（通信与信息系统专业论文）实时语音业务在无线移动网络中的性能测量和分析.pdf

电子科技大学硕士论文一实时语音业务在无线移动网络中的性能测量和分析 摘要 学科专业：通信与信息系统 论文墨日： 实时语音业务在无线移动网络中的性能测量和分析 硕士生：黄茜导师：雷维礼教授 摘要： ( 随着无线移动通信技术和i n t e r n e t 的迅猛发展，在无线网络上用i p 承载语音业 务( v o i p ，v o i c eo v e ri p ) 得到日益广泛的应用。由于无线网络带宽较低，并且用户 经常处于移动状态，而v o i p 对网络传输时延、延时抖动等特性非常敏感。因此，在无 线移动网络中，为实时语音业务提供服务质量尤为必要。目前，国内外对无线移动网 络中q o s 的研究主要集中在理论模型的探讨和协议设计上，还没有针对实时语音业务 在实际无线移动网络环境中传输性能的研究。户了 本文主要研究实际无线移动网络中实时语音业务的传输性能，首先，本文提出一 种新的量化无线移动网络中实时语音业务q o s 性能参数的方法，设计实现了相应的测 量分析工具，对无线网络中实时语音业务q o s 的参数进行测量。通过不同网络环境的 仿真测试证明，本文提出的测量方法及测量分析工具有效可行。然后，本文对无线移 动网络中实时语音业务的传输性能参数进行实际的测试、分析和评估，考察使用 d i f f s e r v 为实时语音业务提供q o s ，改善移动节点越区切换性能的方法。本文的研究 工作填补了实际无线移动网络环境中实时语音业务性能研究的空白，为迸一步研究如 何提供无线网络中的q o s 提供了参考。 ， 论文第一章讨论了无线移动网络实时语音业务q o s 研究的相关背景知识，对基于 i p v 6 的v o i p 、移动i p v 6 及q o s 模型进行了阐述。 第二章详细介绍了量化无线移动网络中实时语音业务传输性能参数的方法，实现 了相应的测量分析工具，并且提出了一种新的时钟校准算法。 第三章首先给出测试网络的拓扑结构和网络环境，用实际测试结果验证测量方法 的正确性，然后对无线移动网络中实时语音业务的传输性能进行测试、分析和评估。 第四章引入区别服务模型( d i f f s e r v ) 来提供q o s 支持，通过实测比较，验证了 d i f f s e r v 对实时语音业务q o s 的改善。 、 第五章是全文的总结，并提出了下一步的工作， 关键词：实时语音业务，实时传输协议，移动i p v 6 ，服务质量，越区切换，区别服务 模型 皇主型垄盔堂堡主堡塞= 塞堕量童些墨垄垂垡整塾堕堑主塑丝堑塑墨塑坌堑 a b s t r a c t s u b j e c t ：c o m m u n i c a t i o n s a n di n f o r m a t i o ns y s t e m t i t l e ： m e a s u r e m e n ta n d a n a l y s i so f v o l p v 6q o sp a r a m e t e r s o v e rm o b i l e w i r e l e s sn e t w o r k s a b s t r a c t ： d e 霉 e ea p p l i c a n t ：h u a n g ，q i a na d v i s o r ：p r o f l e i ，w e i l i w i t ht h eg r e a td 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 ya n d i n t e r n e t ，v o l po v e r w i r e l e s sn e t w o r ki sw i d e l yu s e d p r o v i d i n gq o sg u a r a n t e e s f o rv o i pa p p l i c a t i o n si si n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t fe s p e c i a l l yi nm o b i l e w i r e l e s s n e t w o r k sd u et ot h e i rf i m i t e db a n d w i d t ha n dm o b i l i t y h o w e v e r ，t h ec u r r e n t r e s e a r c h e so nq o so fm o b i l e w i r e l e s sn e t w o r km a i n l yf o c u so nt h e o r e t i c a l m o d e la n dp r o t o c o ld e s i g n ，t h e r ei sn od e t a i l e dr e s e a r c ho nt r a n s i t d e r f o r m a n c eo fv o i pa p p l i c a t i o no v e ra c t u a lm o b i l e w i r e l e s sn e t w o r k t h i sp a p e rd o e sr e s e a r c ho nt r a n s i tp e r f o r m a n c eo fv o i po v e ra c t u a i m o b i l e w i r e l e s sn e t w o r k f i r s t ，an e wa p p r o a c hf o rm e a s u r i n gt h eq o s p a r a m e t e r so fv o i pa p p l i c a t i o n so v e rw i r e l e s sn e t w o r ki si n t r o d u c e dt od o a c t u a lm e a s u r e m e n ta n da n a l y s i s b a s e do nt h er e s u l t si nv a r i o u sn e t w o r k s c e n a r i o s ft h em e a s u r i n gm e t h o d o l o g y i sp r o v e dt ob ec o r r e c t s e c o n d ，w i t h t h ei m p l e m e n t e dm e a s u r i n gt o o l ，a c t u a lm e a s u r e m e n t sa r ec o n d u c t e d b y c o m p a r i n gt h ep e r f o r m a n c eo f v o i pi nd i f f e r e n tm o b i l e w i r e l e s sn e t w o r k s c e n a r i o s ，s t r a t e g i e st oi m p r o v eq o s f o rv o i pi nm o b i l e w i r e l e s sn e t w o r k sa r e d i s c u s s e d ，a n dd i f f s e r vi si n t r o d u c e dt op r o v i d eq o s t h i sp a p e rw i l lf i l lt h e b l a n ko fr e s e a r c ho nt r a n s i tp e r f o r m a n c eo fv o l pa p p l i c a t i o no v e ra c t u a i m o b i l e w i r e l e s sn e t w o r k a n dg i v eag o o dr e f e r e n c ef o rf u r t h e rr e s e a r c ho n p r o v i d i n gq o s i nw i r e l e s sn e t w o r k t h er e s to ft h i sp a p e ri so r g a n i z e da sf o l l o w s i ns e c t i o n1 ，t h er e l e v a n t k n o w l e d g e a b o u t v o i p ，m o b i l ei p v 6a n dq o s a r ep r e s e n t e d s e c t i o n2b e g i nt o i n t r o d u c et h em e a s u r i n gm e t h o d o l o g y ，an e wc l o c kc a l i b r a t i o na l g o r i t h mi s i n t r o d u c e da sw e l l i ns e c t i o ni l l ，v a r i o u sn e t w o r kt o p o l o g i e sa n ds c e n a r i o sa r e d e s c r i b e d ；r e s u l t sa n da n a l y s e s a r ea l s og i v e n a ne x a m p l eo f q o sm e c h a n i s m ， d i f f s e r v ，i si n v e s t i g a t e di ns e c t i o ni v t oi m p r o v eq o sf o rv o i p a p p l i c a t i o n so v e r m o b i l e w i r e l e s sn e t w o r k s f i n a l l y ，s e c t i o nv c o n c l u d e st h ew h o l e p a p e r k e yw o r d s ：v o i p ，r t p ，m o b i l ei p v 6 ，q o s ，h a n d o v e r ，d i f f s e r v m 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：蘧查日期：矽。年，月专j e t 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期：知p 2 年，二月j 日 电子科技大学硕士论文一实时语音业务在无线移动网络中的性能测量和分析 引育 传统的因特网( i n t e r n e t ) 只能提供尽力而为( b e s te f f o r t ) 的服务，不 能为基于因特网的实时多媒体业务提供服务质量( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 。 因此，如何在i p 网络上提供实时多媒体业务的q o s 成为网络技术研究的热点。 因特网工程任务组( i e t f ) 建议了若干q o s 模型，包括综合服务模型( i n t s e r v ) 、 区别服务模型( d i f f s e r v ) 以及多协议标记交换( m p l s ) 和流量工程等。 随着无线网络技术的发展，如无线局域网、2 5 g 和3 g 网络等，人们对多 媒体实时业务和移动性的需求不断增长。新一代全球移动i p 网络以q o s 和移动 为特征，希望支持所有基于i n t e r n e t 的业务，包括v o l p 和视频会议等。但是， 各种各样的多媒体实时业务会占用大量的带宽，当网络上出现突发性高的f t p 或者含有图像文件的h t t p 等业务流量时，实时业务的q o s 就会受到很大影响。 因此，为无线网络上不同的业务提供相应的q o s 服务十分必要。 与传统的电路交换相比，基于i p 的电话系统要更加经济。v o i p 正逐渐成 为全球无线通信网( u m t s ，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 ) 中重要的业务【1 】。与早期v o l p 技术( 特征是语音有失真和中断) 相比，语 音质量得到了很大的改善，语音编码和丢失分组重建技术的改进也使得语音易 于理解。但是，当前的v o i p 技术还是相对不成熟，质量和时延仍然是其主要问 题【2 】。由于无线网络带宽较低，并且用户通常处于移动状态，而v o i p 对网 络传输时延、延时抖动等特性非常敏感。因此，在无线移动网络中，为实时语 音业务提供服务质量尤为必要。 为无线移动网络中的实时语音业务提供更好的q o s ，需要一个可以量化实 时语音业务通信质量的评价标准。首先，本文提出了一种在无线移动网络中量 化实时语音业务q o s 性能参数的方法，设计实现了相应的测量分析工具，对无 线网络中实时语音业务q o s 的参数进行实际测量分析。然后，本文对无线移动 网络中的实时语音业务传输性能参数进行了测试、分析和评估，考察使用 d i f f s e r v 为实时语音业务提供q o s ，改善移动节点越区切换性能的方法。在当 前网络q o s 的研究中，还没有具体针对无线移动网络中实时语音业务实际传输 性能比较的研究【3 】，本文的研究工作能够填补这一个空白。 电子科技大学硕士论文一实时语音业务在无线移动网络中的性能测量和分析 第一章无线移动网络实时语音业务q o s 研究t 景 图1 - 1 描述了无线移动网络实时语音业务q o s 研究的系统框架。从协议层 次上理解，可以从应用层和网络层两个层次为实时语音业务提供q o s 。 图l - l 无线移动网络中的v o l p v 6q o s 研究框架 应用层的q o s 措施主要集中在对语音本身的处理，采用了回音消除( e c h o c a n c e l l a t i o n ) ，语音分组分段重组，前向误差修正( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 等解决方案以改善语音质量 2 1 。可以认为，应用层实现q o s 的机制与下层网 络相对独立。 本文对无线环境下基于i p v 6 的实时语音业务( v o l p v 6 ) 的q o s 进行研究， 考虑从网络层为实时语音业务提供q o s ，用传输时延( d e l a y ) ，时延抖动( d e l a y j i t t e r ) ，语音数据丢失率( p a c k e tl o s sr a t e ) 等参数来衡量实时语音数据在 网络上的传输性能。另外，无线移动网络中的实时语音业务，需要网络层提供 移动性支持，研究中采用了移动i p v 6 。因此，本章分别介绍v o i p 、移动i p v 6 和q o s 三个方面的相关概念和研究进展。 1 1v o i p 1 1 1 v o i p 通信过程 通常意义上的v o i p ( v o i c eo v e ri p ) 包括了广域网上的语音数据包传送机 制。它是建立在i p 技术上的分组化、数字化传输技术，其基本原理是：通过语 音压缩算法对话音进行压缩编码处理，然后把这些语音数据按i p 等相关协议进 行打包，经过i p 网络把数据包传输到目的地，再把这些语音数据包串起来，经 过解码解压处理后，恢复成原来的语音信号，从而达到在i p 网络上传送话音业 务的目的。 国际上制定了许多标准以保证v o i p 的互操作性。h 3 2 3 是i t u t 的一个标 2 电子科技大学硕士论文一实时语音业务在无线移动网络中的性能测量和分析 准协议族，为l a n 、w a n 、i n t r a n e t 、i n t e r n e t 上的多媒体通信技术应用提供技 术基础和保障。h 3 2 3 是设计来扩展传统的以电路交换为基础的业务到以分组 为基础的网络中的。v o i p 能够以h 3 2 3 中对语音支持的功能部分为基础，因此， h 3 2 3 的一个主要目的是使得现有的电路交换系统( p s t n 和i s d n ) 之间具有互 操作性。此外，i e t f 正在制定会话初始协议( s i p ) ，用于多媒体会话的发起， 及用来控制i n t e r n e t 上多媒体服务器的r t s p 协议，使得它们能够与h 3 2 3 一 起工作。 本文中提到的v o i p 只是研究性的概念，即用i p 包来承载语音业务，并在 i p 网上进行传输。在发送端，模拟的语音信号首先经过采样、压缩、编码、调 制成为数字信号，然后封装成一个个r t p 包，r t p 包再封装到u d p 报文中，最 后以i p 包的形式在网络上传输。接受方收到封装了语音数据的i p 报文后，提 取出其中的语音数据然后解压缩，经过d a 还原成模拟的语音信号，这就是v o l p 的基本通信过程，如图1 - 2 所示： v o i c e ) ) a d c o n v e r t s e n d e r _ 。c o m p r e s s i o na l g o r i t h m 一- r t pe n c a p s u l a t i o n 一 r e c e i v e r r t p ，r t c p t c p u d p i p v 6 爪p v 6 8 0 2 1 l b ( w i r e l e s s ) 8 0 2 3 e m e t ) v o i c e ( ( d ac o n v e r t d e c o m p r e s s i o na l g o r i t h m e x t r a c tf r o mr t p 图卜2 、v o i p 基本通信过程 在v o l p 的通信过程中，数据链路层可以是有线以太网，也可以是无线网络， 如8 0 2 1 l b 无线局域网。站在网络层的角度，可以把有线和无线看作仅仅是传 输介质的不同，其对上层所提供的服务都是一样的。因此，当通信节点在不同 网络之间移动时，主要考虑如何在网络层尽可能确保上层应用的不中断。 1 1 2r t p 、r t o p 实时传输协议r t p ( r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 【4 】是i n t e r n e t 上用于多媒体数据流的一种传输协议，为具有实时特性的数据业务( 交互式的 音频和视频) 提供端到端的传送服务。 3 电子科技大学硕士论文一实时语音业务在无线移动网络中的性能测量和分析 r t p 在一对一或一对多的传输情况下使用，目的是提供时间信息和实现流 同步。通常工作在无连接的u d p 层之上，但是也可以在t c p 或a t m 等其他协议 之上工作。r t p 提供了负载类型标识，因此接收者能够决定分组中的媒体类型； r t p 也提供了序列号和时戳，因此分组能够被记录，丢失检测，和以适当的速 度输出。支持实时语音业务v o l p 时，r t p 算法并不作为一个独立的网络层来实 现，而是作为实现v o i p 功能的应用程序代码的一部分。r t p 本身并不提供任何 机制来保证实时数据包的及时传输和服务质量，而是依靠下层应用来完成这些 工作。r t p 的包头格式如图卜3 所示： 0l23 01234567890l234567890123456789o1 + - - + - - + - - + 一+ 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一十一+ 一十一+ - - + - - + - - + 一+ - - - 卜- + - - + 一+ 一十- - + - - + 一+ 一十一+ 一+ - - + - - + - - + 一+ l v = 2 l p l x | c cj 川 p t ls e q u e n c en u m b e ri + 一+ 一十一+ - - + - - + - - + 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一+ 一十一+ 一十一+ 一+ - - + - - + - - + 一十- - + - - + 一+ 一十- - + - - + 一+ - - + - - + 一+ |timestamp + 一+ - - _ i - - - + - - + - - + - + - - + 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一十- - + - - + - - + - - + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ is y n c h r o n i z a t i o ns o u r c e ( s s r c ) i d e n t i f i e r i + = + = + = + = + = + = + = 十= + = + = + = + = + = + = + = + = + - - - - + = + = + = + = + = + = + = + = + = + = + = + = + = + = + = + |c o n t r i b u t i n gs o u r c e ( c s r c ) i d e n t i f i e r si 1i + 一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一十一+ 一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一十一+ 一+ 一十一+ 一+ - - + - - 十一+ 一十一+ 一十一+ 一十 图卜3r t p 包头格式 每一个r t p 报文包头都包括一个1 6 b i t 的序列号，在一次语音通信过程中，初 始的序列号随机选取，其后报文中的序列号按照语音数据包封装顺序以1 递 增，范围从o 到6 5 5 3 5 。接收方的应用程序就可以根据r t p 包头中的这个序列 号来检测语音数据包的丢失和重新排序。因此，可以通过包头里的序列号来识 别每一个r t p 报文，对它的发送与接收进行研究。t i m e s t a m p 是r t p 数据包中 第一个8 位字节的采样瞬时刻，其格式是n t p 的时间格式，用3 2 位表示一秒。 对于周期性产生的r t p 包，t i m e s t a m p 由采样时钟产生，按采样间隔递增。 实时传输控制协议r t c p ( r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 4 1 和r t p 一起提供流量控制和拥塞控制服务。r t c p 报文和r t p 组播到同一组播 组，但是具有不同的端口号。当应用程序建立一个r t p 会话连接时，会使用两 个端口：一个给r t p ，一个给r t c p 。r t p 本身并不能为按顺序传送数据包提供 可靠的传送机制，也不提供流量控制或拥塞控制，而是依靠r t c p 提供这些服 务。在r t p 会话期间，数据的接收方和发送方周期性地组播r t c p 报文。r t c p 分组提供了多种信息，第一，用于标识一个会话中的用户。一种r t c p 分组包 括源描述者( s d e s ) ，包括参与者的名字，e - m a i l 地址，电话号码，传真和位 电子科技大学硕士论文一实时语音业务在无线移动网络中的性能测量和分析 置等。第二，接收方收到的r t c p 包中含有发送方已发送的数据包的数量、已 收数据包丢失数等统计资料，接收方使用这个信息在会话中动态地调节它们的 传输速率和编码，甚至改变有效载荷类型。 虽然r t c p 可以提供实时的数据传输性能反馈，根据连续几个r t c p 报文里 的信息，还可以统计出r t c p 报文的往返时间( r o u n d - - t r i pt i m e ) 。但是，由 于r t c p 的发送比较随机，而且通信双方的r t c p 只能记录自己发送r t p 报文时 间内收到的对方数据的一些基本情况，其抖动随时刷新，只记录发送r t c p 时 刻的时延抖动值。因此，在实时业务性能测量中，r t c p 只能作为一个辅助的 提供信息的工具。 r t p 与r t c p 设计成独立传输和网络层，它们配合使用，以有效的反馈和最 小的网络开销使传输效率最佳化，因而特别适合传送网上的实时数据。 1 2i p v 6 i p v 6 协议是用来取代i p v 4 的下一代互联网协议【5 】。与i p v 4 相比，i p v 6 具有很多优点： 首先，它提供了巨大的地址空间，由i p v 4 的3 2 位地址升级到1 2 8 位的地 址空间，如果分配合理，可以满足所有可预测应用的地址需求。这实际上是推 广i p v 6 的最大动力。 其次，i p v 6 的地址结构和地址分配采用严格的层次结构，以便于进行地址 聚合，从而大大减小了路由器中路由表的规模。 第三，i p v 6 协议支持网络节点的无状态地址自动配置 6 1 ，路由器在它所 接入的网络上周期性的广播子网的网络前缀，主机则把接收到的网络前缀与自 己的接口标识符( 通常是m a c 地址) 相结合组成该网络接口上的地址，从而可 以加入该网络，与其他节点进行通信。同时主机启动双重探测机制，发送邻居 请求报文判断主机所获得的地址在该网络链路上的唯性。因此，i p v 6 协议对 主机移动性有较好的支持。 另外，i p v 6 协议强制实现了i p s e c ，在安全性、对多媒体流的支持性等方 面比i p v 4 更有优势。 因为i p v 6 有更大的地址空间和灵活的地址自动配置方式，它的这些特性在 未来无线移动网络中十分适用，因此本文主要研究基于i p v 6 的语音通信 v o i p v 6 ，即语音数据包在网络层的载体是i p v 6 。 5 电子科技大学硕士论文一实时语音业务在无线移动网络中的性能测量和分折 1 3 移动i p v 6 1 3 1 移动i p v 6 与移动i p v 4 移动i p v 6 7 】建立在i p v 6 体系结构上，为i p v 6 移动节点( m n ，m o b i l en o d e ) 在i p v 6 网络中移动时提供不中断的连接。移动i p v 6 目前是i e t f 移动i p 工作 组议程上的重要课题。其d r a f t 文件已经发展到第1 9 个版本。 移动i p v 6 的设计汲取了移动i p v 4 的设计经验，由于i p v 6 的移动特性是基 于i p v 6 的核心特性，所以它比移动i p v 4 更加优越：移动i p v 4 协议不适用于数 量庞大的移动终端。另外，i p v 6 比i p v 4 对移动性具有更好的支持，因为i p v 6 设计的时候就已经考虑到一些必要的扩展了，而且也给移动性支持留了足够的 余地。移动i p v 6 从移动i p v 4 中借鉴了许多概念和术语，i p v 6 中仍然有移动节 点和家乡代理( h a ，h o m ea g e n t ) ，但没有外地代理的概念。移动i p v 6 中同 时采用隧道和源路由技术向连接在外地链路上的移动节点传送数据包，而在移 动i p v 4 中只采用了隧道技术( 移动i p v 6 的高层功能和移动i p v 4 相似，即代理 搜索、注册和选路) 。移动i p v 6 定义了三种操作实体：移动节点、通信节点和 家乡代理；四种新的i p v 6 目的地选项：绑定更新、绑定确认、绑定请求和家乡 地址：为了实现“动态家乡代理地址发现”机制定义了两种i c m p 消息类型：家 乡代理地址发现请求消息和家乡代理地址发现应答消息；定义了两种“邻居发 现”选项：宣告消息间隔和家乡代理信息选项。移动i p v 6 和移动i p v 4 的比较 如表卜l 所示： 表1 - 1 移动i p v 6 和移动i p v 4 的比较 移动i p v 4移动i p v 6 移动节点、家乡代理、家乡链路、外地相同 链路 移动节点的家乡地址全球可路由的家乡地址和链路局部地址 外地代理、外地转交地址外地链路上的一个“纯”i p v 6 路由器，没有 外地代理，只有配置转交地址 配置转交地址，通过代理搜索、d h c p 或通过主动地址自动配置、d b c p 或手工得到转交 手工得到转交地址地址 代理搜索路由器搜索 向家乡代理的经过认证的注册向家乡代理和其它通信节点的带认证的通知 到移动节点的数据传送采用隧道到移动节点的数据传送可采用隧道和源路由 由其它协议完成路由优化集成路由优化 6 电子科技大学硕士论文一实时语音业务在无线移动网络中的性能测量和分析 1 3 2 移动i p v 6 工作原理 1 3 2 1 基本操作 无论移动节点心在家乡还是在外地，别的主机总是可以通过家乡地址来找 到州。当 i n 在家乡时，可以使用通常的路由机制来对发往州的数据包进行路由。 由于州的子网前缀是其家乡链路的子网前缀，所以发往删的数据包将被路由到 其家乡链路。 当删连接在外地链路时，可以通过一个或多个转交地址c o a ( c a r eo f a d d r e s s ) 或家乡地址来被寻址。转交地址c o a 是当访问外地链路时获得的一个 i p 地址，此地址的予网前缀是刖所访问的外地链路的子网前缀。如果心使用此 c o a 连接在这个外地链路，那么发往这个c o a 的数据包将被直接路由到在此外地 链路上的州。 的家乡地址和转交地址的关联叫做删的一个绑定。利用i p v 6 “邻居发现” 协议， i n 可以通过有状态或无状态“地址自动配置”机制来获得转交地址。其 他获得转交地址的方法也是允许的( 如由外地链路的网络管理员事先分配一个 i p 地址给移动节点) 。 当离开家乡链路时，要向家乡链路上的一个路由器注册自己的一个转交 地址，并要求这个路由器作为自己的家乡代理h a ( h o m ea g e n t ) 。进行注册时， m n 向h a 发送“绑定更新”消息，用“绑定更新”消息中的转交地址c o a 向h a 注册， 这个被注册的转交地址称为州的“主转交地址”。然后h a 向m n 返回“绑定确认” 消息a 心的h a 在家乡链路上利用“代理邻居发现”来截获发往州的数据包，并 使用“i p v 6 封装”协议来封装数据包，其外部报头的目的地址是移动节点的“主 转交地址”，从而把每个数据包通过隧道传送到蜊的主转交地址。 删可以同时使用多于一个的转交地址。但其“主转交地址”必须是唯一的， h a 只为每个m n 维护一个转交地址，把数据包通过隧道传送到的“主转交地址”。 因此，h a 使用隧道传送数据包时就不用采取任何策略来决定要利用哪个转交地 址作为隧道的出口，而把这项功能留给州去完成。 当离开家乡时，家乡链路上的一些节点可能被重新配置，如原来作为m n 家乡代理的路由器可能被别的路由器所替换。可能不再知道其h a 的i p 地址。 移动i p v 6 提供了“动态家乡代理地址发现”机制来允许删动态地在家乡链路上 发现一个h a 的i p 地址，蝌找到一个h a 后就可以向此h a 注册自己的转交地址。 “绑定更新”、“绑定确认”和“绑定请求”这三个目的地选项用于i p v 6 7 电子科技大学硕士论文一实时语音业务在无线移动网络中的性能测量和分析 节点与删之间进行通信，也能够使i p v 6 节点了解和缓存心的绑定，如图卜4 所 示： 图卜4 移动i p v 6 绑定更新 移动i p v 6 定义了一个附加的i p v 6 目的地选项叫“家乡地址”选项。当洲 在外地发送数据包时，通常使用当前的转交地址作为数据包报头中的源地址， 并且在数据包中包含一个“家乡地址”目的地选项，用于给出自己的家乡地址。 这是因为，许多路由器都有“入口过滤功能”，这种路由器不允许“源地址”不 正确的数据包通过。通过使用转交地址作为i p v 6 报头的源地址，数据包将能正 常地通过这些路由器，这些入口过滤规则也同样能够得到正确的拓扑源结构。 而在每个数据包中包含“家乡地址”选项，心就可以利用包含在“家乡地址” 选项中的家乡地址与通信节点进行通信，这样，转交地址对i p 层之上透明。在 数据包中包含“家乡地址”选项仅仅影响通信节点对这个数据包的接收；接收 这样的数据包将不在通信节点中产生或修改任何状态。【8 】 图卜5 移动i p v 6 中移动节点的通信 1 3 2 2 绑定管理 当m n 配置了一个新的转交地址并且决定要使用这个新的地址作为主转交地 址时，州通过发送给h a 一个“绑定更新”消息来注册这个新的绑定。指出这 个“绑定更新”消息是需要应答的，并且它不断的周期性地重发这个消息直到 暑 电子科技大学硕士论文一实时语音业务在无线移动网络中的性能测量和分析 得到认可为止。h a 通过向心返回一个“绑定确认”消息来应答绑定更新消息。 当心接收到一个由其h a 通过隧道发送给它的数据包时，心就认为发送这个 数据包的通信节点c n ( c o r r e s p o n d e n tn o d e ) 没有它的绑定缓存条目。如果有 的话，c n 应该利用“路由报头”直接向洲发送数据包，而不必经过州的家乡链 路。因此，洲向c n 返回一个“绑定更新”消息，允许c n 为这个移动节点缓存一 个绑定，c n 就可以利用这个绑定来发送以后的数据包。尽管可以要求这个“绑 定更新”消息被应答，但这个应答不是必须的，因为从c n 发出的后续数据包如 果继续被的h a 所截获并且通过隧道发送到蝌，那么将激发向c n 重发“绑定 更新”消息。当某个绑定的生存时间将要到期时，具有这个“绑定缓存”条目 的c n 可以更新此绑定条目。c n 通过发送一个“绑定请求”消息到心来要求m n 向 它发送“绑定更新”消息。例如，如果c n 正在与删进行通信，并且正有一个打 开的t c p 连接，以后还要继续此通信，那么在这种情况下心可以刷新这个条目。 当接收到一个“绑定请求”消息时，向发送这个“绑定请求”消息的节点返 回一个“绑定更新”消息。 由于c n 能够缓存绑定，可以直接把数据包路由到的转交地址，因此h a 很 少参与对洲数据包的传送。这对于系统的可扩展性和稳定性非常重要，同时也 减少了网络的负担。通过缓存州的转交地址能够实现从c n 到袱数据包的优化路 径。直接把数据包路由到m n 的转交地址也减轻了家乡代理和家乡链路的阻塞。 另外，由于家乡链路上的节点和家乡链路参与很少的对州数据包的转发，所以 这些节点和家乡链路的失败很少影响心的通信。 目前，在各种操作系统上，已经有基于草案【7 】的移动i p v 6 实现，使用 比较多的是赫尔辛基大学的m o b i l ei p v 6f o rl i n u x ( m i p l ) 【9 】，在我们的研 究中，使用了m i p l 基于草案1 8 的版本来提供移动性的支持。 1 4 服务质量o o s ( q u a ii t yo fs e r v i o e ) i p q o s 【1 0 是衡量i p 数据流通过网络时性能的度量尺度，包括业务可用 性、延迟、可变延迟、吞吐量和丢包率等。通过提供q o s ，能够对数据包进行合 理的排队，对含有内容标识的数据包进行优化，并对其中特定的数据包赋以较 高的优先级，从而加速传输的进程，并实现实时交互。 现有的i n t e r n e t 只能提供尽力而为的服务，不能满足多媒体实时应用的q o s 要求。当前q o s 的研究工作集中在扩展i n t e r n e t 的体系结构和协议方面，为多媒 9 电子科技大学硕士论文一实时语音业务在无线移动网络中的性能测量和分析 体应用提供o o s 支持。主要有两种o o s 模型：综合服务模型( i n t s e r v ) 和区别服 务模型( d i f f s e r v ) 。 1 4 1 综合服务樱型( i n t s e r v ) 综合服务模型【1 l 】建立在资源预留的基础之上，实时应用在传输数据前 必须首先建立通道和预留资源。r s v p ( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 是用 来建立通道和预留资源的协议。综合服务模型具有如下优点： ( 1 ) 能够提供绝对有保证的q o s 。r s v p 运行在从源端到目的端的每个路由 器上，可以监视每个流，以防止其消耗的资源超出它请求、预留和预先购买的 资源。 ( 2 ) r s v p 使用现有的路由协议来决定流的通路。r s v p 协议由i p 包承载，使 用“软状态”的概念，通过周期性重传p a t h 和r e s v 消息，协议能够对网络拓扑 的变化做出反映。 ( 3 ) 支持组播业务。r s v p 协议能够让p a t h 消息识别组播流的所有端点，并 发送p a t h 消息给它们。同样，它也可以把自每个接收端的r e v p 消息合并到一个 网络请求点上，该点可以让一个组播流在分开的连接上发送同样的流。 但是，综合服务模型有很明显的缺点： ( 1 ) 扩展性不好，不适用于大规模网络。随着网络规模的扩大和应用流数 目的增加，状态信息的数量成直线上升，占用大量的传输带宽、路由器存储空 间和处理器开销。 ( 2 ) 路由器要求高。资源预留必须要求从发送端到接收端之间的所有路由 器都必须实现资源预留( r s v p ) 、接纳控制、m f ( m u l t i - - f i e l d ) 分类和包调度 等。 ( 3 ) 对保证型业务需要网络全部使用综合服务。如果中间有不支持的节点 或网络存在，就无法实现真正意义上的资源预留，所希望达到的q o s 也就不能真 正保证。 ( 4 ) 不适合短生存期的流。因为为短生存期包预留资源的开销很可能大于 处理流中所有包的开销，而i n t e r n e t 流量绝大多数是由短生存期的流构成的。 1 4 2 区别服务模型( d i f f s e r v ) i e t f 在r f c 2 4 7 5 1 2 中提出了区别服务模型d i f f s e r v 。d i f f s e r v 由i n t s e r v 发展而来，采用了i e t f 的基于r s v p 的服务分类标准，抛弃了分组流沿路节点上 1 0 电子科技大学硕士论文一实时语音业务在无线移动网络中的性能测量和分析 的资源预留，可以有效地取代跨越大范围的r s v p 的使用。其目的是定义一种实 旖i pq o s 且更容易扩展的方式，以解决i n t s e r v 扩展性差的缺点。d i f f s e r v 简化 了信令，对业务流的分类更粗，通过汇聚和逐跳行为( p h b ) 的方式来提供一定 程度上的q o s 。汇聚是指路由器可以把q o s 需求相近的各业务流看成是一个大类， 以减少调度算法所处理的队歹0 数；p h b 是逐跳的转发方式，每个p h b 对应于一种 转发方式或者q o s 要求。 d i f f s e r v 弓l 入d i f f s e r v 域的概念，一个d i f f s e r v 域可以认为是一个能够提 供d i f f s e r v 业务的子网。d i f f s e r v 域的主要成员包括核心路由器、边缘路由器、 资源控制器( b b ，b a n d w i d t hb r o k e r ) 。位于d i f f s e r v 域边界的路由器称为边缘 路由器，实现对业务流的分类、整形、标记和调度。核心路由器完成分类、调 度的功能。而资源控制器b b 配置了管理规则，为客户分配资源，通过服务级别 协议s l a ( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ) 与客户进行相互协调以分享规定的带宽。 在d i f f s e r v 中，把i p 包加以标记，产生不同的类别，不同类别的i p 包将得 到不同的服务等级。路由器通过i p 数据包头中的一个d s 字段设置d s c p ( d i f f s e r v 编码点) 来区分不同的业务流( 在i p v 4 中是t o s 字段，在i p v 6 中是c o s 字段) 。 每一种d s c p 对应一种p h b 方式。路由器在转发分组时由d s 字段值来选择包调度机 制，按照该值对应的转发方式来完成单段行为( p h b ) 。d s 字段的设置以及业务 流的管制、整形等一般都只由边缘路由器完成，核心路由器只是简单的根据d s 值，按照一定策略转发包。 d i f f s e r v 希望通过对业务流的分类、整形、标记、调度来为业务提供一定 程度上的q o s 。目前d i f f s e r v 主要提出了两种业务类型：( 1 ) 加速业务 ( e x p e d i t e df o r w a r d i n g ) ，提供类似于专线或租用线的业务；( 2 ) 确保业务 ( a s s u r e df o r w a r d i n g ) ，提供比尽力而为更好的q o s 。 与i n t e r s e r v 相比，d i f f s e r v 更适合在当前的网络中使用： ( 1 ) 业务由d s 字段分类，状态信息不再与业务流的数量成正比，而只与业 务分类的粒度成正比，从而大大减少了预留状态信息的数量，可用于大规模网 络。 ( 2 ) 复杂