（计算机应用技术专业论文）无线传输与qos控制技术研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第l 页 摘要 随着无线通信与网络技术的迅猛发展，人们获得的移动服务越来越普及，越来越多样 化，下一代无线通信网络将承载话音、数据、多媒体业务，需要支持高速率、高可靠性的 数据传输，提供端到端的服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 保证。 然而，频带始终是无线通信中最宝贵的资源，如何在有限的带宽上最大限度地提高数 据传输速率，也就是如何最大限度地提高频带利用效率，已经成为移动通信中解决无线资 源合理利用问题的关键。解决新一代蜂窝移动通信系统无线传输链路的服务质量问题以及 无线资源管理技术，就是要合理的利用现有的有限的无线资源，保证链路里传输的各种业 务的q o s ，同时提供较低的操作和管理开销，从而保证实现新一代无线通信系统的新业务 的发展。 本文，详细描述了一种适合于无线多媒体蜂窝网络的无线数据链路层的解决方案。分 析了提高无线传输质量的自动请求协议( a r q ) 。介绍了一些主流的服务质量( q o s ) 控制 方法。用伪代码实现了移动台岍在接入点间的切换功能。探讨了无线多媒体蜂窝网络中 保证多业务服务质量的动态带宽资源分配的方法。 关键词：无线蜂窝网络；自动请求协议( a r q ) ；服务质量( q o s ) ；带宽分配 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eg r e a tn e we r ao fi n f o r m a t i o nh a sw i t n e s s e dr a p i dg r o w t hi nt h ed e v e l o p m e n ta n d d e p l o y m e n to fw i r e l e s ss e r v i c e s ，e v i d e n tf r o mt h ep r o l i f e r a t i o no fc e l l u l a rd a t as e r v i c e sa n dt h e e m e r g i n gw i r e l e s sm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s t h en e x t - g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a r ee x p e c t e dt oe v e n t u a l l yc a r r ym u l t i m e d i at r a f f i c ，i n c l u d i n gv o i c e ，v i d e o ，i m a g e s ，d a t a , o r c o m b i n a t i o n so ft h e s e ，a r er e q u i r e dt o p r o v i d eh i g hd a t a - r a t e ，h i 曲r e l i a b l et r a n s m i s s i o n , a n d g u a r a n t e ee n d - t o e n dq o s h o w e v e r , t h eb a n dh a sa l w a y sb e e nt h em o s tv a l u a b l er e s o u r c eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ， h o wt om a x i m i z el i m i t e db a n d w i d t hd a t at r a n s m i s s i o nr a t e ，t h a ti sh o wt om a x i m i z et h ee f f i c i e n t u s eo ff r e q u e n c yb a n d s ，h a sb e c o m eam o b i l er a d i oc o m m u n i c a t i o n ss o l u t i o n st ot h ek e yi s s u e s o ft h er a t i o n a lu s eo fr e s o u r c e s s e t t l e m e n to ft h en e wg e n e r a t i o no fc e l l u l a rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m si nt h et r a n s m i s s i o nl i n kq u a l i t yo fs e r v i c e sa n dw i r e l e s sr e s o u r c e m a n a g e m e n tt e c h n i q u e si st or e a s o n a b l eu s eo ft h ee x i s t i n gl i m i t e dw i r e l e s sr e s o u r c e s ，a n d e n s u r el i n k si nt h et r a n s m i s s i o nb u s i n e s sq o s ，w h i l ep r o v i d i n gl o w e ro p e r a t i n ga n dm a n a g e m e n t c o s t s ，t h u se n s u r i n gt h ea c h i e v e m e n to fan e wg e n e r a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s n e wb u s i n e s sd e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e r , w ed e s c r i b et h ew i r e l e s sd a t al i n kl a y e rs o l u t i o n sf o rw i r e l e s sm u l t i m e d i a c e l l u l a rn e t w o r k s ，a n a l y s ep r o t o c o lo fa u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ( a r q ) t oe n h a n c et h eq u a l i t y o fw i r e l e s st r a n s m i s s i o n ，i n t r o d u c et h es t r u c t u r eo ft h ef r a m e w o r ko fq o sa n dw i r e l e s sq o s c o n t r o lt e c h n o l o g yt os u p p o r tan e wg e n e r a t i o no fc e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w r i t e t h ep r o g r a mt om a k et h ef u n c t i o no fm o b i l es t a t i o nh a n d o f f i n ga m o n gt h ea c c e s sp o i n t s ，f i n a l l y s t u d yp d u - b a s e db a n d w i d t ha l l o c a t i o n k e yw o r d s ：w i r e l e s sc e l l u l a rn e t w o r k s ，a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ，q u l i t yo fs e r v i c e s ， b a n d w i d t ha l l o c a t i o n 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：哗日期：2 等厶上上 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 确! 笙缱 指导教师签名： 兰生! 差! 】 日期：圭竺2 ：生：z ， 武汉科技大学 硕士学位论文第1 页 1 1 研究背景及其意义 第一章引言 近几年来无线通信技术正在以前所未有的速度向前发展。随着用户对各种实时多媒体 业务需求的增长和互联网技术的迅猛发展，未来的无线通信技术将与网络智能技术、数字 信号处理技术和射频技术等相结合，为用户提供更高的信息传输速率，更多样化的信息传 递服务。目前，数字无线通信系统正在完成从语音通信到多媒体通信的转变，从无线传输、 系统业务和网络构建等角度来看，对下一代无线通信系统普遍存在以下共识：首先是新频段 的采用，比如2 - 8 g h z 乃至更高。其次，具有较高的传输质量，支持用户在数据速率、容 量、服务质量和移动速度等方面【l 】的大范围变化。再次，融合数字通信、数字音视频接收 和i n t e m e t 接入的崭新无线多媒体系统，并支持全m 高速分组数据传输，向用户提供超过 1 0 0 m b p s 的峰值速率，同时具有开放的网络业务平台，便于新业务的开发和加入实现跨系 统无缝全球漫游和业务携带。最后，融合适用于各种电信环境的无线系统，包括移动通信、 卫星通信、w l a n 等，并支持各种空中接口，与固定计算机网络【2 】直接连接成一个统一的 全球性通信网络，成为一种智能的、支持多种不同业务类型及q o s 要求的完全融合无线移 动和无线接入的全新网络。为了满足无线业务发展的这些需求，在下一代的无线通信系统 中必须采用频谱效率更高、抗多径干扰能力更强的新型传输技术。在此背景下，o f d m 多 载波技术【3 1 、m i m o 多天线技术及链路自适应技术等成为下一代无线通信系统中最有竞争 力的几种通信技术。 虽然通信技术的发展，使无线频率利用率大大提高，但仍然不及宽带骨干网上的高容 量；而且无线系统没有完善的无线载波监听，用户在传送信息时并不知道别的用户是否同 时在传送，如果发生了碰撞，将造成无线资源的浪费；再加上移动用户对业务多样性需求 的不断增长、对服务质量( q o s ) 要求的进一步提高，这都使无线资源仍然非常宝贵，因 此设计一个高效率的无线资源管理方案，为各种多媒体业务进行资源的分配与调度，使各 用户有效地共享无线资源，对于q o s 的保证非常重要。 1 2 国内外研究现状 新一代蜂窝移动通信系统无线链路层设计方案中，a r q 协议起着承上启下的作用。在 目前无线通信所采用的a r q 技术中，最具有代表性的两种是第三代移动通信标准3 g p p 所采用的多拒绝自动请求重传机制以及欧洲无线局域网所采用的h i p e r l a n 技术。 对于无线接口的q o s 支持，需要无线带宽足够时不增加数据传输时延，而在无线带宽 不足时，可以优先保证指定业务、地址、用户群的数据流的传输服务，并且可准确、灵活 地调整用户间带宽占用比例。近几年来，i e t f ( i n t e r a c te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 在i p 网络对 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 q o s 的支持方面作了大量的研究工作，提出了多种解决方案，其中最具代表性的有以下几 种：集成业务模型( i n t * s ，区分业务模型( d i f 】c s 州【4 1 和业务流量整形( t r a 伍cs h a p e r ) 。 无线调度算法的研究【5 1 借鉴了很多有线网络环境下的研究成果。目前，这些算法主要 考虑了无线链路突发误码和多用户分集效应对调度算法“公平性”的影响。根据衡量准则 的不同，可以将这些方法划分为最大c i 调度、公平吞吐量调度和公平时间调度。 1 3 本文研究内容 本文分为第七章，各章内容组织如下： 第一章简要介绍了移动通信技术的发展，以及课题的研究背景及其意义。 第二章详细介绍了新一代蜂窝移动通信系统无线链路层设计方案。 第三章简要介绍了多拒绝a r q 协议，列举了两种无线信道中最具代表性的a r q 技术， 最后详细描述了华中科技大学改进了的多拒绝a r q 协议算法。 第四章针对q o s 技术，介绍了一些典型算法，并分析比较了它们的性能。 第五章用伪代码实现了移动台m t 在接入点间的切换功能。 第六章介绍了o o s 控制机制框架，研究了基于p o u 级的动态带宽分配方法。 第七章作了总结以及未来研究工作的展望。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 2 1 概述 第二章无线链路层设计方案 在高速无线数据传输中，其链路特性所造成的数据传输中高误帧率和高误帧突发性。 另一方面，传统的链路层协议主要是基于有线链路设计的，协议吞吐率和带宽利用率都远 不能满足高速无线数据链路传输的需求。为了保证无线链路数据传输的正确和高效，必须 设计一种高确认效率和高吞吐率的自动请求重传机制，用于高速无线数据通信系统。 因为无线带宽资源比有线带宽资源宝贵，故提高带宽利用率对于无线链路数据传输很 重要。无线数据链路控制技术的主要研究内容包括：资源分配策略、链路可靠性控制技术 和链路管理技术。本文研究的无线数据链路技术主要包括：无线资源共享分配策略、自适 应传输质量控制技术、自适应区分用户、服务链路控制技术和基于多拒绝选择性的快速a r q 技术。 但现有的资源分配协议均没有可应用的调度算法和对上行业务实时动态带宽分配机 制。为了保证多业务q o s 的要求，需要研究多用户、多业务在无线接口上复用，同时提供 业务级和用户级的链路层q o s 保障，支持不同的用户带宽管理模式【6 】( 如优先分配和公平 竞争等) 。必须设计一种适应需求变化的数据链路层协议。 2 1 1 数据链路层协议设计目标 1 为上层提供的数据传输服务必须能适应数据率的大范围动态变化和不同类型业务 的传输需求( 可靠、尽力可靠和不可靠) 。 2 无线资源的分配策略必须能适应分组数据传输特征，并能实现多用户的统计复用， 提高系统的用户容量和无线信道的实际利用效率。 3 支持业务级和用户级的o o s 控制，实现与i pq o s 的映射。 4 实现多用户多业务条件下，各种业务获得满意的服务质量，同时无线资源达到较 高利用率。 5 通过m p p p 实现i p 接入和链路层的快速切换，并兼容移动i p 协议。 2 1 2 数据链路层协议框架 数据链路层主要e h - - 个子层组成：m p p p 子层、r l c 子层和m a c 子层，协议框架7 1 如图2 1 所示： 第4 页武汉科技大学 硕士学位论文 m p p p 子层 r l c 子层 m a c 子层 一i _ 一一一一一一一一 m p p p t$ 数据分发q o s 映射实体 数据链路 ， ，一，一 一 事 i 可靠模式il 尽力可靠模式il 非确认i 管理实体 r l c 实体ir l c 实体jr l c 实体i 。l 。 下下一 。f ii 嗣il_ l j 儿矾田jf 一 m a c 1 宽芸配h信掣射 控制实 体 一信道适配实体 王一一一一一一一一一一土一一一一一一 图2 1 数据链路层协议框架 其中，m p p p 子层主要实现的功能包括： 1 口数据包的发送与接收： m p p p 子层为p 数据包提供数据传输通道，负责i p 数据包的分割、封装、缓冲、发 送和接收、解封、重组等过程。 2 点对点连接( p p p ) 的接入管理： p p p 接入管理包括连接建立、连接释放、接入注册、接入注销、网络资源分配及管理 等功能。 3 点对点连接( p p p ) 的移动性管理： p p p 移动性管理包括位置管理和切换控制管理。位置管理是负责跟踪、记录用户所在 小区的位置，维护其网络路由，完成数据的传输和用户的寻呼过程【8 】( 在物理层提供保障 的前提下) 。切换管理负责控制用户在小区切换状态下路由更新、数据链路切换以及无线 资源的重新分配等过程。 而r l c 子层和m a c 子层是本文研究的重点。 2 2 数据链路层r l c 子层设计方案 2 2 1 设计目标 r l c 子层的主要功能是：为不同种类的业务，提供具有不同传输可靠性保障的数据链 路逻辑连接。本项目的r l c 子层的主要设计目标为： 1 同时支持不同模式的r l c 实体以适应不同业务的需求( 包括可靠、尽力可靠和非 确认r l c 实体) ； 2 实现口q o s 到链路层区分服务的映射； 3 可靠模式r l c 实体采用的部分窗口多拒绝协议应具有高吞吐率和低时延的特点； 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 4 尽力可靠模式r l c 实体可以支持视频数据的传输，视频应用程序看到的丢包率可 以控制在比较低的范围； 5 可靠模式r l c 实体和尽力可靠模式r l c 实体具有抗突发性高误帧的能力； 6 提供高效的用户数据汇聚能力； 7 兼容现有t c p i p 协议，支持p p p l i k e 链路管理协议，t c p 协议在差错信道上可以 获得较高的吞吐率； 8 提供链路层快速切换的支持。 2 2 2r l c 子层结构 图2 2r l c 子层的结构 r l c 子层的结构如图所示，包括数据链路管理实体、数据分发实体、可靠模式r l c 实体、尽力可靠模式r l c 实体、非确认r l c 实体。 数据链路管理实体根据当前移动终端的业务流的数目和类型，负责实现一条或多条数 据逻辑链路的动态建立、复位和释放过程。 m p p p 子层对m 层提交其发送的每个i p 报文在封装为p p p 帧前先对其进行分析，根 据传输层协议( u d p 还是t c p ) 和端口号确定该口报文需要通过可靠模式r l c 实体、尽 力可靠模式r l c 实体和非确认r l c 实体中的哪一个r l c 实体服务的哪一条服务队列进行 发送，m p p p 子层将m 报文封装成p p p 帧提交给r l c 子层的同时，将为该口报文确定的 r l c 实体类型以参数的形式提交给r l c 子层发送。 数据分发实体根据m p p p 子层提交的每个p p p 帧( 即r l c 的s d u ) 附带的r l c 实体 类型参数将该p p p 帧提交给相应的r l c 实体发送。其中绝大部分的封装了t c p 报文段的 p p p 帧分发给可靠模式r l c 实体传输。 可靠模式r l c 实体通过不限重传次数的部分窗口多拒绝a r q 机制，实现完全可靠的 数据逻辑链路，保证接收的数据严格按序提交，为上层提供可靠的数据传输服务。该实体 可以使上层数据业务对无线物理链路的误码透明，但会增加数据业务时延，对于对实时性 要求不高但对信道误码非常敏感的数据业务和大部分的t c p 报文段选择使用可靠模式 r l c 实体提供的数据传输服务。可靠模式r l c 实体在实际实现时，为了避免长时间的处 于阴影区和协议长时间处于异常等情况，当重传次数达到一定大小( 即最大重传次数) 后， 第6 页武汉科技大学 硕士学位论文 应对可靠模式数据逻辑链路进行复位，最大重传次数的范围在1 5 到3 0 。可靠模式r l c 实 体同时为4 个服务队列提供不同的传输服务，实现和i p 区分服务的4 个a f 类的映射。 尽力可靠模式r l c 实体采用尽力可靠模式部分窗口多拒绝a r q 机制，实现尽力可靠 的数据逻辑链路，同时为最大重传次数为1 到4 次的数据p d u 提供尽力可靠的数据传输 服务。尽力可靠模式r l c 实体不能保证接收的数据严格按序提交。尽力可靠模式r l c 实 体同时为4 个服务队列提供4 种服务质量( 分别对应最大重传次数为1 到4 ) 的尽力可靠 参数传输服务，分别具有不同的时延性能和丢包率性能。 非确认模式r l c 实体不进行差错重传，该实体不能降低上层数据业务的丢包率，也不 会增加上层业务的传输时延。对误码不是很敏感，但对时延非常敏感的数据业务( 如话音业 务) ，以及各种仿真电路业务，应选择使用非确认模式r l c 实体提供的数据传输服务。 2 3m a c 子层的主要功能 m a c 子层的主要功能是：实现多用户的多种类型的数据业务在物理传输介质上的有效 承载，其主要研究内容包括：物理信道和逻辑信道的映射和多路复用、m a c 子层s d u 和 物理层传输帧的动态适配【9 】、物理层传输参数控制、传输带宽分配和q o s 控制。 2 4 本章小结 本章详细介绍了一种无线数据链路层的设计方案，包括设计目标和协议框架。数据链 路层主要由三个子层组成：m p p p 子层、r l c 子层和m a c 子层，其中r l c 子层和m a c 子层是分析的重点。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 3 1 自动请求重传技术简介 第三章无线链路层a r q 协议 a r q ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) ，即自动请求重传协议，是数据链路层很重要的一个 协议。通过a r q 协议，数据链路层能在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。 高级数据链路控制h d l c 自动请求重传机制和选择重传s r 自动请求重传机制在低误 包率的有线数据通信系统中，可以获得很好数据传输效率，然而在无线数据通信系统中， 由于无线信道质量很差，并且带有很大的突发性和不确定性，所以需要大量的链路控制带 宽用于传输错误帧的确认信息，确认效率很低。因此在无线数据通信系统中，需要高确认 效率的自动请求重传机制。 3 2 无线链路层a r q 协议现状 在目前无线通信所采用的a r q 技术中，最具有代表性的两种是第三代移动通信标准 3 g p p 所采用的多拒绝自动请求重传机制以及欧洲无线局域网所采用的h i p e r l a n 技术。 下面将对这两种方案进行简要分析。 3 2 1 多拒绝脓自动请求重传 第三代移动通信标准3 g p p 采用多拒绝m r 自动请求重传机制 3 g p pt s2 5 3 2 2 v 4 2 0 ：3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ；t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o ng r o u pr a d i oa c c e s s n e t w o r k ；r l cp r o t o c o ls p e c i f i c a t i o n ；( r e l e a s e4 ) 】，该机制数据接收方发送的链路控制p d u ( 即s t a t u sp d u ) 一次可以同时对多个数据p d u ( 协议数据单元) 的接收状态进行确认， 确认效率比h d l c 自动请求重传机制和s r 自动请求重传机制有了很大提高。但是3 g p p 采用的多拒绝自动请求重传机制，存在下面一些问题【l o 】：每次确认都对接收窗口中的所有 数据p d u 的接收状态进行确认，相邻发送的两个链路控制p d u 包含对很多相同数据p d u 的确认，确认信息冗余度很大，造成数据带宽极大浪费；数据接收方不能对还未发送的p d u 进行确认，这就要求链路控制p d u 的大小为变长，所以其链路控制p d u 最大长度与数据 p d u 大小相同，链路控制p d u 不能填满最大长度时，存在很多无用的填充信息，造成很 大的数据带宽浪费：不能根据数据接收方接收窗口内当前数据p d u 错误的分布情况，用 链路控制p d u 的有限比特对尽可能多的数据p d u 同时进行确认。 第8 页武汉科技大学 硕士学位论文 3 2 2h i p e r l a n ( h i g hp e r f o r m a n c el a n ) 协议标准 h i p e r l a n ( h i g hp e r f o r m a n c el a n ) 标准采用部分位图选择重传自动请求重传 ( s e l e c t i v er e p e a ta r qw i t hp a r t i a lb i t m a p 机制) e t s it s1 0 17 6 1 一lv 1 3 1 ： b r o a d b a n dr a d i 0a c c e s sn e t w o r k s ( b r a n ) ：h i p e r l a nt y p e2 ；d a t al i n kc o n t r o l ( d l c ) l a y e r ：p a r t1 ：b a s i cd a t at r a n s p o r tf u n c t i o n s ，该机制数据接收方的链路控制 p d u ( 即c p d u ) 也可一次同时对多个数据p d u 的接收状态进行确认，但只对接收窗口内 的包含有错误数据p d u 的一部分数据p d u 的接收状态用位图进行确认，减小了相邻链路控 制p d u 之间的确认信息冗余。但该机制存在下面一些问题：只用位图同时对多个数据p d u 进行确认，一个链路控制p d u 最多同时对2 4 个数据p d u 进行确认，在数据p d u 出错突发 性很强时确认效率很低，而如果此时用相对偏移确认效率会高得多；虽然该机制只对接收 窗口中的部分数据p d u 的接收状态用位图进行确认，但是标准中未定义每次如何确定对接 收窗口内的哪些数据p d u 进行确认的方法；虽然链路控制p d u 采用固定长度，但未提出如 何用固定长度的位图对发送方还未发送的p d u 进行确认以及如何避免由此可能引起的链路 控制p d u 包含的确认信息语义歧义的方法；没有被位图确认的正确接收的数据p d u ，通过 累积确认，即对首序号前的所有数据p d u 进行肯定确认来进行肯定确认，如果在无线链路 r t t ( 数据发送方发送数据p d u 到收到链路控制p d u 的往返时间) 内数据接收方未能移动 接收窗口，则本次发送的包含累积确认的链路控制p d u 和上次发送的包含累积确认的链路 控制p d u 之间包含很多冗余的确认信息，而且由于数据发送方未进行超时重传，数据p d u 只有收到否定确认后才进行重传，链路的平均时延和吞吐率对包含累积确认的链路控制 p d u 的丢失很敏感。 3 3 多拒绝自动请求重传 华中科技大学的a r q 协议算法汲取3 g p p 中绝对偏移确认及h i p e r l a n 中累计确认的思 想，针对其对控制信道误帧敏感的不足，加以改进，提出了一种在发送方加入超时定时器， 并且将相对偏移和累积确认合二为一的多拒绝自动请求重传机制。提出了部分窗口多拒绝 a r q 协议。该a r q 协议中的确认帧采用固定结构，不仅实现起来复杂度低，而且方便在多 用户环境下与无线通信系统中无线资源分配进行接口，以满足各用户服务质量需求。此外， 还把m r - a r q 的确认方式进行了改进【l ，提出了采用多种确认类型和相对偏移等方式来自 适应构造确认帧的算法，使无线通信系统能利用有限的无线控制资源对尽可能多的数据帧 进行确认，在提高链路吞吐量的同时，进一步地减少链路的时延抖动，从而很好地支持t c p 、 话音和视频业务的传输，适合未来高速无线多媒体数据业务的传输。 3 4 本章小结 本章详细介绍了a r q ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) ，即自动请求重传协议，并对第三 武汉祷垫大篁。蔓主堂篁篓塞 茎兰墨一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ * _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ m m _ _ _ - - _ _ _ _ _ m _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 一一一一一一一 代移动邋信标准3 g p p 所采用的多拒绝自动请求重传枫铡以及欧洲无线髑域鼹所采震的 h i p e r l a n 技术进行了筛嚣分析。娥感奔绥了华中科技大学的a r q 协议算法特点。 第1 0 页武汉科技大学 硕士学位论文 4 1 主要0 0 s 技术 第四章无线链路o o s 控制技术 计算机网络已经渗透到各行各业之中，越来越多的事务处理和信息传递依赖于网络的 正常运转。我们当然希望网络所提供的服务是可靠而有保证的，然而以太网、口网络以及 i n t e m e t 的技术基础决定了这些网络不能保障传输的可靠性，也不能按照优先级使用带宽。 这就造成了网络服务的不稳定性和不可靠性，比如p i n g 的相应时间经常变化，吞吐量不 稳定等问题，这就需要采用q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 以保证网络提供稳定且有保障的服务。 采用q o s 可以解决或改善诸如传输延迟、延迟抖动、包丢失等问题，从而保证网络的 稳定性和可靠性。然而q o s 最大的作用在于能够控制带宽的使用，q o s 可以把带宽优先分 配给重要的进程如商务处理程序，保证这些进程的稳定性。当考虑实施q o s 的时候，首先 必须决定使用的产品是否能够进行高层的探测。q o s 主要工作在o s i 网络模型的第四层和 第七层，在第四层只检测端口号和i p 地址，但现在的网络往往把很多服务映射到同一个端 口，比如h t t p 使用的8 0 端口。因此工作在第四层的q o s 经常不能有效地控制带宽的使 用，因为它们无法区分使用同一个端口的各种服务。而工作于第七层的q o s 可以做到，比 如区分一个使用h t t p 协议的进程是在传输一个网页还是在下载一首歌曲。 q o s 的具体实现方法，有简单的方法，也有复杂的策略。简单的方法比如给路由器配 备更多的内存，对图片、视频、音频文件进行有损或无损压缩等等。还有一个很有效的简 单方法是在w e b 服务器上实现h t t p 压缩，也可以解决带宽的问题，但是会增加服务器 c p u 的负担。如果以上这些简单的方法并不能解决问题，那就需要采用一些复杂的策略来 实现q o s 。主要的策略有t o s ，i n t s e r v ，d i f i s e r v ，t r a 伍cs h a p e r 四类，下面将进行一些介 绍。 4 1 1 服务类型 可以通过修改t o s ( t y p eo f s e r v i c e ) 字段来实现q o s ，t o s 字段由8 个二进制位组成，在 i p v 4 数据包头中是第9 位到第1 6 位。t o s 中第0 、1 、2 位可以被用来指示数据包的相对 优先级，优先级范围从0 到5 。第3 位指示普通的延迟或者低延迟；第4 位指示普通吞吐 率或高吞吐率；第5 位指示普通可靠性或高可靠性；r f c 文档中提出一个数据包至多可以 使用这三个选项中的两个选项。第6 、5 位保留。 网络总是会优先丢弃优先级低的数据包来保障优先级高的数据包正常传输，所以我们 可以给各种服务设定不同的优先级来保证网络服务的可靠性，但是优先级是有限的，位于 同一优先级的服务就无法区分了。然而，c i s c o 公司的网络设备并不能利用第3 、4 、5 位 的信息，r f c 文档1 3 4 9 在1 0 多年前也已将第3 位到第6 位重新定义为另外5 个参数选项， 武汉科技大学硕士学位论文第11 页 只能选择其中一项且任一项参数都对q o s 没有帮助，另外i p v 6 协议中更是将t o s 字段移 除。因此t o s 的方法现在已经用得很少了。 4 1 2 综合业务模型 综合业务模型( h t s e ) 【1 4 】主要引入了一个重要的网络控制协议r s v p ( 资源预留协议) 1 s l ，它不是路由协议，但是需要与路由协议在一起使用。r s v p 是通过设置资源预留“软 状态来确保集成服务中的k s ，它的引入使得i p 网络为应用提供所要求的端到端的q o s 保证成为可能，但为了支持这种能力，数据包所经过的每个网络元素( 子网和i p 路由器) 都必须能够支持r s v p 控制服务质量的机制。r s v p 资源预留方式与异步转移模式( a 1 r m ) 中资源预留方式有两个不同之处：第一，r s v p 是一种面向信宿端的协议，由信宿端来描 述资源的需求，而a t m 是由信源端来要求资源预留。第二，r s v p 中保留的是“软状态 ， 需要周期性的进行更新；而a t m 则保留的是“硬状态 ，通信期间不改变。 在服务层次上，h n s e r v 瓜s v p 提供了3 种级别的业务： 1 端到端的质量保证型服务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) ：保证带宽、限制延迟、没有丢包。 2 可控负载型服务( c o 咖l l e d l o a ds e r v i c e ) ：类似于在当前的一个负载较轻网络中 实现的尽力而为业务服务质量。 3 尽力可靠的服务( b e s te f f o r ts e i c e ) ：类似当前i i l t e m a 提供的尽力可靠服务。 在结构层次上，i n t s e 刚r s v p 服务模型【1 6 】主要由四个部分构成：信令协议r s v p ，接 入控制器( a d m i s s i o nc 0 r l t r o lr 0 砸n 髓) ，分类器( c l a s s i 6 e r ) 以及包调度器( p a c k e ts c h e d u l e r ) 。 在实现的层次上，综合服务需要所有路由器在控制路径上处理每个流的信令消息并维 护每个流的路径状态和资源预留状态，在数据路径上执行流的分类、调度和缓冲区管理。 具体而言，资源预留协议r s v p 负责逐点地建立或者拆除每个流的资源预留软状态( s o n s t a t e ) ，也即建立或拆除数据传输路径；接入控制器将决定是否接受一个资源预留请求，其 根据是链路和网络节点的资源使用情况以及q o s 请求的具体要求；分类器则对传输的数据 包进行分类成传输流，h n s e r v 常用的分类器是多域( m u l t i f i e l d ) 分类器，当路由器接收 到数据包时，它根据数据包头部的多个域( 如5 元组：源i p 地址，目的i p 地址，源端口 号，目的端口号，传输协议) ，将数据包放入相应的队列中；调度器则根据不同的策略【1 8 】 对各个队列中的数据包进行调度转发。 r s v p 是一种提供预留设置和控制以实现综合服务合协议，其资源预留请求包括流规 格说明( t s p e c ) 、资源预留规格说明( r s p e c ) 和过滤器规格说明( f i l t e rs p e c ) ，它们一 起被称为“流描述符 ( f l o wd e s 嘶p t o r ) 。资源预留请求中的流规格说明通常包含服务类 型和数字参数的集合。预留说明与业务流说明决定于综合服务模型并且对r s v p 来说是透 明的。过滤器规格说明的格式依赖于所使用的网络层协议，即口v 4 或者i p v 6 。目前所用 的r s v p 中定义的基本过滤器规格说明格式具有严格的形式：发送端p 地址和可选的 t c p u d p 端口号。在服务保证、资源分配和对保证q o s 应用及用户反馈的细节等方面r s v p 都能提供最高级的q o s 。 第1 2 页武汉科技大学 硕士学位论文 综合业务模型中的每个路由器都要支持r s v p 控制协议，为业务流保持状态信息，这 对路由器的实现要求太高，如果有一个中间路由器不支持r s v p 控制协议，虽然r s v p 仍 可透明通过，但服务质量仍不能得到保证。 4 1 3 差分业务模型 针对i n t s c r v 的不足，i e t f ( 互联网工程任务组) 组织指定了一个相对扩展性较强的方 案，来保证p 网络的服务质量q o s ，这就是差分业务模型( d i f f s c r v ) 【l 川。d i f f s e r v 模型 主要是重新利用了口数据包头中的服务类型( t o s ) 字段( 改为d s 域) ，采用对不同o o s 要求的数据包设置不同的d s c p ( d i f f s e r vc o d ep o i n t ) ，网络节点根据d s c p 为数据包选择 不同的每一条行为并根据相应的p h b 转发数据包。这样，对r s v p 网络控制协议的使用仅 局限在用户网络一侧，而将骨干传送网从r s v p 中解脱出来。骨干网中的核心路由器只需 检查数据包中的t o s 字段判断业务的类别，再为不同的业务提供不同的q o s 保证策略，这 种模型并不提供从信源端到信宿端的全程q o s 保证，而将q o s 限制在不同的域范围内加 以实现，不同域之间应有一定的约定和标识的翻译机制。 目前关于d i f f s e r v 的研究主要分两个大的方向：绝对区分服务和相对区分服务。绝对 区分服务通过半静态的资源预约提供绝对的服务质量保证，主要有两种方法：费用服务和 有保证的服务。它的问题是提供绝对的端到端性能，需要在高服务质量保证、划分粒度和 网络利用率之间折衷，扩展性受限制。相对区分服务的宗旨是高等级业务获得的服务质量 好于，至少不差于低等级业务获得的服务质量。它没有资源预约和管理控制，不保证绝对 的端到端的性能，但保证各等级之间服务质量的顺序不随网络状态的变化而变化，因此易 于实现与扩展。实现的方法主要有：合适的价格机制、准确容量分配和严格的优先级机制。 前两种机制不适合于因特网流量的突发特性，而第三种机制使网络管理员丧失了对网络的 调整能力，同时高等级业务的突发会使低等级业务在整个突发期内得不到服务。 d i f f s c r v 解决了i n t s e r v 和t o s 存在的一些问题。d i f f s c r v 的尺度更好，可以跨网络工 作。网络中形成的d i f f s e r v 路由器的集合，称之为d i f f s e r v 云。通信业务在进入d i f f s c r v 云之前进行分类。d i f f s e r v 的最大优点是d i f f s e r v 采取边界操作，一旦通信业务进入d i f f s e r v 云，d i f f s e r v 内部的路由器不需要维护q o s 状态信息，这可使路由器专注于其路由功能。 然而d i f f s e r v 提供的o o s 可预测性并不是很好，d i f f s e r v 云内部的路由器可能更改了t o s 字段从而造成错误的处理。在大型局域网或广域网中使用d i f f s e r v 的效果还是非常不错的。 4 1 4 业务流量整形 使用业务流量整形( t r a f f i cs h a p e r ) 也许是最有效的q o s 实现方法，业务流量整形产 品家族包括a l l o tc o m m u n i c a t i o n s 、l i g h t s p e e ds y s t e m 、p a c k e t e e ra n ds i t a r an e t w o r k s 等公 司的产品。这些设备的操作具有独立性，安装这些设备后，网络的其余部分不需要变更。 业务流量整形传统上位于网络边缘，尽管可以使用它们对内部局域网流量进行整形。而且 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 业务流量整形工作于第七层，可以解决前面提到的多种服务共用同一端口的问题。业务流 量整形可以进行基于业务分类( 比如按协议、子网进行分类) 的流量整形，可以设定最小 最大带宽，在带宽条件允许的时候，还允许突发传输。t r a f f i cs h a p e r 的工作原理可分为基 于队列的算法和基于t c p 滑动窗口策略两类。 4 2 面向q o s 的队列调度算法 队列调度的主要作用是决定各个队列里的信元将被何时发送。由于链路传输速率是有 限的，调度的结果会直接影响业务的时延性能。要提供信元级的q o s 保证，必须对资源分 配和信元传输进行调度。完善的队列调度算法是不同优先级队列中的数据获得所需服务质 量的保证，以满足各种应用对q o s 的不同要求。很多文章【1 9 】【2 0 】【2 1 1 1 2 2 1 提出了大量用于有线 网络的队列调度算法，但是这些算法不能直接运用于无线网络中，因为无线网络和有线网 络之间存在着本质的区别，无线链路由于信号的衰落、干扰以及噪声，受时间和地点的影 响，会出现突发的错误和时变的信道容量。 调度算法可以分为实时工作型和非实时工作型。实时工作型的调度算法只要有包需要 发送，就会进行调度程序。比如g p s ( g e n e r a l i z e dp r o c e s s o rs h a r i n g ) 、w f q ( w e i g h t e df a i r q u e u i n g ，即p a c k e t - b y - p a c k e tg p s ) 、v c ( v i r t u a lc l