摘 要： 提出了一種在異構(gòu)" title="異構(gòu)">異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合" title="網(wǎng)絡(luò)融合">網(wǎng)絡(luò)融合環(huán)境下的端到端" title="端到端">端到端QoS模型。討論了異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)的架構(gòu)，分析了在網(wǎng)絡(luò)融合環(huán)境中提供端到端QoS保證的難點，提出了一種動態(tài)的、標(biāo)準(zhǔn)化的、基于多徑接收端控制協(xié)議R2CP的端到端QoS支持模型,并以3G/WLAN融合系統(tǒng)作為典型應(yīng)用環(huán)境來描述該模型。
關(guān)鍵詞： 端到端服務(wù)質(zhì)量保證 QoS 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò) 3G/WLAN融合
隨著計算機和通信技術(shù)的發(fā)展，無線廣域網(wǎng)(如GPRS、UMTS等)、無線局域網(wǎng)" title="無線局域網(wǎng)">無線局域網(wǎng)(如IEEE802.11)、衛(wèi)星通信網(wǎng)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)等多種無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)成為互聯(lián)網(wǎng)接入的最后一跳。如何將這些異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合在一起，提供覆蓋廣、帶寬高、移動性高且費用低廉的互聯(lián)網(wǎng)接入，將是下一代移動通信系統(tǒng)(如B3G、4G等)的發(fā)展方向。
在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合的系統(tǒng)框架中，第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)3G與無線局域網(wǎng)絡(luò)WLAN(Wireless Local Area Network)具有典型的互補特性，因此它們之間的無縫融合受到廣泛關(guān)注。包括第三代移動通信伙伴計劃組織3GPP(Third Generation Partnership Project)在內(nèi)的多家研究機構(gòu)都致力于3G/WLAN無縫融合系統(tǒng)的研究。其中松散耦合系統(tǒng)模型被廣泛接受并成為B3G和4G系統(tǒng)的推薦系統(tǒng)模型[1]。本文以3G/WLAN融合系統(tǒng)作為典型應(yīng)用環(huán)境來論述，同時假設(shè)3G網(wǎng)絡(luò)基于UMTS標(biāo)準(zhǔn)，無線局域網(wǎng)絡(luò)基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)。
將異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)無縫融合在一起，發(fā)揮出各自網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，需要解決一系列難題[2]。其中，如何提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證QoS(Quality of Service)是一個關(guān)鍵問題。特別地，當(dāng)越來越多的實時業(yè)務(wù)和多媒體服務(wù)被應(yīng)用，提供可靠的端到端多級QoS保證就成為多網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)的一個必要指標(biāo)。
本文提出了一種動態(tài)的、標(biāo)準(zhǔn)化的、基于多徑接收端控制協(xié)議R2CP(Radial Reception-Control Protocol)的端到端QoS支持模型。該模型在邏輯上將所有可用的無線資源看作一個整體，根據(jù)各個流或會話對QoS要求的不同，動態(tài)地分配不同流到不同的無線網(wǎng)絡(luò)中。由于提供端到端QoS保證涉及到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的多個層，因此，需要對各個層進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)和優(yōu)化。該模型采用標(biāo)準(zhǔn)化的QoS支持?jǐn)?shù)據(jù)庫來統(tǒng)一異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中各不相同的QoS參數(shù)；采用基于流或會話的方法來優(yōu)化無線信道的使用；采用一種新的且TCP友好的傳輸層協(xié)議R2CP來減少異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換的延遲。
1 網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)的架構(gòu)參考模型
3G/WLAN融合系統(tǒng)的參考模型主要分為兩大類：松散耦合模型和緊密耦合模型[1]。其中松散耦合模型是目前研究的焦點。面向4G的3G/WLAN融合系統(tǒng)架構(gòu)參考模型如圖1所示，該圖給出了松散耦合與緊密耦合模型的對比。
在緊密耦合模型中，無線局域網(wǎng)作為一個3G網(wǎng)絡(luò)的空中接口而存在。如圖1，無線局域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)直接與3G網(wǎng)絡(luò)的PDSN模塊相連。該網(wǎng)關(guān)在無線局域網(wǎng)報文中添加3G報頭協(xié)議棧，將其轉(zhuǎn)化為3G網(wǎng)絡(luò)的報文并發(fā)送給PDSN。無線局域網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和PDSN隱藏了不同空中接口的細(xì)節(jié)。因此，緊密耦合模型的各種空中接口可以共享消息機制和計費機制，結(jié)構(gòu)相對簡單。然而，緊密耦合模型也存在難以克服的缺點。首先，現(xiàn)有的3G網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)都需要做適當(dāng)修改以適應(yīng)緊密耦合的要求；其次，用戶終端也需要修改并加入相應(yīng)的3G協(xié)議棧；最后，緊密耦合模型要求3G和無線局域網(wǎng)屬于同一服務(wù)提供商。
與緊密耦合不同，在松散耦合參考模型中，無線局域網(wǎng)與3G網(wǎng)絡(luò)不直接相連，彼此的數(shù)據(jù)連接完全獨立。它們通過因特網(wǎng)間接連接到一起，利用移動IP(Mobile IP)技術(shù)結(jié)合適當(dāng)?shù)穆握J(rèn)證協(xié)議(AAA Roaming Agreement)來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合和無縫切換。因此，松散耦合模型具有很多優(yōu)點：(1)它保證了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的獨立性，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)不需要修改即可融合到一起；(2)模型的擴展性好，未來的網(wǎng)絡(luò)(例如 IEEE802.16)可以更容易地加入到網(wǎng)絡(luò)融合環(huán)境中；(3)通過適當(dāng)?shù)穆螀f(xié)議，用戶只需在一個提供商處注冊即可漫游整個無線網(wǎng)絡(luò)。松散耦合模型具有更好的兼容性、擴展性和更廣闊的應(yīng)用前景。因此松散耦合模型已逐漸成為網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)參考模型的主流。
2 提供端到端QoS支持的難點
本節(jié)逐一討論在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)無縫融合環(huán)境中提供端到端QoS支持的難點，并對現(xiàn)有的解決方案進(jìn)行分析。
首先，需要考慮如何統(tǒng)一異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中不同的QoS參數(shù)。不同網(wǎng)絡(luò)的QoS參數(shù)差異很大，例如UMTS網(wǎng)絡(luò)規(guī)范定義了四等級的QoS保證，而IEEE802.11e標(biāo)準(zhǔn)支持八等級QoS保證。因此，新的融合模型要具有較好的兼容性，不能影響現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和規(guī)范。Hamalainen等人提出了一種基于松散耦合模型的解決方案[3]。該方案通過QoS參數(shù)映射和相應(yīng)的消息機制可以較好地實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)的QoS參數(shù)匹配。然而，該方案的網(wǎng)絡(luò)選擇邏輯僅僅基于信號強度，并且同一時間只有一個網(wǎng)絡(luò)接口可被使用，參數(shù)映射和網(wǎng)絡(luò)選擇邏輯過于簡單，效率偏低。
其次，如何有效利用無線資源以及如何減少異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換的長延遲是需要解決的另外兩個問題。目前，網(wǎng)絡(luò)漫游通常采用移動IP的隧道技術(shù)來實現(xiàn)。但很多研究表明，傳統(tǒng)移動IP技術(shù)的表現(xiàn)并不盡如人意，特別是在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換情況下，平均延遲高達(dá)800ms，無法滿足實時業(yè)務(wù)的無縫切換要求。Zhang Q等人提出了一種基于預(yù)測的方法來減少應(yīng)用移動IP技術(shù)所帶來的長延遲[4]。通過采用適當(dāng)?shù)念A(yù)測算法(如快速移動IP技術(shù)、基于快速傅立葉變換FFT的信號衰減探測算法等)，移動IP的性能有所提高。然而，從無縫漫游和端到端QoS支持的角度看，基于預(yù)測的方法仍然無法完全解決移動IP技術(shù)的缺陷。由于無線局域網(wǎng)的信號抗干擾性和穩(wěn)定性差，經(jīng)常出現(xiàn)突然斷路的現(xiàn)象，會帶來嚴(yán)重的分組丟失和長延遲，進(jìn)而導(dǎo)致QoS保證失效。由于這種斷路及斷路后的延遲由多個層共同作用產(chǎn)生，因此，單純在鏈路層應(yīng)用基于預(yù)測的方法無法完全解決問題。
隨著多網(wǎng)絡(luò)融合的發(fā)展，多模用戶終端應(yīng)運而生。但傳輸層協(xié)議仍然沿用傳統(tǒng)的單一模式，當(dāng)出現(xiàn)垂直切換時，物理層和介質(zhì)訪問層MAC(Media Access Control)均切換到新網(wǎng)絡(luò)，但傳輸層無法察覺這種切換，它仍然使用同一套擁塞和流量控制算法及相同的參數(shù)來控制數(shù)據(jù)報發(fā)送。直到出現(xiàn)擁塞丟包，傳輸層才能開始重新調(diào)節(jié)以適應(yīng)新網(wǎng)絡(luò)。這種傳輸層的慢適應(yīng)會帶來嚴(yán)重的擁塞、丟包、長延遲和大延遲抖動。例如，當(dāng)用戶需要從無線局域網(wǎng)切換到3G時，可用帶寬將大大減小，但傳輸層無法察覺網(wǎng)絡(luò)切換，會仍然按照原有發(fā)送窗口大小發(fā)送報文，直到出現(xiàn)擁塞丟包，才開始重新調(diào)節(jié)來適應(yīng)新網(wǎng)絡(luò)。傳輸層的這種慢適應(yīng)過程會破壞網(wǎng)絡(luò)端到端QoS保證。
3 一個動態(tài)端到端QoS支持模型
3.1 模型概述
為了在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合環(huán)境中提供高效可靠的QoS支持，本文提出了一種新的端到端QoS支持模型。模型的主要設(shè)計思想是：在邏輯上將所有可用的無線資源看作一個整體，根據(jù)各個流或會話的不同QoS要求，動態(tài)地分配各個流到不同的無線網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)而實現(xiàn)可靠的QoS保證、優(yōu)化的無線資源利用及低廉合理的費用。
該端到端QoS支持模型的系統(tǒng)框架和協(xié)議棧如圖2所示。模型的核心是交互控制模塊" title="控制模塊">控制模塊ICF(Interworking Control Function)。它包含若干子模塊，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。交互控制模塊包含如下主要功能：
(1)收集物理層和MAC層中用于網(wǎng)絡(luò)切換的相關(guān)信息，如信號強度、可用帶寬和延遲等；
(2)根據(jù)收集到的網(wǎng)絡(luò)信息、QoS支持?jǐn)?shù)據(jù)庫和用戶設(shè)置為當(dāng)前發(fā)送的流或當(dāng)前會話動態(tài)選擇網(wǎng)絡(luò)接口；
(3)控制各無線接口的打開和關(guān)閉，以及在各網(wǎng)絡(luò)之間的切換；
(4)與傳輸層交互網(wǎng)絡(luò)切換信息，保證網(wǎng)絡(luò)切換的傳輸層配合。
新模型采用新的傳輸層協(xié)議——多徑接收端控制協(xié)議R2CP，取代了傳統(tǒng)的TCP協(xié)議[5]，能在傳輸層有效支持網(wǎng)絡(luò)切換。
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3.2 R2CP協(xié)議
傳統(tǒng)的TCP協(xié)議是在有線網(wǎng)絡(luò)中發(fā)展起來的，諸多研究表明，TCP無法區(qū)分無線網(wǎng)絡(luò)中由擁塞或斷路導(dǎo)致的超時，因此不適應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)以及以無線作為最后一跳的新一帶網(wǎng)絡(luò)。特別是當(dāng)接收端(通常為客戶機)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換時，TCP協(xié)議由發(fā)送端(通常為服務(wù)器)控制的機制無法預(yù)知網(wǎng)絡(luò)切換的發(fā)生，會繼續(xù)按照原有速率發(fā)送分組，進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的擁塞、丟包和服務(wù)質(zhì)量下降。為了克服傳統(tǒng)TCP協(xié)議在無線網(wǎng)絡(luò)中的缺陷，Hsieh等人提出了接收端控制協(xié)議RCP(Reception-Control Protocol)，并針對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換的特點又提出了RCP的擴展版本R2CP。R2CP是支持多通道并行的、并以接收端為中心的傳輸層協(xié)議。R2CP協(xié)議由接收端進(jìn)行流量控制和擁塞控制，在無線網(wǎng)絡(luò)中，具有比TCP協(xié)議更好的性能。特別是，R2CP協(xié)議的多通道設(shè)計可以支持傳輸層的網(wǎng)絡(luò)無縫切換。每個通道對應(yīng)一個當(dāng)前的無線接口，在網(wǎng)絡(luò)切換過程中，相應(yīng)的兩個通道可并行工作，從而保證了無縫切換和服務(wù)質(zhì)量。同時，R2CP與TCP友好兼容，由R2CP控制的數(shù)據(jù)流可以與TCP流同時存在，互不干擾。TCP、RCP和R2CP三個協(xié)議的原理對比如圖4所示。
3.3 QoS支持?jǐn)?shù)據(jù)庫模塊
QoS支持?jǐn)?shù)據(jù)庫保存著當(dāng)前可用的網(wǎng)絡(luò)接口信息，主要用來描述當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)支持的QoS等級。為了統(tǒng)一不同網(wǎng)絡(luò)的QoS定義，數(shù)據(jù)庫按照IETF下一代網(wǎng)絡(luò)NGN(Next Generation Network)規(guī)范進(jìn)行QoS分級，所有其他網(wǎng)絡(luò)的QoS定義都被映射到IETF NGN的QoS分類中，并存儲到數(shù)據(jù)庫中[3]。QoS支持?jǐn)?shù)據(jù)庫由網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)探測模塊定時更新，為決策控制模塊提供信息支持。
3.4 用戶配置模塊
用戶設(shè)置模塊主要記錄用戶的使用偏好，為決策控制模塊提供決策支持。
3.5 狀態(tài)探測模塊
狀態(tài)探測模塊用于與網(wǎng)絡(luò)物理層和鏈路層進(jìn)行信息交互，實時收集當(dāng)前可用網(wǎng)絡(luò)接口的QoS相關(guān)信息(信號強度、帶寬和延遲等)并周期性地更新QoS支持?jǐn)?shù)據(jù)庫。
3.6 決策控制模塊
決策控制模塊用于控制用戶與各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的交互。它依據(jù)QoS支持?jǐn)?shù)據(jù)庫、用戶配置文件和消息模塊的信息做出網(wǎng)絡(luò)選擇和網(wǎng)絡(luò)切換的決策。當(dāng)一個應(yīng)用程序要求訪問網(wǎng)絡(luò)并產(chǎn)生要發(fā)送的流時，決策控制模塊將該流的QoS要求映射成標(biāo)準(zhǔn)的IETF NGN的QoS分類，然后檢索數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫和用戶配置動態(tài)做出決策。同時它與傳輸層的R2CP協(xié)議協(xié)同工作，在傳輸層為當(dāng)前正在使用的網(wǎng)絡(luò)接口保留相應(yīng)通道。
3.7 消息模塊
消息模塊是可選模塊。該模塊只在各網(wǎng)絡(luò)都支持的情況下才能發(fā)揮作用。如果各網(wǎng)絡(luò)加入對消息模塊的支持，則能通過消息模塊將有用信息(如帶寬、平均延遲和位置信息等)明確地傳遞給用戶終端，有利于決策控制模塊做出更合適的決策。
4 模型分析
本文提出的模型可以較好地克服傳統(tǒng)機制在網(wǎng)絡(luò)融合環(huán)境中的缺陷，能提供完善、高效率、高兼容性的端到端QoS支持。它的主要優(yōu)點如下：
(1)采用松散耦合作為異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)，使新模型可以與現(xiàn)有設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)較好兼容。新模型基于松散耦合的架構(gòu)，采用被動監(jiān)聽方式，并可以逐步地加載到用戶終端中，而不需要對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備做任何修改。
(2)采用動態(tài)的、基于流或者會話的網(wǎng)絡(luò)選擇策略，相比傳統(tǒng)機制，無線資源的利用效率更高。根據(jù)不同流的QoS要求，決策控制模塊依據(jù)QoS支持?jǐn)?shù)據(jù)庫和用戶配置文件動態(tài)地選擇合適的無線接口。在同一時刻，不同流可以根據(jù)需要使用不同無線接口。
(3)采用標(biāo)準(zhǔn)化的分類來統(tǒng)一各網(wǎng)絡(luò)不同的QoS參數(shù)。在模型的QoS支持?jǐn)?shù)據(jù)庫模塊中，所有其他網(wǎng)絡(luò)的QoS等級和參數(shù)都被映射為IETF NGN QoS標(biāo)準(zhǔn)分類。這種方式不僅能消除現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的差異，也有利于兼容新的無線網(wǎng)絡(luò)接口。
(4)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合在一起可以形成一個層次結(jié)構(gòu)，有助于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的性能。在網(wǎng)絡(luò)選擇和切換過程中，由于不同網(wǎng)絡(luò)能提供的QoS級別不同，從邏輯上可以將不同網(wǎng)絡(luò)看成一個多級的層次結(jié)構(gòu)，支持的QoS級別越高，則層次越高。因此，可以采用高級別的網(wǎng)絡(luò)傳輸控制信令，采用低級別的網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，這種方式具有較高的可靠性。3G/WLAN融合系統(tǒng)的一個發(fā)展方向就是利用3G網(wǎng)絡(luò)傳輸WLAN的認(rèn)證信息和安全信息。
(5)采用R2CP作為傳輸層協(xié)議，為網(wǎng)絡(luò)無縫切換和智能網(wǎng)絡(luò)選擇提供了有效的傳輸層支持。R2CP協(xié)議以接收端為中心的特性有利于無線網(wǎng)絡(luò)的流量控制和擁塞控制。多通道設(shè)計為網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)的多接口特性提供有效的支持。
(6)整個模型在客戶端實現(xiàn)不需要網(wǎng)絡(luò)提供商支持，避免了對網(wǎng)絡(luò)的依賴。在新模型中，包括網(wǎng)絡(luò)選擇、網(wǎng)絡(luò)切換在內(nèi)的所有操作都由客戶端完成，這種方式更易于應(yīng)用，兼容性也更好。同時，模型也包含了對網(wǎng)絡(luò)端支持的擴展，可選的消息模塊可以用于各網(wǎng)絡(luò)的消息交互。若網(wǎng)絡(luò)端提供對多網(wǎng)絡(luò)合作的支持，則移動終端可通過消息模塊，顯式地獲得網(wǎng)絡(luò)信息，進(jìn)而更準(zhǔn)確的做出決策。
本文提出了一種基于異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合環(huán)境的端到端QoS支持模型。通過分析可以看出，新模型具有高效率、高可用性、易應(yīng)用、高靈活性、與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)兼容等優(yōu)點。
在未來的工作中，將定量地分析新模型的性能，并將新模型向下一代網(wǎng)絡(luò)擴展，考慮它與區(qū)分服務(wù)(DiffServ)的QoS保證和移動IPv6的結(jié)合。
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