摘要 摘要 無線i p 網(wǎng)絡是無線網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢，它必須能支持不同業(yè)務的服務質(zhì)量( q o s q u a l i t yo fs e r v i c e ) 要求?，F(xiàn)有的q o s 技術大都是針對有線i p 網(wǎng)絡的，要將他 們應用到無線i p 網(wǎng)絡上必須要進行相應的改進。本文正是在這種情況下對無線i p 網(wǎng)絡的o o s 技術展開了研究。 從整體上，本文依次研究了無線i p 網(wǎng)絡各種q o s 技術，包括服務模型等，然 后提出了一個無線i p 網(wǎng)絡層次型q o s 模型。該模型將多層次、多平面q o s 技術 結合起來，能夠嚴格保證每條業(yè)務流的o o s 要求。 從細節(jié)上，本文研究了無線接入網(wǎng)i e e e 8 0 2 1 6 協(xié)議中的o o s 技術。通過對其 凇c 層o o s 策略的研究，進一步提出了一個有效的i e e e 8 0 2 1 6 m a c 層o o s 調(diào)度架構， 并對其中采用的w f 2q 調(diào)度算法做了仔細研究。最后用o p n e t 軟件對該調(diào)度架構進 行建模和仿真，驗證了該調(diào)度架構的正確性。 關鍵詞：無線i p 網(wǎng)絡q o s e e e s 0 2 1 6 調(diào)度 w f 2q a b s t r a c t a b s t r a c t w h d e s si pn e t w o r ki st h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no fw i r e l e s sn e t w o r k i tm u s t s u p p o r tt h eq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) d e m a n do fv a r i o u ss e r v i c e s c u r r e n t l y , m o s to ft h e q o st e c h n o l o g i e sa r ef a c et ow i r ei pn e t w o r k , s ot h e ym u s tb ei m p r o v e db e f o r et h e ya r e u s e di n t ow i r e l e s si pn e t w o r k j u s ti nt h i ss t a t u s ，t h i sp a p e rd o e ss o m er e s e a r c ha b o u t q o st e c h n o l o g i e so f w i r e l e s si pn e t w o r k w h o l l y t h i sp a p e rd os o m er e s e a r c ha b o u tv a r i o u sq o st e c h n o l o g i e so f w i r e l e s si p n e t w o r k , s u c ha sq o ss e r v i c em o d e le t c t h e nt h i sp a p e rp r o p o s e sah i e r a r c h yq o s m o d e l 砸sm o d e lc o m b i n eq o st e c h n o l o g i e so f d i f f e r e n tl a y e r sa n dd i f f e r e n tp l a n e s i t c a ng u a r a n t e et h eq o sd e m a n d o f e v e r ys e r v i c es t r i c t l y s p e c i a l l y , t h i sp a p e rd o e ss o m er e s e a r c ha b o u ti e e e 8 0 2 1 6p r o t o c o lo fw i r e l e s s a c c e s sn e t w o r k a f t e rd o i n gs o m er e s e a r c ha b o u tq o ss t r a t e g yo fm a c l a y e r , a n e f f i c i e n ts e h e d u l i n gs t r u c t u r eo fi e e e 8 0 2 1 6m a c l a y e ri sp r o p o s e d t l l i sp a p e ra l s o d o e ss o m er e s e a r c ha b o u tt h ec o r r e l a t i v ew f 2 qa l g o r i t h m l a s t l y , w eb u i l da s i m u l a t i o nm o d e lo ft h i ss t r u c t u r eu s i n go p n e ts o f t w a r e , a n dp r o v et h em o d e l sv a l i d i t y t h r o u g hs i m u l a t i o n k e y w o r d s ： w i r e l e s si pn e t w o r k q o s i e e e 8 0 2 1 6 s c h e d u l i n g w f 2q 創(chuàng)新性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研 究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內(nèi)容外，論文中不 包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學或 其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做 的任何貢獻已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 申請學位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切相關責任。 本人簽名：磕盤日期：型： 關于論文使用授權的說明 本人完全了解西安電子科技大學有關保留和使用學位論文的規(guī)定，即：研究 生在校攻讀學位期間論文工作的知識產(chǎn)權單位屬西安電子科技大學。本人保證畢 業(yè)離校后，發(fā)表論文或使用論文工作成果時署名l ! i i 位仍然為西安電子科技大學。 學校有權保留送交論文的復印件，允許查閱和借閱淪文；學?？梢怨颊撐牡娜?部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復制手段保存論文。 本學位論文屬于保密在年解密后適用本授權書。 本人簽名： 導師簽名 張斗 襁 日期：趔! ： 日期：皇塑i ：! ：魚 第一章緒論 第一章緒論 1 1 引言 移動通信和i n t e m e t 的飛速發(fā)展，帶來了在任何時間、任何地點都可以享用 i n t e m e t 業(yè)務的需求。根據(jù)u ka r cg r o u p 預測，無線i n t e r n e t 業(yè)務的用戶到2 0 0 4 年將達到7 5 億戶，i n t e r n e t 用戶總數(shù)將達到l o 億戶。無線i n t e m e t 的用戶將占 i n t e m e t 用戶的大部分。因此新一代無線通信和i n t e m e t 的有機結合產(chǎn)生的無線 1 p 網(wǎng)絡是當前國際上的研究熱點。m 技術和無線通信技術的結合，是將來無線網(wǎng) 絡的趨勢。無線i p 網(wǎng)絡一般是指無線終端接入口網(wǎng)的網(wǎng)絡，例如w l a n + i n t e m e t 構成全m 網(wǎng)絡，或是以別的空中接口+ i n t e r n e t 構成全口網(wǎng)絡。無線球網(wǎng)絡是對 有線i p 網(wǎng)絡的有益補充，它具有用戶可移動、建網(wǎng)靈活、維護費用低等優(yōu)點。無 線i p 網(wǎng)絡的提出，是i p 網(wǎng)絡發(fā)展的一個重大標志，同時也是無線網(wǎng)絡發(fā)展過程中 的一個里程碑。 隨著i n t e r n e t 的迅速發(fā)展，i n t e m e t 已由單一的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)向多業(yè)務承載網(wǎng)演 進，以前那種以e m a i l 、文件傳輸?shù)葹橹鞯膯渭兊臄?shù)據(jù)傳輸業(yè)務己遠遠不能滿足用 戶的需求，一些多媒體應用如視頻點播( v i d e oo nd e m a n d ，v o d ) 、i p 電話、遠程 教學不斷涌現(xiàn)。這些不同的應用需要有不同的服務質(zhì)量( q u a u t yo f s e r v i c e ，q o s ) 要 求。而目前的i n t e r n e t 沒有明確的時間和可靠性保障，無法滿足各種應用對網(wǎng)絡傳 輸質(zhì)量的不同要求。這是因為，首先口技術本身是面向無連接的技術，i p 網(wǎng)絡提 供的業(yè)務僅僅是“盡力而為”的業(yè)務，網(wǎng)絡本身是不保證傳輸可靠性的。其次， t c p i p 協(xié)議體系中的t c p 或u d p 協(xié)議雖然對于i n t e m e t 的傳統(tǒng)應用可以提供一定 容錯和糾錯功能，但對于一些實時業(yè)務來說，t c p 的重傳機制顯得蒼白無力。拋開 t c p 建鏈和確認的時延不說，重傳引入的時延對于這些對時延極其敏感的實時業(yè) 務來說是不能忍受的，而u d p 本身就是不可靠的。因此，i n t e m e t 如何提供q o s 支持來滿足不同業(yè)務的q o s 需求也已成為業(yè)界關注的焦點。 本文結合有線l p 網(wǎng)絡的q o s 技術，研究了無線球網(wǎng)絡的q o s 技術，將多層 次、多平面的q o s 技術相結合，建立了一個集成了多種技術的層次型無線i p 網(wǎng)絡 q o s 模型。并且提出了一種有效的寬帶無線接入網(wǎng)i e e e 8 0 2 1 6 協(xié)議m a c 層的q o s 調(diào)度架構，并對其性能進行了仿真和分析。 1 2 無線i p 網(wǎng)絡0 0 s 技術的研究現(xiàn)狀 目前，隨著電信業(yè)務的引入，球網(wǎng)的服務質(zhì)量( i pq o s ) 成為下一代i n t e r n e t 的 2 無線i p 網(wǎng)絡q o s 技術研究 重要研究課題。由于i p 協(xié)議的無連接特性和i p 網(wǎng)絡松散的控制管理方式，使這項 研究面臨很大的挑戰(zhàn)。i pq o s 的研究范圍十分廣泛，不僅包含業(yè)務流量控制和路 由，還涉及到計費和網(wǎng)絡測量等。當前基本的t pq o s 技術有集成服務( i n t s e r v ) 模 型【2 】和區(qū)分服務( d i f f s e r v ) 模型 3 1 。集成服務的基本思想是在傳送數(shù)據(jù)之前，根據(jù) 業(yè)務的q o s 需求進行網(wǎng)絡資源預留，從而為該數(shù)據(jù)流提供端到端的q o s 保證。資 源預留協(xié)議( r s v p ) 是集成服務的核心l ”。這是一融信令協(xié)議，用來通知網(wǎng)絡節(jié)點 預留資源。如果資源預留失敗，r s v p 協(xié)議會向主機發(fā)回拒絕消息。集成服務能夠 在m 網(wǎng)上提供端到端的q o s 保證。但是，集成服務對路由器的要求很高，當網(wǎng)絡 中的數(shù)據(jù)流數(shù)量很大時，路由器的存儲和處理能力會遇到很大的壓力。因此，集 成服務的擴展性很差，難以在i n t e m e t 核心網(wǎng)實施。區(qū)分服務的基本思想是將用戶 的數(shù)據(jù)流按照服務質(zhì)量要求來劃分等級，任何用戶的數(shù)據(jù)流都可以自由進入網(wǎng)絡， 但是當網(wǎng)絡出現(xiàn)擁塞時，級別高的數(shù)據(jù)流在排隊和占用資源時比級別低的數(shù)據(jù)流 有更高的優(yōu)先權。區(qū)分服務只承諾相對的服務質(zhì)量，而不對任何用戶承諾具體的 服務質(zhì)量指標。除了這兩種基本的q o s 技術，具體的q o s 實現(xiàn)技術還有路由器處 的接納控制、流量調(diào)節(jié)、流量控制、q o s 路由等等，均能有效地改善i p 網(wǎng)絡服務 質(zhì)量。 對于無線口網(wǎng)絡來說，它的拓撲和資源都在動態(tài)變化，要提供服務質(zhì)量比有 線口網(wǎng)絡更為困難。目前，根據(jù)無線和移動環(huán)境的特點，人們對原有的q o s 技術 做了改進，使之能適應無線環(huán)境。例如，目前的r s v p 不適合于移動m 網(wǎng)絡，主 要原因是它無法感知主機的移動，因而不能在移動主機即將訪問的位置上提供預 留資源，當主機移動到新的子網(wǎng)后往往因缺乏資源而形成服務質(zhì)量下降。另外， 目前的r s v p 不支持經(jīng)過口隧道的資源預留，因此不能適應移動i p 網(wǎng)利用隧道傳 送數(shù)據(jù)時的服務質(zhì)量要求。為了克服r s v p 的缺陷，學者們提出了幾種解決方案： m r s v p ( 1 “，支持隧道的r s v p “1 等，這些改進后的方案均能適應無線環(huán)境。目前的 d i f f s e r v 不能滿足無線i p 網(wǎng)絡的要求，主要原因有兩個：一是沒有信令，不能做 到實時控制。另一個原因是不能動態(tài)配置服務質(zhì)量參數(shù)。因此，無線環(huán)境下的 d i f l s e r v 對原有d i f f s e r v 的功能進行了擴展。主要是增加了信令協(xié)議，增加了對移 動性的支持，使之適應無線環(huán)境i l “。 目前p 網(wǎng)絡在q o s 上面有了很大的進步，但現(xiàn)有的i p 網(wǎng)絡大都只是在單個 節(jié)點上提供相對優(yōu)先級的處理。而端到端q o s 是一個系統(tǒng)的整體概念，如果沒有 在全網(wǎng)層面上解決業(yè)務感知和接入允許控制，就不可能真正解決端到端的業(yè)務質(zhì) 量問題。因此，i p 網(wǎng)絡需要從路由器資源方面實施相應的q o s 控制策略，要有一 個全網(wǎng)的q o s 解決方案。這種方案應該是一種基于資源隔離和業(yè)務請求的i p q o s 模型及方法，將多層次( 應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層、鏈路層、物理層) ，多平面( 數(shù) 據(jù)平面、控制平面和管理平面) q o s 機制綜合起來，能夠嚴格保證每條業(yè)務流穿越 第一章緒論 i p 骨干網(wǎng)時的q o s 要求，使得碑網(wǎng)絡可以支持各類需要電信級服務質(zhì)量的電信業(yè) 務。本文正是基于這樣一個基礎，研究了無線i p 網(wǎng)絡的各種q o s 技術，并將他們 有效地結合起來。 無線接入網(wǎng)是整個無線i p 網(wǎng)絡的瓶頸，因此無線接入網(wǎng)的o o s 問題顯得尤為 突出和重要。標準的r s v p 協(xié)議由于其可擴展性差難以在核心網(wǎng)使用，但在接入網(wǎng) 中卻很適用。目前，業(yè)內(nèi)比較一致的觀點是在整個i p 網(wǎng)絡的網(wǎng)絡邊緣引入q o s 信 令技術，因此接入網(wǎng)中引入o o s 信令來解決q o s 是一種趨勢。接入網(wǎng)所接入的業(yè) 務是多種多樣的，這種多樣性使得0 0 s 的問題更為復雜，其中m a c 技術和資源調(diào) 度控制是解決q o s 的關鍵，必須有高效的上行接入控制協(xié)議和帶寬動態(tài)分配算法。 i e e e 8 0 2 1 6 標準是目前一致看好的無線接入網(wǎng)標準，它能向固定、攜帶和游牧的 設備提供無線連接，還可用來連接8 0 2 1 1 熱點與i n t e r n e t 網(wǎng)絡。i e e e 8 0 2 1 6 標 準是按照兩層結構體系組織，定義了一個物理層和一個m a c 層四i 。物理層主要是 關于頻率帶寬、調(diào)制模式、糾錯技術以及發(fā)射機同接收機之間的同步、數(shù)據(jù)傳輸 率和時分復用等方面的，而m a c 層主要負責控制用戶數(shù)據(jù)接入到共享的無線媒質(zhì) 中去。姒c 層規(guī)定了資源調(diào)度的q o s 業(yè)務類型，將業(yè)務分為u g s ，r t p s ，n r t p s ， b e 四類，但并沒有規(guī)定具體的調(diào)度實現(xiàn)，這部分是留給廠家設計的。因此本文基 于這點對m a c 層資源調(diào)度方法進行了詳細研究。 1 3 本文研究內(nèi)容 無線i p 網(wǎng)絡q o s 技術是i p 網(wǎng)絡技術的熱點問題，系統(tǒng)化的層次型q o s 模型 能有效地改善網(wǎng)絡的服務質(zhì)量，滿足各種業(yè)務對服務質(zhì)量的要求。本文首先對無 線球網(wǎng)絡的各種q o s 技術進行一一研究，然后將各層、各面的q o s 技術結合起 來，形成了一個層次型的q o s 模型。 對于無線接入網(wǎng)的i e e e 8 0 2 1 6 標準，本文著重研究并提出了一種有效的m a c 層資源調(diào)度架構。無線環(huán)境下由于信道的特殊性，誤碼或其他原因會造成某一正 在傳遞數(shù)據(jù)的連接暫時中斷，此時分配給該連接的資源就會被浪費。因此，本文 中i e e e 8 0 2 1 6 m a c 層的調(diào)度架構采用帶寬再分配和補償?shù)姆椒ǎ粌H能夠滿足各 種業(yè)務的q o s 要求，還能夠對帶寬充分使用。最后用o p n e t 軟件對該調(diào)度架構進 行性能仿真，驗證了該架構的有效性。 無線i p 網(wǎng)絡q o s 技術研究 第二章無線l p 網(wǎng)絡0 0 s 技術 2 1 無線i p 網(wǎng)絡和0 0 s 的概念 無線i p 網(wǎng)絡一般是指無線終端接入碑網(wǎng)的網(wǎng)絡，例如w l a n 接入i n t e m e t ， 或是以別的空中接口接入i n t e m e t ，所以無線i p 網(wǎng)絡是一個集成無線蜂窩網(wǎng)絡、無 繩網(wǎng)絡、無線局域n ( w l a n ) 、短距離應用的藍牙等系統(tǒng)和固定的有線網(wǎng)絡為一體 的結構，各種類型的無線接入網(wǎng)都能無縫地接入基于口的核心網(wǎng)。它可以同時提 供包括語音、數(shù)據(jù)和視頻在內(nèi)的多媒體業(yè)務。無線口網(wǎng)絡概念模型如圖2 1 所示， 主要包括i p 核心網(wǎng)、移動站( m s ) 和基站( b s ) ，基站充當小區(qū)內(nèi)各m s 與有線i n t e m e t 網(wǎng)絡間的網(wǎng)關，使得各個m s 可以無縫地接入核心網(wǎng)。 圖2 1無線i p 網(wǎng)絡 當移動主機處在它的家鄉(xiāng)網(wǎng)絡( h o m en e t w o r k ) 時，完全由它的m 地址來標識， 這一地址稱為家鄉(xiāng)地址( h o m ea d d r e s s ) 。當移動主機移動到外地網(wǎng)絡時，外地代理 提供移動主機一個轉交地址，并將轉交地址通知給家鄉(xiāng)代理進行登記( 外地代理 是外地網(wǎng)絡中的一臺路由器，家鄉(xiāng)代理是家鄉(xiāng)網(wǎng)絡中的一臺路由器) 。任何通信對 端如果要與移動主機通信，它只需發(fā)送目的地址是移動主機的家鄉(xiāng)地址的i p 包即 可。而家鄉(xiāng)代理負責截取這些m 包，封裝成目的地址是移動主機的轉交地址的新 i p 包，然后發(fā)往外地代理，外地代理取出原始封包，并將原始口包轉交給移動節(jié) 點，這一過程稱為隧道過程。一個數(shù)據(jù)包被封裝在另外一個數(shù)據(jù)包的凈荷中進行 傳送時所經(jīng)過的路徑稱為隧道。從移動主機發(fā)往通信對端的口包無需經(jīng)過隧道過 程，可直接發(fā)送【”。 隨著i n t e r n e t 的迅速發(fā)展，i n t e m e t 已由單一的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)向多業(yè)務承載網(wǎng)演 進，以前那種以e m a i l 、文件傳輸?shù)葹橹鞯膯渭兊臄?shù)據(jù)傳輸業(yè)務已遠遠不能滿足用 戶的需求，一些多媒體應用如視頻點播( v i d e oo nd e m a n d ，v o d ) 、i p 電話、遠程 第二章 無線1 p 網(wǎng)絡q o s 技術 教學不斷涌現(xiàn)。這些不同的應用需要有不同的服務質(zhì)i ( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 要求。那么，q o s 到底指的是什么呢? i t u 2 t 標準化組織在e 8 0 0 中是這樣描述 q o s 的：q o s 是一種服務性能的綜合體現(xiàn)，這種服務性能決定了網(wǎng)絡在多大程度 上滿足業(yè)務用戶的要求。從根本意義上說，q o s 指網(wǎng)絡對業(yè)務性能要求的支持能 力。這里的性能要求是特定于不同業(yè)務的，即不同的業(yè)務有不同的性能要求。對 于通信網(wǎng)中的q o s ，上述性能要求可以用性能參數(shù)來描述，例如：業(yè)務可靠性、 時延、抖動、吞吐量和數(shù)據(jù)丟失率等。實際上，通信q o s 所涉及的主要評估標準 并不僅僅局限于上述五種性能參數(shù)，為了全面而準確地描述通信服務的q o s ，人們 構造了通用的q o s 概念模型。 通常對q o s 定義的理解可以分為三個方面：服務固有的q o s 、用戶感知的q o s 和用戶評價的q o s 。這三個方面自上而下構成了通用q o s 概念模型【6 】，如圖2 2 所示。此模型也是i t u ( 國際電信聯(lián)盟) 和e t s i ( 歐洲電信標準協(xié)會) 以及m t f ( 互 聯(lián)網(wǎng)工程任務組) 組織定義q o s 時所采用的方法。 通用模型 i?ugisi方法】erf方法 用戶評價如s j 用氣留的h 艫黎啉i 用戶尊知o 。s + 0 0 s + 服到的0 0 s 卜h 劃提供的0 0 s 服務固有o 磚同絡性能( n e t = o r kp e r f o r m a n c e n p ) q u a l i t yo f s e r v i c e 圖2 2 通用q o s 概念模型 服務固有q o s 屬于和服務特性相關聯(lián)的技術方面的范疇，因而，服務固有q o s 是由傳輸網(wǎng)絡設計的優(yōu)劣，以及網(wǎng)絡接入、中止和連接的提供情況所決定的。除 了其他一些必要的工作外，通過適當?shù)剡x擇傳送協(xié)議、q o s 保證機制和相關參數(shù) 的數(shù)值，就能夠得到特定應用所要求的q o s 。對服務固有q o s 的評價需要通過對 可測量的、用戶所期望的性能特性進行比較來實現(xiàn)，用戶對q o s 的主觀感知評價 不會影響服務固有q o s 的等級。 用戶感知的q o s 反映了用戶對使用特定服務的體驗。它受觀察到的服務性能 和用戶期望相比較后的比較結果的影響。因而，對于不同的用戶，具有相同固有 q o s 特性的服務會得到不同的評價。實際上，僅僅確保特定的服務性能參數(shù)還不 足以保證能夠滿足用戶的q o s 要求，服務提供者提供的q o s 必須在反映固有q o s 6 無線i p 網(wǎng)絡q o s 技術研究 特性的同時，還反映一些對用戶有意義的以及和特定用戶群體期望相關聯(lián)的非技 術參數(shù)。 只有當用戶決定是否繼續(xù)使用電信服務時，服務提供者才能知道相應服務的 “用戶評價q o s ”，這一決定取決于被感知q o s 、服務價格、以及服務提供者受理 用戶抱怨和服務問題的響應情況。在這里，為客戶提供服務時的態(tài)度是影響用戶 評價q o s 等級水平的一個重要因素。 q o s 定義所包含的這三個方面的用戶滿意程度可以分別考慮。首先，它是網(wǎng)絡 提供者的職責，并依賴于網(wǎng)絡體系結構、規(guī)劃和管理。它是工程師、設計人員和 網(wǎng)絡運營商處理的一個重要的技術問題。其次，針對提供的特定服務進行調(diào)整后 的固有q o s 性能的合理使用，同時結合適當?shù)氖袌龇治?，對于確保高水平的被感 知q o s 是非常必要的，這是服務提供者的責任。廣告和市場效果也會影響被感知 q o s 。最后，被評價q o s 主要依靠服務提供者的收費策略，以及可信賴的用戶服 務人員和技術支持水平。 i t u e t s i 提出的定義方法中的q o s 沒有涉及到用戶評價q o s ，并且較為關注 用戶感知的q o s 。另外，在技術層面上還提出了網(wǎng)絡性能( n e t w o r kp e r f o r m a n c e ，n p ) 的概念，它是對應于服務固有q o s 的。i t u 和e t s i 還提出了四種不同的q o s 視 角：用戶的q o s 需求；服務提供者計劃提供的q o s ：服務提供者達到的q o s ；用 戶感知的q o s 。這四個視角描述形式相結合能夠非常準確而全面地對q o s 進行描 述，是進一步有效實現(xiàn)q o s 管理的基礎。在使用網(wǎng)絡服務時，每次用戶投入的流 量，用戶的q o s 需求，與服務提供者計劃提供的q o s 服務相對照，服務提供者與 用戶必須制定一個兩者都同意的q o s 服務等級，他們商量好的內(nèi)容就叫做q o s 服 務等級協(xié)議( s l a ：s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ) 。s l a 規(guī)定了服務提供者必須提供的服 務以及服務提供者沒有達到目標時所受到的懲罰口l 。 i e t f 定義方法中的q o s 關注于服務固有q o s ，并不涉及到用戶感知q o s ，它 關心的是網(wǎng)絡的結構、容量、可靠性和有效性，這與i t u e t s i 定義的n p 很接近。 i e t f 提出了兩種重要的q o s 服務模型：i n t s e r v 和d i f f s e l v ，還標準化了資源預留 協(xié)議( r s v p ) ，在下節(jié)我們將研究這兩種重要的q o s 服務模型。 2 2 1i n t s e r v 模型 2 2 q o s 服務模型 對于有線i p 網(wǎng)絡，i e t f 在早期提出了i n t s e r v 模型。i n t s e r v 模型又稱為集成 服務模型，其基本思想是在傳送數(shù)據(jù)之前，根據(jù)業(yè)務的q o s 需求進行網(wǎng)絡資源預 第二章 無線i p 網(wǎng)絡q o s 技術 7 留，從而為該數(shù)據(jù)流提供端到端的q o s 保證。為此，集成服務通常采用面向流的 資源預留協(xié)議( r s v p ) ，在流傳輸路徑上的每個節(jié)點為流預約并維護資源。i n t s e r v 模型除了傳統(tǒng)的盡力而為服務業(yè)務外，還提供了保證型業(yè)務( c , u a r a n t e e ds e r v i c e ) 和 控制負載型業(yè)務( c o n t r o l l e d - - l o a ds e r v i c e ) 。他們分別適用于實時性業(yè)務和要求可靠 傳輸?shù)臉I(yè)務。 在i n t s e r v 模型中，以資源預留協(xié)議( r s v p ) 作為其主要指令，用來在網(wǎng)絡各級 路由器上預留網(wǎng)絡資源，提供q o s 服務。i n t s e r v 的工作過程為：發(fā)送端在發(fā)送數(shù) 據(jù)流之前，利用r s v p 發(fā)送一個路徑消息( p a t hm e s s a g e ) ，路徑消息中包含發(fā)送端 到接收端的路由信息以及對業(yè)務流的描述，如平均速率、峰值速率、包長和最大 時延等，但r s v p 協(xié)議并不解釋這些參數(shù)。當數(shù)據(jù)通路上的某臺路由器收到這個 p a t h 消息時，它就把該數(shù)據(jù)流的狀態(tài)信息保留下來。當接收端收到該p a t h 消息 時，它產(chǎn)生一個r e s v 消息表示q o s 請求并把它返回給發(fā)送端。r e s v 消息將在 與p a t h 消息相同的路徑上反方向轉發(fā)，沿途路由器根據(jù)請求保留資源。因為每臺 路由器在數(shù)據(jù)流轉發(fā)的過程中都保存了狀態(tài)信息，由r s v p 控制信息周期性地刷 新，因此需要在端到端的通信中周期性地交換p a t h 和r e s v 消息。在無刷新信 息的情況下，狀態(tài)信息會因超時而刪除 s l 。 這種模型的優(yōu)點是能提供端到端的絕對的q o s 保證，但這種模型在實現(xiàn)上是 非常困難的，主要體現(xiàn)在：第一，由于預留是基于每個流而進行的，因此使得節(jié) 點要保留每個流的狀態(tài)信息，導致核心路由器負擔太重，因此可擴展性很差。第 二，網(wǎng)絡中每個節(jié)點都要維護各類數(shù)據(jù)庫，并實現(xiàn)復雜的功能模塊( 如資源預留、 路由、接納控制等) ，造成了極大的復雜性。 2 2 2d i f f s e r v 模型 由于i n t s e r v 模型的局限性，i e r f 又提出了d i f f s e r v 模型，又稱為區(qū)分服務模 型。與i n t s e r v 相比，d i f f s c t v 定義的是一個相對簡單而粒度粗一些的模型，針對 的是流聚合后的每一類q o s 控制，而不象i n t s e r v 那樣針對每個流。它實質(zhì)是給業(yè) 務分級，在用戶和業(yè)務網(wǎng)的接口處，即在網(wǎng)絡的邊界對業(yè)務分類，對每個數(shù)據(jù)包 的不同標識進行分級。在邊界上盡可能地對業(yè)務進行調(diào)整，若是同一級別的業(yè)務， 則在該網(wǎng)絡域中被聚合在一起統(tǒng)一傳送，這種分類操作是基于包頭的內(nèi)容對業(yè)務 數(shù)據(jù)包進行的。 d i f f s e r v 具體操作是，將口包頭中的i p v 4 的t o s 域或i p v 6 的流類型域重新 定義為d s 標識域( d s c p ) ，用于標識業(yè)務的質(zhì)量需求類型。網(wǎng)絡節(jié)點讀取數(shù)據(jù)包 的d s c p 值，根據(jù)已建立的d s c p 與每一跳轉發(fā)方式( p h b ) 之間的映射關系，選擇 相應的p h b 對數(shù)據(jù)包進行處理，這種處理主要指以保證不同業(yè)務需求質(zhì)量的策略 8 無線i p 網(wǎng)絡o o s 技術研究 體系( 隊列策略、丟包策略等) 為基礎的資源( 帶寬和緩沖區(qū)) 分配。值得注意 的是，p h b 并不是路由選擇的條件。d i f f s e r v 體系中路由器有邊界路由器和核心路 由器之分。在網(wǎng)絡內(nèi)部的核心路由器中只保存簡單的d s c p 與p h b ( 每跳行為) 的對應機制，根據(jù)數(shù)據(jù)包頭部中的d s c p 值對數(shù)據(jù)包進行相應的優(yōu)先級轉發(fā)，而 業(yè)務流狀態(tài)信息的保存與流量機制的實現(xiàn)等都在網(wǎng)絡邊界節(jié)點進行，內(nèi)部節(jié)點是 與狀態(tài)無關的。 d i f f s c r v 工作組已經(jīng)定義了下面的d s c p 與p h b 的映射關系，但同時也允許 服務提供者自行定義具有本地意義的映射關系。加速轉發(fā)( e f ) ：e fp h b ( 或e f ) 的 流量不受其他p h b 流量的影響，確保包的離開速率高于所規(guī)定的值。能提供低丟 包率、低延遲、低抖動和有保證的帶寬服務。保證轉發(fā)( a d - a f 為i p 包提供不同 級別的轉發(fā)特征。支持a fp h b 的路由器必須支持4 個分別獨立的類。路由器為4 類a f 中的每類都分配特定數(shù)量的轉發(fā)資源( 比如緩沖區(qū)和帶寬) 。4 個類中分別 設有等級1 、等級2 、等級3 的三個等級。如果網(wǎng)絡擁塞時，就按照優(yōu)先級低的順 序丟棄，優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)包盡可能直接轉發(fā)1 9 】。 與i n t s c r v 相比，d i f f s e r v 有很大的優(yōu)越性。第一，在網(wǎng)絡節(jié)點不需要維護每個 流的信令或狀態(tài)。第二，可以將許多單個流匯聚映射成一些較少的特殊業(yè)務流， 使得其可擴展性和升級性明顯優(yōu)于i n t s e r v 。第三，d i f f s e r v 中每個單獨的主機或應 用程序都可不需要修改就能接收具有優(yōu)先級的服務，對進入網(wǎng)絡的分組進行分類、 標記及可能的調(diào)整都是由外界路由器完成的，與此類似，核心和路由部件也只需 很少的改動或幾乎不需改動。目前在i p 網(wǎng)中區(qū)分服務得到了絕大部分廠家的支持， 其具體實現(xiàn)技術包括分類、標記、流量整形、擁塞避免、隊列調(diào)度等。但區(qū)分服 務也有自己的局限性，主要體現(xiàn)在：區(qū)分服務只承諾相對的服務質(zhì)量，不能提供 端到端的o o s ，因而不能對用戶提供絕對的服務質(zhì)量保證。 對于無線口網(wǎng)絡來說，它的拓撲結構和資源都在動態(tài)變化，要提供服務質(zhì)量 保證比固定網(wǎng)絡更為困難。目前，根據(jù)無線和移動環(huán)境的特點，人們對原有的q o s 服務模型作了改進，下面我們來進行簡單的研究。 2 2 3 無線移動環(huán)境下的i n t s e r v 和r s v p 目前的r s v p 不適合于移動i p 網(wǎng)絡，主要原因是它無法感知主機的移動，因 而不能在移動主機即將訪問的位置上提前預留資源，當主機移動到新的子網(wǎng)后往 往因缺乏資源而形成服務質(zhì)量下降。另外，目前的r s v p 不支持經(jīng)過i p 隧道的資 源預留，因此不能適應無線口網(wǎng)利用隧道傳送數(shù)據(jù)時的服務質(zhì)量要求。為了克服 r s v p 的缺陷，學者們提出了以下幾種解決方案。 1 ) m r s v p o o l 第二章 無線i p 網(wǎng)絡q o s 技術 9 m r s v p 是一種擴展r s v p 支持移動性的方案。在m r s v p 中，協(xié)議預測移動 主機下幾跳可能到達的位置。并在這些位置提前預留資源，從而保證移動主機的 q o s ，但協(xié)議本身并沒有提出具體的路徑預測算法。提前預留資源的工作由每個子 網(wǎng)中的移動代理代替主機來完成。 在m r s v p 中有兩種資源預留類型，即主動資源預留和被動資源預留。主動資 源預留用于移動主機當前的實際會話路徑；被動資源預留用于移動主機的預測會 話路徑。被動資源預留可以被其他業(yè)務流使用。當預測會話路徑由于移動主機的 切換變成實際會話路徑時，該路徑上的被動資源預留即轉變?yōu)橹鲃淤Y源預留，如 果當時有其他業(yè)務流正在使用被動預留資源，那么該業(yè)務流需要立刻釋放所占資 源。由于m r s v p 在移動主機可能到達的位置提前預留資源，使得移動主機可在新 位置獲得所需資源的概率增加，從而以更大的概率保證了移動主機的服務質(zhì)量。 2 ) 支持隧道的r s v p t ”1 r s v p 隧道描述了一個m 隧道的增強機制，它提供了把r s v p 消息傳輸于口 隧道的信令，使得r s v p 可以通過i p 隧道預留資源，解決了r s v p 信令的不可見 問題。首先，發(fā)送節(jié)點發(fā)送一個端到端p a t h 消息。隧道入口點封裝此端到端p a t h 消息并把消息發(fā)送到隧道出口點進行解封裝，然后繼續(xù)傳送。當一個相應的端到 端r e s v 消息到達隧道出口點時，隧道出口點封裝r e s v 消息，并發(fā)送到隧道入 口點。根據(jù)端到端p a t h 消息中的信息和端到端r e s v 消息中的流說明，隧道入 口點把端到端會話映射到一個隧道會話，發(fā)送一個對應于上述端到端會話的隧道 p a t h 消息，建立一個新的隧道。隧道出口點發(fā)送一個隧道r e s v 消息來響應隧道 p a t h 消息，并在隧道內(nèi)預留資源。 3 ) h m r s v p 1 2 】 h m r s v p 是一種分層m o b i l ei p ( 移動i p ) 和m r s v p 相結合的分層m r s v p 方案，該方法充分利用了分層m o b i l ei p 的特點，通過m r s v p 和移動i p 區(qū)域注冊 來實現(xiàn)服務。目前有三種h r s v p 方案，分別稱之為h m r s v p 。 t 3 】，h m r s v p ， 1 4 1 和 h m r s v p 一【1 5 l 。 2 2 4 無線移動環(huán)境下的d i f f s e r v d i f f s e r v 是針對靜態(tài)環(huán)境即固定主機和固定網(wǎng)絡而設計的，由于無線資源的有 限和q o s 請求的高度動態(tài)性，因而并不完全適應于移動環(huán)境。主要原因有兩個： 一是沒有信令，不能做到實時控制。另一個原因是不能動態(tài)配置服務質(zhì)量參數(shù)。 因此，考慮到無線鏈路的特征，要對d i f f s e r v 進行以下的強化1 1 6 1 ： 1 ) 有效的信令機制 在無線網(wǎng)絡里一種簡單而有效的信令體系是很必要的，因為：首先，當用盧 1 0 無線i p 網(wǎng)絡q o s 技術研究 在進行移動和功率控制時，基站與移動用戶之間需要有很多的參數(shù)交互。為此， 引入了一種改進的i c m p 協(xié)議來實現(xiàn)基站和用戶之間的參數(shù)交互。 2 ) 動態(tài)的自適應無線資源分配 無線鏈路的資源是少量而珍貴的，q o s 控制要在多種類型業(yè)務之間實現(xiàn)無線 資源的共享，可以采用一種基于優(yōu)先級別的隊列調(diào)度算法( c b q ) 來進行數(shù)據(jù)包的調(diào) 度，并根據(jù)當前的有效帶寬情況和數(shù)據(jù)流特性動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)流的級別。 3 ) 移動性管理 當有移動用戶切換進入一個新的基站服務區(qū)域時，該基站必須滿足此用戶的 帶寬分配請求，因為服務質(zhì)量如果由于切換而突然下降對于用戶來說是難以容忍 的。為此，可以設計一種新的服務級別n e w - - m o b i l e 來表示剛切換來的用戶，在 調(diào)度器中，該級別處于優(yōu)先的位置。每個新切換來的移動用戶都可以在一定時間 內(nèi)享用此優(yōu)先級別，經(jīng)過一段時問后再重新根據(jù)該用戶的業(yè)務流量特性重新審定其 級別。另外一種解決方案是為這類用戶預留一定的帶寬，在沒有切換用戶時，這 份帶寬可以被本區(qū)域內(nèi)的其他用戶使用。當有一個用戶移出小區(qū)時，空出的帶寬 會在剩下的用戶中重新分配。 2 2 5 無線i n t s e r v 和無線d i f f s e r v 結合 從上述分析可以看出，i n t s e r v 和d i f f s e r v 這兩種服務模型各有自己的長處和 局限，都不能完全滿足需要。但兩者具有結合的可行性，i n t s e r v 提供了種在異 構網(wǎng)絡元素之上提供端到端q o s 的方法，所以可以將d i f f s e r v 網(wǎng)絡視為更大的 i n t s e r v 網(wǎng)絡中的一種網(wǎng)絡元素。在網(wǎng)絡邊緣放置i n t s e 瓜s v p 區(qū)域，在核心放置 d i f f s e r v 區(qū)域【1 7 1 ，主干網(wǎng)中的d i f t s e r v 看成i n t s e r v 的一跳，如圖2 3 所示。另一 方面，為了支持這樣的集成框架，d i f f s s e v 區(qū)域必須滿足以下需求：( 1 ) 端到端的 r s v p 信令至少應該被透明地傳過d i t y 3 e r v 區(qū)域。( 2 ) 必須能夠在d i f f s e r v 區(qū)域的邊 界路由器之間為標準的i n t s e r vq o s 服務提供支持，在d i f f s e r v 區(qū)域內(nèi)部用p h b 來調(diào)用這些服務。( 3 ) 必須在d i i t s e r v 區(qū)域的邊界節(jié)點執(zhí)行適當?shù)目刂疲芾怼?( 4 ) d i f f s e r v 區(qū)域必須為其他網(wǎng)絡提供接納控制以便于資源的利用。 曩疆覦霸一靖 圖2 3 i n t s e w 和d 丘s e r v 結合 根據(jù)以上研究我們可以看出，無線環(huán)境下的q o s 策略的發(fā)展趨勢是在核心網(wǎng) 第二章 無線i p 網(wǎng)絡q o s 技術 采用d i f f s e r v ，在無線接入網(wǎng)采用i n t s e r v ，無線接入網(wǎng)內(nèi)用信令協(xié)議支持動態(tài)資源 分配；資源分配信令可以和移動主機位置管理信令相結合，以加快資源分配過程， 減少信令開銷。 2 3 1q o s 網(wǎng)絡結構 2 3q o s 網(wǎng)絡的結構 從q o s 的角度看，網(wǎng)絡是由主機、路由器、鏈路、策略服務器( p o l i c ys e r v e r ) 、 帶寬管理器( 網(wǎng)絡服務器的一種) 構成的0 5 1 。網(wǎng)絡結構如圖2 a 所示。下面簡單 介紹這些構成網(wǎng)絡的元素。 路由器 路由器路由器 bc 圖2 4q o s 網(wǎng)絡結構 數(shù)據(jù)流 控制流 1 ) 主機 主機上的應用是收發(fā)流的主體。應用在發(fā)送之前先向網(wǎng)絡提出流的q o s 要求。 2 ) 鏈路 鏈路是把數(shù)據(jù)傳送至遠方的媒介。包括專用線，還有l(wèi) a n 、a t m 網(wǎng)絡、無線 網(wǎng)等，使用這些鏈路來實現(xiàn)q o s 時，有一些特殊要求需要考慮。 3 ) 邊界，核心路由器 每個q o s 區(qū)域的入口及出口的路由器稱作邊界路由器，除此之外的路由器稱 作核心路由器。一般來說，路由器就是執(zhí)行流量控制。即執(zhí)行送出數(shù)據(jù)包順序的 控制，或者選擇丟棄數(shù)據(jù)包，給每個流分別賦予被指定的q o s 。而一般邊界路由 器還設有接納控制和流量調(diào)節(jié)機構。接納控制用于當中請q o s 服務時，判斷該申 請是否可以被接受。流量調(diào)節(jié)機構用于確認流入及流出q o s 區(qū)域的流是否滿足事 先指定好的條件( 平均輸入速率、最大速率、最大脈沖長度、最大數(shù)據(jù)包長度等) 。 無線艫網(wǎng)絡q o s 技術研究 如果符合條件，就進入下一個流量控制階段。如果不符合，就將數(shù)據(jù)包整形至符 合條件。 4 ) 策略服務器 代辦路由器的接納控制、資源準備的部分。例如，向有q o s 要求的用戶回答 其是否有提出要求的權利，以及提出的q o s 要求是否可以被接受。并且將管理服 務準備、資源準備的信息，傳遞給每個路由器。它還負責將網(wǎng)絡管理員的網(wǎng)絡運 用策略傳遞給每個路由器，例如指定分配給盡力而為服務流的數(shù)據(jù)傳輸率的大小 等。 5 ) 帶寬管理器 帶寬管理器總是掌握著全網(wǎng)絡的資源使用情況。每個路由器應該具有向帶寬 管理器提供該路由器的資源量以及它的使用情況的信息的通信功能。 2 3 2 路由器工作原理 在構成q o s 網(wǎng)絡的元素中，路由器是較為重要的一個部件。下面我們來研究 一下路由器的工作原理。路由器的功能，本來只具有普通路由的作用，但為了執(zhí) 行q o s 功能，就在以前的路由器加上了三個功能：接納控制機構、流量調(diào)節(jié)機構、 流量控制機構。它的工作原理如圖2 5 所示，我們從數(shù)據(jù)平面和控制平面兩個方面 來研究。 數(shù)據(jù)平面 直接在用戶數(shù)據(jù)包里加入q o s 控制。它分為以下幾個方面 1 ) 流量調(diào)節(jié)機構 設置在每個路由器的輸入輸出端口。輸入數(shù)據(jù)包按照流分類，分別檢查是否 滿足被指定的流的特性。如果滿足，就讓它通過。如果不滿足，就按照流量調(diào)節(jié) 的框架處理。作為處理的例子有丟棄、延遲、標記等。 2 ) 轉發(fā)( f o r w a r d i n g ) 。這個功能可以是普通路由器的操作。參照每個數(shù)據(jù)包的包頭內(nèi)的發(fā)送目的地 和路由器內(nèi)的路由選擇表，選擇路由器的輸出端口，并向端口傳送。但是現(xiàn)在的 i n t e r n e t 路由協(xié)議都采用單個測度( 如跳數(shù)、成本) 來計算最短路由，沒有考慮多 個q o s 參數(shù)的要求。因此我們可以考慮采用不同與以往路由策略的q o s 路由來滿 足業(yè)務的0 0 s 要求【1 9 l 。q o s 路由根據(jù)多種不同的度量參數(shù)( 如帶寬、成本、每一 跳開銷、時延、可靠性等) 來選擇路由。它包括三個主要功能：鏈路狀態(tài)信息發(fā) 布，路由計算和路由表存儲。q o s 路由的主要目標是為接入的業(yè)務選擇滿足其服 務質(zhì)量要求的傳輸路徑，同時保證網(wǎng)絡資源的有效利用。q o s 路由能夠滿足業(yè)務 的q o s 要求，同時提高網(wǎng)絡的資源利用率。但是q o s 路由的計算十分復雜，增加 第二章 無線i p 網(wǎng)絡q o s 技術 了網(wǎng)絡的開銷，目前實用的q o s 路由算法還不多見。 3 ) 流量控制機構 將從路由器內(nèi)的多個輸入端口向特定的輸出端口傳送的數(shù)據(jù)包按流或d s 字 節(jié)分類，使得每個流或流的集合都滿足被指定的特性，執(zhí)行流量控制。流量控制 包括隊列管理和調(diào)度。隊列管理就是對隊列長度的控制，調(diào)度就是對隊列送出順 序的控制。調(diào)度算法有多種，其中包括f i f o ( 先入先出) ，優(yōu)先級調(diào)度，循環(huán)調(diào)度， w f q 加權公平調(diào)度、自同步公平調(diào)度、w f 2q 、虛擬時鐘調(diào)度、基于分類調(diào)度等 算法。 4 ) 數(shù)據(jù)包分類機構 流量調(diào)節(jié)機構和流量控制機構的內(nèi)部設置有數(shù)據(jù)包分類機構，它將分類出作 為流量調(diào)節(jié)機構和流量控制對象的數(shù)據(jù)包。 ( 控制平面) ic o p s ，s n 咿l控制臺 - 一 圖2 5路由器工作原理圖 控制平面 為了數(shù)據(jù)平面能夠更好地工作，控制平面有參數(shù)設定、信息收集、發(fā)送等支 撐功能。它分為以下幾個方面 1 ) 接納控制 判斷從應用來的q o s 要求是否能夠被接受，并將結果回復。為此路由器管理 每個流的資源信息、服務信息。 2 ) r s v p 控s j j 資源準備 設定接納控制、流量調(diào)節(jié)機構、流量控制機構等所需要的參數(shù)。并且為此與 收發(fā)主機、相鄰的路由器交換需要的數(shù)據(jù)。 3 ) 路由選擇的處理 1 4 無線i p 網(wǎng)絡q o s 技術研究 執(zhí)行通常的路由選擇處理。也就是說，按照路由選擇協(xié)議、開放最短路徑優(yōu) 先等，制作路由選擇表。并且，將路由選擇的信息傳給其他的路由器。 4 ) 外部接口的控制 外部接口的控制是與外部的接口。例如，使用c o p s 協(xié)議、s n m p 協(xié)議、控 制接口等，執(zhí)行與策略服務器和與操作員的通信。 5 ) 構成控制 依據(jù)從接納控制、r s v p 、外部接口傳來的指令，設置數(shù)據(jù)平面所需要的操作 參數(shù)。