提高網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議質(zhì)量的QoS技術(shù)

提高網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議質(zhì)量的QoS技術(shù)

　一、綜述

　　隨著IP網(wǎng)絡(luò)與Internet在當(dāng)今使用得越來(lái)越廣泛，基于IP網(wǎng)絡(luò)的視頻會(huì)議系統(tǒng)也越來(lái)越為廣大的消費(fèi)者所接受，在現(xiàn)有企業(yè)網(wǎng)內(nèi)融合語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)通信，能為公司縮減大筆商務(wù)開(kāi)支，其中尤以VoIP和視頻會(huì)議最為重要。但融合通信會(huì)引發(fā)網(wǎng)絡(luò)性能問(wèn)題，企業(yè)網(wǎng)不但要能提供多種服務(wù)，而且要保證端到端的良好性能，而召開(kāi)網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議最重要的就是要保證有良好的音視頻質(zhì)量。

　　而現(xiàn)階段Internet的狀況是比較復(fù)雜的，帶寬參差不齊、時(shí)延大、不穩(wěn)定。如何在IP網(wǎng)絡(luò)上保證用戶信息傳輸?shù)馁|(zhì)量就成為一個(gè)不容忽視的重要問(wèn)題，為解決這一問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（QoS，Quality of Service）便應(yīng)運(yùn)而生。QoS是網(wǎng)絡(luò)與用戶之間以及網(wǎng)絡(luò)上互相通信的用戶之間關(guān)于信息傳輸與共享的質(zhì)的約定，例如，傳輸時(shí)延允許時(shí)間、最小傳輸畫(huà)面失真度以及聲像同步等。

　　目前，IP網(wǎng)絡(luò)如何提供服務(wù)質(zhì)量（QoS）支持這一問(wèn)題現(xiàn)已成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。對(duì)于由QoS控制來(lái)實(shí)現(xiàn)QoS保證，國(guó)際上不同的組織和團(tuán)體提出了不同的控制機(jī)制和策略，比較著名的有：ISO/OSI提出的基于ODP分布式環(huán)境的QoS控制；ATM論壇提出的QoS控制策略和實(shí)現(xiàn)；IETF組織提出的綜合業(yè)務(wù)模型（Int Serv）、差分業(yè)務(wù)模型（Diffe Serv），多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS，Multi-Protocol Label Switching）技術(shù)，流量工程（traffic engineering）等多種控制和管理方案。

　　二、音視頻QoS的影響因素

　　影響Internet視頻會(huì)議中的音視頻QoS有幾方面因素。

　　第一是網(wǎng)絡(luò)帶寬，即每秒網(wǎng)絡(luò)所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。帶寬對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的影響是顯而易見(jiàn)的，帶寬越寬，就能允許更多的數(shù)據(jù)傳輸，從而會(huì)提供更好的音視頻QoS。雖然目前的互聯(lián)網(wǎng)的帶寬，尤其是中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)的帶寬在近年來(lái)有了很大的改善，如ADSL、長(zhǎng)城寬帶、聯(lián)通寬帶等寬帶接入已得到廣泛使用，很多用戶已經(jīng)有了比較寬的帶寬。但與此同時(shí)，這些寬帶的質(zhì)量卻是參差不齊，很多時(shí)候用戶使用的帶寬即便較寬，但由于技術(shù)的不完善或其他原因，還經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)較高的網(wǎng)絡(luò)丟包率和較大的網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)等情況，這些都會(huì)對(duì)用戶在使用視頻會(huì)議中的音視頻QoS產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

　　第二是網(wǎng)絡(luò)提供的數(shù)據(jù)傳輸能力，傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)只提供“盡力而為”的數(shù)據(jù)傳輸能力。隨著網(wǎng)絡(luò)上主機(jī)數(shù)量的不斷增加，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求將超過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供的能力，從而造成傳輸時(shí)延變化（抖動(dòng)）、傳輸時(shí)延過(guò)大甚至引起分組丟失，也就是說(shuō)出現(xiàn)了大塞車(chē)（網(wǎng)絡(luò)擁塞）。網(wǎng)絡(luò)擁塞對(duì)一些Internet應(yīng)用，如電子郵件、文件傳輸和Web應(yīng)用一般不會(huì)造成太大影響；但對(duì)傳輸時(shí)延要求比較苛刻的實(shí)時(shí)應(yīng)用，如視頻會(huì)議的音視頻傳輸來(lái)說(shuō)卻是不能容忍的。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方面移動(dòng)通信系統(tǒng)的共同點(diǎn)是誤碼率高，這對(duì)視頻會(huì)議中的音視頻傳輸會(huì)造成很大的影響，必須要求視頻編解碼和傳輸系統(tǒng)能夠克服信道的高誤碼比、包丟失以提供音頻QoS保證。

　　第三是網(wǎng)絡(luò)排隊(duì)，網(wǎng)絡(luò)中存在很多的節(jié)點(diǎn)，如路由器、網(wǎng)關(guān)等。這些節(jié)點(diǎn)采用排隊(duì)機(jī)制決定數(shù)據(jù)發(fā)放的順序。如果在瞬間某節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)排隊(duì)較長(zhǎng)，該節(jié)點(diǎn)就會(huì)采取丟棄數(shù)據(jù)包的方式保證節(jié)點(diǎn)的正常工作。即使沒(méi)有被丟棄，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的排隊(duì)之后，這些數(shù)據(jù)包往往要花很長(zhǎng)的時(shí)間才能到達(dá)目的地，由此就產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延以及時(shí)延抖動(dòng)。丟包、時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)都會(huì)對(duì)視頻會(huì)議中的音視頻QoS產(chǎn)生很大的影響。

　　第四是Internet視頻會(huì)議的音視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的選擇，傳輸層對(duì)端到端的QoS有直接影響。當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)傳輸層的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議主要是傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）。因?yàn)楸旧淼奶匦?，TCP不適合使用在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)中。因此，實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的開(kāi)發(fā)者都使用UDP在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)包。但由于UDP沒(méi)有任何擁塞避免控制算法，因而會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成大危害。這樣，UDP的廣泛使用就會(huì)如同互聯(lián)網(wǎng)上的一匹脫韁野馬，很容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)過(guò)載和高丟包率，還會(huì)大量侵占帶寬，從而大大地影響視頻會(huì)議中音視頻的傳輸質(zhì)量。

　　三、QoS的服務(wù)類(lèi)型

　　QoS目前被分為兩大服務(wù)類(lèi)型：集成服務(wù)類(lèi)型和區(qū)分服務(wù)類(lèi)型。

　　集成業(yè)務(wù)是指在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中為某一業(yè)務(wù)流量保留一定的帶寬，為該服務(wù)提供一條端到端的透明通道。這種服務(wù)類(lèi)型能對(duì)視頻等業(yè)務(wù)應(yīng)用提供完全的QoS保證，但是這種保留策略會(huì)消耗原本就不多的廣域網(wǎng)帶寬。

　　區(qū)分服務(wù)是一種基于每一跳的QoS策略，網(wǎng)絡(luò)上的每一臺(tái)數(shù)據(jù)中繼設(shè)備（路由器或交換機(jī)）通過(guò)檢查每一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的包頭信息對(duì)流量進(jìn)行分類(lèi)，在根據(jù)調(diào)度策略來(lái)決定如何轉(zhuǎn)發(fā)。相對(duì)于集成服務(wù)，區(qū)分服務(wù)的應(yīng)用更為靈活，效率更高。

　　在區(qū)分服務(wù)中，有擁塞管理與擁塞檢測(cè)避免兩種策略機(jī)制。

　　擁塞管理策略是QoS中針對(duì)接收?qǐng)?bào)文和發(fā)送報(bào)文，按一定優(yōu)先級(jí)策略調(diào)度入隊(duì)和發(fā)送，從而保障特定內(nèi)容的報(bào)文，按需發(fā)送的機(jī)制。它的特點(diǎn)是只在設(shè)備內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有互通性要求，不同廠家的設(shè)備可能隊(duì)列調(diào)度策略實(shí)現(xiàn)不同，但不存在互通問(wèn)題。目前有以下四種流行的隊(duì)列機(jī)制：FIFO、PQ、CQ、WFQ。

　?。?）FIFO是傳統(tǒng)的先入先出隊(duì)列，沒(méi)有策略。

　　（2）PQ優(yōu)先級(jí)隊(duì)列。共4個(gè)優(yōu)先級(jí)：High、Medium、Normal、Low。接口上根據(jù)協(xié)議類(lèi)型、報(bào)文大小、協(xié)議端口號(hào)等，劃分不同優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，當(dāng)高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中有報(bào)文時(shí)，低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列得不到調(diào)度。所以優(yōu)先級(jí)隊(duì)列適用于應(yīng)用簡(jiǎn)單，對(duì)某些應(yīng)用服務(wù)要求很高，而其他業(yè)務(wù)相對(duì)不高的應(yīng)用。它的優(yōu)勢(shì)是配置簡(jiǎn)單，絕對(duì)保證高優(yōu)先級(jí)應(yīng)用的帶寬；缺點(diǎn)是不能保證高優(yōu)先級(jí)外的服務(wù)得到合理帶寬，從而不能公平地保證各種應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量。

　?。?）CQ用戶定制隊(duì)列。接口上，根據(jù)用戶預(yù)先的定義，最多可配置16個(gè)定制隊(duì)列，加上1個(gè)系統(tǒng)隊(duì)列，共17個(gè)隊(duì)列。用戶可根據(jù)協(xié)議類(lèi)型、報(bào)文大小、協(xié)議端口號(hào)，以及相應(yīng)的Access List規(guī)則，配置各種隊(duì)列并分配相應(yīng)帶寬，各隊(duì)列按照預(yù)先設(shè)定的帶寬調(diào)度發(fā)送。CQ的優(yōu)點(diǎn)是保證各種應(yīng)用能分配到一定的帶寬，適于應(yīng)用相對(duì)簡(jiǎn)單的場(chǎng)合（如金融等專(zhuān)網(wǎng)），并且調(diào)度算法相對(duì)簡(jiǎn)單，路由器轉(zhuǎn)發(fā)效率較高；缺點(diǎn)是配置相對(duì)復(fù)雜，并且網(wǎng)絡(luò)管理員必須事先知道該網(wǎng)絡(luò)的詳細(xì)應(yīng)用，對(duì)管理員要求較高，對(duì)于復(fù)雜應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，16個(gè)優(yōu)先級(jí)似乎不夠。

　?。?）WFQ加權(quán)公平隊(duì)列。WFQ將分組按照不同的業(yè)務(wù)流、不同的IP優(yōu)先級(jí)，自動(dòng)按照散列算法，劃分成不同的隊(duì)列，在保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的同時(shí)，按照配置權(quán)重，將帶寬公平地分給低優(yōu)先級(jí)別的業(yè)務(wù)。Quidway路由器在每個(gè)接口上最大支持4096個(gè)隊(duì)列，在此范圍之內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)管理員可以配置隊(duì)列的數(shù)目和相應(yīng)權(quán)值。WFQ的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)所有應(yīng)用都能比較公平地提供服務(wù)質(zhì)量，對(duì)于要求較高的業(yè)務(wù)可以通過(guò)設(shè)置權(quán)重保障優(yōu)先級(jí)，能智能劃分隊(duì)列和調(diào)度，配置相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理員的要求相對(duì)較低；缺點(diǎn)是由于相對(duì)公平，對(duì)于QoS要求極高的應(yīng)用，不能像PQ那樣絕對(duì)保證，策略計(jì)算復(fù)雜，比較消耗路由器處理能力。它適用于應(yīng)用較復(fù)雜，并且應(yīng)用相對(duì)公平的網(wǎng)絡(luò)，如Internet。

　　通過(guò)綜合靈活地利用上述QoS機(jī)制，就可以使視頻會(huì)議等在各種企業(yè)基于Internet的應(yīng)用中獲得最大限度的傳輸安全保證。

　　在今后的基于Internet的網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議或企業(yè)應(yīng)用中，基于終端的QoS解決策略是一個(gè)切實(shí)可行的方法，在終端增加一定的速率控制和誤碼控制的機(jī)制，在網(wǎng)絡(luò)保持不變時(shí)能夠做到一定的QoS保證，提高圖像的質(zhì)量。隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)帶寬的增加和控制機(jī)制的完善，基于網(wǎng)絡(luò)的QoS策略將成為主要的方式。