移动网络的QoS

【摘 要】在数据IP世界，QoS是提供基于流量优先级业务的基本要素。在无线网从电路向分组域转变的进程中，QoS变得更加重要。通过分析当前有线/无线网中不同的QoS协议和机制，本文提供了一个视图，将现行的QoS协议集成到一个高层次架构中以支持全IP无线网中端到端的QoS。

【关键词】QoS；IntServ；DiffServ；MPLS；Havana；INSIGNIA

1 介绍

当前无线网络可大体分为：蜂窝无线网络（GPRS，WCDMA，CDMA2000，TD网等）、无线局域网WLAN、移动自组网（MANET）。

向以数据为中心的全IP基础迈进的趋势要求数据传输具有QoS保障。IETF（互联网工程任务组）自2000年开始无线网络qos研究：如2001年关于RAN（移动接入网）中资源预留问题的研究；也有研究聚焦于数据链路层（MAC层）提供资源预留和区分服务标准，如利用分布式控制实现无线分组网上的区分服务，本质是利用分布式射频资源控制机制；也有研究针对WLAN的QoS以及MANET的QoS。

3G、4G网络及所有的无线网络都使用IP互联网络层协议，即便是语音也转换成IP包在无线/有线网中传播。在全IP环境中，QoS保障不仅需在无线部分实现，在进出无线网络的不同节点间也需要实现，IP包从源节点到目的节点的传输过程都需端到端的QoS机制保障。

2 相关工作

下面顺序讨论有线/无线网络的QoS保障协议。

2.1 有线网络的QoS

有线网络有两种基于时延和吞吐量为量度的基本机制来保障QoS：容量充足和流量工程（TE）。前者认为网路容量足够大无需明确的机制来保障QoS；后者基于微分流量及区分服务质量，微分粒度可细到每个应用流。

TE可以是基于预留或非预留的。预留结构中，流量资源被明确识别和预留。网络节点对流入的包进行分类并利用预留资源提供区分服务。通常是一个动态的资源准备协议在准入控制协同下来完成预留。此外网络节点利用智能处理（如随机早期监测）和队列机制（如加权公平队列）来处理分组。非预留结构中，流量被差分成一组分类，网络节点对分类进行优先级处理。为保护供给同类其它分组的服务质量，需要对给定分类进行流量控制。

在有线网的物理和链路层，QoS通常落在容量充足模型中，通过正确的容量设计，利用SONET，ATM，帧中继等技术提供足够的带宽来支持高层应用。在互联IP层中，QoS通过TE实现。IETF目前看好两种QoS保障在IP层提供TE，分别是基于综合服务（IntServ）的区分服务（DiffServ）和多协议标签交换（MPLS）。

IntServ： 该结构建立在基于预留的TE上，是一个服务分类标准，依赖于资源预留协议（RSVP）在分组流拟经路径上建立和拆除资源预留。IntServ是一个基于流的QoS机制，利用动态信令协议预留资源，利用准入控制、数据包分类及智能调度来实现目标QoS。

基于IntServ 的DiffServ结构是基于非预留的TE，它将业务流划成一些差分服务类，按优先级为流量提供区分服务。业务流的差分服务类由其IP包的DSCP来表示。DiffServ网络中，路由器按DSCP字段执行相应的PHB行为。与RSVP类似，DiffServ希望在中间节点有提前预留，并依赖于中间节点同类的基本缓冲、队列和时序预留，但它用每个包中的简单标志以便路由器不用会话参考即可检查，依据单个包的服务级别要求即可确定路由选择。DiffServ实现简单且扩展性好，是当前业内公认的IP骨干网QoS保障机制，目前DiffServ模型正在进一步发展。

MPLS明确了网络层可以映射到面向连接的链路层的方式。 它将一个包含明确路由信息的标签加到每个IP包中并允许路由器给不同流量类别分配明确路径。它是现有路由和交换协议的接口，如IP、ATM、帧中继等。它将IP地址映射为简单的固定长度的标签，用于不同的分组转发/交换技术。MPLS利用IP包里的32bit标签，该标签意在改善效率、控制路由器网络、允许路由器根据明确的QoS标准用预先确定的路径转发数据包。在MPLS中，数据传输发生于标签交换路径LSP（每一个沿着从源端到终端路径上的节点标签序列）。MPLS使数据快速交换成为可能。与传统IP路由相比，在数据转发时它只在网络边缘分析IP报文头，节约了处理时间，大大提高IP-MPLS网络中提供QoS服务的能力。

2.2 无线移动网络的QoS

与有线网的物理和链路层特性不同，无线网更依赖于物理、链路层的容量，控制RC （无线射频信道）的难度远比有线网络大。在现实中要在RAN中提供具QoS保障的服务则更具挑战性。移动环境中，RC质量动态变化、移动用户位置变更等因素使控制信道变得不易，尤其当资源争用及使用量大的时候。下面例举无线网络的QoS保障机制。

（1）区分服务中的资源管理（RMD ）

IETF 指出RMD体制是为DiffServ域中“边缘到边缘”的动态资源管理而设计的，它扩展了有线数据网中传统的DiffServ，使之具有新特征并与其他资源管理机制实现互操作。RMD机制基于DiffServ原理来提供QoS，并延伸出新理论，这些理论是在DiffServ域提供动态资源准备和准入控制所必须的。RMD中定义了两种协议PHR与PDR。

每跳预留（PHR）协议

PHR用于每个节点内的资源管理，RMD框架下定义了两种PHR组：

基于测量的准入控制的PHR（MBAC PHR），任何预留请求被接受前通过测量来检查资源可用性，沿途的节点内不保持任何预留状态。这些测量针对平均实际流量数据的负荷进行。

基于预留的PHR：它在沿途各节点内为每一次PHB启动动态资源预留。每一次PHB所有节点保持一个状态，而PHB是一个DS节点调度转发处理包头标有DS标记的IP包流的外部行为描述。PHR协议是在每跳基础上使用的，预留是为资源（例如带宽）而做的。

每域预留（PDR）协议

PDR协议用于整个DiffServ域内的资源管理，只在域内边缘节点起作用，处理与外部资源预留协议的交互操作，即外部QoS请求到DSCP的映射，这些请求参数到PHR协议参数的翻译，而且，一旦PHR协议发出信号给PDR，它还将处理严重的拥塞。在RMD框架中，不同的PDR和PHR协议可以在一个DiffServ 域中同时使用。PHR协议是一个新定义的协议，而PDR协议可以是新定义的或者是已经存在的协议，如RSVP。

（2）Havana

Havana框架支持无线分组网络中的综合自适应QoS. 该框架建立在三个工作于各自不同的适应时标的机制之上，其组成要素包括预测器、补偿器和适配器，都由仲裁装置控制。预测器用来觉察RC状态并决定是否发送数据包；补偿器信任并校正这些差信道的数据流；适配器考虑在不同RC环境中的应用传递及更长时间周期上的可用带宽，并用缓冲控制器和调整器把自适应无线服务传递到移动节点；仲裁装置出现在每个无线接入点/基站和无线节点。

通过使用预测器、补偿器、适配器和仲裁装置，Havana框架根据RC环境传递着有不同QoS要求的、具有不同特征和优先级的各种应用。

（3）INSIGNIA

INSIGNIA框架是为支持MANET的自适应服务而设计的。它使用带内信令机制来建立、恢复和拆除服务。INSIGNIA QoS框架允许移动主机间不同的数据应用指定它们最大和最小带宽，并控制资源分配、恢复及会话适配。INSIGNIA尽力将信令负荷及QoS相关参数最小化，此外，它通过信令在新路径上迅速分配资源。

3 端到端QoS架构

3.1 端到端QoS要求

移动网络、WLAN及其它无线网络融合成一个公共网络架构的趋势要求服务都通过公用IP协议来支持。这种架构将无线和有线网络集成在一起，提供端到端的无缝通信。各种应用都在集成的无线/有线网络上穿越，这些应用包括：VoIP、呼叫特征、视频、统一通信、因特网接入/浏览、内部网接入/VPN、 移动商务、定位服务、增值服务。

实时语音按到视频应用要求低时延而又可允许相对中到高的丢包率。其它应用诸如文件下载，一有丢包发生就要求重新传输，但是可允许传输的高时延。另外，多种应用要求同时传输，例如，无线终端用户可能在参加一个VoIP电话会议的同时查阅电邮，此类通信方案则要求在有限的网络资源中保证高质量的服务，势必对服务机制到差异化服务标准提出要求。

端到端的QoS要求在下面图1中详细列出，其中含不同路径/类型的QoS。这类端到端路径包括：3G网3G网（例如WCDMA到CDMA2000）、3G网络WLAN或MANET、WLANMANET、无线网有线网。

公众互联网的QoS现在还是一个开放问题，本文讨论专注于IP骨干网，它可以是某单一机构管理下的ISP骨干网络，该机构可对其管理的IP域执行某种QoS策略和TE机制。这也将为连接到该ISP网络的同时受其管理的网站和应用提供某种QoS控制。

3.2 端到端QoS架构

第二部分介绍了无线网的QoS协议，图2提供了利用这些可用的QoS机制实现的端到端QoS结构。按不同的RAN和IP骨干网图2中的结构被分成不同的域。在RAN层面，呈现了三种不同方式：2.5G/3G网、WLAN、MANET。端到端的QoS架构将为一个移动终端节点到另一移动终端节点，或是到管理的IP网络上的一个IP主机间提供QoS支持。

RAN主要处理空中接口。不同的RAN具有不同基础的物理和链路层协议，分布式无线网络资源预留MAC机制将被使用。另外，不同的QoS机制被应用到特殊的RAN部分。无线蜂窝网使用RMD框架，WLAN使用Havana框架，MANET使用INSIGNIA框架。

在网络层（IP层），DiffServ得到应用。来自移动网络节点的不同种类的流量将按照应用和用户定义的特性安排优先级。不同优先级的数据包按IP包头中的DSCP字段被打上标签。DSCP字段标签将根据每一个应用优先级设置来识别不同的服务层级。当IP包到达网络边缘，如PDSN，GGSN以及AP（接入点），IP包中的DSCP字段将被查验并根据不同用户/服务配置文件区别对待，不同的QoS设置亦然。具备DiffServ能力的路由器将存储信息来控制数据包如何被安排到输出接口，该接口可能有许多队列，它们有着不同速率、队列长度、循环权重、丢弃优先权重及其他阈值。这样的QoS设置将被贯穿于整个SP（服务提供商）的IP域，直到数据包到达目标边缘。区分服务以这种方式得以实现。

SP管理的IP域利用DiffServ规范来产出各种可向客户提供的服务。与DS字节的编码字段一样，DiffServ分类和标记程序被标准化以确保通用的方式来定义QoS级别。此外，MPLS也能在管理的IP域为某些专用IP服务提供不同的服务等级。这对大型企业有特别的吸引力，因为它们有兴趣将其所有企业用户的移动电话、笔记本电脑及PDA等通过基于MPLS的VPN（虚拟专用网）方案连接到企业网中。

4 结论

本文概述了有线/无线网络主要的QoS协议和框架。以此为基础，介绍了当前无线网络的端到端QoS要求，并用相关协议为移动终端用户实现端到端QoS保障。

参考文献：

[1]Partain.D “Resource Reservation Issues in Cellular Radio Access Networks”.2001.

[2]Veres.A “Supporting Service Differentiation in Wireless Packet Networks Using Distributed Control”.2001.

[3]Westberg.L “Resource Management in DiffServ Framework”.2001.

[4] Gomez.J “Havana： Supporting Application and Channel Dependent QoS in Wireless Packet Networks”.2002.

作者简介：

许建慧，男，1973年4月出生，浙江杭州人，通信工程师；英国ESSEX大学TIS专业硕士，从事光通信、无线通信等技术工作。