（信号与信息处理专业论文）卫星地面混合网络ip+qos关键问题研究.pdf

国内图书分类号：tn927.23 国际图书分类号：621.396.41 工学博士学位论文 卫星-地面混合网络 ip qos 关键问题研究 博 士 研 究 生： 马永奎 导师： 张中兆 教授 申请学位级别： 工学博士 学 科 、 专 业： 信号与信息处理 所 在 单 位： 电子与信息研究院 答 辩 日 期： 2004 年 6 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 classified index：tn927.23 u.d.c.: 621.396.41 dissertation for the doctal degree in engineering key research on ip qos in satellite-terrestrial hybrid networks candidate： ma yongkui supervisor： prof. zhang zhongzhao academic degree applied for： doctor of engineering specialty： signal and information process date of defence： june, 2004 university： harbin institute of technology 摘要 摘要 混合网络是指由卫星网络和地面网络共同组成的网络结构。卫星网络具 有卫星通信的所有优点,而地面网络具有对用户密度大的重点区域进行密集 覆盖，有稳定庞大的用户群，占有绝大多数信息资源等特点。因此卫星和地 面网络的整合已经成为全球信息系统建立的关键因素。整合的焦点是如何增 强和完善网络的覆盖范围，与此同时，如何给移动用户提供全球漫游和所有 域之间有效的网络互联能力。 网络的服务质量随着网络业务的发展变得越来越重要。互联网的初衷只 是保证转发的健壮性，对服务质量没有考虑。目前，在高速网络中按照用户 的要求提供服务质量(quality of service, qos)控制是一个普遍要求，也是互 联网发展的重要挑战。商业客户希望网络能够提供有保证的服务；运营商渴 望细分用户群，提供不同的服务，收取不同的费用。现有路由协议导致流量 的不均匀分布，造成网络阻塞；用户对网络资源需求增加的速度最终将超过 网络带宽增加的速度，这些因素促使现有网络演变成能够提供服务质量的网 络。网络转发设备上对流量进行转发的接口容量是一种基本的网络资源。 qos 机制通过在流之间分配这种资源来提供不同的服务质量。它的研究内 容包括体系结构，接入控制，分类策略，转发策略等。计算机网络的 qos 已经成为当今国际网络研究领域最重要、最富有魅力的核心领域之一，也是 网络中研究和开发的热点问题。 端到端 qos 解决方案需要协议间共同协调。综合业务模型(intserv)和区 分业务模型(diffserv)都是 ietf(internet engineering task force)正在研究的 ip qos 保证模型。ietf 的综合服务工作小组致力于为应用的端到端资源要 求提供可实施的方案。intserv 虽然能提供端到端的 qos 服务，但是它的操 作粒度为单个的数据流，这使得 intserv 向骨干网的扩展遇到了极大的麻 烦。庞大的流量管理和众多数据流状态的保存，使得它的扩展性变得非常 差。diffserv 并不提供从发送者到接收者的端到端 qos 保证，而是在一定 范围内保证与业务分类相对应的服务质量。它弱化了对信令的依赖，全部处 理都基于对 internet 业务流的分级，因此它具有较大的可扩展性。但是这两 种 ip 网络的 qos 控制都不能完全满足需要，如前所述它们各自有自己的优 点和局限。为了支持端到端 qos，可考虑将 intserv，rsvp，和 diffserv 看 作是互相补充的技术。将其相结合，互相协同，共同实现端到端的 qos 提 i 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 供机制。最终达到既能提供类似状态相关网络强有力的服务，又能实现与状 态无关网络近似的可扩展性和鲁棒性。本文的第 2 章就是针对卫星和地面网 络组成的特殊网络结构，综合应用 intserv，diffserv，和 rsvp 提出了一种 提供端到端的 qos 的解决方案，对聚集 rsvp 和 diffserv 相结合提供 qos 的机制进行了详细地设计，同时对两种网络衔接过程中起关键作用的网关站 进行了功能分析和设计。 业务源模型在网络的性能研究中占有重要的位置，对网络 qos 的分析 也有举足轻重的意义。随着网络业务的不断复杂化，原有的传统业务源模型 已经不能很好地表现业务流的特性。自相似业务流模型能够反应当今网络具 有突发性强的特性，因此成为研究的热点。文章通过仿真研究，对具有不同 自相似特征参数的业务流进行聚合后的性能进行了研究，发现聚合流仍然具 有自相似的特点，并且用来表征自相似特性的参数 h，非常接近具有最大自 相似参数业务流的 h 值，也就是聚合后业务流的突发性和具有最强突发业 务的信源的突发性一致。 文章提出了一种基于自适应窗口测量的接入控制算法，该算法由两层子 算法组成。基于测量的接入控制不需要事先过多获知业务流的特征参数，且 算法本身对业务流的变化具有适应能力。本文的自适应窗口算法进一步增强 了基于测量的接入算法的适应能力，可以根据业务流的特点，自动调整测量 窗口的大小，能满足网络对链路利用率和延迟要求。 分组调度算法是实现网络服务质量控制的核心机制之一，是网络资源管 理的重要内容，通过控制不同类型的分组对链路带宽的使用，使不同的数据 流得到不同等级的服务。调度算法的基本功能是从节点的每一个输出链路中 挑选出在下一个有效周期发送的分组。qos 传输调度控制的基本原则为： 带宽的保证、流的隔离、延时的保证和公平选择等。协议和算法的复杂性要 适应网络高速传输并便于实现，使其具有可扩展性和鲁棒性。文章在对公平 队列算法进行了系统综述的基础上，从理论上分析服务公平指数边界和最坏 情况公平指数边界之间的关系。通常情况下，获得服务公平指数边界容易一 些，而获得最坏公平指数边界比较难，有的算法根本甚至无法得到。因此本 文推导的两者之间的关系，对最坏公平指数边界的估计具有较强的指导意 义。 关键词 混合网络；信源建模；服务质量；接入控制；队列调度 ii abstract abstract the hybrid network in this dissertation refers to the network structure that includes both satellite network and terrestrial network. satellite network has all the advantages of satellite，while terrestrial network is capable of offering dense coverage for areas of high user population, has large and stable user groups and possesses most of the network resources. nowadays, the integration of satellite and terrestrial networks is becoming a key factor in the development of efficient global information systems. the focus of this integration is to expand and enhance service coverage and to provide mobile users with the abilities to roam globally and internetwork efficiently across all domains. the quality of service (qos) of network is becoming more important with the development of network applications. the initial objective of the internet was limited to the robustness of transmission and did not take the qos into account. however, qos control on users demand becomes a common requirement for high-speed networks and one of the greatest challenges in the development of the internet. business clients hope to have guaranteed services, while internet service providers (isp) hope to subdivide their user groups and offer services of various quality and charge levels. the facts that the current network protocols lead to non-uniform distribution of network traffic and congestion and that the increase rate in users requirements for network resources will exceed the increase rate in network bandwidth require guaranteed network services. the mechanism of qos is to provide services of different levels by allocating the interface capacity of transmission equipment, a basic network resource, among traffic flows. the research areas of qos involve system structure, call admission control, classification policy, forwarding policy, etc. the qos of network is one of the most important and most appealing research areas in network research. end-to-end qos requires the cooperation among network protocols. the integrated services (intserv) model and the differentiated services (diffserv) model are ip qos models which are studied by the internet engineering task force (ietf). the intserv working group of ietf is working to provide applicable schemes for end-to-end resource requirement of applications. iii 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 although the intserv can provide end-to-end qos services, its operation granularity is the single flow, which makes it difficult to extend to backbone networks. the requirements for management of enormous traffic flows and storage of enormous states of traffic are the main drawbacks of the intserv for scalability. the diffserv cannot guarantee the end-to-end qos, but the relative qos according to classification. however, it alleviates dependence on signaling and all the handling is based on classification. as a result, it is scalable. nevertheless, neither of the two ip qos mechanisms can meet the end-to-end qos requirement, due to their own limitations. in order to support end-to-end qos, the intserv, reservation protocol(rsvp) and diffserv can be thought of as complementary techniques to be integrated to realize the control mechanism that provides end-to-end qos. the integration provides not only the guaranteed qos of the state related network, but also the scalability and robustness of the stateless network. motivated by this, we propose an end-to-end qos scheme, in which the intserv, rsvp and diffserv are combined, for a special network structure consisting of the satellite network and terrestrial network. we design in detail a combined qos mechanism aggregating rsvp and diffserv, and at the same time, analyze and design the gateway which is a key element to link the two networks. traffic models are very important in the study and analysis of networks. given the increasingly complexity of network traffic, traditional traffic models are no longer suitable for representing the features of traffic flows. the self- similar traffic model can describe the long-term burst of traffic, and has been a hot subject of research. through simulation, the feature of the aggregated flow aggregated by traffic flows with different h are studied. the simulation results show that the parameter h of the aggregated flow is similar to the largest h of the input traffic flows, which implies that the burst of the aggregated flow is almost the same as the highest burst of input traffic. an adaptive measurement-based call admission control (cac) is proposed, composed of two sub-algorithms. the measurement-based cac does not require knowledge of the many characteristic parameters that describe the traffic flow and suits the change of traffic flow. the adaptive measurement based cac further increase the ability to suit the change of traffic. it can adjust the size of iv abstract the measurement window according to the traffic flow to satisfy the link utilization and delay requirement. packet scheduling is a core mechanism to realize qos control mechanism and an important compoment of network management. through controlling the ability to allocate link bandwidth according to different packets, different traffic flows can receive different services. the basic function of scheduling is to select a packet in the validity period. the principles of qos-based scheduling are the guarantee of bandwidth, isolation of flows, guarantee of delay and fair selection. the complexity of protocols and algorithms should suit high speed networks and be easy to realize, scalable and robust. based on the survey of fair queueing scheduling, the relation between the service fair index bound (sfib) and the worst-case fair index bound (wfib) is derived. in general, while it is easy to get the sfib, to get the wfib is difficult, if not impossible. the relation between them derived in the dissertation is useful in obtaining the wfib. keywords hybrid networks ； quality of service ； call admission control；packet scheduling v 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 目录 摘要. i abstract.iii 第 1 章 绪论.1 1.1 引言.1 1.2 卫星互联网 .2 1.2.1 卫星的主要优势 .2 1.2.2 宽带卫星业务市场.4 1.2.3 静止轨道区域卫星移动通信系统.5 1.2.4 星上处理能力 .6 1.2.5 卫星互联网 .8 1.3 ip qos .10 1.3.1 ip qos 的发展.10 1.3.2 ip qos 基本技术概述.11 1.4 论文的主要内容 .16 第 2 章 混合网络端到端 qos 实现框架研究.18 2.1 综合服务模型 .18 2.1.1 有保证的服务 .19 2.1.2 可控负载服务 .20 2.1.3 最大努力 .20 2.1.4 资源预留协议 .20 2.1.5 综合服务的局限性.23 2.2 区分服务模型 .24 2.2.1 几个概念 .24 2.2.2 区分服务的组成部分.25 2.2.3 区分服务中的服务.27 2.2.4 diffserv 的局限.28 2.3 区分服务和综合服务相结合的端到端 qos 提供机制.28 2.3.1 区分服务网络支持综合服务/rsvp 的意义 .29 2.3.2 区分服务网络区支持端到端综合服务的实现框架.30 vi 目录 2.3.3 支持端到端综合服务的区分服务网络区资源管理方案.31 2.4 卫星地面 ip 网络的结构框架 .32 2.4.1 聚集 rsvp 协议 .34 2.4.2 网关站和它的功能结构.35 2.5 本章小结.38 第 3 章 混合网络业务流模型.39 3.1 业务源的统计行为 .39 3.1.1 语音.39 3.1.2 视频.39 3.1.3 数据.40 3.1.4 多媒体.41 3.2 选择信源模型的准则 .41 3.3 传统业务流模型 .42 3.3.1 泊松模型 .42 3.3.2 on-off 模型.43 3.3.3 中断泊松过程 .43 3.3.4 中断伯努利过程 .44 3.3.5 markov 调制泊松过程(mmpp).44 3.4 自相似业务模型 .45 3.4.1 自相似过程的产生.46 3.4.2 自相似数据通信量的估计.48 3.4.3 自相似排队理论分析.49 3.4.4 重尾分布 .49 3.4.5 重尾 on/off 信源的聚集.50 3.4.6 自相似流叠加的业务特性.51 3.5 本章小结.52 第 4 章 基于自适应窗口测量的接入控制.53 4.1 简介.53 4.1.1 cac 在网络中的重要作用.53 4.1.2 两种主流接入控制算法.54 4.2 基于测量的接入控制 .55 4.2.1 mbac 的定义.55 4.2.2 mbac 的优点.55 vii 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 4.2.3 估值器.56 4.2.4 接入策略 .58 4.2.5 mbac 小结.58 4.3 自适应窗口算法 .59 4