VoIP在基于MPLS集成模型中QoS技术

　　1　引言

　　VoIP(Voice over IP)是指利用IP网络进行语音通信的技术。由于IP技术是一种面向无连接的技术，IP网络的初衷只是提供一种称之为“尽力而为”(Best Effort)的服务，这对于只要求准确率而对时延没有严格要求的数据业务来说是合适的，而对于话音、视频等实时通信业务，它们的服务质量(Quality of Service, QoS)是难以保障的。VoIP的服务主要归结为承载网络问题，而目前的网络带宽限制是造成时延过大、拥塞的主要原因。另外，在一个网络中同时提供语音和数据应用，就必须特别考虑语音应用的服务质量。

　　为保证IP网络上的QoS，IETF首先提出用RSVP发送信号协议的综合业务模型(Intserv)[1]，在发送数据前对接收端建立路径和预留资源，通过接纳控制、策略控制、分类调度控制等机制实现端到端的QoS。由于要在每个节点上为每一个流进行资源预留，并且要建立和拆除路径，这就要求每个节点都要支持RSVP，都要维护路由和资源的“软状态”信息，这样它的可扩展性及鲁棒性差，在现有的网络上特别对大型广域网实现起来比较困难。这就促使LETF去发展区分业务模型(Diffserv)[2]，它是在网络边缘将业务流解成很小数据量的聚集流(类)，由IP分组头标的DSCP (Diffserv Code Point，区分业务码)来标识，在网络边缘结点实施分类、标记、管理等功能，在网络的核心节点仅仅根据DSCP相关的PHB(per-hop-behavior)转发分组，这简化了网络内部节点的结构，这比综合服务可扩展性要大的多。但Diffserv仍采用了逐跳路由的分组转发方式，对端到端的QoS支持显得不足。

　　对VoIP来说，Internet必须具有提供QoS保证以及资源最优化使用这两个最基本的属性。最优化使用资源是避免流量阻塞和服务退化的必要的一步，这项工作由流量工程来完成。多协议标签交换(Multi-Protocol Label Switching, MPLS)对IP网络来说已经被广泛的认为是一个重要的流量控制工具。这种重要性归结为两个主要的特征：首先，在传输数据包过程中短小而又固定长度的标签的使用，使其表述性能得到增强;其次，创建电路的能力(label switch path, LSP)在网络中无需连结[3]。这些MPLS特征无论在Intserv还是在Diffserv中都能够提供。

　　由此我们可以看出，Intserv/RSVP，Diffserv，以及MPLS在追求端到端的QoS中是互补的技术。因此，为保证VoIP的QoS，采用这样一种集成模型，在边缘网络里采用Intserv，在核心网里采用Diffserv Over MPLS。本文就是讨论在这种集成模型上传输VoIP业务的QoS技术。

　　2　MPLS

　　2.1 MPLS简介

　　MPLS是一种多协议标签转换技术，它兼有第二层交换的分组转发技术和第三层路由选择技术的优点，旨在解决当前联网环境中使用的分组转发技术所存在的许多问题。MPLS实质是当IP包进入MPLS网络时被分配一个短小、长度固定、具有本地意义、能区别于其他信息流的标签作为MPLS头来封装这个IP包，在MPLS网络所有转发机制都是依据这个标签，该标签告诉分组路径上的交换节点如何处理和转发数据，在离开MPLS网络时解封装MPLS头。MPLS头包括一个二十比特的标签，一个三比特的扩展域(最初被定义为扩展，现在使用为COS-服务类型域)，一个比特的标签栈指示，还有一个比特的TTL(time-to-live)域。

　　MPLS有几个核心技术和组件：流量工程、基于约束路由、标签交换路由器(Label Switch Router, LSR)、标签、标签交换和标签分发等，其中LSR是指实现标签分发并能够根据标签转发分组的交换机或路由器。在一个MPLS网络中，交换路径可以是点到点、多到一、一到多和多到多等路径。

　　2.2 MPLS上的LSP和流量工程

　　所有的分组都是通过入口LSR进入MPLS网络，并通过出口LSR离开MPLS网络的这种机制创建了LSP，它指的是对于特定的FEC，带标签的分组到达出口LSR之前，必须经过的一组LSR的标签序列。这种LSP是单向的，即返回特定FEC中的数据流时，将使用不同的LSP。

　　LSP的建立可以是控制驱动(也就是由控制流量触发)，也可以是数据驱动(也就是特殊流的出现而触发)。IP包和LSP之间的映射必须在LSR的入口通过为一个标签指定一个FEC发生。LSR的入口使用一个FEC到NHLFE(Next Hop Label Forwarding Entry)的映射，在转发的数据包没有标签以及在转发前将被标记时使用。

　　为了建立LSP，LSR使用信令信息来协调和分发标签。这些信令信息既可以用一种叫做LDP(Label Distribution Protocol)的新协议来承载，也可以用扩展的RSVP[4]去承载。在建立LSP以及支持流量工程的约束路由上两种协议可以提供相类似的功能。在MPLS网络中传输VoIP流时，一般采用扩展的RSVP去分发标签绑定信息。

　　流量工程能够从路由协议计算出的最短路中移动数据流，从而安排数据流通过网络，避开因不均匀的使用网络造成的阻塞。因此，在IP网络上能够执行流量工程有着很多的好处，主要体现在两个方面：基于流量的和基于资源的。前者属于优化关键的流量执行特征，如延时，包丢失以及吞吐效率;后者指的是使用最有效的方式使用可用的网络资源去避免阻塞和低利用率。使用流量工程技术的直接好处是在转发流量时能避开阻塞点，万一失败时能快速地重新选择路由，能有效使用可利用的带宽以及QoS。

　　3　基于MPLS的集成模型

　　整个集成模型结构由边缘网络和核心网络构成。对MPLS来说，它实际上是一个提供VPN的承载网络，实现多节点QoS需求的无缝连结。边缘网络是一个Intserv域，支持综合服务，RSVP可为业务流提供较好的QoS管理粒度和资源预留，并且能够穿过核心网络区域。边缘网络通过核心网络实现端到端的QoS服务，核心网络是在MPLS之上的Diffserv域，由于MPLS与Diffserv对分组的处理及QoS支持比较相似，二者集成既可保留MPLS的便于流量管理、快速转发的优点，也可对Diffserv域的资源提供聚合传输控制，具有良好的扩展性。下面结合主机A、B实现定量的QoS通信为例，主要介绍几个部件的相关工作。

　　3.1　ER

　　ER是纯粹的Intserv路由器，在发送与接收间处理正常的RSVP信令信息，并预定的策略控制资源有效性。主机A产生RSVP PATH信令，该信令详细讲述了应用进程要求的QoS，并激活本地流量控制。经过正常的RSVP操作后，信令到达Intserv域边缘路由器ER。

　　3.2　BR/LER

　　BR/LER既是Diffserv域边界路由器，同时也是MPLS域中的标签边界路由器LER，结构和功能相对复杂。RSVP信令进入核心网络时，首先经过Diffserv域，在Diffserv域不识别RSVP的情况下，BR/LER作为纯粹的Diffserv边界路由器BR，将转发服务要求相同的一类微流聚合，组成一类以DSCP标识的行为聚合(behavior aggregate，BA)，并映射到MPLS　LSP上进行转发，同时对流聚集进行监测、调度。在Diffserv域识别RSVP的情况下， LER实施接纳控制，建立LSP，另外对进入的分组还负责分类、申请(或者除去)MPLS标签，而BR则参加RSVP的信令过程并作为Diffserv域的接纳控制代理[5]。

　　入站分组通过BR/LER的分类器后，首先执行第三层的查找，若是没有标记的分组，将被标记并作为带标签的分组发送给核心网络的其他MPLS节点;若是带标签的分组，可以作为带标签的分组被转发给其他的MPLS节点，而对于目的地为非MPLS节点的，删除标签并执行第3层查找，由IP转发表发送出去;其余的作为纯粹的IP分组被转发给非MPLS节点。

　　3.3　CR/LSR

　　核心网络中内部的路由器CR，即MPLS域中的LSR，主要完成MPLS分组的标记交换和转发。CR/LSR结构比BR/LER要简单得多。当LSR收到一个标记过的数据包后，它就把这个标签在包含NHLFE的ILM(Incoming Label Map)表里当成索引。进入的标签被新出去的标签取代，包被转发到下一跳，最后，当MPLS包离开网络时LSR的出口解封装MPLS头。LSR还承载Diffserv流聚集的MPLS分组进行调度、整形、丢弃。

　　4　集成模型上传输VoIP的QoS实现技术

　　这种集成模型包括Intserv和Diffserv的集成以及Diffserv和MPLS的集成，前者的关键是经由边缘网络产生的含有一定的QoS的数据包如何被分类并确定DSCP的值，也就是如何将Intserv各种服务类型映射到Diffserv的PHB(per hop behavior);后者的关键是如何将Diffserv中的BA映射到MPLS中的LSP上。在这只考虑BA不多于八种的情况，Intserv、Diffserv和MPLS之间的服务映射见表一。下面结合集成模型上传输VoIP来对其QoS实现技术进行分析。

　　4.1 Intserv和Diffserv的集成

　　Intserv定义三种服务类型：

　　(1) 确保业务(Guaranteed Service, GS)：可提供一种端到端的严格固定队列延迟的服务，确保带宽。

　　(2) 可控负载服务(Controlled-load Service, CL)：比尽力服务要好，是一种相当于在负载不重的网络上进行的尽力而为的服务。

　　(3) 尽力服务(Best Effort，BE)：传统的服务，没有在QoS保障。

　　对于属于GS的VoIP分组，MPLS网络必须能够识别并将它们从网络中的数据分组中区分出来，才能在MPLS网络上提供特别QoS支持。在Diffserv网络里，定义一种替代的报头域，叫做DS域，它替代IPv4 TOS字节(RFC 791)以及IPv6流量类字节。DS被分割为一个六比特的DSCP字段和一个两比特的CU(current unused)字段，DS域使用DSCP去选择每一个接口的PHB，CU字段还没分配，是为ECN(explicit congestion notification)预留的，可以用于前向/后向拥塞通知，这在帧中继网络中非常有用。当决定PHB应用到一个已收到的数据包时CU的作用被相应的DS接口忽略。

　　依据DSCP设置标记包的系统的能力，以同样的DSCP设置收集的包或以一个特定的方向发送的包将被集合成BA。从多种信息源或者应用传送来的包可以属于同样的BA。换句话说，当用SLA(service level agreement)或者策略映射配置时，PHB指的是在任何给定的属于BA的包上对包进行排序，队列，管理或者对节点修整的形为。PHB有四种类型，分别为default PHB、Class-Selector PHB、Assured Forwarding(Afny) PHB、Expedited Forwarding(EF) PHB (详细说明见RFC2474，2597，2598)。

　　RSVP作为Diffserv的组件，提供一个保证带宽的服务，VoIP需要这种健壮(robust)的服务。而作为Diffserv的关键组成部件EF PHB，支持这种健壮的服务，并提供低丢失、低延迟、低抖动以及确定的带宽服务，很好满足VoIP的QoS的要求。在使用优先排队(priority queueing，PQ)以及类(或者BA)上速率限制时执行EF。在Diffserv网络中执行EF PHB时，它提供虚拟专用线路，或者额外的服务。因此，EF PHB是对VoIP这样要求低带宽，保证带宽，低时延，低抖动的应用是最理想的。

　　这样，通过DS域的使用，能够在BR/LER对语音的有效负载流量和信令流量指定不同的优先等级。语音缺省的DSCP为101110(RFC 2598)，信令缺省的DSCP为011010(RFC 2597)。对CISCO IOS的IP DSCP的配置及验证见[6]。

　　4.2　Diffserv和MPLS的集成

　　在MPLS网络里将服务定义为以下几类：

　　(1) Premium：对延时很敏感的一类，以PDA(peak data rate)速率最大可能的传递用户数据包，低于PDA的数据包将被丢弃。

　　(2) Olympic：对呑吐量很敏感的一类，由三种服务类组成：Gold，Silver以及Bronze。在每个类里有两个微处理级，网络至少以CDR(committed data rate)速率最大可能传递用户数据包，可以高于该速率，但如果低于该速率数据包传递的可能性就极小。

　　(3) Best Effort：网络里无QoS保证的服务类。

　　很显然，要将VoIP分组映射为Premium类，也就是须将封装VoIP的MPLS头中Exp字段映射成111，具有最高的服务等级。其实，如何将BA映射到LSP实质上是如何在MPLS分组头标中携带BA信息(DSCP)[7]。把一类具有相同队列处理要求、调度行为，但丢弃优先级不同的PHB定义为一个PHB调度类(PHB　Scheduling Class, PSC)[8]，那么这样映射实质上也是就是如何在MPLS头标中标识分组所属的PSC以及分组的丢弃优先级。IETF组织将LSP分为两类，即E-LSP和L-LSP。E-LSP定义8种BA，映射到MPLS标记的Exp字段超过8种BA时，定义为L-LSP，要联合使用Lable字段和Exp字段标识种类，可单独使用Exp字段表示丢弃优先级，但扩展性不如E-LSP。两种服务之间的映射关系见表一。

　　在MPLS网络中，提供无拥塞(较低的延迟、抖动和分组丢失率)LSP对VoIP业务至关重要的。在MPLS网络里存在一个这样的问题，就是路由器建立了-个LSP，却不能保证该路由器能够处理这个LSP的带宽要求，其它通过这个路由器的LSP可能会与它争夺相同的资源。MPLS网络采用RSVP技术，RSVP是一种与电路交换网络的呼叫建立非常类似的带宽预留技术，这样就可以在每个路由器为每个LSP预留带宽，这样从开始就避免了路由器的过度预订。此外，在为VoIP语音业务指定网络资源时，需要根据严格的计算，逐个链路进行，MPLS的流量工程可以胜任这种工作。流量工程利用RSVP为语音业务流预留资源，如果最短路径的资源不够，流量工程可以建立路由来传送业务。如果RSVP建立MPLS流量工程隧道，MPLS标记也可用于这种业务流。这些标记加上Exp比特，为话音流提供了一个简单、可扩展的标识方式。

　　5 结论

　　本文首先对IP网络上的各种QoS服务模型进行了分析和比较，并着重分析了MPLS的工作原理，在此基础上深入研究了一种结合Intserv、Diffserv和MPLS的集成服务模型，特别分析了其边缘路由器和核心路由器的结构及功能。然后重点分析在集成模型上的传输VoIP的QoS实现技术，包括各服务类型之间的映射。随着技术和标准的不断成熟，伴随着“三网合一”的大潮，VoIP可望成为下一代电信基础设施结构的核心，使未来各电信业务统-到IP网上，如何更好地保证VoIP的QoS，还需要作更多的有益的探讨。