基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的端到端QoS控制技術(shù)研究

王永欣，妥艷君，崔麗珍，葛洪武

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的端到端QoS控制技術(shù)研究

王永欣，妥艷君，崔麗珍，葛洪武

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

為了保證跨有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)端到端業(yè)務(wù)互通的服務(wù)質(zhì)量，對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分別取得的服務(wù)質(zhì)量控制成果和存在的問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，提出了一種基于有線和無(wú)線一體的通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量控制框架，該框架覆蓋了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層面，支持有線固定通信方式和衛(wèi)星、短波等無(wú)線通信方式。固定網(wǎng)側(cè)采用區(qū)分服務(wù)的方式，并延伸到無(wú)線網(wǎng)中，同時(shí)綜合利用優(yōu)先級(jí)分配、負(fù)載均衡(路徑選擇)和狀態(tài)反饋等多種手段對(duì)有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)互通進(jìn)行端到端服務(wù)質(zhì)量保障，滿足不同用戶和應(yīng)用對(duì)信息傳輸?shù)男枨蟆?/p>

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；端到端；服務(wù)質(zhì)量控制；負(fù)載均衡；擁塞控制；狀態(tài)反饋

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)的發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)已逐步由單一的數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡(luò)或話音傳送網(wǎng)絡(luò)向數(shù)據(jù)、話音、視頻和交互式多媒體等多種類型信息的綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，但現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)傳輸模式仍為盡力而為型，沒有提供面向多媒體和實(shí)時(shí)任務(wù)所要求的服務(wù)質(zhì)量保證機(jī)制，尤其在專用通信網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)交互式話音、視頻和實(shí)時(shí)任務(wù)等應(yīng)用的需求更加迫切。交互式話音和實(shí)時(shí)視頻需要較小的延遲，在話音傳輸過(guò)程中有較大的時(shí)延抖動(dòng)或視頻傳輸時(shí)帶寬過(guò)窄，都會(huì)導(dǎo)致服務(wù)質(zhì)量不可接受。

減小交互式話音中的抖動(dòng)，確保實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)擁有足夠的帶寬是交互式媒體服務(wù)的基本服務(wù)質(zhì)量保障要求，文獻(xiàn)[1-5]中，主要針對(duì)有線固定網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量控制進(jìn)行研究分析，采用綜合服務(wù)[6]、區(qū)分服務(wù)[7-8]、優(yōu)先級(jí)設(shè)置、流量整形等方式為固定網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供服務(wù)質(zhì)量保障。文獻(xiàn)[9]采用基于服務(wù)質(zhì)量對(duì)象選項(xiàng)的移動(dòng)代理管理架構(gòu)，在固定網(wǎng)側(cè)擴(kuò)展了RSVP協(xié)議，對(duì)端到端的服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行了有效的管理，文獻(xiàn)[10]采用IMS技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了固定網(wǎng)絡(luò)和機(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一服務(wù)質(zhì)量管理，但在媒體面的服務(wù)質(zhì)量提升主要通過(guò)媒體編碼的方式解決。文獻(xiàn)[11-16]主要研究在資源受限的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中如何實(shí)現(xiàn)端到端服務(wù)質(zhì)量保證。

綜上所述，雖然在有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中分別取得了一定的成果，但在有線和無(wú)線多手段互聯(lián)情況下，基于多種無(wú)線手段實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)互通的端到端服務(wù)質(zhì)量保障機(jī)制還不完善。

1 端到端服務(wù)質(zhì)量控制框架

在專用通信網(wǎng)絡(luò)中，如圖1所示，到達(dá)末端用戶的通信鏈路一般為無(wú)線通信手段，如衛(wèi)星、短波、超短波、微波等。與有線光纖網(wǎng)絡(luò)“帶寬無(wú)限大”相比[17]，專用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的帶寬總是受限的，盡管有更大帶寬的衛(wèi)星通信、開發(fā)新的無(wú)線傳輸手段等多種技術(shù)來(lái)提高帶寬容量和通信服務(wù)質(zhì)量，但煙囪式的無(wú)線信道穩(wěn)定性和通信效率總是不高，不能有效利用現(xiàn)有的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)帶寬資源來(lái)進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量控制。

圖1 跨有線無(wú)線網(wǎng)絡(luò)互通應(yīng)用模型

傳統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量控制往往是指在網(wǎng)絡(luò)某一層采取流控措施[18]，如采取接納控制、流量控制、擁塞控制、隊(duì)列調(diào)度、優(yōu)先級(jí)映射和IP壓縮等措施，如圖2中虛線所示。

跨層端到端的服務(wù)質(zhì)量控制是指在通信網(wǎng)絡(luò)各個(gè)層面進(jìn)行服務(wù)質(zhì)量聯(lián)動(dòng)控制，如圖2所示。在網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)QoS技術(shù)，為上層用戶提供可進(jìn)行QoS協(xié)商的機(jī)制，對(duì)下綜合利用多種信道進(jìn)行路徑選擇與組合，采用狀態(tài)反饋、門限監(jiān)視等手段，獲取實(shí)時(shí)傳輸狀態(tài)，根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的資源狀況自適應(yīng)地分配網(wǎng)絡(luò)資源，以滿足用戶的傳輸要求。

圖2 信息傳輸QoS框架結(jié)構(gòu)

基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的端到端服務(wù)質(zhì)量控制除接納控制、流量控制、擁塞控制、隊(duì)列調(diào)度等傳統(tǒng)QoS功能外，新增策略決策功能實(shí)體，能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和業(yè)務(wù)傳送需求進(jìn)行智能決策，為業(yè)務(wù)傳輸提供合適的QoS控制手段，以滿足不同用戶、不同業(yè)務(wù)類型的傳輸要求。

網(wǎng)絡(luò)層還負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)，主要包括網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑維護(hù)與選擇，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層QoS控制相比，新增了用于負(fù)載均衡的傳輸路徑維護(hù)與選擇、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、傳輸信道門限監(jiān)視、狀態(tài)反饋等功能模塊，與優(yōu)先級(jí)映射、IP壓縮等方法有機(jī)結(jié)合，在網(wǎng)絡(luò)層形成傳輸狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋機(jī)制。

綜合管理主要為實(shí)現(xiàn)跨層QoS聯(lián)動(dòng)，需具備通信傳輸管理、策略管理等功能，可根據(jù)用戶身份信息進(jìn)行策略配置和傳輸信道配置管理。

2 服務(wù)質(zhì)量控制方法及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在異構(gòu)融合通信網(wǎng)絡(luò)中，涉及到有線網(wǎng)絡(luò)到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的延伸，由于無(wú)線信道的多樣性和不確定性，大部分現(xiàn)有無(wú)線信道帶寬較窄，無(wú)法滿足大業(yè)務(wù)量的通信傳輸需求，僅使用傳統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量控制方法很難達(dá)到端到端保障的目的。在接納控制、流量控制、擁塞控制、隊(duì)列調(diào)度等傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上增加基于策略的多信道選擇、自適應(yīng)狀態(tài)反饋等機(jī)制。

策略決策實(shí)體是QoS控制框架主體的“大腦”，具有智能化的網(wǎng)絡(luò)調(diào)配能力，能夠基于統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)策略進(jìn)行智能決策，一方面通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源態(tài)勢(shì)的分析得到網(wǎng)絡(luò)資源使用情況，另一方面根據(jù)業(yè)務(wù)傳輸需求和用戶優(yōu)先級(jí)等信息給出傳輸策略，最終生成頂層服務(wù)質(zhì)量保障方案。

負(fù)載均衡主要通過(guò)多信道選擇實(shí)現(xiàn)，在機(jī)動(dòng)平臺(tái)和固定接入站點(diǎn)之間存在的多條無(wú)線傳輸鏈路都可以作為信息傳輸鏈路，可通過(guò)負(fù)載均衡和負(fù)載共享的方式將信息通過(guò)多個(gè)信道同時(shí)傳輸，以達(dá)到增加信息傳輸帶寬的目的。

針對(duì)每個(gè)信道均設(shè)置一個(gè)隊(duì)列門限，由綜合管理系統(tǒng)中的通信傳輸管理進(jìn)行統(tǒng)一管理和配置，如果隊(duì)列門限達(dá)到了預(yù)設(shè)閾值，則把門限信息反饋給門限監(jiān)視模塊，由狀態(tài)反饋模塊將門限信息反饋到信源地，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息發(fā)端的源抑制，實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)反饋的自適應(yīng)服務(wù)質(zhì)量控制。

3 機(jī)固互通服務(wù)質(zhì)量控制設(shè)計(jì)及業(yè)務(wù)流程

具有QoS保障的端到端業(yè)務(wù)傳輸流程涉及終端用戶、路由/交換、綜合網(wǎng)絡(luò)控制、射頻信道、固定網(wǎng)絡(luò)及有線用戶等要素。

路由交換采用標(biāo)準(zhǔn)的IPv4路由器，運(yùn)行OSPF協(xié)議。綜合網(wǎng)絡(luò)控制功能模塊除實(shí)現(xiàn)IP接口與信道適配模塊之間的接口類型轉(zhuǎn)換外，還實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)分配控制，根據(jù)用戶及其應(yīng)用情況，分配數(shù)據(jù)報(bào)文優(yōu)先級(jí)。信道適配模塊功能是不同無(wú)線信道的鏈路層接入控制協(xié)議，信道適配模塊中對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行分類，并對(duì)業(yè)務(wù)擁塞進(jìn)行監(jiān)視。

各射頻鏈路有相應(yīng)的信道適配模塊，對(duì)每個(gè)分配到數(shù)據(jù)報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，信道適配模塊有一個(gè)對(duì)應(yīng)的隊(duì)列，最高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列優(yōu)先發(fā)送報(bào)文到射頻鏈路，低優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列需等待高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列空時(shí)才能發(fā)送報(bào)文；由于每個(gè)隊(duì)列長(zhǎng)度總是有限的，因此隊(duì)列存在溢出的可能，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)文丟失，為阻止這種情況發(fā)生或?qū)G包減少到最小程度，采用了一種擁塞控制機(jī)制，每個(gè)信道適配模塊隊(duì)列預(yù)置一門限，一旦達(dá)到該門限，信息就反饋到IP路由器暫停發(fā)送(源抑制ICMP報(bào)文)，其主要功能如圖3所示。

圖3 綜合網(wǎng)絡(luò)控制功能框圖

以端到端服務(wù)質(zhì)量控制框架為指導(dǎo)，在傳統(tǒng)優(yōu)先級(jí)配置、隊(duì)列調(diào)度等基礎(chǔ)上，增加路徑選擇與組合、狀態(tài)反饋等機(jī)制，在實(shí)際應(yīng)用中搭建了具有端到端服務(wù)質(zhì)量保障的原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)綜合利用衛(wèi)星信道、超短波信道組成傳輸鏈路，如圖4所示。終端用戶上線后，根據(jù)綜合網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的策略進(jìn)行優(yōu)先級(jí)配置，用戶發(fā)起的數(shù)據(jù)流根據(jù)用戶優(yōu)先級(jí)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，大塊的數(shù)據(jù)信息可通過(guò)衛(wèi)通信道和超短波信道進(jìn)行負(fù)載均衡，同時(shí)如果各個(gè)信道達(dá)到預(yù)設(shè)門限后，將狀態(tài)信息反饋給路由交換設(shè)備，減少源數(shù)據(jù)的發(fā)送，數(shù)據(jù)信息通過(guò)無(wú)線信道落地后，在固定網(wǎng)絡(luò)中將無(wú)線側(cè)用戶優(yōu)先級(jí)映射為固網(wǎng)用戶優(yōu)先級(jí)，從而保障端到端的服務(wù)質(zhì)量保障。

圖4 業(yè)務(wù)傳輸原型系統(tǒng)

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)跨層QoS控制框架，通過(guò)新增QoS控制大腦——“策略決策功能”，基于綜合網(wǎng)絡(luò)管理中的傳輸信道狀態(tài)和傳輸策略，智能化地選擇信息傳輸信道，同時(shí)各個(gè)信道以預(yù)設(shè)門限的方式形成狀態(tài)反饋，實(shí)時(shí)調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)通信業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的自適應(yīng)控制。在有線通信網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的一體化通信網(wǎng)絡(luò)中，話音、視頻與數(shù)據(jù)等各類業(yè)務(wù)需要根據(jù)用戶要求采取端到端服務(wù)質(zhì)量保障措施，本方案提出了一種跨層聯(lián)動(dòng)的QoS控制機(jī)制，在應(yīng)用層根據(jù)用戶的簽約信息進(jìn)行QoS檢查并添加優(yōu)先級(jí)信息(對(duì)于無(wú)法升級(jí)的現(xiàn)有終端，可由綜合網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備添加優(yōu)先級(jí)信息)，然后再通過(guò)分類標(biāo)記、路徑選擇(信道選擇)、負(fù)載均衡、擁塞控制、門限監(jiān)視等機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸，滿足不同應(yīng)用或用戶的信息傳輸需求。

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Research on End-to-end QoS Control Technique Based on Heterogeneous Network

WANG Yong-xin,TUO Yan-jun,CUI Li-zhen,GE Hong-wu

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

In order to ensure the end-to-end QoS across cable networks and wireless networks,the QoS control results and existing problems are briefly introduced. A QoS control frame of united mobile and fixed networks is proposed,which includes all the logical layers,supporting cable fixed communications and wireless communications such as satellite and high frequency radio communications. Differentiated services are applied within the fixed network,and this mechanism is extended to the wireless network. Meanwhile,priority allocation,load balancing (path selecting) and state feedback are used to control the end-to-end QoS across cable networks and wireless networks to meet the needs of information transmission for different users and applications.

heterogeneous network;end-to-end;QoS control;load balancing;congestion control;state feedback

2017-04-10

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

王永欣(1984—)，男，工程師，主要研究方向：通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量控制技術(shù)。妥艷君(1965—)，女，研究員，主要研究方向：通信網(wǎng)絡(luò)總體及信息系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)技術(shù)。

TP393

A

1003-3114(2017)04-06-3