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i m s 策略决策功能实体的研究与设i 摘要 题目： 申请人： 导师： 专业： 研究方向： i m s 策略决策功能实体的研究与设计 唐晓平 罗笑南教授 计算机应用技术 数据通信技术 摘要 3 g p p 在r 5 中提出的i p 多媒体子系统( i m s ) 汇集了移动通信领域最先进 的概念和技术，它在以下三个方面进行了改善：q o s 保证、计费控制和对不同 业务的融合，为进一步在p s 域上开展新业务提供了很好的平台基础。策略决策 功能实体( p d f ) 作为i m s 系统中的关键部件，实现i p 承载层基于业务的本地策 略( s b l p ) 控制，将i pq o s 参数传递给g g s n 中的策略执行点( p e p ) ，完成 q o s 资源的授权管理，为i m s 业务提供q o s 保证。本论文依托在粤港关键领 域重点突破项目“n g n i pq o s 相关技术和设备软件丌发”( 项目编号： 3 5 2 4 0 4 2 0 7 0 4 4 ，4 2 0 7 0 4 5 ，4 2 0 7 0 4 6 ) 的基础上对i m s 的q o s 技术展开研究。 论文在简要论述i n t s e r v r s v p 、d i f f s e r v 、m p l s 以及基于策略的q o s 控制 等现有q o s 模型后，对i m s 的q o s 保证机制进行了探讨研究：结合3 g p p 标 准，讨论了i m s 基于软交换的全i p 网络架构，分析了i m s 各个功能部件的功 能和运作；探讨了i m s 分层的q o s 体系结构以及控制平面和用户平面各功能 实体的q o s 管理机制，详细研究了i m s 端到端q o s 保证技术，提出了静态q o s 控制、分布式q o s 控制和集中式q o s 控制等三种端到端q o s 保证解决方案， 给出了三种方案下的连接模型。在此基础上，重点研究了p d f 的q o s 控制过 程，同时对p d f 基于策略的q o s 控制的实现技术进行分析，提出了采用状态 模式设计p d f 的功能模块，以消息驱动的方式实现p d f 基于策略的承载资源 控制的设计方案。p d f 的设计与实现对管理i m s 承载资源和部署端到端q o s 解决方案，具有重要的参考价值。 关键词：策略决策功能，i p 多媒体子系统，服务质量管理，基于业务的本 地策略，承载资源管理 i m s 策略决策功能实体的研究与设计 s u b j e c t ：r e s e a r c ha n dd e s i g no f p o l i c yd e c i s i o nf u n c t i o ni ni m s m a j o r：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y p r o p o s e r ：x i a o p i n gt a n g s u p e r v i s o r ：x i a o n a nl u o a b s t r a c t t h ei pm u l t i m e d i as u b s y s t e m ( i m s li sd e f i n e di nu m t sr 5 r 6b yt h e3 r d g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o i e c tr 3 g p p ) i tw a si n t r o d u c e di nu m t st op r o v i d eh i g h q u a l i t yi p b a s e dm u l t i m e d i as e r v i c e si nm o b i l en e t w o r k s i th a si m p r o v e di nt h e f o l l o w i n gt h r e ef i e l d s ：q o sg u a r a n t e e c h a r g i n gc o n t r o la n dt h ei n t e g r a t i o no f d i 旋r e n ts e r v i c e s w i t c hp r o v i d e sag o o dp l a t f o r mf o rf u r t h e rn e wb u s i n e s si nt h ep s d o m a i n p o l i c yd e c i s i o nf u n c t i o n s ( p d na sak e yc o m p o n e n ti ni m s ，p e r f o r m st h e s e r v i c eb a s e d1 0 c a lp o l i c yc o n t r o li ni pb e a r e rl a y e r i tt r a n s f e r si pq o sp a r a m e t e r s i n t ot h eg g s np o l i c ye n f o r c ep o i n t ( p e p ) c o m p l e t e st h ea u t h o r i z a t i o nm a n a g e m e n t o fo o sr e s o u r c e ，a n dp r o v i d e sq o sg u a r a n t e ef o rt h ei m ss e r v i c e s b a s e do nt h ek e y b r e a k t h r o u g hp r o j e c t ”n g n i pq o sr e l a t e dt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t ss o f t w a r e d e v e l o p m e n t ”( p r o j e c tn o ：3 5 2 4 0 4 2 0 7 0 4 4 ，4 2 0 7 0 4 5 ，4 2 0 7 0 4 6 ) i ns t r a t e g i ca r e a so f g u a n g d o n g h o n gk o n g t h i sp a p e rd os o m er e s e a r c ho ni m sq o st e c h n o l o g y a t i e ra ni n t r o d u c t i o ni n t ot h ee x i s t i n gq o sc o n t r o lm o d e l s s u c ha si n t s e r v r s v p d i f i s e r v , m p l sa n dp o l i c yb a s e dq o sc o n t r o l l i n g ；t h em e c h a n i s mo fq o sg u a r a n t e e f o ri m si ss h o w n c o m b i n h a gw i t ht h e3 g p ps t a n d a r d s t h es o f ts w i t c hb a s e da 1 1i p n e t w o r ks t r u c t u r ef o ri m si sd i s c u s s e d ，a n dt h ef u n c t i o n sa n do p e r a t i o n so ft h e v a r i o u sf u n e t i o n a lc o m p o n e n t si ni m sa r ea n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，t h el a y e r e dq o s a r c h i t e c t u r ei ni m sa n dt h eq o sm a n a g e m e n tm e c h a n i s mo ft h ev a r i o u se n t i t i e si n u s e rp l a n ea n dc o n t r o lp l a n ea r ee x p l o r e d t h el i m i t a t i o n so ft h ec u r r e n ts t a t eo ft h e s t a n d a r d i z a t i o na r ee x p l a i n e da n de x t e n s i o n st op r o v i d ep o l i c y b a s e de n d t o e n dq o s c o n t r o l i ns i n g l ea n dm u l t i - d o m a i ne n v i r o n m e n t sa r ep r o p o s e d t t l r e ee n d - t o - e n dq o s g u a r a n t e es o l u t i o n sn a m e ds t a t i cq o sc o n t r 0 1 c e n t r a l i z e dq o sc o n t r o la n dd i s t r i b u t e d q o sc o n t r o la r ed e s i g n e d a n dt h ec o n n e c t i o nm o d e l so ft h e ma r eg i v e n b a s e do n t h i s ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ep d fq o sc o n t r o lp r o c e s s ，a n a l y z e st h ep o l i c yb a s e d q o sc o n t r o lr e a l i z a t i o nt e c h n o l o g y ：u s i n gs t a t em o d et od e s i g np d ff u n c t i o n a l m o d u l e ，a n du s i n gm e s s a g e d r i v e na p p r o a c ht or e a l i z ep d fp o l i c yb a s e db e a r e r r e s o u r c ec o n t r 0 1 t h er e s e a r c ha n dd e s i g to f p d fh a sa l li m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ef o r t h em a n a g e m e n to fi pm u t i l m e d i as u b s y s t e mb e a r e rr e s o u r c ea n dt h ed e p l o y m e n to f e n d - t o e n dq o sg u a r a n t e es o l u t i o n s k e y w o r d s ：p o l i c yd e c i s i o nf u n c t i o n , i pm u l t i m e d i as u b s y s t e m , q u a l i t yo fs e r v i c e ， s e r v i c eb a s e dl o c a lp o l i c y , b e a r e rr e s o u r c em a n a g e 1 i i m s 策略决策功能实体的研究与设计 第1 章综述 第1 章综述 本章简要论述了i p 多媒体子系统策略决策控制技术的研究背景和发展现 状，论述了i m s e r v r s v p 、d i f f s e r v 、m p l s 以及基于策略的q o s 控制等现有 q o s 模型的体系结构以及各自的优缺点，接着讨论了i m s 基于软交换的分层网 络架构及其体系结构，最后给出本文的研究内容。 1 1 研究背景与发展现状 第三代移动通信将向基于全i p 的网络架构演进，3 g p p 领先在u m t sr 5 中提出了i m s 的网络架构，汇集了移动通信领域最先进的概念和技术。i m s 的 提出，是3 g p p 以g p r s 等i p 网络为承载，为多媒体业务提供的一种解决方案， 同时满足了多媒体业务在安全、计费、漫游以及q o s 上的需求。i m s 可看作为 多种多样的i m s 业务提供的一个平台。 对多媒体业务而言，服务质量( q o s ) 是非常关键的问题。目前，有两种基本 的q o s 模型：基于资源预留和基于优先级。这些q o s 模型可以用于单个数据 流或聚集的数据流。主要模型包括集成服务( i n t s e r v ) 、差分服务( d i f t s e r v ) 和多协议标记交换( m p l s ) 等。i n t s e r v 存在扩展性问题，而d i f f s e r v 只能提 供相对的q o s 保证。由于m p l s 的快速转发能力以及其对流量工程、v p n 的 支持，用m p l s 技术来实现n g n 中的q o s 机制在业界被普遍看好。 近几年，“d q o s ”即基于会话的动态q o s 控制机制逐渐成为研究方向， 该机制在控制平面实现基于每个会话的呼叫接纳控制，资源预留和动态的策略 下发，在数据平面完成业务感知和策略执行。这种机制既能够提供严格的q o s 保证，又具有良好的可扩展性。 为保证分组数据业务不同q o s 要求，提供有效、动态的承载资源利用，i m s 提供端到端q o s 体系架构，该体系架构基于业务的策略控制机制实现，提供 q o s 动态控制。 1 2i pq o s 综述 现有的i n t e m e t 基本上只提供“b e s t e f f o r t ”服务，在这种服务模型下，所 i m s 策略决策功能实体的研究与设计 第l 章综述 有的数据流公平地竞争网络资源。这对语音、视频等对时延、抖动、带宽有特 殊要求的业务来说，是无法满足其性能要求的。提供有保证的服务质量( q o s ) 是i p 多媒体业务非常关键的问题。 1 2 1q o s 概述 q o s 是一种服务性能的综合体现，这种服务性能决定了在多大程度上满足 业务用户的要求。从根本意义上说，i pq o s 指网络对业务性能要求的支持能力， 这种性能要求可以量化为业务可靠性( r e l i a b i l i t y ) 、i 艇( d e l a y ) 、抖动( f i t t e r ) 、带 宽( b a n d w i d t h ) 和数据丢失率( 1 0 s sr a t e ) 等性能指标【“。 为了实现各种q o s 控制机制的交互工作，i t u t 规范了一个基于分组网络 的q o s 体系结构框架。该体系结构框架定义的q o s 构件模块可以分为3 类， 并形成3 个相互独立但有机关联的平面控制平面、数据平面和管理平面， 如图1 1 所示。 ， ，。医垂煞匐 蔓i i i 画 垂虱囊嘲! l 控制平面i _ 。 一一_ ，+ + 赢虿芬习丽囊甄甄丽j 讽l 。、j 1 1 1 1 1 1 1 1 1 。 一 1 芟垄垂虱匦耍亘圈匦i 甭翅医堑雯垂雪 用户平面 管理平面 陬虿甄 l 协议 f 流量讦星 l 一塑测量i 匦囹 l 流蓟闻， 一? 图1 1q o s 体系结构框架纠 ( 1 ) 控制平面：控制平面内包括了一系列与用户流量传播q o s 路径相关的 控制机制，这些控制机制包括呼叫接纳控制、q o s 路由和资源预留等。 ( 2 ) 数据平面：数据平面内包含的是直接涉及用户流量的控制机制，包括 。i t u - t ，y 1 2 9 1 a na r c h i t e c t u r a lf r a m e w o r kf o rs u p p o r to f q u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s ) i np a c k e tn e t w o r k s - 2 一 i m s 策略决策功能实体的研究与设计第1 章综述 缓存管理、拥塞避免、分组标记、排队调度、流量分类、流量雌控和流量整形。 ( 3 ) 管理平面：管理平面内包含的机制涉及网络运营、管理、维护等方面， 包括服务等级协议、流量恢复、流量计算和测量、策略管理等。 一个q o s 构件模块可以特定于一个网络节点( 如缓存管理) 内使用或可被 应用于一个网段( 如q o s 路由) 。除了各平面内所包含的控制机制外i 还需要 用于在网络节点间交互信息的信令机制。信息交互可以发生在上述3 各平面中 的任何一个。当发生在控制平面或管理平面时，信令交互必须采用特定的信令 协议。 目前常用的i pq o s 控制机制可以划分为两种基本类型：基于资源预留的 q o s 控制机制和基于优先级的q o s 控制机制【3 】。基于资源预留的q o s 控制机制 将网络资源按照业务的q o s 要求进行分配，制定资源管理策略；基于优先级的 q o s 控制机制在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。 为了解决i po o s 问题，i e t f 已经提出了几种服务模型和机制，主要有： 综合服务和资源预留、区分服务、多协议标记交换。 1 2 2 综合服务模型 综合服务( i n t e g r a t es e r v i c e i n t s e r v ) 。是一种在现有网络系统构架上增设的 服务系统，它的基本思路是为每一个数据流实行资源预留。网络系统的节点为 每一个流过的数据流预留带宽资源，节点可以因为资源不足而拒绝服务：但是一 旦节点承诺服务，则通过保留数据流的状态信息来为该数据流提供质量服务。 i n t s e r v 的基本实现方法是：在主机向网络发送数据流以前，以资源预留协 议( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o lr s v p ) 。信令向网络提供所期望的带宽、传输 延迟、延迟抖动以及丢包率等( 称为数据流规格f l o w s p e c ) ，数据流传输路径中 的节点根据自身的资源状况决定接纳或拒绝该请求。一旦接纳申请并为应用程 序分配了资源，则只要应用程序提交的流量在事先约定的流量参数描述的范围 内，网络就按承诺的q o s 需求提供服务。预留路径上的网络节点可以通过执行 。r f c l 6 3 3 ，i n t e g r a t e ds e r v i c e si nt h ei n t e r n e ta r c h i t e c t u r e ：a no v e r v i e w 。r f c 2 2 0 5 ，r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o lf r s v p ) 一v e r s i o n1f u n c t i o n a l s p e c if i c a t i o n 3 i m s 策略决策功能实体的研究与设计第1 章综述 分组的分类、流量管制、低时延的排队调度等q o s 控制机制，来实现对承载流 量的q o s 保证吼 综合服务体系结构有四个主要构成部分：信令协议，接入控制器，分类器 以及包调度器。目前在i n t s e r v 模型中所使用的信令协议是r s v p 。要求使用确 保服务和控制负载服务的应用程序在传输数据之前，必须首先使用r s v p 信令 建立数据传输路径。接入控制器决定是否接受一个资源预留请求，它根据可用 资源的使用情况以及资源预留请求规范的具体要求来决定是否接受某一请求并 对其预留资源。分类器则对传输的数据包进行分类，以对不同类别的数据包区 别对待。包调度器根据不同的策略对各个数据包队列中的数据包进行调度转发。 最基本的r s v p 资源预留请求包括流规格说i t j j ( 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 ) ，它们一起称为“流描述符( f l o w d e s c r i p t o r ) ”。使用r s v p 信令建立数据发送路径以及为数据流预留资源的过程 可以分成两步：按数据流传输方向以p a t h 消息建立起数据流的传输路径，然 后逆向以r e s v 消息为数据流预留资源，详细的操作过程如图1 2 ，l 一3 所示： ( 5 ) r s v p 分组沿着p a t h 分组提供的源路径向上游传 送，然后每个支持r s v p 的路山器或者预尉资源转发r s v p 分组，或者拒绝该请求并返回给接收端一个错误信息 一p a t 丰 - - r s v b - - - 燃path分黝i 蝴 组包含对要发li善， 送的数据流进行配置的广；? g 通信量规格参数t s p e c ( 7 尹碗剥鋈 路由 = p a n 骓 ：驴。”l ( 6 ) p a t h 分组和r s v p 分组透明地传 发送端l 过非r s v p 路由器，而这些非r s v p 路 由器正足资源预留链上的薄弱环节 ( 4 ) r s v p 分组中的资源预留请求包含来自发 送端的数据流规格参数t s p e c 、描述期望的q o s 级别的r s d e c 参数及过滤器描述参数f i l t e r s p e c 图1 - 2r s v p 建立传输路径及预留资源的过程【4 】 收端 i m s 策略决策功能实体的研究与设计第1 章综述 r s v p 数据流 流描述器 r s v p 申请是否 拦攀囤 路由器资源是 圄i 匿 iq o s 类别j调度策略j 分组分类器卜_ 一分组调度器 数据流 图1 - 3 路由器内实现r s v p 资源预留处理过程i j j i n t s e r v 最大的优点是能够提供有端到端q o s 保证的传送服务，最大的缺点 是采用该控制机制的网络的可扩展性不好。根据每个流的服务要求实施接入控 制，根据每个流的状态实施管理，这种实现机制需要耗费路由器较多的资源对 路由器的性能造成不良影响。因此i m s e r v 不适于在流量汇集的骨干网上大量应 用，为此人们又开发了另一种模型区分服务模型。 1 2 3 区分服务模型 与i n t s e r v 不同，采用区分服务( d i f f e r n t i a t e ds e r v i c e ，d i f f s e r v ) 。模型的应用 在发送分组前不需要在网络节点中为每个数据流预留资源，它将所有的数据流 分成数量有限的几个类别( 称之为汇聚流) ，并在网络核心节点只保存汇聚流的 状态信息，而不是单个流的状态信息，从而克服了i m s e r v 中的可扩展性问题。 在d i f f s e r v 模型中，网络边界路由器和核心路由器的功能各有侧重，各自完成 不同的功能并作为一个整体协同工作。边界节点根据用户的流规格( p r o f i l e ) j f t l 资 源预留信息对进入网络的分组进行分类、整形、标记、丢弃等聚合为不同的汇 聚流，这种汇聚流信息包含在报文i p 头部的区分服务代码点( d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e sc o d ep o i n t ，d s c p ) 标记域中。在网络内部的核心路由器保存d s c p 与逐 跳行为( p e r - h o pb e h a v i o r , p h b ，满足某一特定类别流量的转发需求的行为，如 流量管制、流量整形、队列管理等q o s 控制行为) 的映射。当分组进入路由器 时，路由器根据分组携带的d s c p 标记将其划归某一行为聚集，并选取与之对 应的特定p h b 来转发该分组。区分服务体系结构及边缘路由器结构参考模型分 or f c 2 4 7 5a n a r c h i t e c t u r ef o rd i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s - 5 - i m s 策略决策功能实体的研究与设刊第1 章综述 别如图1 4 ，1 5 所示。 i 边界路由器根据i s p 之 f 间的t c a 对数据包进行 整形使其符合t c a 非d i f f s e r v 区l边界路由器根据客户与 域客户网络l| i s p 的s l a 对入域数据包 t l 进行分类和调节 a 边界路由器以5 元组对数 据包进行分类并对业务流 进行标记、监控以及整形 核心路由器根据数据包的 d s c p 进行相应的转发处理 非d i f f s e l w 区 域客户网络 b 边界路由器以d s c p 对 数据包进行分类、重 新标记以及整形 图1 - 4 区分服务体系结构h 醋笔 一一j i ii 斗区丑由斗匪引嚣 _ 图1 - 5 边缘路由器结构参考模型【4 j 在提供服务时，d i f f s e r v 为属于同一需求类型的分组提供相同的服务策略。 d i t t s e r v 模型以流的“聚类”为服务对象，对分组进行“粗粒度”的流分类， 所以只能提供相对q o s 保证能力，无法保证端到端q o s 。基于流的聚类进行服 务的特点，使d i f f s e r v 的控制机制