應用業務級別（CoS）提高VoIP質量

2019-11-03 09:05:56

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供稿：網友

Juniper網絡公司 Matt Kolon

　　盡管從本質上講，IP網絡不適于話音業務，但是對于尋求融合網絡所提供的效率、擴展性和集成優勢的話音網絡設計人員來說，IP網絡已被證明是一個不可抗拒的目標。網絡建設者借助現代路由器的業務級別（CoS）功能，可以將話音與“盡力而為”數據業務整合在一起，組成極具誘惑力的個人和企業業務套餐。

　　描述在無連接數據網絡上傳輸話音業務的問題是一件輕松的事情，但解決這些問題卻相當困難，在同時承載數據業務的網絡上尤為如此。主要的問題是時延、抖動和數據包丟失。為了滿足話音通信的質量要求，網絡設計人員的主要辦法是融合網絡上的路由器所提供的數據包處理與傳輸方案，有效設計與使用這些數據包處理能力可以使原本質量很差、幾乎無法使用的VoIP業務與傳統電話業務的質量不相上下。而且，靈活的數據包處理能力還可以幫助人們高效、均衡地利用網絡資源，這是多業務網絡實現盈利所必需的。

一、什么是IP CoS？

　　對于IP CoS的叫法，學術界一直爭論不休，但不管怎么定義，IP CoS功能是網絡區分不同應用并進行差別對待的功能的最常用名稱。CoS只不過是對具有某些特性的數據包進行優先處理。比如，融合網絡應確保話音數據包按照以下方式進行處理：在時延、抖動與丟包指標的容限內將語音數據包送至目的地。為了做到這一點，網絡可能必須延遲，甚至丟掉非話音業務。這種做法是不得已而為之，但要優于降低話音質量的方法，在后一種做法中，話音質量可能無法令人接受。

　　任何一個CoS模型均都包含多種功能，但簡單的話音CoS模型可能具備下列功能：

　　能夠區分話音業務與數據業務的業務分類；

　　在內存中分別規定語音和數據緩沖區的排隊機制；

　　用于清空隊列、允許進行優先傳輸并執行擁塞控制與流量整形等其他功能的緩沖調度機制。

　　策略操作，比如過濾、警管、速率限制、標記、記錄、基于策略的路由等操作，允許用戶定義某一特定業務等級的控制機制。

　　下面我們更詳細地介紹CoS模型的各種功能：

　　1. 分類

　　為了按照成功提供業務的要求處理每一種類型的業務，必須首先能夠區分并識別業務類型。在無連接網絡中，通常必需分析每個數據包，根據包頭中的某些顯性或隱性數據為其指定一個業務級別。比如，顯性CoS信息可能包含在IP包頭的TOS字節（也稱為diffserv字節）中，或在MPLS包頭的EXP字段中。

　　對于按照這種方式從路由網絡中導出特定的CoS的數據包來說，數據包到達網絡邊緣時必須進行標記，但這種標記極其復雜。VoIP網關與軟交換機向話音業務分配TOS或diffserv代碼的方式有所區別——事實上，某些VoIP網關和軟交換機根本不能顯性地對業務進行標記。對于特定類型的業務應當使用哪種類型的代碼，供應商與網絡實施供應商也有不同的意見。這導致某些路由器供應商在其產品中嵌入多業務分類功能，這樣路由器就能分析數據包的任何包頭的任何字段，并使用隱性信息指定所需的業務級別。比如，可以對一個路由器進行配置，讓其尋找包含RTP（實時傳輸協議，在某些架構中用于傳輸話音業務）包頭的IP包并為它們分配CoS。

　　2. 排隊

　　一旦對數據包進行分類并采取了基于策略的操作，這些數據包必須緩存少量時間，以便按照數據包相應級別所適用的模型等待傳輸。排隊只是在瞬間擁塞的情況下才顯得重要，因此，在對網絡進行正確配置的情況下，數據包就不必在隊列中等待。（還需指出：除非在其前面有其他的數據包，否則數據包排隊的過程并不影響轉發性能。）每個業務級別通常需要自己的排隊緩沖空間，并且所需的空間大小是業務進入與離開隊列的速度、允許數據包等待傳輸的最大時長的函數。在VoIP與其他實時業務中，緩沖區空間相對較小，因為對于接收端網關來說，話音業務如排隊太長，將變得毫無用處并被忽略。因此，由于排隊緩沖空間不足導致的偶然丟包的損失并不是太大。

　　3. 調度

　　在CoS模型中，也許最復雜的部分就是嚴格確定傳輸不同級別數據包的間隔，以便使每類業務具備所需的業務特性，且不對其他業務造成太大影響。最簡單的調度規則就是FIFO（先進先出），即數據包按照它們達到的順序傳輸。從實施的角度看，這是有吸引力的，但該簡單方式本身有不少問題。即便對簡單的融合話音與數據網絡來說，如果按時間均勻間隔，大小相對較小的話音數據包的傳輸也將面臨增加時延、抖動與丟包的問題，因為在一個又一個的路由器中，這些數據包被迫排在大小更大、長度可變的數據包后面。將話音與數據包分別放入它們自己的緩沖區，并按照業務的需求處理每個緩沖區就會更有意義。對于多隊列調度來說，有不同的方式，每個方式都有自己的優缺點：

　　優先排隊允許為每個隊列指定優先級，并對隊列進行處理，以便話音隊列總是在數據隊列之前清空。這實施起來簡單，也容易理解，但可能導致數據包時延與丟包率過高，因為數據包要等待話音隊列清空。PQ變量（稱為速率控制型優先排隊）能夠讓網絡設計人員規定話音隊列占用帶寬的限值，以防止數據業務完全中斷。

　　公平排隊機制試圖通過為每個話音或數據流指定自己的隊列并按照循環順序處理每個隊列，克服優先排隊的局限，使每個隊列達到更加一致且可以預測的服務水平，但這對路由器內存與處理能力提出了嚴格的要求。

　　加權公平排隊為每個隊列分配一個與所需帶寬百分比相對應的權重，，并決定是否處理某一特定隊列時考慮到數據包的長度。這有助于為某一特定業務級別可能遇到的延遲設定一個界限，但實施起來很復雜。

　　加權循環排隊試圖通過確保適當處理要求迥異的業務流來克服上述局限性。該機制允許每次在進行處理時，一個隊列發送一個以上的數據包。做到這一點的同時仍然確保公平對待所有隊列是一個難以處理的問題。目前業界已對這種機制進行了一系列改進，并且開發出多種變體。

　　這些只是簡單的描述，每種排隊方法的具體處理方式要復雜得多。在此只是用于簡要說明討論話音與數據融合網絡的CoS需求的復雜性。各廠商并非要使用單一模型，通常情況下會實施混合調度模型。這通常允許用戶配置上面所述的許多參數，以定制特定類型的業務的處理方式?！　?. 策略操作

　　最后，經常必需能夠針對具體數據流、業務級別或數據包采取其他基于策略操作。例子之一就是TOS或CoS重寫，路由器顯性地對數據包進行標記，指示數據包通過網絡傳輸時應當賦予的業務級別。換句話來說，如果必須在網絡邊緣進行多字段分類，可以在傳輸過程中設置數據包的TOS或diffserv值，以標記屬于某一特定級別的數據包。這樣，后續的路由器就不需要進行多字段分類，只需了解顯性的CoS并對數據包進行相應的處理。更重要地是，這意味著只有位于網絡邊緣的路由器需要配置多字段分類信息，因而減少了運營工作。

　　5. 功能合一

　　從上面描述的眾多方案可以看出，制訂一個綜合性CoS方案有多種方式，與網絡類型的數量不相上下。對于一個給定的業務組合來說，選擇并實現CoS的途徑的困難不僅在于確定業務本身的需求、確定它們在網絡上如何交互，而且還在于確定如何從路由器與其他構成基礎設施的設備引出所需的行為。

　　考慮到排隊處理等方法的復雜性，將CoS看成一個極端復雜的問題是理所當然的，對其進行規劃并分析只意味著繁重的數學運算。在某些試圖將多種類型的實時、近實時與非實時業務的傳輸整合在一起的多維、多業務網絡上，這毫無疑問是正確的，但對于相當比較簡單的語音和“盡力而為”數據業務的融合來說，這顯然是不正確的。一個人可以畢生研究排隊理論、處理算法與CoS功能的其他方面，但某些簡單的普通網絡規劃往往能夠令人吃驚地很好解決供應商當前所面臨的大部分融合話音與數據CoS問題，因為他們致力于實現相對簡單的目標。

　　盡量避免話音與數據業務相互干擾；

　　保持話音質量，甚至犧牲“盡力而為”數據業務，以保持話音質量。

將這些需求轉換為合理的路由配置自然不是那么簡單，但也不像通常描繪的那樣困難。圍繞以下幾條基本原則，我們可以大大簡化話音與“盡力而為”數據融合網絡的部署：

　　在網絡邊緣進行一次性分類。如果語音網關或軟交換機能夠顯性地標記話音數據包，核心路由器就不需要進行多字段分類，這就更好了?！　∞D發性能可大大彌補不足。抖動指標總不理想，但在低時延情況下更加容易忍受。

　　在選擇緩沖調度方案時，確保路由器能處理負荷。某些調度方案需要很高的處理能力，有些路由器則使用非優化架構實現緩沖調度。這將帶來新的問題，比其解決的問題還要多，因為CoS機制實際上增加了某些業務等級的延遲與抖動。帶有基于硬件的調度程序的路由平臺能夠在速度非常高的接口上實施有效的CoS。

　　簡單總是很好，尤其在CoS的設計上。從簡單的設計入手，可以邊推出業務邊觀察結果。利用通過實際開展業務獲得的反饋信息調整業務級別與相對簡單的CoS參數。只有當沒有其他的方式能夠實現目標時，才加大復雜性。

　　IP協議的設計人員從來都無法預測到這些協議會用于話音等實時業務，尤其是與其他類型的“盡力而為”業務混合使用。但是，這些協議本身的適應能力，再加上路由器CoS功能的增強，能夠讓網絡環境適應挑戰。與許多其他事情一樣，解決CoS問題的關鍵是不讓技術牽著鼻子走，也不能迷失要實現的目標。

----《通信世界》