VoIP时序同步质量与精确度测量

VoIP系统的通话质量可能会由于压缩技术、不良的回波消除、数据包丢弃失以及包延时或包等待时间所引起的失真而下降。本文介绍QoS监视与网络故障诊断方案以确保网络路由器、服务器及相关设备间的同步要求。

VoIP系统的通话质量可能会由于压缩技术、不良的回波消除、数据包丢弃失以及包延时或包等待时间所引起的失真而下降。其中，等待时间(或反应时间)尤其麻烦，因为它涉及到从一端到另一端的整个网络。一部分等待时间是由用来在通往PSTN系统或接收VoIP电话以输出语音信号的网关上收集数据包的抖动缓冲器所产生，增加此缓冲器的大小，可减少包丢失，但也会导致更长的等待时间。

图1:数据包经过时间(包括语音编解码时间) 对于合规的QoS来说必须小于150毫秒。

等待时间因素

采用VoIP技术的通话呼叫可接往另一部VoIP电话或接往PSTN上的一部传统电话。由于目前VoIP电话只占所使用电话的一小部分，故我们详细讨论后面一种情况(即接往PSTN上的一部传统电话)，从VoIP电话接往PSTN电话的语音信号的等待时间由以下网络元素的延时组成：

1. VoIP电话机;2. IP网络路由器或交换机;3. IP至PSTN网关;4. 线路;5. PSTN系统中的其它延时等。

在电话机上，首先必须将信号采样、编码并打包成“实时协议(RTP)”数据包。IP网络中所出现的任何路由器都包含有输入、输出缓冲器。在网关上，数据包将遇到含有抖动缓冲器的多个缓冲器，以及与信号解码及重组有关的延时。例如，对于从洛杉矶到纽约的通话，纯粹由于线路传播时间所产生的传输延时大约为20ms。

最后，通过PSTN系统的传输还涉及到将信号分解成多个ATM或帧中继数据包，并在经过一段光缆传输后将其重新打包。而在另一网络中的VoIP电话上，再将通话转换回RTP数据包，然后再完成编码、解码及缓冲延时。

等待时间错误预算

ITU-T建议G.114将整个等待时间预算设定为150ms或更短，较长的等待时间将导致VoIP通话质量下降，并被认为比PSTN通话质量差。网络设计人员通常将等待时间预算设定为由编码时间+传输+抖动缓冲+解码时间组成，在此情形下，传输延时包括除VoIP抖动缓冲及线路传输延迟以外的所有缓冲延时。高级压缩方案通过减少大量表示语音信号所需的位数而能更有效地使用网络，但不幸的是，信号中缺少冗余会使语音信息更容易由于包丢失而导致质量下降。这必须要求有更大的抖动缓冲区，从而增加除补充编/解码时间以外更多的延时。鉴于此，大多数商用VoIP系统都采用ITU G.711非压缩编解码器标准。

另一种减少与VoIP有关的网络流量的方法，是让路由器丢掉过于陈旧以至没有机会再被使用的RTP数据包，这种技术要求VoIP电话机与路由器时间同步，以便路由器能进行有关时戳的有意义决策。

图2:时间精确的服务器与路由器日志文件在解决及 确定复杂VoIP网络中的问题根源时扮演重要角色。

等待时间测量

确保低等待时间、可接受QoS(服务质量)以及符合SLA(服务级协议)的要点是：能在网络中进行适当的等待时间测量。这要求在测量探针间有充分的同步才能获得有意义的结果，其中最佳的测量方法是看某一路等待时间测试是否能从两端同时进行以反映正在进行的通话，故此类测试要求通话两端精确同步。今天最常用的同步方法是采用软件时间传输法，但更好的解决方案是在通话两端采用精密的“全球定位系统(GPS)”参考时钟。由于GPS信号随处可得且基于每颗卫星上的原子时钟，故能在很大的地理距离上获得极为精确的同步。因此，可在发送及接收端将数据包打上精确的时间印记，以便进行有意义的测量。

在过度供应带宽以前测量等待时间

VoIP通过节约在降低传送成本及新产品与服务的费用来提供对语音与数据汇聚的承诺， 这种承诺部分地取决于客户对VoIP的采用率，这反过来又取决于VoIP服务质量的可接受水平。当缺少有效的方法来测量、监视或保证服务质量时，过度供应带宽即成为事实上的解决方案。除增加成本外，过度供应仅能提高效率，但不能保证VoIP流传输的质量。

网络管理及故障诊断与恢复

任何VoIP问题都必须避免、阻止、或在最坏情况时，使其对关键业务语音系统运行的影响最小。要做到这一点，重中之重是确保服务器与路由器日志文件的准确性。

日志文件中的每一个条目都被打上时间印记，这些时戳可确定事件发生的时间并将其排序。日志文件以及随后生成的报告使您能采用日志文件数据来确定您网络中问题的根源。由于服务器上的日志是多个不同主机信息的汇编，确保时间印记的正确尤其重要。如果做不到这一点，您将很难确定出事件发生的顺序并诊断出问题的根源，您确定问题的难度越大，VoIP系统的QoS水平就降得越多，或更糟糕时变得无法正常运行。

保持网络服务器、路由器与网络设备之间的时间同步，并不是一项很难的工作。采用周密确定的网络时间协议(NTP，RFC 1305)以及可靠的时间参考源(例如参考GPS系统的专用网络时间服务器等)，就很容易保持服务器及网络设备间的同步。事实上，很多操作系统及网络设备都已支持NTP。

图3:VoIP要求时间精确,而PSTN则要求频率精确。

网络时间服务器应始终被当作一种可靠的时间参考源。NTP采用全球一致的协调世界时(UTC)。GPS卫星系统是全球最容易获得的UTC时间源。通过使网络与UTC同步，即可再消除一次存在于您的网络与其他网络之间时间源互操作问题。由于VoIP流量可能会经过很多网络，从而要求将各个网络的日志文件进行关联以解决问题，网络时间服务器显得尤其重要。

网络时间服务器当前已成为一种核心网络设备。例如，Symmetricom NTS-200型网络时间服务器即能为瘦长机架安装配置中的网络提供精确、可靠及安全的参考时间。它安装拥有来自其嵌入式GPS接收机的原子时钟精度并能同步网络上的数千台客户机。

网关端口同步

数据包最终将抵达VoIP系统与PSTN之间的网关。PSTN采用完整定义的分层时序来同步网络流，PSTN语音数据包必须按顺序抵达且必须具有低的等待时间及抖动，这种网关还体现了通用同步要求中的变化。VoIP系统采用时戳方式来同步，以利于减少等待时间并提高网络日志文件的完整性，而PSTN则利用同步来提高效率及数据吞吐量。

提供这种同步要为PSTN提供 Stratum 1级频率参考、为VoIP这一侧提供精确时戳的通用时间参考。很多这样的VoIP/PSTN网关(亦称为软交换机)，都已经在用NTP来进行精确的时间标记。Stratum 1级时序通过同步客户端ATM路由器及交换机已开始渗入到PSTN网络边缘。通过将VoIP增加到PSTN网络边缘进一步提高了扩展Stratum 1级参考时钟同步能力的需求。此外，高质量的GPS参考时钟可同时支持NTP及Stratum 1时间与频率要求。

时序就是一切

在建立一个VoIP网络时，同步通常并不是最重要的。但只要问题一出现，同步系统的价值就会变得非常明显。QoS监视系统与网络故障诊断程序最终将推动对网络路由器、服务器及相关设备间同步的要求。这些系统依靠日志文件的精确性与完整性来进行测量，如果没有时戳精度，花在解决(本来应该能更有效地解决的)问题上的时间将无法让人接受。通过大量实践，相信同步的重要性足以使其在系统设计前期加以重视，而不是在出现问题时的后期再予以考虑。底线则是是否能实现对高质量VoIP的承诺，VoIP未来的成功将取决其时序同步的质量与精确度。

作者：John Hirsekorn
销售与营销副总裁
时序、测试与测量事业部
Symmetricom 公司
Email: jhirsekorn@symmetricdom.com