改善广域网上实时应用的传输质量

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从20世纪90年代末期开始，我国建立了大量的基于专线的广域网，如各政府机关或大企业为将各分支机构局域网互联建立起来的广域网络。这些广域网大都是租用运营商的专线接入DDN、帧中继或ATM建立起来的，点对点的速率一般在64KBps到2MBps之间。    

在早期，这些专用网上运行的应用主要有办公系统、MIS、Mail、Web等．大都是一些非实时应用。而近几年，这些网络上实时应用越来越多，如IP语音、视频会议系统等。

一开始在这些广域网上部署实时应用的时候，遇到了很多网络质量问题。由于建立广域网租用的专线带宽普遍较低．一般不超过2M，各种应用之间挤占带宽的现象非常严重，再就是有时某些网络参数设置不合理等，导致网络对实时应用的传输质量下降：视频会议出现马赛克现象，IP语音出现延迟，VOD点播的质量也比较差。如何解决这些问题，提高这些专线网络承载实时应用时的传输质量成为一个迫切的需求。

本文将分析实际工程中遇到的网络传输质量问题的成因，通过模拟网络环境的演示，讲述如何通过一些网络参数设置，提高广域网络上实时应用的传输质量。

1 模拟网络环境的搭建

如图1，我们使用两台Ciseo路由器，两台交换机来模拟一个小型的广域网环境。

图1模拟网络环境

两台路由器之间通过背对背V．35串口线互联，可以模拟64K到2MBps的DDN或帧中继线路。

我们用业界主流的网络分析软件NetlQ来测试网络相对于实时应用的传输质量。NetlQ是专门用来测试网络的VOIP传输质量的软件。我们分别在广域网两端的2台主机上安装NedQ的测试客户端，可以测试这两个端点之间VOIP的传输质量。

2 网络参数设置不合理导致的传输质量下降

问题：视频会议两端图像质量不对称，一端会场尚可，另一端会场视频质量差。

最后找到问题的原因是．视频会议终端的以太网口设置成半双工，而交换机的端口是全双工，造成网络不对称传输，导致单方向的视频会议质量较差。两端全部设置成全双工后问题解决。这种问题看似低级．实际上是经常遇到的。另一个例子是10M/100M自适应问题造成的，和上述情况相似：

某单位采用的运营商的VOIP服务，有天通话质量突然变差，而且也是话音质量不对称，即一方感觉话音质量还可以，而另一方感觉话音质量差，话音不清晰(丢包过大)。后来发现这个单位接人Intemet的交换机端口工作在100M，而对端运营商的交换机设置成10M，由于中间有一对光纤收发器，使得两台交换机之间没有自适应成10M，导致了从100M到10M时丢包。

我们知道，VOIP和视频会议都是采用UDP传输，UDP没有重传机制(视频和语音应用是不能采用重传机制的)，当UDP丢包率超过一定比例，就会感觉到视频或音频质量的下降，按照VOIP的标准，UDP丢包率超过2%的网络被认为不适合开展VOIP应用。

对于非实时的应用，大都采用TCP传输。由于TCP的重传机制，丢包对这些应用系统的影响将会不明显。

说句题外话，运营商端交换机本来是工作在10M的，由于用户网络有个阶段冲击波病毒发作，大量占用带宽，是运营商的网管将交换机端口强制设置成10M而过后又忘记改正过来，造成了上述问题。

下面我们用模拟网络环境演示双工不匹配时UDP的丢包是如何降低了VOIP的传输质量的。

在路由器和交换机上分别配置双工参数，使之互相之间不匹配，观测数据传输结果并记录。

在交换机和路由器互联的端口上分别配置成全双工和半双工：

Router0全双工配置

图2双工不匹配时的MOS值

最大连续丢包率(如图3)：

图3 双工不匹配时的最大连续丢包率

通过以上结果可以看出，双工之间不匹配对VolP数据包的传输的影响是比较大的，其中MOS值最低已经接近于0．9，在此有必要对于MOS值和丢包率做一下解释。

从电话出现开始，语音质量的测量方式是主观的，人们摘起一个电话，然后由人耳来感知语音的好坏，这个方法是被广泛认同的。在完善之后。这个主观的语音质量测量方法就是现在的平均主观值MOS方法。定义在rI．U—T P．800中。基于该主观评测， 人类接听和感知语音质量的行为被调研和量化，接听何种级别质量的语音，得到多少平均主观值MOS，人类将起主要的反映作用。这个语音质量和平均主观值的对应关系为网络的配置、基准和监视提供了标准依据。一个平均主观值MOS是4或更高，被认为是比较好的语音质量，而若平均主观值MOS低予3．6，则大部分接听者不能满意这个语音质量。

再来看最大连续丢包率，已经高达4．0，而按照VOIP的标准，连续丢包率不能超过2．0。在连续丢包率达到4．0的网络上实现的VolP其语音质量是不能够被接受的。

现在我们在路由器和交换机上分别配置双工，使之互相之间匹配。并且使路由器与交换机全部为全双工，观测数据传输结果并记录。

图4双工匹配时的MOS值

丢包率(如图5)：

图5双工匹配时的丢包率

可以看出，双工匹配后，VolP数据包的传输情况是比较好的，基本没有丢包，MOS值也稳定在4．38，已经能较好的满足人们日常通话需要。

我们同样做过互联的端口之间10M/100M不匹配时的试验，结果和上面结构非常类似。

双工匹配和10M/100M匹配并不一定是指两端都要全双工或两端都要100M，只要匹配，比如，两端都是10M或两端都是半双工．也不会造成丢包。

双工匹配和10M/100M匹配是要求在全程实现的，即在网络的每两个设备的以太网连接都要满足匹配。以本试验为例，PC0和switch0之间、muted)和switch0之间、switchl和routerl之间、smtchl和PC3之间都要符合双工匹配和10M/100M匹配，才能保证端到端的实时应用传输质量。

3 利用CAR来保证实时应用的带宽。

问题：FTP抢占带宽导致的视频会议质量差

某单位总部和各分支机构之间租用网通的2MBps帧中继线路构建广域网，主要应用包括视频会议、WWW、EMAIL、ZIP和VOD，FTP主要用于传输课件，部分课件是占用空间比较大的视频课件。由于FTP使用频繁。抢占带宽，导致视频会议视频和音频质量比较差。明显的延迟过大和马赛克现象，我们分析这些现象分别是网络的延迟和丢包造成的。

现在在专线上开展的视频会议一般是768KBps或以上的，在全活动图像情况下，加上IP包头开销带宽占用要在1．3M。因为FIP数据包通常比较大，下载大文件时抢占带宽的能力强，如果肿的速率达到0．7M(实际上是经常的)，视频会议的质量就会受到影响。

我们采取的措施是采用承诺访问速率CAR来限制FTP的最大流量，CAR的工作原理大致是：对IP数据包进行分类，对某种应用比如FTP可以设置一个最大带宽占用。对超过的部分进行丢弃或降低优先级，从而达到保证实时应用的带宽的目的。

在对IP包进行分类的时候，我们可以采用基于时间的访问控制列表(ACL)，这样在不召开视频会议的时段，基本上可以放开FrP的带宽。

实际工程中，应用了CAR后，视频会议的质量得到明显提高。下面我们用模拟网络环境演示CAB的作用。

在广域网两端的主机上分别启动nP的server和client，启动FTP。同时启用这两台主机之间的NetlQ测试。

下面是没有启用CAR时的模拟10对链路所测得的传输结果(如图6)：

图6 在没有启动CAR时的丢包率

可以看出它的丢包的情况是非常严重的，最高达到了14%，而VOIP的标准是不超过2%。

然后按如下程序清单所列启动CAR：

这段清单是配置在两端路由器的以太网口上。大体含义是：将FTP的流量限制在lM之内，超出的流量将丢弃。

启用CAR后的最大连续丢包率如图7所示：

图7启用CAR后的最大连续丢包率

由此结果可以看出，在启动CAR后基本上没有丢包，这说明了CAR限制某类流量的作用非常明显，对改善实时应用的网络传输质量有很大的帮助。

4 结论

以上都是在实际的VOIP或视频会议应用中遇到并解决的问题。这些问题带有普遍性，相信会对具有实时视频或语音应用的网络优化具有一定的参考价值。另外，还有一些广域网参数的设置．比如MTU(最大传输单元)不匹配、帧中继或ATM的最大突发速率和运营商设备的配置不匹配等都会对视频和音频应用的传输质量有比较大的影响，需要引起重视。相信广大读者只要理解了相应原理，不断摸索总结，总会总结出怎样合理设置各种网络参数的方法，以提高网路传输质量，使实时的视频和音频应用更加顺畅地进行。（万方数据）