NGN承載網(wǎng)的QoS和安全考慮及建設(shè)方案探討

1 引言

NGN是下一代電信網(wǎng)的發(fā)展趨勢，雖然目前其體系架構(gòu)、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仍在不斷完善中，但是無論是基于軟交換的體系架構(gòu)還是基于IMS的體系架構(gòu)，對承載網(wǎng)技術(shù)的要求是一致的，都需要承載網(wǎng)能夠提供電信級的QoS與安全。

目標(biāo)的NGN網(wǎng)絡(luò)上能夠開展任何一種電信業(yè)務(wù)，統(tǒng)一的承載平臺也一直是電信界的夢想，人們期待IP能夠成為這個全業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)平臺。雖然IP網(wǎng)絡(luò)是目前公認(rèn)的下一代電信網(wǎng)的承載網(wǎng)絡(luò)，但I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)本身的特點一方面奠定了IP網(wǎng)絡(luò)成功的基礎(chǔ)，另一方面這些特點也限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。IP的QoS與安全問題成為其最終能否承擔(dān)起這個歷史使命的最大懸念。電信級的端到端QoS研究，是電信界研究的熱點，目前還沒有成熟、可靠、可以大規(guī)模實施的技術(shù)，各運營商業(yè)也在密切跟蹤與參與。目前，基于軟交換的NGN系統(tǒng)及業(yè)務(wù)已經(jīng)基本成熟，對于運營商而言，現(xiàn)階段建設(shè)NGN網(wǎng)絡(luò)、開展NGN業(yè)務(wù)具有一定的戰(zhàn)略意義，因此在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上研究如何提供具有一定保障的QoS與安全，并開展NGN的業(yè)務(wù)成為了一個現(xiàn)實而重要的課題。本文分析了承載網(wǎng)的QoS與安全問題，并給出了一種現(xiàn)實的NGN承載網(wǎng)的建設(shè)方案。

2 NGN承載網(wǎng)的QoS考慮

考慮承載網(wǎng)的QoS問題，首先必須搞清楚影響VoIPQoS的幾個重要因素。

2.1時延

由于當(dāng)前IP分組網(wǎng)的固有特性和低比特話音編解碼器的使用，使得VoIP語音分組的端到端時延要比電路交換網(wǎng)中的時延大得多，組成部分也更為復(fù)雜，VoIP應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)和底層傳輸協(xié)議的多樣性，決定了時延成分的多樣性。

端到端的時延可以分成兩個部分，即固定時延和可變時延。固定時延包括編解碼器引入的時延和打包時延。固定時延和采用的壓縮算法、打包的語音數(shù)據(jù)量相關(guān)?？勺儠r延包括：承載網(wǎng)上的傳輸、節(jié)點中排隊、服務(wù)處理時延、去抖動時延，這些和設(shè)備的端口速率，網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況，經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)路徑、設(shè)備對QoS的支持方式、實現(xiàn)的QoS算法等密切相關(guān)。特別是去抖時延和承載網(wǎng)絡(luò)的抖動指標(biāo)密切相關(guān)，通過采用合適的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以顯著降低語音通過網(wǎng)絡(luò)時引入的抖動，減少去抖動時延。

IP網(wǎng)中話音分組的端到端時延，150ms以下的時延，對于大多數(shù)應(yīng)用來說是可接受的;150～400ms之間的時延，在用戶預(yù)知時延狀況的前提下可以接受;大于400ms的時延不可接受。

目前，不同級別的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，在正常情況下的數(shù)據(jù)包處理時延為幾十微秒到幾毫秒，能夠滿足單跳時延要求，但承載網(wǎng)的跳數(shù)設(shè)計不能超過以上端到端的的時延要求，而且跳數(shù)越少越好。

2.2 抖動

根據(jù)實際測量發(fā)現(xiàn)，抖動大于500ms是不可接收的，而抖動達(dá)到300ms時，是可以接受的，此時為了消除抖動會引起較大的時延，綜合時延對語音質(zhì)量的影響來考慮，要求承載網(wǎng)的抖動小于80ms。

抖動會引起端到端的時延增加，會引起語音質(zhì)量的降低。影響抖動的因素一般和網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度相關(guān)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點流量超忙，數(shù)據(jù)包在各節(jié)點緩存時間過長，使得到達(dá)速率變化較大。由于語音同數(shù)據(jù)在同一條物理線路上傳輸，語音包通常會由于數(shù)據(jù)包的突發(fā)性而導(dǎo)致阻塞。

2.3 丟包率

丟包對VoIP語音質(zhì)量的影響較大，當(dāng)丟包率大于10%時，已不能接受，而在丟包率為5%時，基本可以接受。因此，要求IP承載網(wǎng)的丟包率小于5%。

丟包率的形成原因主要有兩點，一是傳統(tǒng)IP傳輸過程中的誤碼，這種情況在目前的網(wǎng)絡(luò)條件下發(fā)生的概率極低。另一個是不能保障業(yè)務(wù)帶寬造成的，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量越擁塞，影響就越強(qiáng)烈，丟包發(fā)生率也就越大。

2.4 帶寬

足夠的帶寬是保障業(yè)務(wù)QoS的重要手段。如語音編碼壓縮采用ITU-TG.729標(biāo)準(zhǔn)，速率為8kbit/s。典型的語音編碼器每20ms分發(fā)一個語音數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包中含有兩個語音幀，所以每20ms就會采樣生成160bit的信號，即數(shù)據(jù)包大小為20字節(jié)。當(dāng)加上12字節(jié)的RTP頭，8字節(jié)的UDP頭和20字節(jié)的lP頭后，則每個包大小變?yōu)?0字節(jié)。因此，每個語音連接的有效速率為(60×8)/20=24kbit/s。同理，G.711的有效速率為80kbit/s?？紤]目前城域網(wǎng)內(nèi)主要的鏈路層技術(shù)是以太網(wǎng)，G.729，G.711的有效速率分別為：34.4kbit/s，90.4kbit/s。

控制流和信令流的帶寬詳細(xì)計算原則是一樣的，要考慮信令消息以及開銷的字節(jié)數(shù)，開銷的計算跟語音業(yè)務(wù)帶寬中的計算類似，信令消息的字節(jié)數(shù)則需要根據(jù)不同協(xié)議的呼叫消息字節(jié)數(shù)、呼叫比例的分配等來計算。由于控制信令在承載網(wǎng)占用的帶寬較媒體流來說微乎其微，大約只占按照G.711編碼所需帶寬的0.5%，一個簡單快速的算法就是按照媒體流帶寬的2.5%預(yù)留。

對于任一層次的承載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，上行端口匯聚了NGN的業(yè)務(wù)，其帶寬設(shè)計必須滿足其它端口及下聯(lián)設(shè)備所帶NGN用戶的帶寬需求。

2.5 QoS的考慮

通過對影響QoS的指標(biāo)分析可以看到，對承載網(wǎng)的精心設(shè)計(如層次、跳數(shù)的控制)、充分合理的帶寬規(guī)劃、避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，是目前現(xiàn)實方案中需要重點考慮的因素。

當(dāng)前的IP服務(wù)質(zhì)量體系結(jié)構(gòu)主要有IETF建議的IntServ體系和DiffServ體系。IntServ模型使用資源預(yù)留協(xié)議(RSVP)，在傳送數(shù)據(jù)之前，根據(jù)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量需求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留，從而為改數(shù)據(jù)流提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。集成模型雖然能夠提供確定的服務(wù)質(zhì)量保證，但是它需要在網(wǎng)絡(luò)中維護(hù)每個流的狀態(tài)，對路由器的要求高，難以在大型IP網(wǎng)絡(luò)中實施，因此不考慮使用這個方案。區(qū)分服務(wù)的基本思想是將用戶的數(shù)據(jù)流按照服務(wù)質(zhì)量要求劃分等級，級別高的數(shù)據(jù)流在排隊和占用資源時比級別低的數(shù)據(jù)流有更高的優(yōu)先級。區(qū)分服務(wù)只包含有限數(shù)量的業(yè)務(wù)級別，狀態(tài)信息數(shù)量少、實現(xiàn)簡單、擴(kuò)展性好。因此是目前業(yè)界認(rèn)同的IP網(wǎng)絡(luò)QoS的解決方案。

在NGN業(yè)務(wù)與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)共用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的情況下，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的流量特征對網(wǎng)絡(luò)QoS性能的影響要充分考慮。一直以來，互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與建設(shè)基本上是參照平均統(tǒng)計的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，在充分考慮業(yè)務(wù)發(fā)展需要的同時預(yù)留一定的余量，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的能力與帶寬往往超過實際的需要，但實際上發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量并不穩(wěn)定。根據(jù)近年來的研究發(fā)現(xiàn)，互聯(lián)網(wǎng)承載的主要業(yè)務(wù)如WWW，F(xiàn)TP等在較大的時間尺度內(nèi)具有自相似的特性，表現(xiàn)為聚合流量產(chǎn)生的過程具有顯著的突發(fā)性，而不是像傳統(tǒng)模型那樣是一個預(yù)期的平滑疊加過程。具體體現(xiàn)到IP城域網(wǎng)的現(xiàn)象就是：平均性能較好，瞬態(tài)特性很差。因此，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中必須充分考慮互聯(lián)網(wǎng)流量對NGN業(yè)務(wù)的沖擊。解決這個問題，可以采用DiffServ技術(shù)來部分改善，也可以考慮建設(shè)NGN專用網(wǎng)絡(luò)去避免這個問題。從運營的角度看，考慮到傳輸資源充分、網(wǎng)絡(luò)帶寬以及設(shè)備成本低、安全性等因素的考慮，建設(shè)專用輕載網(wǎng)絡(luò)，盡可能增大網(wǎng)絡(luò)帶寬也是非?，F(xiàn)實的方案。