改善廣域網(wǎng)上實時應(yīng)用的傳輸質(zhì)量

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從20世紀90年代末期開始，我國建立了大量的基于專線的廣域網(wǎng)，如各政府機關(guān)或大企業(yè)為將各分支機構(gòu)局域網(wǎng)互聯(lián)建立起來的廣域網(wǎng)絡(luò)。這些廣域網(wǎng)大都是租用運營商的專線接入DDN、幀中繼或ATM建立起來的，點對點的速率一般在64KBps到2MBps之間。    

在早期，這些專用網(wǎng)上運行的應(yīng)用主要有辦公系統(tǒng)、MIS、Mail、Web等．大都是一些非實時應(yīng)用。而近幾年，這些網(wǎng)絡(luò)上實時應(yīng)用越來越多，如IP語音、視頻會議系統(tǒng)等。

一開始在這些廣域網(wǎng)上部署實時應(yīng)用的時候，遇到了很多網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量問題。由于建立廣域網(wǎng)租用的專線帶寬普遍較低．一般不超過2M，各種應(yīng)用之間擠占帶寬的現(xiàn)象非常嚴重，再就是有時某些網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置不合理等，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)對實時應(yīng)用的傳輸質(zhì)量下降：視頻會議出現(xiàn)馬賽克現(xiàn)象，IP語音出現(xiàn)延遲，VOD點播的質(zhì)量也比較差。如何解決這些問題，提高這些專線網(wǎng)絡(luò)承載實時應(yīng)用時的傳輸質(zhì)量成為一個迫切的需求。

本文將分析實際工程中遇到的網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量問題的成因，通過模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的演示，講述如何通過一些網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置，提高廣域網(wǎng)絡(luò)上實時應(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Ciseo路由器，兩臺交換機來模擬一個小型的廣域網(wǎng)環(huán)境。

圖1模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

兩臺路由器之間通過背對背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來測試網(wǎng)絡(luò)相對于實時應(yīng)用的傳輸質(zhì)量。NetlQ是專門用來測試網(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臺主機上安裝NedQ的測試客戶端，可以測試這兩個端點之間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

問題：視頻會議兩端圖像質(zhì)量不對稱，一端會場尚可，另一端會場視頻質(zhì)量差。

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

某單位采用的運營商的VOIP服務(wù)，有天通話質(zhì)量突然變差，而且也是話音質(zhì)量不對稱，即一方感覺話音質(zhì)量還可以，而另一方感覺話音質(zhì)量差，話音不清晰(丟包過大)。后來發(fā)現(xiàn)這個單位接人Intemet的交換機端口工作在100M，而對端運營商的交換機設(shè)置成10M，由于中間有一對光纖收發(fā)器，使得兩臺交換機之間沒有自適應(yīng)成10M，導(dǎo)致了從100M到10M時丟包。

我們知道，VOIP和視頻會議都是采用UDP傳輸，UDP沒有重傳機制(視頻和語音應(yīng)用是不能采用重傳機制的)，當(dāng)UDP丟包率超過一定比例，就會感覺到視頻或音頻質(zhì)量的下降，按照VOIP的標準，UDP丟包率超過2%的網(wǎng)絡(luò)被認為不適合開展VOIP應(yīng)用。

對于非實時的應(yīng)用，大都采用TCP傳輸。由于TCP的重傳機制，丟包對這些應(yīng)用系統(tǒng)的影響將會不明顯。

說句題外話，運營商端交換機本來是工作在10M的，由于用戶網(wǎng)絡(luò)有個階段沖擊波病毒發(fā)作，大量占用帶寬，是運營商的網(wǎng)管將交換機端口強制設(shè)置成10M而過后又忘記改正過來，造成了上述問題。

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

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

在交換機和路由器互聯(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雙工不匹配時的MOS值

最大連續(xù)丟包率(如圖3)：

圖3 雙工不匹配時的最大連續(xù)丟包率

通過以上結(jié)果可以看出，雙工之間不匹配對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，在此有必要對于MOS值和丟包率做一下解釋。

從電話出現(xiàn)開始，語音質(zhì)量的測量方式是主觀的，人們摘起一個電話，然后由人耳來感知語音的好壞，這個方法是被廣泛認同的。在完善之后。這個主觀的語音質(zhì)量測量方法就是現(xiàn)在的平均主觀值MOS方法。定義在rI．U—T P．800中。基于該主觀評測， 人類接聽和感知語音質(zhì)量的行為被調(diào)研和量化，接聽何種級別質(zhì)量的語音，得到多少平均主觀值MOS，人類將起主要的反映作用。這個語音質(zhì)量和平均主觀值的對應(yīng)關(guān)系為網(wǎng)絡(luò)的配置、基準和監(jiān)視提供了標準依據(jù)。一個平均主觀值MOS是4或更高，被認為是比較好的語音質(zhì)量，而若平均主觀值MOS低予3．6，則大部分接聽者不能滿意這個語音質(zhì)量。

再來看最大連續(xù)丟包率，已經(jīng)高達4．0，而按照VOIP的標準，連續(xù)丟包率不能超過2．0。在連續(xù)丟包率達到4．0的網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)的VolP其語音質(zhì)量是不能夠被接受的。

現(xiàn)在我們在路由器和交換機上分別配置雙工，使之互相之間匹配。并且使路由器與交換機全部為全雙工，觀測數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果并記錄。

圖4雙工匹配時的MOS值

丟包率(如圖5)：

圖5雙工匹配時的丟包率

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>

我們同樣做過互聯(lián)的端口之間10M/100M不匹配時的試驗，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．也不會造成丟包。

雙工匹配和10M/100M匹配是要求在全程實現(xiàn)的，即在網(wǎng)絡(luò)的每兩個設(shè)備的以太網(wǎng)連接都要滿足匹配。以本試驗為例，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時應(yīng)用傳輸質(zhì)量。

3 利用CAR來保證實時應(yīng)用的帶寬。

問題：FTP搶占帶寬導(dǎo)致的視頻會議質(zhì)量差

某單位總部和各分支機構(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)致視頻會議視頻和音頻質(zhì)量比較差。明顯的延遲過大和馬賽克現(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)在在專線上開展的視頻會議一般是768KBps或以上的，在全活動圖像情況下，加上IP包頭開銷帶寬占用要在1．3M。因為FIP數(shù)據(jù)包通常比較大，下載大文件時搶占帶寬的能力強，如果腫的速率達到0．7M(實際上是經(jīng)常的)，視頻會議的質(zhì)量就會受到影響。

我們采取的措施是采用承諾訪問速率CAR來限制FTP的最大流量，CAR的工作原理大致是：對IP數(shù)據(jù)包進行分類，對某種應(yīng)用比如FTP可以設(shè)置一個最大帶寬占用。對超過的部分進行丟棄或降低優(yōu)先級，從而達到保證實時應(yīng)用的帶寬的目的。

在對IP包進行分類的時候，我們可以采用基于時間的訪問控制列表(ACL)，這樣在不召開視頻會議的時段，基本上可以放開FrP的帶寬。

實際工程中，應(yīng)用了CAR后，視頻會議的質(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)兩端的主機上分別啟動nP的server和client，啟動FTP。同時啟用這兩臺主機之間的NetlQ測試。

下面是沒有啟用CAR時的模擬10對鏈路所測得的傳輸結(jié)果(如圖6)：

圖6 在沒有啟動CAR時的丟包率

可以看出它的丟包的情況是非常嚴重的，最高達到了14%，而VOIP的標準是不超過2%。

然后按如下程序清單所列啟動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CAR后基本上沒有丟包，這說明了CAR限制某類流量的作用非常明顯，對改善實時應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量有很大的幫助。

4 結(jié)論

以上都是在實際的VOIP或視頻會議應(yīng)用中遇到并解決的問題。這些問題帶有普遍性，相信會對具有實時視頻或語音應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化具有一定的參考價值。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)速率和運營商設(shè)備的配置不匹配等都會對視頻和音頻應(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，使實時的視頻和音頻應(yīng)用更加順暢地進行。（萬方數(shù)據(jù)）