| 文/iThome (記者) 2006-08-29 | ||||
| VoIP需要在單一網路上，同時協調語音和數據的傳輸要求，和傳統電信網路的服務品質相比，VoIP的服務品質（QoS）問題更具挑戰性。 | ||||
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| 在傳統電信網路上，線路資源的瓶頸往往導致用戶的呼叫無法接通，特別是在春節、中秋、優惠時段及重大社會活動等特定時間內，突然爆增的話務量導致交換機系統超載，進而出現電路擁塞、接通率下降，甚至服務癱瘓的現象，為電信業者和個人都造成不可彌補的損失。 這些問題肇因於線路老舊或其他技術因素，而讓使用者感受到接通時間過久，或是聲音延後、回音、斷續、響度過小、雜音等通話障礙。傳統電信網路不知花了多少時間和金錢，才建立出今天大多數用戶可以接受的服務品質。 VoIP的服務品質 與傳統電信網路的服務品質相比，VoIP的服務品質（QoS）問題更具挑戰性，其關鍵原因就是VoIP需要在單一網路上，同時協調語音和數據的傳輸要求。 在頻寬資源有限下，IP電信設備所能承載的呼叫容量，並非如傳統電信設備般，可由設備本身的硬體能力得到確定的數字；IP電信設備在接近臨界點前，效能與服務品質就會開始逐步下降，直到所有客戶都不能接受為止，嚴重影響IP電信產業的發展。 與資料通訊相比，語音通訊對網路品質的要求高出許多，當網路上有大量突發的數據傳送時，必然會影響語音封包的傳送，輕則延後到達，重則導致網路設備來不及 處理而丟棄，或是封包延遲以致於傳輸表現時好時壞，這些服務品質指標包括封包傳輸延遲（Packet Latency）、封包遺失（Packet Lost），以及封包延遲變異（Jitter）等。 服務品質如何衡量？ 業界主要有主觀測試方法和客觀測試方法兩種，ITU-T的P.800標準定義了平均意見分數（Mean Opinion Score，MOS）的主觀測試方法，其測試程序採用ITU-T標準推薦的4個不同的語音原始檔案，並由由2男2女組成的評審團隊，重複測試10次，並測 試在同一設備/不同設備間、各種編解碼演算法下的語音品質。以及在良好網路、一般網路和較差三種網路狀況下的語音品質對比，。最後得到「優、良、中、差、 劣」5個等級的分數。見表一 MOS平均主觀值達到4分或更高，一般被認定為較佳的語音品質，而若MOS值低於3.6，則表示大部分接聽者不滿意該語音品質。 雖然平均主觀測試被大多數人認定有效，但這個主觀方法存在的最大問題就是，由一組受過訓練的人士以人耳來評價語音的品質，測試代價非常高昂，且容易受測試環境的潛在干擾影響。 在平均主觀測試法的公平性受到詬病後，人們又不斷地探索客觀測量的方法，以儀器實際量測各項影響VoIP服務品質參數的客觀量測方法於焉誕生見表二、表三， 這項新的客觀測量主要是看封包漏失率和抖動，及延遲對語音品質的影響，並可透過ITU-T G.107規範中的E-Model方式匯整出一個總分，也就是Ｒ值。Ｒ值的範圍從0到100分，Ｒ值的計算從沒有網路傳輸設備的損失影響開始，此時語音品 質是最好的，當受到上述因素影響時次第衰減。 代表E-model的前提是，假設語音品質的損失因素總是由網路實體層在傳遞過程中所附加的，那麼若能靈活地加入諸如雜訊、回音、延遲、編碼器性能、抖動等網路損失因素的估算值，「使用者體驗」的因素就能被全面客觀的服務品質等級所估計。 Ｒ值（滿分100分）和MOS值（滿分5分）可相互換算，考量透過網路傳送與實際語音之間存在必然的轉換損失，這種固有的損耗使得Ｒ值最大只能達93.2分，對應到平均主觀的MOS值只有4.4分。 VoIP流量規畫常犯的錯誤 對語音網路的主要要求是能夠提供連續的資料傳輸流程，即為穩定的資料串流（Streaming）。為達到最終用戶期望的通話品質，幾乎無法容忍通 話用戶間出現語音信號中斷的現象，這也是傳統語音網路採用電路交換（Circuit Switch）技術設計的原因，因此對任何VoIP服務網路來說，在終端用戶之間勻速地發送和接收語音信號的能力至關重要。 很多廠商往往誇大了VoIP語音技術壓縮封包的能力，只以一路G.711語音編碼佔64Kb，一路G.729語音壓縮編碼佔8Kb含混帶過。事實 上，一個在IP網路上傳送的IP封包結構依序包含MAC Header、IP Header、UDP Header、RTP Header及Voice Payload。 一般所稱的8Kb語音頻寬指的是CODEC（編碼器）處理過的語音籌載內容（Voice Payload），而且它會經由RTP協定來承載，RTP的協定資料單元是用UDP協定來承載的，最後再加上IP和MAC等表頭。
為了儘量減少傳輸延遲，語音籌載的淨值通常都很短，由圖一可看出，IP語音的頻寬吃重，約有66％~80％的頻寬被浪費（深色部份），真正有意義的內容不到只有約20%~33%（淺色部份）。 由圖二計算的結果顯示，8Kb編碼率的G.729，在每20ms取樣一次的條件下（取樣間隔愈短佔用網路頻寬愈高，因每取樣包裝一次就產生上圖中 的浪費（Overhead）），在IP傳輸層傳輸需要24kbps，在實際乙太網路（MAC層）上佔用了高達39.2kbps的頻寬。 若是G.711編碼則更為驚人，在MAC層一路語音就佔用了126.4kbps，在現行以MAC層提供上網服務的ADSL線路上，上行 128Kb，下行1M的產品，就只能勉強傳輸一路語音而已。這結論和許多人的想像不同，也是很多VoIP網路在規畫時就以一路語音8K來計算其所佔用頻 寬，所產生的一大謬誤。 |
（1） 靜音偵測及舒適噪音生成技術
為節省語音頻寬，可採用語音啟動檢測技術（VAD），或稱為靜音偵測技術，以及舒適噪音生成（CNG）技術。
VAD技術只有當檢測到語音處於活動狀態時，編碼器的輸出信號才被送到網路上。理論上進行交談的雙方，同一時間內只會有一方在講話，而傾聽的另一方不會發出聲音，因此VAD可節省可觀的頻寬，並能有效的把每通語音的信息量降低三分之一以上。
而在靜音時段採用CNG技術，在用戶終端上模擬產生與背景雜訊相匹配的較舒適的靜音，讓使用者仿佛聽到對方的背景雜訊，如此一來使可以避免用戶產生不自然的交談感受。目前大部分的網路設備都已支援這項技術。
（2） 差異化服務
在IP網路上可將封包畫分為多個服務類別，網路管理者可定義多個不同的服務類別，網路根據預先定義的策略設置優先權。一般而言，高優先權資料流將立即得到 處理，低優先權流量則插入佇列（Queue），按比例分享現有有限頻寬並延遲傳送，在出現擁塞的情況下，低優先順序的傳送可能被丟棄。
差異化服務可分為主動和被動模式兩類，所謂主動模式是網路設備利用IP表頭上用於標識服務類型（TOS）的三個位元，定義每個封包的服務類別，為預先分配有限的頻寬資源提供了相當大的靈活性。
IP被動模式優先權功能則可在IP封包必經之路上，由路由器或頻寬管理器以封包來源或目的地的IP或MAC位址、服務埠號或其他方式，判斷不同應用程式的優先權分配。最簡單的實作方式就是轉送時語音優先的做法，雖然簡單還是具有一定的效果。
但很多舊有網路設備並不支援差異化服務的功能，因此在企業網路規畫中，將語音與數據分流，避免兩者相互干擾，是一個簡單好用的策略。
（3） 呼叫允入控制（CAC）
在VoIP系統中常有呼叫允入控制（Call Admission Control，CAC）的設定，其用意是在避免系統接受的呼叫過多，超過頻寬的承載能力，近而影響到每一通呼叫的通話語音品質，因此當系統參考頻寬有 240Kbps時，依VoIP流量規畫的經驗法則，代表可以承載10通24Kbps（G.729/20ms）的呼叫10通，故CAC值就會設為允許10 通，拒絕第11通的呼叫進入。
理論上設定較保守的CAC值，可確保每一通VoIP通話的服務品質，讓每次通話的客戶滿意度保持一致的水準；但大量呼叫時的阻塞率也會上昇，又會對整體的客戶滿意度造成衝擊。因此CAC值的設定在VoIP系統管理上是一個頗費斟酌的問題。
（4）前向糾錯技術（FEC）
有些先進的VoIP設備會採用前向糾錯技術（Forward Error Correction，FEC）來保證音質。IP封包在傳送過程中有可能損壞或遺失，在這種情況下，FEC技術能發揮重要作用。
FEC通常是一種結合Codec編碼方式的演算法，它的技術有兩級，第一級是Intra-Packet，第二級是Extra-Packet。第一 級是在同一語音封包內加冗餘數據，以便接收方糾錯、恢復、還原話音資料，以保證音質。第二級是在每一個話音封包中存放前後封包的冗餘數據，以便接收方從已 經接收到的封包中恢復被丟失的話音封包。FEC可以降低10％~20％的封包漏失率，以保持高音質。但是FEC要多消耗高達30％的網路頻寬，可說是一種 損人不一定利己的方法，因此在企業網內部一般不會採用FEC，除非在軍事通訊等具有特定考量的網路內。
最簡單的前向糾錯技術就是將已察覺遺失的前一個封包複製一份，讓封包漏失時的聲音聽起來較平滑，不會有明顯的中斷，因為在取樣間隔50ms的VoIP服務下，漏失一個封包即代表有100ms的聲音中斷，連續漏失兩個封包代表有150ms的聲音中斷。
另外，企業也可採用多重路徑中繼的技術，簡單的說，就是將相同語音內容重覆的透過不同的路徑或節點轉送，只要有一份成功到達，就可以獲得100%的聲音品質，但是代價可能是增加了一倍以上的網路頻寬。
（5）頻寬保證協定
頻寬保證協定（RSVP）是用來設定路由器，保證某一個服務可取得固定傳輸速率的通訊協定，RSVP可由VoIP裝置主動送出，沿者語音傳遞路 徑，通過路徑中各實現了RSVP功能的中繼節點，進行一系列的RSVP訊息協商，以建立起一條從發送端到接收端的資源預留路徑，如此一來即可確保稍後的語 音封包在這個建立起來的專屬貴賓通道中，不致發生壅塞。
RSVP的問題是，並非每一顆沿線的路由器都支援這種協定，只要有一顆不支援RSVP協定，就無法建立一條點對點的QoS通道，而事實上，大部分的路由器都不支援，即便ISP的路由器有支援也「不方便」啟動它。
（6）壅塞控制機制
加權公平佇列（WFQ）是常見的路徑封包規畫演算法，將資料流量按不同頻寬的延遲要求，畫分為不同類別的傳送佇列，並確定將封包發送到傳輸線路上的順序。
WFQ能以IP位址、埠號或封包進入介面（Input Port）等方式畫分類別。WFQ在分配現有頻寬給優先權較低的服務時，會保證低延遲要求的高優先權封包和低優先權業務流量都一定會傳送出去。高優先權資 料流會立即得到處理，低優先權流量則按比例分享現有有限頻寬，插入佇列之中並延遲傳送。在網路出現擁塞的情況下，設備可能會丟棄（Drop）低優先順序的 數據封包，以維持語音的服務品質。
另外，加權隨機早期檢測（WRED）也是一種避免擁塞的演算法，它與TCP等傳輸協定協同合作，可避免網路同時進行TCP傳送時導致的壅塞狀態。
WRED加權隨機早期檢測功能結合了RED和IP優先順序，可對不同的封包類別標明不同的「丟棄」處理策略。當網路阻塞發生時，WRED可對特殊 的封包提供優先待遇，允許優先順序高的封包通過，而抑制級別較低的封包。網路管理者可以定義不同服務類別的定義值，如排隊長度的最大和最小門檻值及封包丟 棄機率。由犧牲優先權較低者的傳送權力換取優先權較高者的絕對傳送權力。
限制訪問速率（CAR）也是一種分類IP封包後，定義不同服務類型（IP優先權和QoS類別）的機制，並能執行頻寬管理功能和通過速率限制等功能。而「流量管理器」或稱為「頻寬管理器」的裝置即是CAR功能的具體實現。
CAR為網路管理者提供了一個可依業務目的地分配頻寬，並制定超過頻寬分配額度時的處理策略。CAR既可用於網路入口，也可用於網路出口。CAR 的門檻值可根據埠號、IP位址和應用程式型態設定。CAR的概念與CAC一樣，都是限制過多的連接，以避免產生過大的網路流量，差別是在於CAC是以限制 VoIP呼叫通數為出發點，CAR則是限制TCP或UDP連線建立次數。
（7）主動式QoS監控體系
主動式QoS監控體系又有人稱為遠端網路QoS遙測系統，包括了「主動感測」的方法，以一定數量的感測器，或稱為探針，分散置於全球網際網路各個 適當節點上，通過協定分析、流量特徵與異常檢測等技術自動蒐集並測試QoS數據，或藉由主動向遠端網路節點發送頻次、長短不等的測量請求，由回饋數值為依 據評估品質參數，藉此有效並動態地估算遠端任意兩個網路節點間的封包漏失（Packet Lost）、延遲（Delay）、跳動（Jitter）及傳輸速率（Throughput）等品質參數，最後統一回傳至QoS中心管理系統做為分析和運 用。
一般而言，QoS監控體系獲得的即時資訊，可提供給IP電信服務業者做為早期預警的決策支援使用，譬如可和CAC結合，暫時限制用戶撥出；或啟用繞道程序，以避開壅塞的網段或節點；甚至可提供給用戶，做為服務品質保證的承諾等等。
建立VoIP服務品質的正確觀念
IP網路動態資源分享的缺點是，只能提供最佳的傳輸服務，但不能保證特定通信流的性能級別，這種特性又稱為盡力而為（Best Effort）的傳輸。為了克服IP性能的這些侷限性，企業開始使用頻寬管理技術，如優先順序管理，來保證重要應用所需的性能。但是頻寬管理只是分配頻寬 給重要的應用，同時也影響了其他應用，而這些應用中有些對企業同樣的重要。
無限制增加頻寬也不一定是最佳的解決辦法，因為增加的頻寬有時候會被某些獨佔性強的應用所消耗（如果企業內部並不管制P2P下載或FTP下載的話），並不一定能分配到最重要的應用。
由於現有的IP網路不是為承載即時性的電信業務所設計，要能完全解決QoS問題，尚有賴於「IP電信網」新網路架構下所推出的QoS技術方案。 IP電信網的概念就是要透過加強對IP網路設備的控制能力，在網路上實施QoS控制更容易，以讓IP網路來達到承載電信業務的能力。
總之，企業或服務供應商在部署VoIP服務時，可根據實際網路情況和業務開展的需要，鎖定特殊需求分析和逐步最佳化，以達到最佳效果。運用上述單 一的QoS功能或組合使用，在適當的網路特性條件下，正確選擇實施適當的QoS管理策略，將有效保障IP網路用戶具有很好的QoS網路連接，為VoIP等 多媒體應用提供了堅實的服務品質保證（SLA）機制。
網路電話的服務品質問題並沒有想像中嚴重，很多案例只不過是因為規畫上觀念就有錯誤，提供了不足的頻寬（問問還有多少資訊人員還停留在一路網路電 話只佔8K的觀念？），在今日網路頻寬愈來愈廉價的狀況下，只要企業改善連外網路頻寬，提供充裕的頻寬給網路電話使用，大多數的聲音品質，都可達到市內電 話品質的境界。
如果用戶抱怨VoIP聲音有迴音或雜訊等，通常問題是出在與傳統電話系統（PABX）界接的界面匹配特性沒有妥善調校。但若用戶抱怨的是網路電話 聲音斷斷續續，那麼增加連外頻寬，十之八九可以解決這個問題。倘若增加連外頻寬有困難的話，採購一套有效的頻寬管理設備，建立一套企業內部的頻寬管理政 策，也是一個好的選擇。
作者／賈文康
第一線技術顧問、台北市電腦商業同業公會顧問、NICI全國IPv6建置發展計畫，應用推廣分項計畫協同主持人、開放網路電話交換聯盟 (IPOX)計畫顧問，專精研究領域為網路系統整合、TCP/IP 通訊協定核心設計、多媒體通訊、NAT穿越、網路流量暨話務量工程，在IT產業擁有15年研究開發、技術支援、產品行銷等經歷，並著有「SIP會談啟始協 議操典」、「3G第三代行動通信網路技術」等書籍。
表一：以MOS級別判斷VoIP服務品質標準 | ||
| 級別 | 評分 | 用戶滿意度 |
| 優 | 4~5 | 很好，聽的清楚，延遲很小，溝通順暢。 |
| 良 | 3.5~4 | 稍差，聽的清楚，延遲小，交流尚順暢，有點雜音。 |
| 中 | 3~3.5 | 還可以，聽不太清楚，有一定延遲，可以交流。 |
| 差 | 1.5~3 | 勉強，聽不太清楚，延遲較大，溝通需重複多次。 |
| 劣 | 0~1.5 | 極差，聽不懂，延遲大，溝通不順暢 |
| 表二：封包漏失率和抖動對網路的影響 | ||
| 網路等級 | 封包漏失率 | 抖動 |
| 良好 | 0% | 1ms |
| 一般 | 1% | 20ms |
| 差 | 5% | 60ms |
| 表三：延遲對語音品質的影響 | ||
| 網路等級 | 封包延遲時間 | 使用者感受 |
| 良好 | <=150ms | 最好，為大多數用戶應用程式所接受 |
| 尚可 | 150~250ms | 可接受，部分用戶感受到品質有些許影響 |
| 一般 | 250~400ms | 大多數用戶明顯感受到品質的降低 |
| 差 | >=400ms | 大多數用戶不能接受 |
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