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SUPANET多粒度QoS控制机制及其移动性管理技术研究

高雨  
【摘要】: 上一世纪九十年代中期制订IPv6协议以来,IPv6就被国际上普遍视为下一代Internet (Next Generation Internet, NGI)的代名词。由于它沿袭现有Internet的体系结构,无法从根本上解决Internet面临的高速交换、服务质量保障、安全可靠与易管理、以及移动性四大挑战。直到2006年美国全球网络创新环境(Global Environment for Network Innovations, GENI)公开表明“有30多年历史的Internet已经成为制约网络发展的主要因素,必须研究全新的网络体系结构(Clean Slate Architecture, CSA)”之后,学术界和工业界才能逐步从IPv6就是NGI的立场上转变过来。但是,迄今为止,在“什么是CSA和如何实现NGI”的问题上,国际上尚无定论。 西南交通大学“四川省网络通信技术重点技术实验室”从2001年成立之日起,就把研究NGI的体系结构作为实验室的主要研究方向。考虑到未来骨干通信子网将以DWDM为代表的光通信技术为主,而接入通信技术将以包括无线通信技术在内的多种技术并存的现实,很难像OSI/RM设想的那样将所有网络都采用统一的层次结构。因此,实验室提出了“骨干通信子网优先,向外延伸次之”(Backbone Substrate First, Outwards Extension Second, BSF-OES)的下一代网络发展战略。2003年实验室提出了“三维以太城域网体系结构”框架,2004年更名为“单层用户数据交换平台体系结构”(Single-layer User-data switching Platform Architecture, SUPA),作为通用的骨干网体系结构。SUPA的研发目标在于构建高速、高效、安全和服务质量可保障的核心骨干通信子网。SUPA充分利用“带外信令”(Out-of-band Signaling)概念,将“控制与管理”功能与“用户数据的高速转发”功能相分离,进而将用户数据平台(U-平台)简化为单层结构。SUPA的U-平台为用户数据提供面向连接的“虚线路交换”(Virtual Line-Switched)服务。作为骨干网,SUPA的U-平台通过其安全的、多粒度的隧道服务(Tunneling)将外部接入网(Internet Ethernet或无线网络)的用户数据(帧、分组或其他形式的数据)进行封装和传输。 本论文反映的工作是在实验室前期有关SUPA框架,特别是服务质量保障框架的基础上,进一步研究和完善了SUPA的多粒度服务质量控制机制,以及当Internet和异构无线网络作为SUPANET接入网时,研究其服务质量可保障前提下的移动性管理技术。本文的主要研究工作包括: (1)针对如何在SUPANET原有机制上支持多粒度QoS的问题,首先分析了SUPANET面向虚通道的QoS保障机制,并在此基础上,分别定义了细粒度虚通道(Fine Granularity Virtual Tunnel, FGVT)、平均数据率保障粗粒度虚通道(Average Datarate Guaranteed CGVT, ADG-CGVT)和尽力而为粗粒度虚通道(Best Effort CGVT, BE-CGVT),组成了多粒度虚通道(Multi-Granular Vitrual Tunnel, MGVT)机制。然后研究了业务流映射机制,定义了业务流与MGVT的映射规则;提出了CGVT的一种资源自适应算法,仿真实验结果表明资源自适应算法能够有效地提高资源利用率。最后,在多粒度虚通道机制、业务流映射机制以及虚通道资源自适应机制的基础上,提出了基于SUPANET的多粒度QoS控制框架模型。 (2)针对如何在SUPANET多粒度QoS控制机制基础上,解决SUPANET与Internet互联时产生的移动性管理问题,首先分析了该环境下存在的虚通道切换问题,分别设计了FGVT、ADG-CGVT以及BE-CGVT的切换方式,并在FGVT的切换方式研究中,提出了虚通道重建(Virtual Tunnel Rebuilding, VTR),虚通道延伸(Virtual Tunnel Extension, VTE)和先扩后建(Extension First Rebuilding Second, EFRS)的虚通道切换方式,仿真实验表明,EFRS的综合性能优于VTR和VTE。最后,在对MIPv6、FMIP以及基于SIP的移动性管理方案进行分析的基础上,分别研究了MIPv6、FMIP以及SIP移动性方案与上述三种虚通道切换方式的融合机制。 (3)针对如何在SUPANET多粒度QoS控制机制基础上,解决SUPANET与异构无线网络互联时的网络选择问题,首先利用层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)对3GPP业务类别进行了QoS权重分析,设计了一种基于业务类别的区分加权网络选择算法(Differentiation Weighted Network Selection Algorithm, DWNSA),经仿真实验验证,DWNSA与平均权值算法相比,能够在保障业务QoS需求的前提下,有效地平衡候选网络的负载。然后,提出了一种基于虚通道资源的网络选择算法(Resource of Virtual Tunnel based DWNSA, RVT-DWNSA),并定义了该算法中的多粒度虚通道参数,通过仿真实验验证了RVT-DWNSA的有效性。 (4)最后,在对ITU-T定义的下一代网络移动性管理框架模型进行分析的基础上,提出了SUPANET多粒度QoS控制机制下的移动性管理框架模型,定义了基于该框架模型的位置管理功能模块和切换控制功能模块,设计了多粒度QoS控制机制下的端到端无缝切换流程。 本文的研究工作填补了SUPANET在多粒度QoS控制及其移动性管理研究方面的空白,是完善SUPANET框架的重要组成部分,为SUPANET作为下一代网络骨干网的其他相关研究工作提供了有力的支持。


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