改善廣域網(wǎng)上實(shí)時(shí)應(yīng)用的傳輸質(zhì)量

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從20世紀(jì)90年代末期開(kāi)始，我國(guó)建立了大量的基于專線的廣域網(wǎng)，如各政府機(jī)關(guān)或大企業(yè)為將各分支機(jī)構(gòu)局域網(wǎng)互聯(lián)建立起來(lái)的廣域網(wǎng)絡(luò)。這些廣域網(wǎng)大都是租用運(yùn)營(yíng)商的專線接入DDN、幀中繼或ATM建立起來(lái)的，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的速率一般在64KBps到2MBps之間。    

在早期，這些專用網(wǎng)上運(yùn)行的應(yīng)用主要有辦公系統(tǒng)、MIS、Mail、Web等．大都是一些非實(shí)時(shí)應(yīng)用。而近幾年，這些網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)應(yīng)用越來(lái)越多，如IP語(yǔ)音、視頻會(huì)議系統(tǒng)等。

一開(kāi)始在這些廣域網(wǎng)上部署實(shí)時(shí)應(yīng)用的時(shí)候，遇到了很多網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量問(wèn)題。由于建立廣域網(wǎng)租用的專線帶寬普遍較低．一般不超過(guò)2M，各種應(yīng)用之間擠占帶寬的現(xiàn)象非常嚴(yán)重，再就是有時(shí)某些網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置不合理等，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用的傳輸質(zhì)量下降：視頻會(huì)議出現(xiàn)馬賽克現(xiàn)象，IP語(yǔ)音出現(xiàn)延遲，VOD點(diǎn)播的質(zhì)量也比較差。如何解決這些問(wèn)題，提高這些專線網(wǎng)絡(luò)承載實(shí)時(shí)應(yīng)用時(shí)的傳輸質(zhì)量成為一個(gè)迫切的需求。

本文將分析實(shí)際工程中遇到的網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量問(wèn)題的成因，通過(guò)模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的演示，講述如何通過(guò)一些網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置，提高廣域網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)應(yīng)用的傳輸質(zhì)量。

1 模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的搭建

如圖1，我們使用兩臺(tái)Ciseo路由器，兩臺(tái)交換機(jī)來(lái)模擬一個(gè)小型的廣域網(wǎng)環(huán)境。

圖1模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

兩臺(tái)路由器之間通過(guò)背對(duì)背V．35串口線互聯(lián)，可以模擬64K到2MBps的DDN或幀中繼線路。

我們用業(yè)界主流的網(wǎng)絡(luò)分析軟件NetlQ來(lái)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于實(shí)時(shí)應(yīng)用的傳輸質(zhì)量。NetlQ是專門用來(lái)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的VOIP傳輸質(zhì)量的軟件。我們分別在廣域網(wǎng)兩端的2臺(tái)主機(jī)上安裝NedQ的測(cè)試客戶端，可以測(cè)試這兩個(gè)端點(diǎn)之間VOIP的傳輸質(zhì)量。

2 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致的傳輸質(zhì)量下降

問(wèn)題：視頻會(huì)議兩端圖像質(zhì)量不對(duì)稱，一端會(huì)場(chǎng)尚可，另一端會(huì)場(chǎng)視頻質(zhì)量差。

最后找到問(wèn)題的原因是．視頻會(huì)議終端的以太網(wǎng)口設(shè)置成半雙工，而交換機(jī)的端口是全雙工，造成網(wǎng)絡(luò)不對(duì)稱傳輸，導(dǎo)致單方向的視頻會(huì)議質(zhì)量較差。兩端全部設(shè)置成全雙工后問(wèn)題解決。這種問(wèn)題看似低級(jí)．實(shí)際上是經(jīng)常遇到的。另一個(gè)例子是10M/100M自適應(yīng)問(wèn)題造成的，和上述情況相似：

某單位采用的運(yùn)營(yíng)商的VOIP服務(wù)，有天通話質(zhì)量突然變差，而且也是話音質(zhì)量不對(duì)稱，即一方感覺(jué)話音質(zhì)量還可以，而另一方感覺(jué)話音質(zhì)量差，話音不清晰(丟包過(guò)大)。后來(lái)發(fā)現(xiàn)這個(gè)單位接人Intemet的交換機(jī)端口工作在100M，而對(duì)端運(yùn)營(yíng)商的交換機(jī)設(shè)置成10M，由于中間有一對(duì)光纖收發(fā)器，使得兩臺(tái)交換機(jī)之間沒(méi)有自適應(yīng)成10M，導(dǎo)致了從100M到10M時(shí)丟包。

我們知道，VOIP和視頻會(huì)議都是采用UDP傳輸，UDP沒(méi)有重傳機(jī)制(視頻和語(yǔ)音應(yīng)用是不能采用重傳機(jī)制的)，當(dāng)UDP丟包率超過(guò)一定比例，就會(huì)感覺(jué)到視頻或音頻質(zhì)量的下降，按照VOIP的標(biāo)準(zhǔn)，UDP丟包率超過(guò)2%的網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為不適合開(kāi)展VOIP應(yīng)用。

對(duì)于非實(shí)時(shí)的應(yīng)用，大都采用TCP傳輸。由于TCP的重傳機(jī)制，丟包對(duì)這些應(yīng)用系統(tǒng)的影響將會(huì)不明顯。

說(shuō)句題外話，運(yùn)營(yíng)商端交換機(jī)本來(lái)是工作在10M的，由于用戶網(wǎng)絡(luò)有個(gè)階段沖擊波病毒發(fā)作，大量占用帶寬，是運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)管將交換機(jī)端口強(qiáng)制設(shè)置成10M而過(guò)后又忘記改正過(guò)來(lái)，造成了上述問(wèn)題。

下面我們用模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境演示雙工不匹配時(shí)UDP的丟包是如何降低了VOIP的傳輸質(zhì)量的。

在路由器和交換機(jī)上分別配置雙工參數(shù)，使之互相之間不匹配，觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果并記錄。

在交換機(jī)和路由器互聯(lián)的端口上分別配置成全雙工和半雙工：

Router0全雙工配置

圖2雙工不匹配時(shí)的MOS值

最大連續(xù)丟包率(如圖3)：

圖3 雙工不匹配時(shí)的最大連續(xù)丟包率

通過(guò)以上結(jié)果可以看出，雙工之間不匹配對(duì)VolP數(shù)據(jù)包的傳輸?shù)挠绊懯潜容^大的，其中MOS值最低已經(jīng)接近于0．9，在此有必要對(duì)于MOS值和丟包率做一下解釋。

從電話出現(xiàn)開(kāi)始，語(yǔ)音質(zhì)量的測(cè)量方式是主觀的，人們摘起一個(gè)電話，然后由人耳來(lái)感知語(yǔ)音的好壞，這個(gè)方法是被廣泛認(rèn)同的。在完善之后。這個(gè)主觀的語(yǔ)音質(zhì)量測(cè)量方法就是現(xiàn)在的平均主觀值MOS方法。定義在rI．U—T P．800中?；谠撝饔^評(píng)測(cè)， 人類接聽(tīng)和感知語(yǔ)音質(zhì)量的行為被調(diào)研和量化，接聽(tīng)何種級(jí)別質(zhì)量的語(yǔ)音，得到多少平均主觀值MOS，人類將起主要的反映作用。這個(gè)語(yǔ)音質(zhì)量和平均主觀值的對(duì)應(yīng)關(guān)系為網(wǎng)絡(luò)的配置、基準(zhǔn)和監(jiān)視提供了標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。一個(gè)平均主觀值MOS是4或更高，被認(rèn)為是比較好的語(yǔ)音質(zhì)量，而若平均主觀值MOS低予3．6，則大部分接聽(tīng)者不能滿意這個(gè)語(yǔ)音質(zhì)量。

再來(lái)看最大連續(xù)丟包率，已經(jīng)高達(dá)4．0，而按照VOIP的標(biāo)準(zhǔn)，連續(xù)丟包率不能超過(guò)2．0。在連續(xù)丟包率達(dá)到4．0的網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)的VolP其語(yǔ)音質(zhì)量是不能夠被接受的。

現(xiàn)在我們?cè)诼酚善骱徒粨Q機(jī)上分別配置雙工，使之互相之間匹配。并且使路由器與交換機(jī)全部為全雙工，觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果并記錄。

圖4雙工匹配時(shí)的MOS值

丟包率(如圖5)：

圖5雙工匹配時(shí)的丟包率

可以看出，雙工匹配后，VolP數(shù)據(jù)包的傳輸情況是比較好的，基本沒(méi)有丟包，MOS值也穩(wěn)定在4．38，已經(jīng)能較好的滿足人們?nèi)粘Ｍㄔ捫枰?/P>

我們同樣做過(guò)互聯(lián)的端口之間10M/100M不匹配時(shí)的試驗(yàn)，結(jié)果和上面結(jié)構(gòu)非常類似。

雙工匹配和10M/100M匹配并不一定是指兩端都要全雙工或兩端都要100M，只要匹配，比如，兩端都是10M或兩端都是半雙工．也不會(huì)造成丟包。

雙工匹配和10M/100M匹配是要求在全程實(shí)現(xiàn)的，即在網(wǎng)絡(luò)的每?jī)蓚€(gè)設(shè)備的以太網(wǎng)連接都要滿足匹配。以本試驗(yàn)為例，PC0和switch0之間、muted)和switch0之間、switchl和routerl之間、smtchl和PC3之間都要符合雙工匹配和10M/100M匹配，才能保證端到端的實(shí)時(shí)應(yīng)用傳輸質(zhì)量。

3 利用CAR來(lái)保證實(shí)時(shí)應(yīng)用的帶寬。

問(wèn)題：FTP搶占帶寬導(dǎo)致的視頻會(huì)議質(zhì)量差

某單位總部和各分支機(jī)構(gòu)之間租用網(wǎng)通的2MBps幀中繼線路構(gòu)建廣域網(wǎng)，主要應(yīng)用包括視頻會(huì)議、WWW、EMAIL、ZIP和VOD，F(xiàn)TP主要用于傳輸課件，部分課件是占用空間比較大的視頻課件。由于FTP使用頻繁。搶占帶寬，導(dǎo)致視頻會(huì)議視頻和音頻質(zhì)量比較差。明顯的延遲過(guò)大和馬賽克現(xiàn)象，我們分析這些現(xiàn)象分別是網(wǎng)絡(luò)的延遲和丟包造成的。

現(xiàn)在在專線上開(kāi)展的視頻會(huì)議一般是768KBps或以上的，在全活動(dòng)圖像情況下，加上IP包頭開(kāi)銷帶寬占用要在1．3M。因?yàn)镕IP數(shù)據(jù)包通常比較大，下載大文件時(shí)搶占帶寬的能力強(qiáng)，如果腫的速率達(dá)到0．7M(實(shí)際上是經(jīng)常的)，視頻會(huì)議的質(zhì)量就會(huì)受到影響。

我們采取的措施是采用承諾訪問(wèn)速率CAR來(lái)限制FTP的最大流量，CAR的工作原理大致是：對(duì)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類，對(duì)某種應(yīng)用比如FTP可以設(shè)置一個(gè)最大帶寬占用。對(duì)超過(guò)的部分進(jìn)行丟棄或降低優(yōu)先級(jí)，從而達(dá)到保證實(shí)時(shí)應(yīng)用的帶寬的目的。

在對(duì)IP包進(jìn)行分類的時(shí)候，我們可以采用基于時(shí)間的訪問(wèn)控制列表(ACL)，這樣在不召開(kāi)視頻會(huì)議的時(shí)段，基本上可以放開(kāi)FrP的帶寬。

實(shí)際工程中，應(yīng)用了CAR后，視頻會(huì)議的質(zhì)量得到明顯提高。下面我們用模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境演示CAB的作用。

在廣域網(wǎng)兩端的主機(jī)上分別啟動(dòng)nP的server和client，啟動(dòng)FTP。同時(shí)啟用這兩臺(tái)主機(jī)之間的NetlQ測(cè)試。

下面是沒(méi)有啟用CAR時(shí)的模擬10對(duì)鏈路所測(cè)得的傳輸結(jié)果(如圖6)：

圖6 在沒(méi)有啟動(dòng)CAR時(shí)的丟包率

可以看出它的丟包的情況是非常嚴(yán)重的，最高達(dá)到了14%，而VOIP的標(biāo)準(zhǔn)是不超過(guò)2%。

然后按如下程序清單所列啟動(dòng)CAR：

這段清單是配置在兩端路由器的以太網(wǎng)口上。大體含義是：將FTP的流量限制在lM之內(nèi)，超出的流量將丟棄。

啟用CAR后的最大連續(xù)丟包率如圖7所示：

圖7啟用CAR后的最大連續(xù)丟包率

由此結(jié)果可以看出，在啟動(dòng)CAR后基本上沒(méi)有丟包，這說(shuō)明了CAR限制某類流量的作用非常明顯，對(duì)改善實(shí)時(shí)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量有很大的幫助。

4 結(jié)論

以上都是在實(shí)際的VOIP或視頻會(huì)議應(yīng)用中遇到并解決的問(wèn)題。這些問(wèn)題帶有普遍性，相信會(huì)對(duì)具有實(shí)時(shí)視頻或語(yǔ)音應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值。另外，還有一些廣域網(wǎng)參數(shù)的設(shè)置．比如MTU(最大傳輸單元)不匹配、幀中繼或ATM的最大突發(fā)速率和運(yùn)營(yíng)商設(shè)備的配置不匹配等都會(huì)對(duì)視頻和音頻應(yīng)用的傳輸質(zhì)量有比較大的影響，需要引起重視。相信廣大讀者只要理解了相應(yīng)原理，不斷摸索總結(jié)，總會(huì)總結(jié)出怎樣合理設(shè)置各種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的方法，以提高網(wǎng)路傳輸質(zhì)量，使實(shí)時(shí)的視頻和音頻應(yīng)用更加順暢地進(jìn)行。（萬(wàn)方數(shù)據(jù)）