動態調整使用者服務品質需求於異質性網路架構
麥毅廷 修平技術學院資訊網路技術系 Email:wkb@mail.hit.edu.tw 張英超 彰化師範大學資訊工程系 Email: icchang@cc.ncue.edu.tw 摘要 摘要摘要 摘要―當使用者處於異質性網路環境中並且執行無當使用者處於異質性網路環境中並且執行無當使用者處於異質性網路環境中並且執行無當使用者處於異質性網路環境中並且執行無 線換手動作時 線換手動作時線換手動作時 線換手動作時，，，必須花費時間重新建立或協商，必須花費時間重新建立或協商必須花費時間重新建立或協商必須花費時間重新建立或協商，，，，而網路所而網路所而網路所而網路所 提供使用者的資源更可能產生變動 提供使用者的資源更可能產生變動提供使用者的資源更可能產生變動 提供使用者的資源更可能產生變動，，，，對於要繼續維持使用對於要繼續維持使用對於要繼續維持使用對於要繼續維持使用 者原本服務品質需求的服務是一大問題 者原本服務品質需求的服務是一大問題者原本服務品質需求的服務是一大問題 者原本服務品質需求的服務是一大問題。。。。因此我們提出了因此我們提出了因此我們提出了因此我們提出了 一個能達成適時適地根據使用者所處的網路環境與可用 一個能達成適時適地根據使用者所處的網路環境與可用一個能達成適時適地根據使用者所處的網路環境與可用 一個能達成適時適地根據使用者所處的網路環境與可用 資源 資源資源 資源，，，，提供可調整性的端點間服務品質確保的提供可調整性的端點間服務品質確保的提供可調整性的端點間服務品質確保的提供可調整性的端點間服務品質確保的架構架構架構：架構：：：有線有線有線有線 網路以差異性服務網路為骨幹 網路以差異性服務網路為骨幹網路以差異性服務網路為骨幹 網路以差異性服務網路為骨幹，，，，結合了結合了結合了 BB、結合了 、、、COPS-SLS 做為資源分配和使用者協商服務品質的通訊協定 做為資源分配和使用者協商服務品質的通訊協定做為資源分配和使用者協商服務品質的通訊協定 做為資源分配和使用者協商服務品質的通訊協定；；；無線網；無線網無線網無線網 路 路路路結合結合結合 WiMax, Wi-Fi 等技術結合 等技術等技術，等技術，，並且，並且並且則整合了整合式並且則整合了整合式則整合了整合式 QoS則整合了整合式 服務網路與 服務網路與服務網路與 服務網路與 CTP 協定協定協定，協定，，做為減少無線使用者換手時中斷，做為減少無線使用者換手時中斷做為減少無線使用者換手時中斷做為減少無線使用者換手時中斷 使用者服務品質的解決之道 使用者服務品質的解決之道使用者服務品質的解決之道 使用者服務品質的解決之道，，，，並且利用並且利用並且利用 CBQ 結合並且利用 結合結合 RED 的結合 的的的 方式來維持使用者移動 方式來維持使用者移動方式來維持使用者移動 方式來維持使用者移動後需求變動時的調整方式後需求變動時的調整方式後需求變動時的調整方式後需求變動時的調整方式，，，做一有，做一有做一有做一有 效且彈性的調整使用者服務品質需求 效且彈性的調整使用者服務品質需求效且彈性的調整使用者服務品質需求 效且彈性的調整使用者服務品質需求。。。。 關鍵詞 關鍵詞關鍵詞 關鍵詞―動態品質服務動態品質服務動態品質服務、動態品質服務、、、WiMax、、Wi-Fi、、、 、、、異質性網異質性網異質性網異質性網 路 路路
路、、、Context Transfer Protocol 、
一
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一、
、
、簡介
、
簡介
簡介
簡介
在現今的網路環境下，使用者要完整甚至平 順的享受一段多媒體的影音服務是很困難的，原 因在於我們所在的網路環境通常是一個異質性 的架構，包含了不同的網路架構與協定的組成與 運作，如果再將使用者有行動的特性考慮進來， 那麼這將是一個很具有挑戰性的議題。其中包括 了經過不同的網路環境時，由於不同的網路環境 對 於 所 要 傳 送 的 資 料 有 不 同 的 註 解 與 處 理 方 式，因此會遇到的問題就是當使用者的封包經過 不同的網路架構時，有可能會發生使用者的封包 無法辨識甚至無法繼續提供使用者所需要的服 務品質需求(QoS)。而當使用者移動到不同基地 台訊號所互相涵蓋範圍的時候，如果使用者想要 繼續這段服務的進行，就勢必要做無線換手的動 作，才能繼續的享受服務。但是按照傳統 Mobile IP 的做法，當使用者有無線換手行為發生的時 候，使用者的服務會暫時的中斷，原因在於必須 向上一層的 Home Agent 註冊現在使用者所在的 新位置，使用者的封包才能準確的送到使用者 端。在註冊的這段期間內，是處於服務中斷的狀 態，如果是一般的資料傳送那麼使用者的感受並 不會有太大的影響；但是使用者是在進行影音多 媒體資料的觀賞時，中斷的期間與重新註冊動作 的快慢或者即將移動過去新區域網路資源的多 寡，都會對使用者目前所進行的影音服務有很大 的影響。 因此考量到使用者封包的傳送，現實上有可 能是經過不同的網路架構時，會有不同 Traffic 對應的問題發生；加上使用者有行動特性的時 候，在無線換手時服務會暫時中斷，甚至如果即 將移動過去新基地台資源不足的時候，有可能會 拒絕使用者目前所進行的服務的情形發生。下列 是我們認為要解決上述的問題時，必須滿足的幾 個條件。 1.必須有個端點之間的通訊協定，可以做為 不 同 網 路 之 間 溝 通 的 橋 樑 ， 也 就 是 QoS Signaling，此外現有大區域的無線網路如 WiMax 也有支援 QoS，所以必須將這些作整合。 2.當資料經過不同的網路架構時，不同的網 路架構對於封包的處理有不同的方式，因此必須 有個轉換的機制，讓使用者的封包經過不同的網 路環境時，能夠依然保有原先的使用者服務品質 需求，這個動作也就是 Traffic Mapping。 3.必須要做到加速使用者無線換手的過程， 使多媒體資料不中斷，也就是要做到 Seamless Handoff。 4.還必須有個調整的機制，讓使用者的無線 換手時，適時的考慮新的無線基地台所能提供的 服務等級，調整其服務品質需求，讓使用者的服 務不會因為無線換手而被中斷，並且有資源釋放 出來時，可以慢慢回復到原有的服務品質需求， 這個動作也就是 Service Adaptation。 以上四種作法是我們認為要達成動態調整端點間服務品質需求的必備條件。第二章將探討 目前關於端點間服務品質的研究有哪些，並且分 析他們的作法與優缺點為何。第三章將提出我們 動態調整 QoS 的架構與作法;第四章將以模擬實 驗的結果證明本架構的作用。最後是本論文的結 論與未來方向。
二
二
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二、
、
、文獻探討
、
文獻探討
文獻探討
文獻探討
首先在有線網路(wired network)的部份，我 們最常看到的就是 IETF 所提出的 QoS 的兩種架 構 ： 整 合 式 服 務 (IntServ) [1] 與 差 異 性 服 務 (DiffServ) [2] 。整合式服務網路的做法，通常會 透過 RSVP 協定做為整合式服務網路中協商資源 預留的訊號協定，並且會在資源預留的節點上面 保有 Soft State，也就是記錄這個 Flow 的相關訊 息。因為將使用者所需的資源預留下來供使用使 用，因此可以做到絕對的使用者服務品質的保 證；但是由於每個會經過的節點必須保有 Soft State ， 因 此 整 合 式 服 務 網 路 的 模 式 應 用 到 WAN，就會變的缺乏彈性，使用者增加的時候就 會無法滿足需求。 針對整合式服務網路的缺點，後來 IETF 又 提出了差異性服務網路的架構，將大部分的工作 移到邊際路由器(Edge Router)上面執行，當使用 者的封包一進入差異性服務網路時，就會根據使 用者與 ISP 業者所簽訂的使用者需求 ServiceLevel Agreement (SLA)來對封包 進行分 類的 動
作。在內部路由器的處理則是根據封包的優先權 大小，給予不同的傳送順序，這種動作稱之為
Per Hop Behavior (PHB)。因為差異性服務網路的
特性適合於骨幹網路上執行，而整合式服務網路 的特性則是適用於區域網路上運作，因此後來有 學者研究 [3] -[5] 將這兩種不同的架構整合， 配合 Common Open Policy Service (COPS) [6] 協 定的運作，幫忙做到動態協商使用者需求與資源 分配的動作，做到端點間的服務品質控制的目的 (條件一、二與四)。 以上的研究是針對有線環境中兩種不同的 QoS 架構的整合，此外在 Internet 上常見的 IP 層 的 QoS，面對其它無線網路架構上也有支援 QoS 如何整合，也是一個值得探討的問題，而在 IEEE 802.16 的 MAC 層裡，BS 跟 SS 也會確認 L2 的 connection 對傳送品質的要求而決定如何幫此 connection 作服務。IEEE 802.16 的標準文件中針 對 QoS 的部份目前已經定義了相關服務種類，例 如建 connection、發送 BW_REQ、廣播 UL_MAP 等 等 。 因 此 有 一 些 初 步 探 討 到 不 同 Traffic
Mapping 的問題，例如 J. Chen 等人在[7] -[8] 提
出了 IP 層 service type 對應到 802.16 MAC 層的
service type 之機制。而之後 Y. W. Chen 等人參考
了[7] -[8] 所提出的整合機制，另外提出了一種 跨層整合機制[9] ，但是都只是在 IEEE 802.16 [10] -[11] 內部為假設環境，對於整合式服務網 路並沒有提到。而在整合式服務網路上，許多學 者選擇 COPS 協定做為協商使用者需求的方法， 至於 RSVP 訊息在差異性服務網路中的做法則是 略過當成一般的網路控制訊息處理，這麼做的的 是為了要保有差異性服務網路對於不同 Traffic 較有彈性的處理方式。上述的研究已經有探討到 幾個我們所提出的議題，但是對於無線網路的部 分沒有整合進來，因此沒有使用者有行動特性的 問題解決方案。 Trossen 與 Chaskar 兩位學者[12] 在 2003 年
提 出 了 一 個 叫 做 Application Context Transfer
(ACT)的架構。主要針對使用者有行動特性並且
可能處於不同的異質性環境底下時，如何不會因 為使用者無線換手到不同性質的網路或是不同 的 ISP 業者所服務的區域時，會有服務中斷的問 題發生並且可以做到 Seamless Handoff。本文的 貢獻在於一開始使用 Session Initial Protocol (SIP)
[13] 協定做使用者與發送端之間的溝通協調，等
到 SIP 的標準程序都完成之後，使用者就可以開 始享受所想要的服務。一但使用者有可能發生無 線換手的時候，就直接利用所在地的 AR 與即將 換手過去的新 AR 溝通，並且將使用者的資訊傳
送到即將換手過去的新 AR，這個動作作者稱之 為 Application Context Transfer，藉此縮短原先還 要透過 SIP 重新協商的動作。因此提供了一個加 速使用者無線換手動作與不同網路架構協商的 機制(條件一與三)。但是本文作者並沒有提到如 果換手過去之後，兩個新舊 AR 所能提供的服務 資源不同時要如何處理 (條件四)。而且利用 SIP 協定做使用者服務品質需求協商的動作是屬於 應用層的部份，實體上的 Traffic 如何對應也沒有 提出一個具體的說明 (條件二)。 Chaouchi 與 Pujolle 兩位學者[14] 在 2004 年 提出了在現今和未來的無線網路上的一個新的 無線換手的控制動作。作者所提出的架構同樣是 建構在差異性服務網路為骨幹，並且區域網路部 分則是無線網路。使用者如果要啟動新的服務或 是變更其需求的時候，必須透過作者所提出的
MCOPS (Mobile COPS) 協定做為一開始與需求
變動時溝通的協定。因此整個的架構同樣也是屬 於 COPS 的模式，由使用者 (Client 端)提出需求 到 Server 端，讓 Server 端來評估使用者的服務需 求是否可以滿足，並同樣的透過 MCOPS 的協定 當作使用者跨越到不同的網路環境時，一個可以 取得互相溝通的管道。本文的貢獻在於作者提出 了一個不同的無線換手方式，Anticipated Handoff (條件三) 則是當使用者尚未移動或是介於兩個 無線訊號的涵蓋範圍時，Server 端會利用本身 Policy Base 所記載的使用者需求，在目前鄰近的 幾 個 無 線 基 地 台 中 判 斷 使 用 者 的 可 能 行 進 方 向，並且會先針對使用者的需求提出而做好相關 的配套做法；Adaptive Handoff (條件四)則是當使 用者無線換手的時候，會根據無線換手過去新區 域的網路資源調整其它的服務品質或是事先預 留頻寬供使用者使用。至於差異性服務網路與無 線網路 Traffic 的對應 (條件二)，作者的方法是 將無線換手的方式直接對應到差異性服務網路 的 Traffic Class (EF
、
AF 與 BE)。利用從差異性服務網路進來的 Traffic Class 如果是屬於 EF 等 級的，那麼當封包進入到無線網路環境的時候， 如果有遇到無線換手的問題時，那麼無線換手的 選擇方式就是 Anticipated Handoff。
三
三
三
三、
、
、
、系統架構
系統架構
系統架構
系統架構
我們所提出的系統架構如下圖一所示：有線 網路的部份我們還是採用 IETF RFC 2998 的基本 架構，也就是以差異性服務網路為骨幹，並且每 個差異性服務網路都有個 Bandwidth Broker (BB) [15] 配置，作為管理內部資源與找尋最佳路徑的 功能；Local 端的部份則是採用整合式服務網路 的架構，並且以 RSVP 協定做為一個端點之間協 定 (End-to-End Signaling)。採用 RSVP 協定的理 由是因為 RSVP 是一種發展相當成熟的技術，並 且 RSVP 還是以使用者需求為導向的協定，剛好 可以搭配使用者無線換手之後需求變動的工具 使用。 在無線網路部份，為了考量使用者在無線換 手之後會有服務中斷的問題發生，因此我們利用Context Transfer Protocol (CTP) [16] 協定做為加
速無線換手的方法。CTP 是 SEAMOBY [17] 組 織所訂定出來的標準，主要是當使用者有引發第 二層換手(更換不同的 Subscriber Stations SSs)的 時候，就會將使用者本身的 Context (新舊位址) 從舊的 Base Station (BS)傳送到新的 AR，以加速 無線換手的過程。這裡除了原先 Context 的內容 之外，我們還加入了一些 QoS 參數讓新的 AR 可 以針對使用者需求與自身網路資源分配情形找 出一個最佳解，讓使用者不會有被拒絕服務的可 能。 (一)系統架構 另外在有線與無線網路溝通的部份，我們是 採用了 COPS-SLS [18] 協定做為彼此溝通的橋 樑。COPS-SLS 主要是繼承了 COPS 協定的精神， 但 是 更 注 重 傳 遞 QoS 訊 息 (SLS) ， 利 用 COPS-SLS 可以幫忙做到使用者需求動態調整的 目的，提供了一個異質性網路之間可以溝通的管 道。整個系統架構如圖一所示。 這裡我們分成兩個案例來討論：Intra-domain
Handoff 與 Inter-domain Handoff。分別透過這兩
種不同的無線換手情形，來表示我們如何達到我 們所要的端點間可調整的服務品質控制。
圖一、系統架構圖
Case 1 Intra-domain Handoff: Level 0. RSVP Initiation
1.當 MH 開始要啟動服務的時候，CN 會利
用 RSVP 協定向 MH 發出一個 PATH 訊息，其中 會包含著 TSPEC
、
PHOP (Previous Hop Router Address) [19] 和 ADSPEC 訊息，而在 Intserv domain 內部為 IEEE 802.16 網路，由於 802.16 本 身就有其 MAC 層的 QoS 機制，因此我們必須加 以整合。首先便是將 802.16 QoS signal 與 L3 RSVP message 作 mapping，然而針對現有 802.16 網路中有 PMP 與 Mesh 兩種模式，其個別的 signal 不同，但是作法類似，資源的控管都是透過 BS 來處理，在 PMP mode 中透過 Dynamic ServiceChange Request (DSC-REQ) [10] 訊 息 在 ”TLV Encoded Information”中加上 QoS 的頻寬需求及 Mesh 模式由 BS 來找到 MH 所在的 SS，並且透
過 Mesh Centralized Schedule (MSH-CSCH) [10] 訊息在
“
Flow scale exponent”
作頻寬需求對 應，來建立 802.16 網路內的 QoS 需求，並且再 由 SS3 同時將 RSVP message 的參數(如頻寬等) 再傳送到 MH 之上。 2.當 MH 接收到 PATH 訊息時，會利用 PATH 訊息傳送過來的路徑反向的送回一個 RESV 訊 息，而 IntServ 內部的 802.16 網路時，也分別對 應 PMP mode 中透過 Dynamic Service ChangeResponse (DSC-RSP)訊息中欄位
”
TLV Encoded Information”
及 Mesh 模式中的 Mesh CentralizedSchedule (MSH-CSCH)訊息由 SS3 送給 BS 可以 完成 QoS 的需求。當 RESV 訊息經過差異性服 務網路的環境時，邊際路由器會利用 COPS-SLS 協定將 MH 的服務品質需求傳送給 BB，BB 就會 記錄 MH 的服務品質需求和相關的 Policy 設定， 並且繼續將 RESV 訊息回送到 CN，此時整個 End-to-End Signaling 的動作已經完成。 3.CN 開始傳送資料給 MH。 Level 1. Handoff Procedure
1.當 MH 介於 Wireless IntServ Region 1 和 2
的訊號涵蓋範圍時，MH 知道有可能要準備無線 換手到 Wireless IntServ Region 2 的位置。
2.MH 接收到 Wireless IntServ Region 2 中 AP2 所發出的 Beacon 訊息時的運作來研究。由 於 MH 移動到新的 802.11 AP 範圍，原來的 AP 訊號已經變弱了，因此在 L2 的初始程序共有六 個，將分別簡單描述如下： (1) Probe-REQ︰MH 移動到 802.11 網路 時 ， 先 對 每 一 個 頻 道 廣 播 探 索 要 求 （Probe-REQ）訊框，試著搜尋所在區域可 使用的 AP。 (2) Probe-RSP︰當 AP 接收到 Probe-REQ 訊框，AP 會回覆探索回應（Probe-RSP）訊 框告知 MH 本身 AP 的相關資訊。 (3) Authentication-REQ ︰ 驗 證 請 求 （Authentication-REQ）訊框代表 MH 與 AP 間認證程序。802.11 提供二種認證的方式， 分別為開放系統式認證（Open System）與 共享密鑰式認證（Shared Key），因本篇論文 不涉及安全機制相關內容，故在此本論文假 設是 Open System。 (4) Authentication-RSP ︰ AP 收 到 Authentication-REQ 訊框時會針對內容回覆 認證回覆（Authentication-RSP）訊框給 MH 認證成功與否的訊息。 (5) Association-REQ︰MH 完成認證後，發 送連結請求（Association-REQ）訊框給 AP 請求進入 AP 管轄區域內。 (6) Association-RSP︰AP 針對連結請求回 覆一個連結回覆（Association-RSP）訊框給 MH，此 signal 許可 MH 進入網路之後，即 完成 L2 的初始。 而在同時，也就完成 L2 的 handoff，而由於 仍在同一個 802.16 網路的 subnet 之內，因此不 需要變動 IP，但是 MH 仍然要進行 Binding Update 的動作如 step 1.7，並經由 SS4 來通知 BS1 目前所在的位置，之後 BS1 也會回 binding ack 給 MH，因此在 L2 初始及 L3 Binding 完成後 handoff 程序也就全部完成。
Level 2. QoS Re-Negotiation and Localized RSVP Procedure
Binding Update 的訊息後，BS 必須進行 QoS 狀 況的確認： Intra PMP network: 如果在 IntServ 內部的 802.16 網路其連 接的是 PMP 的架構，MH 的移動而改變的 SS 由於都是同一個 BS 所連接的 802.16 Domain 之中而 BS 與 SS 之間只需要由 BS 將 Downlink 的資源作調移(當完成 Step 1.7 時 BS 就知道 MH 所在新的 SS 的資訊 in 圖 三、四)，並且只需要之後透過 DL_MAP 作 實際資源分配調整即可，不會有資源不足的 問題。
Intra Mesh network
但是如果是在 802.16 網路的 Mesh 模 式時(如 Step 2.1)，雖然仍在同一個 BS 的
802.16 Domain 之中，由於 MH 的移動可能
改 變 BS 到 新 的 SS 之 間 的 route 改 變
(Old:BS1-SS1-SS3, new:BS1-SS1-SS2-SS4，
如 Fig.1)，因此 hop count 也有變動，而在
802.16 Mesh network 中是 shared physical link，QoS 資源在計算時為(AvgRate of the flow * hop count)，自然 hop count 的變化將
會造成資源需求的變動，變動調整如下：
≤
>
=
=
nothing
do
,
rate
data
flow
for
adjusting
,
_
*
_
*
handoff
after
resorce
bandwidth
New
,
resorce
bandwidth
Original
,
_ _ Ori New Ori New New datarate Flow New Ori datarate Flow Ori New OriBW
BW
BW
BW
count
Hop
R
BW
count
Hop
R
BW
BW
BW
而當 BS1 收到 MH handoff 後的 Binding signal 就 必須先確認 802.16 網路內的資源狀況(BS1 會依 據原來所給新舊 SS 間的位置作比較)，如果此時
hop count 變多時可能無法維持原來 data flow rate，因此同時通知 ER2 (Edge Router 2)可以歸還
一部分的頻寬，而由要求 ER2 及 BB 根據 2.1 調 整後的 QoS 資源來進行 DiffServ domain 的整體
頻寬資源調整，調整狀況如 step2.2、2.3、2.4， 而當 BS1 收到 ER2 的 ACK 後，就能夠同時了解 此時 DiffServ Domain 實際使用的資源狀況，假 如有變動，將根據調整結果，並且進行區域內的 RSVP 再次預留資源動作如 step 2.5。而 BS1 就 分 別 透 過 DSC_REQ(802.16 PMP 網 路 ) 、 MSH-CSCH(802.16 Mesh 網 路 ) 來 回 覆 及 告 知 SS4 最新調整後的 QoS 變化，來達成資源重新分 配，及路徑變更，最後再由 SS4 轉成 RSVP PATH 造成狀況調整情形，最後再由 MH 作 RSVP RESV 回覆到 BS1 如 step 3.6，最後多媒體資料就會再 傳送到新的地置讓 MH 可在 handoff 後順利播放。 圖三、BS 更新前的 binding cache 圖四、BS 更新後的 binding cache Case 2:
Inter-domain Handoff (圖一中，MH 從 Gateway Router 1 下的 AP2 移動到 Gateway Router 2 下的 AP3 的範圍)其中原來的 Level 0 與 Intra-domain
是相同的，所以我從 handoff 之後的動作進行說 明：
Level 1. Handoff Start and CTP Procedure
1.當 MH 繼續移動到 Wireless IntServ Region 2 和 3 的訊號涵蓋範圍時，MH 知道有可能要準
備無線換手到 Wireless IntServ Region 3 的位置
2.MH 接收到 Wireless IntServ Region 3 中 AP3 所
發出的 Beacon 訊息時，會引發第二層的無線換 手動作(Layer 2 Handoff Trigger)，而在此換手機 制時，MH 換到新的 IntServ domain 之中，所以 還必須進行 IP 的重新取得，因此比 stage 1 of the
Intra-IntServ-domain 多了 step 1.7~1.10 DHCP 的
動作，而在取得新的 Care-of-address 後，MH 也 必須透過 SSa 來向新的 domain 的 FA/BS2 註冊， 因 此 發 出 如 step 1.11 的 Binding Update 的
signal，當 SSa 收到 MH 新加入的訊息(在 Binding Update 時)，就必須為這個 MH 進行 QoS 及資源
圖五、Inter-domain Handoff 流程圖 及路徑的相關設定而通知 BS2 來進行處理，而為 了能夠將之前的的 QoS 相關需求可以在新的 domain 中順利接續，因此也同時進行 CTP 的相 關程序，之後的動作如送出 CTAR, CT Request 和 CTD 訊息如 step 1.12、1.13、1.14，而 CTP 格 式 如 圖 六 。最 後 當 然還 有 BS2 回給 MH 的
step1.15 Binding Ack.
Level 2. QoS Re-negotiation and route re-configuration 1.而 BS2 也在 CTP 程序後，再進行進行 QoS Adjustment 來因應原來 MH 的 QoS 需求。 圖六、CTD 欄位(粗體字由我們之機制動態調整) 2.BS2 將會依照 802.16 無線網域內新的使用 者的資源需求及目前系統資源狀況進行評估，並 且提出最適當的資源分配，在此同時 BS2 也會動 態 向 DiffServ domain BB 透 過 ER3 來 發 出
COPS-SLS 訊息如 step 2.2。而 BB 來進行 DiffServ domain 的整體頻寬資源的調整及新的 End-to-end
路徑的建立，同時 BB 在 DiffServ domain 中進行 新的路徑及 QoS 資源的重新調配及擇徑如 step
2.3。
3. 最 後 BS2 收 到 BB 回 送 的 COPS-SLS ACK(內含 BB 調整後的 QoS，範例如圖七, step 2.4)，將送出 MIPv6 BU [20] 給 CN(於 Mobility Options 中自訂 QoS 的參數如變動後的 bandwidth
等), step 2.5，執行 MIPv6 Route Optimization(準 備送出 Care-of Test, CoT 給 MH, step 2.6)，並觸 動 CN 進行 End-to-end RSVP 程序。
Level 3. End-to-End RSVP Signaling
1. CN 送出 RSVP Path，經由 QoS Routing 決
定的 DiffServ 內部的路由，到達 ER3、BS2，再 執行 BS2 內部 802.16 Domain 的資源預留程序。
而當 CN 收到來自 BS2 的 Route Change 訊息， 因此可以了解 MH 已經移到新的 IntServ domain 因此要進行資源重新確認。 2.由於這時 RSVP Signaling 的動作是透過 CN 到 MH，因此算是一次完整的 End-to-End Signaling，也明確的做到我們所要的可調整式的 端 點 間 服 務 品 質 控 制 的 目 的 (Inter-domain Handoff 流程如圖五所示)。當然在新的 802.16 Domain 中也分別透過 DSC (802.16 PMP
網路
)、 MSH-CSCH (802.16 Mesh網路
)的 QoS 變動來確 認 MH 的加入對於現有資源要如何進行重新分 配(調整演算法如下圖八)，及路徑變更。 圖七、COPS-SLS-ACK 訊息格式範例 圖八、資源分配演算法 (二)QoS 整合及動態調整機制 在我們的架構中，以 IP 層為角度，基本上 使用者的服務會經過二種網路型態：整合式服務 網路 (IntServ)、差異性服務網路 (DiffServ)。整 合式服務網路與差異性服務網路是 IETF 裡面所 提出的兩種在有線網路環境底下，可以滿足使用 者服務需求的兩種做法。整合式服務網路中就有 定 義 出 三 種 不 同 的 Traffic 型 態 ： GuaranteedService (GS)
、
Control Load Service (CLS) 和 Best Effort (BE)。差異性服務網路也是同樣提供了三種不同的 Traffic 型態：Expedited Forwarding
Service (EF)
、
Assure Forwarding Service (AF)和 Best Effort (BE)。差異性服務網路主要是根據封包的差異性來分類並決定服務的優先順序，其分 類的依據可以是使用者的付費機制或是根據封 包的特性來分類 (Multi-Fields Classifier)。 我們的架構中 Traffic Mapping 的部分，我們 是採用比較簡單直接的方式，也就是一對一的對 應(快速對應)，Mapping 主要是在差異性服務網 路和整合式服務網路連結的邊際路由器上面執 行。由於不同網路型態的 Traffic 要對應在一起， 除了要考量 Traffic 本身的等級之外，還有很多的 參數必須考慮周全。包括不同的頻寬要求、不同 的延遲要求或是可容許的尖峰的速度..等等的考 量。為了降低不同 Traffic Mapping 的對應時間， 減輕邊際路由器的處理負擔並且讓使用者所需 的服務能快速的進行。一般我們常看見的做法也 都是事先將 Traffic 按照等級分類，不同的網路形 態有不同的 Traffic 分類，對應的原則是將最高級 的對應到另一網路型態的最高級分類，利用等級 區分來分類的好處是免去繁複的計算，並且原先 享受高優先權的服務到了新的網路形態時，還是 可以享受最優先的服務品質。 由於整合式服務網路中的 GS Traffic 跟差異 性服務網路的 EF Traffic，所希望能夠提供的服 務是優質、穩定和 Seamless 的服務。因此我們將 這兩種不同的 Traffic 對應在一起。另外在 CLS Traffic 的部分，我們又另外設計了三個不同的子 分 類 ： CLSRT (CLS Real-time)
、
CLSMM (Multimedia)和 CLSCM (Control Message) 。從 CLS 中多設計出這三個子分類主要是用來做為後來 Queue 中動態調整的依據。而在無線網路的 部分 802.16 及 802.11e 都有各自的 QoS 類別，如
UGS (Unsolicited Grant Service), rtPS (real-time Polling Service), nrtPS (non-real-time Polling Service), BE (Best-Effort)是由 IEEE 802.16 [10]
定義；而在 IEEE 802.11e [21] 透過原來 DCF 概 念中 DIFS 和 CW (Contention Window)兩個參數 來作進一步的調整。IEEE 802.11e 定義了四種基 本的 ACs (Access Categories)
：
AC_BK, AC_BE, AC_VI, AC_VO，其中我們也參考了 AQUILA [22]組織針對 SLS 所定義出的參數定義和 Traffic 需 求 等 級 的 不 同 訂 出 了 相 關 的 規 則 及 IP 層 與
802.16 的對應[23] ，並且將其對應上層的資料類
別及特性和 priority 的高低也作了初步的訂定如 圖九。
此外使用者動態調整需求的部份，我們則是 在無線網路上的 BS/Gateway Router 上面做調 整。這裡我們採用 Class Based Queuing (CBQ) [24] 與 Random Early Detection (RED) [25] 兩 種
Queue Management 的方式合併管理。CBQ 是一
種利用 Class Queue 的觀念運作的方式，每一個
Class 就是單一個 Queue 組成，這些 Class 的分類
標準可以是單一使用者或是多個使用者 traffic 所 組成。Class 本身要不要借出多餘的頻寬，是決 定於一開始分類的時候這個本身 Class 有沒有設 定可以借出的屬性，1 是可以，0 則是不行。另 外 RED 是一種常見 Queue 的管理方式，由於傳 統 Queue 的運作方式是採用 FIFO (First in First
out)，因此當網路有大量封包湧進時，很容易造 成封包大量的被砍掉，這對於 TCP 之類的傳輸 模式相當的不利，由於大量封包的遺失，因此必 須不斷的重新傳送而造成網路效能不彰。RED 的 做法就是當有擁塞的情形快發生的時候，RED 就 會將這些封包做 Drop/Mark 的動作，並且通知 Source 端減少傳送速度來解決目前擁塞的情形 發生。利用 RED 在多個 Queue 上的處理模式並 且結合了 CBQ 的可動態頻寬配置的屬性，因此 我們所提出整合式服務網路中不同 Traffic Class 的運作與當所屬 Queue 的頻寬不足以滿足使用 者需求時，如何動態調整相關的政策的準則，我 們又區分成兩種狀況 1.有多餘的頻寬可以進行 借用 2.調整 Traffic Class。而在借用時，將會考 慮兩個步驟(a)先跟有借出的高優先權 queue 的
class 中去試著取回借出之 queue space，當然要
取回時，由下而上，依次去試著取回，我們利用
Array_L 這個陣列來記錄每次在那一層的 queue
中借出給那個 class 多少 bytes，在取回時將以此 為依據。而在進行 queue 取回時，必須是那個
queue 的 length 小於 Min_th 時才可以取回(b)如果
前面的步驟執行完時，現有 queue 狀況還是超過
Max_th，就要準備借用低優先權下層的 queue，
借用的方式為先從最低的 class 中借(但是最多只 能借用其 Max_th 以內的 queue length)，依次來 借，演算法如圖十所示。 圖九、各種 QoS 類型對應表 圖十、動態調整演算法
四
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、模擬實驗與結果
模擬實驗與結果
模擬實驗與結果
模擬實驗與結果
(一) 實驗環境與參數 我們的實驗架構主要是針對無線網路底下 的 BS/Gateway Router 中，由不同的 Class 分類而 分成多個 Queues (QoS 對應表如圖九)。由於Gateway Router/BS 所在的網路環境是屬於整合
式服務網路的模式，因此 Traffic 的分類按照我們 先前我設計的主要有 Guaranteed Service (GS)、
Control Load Service (RT,MM,CM)與 Best Effort (BE)這五種 Class Queue，而 802.16 內部則分為 UGS, rtPS, nrtPS, BE 等四種等級。而其中多個 BS 互相連接到 Internet 上，而每個 BS 所在的就
是一個 IntServ 的環境，而 BS 所在的 802.16 環 境有 PMP 和 Mesh 兩種模式，在我們模擬實驗底 下主要是針對 802.16 QoS service type 四種 Class
Queue 做分析，因此我們主要針對有不同優先權
大小 Class Queue 的運作上實驗 traffic flow 作探 討，以及使用者需求變動後的分析。實驗環境的 參數則是無線網路上 802.16 網路的頻寬我們為
20 Mbps，因此根據我們採用的 CBQ 方式處理，
每個 Class Queue 都有其單獨的 queue 的比例分 配，因此在 Gateway Router 底下所有 Class Queue 所能取得的配置資源如表一所示。另外我假設所 有的不同等級 traffic flow 的 data rate 都是相同 的，packet 的 arrival 為 possion distribution，而我 們的提出的作者會透過前面圖十中提出一演算 法，讓上層的 class queue 可以藉由 Max_th 和
Min_th 的值去向下層的 class queue 去借用資
源，而對照組的作法，只會依照原來開始的比例 去分配各 class queue 的資源(如表一)，不會視
queue 中 traffic data 到達的狀況進行變動。
表一、BS/Gateway Router Class Queue state 及系統參數表
項目 參數
802.16 total bandwidth 20 Mbps Flow data rate 100-190kbps Number of flow 100 GS, CLSRT, CLSMM, CLSCM, BE 25%,25%,20%,20%,10% UGS, rtPS, nrtPS, BE 25%,25%,40%,10% Max_th, Min_th 80%, 20% (二) 實驗結果分析 從圖十一~圖十四，所顯示的是在每個不同 等級的 class queue 中我們提出的 CBQ+RED 的作 法，與沒有動態調整作法在每個 QoS flow 上
throughput 所呈現的結果，從圖十一中我們可以
發現，隨著 flow 的 data rate 上升，由於 UGS queue 的等級最高，所以我們的 CBQ+RED 可以配合高 等級的 queue 的狀況向其它等級的 queue 去借用 頻寬資源，因此整個 throughput 可以不錯提升， 而固定的 queue 資源分配，就無法讓較高等級 queue 在 traffic 變動時去作調整；而圖十二中 rtPS 的狀況和 UGS 的差不多，雖然不是最高等級， 但是仍有機會向較低等級的 queue 去借用資源； 而在圖十三中 nrtPS 的狀況我們的作法與對照組 沒有太大差別，主要的原因是因為 nrtPS 常常有 可能需要借出資源給上層較高等級的 queue，但 是因為仍有還有機會向下層的 BE 借用，所以與 對照組固定式的結果相差不遠；而在圖十四 BE 中隨著 flow data rate 的上升，我們的作法將有可 能讓 BE 的 throughput 明顯降低，但是由於仍有 考量到每個 class queue 的傳輸資源保障(透過 Min_th 來控制)，所以仍然不至於完全沒有傳送 的機會。而從圖十五中我們可以發現我們所提出 的 CBQ+RED 的作法可以讓整體的 throughput 有 提升，主要的原因是在 traffic data 的到來本來就 會有 burstiness 的情形，如果沒有變動 queue 的 資源機制，就有可能因此而增加了 data drop 的機 會，也因此 CBQ+RED 的作法會比對照組在 throughput 上有更好的效果。
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、結論
結論
結論
結論與未來工作
與未來工作
與未來工作
與未來工作
我們所提出的架構與方法主要是希望使用 者在一個異質性的網路環境中，即使使用者本身 有 Mobile 特性時，不管使用者無線換手到哪一 個新的網路環境，我們都可以透過使用者的服務 品質需求與即將無線換手的網路環境的資源做 一比較，重新找出最適合目前使用者的服務品質 需求的等級。 本論文透過 CTP 的運作加速無線換手的過 程，並且可以事先將使用者本身的服務品質需求 早一步的傳送到新的無線網路環境，透過這個機 制的運作我們除了可以減少使用者在無線換手 的時候，可能會遭遇到服務中斷的問題，並且當 使用者無線換手到新的區域同時也可以享有到 服務品質保證的服務。並且利用 COPS-SLS 協定 做為我們不同性質網路彼此溝通的橋樑，主要是 透過 COPS-SLS 的運作可以將不同性質的網路 串連在一起，可以節省不少的溝通的麻煩。並且 透過 CBQ 結合 RED 的機制，讓使用者不必擔心 無法繼續享受到服務，而且透過此機制動態調整 而可以有更好的服務品質享受。此外利用 RSVP 做為 End-to-End Signaling 主要是考慮到 RSVP 的 特 性 與 成 熟 度 ， 由 於 RSVP 是 屬 於 Receiver-oriented 的，因此很適合運用在無線換 手的時候，根據使用者的需求來做重新協商的動 作，並且應用在 Local 端可以做到資源預留的動 作，確保使用者的服務品質的穩定。 在本文中提出了這個架構結合了上述的溝通協定，除了可以確保使用者不會有無限換手之 後而服務中斷的問題，並且可以加速使用者無線 換手的過程與 WiMax, Wi-Fi 等無線網路的 QoS 的建置，並且透過使用者的需求與新區域所能提 供 的 資 源 協 商 而 取 得 一 個 平 衡 點 ， 再 藉 由
Gateway Router/BS 上面的 Queue Management 的
動作，以及 RSVP Signaling 的特性，我們就可以 真正達到可調整式的端點之間服務品質的控制。 未來希望可以做到與其它異質性的網路環 境溝通，並且希望可以做到垂直的無線換手過程 之後依然保有使用者的服務品質的保證，真正做 到一個屬於 All IP Network 之中無線換手時，不 會再有服務中斷的問題產生。
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、參考文獻
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參考文獻
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圖十一、平均每個 UGS flow 所接收的資料量 圖十二、平均每個 rtPS flow 所接收的資料量
圖十三、平均每個 nrtPS flow 所接收的資料量 圖十四、平均每個 BE flow 所接收的資料量
