卫星—地面混合网络IP QoS关键问题研究

摘要

混合网络是指由卫星网络和地面网络共同组成的网络结构。卫星网络具有卫星通信的所有优点,而地面网络具有对用户密度大的重点区域进行密集覆盖，有稳定庞大的用户群，占有绝大多数信息资源等特点。因此卫星和地面网络的整合已经成为全球信息系统建立的关键因素。整合的焦点是如何增强和完善网络的覆盖范围，与此同时，如何给移动用户提供全球漫游和所有域之间有效的网络互联能力。
　　网络的服务质量随着网络业务的发展变得越来越重要。互联网的初衷只是保证转发的健壮性，对服务质量没有考虑。目前，在高速网络中按照用户的要求提供服务质量(Quality of Service, QoS)控制是一个普遍要求，也是互联网发展的重要挑战。商业客户希望网络能够提供有保证的服务；运营商渴望细分用户群，提供不同的服务，收取不同的费用。现有路由协议导致流量的不均匀分布，造成网络阻塞；用户对网络资源需求增加的速度最终将超过网络带宽增加的速度，这些因素促使现有网络演变成能够提供服务质量的网络。网络转发设备上对流量进行转发的接口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，接入控制，分类策略，转发策略等。计算机网络的QoS已经成为当今国际网络研究领域最重要、最富有魅力的核心领域之一，也是网络中研究和开发的热点问题。
　　端到端QoS解决方案需要协议间共同协调。综合业务模型(IntServ)和区分业务模型(DiffServ)都是IETF(Internet Engineering Task Force)正在研究的IP QoS保证模型。IETF的综合服务工作小组致力于为应用的端到端资源要求提供可实施的方案。IntServ虽然能提供端到端的QoS服务，但是它的操作粒度为单个的数据流，这使得IntServ向骨干网的扩展遇到了极大的麻烦。庞大的流量管理和众多数据流状态的保存，使得它的扩展性变得非常差。DiffServ并不提供从发送者到接收者的端到端QoS保证，而是在一定范围内保证与业务分类相对应的服务质量。它弱化了对信令的依赖，全部处理都基于对Internet业务流的分级，因此它具有较大的可扩展性。但是这两种IP网络的QoS控制都不能完全满足需要，如前所述它们各自有自己的优点和局限。为了支持端到端QoS，可考虑将IntServ，RSVP，和DiffServ看作是互相补充的技术。将其相结合，互相协同，共同实现端到端的QoS提供机制。最终达到既能提供类似状态相关网络强有力的服务，又能实现与状态无关网络近似的可扩展性和鲁棒性。本文的第2章就是针对卫星和地面网络组成的特殊网络结构，综合应用IntServ，DiffServ，和RSVP提出了一种提供端到端的QoS的解决方案，对聚集RSVP和DiffServ相结合提供QoS的机制进行了详细地设计，同时对两种网络衔接过程中起关键作用的网关站进行了功能分析和设计。
　　业务源模型在网络的性能研究中占有重要的位置，对网络QoS的分析也有举足轻重的意义。随着网络业务的不断复杂化，原有的传统业务源模型已经不能很好地表现业务流的特性。自相似业务流模型能够反应当今网络具有突发性强的特性，因此成为研究的热点。文章通过仿真研究，对具有不同自相似特征参数的业务流进行聚合后的性能进行了研究，发现聚合流仍然具有自相似的特点，并且用来表征自相似特性的参数H，非常接近具有最大自相似参数业务流的H值，也就是聚合后业务流的突发性和具有最强突发业务的信源的突发性一致。
　　文章提出了一种基于自适应窗口测量的接入控制算法，该算法由两层子算法组成。基于测量的接入控制不需要事先过多获知业务流的特征参数，且算法本身对业务流的变化具有适应能力。本文的自适应窗口算法进一步增强了基于测量的接入算法的适应能力，可以根据业务流的特点，自动调整测量窗口的大小，能满足网络对链路利用率和延迟要求。
　　分组调度算法是实现网络服务质量控制的核心机制之一，是网络资源管理的重要内容，通过控制不同类型的分组对链路带宽的使用，使不同的数据流得到不同等级的服务。调度算法的基本功能是从节点的每一个输出链路中挑选出在下一个有效周期发送的分组。QoS传输调度控制的基本原则为：带宽的保证、流的隔离、延时的保证和公平选择等。协议和算法的复杂性要适应网络高速传输并便于实现，使其具有可扩展性和鲁棒性。文章在对公平队列算法进行了系统综述的基础上，从理论上分析服务公平指数边界和最坏情况公平指数边界之间的关系。通常情况下，获得服务公平指数边界容易一些，而获得最坏公平指数边界比较难，有的算法根本甚至无法得到。因此本文推导的两者之间的关系，对最坏公平指数边界的估计具有较强的指导意义。

目录

卫星-地面混合网络IP QoS 关键问题研究

KEY RESEARCH ON IP QOS IN SATELLITE-TERRESTRIAL HYBRID NETWORKS

摘要

Abstract

Contents

绪论

引言

卫星互联网

卫星的主要优势

宽带卫星业务市场

静止轨道区域卫星移动通信系统

星上处理能力

卫星互联网

IP QoS

IP QoS 的发展

IP Qos基本技术概述

论文的主要内容

混合网络端到端QoS实现框架研究

综合服务模型

有保证的服务

可控负载服务

最大努力

资源预留协议

综合服务的局限性

区分服务模型

几个概念

区分服务的组成部分

区分服务中的服务

Diffserv的局限

区分服务和综合服务相结合的端到端QoS提供机制

区分服务网络支持综合服务/RSVP的意义

区分服务网络区支持端到端综合服务的实现框架

支持端到端综合服务的区分服务网络区资源管理方案

卫星－地面IP网络的结构框架

聚集RSVP协议

网关站和它的功能结构

本章小结

混合网络业务流模型

业务源的统计行为

语音

视频

数据

多媒体

选择信源模型的准则

传统业务流模型

泊松模型

On-Off模型

中断泊松过程

中断伯努利过程

Markov调制泊松过程\(MMPP\)

自相似业务模型

自相似过程的产生

自相似数据通信量的估计

自相似排队理论分析

重尾分布

重尾on/off信源的聚集

自相似流叠加的业务特性

本章小结

基于自适应窗口测量的接入控制

简介

CAC在网络中的重要作用

两种主流接入控制算法

基于测量的接入控制

MBAC的定义

MBAC的优点

估值器

接入策略

MBAC小结

自适应窗口算法

固定窗口测量法

参数分析

自适应窗口测量法

算法描述

仿真

本章小结

基于QoS的传输调度以及最坏情况和服务公平边界的理论分析

QoS和传输调度的关系

传输调度概述

传输调度的作用与简单模型

传输调度算法的性能指标

各种调度算法概述

公平类调度算法

广义处理器共享GPS

加权公平排队WFQ

WF2Q与WF2Q＋算法

整形虚时钟算法

速率比例服务\(RPS\)类调度算法

定义

设计步骤

SPFQ算法和MD-SCFQ算法

各种PFQ算法性能比较

最坏情况公平边界和服务公平边界的理论分析

WFIB和SFIB两者关系分析

分析两者关系的意义

本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历