移动互联网的QoS解决方案

随着互联网和无线通信技术的飞速发展，移动信息社会正在快速演进。方便快捷、随时随地获取信息和服务是用户的需求，这也是移动信息社会的特征，而移动互联网则是构筑移动信息社会的基础设施，它应该提供安全、可靠并具有服务质量(QoS)保障的信息传送服务。然而由于移动互联网的拓扑结构和资源都在动态变化，因此要提供服务质量保证是一项极具挑战性的工作。可以说，移动互联网的QoS已成为奠定移动信息社会的关键技术之一。

　　本文将探讨在移动互联网中解决QoS的相关问题，特别是固定网络中的两种QoS体系结构(即IntServ和Diffserv)如何在移动环境中支持QoS的问题。

　　1 移动环境下的IntServ和RSVP

　　1.1 IntServ和RSVP

　　IntServ(集成服务)是IETF(国际工程任务组)提出的一种在Internet中保证服务质量的框架。IntServ中业务质量得到保障的关键在于RSVP(资源预留协议)。

　　资源预留协议是IntServ中通信实体间传送应用层服务质量需求的信令协议。其中，PATH(路径)消息用于携带应用的业务流特性，并建立从发送方到接收方的路由，而RESV(资源预留)消息则按照PATH消息的反向路径为应用预留资源，从而为应用提供一定的服务质量的保证。

　　目前IntServ不能在移动环境中为用户提供服务质量保证，是由于RSVP协议有如下几个缺陷：

• RSVP无法感知主机的移动，因而不能在移动主机(MH)即将访问的位置提前预留资源，导致主机移动到新的子网后往往遇到资源预留失败，在新位置上的服务质量无法得到保证。
  
• RSVP不支持经过IP隧道的资源预留，通过隧道的数据包无法得到服务质量保证。
  
• RSVP信令开销过大。每当移动主机改变位置后，RSVP都需要在端到端之间重新建立资源预留。
  
• RSVP不支持被动资源预留，导致网络资源利用率较低。
  

　　针对RSVP的缺陷，下面介绍几种它能够适应移动环境的改进方案。

　　1.2 MRSVP

　　MRSVP[1]是一种扩展RSVP支持移动性的方案。在MRSVP中，协议预测主机未来可能到达的位置，并在这些位置提前预留资源，从而保证移动主机的服务质量。提前预留资源的工作由每个子网中的移动代理代替移动主机来完成。

　　在MRSVP中有两种资源预留类型，即主动和被动。主动资源预留用于移动主机的当前子网，被动资源预留用于移动主机未来访问的子网；被动预留的资源可以被该子网中其他业务流使用。而当移动主机移动到新的子网时，该网中被动预留的资源即转变为主动预留资源，原来使用被动预留资源的业务流需要立刻释放所占有的资源。

　　由于MRSVP在移动主机可能到达的位置提前预留资源，使得移动主机可以在新的位置获得所需的带宽，从而保证了移动主机的服务质量。MRSVP的缺陷在于此协议需要在移动主机可能访问的多个位置预留资源，导致网络资源利用率低。此外，MRSVP协议的复杂性也比较高。

　　1.3 基于RSVP隧道的RSVP协议

　　移动IP协议使用隧道来转发用户数据，但是RSVP消息经过IP-IP封装后进入隧道，使隧道中的路由器无法识别RSVP请求，不可能为业务流预留资源。文献[2]提出了一种解决资源预留协议穿越IP隧道的方案，并在此基础上还开发了一种简单的、向移动主机提供服务质量的协议。
该协议的关键是在隧道的两个端点之间新建一个RSVP隧道会话。端到端的RSVP会话把隧道看作是从源点到目的点之间的一段逻辑链路。当一个端到端的RSVP会话经过隧道时，它被映射到另一个RSVP隧道会话中。RSVP隧道会话从隧道的出口向隧道的入口按照通过隧道的总业务量预留资源。图1显示了从通信对端(CN)到移动主机（MH）的资源预留，由端到端的资源预留以及隧道资源预留两部分组成。

图1 基于RSVP隧道的RSVP协议

　　本方案的优点在于不需要对现有的RSVP协议作大的改动，协议的开销比较小，但是该协议不能完全保证移动主机的服务质量，而且受三角路由的影响，难以做到资源优化。

　　1.4 基于组播的RSVP

　　文献[3]提出了一种基于组播方式的RSVP协议。在这种方案中，移动主机由一个组播地址唯一标识。主机的移动可视为组成员的变动。由移动代理代替移动主机处理与移动相关的RSVP消息并保存相应的状态。所有移动主机发送、接收的RSVP消息和IP数据包都通过IP组播路由传送。该方案同时还采用了类似于MRSVP的预测机制，将移动主机下一步将要访问的位置提前加入到组播树中并预留资源。通过这种方式，既避免了三角路由问题，也避免了多余的端到端RSVP消息，在满足移动主机服务质量需求的同时，提高了网络资源利用率。但是该方案采用组播地址标识移动主机，这与现有的移动IP路由协议有冲突。

　　1.5 DRSVP

　　在无线网络环境中，即使预留资源也不能完全保证提供给移动主机的服务质量，这是因为无线链路受干扰和衰落的影响带宽是不确定的。用户实际使用的带宽可能小于接纳控制时承诺的带宽，从而造成服务质量下降。文献[4]提出了一种支持可变服务质量的动态资源预留协议(DRSVP)。在DRSVP的支持下，用户能够根据网络带宽的变化动态调整服务质量要求，从而扩展了应用的适应范围。

　　DRSVP的主要思想是：

• 在PATH消息中增加一个业务描述符SENDER_TSPEC，在RESV消息中增加一个流描述符FLOWSPEC，用于表征一定范围内的业务流特性。
  
• 在RESV消息中增加一个测量描述符MSPEC，用于指示下游的资源“瓶颈”。
  
• 增加一个预留通知消息ResvNotify，用来指示上游节点的资源“瓶颈”。
  
• 引入新的带宽分配算法，以适应网络资源的动态变化。
  

　　RSVP的带宽分配策略是：如果网络节点有足够的资源，就为每个流分配它们期望的最大带宽；如果网络节点资源不足，无法为所有业务流分配最大带宽，则首先按照路径上的“瓶颈”带宽为所有业务流分配资源，然后将剩余带宽按照一定的比例分配；如果本节点就是网络资源“瓶颈”，则首先为每个业务流分配它所需要的最小带宽，并将剩余带宽在所有业务流中按一定比例分配；最后，如果网络节点的带宽不能满足业务流的最小带宽需求，就拒绝这个流。

　　本方案的优点是允许应用在一定范围内预留资源，因此网络能够更好地支持应用的服务质量，网络资源利用率也得到提高。这非常适合于资源处于动态变化的无线网络，但是DRSVP协议的复杂度比较高。

　　还有一些对移动环境下RSVP协议的改进建议包括在文献[5—8]等文献中。其中文献[5]将RSVP与MIP(移动IP)的区域注册机制集成在一起，文献[6]要求RSVP消息携带移动主机对于可能访问的位置的到达时间以及在这些位置停留的时长，以减少由于提前预留资源所造成的网络资源浪费。

　　2 移动环境下的DiffServ

　　2.1 DiffServ概述

　　DiffServ(差分服务)是IETF提出的另一种在固定网络中支持服务质量的框架。它采用基于优先级的策略来保证用户的服务质量，不采用端到端的信令，只根据用户与网络事先协商好的服务质量等级为用户提供相对的服务质量保证。

　　与IntServ类似，目前的DiffServ也不适用于移动和无线环境，其原因是：

• DiffServ没有信令，使用隐式的接纳控制机制，而且接纳控制是针对会聚流的。这样，当网络资源不足时，本来还可以满足部分用户的质量要求，但在DiffServ机制下却可能没有一个用户能够得到满意的服务质量。这对于链路资源十分宝贵的无线网络是不能接受的。
  
• DiffServ不能动态配置服务质量参数。当某个用户的服务质量发生变化后，网络提供者需要静态配置变动的参数，造成了很长的时延，无法适应无线移动网络的应用需求。
  

　　下面分别介绍几种DiffServ的改进方案。

　　2.2 无线环境下的DiffServ框架

　　文献[9]对DiffServ作了以下改动：

• 增加了信令协议：利用ICMP(网间控制报文协议)作为DiffServ下的信令，用于传送移动终端和基站之间的控制消息及相关参数(如移动终端的能量、当前的丢失率等)。
  
• 增加了对移动性的支持：在每个区域创建一个称为New-mobile的业务类别，用来为移动主机预留带宽，或者赋予移动主机高优先级，使其在切换时能够抢占低优先级业务的带宽。
  
• 增加了对高误码无线链路的支持：在每个子网中生成补偿业务类别并占用一定的带宽，用来补偿移动终端遇到高误码链路时损失的带宽。
  
• 增加了对低速无线链路的支持：由基站过滤部分不重要信息，以解决组播时有线和无线链路速率不匹配的问题。
  
• 增加了对移动终端能量的处理：和上一条的做法相似，当移动终端能量不足时，基站只把最重要的分组发送给移动终端，从而减少终端的能量消耗。

　　2.3 基于TELEMIP的DiffServ

　　文献[10]提出了一种基于TELEMIP(电信移动IP)协议和DiffServ的移动QoS方案。该方案是一种两层的体系架构：全局性的移动路由和管理仍采用移动IP协议，DiffServ域内的移动则由新的域内移动管理协议(IDMP)来管理，同时还采用了控制流与数据流分离的策略。该方案把端到端的QoS管理分为两部分：在无线接入网和Internet骨干网之间仍然采用原来的DiffServ机制管理它们的资源需求，而在无线接入网内采用动态资源的提供方式。

　　该方案在无线接入DiffServ网中有几个重要的功能实体(如图2所示)，分述如下：

图2 基于TELEMIP的DiffServ结构图

　　(1)SA(子网代理)执行本地DiffServ域边缘节点的功能。SA要对IP分组分类，调节业务流使其符合协商的业务流特性，并对分组作标记。SA通过IDMP协议从MA(移动代理)获得移动主机的业务流特性。当移动主机第一次进入DiffServ域时，SA需要查询MS(移动服务器)以识别移动主机的身份。在SA中不同业务类别所得到的带宽可通过BB(带宽代理)发出的指令动态修改。

　　(2)MA处于本地无线DiffServ网与Internet骨干网的边界。对于流出无线接入网的业务量，MA负责汇聚业务流特性的调整，以符合静态的全局业务流合约；对于流入的业务量，MA作为本地无线DiffServ网的入口点，负责流入业务的整形和标记。MA向BB请求汇聚流的带宽，而不是针对某个移动主机请求带宽。

　　(3)BB是本地DiffServ域中用于执行接纳控制和提供QoS的实体。BB保存DiffServ域中每条路径向每个业务类型分配的带宽。MA会向BB请求在某个路径上为某类业务分配额外的带宽，BB将此请求发送到域内的相关节点，以动态改变不同业务类型的资源。BB还需要同其他DiffServ域中的BB协商全局的QoS。

　　(4)MS用于为每个新进入DiffServ域的移动主机分配它的MA。MS通常与BB处于同一个节点。所有的控制流经CORBA/COPS(公共对象请求代理体系/公共开放策略服务)平台完成通信。

　　该方案的工作流程如下：

　　当移动主机第一次进入无线DiffServ域时，向SA发送一个本地IDMP注册请求，并申请一定的服务质量。SA通过CORBA接口向MS请求一个能处理该移动主机服务质量请求的MA。当移动主机获得MA的地址后，就向MA作域内注册。如果MA需要额外的带宽满足本移动主机的请求，它会向BB发出请求。BB随后可使用COPS协议动态配置域内节点的资源。当MA的资源不足时，它可以在注册应答中改变移动主机的QoS类型。最后MA使用IDMP控制消息在相关的SA上设置业务调节器和标记器的状态。

　　基于TELEMIP的DiffServ把DiffServ与移动IP区域注册机制结合起来，把主机移动期间的QoS控制在无线DiffServ域中，从而简化了端到端的QoS控制，同时通过使用BB和动态资源分配策略适应了主机移动的需求。另外，这个方案将控制与用户业务分离，扩展了DiffServ的功能。

　　移动环境下的DiffServ解决方案除上述方案外，还包括文献[11]和[12]中提出的方案。

　　3 IntServ与DiffServ混合支持移动服务质量的方案

　　3.1 使用RSVP的IntServ-DiffServ

　　文献[13]提出了结合IntServ和DiffServ支持移动QoS的方案。该方案既具备DiffServ扩展性好的优点，又能够利用RSVP作显式接纳控制，克服了DiffServ静态资源分配的缺陷。

　　图3是该方案的体系结构图。在边缘无线接入网使用IntServ机制，而在核心骨干网采用DiffServ机制。为了提供移动服务质量保证，该方案在移动主机和通信对端之间采用RSVP信令。PATH和RESV消息经过无线接入网的操作与传统的RSVP信令相同。不同之处在于PATH和RESV通过DiffServ骨干网时的处理。

图3 IntServ-DiffServ混合的移动Qos支持方案

　　若骨干DiffServ域的边缘路由器以及所有内部路由器不支持RSVP。这时DiffServ域中的节点忽略收到的PATH和RESV消息。IntServ域的边缘节点(ER2)充当了DiffServ域接纳控制代理。ER2根据IntServ域和DiffServ域之间静态QoS协定，获知DiffServ域中的资源状况。当RESV消息到达ER2时，ER2比较当前RESV中请求的资源与DiffServ域中可用的资源，决定是否接受此次资源请求。如资源预留成功，ER2把IntServ QoS映射成DiffServ的QoS类型(DSCP)，MH把分组打上从RESV中获得的DSCP标记，这样分组就可以在DiffServ域中得到期望的服务。

　　若DiffServ域的边缘节点和内部节点都支持RSVP，则不需要ER2做DiffServ域的接纳控制代理。BR(边缘路由器)虽然具有RSVP的功能，但仍然按照DiffServ方式对分组进行分类，并调度汇聚流。DiffServ域中可用资源的变化可以通过RSVP信令传递给IntServ域。当然，DiffServ也可以通过带宽代理协议把域内的资源状况通知给IntServ。

　　该方案需要解决如何将IntServ的服务质量映射为DiffServ服务类别的问题。

　　3.2 使用MIPv6的IntServ-DiffServ

　　RSVP协议虽然可以充当移动环境中的信令协议，但是它的资源预留时间较长(一个环回时延)，不能及时为移动主机预留资源。文献[14]提出了一种扩展目前MIPv6中的主机位置变更信令的建议，使其能够携带RSVP中的QoS信息，从而达到QoS动态协商的目的。与RSVP相比，这种方案有如下一些优点：

• 把QoS信息与路由变更信息绑定在一起，大大减少了网络中的信令负荷。
  
• 由于该信令能够感知主机位置的变动，因而在新的位置上预留资源的速度比RSVP快。
  
• 由于该信令是发送者驱动的，能够在发送者去往接收者的路径上建立资源预留，因此缩短了资源预留的时间。
  
• 可以很容易地与各种MIPv6的微移动方案结合起来，使得QoS的修改请求只在受主机移动影响的路径上执行，减少了冗余信令的传输以及路由器的处理开销。为了在MIPv6的BU(绑定更新)和BA(绑定应答)消息中完成QoS的协商，需要扩展这两个消息以传送QoS对象。具体的消息格式请参阅文献[14]。
  

　　4 结束语

　　随着移动计算技术的发展和移动用户业务多样化需求的不断增长，为移动用户提供服务质量保证是下一代移动互联网的重要目标。本文探讨了目前提出的基于IntServ和DiffServ的支持移动服务质量的体系结构并分析了这些方案的优缺点。

　　总而言之，移动环境下的QoS策略的发展趋势是在核心采用DiffServ，在无线接入网既可采用IntServ也可采用DiffServ。无线接入网内需要有强大的信令协议以支持动态的资源分配策略。将资源分配信令与移动主机位置管理信令相结合，能够加快动态资源分配，并减少不必要的信令开销。在服务质量框架的基础上，结合移动环境下的接纳控制策略，以及无线分组调度技术等不同协议层的支持，将可以解决未来移动互联网的服务质量保证问题。

　　参考文献

　　1 Talukdar A K, Badrinath B R, Acharya A. MRSVP: A Resource Reservation Protocol for An Integrated Services Network with Mobile Hosts. Wireless Networks, 2001, 7(1): 5-19
　　2 Terzis A, Srivastava M, Zhang L. A Simple QoS Signaling Protocol for Mobile Hosts in the Integrated Services Internet. IEEE INFOCOM´99, NY, 1999: 1011-1018
　　3 Chen W, Huang L, Chu H. RSVP Mobility Support: A Signaling Protocol for Integrated Services Internet with Mobile Hosts. IEEE INFOCOM´ 2000, Tel-Aviv, Israel, 2000:1283-1292
　　4 Mirhakkak M, Schult N, Thomson D. Dynamic Bandwidth Management and Adaptive Applications for a Variable Bandwidth Wireless Environment. IEEE Journal On Selected Area in Communications, 2001,19(10): 1984-1997
　　5 Tseng C C, Lee G, Liu R S. HMRSVP: A Hierarchical Mobile RSVP Protocol. International Conference on Distributed Computing Systems Workshop 2001, Mesa, Arizona, 2001:467-472
　　6 Kuo G S, Ko P C. Dynamic RSVP for Mobile IPv6 in Wireless Networks. IEEE VTC 2000, Tokyo, Japan, 2000:455-459
　　7 Foo C C, Chua K C. Implementating Resource Reservation for Mobile Hosts in the Internet Using RSVP and Mobile IP. IEEE VTC, Tokyo, Japan, 2000:1323-1327
　　8 Yasukawa S, Nishikido J, Hisashi K. Scalable Mobility and QoS Support Mechanism for IPv6-based Real-time Wireless Internet Traffic. IEEE GLOBECOM´01, San Antonio, Texas, 2001:3459-3462
　　9 Mahadevan I, Sivalingam K M. Architecture and Experimental Framework for Supporting QoS in Wireless Networks Using Differentiated Services. Mobile Networks and Applications, 2001, 6(4):385-395
　　10 Misra A, Das S, Mcauley A, et al. Integrating QoS Support in TeleMIP´s Mobility Architecture. ICPWC´2000, Hyderabad, India, 2000: 57-64
　　11 Chen J C, McAuley A, Caro A, et al. QoS Architecture Based on Differentiated Services for Next Generation Wireless IP Networks. Internet Draft, 2000
　　12 Yoon S U, Lee J H, Lee K S, et al. QoS Support in Mobile/Wireless IP Networks Using Differentiated Servcies and Fast Handoff Method. IEEE Wireless Communication and Networking Conference, Chicago, 2000: 266-270
　　13 Chugh S S. Supporting Quality of Service in Mobile Networks. http://fiddle.visc.vt.edu/courses/ecpe6504-wireless/projects_spring2000/pres_chugh.pdf
　　14 Chaskar H, Koodli R. A Framework for QoS Support in Mobile IPv6. Internet Draft(work in progress), March 2001

[摘要] 文章探讨了目前提出的支持移动服务质量的各种方案，并对这些方案的技术特点作了分析与比较，最后讨论了未来移动服务质量的发展趋势和有待研究的课题。

[关键词] 服务质量；集成服务；差分服务；移动互联网

[Abstract] Various schemes that have been raised for supporting mobile QoS are discussed in this letter. The characteristics of those schemes are analyzed and compared with each other. Finally the development trends of mobile QoS and topics for further study are discussed.

[Keywords] Quality of service; Integrated service; Differentiated service; Mobile Internet