下一代Internet中语音通信的QoS

　　1．引言

　　Internet作为一个研究和教育的工具已经有20多年了，最近这几年，Internet增长非常迅速，并且能够提供许多种不同的业务。其中通过Internet来打电话，就是IP电话或VoIP，对电信行业的冲击很大。IP电话有助于电话公司将语音和数据业务综合起来，也预示着一个廉价电话业务的新纪元。在5年前，IP电话还被多数人认为是不可靠的，离大量的市场实施还很遥远，但是，随着这几年IP电话质量和可靠性的改进，IP电话已经成为发展最快的行业之一。

　　IP电话成功的原因是它能够为端用户、电话公司和通信公司带来巨大的利益。通信公司对IP电话感兴趣的主要原因是：

　　（1）端用户使用IP电话比电路交换电话便宜，因为用户无需为互连付费。

　　（2）因为使用电路交换的电话呼叫占据64kb/s的带宽，而IP电话只占据6-8kb/s或者更少的带宽，工程师们更喜欢用IP电话。

　　（3）从长远来看，IP电话能提供新的增值业务，如高保真度立体声， Internet组播会议，电话远程学习，电话目录等。

　　（4）IP电话使得通信公司能够管理一个处理语音和数据的网络。IP电话也为端用户创造了机会和新业务的需求。VoIP的最终目的是为端用户带来通信和管理的利益，使得人们能够控制不同媒体和不同类型的终端：如GSM，固定电话，PC等。

　　但是，IP电话技术还是相对不成熟的，质量和时延仍然是主要的问题。与早期技术（特征是语音有失真和中断）相比，语音质量得到了很大的改善。语音编码和丢失分组重建技术的改进也使得语音易于理解。时延主要影响会话的协调性，主要从三个方面来改进：改进网关，在专用网上实施，Internet发展。IETF和Internet骨干网设备提供商正用资源预留协议（RSVP，一种允许预留带宽的技术）来改进这点。虽然路由器的更新和操作（如高质量的业务怎样计费等）问题的解决还需要一段时间，但是Internet是向着好的方向发展的。

　　2．IP电话标准 　

　　为了支持IP电话和相关业务，国际上制定了许多标准以保证其互操作性。ITU 的H.323 标准在软件商中获得了广泛的认可。此外，IETF正在制定会话发起协议（SIP），用于多媒体会话的发起，及用来控制Internet上多媒体服务器的RTSP协议，使得它们能够与H.323一起工作。 　

　　上述协议的组合就是实时传输协议（RTP）。RTP是H.323终端用于多媒体的传输协议，SIP和RTSP都是用来控制RTP上的多媒体会话的。它的主要作用是在IP网络上运载实时的业务，如语音和视频。它提供了负载类型标识，因此接收者能够决定分组中的媒体类型。也提供了序列号和时戳，因此分组能够被记录，丢失检测，和以一适当的速度输出。RTP在组播会议中很容易使用，为达到这点，它要为会话的每个参与者提供一个唯一的标识号，以将分组从不同的用户中分离出来。

　　RTP也包括一个控制部分，叫做实时控制协议（RTCP）。它作为RTP组播到同一组播组，但是具有不同的端口号。数据的接收者和发送者周期性地组播RTCP报文。RTCP分组提供了许多种业务。第一，它们用于标识一个会话中的用户。一种RTCP分组，源描述者（SDEs），包括参与者的名字，E-Mail地址，电话号码，传真和位置。第二，接收者的端口号，包括接收质量报告，发送者使用这个信息在会话中动态地调节它们的传输速率和编码。网络管理员也可用它来检测网络质量。

　　支持VoIP的一个关键成分是一个信令协议，它提供以下功能：用户位置，会话建立，会话协商，呼叫参与者的管理和特征请求。IETF制定了两个协议来完成这个任务，SIP和会话描述协议（SDP）。 　

　　SIP用来在用户之间发起会话。它提供了用户位置服务，呼叫建立，呼叫参与者管理和有限特征请求。这意味着请求由一个实体（客户）产生，并且发送到一个接收实体（服务器），并对其进行处理。因为一个呼叫参与者可以产生或者接收请求，SIP端系统应该包括客户和服务器。SIP请求能够穿越许多代理服务器，每个服务器接收到请求，转发到下一跳的服务器（它可能是另外一个代理服务器或者最终用户代理服务器）。一个服务器也可作为重定向服务器，通告下一跳服务器的客户，客户就能直接和它联系。SIP定义了好几种方法，由客户请求调用服务器上有的方法。客户使用INVITE请求来建立一个呼叫。这个请求包括传递呼叫信息的头，头之后是数据。

　　SDP是用来描述电话和分布式应用的多媒体会话的。协议包括好几种信息。媒体流传递媒体流的类型。对每个媒体流，目的地址由Address标明，Port定义了每个发送/接收媒体流的UDP端口号。负载类型传递会话中使用的媒体格式。Originator是会话的始发者，以及联系方法。

　　3．H.323中的基本机制

　　H.323是ITU-T的一个标准协议族，为LAN、WAN、Intranet、Internet上的多媒体通信技术应用提供技术基础和保障。H.323是设计来扩展传统的以电路交换为基础的业务到以分组为基础的网络中的。IP电话能够以H.323中对语音支持的功能部分为基础，因此，H.323的一个主要目的是使得现有的电路交换系统（PSTN和ISDN）之间具有互操作性。

　　H.323中定义的基本元素是：终端，网关，关守，多点控制单元（MCU）。其中终端，网关和MCU总称为端点。 终端是端用户设备，可以是一部电话或者一台电脑，其主要作用是参与通信，包括点对点的呼叫和多点会议。它也必须支持H.245标准。网关是为H.323设备和非H.323设备之间提供互操作性的中间设备，尤其是PSTN和ISDN设备。其主要功能包括信令的转换，语音和图像编/解码转换，以及呼叫建立和拆除工作。终端使用H.245和H.225协议与网关进行通信。

　　关守为H.323节点提供呼叫控制业务，主要提供四种服务：地址翻译，带宽控制，许可控制及区管理功能。带宽管理、呼叫验证、呼叫控制和呼叫管理是关守的可选功能。

　　一个MCU为视频会议提供必要的控制功能。一个MCU由一个多点控制器（MC）和一个多点处理器（MP）组成。呼叫建立时使用的关键协议是注册接入状态（RAS）协议（以Q.931为基础的信令协议）和H.245协议。

　　RAS协议负责端点到相应关守的注册。RAS报文由UDP分组运载，RAS协议还为关守监控区域内的端点和管理相应的资源提供了方法。

　　Q.931协议源于综合业务数字网，信令报文由可靠的TCP分组运载，为呼叫发起者和接收者提供了逻辑连接。

　　H.245协议用于会话参与者交换通信中的不同信息，如报文的类型和格式，也为视频会议提供了控制功能。

　　RTP和RTCP，用于实际上的报文传输。

　　4．在Internet中的QoS问题

　　现有的Internet业务（尽力而为的IP）并不能满足多媒体应用的QoS要求，主要是由于网络拥塞时候的队列时延和分组丢失。在这方面已经有很多的研究工作，集中在扩展Internet的体系结构和协议来为多媒体应用提供QoS支持。现在有很多种服务模型和机制，主要是以下两种模型：综合业务（IntServ）和区分业务（Diffserv）。

　　4.1综合业务模型

　　IntServ由IETF的IntServ工作组于1994年提出。除了最佳效果业务外，综合业务模型还新定义了两种服务类型：

　　（1）保障型业务，用于需要固定时延限制的应用；

　　（2）预测型业务，用于可能需要时延限制的应用。实现保障型业务和预测型业务的定义分别在保障型业务RFC2212和控制负载业务RFC2211中。这一模型的思想是“为了给特定的客户包流提供特殊的QoS，要求路由器必须能够预留资源。反过来要求路由器中有特定流的状态信息”。

　　为了实现上面的服务，IntServ定义了4个功能部件，网络中的每个路由器都需要实现这4个部件。这4个部件是流规范，信令协议（即RSVP），接入控制例程，分组分类器和调度器。 　

　　综合业务模型的优点是：能够提供绝对有保证的QoS，RSVP在源和目的地间可以使用现有的路由协议决定流的通路，适用于单播和组播。但是，IntServ的扩展性较差。因为其工作方式是基于每个流的，这就需要保存大量的与分组队列数成正比的状态信息；此外，RSVP的有效实施必须依赖于分组所经过的路径上的每个路由器。在骨干网上，业务流的数目可能会很大，同时它还要求路由器的转发速率很高，这使得IntServ难于在骨干网上得到实施。目前，比较一致的看法是在企业网的边缘实施IntServ，或者降低业务流的数目到可以承受的地步。

　　4.2区分业务模型

　　为了解决IntServ的一些缺点，IETF在RFC2475中提出了区分业务模型。它的目的是定义一种实施IP QoS且更容易扩展的方式，以解决IntServ扩展性差的缺点。DiffServ简化了信令，对业务流的分类更粗。它通过汇聚和逐跳行为（PHB）的方式来提供一定程度上的QoS保障。汇聚是指于路由器可以把QoS需求相近的各业务流看成是一个大类，以减少调度算法所处理的队列数；PHB是逐跳的转发方式，每个PHB对于一种转发方式或者QoS要求。

　　在DiffServ里，引入了 DiffServ域的概念，一个DiffServ域可以认为是一个能够提供DiffServ业务的子网。DiffServ域主要由路由器组成，并对这些路由器进行区分，把位于DiffServ域边界的称为边界路由器，而把DiffServ 域内部的称为内部路由器。边界路由器的功能有：对业务流的分类、整形、标记和调度；内部路由器的功能是分类、调度。DiffServ 力图通过对业务流的分类、整形、标记、调度来实现对业务QoS一定程度上的保证。目前在DiffServ 上主要提出了下面两种业务：

　　（1）加速业务，提供类似于专线或租用线的业务；

　　（2）确保业务，提供比尽力而为好的QoS。

　　DiffServ利用了IPv4分组头的ToS字段（或者IPv6的CoS字段），作为DSCP（DiffServ编码点）使用。每一种DSCP对应一种PHB方式。路由器在转发分组时只需查看每一个分组的DSCP值，从而对此分组提供相应的PHB转发方式。目前已经定义的DSCP值有：000000为缺省（Best-Effort）、101100为EF及12个AFDSCP。 　　实际上，DiffServ仅提供了一种在一子网域内实施QoS的框架结构，而具体的一些策略和相应的实现机制则由不同的厂商来决定。尽管DiffServ比较灵活，但同时提出的一个问题是它能否真正提供QoS保证。

　　5．现有的解决方案

　　这一部分介绍两个公司的IP电话解决方案，Cisco的IP电话系统主要针对企业网络，而Lucent则主要针对通信公司网络。

　　5.1 Cisco解决方案

　　Cisco的IP电话解决方案中包括硬件（如交换机、路由器、IP/PSTN网关和桌面IP电话）和软件。在当前的IP基础设施上，可以使用这些产品来构建一个IP电话系统。

　　在这个IP电话系统中，通过允许长距离的呼叫穿越现有的数据网络，语音和数据能够在WAN中合成。通过使用路由器和网关连接到专用分组交换机（PBX），语音业务流能够在IP网络上传递。呼叫管理软件和IP电话部署在每一端的IP网络中。这减少了WAN合并的成本，同时也消除了在另外一端安装网络的成本。在远端使用模拟接入网关，本地呼叫能够呼叫远端用户。长距离呼叫能够通过WAN连接进行选路，在中心位置合并。使用这个方法，IP电话的传输对用户来说是透明的，用户无法分辨一个电话是从分组网络、电路交换网络还是二者的混合中来的。网络支持多级别的服务（CoS）并对实时通信提供有保障的QoS。QoS功能和机制分布在边缘设备和核心/骨干交换机。分组分类和用户策略在网络的边缘实现。分组分类将网络业务流分为多个级别。Cisco的IP电话能够在网络入口处设置IPv4 ToS。 　

　　QoS的保障主要由两种机制提供，有RVSP协议的呼叫管理器和优先队列机制。优先队列机制由核心路由器维持，并且执行拥塞避免，高速交换和传输的功能。拥塞避免使用分组丢弃机制。

　　5.2 Lucent解决方案

　　Lucent网关主要是针对提供业务的网络，在其体系结构中，H.323和SIP终端连接到IP交换机或者路由器。边缘交换机或者路由器作为核心IP网络的接入点和集合器。一个域名服务器连接到核心网络，为多个边缘节点服务。

　　核心网络可以使用几种不同的技术：IP路由器，IP交换机，IP over ATM 交换机，IPover SONET和IP over DWDM。对终端来说，网络是一个IP网络，而不管它底层用哪一种技术。

　　两个网关加入到IP网络体系结构中，作为到PSTN的接口。第一个叫做连接网关（CG），使得IP协议和PSTN协议协同工作。第二个是语音网关，它将TDM信号转换为IP分组和将IP分组转换为TDM信号。

　　网关允许一个LAN电话呼叫网络上的另外一个LAN电话，而无需通过语音网关。此外，一个LAN电话也能通过网关呼叫传统电话。在IP网络中，没有本地电话和长途电话的区别。

　　Lucent路由器执行直接向前转发QoS的机制，它只是将IP分组中的ToS信息提取出来，建立一个有优先权的队列。这个队列能够根据CoS值来控制分组流，使得路由器能够给语音数据更高的优先权，减少实时通信的时延。

　　Cisco公司的系统是针对企业网络的，端到端的QoS保障是有可能提供的。然而，它的扩展性不好，在Internet上不太适合。Lucent的方案是针对通信公司网络的，可扩展性好，但是需要下层的IP网络提供所需的QoS。

　　6.结束语

　　现在，为了建立支持VoIP的基础，已做了许多相关工作。然而，在下一代Internet中，为了保证VoIP和多媒体业务流的QoS，还有许多工作要做。本文主要回顾了现有的支持VoIP的技术，尤其是IETF的IP电话体系结构和ITU-T的H.323标准。然后介绍了IETF的QoS框架和提供QoS保证所需的服务模型，即综合业务模型和区分业务模型。最后，介绍了Cisco和Lucent提出的IP电话解决方案。