（通信与信息系统专业论文）固定通信与移动通信网络中qos路由技术的研究.pdf

北京邮电太学博士论文摘嚣 固定遴信与移动逶僚网络中o o s 路由技术的研究 摘要 嚣蓠全球范蕊内的通信矮络正经茨羞深裂懿变侥，过去。蒺震瞧 网络概念正在或将要进行转变以适应新的市场环境的需求。完整的 下一代瓣络的解决方案不仅要在瀚定邋信颁域，甭盈婺在移动通信 领域也能够支持保证服务质量的多类业务。提供对下一代网络服务 质量的保障，需要各个层面、各个实体的服务质量机带0 的协同作用； 獒中，基于网络状态臻息设计篾肇、蠢效、可扩展的鼹虫算法，为 用户提供保障服务质爨的点到点或点到多点通信业务具有重要意 义。本文的研究课题委是基于这一骛聚提密麴。 本文研究的核心内容是下一代网络的i p 核一t 5 网络和移动自组网 络的o s 路宙问题，主要工作如下： 首先根据通信网络向下一代网络发展的趋势，研究了下一代网 络的体系结构及服务质量保障等相关闷题，探讨了国际上服务质鬣 路由技术磷究领域的热点和难点阉题。 基于q o s 路由的i p 分组网络模型，深入分析了q o s 单播路由 闻题；提密了一搴孛选择牲探溅的分毒式路囱算法t s q r ，瘸子求解 n p c 的基于单个约束的p c p o 路由问题。描述了算法思想、数据结 构和搽作过程，扶理论上对算法性能逑行了分析和论证，同时利精 计算枧仿真对算法性能进行了详缨分橱，势与其它算法进圣亍了比较。 结果袭明算法具有良好的路径优化性能，而且能够适_ 陂实际网络运 行酶鬟要。 提出了t s q r 的扩展算法e t s q r ，仿真分析的结果表明e t s q r 能够奁僳持路径优仡 生麓酶露时有效鞴少搽溅消惫数量，可适应对 网络负荷较为敏感的运行环境。 基于l p 网络模型，提出了一种基于信源树策略的多播路由算法 8 d j c 下，用予求瓣n p c 的多约束s t e i n e r 路囊挝阉遂。算法综合考虑 了多方面的约束条件，定义了d i s 最优路径，采用逐次增加树节点 静寝发式算法擒造组攒菇。理论分析耱仿真结巢褒明，算法具鸯稳 定性和有效性，能够在适度复杂性的基础上取得良好的优化结果。 对网络的不精确获态逆行了有益的探讨，尤其是移动溺络中对 路由算法性能的影响。针对移动囱组网络的特点，为q o s 路由问题 北京邮电大学博士论文 引入不精确状态信怠模型；模型利墙路由协议发布的链路状态信息 和参数分布特性，对朔络的状态信息进行了篱单有效的描述和建模， 能够满足一般o o s 路由协议的实用化需求。 提出一种适用于m a n e t 的概率可靠的单播q o s 路由机制 p r u q ，用于求解基于单个约束的p c p 0 单播路由问题。理论分析和 仿真结果表明，算法是简单、有效的，能够获得概率可靠的受限最 短路径。算法具有协商功能，路由修复功能和路由重组功能，在网 络拓扑变化不剧烈的自组网络中具有较好的q o s 性能。 关键词：下一代网络；i p ；移动自组网；服务质量路由；单播；多 播；启发式 北京邮电大学博士论文 a b s t r s k c t r e s e a r c h o nq o sr o u t i n gt e c h n o l o g i e s i nw i r e l i n ea n dw i r e l e s sn e t w o r k s a b s t r a c t g l o b a ln e t w o r k sn o w a d a y sa r eu n d e r t a k i n gi n t e n s ec h a n g e s ，a n d h e n c et h eu s e dn e t w o r kc o n c e p t sa r eb e i n go rt ob ec h a n g e dt oa d a p tt o n e wm a r k e t sd e m a n d s ac o m p l e t en g na r c h i t e c t u r es h o u l dp r o v i d e o o sg u a r a n t e ef o rv a r i o u ss e r v i c e si nb o t hw i r e l i n ea n dw i r e l e s s n e t w o r k s q o sg u a r a n t e ei nn g n n e e d st h ec o o p e r a t i no fe a c hl a y e ra n d e a c hf u n c t i o nn o d ei nt h en e t w o r k i ti si m p o r t a n tt od e s i g ns i m p l eb u t e f f e c t i v ea n ds c a l a b l e r o u t i n ga l g o r i t h m st op r o v i d eq o sg u a r a n t e e d p o i n t t o p o i n to rp o i n t t o p o i n t sc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sf o re n du s e r s t h es u b j e c t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ep r o p o s e db a s e du p o na b o v e d i s c u s s i o n t h ed i s s e r t a t i o nm a i n l yw o r k so nq o sr o u t i n gp r o b l e m si ni pc o r e n e t w o r k sa n dm o b i l ea dh o cn e t w o r k so fn g n t h em a i na c h i e v e m e n t s a r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： a tf i r s t ，n g na r c h i t e c t u r ea n dq o si s s u e sa r er e s e a r c h e da c c o r d i n g t ot h ea n a l y s i so fn e t w o r ke v o l v e m e n t ；i n t e r n a t i o n a lh o t s p o t sa n d p r o b l e m sa b o u tq o sr o u t i n ga r ed i s c u s s e da sw e l l a c c o r d i n gt ot h ei pn e t w o r km o d e lb a s e do nq o sr o u t i n g ，q o s u n i c a s tr o u t i n gp r o b l e m sa r es u r v e y e d ；a n dt s q r ，ad i s t r i b u t e dr o u t i n g a l g o r i t h mb a s e do ns e l e c t i v ep r o b i n gi sp r o p o s e df o rn p cp c p or o u t i n g p r o b l e mw i t hs i n g l ec o n s t r a i n t t h ei d e a ，d a t as t r u c t u r ea n do p e r a t i o n p r o c e s so ft s q ra r ed e s c r i b e dc a r e f u l l y ；t h ep e r f o r m a n c eo ft s q ri s a n a l y z e dc a r e f u l l yi nt h e o r ya sw e l la sb y c o m p u t e re m u l a t i o n ，a n d c o m p a r e dw i t ho t h e ra l g o r i t h m s r e s u l t sa t t e s tt h a tt h ea l g o r i t h mi sg o o d a to p t i m i z i n gp a t hp e r f o r m a n c ew h i l ef u l f i l l i n gt h ep a t hc o n s t r a i n t ，a n d i sa b l et os a r i s f yt h ed e m a n d so fr e a ln e t w o r k s e t s q ri sp r o p o s e db a s e d o nt s q r ，t h er e s u l t so fc o m p u t e r 托束帮电太攀辫士论文a 聃s t r a c y e m u l a t i o ns h o wt h a te t s q rc a nr e d u c et h en u m b e ro fp r o b i n g m e s s a g e se f f e c t i v e l y w h i l e k e e p i n gp a t h - o p t i m i z i n gp e r f o r m a n c e u n c h a n g e d 。 a c c o r d i n gt o t h ei pn e t w o r km o d e l 。b d j c as o u r c eb a s e d m u l t i c a s tq o sr o u t i n ga l g o r i t h mi sp u tf o r w a r dt os o l v en p c m u l t i - c o n s t r a i n t - s t e i n e rt r e ep r o b l e m t h ea l g o r i t h mu t i l i z e sh e u r i s t i c m e t h o dt oa d dm u t t i c a s td e s t i n a t i o nn o d e st ot h em u l t i c a s tt r e eb y f i n d i n gam i n i m u m d i sp a t h 。b o t ht h e o r e t i ca n a l y s e sa n de m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mi ss t e a d ya n de f f e c t i v e 。t h ea l g o r i t h m c a no b t a i ng o o dt r e e * o p t i m i z i n gp e r f o r m a n c ew i t hm o d e r a t ec o m p l e x i t y l m p r e s i sn e t w o r ks t a t ei n f o r m a t i o ni sd i s c u s s e d e s p e c i a l l ya b o u t i t si n f l u e n c eo nr o u t i n gp r o c o t o l si nm o b i l en e t w o r k s a ni m p r e s i s n e t w o r ks t a t ei n f o r m a t i o nm o d e li si n t r o d u c e di n t om a n e ta c c o r d i n g t oj t sc h a r a c t e r i s t i c s t h em o d e lc a nd e s c r i b et h en e t w o r ks t a t e i n f o r m a t i o nb a s e do nt h el i n ks t a t ei n f o r m a t i o na n di t sd i s t r i b u t i o n i d e n t i t yb yu t i l i z i n gn o r m a lr o u t i n gp r o t o c o l ，a n di sa p p l i c a b l ef o rq o s r o u t i n gp r o t o c o l s 。 p r u q ，ap r o b a b i l i s t i cr e l i a b l eq o su n i c a s tr o u t i n ga t g o r k h mi s p r o p o s e dt od e a lw i t hp c p or o u t i n gp r o b l e m 。b o t ht h e o r e t i ca n a l y s e s a n de m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tp r u qi ss i m p l ea n de f f e c t i v e 。a n di s a b l et oo b t a i n p r o b a b i l i s t i c r e l i a b l e r e s t r i c t e ds h o r t e s tp a t h s 。t h e d y n a m i ca l g o r i t h m h a s r e r o u t i n g ，n e g o t i a t i o n a n d p a t hr e p a i r i n g m e c h a n i s m s t h ea l g o r i t h mh a sg o o dq o sp e r f o r m a n c ei nt h em a n e 下 w i t hs l o w i n gc h a n g i n gn e t w o r kt o p o l o g y k e yw o r d s ：n g n ；i p ；m a n e t ；q o sr o u t i n g ；u n i c a s t ：m u l t i c a s t ： h e u r i s t i c 北京邮电大学博士论文 缩略语 英文缩写 3 g a c l a o d v a t m b d j c t b f s b g p c a r c b r c b f c b w f q c o s d c l c d s d v d s r d v m r p d i f f s e r r f s g s r g i i h i i e t f i m s i n t s e r v i p i p v 6 l s p i t u 缩略语 英文全拼中文 t h e 3 r dg e n e r a t i o n第三代移动通信 a c c e s sc o n t r o ll i s t访问控制列表 a d h o co n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o ra dh o c 按需距离矢量路由 a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e 异步转移模式 b a n d w i d t h d e l a y d e l a yj i t t e r c o n s t r a i n e dm i n i m u mc o s tt r e e 带宽、时延及时延抖动约束 代价优化组播树 b r e a d t hf i r s ts p a n n i n gt r e e广度优先生成树 b o r d e rg a t e w a yp r o t o c o l边界网关协议 c o m m i t t e da c c e s sr a t e承诺接入速率 c o n s t r a i n e d b a s e dr o u t i n g基于约束的路由 c o n s t r a i n e db e r m a nf o r d受限b e r m a nf o r d 算法 c l a s s b a s e dw e i g h t e df a i rq u e u e i n g 基于类的加权公平队列 c l a s so fs e r v i c e 业务类型 d e l a y c o n s t r a i n e dl e a s t c o s t 时延受限最小代价路径 d e s t i n a t i o n s e q u e n c e dd i s t a n c e v e c t o r 目的序列距离矢量路由 d y n a m i cs o u r c er o u t i n g 动态源路由 d i s t a n c ev e c t o rm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o l 距离矢量组播路由协议 d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e区分服务 f o r w a r ds e t 转发子集 g l o b a ls t a t er o u t i n g全局状态路由 g l o b a li n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e 全球信息基础设施 h o p i n f o r m a t i o n 跳数信息 i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e i n t e r n e t 工程任务组 i pm u l t i m e d i as e r v i c e i p 多媒体服务 i n t e g r a t e ds e r v i c e 综合服务 i n t e r n e tp r o t o c o l互联网协议 i n t e r n e tp r o t o c o lv e r s i o n6互联网协议版本6 l a b e ls w i t c h i n gp a t h 标签交换路径 i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n 国际电信联盟 0 3 北柬邮电太学博士论文缩略谱 m a c m a n e t m c 泰莲c p m s t m t d s m p l s ngn n p c n p h a r d 0 s p f p c p 0 p r p r u q p l m d 蜃 p i m s m q o s q r o l s r r i p r r r s v p s 8 下 s p s p f t c t c p t e t o r a t s q r m e d i u ma c c e s sc o n t r o l媒体接入控制 m o b i l ea dh o en e t w o r k s 移动皇缀翘 m e s s a g ec o m p l e x i t y 消息复杂度 m u l t i p a t hc o n s t r a i n e d ， 鼹径多约束 m i n i m u ms p a n n i n gt r e e最小生成树 m i n i m u mt o t a ld o m i n a t i n gs e t 最小完全主节盘集 m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i s h多协议括签交换 n e x to e n e r a t i o nn e t w o r k下一代网络 n o n d e t e r m i n i s t i cp o l y n o m i a lt i m e - c o m p l e t e 非确定性多项式时间完成 n o n d e t e r m i n i s t i ep o l y n o m i a lt i m e h a r d 非确定性多项式时间困难 o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t 开放最短路径优先 p a t h c o n s t r a i n e dp a t h 0 p t i r n i z a t i o n鼹径约募路径优化闼题 p o l i c yr o u t i n g 策略性路由 p r o b a b i l i s t i cr e l i a b l eu n i c a s tq o sr o u t i n g 概率可靠的q o s 单播路由 p r o t o c o li n d e p e n d e n tm u l t i e a s t - d e n s em o d e 密集模式独立褥议组播 p r o t o c o li n d e p e n d e n tm u l t i c a s t - s p a r s em o d e 糕蘧模戏独立拯议缎援 q u a l i t y o f - s e r v i c e 服务质精 q o s b a s e dr o u t i n g q o s 爨出 o p t i m i z e dl i n ks t a t er o u t i n gp r o t o c o l 最优链路状态路由协议 r o u t i n gi n f o r m a t i o np r o t o c o l 路由信患协议 r a n d o m i z e dr o u t i n g髓枫化路由 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 淡源预留协说 s o u r c e b a s e dm u l t i c a s tt r e e 蒸子源豹缝撩捉 s h o r t e s tp a t h域短路径 s h o r tp a t hf i r s t 焱短路径优先 t i m ec o m p l e x i t y 时闻复杂度 t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l 佟输控制协议 t r a f f i ce n g i e e r i n g 滤量工程 t e m p o r a l l y o r d e r e dr o u t i n ga l g o r i t h m 时间顺序路由算法 t w o - w a ys e l e c t i v ep r o b i n gq o sr o u t i n g 1 0 4 北京邮电大学博士论文缩略语 u m t s v p n v b i p w r p w f q 两向选择式探测q o s 路由 u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k v o i c eo v e ri p w i r e l e s sr o u t i n gp r o t o c o l w e i g h t e df a i rq u e u i n g 1 0 5 通用移动通信系统 虚拟专用网 i p 语音 无线路由协议 加权公平队列 独创性( 或刨新性) 声明 本人声明所照交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我联知，滁了文中特别趣鼓椽注和致谢中疑罗列鲢内容以羚，论文中不包 含其他人已经发农或撰筠过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教 弯掇梅豹学位或诞书焉经月过旋耪瓣。与我一阉z 乍瓣鞫志露零骚究掰敲静经秘 贡献均已嵌论文中作了明确的说明并表示了谢意。 审请擎位论文与资籽若有不实之处， 本人签名：童塾殓 本人承掇一切榴关责经。 皤甥：2 醴互。 关子论文使蠲授投鹣淡明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位沦文的规定即： 研究生在校攻读学位羯满论文王 乍静知识产衩孳位嚣蔻窳辩宅大学。攀菠育寝舔 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇缩学位论文。( 保密的学瞧论文在解密后遵守此援怠) 保密论文注释：本举位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：零学霞论文不簇予傈密范匿，逶鹗零授权豢。 本人签名：耍塾缝日期：2 生毖丕 导师嫠名： 强赣： 北象邮电大学博士论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 嚣蕊全球范圉蠹夔遴嵇网络罄在经蕊羞深刻懿交纯，通信潮络静运营繇凌 在不断地改变，最终的用户特性也在不断地变化，因此过去惯用的网络概念必 须进行巨大的改变才能适威新的市场环境的需求。通信网络的现状是基于某种 渡务需求愿後他的网络，妇绩绫的话誊网络提供鍪镶逶痿疆络，滚足人们对诿 啬通信的需求：移动通信网络满足入们不受地点耀制的移动性通信需求： i n t e r n e t 满足人们传递多种信息的需求。新的通信需求在不断提出各种类型的 网络也在不断改进和发展，但是耳前侄键个网络都无法同时满足人们通倍的 鼹蠢需求；巍诧、监连久键壅下一代黼络( n g n ，n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) 的概念希臻它能有效地处理各种新的业务类型。网络运营商、设备制造商、 标准化组织以及众多技术论坛纷纷提出各自对下代网络的设想，从不同角艘 搬绘下一代霸终，其中慈缝起来昆较为大多数人接受耱鼹点是，下一代建络将 采用分组技术承载各种业势来实现原有各大弼络的融合。在这种利用分组技术 组网，在通溶的各个环节熬亭资源的下一代网络中，服务质量问题必须高度煦 视。本文选择了固定通信秘移动通信蹦络中的服务膜爨闯题作为主要硬究方向， 对英孛携0 0 s 路盘润题遗行了全瑟瑟深入的研究。 1 2 下一代网络 1 2 1 体系缩构 不麓懿缌缓氛稳或个人霹旋霹下一 弋疆熬其髂涵义舂不瓣豹奄法，i t u - t 认为n g n 遐当今世界释国正在推行的全球涪息基础设施( g i i ，g l o b a l i n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ) 的具体实现；欧盟定义n g n 为“规范和部署网络的 个壤念，奎予它嬲形式上分为不网螅器嚣并使瑁拜放豹接口，联鞋给服务提 供淹与运营巍提供了一个滤逐步演进的平台，不断副造、开放帮管理颓静服务”。 豳前国际上有关下一代网f f ：| 研究内容非常泛，如以智能光网络为核心的下一 代光网络，以i p v 6 、m f l s 为重点的下一代分组交换网络，采用3 g 、超3 g 拨 北京邮电太学博士论文第一章绪论 术的下代无线通信网络等。大多数人比较认同的关于n g n 的观点是：采用 光传输技术解决传输和大带宽交换问题，采用i p 技术承载各种业务实现网络的 融合，采用m p l s 技术实现i p 屡和链路层的结合，采用软交换技米实现端列端 、监务的交换l h 。由诧可觅，广义概念的下一代网络涉及网络的整律构粲和方方 面瑟，包容全都可糟的新一代鬻络技术，其主要磊韵是篱纯潮络释业务融舍， 嚣霹鼓独交子潮终莘睡接入类型支持现有妲务萍提供瑟业务。n g n 必须具鸯开放 约分蠢式体系絮均，可互攮馋矬的成用环境，覆盖核心网和边缘魍的端到端爨 体网络架构。 狭义概念的下一代网络采用软交换为核心技术，在电路交换网和分组网分 别独立发展的旗础上，将电路交换网上的语音业务逐渐转移到分组网上从而实 现下一代蛾务嘲的平滑过渡。 照务曩 控嗥嘻蕞 凰卜1n g n 架掏参考摸攫 圈卜1 所示的下一代网络的体系架构分为业务朦，控制层，核心层和边缘 层。一般认为下一代嘲络是业务驱动的阕络，京与传统网络的区剐首先在于业 务层。两络运营商、i s p 、i c p 、a s p 和用户都w 良在完全开放静遭务层士割建 备自的韭务，注务与弹q 控制分离，鼗务纛主蘩解决各种整务酶令蛙纯阔瑟。 控制堞进多体瑰了鄹络豹开放絮糖，砖绕交换枫靛功韪横块被分藏是独立约 嬲络部件，各个部传可以按摆应豹功熊划分独立发腥，各部件间的接口基于标 壤协议以实现异构网的互通，从而实现呼叫与承载分离。基于统一协议的下一 代网络中，核心层中传统的电路交换为基础的电信网络将逐渐过渡到主要以i p 为基础的分组化网络，i p v 6 最有可能成为n g n 的编址体制。随着阐络技术的 2 拿圈 印一 单章 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 不断发展，下一代网络将比传统网络支持更多的接入网技术和用户驻地网技术。 无论是何种概念的下一代网络，保证端到端的服务质量成为研究中的一个 重点和热点问题。目前i p 组网技术的可扩展性、接入的灵活性和业务的包容性 都只是针对尽力而为服务质量的传统网络，而可同时支持语音、数据和多媒体 业务的融合网络中必须保障不同级别的服务质量。软交换技术本身不能提供服 务质量的保证，但其引入的业务承载与控制相分离的机制更加突出了承载层面 如何满足业务层面的服务质量要求的重要性。接入网和用户驻地网的多样1 生直 接关系端到端q o s 方案的可实现性。虽然下一代网的真正实现和应用尚待时 日，其开创的未来美好前景值得为之而努力。 1 2 2 下一代i p 核心网络 作为真正完整的下一代网络解决方案，开放式、层次化结构的分组交换网 络将成为承载各种业务的核心网络。i e t f 研究认为，在进一步增强i p 网络功 能和性能的基础上，i p 网络可以承担n g n 的重任。i p 技术作为下一代网络的 核心技术得到越来越多的公众认同。因此，下一代网演进所依靠的核心技术之 一便是i p 组网技术的进步，i p 网络将最终演化成为n g n 的核一0 网络。下一代 i p 核心网络将是保持了i p 协议特点，同时引入新的特性解决诸如服务质量等 关键问题的网络。 i p 协议的优势就是核心的简单和自由性，下一代网络的i p 核心体系结构 必须要保持这种特性，同时要能够提供综合的业务支持。但是，传统的i p 网络 采用尽力而为( b e s te f f o r t ) 的传送方式，缺乏强有力的q o s 保证机制，导致 其存在服务质量问题。首先，分组交换网络的特征是统计复用，统计复用可以 高效地利用网络带宽资源，这是分组交换技术的一个突出优点。但是资源的复 用会造成网络资源的争抢，导致对网络资源的竞争从而影响服务质量；其次， i p 技术是无连接的，这可保证网络的自由和简洁，避免了a t m 等流控网络的 复杂性，但是无连接特性也造成了整个网络中流量流向的不可控制，影响了业 务的服务质量。因此，作为下一代网络的核心网络，i p 网络的服务质量问题需 要得到迫切的关注。特别地，随着网络和业务的i p 化，新的业务不断出现，在 传统话音业务的基础上，视频、多媒体等业务都将承载于i p 网络之上，这些业 务的大数据量和突发性将对i p 网络提出更高的服务质量要求。作为承载未来各 种业务的分组核心网络，它必须考虑传送带宽、网络拓扑、网络结构、i p n g 防 议和基于软交换的业务成型体系等方面的关键问题，从而为下一代网络提供服 务质量保证，实现承载电信业务的要求。针对i p 网络引入服务质量保证的特性， 目前i e t f 和i t u 等国际组织均在这方面进行了广泛的研究，相关的研究已经 北京邮电大学博士论文第一章绪论 进行了较长时间。 总之，以i p v 6 协议族为基础，保持高度简洁的网络核心，同时结合m p l s 和区分服务技术及其它技术提供服务质量，可以承载复杂多样的业务，可以运 行在各种网络底层平台之上的下一代i p 核心网络的体系结构得到越来越多的 公众认同。i p 的下一代分组核心网络必须要具备不同级别的服务质量保证能 力。无论是下一代的固定通信网络还是移动通信系统，业务的提供都承载在同 一核心网络内，区别只是在于接入方式的不同。因此承载n g n 的i p 分组核心 网络如何为承载的不同特性业务提供0 0 s 保证问题必须高度重视。 1 2 3 下一代移动通信系统 作为真正完整的下一代网络解决方案，下一代网络不仅要在固定通信领域， 而且在移动通信领域也能够支持电信级别的业务。 移动通信系统经历了几个大的发展阶段。最初的移动通信只应用于军事等 特殊领域，四十年代产生的蜂窝移动通信的发展推动了移动通信的大规模应用。 蜂窝移动通信系统的发展经历了第一代的模拟系统和第二代的数字系统，目前 正在向第三代发展和过渡。 2 在文中指出，i m t - 2 0 0 0 以后的系统将具有以下特征： 和固网使用统一的i p 核心网： 为了适应不同用户对接入速率和移动速度的要求，将采用优化的基于 不同技术的多种空中无线接口，速率可以达到1 0 0 m b p s 以上； 接入网的全i p 化可以将不同的空中无线接口无缝连接到i p 核心网： 移动电话和固定电话都是i p 电话，使用统一的软交换和管理计费系统； 使用移动i p 解决越区切换和漫游问题； 采用i p v 6 。 3 】也在文中指出，下一代的移动通信网络具有以下的关键目标：宽带和多 承载的业务能力；业务扩展性和应用业务支持；无缝业务；安全性；用户平面； 高性能和系统效率；系统灵活性；系统可升级性；系统互操作性；系统健壮性。 由此可见，网络的发展同时伴随着业务类型的发展，从支持单一的语音业 务到同一网络支持多种业务的需要，如何在新的网络平台上提供具有服务质量 保障的语音、数据和多媒体业务至关重要。 移动通信系统的q o s 问题涉及空中接口、接入网和核心网三大部分。n g n 中的新一代移动通信网络被大部分人认为是承载在开放式、层次化结构的、支 持q o s 的i p 分组核心网络之上的。3 g p p 定义的第三代移动通信系统分为两个 域：分组域和电路域。分组域是i p 网络的无线延伸，是基于i p 的无线i n t e r n e t ， 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 承载的是数据业务。3 g 的电路域原先承载的主要是话音业务，随着n g n 特征 的引入，逐渐向i p 化发展，并提供多媒体业务。在3 g 的后期版本中，分组域 和电路域将逐渐融合，可以通过同一个i p 核一t l , 网络提供包括实时话音在内的多 种类型的业务。因此下一代移动核心网络的q o s 问题主要归结到i p 网络的q o s 问题。 下一代移动通信网络为用户提供全方位的、无缝的移动性接八，除卫星系 统、i m t - 2 0 0 0 及其以后的系统外，许多承载话音和数据应用的无线网络直接互 相补充，在i p 层上实现端到端的连接，并提供各种业务。采用多种技术和接入 方式的接入网络需要考虑诸多不同于传统固定网络的因素，如用户的移动性， 即带宽的可能变化和端到端链路的重新配置等。与有线通信相比，无线信道独 有的特性如带宽波动、高误码率和接收的异种性都会影响无线网络的服务质量。 总之，移动通信系统从提供蜂窝移动电晤业务向提供无线宽带业务发展的 过程中，为用户提供端到端的q o s 保证，并提供不同应用需要的不同等级的 q o s 保障是发展的关键。在市场开放、竞争向更高层次发展的n g n 环境下， 移动通信运营商提供多媒体宽带新业务的q o s 支持是其立于不败之地的基本 保证。下一代移动通信系统的服务质量问题，除了要考虑与固定网络相同的一 般性问题之外，由于其特殊的无线性和移动性，还必须考虑受移动通信环境影 响而导致的新问题，从而为用户提供端到端的q o s 解决方案。 1 3 端到端的q o s 解决方案 网络的服务质量致力于定义一些特定业务的特征和性质并以此来衡量网络 的运行状况，它可以用来描述业务要求的系列指标及限制条件，这些条件在数 据传输过程中必须由下层网络满足。服务质量不仅要满足业务应用时对网络的 要求，还应能够避免网络拥塞以提高网络整体性能。 i t u t 的y 1 5 4 l 建议将i p 网络业务按照q o s 要求分为三类： 实时交互型业务：如具有传统电话业务质量的i p 电话； 非交互型业务：如数据业务； “尽力而为”型业务：此类业务的质量取决于网络的负载条件。 传统因特网主要支持通过网络进行文件传输等基于离散数据传输的应用， 下一代网络中越来越多的应用需要网络支持连续数据流的传输。连续媒体流在 时间同步上有严格要求，网络必须保证在时延、抖动和差错率等方面的q o s 要 求。 考虑空中接口的限制，3 g p p 将u m t s 移动通信网络的业务按照其对于时 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 延的敏感程度定义为四类： 会话类业务：如话音业务，视频、实时数据等； 媒体流类业务：如音频流，视频流等； 交互类业务：如w e b 业务等； 后台类业务：如e m a i l 等。 上述业务类型的划分只是对于q o s 的定性描述，每个等级还需要一系列具 体的q o s 指标参数来定义。这些指标包括：带宽、时延、时延抖动、分组丢失 率( 可靠度) 、路由跳数、视频音频质量等等。 下一代网络的构建需要大量不同的具体网络，端到端q o s 是系统的整体概 念，是各层次、各节点及各功能实体综合作用的结果，每一层、每一节点都试 图通过对业务流的适当控制来改善或保证q o s 。端到端q o s 解决方案涉及终端 系统和通信网络，在应用程序及操作系统方面，主要研究适应分组传输的信源 编码、支持q o s 的a p i 扩展等问题；在网络方面，主要研究体系结构、协议栈、 流成形和流监督，接纳控制、资源预留、分组调度算法、路由算法、业务量模 型等问题。 下一代网络中，对应用层及传输层协议支持服务质量的研究需要考虑多样 业务的不同需求，而基于i p 的网络层q o s 保障技术及网络层之下的第二层的 q o s 机制则具有通用性。 对i p 网络提供q o s 保障的技术主要包括网络与设备两个方面，分别列举 如下： 网络通信协议的q o s 技术： i n t s e r v ( i n t e g r a t e ds e r v i c e ，综合服务) ：综合服务模型是i e t f 提出的基于i p 的q o s 协议模型( r f c l 6 3 3 2 5 1 ) 。模型引入r s v p 资源预留协议，建立端到端的数据流通道，从而提供q o s 保证。 i n t s e r v 定义了三种业务模型：确保业务，受控业务( 要求定量的 服务质量) 和尽力而为型业务。其优点是能够适应不同应用的质 量要求，保留尽力而为业务：缺点是包括主机和路由器的整条路 径都必须支持i n t s e r v ，并且扩展性差，适用于网络规模较小、业 务质量要求较高的边缘网络，同时对尽力而为业务划分太粗糙。 d i f f s e r v ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ，区分服务) ：区分服务模型是 i e t f 为解决i n t s e r v 模型的缺陷而制定的( r f c 2 4 7 4 1 2 6 1 ，2 4 7 5 1 ”1 ， 2 5 9 7 1 2 引，2 5 9 8 1 2 9 1 ) 。模型在网络边缘将数据流按q o s 要求进行简单 分类，内部：宵点按不同类别实现不同的数据流转发，适用于骨干 网。 m p l s ( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t h i n g ，多协议标签交换) ：m p l s 6 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 是一种进行标签交换的网络技术，可以通过标签交换在各种链路 层进行i p 转发，支持流量工程、v p n ( v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k ， 虚拟专用网) 、c o s ( c l a s so fs e r v i c e ，业务类型) 、t e ( t r a f f i c e n g i e e r i n g ，流量工程) 和q o s 。其q o s 能力表现在：m p l s 首先 在网络边界识别业务流( 通过分组头中的多个字段) ，然后将这些 业务流放置在一个可能具有一些q o s 属性的特定l s p 上。适用于 骨干网和城域网。 设备( 路由器、交换机) 的q o s 技术： w f q ( w e i g h t e df a i rq u e u i n g 加权公平队列) c b w f q ( c l a s s b a s e dw e i g h t e df a i rq u e u e i n g ，基于类的加权公平 队列) c a r ( c o m m i t t e da c c e s sr a t e ，承诺接入速率) a c l ( a c c e s sc o n t r o ll i s t ，访问控制列表) 以太网的8 0 2 1 p 1 q 链路层q o s 控制 此外，当前网络中的路由协议可能造成流量的不均匀分布，导致部分网络 十分拥塞，而另一部分可选路径却空闲。流量工程技术可解决网络资源分配策 略所面临的问题，主要目的是平衡流量。i p q o s 技术和流量工程技术结合并互 相补充，能够为网络提供更