UMTS和WLAN融合環境下基于策略的QoS管理體系

2019-11-03 09:01:02

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供稿：網友

韓學勇1 萬仁福2 李方偉2

1. 新疆阿勒泰電信分公司新疆阿勒泰 836500

2. 重慶郵電學院重慶 400065

　　摘要 UMTS和WLAN的融合可以實現兩種無線接入技術的優勢互補。為了在融合環境下提供一致的QoS控制，本文提出了一種基于策略的多域Qos管理體系，并就融合的不同情形闡述了該體系的可行性。

　　關鍵詞 ip多媒體子系統服務等級約定策略服務質量管理

　　1 引言

　　UMTS的特點是覆蓋面積較大，支持用戶的全球漫游和快速移動。UMTS在無線技術上采用了CDMA技術，提高了無線接口的傳輸速率，但是其理論上最高傳輸速率也只能達到2Mbit/s，由于部署的成本非常高，提供用戶理論上的數據速率是不現實的。而以WLAN為代表的短距離無線技術，可以達到很高的傳輸速度（802.11b可以達到11Mbit/s）。WLAN還具有組網方式靈活、使用開放頻段以及網絡設備價格低廉等優點，使得它越來越受移動運營商的青睞。但WLAN的缺點是覆蓋面積比較小，缺乏漫游和移動性支持，所以一般只能在人口密集的熱點地區使用。由此看出，這兩種無線技術具有很強的互補性。將WLAN作為UMTS的補充對于運營商提供多層次的移動業務來說是一個很好的捷徑，UMTS和WLAN的融合可以實現兩種無線接入技術的優勢互補。

　　2 策略、基于策略的QoS管理

　　策略最早應用于網絡安全中，只是最近才認識到策略對于服務質量控制的重要性。根據IETF對策略的定義，是指一系列管理規則的集合，而管理規則往往由一些條件和執行操作組成，一定條件的滿足引起一組操作的執行，這些策略規則主要用來引導網絡在不同情況下對網絡資源的管理。IETF提出了一個基于策略的QoS管理框架，用于對服務質量進行策略控制。在這個結構中，進行策略控制的兩個主要元素是策略執行點（PEP）和策略決策點（PDP）。PEP一般位于網絡節點上，它實際執行策略決策；而PDP則一般位于存放策略的策略服務器上，主要在此作出策略決策。當然，為作出策略決策，PDP還需要使用另外的機制和協議去訪問其他的信息庫（如策略倉庫）。兩個元素間的交互作用由PEP開始，PEP接收來自設備的策略服務請求，例如PEP接收到RSVP的數據包，其中有資源預留請求，PEP將策略服務請求發往與其對應的PDP，PDP根據請求中的相關參數查詢相關的策略，通過推理，決定是否執行相關的策略，并把決定發往PEP，PEP依據PDP的決定來執行相關的操作，最終將策略轉化為面向具體設備的指令，對網絡設備進行配置和操作，以滿足有關QoS的控制目標。因此，基于策略的QoS管理無疑是一個充滿希望的解決方案，通過策略將QoS的控制和具體執行分隔開來，在以下幾個方面具有優越性：

　　（1）使得管理員能夠從網絡整體出發，用一種接近于企業管理要求的語言定義策略，而不必關注實現該策略的具體技術和相關設備的配置細節。

　　（2）管理員不再需要手工配置網絡設備，而是從一個中心位置操縱管理整個網絡，不但維護了設備狀態的一致性，而且還節省了時間。

　　（3）策略體現了QoS管理智能，可以通過對策略的增、刪、改適應網絡環境的變化。

　　除此之外，IETF還制定了交換策略信息的通信協議COPS（Common Open Policy Service），從而提供對多廠商的管理，COPS是一種具有較強擴展性的協議，用于PDP和PEP之間請求-應答（Request-response）方式的策略信息的通信以及其他實體間策略信息的交換。由于策略有網絡管理者統一制定，因此采用不同QoS技術的異構網能夠實現統一的QoS管理，基于策略的QoS管理方式正逐漸獲得國際公認。

　　在UMTS的IP多媒體子系統（IMS）中，通過使用會話初始化協議（SIP），運營商在UMTS分組交換域中可提供QoS敏感的IP業務，如VoIP。為了滿足UMTS分組交換域中其他業務對端到端QoS的要求，目前，3GPP組織正在擴展基于策略的QoS控制體系。

　　IETF的策略QoS管理框架實際上是一個基于PDP的集中式系統，所有的智能都集中在PDP一方，這樣一個集中式系統，在大的管理域中將不可避免地帶來可擴展性問題，解決的辦法是構建層次式的PDP以解決域內擴展性問題，除了域內擴展性，各域策略QoS管理系統之間的協作問題也不容忽視，因為QoS的實現依賴于各個域之間的協作。不同域的QoS管理系統必須能夠交換策略信息，并根據自己所在域的網絡情況自主地作出決定，采用的手段是相鄰域之間協商服務等級約定（SLA），并將協商好的SLA轉換為流量控制約定（TCA），以此達到全網統一的服務質量保證。

　　端到端的通信可能涉及不同網絡運營商控制的多個管理域，為了在多運營商多域的環境下提供一致的QoS端到端業務，文獻[1]就UMTS的多媒體子系統提出了一個混合策略體系，在這個體系中，某個運營商多域網絡內部使用層次化體系，運營商之間的網絡通過對等體系互聯。運營商網絡的主策略決策功能（MPDF）實體與鄰近網絡的MPDF之間的關系是對等的，相互之間通過域間策略代理（Interdomain Policy Agent，IPA）聯系。在IPA與它對等的IPA成功交換更新的SLA消息后，MPDF把新的SLA轉換為策略規則應用到網絡中，隨后更新策略倉庫。網絡內某個策略決策功能實體需要對分組交換域的會話執行本地域策略控制時，只需從策略倉庫中提取相關的策略規則。

　　為了在UMTS和WLAN融合環境下提供一致的IP QoS業務，基于策略的多域QoS控制體系必須擴展到WLAN域中，以下闡述如何實現這種擴展。

　　3 WLAN網絡中基于策略的QoS管理體系

　　WLAN網絡通常包括多個接入點（AP），AP通過WLAN路由器（WLAN Router，WR）連接到外部網絡。WLAN網絡層的QoS機制是通過標記IP數據報頭的形式來實現的，受控于區分服務（DiffServ）體系，數據鏈路層的QoS機制則通過WLAN QoS支持機制（802.11e）、MAC幀優先指示（802.1p）以及虛擬局域網（VLAN）標識（802.1q）來實現，網絡層和數據鏈路層的QoS機制均受QoS管理體系的控制。WLAN 接入點提供MAC QoS機制，WLAN的路由器提供IP DiffServ機制。在下面WLAN基于策略的QoS管理體系中，策略控制過程只能使用WLAN路由器的區分服務機制。

　　WLAN和UMTS融合的方式有兩種：緊耦合和松耦合。在緊耦合體系中，WLAN的路由器直接連接到服務的SGSN，SGSN把WLAN路由器當作一個無線網絡控制器（RNC）。WLAN用戶端發送的數據必須經過相連SGSN所服務的UMTS分組域到達目的端。為了確保無縫的IP QoS業務，應把UMTS的會話控制實體（如IMS中的呼叫狀態控制功能（CSCF）實體）擴展到WLAN網絡中。會話控制實體直接與WLAN用戶端交互，這樣WLAN用戶端可視為普通的UMTS用戶設備，UMTS分組交換域中的策略決策功能實體（PDF）能夠在WLAN的路由器上直接執行網絡級策略，WLAN網絡好像是UMTS分組交換域的一部分。因此，在緊耦合體系下，只需通過UMTS的策略決策功能實體來實現融合網絡一致的QoS控制，不會影響UMTS的接入控制和計費實體。

　　在松耦合體系下，WLAN作為一個獨立的網絡連接到UMTS網絡的GGSN，WLAN的路由器可看作是一個GGSN，WLAN網絡與UMTS網絡是對等的關系。為了在松耦合體系下提供一致的QoS控制，本文在IETF定義的策略框架下，提出在WLAN域中通過WLAN PDF（WPDF）組成了一個新的策略域，以處理WLAN域中需要QoS保證的業務。在這個策略域中，WPDF作為WLAN域中的策略決策點，WLAN路由器作為策略執行點，執行WPDF的策略決策。WLAN域應擁有本地會話控制實體，負責與UMTS網絡的CSCF交互，WLAN域的會話控制實體與WPDF的關系如同UMTS IMS中代理CSCF（PRoxy-CSCF）與PDF的關系。由于WLAN域擁有自己的會話控制實體和策略決策實體，所以保持了WLAN域和UMTS域之間明晰的接口，WLAN作為一個獨立的網絡，由獨立的WPDF完成WLAN域中業務級策略的控制，因而也不會影響接入控制和計費實體。

　　與UMTS網絡一樣，WLAN可在公眾、企業和居住環境下部署，不同的環境也許涉及不同的管理域和不同情形的網絡融合。在緊耦合體系中，可通過UMTS的策略決策功能實體來實現融合網絡一致的QoS控制，是UMTS分組域中基于策略的QoS管理體系的延伸。在提供一致QoS控制方面，松耦合較緊耦合具有以下優點：由于WLAN擁有自己的策略域，WLAN的策略域可作為UMTS的從屬策略域，又可作為其對等策略域，允許WLAN域簡單地融合到多運營商多域的環境中。下面分析在松耦合體系下，如何實現融合網絡的端到端QoS控制。

　　4 松耦合體系下基于策略的QoS管理體系

　　我們使用的是兩級層次化策略體系，WLAN的策略域作為UMTS的從屬策略域，受UMTS策略域的控制。主策略決策功能實體（MPDF）分別連接WLAN的策略決策功能（WPDF）實體和UMTS的策略決策功能（PDF）實體，UMTS網絡中的MPDF是WPDF的上級策略節點，因此WLAN域中策略的執行便融入到運營商整個層次化策略體系中。MPDF把網絡范圍內的策略轉換成代表WPDF和PDF特定域的網絡級策略，并將其存儲到策略倉庫中。策略決策功能實體（WPDF或PDF）可從策略倉庫中獲取這些網絡級策略，并將其轉換為設備級策略，然后在策略決策功能實體的控制之下把這些策略安裝到網絡設備中。除非某個新會話的QoS請求在授權方面存在策略沖突，否則這些策略會在所有新的IP多媒體會話中一致地執行。如果發生策略沖突，這時可由MPDF負責消除，MPDF和PDF之間策略信息的交換使用COPS協議。

　　1. 在會話建立期間，WLAN域的會話控制實體在會話建立信令中把QoS參數傳遞給WPDF。

　　2. WPDF從策略倉庫中獲取相關網絡級策略。

　　3. WPDF檢查請求的QoS參數是否被網絡級策略所允許。如果允許，WPDF通知WLAN域的會話控制實體策略控制成功。如果網絡級策略禁止請求的QoS參數，則通知WLAN域的會話控制實體策略控制失敗。

　　4. 如果獲取的網絡級策略在請求的QoS參數授權方面存在沖突，WPDF請求MPDF解決策略沖突。WPDF把請求的QoS參數封裝到COPS請求報文中并將其發送給MPDF。

　　5. MPDF根據整個網絡范圍內策略的情況來創建新的網絡級策略，以解決策略之間的沖突。因為會話數據路徑經過UMTS分組交換域，必須確保請求的QoS參數能夠實現，所以在把新策略提供到WPDF之前，MPDF必須和PDF確認這些新策略。

　　6-7 一旦策略確認成功，MPDF把新的網絡級策略發送給WPDF。同時，MPDF把新策略寫入到策略倉庫為將來策略決策功能實體請求所用。

　　具體分多少級取決于應用到網絡中策略之間的關系，復雜的策略關系通常通過多級層次化策略體系來表示。在多級層次化策略體系中，底層PDF等待MPDF決策的時間相應會延長，因此網絡運營商在實際部署時，應根據實際情況設計合理的層次化策略體系以減少策略的級數。

　　4 結論

　　當人們花費大量的精力去研究如何在網絡中提供服務質量時，不可避免地面臨著另一個挑戰，這就是對質量服務的控制問題。本文在分析目前基于策略的QoS管理的基礎上，提出了一種具有可操作性的基于策略的多域Qos管理體系, 以解決如何在UMTS和WLAN融合網絡中提供一致QoS控制的問題，該體系可減少會話建立時延和策略交換的開銷，同時可最大化網絡的升級能力。

　　參考文獻

　　[1] W. Zhuang et al., Multi-Domain Policy Architecture for IP Multimedia Subsystem in UMTS, Proc. IFIP/IEEE Net-Con 2002 — Network Control and Eng. for QoS, Security and Mobility with Focus on Policy-Based Net. Oct.2002, pp. 27?8.

　　[2] 3GPP TS 23.228 (v.5.2.0), IP Multimedia Subsystem- Stage 2 (Rel. 5), Oct. 2001.

　　[3] 3GPP TR 23.917 (v.0.4.0), Dynamic Policy Control Enhancements for End-to-end QoS (Rel. 6), Dec. 2002.

　　[4] R.Yavatkar et al, A Framework for Policy-Based Admission Control, RFC 2753, Jan. 2000.

　　[5] D. Durham et al., The COPS (Common Open Policy Service) Protocol, RFC 2748, Jan. 2000.

　　[6] B. Moore et al., Policy Core Information Model -Version1 Specifications, RFC 3060, Feb. 2001.

　　韓學勇，新疆阿勒泰電信分公司助理工程師，近期主要從事網絡規劃、網絡管理和3G研究。

　　萬仁福，碩士生，主要研究方向移動通信。

　　李方偉，教授，研究生部主任，主要研究方向為移動通信理論與技術。

　　
----《中國數據通信》