（通信与信息系统专业论文）全ip+utran中ip+qos问题的研究.pdf

声明 论文独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知除了文中特别加以标注和致谢中罗列的内容外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其 他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 贡献均己在论文中做了明确的况明并表示了谢意。 本人签名： 叠淑垒 目期：垫q ；l 望 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使j ；j 学嫩沦文自规定即：学校 有权保留送交沦文的复印件，允许查阅和借阅论文：掌校可以公向论文的全部或 荆分内容，可以允许采用影印、缩影或其他复制手段缲存论文，f 保密的论又在解 密后遵守此规定) 本人簦幺：叠盗垒日期 导师签名 童g 逸垂童通基 日期 0 2 。0 2 。j 沙 捅要 近几年来移动通信和互联网的发展十分迅猛，其用户的数量在成倍地增长。 目前正在使用的、主要以话音业务为主的第二代移动通信系统( 如g s m 和i s 一9 5 ) 面临着巨大的挑战，它存在的缺陷也逐渐凸显，如全球漫游问题、容量问题、频 谱问题及支持宽带业务问题。而第三代移动通信系统能较好地解决上述问题。基 于目前的研究，全i p 网络是第三代移动通信系统的发展趋势。本文主要研究全i p u t r a n 中的i pq o s 问题。以区分服务思想为基础，提出了一种用于全i pu t r a n 中的i pq o s 控制机制。利用网络仿真工具o p n e t ，对这种i pq o s 控制机制作了 仿真。仿真结果表明，这种i pq o s 控制机制对于提高i p 支持多媒体业务的能力 和提供一定的q o s 保证是有作用的，各项q o s 参数指标基本满足u t r a n 的要求。 关键词：u t r a ni pq o s 区分服务仿真 a b s t r a c t i nr e c e n ts e v e r a jy e a r s ，t h em o b i l ec o l n l i l u r l l c a t l o na n di n t e r a c th a v eb e e n d e v e l o p e di nas w i f ta n dv i o l e n ts p e e d ，a n dt h ea m o u n to f u s e r so f t h e mi si n c r e a s i n g r e m a r k a b l y n o w , t h es e c o n dg 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 u c ha sg s m ， i s 一9 5 、s u p p o r t i n gs p e e c hs e r v i c em a i n l yi sf a c e dat r e m e n d o u sc h a l l e n g et h a ts o m e l i m i t a t i o n so f t h i ss y s t e m ，e g g l o b a lr o a m i n gc a p a b i l i t y , f r e q u e n c ys p e c t r u ma n d b a n d w i d t h , a p p e a rg r a d u a l l y h o w e v e r ，t h e3 r dg 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 n s y s t e mc a nr e s o l v et h e s ep r o b l e m s b a s e do nt h ep r e s e n tr e s e a r c h ，t h ef u l l i pn e t w o r ki s c o n s i d e r e da sat r e n do ft h et h i r dg e n e r m 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 i nt h i st h e s i s ，t h er e s e a r c ha b o u tq o si nt h ef u l l i pu t r a ni sp r e s e n t e d ai pq o s c o n t r o l l i n gm e c h a n i s mb a s e do nt h ed i t t s e r vi sp r o p o s e di nt h ef u l l i pu t r a na n dt h e s i m u l a t i o no ft h i sm e c h a n i s mi sp e r f o r m e do nt h es i m u l a t i o np l a t f o r mo fo p n e t t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e c h a n i s mi sh e l p f u lt oi m p r o v et h ea b i l i t yo f s u p p o r t i n g m u l t i m e d i as e r v i c e sa n dg u a r a n t e eq o s ，a n dt h a tt h eq o sp a r a m e t e r sc a ns a t i s f yt h e r e q u i r e m e n t so fu t r a nb a s i c a l l y k e yw o r d s ：u t r a n i pq o sd i f f s e r v s i m u l a t i o n 第一章绪言 第一章绪言 1 1 移动通信系统的演进 不论何时、何地都能与任何人实现信息交流的全球化个人通信，是人类追求 的美好理想。移动通信所特有的信息交流灵活性，以及全球无缝连接覆盖的特性， 使之成为最具有吸引力的通信方式。同时移动通信的快速发展也将把人类实现个 人通信的梦想一步步变为现实。 本世纪末，移动通信特别是蜂窝移动通信进入了一个高速发展阶段，移动通 信业务和技术呈现出从传统的话音领域向数据领域和宽带多媒体领域转变的态 势。在短短二十年的时间里，移动通信技术从第一代演进到了第三代。在演进的 过程中，新技术和新标准层出不穷。下面，简要介绍一下移动通信的演进过程。 第一代移动通信系统( 1 c o ) 主要采用模拟和频分多址( f d m a ) 技术，其发展过 程呵分为三个阶段，即第一阶段的小容量大区制( 或单区制) 人工交换移动通信系 统、第二阶段的中容量中区制自动交换移动通信系统和第三阶段的大容量小区制 程控交换移动通信系统( 蜂窝网) 。 在蜂窝网概念的基础上，1 9 7 8 年底美国贝尔实验室研制成功a m p s ( 先进移 动电话系统) ，建成了蜂窝状移动电话网，大大地提高了系统容量。1 9 8 3 年首次1 在美国芝加哥投入商用。1 9 8 5 年英国在a m p s 的基础上开发出 f a c s ( 全向入网 通信系统) ，其对a m p s 的主要修改为：频段从8 0 0m h z 改为9 0 0m h z 、信道带 宽从3 0 k h z 改为2 5 k h z 。这段时期，世界各国都在发展蜂窝移动通信，如f 本 h c m t s 、法国的r a d i o c o m 一2 0 0 0 、德国的c 4 5 0 、意大利的r m t s 等，制式各 异，频段亦不一致。 我国于1 9 8 7 年在广东首先使用的蜂窝移动电话系统就是t a c s 制式。 第- 4 4 蜂窝移动通信，由于空中传输的信号是模拟的，所以亦称为一模拟蜂 窝移动通信”。它的推出取得了很大成就，但也暴露了不少问题。例如，移动设 备复杂，费用较高，业务种类受限制、通话易被窃听，频谱利用率较低等。为此 各图科技界和， 三产商展开了新一代的移动通信系统的研发工作，第二代移动通信 系统也就应运而生了。 第一二代移动通信系统( 2 g ) 起于9 0 年代仞期，流行于9 0 年代中后期。第二 代移动通信系统主要采用数字式时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 技术。 其标准和主要产品又可分为两大类，即第一类数字式t d m a 系统和第二类数字式 窄带c d m a 系统。 属于第一类数字式时分多址t d m a 系统的主要有欧洲的g s m 、f j 本的p d g 和美国的d a m p s 三种。 全i p u t r a n 中的i pq o s 问题的研究 在欧洲由于制式不一、频段各异，邻国之间不能漫游，不利于欧洲共同体各 成员之间经济、政治、文化交流以及商业之间活动。c e p t ( 欧洲邮政电信行政大 会) 于1 9 8 2 年成立g s m ( 移动特别小组) 的专题小组，开始制订使用于泛欧各国的 一种数字移动通信系统的技术规范。经过6 年的研究、实验和比较，分别于1 9 9 2 年底和1 9 9 4 底提出了第一期技术规范和第二期技术规范，从而完成了g s m 标准 的制定。电信业务是g s m 的主要业务，包括电话、短消息、可视图文、传真等； 它不需要晤路调制解调器( m o d e m ) 就可提供数据业务，数据速率最大为 9 6 0 0 b i t s ；补充业务种类繁多，基本上市内程控交换机能提供的补充业务g s m 均 能提供。 属于第二类数字式窄带c d m a 的主要有美国的i s 一9 5 和欧洲爱立信的 b c d m a 系统。 美国的移动通信发展较快，而频率资源有限，容量问题较为突出。为此，1 9 8 8 年9 月美国c t i a ( 蜂窝通信工业协会) 发表了u p r ( 用户使用性能要求) 文件，制定 了对下一代蜂窝通信技术的要求。美国q u a l c o m m ( 高通) 公司在蜂窝通信工业支持 下，丌发出完全符合c t i a 要求的c d m a ( 码分多址) 系统。1 9 9 2 年1 2 月美国t i a ( 电 信工业协会) 根据高通的建议，发布“双模宽带扩频蜂窝系统的移动台与基站兼容 性标准”，即t i a e i a i s 9 5 ，简称i s 一9 5 。这里所讲的“宽带”是相对于i s 一5 4 ( b f d a m p s ) 而言，其射频信号带宽为1 2 5m h z ，所以又称n - - c d m a ( 窄带码_ 分多址) 。 窄带式c d m a 最主要的优点是：频谱效率高、系统容量大，是t a c s 的8 倍，比 g s m 大3 4 倍；基站覆盖范围大；通话质量比t d m a 更好；能使移动通信系统 从第二代平滑过渡到第三代。 第二代移动通信系统在整个移动通信发展史h 起到了重要作用。在这个阶段 中的系统构成方面，它与模拟系统无多大差别。所不同的仅是在射频调制技术、 多址方式、话音编码、信道编码和数字信号处理、控制信道、及保密和认证等六 个方面采用了全新的数字技术，因而使移动通信性能显著提高。 第二代蜂窝移动通信系统，全球是以上述两种为主，各占领一定的市场，但 由于制式不一，相互之间不能漫游，频率资源有限，同时在高速数据传输方面不 能适应当前迅猛发展的因特网和多媒体业务的需要。为此i t u ( 国际电信联盟) 提 出了f p l m t s ( 未来公众陆地移动通信系统) 的概念即第三代移动通信系统。 第三代移动通信系统( 3 g ) 也叫“未来陆地移动通信( f p l m t s ) ”系统，后 由国际电联( i t u ) 正式命名为i m t - - 2 0 0 0 ，意即第三代移动通信系统是工作在 2 0 0 0 m h z 频段，并于2 0 0 0 年左右正式投入商用。 如同2 g 系统有两个独立的且一直在争论着的体帝i j ( g s m ，i s 9 5 ) 一样，i m t 一 2 0 0 0 ( 3 q 系统也存在两类体制： 一一由g s m 发展而来的基于w c d m a 的u m t s 系统 ( 主要由欧洲提出，代 第一章绪言 表欧洲标准) 一一由i s 一9 5 发展而来的基于多载波的c d m a 2 0 0 0 系统( 代表美国标准) 。 为了实现全球化的第三代移动通信系统，有关标准化的问题，由i t u 下属两 个机构i t u t ( 原为c c i t t 国际电报电话咨询委员会) 和i t u r ( 原为c c i r 国际 无线电咨询委员会) 负责。i t u t 负责网络部分的标准化，主要集中在信令和协 议上：i t u r 由其下属s g 8 的t g 8 1 ( 工作组) 负责i i t - - 2 0 0 0 的标准化工作，着 重点是无线空中接r ：_ i 。 i t ui m t - - 2 0 0 0 的主要技术要求有：( 1 ) 全球统一频段2 0 0 0m l t z ；( 2 ) 频谱效 率要高于第二代系统，系统容量要高于第二代；( 3 ) 全球要统一标准，通过一系列 终端的无线接口标准化，使终端在任何环境下能够提供各种业务；( 4 ) 能支持话音、 遥测、定位和导航、远程控制、信用卡认证、寻呼、通知、电子函件、文件传送、 第三类传真和第四类传真、运动图形( 图像) 及多媒体( 将话音、文本、图像等融合 在一起) 等业务；( 5 ) 能实现全球漫游、全球无缝覆盖，也就是说不仅是地面的移动 通信，也包括移动卫星通信系统；( 6 ) 终端可以工作在静止、缓慢移动、高速运动 等状态。在下列环境下支持多媒体：静止的室内环境2 m b i t s ；缓慢移动步行环 境3 8 4 k b i t s ：高速移动环境1 4 4 k b i t s ；( 7 ) 能提供电路交换和分组交换，采用o s i ( 开 放系统互连) 的分层模型，除基本业务外，还能提供许多补充业务。支持面向连 接的业务、无连接的业务和广播业务，能够根据传输环境和辟j 户、【k 务请求改变传 输速率；( 8 ) 保密性能强：( 9 ) 易于第二代系统的过渡和演进：f 1 0 ) 建设成本和运行成本 要低，尤其是终端的价格更要低廉。 1 2u m t s u t r a n 简介 通用移动通信系统( u m t s ) 是欧洲的第三代移动通信系统标准。在很大程 度上，它是基于g s m 的巨大成功发展而来的。 u m t s 的目标是能够支持包括从语音和低速率数据业务到高速率数据业务等 多种业务。在高速移动环境中达到1 4 4 k b i t s 的数据速率，在缓慢移动步行环境巾 达到3 8 4 k b i t s 的数据速率，在静止的室内环境达到2 m b i t j s 的数据速率，并支持面 向电路和面向分组的、l p 务。u m t s 将适应从城区到郊区、从丘陵地区到山区的各 和，无线环境，以及微蜂窝、微微蜂窝和室内环境，可在任何时问、任何地方向任 何人提供业务 u m t s 的一般结构从物理和功能的角度进行了模型化。在物理方面用域 ( d o m a i n ) 的概念进行模型化，在功能方面用层( s t r a t u m ) 的概念进行模型化。域 为晟高级别的物理实体组：参考点在域间定义。层是和一个或多个域提供的业务 的一个方面有关的协议组。 4垒i p u t i l & n 中的i pq o s 问题的研究 一般的u m t s 结构可分为两个域：用户设备域和基本结构域，如图1 1 所示。 用户设备是用户用来接入u m t s 业务的设备，用户设备有无线接口与基本结构域 相连。基本结构域由物理节点组成，这些物理节点完成终止无线接口和支持用户 通信业务需要的各种功能。基本结构是共享的资源，它为其覆盖区域内的所有授 权用户提供业务。 幽l1u m 7 i s 结构域图 用户设备域包括具有不同功能的各种类型的设备，这些设备被称为用户设 备，它们可能兼容一种或多种现有的接入接口( 固定或无线) ，如双模式u m t s g s m 用户设备。用户设备可以包括智能卡。用户设备域可进一步分为移动设备( m e ) 域和用户业务识别单元( u s i m ) 域。 移动设备完成无线传输和应用，移动设备还可分为若干实体，如完成无线传 输和相关功能的移动终端( m t ) ，包含端到端应用的终端设备( t e ) 。 用户业务识别单元包含清楚而安全地确定身份的数据和过程。这些功能般 存入智能卡中，它只与一特定的用户有关，而和用户所使用的移动设备无关。 基本结构域可进一步分为接入网域和核心网域，两者通过开放接( i u 接口) 连接。接入网域由与接入技术相关的功能组成，而核心网域的功能与接入技术无 关。从功能上核心网又可分为分组交换业务域和电路交换业务域。网络和终端可 以只具有分组交换功能或电路交换功能，也可以具有两种功能。 接入网域由管理接入网资源的物理实体组成，并向用户提供接入到核心网域 的机制。对于u m t sp h a s e1 接入网的标准，现在只包括u m t s 陆地无线接入网 第一章绪言 ( u t r a n ) ，其它类型的接入网有待于进一步考虑。u t r a n 是一个新的接入网， u m t s p h a s e1 定义了u t r a n 的功能，为了使u m t s 网络可在两种接入网下运行， 特别定义了u t r a n 和g s m 基础子系统( b s s ) 接入网的互操作。 从漫游和切换的角度来看，u m t sp h a s e1 将和进化的g s m 网络兼容，因此 u m t sp h a s e l 将允许运营者引入新的技术，如a t m ，i p 等。 核- t l , 网域由提供网络支持特性和通信业务的物理实体组成。提供的功能包括 用户位置信息的管理、网络特性和业务的控制、信令和用户信息的传输机制。核 心网域又可分为服务网域、原籍网域和传输网域。服务网域和接入网域相连，它 的功能是呼叫的寻路和将用户数据与信息从源点传输到目的点。它既和原籍网域 联系以获得和用户有关的数据与业务，也和传输网域联系以获得和用户无关的数 据与业务。原籍网域管理用户永久的位置信息，用户业务识别单元和原籍网域有 关。传输网域是服务网域和远端用户问的通信路径。 u m t s 陆地无线接入网( u t r a n ) 分为基站收发子系统( n o d eb ) 和无线网络 控制器( r n c ) 两部分。其中，n o d eb 主要完成与无线传输相关的功能，包括射 频耦合、滤波、变频、放大、功率控制，以及调制解调和信道编码解码等；r n c 则完成与无线传输无关的功能，比如信道分接复接、呼叫处理、无线资源管理和 路由选择等。u t r a n 的结构见图1 2 。 目12u t r a n 结构图 u t r a n 由一组通过i u 接口连到核心网( c n ) 的无线网络子系统( r n s ) 组成。一个r n s 由一个无线网络控制器( r n c ) 和一个或多个n o d eb 组成。n o d e b 和r n c 通过i u b 接口连接。另外，在u t r a n 内，不同r n s 的r n c 可以通过 i u r 接口互连。i u r 的物理连接可以是直连或通过传输网络的间接连接。r n c 负责 u e 与c n 之间的信令和业务的交互、小区资源控制、切换判决和多n o d eb 之间 6全i p u t r a n 中的i pq o s 问题的研究 数据流的合并，分离等宏分集处理。n o d eb 控制一个或多个小区，能够支持频分 双工f d d 、时分双工t d d 或双模操作。在f d d 模式下，n o d eb 也可选择支持 n o d e b 内的宏分集处理。 u t r a n 的能力包括无线接入承载能力和无线接入承载控制能力。一个 u t r a n 只包含在一个u m t s 网络内。u t r a n 将支持连接的建立、重新协商和 清除，不同的连接将具有不同的业务和性能特性。 l _ 3 第三代移动通信系统的发展趋势 全i p 网络是第三代移动通信网络的发展趋势 1 】，【2 1 。 目前，在u t r a n ( u m t s 版本r 9 9 ) 中，a t m 用于传送网络层，同时i p 也 是一种可选技术。 从技术的观点来看，a t m 提供了极好的q o s 解决方案：作为一种面向连接 的协议，a t m 提供了低等待时延、高带宽。因此，a t m 在带宽和q o s 方面比 传统的i p 仍具有较大的优势。i p 的缺点是它无法有效地提供q o s 保证，尤其是 在拥塞时期。尽管大缓冲器和一些业务流量控制机制( 如丢弃协议) 有助于将拥塞 问题减少到最低程度，但它们无法从根本上完全消除这一问题。 然而，现在越来越多的人倾向于使用i p 作为一个统一的技术应用在u m t s 中。也就是说，第三代移动通信系统的发展趋势是全i p 网络。因为皿己被太多 的应用所使用。无连接的i p 技术比电路交换技术更灵活和有效。也许更重要的 是，预计建立一个基于i p 的u t r a n 的成本比使用a t m 要低得多，这也正是各 个电信运营商和厂商看好i p 的一个重要原因。 选择i p 作为传送技术是技术和经济的折衷方案，目前a t m 在带宽和q o s 方面 仍是赢家。基本上，i p 必须像a t m 满足q o s 、传送效率和移动性那样来满足相 同的u m t s 要求，这样它所提供的承载业务才能满足用户级的q o s 和时延要求。 3 g p p 版本r 4 中，a t m 和i p 都是作为可选传送技术共存于u t r a n 中。主要的 技术问题是，在u t r a n 中，n o d e b 和r n c 之间的“无线帧”( r f ) 传送具有严格 的定时要求，传统的i p 无法有效地提供服务质量( 时延、时延抖动、分组丢失率) 。 由于i p 本身无法满足u t r a n 关于q o s 、移动性和带宽效率的要求，因此， 3 g p p ( 3 gp a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 提出了一些解决方案，以加强i p 协议，使之能够满 足全i p u m t s 的要求。这些解决方案是m p l s ，p p p 多路复用，多级、多链路p p p 等。 基于全i p 的u m t s 网络的特点是： ( 1 ) 网络结构是基于分组技术，以便同 时实现实时和非实时业务； ( 2 ) 网络结构基于性能增强的演进g p r s 网络； ( 3 ) 增强所有i p 接口和相关网络接口的功能，可以支持实时多媒体业务； ( 4 ) i p 用 于所有数据和信令的传输层。 第一章绪言 全【p 网络是通信发展的趋势，只是目前技术尚未完全成熟，难以马上实施。 一旦i p 电话和i pq o s 技术发展成熟，即可用i p 技术统一传输语音、数据和多媒 体业务，实现移动网络与i p 网络的融合。全i p 网络是第三代移动通信网络的发 展趋势，采用构建语音数据图象一体化平台的u m t s 核心网的方式，可以逐步 实现向全i p 网络的平滑过渡。 1 4 本文所作的工作 目前，移动通信和i p 正以前所未有的速度高速发展，并成为当前业界研究的 热点。本文结合与华为公司的合作项目“全i p u t r a n 中i p 传输技术的研究”，对 全i pu t r a n 中的i p 传输技术作了深入研究，尤其研究了i pq o s 问题。在阅读 了相关的资料、建议和规范之后，对u m t s u t r a n 、i pq o s 问题有了一个比较 全面的认识。经与本项目组成员的充分合作，提出了一种基于d i f t s e v e r 思想的i p q o s 控制机制，并利用网络仿真工具o p n e t ，对这种i pq o s 控制机制作了仿真。 仿真结果表明，这种i pq o s 控制机制有助于提高i p 支持多媒体业务的能力，使i p 能够提供一定的q o s 保证，各项q o s 参数指标基本满足u t r a n 的要求。本文将 通过以下几章，详细介绍本项工作。第二章介绍i pq o s 问题，i p 作为一种传输 技术它所遇到的问题，目前提出的几种解决方案。第三章着重介绍在 u m t s u t r a n 的具体环境中，i pq o s 有哪些要求，并结合u t r a n 的具体情况， 提出一种基于区分服务思想的i pq o s 控制机制，并将其应用到u t r a n 中。 第 四章描述用丁二本次仿真的、k 务源模型和i u b i u r 接口用，、t 面协议栈。第扛章给出 仿真方案。第六章给出仿真结果分析。 全i pu t r a n 中i p q o s 问题的研究 第二章 lpq o s 问题的研究 2 1 i p o o s 简介 随着计算机和网络技术的发展，基于因特网的新业务层出不穷。因特网正在 从当初单纯传送数据向可传送数据、语音和活动静止图像的多媒体网络转变。 而这些越来越多的网络应用需要网络提供严格的服务质量( q o s ) 保证。图2 1 显示了一个因特网的典型应用。家庭上网用户需要的网页浏览业务是属于传统的 数据业务，而公司举行的园区和远程办公室之间通过因特网的多媒体视频会议需 要网络能够保证( 端到端的) 低时延、高带宽和很小的分组丢失率。 家庭网页浏览业务服务器 圈2 l囡特网典型应矗；! i 服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 是网络及网络元素( 简称网元，如应用设施、 主机或路由器) 满足服务需求的性能。 q o s 可以用一系列可度量的参数来描述： 夺时延( d e l a y ) ：指两个参照点之间发送和接收同一批数据分组的时间间隔。它 包括最大时延、最小时延和平均时延。 夺抖动( j i t t e r ) ：指在同一条路径上传送的一组数据流中数据分组之间的时间差 异。 夺吞吐量( t h r o u g h p u t ) ：网络实际传送数据分组的速率，可用平均速率表示。 夺分组丢失率( p a c k e tl o s sr a t i o ) ：在网络中传输数据分组时数据分组的丢弃比 率。数据分组丢失一般是由差错( 非重传情况) 或网络拥塞引起的。 i pq o s i p 的服务质量，它是指i p 数据流通过网络时的性能。它的目的就是 向用户的业务提供端到端的服务质量保证。它可以看成是q o s 的一个子集，因此， 它也有一套度量指标，包括业务可用性、时延、时延抖动、吞吐量和分组丢失率。 第二章i pq o s 问题的研究 遗憾的是，目前因特网所使用的仍然是传统的t c p i p 协议，而传统的t c p i p 协议无法有效地提供q o s 保证。 因特网最初的设计目的是进行高效的数据传输，因此所使用的t c p i p 协议 族是一种无连接的、基于数据报的传输模式。传统网络层协议( i p ) 和传输层协 议( t c p u d p ) 能够高效地传输数据，但却不能很好地支持实时多媒体业务的 传输。原因在于： 1 1 网络层的主要任务是路由选择。现在的i p 路由协议都是先来先服务( f c f s ) 的，不区分数据类型。路由协议不管所要转发的数据是否有时间延迟的限制，都 一样的排队等候通过。因此，现在的因特网( i p v 4 ) 提供的是单一的尽力而为( b e s t e f f o r t ) 服务，所有应用都完全平等地共享网络资源，这种策略适合于普通数据 业务的传送，却并不适合于实时多媒体业务的传送。因为在网络发生拥塞时，排 队等原因可能会导致数据丢失，或是出现较大的时间延迟以及抖动所提供的服 务质量会随着网络的拥塞情况而发生变化。这是实时多媒体业务所无法接受的， 因为这些业务通常需要网络能够提供确定的服务质量( q o s ) 保证，如比较小而 且恒定的时间延迟等。 2 1 传送层的任务是提供端到端的通信。u d p 协议为i p 提供了一种应用编程接 口，它提供的服务仍然是无连接的和不可靠的。t c p 协议基于i p 无连接的、不可 靠的网络服务提供了一种面向连接的可靠传送协议。但是，t c p 的重传纠错和滑 窗式流量控制和拥塞控制机制会带来相当大的时延及抖动，根本小适合十实时业 务的要求。 基于1 p 业务多样化和快速增长这样一个事实，i pq o s 已成为网络基础研究 的一个重点，也是未来i p 阚络发展的灭键技术。为此，、j k 界投入了巨大的研究力 量。到目前为止，唧、同组织或单位已提出了一些q o s 的体系结构，这包括i b m 公司的h e i d e l b e r g q o s 模型、美国哥伦比亚大学c o m e t 研究组提出x r m 模型、 美国宾夕法尼亚大学的o m e g a 体系结构、加利福尼亚大学伯克利分校的t e n e t 模型等。但埘于1 pq o s 则主要有两种体系结构：i n t s e r v 综合服务体系结构和 d i f f s e r v 区分服务体系结构 2 2 综合服务体系结构和区分服务体系结构 为了提供良好的q o s ，可神：多个层次上采用多种机制，包括应用层、传送层 和网络层。在应用层提供的机制有业务定向( t r a 币c d i r e c t i n g ) 和负载均衡( l o a d b a l a n c i n g ) ：在传送层有区分服务( d i f f s e r v ) 和综合服务( i n t s e r v w i t h r s v p ) ： 在网络层有业务量工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 和快速重选路( f a s tr e r o u t e ) 。其 中业务量工程可采用m p l s ( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h ) 及受限重选路 ( c o n s t r a i n t - b a s e dr e r o u t e ) 来实现。 0 全i p u t r a n 中i p q o s 问题的研究 本文主要讨论两种类型的q o s 机制： 综合服务：根据业务的q o s 要求来分配网络资源，它受带宽管理策略的影响。 资源预留协议( r s v p ) 能用于这种机制。 区分服务：将业务进行分类，并根据带宽管理策略来进行网络资源分配。为 得到好的q o s ，将会优先处理那些有更严要求的业务。 这两种q o s 机制不是竞争和互斥的关系，相反，它们是互补的关系 3 】。有 时多种机制要组合起来使用以满足不同网络条件下业务的不同要求。 2 2 1i n t s e r v 综合服务体系结构 综合服务( i n t s e r v ，i n t e g r a t e ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) i e t f 的i n t s e r v 工作组 于1 9 9 4 年在 4 1 e 0 提出。综合服务定义了三种服务类型。 ( 1 ) 确保服务( g u r a n t e e ds e r v i c e s 5 ) ：对带宽、时延和分组丢失率提供定量 的质量保证。 ( 2 ) 受控负载服务( c o n t r o l l e d 1 0 a ds e r v i c e s 6 ) ：给用户提供一种类似在网络 欠载情况下的服务，它是一种定性的指标。 ( 3 ) 尽力服务( b e s t e f l b r t ) ：相当于目前在i n t e m e t 上提供的服务，是一种尽 力而为的工作方式，基本上无质量保证。 下面就图2 2 所示的综合服务功能框图中各个部分作一介绍。 设置协议( s e t u p p r o t o c 0 1 ) 。设置协议使主机或路由器能够动态地保留网络 中的资源，以便满足特殊业务流的服务需求。r s v p ( 【7 1 ， 8 ， 9 】) 就是设置协议 的个例子，其它的例子还包括q 2 9 3 l 。 流量说明( f l o ws p e c i f i c a t i o n ) 。用于定义提供给一个特定业务流的q o s 。 在综合服务模型中所定义的业务流( f l o w ) 是指具有相同q o s 的、从某个源端到 宿端的一个分组流。从概念上不太严格地说，流量说明可以被看作是一个保留的 网络资源的集合( 如最小带宽等) ，这些资源是网络支持该业务流q o s 所必须保 留的。 第二章i p0 0 s 问题的研究 忐z z ! 凰i i f 一由1 庄 岳 图2 2综合服务功能框幽 路由器 流量控制( f l o w c o n t r 0 1 ) 。在网络设备( 如主机、路由器或交换机) 中存在 着一些组件，这些组件能够控制和管理为支持特定q o s 所必需的网络资源。 流量控制组件的配置可以采用某种信令控制协议，如r s v p ，也可以采用人工配 置。流量控制组件有以下几个组成部分： 接纳控制( a d m i s s i o n c o n t r 0 1 ) ：确定一个设备( 主机、路由器或交换机) 是否能够支持某个特定数据流所需的q o s 。 分类器( c l a s s i f i e r ) ：以分组头中特定字段的内容为基础鉴别和选择某种 业务类型。 调度器( s c h e d u l e r ) ：在设备的输链路j ：提供所需的q o sj 狠务类别， 从这个模型可以看出：设置协议只是个控制协议，它不承载任何数掘；转 发通路的关键组成部分是分类器和调度器。 综合服务尽管能提供q o s 保证，但扩展性较差。因为其1 作方式是基于每个 流的，这就需要保存大量的与分组队列数成f 比的状态信息；此外，r s v p 的有 效实施必须依赖于分组所经路径上的每个路由器。在骨干网上，业务流的数目可 能会很大，同时它还要求路由器的转发速率很高，这使得综合服务难丁- 存骨干嘲 上得到实施。目前，比较。致的看法足在企业网的边缘实施综合服务，或者对流 的定义更加粗糙以使业务流的数目降低到可以承受的地步。 综合服务所使用的资源预留协议( r s v p ，r e s o u r c er e s e r 、，a t i o np r o t o c 0 1 ) 是 一利，预留资源的信令协议。r s v p 的工作过程如图23 所示。发送端给接收端发送 一个p a t h 消息，以指定通信的特性。沿途的每个中间路山器把p a r r h 消息转发给 由路由协议决定的下一跳。当收到一个p a t h 消息时，接收方做出的反应是用一个 r e s v 消息为该流请求资源。p a t h 消息标明了发送端到接收端之间的通路，并收 集了通路的特性信息。一旦p a t h 消息到达目的端，接收者就可以得到一个很完 整的通路状况，以便其根据发送端的发送特性及p a t h 消息所搜集到的路径上的 全i p u t r a n 中i p q o s 问题的研究 q o s 能力来确定发送端能申请怎样的q o s 参数。沿途的每个中间路由器可以拒绝 或接受r e s v 消息请求。如果请求被拒绝，路由器将发送一个出错消息给接收端， 并且中断信令的处理过程。如果请求被接受，则为该流分配链路带宽和缓冲区空 间，并且把相关的流状态信息记录在路由器中。 整送旨 图23r s v p 工作示意图 ( 图中“通路”表示p a t h 消息，“预留”表示r e s v 消息) r s v p 有以下特点：第一，r s v p 不为某个流定义或提供q o s 。q o s 的语义是 由i n t s e r v 体系结构以对象的形式定义的；第二，r s v p 不是一个路由协议。r s v p 可以与其它的任何路由踯议共同工作，如r i p 、o s p f 或b g p ，并用这些协议为 r s v p 消息选择一条从源主机到目的主机的路由；第三，r s v p 是软状态( s o f ts t a t e ) 的，在一条固定通路上的预留状态如果不定时刷新，就会超时。 综合服务模型的优点是： ( 1 ) 能够提供有保证的q o s 。详细的设计使r s v p 用户能够仔细地规定业务 种类。因为r s v p 运行在从源端到宿端的每个路由器上，因此可以监视每个流， 以防止其消耗超过给它预留的资源。 ( 2 ) r s v p 在源端和宿端之间使用现有的路由协议决定流的通路。r s v p 使 用i p 分组承载和“软状态”的概念，通过周期性的重传p a t h 和r e s v 消息，能 够对网络拓扑的变化做出反映。正如p a t h 和r e s v 消息刷新预留的流通路那样， 没有了这些消息时，r s v p 协议将释放与之相关的资源。 ( 3 ) 最初设计综合服务模型的目的之一就是使得q o s 能够在单播( u n i c a s t ) 和组播( m u l t i c a s t ) 条件下工作。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。它同样可以把来自每个接收端的r s 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这些不同的连接上发送同样的 第二章i pq o s 问题的研究 流。 综合服务模型的缺点是： ( 1 ) 扩展性不好。随着流数目的增加，状态信息的数量成比例上升，占用了 大量的路由器存储空间和处理开销。 ( 2 ) 对路由器的要求较高。由于需要进行端到端的资源预留，必须要求从源 端到宿端之间的所有路由器都支持所实旌的信令协议。因此所有路由器必须实现 r s v p 、接纳控制、多域( m f ，m u l t i f i e l d ) 分类和分组调度。而且，r s v p 协议 是单向资源预留。 ( 3 ) 不足以在现有的】p 协议上提供真正的、端到端的q o s 。通常在一个网络 中，主机和路由器之间都是通过不同的数据链路互相连接的。其中的一些链路技 术，k l 女i i a t m ，可以提供q o s 。而其它的些技术，如共享的以太网等，为特定 流提供q o s 是十分困难的。i e t f 成立了一个称为在特定链路层上的集成服务 ( i s s l l ) 的工作组，来解决在不同的数据链路技术( _ i ) f l a t m 、8 0 2l a n 及低速 链路等) 上支持综合服务模型手n r s v p 的问题。 ( 4 ) 现有的i p 路由协议缺乏q o s 选路机制。这些路由协议所使用的参数是由 非q o s 属性参数组成的，如转发的跳数、到目的网络的链路代价的总和等。类似 于可用带宽容量、时延、时延抖动及其它的q o s 属性都没有被采用。因此，需要 综合服务模型与q o s i 昭- 山协议相结合。 2 2 2d i f f s e l w 区分服务体系结构 综合服务模型利用全程信令将因特网由原来的无连接方式改为使用信令的面 向连接方式，这种模型的扩展性不好。因此，n i c h o l s 在1 9 9 7 底提出了种新的 解决问题的思想，既考虑已有网络的现状，又能达到实现q o s 的目的，这就出现 了区分服务( d i i t s e r v ) 模型。i e t f 在 1 0 l 中提出d i f f s e r v ( d i f f e r e m i a t e ds e r v i c e s a r c h i t e c t u r e ) 体系结构，旨在定义一种实施i pq o s 且更容易扩展的方式，以解决 i n t s e r t r 扩展性差的缺点：d i f f s e r 、简化了信令，对业务流的分类颗粒度更粗。 d i f f s e r v 功能框图如圈2 4 所示。 它通过汇聚( a g g r e g a t e ) g q j 每跳行为( p h b ，p e rh o pb e h a 、r i o o 的方式束提供一 定程度上的q o s 保证。汇聚的含义在于路由器可以把q o s 需求相近的各业务流 看成一个犬类，以减少调度算法所处理的队列数。p h b 的含义在于逐跳的转发方 式，每个p h b 列应一种转发方式或q o s 要求。 在d i f f s e r v 里，引入了d i f f s e r v 域( d o m a i n ) 的概念。一个d i f f s e r v 域可以认 为是一个能提供d i f f s e r v 的子网。d i f f s e r v 域主要由一些路由器组成并对这些 路由器进行了区分，把位于d i f f s e r v 域边界的称为边缘路由器( e d g er o u t e r l ，而 把d i t t s e r v 域内部的称为核心路由器( c o r e r o u t e r ) 。d i f f s e r v 力图通过对业务流的 4 全i p u t r a n 中i p q o s 问题的研究 分类、整形、标记和调度，在一定程度上实现q o s 的保证。 边缘路由器的组成和功能如图2 , 4 所示。 边缘躇由器的d i f l s e r v 功能 棱心路由器的d i f 砖e r v 功能 图2 4d f f s e r v 功能框图 多域分类器( m u l t i f i e l dc l a s s i f i e r ) 。可以检查分组中的一个或多个域，包括i p 分组头和传送层- p d u 的头等【11 1 。 警管器( p o l i c e r ) 。对业务特性( 如峰值速率、突发长度) 进行整形或丢弃某 些分组，使其能够符合其所传送的业务的流量约定( p r o f i l e ) 。 分组标记器( m a r k e r ) 。对d s 域进行标识，以识别这些分