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国际计算机与通信工程创新研究杂志

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评估路由和排队技术对VoIP Over IP/MPLS网络QoS的影响

Azeddien M. Sllame, Mohamed Aljafari
利比亚的黎波里大学信息技术学院
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

本文介绍了利用OPNET工具对基于IP/MPLS网络的VoIP进行性能评估。通过在不同的网络场景下使用不同的内部路由协议运行VoIP应用，完成了仿真研究;即RIP、OSPF和EIGRP，并使用不同的排队技术来衡量服务质量。然而，主要的网络模型是建立TCP/IP路由器，MPLS路由器在网络案例研究的核心(中)。该模型允许不同的TCP/IP网络通过MPLS核心路由器相互通信。时延(jitter) (sec)、报文时延变化、报文端到端时延(sec)、发送/接收包数等性能参数用于比较不同网络的效率。

关键字
多媒体;网络电话;路由和QoS;排队和QoS;IP网络;MPLS网络

介绍
多媒体流比Internet上的任何其他数据类型都需要更高的带宽。此外，互联网用户的数量正在急剧增长，他们对多媒体应用程序的使用也在迅速增加。此外，用户对多媒体应用的高级功能的要求也越来越高。反过来，这又受到行业移动设备增长的引导;以及丰富的功能，是可在社交网络网站[1]。Internet上的多媒体流需要特殊处理，以便能够以正确的顺序和连续的时间完整地传送和回放，并具有适当的服务质量(QoS)。但是，这些要求可以列出如下。第一个;数据包测序，这是需要报告数据包丢失，使数据包重新排序，执行乱序解码。第二个; time-stamping and buffering, in order to provide continuous play out of the streams and to reduce delay jitter. Third, payload type identification and classification; this is to facilitate media interpretation and to do suitable conversions easily when needed. Fourth, error concealment; this is necessary to detect and repair errors by using redundancy or any other technique. Fifth; QoS; it is an essential requirement to keep multimedia streaming flow to the appropriate service level and to enhance QoS between senders and receivers. Last; rate control rule; this means making suitable adjustments during the stream flow to tolerate network congestion.Nowadays, multimillions of multimedia streams need to be transferred between different corners of the world’s continents through social networks and multimedia web sites with minimal delay overhead, with efficient routes, using appropriate level of adequate QoS. Hence, multicast routing has become the most crucial issue in international networking world’s infrastructure [2].
本文针对VOIP业务的主要QoS参数，对路由算法的性能进行了比较研究。本文组织结构如下:第2节为文献综述。第3节简要介绍了路由。第四部分介绍MPLS技术的主要特点。第5节简要介绍了多媒体，主要关注VoIP的关键QoS参数。第6节给出了仿真结果的分析;最后，第七部分概述了本研究的结论。

相关工作
其他研究人员在这一领域进行了一些工作。然而，本节概述了一些重要的研究论文。在[12]中，作者演示了网络设计者可以使用OPNET为不同的网络选择合适的路由协议，并为给定的案例研究[12]设计合适的路由拓扑。他们展示了视频会议包端到端延迟和语音包延迟变化的设计实例。但是，他们没有显示任何VoIP或视频会议的详细参数，也没有涉及任何QoS措施的进一步性能，如排队。
在[13]中，作者对VoIP流的队列算法和编码器的选择进行了分析研究。他们没有考虑路由算法对产生结果的影响。此外，本文只研究了两个编码器的效果;G.711和G.729。因此，本文证明了VoIP流量[13]所使用的编码器不影响排队方法的性能。该工作还缺乏实验中使用VoIP流量的配置参数细节。
在[13]中，作者对VoIP流的队列算法和编码器的选择进行了分析研究。他们没有考虑路由算法对产生结果的影响。此外，本文只研究了两个编码器的效果;G.711和G.729。因此，本文证明了VoIP流量[13]所使用的编码器不影响排队方法的性能。该工作还缺乏实验中使用VoIP流量的配置参数细节。
在[16]中，作者对内部网关协议(IGP)，如路由信息协议(RIP)、开放最短路径优先(OSPF)、内部网关路由协议(IGRP)和仅采用加权公平排队(WFQ)技术的增强型内部网关路由协议(EIGRP)在不同场景下进行了比较。然而，这项工作仅限于使用VoIP和视频会议的WFQ队列。
在[17]中，作者分析了不同排队技术对使用多路径动态路由的VoIP性能的影响。然而，本文显示了更多关于案例研究的配置信息，但它没有包括评估过程中的其他路由算法。
在[18]中，作者研究了VoIP的性能评估，包括选择的QoS参数、网络环境和虚拟专用网(VPN)协议。他们对RTP、SIP和H.323等多媒体协议给出了更详细的结果;但是他们的分析中没有包括路由。
然而，上述所有的研究论文都没有将多协议标签交换(MPLS)纳入分析研究。此外，他们都没有在明确的参数配置值中对不同路由协议、不同排队机制进行完整的分析。然而，我们的工作包括对路由算法在QoS中的作用进行了深入的分析研究，使用了三种不同的排队技术用于VoIP应用。所涉及的实验研究案例如下
-三种不同的IGP路由算法(RIP, OSPF, EIGRP);
-每一套都有三种不同的排队调度技术;
-每个都有/没有MPLS。
-每个设有VoIP应用程序;
换句话说，3个轴(路由、队列、MPLS)的3D探索视图允许我们创建许多详细的场景，以比较每种队列方法与三种不同路由协议的效果，以及每种路由协议与三种不同队列的效果，这些队列都有/没有MPLS，并且都用于VOIP流。

路由
路由涉及在特定拓扑中选择从源节点到目的节点的路径，而拓扑决定了网络的理想性能。路由过程发生在OSI模型的第三层(网络层)。路由器通常根据存储在内存中的路由表进行报文转发。路由表根据网络拓扑“[2][3][4]”保存到各个网络目的地的路由记录。路由可分为静态路由和动态路由。静态路由是指在操作之前先在网络中的路由器上配置路由表。它主要用于有两台或三台路由器和几个IP子网的小型网络中。静态路由简单，开销低，不消耗网络带宽，安全，易于快速修改。但是，随着网络规模的增长，静态路由是不可扩展的，并且静态路由不能适应网络结构的任何变化，例如链路故障或添加新路由。在动态路由中，路由器之间通过运行时交换的信息建立自己的路由表。无需静态配置。 However, the time taken by the routers to quickly update their routing tables to reflect the changes may occur to the network connectivity is called convergence. Different dynamic routing algorithms employ different procedures to reduce convergence time. Dynamic routing is used in medium to large networks and scale well to large networks. Moreover, it has the ability to do rerouting in case of network topology’s changes, network congestion or link failures. Dynamic routing can be categorized into link-state routing protocols and distance-vector routing protocols. Link-state routing protocols need the entire routers of the network to know almost all the paths that are accessible by all other routers in the network. Distance-vector routing protocols comprises two factors: the distance, or metric, of the receiver’s endpoint, and the vector, or direction need to be taken to reach that endpoint. Routing information is only exchanged between straight linked routers; however, a router can't see outside its own neighbors. Disadvantages of the distance-vector protocols are: slow convergence, counting to infinity problem, lack of range of metrics, no opportunity of hierarchical routing and inefficient performance in great networks. Link state features: information about adjacencies sent to all routers only when there is a change; each router retains a similar database; a “shortest path” algorithm is involved to determine the finest route and converge quickly as possible as databases can be reorganized. Link-state is better because: fast loopless convergence, support of precise metrics and, can employ multiple metrics when needed, maintain multiple paths to a destination and splitting very large networks in areas. On the contrary, link-state routing class has the following disadvantages: additional memory is needed because the link-state database is required with the routing tables and it is need considerably complex procedure to learn more routes [1] [2] [3].
A. RIP协议:
RIP是一种基于Bellman-Ford算法的动态路由类距离矢量路由协议。RIP协议是TCP/ ip网络中最早使用的路由协议。RIP使用UDP协议在网络中发送信息。RIP协议用于自治系统(AS)内部的路由信息交换。RIP协议是一种易于配置的简单协议，它使用跳数机制来查找最优路由路径;最大保留16跳数以避免路由循环。但是，该参数限制了该协议支持的网络的大小。相对于OSPF;RIP提供的认证形式简单，收敛时间慢，网络规模的可扩展性[1][2][3]。
B. OSPF协议:
OSPF是一种动态路由协议，属于链路状态路由协议。OSPF是专门为TCP/IP网络而设计的。此外，OSPF利用Dijkstra最短路径优先算法来确定最短路径。OSPF作为IGP协议，在符合同一个AS的路由器之间分发路由信息。然而，OSPF被设计为在单个AS内部运行;其中，每个OSPF路由器保留一个表示AS拓扑的相同数据库。利用该数据库，通过构建最短路径树计算路由表。该树给出了到任何目标网络或主机的完整路径。然而，OSPF能够快速响应任何拓扑变化;因此，OSPF使用路由协议的最小流量重新计算新的路由。 OSPF was developed to overcome the incapability of the RIP protocol of serving large, heterogeneous networks. OSPF runs directly over IP and provides load balancing by spreading traffic across various routes to a specific destination. OSPF supports authentication to the routing process and enables exchanging of routing information from/to external sites. Moreover, OSPF allows great flexibility and delivers transfer and tagging of external routes inserted into AS [1] [2] [3].
C. EIGRP协议:
EIGRP是cisco公司专有的混合路由协议，综合了距离矢量路由协议和链路状态路由协议的特点。EIGRP使用扩散更新算法(DUAL)从所有可能的路径中找到最佳路径。DUAL还有助于避免在路由中可能发生的循环。EIGRP协议的更新是在同一AS的邻居路由器之间发生变化时发送的，它只包含网络状态发生的变化。该特性可以最大限度地减少EIGRP报文所需的带宽。此外，EIGRP协议具有良好的大型网络扩展性，保留了到达目的地的备份路径，支持路由更新认证[1][2][3]。

MPLS
MPLS是一种改进的方法，使用附加在IP数据包上的标签中包含的信息在网络中路由数据包。标签插入到第3层标题和第2层标题之间。MPLS的主要目标是创建一个灵活的网络框架，提供更高的性能和稳定性。这考虑了流量工程(TE)和虚拟专用网络(VPN)能力，即QoS与多个服务类别(CoS)。传统的IP报文转发利用报文头中的IP目的地址独立地决定在每个路由器上的下一跳，而不考虑到达目的端的任何其他路由因素。这些逐跳决策基于网络层路由协议，如OPSF或边界网关协议(BGP)。这些路由协议的设计目的是寻找通过网络的最短路径，它们不考虑其他因素，如延迟或交通阻塞。然而，MPLS在普通的IP无连接网络上构建了一个基于连接的模型。这种面向连接的架构提供了丰富的新功能和可能性，可以使用新的MPLS技术来管理IP网络中的数据流，该技术将路由的智能与交换[5][6]的高性能结合在一起。MPLS技术背后的基本思想是路由器的结构。在MPLS路由器中，将标准IP路由器的功能分离为两部分:转发(数据)平面和控制平面。 The control plane is responsible for keeping the routing data and other control information, such as label bindings, which are exchanged between label switch routers (LSRs). However, MPLS is a control plane guided protocol. Thus, the control information needed for exchange must be ready before forwarding the first data packet. MPLS uses Label Distribution Protocol (LDP) to establish label mappings in MPLS network domain to facilitate much control over the packet’s path by referencing the incoming labels to the label information base (LIB). In the MPLS framework LSR must come to an agreement on the meaning of the labels used to forward traffic between and through them. LDP is a protocol that describes a set of procedures and messages that are used by any LSR router to inform another LSR router about the label bindings it has generated. The LSR employs LDP protocol to create label switch path (LSP) over the network by mapping network layer routing information directly to data link layer switched paths. These LSPs may have an endpoint at a directly attached neighbor (like IP hop-by-hop forwarding), or may have an endpoint at a network egress node, facilitating switching through all intermediate network nodes. However, forwarding equivalent class (FEC) is associated with each LSP created. This FEC specifies which packets are mapped to that LSP. Moreover, any two LSRs that are using LDP to exchange label mapping information are known as LDP peers and they have an LDP session between them [5]. The MPLS forwarding plane is in charge of forwarding packets based on values enclosed in appended labels. The forwarding plane uses LIB retained by the MPLS nodes to forward packets [5] [6].

多媒体
在过去的几年里，互联网在国际上得到了全面发展和扩展，互联网已成为人们日常生活中无处不在的多媒体通信的基石(如VoIP、视频点播和视频会议以及电子商务)。但是，每个多媒体会话描述如下[2][7][8][9]:
-位置:通常是发送方和接收方的IP地址;
-状态:用户是否可用(在线/离线);
-容量:如带宽、缓冲、预留等问题;
-设置:协议为启动会话的启动(控制信号)所采取的步骤;
- progress:开始语音/视频/数据包流的传输和延续;发送者和发送者之间
接收器;
终止:正确地关闭参与者之间的会话(断开通信)。多媒体应用程序可分为(i)流式存储音频/视频;(ii)会话语音/视频ip;以及(iii)流媒体直播音频/视频。下面将简要介绍VoIP、视频会议及其QoS要求。
网络电话:
VoIP技术通过将语音数据转换为数字格式，以一系列数据包的形式通过IP网络传递。这些数字语音包然后由通信网络携带，使用运营商网络或Internet。然而，成本是推动VoIP网络部署的关键因素。因此，电信公司建立了新的基础设施，增加了更高质量的多媒体，并投资于大规模的数据网络。
此外，用户需求导向的多媒体通信需求很大，行业导向的话音和数据网络整合在一个经济高效的基础设施网络的压力很大。在传统的公共交换电话网(PSTN)中，交换是用来将两个单独的电话电路连接成一条线路，使主叫双方进行电话交谈。而在VoIP情况下，软件交换可用于通过IP网络发出信号、控制和组成连接以完成电话通话。此外，传统IP网络作为VoIP运行载体的重用也受到了一些重大问题的影响。这些问题包括:QoS，使用供应商的标准来保持互操作性，安全性，与PSTN的集成和可伸缩性[1][2][8]。
B. VoIP的QoS要求
提供QoS的网络是指保持一定的数据包数量的传递水平的网络。确保在“尽最大努力”的IP网络上进行语音通话的高质量是传输VoIP流量的关键任务。然而，QoS展示了一种系统化的方法集合，用于控制网络带宽、端到端延迟、抖动和丢包，以实现对网络的适当吞吐量，以满足实时多媒体流的要求。VoIP的QoS定义使用不同的参数;常见的原因有端到端时延、时延变化(抖动)和丢包率。因此，QoS的主要目标是控制延迟抖动、单向端到端延迟，并在可接受的延迟时间限制内提供足够的带宽来有效地交付实时多媒体流量(例如VoIP)。时延抖动定义为同一信息流中到达接收端的连续数据包时延的可变性;也就是说，在接收器的连续数据包之间的到达时间不能大于一个确定的值，因为这将导致播放过程的连续性中断，因为由于传输延迟的可变性，在正确的播放时间丢失数据。丢包是指在规定的时间内网络中传输过程中丢失的包数。但是，丢包可能是由于以下原因造成的:网络拥塞、底层错误、网元故障或终端应用程序错误。端到端延迟定义为将数据包从发送方传递到接收方所花费的时间。对于实时语音通话(VoIP)，端到端延迟在150到400毫秒之间是可以接受的，但不是完美的。通常，VoIP呼叫的接收者将定义某个阈值(例如400毫秒); any packets that are delayed more than that threshold will be discarded [8] [9] [10].
C. VOIP会话:
VoIP会话建立顺序如图(1)所示。起始点是呼叫方通过发出SIP URL(即SIP URL)请求(邀请)被叫方。(电子邮件保护)来(电子邮件保护))．如果调用方知道被叫方的位置，它可以直接将请求发送到被叫方的IP地址;否则，它将请求传递到本地SIP网络服务器(正在尝试)。然后，服务器将尝试找到被调用者的位置，并使用注册器数据库转发请求或通过代理将其传递给已知的重定向服务器。一旦找到被叫方，请求就发送给用户;因此，用户可以接受或拒绝会话设置。在用户接受呼叫的情况下，连接建立，用户的IP话机将启动(振铃)，会话开始协商会话需求和能力，以一定的QoS级别保持会话活跃，直到会话对话结束。最后，双方VoIP通话结束后，会话结束[2][8]。

结果
图(2)显示了IP/MPLS网络案例研究，展示了OPNET中的节点图标，OPNET由以下网络元素组成:
- 6台常规IP路由器(外层):(R1, R2, R3, R4, R5和R6);
—4个MPLS路由器(4个内部路由器):(MPLS_R1, MPLS_R3, MPLS_R3和MPLS_R4)
—2个局域网，每个局域网有10个voip站
—2个VoIP站:voip_west和VOIP_East
-两个视像会议站
-仿真参数:采用g .711编码方案，语音流持续时间为36000秒(1小时)，模拟定义呼叫量为500次，平均呼叫时长为300ms/次，分析包括TCP/UDP/IP/RTP的延迟开销字节和所有拓扑节点之间的全网格创建;因此，OPNET通过流量中心创建240个语音流量开始模拟。但是，这一技术配置表明，本案例中的模拟运行使用了大量的数据，以全面研究运行VoIP应用程序的网络拓扑结构。
为了评估IP/MPLS网络性能，使用三种不同的路由协议，VoIP和三种不同的QoS队列技术，构建了不同的场景来测量和比较路由(EGIRP, OSPF, RIP)、队列(FIFO, PQ和WPQ[7])和MPLS的不同组合。评估过程使用以下性能参数:时延抖动(秒)、发送/接收流量(包/秒)、丢弃流量(包/秒)、报文时延变化、报文端到端时延(秒)。
—EIGRP、OSPF、RIP三种路由协议下VoIP(报文时延变化)与FIFO、PQ、WFQ队列下IP网络(不含MPLS)的比较结果如图(3)所示。图(4)为MPLS网络下VoIP(报文时延变化)的比较结果。图(3)描述了IP网络(没有MPLS)，很明显EIGRP路由协议在语音包延迟变化方面做得更好;而RIP协议在FIFO队列中表现最差，在PQ和WFQ队列中表现较好。但是，当PQ和WFQ队列在0.000012附近时，OSPF的延迟几乎是恒定的。在另一方面;图(4);其中描述了MPLS网络的结果，清楚地说明了带MPLS的OSPF比带FIFO、PQ和WFQ队列的EIGRP和RIP协议的性能要好得多。此外，对于PQ和WFQ队列，MPLS OSPF几乎有一个在0.00006附近的恒定值;这比EIGRP和RIP路由协议都好。
-三种路由协议(EIGRP, OSPF, RIP)的VoIP(数据包端到端延迟)与FIFO, PQ, WFQ排队用于IP网络(没有MPLS)的结果如图(5)所示;而图(6)显示了MPLS网络的相同比较。从图(5)可以看出，在所有使用的队列技术中，OSPF产生了最高的数据包端到端延迟，而EIGRP协议形成了IP网络中最低的延迟。但是，对于MPLS网络如图(6)所示;OSPF协议产生的语音包端到端延迟最小(几乎为恒定值)。
三种路由协议(EIGRP、OSPF、RIP)的VoIP(语音抖动)与FIFO、PQ、WFQ排队IP网络(不含MPLS)的比较结果如图(7)所示;而图(8)说明了MPLS网络的相同比较。但是，对于IP网络;所有三个路由协议的值几乎相同;如图(7)所示。但对于MPLS网络;OSPF协议的值最小，EIGRP协议的值最差。
从node0到node8路径PQ队列的进一步分析结果。这种类型的结果表明，OPNET仿真工具可以为网络设计人员提供许多其他图形，以进一步分析所设计的网络拓扑:在这种情况下，路径node0到node8的点对点延迟和路径node0到node8的吞吐量分别在图(9)部分(a)和(b)中说明。但是，图(9)部分(a)显示，OSPF的排队延迟最小，而;部分(b)描述了OSPF对给定路径具有最高吞吐量。除了;图(9)(c、d)部分显示了IP网络PQ排队情况下的IP流量丢弃和语音流量接收情况;在这里;EIGRP协议的drop值小于OSPF和RIP协议。

结论及未来工作
在本文进行的实验研究中，我们使用OPNET仿真平台作为工具进行性能分析。VoIP被选为候选应用程序，因为它是数百万人在互联网上最常用的应用程序。仿真结果表明，在IP网络中引入MPLS后，由于MPLS能力的增强，数据包时延变化减小，端到端时延减小，从而改善了多媒体流。也可以看到，OSPF在MPLS中比EIGRP和RIP协议在延迟(抖动)、包延迟变化和端到端延迟方面表现得更好;这使得OSPF成为IP/MPLS多媒体流网络中较好的候选路由算法。

数字一览
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参考文献


















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