基于LLDP-MED的VOIP研究與實現(xiàn)

原 浩

福建星網(wǎng)銳捷網(wǎng)絡(luò)有限公司，福建福州 350002

0 引言

原有的電話間通信，都是通過固網(wǎng)PSTN 來進(jìn)行，屬于專用網(wǎng)絡(luò)，運營成本高。VoIP（Voice over Internet Protocol，網(wǎng)絡(luò)電話）是將模擬的聲音訊號引經(jīng)過壓縮與封包之后，以數(shù)據(jù)封包的形式在IP 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行語音訊號的傳輸?shù)碾娫捲O(shè)備。VoIP 可通過網(wǎng)線供電，具有簡化部署，便于安裝，升級等優(yōu)點，被越來越多地應(yīng)用在了企業(yè)辦公網(wǎng)中。

1 基于OUI 配置的VoIP 部署

VoIP 目前的實現(xiàn)架構(gòu)，是集中式的架構(gòu)，所有VoIP 話機(jī)先要在一個語音控制器上注冊，而后方可使用，注冊使用的協(xié)議包括：MGCP、SIP、H.323、RTP、SCCP 等。其中包括注冊協(xié)商過程，語音、視頻編碼、壓縮算法等。而后電話間互通，可通過語音控制器轉(zhuǎn)發(fā)，也可在兩個話機(jī)之間直接進(jìn)行通信。

圖1 VoIP 電話部署圖

VoIP 的部署見圖1，VoIP 電話與交換機(jī)相連，VoIP 語音數(shù)據(jù)流在進(jìn)入交換機(jī)后，支持Voice VLAN 功能的交換機(jī)可以根據(jù)進(jìn)入端口的數(shù)據(jù)報文中的源MAC 地址字段，判斷該數(shù)據(jù)流是否為VoIP 的語音數(shù)據(jù)流。源MAC 地址符合交換機(jī)上配置語音設(shè)備的OUI（Organizationally Unique Identifier，全球統(tǒng)一標(biāo)識符）地址的報文被認(rèn)為是語音數(shù)據(jù)流，會被自動劃分到Voice VLAN 中進(jìn)行傳輸。

OUI 地址為MAC 地址的前24 位，是IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，電氣和電子工程師學(xué)會）為不同設(shè)備供應(yīng)商分配的一個全球唯一的標(biāo)識符，從OUI 地址可以判斷出網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是哪一個廠商的產(chǎn)品。

在辦公網(wǎng)環(huán)境中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以分為數(shù)據(jù)流和語音流。Voice VLAN 是為VoIP 語音數(shù)據(jù)流專門劃分的 VLAN。通過將數(shù)據(jù)流和語音流分別限制在數(shù)據(jù)VLAN 和Voice VLAN 中，從而保證業(yè)務(wù)報文和語音通話互不影響。同時針對語音流進(jìn)行有針對性的 QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）配置，提高語音流量的傳輸優(yōu)先級，保證通話質(zhì)量。

2 運行過程

基于OUI 配置的VoIP 運行前，在交換機(jī)上需要先進(jìn)行初始配置：

1）交換機(jī)上配置Voice VLAN ID；

2）交換機(jī)上配置運行的OUI 地址。如設(shè)定某型號VoIP 設(shè)備的OUI，地址0012.3400.0000，掩碼是ffff.ff00.0000 設(shè)備的報文是語音報文，通過Voice VLAN 轉(zhuǎn)發(fā)。

3）交換機(jī)上配置，將連接IP 電話的端口加入Voice VLAN。

4）交換機(jī)上配置Voice VLAN 的DSCP，如DSCP=40，讓語言報文有更高的優(yōu)先級。

配置后，當(dāng)VoIP 發(fā)出第一個報文后，交換機(jī)從端口收到報文會將其源MAC 地址與合法OUI 地址相匹配。如果該源MAC為OUI 范圍地址，即認(rèn)為該報文為語音報文。在該端口上學(xué)習(xí)這個MAC 地址，同時將MAC 自動加入到Voice VLAN 中。交換機(jī)自動下發(fā)QoS策略，提高所有通過Voice VLAN報文的優(yōu)先級。使得語音報文能夠優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)，避免鏈路擁塞情況下，語音報文丟棄而導(dǎo)致的通話失真。

經(jīng)過上述步驟后，VoIP 的語音報文以高優(yōu)先級從交換機(jī)中轉(zhuǎn)發(fā)出去。

3 存在缺陷

隨著技術(shù)的發(fā)展，基于OUI 配置的VoIP 在部署中暴露出了越來越多的局限性。

首先，生產(chǎn)VoIP 電話的廠商很多，其OUI 各不相同。因此，每當(dāng)客戶接入或更換新廠商的VoIP 電話時，都要通知網(wǎng)絡(luò)管理員增加新的Voice VLAN OUI 配置。

其次，VoIP 可通過PoE（Power over Ethernet，以太網(wǎng)供電）交換機(jī)進(jìn)行供電。帶有液晶顯示屏的VoIP 電話，在工作的過程中功率會發(fā)生變化。在待機(jī)情況下，一般消耗5w；當(dāng)彩屏打開后，VoIP 的功率會達(dá)到10w。而基于OUI 配置的PoE 交換機(jī)，無法實現(xiàn)基于VoIP 需求而動態(tài)調(diào)整供電功率的功能，PoE 交換機(jī)只能以最大功率10w 給VoIP 電話供電，從而造成電力能源上的浪費。

4 基于LLDP-MED 配置的VoIP 部署

IEEE 組織在2005 年發(fā)布了IEEE 802.1AB 標(biāo)準(zhǔn)，即LLDP（Link Layer Discover Protocol，鏈路層鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議）。鏈路層鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議顧名思義，用于發(fā)現(xiàn)鄰居設(shè)備，這里的鄰居設(shè)備包括任何支持LLDP 協(xié)議的設(shè)備和終端：交換機(jī)、VoIP等。而LLDP-MED（Link Layer Discovery Protocol-Media Endpoint Discovery，鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議媒體終端發(fā)現(xiàn)）是LLDP協(xié)議的擴(kuò)展，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與終端（例如VoIP 等）之間交換消息來實現(xiàn)對終端設(shè)備自動發(fā)現(xiàn)及配置等功能，方便VoIP 設(shè)備的部署。

4.1 原理

LLDP 協(xié)議報文的目的MAC 地址為01:80:c2:00:00:0e，以太網(wǎng)類型為0x88cc。LLDPDU 是封裝在 LLDP 報文數(shù)據(jù)部分的數(shù)據(jù)單元。在組成 LLDPDU 之前，設(shè)備先將本地信息封裝成TLV 格式，再由若干個 TLV 組合成一個 LLDPDU 封裝在 LLDP報文的數(shù)據(jù)部分進(jìn)行傳送。

TLV 是組成LLDPDU 的單元，每個TLV 都代表一個信息。LLDP-MED 中定義終端相關(guān)的TLV，其中與VoIP 相關(guān)的TLV 主要有以下類型：

表1 LLDP-MED 中VoIP 相關(guān)TLV 說明

LLDP-MED Capabilities TLV 用于確定設(shè)備的類型，對于VoIP 設(shè)備，其發(fā)出的LLDP 報文中該字段設(shè)置為telephone 屬性，告知對方自己是電話設(shè)備。

LLDP-MED 中Network Policy TLV 能夠提供配置策略下發(fā)，能夠提供VLAN ID、QoS 優(yōu)先級DSCP 值等內(nèi)容的下發(fā)。交換機(jī)可通過Network Policy TLV 將策略發(fā)給下聯(lián)的VoIP 設(shè)備。

LLDP-MED 中Extended Power via MDI TLV 提供設(shè)備用電相關(guān)信息。對于PSE（Power Sourcing Equipment，供電端設(shè)備），通過LLDP 可以獲取到對端PD（Powered Device，受電端設(shè)備）的用電信息。當(dāng)PD 設(shè)備的用電信息發(fā)生變化時，也可通過LLDP 模塊獲取到對應(yīng)信息，由PoE 模塊動態(tài)調(diào)整端口的供電功率，就可以實現(xiàn)PoE 動態(tài)調(diào)整。PoE 供電協(xié)商過程：

1）PD 和PSE 之間，經(jīng)過802.3af 協(xié)議協(xié)商出供電的class 級別（如class3 級別）

2）PD 通告給PSE 當(dāng)前最大功率X，需要的最大功率X。

3）PSE 查看PoE TLV，如果PD 需要的功能X＜class 3 級的功能，通告給PD 最大允許提供的功率X，就以功率X 開始供電

4）一段時間后，PD 需要更多的功率Y，Y＞X。PD 向PSE通告當(dāng)前最大功率X，需要的最大功率Y

5）PSE 確認(rèn)PD 需求的供電功率在自己供電能力范圍，通告PD 最大允許提供的功率Y，并以功率Y 進(jìn)行供電

6）PD 獲得更大的功率，同時通告PSE，當(dāng)前最大功率Y，需要的最大功率Y。

4.2 VoIP-LLDPMED 應(yīng)用場景

VoIP-LLDPMED 典型辦公網(wǎng)應(yīng)用場景如圖二，VoIP 電話下聯(lián)PC，再連接到支持LLDP 的交換機(jī)。交換機(jī)支持PoE，通過網(wǎng)線直接給VoIP 供電。PC 業(yè)務(wù)是數(shù)據(jù)流，與數(shù)據(jù)服務(wù)器之間進(jìn)行業(yè)務(wù)通信；VoIP 業(yè)務(wù)是語音流，與語音控制器之間進(jìn)行業(yè)務(wù)通信；要求數(shù)據(jù)流與語音流之間隔離，并保證語音流報文高優(yōu)先級，避免擁塞導(dǎo)致語音中斷。

圖2 VoIP 辦公網(wǎng)部署圖

在VoIP 辦公網(wǎng)環(huán)境中，交換機(jī)需要先進(jìn)行初始配置：在交換機(jī)上配置VoiceVlan ID；打開端口的LLDP 功能；并配置信任VoIP 的Qos 設(shè)置。在LLDP 環(huán)境中VoIP 運行過程：

1）VoIP 電話上電后，交換機(jī)通過硬件檢測，檢測出的CLASS 級別為2，進(jìn)行CLASS2 級別的供電，供電功率為7W。

2）VoIP 發(fā)送LLDP 報文，報文中包含以下內(nèi)容：

（1）Capabilities 字段的TLV 是Telephone，告訴交換機(jī)我是IP Phone；

（2）報文帶有Network Policy 字段，請求Voice 報文的QoS 的優(yōu)先級更高，如請求優(yōu)先級DSCP 為32

（3）報文帶有PoE 相關(guān)的TLV 字段，請求實際需求的最大功率為5W。

3）交換機(jī)回應(yīng)LLDP 報文，報文中包含以下內(nèi)容：

（1）報文中攜帶交換機(jī)上配置的Voice VLAN ID 策略。而后電話收到后，將在之后發(fā)送的IP、ARP 報文的tag 都帶此ID。

（2）報文回應(yīng)實際供電功率為5W，同時以5W 給VoIP 進(jìn)行供電。

（3）根據(jù)VoIP LLDP 請求的Qos 優(yōu)先級，設(shè)置VoiceVlan報文的優(yōu)先級。

（4）當(dāng)VoIP 識別到Voice VLAN ID 后，發(fā)送DHCP 請求IP 地址，報文的tag=Voice VLAN ID

（5）語音控制器收到DHCP 請求后，發(fā)送DHCP ACK，報文中通知VoIP 獲取到的IP 地址。

（6）VoIP 獲取到地址后，使用SIP、SCCP 等協(xié)議，開始向語音控制器發(fā)起注冊。在語音控制器上注冊成功后，控制器上會形成VoIP 話機(jī)“IP 地址——電話號碼”的綁定。

（7）而后VoIP 就可以進(jìn)行話機(jī)通信了。呼叫過程必須通過語音控制器，查找所要呼叫號碼響應(yīng)的IP 地址，而后由控制器向?qū)Ψ桨l(fā)起會話。被叫方響應(yīng)后，控制器向呼叫方通告被叫方狀態(tài)，同時發(fā)送被叫方的IP 地址給呼叫方。而后雙方就可通過RTP 協(xié)議進(jìn)行通信。

5 結(jié)論

對于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來說，設(shè)備易部署、易用性和易管理性是衡量產(chǎn)品軟件質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。通過LLDP-MED 能夠避免VoIP 部署過程中新增和替換導(dǎo)致配置變更；同時結(jié)合PoE動態(tài)調(diào)節(jié)功能，能夠避免供電功率方面的浪費，符合當(dāng)代對VoIP 部署簡便、綠色節(jié)能方面的要求。

[1]802.1AB-2005.pdfhttp：//read.pudn.com/downloads139/sourcecode/others/600448/ieee8023_2005/802.1AB-2005.pdf

[2]ANSI-TIA-1057https：//www.ietf.org/proceedings/68/slides/ecrit-1/sld1.htm