移动Ad hoc 网络QoS保障机制研究
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摘要 (1)
第一章前言 (2)
第1章 Qos概述 (3)
1.1 引言 (3)
1.2 Qos定义 (3)
1.2.1 QOS定义 (3)
1.2.2 QOS分类 (4)
1.2.3 QOS的重要性 (5)
1.3 QoS参数 (6)
1.4 QOS服务模型 (8)
1.4.1综合业务模型 (8)
1.4.2区分业务模型 (9)
1.5获取QOS方法 (11)
第二章移动环境中QoS保障 (14)
2.1 引言 (14)
2.2移动环境中的QoS保障问题 (14)
2.2.1 移动系统中QoS保障面临的问题 (14)
2.2.2 移动环境中的QoS管理 (15)
2.3 IP QOS实现机制 (17)
2.3.1 IP QoS产生的背景 (17)
2.3.2 IP QoS的定义及其实施方案 (18)
第三章移动Ad hoc网络QOS保障机制 (23)
3.1 引言 (23)
3.2 Ad hoc网络的概述 (23)
3.2.1 Ad hoc网络的定义 (23)
3.2.2 无线Ad hoc网络的结构体系 (24)
3.2.3 移动Ad hoc网络的特征 (25)
3.2.4 无线Ad hoc网络中的关键技术 (26)
3.3 Ad Hoc网络QOS路由 (28)
3.3.1 引言 (28)
3.3.2 依靠MAC层的TDMA资源管理实现移动Ad hoc网络的QoS路由 (28)
3.3.3 使用普通的QoS测量方法实现移动Ad hoc网络的QoS路由 (30)
3.3.4 使用CDMA进行不同传输之间的冲突避免 (34)
3.4 Ad Hoc网络QOS信令机制 (36)
3.4.1 前言 (36)
3.4.2 资源预留协议（RSVP）在MANET中的应用分析 (36)
3.4.3 RSVP的改进 (37)
3.4.4 适用于Ad hoc网络的带内信令机制——INSIGNIA (39)
3.5. INSIGNIA协议的改进 (41)
3.6 Ad Hoc网络QOS保障机制 (42)
3.6.1 引言 (42)
3.6.2 动态服务质量保证机制 (43)
3.6.3 具有QoS能力的中间适配机制 (44)
3.6.4 提供QoS保障的MAC协议 (45)
3.6.5 其他QoS保障机制 (46)
3.7 自组网环境中的QoS支持难点和思路 (47)
3.7.1 QoS在自组网中的难点 (47)
3.7.2 研究现状和思路 (48)
第四章 Ad hoc网络及QOS保障机制的应用 (51)
4.1移动Ad Hoc网络的应用 (51)
4.2 Qos应用 (51)
第五章编程 (53)
5.1编程思路 (53)
5.2流程图 (54)
5.3程序 (54)
第六章总结 (58)
致谢.......................................................................... 错误！未定义书签。参考文献 (59)
摘要
随着网上服务与应用的不断增多，目前互联网所提供的“尽力而为”的服务远不能令人满意，尤其是对实时性要求较高的服务。移动Ad hoc网络是一个新兴的网络，在我国发展只有两年的历史，它仅仅由一些动态分配的移动节点组成，不需要任何有线网络或核心实体，具有带宽有限、拓扑结构易变和滇池能源有限的特点，这是得对未来的生存具有一定的考验。移动Ad hoc网络中的QoS保障问题是一个比较复杂的开放问题。本文首先介绍了QoS概念和提供QoS保证的种种困难，然后详细讨论了动态服务质量保证机制以及具有QoS能力的中间适配机制，最后介绍了支持QoS的MAC协议和其他一些相关的QoS保障机制。
关键词:
服务质量综合业务区分业务自组织网络
媒体接入控制技术资源预留协议带内信令机制
Abstract
With the increase of online services and applications,the “best –effort”provided by the internet by now are far from satisfaction,especially for those services with high requirements for“real time”. A mobile ad-hoc network is a new network,which have only a history about two year only in our country . It is composed of only mobile nodes,which are distributed dynamically,without any wired backbone or centralized entities.It is characterized by scarce resources and dynamic topologies.These make its future interwork have many challenges.the problem of guaranteeing QoS in Ad hoc network is a complicated open issue.This paper firstly introduces QoS concept and various difficulties in providing QoS in A mobile ad-hoc network.then the dynamic QoS guarantee mechamsms and QoS aware middle adaption schemes are introduced in detail.Finally, a MAC protocol which can support QoS and some related schemes are introduced.
Keywords:
Qos Int-serv Diff-serv Ad hoc网络MAC
RSVP INSIGNIA
第一章前言
90年代以来，移动Ad hoc网络的研究在世界范围内方兴未艾，已经从无线通信领域中的一个小分支逐渐扩大到相对较独立的领域。随着无线通信技术的发展和移动终端性能的提高，Ad hoc的应用越来越广泛。Ad hoc网络也称为自组织网络，是一种不需要基础设施的自创造、自组织和自管理的网络。它不以任何已有的固定设施为基础而能随时随地组建临时性的网络。由于这种方便性，并且随着无线通信技术的发展和移动终端性能的提高，特别是人们对个人通信日益增长的需求，使得移动Ad hoc网络的应用范围正逐步扩大。相对于传统的蜂窝网，他不需要基站，所有的节点分布式运行，同时具有终端和路由器的功能，可接收或转发分组。由于其自身的特点，可被用于军事和救援行动中，最近，其民用性也得到了广泛的关注。目前，无论在国际上，还是在区域上（欧洲和亚洲等地区），周期性的Ad Ho c网络学术会议日益增多。
QoS机制提供了一套可供网络管理员使用的工具，能用有效的控制方式管理网络资源的使用。这样就可以为执行关键任务的应用程序和用户提供更好的服务，同时也减缓了容量需求增长的速度。换言之，QoS可以帮助您在降低服务成本的同时，改善对网络用户的服务。对生产商﹑运营商来说，QoS是关系到企业生死存亡的生命线。然而，目前QoS研究还不成熟，特别是移动Ad Hoc网络QoS 保障至今没有突破性进展。
专家预言，以后的网络要走全IP网络道路，IP网络Qos研究也在渐渐成熟，已经积累了丰硕的成果。本人通过QoS的基本概念入手，通过对IP网络QoS保障机制的分析研究，对其加以改进，从而得到适合移动Ad hoc网络Qos保障机制。本文共包括六章，主要内容可分为三部分。第一部分，第1-3章，阐述QoS的基本概念及移动环境QoS保障问题；第二部分，第4-5章，主要论述Ad Hoc网络及其QoS路由、协议、QoS保障机制、应用等；第三部分，第6-7章，编程和总结。
由于本人水平有限，错误之处难免，诚心希望读者批评指正。
编者
第1章 Qos概述
1.1 引言
随着Internet规模的不断增大，各种各样的网络服务争相涌现，先进的多媒体系统层出不穷。由于实时业务对网络传输时延、延时抖动等特性较为敏感，当网络上有突发性高的FTP或者含有图像文件的HTTP等业务时，实时业务就会受到很大影响；另一方面，多媒体业务占去了大量的带宽，这样，现有网络要保证的关键业务就难以得到可靠的传输。
解决这些问题的最简单的办法当然是增大带宽，但是，由于这种方法代价高昂，所以并不十分可行。这就要求网络管理者对不同的服务区别管理，而不能对所有的数据包一视同仁。于是，各种QoS技术应运而生。
1.2 Qos定义
1.2.1 QOS定义
QoS是根据某些关键参数对服务质量进行整体衡量。当我们打电话时,我们希望通话清晰、没有延时。我们还希望能够在合理的时间(几秒)内建立呼叫连接,或者通过某种声音指示线路正在使用。
联网的有效性取决于一定的QoS。无差错的传输及合理的响应时间是尽力而为的Internet的基本服务需求。如果将Internet 用于交互式话音和实时视频,就需要更高级别的QoS 如前所述,某些传输类型,如交互式话音和实时视频,需要最小的延时。在话音传输中有过多的抖动,或者在实时视频传输中带宽过窄,都会导致通信质量不可接受。减小交互式话音中的抖动,确保实时视频拥有足够的带宽是对于提供这两种服务的网络的基本要求。一般而言,提供任何好于尽力而为的QoS级别都需要对网络中的资源共享进行控制和管理。举例来说,如果你打算连接点A和B,并且在这两点之间(端到端)提供有保证的服务,那么,它们之间的每个设备和任何互连设备最初都必须拥有所需的资源,并且为你的通信需求预留资源。我们通常将这种端到端的协商称为服务合同(service contract )。如果你希望利用优先权服务,必须有管理网络访问的策略,并在网络中实施这种策略。
所谓服务质量QoS，是指服务性能的聚集效应，它决定用户对特定服务的满意程度。需要指出两点:
这种主观性的定义把服务质量与用户所感知的服务联系在一起。从网络提供的角度来说, 可以通过控制一些具体的、可度量的、可量化的参数来提供服务
质量，如传输延迟、抖动、丢失率、带宽要求、吞吐量等指标。
服务质量不单单是网络的事情，而是应用程序、用户终端、网络、服务器各部分的综合效应。例如，一个用于远程视频播放的端到端活动，就可能由以下几部分组成：从媒体服务器获得视频，在源地进行压缩，通过Internet将其传送到目的地，在目的地进行解压缩，并根据播放窗口的大小对视频按比例进行调整，最后在视频窗口播放。在端到端路径上，任何一个环节不符合QoS的要求，都会影响播放的完整性。
最简单地说，QOS能够对数据包进行合理的排队，对含有内容标识的数据包进行优化，并对其中特定的数据包赋以较高的优先级，从而加速传输的进程，并实现实时交互。由于每种应用系统对网络的要求有所不同，这使得带宽本身并不能解决网络拥塞的问题。QoS所追求的传输质量在于：数据包不仅要到达其欲传输的目的地址，而且要保证数据包的顺序性、完整性和实时性。通过QoS，网络可以按照业务量的类型或级别加以区分，并能够依次对各级别进行处理。优秀的QoS可以提供创建业务量级别的方法，把应用系统或用户的邮件分配到某一级别中作系统管理。
1.2.2 QOS分类
从QoS的严格程度来分类：
确定型（deterministic）QoS承诺
在通信过程中，提供QoS‘硬’保证，确保通信各方协商好的各QoS参数值，不允许有任何违背，否则可能会造成严重后果。这类服务一般用于硬实时应用。例如，远程医疗诊断这样的分布式多媒体应用，就需要这类服务来支持诸如患者的X 射线影像数据的实时无差错传送。
统计型（statistical）QoS承诺
在通信过程中，提供QoS‘软’保证，允许对通信各方协商好的各QoS参数值有一定比例的违约，适合于软实时应用。例如，对于分布式多媒体信息点播服务中的影片点播来说，用户通常可以容忍一定数量的比特错和帧丢失。
尽全力型（best_effort）QoS承诺
与数据报服务同义，不提供任何QoS保证。目前由于带宽的限制，广域网（如Internet）中的分布式多媒体服务多属于这类服务
从服务质量的实现层次来分类：
整个Internet从实现服务的角度可分成三个主要层面：
物理网络层：物理网络如：Ethernet、ATM，负责实现自己内部网络传输的QoS。
IP层：IP网络通过建立同样的QoS服务模型，屏蔽物理网络的细节，实现
面向应用的QoS服务。
应用层：而应用层则根据需要，选择不同的IP服务类型, 实现面向用户的QoS。
从网络应用来分：
从方便资源调度的角度考虑，可以分为以下三类：
1．实时周期性应用：这一类应用要求人物在固定的时间内完成，且每个周期必须执行任务一次这一类应用通常就是视听类应用。
2.实时非周期应用：人物的执行没有周期性，但必须在可能短的时间内完成，
文件传输即属于这一类。
3.非实时应用：这一类应用不需要延时保证。
1.2.3 QOS的重要性
近年来，我们目睹了计算机网络通信的迅猛发展。为了跟上不断增长的需求，网络管理员已经非常努力地不断增加容量。但网络客户还是经常对网络的性能不满。随着新型的渴求资源型多媒体应用程序的普及，这种状况更加恶化。QoS 机制提供了一套可供网络管理员使用的工具，能用有效的控制方式管理网络资源的使用。这样就可以为执行关键任务的应用程序和用户提供更好的服务，同时也减缓了容量需求增长的速度。换言之，QoS 可以帮助您在降低服务成本的同时，改善对网络用户的服务。
最终用户的业务是多种多样的。过去，大多数的方案都是针对某种服务设计成高效率和高度成本的有效的。例如，SDH被设计成对高质量话音和专线服务是最优的。直到最近，这些服务还占有网络流量的相当部分以及运营商收入的大部分。
互联网则相反，例如城城网（MAN）中的以太网方案对“尽力为”的IP业务是最优的，而对上述话音服务和专线服务却不是最优的，因为它不能提供低的时延和抖动。然而，IP业务一直在高速增长，迫使运营商不断扩容，迅速增加带宽。不幸的是，运营商的收入却增长很慢(见图1.1)，跟上上扩容建设成本的增加速度。运营商虽然开放了带宽越来越大的服务，但服务的价格（每比特费用），几乎一直在下降。其原因之一就是这些宽带服务不能保证服务质量，用户不愿意为它们多付钱。结果当然是运营商得不到可靠的利润。因此，QoS对运营商的生存与发展是十分关键的。运营商必须投入力量和设备却解决这一问题。要求这些设备必须能够做到：
①通过支持话音和去线服务保住传统的收入：
②基于SLA和QoS管理能力，能过生成新的高价值的不同服务来产生新的
收入，获取更多的利润；
③简化提供服务的过程，加快提供服的速度，使获利更快；
④在三个主要方面节省开支：
·投资：去掉不必要的设备，降低硬件复杂性；
·设施：能过对IP 业务的聚集和统计复用，最优使用光纤设施；
·运行：能过消除不必要的协议和管理层次大大降低运行成本。
QoS能力与上述要求中的前两个是直接相关的，有了QoS保证就能满足这两个要求。而后两个要求通过服务质量管理也可间接到支持。
十多年来，人们一直想用一种网络来提供各种服务，即构建所谓的多业务网，其潜在的好处是很多的，包括设备成本低、设备利用率高、运行和维护成本低等。成本低对运营商和用户都有利，运营商可以最低的成本来提供最高价值的服务，从而扩大其市场份额，刺激更多的市场需求。为了提供这些高价值服务，必须采用QoS机制。
1.3 QoS参数
QoS的五个量纲
大体上说，QoS有五个能影响最终用户感受的量纲：可用性、吞吐量（包括承诺的和突发的）、时延、时延变化（包括抖动和漂移）、丢失（比特丢失或分组丢失）。下面我们分讨论。
1. 可用性
可用性是当用户需要时网络即能工作的时间百分比。传统的指标是99.999%或称“5个9”，其含义是每年网络不能工作的时间约为5。25min。目前为企业界网设计的传统数据能信设备还达不到这一水平。
可用性主要是设备可靠性和网络存活性相结合的结果。结它起作用的还有其它一些因素，包知软件稳定性以及网络演讲升级时不中断服务的能力。
为了满足电信级网络的高要求，网络中的光通信设备必须高度冗余，在重负荷和极端温度下能够连续工作。不易替换的背析应是无源的，以提高可靠性。交换矩阵和系统控制卡必须是冗余的和热备用的，在设备故障情况下必须是热插拨的，以迅速排除故障。热量是电子设备的敌人，所以电源应该分布在每一块电路板上，把热量分散于整个机架。电源必须是高度冗余和负荷分担的。板卡应该垂直放置，从上到下、一个机盘或一个机架聚集到另一个上面。甚至于电路板上的元器件也要布置得当，以防造成局部故障的灼热点。总之，采用以上措施后，将使平均故障间隔时间（MTBF）达到很长。
另外，在发生运营商无法控制的意外事件（如光纤切断等）时，网络本身必
须能够迅速恢复，必须向可能受节点故障或链路故障影响的业务提供迂回路由。
而且提供迂回路由原则是必须在管理系统内执行，确保被保护的业务不会彼此影响。当发生故障时，系统必须尽快恢复服务，使故障基本上不被用户感知。在光纤被切断的情况下，SDH的服务恢复标准定为小于50ms。软件必须稳定，如当中心局起火时能把网络卸下。软硬件升级必须能够在不中断服务或停机的情况下进行。通过适当的软硬件设计和足够的测试验证，就可做到这一点。2. 吞吐量
吞吐量是在一定时间段内对网上流量（或带宽）的度量。对IP网而言，可以从帧中继网借用一些概念。根据应用和服务类型，SLA可以规定承诺信息速成率（CIR）、突发信息速率（BIR）和最大突发信号长度。CIR是应该予严格保证的，对BIR可以有所限定，以在容纳预定长度突发信号的同时容纳从话音到视象以及一般数据的各咱服务。
一般讲，吞吐量越大越好。传统上，用户得到的带宽都是以千比特计的，一个基群就算是高速管道了。用户的选择一直限于NxT1E1，最多提高到DS3/E3(45Mbit/s)和OC3 /STM1（155Mbit /s）支持以太网服务的ATM和帧中
继一般也都是工作在上述速率的电路网上，现在，下一代都设备提供的还率已经达到兆比特，甚至吉比特。控制网络吞吐量的策略是让用户得到的带宽下是它们需要的带宽，不多分配。这需要通过不断修整、优先等级排级和仔细的流量工程来实现。
3. 时延
时延指一项服务从网络入口到出口的平均经过时间。许多服务，特别是话音和视像等实时服务都是无法容忍时延的。当时超过200~250ms时，就会给效互式会造成很大麻烦。为了提供高质量的话音和会议电视，网络设备必须要保征低时延。
产生时延的因素很多，包括分组化时延、排除时延、交换时延和传播时延。传播时延是信息通过铜线、光纤或无线链路所需的时间，它是光速的函数。在任何系统中，包括在SDH、STM和RPR中，传播时延总是存在的。
排队时延只有当分组在拥塞点上排队等候传送时才发生。ATM通过把分组切成更小排队时延。因为信元小，所以具有高优先权队列的办法来减小排队可以更常得到服务，从而缩短队列中分组的等候时间。在吉比特速率，甚至在最坏情况下，高优先权业务在等候时间也是很短的。例如，在吉比位以太网系统中，绝对优先权队列中的话音分组在最坏情况下的等候时间约为12us，优于在34Mbit/ds ATM恒定比速率（CBR）队伍中排除等候的话音信元。故在吉位以太
网中采用简单的优先等级排队就能获得低的时延。
4. 时延变化
时延变化是指同一业务流中不同分组所呈现的时延不同。高频率时延变化称作抖动，而低频率的时延化则称作漂移。抖动主要是由于业务流中相继分组的排除等候时间不同所引起的，是对QoS影响最大的一个问题。某些业务类型。特别是话音和视像等实业务是难以容忍抖动的，因为分组到过时间的差异将在话音或视象中造成断续。所有传送系统都有抖动，只要抖动保持在规定容差之内就不会影响服务质量。利用缓存可以克服过量的抖动，但这将增加时延，造成其它问题。
漂移是任何同步传输系统都存在的一个问题。在SDH系统中通严格的全网分级定时来克服漂移的。漂移会造成基群失帧，使QoS的要求不能满足。
5. 丢失
丢失，不管是比特丢失还是分组丢失，对分组数据业务的影响比对实时业务的影响都大。在通话期间，丢失一个比特或一个分组的信息用户往往注意不到，而在视像广播期间，就可能在屏幕上造成瞬间的波形干扰，然后视象很快复如初。即便TCP数据传送也能处理丢失，因为TCP充许丢失信息重发。事实上，一种叫随机早丢（PED）拥塞控制才真正故意丢失分组，其目的是在流量达到设定门限时抑制TCP流失去同步，以防止因速率窗口的闭合引起吞吐量摆动。但是，分组丢失的原因是有缺陷链路或设备电路板，它可能是拥塞的一咱种征兆，所以必须对其保持统计，当统计数字据过预定门限时就向网z络管理人员告警。
1.4 QOS服务模型
1.4.1综合业务模型
1.基本概念
综合业务模型（Int-serv：Integrated service）的基本思想是“所有的流相关状态信息应该是在端系统上”,它基于每个流（单个的或是汇聚的）提供端到端的保证或是受控负载的服务（controlled-load service）。Int-Serv框架使IP网能够提供具有QoS的传输，以用于对QoS要求较为严格的实时业务（声音/视频）。
Int-Serv使用一种类似ATM的SVC的方法,它在发送方和接收方之间用RSVP作为每个流的信令。RSVP信息跨越整个网络, 假定从接收方到发送方之间沿途的每个路由器都要为每一个要求QoS的数据流预留资源。路径沿途的各路由器——包括核心路由器——必须为RSVP数据流维护软状态。
在Int-Serv流中，定义了三种类型的业务，即：
①保证业务(Guaranteed-Service, GS)：对于GS业务流的最大时延是受到控制的，路由上的任何时延都会影响最大排队时延。
②受控负载业务(Controlled-load-Service, CLS)：CLS没有固定的时延保证，但业务流要与在网络轻载情况下的流质量相当，实际上CLS要求有长期的带宽保证。
③尽力而为的业务(Best-Effort)：类似当前Internet在多种负载环境(由轻到重)下提供的尽力而为的业务。
2.综合业务模型的构成
为了实现上面的服务，Int-Serv定义了4个功能部件，网络中的每个路由器皆需要实现这4个部件。
1.RSVP(RFC2205)：RSVP即资源预留协议，它是Internet上的信令协议。通过RSVP，用户可以给每个业务流(或连接)申请资源预留，要预留的资源可能包括缓冲区及带宽的大小。这种预留需要在路径上的每一跳都要进行，这样才能提供端到端的QoS保证。RSVP是单向的预留，适用于点到点以及点到多点的通信环境。
2.访问控制(Admission Control)：它基于用户和网络达成的服务协议，对用户的访问进行一定的监视和控制，有利于保证双方的共同利益。
3.分类器(Classifier)：根据预置的一些规则，它对进入路由器的每一个分组进行分类。这可能需要查看IP分组里的某些域：IP源地址、IP目的地址、上层协议类型、源端口号、目的端口号；分组经过分类以后被放到不同的队列中等待接收服务。这方面的技术还不很成熟，是一个有待研究的领域。
4.队伍调度器(Scheduler)：它主要是基于一定的调度算法对分类后的分组队列进行调度服务。这方面的技术目前已比较成熟，常见的调度算法有WFQ、WF2Q、SCFQ、VC、MD-SCFQ、WRR等。
1.4.2区分业务模型
1.基本概念
由于对综合业务模型利用全程信令将原本面向无连接的因特网，勉为其难地改为向面向连接的网络这种方式的可实施性已经产生了怀疑。因而希冀能够出现一种新的解决问题的思想，既考虑已有网络的现状，又能达到实现服务质量的目的，这就出现了区分业务（Diff-serv）模型。
Diff-Serv IETF组织制订了IP网络的QOS标准——区分服务(Diff-Serv)，
为在IP网络上提供服务质量保证奠定了基础。在Diff-Serv标准以前，ATM技术还是唯一能提供QOS的网络技术，IETF正是借用了ATM的QoS概念，将QoS 引入IP所有业务，这些业务不但可以在租用线、帧中继和ATM上传输，而且也可以在SDH、DWDM链路上传输。Diff-Serv还定义了ATM和帧中继所不能提供的动态QoS服务，并增加了新的拥塞管理机制。
区分服务是由综合服务(Int-serv )发展而来的，它采用了IETF的基于RSVP 的服务分类标准，抛弃了分组流沿路节点上的资源预留。区分服务将会有效地取代跨越大范围的RSVP的使用。区分服务区域的主要成员有：核心路由器、边缘路由器、资源控制器（BB，Bandwidth Broker）。在区分服务中，网络的边缘设备对每个分组进行分类、标记DS域，用DS域来携带IP分组对服务的需求信息。在网络的核心节点上，路由器根据分组头上的DS码点（Code Point）选择码点所对应的转发处理。资源控制器BB配置了管理规则，为客户分配资源，它可以通过服务级别协定SLA （Service Level Agreement）与客户进行相互协调以分享规定的带宽。
与Int-Serv类似，Diff-Serv也定义了三种业务类型：
1．最优的业务(Premium)：类似于传统运营商网络的专线业务。
2．分等级的业务(Tiered)：这不仅仅是一种业务，而是一个大的类别，可以根据发展的需要定制不同的业务等级。
3．尽力而为的业务(Best-Effort)；类似于Internet中尽力而为的业务。
IP QoS较之ATM的优越性还在于它能够提供更灵活的服务，如Diff-Serv 支持基于日期的应用与动态QoS，因此，可以给予某一特定的用户，如基于WEB 的电子商务，较高级别的QoS服务，而对于不那么重要的应用，如E-mail则给以"尽力服务"。
图1.1 区分服务体系结构的框架示意图
Diff-Serv比Int-Serv 更具可扩展性，如图1.1所示,它可用于企业的广域网中,并在运营商网络中发挥重要的作用,因为它可以根据应用或业务类型排出不同的优先级别。IP QoS的业务区分结构使用IPV4报头中的业务类型（TOS）字段，并将8位TOS字段重新命名，作为DS字段，其中6位可供目前使用，其余2位以备将来使用。该字段可以按照预先确定好的规则加以定义，使下行节点通过识别这个字段，获取足够的信息来处理到达输入端口的数据包并将他们正确地转发给下一跳的路由器。这里需要注意的是在IPV4网中所定义的TOS字段与在Diff-Serv中的DS字段不同。TOS字段的定义如图2所示。图IPV4报头中TOS字段定义Diff-Serv充分考虑了IP网络本身灵活，可扩展性强的特点，将复杂的服务质量保证通过DS字段转换为先进的单跳行为，从而大大减少了信令的工作。
2 Diff-Serv－优先级排列
差分服务提供一种简单粗略的方法对各种服务加以分类。不过用其它方法也可以，目前有两个每跳(PHBs)的标准，其中对两个最有代表性的服务等级(业务类别)作了规定：
快速转发(EF)：有一个单独的码点(DiffServ值)。EF可以把延迟和抖动减到最小，因而能提供总合服务质量的最高等级。任何超过服务范围(由本地服务策略决定)的业务被删除
保证转发(AF)：有四个等级，每个等级有三个下降过程(总共有12个码点)。超过AF范围的业务不会象'业务范围内'的业务那样以尽可能高的概率传送出去。这意味着业务量有可能下降，但不是绝对的。
根据预定策略的标准，PHBs适用于网络入口的业务。业务在这点加以标记，然后根据这个标记进行路由指向，没有作标记的业务就放到了网络的出口。1.5获取QOS方法
联网所提供的“尽力而为”的服各是不能令人满意的，尤其是那些对实时性要求较的服务。“尽力而为”也使运营商或服务提供商难以推出能盈利的商业模式，妨碍了互联网的深化发展。只有引入QoS机制，使服务质量得到保证，令用户满意，运营商才可以推出新的盈利模式，实行按质论价、优质优价。
获得QoS既可以采用强制方法，也可以采用智能解决方案。最经济有效的方法取决于可提供用来实施QoS的不同资源；人力、带宽和设备。最佳方案实际是以下五种因素的一个平衡。
1.重叠网
获得QoS的一种方法是通过重叠网把不同的业务类型分配给不同的网络。这显然是一种强制方法。从设备、光纤利用率和管理方面来看，这种方法是不经济的。但它正是目前大多数服务提供商建网的方法。
2. 带宽冗余
有一种说法是，给连接交换机或路由器的链路增加足够的带宽就可以免除控制时延和抖动所需之QoS机制。在这些链路上增加带宽（不是随使用量成比例增加）确实能减少分组抖动，但是仅仅让网络带宽冗余是不够的，对实时要求很严的业务（如话音）仍需要简单的QoS机制，如严格的优先等级化（prioritination）。图1.2所示是一个4节点网，在网络中CBR话音端到端地通过，在每一节点插入IP业。标有实箭头的每条链路的平均利用率为50%，这意味着链路带宽富余一倍，IP业务源是突发数据，其长度为分组到达时间间隔（在互联网中即ICP到达时间间隔）的0.33倍。网络上最大输单位（MTU）假定是1500字节。
图1.2 4节点网络示意图
当话音分组在复用点被延迟1500字节分组时就发生最坏情况。CBR话音分组在最坏情况下将蒙受1ms的单向端到端时延。这对话音而言是很严重的，因为话音对64kbit/s接口的滑帧有严格要求（每周少于1滑帧或48亿帧中出现滑帧不到一个）。为了减小端到端时延，可以对话音分组采用严格优先等级化机制，采用后将保证话音分组在绝对最坏情况下端到端时延约为180us，比采用前改善了5倍多。
上述结果表明，即使在网络带宽冗余的情况下，最简单的QoS机制（2级严格优先等级化仍能明显改善跨越4个节点的话音分组的最坏情况时延。这在接入网中尤其重要，因为这样可省去回波抵消而降低设备成本。需注意，网中级联的节点稍有增加或者平均网络利用率有增加就会导致最坏情况端到端时迅速增加。
此外，当话音占总务量比重相对小（小于60%）时，不管加入多少低优先权的IP数据，话音业务的严格优先等级化都将产生恒定的时延。此时，带宽冗余再多也是徒劳的。
总之，使用较多网络带宽时，QoS能使服务提供商保证满足服务要求，这也就意味着收入增多。
3. 每业务流排队和信令
ATM是为每条虚电路建立单独逻辑排队的一种协议。一方面，这是确保业务得到处理的有效机制；另一方面，这种机制复杂（要跟踪许多状态）、很昂贵（排队需要存储器），而且不可扩展，因为每天互联网要发生数十亿个业务流。在网络边缘做好QoS管理将减轻核心网的负担，这多少能缓解一下排队问题。但即便函如此，如果不把这些业务流聚合在一起，核心，网仍存在如何维持十亿业务流的排队和状态的问题。
4. IPQoSSM机制
IPQoS（更准确地说应叫做服务类别（CoS））是为了应对ATM和3层核心网内每业务流排队的复杂性而开发的。早期的综合服务（Intserv）IPQoS模型依靠资源预留协议（RSVP），为资源预留建一个重叠信令层。目前的IP区别服务9（D i ffserv）则对聚合流采用基于类别的排除（CBQ），同时用RED和受罚席（PENALTY box）算法来控制拥塞和保证可用带宽的公平分配。
CBQ的概念是，如果把某种业务类型的所有业务流聚合成一个大队列，那么即有可能提供一定水平的QoS，又可避免ATM带来的复杂性和高成本。事实一，只要其它拥塞管理机制到位以及网络工程设计得当，这一机制就可以工作得很好。
RED利用TCP中的后退机制，当流量超过预定门限时就随机丢掉分组，这使TCP后退，减少拥塞。受罚席是一种比较新的算法，它完成类似用户数据报协议（UDP）业务的功能。因为UDP业务是无连接的、非适配的，RED对它不起作用。
5. 混合法
显然，上述各种方都涉及成本、复杂性和能方面的权衡。先分析网络如何使用，再做适当的权衡与混合重要的。毫无疑问，在IP QoS方面的趋势是采用混合机制且日趋势复杂。这是因为用户应用对网络提出更多的要求，服务提供商需要从其IP网获取更大的价值（即收入和盈利）。同时，由于在处理能力、带宽可用性、流量管理组网算法等方面的不断进步，以及我们对现实条件下网络行为的了解，混合机制是能够实现的。
第二章移动环境中QoS保障
2.1 引言
随着便携式移动设备应用的进一步普及、功能的大幅度增强以及成本的迅速降低，人们已经不再满足于通过移动设备实现简单的数据和话音通信。用户希望通过具有移动意识能力的应用来提供与位置相关的服务，此外，一些特殊的用户(如现场工程技术人员)需要一种获得综合数据、声音和三维图像的有效途径，即需要提供一种交互式的多媒体应用。但是在移动环境下，通信信道质量的动态变化、移动用户位置的不确定性、便携式终端有限的电池能量和受限的I/O设备都给多媒体业务的提供带来了诸多困难。尽管当前在固定网络上提供服务质量(QoS)保障以及移动通信本身都取得了很大进展，但是提供移动QoS保障的研究才刚刚起步。
2.2移动环境中的QoS保障问题
2.2.1 移动系统中QoS保障面临的问题
1. 移动性对QoS的影响
移动系统与固定系统的一个显著区别在于前者需要适应由于移动引起的不断变化的QoS，而难以提供硬性QoS。移动系统可以采用多种通信技术和链路，因此具有不同的通信能力和成本，例如无线LAN的覆盖范围较小，而GSM的覆盖范围较大。无线系统可以提供的带宽远低于固定有线网络，并且容易受到周围环境的影响。此外，用户的移动会引起基站之间的切换，从而可能造成暂时的通信中断和部分数据的丢失。一种解决方法是基于移动预测信息在相关的小区提前预约资源，从而减少数据丢失和提高资源使用率，但是这种方法不能克服无线环境的影响，并且移动无线网络存在盲区，通信的中断仍会发生。也就是说，移动环境中的QoS变化比有线网络频繁和剧烈，因此需要采用自适应的动态QoS管理机制，规定一个用户可以接受的QoS范围，并且应用需要具有QoS意识和自适应能力，而不是将它与底层网络的QoS变化相隔离，同时，网络协议和算法应能够适应移动设备和环境的变化。此外还需解决移动环境下IP地址的管理问题以及移动节点共享和竞争网络资源等问题。
2. 移动终端对QoS的影响
便携式移动设备对支持业务的QoS存在诸多限制，移动设备通常由寿命有限的电池提供能量，因此需要低功耗的处理器和显示器，并且最好具有智能的关机
和休眠功能。但是低功耗的处理器通常意味着较低的处理功率，从而限制了处理
复杂任务和计算的能力。由于移动通信传输数据需要较大的功率，为了降低功耗，传输通常以间歇式的方式进行，而这种工作模式在某些情况下会导致经常的接收错误。并且移动设备的屏幕和键盘通常较小，输入和显示都非常受限，使得多媒体业务的开展变得比较困难。在移动环境中，移动用户可以根据环境的变化来更换使用的系统(如GSM或卫星系统)和终端，因此应用的接口将是异质的，使得移动用户之间开展某些应用变得比较困难。当前I/O接口技术发展迅速，相对缓解
了I/O限制带来的影响，但是电池和功率的限制在近期内不会有太大的改观。3. 其他方面的影响
移动网络的配置，采用的技术和网络的拓扑依赖于运营商和其提供的服务，因此需要一种简单灵活的QoS体系结构来保证与外部网络的互联、互操作以及允许网络经营商和管理部门可以按照用户的要求来定制和设计网络。移动设备远程访问对系统和应用的安全性都有很大影响，无线移动环境下的安全问题至今仍是一个开放问题，存在诸多挑战和困难。此外，移动通信的成本相对较高，计费的实现也更为复杂，通常按照每单位时间和每单位数据量收费，并且费率标准将根据选用的媒介种类、链路速率以及服务提供商的不同而变化。
2.2.2 移动环境中的QoS管理
1. 自适应性管理
QoS管理需要根据网络环境的变化进行调整，即具有一定的自适应性。网络系统的变化可以分为3种情况：一是比较明显的变化，如端系统和网络连接的变化，这类变化的频率相对较低，经常发生在会话之间，主要在同应用交互的过程中(如会话建立时)进行管理；二是较小的变化，如出现时延抖动和分组丢失，可以使用传统的缓存机制和基于分组优先级的过滤技术加以管理，但是移动设备的移动可能会造成会话连接经过的路由发生改变，因此需要释放原有连接路径上的资源，重新建立连接，配置新的过滤器，并且管理机制的选择和切换需要根据可获得的QoS、请求的QoS和当前的资源状况来适应服务质量的改变；三是精细粒度的变化，这些变化经常是暂时的，但是影响不容忽视，并且使用传统的管理方法往往无法奏效，例如，基站间的切换、无线网络环境的影响、业务流的动态增加和减少、可用功率和链路传输速率的变化等。这些改变必须及时地通知或与应用进行协商，从而使应用和QoS管理可以通过协作来实施自适应的调整。我们可以把这些变化的影响看作为暂时的系统故障，类似与Internet中由于业务超载引起的性能降级。为了及时捕获这些变化，可以简单地使用超时机制而不采用开销较大的轮询协议来检查连接是否有效。此外还可以使用概率或统计QoS的思想来
容忍一定程度的短暂的性能降级，然而为了避免性能的严重下降需要对业务质量
的降级做出迅速反应，可以使用的方法包括备用路由、媒体流的自适应调整、容错机制等。需要注意的是业务质量的变化过于频繁甚至比少量的数据丢失或稳定的较低质量的业务更加使用户难以容忍，因此需要通过合理设置质量切换门限来控制自适应机制的调用频率。也就是说，需要通过合理设置用户级的QoS参数使系统在稳定性和快速反应之间进行合理的折衷。当环境变化较慢时，一般只会出现较少的数据丢失或时延抖动，用户将希望使用最大程度可以提供的QoS。对多媒体业务而言，应该在任何情况下都尽量保证其基层数据的传输质量，而在可能的情况下支持增强层数据的QoS。此外，还需要考虑协议栈中各个层次的交互以及移动网络与其他网络的互操作问题。
2. 资源管理和预约
一些学者不主张在移动环境中采用资源预留机制，他们认为在移动环境中，会话连接的可用带宽的经常变化将使资源预约没有价值。但是应该认识到，当资源匮乏时，采用适当的资源分配和允许控制机制尽管不能提供确定性的质量保障，但对于区分业务等级和支持一定程度的QoS是非常必要和合理的。例如，我们可以通过允许控制机制来保障某些业务的具有最低级别的QoS，而对其他业务按照尽力而为方式对待；在蜂窝网络中，还可以通过提前预约的方法来确保资源的可用性和提高切换的平滑性。此外，可以基于用户、应用和系统的特征将自适应性划分为多个层次。
3. 情景意识能力
资源管理与情景意识能力紧密相关，因为识别可用的资源对于异质系统中的资源管理是非常重要的。情景是指“代理周围的整个环境以及代理内部的状态”，也可以将它定义为影响用户行为的环境要素。情景意识能力包括：当用户移动时在系统之间转移必要的数据，用户可以改变应用接口来获取与位置相关的信息，用户可以随时搜索附近的网络打印机以及采用节省功耗的传输调度等。情景不仅依赖于用户的位置，而且与用户周围的环境相关。另外，在决定业务可以获得的QoS时需要考虑网络的连接、通信的费用、链路的带宽和用户的位置等因素。例如，当网络带宽允许时可以使用PDA传输多媒体业务，而在网络负载较重时只能提供数据报业务。与此同时，我们可以使用Mobile IP协议来提供位置透明性，通过隧道机制在新旧接入路由器之间转发分组来减少分组的丢失，并能够根
据情景来选择最适合QoS要求的网络接口和协议。
4. 其他需要考虑的问题
除了上面讨论的几个方面外，在移动环境管理QoS还需要考虑和解决以下问题：
(1)在考虑端系统和网络是异质性的情况下，如何为应用提供情景意识能力，
并对网络的动态变化做出自适应性反应。
(2)基于情景意识的资源映射以及具有QoS意识的资源管理模型。
(3)使用各种过滤机制，包括延迟数据、拒绝数据流以及对数据进行分层或隔离处理。
(4)不仅需要在网络边缘进行允许控制和业务量整形，在移动网络内部也要实施相应的业务量工程以及需要快速建立资源预约的机制。此外，还需要定制新的与移动环境相关的QoS参数，如功率级别、信扰比(SIR)等。
(5)借鉴集成服务/RSVP和区分服务模型来构建适合于移动网络环境的服务模型。
2.3 IP QOS实现机制
2.3.1 IP QoS产生的背景
互联网源于美国国防部的ARPANET计划。在上世纪60年代中期，正是冷战的高峰，美国国防部希望有一个命令和控制网络能够在核战争的条件下幸免于难，而传统的电路交换的电话网络则显得太脆弱。国防部指定其下属的高级研究计划局（ARPA）解决这个问题，此后诞生的一个新型网络便称为ARPANET。当ARPANET与美国国家科学基金会（NSF）建成的NSFNET互联以后，其上的用户数以指数增长，并且开始与加拿大、欧洲和太平洋地区的网络连接。到了80年代中期，人们开始把互联的网络称为互联网。
早在70年代中期，ARPA为了实现异种网之间的互联与互通，推出了TCP/IP 体系结构和协议规范。时至今日，TCP/IP协议也成为最流行的网际互联协议。它不是国际标准化组织制定的，却已成为网际互联事实上的标准，并由单纯的TCP/IP协议发展成为一系列以IP为基础的TCP/IP协议簇。TCP／IP协议簇为互联网提供了基本的通信机制。
随着互联网的指数增长，其体系结构也由ARPANET基于集中控制模型的网络体系结构演变为由ISP运营的分散的基于自治系统（Autonomous systems AS）模型的体系结构。互联网目前几乎覆盖了全球的每一个角落，其飞速发展充分说明了TCP/IP协议取得了巨大的成功。
但是互联网发展的速度和规模，也远远出乎于二十多年前互联网的先驱们制定TCP/IP协议时的意料之外，他们从未想过互联网会发展到如此的规模，并且仍在飞速增长。随着互联网的普及，网络同人们的生活和工作已经密切相关。同时伴随互联网用户数膨胀所出现的问题也越来越严重。除了我们众所周知的IP 地址匮乏外，另外一个严重问题就是缺乏服务质量（Quality of Service QoS）
保障。
现有的互联网所提供的是"尽力而为"（best-effort）的服务，在这种服务模型下，所有的业务流被"一视同仁"地公平地竞争网络资源，路由器对所有的IP 包都采用先来先处理（First Come First Service FCFS）的工作方式，它尽最大努力将IP包送达目的地。但对IP包传递地可靠性、延迟等不能提供任何保证。这很适合E mail、Ftp、WWW等业务。
但随着互联网的高速增长，IP业务也得到了快速增长和多样化。特别是随着多媒体业务的兴起，计算机已经不是单纯的处理数据的工具，而是越来越贴近生活，计算机的交互越来越实时和生动，这对计算机互联网络也就相应地提出了更高的要求。对那些有带宽、延迟、延迟抖动等特殊要求的应用来说，现有的"尽力而为"的服务显然是不够的。尽管由于网络技术的发展，网络带宽以及网络速度都得到了极大的提高，但需要通过网络传输的数据却也几乎以与网络发展速度相同的速度增加，甚至超过网络发展的速度，这使得网络带宽与网络速度依然是一个瓶颈问题。同时，近年来发展起来的一些新的应用（如多媒体应用，组播应用等）不仅增加了网络流量，更因为这些应用改变了以往互联网上的流量性质，因而它们需要全新的服务要求。由于不具备服务质量保障特性，不能预留带宽，不能限定网络时延，因此，目前的因特网无法支持许多新的应用如远程教学、远程手术、远程会议和学术交流等。
2.3.2 IP QoS的定义及其实施方案
IP QoS的研究目标是有效地为用户提供端到端的服务质量控制或保证。QoS 就是网络单元（例如，应用程序，主机或路由器）能够在一定级别上确保它的业务流和服务要求得到满足。QoS并没有创造带宽，只是根据应用程序的需求以及网络状况来管理带宽。IP QoS有一套性能参数，主要包括：
?业务可用性：用户到Internet业务之间连接的可靠性。
?传输延迟：指两个参照点之间发送和接收数据包的时间间隔。
?可变延迟：也称为延迟抖动（Jitter），指在同一条路由上发送的一组数据流中数据包之间的时间差异。
?吞吐量：网络中发送数据包的速率,可用平均速率或峰值速率表示。
?丢包率：在网络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率。数据包丢失一般是由网络拥塞引起的。
实现QoS的一种方法是按照服务水平的要求分配资源给每一个数据流。
这种采用"资源预留"进行带宽分配的方法并不适合"尽力而为"型应用。由于