提高網絡視頻會議質量的QoS技術

　一、綜述

　　隨著IP網絡與Internet在當今使用得越來越廣泛，基于IP網絡的視頻會議系統也越來越為廣大的消費者所接受，在現有企業網內融合語音、視頻和數據通信，能為公司縮減大筆商務開支，其中尤以VoIP和視頻會議最為重要。但融合通信會引發網絡性能問題，企業網不但要能提供多種服務，而且要保證端到端的良好性能，而召開網絡視頻會議最重要的就是要保證有良好的音視頻質量。

　　而現階段Internet的狀況是比較復雜的，帶寬參差不齊、時延大、不穩定。如何在IP網絡上保證用戶信息傳輸的質量就成為一個不容忽視的重要問題，為解決這一問題，網絡服務質量（QoS，Quality of Service）便應運而生。QoS是網絡與用戶之間以及網絡上互相通信的用戶之間關于信息傳輸與共享的質的約定，例如，傳輸時延允許時間、最小傳輸畫面失真度以及聲像同步等。

　　目前，IP網絡如何提供服務質量（QoS）支持這一問題現已成為業界關注的焦點。對于由QoS控制來實現QoS保證，國際上不同的組織和團體提出了不同的控制機制和策略，比較著名的有：ISO/OSI提出的基于ODP分布式環境的QoS控制；ATM論壇提出的QoS控制策略和實現；IETF組織提出的綜合業務模型（Int Serv）、差分業務模型（Diffe Serv），多協議標簽交換（MPLS，Multi-Protocol Label Switching）技術，流量工程（traffic engineering）等多種控制和管理方案。

　　二、音視頻QoS的影響因素

　　影響Internet視頻會議中的音視頻QoS有幾方面因素。

　　第一是網絡帶寬，即每秒網絡所能傳輸的數據量。帶寬對網絡服務質量的影響是顯而易見的，帶寬越寬，就能允許更多的數據傳輸，從而會提供更好的音視頻QoS。雖然目前的互聯網的帶寬，尤其是中國互聯網的帶寬在近年來有了很大的改善，如ADSL、長城寬帶、聯通寬帶等寬帶接入已得到廣泛使用，很多用戶已經有了比較寬的帶寬。但與此同時，這些寬帶的質量卻是參差不齊，很多時候用戶使用的帶寬即便較寬，但由于技術的不完善或其他原因，還經常會出現較高的網絡丟包率和較大的網絡抖動等情況，這些都會對用戶在使用視頻會議中的音視頻QoS產生嚴重的影響。

　　第二是網絡提供的數據傳輸能力，傳統的IP網絡只提供“盡力而為”的數據傳輸能力。隨著網絡上主機數量的不斷增加，網絡服務的需求將超過網絡提供的能力，從而造成傳輸時延變化（抖動）、傳輸時延過大甚至引起分組丟失，也就是說出現了大塞車（網絡擁塞）。網絡擁塞對一些Internet應用，如電子郵件、文件傳輸和Web應用一般不會造成太大影響；但對傳輸時延要求比較苛刻的實時應用，如視頻會議的音視頻傳輸來說卻是不能容忍的。無線網絡方面移動通信系統的共同點是誤碼率高，這對視頻會議中的音視頻傳輸會造成很大的影響，必須要求視頻編解碼和傳輸系統能夠克服信道的高誤碼比、包丟失以提供音頻QoS保證。

　　第三是網絡排隊，網絡中存在很多的節點，如路由器、網關等。這些節點采用排隊機制決定數據發放的順序。如果在瞬間某節點數據排隊較長，該節點就會采取丟棄數據包的方式保證節點的正常工作。即使沒有被丟棄，經過較長的排隊之后，這些數據包往往要花很長的時間才能到達目的地，由此就產生了網絡的時延以及時延抖動。丟包、時延、時延抖動都會對視頻會議中的音視頻QoS產生很大的影響。

　　第四是Internet視頻會議的音視頻網絡傳輸協議的選擇，傳輸層對端到端的QoS有直接影響。當前互聯網傳輸層的網絡傳輸協議主要是傳輸控制協議（TCP）和用戶數據報協議（UDP）。因為本身的特性，TCP不適合使用在實時業務中。因此，實時業務的開發者都使用UDP在互聯網上傳輸數據包。但由于UDP沒有任何擁塞避免控制算法，因而會對網絡造成大危害。這樣，UDP的廣泛使用就會如同互聯網上的一匹脫韁野馬，很容易導致網絡過載和高丟包率，還會大量侵占帶寬，從而大大地影響視頻會議中音視頻的傳輸質量。

　　三、QoS的服務類型

　　QoS目前被分為兩大服務類型：集成服務類型和區分服務類型。

　　集成業務是指在整個網絡中為某一業務流量保留一定的帶寬，為該服務提供一條端到端的透明通道。這種服務類型能對視頻等業務應用提供完全的QoS保證，但是這種保留策略會消耗原本就不多的廣域網帶寬。

　　區分服務是一種基于每一跳的QoS策略，網絡上的每一臺數據中繼設備（路由器或交換機）通過檢查每一個數據報的包頭信息對流量進行分類，在根據調度策略來決定如何轉發。相對于集成服務，區分服務的應用更為靈活，效率更高。

　　在區分服務中，有擁塞管理與擁塞檢測避免兩種策略機制。

　　擁塞管理策略是QoS中針對接收報文和發送報文，按一定優先級策略調度入隊和發送，從而保障特定內容的報文，按需發送的機制。它的特點是只在設備內部實現，沒有互通性要求，不同廠家的設備可能隊列調度策略實現不同，但不存在互通問題。目前有以下四種流行的隊列機制：FIFO、PQ、CQ、WFQ。

　　（1）FIFO是傳統的先入先出隊列，沒有策略。

　　（2）PQ優先級隊列。共4個優先級：High、Medium、Normal、Low。接口上根據協議類型、報文大小、協議端口號等，劃分不同優先級隊列，當高優先級隊列中有報文時，低優先級隊列得不到調度。所以優先級隊列適用于應用簡單，對某些應用服務要求很高，而其他業務相對不高的應用。它的優勢是配置簡單，絕對保證高優先級應用的帶寬；缺點是不能保證高優先級外的服務得到合理帶寬，從而不能公平地保證各種應用的服務質量。

　　（3）CQ用戶定制隊列。接口上，根據用戶預先的定義，最多可配置16個定制隊列，加上1個系統隊列，共17個隊列。用戶可根據協議類型、報文大小、協議端口號，以及相應的Access List規則，配置各種隊列并分配相應帶寬，各隊列按照預先設定的帶寬調度發送。CQ的優點是保證各種應用能分配到一定的帶寬，適于應用相對簡單的場合（如金融等專網），并且調度算法相對簡單，路由器轉發效率較高；缺點是配置相對復雜，并且網絡管理員必須事先知道該網絡的詳細應用，對管理員要求較高，對于復雜應用網絡，16個優先級似乎不夠。

　　（4）WFQ加權公平隊列。WFQ將分組按照不同的業務流、不同的IP優先級，自動按照散列算法，劃分成不同的隊列，在保證高優先級業務的同時，按照配置權重，將帶寬公平地分給低優先級別的業務。Quidway路由器在每個接口上最大支持4096個隊列，在此范圍之內，網絡管理員可以配置隊列的數目和相應權值。WFQ的優點是對所有應用都能比較公平地提供服務質量，對于要求較高的業務可以通過設置權重保障優先級，能智能劃分隊列和調度，配置相對簡單，對網絡管理員的要求相對較低；缺點是由于相對公平，對于QoS要求極高的應用，不能像PQ那樣絕對保證，策略計算復雜，比較消耗路由器處理能力。它適用于應用較復雜，并且應用相對公平的網絡，如Internet。

　　通過綜合靈活地利用上述QoS機制，就可以使視頻會議等在各種企業基于Internet的應用中獲得最大限度的傳輸安全保證。

　　在今后的基于Internet的網絡視頻會議或企業應用中，基于終端的QoS解決策略是一個切實可行的方法，在終端增加一定的速率控制和誤碼控制的機制，在網絡保持不變時能夠做到一定的QoS保證，提高圖像的質量。隨著網絡的發展、網絡帶寬的增加和控制機制的完善，基于網絡的QoS策略將成為主要的方式。