WLAN中QoS关键技术讨论

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引言　

      通信技术和网络技术的迅速发展加速了信息交流,同时,全球经济的发展进一步推动了信息全球化,刺激了通信技术的发展。在继固定电信网为代表的有线网络称为通信的主要载体后,在微处理器技术和无线电技术迅速发展的今天,无线通信已成为通信网络不可缺少的一部分。由于技术的不同,无线通信呈现出多样化的特点:无线本地环路(WLL) 、基于蜂窝的无线网络、宽带卫星网络、基于局域网的无线网络等。同时,以TCP/ IP 协议簇为基础的Internet ,其传输内容从以数据为主发展到语音、数据、图象、视频等,其传输方式从有线扩展到无线,无线局域网(WLAN) 就是Internet 在无线领域的重要代表。

      随着用户和信息量加大,“信息高速公路”已经成为“全球范围内的等待,为了满足人们的需要,在努力增加传输带宽的同时,采用各种可能的技术保证网络的服务质量(QoS ,Quality of Service) 成为另一发展目标。资源预约/ 集成服务(RSVP/ IntServ , Re-source Reservation Protocol , Integrated Service) 和区分服务(DiffServ ,Differentiated Service) 是目前实现IPQoS 的两个主要技术,本文将详细进行讨论。

WLAN 中的QoS

      2000 年IEEE802.11e 工作会议上针对QoS 要求的不同,将应用分为:语音(Voice) 、音频(Audio) 、视频(Video) 、交互式多媒体( Interactive Multimedia) 、无仲裁的点对点通信(Peer - toPeer communication with-out intermediary) 和视频会议。

      Jing - Meng Ho 提出了“针对802.11MAC 的Me2diaPlex QoS 扩展”,旨在完成兼容802.11 标准,通过简单修改MAC 机制提供QoS 服务. 该方法不修改DCF (Distributed Coordination Function) , 只改动PCF(Point Coordination Function) ,通过集中调度降低DCF方式下的冲突,站点只在每次数据突发时进行预约,只有预约请求才会引起冲突,只有当有数据发送给站点时才轮询该站点,降低了开销,改进了访问时延和信道吞吐率。

      Rajugopal Gubbi 提出了“动态TDM,非轮询信道访问机制”,采用“传输分层”机制,将无竞争期CFP(Contention Free Period) 分为多个传输时隙分配个各个MT;MT在分配给自己的时隙内传输,并对一次突发传输中的最后一个分组进行标识;下一个MT 检测到这个标识后就开始传输。由于基于轮询的机制比竞争机制能更好地利用信道,Jim Mollenauer 提出了“提供严格QoS 保证的基于轮询的PCF”,AP 设置点协调间隔,轮询站点并指明它的传输时间;站点只有被轮询时才发送组,从而避免了竞争。站点的传输时间是根据QoS 请求和渐进的分类方式来计算的,如果一个站点没有利用完分配给自己的传输时间,则降低对轮询的频率,下一个站点可以提前进入传输;如果一个站点用完了分配给自己的时间,下一次分配给它的时间就会增加。 S. D. Gray 和M. Deboille提出了针对不同站点的不同发送速率,利用排序的方法改进系统吞吐率和分组丢失率的方法:“PCF 的帧排序”,对站点的排序采用从高速到低速率的方式排列,能提高整个系统的吞吐率和降低分组丢失率。

QoS 中RSVP 工作组和区分服务DiffServ工作组

      QoS 是一些技术的总和,网络管理员可以通过这些技术优化网络资源的利用,而不是简单增加带宽,达到管理网络拥塞的能力。转发设备上转发流量的接口的容量是一种基本的网络资源,QoS 机制通过在流之间分配这种资源来提供不同的服务质量。它的研究内容包括体系结构、价格策略、接入控制、分类策略、转发策略等。为此IETF 组成了多个工作组,其中最引人关注的是资源约束协议RSVP 工作组和区分服务DiffServ 工作组。

RSVP 和IntServ

      RSVP 是一种信令协议,主机用它在网络中预约资源。IntServ 是一个体系结构,用来提供端对端服务。它为应用程序提供了选择多个和可控制等级转发服务的能力。它有两种服务模型:有保证服务和可控制负载的服务。IntServ 基于网络能够提供流量处理机制的前提下提供端到端的服务,流量处理机制是保证每个业务流的服务与其它业务流的服务严格独立的一种机制;RSVP 是一种能够在网络设备中配置流量处理机制的机制。IntServ 可以利用RSVP 来建立通路和预约资源。RSVP/ IntServ 可以提供严格的端到端服务质量。RSVP 的主要特点是:

1) 在RSVP 节点建立“软状态”信息;

2) 是接受端驱动的协议,接受端控制约束请求;

3) 能灵活的控制预约共享和子流的转发;

4) 适用于IP 多播。它不是路由协议,只关心分组得到所需的QoS;RSVP 有两个用途:由终端向网络为某个流申请QoS 和网络节点向一个流所经的路上的所有的节点通告QoS 请求。RSVP 节点包含分组分类器、管理控制部分和分组调度器。

      IntServ 功能由四部分实现:信令协议、管理控制路由、分类器和分组调度器。管理控制路由判断一个请求能否被满足;分类器对分组进行分类并放入相应的队列;分组调度器按照制定算法分组以满足它们的QoS 要求。要求有保证服务或可控制负载服务的应用在传输数据之前应建立路径并预约资源。

区分服务DiffServ

      由于RSVP/ IntServ 难于实现, IETF 提出了区分服务DiffServ. DiffServ 在IP 头定义了DS 域,利用该域值DSCP (DiffServ codepoint) 定义了一组每跳行为PHB 以提供不同的转发机制。根据不同DSCP ,转发结点采用不同PHB ,提供不同等级的区分服务。

      为了获得区分服务,用户应先与网络服务提供商( ISP) 协商服务等级协议(SLA ,Service Level Agreement) ,SLA 定义了网络所能提供的服务等级、每个等级所能允许的最大流量等信息。SLA 可以是静态和动态的。

      用户负责标识分组的DS 域(也可由ISP 的入口节点标识)。ISP 的入口节点对分组进行分类、整形、策略,并且根据DSCP 对流进行聚合,将成千上万的任务流聚合成数目很少的聚合流。内部节点不需要分类、整形、策略,只根据PHB 转发分组。当分组从一个DS 域进入另一个DS 域,其DSCP 可能会被重新标识。

      同RSVP/ IntServ 相比较后, 可以发现RSVP/IntServ 存在的主要问题:

1) 节点的状态信息随流数增加而增加,扩展性差;

2) 每个节点必须都支持RSVP ;

3) 有保证业务的开发工作量巨大;

4) 管理功能复杂,灵活性差;

5) RSVP/ IntServ 最初只关心多媒体应用,而一些非多媒体的面向任务的应用的重要性没有得到重视.DiffServ 优势在于:

1) 节点的状态信息和服务等级的数目成正比,扩展性好;

2) 只在边缘节点进行分类、重标识、整形、策略,中间节点只对聚合流进行操作;

3) ISP 之间的SLA 容易扩展. 其缺点在于相对区分服务不能提供端到端的服务质量保证,绝对区分服务虽然能提供,其实现要比相对区分服务复杂。

RSVP 和DiffServ 相结合提供区分服务

      将RSVP 和聚合流量处理机制组合就能解决其扩展性的问题。RSVP 给网络提供了健壮的分组分类标准,通过检测RSVP 分组,管理系统可以获得可靠和实时的分类信息。另外,RSVP 的消息分组中包含的请求的服务类型、描述流量特征的参数、哪个网络节点影响性能等信息能沿着特定路径协调流量处理机制的配置,避免了管理员参与动态管理流量容量。基于每个会话的信令协议和聚合流处理机制的结合可以建立一个提供健壮的、高质量保证的QoS网络,同时具有很好的扩展性。图1 给出了用RSVP作为DiffServ 网络接入控制机制的例子。



       图中,中间的网络是ISP 的DiffServ 网络,另外两个网络是用户接入网, 分别和DiffServ 网建立了网络等级协议SLA. 用户网为了充分利用昂贵的低时延服务,可以指定只有某些用户/ 程序可以使用这些服务,同时,当申请高等级服务的流量超过了SLA 的规定,可保留某些流量的等级,而降低另一些流量的等级。对DiffServ 的接入控制在接入网中就可以完成. R1 ,R2 ,R5 ,R6 参与RSVP 信令的配置。终端A 请求低时延服务,其PATH 消息抵达R1. R2 会将该用户/ 应用和策略列表进行比较。如果符合接入策略且带宽足够,则接纳该请求,将消息送到DiffServ 网。在DiffServ 网中,该RSVP 消息被当作数据分组转发。终端B 接受后,发出RESV 消息,只有该消息被接入网B (R5) 接受,才可以进行资源预约。

结束语

本文中,笔者细详介绍了WLAN 中的QoS ,对于目前QoS 中的极为关键的技术RSVP 工作组和区分服务DiffServ 工作组进行讨论,分析其技术特点以及二者合一来解决实际中扩展性问题。