摘 要： 提出了一種在異構" title="異構">異構無線網絡融合" title="網絡融合">網絡融合環境下的端到端" title="端到端">端到端QoS模型。討論了異構無線網絡融合系統的架構，分析了在網絡融合環境中提供端到端QoS保證的難點，提出了一種動態的、標準化的、基于多徑接收端控制協議R2CP的端到端QoS支持模型,并以3G/WLAN融合系統作為典型應用環境來描述該模型。
關鍵詞： 端到端服務質量保證 QoS 異構網絡 3G/WLAN融合
隨著計算機和通信技術的發展，無線廣域網(如GPRS、UMTS等)、無線局域網" title="無線局域網">無線局域網(如IEEE802.11)、衛星通信網、藍牙網絡等多種無線網絡系統正逐步代替傳統有線網絡成為互聯網接入的最后一跳。如何將這些異構無線網絡融合在一起，提供覆蓋廣、帶寬高、移動性高且費用低廉的互聯網接入，將是下一代移動通信系統(如B3G、4G等)的發展方向。
在異構無線網絡融合的系統框架中，第三代移動通信網絡3G與無線局域網絡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注。包括第三代移動通信伙伴計劃組織3GPP(Third Generation Partnership Project)在內的多家研究機構都致力于3G/WLAN無縫融合系統的研究。其中松散耦合系統模型被廣泛接受并成為B3G和4G系統的推薦系統模型[1]。本文以3G/WLAN融合系統作為典型應用環境來論述，同時假設3G網絡基于UMTS標準，無線局域網絡基于IEEE802.11標準。
將異構無線網絡無縫融合在一起，發揮出各自網絡的優勢，需要解決一系列難題[2]。其中，如何提供端到端的服務質量保證QoS(Quality of Service)是一個關鍵問題。特別地，當越來越多的實時業務和多媒體服務被應用，提供可靠的端到端多級QoS保證就成為多網絡融合系統的一個必要指標。
本文提出了一種動態的、標準化的、基于多徑接收端控制協議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，根據各個流或會話對QoS要求的不同，動態地分配不同流到不同的無線網絡中。由于提供端到端QoS保證涉及到網絡結構中的多個層，因此，需要對各個層進行相應的改進和優化。該模型采用標準化的QoS支持數據庫來統一異構網絡中各不相同的QoS參數；采用基于流或會話的方法來優化無線信道的使用；采用一種新的且TCP友好的傳輸層協議R2CP來減少異構網絡垂直切換的延遲。
1 網絡融合系統的架構參考模型
3G/WLAN融合系統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融合系統架構參考模型如圖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，無線局域網作為一個3G網絡的空中接口而存在。如圖1，無線局域網的網關直接與3G網絡的PDSN模塊相連。該網關在無線局域網報文中添加3G報頭協議棧，將其轉化為3G網絡的報文并發送給PDSN。無線局域網網關和PDSN隱藏了不同空中接口的細節。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，結構相對簡單。然而，緊密耦合模型也存在難以克服的缺點。首先，現有的3G網絡和無線局域網都需要做適當修改以適應緊密耦合的要求；其次，用戶終端也需要修改并加入相應的3G協議棧；最后，緊密耦合模型要求3G和無線局域網屬于同一服務提供商。
與緊密耦合不同，在松散耦合參考模型中，無線局域網與3G網絡不直接相連，彼此的數據連接完全獨立。它們通過因特網間接連接到一起，利用移動IP(Mobile IP)技術結合適當的漫游認證協議(AAA Roaming Agreement)來實現網絡融合和無縫切換。因此，松散耦合模型具有很多優點：(1)它保證了異構網絡的獨立性，現有網絡不需要修改即可融合到一起；(2)模型的擴展性好，未來的網絡(例如 IEEE802.16)可以更容易地加入到網絡融合環境中；(3)通過適當的漫游協議，用戶只需在一個提供商處注冊即可漫游整個無線網絡。松散耦合模型具有更好的兼容性、擴展性和更廣闊的應用前景。因此松散耦合模型已逐漸成為網絡融合系統參考模型的主流。
2 提供端到端QoS支持的難點
本節逐一討論在異構無線網絡無縫融合環境中提供端到端QoS支持的難點，并對現有的解決方案進行分析。
首先，需要考慮如何統一異構網絡中不同的QoS參數。不同網絡的QoS參數差異很大，例如UMTS網絡規范定義了四等級的QoS保證，而IEEE802.11e標準支持八等級QoS保證。因此，新的融合模型要具有較好的兼容性，不能影響現有網絡和規范。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參數映射和相應的消息機制可以較好地實現不同網絡的QoS參數匹配。然而，該方案的網絡選擇邏輯僅僅基于信號強度，并且同一時間只有一個網絡接口可被使用，參數映射和網絡選擇邏輯過于簡單，效率偏低。
其次，如何有效利用無線資源以及如何減少異構網絡垂直切換的長延遲是需要解決的另外兩個問題。目前，網絡漫游通常采用移動IP的隧道技術來實現。但很多研究表明，傳統移動IP技術的表現并不盡如人意，特別是在異構網絡切換情況下，平均延遲高達800ms，無法滿足實時業務的無縫切換要求。Zhang Q等人提出了一種基于預測的方法來減少應用移動IP技術所帶來的長延遲[4]。通過采用適當的預測算法(如快速移動IP技術、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，基于預測的方法仍然無法完全解決移動IP技術的缺陷。由于無線局域網的信號抗干擾性和穩定性差，經常出現突然斷路的現象，會帶來嚴重的分組丟失和長延遲，進而導致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生，因此，單純在鏈路層應用基于預測的方法無法完全解決問題。
隨著多網絡融合的發展，多模用戶終端應運而生。但傳輸層協議仍然沿用傳統的單一模式，當出現垂直切換時，物理層和介質訪問層MAC(Media Access Control)均切換到新網絡，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來控制數據報發送。直到出現擁塞丟包，傳輸層才能開始重新調節以適應新網絡。這種傳輸層的慢適應會帶來嚴重的擁塞、丟包、長延遲和大延遲抖動。例如，當用戶需要從無線局域網切換到3G時，可用帶寬將大大減小，但傳輸層無法察覺網絡切換，會仍然按照原有發送窗口大小發送報文，直到出現擁塞丟包，才開始重新調節來適應新網絡。傳輸層的這種慢適應過程會破壞網絡端到端QoS保證。
3 一個動態端到端QoS支持模型
3.1 模型概述
為了在異構網絡融合環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，根據各個流或會話的不同QoS要求，動態地分配各個流到不同的無線網絡中，進而實現可靠的QoS保證、優化的無線資源利用及低廉合理的費用。
該端到端QoS支持模型的系統框架和協議棧如圖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，具體結構如圖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層中用于網絡切換的相關信息，如信號強度、可用帶寬和延遲等；
(2)根據收集到的網絡信息、QoS支持數據庫和用戶設置為當前發送的流或當前會話動態選擇網絡接口；
(3)控制各無線接口的打開和關閉，以及在各網絡之間的切換；
(4)與傳輸層交互網絡切換信息，保證網絡切換的傳輸層配合。
新模型采用新的傳輸層協議——多徑接收端控制協議R2CP，取代了傳統的TCP協議[5]，能在傳輸層有效支持網絡切換。
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3.2 R2CP協議
傳統的TCP協議是在有線網絡中發展起來的，諸多研究表明，TCP無法區分無線網絡中由擁塞或斷路導致的超時，因此不適應無線網絡以及以無線作為最后一跳的新一帶網絡。特別是當接收端(通常為客戶機)進行網絡切換時，TCP協議由發送端(通常為服務器)控制的機制無法預知網絡切換的發生，會繼續按照原有速率發送分組，進而導致嚴重的擁塞、丟包和服務質量下降。為了克服傳統TCP協議在無線網絡中的缺陷，Hsieh等人提出了接收端控制協議RCP(Reception-Control Protocol)，并針對異構網絡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議。R2CP協議由接收端進行流量控制和擁塞控制，在無線網絡中，具有比TCP協議更好的性能。特別是，R2CP協議的多通道設計可以支持傳輸層的網絡無縫切換。每個通道對應一個當前的無線接口，在網絡切換過程中，相應的兩個通道可并行工作，從而保證了無縫切換和服務質量。同時，R2CP與TCP友好兼容，由R2CP控制的數據流可以與TCP流同時存在，互不干擾。TCP、RCP和R2CP三個協議的原理對比如圖4所示。
3.3 QoS支持數據庫模塊
QoS支持數據庫保存著當前可用的網絡接口信息，主要用來描述當前網絡支持的QoS等級。為了統一不同網絡的QoS定義，數據庫按照IETF下一代網絡NGN(Next Generation Network)規范進行QoS分級，所有其他網絡的QoS定義都被映射到IETF NGN的QoS分類中，并存儲到數據庫中[3]。QoS支持數據庫由網絡狀態探測模塊定時更新，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 狀態探測模塊
狀態探測模塊用于與網絡物理層和鏈路層進行信息交互，實時收集當前可用網絡接口的QoS相關信息(信號強度、帶寬和延遲等)并周期性地更新QoS支持數據庫。
3.6 決策控制模塊
決策控制模塊用于控制用戶與各異構網絡的交互。它依據QoS支持數據庫、用戶配置文件和消息模塊的信息做出網絡選擇和網絡切換的決策。當一個應用程序要求訪問網絡并產生要發送的流時，決策控制模塊將該流的QoS要求映射成標準的IETF NGN的QoS分類，然后檢索數據庫，并根據數據庫和用戶配置動態做出決策。同時它與傳輸層的R2CP協議協同工作，在傳輸層為當前正在使用的網絡接口保留相應通道。
3.7 消息模塊
消息模塊是可選模塊。該模塊只在各網絡都支持的情況下才能發揮作用。如果各網絡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機制在網絡融合環境中的缺陷，能提供完善、高效率、高兼容性的端到端QoS支持。它的主要優點如下：
(1)采用松散耦合作為異構無線網絡的系統架構，使新模型可以與現有設備和標準較好兼容。新模型基于松散耦合的架構，采用被動監聽方式，并可以逐步地加載到用戶終端中，而不需要對現有網絡設備做任何修改。
(2)采用動態的、基于流或者會話的網絡選擇策略，相比傳統機制，無線資源的利用效率更高。根據不同流的QoS要求，決策控制模塊依據QoS支持數據庫和用戶配置文件動態地選擇合適的無線接口。在同一時刻，不同流可以根據需要使用不同無線接口。
(3)采用標準化的分類來統一各網絡不同的QoS參數。在模型的QoS支持數據庫模塊中，所有其他網絡的QoS等級和參數都被映射為IETF NGN QoS標準分類。這種方式不僅能消除現有網絡的差異，也有利于兼容新的無線網絡接口。
(4)異構網絡融合在一起可以形成一個層次結構，有助于優化網絡的性能。在網絡選擇和切換過程中，由于不同網絡能提供的QoS級別不同，從邏輯上可以將不同網絡看成一個多級的層次結構，支持的QoS級別越高，則層次越高。因此，可以采用高級別的網絡傳輸控制信令，采用低級別的網絡傳輸數據，這種方式具有較高的可靠性。3G/WLAN融合系統的一個發展方向就是利用3G網絡傳輸WLAN的認證信息和安全信息。
(5)采用R2CP作為傳輸層協議，為網絡無縫切換和智能網絡選擇提供了有效的傳輸層支持。R2CP協議以接收端為中心的特性有利于無線網絡的流量控制和擁塞控制。多通道設計為網絡融合系統的多接口特性提供有效的支持。
(6)整個模型在客戶端實現不需要網絡提供商支持，避免了對網絡的依賴。在新模型中，包括網絡選擇、網絡切換在內的所有操作都由客戶端完成，這種方式更易于應用，兼容性也更好。同時，模型也包含了對網絡端支持的擴展，可選的消息模塊可以用于各網絡的消息交互。若網絡端提供對多網絡合作的支持，則移動終端可通過消息模塊，顯式地獲得網絡信息，進而更準確的做出決策。
本文提出了一種基于異構無線網絡融合環境的端到端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、易應用、高靈活性、與現有網絡兼容等優點。
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絡擴展，考慮它與區分服務(DiffServ)的QoS保證和移動IPv6的結合。
參考文獻
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