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MPLS DiffServ在舰内VoIP QoS中的仿真与研究*

2016-04-08裴康乐郑巧珍李含辉

舰船电子工程 2016年1期
关键词:服务质量

裴康乐 郑巧珍 李含辉

(武汉船舶通信研究所 武汉 430205)



MPLS DiffServ在舰内VoIP QoS中的仿真与研究*

裴康乐郑巧珍李含辉

(武汉船舶通信研究所武汉430205)

摘要舰艇内部以IP承载语音VoIP作为话音通信手段,由于IP网络的固有劣势,使得VoIP服务质量得不到保障。为了改善VoIP的服务质量,对MPLS技术和QoS机制进行了理论分析,研究了MPLS DiffServ的工作原理,并通过OPNET仿真进一步验证其QoS保障能力,这对MPLS DiffServ在舰内通信系统的使用有着一定的促进作用。

关键词IP承载语音; 服务质量; MPLS DiffServ; OPNET

Simulation and Research of MPLS DiffServ Module in the VoIP QoS inside the Ship

PEI KangleZHENG QiaozhenLI Hanhui

(Wuhan Maritime Communication Research Institute, Wuhan430205)

AbstractVoIP(Voice over IP) is treated as a means of voice communication inner vessel. Due to the inherent disadvantages of IP network, the QoS of VoIP can not be guaranteed. In order to improve the VoIP QoS, the paper introduces the theory of MPLS technology and QoS mechanism, studies the working principle of MPLS DiffServ, and verifies its QoS guarantee ability through the OPNET simulation. The study promotes the use of the MPLS DiffServ theory in the communication system inside the ship.

Key WordsVoIP, QoS, MPLS DiffServ, OPNET

Class NumberTN912

1引言

舰用移动通信系统是舰艇内部人员沟通,定位的重要手段。得益于IP网络技术的快速发展,舰用移动通信网络也逐步朝着全IP化发展演进。VoIP(Voice over IP)[1]作为一种把数据通信融入了传统话音业务的通信技术手段,具有成本低廉及占用较小带宽的优势,自然而然就成了舰内话音通信的首选。目前舰艇内部移动通信系统能实现多种业务,其中就包含了数据业务和话音业务。数据业务流量主要由舰内人员通过WIFI浏览网页,发送邮件等产生;话音业务流量则主要来源于VoIP。VoIP是基于舰内IP传输网来传输话音信号,属于实时性业务,需要较高的时延保障,而舰内IP传输网采用的是“尽力而为”的服务方式,那么网络质量的好坏就严重影响到了其通话质量与清晰度,一旦网络中数据业务量过大,就会占用话音业务带宽资源,造成VoIP丢包率上升,时延、抖动急剧增加,影响用户体验。这就要求对网络进行技术优化,采用MPLS DiffServ等手段来保障VoIP的服务质量。

2MPLS技术原理与QoS机制

2.1QoS机制概述

IP服务质量[2](Quality of Service,QoS)指一个网络能够利用各种基础技术,为指定的网络通信提供更好的服务能力,是网络的一种安全机制,是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术,它不会为网络创造额外带宽资源,而是帮助用户更好的利用带宽资源。在正常情况下,如果网络只用于特定的无时间限制的应用系统,并不需要QoS,比如Web应用或E-mail设置等。但是对类似于VoIP这种时延要求比较高的应用就十分必要。当网络过载或拥塞时,QoS能确保重要业务量不受延迟或丢弃,同时保证网络的高效运行。为了解决IP QoS问题,IETF先后提出了两种模型:IntServ模型和DiffServ模型。

· IntServ[3]模型的主要思想是采用RSVP在流传输路径上的每个节点中为每一个流预留并维护资源,其最大优点是能为VoIP够提供端到端的服务质量保证。但同时,RSVP[4]的资源预留过程也降低了其可扩展性,严重阻碍了该模型在VoIP系统的应用。

· DiffServ[5]是一个起源于IntServ,但相对简单、粗划分的控制系统。它将实现复杂度推向了网络边缘,边缘路由器为具有不同QoS要求的流分配不同的标记,并将具有相识要求的业务归于一类,而网络核心路由器只需要对聚集流采取一致的处理方式即可。DiffServ重新定义了IPv4的TOS字段,并更名为DS字段,如图1所示。DS包含6bit的DSCP以及2bit的ECN,DSCP的不同取值代表了业务的不同QoS要求。每一个路由器都会根据数据包的DSCP字段执行相应的PHB行为,产生不同的服务级别。

图1 DSCP域与TOS域

2.2DiffServ模型在VoIP中的应用分析

DiffServ根据DSCP定义了三类标准的PHB服务类型:默认转发DF、保证转发AF和加速转发EF。其中,EF PHB能够提供低丢包率、低延迟、低抖动和有保证的带宽服务。EF PHB转发对数据流进行最小程度的排队,并在边界路由器丢弃任何超过EF规定的对应DSCP值的流,它是Diffserv中严格保障QoS的主要服务,适用于对QoS要求较强的VoIP业务。虽然EF服务的存在会减弱网络处理“尽力而为”分组的能力,但当EF不传输分组时(例如,语音具有突发性,VoIP连接时只有40%的时间传送语音分组),带宽可以释放给其它分组使用,而不像RSVP那样持续占用带宽资源。但是,DiffServ模型本身也不够完善,当传输VoIP的链路资源极度缺乏时,路由器不会改变VoIP的路由路径,不能实现负载均衡,很可能会造成网络堵塞。

2.3MPLS的技术原理

MPLS[6]是一种在网络上通过标签引导数据传输的技术,它将第二层交换技术(面向连接,具有服务质量保证)和第三层路由技术(面向无连接,没有服务质量保证)结合在一起,建立一个性能更好、可靠性更高、灵活且易于扩展的网络构架。MPLS将网络节点分为两种类型:边缘标签路由器和标签交换路由器。边缘标签路由器主要负责LSP的建立、维护、重新路由、拆除以及标签转发信息表(LFIB)的维护等工作。MPLS可以使用IP网中的路由协议(如OSPF,IS-IS)为FEC进行路由选择,并通过LDP、基于约束的路由选择标签分发协议或扩展的资源预留协议实现标签的绑定交换,最终完成LSP的建立。标签交换路由器主要工作是沿着己经建立好的LSP,根据分组中的标签,通过标签交换的方式进行分组转发。

MPLS标签由四个域组成,其中Label域占20bit,用来指定转发等价类(FEC);EXP域占3bit,提供一中服务分类机制,一般用来指定PHB;S域占1bit,用于支持标签栈的结构;TTL域占8bit,指定包生存时间,防止包循环。具体格式如图2所示。

图2MPLS标签

2.4MPLS模型在VoIP中的应用分析

在传统的IP网络中,VoIP业务流只是被简单的分配到由内部网关协议计算出来的的最短路径中去,当链路资源充足时,VoIP业务的QoS能够得到满足;但是当数据业务所分配的最短路径和VoIP重合时,数据业务的传输就会冲击VoIP业务,影响它的QoS。通过采用MPLS流量工程技术,可以手动建立LSP,引导VoIP业务流绕过重合的链路,避开网络拥堵的区间,通过标签交换技术,快速到达目的节点,降低传输时延,实现负载均衡。但是MPLS技术有一个比较明显的缺陷,那就是它不具备区分能力,对于同一条LSP路径上的不同QoS要求的业务不能加以区分,不能完全保障VoIP业务的服务质量。

3MPLS DiffServ在VoIP中的实现

3.1MPLS与DiffServ结合的可能性

从前面的分析中可以发现,MPLS能降低VoIP传输时延,实现负载均衡,但是这种方法有一个弊端就是无法区分实时和非实时的业务,不能在数据话音混合传输的网络中对高时延需求的VoIP进行针对性的控制,无法完全满足其QoS。对于DiffServ模型来说,虽然它能提供区分服务,但是由于没有进行资源预留,不能为VoIP提供细粒度的端对端的QoS保证。所以尽管MPLS和DiffServ在降低延迟,减少网络堵塞方面各具优点,但是单独使用两者中的任何一个都不能完全满足VoIP的QoS要求。对于这种问题,MPLS和DiffServ的结合[7]是一个很好的解决方法。MPLS网络模型与DiffServ模型有很大的相似性,MPLS网络中的标记分配机制和DiffServ网络中的优先级分类相似:MPLS的LER按照FEC分类映射标记,而DiffServ模型对IP数据包进行服务质量分类;MPLS中的数据包基于标记交换,DiffServ模型根据DSCP进行发送处理;MPLS网络与DiffServ模型都是把复杂的运算放在网络边缘,核心网络只负责简单的转发。这些相似性为MPLS与DiffServ的结合提供了便利,因此MPLS非常适合作为DiffServ网络的载体。它们两者的结合能为VoIP提供非常好的端到端的QoS保证。

3.2基于MPLS的DiffServ的实现

在DiffServ模型中,VoIP流传输路径上的每一个路由器都需要对IP报头进行解析,并根据解析出来的DSCP值执行对应的PHB操作。MPLS技术则是在网络入口路由器处对包头进行一次解析,根据其目标IP地址或QoS要求插入不同的标签,而后对数据包转发时只检查标签,不再解析IP报头,这是一对矛盾。要在MPLS中实现DiffServ,就必须找到一种方法使得MPLS标签能够映射不同的PHB。目前有两种方法可以解决这种问题。

一是使用E-LSP。E-LSP是一种可以将实现DiffServ所需的信息传入MPLS标签的方法。E-LSP的基本思想是将DSCP值映射到标签中的EXP比特位上去。由于标签中EXP只包含3个比特位,E-LSP只能提供最多八种PHB级别的设定,详细设置如图3所示。使用E-LSP时,LSR可以识别在同一条LSP上传输的不同服务级别的业务流。如果网络需要定义八种以上的PHB级别,就要使用L-LSP(Label-Only Inferred PSC LSP)方法来实现。

L-LSP将使用同一个PHB类别的数据包归入相同的FEC中,使得每条LSP只能有一种PHB类别,而丢弃优先级则会被编入标签中的EXP字段。因此,LSR通过分析在某条LSP中传输的数据包标签的EXP字段,就可以获得PHB信息,然后进行相应操作。使用L-LSP时,LSR需要从分析数据包是在哪条LSP上传输得到PHB的类别信息(如DF.AF1x,AF2x.AF:3a,AF4x或EF),以及从分析数据包标签中Exp字段值,得到丢弃优先级信息后,才推断出传输这个数据包具体使用的PHB级别。

图3 E-LSP中EXP与PHB之间的映射

在舰内移动通信网络中,总体上包含两类业务,一类是语音业务,另一类是数据业务。由于网络中业务QoS需求低于八种,可以采用E-LSP。语音业务包含有VoIP以及由此产生的各种信令,在DiffServ网络中,把它的DSCP设置为101110,对应于EF PHB,映射到EXP为6或者7。为了突出数据业务和语音业务的级别差距,把数据业务的DSCP设置为001010,对应于AF11 PHB,映射到EXP为0。通过采用MPLS DiffServ,手动建立LSP,引导业务流绕过高负载链路,避开网络拥堵的区间,同时采用区分服务,提高VoIP流的QoS等级,通过标签交换技术,快速到达目的节点,降低传输时延,保障QoS,实现负载均衡。

4仿真与验证

4.1抽象系统结构

首先分析舰内移动通信系统,抽象出系统的拓扑结构。整个系统运行在一个弹性分组环(Resilient Packet Ring,RPR)上,向上有若干台服务器通过交换机连接在环网上,向下则有若干区域交换设备和微基站连接到环网上,其中微基站能够接收用户的话音信号,并且还具有WIFI热点的功能。目前舰艇内部移动通信系统能实现多种业务,其中就包含了数据业务和话音业务。数据业务流量主要由舰内人员通过WIFI浏览网页,发送邮件等产生;话音业务流量则主要来源于VoIP。数据业务和话音业务共享10M的接入层网络带宽,考虑到数据业务产生的突发性流量对话音业务造成的冲击,可以把整个RPR环网用MPLS DiffServ网络来代替,通过设置业务优先级、使用流量控制等手段优化,使话音业务QoS得到保障。

4.2仿真的目的与任务

本章仿真的目的:MPLS DiffServ网络对通过LSP的不同数据流进行服务区分,使不同数据流能够得到不同的服务质量,以满足不同业务的服务质量要求。通过本次仿真实验说明MPLS技术与DiffServ的结合能够有效控制业务的服务质量,提高通信网络在支持多类业务QoS方面的性能。

旅游者、旅行社和地方管理部门的故意无视以及旅游者的默认补偿行为导致了一个后果,那就是低价旅游的囚徒困境○16。囚徒困境的本质是个体理性导致了集体的非理性。对于旅游者、旅行社和地方管理部门来说,故意无视是一种理性行为——为自身利益着想,旅游者的默认补偿也是一种理性行为——修复内疚心理,弥补对方损失。但是,这种理性行为导致的结果是无序竞争和市场乱象,最终损害了所有利益相关者的利益。2015-2016年即使在中国政府与韩国和日本产生摩擦的情况下,韩国和日本旅游市场仍然火爆,其中一个很重要的原因就是旅游市场乱象导致了旅游者的不信任。

本次仿真实验的任务是通过采集网络入口LER及各条链路中话音业务和数据业务的相关数据,分析在不同情况下,MPLS DiffServ对不同业务的QoS的影响。本次仿真内容包括以下两个对比实验:

· 在不使用MPLS DiffServ的情况下,使用同一条链路传输话音流和数据流,并对结果进行分析。

· 使用MPLS DiffServ,通过DiffServ对同一条LSP中传输的两种业务加以区分,提高话音业务的QoS性能。

4.3基于MPLS DiffServ的VoIP网络建模

本次实验使用OPNET[8]进行网络仿真,具体网络拓扑结构如图4所示。

图4 MPLS DiffServ仿真建模

仿真实验仿真环境如下:整个模型设置了7个路由器节点(3个LER,4个LSR),3个LAN节点(2个VoIP发,1个VoIP收),2个PPP_WKSTN节点(2个FTP发)以及1个FTP服务器节点。路由器之间使用PPP_E3链路模型,每条链路带宽为34.368Mbps,LAN节点到LER的链路设为10Base_T,带宽为10M,FTP节点和FTP服务器到LER采用100Base_T,带宽为100M。VoIP业务采用G.711编码,编码延时和解码延时均设置为0.02s,FTP业务则设置为每10s向FTP服务器上传一个大小为25MB的FTP文件。

实验二在IP网络中采用MPLS DiffServ建立了一条从LSR1→LSR2→LSR3→LER2的LSP[10],引导FTP1以及VoIP_SRC_1通过此路径到达目的端,避开了拥堵的LSR4→LER2链路,提高了链路利用率,并且在该LSP中还采用了DiffServ技术,提高了VoIP业务QoS级别,保证VoIP业务不受FTP业务的影响。

图5 LSR4→LER2链路利用率

图6 LSR1→LSR2链路利用率

使用MPLS DiffServ后,LSR4→LER2链路利用率由接近80%降到了接近60%,而LSR1→LSR2链路利用率则由0提高到了60%左右,整个网络实现了负载均衡,提高了网络资源的利用率。

使用MPLS DiffServ前,VoIP_Dest节点接收时延和抖动会随着FTP业务的进行有明显的波动,使用MPLS DiffSer后,时延和抖动变得平稳,不会被

FTP业务所干扰,很好的保障了VoIP的QoS。

图7 VoIP_Dest节点接收抖动

图8 VoIP_Dest节点接收时延

5结语

本文从理论上进行分析,得出MPLS DiffServ技术能够影响VoIP的话音质量,并通过对比仿真,验证了MPLS DiffServ模型对语音流的保护、改善作用,通过仿真实验,可以明确在舰内移动通信网络这样一个数据话音等多种业务混合传输的特殊环境中,MPLS DiffServ能够通过建立LSP实现负载均衡,并且还能在数据话音混合流中区分出VoIP话音业务并对它加以保护,提升舰內话音通信质量。

参 考 文 献

[1] 方立杰.VoIP中关键技术的研究[J].科技广场,2010(3):42-45.

[2] 林闯,单志广,任丰原.计算机网络的服务质量(QoS)[M].北京:清华大学出版社,2004:21-22.

[3] 姚玉坤,刘合武.IntServ与DiffServ在VoIP QoS中的应用分析[J].计算机与数字工程,2007(4):55-58.

[4] 李建莹,赵宗印.专用IP网端到端QoS保证方案研究[J].飞行器测控学报,2010,29:22-25.

[5] 周宇航.基于DiffServ技术的分组调度研究[D].南京:南京邮电大学,2011:6-7.

[6] 刘宇坤.基于MPLS的区分服务网络研究[D].成都:电子科技大学,2012:5-10.

[7] 覃明,蔡勇.基于MPLS的DiffServ模型的网络QoS[J].江南大学学报,2006(5):153-157.

[8] 陈敏.OPNET网络仿真[M].北京:清华大学出版社,2004:180-189.

[9] 姬金伟.基于OPNET的MPLS网络流量工程方正分析[J].电脑知识与技术,2007(9):626-628.

[10] 唐庆.MPLS技术的OPNET仿真研究[D].成都:西南交通大学,2010:18-22.

中图分类号TN912

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.015

作者简介:裴康乐,男,硕士,研究方向:通信与信息系统通信与信息系统。郑巧珍,女,研究员,研究方向:信号与信息处理。李含辉,男,研究员,研究方向:无线通信。

*收稿日期:2015年7月5日,修回日期:2015年8月21日

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