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[摘要] 随着VoIP业务在世界范围内的快速发展，IP网络已不能满足实时数据传输所需要的服务质量。如何提高实时性能，确保通信的服务质量，是IP电话系统的关键技术，也是技术难点之一。本文提出了一种资源管理改进算法，改善了VoIP的服务质量，提高了带宽利用率。
[关键词] 网络电话 服务质量 资源预留协议 区分服务 准入控制
VoIP(Voice over IP)俗称IP电话，是一种基于IP网络语音传输技术实现语音通信的技术手段。它利用电话网关服务器等设备将电话语音数字化，压缩成数据包，通过IP网络传输到目的地；目的地接收后，将数据重组和解压缩还原成声音。在语音承载方面，VoATM (Voice over ATM)技术、VoFR(Voice over FR)技术,以及VoIP技术在不断发展之中，而VoIP以自身的特点在其应用方面有着巨大的潜力。
一、VoIP的QoS
VoIP的QoS是指VoIP语音数据流通过网络时的性能。QoS所追求的传输质量在于：数据包不仅要到达传输的目的地址，而且要保证数据包的顺序性、完整性和实时性。在IP网络中，带宽是影响语音服务质量的最关键因素，由于不同应用系统对网络的要求有所不同，所以带宽本身解决不了网络拥塞。因此，必须采用一定的技术措施来保障VoIP的服务质量。
二、VoIP QoS解决方案
在VoIP系统设计中，VoIP业务的QoS保障措施占有十分重要的地位。在IP网络上，如何能在实时语音传输中保障良好的QoS是VoIP技术发展的关键。IETF(Internet Engineering Task Force)建议了数种支持QoS的技术解决方案，主要有：资源预留协议(RSVP)、综合服务(IntServ)、区分服务(DiffServ)、多协议标签交换(MPLS)等。
1.资源预留协议(RSVP)
在VoIP具体应用中，资源预留协议通过RSVP消息，端点应用程序可以提出数据传送全程必须保留的网络资源，同时也确定了沿途各路由器的传输调度策略，对每个数据流的QoS进行控制。在RSVP中，RSVP采用单向数据流资源预留机制，如果是双向数据流，则两个方向需要独立执行。
2.IntServ(综合服务)
该模型的主要思想是模拟面向连接的电路交换提供端到端的服务质量。综合服务模型利用信令机制，根据每个IP流精确的QoS等级描述，进行QoS分类。IntServ的主要优点是为较好地适应了不同应用的QoS要求，定义了三种服务类型：保证业务(Guaranteed Services－GS)；负载受控服务(Controlled-load Services－CLS)；尽力而为服务(Best-Effort)。
但IntServ也存在一些问题。首先，有较差的可扩展性和鲁棒性；其次，预留请求将消耗路由器大量的CPU资源，严重制约了路由器的容量；再次，以每一个数据流的大小为基础预留网络资源，如果来自VoIP网关的多个数据流都要求相同的资源，IntServ对这些数据流仍然是逐个处理。
3.DiffServ(区分服务)
为了改善IntServ扩展性差的缺点，IETF提出了更容易扩展的DiffServ体系结构。DiffServ将业务流聚集为不同服务质量要求的类，通过降低一个应用的QoS为另一个应用提供较高的QoS，前提是第二个应用的确需要较高QoS而第一个应用并不在意服务降低所带来的差异。
DiffServ体系结构引入了域的概念，一个DiffServ域可以认为是一个能提供DiffServ业务的子网。DiffServ通过行为聚集(Behavior Aggregate，BA)和PHB的方式来提供一定程度上的QoS保证。
4.MPLS(多协议标签交换)
MPLS是一种多协议标签转换技术，它兼有第二层交换分组转发技术和第三层路由选择技术的优点，主要解决当前使用的分组转发技术存在的问题。由于MPLS的定位在IP骨干网络，因而MPLS保障QoS的主要目标是和现有的IP QoS模型集成，而主干网络中使用DiffServ已经是明显的趋势，因此IETF MPLS工作组将和DiffServ集成作为MPLS标准化的重要任务之一。
三、RM改进算法
目前已有大量的解决方案来提高通过IP网络接收的语音质量。本文提出了一个VoIP系统中的资源管理改进算法，用来改善QoS和提高带宽利用率。
1.算法提出
IntServ结构中使用了RSVP，很好地保证了QoS，但它可伸缩性较差，DiffServ是可伸缩的，但它没有基于流(per-flow)的机制，不能满足实时服务的需要。
准入控制(Admission Control，AC)算法和资源管理系统是所有提出解决语音QoS最重要的方法。在这些方法中，一种是，AC算法分为集中式和分布式两种。分布式的的算法中最著名的方法是RSVP缺乏可伸缩性。带宽代理(Bandwith Broker，BB)是集中式算法中一个重要的解决方案。另一种是，AC算法分为基于测量的(Mb)和基于参数的(Pb)两种。Mb算法的问题是由探测路径引起的探测包负载和建立呼叫延迟过大。Pb算法以发送者请求参数为基础决定接收或拒绝通话，导致了网络的低利用率。
本文在合并Pb和Mb算法的基础上，提出一种新的集中式算法，通过提高带宽的利用率和减少包丢失率来改善QoS。
2.算法描述
该算法将网络分割成比较小的域，每一个域中有一个资源管理器(RM)。RM保存了域中资源信息的数据库，根据域中可用的资源来决定接收或拒绝新的通话请求，给被允许的通话计算最佳路径和保留必需的资源。RM通过OSPFte路由协议获得所需要的网络拓扑和网络上可用资源的信息。RM系统是一个GK后面隐藏的服务。在该算法中，客户端和其他网络元素不需要新的接口。
新算法有两个阶段：准入控制阶段和更新阶段。
(1)准入控制阶段
资源管理器通过OSPFte协议获得网络拓扑信息和可用的资源信息。它根据这些信息产生两个表：link_table和path_table。当RM接收一个新的通话请求时，首先，从path_table中提取这个源、目的地址对的现有路径，之后，检查提取路径链接上的带宽满足状态：
unused_bw>0 AND unreserved_bw>=requested_bw (1)
在这个表达示中，unreserved_bw是：
unreseved_bw=max_reservable_bw-reserved_bw(2)
从一开始，max_reservable_bw就等于：
max_reservable_bw=ā*bw(3)
通过把ā替换成大于1的值，使用了一个称为“超订(overbooking)” 的技术。
(2)更新阶段
该算法周期性地测量未被使用带宽的实际数量，每500ms从网络上收集信息和进行统计。这些信息包括上一个500ms中每个路由器传输链接的比特数。通过使用这个信息能计算链接负载：
load(j)=bits(j)/(500*bw) (4)
也能计算基于加权平均表达式的链接新负载：
load(i)=w*load(i-1)+(1-w)*load(j) (5)
load(j)是依照上个测量计算的链接负载，load(i)是先前的链接负载。使用加权平均来适当地作用到突发业务上。从链接负载得到每一个链接的unused_bw：
unused_bw=(0.8-load)*bw(6)
0.8是在DiffServ结构中为实时业务类(EF)分配的链接带宽的一小部分。选择500ms作为更新周期是因为这样能使更多会话有感应。
link_table中链接信息更新后，重新考虑所有的呼叫活动，根据更新信息计算新的最优路径。如果新的最优路径和先前的不同，就使用新的最优路径传输，从而获得更好的质量。另外，有些时候使用“超订”技术能引起拥塞，加入更新阶段可以避免这个拥塞。
3.算法仿真
本文使用OPNET网络仿真器来检验RM算法的有效性:首先，设计网络节点和模型来验证RM的性能；其次，收集统计数据，评估结果。
测试拓扑设计了三个节点，每个节点包含必需的节点模型和确定节点功能的进程模型。第一个节点是RM，RM的节点模型由大量的接收者和发送者模块组成，模块的数量由RM接近的节点决定。第二个节点是路由器，它负责路由数据和控制数据包。路由器的节点模型由一个处理器模块、大量连接路由器、邻近节点的信道和一个每隔500ms产生的包含路由器传输比特数的源模块组成。第三个节点是外围节点。另外设计两个链接模型，一个是连接路由器的2Mbs链路，另一个是连接路由器和外围节点的64Kbps链路。
网络拓扑模型由8个路由器，40个外围设备和一个RM组成。
4.仿真结果
仿真结果在图1中显示了测试拓扑瓶颈链接的吞吐量。带宽利用率由下面这个表达式计算：
u=(p*s)/b (7)
u:实际使用的bw的一部分(带宽利用率)
p:单位时间接收的包数量；
s是以bits表示的包大小；
b：总的带宽。
从图1可以得出：p大部分时间是在120packets/s到125packets/s之间，包大小为16kbits/s，总带宽为2M/s。由表达式(7)可得出，u数量大部分时间是96%，有时是100%。为了更精确的比较，进行拓扑中没有RM的仿真。仿真结果如图2所示。从图中可看出p的值为115.7packets/s。由表达示(7)得出，在没有RM的测试拓扑中的瓶颈链接的带宽利用率是92%，可以断定，加入RM的拓扑结果在瓶颈链接的带宽利用率提高了4%到8%。
在表达示(5)中最佳结果的依据是“w”。第一个拓扑最佳结果是把w替换为0.5获得的，第二个是0.6。
四、结论
本文提出了一个VoIP系统的资源管理改进算法。该算法通过加入一个更新阶段和在AC阶段中使用“超订”技术，提高了语音质量和带宽利用率。本文还通过设计和实现仿真实验，证明了该算法的有效性。
参考文献：
[1]K.Mase , Y.Toyama , A.Bilhaj , Y.Suda, QoS Management for VoIP Networks with Edge-to-Edge Admission Control[J].GLOBECOM 2001-IEEE Global Telecommunications Conference, no.1, Nov 2001, pp.2556-2560
[2]P.Pan, and H.Schulzrinne, YESSIR: A Simple Reservation Mechanism for the Internet[J].ACM Computer Communication Review, Vol.29, No.2, Apr 1999, pp.89-101
[3]Overview of Bandwidth Broker System, [EB/OL]http://www.ittc.ukans.edu/~kdrao/845/index.html, May 2001
[4]M.Yang, Y.Huang, J.Kim,M.Lee, T.Suda , M.Daisuke, An End-to-End Qos Framework with On-Demand Bandwidth Reconfiguration[J].IEEE INFOCOM 2004, Hong Kong, March 2004
[关键词] 网络电话 服务质量 资源预留协议 区分服务 准入控制
VoIP(Voice over IP)俗称IP电话，是一种基于IP网络语音传输技术实现语音通信的技术手段。它利用电话网关服务器等设备将电话语音数字化，压缩成数据包，通过IP网络传输到目的地；目的地接收后，将数据重组和解压缩还原成声音。在语音承载方面，VoATM (Voice over ATM)技术、VoFR(Voice over FR)技术,以及VoIP技术在不断发展之中，而VoIP以自身的特点在其应用方面有着巨大的潜力。
一、VoIP的QoS
VoIP的QoS是指VoIP语音数据流通过网络时的性能。QoS所追求的传输质量在于：数据包不仅要到达传输的目的地址，而且要保证数据包的顺序性、完整性和实时性。在IP网络中，带宽是影响语音服务质量的最关键因素，由于不同应用系统对网络的要求有所不同，所以带宽本身解决不了网络拥塞。因此，必须采用一定的技术措施来保障VoIP的服务质量。
二、VoIP QoS解决方案
在VoIP系统设计中，VoIP业务的QoS保障措施占有十分重要的地位。在IP网络上，如何能在实时语音传输中保障良好的QoS是VoIP技术发展的关键。IETF(Internet Engineering Task Force)建议了数种支持QoS的技术解决方案，主要有：资源预留协议(RSVP)、综合服务(IntServ)、区分服务(DiffServ)、多协议标签交换(MPLS)等。
1.资源预留协议(RSVP)
在VoIP具体应用中，资源预留协议通过RSVP消息，端点应用程序可以提出数据传送全程必须保留的网络资源，同时也确定了沿途各路由器的传输调度策略，对每个数据流的QoS进行控制。在RSVP中，RSVP采用单向数据流资源预留机制，如果是双向数据流，则两个方向需要独立执行。
2.IntServ(综合服务)
该模型的主要思想是模拟面向连接的电路交换提供端到端的服务质量。综合服务模型利用信令机制，根据每个IP流精确的QoS等级描述，进行QoS分类。IntServ的主要优点是为较好地适应了不同应用的QoS要求，定义了三种服务类型：保证业务(Guaranteed Services－GS)；负载受控服务(Controlled-load Services－CLS)；尽力而为服务(Best-Effort)。
但IntServ也存在一些问题。首先，有较差的可扩展性和鲁棒性；其次，预留请求将消耗路由器大量的CPU资源，严重制约了路由器的容量；再次，以每一个数据流的大小为基础预留网络资源，如果来自VoIP网关的多个数据流都要求相同的资源，IntServ对这些数据流仍然是逐个处理。
3.DiffServ(区分服务)
为了改善IntServ扩展性差的缺点，IETF提出了更容易扩展的DiffServ体系结构。DiffServ将业务流聚集为不同服务质量要求的类，通过降低一个应用的QoS为另一个应用提供较高的QoS，前提是第二个应用的确需要较高QoS而第一个应用并不在意服务降低所带来的差异。
DiffServ体系结构引入了域的概念，一个DiffServ域可以认为是一个能提供DiffServ业务的子网。DiffServ通过行为聚集(Behavior Aggregate，BA)和PHB的方式来提供一定程度上的QoS保证。
4.MPLS(多协议标签交换)
MPLS是一种多协议标签转换技术，它兼有第二层交换分组转发技术和第三层路由选择技术的优点，主要解决当前使用的分组转发技术存在的问题。由于MPLS的定位在IP骨干网络，因而MPLS保障QoS的主要目标是和现有的IP QoS模型集成，而主干网络中使用DiffServ已经是明显的趋势，因此IETF MPLS工作组将和DiffServ集成作为MPLS标准化的重要任务之一。
三、RM改进算法
目前已有大量的解决方案来提高通过IP网络接收的语音质量。本文提出了一个VoIP系统中的资源管理改进算法，用来改善QoS和提高带宽利用率。
1.算法提出
IntServ结构中使用了RSVP，很好地保证了QoS，但它可伸缩性较差，DiffServ是可伸缩的，但它没有基于流(per-flow)的机制，不能满足实时服务的需要。
准入控制(Admission Control，AC)算法和资源管理系统是所有提出解决语音QoS最重要的方法。在这些方法中，一种是，AC算法分为集中式和分布式两种。分布式的的算法中最著名的方法是RSVP缺乏可伸缩性。带宽代理(Bandwith Broker，BB)是集中式算法中一个重要的解决方案。另一种是，AC算法分为基于测量的(Mb)和基于参数的(Pb)两种。Mb算法的问题是由探测路径引起的探测包负载和建立呼叫延迟过大。Pb算法以发送者请求参数为基础决定接收或拒绝通话，导致了网络的低利用率。
本文在合并Pb和Mb算法的基础上，提出一种新的集中式算法，通过提高带宽的利用率和减少包丢失率来改善QoS。
2.算法描述
该算法将网络分割成比较小的域，每一个域中有一个资源管理器(RM)。RM保存了域中资源信息的数据库，根据域中可用的资源来决定接收或拒绝新的通话请求，给被允许的通话计算最佳路径和保留必需的资源。RM通过OSPFte路由协议获得所需要的网络拓扑和网络上可用资源的信息。RM系统是一个GK后面隐藏的服务。在该算法中，客户端和其他网络元素不需要新的接口。
新算法有两个阶段：准入控制阶段和更新阶段。
(1)准入控制阶段
资源管理器通过OSPFte协议获得网络拓扑信息和可用的资源信息。它根据这些信息产生两个表：link_table和path_table。当RM接收一个新的通话请求时，首先，从path_table中提取这个源、目的地址对的现有路径，之后，检查提取路径链接上的带宽满足状态：
unused_bw>0 AND unreserved_bw>=requested_bw (1)
在这个表达示中，unreserved_bw是：
unreseved_bw=max_reservable_bw-reserved_bw(2)
从一开始，max_reservable_bw就等于：
max_reservable_bw=ā*bw(3)
通过把ā替换成大于1的值，使用了一个称为“超订(overbooking)” 的技术。
(2)更新阶段
该算法周期性地测量未被使用带宽的实际数量，每500ms从网络上收集信息和进行统计。这些信息包括上一个500ms中每个路由器传输链接的比特数。通过使用这个信息能计算链接负载：
load(j)=bits(j)/(500*bw) (4)
也能计算基于加权平均表达式的链接新负载：
load(i)=w*load(i-1)+(1-w)*load(j) (5)
load(j)是依照上个测量计算的链接负载，load(i)是先前的链接负载。使用加权平均来适当地作用到突发业务上。从链接负载得到每一个链接的unused_bw：
unused_bw=(0.8-load)*bw(6)
0.8是在DiffServ结构中为实时业务类(EF)分配的链接带宽的一小部分。选择500ms作为更新周期是因为这样能使更多会话有感应。
link_table中链接信息更新后，重新考虑所有的呼叫活动，根据更新信息计算新的最优路径。如果新的最优路径和先前的不同，就使用新的最优路径传输，从而获得更好的质量。另外，有些时候使用“超订”技术能引起拥塞，加入更新阶段可以避免这个拥塞。
3.算法仿真
本文使用OPNET网络仿真器来检验RM算法的有效性:首先，设计网络节点和模型来验证RM的性能；其次，收集统计数据，评估结果。
测试拓扑设计了三个节点，每个节点包含必需的节点模型和确定节点功能的进程模型。第一个节点是RM，RM的节点模型由大量的接收者和发送者模块组成，模块的数量由RM接近的节点决定。第二个节点是路由器，它负责路由数据和控制数据包。路由器的节点模型由一个处理器模块、大量连接路由器、邻近节点的信道和一个每隔500ms产生的包含路由器传输比特数的源模块组成。第三个节点是外围节点。另外设计两个链接模型，一个是连接路由器的2Mbs链路，另一个是连接路由器和外围节点的64Kbps链路。
网络拓扑模型由8个路由器，40个外围设备和一个RM组成。
4.仿真结果
仿真结果在图1中显示了测试拓扑瓶颈链接的吞吐量。带宽利用率由下面这个表达式计算：
u=(p*s)/b (7)
u:实际使用的bw的一部分(带宽利用率)
p:单位时间接收的包数量；
s是以bits表示的包大小；
b：总的带宽。
从图1可以得出：p大部分时间是在120packets/s到125packets/s之间，包大小为16kbits/s，总带宽为2M/s。由表达式(7)可得出，u数量大部分时间是96%，有时是100%。为了更精确的比较，进行拓扑中没有RM的仿真。仿真结果如图2所示。从图中可看出p的值为115.7packets/s。由表达示(7)得出，在没有RM的测试拓扑中的瓶颈链接的带宽利用率是92%，可以断定，加入RM的拓扑结果在瓶颈链接的带宽利用率提高了4%到8%。
在表达示(5)中最佳结果的依据是“w”。第一个拓扑最佳结果是把w替换为0.5获得的，第二个是0.6。
四、结论
本文提出了一个VoIP系统的资源管理改进算法。该算法通过加入一个更新阶段和在AC阶段中使用“超订”技术，提高了语音质量和带宽利用率。本文还通过设计和实现仿真实验，证明了该算法的有效性。
参考文献：
[1]K.Mase , Y.Toyama , A.Bilhaj , Y.Suda, QoS Management for VoIP Networks with Edge-to-Edge Admission Control[J].GLOBECOM 2001-IEEE Global Telecommunications Conference, no.1, Nov 2001, pp.2556-2560
[2]P.Pan, and H.Schulzrinne, YESSIR: A Simple Reservation Mechanism for the Internet[J].ACM Computer Communication Review, Vol.29, No.2, Apr 1999, pp.89-101
[3]Overview of Bandwidth Broker System, [EB/OL]http://www.ittc.ukans.edu/~kdrao/845/index.html, May 2001
[4]M.Yang, Y.Huang, J.Kim,M.Lee, T.Suda , M.Daisuke, An End-to-End Qos Framework with On-Demand Bandwidth Reconfiguration[J].IEEE INFOCOM 2004, Hong Kong, March 2004