目前,有一种为设计和实施局域网基础架构而提出的模块化方案——BRAVVO (Bandwidth Requirements for Applications, Voice & Video,视频、音频、应用的带宽需求)。据称,这种架构可以满足网络管理员的需要,保证其网络基础架构不仅能为现有应用提供服务,还能满足包括IP语音传输在内的、对服务质量具有更高要求的新兴技术传输需求。
将IP电话引入数据网引起了许多网络管理员和技术专家的深思。必须通过在一系列领域的分析和调查,才能认定网络的实施是成功还是失败。IP电话最终的目标是,达到一个相对于传统电话的语音质量而言可以接受的通话质量水平。
有许多种方法可以测定IP电话通话时的通话质量,其中一种方法叫做平均测评积分法(MOS)。 平均测评积分法来源于贝尔实验室,以人作为测试对象。实验者将听到一个声音样本,然后以如下的方法给那个声音质量评分:5分(最佳)、4分(好)、3分(一般)、2分(差)、1分(极差)。现有电话系统通话质量的MOS大约是4.5分,移动电话通话质量的MOS是3.5分。也就是说,令人满意的IP电话实施其MOS应在4.5分或更高。
从底层考虑QoS
当局域网的网络管理员听到关于数据网络设施的服务质量(QoS)一词时,会自然想到流量优先权技术:第二层传输流量识别和优先权技术802.1Q协议,第三层传输流量识别和优先权技术服务类型(ToS)/流量区分控制点(DSCP)。
实际上,服务质量指对特定数据流通过网络传输时预期得到的传输质量,不应该马上就考虑到第二层和第三层的流量优先权技术,而是应该从网络基础设施的底层开始,一步一个脚印,随之找到敏感数据流量传输所需的复杂优先权技术。
如果网络中没有任何拥塞点存在,那么根本不需要使用任何流量优先权技术(如无阻塞的交换网络结构)。不幸的是,即使在设计得非常合理的网络内也存在拥塞点,因而需要对带宽进行优化配置并有效利用。
如何建立模块
数据网络环境中的IP语音通话质量受到延迟、抖动、包丢失等因素的影响,为使IP电话能够提供令人满意的服务质量,需要一种模块式的方法来实现和管理网络设施。可将整个服务质量的实施划分为单一、易于管理的阶段步骤,这样网络管理员花费最少的努力即可成功地建立一个基础网络平台。下表中所列的就是保证局域网服务质量的几个基本方面:
表中的网络管理一项是贯穿于4个模块建立过程中的关键组件,它使得网络管理员能够清楚地掌握网络传输流量,并针对特定网络相关的服务质量问题选用正确的模块来解决问题。
值得注意的一点是,在实施上述模块时,应区别对待。首先从带宽分配模块开始,然后逐步上移,一直到达传输流量优先权组件。实施的模块越多,保证的质量会越高,但同时也增加了管理的复杂性,加大了维护成本。所以应该对症下药,特定的组件只针对网络基础设施的特定部分而实施。
举例来说, 通过分配更多带宽可以很容易解决一些拥塞点,可是,其他的拥塞点也许需要所有4个模块的协同工作。通过结合一个全面的网络管理解决方案,网络管理人员可以确定各个不同网络部分需要实施的模块的级别,从而减少整体维护和运营成本,并成功地实施IP语音电话。
带宽分配
解决网络拥塞问题最常用的方法就是提供更多的带宽。这在许多情况下是有效的,但并不是解决拥塞相关的网络服务质量的惟一解决方案。对于带宽,有两点需要指出:一是交换设备的性能(交换性能),另一个是交换机之间的链路带宽(链路预订率)。
1.交换性能
以太网交换机主要是设计用于提高以太网局域网性能,但并不是所有的交换机都完全可以做到这一点。在考虑为网络选用交换机,尤其是需要建立一个支持IP电话的网络架构时,交换性能是需要重点考虑的, 需要了解当交换机处于完全“饱和”传输状态时,交换机是如何处理的,这时才能真正反映交换机的性能。
通常,供货商在描述交换机的性能时,总是告诉我们交换机的“汇聚交换能力”可以达到每秒多少多少千兆位(Gbps),以告诉用户该交换机能同时处理多少数据流量信息。供货商也许还会告诉我们交换机每秒可以转发多少百万个数据包(Mpps),这指的是交换机能同时转发的数据包的数量,这更能反应交换机的实际性能。这种计量方式基于以太网,使用的是最小的有效数据桢,只有64字节,使用100%的链路速度(线速)。
了解了这几个性能参数,你就能更好地判断交换机是否能够真正提供你所需的性能。设计交换机的方法有很多,但根据交换容量可将其划分为两个性能类别:
在设计网络基础设施时,从网络边缘层到网络核心层分配足够的带宽是非常重要的,这样可以保证用户不受拥塞问题的困扰。通常,许多网络设计者将会在一定程度上超额预定,其程度取决于一条链路上聚集的用户数量和估计将要消耗的带宽量而决定。
超额预定的一个例子是:一个配置有240个10/100Mbps端口的系统只用一条千兆以太网链路与网络核心层连接。为确定这种网络环境下的超额预定水平,简单地把用户数量与其连接速度相乘,将这一数字与所分配的上行容量进行比较。比如,240个用户,每人拥有一个100兆以太网链路,可提供每秒24Gbps的能力(240×100Mbps)。一条千兆以太网链路用于潜在可能的24Gbps的流量负荷,超额预定比例为24∶1。换句话说,如果每个用户同时百分之百地使用其100兆链路,那么只有4%的流量可以成功地通过交换机,而剩余96%的流量将会被丢失。
理想的预定比例应该是,下游用户的容量与上行带宽的容量关系为1∶1,这样能够提供一个有保证的服务质量,而没有必要运行更多的模块。不幸的是,由于用户预算的限制,达到这种预定水平往往不可行。因此,许多网络设计方案都具有某种形式的超额预定。从而,在带宽分配基础上,还需采用其他建立服务质量的模块。
带宽管理
一旦带宽分配模块经过评估和应用后,如果需要进一步的服务质量保证,可以开发下一个模块。当超额预定水平无法降低时,通常就会采取这种方式。在这种情况下,带宽分配和有效的带宽管理能够有所帮助。
带宽管理指在网络基础设施中管理和使用现有带宽的方法。许多网络设计交换机间采用冗余链路。举例说明,在网络核心层配置两台骨干交换机以提供冗余。每个连接用户的配线间交换机双连接到网络核心层来,与每个核心交换机单独连接。当一条链路出现故障时,能够通过另一条冗余链路继续网络的连接。
虽然冗余设计提高了网络的可靠性,但通常,其中一条冗余(备份)链路不承担流量,而是“休眠”等待,仅当另外一条(主)链路在出现故障时才激活。第二层和第三层技术都提供相应技术来实现:
例如,在带宽分配案例中,240名用户通过一条千兆以太网链路与网络核心层连接,另采用一条千兆链路仅仅用于提供冗余,超额预定比例仍然是24:1。通过激活冗余链路并对流量进行负载均衡,超额预定比例降为12:1,通过简单地、更有效地管理已有带宽,使QoS有效地提高了一倍。
传输流量优先权
当前两个模块——带宽分配和带宽管理已经作为网络设计的一部分应用后,如果需要更高的流量保证,可以进一步地开发其他模块。有些情况下,执行前两个模块就可达到要求的服务质量标准。但是,如果存在拥塞点或服务质量级别还不能满足IP电话的要求,那么,就需要研究和执行下一个模块——传输流量优先权模块。
尽管传输流量优先权的方法将增加网络管理的复杂程度,但它进一步保证了敏感信息(比如VoIP)的传输。对传输流量优先权模块有这样一种误解:为了提供所需的质量水平,该模块应该在网络的所有部分进行应用。但事实上,根据QoS的模块式建立方法,网络管理员只有在真正必要时才执行这个模块。许多影响网络传输质量的网络拥塞问题完全可以通过前两个模块解决。
传输流量优先权使网络管理员决定在网络拥塞发生时,哪些流量先转发,哪些流量先搁置。如果没有拥塞问题,传输流量优先权模块也就不会用到。传输流量优先加权是一种大多数交换机厂商都支持的技术,它允许网络管理员区分不同的流量类型和确定多种优先级别。当拥塞发生时,会执行一个交换优先方案,以确保高优先级流量得到“进一步保证”并先于低优先级流量转发。举例说,VoIP归类为“高优先权”,传统数据归类为“低优先权”。
在一个交换优先方案中可以给予高优先权流量和低优先权流量各50%的可用带宽。在这种情况下,当流量小于可用带宽时,优先权对于流量传输不起任何作用(前提是交换性能为无拥塞)。如果流量发生改变,高优先权流量占用50%的可用带宽,低优先权流量占用60%的可用带宽,那么拥塞已经发生,优先方案将“丢掉”10%的低优先权流量。相反,如果VoIP流量占用了60%的带宽,数据流量占用了50%的带宽,根据排队原则,10%的VoIP流量会被舍弃。需要指出的是,优先权只是一种基于队列分配和输入排队原则的相对保证,而不是绝对的保证。
流量预留
目前,基本的服务质量建立模块都已评估和运行并达到预期水平,提高了整体网络的服务质量。流量预留模块允许网络管理员采取终极措施为流量质量提供绝对保证。流量预留是一种基于应用的流量速率限制技术,为特定的应用服务提供有保证的带宽分配,最终保证该流量的服务质量。
执行这个模块,需要弄清楚在最差的环境下(比如所有IP电话同时接通),交换机之间的VoIP流量所需要的网络流量。首先,你必须确定这种情况下交换机之间所需要的带宽(从边缘层到核心层)。举例说明,有10部采用G.711 CODEC的电话,每部电话需要的带宽大约是64Kbps,那么10部电话需要640Kbps的带宽。你可以使用速率限制技术来限制上行链路非VoIP流量占用的链路带宽。比如,如果上行链路是1Gbps,减去640Kbps,将非VoIP流量的速率限制设置为999.36Mbps。这将确保即使数据(非语音IP)流量试图占用100%的带宽,交换机会也会将其限制在999.36Mbps。当打IP电话时,根据我们的计算,有640Kbps的专用带宽,这使得所有IP电话可以同时通话而不会有任何性能问题。
网络管理
随着对每个QoS建立模块的评估和认定(以提高网络端到端的服务质量),网络管理也变得更加昂贵和复杂。因此,应用这些技术的折中考虑是,与每个实施级别相关的成本和复杂性。当然,最终的目标是以最少的成本和最小的复杂性,为敏感流量(如VoIP流量)提供最好的质量保证。
通过采用QoS建立模块,网络管理员能够有选择地采用不同的方案以达到他们最期望的服务质量。一些网段也许只需要带宽分配模块来克服潜伏的拥塞问题,而另外的网段也许需要带宽分配模块和带宽管理模块共同来克服拥塞问题。还有一些情况,需要四个模块共同来保证最高的服务质量。
所以,网络管理员所面临的难题是,应该在哪些网段采用哪种级别的服务质量模块。解决此问题的关键是,充分了解网络基础设施,明晰网络传输流量和潜在的拥塞点。应评估每一个拥塞点以确定采用哪种服务质量模块。使用这种模块化方案,你可以从带宽分配模块开始,直到流量预留模块,每个阶段过后再对结果重新评估,以保证只应用必要的模块组件。
这是一项非常艰巨的任务,而且由于交换基础设施限制了观察网络流量的能力,使其几乎不可能完成。但是,网捷网络独创的JetFlow技术能够提供网络基础设施中每个交换端口的流量信息。