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QoS解决方案 视频会议系统应用案例
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在IP网络上开展交互式视讯应用对网管人员来说，最大的担心是视频通信将占用较大的网络带宽，从而影响其它的应用。当然，典型的终端用户本能的希望以尽可能高的速率来召开视频会议，从而获得尽可能好的音频和视频质量。事实上，如果带宽足够，这将是取代面对面会议的典型做法。然而，如果使用的视频会议数据传输率引起网络的饱和，从而造成数据包丢失和严重的网络抖动，则不如降低数据传输率，消除数据包丢失和网络抖动，用户反而能获得更好的音频和视频效果。换句话说，有QoS质量保证的768kbps的视频会议几乎肯定要比无QoS保障的1.5Mbps的视频会议有更好的音频和视频质量。
1.1 视讯业务对IP网络的带宽要求
对于确定速率的视讯通信而言，实际占用带宽明显高于标称值，例如384K视频通讯实际占用带宽可能达450K。这是因为标称值仅考虑了实际音视频数据传送速度，没有考虑业务开展所需的附加开销，如信令等。一般来说，区分开数据业务和视讯业务是相当困难的，因此一般情况下冗余为1.5-2倍为宜。
要在IP承载网络上开展实时多媒体视讯业务，承载网络本身必须对端到端的通信服务质量Qos提供保障。实时多媒体视讯业务的Qos实现要求IP承载网络在承载端到端的视讯业务的视音频IP包码流时，做到延迟小、抖动低、丢包率低。
开展视讯业务的推荐带宽为:
入门级:384kbit/s(25-30帧/S，CIF格式)
商用级:768kbit/s(30帧/S，CIF格式)
豪华级:2Mbit/s(30帧/S，CIF格式)
384k以上时，不同带宽下的帧率基本相同，但是传递的图像细节会有一定的差异，图像速率越高，传递的细节越清晰。
1.2 视讯业务对IP网络QoS的要求
根据《IP网络技术要求--网络性能参数与指标》中规定: 进行多媒体传输(视讯业务)，网络性能要求达到1级或1级以上。中华人民共和国通信行业标准《IP网络技术要求--网络性能参数与指标》中规定的网络性能等级参数为:
Qos等级默认值0级1级(交互式)2级(一般模式)3级(U级)
网络延时上限未规定150ms400ms1sU
延时抖动上限未规定50ms50ms1sU
丢包率上限未规定1/10001/10001/1000U
包误差率上限1/10000默认默认默认默认
丢包:丢包率为千分之一时，大部分人便可以感知到图象有花块，丢包率为百分之一时声音的异常就会被与会人听出来。当然在实际的业务运行过程中，图象的运动量一般比较小，如果随机(突发性、非持续性的)的丢包在百分之一以内，大部分会议均能较为正常召开。
抖动:抖动过大会严重影响视讯业务的视音频主观质量，具体表现为声音出现剪切、图象出现凝固和快进。开展实时视讯业务的网络抖动最好能控制在50ms以内，减少抖动的方法在于减少端到端的跳数，并保证足够的带宽和视音频数据包传输时的优先级。
延时:一般情况下要求端到端单向时延在300ms以内，反馈的时延在500ms以内。
由于网络的容量是有限的，所以满足以上指标的业务流量也是有限的。为此，从网络的可运营性来说，只有给出满足以上指标的极限业务容量(等效最大并发用户数)，才能确实保证用户的服务质量。
1.3 浙江烟草针对带宽管理的解决方案
数据网络厂家相继开发出一些剩余带宽管理方案，增加带宽能解决问题，但是费用较高，尤其是对于广域网而言。本次浙江烟草全省视频会议系统工程，针对带宽问题，采用了四种互为补充的方法进行解决:
●将共享式局域网升级为交换式(如HUB更换为交换机)
●将局域网从10Mbps升级为100Mbps
●应用Gatekeeper 功能
●利用自适应带宽调整特性来配置系统
交换式和100Mbps局域网已经在大多数企业种应用，这非常有利于开展交互式IP视频应用。这两种方法都是为了给交换机和终端之间的网段提供更大的带宽。其中，交换技术为交互式视讯应用提供了更多的好处。因为以太网(IEEE 802.1)是一种容许冲突的传输层协议。在最后一段(网段)为终端提供独占的带宽来消除冲突，这对使用UDP的实时应用来说是非常重要的，UDP是一种无连接的第四层协议(不同于一般上网用的TCP协议，对实时性要求不高)，本身不具备检测数据包丢失并降低数据发送率的机制。因此，任何冲突将导致视频画面暂时冻结或声音中断。这对于某些应用来说是可行的(例如办公传送Email等)，但对于视讯系统应用则无法为人们接受。将网段提升至100Mbps能提高网段带宽的利用率。
H.323标准定义了一个称之为GateKeeper的部件。GateKeeper为H.323网络提供许多管理功能，包括带宽管理、访问控制、地址转换和注册。从带宽管理角度来看，Gatekeeper能够按照下列策略层设置对带宽进行控制:
●限制用户的最大视频会议数据率
●限制用户组成网段上的最大视频会议数据率
●将总的视频会议数据率限制在网络总带宽的某个指定的百分比之内
●限制可同时使用网络的H.323终端的数量
自适应带宽调整功能使得视频终端能通过检测网络上有利和不利的因素来自动适应网络的容量和性能。这样，通过动态调整视频会议的数据传输率，为终端用户提供尽可能好的视频质量，同时又不阻塞网络。音频信道在视频会议中保持一个指定的数据率，以提供持续的高质量的音频。自适应带宽调整功能主要是通过检测数据包丢失的情况来起作用。如果终端检测到数据包丢失超过了一个指定的阀值，它将会自动降低视频会议数据率。此后，通过定期检测，自适应带宽调整将试图提高视频会议数据率，寻找一个能提供最优视频会议质量的数据传输率临界点，该临界点在视频会议过程中可能是不断变化的。总结起来，自适应带宽调整特性为最终用户带来下列好处:
●终端设备自动调整，无需人工干预
●防止视频会议所引起的网络饱和
●在视频会议过程中，通过自动寻找数据传输率临界点来优化视频质量
● 控制输入、输出数据率
本次浙江烟草全省视频会议系统采用的华为3Com设备，全面支持自适应带宽调整技术。利用PacketAdjust自适应带宽调整特性，可以使整个视频会议系统在监测到网络发生丢包时，能够自适应降低视频会议速率，保证会议流畅进行。
1.4 浙江烟草针对QoS的解决方案
要保证视讯系统应用的高质量，仅仅增加带宽或自适应降低视频会议数据率是不够的，必须有成熟的IP网络QoS解决方案来保证视频会议的质量。
在IP网络中，有许多应用广泛的QoS技术。例如:
资源保留协议(RSVP)是一种保留设置和控制协议，用以在IP网络上实现类似于电路交换网络的特性。它主要适用于定量的QoS请求，即应用所各自指定自己的质量要求和参数。RSVP的不足在于没有考虑高可伸缩性，因为它要针对每一数据流处理QoS请求。Cisco RSVP的一种实现方法允许配置RSVP代理服务器，在边缘路由器，甚至非RSVP的应用和主机之间实现RSVP。
与RSVP形成对照的是，区分服务(DiffSew)是一种发展中的标准，它根据用户请求的不同服务水平协议的不同数据流指定QoS类别，例如设置某种应用的IP包的优先级更高，则可获得高的优先级应用。它定义了两种服务水平，根据预先确定的策略原则应用于网络数据流，这样，它比RSVP具有较高的可伸缩性，但不能提供精细的QoS分类。
除此之外，还有多协议标记交换(MPLS)，IPV6和802.IP等，每种标准都有自己的QoS实现方法。这些各种各样的QoS标准和技术将会不断发展和融合，为未来的IP使用提供更高的服务质量保证。
在实际应用中，我们体会到华为3COM采用的PacketAdjust技术效果不错。它针对IP视频会议解决QoS问题，并且能方便地与前面提到的那些标准和技术共存。因为PacketAdjust特性是在IP视频设备上实现的，它们能与网络设备(主要是交换机和路由器)中的QoS特性配合使用。在华为3COM视讯系统中，系统设备是可以纠正某些网络异常的(如:抖动、数据包顺序混乱和数据包重复)。浙江烟草全省视频会议系统应用如下:
● IP优先权
华为3COM PacketAdjust利用IP优先权部分来对音频、视频和RTCP(Multicast)数据流区分优先次序，例如:在网络上规定视频会议数据包具有比电子邮件较高的优先级是合理的。此外，为利用IP优先权的优点，各种网络设备(交换机和路由器)必须也支持IP优先权。
● 数据包重复控制
对于实时应用，如果同一个数据包有多个副本到达最终目标，将会带来问题。这也会引起视频图象的冻结或声音中断。因为在IP路由器上，要避免数据包的重复事实上是不可能的。华为3COM PacketAdjust在终端上对数据包的重复进行纠正。重复的数据包将被清除，以维护发送给终端用户的音频和视频流的连续性。
● 抖动校正
当音频和视频数据包离开发送端时，它们按照规则的间隔均匀的排列着。然而，在通过IP路由器之后，这一均匀的间隔很轻易就被破坏，一些数据包之间可能没有足够的延迟，而另一些数据包之间可能有太多的延迟，这就叫抖动。抖动会导致目标终端上音频和视频流的不连贯性。PacketAdjust会根据需要自动增加或减少延迟，以维护终端用户接收到的音频和视频流的连续性。这一调整是在终端上完成，而不是在网络上。
● 唇音同步
当音频和视频数据包离开发送端时，音频数据包与对应的视频数据包相配成对。但是，在通过IP路由器时，各种队列算法会对音频数据包和视频数据包进行不同的处理。这将打乱音频数据包与相应的视频数据包的对应关系。最终的结果将会是失去声音与口型的同步，路由器越是拥塞，结果越糟。PacketAdjust通过使用数据包中的RTP时间邮戳信息来纠正这一问题。利用RTP时间邮戳，华为3COM终端能够确定哪一音频数据包与哪一视频数据包相配对。进一步重新对齐相应的数据包将保证声音/口型的同步，即使数据流经过了拥塞的网络，这一功能是在终端上完成，而不是在网络上。在发送端，处理音频所花费的时间不同于处理视频所花费的时间。影响这一问题的因素包括声速与光速的不同、房间的大小和形状、音频和视频编码的算法的复杂性。最终结果是，需要在音频流的出发点增加一定的延迟，以获得声音与口型的同步。每一厂家都会根据所选的音频算法应用一组隐含的延迟值。然而，因为前面所提及的各种因素，这些隐含的延迟值可能并不适用于所有的情况。因此，PacketAdjust允许华为3COM接收端增加或减少音频延迟(+500ms到0ms)，以纠正发送端不恰当的延迟设置。
在IP网络上，尽管实时应用相对于传统的Email等数据应用来说，面临了许多挑战。但是将语音、视频和数据应用融合在一个统一的IP网络上所带来的方便性和优越性，大大推动了IP解决方案的不断发展。随着带宽管理和QoS解决方案的不断完善，也不断促进IP语音和视频等实时应用的推广。
作者：siman 来源：51CTO
1.1 视讯业务对IP网络的带宽要求
对于确定速率的视讯通信而言，实际占用带宽明显高于标称值，例如384K视频通讯实际占用带宽可能达450K。这是因为标称值仅考虑了实际音视频数据传送速度，没有考虑业务开展所需的附加开销，如信令等。一般来说，区分开数据业务和视讯业务是相当困难的，因此一般情况下冗余为1.5-2倍为宜。
要在IP承载网络上开展实时多媒体视讯业务，承载网络本身必须对端到端的通信服务质量Qos提供保障。实时多媒体视讯业务的Qos实现要求IP承载网络在承载端到端的视讯业务的视音频IP包码流时，做到延迟小、抖动低、丢包率低。
开展视讯业务的推荐带宽为:
入门级:384kbit/s(25-30帧/S，CIF格式)
商用级:768kbit/s(30帧/S，CIF格式)
豪华级:2Mbit/s(30帧/S，CIF格式)
384k以上时，不同带宽下的帧率基本相同，但是传递的图像细节会有一定的差异，图像速率越高，传递的细节越清晰。
1.2 视讯业务对IP网络QoS的要求
根据《IP网络技术要求--网络性能参数与指标》中规定: 进行多媒体传输(视讯业务)，网络性能要求达到1级或1级以上。中华人民共和国通信行业标准《IP网络技术要求--网络性能参数与指标》中规定的网络性能等级参数为:
Qos等级默认值0级1级(交互式)2级(一般模式)3级(U级)
网络延时上限未规定150ms400ms1sU
延时抖动上限未规定50ms50ms1sU
丢包率上限未规定1/10001/10001/1000U
包误差率上限1/10000默认默认默认默认
丢包:丢包率为千分之一时，大部分人便可以感知到图象有花块，丢包率为百分之一时声音的异常就会被与会人听出来。当然在实际的业务运行过程中，图象的运动量一般比较小，如果随机(突发性、非持续性的)的丢包在百分之一以内，大部分会议均能较为正常召开。
抖动:抖动过大会严重影响视讯业务的视音频主观质量，具体表现为声音出现剪切、图象出现凝固和快进。开展实时视讯业务的网络抖动最好能控制在50ms以内，减少抖动的方法在于减少端到端的跳数，并保证足够的带宽和视音频数据包传输时的优先级。
延时:一般情况下要求端到端单向时延在300ms以内，反馈的时延在500ms以内。
由于网络的容量是有限的，所以满足以上指标的业务流量也是有限的。为此，从网络的可运营性来说，只有给出满足以上指标的极限业务容量(等效最大并发用户数)，才能确实保证用户的服务质量。
1.3 浙江烟草针对带宽管理的解决方案
数据网络厂家相继开发出一些剩余带宽管理方案，增加带宽能解决问题，但是费用较高，尤其是对于广域网而言。本次浙江烟草全省视频会议系统工程，针对带宽问题，采用了四种互为补充的方法进行解决:
●将共享式局域网升级为交换式(如HUB更换为交换机)
●将局域网从10Mbps升级为100Mbps
●应用Gatekeeper 功能
●利用自适应带宽调整特性来配置系统
交换式和100Mbps局域网已经在大多数企业种应用，这非常有利于开展交互式IP视频应用。这两种方法都是为了给交换机和终端之间的网段提供更大的带宽。其中，交换技术为交互式视讯应用提供了更多的好处。因为以太网(IEEE 802.1)是一种容许冲突的传输层协议。在最后一段(网段)为终端提供独占的带宽来消除冲突，这对使用UDP的实时应用来说是非常重要的，UDP是一种无连接的第四层协议(不同于一般上网用的TCP协议，对实时性要求不高)，本身不具备检测数据包丢失并降低数据发送率的机制。因此，任何冲突将导致视频画面暂时冻结或声音中断。这对于某些应用来说是可行的(例如办公传送Email等)，但对于视讯系统应用则无法为人们接受。将网段提升至100Mbps能提高网段带宽的利用率。
H.323标准定义了一个称之为GateKeeper的部件。GateKeeper为H.323网络提供许多管理功能，包括带宽管理、访问控制、地址转换和注册。从带宽管理角度来看，Gatekeeper能够按照下列策略层设置对带宽进行控制:
●限制用户的最大视频会议数据率
●限制用户组成网段上的最大视频会议数据率
●将总的视频会议数据率限制在网络总带宽的某个指定的百分比之内
●限制可同时使用网络的H.323终端的数量
自适应带宽调整功能使得视频终端能通过检测网络上有利和不利的因素来自动适应网络的容量和性能。这样，通过动态调整视频会议的数据传输率，为终端用户提供尽可能好的视频质量，同时又不阻塞网络。音频信道在视频会议中保持一个指定的数据率，以提供持续的高质量的音频。自适应带宽调整功能主要是通过检测数据包丢失的情况来起作用。如果终端检测到数据包丢失超过了一个指定的阀值，它将会自动降低视频会议数据率。此后，通过定期检测，自适应带宽调整将试图提高视频会议数据率，寻找一个能提供最优视频会议质量的数据传输率临界点，该临界点在视频会议过程中可能是不断变化的。总结起来，自适应带宽调整特性为最终用户带来下列好处:
●终端设备自动调整，无需人工干预
●防止视频会议所引起的网络饱和
●在视频会议过程中，通过自动寻找数据传输率临界点来优化视频质量
● 控制输入、输出数据率
本次浙江烟草全省视频会议系统采用的华为3Com设备，全面支持自适应带宽调整技术。利用PacketAdjust自适应带宽调整特性，可以使整个视频会议系统在监测到网络发生丢包时，能够自适应降低视频会议速率，保证会议流畅进行。
1.4 浙江烟草针对QoS的解决方案
要保证视讯系统应用的高质量，仅仅增加带宽或自适应降低视频会议数据率是不够的，必须有成熟的IP网络QoS解决方案来保证视频会议的质量。
在IP网络中，有许多应用广泛的QoS技术。例如:
资源保留协议(RSVP)是一种保留设置和控制协议，用以在IP网络上实现类似于电路交换网络的特性。它主要适用于定量的QoS请求，即应用所各自指定自己的质量要求和参数。RSVP的不足在于没有考虑高可伸缩性，因为它要针对每一数据流处理QoS请求。Cisco RSVP的一种实现方法允许配置RSVP代理服务器，在边缘路由器，甚至非RSVP的应用和主机之间实现RSVP。
与RSVP形成对照的是，区分服务(DiffSew)是一种发展中的标准，它根据用户请求的不同服务水平协议的不同数据流指定QoS类别，例如设置某种应用的IP包的优先级更高，则可获得高的优先级应用。它定义了两种服务水平，根据预先确定的策略原则应用于网络数据流，这样，它比RSVP具有较高的可伸缩性，但不能提供精细的QoS分类。
除此之外，还有多协议标记交换(MPLS)，IPV6和802.IP等，每种标准都有自己的QoS实现方法。这些各种各样的QoS标准和技术将会不断发展和融合，为未来的IP使用提供更高的服务质量保证。
在实际应用中，我们体会到华为3COM采用的PacketAdjust技术效果不错。它针对IP视频会议解决QoS问题，并且能方便地与前面提到的那些标准和技术共存。因为PacketAdjust特性是在IP视频设备上实现的，它们能与网络设备(主要是交换机和路由器)中的QoS特性配合使用。在华为3COM视讯系统中，系统设备是可以纠正某些网络异常的(如:抖动、数据包顺序混乱和数据包重复)。浙江烟草全省视频会议系统应用如下:
● IP优先权
华为3COM PacketAdjust利用IP优先权部分来对音频、视频和RTCP(Multicast)数据流区分优先次序，例如:在网络上规定视频会议数据包具有比电子邮件较高的优先级是合理的。此外，为利用IP优先权的优点，各种网络设备(交换机和路由器)必须也支持IP优先权。
● 数据包重复控制
对于实时应用，如果同一个数据包有多个副本到达最终目标，将会带来问题。这也会引起视频图象的冻结或声音中断。因为在IP路由器上，要避免数据包的重复事实上是不可能的。华为3COM PacketAdjust在终端上对数据包的重复进行纠正。重复的数据包将被清除，以维护发送给终端用户的音频和视频流的连续性。
● 抖动校正
当音频和视频数据包离开发送端时，它们按照规则的间隔均匀的排列着。然而，在通过IP路由器之后，这一均匀的间隔很轻易就被破坏，一些数据包之间可能没有足够的延迟，而另一些数据包之间可能有太多的延迟，这就叫抖动。抖动会导致目标终端上音频和视频流的不连贯性。PacketAdjust会根据需要自动增加或减少延迟，以维护终端用户接收到的音频和视频流的连续性。这一调整是在终端上完成，而不是在网络上。
● 唇音同步
当音频和视频数据包离开发送端时，音频数据包与对应的视频数据包相配成对。但是，在通过IP路由器时，各种队列算法会对音频数据包和视频数据包进行不同的处理。这将打乱音频数据包与相应的视频数据包的对应关系。最终的结果将会是失去声音与口型的同步，路由器越是拥塞，结果越糟。PacketAdjust通过使用数据包中的RTP时间邮戳信息来纠正这一问题。利用RTP时间邮戳，华为3COM终端能够确定哪一音频数据包与哪一视频数据包相配对。进一步重新对齐相应的数据包将保证声音/口型的同步，即使数据流经过了拥塞的网络，这一功能是在终端上完成，而不是在网络上。在发送端，处理音频所花费的时间不同于处理视频所花费的时间。影响这一问题的因素包括声速与光速的不同、房间的大小和形状、音频和视频编码的算法的复杂性。最终结果是，需要在音频流的出发点增加一定的延迟，以获得声音与口型的同步。每一厂家都会根据所选的音频算法应用一组隐含的延迟值。然而，因为前面所提及的各种因素，这些隐含的延迟值可能并不适用于所有的情况。因此，PacketAdjust允许华为3COM接收端增加或减少音频延迟(+500ms到0ms)，以纠正发送端不恰当的延迟设置。
在IP网络上，尽管实时应用相对于传统的Email等数据应用来说，面临了许多挑战。但是将语音、视频和数据应用融合在一个统一的IP网络上所带来的方便性和优越性，大大推动了IP解决方案的不断发展。随着带宽管理和QoS解决方案的不断完善，也不断促进IP语音和视频等实时应用的推广。
作者：siman 来源：51CTO
