语音传输及内容网络设计

语音传输及内容网络设计第一页，共七十页，2022年，8月28日7.1服务质量设计第二页，共七十页，2022年，8月28日服务质量设计网络的服务质量设计，包括下列部分：商业需求语音、数据视频和其他通信量所需的QoS要求QoS模型QoS工具QoS设计指南。

第三页，共七十页，2022年，8月28日商业需求QoS要保证网络通信量的服务质量。QoS是网络提供的必要的智能服务。影响通信量传输的服务质量的因素包括：分组丢失、延时和抖动。

1.延时，又称响应时间，是指分组通过网络的时间。延时包括两种：固定的和可变的。固定延时是准备和封装数据，并将其传输到线路最后到达接收端相关的可预测的时间。①处理或打包延时②串行（Serialization）延时③传播延时可变延时是不可预测的，它由分组在接口排队等待其他通信量被发送所引起的。随着更多更大的分组被传送，这些延时就会增加。

2.抖动，是网络中分组经历的延时变化。QoS允许控制和预测网络提供给各种应用的服务，实现QoS有许多优点，如下：控制使用的网络资源（宽带、设备、广域网设施等）；保证网络资源被商业上关键任务有效使用，而且其他应用也可以在不妨碍关键任务的通信量的情况下得到公平的服务；为未来全面融合的网络打下坚实基础。第四页，共七十页，2022年，8月28日语音、数据、视频和其他通信量的QoS要求语音通信量对延时变化抖动和丢失敏感。保证可接受的语音质量的原则如下：单向延时不能超过150ms；抖动不能超过30ms丢包率不能大于1%。交互式视频或视频会议对延时、抖动和丢包的要求与语音通信量的要求相同。对带宽的要求，语音分组比较小，而视频分组的尺寸是可变的，数据率同样有所变化。

对额外开销的一般要求是，提供大于数据所需带宽20%的带宽。

第五页，共七十页，2022年，8月28日语音、数据、视频和其他通信量的QoS要求流式（streaming）视频与交互式视频的要求也不同：丢包率不超过5%，延时不超过4～5s

；根据其对组织机构的重要性，可给予此类通信量优先于其他通信量。其他类型的应用数据。具体情况具体分析。应该对与网络操作相关的通信量加以考虑。第六页，共七十页，2022年，8月28日QoS模型对于不适合采用尽最大努力服务的通信量，在网络中部署端到端的QoS有两个模型：IntServ（综合服务）DiffServ（区分服务）端到端QoS是指通过整个网络通信量所需的，从一端到另一端网络提供服务的级别。第七页，共七十页，2022年，8月28日IntServ（综合服务）IntServ使用一个从应用到网络设备的显式信令机制。应用请求具体的服务水平，包括带宽和延时要求。网络设备确定能满足这些要求之后，应用就只传送要求该服务水平的数据。在IntServ环境中的应用使用资源保留协议（RSVP）来向网络设备表明其要求。网络设备保持有关分组流的信息，并确保每个分组流能通过使用合适的排队（分配了优先权的通信量）和策略（有选择地丢弃其他分组）得到所需的资源。IntServ环境中可提供下列两种服务。保证速率服务受控负载服务第八页，共七十页，2022年，8月28日DiffServ（区分服务）在DiffServ环境中的应用不能在传送数据之前显式地将需求告知网络。网络根据每个分组头部中的具体的QoS来提供具体水平的服务。网络设备，特别是在网络边缘的设备，是被配置用来根据分组的源、目的地或其中的通信量来为分组分类和标记的。然后网络内的设备根据标记提供合适的网络资源。第九页，共七十页，2022年，8月28日QoS工具管理网络通信量的QoS工具分类和标记、策略和整形、拥塞避免、拥塞管理、特定链路工具、AutoQoS。第十页，共七十页，2022年，8月28日分类和标记分类是分析分组并将其分为不同种类以被恰当标记的过程。标记以后，分组就可以被恰当地处理。标记是将标明分组种类的标识放入分组内以便被其他工具利用的过程。第十一页，共七十页，2022年，8月28日分类分类可在OSI任一层的数据上进行可根据通信量进入的第1层物理接口或在以太网帧中的第2层源媒体访问控制（MAC）地址来对其进行区分。对传输控制协议或因特网协议（TCP/IP）通信量来说，源和目的IP地址（第3层）、传输（第4层）协议TCP或用户数据报协议（UDP）和应用端口号（标识第7层）都可将其区分开来。一些应用需要进行更多分析来将其进行区分和分类。第十二页，共七十页，2022年，8月28日标记标记可以在第2层帧或第3层分组内进行。对以太网络帧来说，可用下列方法进行第2层标记。对于一个IEEE 802.1q帧来说，在标记域内的3个IEEE 802.1p用户优先权比特被用作服务类别（CoS）比特。IEEE 802.1q是一个标准的中继协议，中继协议信息在标记域内被编码并被插入到帧的头部中。对一个内部交换链路（Inter-SwitchLink，ISL）帧来说，在ISL头部用户域内的3个比特被用作CoS比特。ISL是一个在26字节头部和4字节尾部间封装数据帧的思科专用中继协议。对于非IEEE 802.1q/非ISL帧来说不存在CoS表示。因为CoS由3比特表示，因此可取0～7的8个值中的一个。第十三页，共七十页，2022年，8月28日标记（续）对IPv4来说，可以使用在分组头部内的服务类型（ToS）域来进行第3层标记。在IPv4头部的ToS域支持IP优先级或DSCP第十四页，共七十页，2022年，8月28日标记（续）在ToS域内的前6个比特现在被称为DiffServ代码点（DSCP）比特，如图7-3的下面部分所示。用ToS域中的低2比特来显式通知拥塞（ECN），详情将在稍后的“拥塞避免”部分介绍。使用6个比特，DSCP就允许64个标记值。DSCP值可用数字表示（用从000000～111111的二进制值或从0～63的十进制值），或使用每跳行为（PHB）值来表示。PHB是代表一些数字DSCP值的关键词第十五页，共七十页，2022年，8月28日标记（续）有4种PHB默认或最大努力（BE）PHB。类选择器PHB。该PHB低3比特设置为000。加速转发（EF）PHB。有保证的转发（AF）PHB。第十六页，共七十页，2022年，8月28日标记（续）AFPHB和DSCP值第十七页，共七十页，2022年，8月28日标记（续）QoSDSCP标记的以下几个重点：在IPv4分组的头部的ToS域标识表明了分组中通信量的种类。该标记可被其他工具用来提供服务所需的分组。在ToS域中的前6个比特被称为DSCP比特。DSCP值可用数字（二进制或十进制）或关键词来表示，又称为PHB。每一个PHB（BE、CSx、EF和AFxy）代表一个具体的数字DSCP值，即处理通信量的具体方法。第十八页，共七十页，2022年，8月28日策略和整形策略和整形工具可以确定违反一些阈值或服务级协议（SLA）的通信量。这两种工具的区别在于对违例的响应方式不同。策略工具丢弃多余的通信量或更改其标记整形工具缓冲额外的通信量直到其可以被发送为止，因此会延迟通信量但不会将其丢弃。第十九页，共七十页，2022年，8月28日拥塞避免

拥塞避免技术监控网络通信量负载，所以在发生问题前可预测并避免拥塞。如果不使用拥塞避免技术，那么当接口队列满时，试图进入队列的分组不管携带的是什么类型的通信量都会被丢弃。这被称为末尾丢弃，即在队列尾部之后到达的分组都被丢弃。拥塞避免对基于TCP的通信量非常有效。TCP有内嵌的流量控制机制，因此当源检测到丢弃的分组时，源就会降低其传输速度。第二十页，共七十页，2022年，8月28日拥塞管理拥塞避免管理的是队列的尾部，而拥塞管理关心的是队列的前部。拥塞管理在拥塞发生后将进行控制。拥塞管理可分为两步：排队，它将通信量分为不同的队列或缓冲；调度，它决定接下来要发送来自哪个队列的通信量。第二十一页，共七十页，2022年，8月28日拥塞管理（续）排队算法将目的地为某个接口的通信分类。思科IOS软件包括多种排队机制。其中，优先级排队（PQ）、自定义排队（CQ）和加权平均排队（WFQ）是较为早期的3种机制。IP实时传输协议（RTP）优先级排队为语音通信量提供优先级而开发，但已被基于类的加权平均排队（CBWFQ）和低延迟排队（LLQ）所取代。第二十二页，共七十页，2022年，8月28日特定链路工具特定链路工具被用在点对点WAN连接的两端，以减少所需要带宽或该链路上的延时。可用的QoS工具包括：头部压缩（以减少带宽利用）链路碎片和插片（LFI），以减小遇到的延时第二十三页，共七十页，2022年，8月28日AutoQoS在路由器和交换机上的思科AutoQoS特性提供一种简单的激活QoS的方法。配置的自动方法，只需要一个命令，然后，路由器或交换机就产生配置命令来执行诸如VoIP通信量分类标记，并为该通信量在WAN链路上应用LLQ排队策略的任务。第二十四页，共七十页，2022年，8月28日QoS设计指导自顶向下的方法定义与QoS相关的需求确定网络中使用的通信量的种类数及哪种应用是关键任务使用第三层DSCPQoS标记允许从网络的终端到终端提供QoS。策略（丢弃）通信量最好是在靠近通信量源的地方以避免通信量不必要地穿越网络（这样就会消耗资源，如宽带）。QoS工具既可以在交换机，又可以在路由器上激活一般应用排队仅会减慢WAN链路，但LAN链路也会发生拥塞。对每个通信量的处理方式应该前后一致。第二十五页，共七十页，2022年，8月28日7.1节小结系统化方法重点在于商业需求和约束及应用理解客户公司组织结构理解客户的商业风格第二十六页，共七十页，2022年，8月28日7.1节复习题什么是QoS？说明Interserv和Diffserv的不同。QoS有哪几种国际化标准定义？它们之间有何不同？第二十七页，共七十页，2022年，8月28日7.2语音传输设计

第二十八页，共七十页，2022年，8月28日语音传输设计商业需求、何谓语音传输、服务质量、VoIP组件、IP电话组件、语音编码和压缩技术带宽需求、IP电话设计语音安全，并描述语音如何和其他数据一起在网络内传输第二十九页，共七十页，2022年，8月28日商业需求为什么将语音包括进网络设计是很有利的直接节省费用①Tollbypass远程语音呼叫经过数据网络而非公共交换电话网络（PSTN），因此节省相关费用。②由于只有一个网络而实现、维护、管理和操作，可节省的费用包括相关设备购买、设备空间、维护合同等相关的费用。③可减少添加、移动和变更的费用④可减少布线费用⑤可能会减少资金支出增加了终端用户的生产效率产生收益的机会可改善客户服务和回复质量可提高雇员的授权和满意度第三十页，共七十页，2022年，8月28日VoIP语音传输过滤信号采样量化和数字化将模拟语音转化为数字信号取样率由Nyqnist定理决定，即取样率至少是最高频率的两倍第三十一页，共七十页，2022年，8月28日VoIP语音传输分组打包和呼叫处理第三十二页，共七十页，2022年，8月28日VoIP语音传输有两种语音通信量：会话通信量（音频，也被称为承载通信量）和控制（或信令）通信量。在VoIP内，语音分组是用提供无连接传送的用户数据报协议（UDP）传输的。会话分组使用运行于UDP之上的实时传输协议（RTP）传送。呼叫控制通信量是用TCP传送的会话和通信量控制第三十三页，共七十页，2022年，8月28日服务质量应该使用有QoS支持的专门WAN连接来传送站点间的语音通信量。可接受的语音质量:单程延迟不应超过150ms；抖动不应超过30ms；丢包率不应超过1%。

QoS可用的工具，包括分类和标记、制定政策和整形、拥塞避免、拥塞管理和具体链路工具。第三十四页，共七十页，2022年，8月28日VoIP组件用传统电话实施VoIP时，组件包括:电话机；

PBX

支持语音的路由器(语音网关,支持语音的路由器包含有数字信号处理器DSP，以便在硬件中执行其功能，这比在软件中要快)第三十五页，共七十页，2022年，8月28日

IP电话组件IP基础设施IP电话视频电话选项呼叫处理引擎应用软件可选的到PSTN的语音网关第三十六页，共七十页，2022年，8月28日IP电话组件IP基础设施与IP电话和用户的PC相连的LAN访问交换机应定义为两个分离的虚拟局域网（VLAN）：一个用于数据，另一个用于声音，并允许使用更容易地实现QoS的工具。访问交换机可以为IP电话提供在线电源第三十七页，共七十页，2022年，8月28日IP电话组件IP电话IP电话将语音数字化并打包。它们和PC一样通过以太网电缆与网络相连。有多种IP电话可供使用，既有基于硬件的，又有基于软件的第三十八页，共七十页，2022年，8月28日IP电话组件视频电话第三十九页，共七十页，2022年，8月28日IP电话组件呼叫处理CCM是一个为IP网络提供企业电话特性的、基于软件的呼叫处理系统。第四十页，共七十页，2022年，8月28日IP电话组件应用：语音应用独立于呼叫处理和语音处理基础设施，可位于网络中的任何地方。

CiscoIPContactCenter（IPCC）CiscoMeetingPlaceCiscoUnityCiscoPersonalAssistant

第四十一页，共七十页，2022年，8月28日IP电话组件语音网关：到PSTN的语音网关可用各种设备来实现。思科3700系列多服务访问路由器可直接与CCM通信，并支持一系列接口和信令协议。语音网关模块也可安装在思科交换机上，包括Catalyst 4000和6000系列。网关可使用H.323协议、会话发起协议（SIP）或媒体网关控制协议（MGCP）与CCM通信。第四十二页，共七十页，2022年，8月28日语音编码与压缩技术语音压缩语音活动检测压缩实时传输协议有多种方法可以减少语音发送所需的带宽

第四十三页，共七十页，2022年，8月28日语音编码与压缩技术语音压缩ITU标准Codec带宽（kbps）主观平均判分（MoS）G.711644.1G.7236.3/5.33.9/3.65G.72616/24/323.85G.728163.61G.72983.92语音编码和压缩标准中等复杂Codec很复杂Codec中等复杂Codec很复杂CodecG.711G.723G.729aG.729G.726G.728G.729abG.729b中等复杂和很复杂Codec

第四十四页，共七十页，2022年，8月28日语音编码与压缩技术语音活动检测减少语音呼叫需要的带宽的另一种方法是使用语音活动检测（VAD）。平均大约有30%的呼叫实际上是静止无声音的；当使用VoIP时，这种静止期数据表示与会话数据一起打包。VAD抑制静止期，因此不发送静止期IP分组，仅发送会话的IP分组。网络带宽的使用更加有效。在某些情况下，如当在网络上发送传真时推荐禁止VAD，VAD也可能降级可以察觉的呼叫质量。由于使用了VAD，寂静代以静止期间播放的舒适噪音。第四十五页，共七十页，2022年，8月28日语音编码与压缩技术压缩实时传输协议：VoIP分组由两部分组成：语音和头部（IP/UDP/RTP）。语音采样可以被压缩，因此其大小可变具体取决于所用的Codec，例如，一个典型的G.729呼叫的声音采样为20字节，然而头部总是40字节，这可能导致相当大的开销。RTP头部压缩，称cRTP，可将40字节的头部压缩为24字节。第四十六页，共七十页，2022年，8月28日带宽需求语音通信量对带宽的需求取决于很多因素，包括:并发语音呼叫数需要的服务级别所使用的Codec和压缩技术所使用的信令协议和网络拓扑。计算中继主干容量或带宽信令通信量带宽第四十七页，共七十页，2022年，8月28日

IP电话设计单站点IP电话设计多站点集中式的IP电话设计多站点分布式IP电话设计第四十八页，共七十页，2022年，8月28日IP电话设计

IP电话单站点设计第四十九页，共七十页，2022年，8月28日IP电话设计IP电话多站点集中式设计第五十页，共七十页，2022年，8月28日语音安全与IP电话相关的安全问题分类如下：有关的网络安全；安全平台。1．IP电话网络安全问题2．平台安全问题3．保护IP电话第五十一页，共七十页，2022年，8月28日7.2节小结详细介绍了VoIP和IP电话的工作过程及相关协议，并给出了相关的设计实例第五十二页，共七十页，2022年，8月28日7.2节复习题描述语音传输的设计过程。IP电话主要使用哪些协议？IP电话主要由哪些组件构成？第五十三页，共七十页，2022年，8月28日7.3内容联网设计

第五十四页，共七十页，2022年，8月28日内容联网设计本节讨论内容联网（CN）的组件和设计，具体包括:商业需求内容联网内容高速缓存和内容引擎内容路由内容分配和管理内容交换内容联网设计。第五十五页，共七十页，2022年，8月28日商业需求内容联网是一个智能网络解决方案。内容联网实现了一个内容发送网络（CDN），用来提供网络上高效内容分发，为用户取得内容选择最佳的站点和存储在多个设备上的内容的负载平衡。CN有很多优点:忠诚度的增强、最大化内部生产力、减少使用的带宽、实现新的应用、可扩展性。第五十六页，共七十页，2022年，8月28日内容联网内容联网（CN）的范围：网上有效的内容分发、为用户获取内容选择最好的站点、存储在多个设备上内容的负载平衡。内容分发网络可以包括以下组件：内容缓存或内容引擎、内容路由器、