（通信与信息系统专业论文）下一代移动通信网络服务质量保障机制研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 下一代移动通信网络将是多种接入方式融合的全口网络，具有口网络所 固有的简单性、灵活性、健壮性等优势。然而，下一代网络应用所涌现出的一 些新需求又是现有的口协议无法满足的，其中最突出的就是服务质量的需求， 而资源预留技术被认为是解决下一代移动通信网络服务质量问题的关键技术之 一。在下一代移动通信网络中，网络混合、异构的特点为多模通信的应用提供 了广阔的前景，但在移动终端有多个接口同时活跃、多个业务流同时运行的情 况下，如何为新到达业务流或者待切换业务流选择目标网络，如何保障业务流 在多个无线接口之间切换，是亟待解决的问题。因此，研究下一代通信网络服 务质量保障机制具有十分重要的意义。 本文在仔细分析下一代移动通信网络中各种业务类型的不同服务质量需求 的基础上，首先从单模移动用户出发，提出了一种移动i p v 6 快速资源预留方案。 通过仿真分析，可以看出该方案能够很好的保障单模终端在移动环境中的服务 质量。接着，针对多模移动终端以及多业务流切换的特点，本文提出了一套基 于多模终端的系统框架，并在此基础上，为该系统框架的决策模块和切换执行 模块，分别提出了基于赋权的二分图匹配多业务流决策算法和基于多模终端的 业务流切换算法。仿真结果表明，二分图匹配决策算法能够较好地保障系统的 整体满意度，业务流切换算法能够帮助多模终端实现不同接口之间的数据流切 换，二分图匹配决策算法和业务流切换算法的有机结合，能够较好的保障多模 终端在移动环境中的服务质量。 关键词：服务质量；异构无线网络；，多模终端；资源预留；赋权二分图匹配； 流切换； 西南交通大学硕士研究生学位论文第f l 页 a b s t r a c t t h en e x tg e n e r a t i o no fm o b i l en e t w o r k g m n ) i sam u l t i p l ea c c e s sm o d e i n t e g r a t e d ，a l l i pb a s e df r a m e w o r k ，a n dt h e r e f o r ei tp o s s e s s e st h ei n h e r e n ta d v a n t a g e s 0 f 口n e t w o r k ss u c ha ss i m p l i c i t y , f l e x i b i l i t y , r o b u s t n e s se t c h o w e v e r , s o m en e w d e m a n d sf r o mn g m n a p p l i c a t i o n sc a n n o tb em e tb yt h ei pp r o t o c o l ，t h em o s t p r o m i n e n to fw h i c hi st h eq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) s u p p o r t r e s o u r c er e s e r v a t i o ni s c o n s i d e r e da so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e st os o l v et h eq o sp r o b l e m si nt h en e x t g e n e r a t i o nm o b i l en e t w o r k i nt h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l en e t w o r k , t h eh y b r i da n d h e t e r o g e n e o u s n e t w o r kd e p i c t sap r o s p e c t i v es c e n a r i oo fm u l t i m o d em o b i l e c o m m u n i c a t i o n w h e nt h e r ea r es e v e r a li n t e r f a c e sa n df l o w s ，s o m el l e wp r o b l e m s s h o u l db es o l v e ds u c ha sh o wam u l t i - h o m e dh e s tm o b i l et oc h o o s et h eb e s tn e t w o r k i n t e r f a c e sf o rf l o w ss i m u l t a n e o u s l y , h o wt oh a n do f ff l o w sa m o n ga l li n t e r f a c e s0 1 1a m o b i l en o d e i ti sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c er e s e a r c h i n go nq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) m e c h a n i s mi nt h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l en e t w o r k s t h i st h e s i sa n a l y z e st h ed i f f e r e n tq o sr e q u i r e m e n t so fv a r i o u s t y p e so f a p p l i c a t i o n s i nn e x tg e n e r a t i o nm o b i l en e t w o r k s f i r s to fa l l ，a c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n tc a t e g o r i e so fa p p l i c a t i o n sa n ds i n g l e - h o m e dh o s t , ar e s o u r c er e s e r v a t i o n p r o t o c o lf o rm o b i l ei p v 6i sp r o p o s e d f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw ec a nf i n dt h a t t h i sp r o t o c o lc o u l dg u a r a n t e eq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) o ft h eh o s ti nm o b i l en e t w o r k s e c o n d l y , b a s e do nt h em u l t i h o m e dh o s ta n df l o wc h a r a c t e r i s t i c ，t h et h e s i sp r o p o s e s as y s t e mf r a m e w o r kb a s e dm u l t i h o m e dh o s t ，t h e nan e t w o r ks e l e c t i o na l g o r i t h m b a s e do nw e i g h t e db i g r a p hm a t c h i n gf o rd e c i s i o nm o d e lo ft h es y s t e mf r a m e w o r k a n daf l o wh a n d o f fa l g o r i t h mb a s e do nm u l t i h o m e dh o s tf o rh a n d o f fe x e c u t i o n m o d e lo ft h es y s t e mf r a m e w o r ka r ep r o p o s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e n e t w o r ks e l e c t i o na l g o r i t h mc a ng u a r a n t e et h es y s t e ms a t i s f a c t i o nr a t i oa n dt h ef l o w h a n d o f fa l g o r i t h mc a ns u p p o r tt h ef l o ws e a m l e s sh a n d o f fb e t w e e na l li n t e r f a c e so na m u l t i - h o m e dh o s t c o m b i n i n gt h en e t w o r ks e l e c t i o na l g o r i t h mw i t ht h ef l o wh a n d o f f a l g o r i t h m ：t h eq o so ft h em u l t i h o m e dh o s ti nm o b i l ee n v i r o n m e n tc a nb ee n s u r e d s u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ) ，h e t e r o g e n e o u s w i r e l e s s n e t w o r k ， m u l t i h o m e dh o s t ，r e s o u r c er e s e r v a t i o n ，f l o wh a n d o f f 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密嗍用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名；董雯霞 日期：2 0o 罗耳，j 鼋f - 目 指导老师签名：邓手 日期：占；1 ，7 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行 研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 提出了一种应用于移动i p v 6 网络的资源预留方案。该方案 利用现有移动预测算法在切换目标小区中提前给会话预 留资源，也就是在切换的两个邻居小区之间提前建立邻居 资源预留隧道，当移动节点发生切换后，可以立即使用提 前建好的隧道进行通信。 2 提出了一套基于多模终端的系统框架。在综合考虑了未来 网络的异构性和未来终端的特点的基础上，提出了一套基 于多模终端的系统框架。此系统框架包括5 个模块：监测 模块、业务识别模块、决策模块、切换执行模块和执行结 果反馈模块。各模块间相互协作。 3 为多模移动终端的系统框架中的决策模块提出了一种基于 赋权二分图匹配业务流决策算法。该算法不考虑业务流之 间的属性差异，将业务流选择网络问题建模为二分图最优 匹配问题。二分图的一部分是业务流节点集合，另外一部 分是网络节点集合。业务节点与网络节点之间有一个匹配 度，然后按照一对多( 一个网络可以承载多个业务) 原则 构造二分图的最优匹配方案，在取得整体匹配度最大的目 标下，帮助业务流选择合适的网络。 4 为多模移动终端框架中的切换执行模块提出了一种基于多 模终端的业务流切换算法。该切换算法针对多模终端的特 点，通过扩展传统的移动i p 协议，在原来的绑定更新消 息上增加一个新的对象，使其支持同一个多模终端上数据 流的分离，使单个数据流在不同的接口之间的无缝切换。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章前言 网络与通信技术的迅猛发展给人们生活带来便利的同时，也给研究人员提 出了新的课题，尤其在复杂异构的多网络多模移动通信环境中，如何保证多模 终端的服务质量便是非常重要的问题之一。本章首先介绍在异构复杂的环境中 解决多模终端服务质量问题的研究背景以及研究现状，然后阐释论文的创新点， 最后给出文章后续内容的组织安排。 1 1 课题研究背景与意义 1 1 1 下代通信网络的发展趋势 近些年来，随着无线通信技术的迅猛发展和人们对移动接入需求的不断增 加，无线移动通信网络的相关产业正在飞速成长；根据全球移动供应商联盟公 布的统计数据，截止到2 0 0 8 年3 月，全世界的移动通信用户数量已达到2 8 ：8 7 亿【，可以预见，移动通信及其服务将会是未来信息领域发展最快的产业。 目前，人们对未来网络的组成上达成一种共识：下一代网络是多种接入方 式融合的基于全坤+ 体系架构的网络【2 】【3 】。通过移动和无线通信系统接入i n t e m e t 的方式可以把通信技术分为两大类，一类是基于蜂窝的技术，如c d m a 、g p r s 等；另一类是基于局域网的技术，如w l a n 、b l u e t o o t h 等。w i a n 等局域网技 术可以提供较高带宽，但其物理覆盖范围非常有限。而g p r s 等广域具有覆盖 面积大等优点，但它们提供的带宽较低。目前，没有哪一种无线技术能够向用 户同时提供低时延、低功耗、低成本、高带宽的服务。因此，多种无线网络技 术融合是一种必然趋势，如图1 1 所示。 1 1 2 移动环境下的0 0 s 保障 如前所述，下一代移动通信网络将是一个多种接入方式融合的全i p 网络， 该网络具有口网络所固有的简单性、灵活性、健壮性等优势，然而下一代网络 应用所涌现出的一些新需求又是现有的口协议无法满足的，这其中最突出的就 是服务质量( q u m i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 的需求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 图1 1 ：混合异构的下一代移动通信网络结构示意图 q o s 定义了一个系统的非功能化特征，通常指用户对通信系统提供服务的 满意程度。r f c 2 3 8 6 4 】将q o s 看作是网络在从源节点到目的节点传输分组流时 需要满足的一系列服务要求。不同的应用具有不同的q o s 需求，网络提供特定 q o s 的能力依赖于网络自身及其采用的网络协议的特性：对于传输链路而言， 包括链路时延、吞吐量、丢包率和出错率；对于网络节点而言，包括处理速率 和内存空间等；此外，运行在网络各层的q o s 控制算法和协议也会影响网络的 q o s 支持能力。 移动网络的服务质量保障比固定网络更加困难，在移动环境中提供q o s 支 持主要受到以下一些因素的影响【5 j ： 1 ) 受到无线链路特性的影响。包括低带宽、高比特误码率、功率限制等； 2 ) 受到用户移动性的影响。移动节点在通信过程中可能发生切换，而切换 会影响到会话的端到端服务质量，包括时延、抖动、丢包率、掉话率等： 3 ) 无法确定在移动节点访问的新小区中是否有足够资源可以支持会话； 4 ) 移动口协议的隧道机制使得某些服务质量控制信息变得不可见： 1 1 3 移动环境下开展资源预留技术研究的意义 资源预留技术被认为是解决下一代移动通信网络服务质量问题的关键技术 之一，在移动环境下开展资源预留带来的收益有： 1 ) 能够改善多媒体实时业务的时延、时延抖动等性能指标。通过在传输路 径上为多媒体会话预留资源，使得该会话数据能在规定的时限内被转发 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 和传递出去，从而确保会话数据及时到达通信对端； 2 ) 能够降低正在进行中的通话被迫中断的概率。在移动环境下，通过在切 换目标小区中给切换会话提前预留一定的资源可以减少移动用户切换 到新小区后因为资源不足而被迫中止通话的概率； 综上所述，在移动环境中开展资源预留技术的研究具有十分重大的意义。 1 1 4 多模通信系统中业务流决策切换问题 伴随着微电子技术、i p v 6 技术和无线通信处理技术的进步，未来的终端设 备将是配备多种无线收发装置的多模通信终端，也可称作多模终端【6 】，这种终 端可以同时接入多种网络，可以给人们带来更大的便捷。 多模终端的伺世使得用户可以用一个设备访问多种无线接入网络，图1 2 给出了未来多模移动通信的一个典型的应用场景示例。多模终端上并发运行着3 个会话v 0 口、e m a i l 和f t p 。3 种会话有着不同的业务特征以及服务质量需求， 理想的传输方案是：对于v o i p 业务，因为对时延、抖动比较敏感，应该选择服 务质量好的g s m 或u m t s 网络传输；e m a i l 因为数据量小、实时性要求不高， 可以使用g p r s 或w i f i 传输；而对于数据量较大、实时性要求不高的f t p 业 务则选择使用收费最为低廉、带宽最大的w i f i 进行传输。 图1 2 ：多模终端通信示意图 从上面的叙述可以看出，这种多模通信方式的实现存在如下困难： 1 ) 当多模终端移动或网络情况发生变化时，如何为已存在或刚启动的业务 流选择合适的目标网络，选择时如何考虑业务流的特性、网络的特性和 终端上接口的功耗； 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 为那些已存在的业务流或者刚启动的业务流选择好合适的网络后，如何 帮助它们切换到目标网络，传统的移动口具有局限性，不适用于此应 用场景，该如何解决； 1 2 国内外研究现状 对于移动环境下的单模终端而言，传统的资源预留技术【7 】具有局限性。目前， 对于移动环境下的资源预留扩展方案进行了一系列深入研究【1 6 - 2 2 。文献 1 6 1 ， 【1 7 】中提出了一种建立r s v p 隧道的方案，但此方案中无提前预留机制，且隧道 建立过程太长；文献【1 8 】中提出了m r s v p 方案，该方案增加了资源预留对移动 性的支持，但该方案要求在所有邻居小区都提前进行被动资源预留，这种过度 预留的做法导致资源严重浪费；文献【2 0 】提出了一种利用二层信息进行切换预测 从而在切换目标小区采用多播机制提前进行资源预留的方法，该方法预测不准 确，也会造成一定的资源浪费。因此，这些扩展方案不能很好地保障移动i p v 6 环境下的单模终端的服务质量，详细论述见3 1 节。 未来的网络是多种接入方式融合的网络，应用于这种这种环境下的终端被称 为是多模终端【6 】。当多模终端上同时开启多个无线接口，并同时运行多个业务 流时，首先应为这些业务流选择合适的网络接口，接下来帮助这些业务流切换 到目标网络。 目前，关于多个业务流选择合适的网络问题已经有多方面的研究【撕3 1 。文献 【2 4 】中通过一个简单的线性加权求和为业务流选择最优网络，但选择的目标函数 过于简单；文献【2 5 】中相对建模比较合理，但决策因素分类不合理；文献【2 7 】中 提出了一种带约束条件的业务流切换决策算法，但此算法不适用于多个业务流 同时选择网络的情况。因此，目前的决策算法不能很好地解决多模终端上多个 业务流同时选择网络的问题，详细论述见4 1 节。 而关于多模终端上业务流切换问题的研究不多【3 8 4 3 】。文献【3 8 】提出了一种基 于m o b i l ei p 的系统，但此系统只是利用终端的多接口特性，并没有给出如何管 理多个转交地址；文献【3 9 】在多模终端上引入一个虚拟的网络接口，但此文献没 有考虑多个物理接口同时使用的情形。总体上来说，目前关于多模终端的研究 不能解决多模终端上业务流从一个端口切换到另一个端口的问题，详细论述见 5 1 节。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 论文的主要工作与创新点 本文在仔细分析下一代移动通信网络中各种业务类型的不同服务质量需求 的基础上，从单模移动用户出发，提出了一种移动i p v 6 快速资源预留技术。另 外，针对多模移动终端以及多业务流切换的特点，本文提出了一套基于多模终 端的系统框架，并在此基础上，为该系统框架的决策模块和切换执行模块分别 提出了基于赋权的二分图匹配多业务流决策算法和基于多模终端的业务流切换 算法。二分图匹配决策算法和业务流切换算法的有机结合，能够较好的保障下 一代移动通信网络中的服务质量。本文的主要工作包括： 1 ) 一种移动i p v 6 网络资源预留新方案_ f a s tr s v p 。本文提出了一种应 用于移动i p v 6 网络的资源预留f a s tr s v p 方案。f a s tr s v p 方案利用现 有移动预测算法在切换目标小区中提前给会话预留资源，也就是在切换 的两个邻居小区之间提前建立邻居资源预留隧道，当移动节点发生切换 后，可以立即使用提前建好的隧道进行通信。 一 2 ) 一套基于多模终端的系统框架。本人在综合考虑了未来网络的异构性和 未来终端的特点的基础上，提出了一套基于多模终端的系统框架。此系 统框架包括5 个模块：监测模块、业务识别模块、决策模块、切换执行 模块和执行结果反馈模块。各模块间相互协作。 3 ) 一种基于赋权的二分图匹配业务流决策算法。该算法不考虑业务流之间 的属性差异，将业务流选择网络问题建模为二分图最优匹配问题。二分 图的一部分是业务流节点集合，另外一部分是网络节点集合。业务节点 与网络节点之间有一个匹配度，然后按照一对多( 一个网络可以承载多 个业务) 原则构造二分图的最优匹配方案，在取得整体匹配度最大的目 标下，帮助业务流选择合适的网络。 4 ) 一种基于多模终端的业务流切换算法垌脏；m h 算法。f h b m h 切换 算法针对多模终端的特点，通过扩展传统的移动m 协议，在原来的绑 定更新消息上增加一个新的对象，使其支持同一个多模终端上数据流的 分离，使单个数据流在不同的接口之间的无缝切换。 论文的创新点是关于移动环境下的单模移动终端提出了一种资源预留方案， 该方案能够较好地保障移动环境下移动终端的服务质量。并针对多种接入方式 融合的环境提出了一个关于多模移动终端的系统框架，针对多模终端的系统框 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 架的决策模块和切换执行模块分别提出两种算法，即基于二分图匹配业务流决 策算法和基于多模终端的业务流切换算法，这两种算法的有机结合，能够较好 的保障多模终端在移动环境中的服务质量。 1 4 论文的组织和结构安排 本文的组织和结构安排如下： 第一章简单介绍了本文的研究背景与研究现状，然后阐述了本文的主要工作 与创新点。 第二章介绍移动i p v 6 协议( 及增强版本) 和资源预留协议的工作原理，并 介绍多模终端的系统框架结构。 第三章论述了针对移动l p v 6 网络的资源预留协议f a s tr s v p ，并就f a s t r s v p 协议中包含的各种新机制对系统性能的影响进行了理论计算和仿真。 第四章论述了不区分业务流的基于赋权的二分图匹配网络选择决策算法，并 给出仿真结果和分析，该算法应用于多模终端系统框架中的决策模块。 第五章论述了基于多模终端的业务流切换算法，该算法并给出仿真结果和分 析，该算法应用于多模终端系统框架中的决策模块。 第六章对全文进行了总结，并指出了下一步的研究方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章相关知识简介 近些年来，伴随着互联网传输带宽的增加和各种新业务类型的涌现，如何 保障移动环境下会话的服务质量已成为网络设计中最为关心的问题。特别是对 于语音、视频等多媒体业务来说，具有较高的服务质量要求，因此传统口网络 尽力而为( b e s te f f o r t ) 的服务方式不能满足它们的传输需求。为了保证这类业 务的正常传输，必须为它们预留和分配足够的网络资源。鉴于此，i e t f 于1 9 9 7 年颁布了资源预留( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l ，r s v p ) 协议1 7 】 下一代网络是多种接入方式融合的基于移动i p 体系架构的网络，因此移动 i i v 6 协议【8 】作为下一代网络的核心协议负责各种接入方式的融合。而应用于异 构环境下的多模终端，其业务流选择网络问题和切换执行问题比较复杂，它涉 及到信息的搜集以及对传统移动p 的修改。 本章首先介绍了移动i p v 6 协议和资源预留协议，接下来介绍多模终端的系 统框架。 2 1 移动i p v 6 协议 在移动i p v 6 中，定义了三个操作实体：移动节点( m n ) ，通信节点( c n ) ， 家乡代理( h a ) ；定义了四个新的l p v 6 选项：绑定更新，绑定认可，绑定请求 和家乡地址【9 】。 三个操作实体： 1 ) 移动节点( m n ：m o b i l en o d e ) ：移动节点能够从一个链路移动到另外 一个链路； 2 ) 通信节点( c n ：c o r r e s p o n d e n tn o d e ) ：与m n 通信的对端节点，可以 是非移动节点，也可以是移动节点； 3 ) 家乡代理( h a ：h o m ea g e n t ) ：移动节点家乡链路上的一个路由器，移 动节点向其注册了当前的转交地址。当移动节点不在家乡时，家乡代理 截获家乡链路上发往移动节点的数据包，进行封装后，通过隧道发送给 移动节点注册的转交地址； 四个新的i p v 6 选项： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 ) 绑定更新( b u ：b m d m gu p d a t e ) ：在m n 的家乡地址和转交地址之间 建立对应关系，称为绑定更新，又叫注册。绑定更新b u 消息由m n 发 往h a 或c n ，在h a 上进行的注册过程称为家乡注册，在c n 上进行 的注册过程称为一般注册； 绑定认可( b a ：b i n d i n ga c k n o w l e d g m e n t ) ：如果“绑定更新”需要应答， 那么“绑定认可”就用于对这个“绑定更新”的应答； 3 ) 绑定请求( b i n d i n gr e f r e s hr e q u e s t ) ：通信伙伴向移动节点发送绑定请 求来要求移动节点送给它一个绑定更新； 家乡地址( h o a ：h o m ea d d r e s s ) ：在家乡网络注册时被分配的固定p 地址称为m n 的家乡地址： m n 连接到家乡网络时，使用它的家乡地址h o a 。当m n 没有发生移动时， 如果c n 与之通信，c n 发送的数据包会按照正常的路由方式到达m n 。当m n 从家乡网络移动到外地网络时，如果不改变其邛地址，则c n 发送的数据包按 照现行的前缀为基础的路由方式就不能到达m n 了。此时m n 需要借助于移动 i p v 6 协议维持通信，具体实施过程如图2 1 所示。 1 ) 接入路由器a r 定期广播路由器宣告r a 消息，其中携带本地链路前缀 信息( 采用邻居发现协议) 。m n 接收到宣告消息后，检测到自己发生 了移动( 称为：移动检测) ，并配置好新链路上使用的转交地址c o a ； 萄m n 发送绑定更新b u 消息给h a ，该消息告诉h a 将m n 当前的转交 地址( c o a ) b 与m n 的家乡地址( h o a ) a 绑定； 3 ) h a 收到b u 消息后，向m n 发送绑定更新确认b a 消息，通知m n 绑 定更新成功； 4 ) 假如c n 要发送数据包给m n ，但此时它并不知道m n 已经发生了移动， 首先它还会把这个数据包继续发送给m n 原来的家乡地址h o a ，h a 发 现有发往m n 的数据包，它会把这个数据包截获； 5 ) h a 把截获的数据包作为净荷，在其上面再加上一层i p v 6 报头，把新的 数据包发送到m n 的转交地址( c o a ) b ，这个过程称为隧道转发； 6 1m n 收到h a 转发过来的数据包以后，通过检查数据包的内层源地址， 知道c n 想与它进行通信，此时它会发送一个绑定更新b u 消息给c n ， 告之自己的转交地址( c o a ) b ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 7 ) c n 收到b u 消息后，向m n 发送绑定更新确认b a 消息，通知i v i n 绑 定更新成功： 8 ) 此后，c n 发给m n 的数据包使用转交地址( c o a ) b 作为目标地址、 家乡地址( h o a ) a 作为类型2 路由头选项，c n 与m n 实现直接通信， 而不必绕道m n 的家乡网络，此后就实现了优化路径上的通信。 ! 躺告固 芭点路面器 羹妻畿b a 。 一 绑定确认 通信 每 一转发数据包给a 发数据包给a 隧道：h h b 绑定更新 绑定确认 发数据包给c 一 发数据包给a 图2 1 ：移动后m n 与c n 的通信过程 当m n 从一个子网移动到另一个子网时，一般要经过下列阶段【1 0 1 ，如图2 2 所示： 图2 2 ：移动i p v 6 过程阶段示意图 信令消息解释： 1 ) 邻居发现( n d ：n e i g h b o rd i s c o v e r y ) ：在邻居发现协议【1 1 】中规定， a r ( a c c e s sr o u t e r ) 应该周期性地广播其前缀信息，m n 根据这些前缀信 息，发现a r 的存在； 移动检测：m n 确定自己是否从一条链路移动到另一条链路有两种方式： 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 用生存时间域做移动检测和用网络前缀做移动检测； 形成c o a ：m n 有两种方式在外地网络中获得转交地址c o a 1 2 1 ：无状态 地址自动配置和有状态地址自动配置。m n 根据移动前缀广播消息中的 “m ”位来决定采用哪种地址配置方式，如果“m ”位为1 ，那么当前网络 支持有状态地址自动配置；否则，m n 只能采用无状态地址自动配置。 4 ) 绑定更新：在m n 的家乡地址和转交地址之间建立对应关系，称为绑定 更新，又叫注册； 5 ) 使用c o a ：在绑定更新完成之后，m n 就可以使用新的c o a 地址进行 通信了。 传统的移动p 协议切换性能较差，只是关注终端在移动过程中通信的连续 性，也就是数据包的连续性。因而，近些年来国内外众多研究机构针对不同的 通信环境设计出相应增强型移动i p v 6 切换方案，典型的如f m v 6 ( f a s t m i p v 6 ) 和h m 礤v 6 ( h i e r a r c h i c a l m i p v 6 ) 。 f 2 2 资源预留协议 2 2 1 资源预留协议产生的背景 对于音频、视频等多媒体业务来说，它们对时延、时延抖动等性能指标非 常敏感，具有较高的服务质量需求，因而传统口网络矗尽力而为”的服务方式是 无法满足这类业务的传输需求。而在未来“三网合一”的思想指导下，更多的新 兴业务( 如电视点播、远程医疗等) 需要网络提供服务质量的支持。因而，互 联网工程任务组i e t f 在1 9 9 7 年颁布了资源预留协议( r e s o u r c er e s e r v a t i o n p r o t o c o l ，r s v p ) 同。 在r s v p 协议出现之前，a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 在网络q o s 解决方案中最具竞争力。在它的q o s 服务体系中定义了各种类别的服务等级， 有c b r ( 恒定比特率) 、v b r ( 可变比特率) 、a b r ( 可用比特率) 、u b r ( 不 定比特率) ，每一种服务等级针对特定的应用类别，而在每一类应用中又可以通 过参数的定义来获取不同的服务质量。但是a t m 的缺陷在于它是建立在基于 a t m 信元的a t m 协议上的，而网络现有的应用程序绝大部分是基于t c p i p 的， 在原有的应用程序中实现基于a t m 的q o s 需要修改大量源码，在这种情况下， a t m 并没有获得编程人员的广泛支持。而r s v p 协议基于t c p i p ，对编程人员 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 来说只要在增加一些基本函数库的基础上修改原有的函数调用就可以获得q o s 保障的服务，这就保护了原有的软件投资，因而使得r s v p 协议成为互联网上 q o s 实现最强大韵工具。 2 2 2 资源预留协议原理 r s v p 协议是互联网综合服务模型【1 3 】中的一个信令协议，它要求传输路径 上的所有节点都为会话预留一定的资源，从而保证了会话的服务质量。r s v p 协议工作在i p v 4 或l p v 6 之上，位于o s i 七层模型的传输层。但是r s v p 本身 并不处理传输层的数据，从本质上看，r s v p 是一个网络控制协议。 r s v p 协议是一个单向的资源预留协议，在申请资源的过程中发送端和接收 端是逻辑上完全不同的两个部分。r s v p 协议是面向接收端的资源预留协议，由 会话的接收端发起资源预留请求。q o s 请求从会话接收端的应用程序出发交给 本地的r s v p 驻留进程，再由该r s v p 驻留进程确定需要预留的资源数量，并 封装相应的信令消息递交给数据传送的反向路径( 接收端至发送端) 上的各个 节点( 路由器或是主机) 进行资源的预留。 r s v p 协议在路由器或主机上为每一个会话建立了一个“软状态”，它的工作 原理是由r s v p 驻留进程沿资源申请路径周期性地发出刷新消息以维持路由器 或主机中的资源保留状态，而一定的时间内没有收到刷新消息的路由器就认为 会话原有的资源保留状态“过期”了。 总结起来，r s v p 协议具有如下特征吼 1 ) r s v p 可以在点对点单播或多点对多点的组播网络通信应用中进行资 源预留，它可以动态调节资源的分配以满足组播中组成员的动态改变以 及路由状态的改变； 2 ) r s v p 比较简单，例如它只为单向的数据流申请资源； 3 ) r s v p 是面向接收端的，由会话的接收端负责发起和维护资源申请； 4 ) r s v p 在路由器和主机上维护“软”状态，以支持多播组成员的动态改变 和路由状态的动态改变； 5 ) r s v p 并不是一种路由协议，它依赖于目前或将来出现的路由协议； 6 ) r s v p 负责传递和维护流量控制和策略控制的参数，然而这些参数本身 对r s v p 协议透明； 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 乃r s v p 提供几种资源预留的模式供选择以适应不同的应用需求； 鳓r s v p 对不支持它的路由器提供透明的操作； r s v p 支持4 和6 ； r s v p 把一次会话定义为在特定目标地址、端口号和协议类型上传送的数据 流，它使用s e s s i o n 对象来唯一标识会话。s e s s i o n 对象包含 的三元组。 r s v p 协议进行资源预留的基本流程如图2 3 所示。 q r s v p 融f l j op a t h圆r e s v 图2 3 ：r s v p 协议资源预留流程示意图 会话的发送端周期性地为它的数据流发送一个路径p a t h 消息。p a t h 消息包 含了一个定义数据分组格式的s e n d e r _ t e m p l a t e 对象和一个用以说明业务 流特征的s e n d e r 对象。消息沿路由协议选定的路径向会话的接 收端传递，每一个中_ t 间s p e c路由p器at都hrsvp会截获并处理此消息，并在本地建立起 该会话的p a t hs t a t e 。p a t hs t a t e 中除了包含会话的业务特征外，还记录了会话传 输路径的上一跳的p 地址。 当会话的接收端收到p a t h 消息后，根据p a t h 消息中的内容，协商q o s 参 数，它会回复一个预留消息( r e s v ) 。r e s v 消息中包含了f i g ) w s p e c 对象。 f l o w s p e c 对象用来指定资源请求中的服务质量需求。r c s v 消息沿着p a t h 消 息经过的路径反向向会话的发送端逐跳传递，r e s v 消息中的口目的地址是前一 跳节点的单播地址，该地址可以从会话的p a t hs t a t c 中获得。每一个中间路由器 收到r e s v 消息后，建立相应的r e s v 状态( r e s vs t a t e ) ，进行预留资源。 当r e s v 消息最终到达会话的发送端时，一条从发送端到接收端的资源预留 路径就建立起来了。此时，发送端可以选择向会话接收端发送预留确认消息 ( r e s v c o n f ) 。资源预留路径建好之后，会话数据就可以在该路径上进行传递， 并且它的服务质量能够得到保障。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 2 3 资源预留协议用在移动环境中出现的问题 r s v p 协议是针对有线和固定网络设计的，它假定通信两端位置固定，d 地 址不变，中间路由器能够用通常的口路由方法建立资源预留路径等。在移动环 境下，这些假设不再成立。这是因为在一个会话的生存期内，终端又可能从一 个子网切换到另一个子网，同时，其碑地址也将发生改变，因而将r s v p 协议 应用于移动环境会出现一系列问题【1 4 j ： 1 ) 资源预留无法穿越隧道。移动口协议用到了隧道的概念，然而m i 1 1 碑 的隧道封装方式使得r s v p 控制消息一旦进入隧道，就无法再被隧道中 的r s v p 路由器识别，因而就无法建立隧道中的资源预留； 2 ) 无提前预留机制。在移动环境下，如果等移动节点切换到新小区后再申 请资源，这样会显著影响多媒体会话在新资源预留路径建立时间内的服 务质量。基于这种原因，可以在移动节点发生切换之前为此节点申请资 源，。建立资源预留，而r s v p 协议并没有提供提前预留的机制； 综上所述，将r s v p 协议用到移动环境中会出现如此多的问题，针对这种 情况，本文提出了一套针对移动i p v 6 网络的资源预留新协议一f 嬲tr s v p ，相 关细节参见第三章。 2 3 多模终端的系统框架 与异构无线网络相对应的是多模移动终端，这种终端与传统的单模终端有着 明显的区别，为了更好地解决如何为多模终端上多个业务流同时选择网络接口 问题和如何把业务流切换到目标网络的问题，本人设计了一套基于多模移动终 端的系统框架i ”】，如图2 4 所示。 该系统框架包括监测模块、业务识别模块、决策模块、切换执行模块和执行 结果反馈模块。各模块之间的关系如下：监测模块监测网络上下文参数和设备 上下文参数；业务识别模块感知业务流种类、业务流的特征以及业务流对服务 质量的需求，监测模块和业务识别模块把得到的参数传递给决策模块；决策模 块综合考虑这些因素，为业务流选择最优的无线网络接口；然后，切换执行模 块根据决策模块为业务流选择的结果执行切换，此切换过程是针对单个数据流； 另外，执行结果反馈模块把前一次的决策结果反馈给决策引擎模块，此反馈用 于修正下一次决策。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 000 】| | | 腱 图2 4 ：多模终端的系统框架图 下面将各模块的作用分别作如下介绍： 监测模块有两个监测点：一个监测点位于接入网上，监测接入网的可用带宽、 链路信号质量等参数，此监测点也称作网络上下文监测模块。另一个监测点位 于移动终端上，监测移动终端的无线接口利用率、电池电量等参数，此监测点 也称作设备上下文监测模块。然后监测模块把得到的参数传递给决策模块。 业务识别模块位于多模移动终端上，它是用来感知新业务流的特征、业务 流种类以及业务流对服务质量的需求程度等参数。业务识别模块把获得的业务 流参数反馈给决策模块。 决策模块位于多模移动终端上，它根据监测模块和业务流识别模块反馈回来 的网络上下文参数、设备上下文参数以及业务流特征等参数，使用二分图匹配 模型建立业务流和无线网络接口之间合理的映射关系，为数据流选择最优的无 线网络接口。决策引擎模块采用输入、输出、反馈的模式，输入是网络上下文 参数、设备上下文参数、业务流特征以及业务流对服务质量的需求程度等参数， 输出是业务流与无线网络接口的映射关系，而反馈量是从执行结果反馈模块中 得到，来辅助修正下一次决策。 切换执行模块位于多模终端上，它根据决策模块为单个业务流选择的无线接 口启动相关切换信令流程，执行切换操作，把一个业务流分配或者切换到某一 个无线收发接口上。传统的移动口方案将所有的业务流全部定向到一种无线接 入技术上，不符合本文研究的将不同特性的业务流动态分配到不同的无线链路 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 上传输的需求，这种需求需要对现有的移动口方案进行修改，将切换的粒度从 单个设备细分至单个业务流，从而实现高效快速的业务流重定向。 执行结果反馈模块把前一次的决策结果反馈给决策引擎模块，来帮助决策 引擎模块修正下一次决策。 为业务流选择合适的网络接口的前提是收集全面合适的参数，决策模块然 后根据这些参数为业务流选择网络。这些参数包括可用网络的参数、移动设备 的参数以及运行业务流的参数。这些参数可以汇总如表2 - 1 所示： 表2 - 1 ；可选决策参数表 来源参数说明 可用网络带宽对大部分业务都很重要 网络平均延时对语音、远程会议、远程医疗等时延敏感的业务很重要 可用 接收信号强度 影响网络可用带宽及其他参数 丢包率 对数据类业务有较大影响 接入 收费策略影响用户选择，越低越好 网络 安全性网络在应用安全性上的能力 可靠性网络信号的稳定程度 网络覆盖范围影响用户选择，越大越好