提高网络视频会议质量的QoS技术

一、综述

随着IP网络与Internet在当今使用得越来越广泛，基于IP网络的视频会议系统也越来越为广大的消费者所接受，在现有企业网内融合语音、视频和数据通信，能为公司缩减大笔商务开支，其中尤以VoIP和视频会议最为重要。但融合通信会引发网络性能问题，企业网不但要能提供多种服务，而且要保证端到端的良好性能，而召开网络视频会议最重要的就是要保证有良好的音视频质量。

而现阶段Internet的状况是比较复杂的，带宽参差不齐、时延大、不稳定。如何在IP网络上保证用户信息传输的质量就成为一个不容忽视的重要问题，为解决这一问题，网络服务质量（QoS，Quality of Service）便应运而生。QoS是网络与用户之间以及网络上互相通信的用户之间关于信息传输与共享的质的约定，例如，传输时延允许时间、最小传输画面失真度以及声像同步等。

目前，IP网络如何提供服务质量（QoS）支持这一问题现已成为业界关注的焦点。对于由QoS控制来实现QoS保证，国际上不同的组织和团体提出了不同的控制机制和策略，比较著名的有：ISO/OSI提出的基于ODP分布式环境的QoS控制；ATM论坛提出的QoS控制策略和实现；IETF组织提出的综合业务模型（Int Serv）、差分业务模型（Diffe Serv），多协议标签交换（MPLS，Multi-Protocol Label Switching）技术，流量工程（traffic engineering）等多种控制和管理方案。

二、音视频QoS的影响因素

影响Internet视频会议中的音视频QoS有几方面因素。

第一是网络带宽，即每秒网络所能传输的数据量。带宽对网络服务质量的影响是显而易见的，带宽越宽，就能允许更多的数据传输，从而会提供更好的音视频QoS。虽然目前的互联网的带宽，尤其是中国互联网的带宽在近年来有了很大的改善，如ADSL、长城宽带、联通宽带等宽带接入已得到广泛使用，很多用户已经有了比较宽的带宽。但与此同时，这些宽带的质量却是参差不齐，很多时候用户使用的带宽即便较宽，但由于技术的不完善或其他原因，还经常会出现较高的网络丢包率和较大的网络抖动等情况，这些都会对用户在使用视频会议中的音视频QoS产生严重的影响。

第二是网络提供的数据传输能力，传统的IP网络只提供“尽力而为”的数据传输能力。随着网络上主机数量的不断增加，网络服务的需求将超过网络提供的能力，从而造成传输时延变化（抖动）、传输时延过大甚至引起分组丢失，也就是说出现了大塞车（网络拥塞）。网络拥塞对一些Internet应用，如电子邮件、文件传输和Web应用一般不会造成太大影响；但对传输时延要求比较苛刻的实时应用，如视频会议的音视频传输来说却是不能容忍的。无线网络方面移动通信系统的共同点是误码率高，这对视频会议中的音视频传输会造成很大的影响，必须要求视频编解码和传输系统能够克服信道的高误码比、包丢失以提供音频QoS保证。

第三是网络排队，网络中存在很多的节点，如路由器、网关等。这些节点采用排队机制决定数据发放的顺序。如果在瞬间某节点数据排队较长，该节点就会采取丢弃数据包的方式保证节点的正常工作。即使没有被丢弃，经过较长的排队之后，这些数据包往往要花很长的时间才能到达目的地，由此就产生了网络的时延以及时延抖动。丢包、时延、时延抖动都会对视频会议中的音视频QoS产生很大的影响。

第四是Internet视频会议的音视频网络传输协议的选择，传输层对端到端的QoS有直接影响。当前互联网传输层的网络传输协议主要是传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。因为本身的特性，TCP不适合使用在实时业务中。因此，实时业务的开发者都使用UDP在互联网上传输数据包。但由于UDP没有任何拥塞避免控制算法，因而会对网络造成大危害。这样，UDP的广泛使用就会如同互联网上的一匹脱缰野马，很容易导致网络过载和高丢包率，还会大量侵占带宽，从而大大地影响视频会议中音视频的传输质量。

三、QoS的服务类型

QoS目前被分为两大服务类型：集成服务类型和区分服务类型。

集成服务是指在整个网络中为某一业务流量保留一定的带宽，为该服务提供一条端到端的透明通道。这种服务类型能对视频等业务应用提供完全的QoS保证，但是这种保留策略会消耗原本就不多的广域网带宽。

区分服务是一种基于每一跳的QoS策略，网络上的每一台数据中继设备（路由器或交换机）通过检查每一个数据报的包头信息对流量进行分类，在根据调度策略来决定如何转发。相对于集成服务，区分服务的应用更为灵活，效率更高。

在区分服务中，有拥塞管理与拥塞检测避免两种策略机制。

拥塞管理策略是QoS中针对接收报文和发送报文，按一定优先级策略调度入队和发送，从而保障特定内容的报文，按需发送的机制。它的特点是只在设备内部实现，没有互通性要求，不同厂家的设备可能队列调度策略实现不同，但不存在互通问题。目前有以下四种流行的队列机制：FIFO、PQ、CQ、WFQ。

（1）FIFO是传统的先入先出队列，没有策略。

（2）PQ优先级队列。共4个优先级：High、Medium、Normal、Low。接口上根据协议类型、报文大小、协议端口号等，划分不同优先级队列，当高优先级队列中有报文时，低优先级队列得不到调度。所以优先级队列适用于应用简单，对某些应用服务要求很高，而其他业务相对不高的应用。它的优势是配置简单，绝对保证高优先级应用的带宽；缺点是不能保证高优先级外的服务得到合理带宽，从而不能公平地保证各种应用的服务质量。

（3）CQ用户定制队列。接口上，根据用户预先的定义，最多可配置16个定制队列，加上1个系统队列，共17个队列。用户可根据协议类型、报文大小、协议端口号，以及相应的Access List规则，配置各种队列并分配相应带宽，各队列按照预先设定的带宽调度发送。CQ的优点是保证各种应用能分配到一定的带宽，适于应用相对简单的场合（如金融等专网），并且调度算法相对简单，路由器转发效率较高；缺点是配置相对复杂，并且网络管理员必须事先知道该网络的详细应用，对管理员要求较高，对于复杂应用网络，16个优先级似乎不够。

（4）WFQ加权公平队列。WFQ将分组按照不同的业务流、不同的IP优先级，自动按照散列算法，划分成不同的队列，在保证高优先级业务的同时，按照配置权重，将带宽公平地分给低优先级别的业务。Quidway路由器在每个接口上最大支持4096个队列，在此范围之内，网络管理员可以配置队列的数目和相应权值。WFQ的优点是对所有应用都能比较公平地提供服务质量，对于要求较高的业务可以通过设置权重保障优先级，能智能划分队列和调度，配置相对简单，对网络管理员的要求相对较低；缺点是由于相对公平，对于QoS要求极高的应用，不能像PQ那样绝对保证，策略计算复杂，比较消耗路由器处理能力。它适用于应用较复杂，并且应用相对公平的网络，如Internet。

通过综合灵活地利用上述QoS机制，就可以使视频会议等在各种企业基于Internet的应用中获得最大限度的传输安全保证。

在今后的基于Internet的网络视频会议或企业应用中，基于终端的QoS解决策略是一个切实可行的方法，在终端增加一定的速率控制和误码控制的机制，在网络保持不变时能够做到一定的QoS保证，提高图像的质量。随着网络的发展、网络带宽的增加和控制机制的完善，基于网络的QoS策略将成为主要的方式。