NGN承載網(wǎng)的QoS和安全考慮及建設(shè)方案探討

1 引言

NGN是下一代電信網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，雖然目前其體系架構(gòu)、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仍在不斷完善中，但是無論是基于軟交換的體系架構(gòu)還是基于IMS的體系架構(gòu)，對(duì)承載網(wǎng)技術(shù)的要求是一致的，都需要承載網(wǎng)能夠提供電信級(jí)的QoS與安全。

目標(biāo)的NGN網(wǎng)絡(luò)上能夠開展任何一種電信業(yè)務(wù)，統(tǒng)一的承載平臺(tái)也一直是電信界的夢(mèng)想，人們期待IP能夠成為這個(gè)全業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)。雖然IP網(wǎng)絡(luò)是目前公認(rèn)的下一代電信網(wǎng)的承載網(wǎng)絡(luò)，但I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)本身的特點(diǎn)一方面奠定了IP網(wǎng)絡(luò)成功的基礎(chǔ)，另一方面這些特點(diǎn)也限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。IP的QoS與安全問題成為其最終能否承擔(dān)起這個(gè)歷史使命的最大懸念。電信級(jí)的端到端QoS研究，是電信界研究的熱點(diǎn)，目前還沒有成熟、可靠、可以大規(guī)模實(shí)施的技術(shù)，各運(yùn)營(yíng)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(wù)已經(jīng)基本成熟，對(duì)于運(yùn)營(yíng)商而言，現(xiàn)階段建設(shè)NGN網(wǎng)絡(luò)、開展NGN業(yè)務(wù)具有一定的戰(zhàn)略意義，因此在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)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(wù)成為了一個(gè)現(xiàn)實(shí)而重要的課題。本文分析了承載網(wǎng)的QoS與安全問題，并給出了一種現(xiàn)實(shí)的NGN承載網(wǎng)的建設(shè)方案。

2 NGN承載網(wǎng)的QoS考慮

考慮承載網(wǎng)的QoS問題，首先必須搞清楚影響VoIPQoS的幾個(gè)重要因素。

2.1時(shí)延

由于當(dāng)前IP分組網(wǎng)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(shí)延要比電路交換網(wǎng)中的時(shí)延大得多，組成部分也更為復(fù)雜，VoIP應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)和底層傳輸協(xié)議的多樣性，決定了時(shí)延成分的多樣性。

端到端的時(shí)延可以分成兩個(gè)部分，即固定時(shí)延和可變時(shí)延。固定時(shí)延包括編解碼器引入的時(shí)延和打包時(shí)延。固定時(shí)延和采用的壓縮算法、打包的語音數(shù)據(jù)量相關(guān)?？勺儠r(shí)延包括：承載網(wǎng)上的傳輸、節(jié)點(diǎn)中排隊(duì)、服務(wù)處理時(shí)延、去抖動(dòng)時(shí)延，這些和設(shè)備的端口速率，網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況，經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)路徑、設(shè)備對(duì)QoS的支持方式、實(shí)現(xiàn)的QoS算法等密切相關(guān)。特別是去抖時(shí)延和承載網(wǎng)絡(luò)的抖動(dòng)指標(biāo)密切相關(guān)，通過采用合適的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以顯著降低語音通過網(wǎng)絡(luò)時(shí)引入的抖動(dòng)，減少去抖動(dòng)時(shí)延。

IP網(wǎng)中話音分組的端到端時(shí)延，150ms以下的時(shí)延，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說是可接受的;150～400ms之間的時(shí)延，在用戶預(yù)知時(shí)延狀況的前提下可以接受;大于400ms的時(shí)延不可接受。

目前，不同級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，在正常情況下的數(shù)據(jù)包處理時(shí)延為幾十微秒到幾毫秒，能夠滿足單跳時(shí)延要求，但承載網(wǎng)的跳數(shù)設(shè)計(jì)不能超過以上端到端的的時(shí)延要求，而且跳數(shù)越少越好。

2.2 抖動(dòng)

根據(jù)實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，抖動(dòng)大于500ms是不可接收的，而抖動(dòng)達(dá)到300ms時(shí)，是可以接受的，此時(shí)為了消除抖動(dòng)會(huì)引起較大的時(shí)延，綜合時(shí)延對(duì)語音質(zhì)量的影響來考慮，要求承載網(wǎng)的抖動(dòng)小于80ms。

抖動(dòng)會(huì)引起端到端的時(shí)延增加，會(huì)引起語音質(zhì)量的降低。影響抖動(dòng)的因素一般和網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度相關(guān)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量超忙，數(shù)據(jù)包在各節(jié)點(diǎn)緩存時(shí)間過長(zhǎng)，使得到達(dá)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(huì)由于數(shù)據(jù)包的突發(fā)性而導(dǎo)致阻塞。

2.3 丟包率

丟包對(duì)VoIP語音質(zhì)量的影響較大，當(dāng)丟包率大于10%時(shí)，已不能接受，而在丟包率為5%時(shí)，基本可以接受。因此，要求IP承載網(wǎng)的丟包率小于5%。

丟包率的形成原因主要有兩點(diǎn)，一是傳統(tǒng)IP傳輸過程中的誤碼，這種情況在目前的網(wǎng)絡(luò)條件下發(fā)生的概率極低。另一個(gè)是不能保障業(yè)務(wù)帶寬造成的，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量越擁塞，影響就越強(qiáng)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(wù)QoS的重要手段。如語音編碼壓縮采用ITU-TG.729標(biāo)準(zhǔn)，速率為8kbit/s。典型的語音編碼器每20ms分發(fā)一個(gè)語音數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包中含有兩個(gè)語音幀，所以每20ms就會(huì)采樣生成160bit的信號(hào)，即數(shù)據(jù)包大小為20字節(jié)。當(dāng)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(gè)包大小變?yōu)?0字節(jié)。因此，每個(gè)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(wǎng)內(nèi)主要的鏈路層技術(shù)是以太網(wǎng)，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(xì)計(jì)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(jì)算跟語音業(yè)務(wù)帶寬中的計(jì)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(jì)算。由于控制信令在承載網(wǎng)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(gè)簡(jiǎn)單快速的算法就是按照媒體流帶寬的2.5%預(yù)留。

對(duì)于任一層次的承載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，上行端口匯聚了NGN的業(yè)務(wù)，其帶寬設(shè)計(jì)必須滿足其它端口及下聯(lián)設(shè)備所帶NGN用戶的帶寬需求。

2.5 QoS的考慮

通過對(duì)影響QoS的指標(biāo)分析可以看到，對(duì)承載網(wǎng)的精心設(shè)計(jì)(如層次、跳數(shù)的控制)、充分合理的帶寬規(guī)劃、避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，是目前現(xiàn)實(shí)方案中需要重點(diǎn)考慮的因素。

當(dāng)前的IP服務(wù)質(zhì)量體系結(jié)構(gòu)主要有IETF建議的IntServ體系和DiffServ體系。IntServ模型使用資源預(yù)留協(xié)議(RSVP)，在傳送數(shù)據(jù)之前，根據(jù)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量需求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留，從而為改數(shù)據(jù)流提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。集成模型雖然能夠提供確定的服務(wù)質(zhì)量保證，但是它需要在網(wǎng)絡(luò)中維護(hù)每個(gè)流的狀態(tài)，對(duì)路由器的要求高，難以在大型IP網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施，因此不考慮使用這個(gè)方案。區(qū)分服務(wù)的基本思想是將用戶的數(shù)據(jù)流按照服務(wù)質(zhì)量要求劃分等級(jí)，級(jí)別高的數(shù)據(jù)流在排隊(duì)和占用資源時(shí)比級(jí)別低的數(shù)據(jù)流有更高的優(yōu)先級(jí)。區(qū)分服務(wù)只包含有限數(shù)量的業(yè)務(wù)級(jí)別，狀態(tài)信息數(shù)量少、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性好。因此是目前業(yè)界認(rèn)同的IP網(wǎng)絡(luò)QoS的解決方案。

在NGN業(yè)務(wù)與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)共用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的情況下，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的流量特征對(duì)網(wǎng)絡(luò)QoS性能的影響要充分考慮。一直以來，互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與建設(shè)基本上是參照平均統(tǒng)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在充分考慮業(yè)務(wù)發(fā)展需要的同時(shí)預(yù)留一定的余量，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的能力與帶寬往往超過實(shí)際的需要，但實(shí)際上發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量并不穩(wěn)定。根據(jù)近年來的研究發(fā)現(xiàn)，互聯(lián)網(wǎng)承載的主要業(yè)務(wù)如WWW，F(xiàn)TP等在較大的時(shí)間尺度內(nèi)具有自相似的特性，表現(xiàn)為聚合流量產(chǎn)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(gè)預(yù)期的平滑疊加過程。具體體現(xiàn)到IP城域網(wǎng)的現(xiàn)象就是：平均性能較好，瞬態(tài)特性很差。因此，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中必須充分考慮互聯(lián)網(wǎng)流量對(duì)NGN業(yè)務(wù)的沖擊。解決這個(gè)問題，可以采用DiffServ技術(shù)來部分改善，也可以考慮建設(shè)NGN專用網(wǎng)絡(luò)去避免這個(gè)問題。從運(yùn)營(yíng)的角度看，考慮到傳輸資源充分、網(wǎng)絡(luò)帶寬以及設(shè)備成本低、安全性等因素的考慮，建設(shè)專用輕載網(wǎng)絡(luò)，盡可能增大網(wǎng)絡(luò)帶寬也是非?，F(xiàn)實(shí)的方案。