（通信与信息系统专业论文）全IP无线接入网QoS保证机制研究(1).pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 针对以口分组网络为核心构架的新型无线网络，人们期望能在移动过程 中得到高服务质量( 0 0 s ) 的高等级服务( 如实时视频业务) 。由于在无线网 络环境中移动设备的移动性，业务数据流通路不断地动态变化，使得为用户 业务提供稳定的服务质量保证带来极大挑战性，这便是本文的重点研究内容。 目前许多q o s 保证机制利用提前进行资源预留的策略，基本上都能够保 证移动设备在移动过程中获得稳定的q o s 保证，但这些q o s 保证机制在进行 资源预留时所消耗的网络资源过高。本文期望在此基础上寻求一种更高效的 q 。s 保证机制。 本文首先对q o s 相关技术进行了分析，重点深入探讨了无线接入网所采 取的两种主要q o s 服务模型( 集成服务模型和区分服务模型) 。然后，论文 分析了这两种服务模型在无线网络中应用所存在的问题以及产生这些问题的 原因。在此基础上，又对一些改进方案优缺点进行了分析比较，最后提出一 种基于集成服务模型的改进方案。 论文所述改进方案在无线接入网中采用分级移动管理机制f c a r 机制进 行移动性管理，在基于r s v p 协议信令的基础上引入新的信令消息来对子网 代理到移动设备相邻小区的路径上的被动资源预留，从而保证移动设备在切 换后能马上得到满足其业务数据流q o s 要求的网络资源。最后，作者对所提 出的方案进行了建模与仿真。仿真结果及其分析表明，本文所提出的改进方 案在满足无线接入网业务数据流获得稳定高等级q o s 保证的基础上，所需预 留的带宽和所需消耗的信令负载得到减少，达到了预期效果。 关键词：无线接入网：服务质量( q o s ) ；r s v p ；移动疋；资源预留； 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t ni sc l e a rt h a tt t l en e wg e n e r a 五o no f w i r e l e s sn e t w o f ka r c h i t e c t i l r ei s b a s e d p a c k 。tn e t w o r k ，w h e r em el l i g h 目a d e1 1 i g l lq o ss e “i c e s ( s u c h 船t 1 1 er e a lt i m e v e d i os e r v i c e ) a r en o m a l l y 唧e c t c d b e c 孤s eo fm em o b i l i t yn a h 工r eo ft l l e m o b i l e e q u i p m e n t ，m ep a 也o fs e r v i c e d a t as 打咖i sc h 撇g e d 丘e q u e n t l y 1 1 1 e r e f o r e ，i tm a 】( e sag r e a tc h a l l e n g et os u p p o r tah i 曲q o ss e i c ef o rm o b i l e u s e r s w h j c hi st h em a i nr e s e 盯c ha r e ao f t l l i st l l e s i s n o wm 舡l yq o sg i l a r 趾t e em e c h a n i s m sh a v eu s e dt 1 1 es t r a t e g yo fa d v a n c e r e s o u r c er c s e r v a t i o n b 勰i c a l ly ，t h e s em e c l l a l l i s m sc a n 舒l a 糟眦e et h eq o so ft 1 1 e m o b i l ee q u i p m e n ti nw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k ，b u ta t l ee x p e i l s eo ft o om u c 血 b a i l d 岍d t hf o rr e s e r v i n gr c s o u r c e s ，t h i st l l e s i sa i m sa tf i n d i n gam o r ee m c i e n t q o sg u a r a n t e em e c h a n i s m h lt l l i sm e s i s ，f i r s t l ym et e c l l l l i q u e sr e l a t e dt oq o sa r ea n a l y z e d t w o q o s m o d e l sg b n e r a 王王ya d o p t e db yw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r ka r eh l t s e m o d e la d d i 髓e m o d e l ，w l l i c ha r ed i s c l l s di nd 捌l s t h e r il h et h e s i sd i s c u s s e 8 也e e x i s 妇gp r o b l e m s 锄dt l l ep o s s i b l er e 硒o n so f m et w om o d e l sf o r 耐r e l e s sn e t 、阳r k a p p l i c a i i o n s b 髂e do nm ea n a l y s i sa n dc o n l p 碰s o no fs o m ee x i s t i n gs c h e m e s ，a n e wi i n p r o v e ds c h 哪eo fh l t s e r vm o d e li sp r o p o s e d ， t h en e ws c h e m eu s e st h e1 1 i c r a r c h i c a lm o b i l i t ym 孤a l ；锄e 芏l tm e c h a j l i s m ，i e f c a rm e c h a n i s m ，t or e a l i z er n o b i l i f ym a n a 量卿m e n ti r lw i r e l e s sa c c e s sn 帆o r k b 舔e do nm e r s v pp r o t o c o ls i 驴a l i n g ，n e ws i g n a d i n gi s 岫d d u c c dt or e s e et h c p 勰s i v er e s o u r c eo nt l l ep a t hb e “，e e n 1 es a 孤dt l l en e i 星r 且b o rc e u ss t a t i o no f m o b i l ee q u i p m e m ，i n0 r d e rt og i l a r a m e em a tam o b i l ee q u i p m e n tc a l lg c tm e n e 时o r kr e s o u r c e 蠲s o o n 勰t h eh a n d o 行i s 丘n i s h e d f i n a l l y m em o d e l i n ga 重1 d s i r n l l l a t i o no fm ei 地ws c h 锄ea r ec a r r i e do m t h es i i m l l a t i o nr e s u h s 虹l o wt l l a tt l l e n e ws c h e m ec a ne n s l l r et h ed a t as t r e a m so f w i 咒l e s sa c c e s sn e t w o r kt od b t a i nh i 吐 q o sf a d ew 油l e s sr e s e e db 鼬d w i d ma l l d1 e s ss i 印a l i i l go 、劬e a d s k e ”r d ：w 讹k s sa c c e s sn 曲 ，o r k ；q o s ：r s v p ；m o b i l e p ；r 脚o u r c e r e s e r v a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1i pq o s 技术与模型 第一章绪论 o o s ( q u a l i t yo fs e f v i c e ) ，即服务质量。它的提出始于a 1 阻讧交换机。今 天，学术界普遍认为q o s 有广义和狭义之分：狭义q o s 指技术指标( 传输时 延、抖动、丢失率、吞吐量) ；广义q o s 指资源调配与利用、层与层之间的 协商，从而涉及不同层次的q o s 。本文主要研究狭义q o s 。r f c 2 3 8 6 对q o s 的描述为：q o s 是网络在传输数据流时要求满足的一系列服务请求，具体可 以量化为带宽、延迟、延迟抖动、丢失率、吞吐量等性能指标。它反映了网 络元素( 例如，应用程序，主机或路由器) 在保证信息传输和满足服务要求 方面的能力。 1 1 1i pq o s 技术背景 在早期的网络中，分组传送过程的差错控制和网络发生拥塞时的流量控 制等功能都是由发送和接收分组的源节点和目的节点完成的，因而早期路由 器的设计功能相对比较简单，即只用来实现分组的正确路由和转发。在实施 传送服务时，早期的路由器无区别地对待所有分组，它依照分组到达时间的 先后顺序提供转发服务，所有用户的分组共同分享网络和路由器的带宽资源， 而各分组实际得到资源的多少则完全取决于分组到达的时机。这种服务策略 被称为尽力而为( b e s t e 肋r t ) 的服务，它对分组传送的时延、时延抖动、丢 包率和可靠性等q o s 指标不作任何承诺和保证。b e s t e 肋n 服务策略使用于 那些对带宽、时延性能不敏感的业务类型( 如w w w 文件传输、e m a i l 等) 。 随着计算机网络的高速发展，越来越多的网络接入h l t e m e t 。h t e n l e t 无 论从规模、覆盖范围和用户数量上都发展得非常快。新的业务也不断的涌现， 这对网络的服务能力提出了更高的要求。如电视会议、视频点播需要高宽带、 低时延和低时延抖动的质量保证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 因此，碑o o s 的主要研究目标是实现有效地为用户提供端到端q o s 控制 或保证。q o s 保证就是网络单元( 如应用程序、主机或路由器) 在一定程度 上确保它所承载的业务流所需的性能能够得到满足。q o s 控制机制并不能增 加网络资源，它只是根据业务的性能需求和网络状况来管理网络资源。 实现q o s 控制的方法之一是按照业务服务水平的要求提前将资源分配给 每个数据流，即所谓的资源预留。采用资源预留进行带宽分配的方法并不适 合尽力而为型应用。网络资源总是有限的，为了使有限的资源得到有效使用， 网络设计者们又引入了服务优先级的概念。通过为不同服务划分等级，帮助 网络在为高等级业务预留资源后，还能为传送尽力而为服务的数据流提供保 障。因此常用得口q o s 控制机制划分为两种基本类型：基于资源预留得控制 机制和基于优先级的q o s 控制机制。 1 基于资源预留的q o s 控制机制 网络资源按照某一业务的q o s 要求进行分配，制定资源管理策略。t f r f c1 6 3 3 【2 】提出的集成服务体系结构是基于这种策略的，资源预留协议是其 核心部分。 2 基于优先级的0 0 s 控制机制 网络边界节点对业务流进行分类、整形和标记。核心节点按照资源管理 策略分配资源，对q o s 要求高的业务给予优先处理。m t f 提出的区分服务就 基于这种策略。 1 1 2 无线接入网q o s 模型特点 为了解决d q o s 问题，m t f 已经提出了几种服务模型。这些口q o s 模 型主要研究的内容包括：定义服务需求类型，以及网络节点为满足该服务需 求的行为规范；规范为了提高处理效率，网络节点( 如边缘节点和内部核心 节点) 之间必须具有的协作关系；规范如何表示q o s 需求或管理信息，以及 如何传递这些需求和管理信息，以便传送路径上的网络节点都能够理解分组 的q o s 需求并协调一致。 在无线接入网中应用的主要模型有： 1 集成服务( i n t s e ) 和资源预留协议( r s v p ) 集成服务模型的特点是提交流量的节点在发送分组前要先向网络提出发 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 送申请。申请的提出是通过信令来完成的，一个典型的信令实例是r s v p 协 议。应用程序通过信令协议通知网络其所需的q o s ( 如时延、带宽、丢包率 等指标) 。在收到资源预留请求后，传送路径上的网络节点实施接纳控制 ( a d 商s s i o nc o n 扛d 1 ) ，验证用户的合法性并检查网络资源的可用性，最终判 定是否为应用程序预留资源。 一旦接纳申请并为应用程序流量分配了资源，则只要应用程序提交的流 量在网络运营者和用户事先约定的流量参数描述的范围内，网络应按照承诺 的0 0 s 需求提供服务。预留路径上的网络节点可以通过执行分组的分类、流 量管制、低时延的排队调度( 如加权公平排队) 等q o s 控制机制，来实现对 承载流量的0 0 s 保证。h l t s e 模型常与组播应用结合使用，适用于需要保证 带宽、低传送时延的实时多媒体应用( 如电视会议、视频点播) 。 i n t s e r v 的最大优点是能够提供有端到端q o s 保证的传送服务。i n t s e r v 的最大缺点是采用控制机制的网络的可扩展性不好。在采用h n s e 控制机制 的网络中，路由器需要为每个资源预留分别维护一个必要的软状态( s o f t s t a t e ) 信息：在与组播应用相结合时，还要定期向网络发送资源请求信息和 路径刷新信息，以支持组播成员的动态加入和退出。这些操作要耗费路由器 较多的资源( 如处理器资源、内存资源) 。在网络规模扩大时，相应的维护开 销会大幅度增加，对路由器特别是核心路由器处理分组的性能造成不良影响。 因此，h n s e 不适合在流量汇集的骨干网上大量应用。 2 区分服务i 船e r v ) 区分服务网络具有良好的可扩展性，这在很大程度上源于其“边界复杂， 核心简单”的设计思想。其最大的特点是区分了网络中节点的行为，使得网 络的内部节点不需要维护单个数据流的信息。这与集成服务模型有着很大的 不同。集成服务模型网络中的每个节点有着一致的行为，共同保证单个数据 流的服务质量。 由于区分服务网络的边界节点将众多的数据流映射到一个服务类型，内 部节点根据该服务类型为这些数据流统一提供质量保证，使得d i 凰e r v 网络 不能提供细粒度的服务保证。 进一步地，目前d i 脑e r v 网络没有一个有效的全网范围内的资源管理机 制。而这个机制对于网络的服务提供是十分重要的。边界节点处理用户的服 务请求进行接纳控制时必须通过某种方式来判断当前网络是否有足够的能力 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 满足该请求。如果没有一个有效的资源管理机制，d i 凰e r v 网络就无法向客户 提供与其承诺一致的q o s 保证。 1 2 全i p 无线接入网q o s 保证机制的研究现状 1 2 1 全i p 无线接入网q o s 保证机制性能评价 基于集成服务模型的q o s 保证机制采用了基于流的资源预留、调度处理 以及缓冲区管理，能够为数据流提供比较精确的q o s 级别。因此基于集成服 务模型的全坤无线接入网可以承载需要保证带宽、低传送时延的实时多媒体 业务。但是这必须付出保存大量的与数据流数成正比的状态消息的代价，并 且移动节点切换时将引起业务数据流传输路径的变化，为了使移动节点在相 邻区域间切换时依然能得到与其业务数据流q o s 要求所匹配的网络资源，就 必须在所有可能的数据流路径上提前进行资源预留，这将会耗费比较多的网 络资源。 基于区分服务模型的q o s 保证机制通过p 分组头部的q o s 参数信息来 向网络通告业务数据流的q o s 要求，由于口分组头部q o s 参数值数目比较 少，因此只能为业务数据流提供比较粗的q o s 等级。除此之外，由于它没有 信令，也无法做到实时控制，并且无法动态配置0 0 s 参数。 1 2 2 全i p 无线接入网q o s 保证机制研究现状 1 9 9 9 年t f 组织提出了一项在m 隧道中能支持r s v p 的方梨3 1 。成功 解决了在无线接入网络中使用移动职时无法支持r s v p 协议的问题因此最 近几年在无线接入网络o o s 保证机制的研究主要集中在如何在移动主机切换 时新的数据流路径上有足够的资源来满足数据流的o o s 要求。 当无线接入网q o s 保证机制采取集成服务模型时，移动主机在不同子网 间的切换时都要重新进行资源预留，实时业务在此时便得不到足够的资源来 保证q o s ，导致实时业务的中断。解决这个问题所采取的普遍策略是提前在 可能传输数据流的路径上进行被动( p 船s i v e ) 资源预留。目前已有多种方案 用来实现在无线接入网中预留被动资源以保证实时业务的o o s 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 文献【4 】提出的全口无线接入网m r s v pq o s 保证机制是最具代表性的， 它采取的方案是从发送端到移动主机可能访问小区之间的路径上都提前进 行资源预留。这样，m r s v pq o s 保证机制就可以保障移动主机切换到新小 区时有足够的资源满足其业务数据流q o s 的要求。这种方案不足之处在于 它需要占用太多的网络资源。它对资源预留的难点在于移动主机和基站之间 的有效预留和分配，m r s v p 的主要思想是提前在业务数据流可能的新路径 上预先设定被动资源预留( p a s s i v er e s e r v a t i o n ) 。相对应地，移动主机数据流 在当前流通路径上进行的资源预留称为激活资源预留( a c t i v er e s e r v a t i o n ) 。 当移动主机切换到有被动资源预留的区域时，能很快获得目前业务数据流所 需的资源。当移动主机和基站之间使用等级排队c b q ( c l a s sb 鹪e dq u e u e i l l g ) 机制调度无线链路资源共享。 文献 5 l 采取了被动资源预留方案只针对于树型拓扑结构的无线网络，在 这样的无线网络中r s v p 协议进行资源预留只需通过交叉( c r o s s o v e r ) 路由 器发现方案来确定通往移动主机新访问基站的分支路径，并对此分支路径进 行资源预留。但这个资源预留方案只受限于树型拓扑结构的无线接入网络， 而且它也没有提前进行被动资源预留，无法保证移动主机在新的小区内有足 够的资源可用。 文献旧墚取了只需通过交叉( c r o s s o v e r ) 路由器发现方案来确定到达移动 主机新访问区域的分支路径，它通过利用移动主机在小区切换后发送一个特 定的路由信息报文来确定新旧路径相同部分离新访问区域基站最近的路由 器，移动主机在此路由器和新访问基站间的路径上建立资源预留后便可以进 行实时业务传输。此方案的缺点在于：若是此路由器离移动主机新访问的基 站路径比较长，那么在此路径上进行资源预留的时间比较长，导致实时业务 中断。其次，由于没有进行提前预留资源，此路径有可能在移动主机切换后 没有足够的资源可用，也导致了实时业务的长时间中断。 文献【7 】采用组发建立资源预留的信息报文的方案来在通往移动主机所处 位置相邻基站的路径上建立被动资源预留，由于移动主机的高速移动特性， 这种方案常常需要在维持动态组播树上付出很大的代价。 文献【8 【9 】所采取的方案是在所有从移动主机的目前访问基站到与它相邻 的基站间的路径上建立被动资源预留。它通过一个传送链表来跟踪移动主机 在基站间的移动顺序。但文献没有分析采取这样方案所付出的负面代价。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 区分服务模型的无线接入网q o s 保证机制。 第四章主要对改进方案进行介绍。主要内容有扩展方案阐述、扩展方案 的性能分析、扩展方案性能仿真和结果分析。 第五章主要是总结全文的工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第g 页 第二章无线接入网q o s 模型 2 1 集成服务模型 i e t fr f c l 6 3 3 定义了h n s e r v 模型，r f c l 6 3 3 将r s v p 作为h 惦e r v 模型 的信令协议。其基本思想是：采用r s v p 协议，以资源预留的方式实现q o s 保障。r s v p 是主机用来从应用程序中获得特定q o s 的一种控制协议，负责 完成支持h l t s 日y 模型的网络提供o o s 保证所需定义的呼叫接纳控制功能和 资源预留功能。运行于端点的应用程序利用r s v p 消息向网络提出有效传送 数据所必须保留的网络资源( 如带宽及缓冲区大小等) ，同时也确定传送路径 上各节点所采用的传送处理策略，从而对每个业务流分别实施控制，以获得 业务所需的o o s 。 在服务层次上，i n t c r s c r 帆氇v p 提供了3 种类别的服务：有保证型服务 ( g 1 l a r a n t e e ds e n r i c e ) ，此类服务能够提供业务所需的有保证网络带宽，有限 制的时延，无丢包；负载受控型服务( c o n 廿0 1 l e d l o a ds e i c e ) ，此类服务可 以使相应业务获得的0 0 s 类似于在一个负载轻的网络内实现尽力而为业务的 o o s ：尽力而为业务( b e s t e 肋r ts e r v i c e ) ，此类服务和传统b 把m e t 提供的 尽力而为服务具有相似的特性。 在结构层次上，m t s 盯、柑己s v p 服务模型主要由4 个部分构成：信令协议 r s v p 、接纳控制器( a d m i s s i o nc o n 仃o lr o u t i l l e s ) 、分类器( c l a s s i 丘盯) 、分 组调度器( p a c k e t s c h e d u l e r ) 。 在实现层次上，集成服务模型要求所有路由器在控制路径上处理每个流 的信令消息，并维护每个数据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、调度和缓存管理。具体来说，r s v p 负责逐跳建立或拆除每 个流的资源预留软状态，即建立或拆除数据传送路径；按纳控制器决定是否 接纳一个资源预留请求，其决策的依据是链路和网络节点的资源使用情况， 咀及业务q o s 的具体需求；分类器将需要传送的数据分组划分不同类型的传 输流。i n t s c r v 常用的分类器是多字段( m f ，m m t “i e l d ) 分类器，即当路由 器接收到数据分组时，它能够根据数据分组头部的多个字段( 如5 元组：濑 器接收到数据分组时，它能够根据数据分组头部的多个字段( 如5 元组：源 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 告警( r o u t e r 灿e n ) 刚方式把信息告知沿途的路由器。p a t l l 消息除了包含 s e s s i o n 信息单元外还包含以下4 个信息单元： s e n d e rt e m p l p 衄：用于识别发送者，包含发送者的p 地址和源 端口号。 s e n d e rt s p e c ：用于告知接收者数据流特征。 a d s p e c ：用于描述p a m 消息沿途总的q o s 特性，p 劬消息沿途的路 由器根据本地q o s 资源状况修改这个信息单元，使得接收 者最终得到网络当前空闲的资源状况，以便于做出预留请 求。 p h o p ：用于记录发送p a m 消息的前一跳节点。 + r e s v ：由数据接收者发出，最终传送到数据发送者，它是一个逐跳的消息， 利用p a m 消息建立的逐跳路径，在沿途路由器上为实时业务预留资源。r e s v 消息包含f l o w s p e c 信息单元( 必选) 和f 肼e r s p e c 信息单元( 可选) ， f l o w s p e c 信息单元包含两个数字参数的集合：( 1 ) 一个描述所需求q o s 的 r s p e c 字段和( 2 ) 一个描述数据流特征( 流量的参数，最小包的长度和最大 包的长度等) 的t s p e c 字段。f 也t e r s p e c 信息单元用于指示预留的资源可 以被哪些数据流使用。 + p a 吐l e r r 、r e s v 壬h ：是路由器在处理p a i h 和r e s v 消息出错时，分别向发 送者和接收者发送的出错消息。 + p a m t e a r 、r 船v t e 盯：p a t l l t e 盯是发送者主动放弃网络资源或网络中的 路由器由于p 甜l 状态超时，而发向接收者的消息；r 瞄v t e a r 是接收者主动放 弃网络资源或网络中的路由器由于r e g v 状态超时，而发向发送者的消息。 + r e s v c o n f ：是发送者收到要求确认的r e s v 消息后，向接收者发送的确认 消息。 2 1 1 2r s v p 消息格式 图2 。l 和图4 7 示意了r s v p 的格式消息( 图中上方的数字表示每个字段对 应的长度，单位为比特) 。 4 481 61 6883 21 5l1 6 图2 1r s v p 的消息头 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 1 6 88 可变长度 i 长度l 类编号i 对象类型l 对象内容i 图2 2r s 、，p 的对象域 下面分别介绍r s v p 的消息头和对象域。 ( 1 ) r s v p 消息头 r s v p 消息头由以下部分组成： + 版本：4 比特，指示协议的版本号( 当前为第一版) 。 + 标记：4 比特，未定义。 + 类型：8 比特，当前定义了6 个整数状态值，如表2 1 所示 校验和：1 6 比特，对t c p p 校验和的重新计算，是对r s v p 消息内容 的校验和。相应的t c p ，u d p 校验和置为o 。 长度：1 6 比特，指示该r s v p 分组的长度，单位为字节，包括通用头和 下面描述的变长对象域。如果设置了多段标记( m f ) 或者段偏 移字段为非o 数值，这个长度是该消息当前段的长度。 + 发送t t l ：8 比特，指示该消息的p 生存时间( t t l ) 值。 消息m ：3 2 比特，一个特定下一跳上一跳r s v p 消息的所有段所共享 的标记。 多段标记：8 比特，只有第一个低阶比特被使用，其余7 个高阶比特预 留。除了一个消息中的最后一段，其余各段的m f 字段均被设置 为1 。 + 段偏移：2 4 比特，表示当前段在消息中的字节偏移。 表2 1r s v p 消息类型字段当前的定义值 数值消息类型 1 路径 2 预留请求 3 路径差错 4 预留请求差错 5 路径拆除 6 预留拆除 7 预留请求确认 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 ( 2 ) r s v p 对象域 + 长度：1 6 比特，指示了对象的长度，单位为字节。该数值总是4 的倍 数，并且至少为4 。 类编号：表示了对象的类，每一个对象类有一个名字。r s v p 的实现必 须能够识别表2 1 中列出的类。如果一个节点无法识别某个对象 的类编号，则有编号的高阶比特决定该节点应该采取的动作。 + c t y p e ：对象类型，在一个类编号内有唯一的含义。对象内容的最大长 度为6 5 5 2 8 字节。类编号和c t ) ，p e 字段( 与标记比特一起) 可以 共同作为一个1 6 比特的数字来为每一个对象定义一个唯一的类 型。 + 对象内容：长度、类编号和c t y p e 等字段共同指定了对象内容的组成。 2 1 1 3r s v p 操作 路径是资源预留的基本组成部分。它是数据流从发送端到接收端通过不 同路由器的路线。在支持r s v p 的网络中，一个数据流中的所有分组都使用 相同的路径。每个发送端主机周期性地为它所生成的每一个数据流发送p a f l l 消息。由于r s v p 自己并不处理路由，因此它需要使用所经过的各个路由器 的路由表中的信息来转发r s v p 消息。 当p a c h 消息到达第一个r s v p 路由器时，该路由器存储来自上一跳域中 的口地址，作为发送端的m 地址。然后这个路由器在上一跳域中插入自己 的p 地址，将p a m 消息发送到下一个路由器，每一个路由器都将获得上一 跳路由器的地址，资源预留路径就可以沿着相反的方向建立起来。图2 3 示 意了路径确定的过程。 图2 3r s v p 路径确定过程 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 路由器收到p a m 消息后，开始为相应的数据流做资源预留准备。如果用 户请求最终得到接纳，属于这个数据流的所有分组将使用通过pa _ 1 1 1 消息确定 的路由进行转发。 通过网络将p 拙消息从发送端发往接受端，能够达到一下目的：所有的 接收端都能够获知发送端将提供一个具有特定q o s 需求的数据流，并且所有 路由器都知道应该为此数据流预留适当的资源。 经过上述处理过程，如果此时一个接收端希望为此数据流预留与其q o s 需求相匹配的网络资源，它将发送一个r e s v 消息。此r e s v 消息从接收端开 始发送给路径中的上一跳路由器( 上一跳路由器的地址是通过接收端收到的 p a t h 消息得到的) 。因为每一个支持r s v p 的网络节点都通过p a m 消息得到 了路径中上一跳路由器的地址，r e “消息能够沿着路径向着发送端的方向传 递，并在每一个路由器内实现资源预留。图2 4 示意了资源预留消息在路由 器之间的传递过程。 图2 - 4r s ，资源预留消息的传递过程 一般情况下，在每一个路由器的节点内，一个预留请求将触动两个动作： 预留链路资源和转发预留请求。 ( 1 ) 链路上的资源预留 r s v p 处理模块将资源预留请求传递给该节点内的接纳控制和策略控制 模块。接纳控制模块检查该路由器是否拥有足够的资源来建立新的资源预留， 策略控制模块检查该应用是否具有发起这个q o s 资源预留请求权限。如果上 述检查中有任何一个没有通过，该资源预留请求将被拒绝，r s v p 处理模块 将向相应的接收端返回一个r e s v e r r 消息如果这两个检查都通过了，该节点 将使用过滤器参数信息对分组排队器进行设置。然后，分组分类器将识别识 别属于这个数据流的分组，并且分组调度器将获得它所需要的q o s ( 由流参数 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 r s 拆除消息主动删除路径与预留状态。r s v p 中可以分别利用定义的 p a m t e 赶消息和r e s v t e a r 消息进行路径拆除和预留拆除。拆除请求可以由发 送端产生，也可以由接收端产生，甚至可以由一个中间路由器产生( 如状态 超时情况下产生的拆除消息) x 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 发送者同时发送数据，所以可以采用s h a r e d 共享预约的方式来节省带宽。而 对于视频会议，因为多个发送者同时在发送视频数据，所以采用d i s t i n c t 的预 约方式能保证数据传送的实时性。在不能确定发送者的情况下，最好采用 w i l d c a r d 的方式，而对于发送者确定的情况下，可以使用e x p l i c i t 方式。 2 1 1 5r s v p 的软状态 在采用r s v p 的网络中，软状态是指路由器或者主机中的状态可以通过 特定的r s v p 消息刷新。软状态特性允许r s v p 网络支持动态组成员的变化 和路由的变化。通常来说，软状态的维护是由基于r s v p 的网络来实现的， 不需要与端点协商。 在由多播和单播传送路径组成的复杂网络中，r s v p 协议机制可以方便 地建立和维护分布式预留状态。 为了维护一个预留状态，r s v p 在主机和路由器中跟踪软状态。r s v p 软状态建立起来之后，必须通过路径和预留请求消息周期性地刷新。如果在 清除时间耗尽时仍然没有相应的刷新消息到达，该状态就会被删除。软状态 也可以通过使用显式的拆除消息删除。r s v _ p 周期性地扫描软状态，来向下 一跳转发路径和预留请求刷新消息。 当路由发生变化时，下一个路径消息将在新的路由上初始化路径状态。 后续的预留请求消息建立一个新的预留状态。某些没有被使用的预留，则会 因超时而被删除。( r s v p 规范要求在拓扑变化后2 秒在网络上建立一个新的 预留。) 当状态变化发生时，r s v p 立刻在支持r s v p 的网络中端到端地通告所 发生的变化。如果接收到的新的状态与存储的状态不一致，存储的状态将被 刷新。 2 1 2 集成服务模型性能分析 集成服务模型能为用户提供q o s 保证，但在具体的实现中还存在扩展性 较差的缺点，因为其工作方式是基于每个流的，这就需要在路有器中维护保 存大量的与分组队列成正比的状态消息。当网络规模扩大时，相应的维护开 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 销会大幅度增加，对路由器特别是核心路由器线速处理分组的性能造成不良 影响。因此i n t s e n r 不适于在流量汇集的骨干网上大量应用。此外，r s v p 的 有效实施必须依赖于分组所经过的路径上的每个路由器。 基于集成服务模型的网络可以为用户提供三种类型的服务： ( 1 ) 保证服务型( g s ) ：这种服务等级提供明确的参数级别，有排队 延迟上界、绝对不会因为排队而丢失数据包。 ( 2 ) 受控负载服务型( c l s ) ：这种服务等级在不拥挤且负载较轻的 网络中提供近似于尽力而为型服务。与g s 不同，它不能对排队 延迟设置上界，也不能保证不会因为排队而丢弃数据包。这种服 务意味着对大部分业务量都能够成功地传递，而且还可阻用于能 适应网络状况波动的实时应用程序。 ( 3 ) 尽力而为服务型( b e s ) ：这种服务等级不提供任何保证。 2 2 区分服务i f 璐e r v ) 模型 区分服务( d i a s e r v ) 2 7 】【2 8 ，是m t f 定义的另一种服务模型，旨在提供一 种更容易扩展的实施方式，以解决h l t s e n r 扩展性差的缺点。d i f 瑁e r v 简化了 队列调度，它通过聚类和逐跳转发行为的方式来提供一定程度上的o o s 保证。 聚类的含义是路由器可以把q o s 需求相近的会话的数据流会合成一个大类， 减少调度算法所需处理的队列数：逐跳转发行为是一种逐跳的转发方式，对应 了一定的服务质量要求。 区分服务不像集成服务那样为每个数据流预留资源，而是以数据流的聚 类为单位进行处理。区分服务域的边缘节点对流入的数据包进行分类并打上 特定的标记，每种标记标志一类数据流，多个会话流可能被打上同样的标记。 在网络内部，网络节点不再对数据包进行会话级的细致分类，而是根据该数 据包的标记，决定对该数据包应该采用的逐跳转发行为( p 曲) 。因为标记的 个数( 即数据流聚类的个数) 远远少于会话流的个数，所以在网络内部对数据 包的分类和调度搡作就变得简单，从而区分服务具有较好的可扩展性。服务 模型包括两大部分，接入控制和队列调度( 数据转发行为) 。集成服务对这两 个部分都做出了详细的规范，而区分服务目前仅规范了其中的数据转发行为， 接入控制仍是一个有待研究的领域。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 2 2 1d i f ! f s e r v 网络体系结构 在区分服务模型中，引入了区分服务域的概念，它是一个能提供区分服 务业务的子网。通常，一个接入服务提供商就构成了一个区分服务域，在一 个区分服务域内所有路由器都有相同的逐跳转发行为，从而保证子网作为一 个整体提供一致的服务。在一个区分服务域内，按照功能的不同，又把路由 器分为内部路由器( ( c o r e r o u t 哪和边界路由器( e 姻u t e r ) 。内部路由器位 于区分服务域的内部，它的功能比较简单，只需要按照既定的逐跳转发行为 转发数据包。边界路由器位于区分服务域的边界，与外部路由器相连，需要 作聚类、整形标记等额外的工作。下面我们先介绍区分服务的一些基本概念。 2 2 1 1 基本概念 + 区分服务编码点d s c p ( d sc o d e p o i n t ) 即p 包头的t o s 域的值。口协议 对该域的含义进行了定义，第0 2 位表示数据包的优先级，3 5 位表示延 迟、吞吐率和可靠性等特性，最后两位保留。区分服务对t o s 域的前六 位重新进行了定义。所谓给数据包打标记就是设置数据包中该域的值， 分类也是根据该值来进行的。因为区分服务只对t o s 域的前六位进行了 定义，所以一共可以有6 4 种p h b 。但是每个网络从d s c p 到p h b 的映 射可以不同，因此实际上可以支持的p 咖是无限多的。 + 逐跳行为p h b ( p e r - h o pb e h a v i o r ) 在区分服务中，一个网络节点对一定的 数据流的聚类( 具有相同的d s c p ) 所采取的转发行为。每个支持区分服务 的节点都实现了多个p h b ，收到一个数据包时，根据该数据包的d s c p 选择一个p 髓，对该数据包采用该p h b 所定义的转发行为。每个节点 还可能对数据包进一步打标记，因而数据包在不同的节点可能接受不同 的转发行为，所以这种行为是“逐跳”的。 - 区分服务域sd o m a i n ) 指一个连续的支持区分服务的网络节点的集合， 这些节点实现了同样的一个p h b 的集合，并且它们有相同的d s c p 到 p x 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 + 网络模型简单，额外负担小。区分服务模型采用目前与m 网络相结 合的方式来实现“域”内的q o s 控制比集成服务模型更简单，更易 于实现。 2 4 本章小结 本章对p q o s 模型进行了深入的研究，其中包括集成服务模型和区分服 务模型。在对集成服务模型的研究中，重点研究了r s v p 信令协议并对集成 服务模型的性能做了简要分析。在对区分服务模型的研究中，重点研究了区 分服务模型的网络体系结构和提供的服务类型。最后再对集成服务模型和区 分服务模型的性能进行比较。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 进行资源预留。然而每当移动主机改变位置后，r s v p 都需要在端到端之间重 新建立资源预留。( 4 ) r s v p 不支持被动资源预留，导致网络资源利用率较低 所谓被动资源顸留是指当资源分配给某个尚未到达的移动主机，可以暂时被 其他业务流使用的技术。 3 2 2 无线环境下基于i n t s e r v 门随v p 的几种q o s 保证机制 基于以上i m s e 瓜s v p 在无线网络中应用所存在的问题，有很多研究人员 提出了改进方案。这里对其中几例加以分析介绍。 3 2 2 1 基于r s v p 隧道的r s v p 协议 文献 4 5 】针对r s ，不能在隧道中预留资源的问题，提出了一种解决r s 、伊 协议穿越p 隧道的方案，并在此基础上提出了一种简单的向移动主机提供 q o s 的协议。 隧道是支持主机移动的m 口协议的重要组成部分。在m m 中，从通信对端 发往移动主机的数据需要在家乡代理封装后转发到外地代理夕h 地代理解封 装后再把原始数据转发给移动主机。由于r s v p 消息经过了d 口封装，隧道中 的路由器无法识别，因此隧道中的路由器不会为业务流预留资源。 r s v p 隧道技术是让隧道中的路由器支持r s v p 资源预留的一种方案。这 个方案的主要思想是在隧道的两个端点之间新建一个r s v p 隧道会话。隧道的 入口点作为这个r s v p 会话的发送者，隧道的出口点作为这个r s v p 会话的接 收者。r s v p 隧道会话既可以独立于端到端的r s v p 会话，也可以由端到端的 r s v p 消息触发产生。端到端的r s v p 会话把隧道视做是从源到目的之间的一 段逻辑链路。当一个端到端的r s 、1 ，会话经过一个支持r s v p 的隧道时，它被映 射到一个r s v p 隧道会话中。r s v p 隧道会话把隧道的两个端点视为两个主机 从隧道的出口向隧道的入口按照通过隧道的总的业务量预留资源。图3 1 显示 了从通信对端到移动主机的资源预留由两部分组成：端到端的资源预留以及 隧道资源预留。图3 1m h 为移动主机，c h 为通信对端，b s 为基站，h a 为 家乡代理，f a 为外地代理，t u n n e l 表示隧道，b a c k b o n e 为骨干网。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 o o s 保证。m r s v p 方案建议在移动节点可能访问的所有位置进行资源预留。 移动节点可能访问的所有位置的集合，称为m s p e c ( m o b i 狮s p e c 强c a t i o n ) ， 理想情况下，m s p e c 应该是移动节点在移动过程中将要经过的位置结合。 m r s v p 协议支持主动预留( a c t i v er c s e r v a t i o n ) 和被动预留( p a s s i v e r e s e r v a t i o n ) ，在移动节点当前位置进行主动预留，在m s p e c 中的其他位置 进行被动预留。在某一个链路上，可以将同一个流的主动预留和被动预留合 并，但是，一个链路上同一个流的主动预留和被动预留可以分别删除，互不 影响。为了提高链路的利用率，其他具有更低q o s 要求的业务可以使用已经 进行被