心網絡實現端到端的QoS服務，核心網絡是在MPLS之上的Diffserv域，由于MPLS與Diffserv對分組的處理及QoS支持比較相似，二者集成既可保留MPLS的便于流量管理、快速轉發的優點，也可對Diffserv域的資源提供聚合傳輸控制，具有良好的擴展性。下面結合主機A、B實現定量的QoS通信為例，主要介紹幾個部件的相關工作。

3.1　ER

　　ER是純粹的Intserv路由器，在發送與接收間處理正常的RSVP信令信息，并預定的策略控制資源有效性。主機A產生RSVP PATH信令，該信令詳細講述了應用進程要求的QoS，并激活本地流量控制。經過正常的RSVP操作后，信令到達Intserv域邊緣路由器ER。

3.2　BR/LER

　　BR/LER既是Diffserv域邊界路由器，同時也是MPLS域中的標簽邊界路由器LER，結構和功能相對復雜。RSVP信令進入核心網絡時，首先經過Diffserv域，在Diffserv域不識別RSVP的情況下，BR/LER作為純粹的Diffserv邊界路由器BR，將轉發服務要求相同的一類微流聚合，組成一類以DSCP標識的行為聚合（behavior aggregate，BA），并映射到MPLS　LSP上進行轉發，同時對流聚集進行監測、調度。在Diffserv域識別RSVP的情況下， LER實施接納控制，建立LSP，另外對進入的分組還負責分類、申請（或者除去）MPLS標簽，而BR則參加RSVP的信令過程并作為Diffserv域的接納控制代理[5]。

　　入站分組通過BR/LER的分類器后，首先執行第三層的查找，若是沒有標記的分組，將被標記并作為帶標簽的分組發送給核心網絡的其他MPLS節點；若是帶標簽的分組，可以作為帶標簽的分組被轉發給其他的MPLS節點，而對于目的地為非MPLS節點的，刪除標簽并執行第3層查找，由IP轉發表發送出去；其余的作為純粹的IP分組被轉發給非MPLS節點。

3.3　CR/LSR

　　核心網絡中內部的路由器CR，即MPLS域中的LSR，主要完成MPLS分組的標記交換和轉發。CR/LSR結構比BR/LER要簡單得多。當LSR收到一個標記過的數據包后，它就把這個標簽在包含NHLFE的ILM（Incoming Label Map）表里當成索引。進入的標簽被新出去的標簽取代，包被轉發到下一跳，最后，當MPLS包離開網絡時LSR的出口解封裝MPLS頭。LSR還承載Diffserv流聚集的MPLS分組進行調度、整形、丟棄。

4　集成模型上傳輸VoIP的QoS實現技術

　　這種集成模型包括Intserv和Diffserv的集成以及Diffserv和MPLS的集成，前者的關鍵是經由邊緣網絡產生的含有一定的QoS的數據包如何被分類并確定DSCP的值，也就是如何將Intserv各種服務類型映射到Diffserv的PHB（per hop behavior）；后者的關鍵是如何將Diffserv中的BA映射到MPLS中的LSP上。在這只考慮BA不多于八種的情況，Intserv、Diffserv和MPLS之間的服務映射見表一。下面結合集成模型上傳輸VoIP來對其QoS實現技術進行分析。

4.1 Intserv和Diffserv的集成

　　Intserv定義三種服務類型：

　?。?）確保業務（Guaranteed Service, GS）：可提供一種端到端的嚴格固定隊列延遲的服務，確保帶寬。

　　（2）可控負載服務（Controlled-load Service, CL）：比盡力服務要好，是一種相當于在負載不重的網絡上進行的盡力而為的服務。

　?。?）盡力服務（Best Effort，BE）：傳統的服務，沒有在QoS保障。

　　對于屬于GS的VoIP分組，MPLS網絡必須能夠識別并將它們從網絡中的數據分組中區分出來，才能在MPLS網絡上提供特別QoS支持。在Diffserv網絡里，定義一種替代的報頭域，叫做DS域，它替代IPv4 TOS字節（RFC 791）以及IPv6流量類字節。DS被分割為一個六比特的DSCP字段和一個兩比特的CU（current unused）字段，DS域使用DSCP去選擇每一個接口的PHB，CU字段還沒分配，是為ECN（explicit congestion notification）預留的，可以用于前向/后向擁塞通知，這在幀中繼網絡中非常有用。當決定PHB應用到一個已收到的數據包時CU的作用被相應的DS接口忽略。

　　依據DSCP設置標記包的系統的能力，以同樣的DSCP設置收集的包或以一個特定的方向發送的包將被集合成BA。從多種信息源或者應用傳送來的包可以屬于同樣的BA。換句話說，當用SLA（service level agreement）或者策略映射配置時，PHB指的是在任何給定的屬于BA的包上對包進行排序，隊列，管理或者對節點修整的形為。PHB有四種類型，分別為default PHB、Class-Selector PHB、Assured Forwarding（Afny） PHB、Expedited Forwarding（EF） PHB （詳細說明見RFC2474，2597，2598）。

　　RSVP作為Diffserv的組件，提供一個保證帶寬的服務，VoIP需要這種健壯（robust）的服務。而作為Diffserv的關鍵組成部件EF PHB，支持這種健壯的服務，并提供低丟失、低延遲、低抖動以及確定的帶寬服務，很好滿足VoIP的QoS的要求。在使用優先排隊（priority queueing，PQ）以及類（或者BA）上速率限制時執行EF。在Diffserv網絡中執行EF PHB時，它提供虛擬專用線路，或者額外的服務。因此，EF PHB是對VoIP這樣要求低帶寬，保證帶寬，低時延，低抖動的應用是最理想的。

　　這樣，通過DS域的使用，能夠在BR/LER對語音的有效負載流量和信令流量指定不同的優先等級。語音缺省的DSCP為101110（RFC 2598），信令缺省的DSCP為011010（RFC 2597）。對CISCO IOS的IP DSCP的配置及驗證見[6]。

4.2　Diffserv和MPLS的集成

　　在MPLS網絡里將服務定義為以下幾類：

　　（1） Premium：對延時很敏感的一類，以PDA（peak data rate）速率最大可能的傳遞用戶數據包，低于PDA的數據包將被丟棄。

　?。?） Olympic：對呑吐量很敏感的一類，由三種服務類組成：Gold，Silver以及Bronze。在每個類里有兩個微處理級，網絡至少以CDR（committed data rate）速率最大可能傳遞用戶數據包，可以高于該速率，但如果低于該速率數據包傳遞的可能性就極小。

　　（3） Best Effort：網絡里無QoS保證的服務類。

　　很顯然，要將VoIP分組映射為Premium類，也就是須將封裝VoIP的MPLS頭中Exp字段映射成111，具有最高的服務等級。其實，如何將BA映射到LSP實質上是如何在MPLS分組頭標中攜帶BA信息（DSCP）[7]。把一類具有相同隊列處理要求、調度行為，但丟棄優先級不同的PHB定義為一個PHB調度類（PHB　Scheduling Class, PSC）[8]，那么這樣映射實質上也是就是如何在MPLS頭標中標識分組所屬的PSC以及分組的丟棄優先級。IETF組織將LSP分為兩類，即E-LSP和L-LSP。E-LSP定義8種BA，映射到MPLS標記的Exp字段超過8種BA時，定義為L-LSP，要聯合使用Lable字段和Exp字段標識種類，可單獨使用Exp字段表示丟棄優先級，但擴展性不如E-LSP。兩種服務之間的映射關系見表一。

　　在MPLS網絡中，提供無擁塞（較低的延遲、抖動和分組丟失率）LSP對VoIP業務至關重要的。在MPLS網絡里存在一個這樣的問題，就是路由器建立了-個LSP，卻不能保證該路由器能夠處理這個LSP的帶寬要求，其它通過這個路由器的LSP可能會與它爭奪相同的資源。MPLS網絡采用RSVP技術，RSVP是一種與電路交換網絡的呼叫建立非常類似的帶寬預留技術，這樣就可以在每個路由器為每個LSP預留帶寬，這樣從開始就避免了路由器的過度預訂。此外，在為VoIP語音業務指定網絡資源時，需要根據嚴格的計算，逐個鏈路進行，MPLS的流量工程可以勝任這種工作。流量工程利用RSVP為語音業務流預留資源，如果最短路徑的資源不夠，流量工程可以建立路由來傳送業務。如果RSVP建立MPLS流量工程隧道，MPLS標記也可用于這種業務流。這些標記加上Exp比特，為話音流提供了一個簡單、可擴展的標識方式。

5 結論

　　本文首先對IP網絡上的各種QoS服務模型進行了分析和比較，并著重分析了MPLS的工作原理，在此基礎上深入研究了一種結合Intserv、Diffserv和MPLS的集成服務模型，特別分析了其邊緣路由器和核心路由器的結構及功能。然后重點分析在集成模型上的傳輸VoIP的QoS實現技術，包括各服務類型之間的映射。隨著技術和標準的不斷成熟，伴隨著“三網合一”的大潮，VoIP可望成為下一代電信基礎設施結構的核心，使未來各電信業務統-到IP網上，如何更好地保證VoIP的QoS，還需要作更多的有益的探討。

參考文獻

[1] ITEF working Group. On Integrated Service. http://www.ietf.org./html.charters/intserv chartetr.html

[2] ITEF working Group. On Differentiate Service. http://www.ietf.org/html.charters/diffserv charter.html

[3] Horlait Eric, Rouhana Nicolas. Differentiated Services and Integrated Services Use of MPLS, Fifth IEEE Symposium on Computers and Communications （ISCC 2000） July 04 - 06, 2000 Antibes, France. p. 194.

[4] Awduche D, Berger L. RSVP-TE: Extensions to RSVP for LSP Tunnels. RFC 3209, Dec.2001. http://www.faqs.org/rfcs/rfc3209.html

[5] Bernet Y, et al. A framework for Integrated Services Operation over Diffserv Networks. RFC 2998, Nov. 2000. http://www.faqs.org/rfcs/rfc2998.html

[6] Classifying VoIP Signaling and Media with DSCP for QoS http://www.cisco.com/univercd/cc/td/doc/product/software/ios122/122newft/122t/122t2/ft_dscp.pdf

[7] Heinanen J, Baker F. Assured Forwarding PHB Group, RFC-2597, June 1999. http://www.faqs.org/rfcs/rfc2597.html

[8] Faucheur F Le, et al. Multi-protocol Label Switching （MPLS） Support of Differentiated Services. RFC 3270, May2002. http://www.faqs.org/rfcs/rfc3270.html

　　周敏，男，碩士生，現從事IP QoS、網絡多媒體技術等方面的研究。

　　龍昭華，男，副教授，碩士生導師，主要研究方向：寬帶網絡、路由技術、IP QoS等。

　　王俊峰，男，博士生，現從事計算機網絡、廣域網監控、路由控制等方面的研究。

----《中國數據通信》