NGN承載網的QoS和安全考慮及建設方案探討
1 引言
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/154783.htmNGN是下一代電信網的發(fā)展趨勢,雖然目前其體系架構、相關標準仍在不斷完善中,但是無論是基于軟交換的體系架構還是基于IMS的體系架構,對承載網技術的要求是一致的,都需要承載網能夠提供電信級的QoS與安全。
目標的NGN網絡上能夠開展任何一種電信業(yè)務,統(tǒng)一的承載平臺也一直是電信界的夢想,人們期待IP能夠成為這個全業(yè)務網絡的基礎轉發(fā)平臺。雖然IP網絡是目前公認的下一代電信網的承載網絡,但IP網絡本身的特點一方面奠定了IP網絡成功的基礎,另一方面這些特點也限制了其進一步的發(fā)展。IP的QoS與安全問題成為其最終能否承擔起這個歷史使命的最大懸念。電信級的端到端QoS研究,是電信界研究的熱點,目前還沒有成熟、可靠、可以大規(guī)模實施的技術,各運營商業(yè)也在密切跟蹤與參與。目前,基于軟交換的NGN系統(tǒng)及業(yè)務已經基本成熟,對于運營商而言,現(xiàn)階段建設NGN網絡、開展NGN業(yè)務具有一定的戰(zhàn)略意義,因此在現(xiàn)有網絡上研究如何提供具有一定保障的QoS與安全,并開展NGN的業(yè)務成為了一個現(xiàn)實而重要的課題。本文分析了承載網的QoS與安全問題,并給出了一種現(xiàn)實的NGN承載網的建設方案。
2 NGN承載網的QoS考慮
考慮承載網的QoS問題,首先必須搞清楚影響VoIPQoS的幾個重要因素。
2.1時延
由于當前IP分組網的固有特性和低比特話音編解碼器的使用,使得VoIP語音分組的端到端時延要比電路交換網中的時延大得多,組成部分也更為復雜,VoIP應用中網絡通信結構和底層傳輸協(xié)議的多樣性,決定了時延成分的多樣性。
端到端的時延可以分成兩個部分,即固定時延和可變時延。固定時延包括編解碼器引入的時延和打包時延。固定時延和采用的壓縮算法、打包的語音數(shù)據(jù)量相關。可變時延包括:承載網上的傳輸、節(jié)點中排隊、服務處理時延、去抖動時延,這些和設備的端口速率,網絡的負載情況,經過的網絡路徑、設備對QoS的支持方式、實現(xiàn)的QoS算法等密切相關。特別是去抖時延和承載網絡的抖動指標密切相關,通過采用合適的網絡技術可以顯著降低語音通過網絡時引入的抖動,減少去抖動時延。
IP網中話音分組的端到端時延,150ms以下的時延,對于大多數(shù)應用來說是可接受的;150~400ms之間的時延,在用戶預知時延狀況的前提下可以接受;大于400ms的時延不可接受。
目前,不同級別的網絡設備,在正常情況下的數(shù)據(jù)包處理時延為幾十微秒到幾毫秒,能夠滿足單跳時延要求,但承載網的跳數(shù)設計不能超過以上端到端的的時延要求,而且跳數(shù)越少越好。
2.2 抖動
根據(jù)實際測量發(fā)現(xiàn),抖動大于500ms是不可接收的,而抖動達到300ms時,是可以接受的,此時為了消除抖動會引起較大的時延,綜合時延對語音質量的影響來考慮,要求承載網的抖動小于80ms。
抖動會引起端到端的時延增加,會引起語音質量的降低。影響抖動的因素一般和網絡的擁塞程度相關。網絡節(jié)點流量超忙,數(shù)據(jù)包在各節(jié)點緩存時間過長,使得到達速率變化較大。由于語音同數(shù)據(jù)在同一條物理線路上傳輸,語音包通常會由于數(shù)據(jù)包的突發(fā)性而導致阻塞。
2.3 丟包率
丟包對VoIP語音質量的影響較大,當丟包率大于10%時,已不能接受,而在丟包率為5%時,基本可以接受。因此,要求IP承載網的丟包率小于5%。
丟包率的形成原因主要有兩點,一是傳統(tǒng)IP傳輸過程中的誤碼,這種情況在目前的網絡條件下發(fā)生的概率極低。另一個是不能保障業(yè)務帶寬造成的,當網絡流量越擁塞,影響就越強烈,丟包發(fā)生率也就越大。
2.4 帶寬
足夠的帶寬是保障業(yè)務QoS的重要手段。如語音編碼壓縮采用ITU-TG.729標準,速率為8kbit/s。典型的語音編碼器每20ms分發(fā)一個語音數(shù)據(jù)包,每個數(shù)據(jù)包中含有兩個語音幀,所以每20ms就會采樣生成160bit的信號,即數(shù)據(jù)包大小為20字節(jié)。當加上12字節(jié)的RTP頭,8字節(jié)的UDP頭和20字節(jié)的lP頭后,則每個包大小變?yōu)?0字節(jié)。因此,每個語音連接的有效速率為(60×8)/20=24kbit/s。同理,G.711的有效速率為80kbit/s??紤]目前城域網內主要的鏈路層技術是以太網,G.729,G.711的有效速率分別為:34.4kbit/s,90.4kbit/s。
控制流和信令流的帶寬詳細計算原則是一樣的,要考慮信令消息以及開銷的字節(jié)數(shù),開銷的計算跟語音業(yè)務帶寬中的計算類似,信令消息的字節(jié)數(shù)則需要根據(jù)不同協(xié)議的呼叫消息字節(jié)數(shù)、呼叫比例的分配等來計算。由于控制信令在承載網占用的帶寬較媒體流來說微乎其微,大約只占按照G.711編碼所需帶寬的0.5%,一個簡單快速的算法就是按照媒體流帶寬的2.5%預留。
對于任一層次的承載網絡設備,上行端口匯聚了NGN的業(yè)務,其帶寬設計必須滿足其它端口及下聯(lián)設備所帶NGN用戶的帶寬需求。
2.5 QoS的考慮
通過對影響QoS的指標分析可以看到,對承載網的精心設計(如層次、跳數(shù)的控制)、充分合理的帶寬規(guī)劃、避免網絡擁塞,是目前現(xiàn)實方案中需要重點考慮的因素。
當前的IP服務質量體系結構主要有IETF建議的IntServ體系和DiffServ體系。IntServ模型使用資源預留協(xié)議(RSVP),在傳送數(shù)據(jù)之前,根據(jù)業(yè)務的服務質量需求進行網絡資源預留,從而為改數(shù)據(jù)流提供端到端的服務質量保證。集成模型雖然能夠提供確定的服務質量保證,但是它需要在網絡中維護每個流的狀態(tài),對路由器的要求高,難以在大型IP網絡中實施,因此不考慮使用這個方案。區(qū)分服務的基本思想是將用戶的數(shù)據(jù)流按照服務質量要求劃分等級,級別高的數(shù)據(jù)流在排隊和占用資源時比級別低的數(shù)據(jù)流有更高的優(yōu)先級。區(qū)分服務只包含有限數(shù)量的業(yè)務級別,狀態(tài)信息數(shù)量少、實現(xiàn)簡單、擴展性好。因此是目前業(yè)界認同的IP網絡QoS的解決方案。
在NGN業(yè)務與互聯(lián)網業(yè)務共用網絡設備的情況下,互聯(lián)網業(yè)務的流量特征對網絡QoS性能的影響要充分考慮。一直以來,互聯(lián)網的網絡規(guī)劃與建設基本上是參照平均統(tǒng)計的經驗模型,在充分考慮業(yè)務發(fā)展需要的同時預留一定的余量,網絡設備的能力與帶寬往往超過實際的需要,但實際上發(fā)現(xiàn)網絡的質量并不穩(wěn)定。根據(jù)近年來的研究發(fā)現(xiàn),互聯(lián)網承載的主要業(yè)務如WWW,F(xiàn)TP等在較大的時間尺度內具有自相似的特性,表現(xiàn)為聚合流量產生的過程具有顯著的突發(fā)性,而不是像傳統(tǒng)模型那樣是一個預期的平滑疊加過程。具體體現(xiàn)到IP城域網的現(xiàn)象就是:平均性能較好,瞬態(tài)特性很差。因此,在網絡設計中必須充分考慮互聯(lián)網流量對NGN業(yè)務的沖擊。解決這個問題,可以采用DiffServ技術來部分改善,也可以考慮建設NGN專用網絡去避免這個問題。從運營的角度看,考慮到傳輸資源充分、網絡帶寬以及設備成本低、安全性等因素的考慮,建設專用輕載網絡,盡可能增大網絡帶寬也是非常現(xiàn)實的方案。
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