IP QoS在鐵路通信數(shù)據(jù)專(zhuān)網(wǎng)中的應(yīng)用

劉 娜

（北京國(guó)鐵華晨通信信息技術(shù)有限公司，北京 100070）

1 概述

隨著鐵路客運(yùn)專(zhuān)線的發(fā)展，IP網(wǎng)絡(luò)逐漸向多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，業(yè)務(wù)種類(lèi)不斷增加。由于IP網(wǎng)是基于分組交換的，那么對(duì)于關(guān)鍵性、交互性、實(shí)時(shí)通信的業(yè)務(wù)，如何確保音、視頻通信帶寬，避免非關(guān)鍵性業(yè)務(wù)擠占關(guān)鍵業(yè)務(wù)，保障實(shí)時(shí)交互型業(yè)務(wù)的傳送質(zhì)量，將是鐵路專(zhuān)網(wǎng)中IP數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量的主要技術(shù)參數(shù)

常用網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量的技術(shù)參數(shù)主要有以下3個(gè)指標(biāo)。

（1）丟包率：是指在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)丟掉的數(shù)據(jù)包的最高比率。

（2）延時(shí)：通常指固化網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，可分為分組延時(shí)、序列延時(shí)和傳輸延時(shí)。

（3）延時(shí)變化（或抖動(dòng)）：也稱(chēng)為分組間延時(shí)，是連續(xù)兩個(gè)數(shù)據(jù)包之間的端到端延時(shí)的差值。

3 QoS服務(wù)模型及其工具

IETF提供了兩種在IP網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施QoS的方法：集成服務(wù)（IntServ）和區(qū)分服務(wù)（DiffServ）。

3.1 集成服務(wù)

（1）資源預(yù)留

資源預(yù)留協(xié)議（RSVP）技術(shù)對(duì)于在Internet有限的帶寬上傳送實(shí)時(shí)視頻是一種重要保障方式，要求通信雙方在建立傳輸信息之前預(yù)留足夠的帶寬，從而使服務(wù)質(zhì)量得到較好保證。

（2）呼叫接入控制（CAC）

大部分QoS工具都是用于保護(hù)語(yǔ)音流量免受數(shù)據(jù)流量的影響，而呼叫接入控制用于保護(hù)語(yǔ)音流量免受其他語(yǔ)音流量的影響，也保護(hù)交互式視頻不受其他交互式視頻的影響。

3.2 區(qū)分服務(wù)

區(qū)分服務(wù)是針對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包提供不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)級(jí)別。

區(qū)分服務(wù)QoS主要包含分類(lèi)和標(biāo)記、策略和整形、擁塞避免（選擇丟棄）、擁塞管理（隊(duì)列）工具。

各工具關(guān)系如圖1所示。

（1）分類(lèi)和標(biāo)記

QoS策略的第一部分就是識(shí)別并分類(lèi)需要區(qū)別對(duì)待的流量。

在鐵路數(shù)據(jù)專(zhuān)網(wǎng)中，可以做二層或三層的標(biāo)記。具體如下。

802.1Q/p CoS——設(shè)置802.1p用戶優(yōu)先位，在二層標(biāo)記以太網(wǎng)幀，僅8個(gè)CoS（0-7）可用于以太網(wǎng)幀標(biāo)記。

IP服務(wù)類(lèi)型ToS字節(jié)——IPv4包的第二字節(jié)是ToS字節(jié)。ToS字節(jié)的前三位是IPP位。前三位結(jié)合后面三位構(gòu)成DSCP位。

DSCP PHB標(biāo)記——有4個(gè)主要類(lèi)別：盡力而為（BE或DSCP 0），RFC2474（CS1-CS7，同等于IPP值的1-7），RFC 2597確保轉(zhuǎn)發(fā)（AFxy），RFC3268/5246 快速轉(zhuǎn)發(fā)（EF）。

IP顯式擁塞通告（ECN）——利用IP ToS字節(jié)中最后兩位。用于向TCP發(fā)送方指出在傳輸中是否發(fā)生了擁塞。如果發(fā)生擁塞，TCP發(fā)送方可以調(diào)整TCP窗口使其不發(fā)送超出網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力范圍的流量。

（2）策略和整形

策略定義了3種級(jí)別：符合、溢出和違反。

策略針對(duì)“溢出流量”和“違反流量”做降級(jí)或丟棄。

整形則延遲發(fā)送“溢出”和“違反”流量，使得在符合服務(wù)水平協(xié)議（SLA）的情況下，平滑流量中的突發(fā)部分變得平滑。

（3）擁塞管理

擁塞管理包括隊(duì)列和調(diào)度。

目前常用低延遲隊(duì)列（LLQ）和基于類(lèi)型的加權(quán)公平隊(duì)列（CBWFQ）。

圖2顯示了LLQ和CBWFQ算法的二層和三層隊(duì)列子系統(tǒng)。

（4）擁塞避免

擁塞避免是一種流控機(jī)制，可以通過(guò)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)資源（如隊(duì)列或內(nèi)存緩沖區(qū)）的使用情況，在擁塞有加劇趨勢(shì)時(shí)，主動(dòng)丟棄報(bào)文，通過(guò)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的流量來(lái)解除網(wǎng)絡(luò)過(guò)載。

4 鐵路專(zhuān)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求分析

鐵路通信數(shù)據(jù)專(zhuān)網(wǎng)目前所承載的業(yè)務(wù)種類(lèi)主要有交互式視頻（會(huì)議電視）、視頻流（視頻監(jiān)控）和數(shù)據(jù)流量（辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)和旅客信息服務(wù)系統(tǒng)等）?？紤]未來(lái)可能會(huì)承載VoIP流量，這里也做討論。

4.1 VoIP的需求

語(yǔ)音是對(duì)延時(shí)和丟包率非常敏感的流量，所以VoIP對(duì)數(shù)據(jù)網(wǎng)的需求如下。

*丟包率不大于1％；

*單向延時(shí)不大于150 ms；

*平均單向抖動(dòng)小于30 ms；

*每個(gè)呼叫要求21～320 kbits/s的保障優(yōu)先帶寬。

4.2 會(huì)議電視系統(tǒng)的需求

*丟包率不大于1％；

*單向延時(shí)不大于150 ms；

*抖動(dòng)不大于30 ms；

*超出交互式視頻隊(duì)列的20％調(diào)節(jié)到突發(fā)部分。

4.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的需求

*丟包率不大于1‰；

*延時(shí)不大于500 ms；

*抖動(dòng)不大于100 ms；

*保證帶寬CBWFQ的要求取決于編碼格式和視頻流的速度。

4.4 數(shù)據(jù)流量的需求

針對(duì)交互式數(shù)據(jù)流量，要做滿足業(yè)務(wù)需求的帶寬。

5 鐵路數(shù)據(jù)專(zhuān)網(wǎng)QoS設(shè)計(jì)

由于在通道利用方面區(qū)分服務(wù)比集成服務(wù)更加靈活，所以在鐵路數(shù)據(jù)專(zhuān)網(wǎng)中，建議采用區(qū)分服務(wù)保障服務(wù)質(zhì)量。

5.1 分類(lèi)和標(biāo)記

首先，考慮到目前國(guó)內(nèi)鐵路專(zhuān)網(wǎng)承載的業(yè)務(wù)非常少，建議在各區(qū)域接入層設(shè)備采用五級(jí)QoS保障，并采用DSCP PHB的標(biāo)記方式。具體分配建議如表1所示。

表1 各業(yè)務(wù)的QoS分配

其次，為達(dá)到核心設(shè)備高速轉(zhuǎn)發(fā)性能，在骨干網(wǎng)的邊界設(shè)備對(duì)各區(qū)域流量進(jìn)行重標(biāo)記，將區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的五級(jí)QoS映射為三級(jí)QoS保障，如圖3所示。

5.2 隊(duì)列和調(diào)度機(jī)制

基于表1中的QoS策略，要求各個(gè)業(yè)務(wù)接入端口均提供硬件隊(duì)列。LLQ一般用于針對(duì)IP電話等VoIP業(yè)務(wù)，所以不推薦采用LLQ。在鐵路專(zhuān)網(wǎng)中，建議采用CBWFQ實(shí)施擁塞管理。會(huì)議電視業(yè)務(wù)對(duì)于丟包、延時(shí)和抖動(dòng)非常敏感，因此放入嚴(yán)格優(yōu)先隊(duì)列，擁塞時(shí)，在保障規(guī)定范圍的流量能正常傳輸?shù)那闆r下，對(duì)于超出的流量采取降級(jí)傳輸策略，以保證不丟包。視頻監(jiān)控及其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量加入到加權(quán)公平的輪詢(xún)隊(duì)列，隊(duì)列之間通過(guò)優(yōu)先級(jí)的不同，調(diào)度的權(quán)重有所不同，帶寬保證程度不同。普通業(yè)務(wù)的權(quán)重最低，采用盡力轉(zhuǎn)發(fā)方式，不保證帶寬。

出入網(wǎng)帶寬保障原則如圖4所示，隨著各級(jí)流量的不斷增加，超額部分流量逐步降級(jí)處理，當(dāng)流量達(dá)到總額定帶寬時(shí)，BE隊(duì)列開(kāi)始丟包。

5.3 擁塞避免

在各層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，對(duì)各優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流采用WRED實(shí)施擁塞避免。隊(duì)列內(nèi)部在擁塞情況下通過(guò)WRED算法來(lái)丟包避免擁塞，優(yōu)先級(jí)低的丟包門(mén)限低，先行丟包。

6 結(jié)語(yǔ)

就目前的業(yè)務(wù)承載狀況，以及考慮到未來(lái)可能會(huì)承載VoIP等業(yè)務(wù)需求，在鐵路數(shù)據(jù)專(zhuān)網(wǎng)綜合應(yīng)用上述QoS保證策略，能有效保證系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量，達(dá)到語(yǔ)音清晰、圖像質(zhì)量良好、音視頻一致，從而達(dá)到為實(shí)施業(yè)務(wù)、關(guān)鍵業(yè)務(wù)、交互業(yè)務(wù)提供整體QoS保障的目的。

[1] R.Braden，L.Zhang.RFC2205 Resource ReSerVation Protocol（RSVP）--Version 1 Functional Specification[S].

[2] S.Black，D.Black，Z.Wang.RFC2475 An Architecture for Differentiated Service[S].

[3] J.Heinanen，F(xiàn).Baker.RFC2597 Assured Forwarding PHB Group[S].

[4]維格斯納.IP服務(wù)質(zhì)量[M].信達(dá)工作室，譯.北京：人民郵電出版社，2001.

[5]運(yùn)基通信[2008]630 鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范（試行）[S].