摘 要：針對(duì)下一代網(wǎng)絡(luò)中IP電話VoIP服務(wù)質(zhì)量" title="服務(wù)質(zhì)量">服務(wù)質(zhì)量QoS的需求，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外各種QoS技術(shù)進(jìn)行了分析研究，介紹了基于SIP協(xié)議的VoIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，提出了一種基于Q-SIP的VoIP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器架構(gòu)模型，并對(duì)其主要的功能模塊進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。
關(guān)鍵詞：會(huì)話初始協(xié)議? 網(wǎng)絡(luò)電話? 服務(wù)質(zhì)量? 多協(xié)議標(biāo)記交換

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??? 目前構(gòu)建VoIP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的信令協(xié)議主要有H.323協(xié)議和SIP協(xié)議^[1]。雖然H.323協(xié)議正主導(dǎo)著VoIP技術(shù)，但其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、成本高、建立連接時(shí)延" title="時(shí)延">時(shí)延大，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中很難實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。因此，IETF組織提出了會(huì)話初始協(xié)議SIP（Session Initial Protocol）。SIP將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的復(fù)雜性推向網(wǎng)絡(luò)邊緣，支持單播通信、多播通信、名稱映射和重定向業(yè)務(wù)，還支持類似呼叫轉(zhuǎn)發(fā)、呼叫拒絕等電信業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)以及支持用戶移動(dòng)性。與H.323協(xié)議相比，SIP協(xié)議更適合于智能用戶終端，使用更加靈活、簡(jiǎn)單。
　　IP技術(shù)是一種面向無連接的技術(shù)，IP網(wǎng)絡(luò)只提供一種“盡力而為”（Best Effort）的服務(wù)，這對(duì)于只要求準(zhǔn)確率而對(duì)時(shí)延沒有嚴(yán)格要求的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來說是合適的，而對(duì)于音、視頻等實(shí)時(shí)通信的QoS(Quality of Service)卻難以保證。因此,如何為音、視頻等實(shí)時(shí)通信保證合理可預(yù)測(cè)的QoS，提供與公共開關(guān)電話網(wǎng)PSTN（Public Switched Telephone Network）可媲美的質(zhì)量和服務(wù)已成為當(dāng)前IP領(lǐng)域中一個(gè)重要的研究熱點(diǎn)。
1 基于SIP協(xié)議的VoIP 網(wǎng)絡(luò)及QoS指標(biāo)
　　VoIP泛指在以IP為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行語音通話的系統(tǒng)，它采用的技術(shù)統(tǒng)稱為VoIP(Voice over IP)。VoIP技術(shù)是建立在IP技術(shù)上的分組化、數(shù)字化語音傳輸技術(shù)，其基本原理是通過語音壓縮算法對(duì)語音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼處理，然后把這些壓縮后的數(shù)據(jù)按照IP等相關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包，通過IP網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包分組傳輸?shù)侥康牡?，再把這些包組合起來，經(jīng)過解碼解壓處理后，恢復(fù)成原來的語音信號(hào)，從而達(dá)到由IP網(wǎng)絡(luò)傳送語音的目的。而呼叫的建立、拆除、控制、附加服務(wù)和能力交流等則需要由控制信令來實(shí)現(xiàn)^[2]。
1.1 基于SIP協(xié)議的VoIP協(xié)議棧架構(gòu)
　　基于SIP協(xié)議的IP電話的協(xié)議棧架構(gòu)如圖1所示，其實(shí)現(xiàn)方式是：IETF組織制定SIP協(xié)議的一個(gè)重要原則就是最大限度地重用已有的協(xié)議，力爭(zhēng)只做少量的功能擴(kuò)展和應(yīng)用環(huán)境配置。因此，SIP協(xié)議棧中的媒體傳送層與H.323系統(tǒng)相同，采用PCM編碼或其他各種壓縮編碼的語音信號(hào)經(jīng)過實(shí)時(shí)傳送協(xié)議（RTP）封裝后在IP網(wǎng)絡(luò)上傳送，并用實(shí)時(shí)傳送控制協(xié)議（RTCP）監(jiān)測(cè)QoS。而任選RSVP協(xié)議用于資源預(yù)留，以此保證傳送的QoS。實(shí)時(shí)流協(xié)議（RTSP）用于控制存儲(chǔ)媒體的一些實(shí)施操作，如播放、快進(jìn)、暫停等動(dòng)作，在IP電話中則主要用于語音信箱的控制。傳輸層協(xié)議可以使用TCP或UDP。如果采用UDP，可以由應(yīng)用層控制消息的定時(shí)和重發(fā)，并且可以方便地利用多播機(jī)制并行搜索目的用戶，無須為每個(gè)搜索建立一個(gè)單獨(dú)的TCP連接，因此在實(shí)際應(yīng)用中首選使用UDP^[3-4]。

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1.2 VoIP網(wǎng)絡(luò)的QoS指標(biāo)
　　VoIP在Internet各類應(yīng)用中占據(jù)越來越大的比重，其QoS的保證問題也日益突出。要實(shí)現(xiàn)語音QoS的保證，首先要了解語音QoS的衡量指標(biāo)。國(guó)際上對(duì)基于IP的語音QoS一般從端到端" title="端到端">端到端時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)和丟包率等幾個(gè)方面來評(píng)價(jià)^[5]。
?? (1)端到端時(shí)延
　　根據(jù)ITU-T組織建議使用G.144協(xié)議，端到端時(shí)延有如下規(guī)定：①0ms～150ms對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用可接受。②150ms～400ms對(duì)于有限的應(yīng)用可接受。③400ms以上對(duì)于通常的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用不可接受。
??? (2)時(shí)延抖動(dòng)
　　在VoIP技術(shù)中，時(shí)延抖動(dòng)(Delay Jitter)一般是指語音流中兩個(gè)連續(xù)的語音包的端到端時(shí)延的差值。時(shí)延抖動(dòng)對(duì)需要規(guī)則化傳輸包的VoIP技術(shù)等應(yīng)用(其他還包括視頻播放等)的性能有著顯著的影響。
??? (3)丟包率
　　語音質(zhì)量的評(píng)價(jià)通常用丟包率(R值)來衡量。R=Ro-Is-Id-Ie+A。式中，Ro為基本信噪比，Is為同時(shí)損害因子，Id為延時(shí)帶來的損害因子，Ie為設(shè)備帶來的損害因子， A為有利因子。
　　丟包率(R值)有如下規(guī)定：①<5%，可接受。②<10%，通過提示丟包噪音可接受。
??? (4)保證QoS的關(guān)鍵
　　減少延時(shí)和抖動(dòng)是保證QoS的關(guān)鍵。在VoIP端到端傳輸過程中的時(shí)延，平均時(shí)延為150ms～400ms，所要做的是使時(shí)延小于100ms～150ms，以達(dá)到高QoS保證的VoIP技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)中的QoS可以通過使用高速的IP網(wǎng)絡(luò)提高核心網(wǎng)的容量或者通過使用有QoS保證的IP網(wǎng)絡(luò)(通過RSVP、Diffserv協(xié)議)來實(shí)現(xiàn)；客戶端" title="客戶端">客戶端的QoS可以通過抖動(dòng)補(bǔ)償和選擇合適的編解碼算法(G.711、G.723等)來實(shí)現(xiàn)。
2 VoIP網(wǎng)絡(luò)的QoS機(jī)制
　　傳統(tǒng)的Internet是一個(gè)面向無連接的網(wǎng)絡(luò)，只提供一種承載業(yè)務(wù)，即盡力傳送（Best Effort）業(yè)務(wù)，也就是說，網(wǎng)絡(luò)并不保證數(shù)據(jù)流的傳送時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)和丟包率等技術(shù)指標(biāo)，RTP也并不保證QoS，而且在一個(gè)連接路徑上不做資源預(yù)留，還需要使用信令協(xié)議來建立連接，協(xié)商將要使用的介質(zhì)格式。然而，為了保證音頻、視頻等實(shí)時(shí)通信應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)必須支持具有一定QoS的端到端的承載業(yè)務(wù)。為此，IETF組織已經(jīng)提出了幾種服務(wù)模型和機(jī)制。下面主要討論綜合服務(wù)（IntServ/RVSP）模型、區(qū)分服務(wù)" title="區(qū)分服務(wù)">區(qū)分服務(wù)(DiffServ)模型及多協(xié)議標(biāo)記交換MPLS(Multiprotocol Label Switching) 模型等在保證基于SIP的VoIP技術(shù)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用^[4]。
2.1 綜合服務(wù)模型
　　綜合服務(wù)模型(IntServ/RSVP)由IETF RFC1633提出，其基本思想是：將RSVP作為IntServ結(jié)構(gòu)中的主要信令協(xié)議，利用RSVP消息，端點(diǎn)應(yīng)用程序可以提出數(shù)據(jù)傳送全過程必須預(yù)留的網(wǎng)絡(luò)資源(如帶寬、緩沖區(qū)大小等)，同時(shí)也確定了沿途各路由器的傳輸調(diào)度策略，基于每個(gè)流提供端到端的保證或是受控負(fù)載的服務(wù)；IntServ在發(fā)送方與接收方之間用RSVP作為每個(gè)流的信令；RSVP信息跨越整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，從接收方到發(fā)送方之間沿途的每個(gè)路由器都要為每一個(gè)要求QoS的數(shù)據(jù)流預(yù)留資源；路徑沿途的各路由器包括核心路由器必須為RSVP數(shù)據(jù)流維護(hù)軟狀態(tài)。
　　資源預(yù)留協(xié)議RSVP（Resource Reservation Protocol）是為改善網(wǎng)絡(luò)對(duì)業(yè)務(wù)流的控制能力而設(shè)計(jì)的信令協(xié)議，不是一種路由協(xié)議。這種協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間交換信息，數(shù)據(jù)發(fā)送端將其服務(wù)請(qǐng)求通過RSVP協(xié)議發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)請(qǐng)求則通過網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議傳遞到目的節(jié)點(diǎn)，傳遞過程中RSVP協(xié)議收集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的可用資源情況，目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)這些信息以及接收到的QoS請(qǐng)求在返回的信息中在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上申請(qǐng)預(yù)留資源，并在無法提供足夠的資源預(yù)留時(shí)發(fā)出錯(cuò)誤信息。
　　IntServ的優(yōu)點(diǎn)是具有很好的QoS保證，使用RSVP的軟狀態(tài)可以支持網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)改變與組播業(yè)務(wù)中成員的動(dòng)態(tài)加入。IntServ存在的問題是網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性不好，需要進(jìn)行端到端的資源預(yù)留。
2.2 區(qū)分服務(wù)模型
　　區(qū)分服務(wù)模型(DiffServ)的基本思想是“邊緣分類、內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)”，即根據(jù)預(yù)先確定的規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類和標(biāo)記，以便將多種應(yīng)用數(shù)據(jù)流聚合為有限的幾種數(shù)據(jù)流等級(jí)。區(qū)分服務(wù)是由綜合服務(wù)發(fā)展而來的，它采用IETF組織的基于RSVP的服務(wù)分類標(biāo)準(zhǔn)，拋棄了分組流沿路節(jié)點(diǎn)上的資源預(yù)留。
　　DiffServ在網(wǎng)絡(luò)邊緣將業(yè)務(wù)流分成少量的類或聚集BA(Behavior Aggregation)，它由IP分組頭的區(qū)分服務(wù)碼點(diǎn)DSCP(DiffServ Code Point)標(biāo)志(在IPv4中的ToS字段，IPv6中流類型字段)。
　　在網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)上，路由器根據(jù)每個(gè)BA相關(guān)的逐跳行為PHB（Per Hop Behavior）來轉(zhuǎn)發(fā)分組。PHB是BA的外部表現(xiàn)，可分解成調(diào)度特性和丟棄優(yōu)先級(jí)。
　　DiffServ的優(yōu)點(diǎn)是可擴(kuò)展性較好，缺點(diǎn)是不能完全依靠自身提供端到端的QoS。
2.3 MPLS技術(shù)
　　多協(xié)議標(biāo)記交換的主要思想是將二層交換(虛電路)與三層路由有機(jī)結(jié)合，用二層的高速轉(zhuǎn)發(fā)支持第三層，大大提高了路由器的轉(zhuǎn)發(fā)性能。在MPLS網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)分組頭的分析檢查僅由網(wǎng)絡(luò)入口處的入口標(biāo)記路由器I-LER(Ingress LER)處理，即分組進(jìn)人MPLS網(wǎng)絡(luò)之前，控制層面的路由協(xié)議，如OSPF建立網(wǎng)絡(luò)路由表、LDP建立到目的網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)記交換通道LSP(Label Switch Path)，將網(wǎng)絡(luò)層的路由信息直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層的交換路徑上。I-LER確定分組所屬的轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類FEC（Forwarding Equivalent Class)，完成標(biāo)記的映射和添加。在核心處，標(biāo)記交換路由器LSR（Label Switch Router)只需根據(jù)標(biāo)記表快速交換分組，用出標(biāo)記替換入標(biāo)記將分組逐級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)給LSP上的下一跳路由器；在網(wǎng)絡(luò)的出口處，由E-LER(Egress LER)移出標(biāo)記。
2.4 DiffServ Over MPLS技術(shù)^[6]
　　用MPLS技術(shù)來承載DiffServ，改變了DiffServ無連接的PHB分組轉(zhuǎn)發(fā)方式，為實(shí)現(xiàn)端到端的QoS提供了基礎(chǔ)平臺(tái)。其中的I-LER不僅完成普通MPLS邊界路由器的功能，同時(shí)融合了DiffServ中的ER職能，完成標(biāo)記的封裝和流的聚合形成BA，并將BA映射到對(duì)應(yīng)的LSP上，完成對(duì)聚合流的監(jiān)管和調(diào)度；LSR完成標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)的同時(shí)，還需要對(duì)分組進(jìn)行調(diào)度、丟棄和整形?？梢娖潢P(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)標(biāo)記到PHB的映射。
　　對(duì)于標(biāo)記到PHB的映射，RFC 3270中提供了兩種映射方法，分別為L(zhǎng)-LSP（Label-Infered-PSC LSP）和E-LSP（EXP-Infered-PSC LSP）。PSC（PHB Scheduling Class）是指一類具有相同隊(duì)列處理要求的PHB。由于需要擴(kuò)展來支持?jǐn)?shù)量更多的PHB，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上接受這些PHB，但合并LSP卻較困難。
3 基于Q-SIP的VoIP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
　　通過SIP在兩個(gè)終端之間建立會(huì)話協(xié)議，雖然有統(tǒng)一的資源標(biāo)識(shí)符，但是SIP協(xié)議在IP網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行會(huì)話時(shí)沒有QoS控制能力，無控制會(huì)話功能，難于運(yùn)營(yíng)維護(hù)。因此，在當(dāng)前追求會(huì)話傳輸質(zhì)量的高通信要求下，原有的S1P協(xié)議體系難以滿足這種需求^[7]。
　　在SIP協(xié)議中，SIP客戶端通過一個(gè)SIP代理服務(wù)器（Outbound Proxy）處理發(fā)出和進(jìn)入的呼叫，客戶端發(fā)送SIP消息給代理服務(wù)器并且從該服務(wù)器接收消息。由此，SIP服務(wù)器可以添加（和讀?。㏒IP消息的QoS相關(guān)信息，從SIP信令中抽取QoS參數(shù)并與網(wǎng)絡(luò)QoS機(jī)制實(shí)現(xiàn)交互，以下稱改進(jìn)的SIP服務(wù)器為Q-SIP服務(wù)器。因此，為了在未來寬帶網(wǎng)絡(luò)中更好地實(shí)現(xiàn)VoIP服務(wù)質(zhì)量保證以克服原有SIP協(xié)議的缺點(diǎn)，本文提出一種基于Q-SIP的VoIP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器架構(gòu)模型如圖2所示。該模型在實(shí)現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量會(huì)話控制時(shí)，可協(xié)同多種協(xié)議完成QoS任務(wù)，如RSVP、Diffserv、MPLS、COPS協(xié)議等。圖2所示的新的Q-SIP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有QoS控制和服務(wù)功能，從而保證了VoIP網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。

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3.3 Q-SIP的可擴(kuò)展性
　　這種基于Q-SIP的VoIP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型可以在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)，并支持未來寬帶網(wǎng)絡(luò)，如IPV6網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)會(huì)話網(wǎng)絡(luò)等[5]。該模型不需要部署在專用網(wǎng)上，因而具有很大的發(fā)展空間。Q-SIP可擴(kuò)展性在于可以在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中通過多個(gè)Q-SIP服務(wù)器相互協(xié)作來完成網(wǎng)絡(luò)會(huì)話服務(wù)，通過高級(jí)SIP代理進(jìn)行QoS級(jí)別的設(shè)置等。
　　根據(jù)VolP系統(tǒng)中高質(zhì)量語音的需求，分析了如何滿足與傳統(tǒng)電信網(wǎng)相當(dāng)?shù)腝oS要求（包括丟包率、傳輸延時(shí)和延時(shí)抖動(dòng)等），提出了一種支持QoS的SIP代理服務(wù)器模型的實(shí)現(xiàn)方案。該方案充分利用了多層次和多平面結(jié)合的特點(diǎn)，協(xié)同多種協(xié)議工作，解決了SIP代理服務(wù)器無會(huì)話QoS控制的能力和VoIP網(wǎng)絡(luò)中策略服務(wù)器無會(huì)話控制能力的問題。另外，模塊化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了系統(tǒng)的通用性和可移植性，有利于系統(tǒng)的后期維護(hù)和功能擴(kuò)展，而且對(duì)下一代網(wǎng)絡(luò)中的IPV6技術(shù)有很好的擴(kuò)展和支持。
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