（通信与信息系统专业论文）异构网络中基于sctp的垂直切换技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着无线通信技术的飞速发展，各种各样的无线接入网络技术层出不穷，共 同构成了泛在的无线异构网络。融合的异构网络环境以及移动终端的多网络接口 化趋势，共同为用户提供高质量的接入服务，满足用户日益增长的通信信息需求。 为了实现用户跨异构网络的会话连续性与无缝性，不同接入技术之间的切换即垂 直切换成为亟需解决的重要问题之一。而在异构网络中，不同的网络接入技术在 应用场景、覆盖范围、通信协议、网络特性和业务提供能力等各个方面都存在着 巨大的差异性，使得垂直切换在切换性能和目标网络选择上面临巨大挑战。切换 性能优化和切换决策制定成为垂直切换技术研究中的两个关键问题。 垂直切换支持协议中，较常见的网络层m 和应用层s i p 虽然能在一定程度 上实现垂直切换，但同时也会造成较大的切换时延和开销。考虑到垂直切换是端 到端问题，本文选用传输层协议，m s c t p 凭借其多宿主和动态地址重配置等良好 特性，可以很好地实现端到端垂直切换。 本文基于m s c t p ，围绕垂直切换性能优化和切换决策制定两个关键问题展开 探讨。首先在垂直切换性能的优化方面，通过分析影响垂直切换性能的两个问题 切换到新路径上的慢启动现象导致的吞吐量骤降，以及由于原无线信号的迅 速衰减使得s a c k 丢失导致的多余重传，引入一种垂直切换性能优化复合方案 m s c t p c s v h o 。m s c t p c s o 通过估算可用带宽而重设初始拥塞窗口，以及 告知旧路径上接收到的最后数据包序列从而避免多余重传，有效改善切换性能。 w l a n u m t s 网络环境下的仿真表明，m s c t p c s v h o 可以跳过新路径的慢启动 阶段，有效降低切换的时延，并减少不必要的数据重传，提高切换的吞吐量。 其次，针对垂直切换决策，提出一种面向应用，基于i a h p g r a 的垂直切换 决策方法。该决策方法将m s c t p c s v h o 与多属性决策方法相结合，综合考虑当 前应用特性、网络状况甚至用户个人偏好等多因素，采用改进的层次分析法i a h p 与灰关联分析法g r a 相结合，选择最佳目标网络进行切换。仿真结果表明，与基 于r s s 的切换决策相比，本文所提出的垂直切换决策方法能充分考虑不同业务类 型对q o s 的不同需求，从当前应用出发，选择最佳目标网络，并且不会造成性能 的降低。 关键词：垂直切换，异构网络，移动流控制传输协议( m s c t p ) ，切换性能，切换 决策 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , v a r i e t i e so f w i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k st e c h n o l o g i e se m e r g ，w h i c ht o g e t h e rc o n s t i t u t eau b i q u i t o u s h e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k i ti sa ni n e v i t a b l et r e n di nt h ef u t u r et h a tav a r i e t yo f w i r e l e s sn e t w o r k sc o e x i s ta n dm o b i l e st e r m i n a l se q u i pw i mm u l t i p l en e t w o r ki n t e r f a c e s ， w h i c ht o g e t h e rp r o v i d eh i 曲q u a l i t ys e r v i c e st om e e tt h eg r o w i n gc o m m u n i c a t i o na n d i n f o r m a t i o nn e e d so fu s e r s i no r d e rt oe n s u r et h es e s s i o nc o n t i n u o u sa n ds e a m l e s s a c r o s sh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s ，v e r t i c a lh a n d o v e r ( v h 0 ) i sb e c o m i n go n eo ft h e p r i m a r yi s s u e ss h o u l db es o l v e d h o w e v e r , d i f f e r e n tn e t w o r ka c c e s st e c h n o l o g i e sh a v e g r e a td i f f e r e n c e si na l la s p e c t s ，s u c ha st h es c e n a r i o s ，c o v e r a g e ，c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l sa n dn e t w o r kf e a t u r e s ，w h i c hm a k ev h of a c ee n o r m o u sc h a l l e n g e si nt h e p e r f o r m a n c e a n do b je c t i v e s s e l e c t i n g p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n a n dh a n d o v e r d e c i s i o n - m a k i n gb e c o m e st h et w ok e yp r o b l e m si nv h o m pi nt h en e t w o r k l a y e ra n ds i pi nt h ea p p l i c a t i o nl a y e ra r et h et w ov h os u p p o r t p r o t o c o l s a l t h o u g hb o t hm p a n ds i pc a np r o v i d es o m el e v e lo fv h os u p p o r t ，t h e y w i l lm a k eg r e a t e rh a n d o v e rl a t e n c ya n do v e r h e a d f o rv h oi sa ne n d - t o e n dp r o b l e m ， i nt h i sp a p e rm s c t pi sc h o o s e na st h es u p p o r t i n gp r o t o c o l ，w h i c hc a l lr e a l i z ev h ow e l l b yt h ep r o p e r t i e so fm u l t i - h o m i n ga n dd y n a m i ca d d r e s sr e c o n f i g u r a t i o n ( d a r ) b a s e do nm s c t p , t h i sp a p e rd i s c u s s e sa r o u n dv h op e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o na n d h a n d o v e rd e c i s i o n - m a k i n g f i r s tm s c t p c s v h 0i sp r e s e n t e d ：ac o m p o s i t es c h e m e f o rv e r t i c a lh a n d o v e ro p t i m i z a t i o nb a s e do nm s c t p t h e r ea r et w of l a w sd e t e r i o r a t i n g m s c t ph a n d o v e rp e r f o r m a n c e ：f i r s t ，t h ec o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mo fm s c t p m a k e se n t i r ea s s o c i a t i o ne x p e r i e n c eas l o w s t a r tp h a s ea f t e rh a n d o v e r , t h u sl e a d i n gt oa s u d d e n - s h r i n ko ft h r o u g h p u t ；s e c o n d ，d u et ot h es w i t c h i n go fr a d i oi n t e r f a c e s ，t h e s a c kc o u l dg e tl o s t d u r i n gt h eh a n d o v e rp r o c e s s ，w h i c hl e a d st ou n n e c e s s a r y r e t r a n s m i s s i o n b y m e a n so fa v a i l a b l eb a n d w i d t he s t i m a t i o n t e c h n o l o g i e s ， m s c t p - c s v h oa v o i d st h es l o w - s t a r tp h a s ea f t e rh a n d o v e rt h r o u g hc o n f i g u r i n gp r o p e r c o n g e s t i o nc o n t r o lv a r i a b l e so fn e wp r i m a r yp a t h m e a n w h i l e ，r e p o r t i n gt h es e q u e n c e n u m b e ro f l a s t l y r e c e i v e dp a c k e tf r o mt h eo l di n t e r f a c ei s p u tf o r w a r d i n m s c t p c s v h ot oa d v o i du n n e c e s s a r yr e t r a n s m i s s i o n s i m u l a t i o n $ i nm a mm t s s c e n a r i os h o wt h a tm s c t p c s v h 0c a ns k i pt h es l o w s t a r tp h a s e ，d e c r e a s eh a n d o v e r i i d e l a ye f f e c t i v e l y , a n d r e d u c e u n c e s s a r yr e t r a n s m i s s i o n , i m p r o v e t h r o u g h p u t p e r f o r m a n c e w i t hr e g a r d st ov h od e c i s i o n ，a na p p l i c a t i o n - o r i e n t e dv h od e c i s i o nm e t h o d b a s e do ni a h p g r ai sp r o p o s e d m s c t p c s v h o i s a d o p t e d ，w h i c hs u p p o r t s c o o p e r a t i o na m o n gh e t e r o g e n e o u s n e t w o r ki n t e r f a c e s t h ep r o p o s e dm e t h o dc o n s i d e r s t h ec u r r e n ta p p l i c a t i o n , n e t w o r kc o n d i t i o n s ，u s e rp r e f e r e n c e sa n do t h e rf a c t o r s ，a n d m a k e si m p r o v e da n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( l j f f l v ) a n dg r e yr e l a t i o n a la n a l y s i s ( g r a ) c o m b i n et o c h o o s et h em o s ta p p r o p r i a t ed e s t i n a t i o nn e t w o r k c o m p a r i n gw i t h t h ev h od e c i s i o nb a s e do nr s s ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dc a n t a k ef u l la c c o u n to ft 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 sa p p l i c a t i o nt y p e s ，c h o o s e t h ea p p r o p r i a t en e t w o r k ，a n dw o u l dn o tc a u s ep e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n k e yw o r d s ：v e r t i c a lh a n d o v e r , h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s ，m o b i l e s t r e a mc o n t r o l t r a n s m i s s i o np r o t o c o l ( m s c t p ) ，h a n d o v e rp e r f o r m a n c e ，h a n d o v e rd e c i s i o n i i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 本章首先对本文的研究背景和项目背景进行了阐述，指明本课题的研究意义， 之后介绍了本文的主要研究内容，最后介绍了本文的结构安排。 1 1 研究背景 近年来，随着无线通信技术以及计算机网络技术的高速发展，人们在日常生 活、办公过程中对通信的需求开始不断扩张，用户对于移动通信的要求也越来越 高。在下一代网络( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ，n g n ) 中将呈现一种不可避免的“5 w 趋势，即实现任何人( 、枷o ) 在任何时间( w h e n ) 、任何地方( w h e r e ) 与任何人 进行任何形式( w h a t ) 的通信( w h y ) 。为了适应不同的用户应用需求，各种各样 的无线接入网络技术【1 】层出不穷，如蜂窝移动通信网络( 2 g 、3 g 、后3 g ) 、短距 离接入网络( w l 蝌、蓝牙) 、w i m a x 、卫星网络，以及a dh o c 网络、无线传感 器网络等无基础设施网络。然而任何一种单一的无线接入网络都无法提供无处不 在的网络覆盖和全方位的服务。为了满足用户的通信需求，需要保证用户在不同 网络间的应用无缝性，多网络融合的无线异构网络【2 】正是基于此问题的解决而发展 起来。这些在应用场景、目的、系统结构、覆盖范围、通信协议、网络特性和业 务提供能力等方面都各不相同的接入网络，以及未来陆续应新的需求产生的各种 新型接入网络技术，共同形成了泛在的无线异构融合网络( 如图1 1 所示) ，为用户 提供更具多样性、更方便的接入业务，并保证更高的服务质量。 图1 1 无线异构融合网络 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 在无线异构融合网络中，为了充分利用各种接入网络资源，各类终端【3 】( 包括 笔记本、p c 机、p d a 、智能手机、传感器等) 也在传统意义上进行了改变。终端 配置了多个网络接口实现多模化以保证移动性和全域接入性，使得用户可以使用 一种终端接入到多网络当中。而终端在跨越网络边界时为保证用户服务的无缝性， 需要快速切换到新网络上，这涉及到异构网络的垂直切换问题。垂直切换是异构 网络中最重要的移动性研究问题之一，同时也是用户在异构网络中实现无缝接入 首要解决的问题。 传统的切换管理的研究仅仅集中在单一网络环境中，因此在现有异构网络环 境下需要重新设计终端的移动管理模块，使得多模终端在进行垂直切换时能够随 着网络的异构性、应用场景的多样性而变得多样化，甚至允许用户根据个人偏好、 应用q o s 等因素的考虑主动发起切换。这就带来了切换性能、切换决策等方面的巨 大挑战【2 】：一是切换性能优化，垂直切换为了保证与底层技术的无关性，须在高层 实现，但这种高层的通用性又将带来性能上的损失；二是高效可行的切换决策方 法，根据终端、网络、应用，甚至个人偏好等多因素综合决策垂直切换的时间、 条件、目标等。当前众多研究都在网络层采用移动i p ( m o b i l ei p ，m m ) 、在应用 层采用s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 实现垂直切换，但m p 和s i p 都会导致较大 的切换时延和开销，因此现有不少学者开始在端到端传输的最低层传输层研 究实现无缝垂直切换。由i e t f 在2 0 0 0 年定义的m s c t p ( m o b i l es t r e a mc o n t r o l t r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) 由于其多宿主特性和动态地址重配置扩展特性，可以在传 输层很好地实现端到端的切换，从而成为垂直切换技术的研究热点。 1 2 项目背景 多种无线接入网络共存形成了泛在的无线异构网络，为用户提供高质量的服 务。尤其在自然灾害及突发紧急事件出现时，深度融合各种接入网络技术进行应 急通信，充分利用各种网络资源，最大限度地保证高可靠性通信显得格外重要。 重庆市科学技术委员会基金资助项目“多维应急通信系统关键技术研究与实 现”( c s t c ，2 0 0 9 a b 2 2 4 5 ) 提出了多维应急通信的概念及技术方案，研究并实现 无线网络和有线网络等多种通信方式协同通信的新兴多维通信系统，目前已经形 成产品并投入使用。本课题也是该项目研究内容的一部分，主要是实现多种网络 间平滑而快速的无缝切换，有效提高应急状态下的通信保障能力，进一步强化现 有应急指挥系统的复杂通信网络条件的适应性和通信可靠性。 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 3 研究内容 本文通过对垂直切换的基本概念、切换过程、性能要求、支持协议等内容的研 究，指出垂直切换中的两个关键问题在于切换性能优化和切换决策制定，并针对 这两个问题进行深入研究。同时对所选用的传输层协议s c t p 进行了研究总结，重 点介绍了s c t p 支持垂直切换的多宿主特性和动态地址重配置扩展特性，以及 s c t p 的流量和拥塞控制机制。本文的主要内容包括两个方面： 针对切换性能，引入基于m s c t p 的垂直切换性能优化复合方案 本文所引入的垂直切换性能优化复合方案基于m s c t p ，主要是为了解决垂直 切换过程的分析研究中发现的两个问题新路径上的慢启动导致的关联吞吐量 骤然降低至近乎0 ，以及由于原无线接入信号迅速衰减从而导致的切换执行时 s a c k 丢失所引起的多余数据重传。复合方案中采用了重设初始拥塞窗口和避免多 余重传两种机制，并对性能优化程度进行了仿真。仿真结果表明，本文所引入的垂 直切换性能优化复合方案可以有效改善切换性能。 针对切换决策，提出一种面向应用的垂直切换决策方法 本文将采用了性能优化复合方案的m s c t p 与多属性决策方法相结合，综合考 虑终端、业务、网络，甚至用户个人偏好等多个因素，通过用户输入和网络检测 两种方式获取参数，并采用改进的层次分析法获取参数权值，利用灰关联分析法 选择能够满足不同应用对不同q o s 需求的最佳网络进行切换。仿真结果表明，本 文所提出的垂直切换决策方法能从应用出发，选择最佳目标网络，并且不会造成 性能的降低。 1 4 论文结构 本文共分六章，各章的内容安排如下： 第一章绪论t 介绍了论文的研究背景、项目背景及主要研究内容： 第二章垂直切换技术概述：介绍了垂直切换技术基本概念、切换过程、性能 要求、支持协议等，指出垂直切换技术研究中的两个关键问题在于垂直切换性能 的优化以及切换决策的制定； 第三章s c t p 协议介绍t 详细介绍了传输层协议s c t p ，重点介绍了s c t p 支 持垂直切换的多宿主特性和动态地址重配置扩展特性，最后还介绍了s c t p 的流量 和拥塞控制相关内容； 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第四章垂直切换性能优化复合方案：针对切换性能优化，引入一种基于 m s c t p 的垂直切换性能优化复合方案，重点针对仿真分析中发现的两个问题，通 过重设初始拥塞窗口和避免多余重传机制进行有效解决，并在w l a n u m t s 网络 环境下对性能优化程度进行了仿真。 第五章面向应用的垂直切换决策方法：针对垂直切换技术的另一个关键性问 题切换决策制定，提出一种面向应用的垂直切换决策方法，详细介绍了该决 策方法所采用的改进层次分析法与灰关联分析法，给出目标网络的选择算法流程， 并通过与r s s 决策切换的仿真结果比较表明所提出的切换决策方法的优势。 第六章结论及将来工作：对全文进行系统总结，指出研究中仍存在的缺陷， 并对下一步的研究工作进行了展望。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章垂直切换技术概述 2 1 垂直切换概述 第二章垂直切换技术概述 2 1 1 垂直切换概念 垂直切换是与水平切换相对应的切换类型，两者按照接入技术的异同来区分。 水平切换【4 】指的是同种接入技术之间的切换，如u m t s 中不同基站、w l a n 中不 同接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 间的切换。垂直切换是指不同接入技术之间的切换。 在无线异构网络环境中，用户要求在跨异构网络时仍能得到无缝服务，这就需要 垂直切换的支持。然而对于不同的接入网络在覆盖范围、带宽、传输速率等方面 存在着明显的特性差异，从而导致垂直切换具有不对称性。因此根据垂直切换方 向的不同，又可以分为向上切换和向下切换【5 】，如图2 1 所示，从下层覆盖范围小 的网络( 包括热点地区) 到上层覆盖范围大的网络的切换，称为向上切换，如从 w l a n 网络切换到u m t s 网络：反之为向下切换，如从u m t s 网络切换到w l a n 网络。 垂直切换 水平切换 图2 1 垂直切换与水平切换 一般来说，向下垂直切换对时间不敏感，但向上垂直切换对时间非常敏感【6 】。 这是由于向上垂直切换执行过程中无线信号强度变化很大，不太可能进行业务量 和信号覆盖的预测，如从w l a n 到u m t s 的切换算法，当移动节点快速移动出 w l a n 覆盖区域时在极短的时间内跨越了w l a n 临界处会突然遭遇w l a n 无线 链路信号严重恶化甚至突然消失，有可能导致通信中断，使业务q o s 显著下降。 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章垂直切换技术概述 2 1 2 垂直切换过程 垂直切换包括三个阶段，即切换触发和系统发现、切换决策、切换执行。 切换触发和系统发现 水平切换通常是由于地理位置移动而引起协议层状态变化而触发。而在无线 异构网络环境中，垂直切换强调的是接入点的变化，而这种变化有可能是由地理 位置变化而引起，也可能是由终端、应用需求、网络特性等原因触发。 系统发现的过程是终端试图寻找可用的无线网络的过程。在异构网络环境中， 系统发现的时间与终端的能耗是两个重要但相互制约的参数。若要快速检测所有 可接入网络而使终端所有网络接口均处于激活状态，持续检测所有可用网络信号， 即使没有任何数据包接收或发送，也会造成大量能量消耗。因此，针对异构网络 间垂直切换触发过程，必须考虑基于事件触发和基于时间触发相结合。现有不少 相关研究为了避免过多能耗，在受到切换触发( 如业务类型改变，当前网络状态 改变等) 后周期性根据垂直切换策略和算法去激活相应接口，检测可用目标网络。 切换决策 切换决策指通过所确定的量化指标和判决机制来决定是否需要进行切换、何 时切换、切换到哪个目标网络。水平切换通常根据终端所接收到的网络信号强度 ( r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h ，r s s ) 及信道可用性决策，多是由网络发起，终端被 动。而在垂直切换中，由于切换前后网络特性差异较大，依据r s s 指标决策具有 很大的局限性，因为还需要综合考虑与网络、应用、用户和终端相关的q o s 、用 户偏好、服务资费等多种因素，是个典型的多属性决策问题，需要采用更复杂的 方法来综合决策不同类型网络之间的垂直切换。 在垂直切换中，应广泛增加切换指槲6 1 ，如网络条件、应用需求、终端特性、 服务资费以及个人偏好等。网络条件指网络流量、传输带宽、时延及拥塞等指标； 应用需求需综合考虑可靠性、实时性、吞吐量等；终端特性包括终端移动速度、 移动方式、移动历史及位置信息等；不同网络采用不同的计费费率和政策也是垂 直切换决策中重要的考虑因素；用户个人偏好则取决于用户的一些特殊要求，如 对价格敏感，对服务质量敏感等。 切换执行 切换执行是指切换到目标网络的过程。水平切换发生在同种接入技术之间， 切换前后的无线链路采用袒同的链路层技术，因此，水平切换的实现常在链路层 实现。而垂直切换涉及各种异构的链路层接入技术，并且需要保证独立于底层接 入，因此，垂直切换的执行需要通过支持协议( 包括网络层、传输层和应用层等) 完成垂直切换的实施过程，将正在进行的通信会话从1 日网络切换到目标网络中。 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章垂直切换技术概述 垂直切换的具体执行过程还需与各网络系统中的相关实体联合实施，包括为垂直 切换进行新的无线信道配置，请求分配网络资源( 如d 地址的分配等) ，重建网络 传输路径( 路由重建) ，转发未递交( 缓存) 的数据分组等。 网络层的垂直切换技术以m 口为代表，从路由角度解决垂直切换的问题；传 输层的垂直切换可以基于t c p 协议的改进，也可以基于新的支持切换的传输层协 议，如s c t p 。应用层的垂直切换技术以s i p 为代表，利用s i p 对呼叫过程中终端 移动性的支持实现垂直切换。详见2 3 节。 2 1 3 垂直切换性能要求 在无线异构网络中，垂直切换性能需求呈现新的特征【7 1 。如图2 2 所示，应从 可靠性、无缝性、有效性三个方面考虑，并保证系统的资源利用率，同时保持负 载均衡，使切换次数最小化，将众多的考虑因子综合起来，提高垂直切换的整体 性能。 图2 2 垂直切换性能要求 切换可靠性：切换后应有较好的服务质量，保证用户业务的正常应用； 切换无缝性：切换的整个过程对用户正使用业务没有影响，不会造成服务 质量降低，甚至业务中断的现象，使用户无法感知切换过程而只专注于正使用业 务； 切换有效性：保证切换的可实施性，避免切换到不可用网络； 提高系统利用率：由于在无线网络中在切换过程中不会造成系统资源的浪 费，充分利用系统资源； 保持负载均衡：应保持小区间的负载均衡，有助于避免从相邻小区“借用 空闲信道，从而简化了小区规划和运营，并降低新呼叫被阻塞的概率； 切换次数最小：频繁的切换会导致乒乓效应现象，从而带来大量的切换处 理开销，并因此降低通信质量，因此需要避免切换次数过于频繁。 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章垂直切换技术概述 2 2 垂直切换中的关键问题 垂直切换的关键研究问题主要包括切换性能优化和决策制定两个方面，应寻 求合理的切换算法和切换决策，确保在正确的时间切换到合适的网络中以获得最 优q o s 及网络资源利用率。 2 2 1 切换性能优化 如上所述，垂直切换的性能要求应从可靠性、无缝性、有效性三个方面考虑， 并保证服务质量的提高，同时保持负载均衡，使切换次数最小化。在考虑切换的 性能优化问题上应着眼于相关切换参数的最优化，在众多参数中大量研究将切换 时延、丢包率、吞吐量作为重点，从降低切换时延、降低切换过程中的丢包、提 高切换的吞吐量三方面入手。 文献 8 】在跨异构无线接入网络的垂直切换中采用双播机制，将数据包同时发 送给终端新、旧两个p 地址上，有效降低切换过程中的丢包率。文献 9 冲，通过 m s c t p 的软切换提供更高的吞吐量。文献 1 0 】也是针对s c t p 协议，通过预切换 机制预先获取要切换到的目标网络，从而在切换过程中有效减少时延。文献 1 1 】 在垂直切换研究中采用连接管理的思路，将移动性管理与带宽聚合技术相结合， 将垂直切换中从多个可用接口中选择一个最佳网络接口变成从可用路径集中选择 最佳子集，切换的粒度由网络接口级变成数据流级，从而有效利用网络资源，提 高端到端吞吐量。 2 2 2 切换决策制定 如前所述，垂直切换决策是典型的多属性决策问题，需要综合考虑网络性能 参数、业务应用需求、终端特性、服务资费，甚至用户个人偏好等因素。在此问 题上，首先涉及参数集的定义，确定需要考虑具体哪些参数，从何途径获取参数。 对于无法采用数值描述的参数，如安全性、用户偏好等，需给出合理的精确化方 法。同时，由于切换前后的网络特征差异较大，网络间的指标往往不具有可比性， 因此还需要对这些度量值不同的参数进行合理的规范化。确定参数集后，设计高 效、可行的垂直切换决策方法，实现异构网络间的无缝切换，有效减少不必要的 切换，避免乒乓效应，同时，达到总体性能最优化和网络资源的有效利用。 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章垂直切换技术概述 在当前研究中，学者们针对切换决策提出了各种不同的方法。其中，文献 1 2 】 侧重研究如何降低终端的能耗，以及确定恰当的切换触发时间。文献 1 3 1 4 倾l j 重 于基于多参数的如带宽、延时、丢包率、费用等参数选择恰当切换目标网络，所 采用的切换决策算法包括简单加权算法( s i m p l ea d d i t i v ew e i g h t i n g ，s a w ) u3 1 ，接 近理想方案的序数偏好方法( t e c h n i q u ef o ro r d e rp r e f e r e n c eb ys i m i l a r i t yt oi d e a l s o l u t i o n ，t o p s i s ) d 1 3 】，灰关联分析法( g r e yr e l a t i o n a la n a l y s i s ，删1 1 4 】和层次 分析法( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ，a h p ) l l 刚等。 2 3 垂直切换支持协议 垂直切换技术为了实现与底层接入技术的无关性，常常采用高层( 网络层及 以上) 技术实现，因此需要相关层次的协议支持。 网络层 网络层的垂直切换技术以m i p 1 3 1 为代表。m p 基本协议包括m i p v 6 和m d v 4 两个版本。 图2 3m i p v 6 垂直切换信令过程 在m p v 4 中定义了两种功能实体家乡代理( h o m ea g e n t ，h a ) 和外地代 理( f o r e i g na g e m ，f a ) 。m i p v 4 工作机制【”】包含代理发现、注册及隧道技术。当 移动节点( m o b i l en o d e ，m n ) 离开家乡网络时，h a 将发往m n 的数据分组通过 隧道方式转发给m n ，并且维护m n 当前的位置信息。f a 为注册的m n 提供路由 服务，接收h a 通过隧道方式转发来的数据分组，进行解封装后转发给m n 。当 m n 在家乡网络时，使用正常的数据转发方式通信；当m n 检测到进入外地网络 9 重庆邮电大学硕士论文第二章垂直切换技术概述 时，通过f a 或d h c p 获得转交地址，并向其h a 发送位置注册请求消息，注册其 在当前外地网络的转交地址。h a 更新位置缓存中m n 的位置信息，并发送位置注 册应答消息。 m i p v 6 基于m d v 4 之上，在外地网络上不需要f a ，m n 使用i p v 6 邻居发现 机制或地址自动配置等方式获取转交地址；m i p v 6 优化了网络节点移动性管理协 议的设计，解决了m i p v 在入口过滤、三角路由、安全性等方面存在的问题，并降 低了网络开销，提高了协议性能和执行效率，保证了安全性。基于m i p v 6 的垂直 切换信令传输过程如图2 3 所示，o a r 和n a r 分别表示旧接入路由器( a c c e s s r o u t e r ，a r ) 和新接入路由器。 m p 在网络层实现垂直切换，与数据链路层切换机制无关，独立于物理传输 介质。但由于引入了h a 、f a 等网络实体，增加了网络的复杂程度，加重了路由 器的负担，增大了信令开销。使用移动代理进行切换管理还引入了较大的延时， 需要复杂的注册更新过程，同时也带来一些安全性问题。 应用层 s i p 协议是应用层支持移动性的典型技术，是由i e t f 在r f c 3 2 6 1 中定义的协 议标准。 图2 4s p 垂直切换信令过程 基于s i p 的垂直切换信令传输过程如图2 4 所示，r s ( r e g i s t a rs e r v e r ) 是家 乡注册服务器。基于s i p 的垂直切换【2 】中，m n 移动到新网络并获得新地址后， 把新的i n v i t e 请求( r e l n v i t e ) 发送给对端( c o r r e s p o n d e n c en o d e ，c n ) ，且 r e l n v i t e 中包含与先前会话d 相同的会话d 。同时r e l n v i t e 中的c o n t a c t 域中 应包含m n 在新网络中获得的新地址信息，以便告诉c n 将下一个数据包发到 新p 地址上。要将数据流重定向到新网络，r e i n v i t e 消息中的s d p 域也指定新 的传输地址及新的会话描述参数。在c n 回复相应的成功响应消息后，m n 向家乡 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章垂直切换技术概述 s i p 服务器重新发起注册，更新其地址绑定，以便新的呼叫可以被正确地转发给 m n 。 在应用层实现切换可以屏蔽底层的网络差异、对底层网络保持透明，可以提 供更好的高层移动性，提供更多更丰富的应用，具备良好的灵活性和可扩展性。 但是由于应用层感知底层变化，从而引起更高时延。 传输层 上述可知，m m 和s i p 虽然能在一定程度上支持异构网络间的垂直切换，但 由于较大的切换时延导致难以维持无缝会话，移动用户可能会遭遇q o s 降低甚至 会话中断。而垂直切换问题在本质上是一个端到端的问题【1 6 】，按照因特网的基本 设计原则，任何能在端系统上解决的问题最好就在端系统上解决。由于传输层是 解决端到端问题的最低一层，从而成为支持垂直切换的最佳选择。在传输层实现 端到端的切换支持不需要在网络中增加额外的实体来对移动性进行支持，而且也 不需要对任何网络元素进行修改或添加，可以避免给网络带来过度的复杂性，对 当前或未来的所有网络结构具有通用性。此外，移动性对传输层产生的影响最为 直接【1 7 】，例如当主机发生地址切换时，传输层通过调整其流量和拥塞控制的参数 适应新的网络环境，显著地提高性能。 现有传输层的垂直切换技术分为两类。一类是基于t c p 协议的改进。如k i m s e 等人【18 】通过扩展t c ph e a d e r 中的一个可选字段，用不同的值表示不同的切换 状态，接收方据之进行处理，在切换过程中暂停数据传输，在切换完成之后重启 数据传输。但是，对t c p 协议进行改进复杂度较高，在实际应用中并不适用。因 此，第二类在传输层提出了新的协议支持切换，m s c t p 是这类技术的代表，通过 多宿主性和动态地址重配置扩展特性，在传输层很好地支持端到端的切换。下一 章中将对s c t p 协议进行详细介绍。 2 4 本章小结 垂直切换是移动性管理中的重要研究内容。本章介绍了垂直切换的基本概念、 切换过程、性能要求，并针对垂直切换技术的两个关键问题进行了分析，对垂直 切换技术的研究现状和发展趋势进行了系统总结。另外还概要介绍了网络层、传 输层、应用层的垂直切换支持协议。 重庆邮电大学硕士论文 第三章s c t p 协议介绍 第三章s c t p 协议介绍 2 0 0 0 年，i e t f 在r f c 2 9 6 0 中定义了一个新的传输层协议标准s c t p 协议。 s c t p 协议最初用于v o p ( v o i c eo v e ri n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 网络中的呼叫控制信令消 息传输，随后逐渐加入许多诸如关联、多宿、多流等新的特性，逐步发展完善成 为通用数据传输协议。 3 1s c t p 协议结构 s c t p 的分组结构【1 9 1 如图3 1 所示，每个s c t p 分组都包含一个s c t p 通用头 部( c o m m o nh e a d e r ) ，后面是n ( n = 1 ) 个数据块，n 由网络的最大传输单元 ( m a x i m u m t r a n s m i s s i o n u n i t ，m t u ) 所决定。可以看出，s c t p 的通用头部较为 简洁，便于s c t p 数据块的处理。 3 2 b i ： - 通用头部( c o m m o nh e a d e r ) 数据块1 ( c h u n k1 ) 数据块n ( c h u n kn ) s o u r c ep o r td e s t i n a t i o np o r t v e r i f i c a t i o nt a g c h e c k s u m 图3 1s c t p 的报文结构 数据块是s c t p 基本的数据传输单位。主要的数据块类型包含以下几种： i n i t 、i n i ta c k 、c o o 匣e c h o 、c o o k 正a c k ，用于关联建立阶段。 d a t a 、s a c k ，用于数据传输。 h e a r t b e a t 、h e a r t b e a t a c k ，用于跟踪关联中不同的路径状态。 e r r o r ，用于报告非终止性错误。 s h u t d o w n 、s h u t d o w na c k 、s h u t d o w nc o m p l e t e ，用于关联 的关闭。 a b o r t ，用于通知对端因错误而关闭关联。 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第三章s c t p 协议介绍 其中除了d a t a 数据块是用户数据外，其余都为c o n t r o l 数据块，用于传 输与控制和状态相关的信息。 为实现新功能扩展，s c t p 采用了与i p v 6 类似的机制，允许用户自行定义新 的数据块类型。数据块中包含有相应的数据块参数，用于协助完成数据块功能。 数据块采用统一结构定义：类型长度值( t l v ) 。利用这种开放式的结构定义新 的数据块类型及其参数，能够很方便地为s c t p 增加新功能。 3 2s c t p 关联管理 s c t p 是一个面向连接的传输层协议。在s c t p 中这个连接称为关联 ( a s s o c i a t i o n ) ，也称为偶联。s c t p 关联可以由使用该关联的s c t p 端点用一组传 输地址唯一识别，即 传输地址= 多个p 地址+ 一个s c t p 端口号】。在任何时候两 个s c t p 端点间只能有一个关联，上层应用需选择对等端地址中的一对地址建立关 联的主路径。图3 2 说明了s c t p 关联。 上层用户 上层片jj 白 7 黼 ji oli jij s c t p 关联 r 、 s c t ps c t p ! 少乏甄 i p；? i p n 。_ = 。 多个接口 图3 2s c t p 关联 由于s c t p 协议是面向连接的，两个端点在传输数据块之前须建立连接，与 t c p 不同，s c t p 采用四次握手和c o o k i e 机制建立关联，如图3 3 所示。c o o k m 实际是一块含有时间戳、数据摘要和关联信息等的数据块。c o o k i e 机制是用于 防止在t c p 中出现的s y nf l o o d i n g 攻击。 重庆邮电大学硕士论文 第三章s c t p 协议介绍 图3 3s c t p 关联建立过程 如图3