UMTS和WLAN融合环境下基于策略的QoS管理体系

韩学勇1 万仁福2 李方伟2

1. 新疆阿勒泰电信分公司 新疆阿勒泰 836500

2. 重庆邮电学院 重庆 400065

　　摘 要 UMTS和WLAN的融合可以实现两种无线接入技术的优势互补。为了在融合环境下提供一致的QoS控制，本文提出了一种基于策略的多域Qos管理体系，并就融合的不同情形阐述了该体系的可行性。

　　关键词 IP多媒体子系统 服务等级约定 策略 服务质量管理

　　1 引言

　　UMTS的特点是覆盖面积较大，支持用户的全球漫游和快速移动。UMTS在无线技术上采用了CDMA技术，提高了无线接口的传输速率，但是其理论上最高传输速率也只能达到2Mbit/s，由于部署的成本非常高，提供用户理论上的数据速率是不现实的。而以WLAN为代表的短距离无线技术，可以达到很高的传输速度（802.11b可以达到11Mbit/s）。WLAN还具有组网方式灵活、使用开放频段以及网络设备价格低廉等优点，使得它越来越受移动运营商的青睐。但WLAN的缺点是覆盖面积比较小，缺乏漫游和移动性支持，所以一般只能在人口密集的热点地区使用。由此看出，这两种无线技术具有很强的互补性。将WLAN作为UMTS的补充对于运营商提供多层次的移动业务来说是一个很好的捷径，UMTS和WLAN的融合可以实现两种无线接入技术的优势互补。

　　2 策略、基于策略的QoS管理

　　策略最早应用于网络安全中，只是最近才认识到策略对于服务质量控制的重要性。根据IETF对策略的定义，是指一系列管理规则的集合，而管理规则往往由一些条件和执行操作组成，一定条件的满足引起一组操作的执行，这些策略规则主要用来引导网络在不同情况下对网络资源的管理。IETF提出了一个基于策略的QoS管理框架，用于对服务质量进行策略控制。在这个结构中，进行策略控制的两个主要元素是策略执行点（PEP）和策略决策点（PDP）。PEP一般位于网络节点上，它实际执行策略决策；而PDP则一般位于存放策略的策略服务器上，主要在此作出策略决策。当然，为作出策略决策，PDP还需要使用另外的机制和协议去访问其他的信息库（如策略仓库）。两个元素间的交互作用由PEP开始，PEP接收来自设备的策略服务请求，例如PEP接收到RSVP的数据包，其中有资源预留请求，PEP将策略服务请求发往与其对应的PDP，PDP根据请求中的相关参数查询相关的策略，通过推理，决定是否执行相关的策略，并把决定发往PEP，PEP依据PDP的决定来执行相关的操作，最终将策略转化为面向具体设备的指令，对网络设备进行配置和操作，以满足有关QoS的控制目标。因此，基于策略的QoS管理无疑是一个充满希望的解决方案，通过策略将QoS的控制和具体执行分隔开来，在以下几个方面具有优越性：

　　（1）使得管理员能够从网络整体出发，用一种接近于企业管理要求的语言定义策略，而不必关注实现该策略的具体技术和相关设备的配置细节。

　　（2）管理员不再需要手工配置网络设备，而是从一个中心位置操纵管理整个网络，不但维护了设备状态的一致性，而且还节省了时间。

　　（3）策略体现了QoS管理智能，可以通过对策略的增、删、改适应网络环境的变化。

　　除此之外，IETF还制定了交换策略信息的通信协议COPS（Common Open Policy Service），从而提供对多厂商的管理，COPS是一种具有较强扩展性的协议，用于PDP和PEP之间请求-应答（Request-response）方式的策略信息的通信以及其他实体间策略信息的交换。由于策略有网络管理者统一制定，因此采用不同QoS技术的异构网能够实现统一的QoS管理，基于策略的QoS管理方式正逐渐获得国际公认。

　　在UMTS的IP多媒体子系统（IMS）中，通过使用会话初始化协议（SIP），运营商在UMTS分组交换域中可提供QoS敏感的IP业务，如VoIP。为了满足UMTS分组交换域中其他业务对端到端QoS的要求，目前，3GPP组织正在扩展基于策略的QoS控制体系。

　　IETF的策略QoS管理框架实际上是一个基于PDP的集中式系统，所有的智能都集中在PDP一方，这样一个集中式系统，在大的管理域中将不可避免地带来可扩展性问题，解决的办法是构建层次式的PDP以解决域内扩展性问题，除了域内扩展性，各域策略QoS管理系统之间的协作问题也不容忽视，因为QoS的实现依赖于各个域之间的协作。不同域的QoS管理系统必须能够交换策略信息，并根据自己所在域的网络情况自主地作出决定，采用的手段是相邻域之间协商服务等级约定（SLA），并将协商好的SLA转换为流量控制约定（TCA），以此达到全网统一的服务质量保证。

　　端到端的通信可能涉及不同网络运营商控制的多个管理域，为了在多运营商多域的环境下提供一致的QoS端到端业务，文献[1]就UMTS的多媒体子系统提出了一个混合策略体系，在这个体系中，某个运营商多域网络内部使用层次化体系，运营商之间的网络通过对等体系互联。运营商网络的主策略决策功能（MPDF）实体与邻近网络的MPDF之间的关系是对等的，相互之间通过域间策略代理（Interdomain Policy Agent，IPA）联系。在IPA与它对等的IPA成功交换更新的SLA消息后，MPDF把新的SLA转换为策略规则应用到网络中，随后更新策略仓库。网络内某个策略决策功能实体需要对分组交换域的会话执行本地域策略控制时，只需从策略仓库中提取相关的策略规则。

　　为了在UMTS和WLAN融合环境下提供一致的IP QoS业务，基于策略的多域QoS控制体系必须扩展到WLAN域中，以下阐述如何实现这种扩展。

　　3 WLAN网络中基于策略的QoS管理体系

　　WLAN网络通常包括多个接入点（AP），AP通过WLAN路由器（WLAN Router，WR）连接到外部网络。WLAN网络层的QoS机制是通过标记IP数据报头的形式来实现的，受控于区分服务（DiffServ）体系，数据链路层的QoS机制则通过WLAN QoS支持机制（802.11e）、MAC帧优先指示（802.1p）以及虚拟局域网（VLAN）标识（802.1q）来实现，网络层和数据链路层的QoS机制均受QoS管理体系的控制。WLAN 接入点提供MAC QoS机制，WLAN的路由器提供IP DiffServ机制。在下面WLAN基于策略的QoS管理体系中，策略控制过程只能使用WLAN路由器的区分服务机制。

　　WLAN和UMTS融合的方式有两种：紧耦合和松耦合。在紧耦合体系中，WLAN的路由器直接连接到服务的SGSN，SGSN把WLAN路由器当作一个无线网络控制器（RNC）。WLAN用户端发送的数据必须经过相连SGSN所服务的UMTS分组域到达目的端。为了确保无缝的IP QoS业务，应把UMTS的会话控制实体（如IMS中的呼叫状态控制功能（CSCF）实体）扩展到WLAN网络中。会话控制实体直接与WLAN用户端交互，这样WLAN用户端可视为普通的UMTS用户设备，UMTS分组交换域中的策略决策功能实体（PDF）能够在WLAN的路由器上直接执行网络级策略，WLAN网络好像是UMTS分组交换域的一部分。因此，在紧耦合体系下，只需通过UMTS的策略决策功能实体来实现融合网络一致的QoS控制，不会影响UMTS的接入控制和计费实体。

　　在松耦合体系下，WLAN作为一个独立的网络连接到UMTS网络的GGSN，WLAN的路由器可看作是一个GGSN，WLAN网络与UMTS网络是对等的关系。为了在松耦合体系下提供一致的QoS控制，本文在IETF定义的策略框架下，提出在WLAN域中通过WLAN PDF（WPDF）组成了一个新的策略域，以处理WLAN域中需要QoS保证的业务。在这个策略域中，WPDF作为WLAN域中的策略决策点，WLAN路由器作为策略执行点，执行WPDF的策略决策。WLAN域应拥有本地会话控制实体，负责与UMTS网络的CSCF交互，WLAN域的会话控制实体与WPDF的关系如同UMTS IMS中代理CSCF（Proxy-CSCF）与PDF的关系。由于WLAN域拥有自己的会话控制实体和策略决策实体，所以保持了WLAN域和UMTS域之间明晰的接口，WLAN作为一个独立的网络，由独立的WPDF完成WLAN域中业务级策略的控制，因而也不会影响接入控制和计费实体。

　　与UMTS网络一样，WLAN可在公众、企业和居住环境下部署，不同的环境也许涉及不同的管理域和不同情形的网络融合。在紧耦合体系中，可通过UMTS的策略决策功能实体来实现融合网络一致的QoS控制，是UMTS分组域中基于策略的QoS管理体系的延伸。在提供一致QoS控制方面，松耦合较紧耦合具有以下优点：由于WLAN拥有自己的策略域，WLAN的策略域可作为UMTS的从属策略域，又可作为其对等策略域，允许WLAN域简单地融合到多运营商多域的环境中。下面分析在松耦合体系下，如何实现融合网络的端到端QoS控制。

　　4 松耦合体系下基于策略的QoS管理体系

　　我们使用的是两级层次化策略体系，WLAN的策略域作为UMTS的从属策略域，受UMTS策略域的控制。主策略决策功能实体（MPDF）分别连接WLAN的策略决策功能（WPDF）实体和UMTS的策略决策功能（PDF）实体，UMTS网络中的MPDF是WPDF的上级策略节点，因此WLAN域中策略的执行便融入到运营商整个层次化策略体系中。MPDF把网络范围内的策略转换成代表WPDF和PDF特定域的网络级策略，并将其存储到策略仓库中。策略决策功能实体（WPDF或PDF）可从策略仓库中获取这些网络级策略，并将其转换为设备级策略，然后在策略决策功能实体的控制之下把这些策略安装到网络设备中。除非某个新会话的QoS请求在授权方面存在策略冲突，否则这些策略会在所有新的IP多媒体会话中一致地执行。如果发生策略冲突，这时可由MPDF负责消除，MPDF和PDF之间策略信息的交换使用COPS协议。

　　1. 在会话建立期间，WLAN域的会话控制实体在会话建立信令中把QoS参数传递给WPDF。

　　2. WPDF从策略仓库中获取相关网络级策略。

　　3. WPDF检查请求的QoS参数是否被网络级策略所允许。如果允许，WPDF通知WLAN域的会话控制实体策略控制成功。如果网络级策略禁止请求的QoS参数，则通知WLAN域的会话控制实体策略控制失败。

　　4. 如果获取的网络级策略在请求的QoS参数授权方面存在冲突，WPDF请求MPDF解决策略冲突。WPDF把请求的QoS参数封装到COPS请求报文中并将其发送给MPDF。

　　5. MPDF根据整个网络范围内策略的情况来创建新的网络级策略，以解决策略之间的冲突。因为会话数据路径经过UMTS分组交换域，必须确保请求的QoS参数能够实现，所以在把新策略提供到WPDF之前，MPDF必须和PDF确认这些新策略。

　　6-7 一旦策略确认成功，MPDF把新的网络级策略发送给WPDF。同时，MPDF把新策略写入到策略仓库为将来策略决策功能实体请求所用。

　　具体分多少级取决于应用到网络中策略之间的关系，复杂的策略关系通常通过多级层次化策略体系来表示。在多级层次化策略体系中，底层PDF等待MPDF决策的时间相应会延长，因此网络运营商在实际部署时，应根据实际情况设计合理的层次化策略体系以减少策略的级数。

　　4 结论

　　当人们花费大量的精力去研究如何在网络中提供服务质量时，不可避免地面临着另一个挑战，这就是对质量服务的控制问题。本文在分析目前基于策略的QoS管理的基础上，提出了一种具有可操作性的基于策略的多域Qos管理体系, 以解决如何在UMTS和WLAN融合网络中提供一致QoS控制的问题，该体系可减少会话建立时延和策略交换的开销，同时可最大化网络的升级能力。