移動環境下基于策略的ＱｏＳ兩級協商機制研究

(吉林大學 a.計算機科學與技術學院; b. 符號計算與知識工程教育部重點實驗室， 長春 130012)

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摘要：

為了更好地控制移動性對QoS的影響，本文把基于策略思想應用到移動環境中，對基于策略的QoS兩級協商機制進行研究，設計了框架中功能實體的內部結構，給出所用策略的形式。進一步對COPS協議進行擴展，用其作為實體間的協商協議，并模擬了協商過程。三個實體的兩級協商機制能根據移動節點位置、路徑的不同，動態選擇協商級別作出決策。擴展COPS協議進行QoS協商，使移動管理與QoS協商相互獨立，可用移動事件觸發QoS協商，對QoS路徑進行部分恢復和重建。

關鍵詞：基于策略的網絡管理；移動切換；服務質量協商；通用開放策略服務協議

中圖分類號：TP393.07文獻標志碼：A

文章編號：10013695(2009)03101305

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Research of policy based QoS twolevel negotiation mechanism inmobile environment

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LIU Xuejiea，b， LIU Yanhenga，b， LIU Lina， LI Yana

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(a.College of Computer Science Technology， b.Key Laboratory of Symbolic Computation Knowledge Engineering of Ministry of Education，Jilin University， Changchun 130012，China)

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Abstract:

To depress negative influence of mobility to QoS， this paper applys policy in mobile environment and researches policy based Qos twolevel negotiation mechanism. It designed the inner configuration of functional entity in the mechanism and presented policy specific form. Further，it extended COPS as negotiating protocal to communicate during entities and then simulated the process of QoS negotiation. Twotire negotiation mechanism in there entities could choose negotiation level neatly to make decision according to location and path of mobile nodes. It made smobile management to be independent with QoS negotiation protocol by employing extended COPS to Qos negatiation and mobile events could trigger negatiating process to partly recover and rebuild QoS path.

Key words：policy based network management； mobile handoff; QoS; COPS

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隨著無線技術的發展和多媒體業務的大量需求，未來無線網絡將支持視頻、話音和數據等多媒體業務。但由于受到用戶移動性、無線帶寬資源不足等因素的限制，使得在移動環境下保證移動用戶的QoS變得更加復雜。如何實現無線資源的有效管理和保障移動用戶不同業務的服務質量（QoS）一直是研究的重點。

基于策略的網絡管理技術PBNM使用獨立于具體設備的策略描述來簡化對QoS有關特性的實現和管理。IETF對策略的定義是指一系列管理規則的集合，而管理規則是由一組條件和執行動作構成，一定條件的滿足會引發一組動作的執行。繼而IETF提出了一個基于策略的QoS管理框架[1]，用于對服務質量進行策略控制，這無疑是一個充滿希望的解決方案。首先，通過策略將對QoS的控制與具體操作分隔開來，使得網絡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；其次，管理員無須再手工配置網絡設備，而是從一個中心位置操縱和管理整個網絡，不但維護了設備狀態的一致性，還節省了時間。

在移動網絡這種靈活性及變化性很大的網絡中，策略的引入將能很好地表達和控制移動性對QoS 的影響。目前有許多研究將PBNM技術應用于移動環境中[2，3]。

本文在分析移動環境與固定環境下QoS保證方法主要區別的基礎上，把基于策略的網絡管理思想應用到移動環境中，設計了應用于移動環境下基于策略兩級協商的QoS控制框架，并對框架中三個功能實體——全局策略管理器、本地策略管理器及策略執行點的內部結構進行了詳細分析，給出了策略的具體形式。兩級協商機制使用COPS協議作為實體之間的協商協議，進一步根據不同的應用類型及服務質量的需要，在標準文檔RFC 2748的基礎上，分析了客戶端和服務器的狀態機，對COPS協議的報文格式進行擴展，增加協商擴展信令。最后，使用Java語言模擬了協商過程。

1移動環境下QoS保證的主要特點

各種Internet業務在全世界范圍內的廣泛應用推動了Internet技術的發展，IP協議原有的“盡力發送”機制已經不能夠很好地適應業務的需要。IETF提出了資源預留協議和實時傳輸協議等來保證傳輸業務流的服務質量。同時，越來越多的移動用戶要求能夠連續無縫地接入Internet，為此IETF提出了移動IP協議以滿足移動用戶的需求。但是，由于移動環境中通信鏈路質量經常發生變化，可用的系統資源較少，通信過程中的多次切換可能導致連接中斷，因此在移動環境下提供QoS保證需要新的機制。與固定環境相比較，移動環境下的QoS保證的主要有以下特點：

a)當移動節點從一個接入路由器切換到另一個路由器，移動節點的數據流在網絡中經過的傳輸路徑可能發生變化，這種變化可能出現在端到端路徑中靠近終端的一小部分路徑上，也有可能對整個路徑產生影響。

b)切換可能在不同管理域的子網間進行，不同域之間可能采用不同的QoS機制。

c)由于主機的移動性，難以提供有效的方式滿足移動節點對資源的需求。同時，在移動環境下，需要進行資源和相關QoS特定參數的轉移，而這種轉移機制的實現難度較大。

由于移動環境的特殊性，在切換過程中，可能引起數據流端到端路由的變化，這種變化可能發生在位于終端附近的路徑，也可能是大部分路徑（如在不同網絡管理域之間切換的情況）。如果新路徑的中間節點沒有該數據流對應的QoS信息，就會對這些數據流進行默認的轉發處理，這將影響數據流的QoS。因此，需要對路徑中受影響部分進行QoS重建。為移動節點沿新路徑建立QoS鏈接的機制使用端到端的信令，切換完成后應該能夠釋放原有路徑上QoS狀態和分配資源。

2基于策略的QoS兩級協商機制

2.1管理框架實體

將策略應用引入兩層、兩級QoS框架[4]，所構建的基于策略QoS管理框架由三部分實體組成，即全局策略管理器、本地策略管理器和策略執行點。

2.1.1全局策略管理器

一個管理組織可擁有一個或多個網絡管理域。各網絡管理域具有統一的管理方法、收費策略等，一般由一個核心主干網和多個無線接入網構成，無線接入網鏈接到核心主干網上。

在每個網絡管理域中定義一個全局策略管理器。全局策略管理器存儲整個網絡管理域QoS的信息（如可用資源的使用情況等），它負責與相鄰網絡管理域進行QoS協商，以及與本地策略服務器之間的QoS控制。

全局策略管理器通過SNMP協議[5]來獲取全網的可用資源信息。不同域的全局策略管理器間通過通用開放策略服務協議COPS[6]進行溝通。另外，全局策略管理器根據本地策略管理器采集到的移動節點QoS信息，結合當前網絡的資源狀況作出相應決策，并把決策傳遞回本地策略管理器。其內部結構如圖1所示。

2.1.2本地策略管理器

通常一個無線網絡擁有一個本地策略管理器。本地策略管理器負責收集并存儲有關無線接入網絡QoS的信息。當一個移動節點移動到某一個域，并在該域中需要申請一定的QoS資源時，移動節點向本地策略管理器發送請求，策略決策則由全局策略管理器和本地策略管理器共同完成。當移動節點跨管理域時，還需要相應管理域中全局策略管理之間的策略交互。本地策略管理器向全局策略管理器提供本地的QoS信息，同時也保存由全局策略管理器更新的資源信息，并根據這些信息，與默認路由器一起完成對進入無線接入數據流的標記、督察和整形操作。本地策略管理器內部結構如圖2所示。

2.1.3策略執行點

移動環境下的基于策略的服務質量保證是由網絡硬件組件、軟件模塊、通信協議、數據庫系統和網絡管理系統共同組成的體系結構。在這個體系結構內，需要按照特定的設備規則和策略目標對網元設備進行控制。策略執行點位于特定的網絡設備中，負責執行服務器下發的策略決策。移動環境下基于策略的網絡路由器內部結構如圖3所示。

管理模塊是路由器內部的一個邏輯模塊，由它來接收本地策略管理器作出的決策并分別控制路由器內部的輸入、輸出和緩存管理模塊的執行。它還負責監視路由器的資源情況，并上傳給本地策略管理器。當網絡發生錯誤時，同樣報告給本地策略管理器，等待本地策略管理器的錯誤解決方案。移動預測模塊可對移動節點軌跡進行預測。管理模塊接收到策略管理器預測的移動節點下一步可能移動的位置，并立即控制緩存管理模塊提前向下一個可能的節點發送保存在本路由器有關移動節點的信息，并在下一個可能的節點上提前進行QoS重建和資源的預分配。

2.2策略具體形式

策略是指導和決定如何管理、分配和控制網絡資源的業務規則，這些規則描述了在特定情況（condition）下應采取的行為（action）。用巴科斯范式來定義移動環境下QoS策略的形式。

〈Policy〉 ::= 〈PolicyRule〉 | 〈Policy〉

〈PolicyRule〉 ::= IF 〈PolicyCondition〉 THEN 〈PolicyAction〉|〈QoSPolicy〉

〈PolicyCondition〉 ::= 〈EndHostCondition〉 | 〈BorderRouterCondition〉 |〈InteriorRouterCondition〉

〈PolicyAction〉 ::= 〈IntServAction〉 | 〈DiffServAction〉 | [〈Allow〉 | 〈Forbid〉]

〈IntServAction〉 ::= [〈Set〉 | 〈TrafficShape〉]

[〈FlowQoSActiveAllocation〉|〈FlowQoSPassiveAllocation〉]〈FwdAction〉

〈DiffServAction〉 ::= 〈PoliceAction〉 |

〈TrafficConditionerAction〉〈DSResourceAllocation〉 〈FwdAction〉

〈TrafficConditionerAction〉 ::= 〈Shape〉 〈Mark〉 〈Drop〉 〈Meter〉

〈DSResourceAllocation〉 ::= [〈Set〉 | 〈Monitor〉]

〈FwdAction〉 ::= 〈Drop〉 | 〈Delay〉 | 〈Forward〉 | 〈Remark〉

〈QoSPolicy〉 ::= 〈QoSPolicy〉 |

IF [〈MN distance=distance i〉] THEN [〈SetQoS〉 ]

〈 SetQoS 〉 ::= 〈Recover 〉 |〈Rebuild〉| 〈Negotiate〉

其中：〈EndHostCondition〉為移動主機相關信息；〈FlowQoSAllocation〉為流進行QoS資源（如帶寬）預留，分為主動預留和被動預留；〈TrafficConditionerAction〉動作根據流量情況配置相應QoS參數；〈QoSPolicy〉為QoS重建策略。當移動節點在子網內切換，即位置變化發生在靠近終端的一小部分路徑時，QoS機制只需要對路徑中受影響部分進行QoS恢復；當移動節點移動范圍跨越子網時，需要重新建立端到端的QoS；當移動節點移動范圍跨越整個網絡管理域時，不同網絡管理域所采用的QoS控制技術可能有所差異，可以通過不同管理域事先簽訂的服務等級協議SLA[7]來協商。

2.3兩級協商機制

兩級協商中第一級指的是移動節點與本地策略管理器間的協商機制。第二級指的是本地策略管理器與全局策略管理器和全局策略管理器之間的協商機制。兩級協商機制有效地保證隨著移動節點的位置、路徑的不同，網絡策略決策系統可以動態地、以不同的方式作出決策，能更好地保證移動環境下的服務質量。

第一級協商：移動節點需要確定提前的位置的集合，稱為MSPEC[8]。理想情況下，MSPEC應該是移動節點在連續過程中將要經過的位置。移動節點可通過網絡或本身確定自己的MSPEC。移動節點的MSPEC可以在連接中變化，這時如果MSPEC中的新位置有充足的資源可供分配，就可以在新添加到MSPEC的位置上進行資源提前預留。

當移動節點移動路徑的變化出現在到端路徑中靠近終端的一小部分路徑上，即移動范圍仍在子網內，進行QoS恢復。假設在MSPEC中，每個位置用所在子網的前綴表示，則移動節點可以使用發現協議確定移動的范圍及位置。當移動發生在小范圍內或移動前后仍然在同一個子網內，MSPE內的位置集合不變，移動節點僅與本地策略管理器協商，迅速恢復移動節點的服務質量。

第二級協商：以下兩種情況需要進行第二級協商。

a）當分配給移動節點的資源被消耗時，本地策略管理器與全局策略管理器進行協商，申請得到更多的資源。

b）當移動節點切換不同管理域的子網或移動較大范圍時，可能采用不同的QoS保證機制，需要進行資源和相關QoS特定參數的轉移。

當發生二級協商時，接收端的MSPE內的位置集合刷新，本地策略管理器與全局策略管理器進行協商，重新建立發送端MSPE到接收端MSPE的主動、被動的資源預留，重建端到端的QoS。

2.4協商協議

完成兩級協商可以對現有的移動IP協議信令進行擴展，本文選擇使用COPS協議，對COPS協議進行擴展，增加協商擴展信令。其優勢為：使移動管理與QoS協商機制相互獨立，可用移動事件觸發QoS消息，能減少QoS服務中斷時間，避免在已經建立預留的路徑上重新進行預留，而且更簡單且有更強的擴展性，可以支持不同類型的策略客戶端，定義多種類型的對象，從而能夠有效地完成三個實體之間的兩級協商機制。

2.4.1COPS協議狀態機擴展

移動終端、策略管理器的狀態機描述了從客戶打開會話到客戶終止會話的過程中協議的行為。

COPS通用報頭格式如圖4所示。

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其中：操作碼用來識別 COPS 操作：Request(REQ); Decision(DEC); Report State(RPT); Delete Request State(DRQ); Synchronize State Req(SSQ); ClientOpen (OPN); ClientAccept(CAT); ClientClose(CC); KeepAlive(KA); Synchronize Complete(SSC)。客戶類型用來表示不同策略客戶端。客戶類型在請求報文中初始化，并被用于后續的請求報文、決策報文和報告報文中，以指示相同的請求。

RPT、SSQ、SSC等操作不影響客戶端或服務器端的狀態機，因此它們沒有在狀態表中列出。

客戶端狀態機如表1所示，主要狀態如下：

初始態：客戶打開消息發出，等待回復；

就緒態：客戶請求消息發出，等待回復；

配置執行態：接收到服務器的決策消息；

存活操作態：保持存活報文發出，等待回復。

表1客戶端狀態機

狀態發出的消息響應后下一狀態

初始態OPN就緒態

TEARDOWN初始態

就緒態REQ配置執行態

KA存活操作態

CC初始態

配置執行態KA存活操作態

DRQ就緒態

KA存活操作態

服務器端狀態機如表2所示，主要狀態如下：

初始態：最初的監聽狀態，未收到有效的客戶請求報文；

就緒態：成功接收客戶打開報文，發送回復信息；

決策態：接收客戶請求報文，發送配置信息；

存活操作態：保持存活報文發出，等待回復。

表2服務器端狀態機

狀態收到的消息下一狀態

初始態OPN就緒態

TEARDOWN初始態

就緒態REQ決策態

KA存活操作態

CC初始態

決策態KA存活操作態

DRQ就緒態

ER初始態

2.4.2COPS協議擴展

為了支持移動終端的三個實體的兩級QoS協商，需要對COPS協議重新進行擴展。擴展主要是定義新的對象，完成對移動終端的報文進行正確的封裝。

1）COPS擴展可行性

（1）COPS 協議具有非常好的擴展性，通過采用不同的策略客戶類型，可以支持更加豐富的管理功能。

（2）在切換過程中，請求報文和決定報文都包含一個或多個上下文對象。在請求/決定報文中，此對象描述了觸發請求的網絡事件。上下文對象的Rtype 字段描述了觸發事件的基本類型。在切換過程中，可能發生以下兩種觸發事件，即輸入報文請求和輸出報文請求。兩種觸發事件的含義與COPS中觸發事件的含義相同。

（3）COPS 是一種公共的、開放的、可擴展的通信協議。COPS 報文可以封裝各種格式的信息，各種變長的、自定義的數據都可以封裝成COPS 報文被傳輸。擴展后的COPS中的clientSI 對象可以實現各種報文的封裝。所有接收到的切換請求報文中的對象都被封裝在clientSI 對象中。PEP 將此對象發送給PDP，PDP 將解析這個切換報文，分析報文內容，尋找可用策略，產生決定報文。為COPS定義新的對象，這些對象可能在clientSI 對象替代數據對象中被使用。

2）移動環境下COPS自定義對象格式

COPS 協議的對象格式如圖5所示。每個對象都由一個或多個32 bit組成。

長度指示了包括包頭在內的對象的以八位字節計算的長度。如果長度超過了32 bit，那么就在結尾加一個標志，表示后面還有報文。Cnum表示是包含在對象中的消息的類型，Ctype表示的是包含在對象中的版本類型和子類型。

為COPS 定義新對象時，這些對象在客戶特定信息(clientSI)對象、客戶特定決策數據對象和替代數據對象中被使用。新對象仍然采用統一格式。

（1） 切換消息對象

當Cnum=17，Ctype=1 時，對象為切換消息的固定長度部分對象，包含切換消息的固定長度的部分。切換消息包含移動節點切換前的網絡地址，從而能夠判斷移動終端路徑變化范圍。在切換消息還保存有移動節點的QoS信息，以便移動節點重新接入后QoS的重建和回復。QoS對象格式可參考RSVP協議中Filter_spec對象，定義如圖6所示。

當Cnum=17，Ctype=2 時，對象為切換消息應答的固定長度部分對象，包含切換消息應答的固定長度的部分。

（2）移動節點的認證對象

當 Cnum=18，Ctype=1 時，對象為擴展對象，它用于攜帶來自于移動節點切換的擴展列表，這個列表包含非認證擴展和認證擴展。包含接納控制信息，連接接納控制是在接入建立階段所執行的一組操作，當網絡空閑資源能夠滿足接入請求要求分配的帶寬和其他指標時，就允許建立一個通信連接過程。接入建立過程實際上是用戶和網絡進行需求資源的協商過程，其目的是根據用戶要求和網絡中的可用資源情況將流量合約作為通信過程中的規范。

（3）決定對象（decision object)

COPS的決定對象包括替代數據對象和客戶特定決定數據對象。決定對象包含資源預留、資源刪除和空的決定三個命令。安裝指示了一個肯定的決定，刪除則是一個否定的決定。本文對命令的含義進行了重新定義，資源預留、資源刪除和空的決定三個命令的解釋如下：

如果上下文對象是移動節點的切換消息請求報文，資源預留命令意味著對所在域的路徑進行資源預留，刪除命令意味著放棄資源預留，并返回一個應答。

a)如果上下文對象是新路徑路由器傳回信息，刪除命令意味著移動節點切換后，原路徑的資源要刪除釋放。

b)如果上下文對象是移動消息應答報文，資源預留命令意味著繼續進行資源預留，刪除命令意味著放棄資源預留。

c)對于刪除命令，策略管理服務器端可能發送錯誤信息給客戶端，它包含在應答報文里。決定對象中可以設置觸發標記來指示PEP 以替代數據對象中提供的錯誤代碼來產生一個資源預留應答。

（4）替代數據對象

當 Cnum=19，Ctype=1 時，替代數據對象被用在決定報文中產生兩種類型的協議對象，即錯誤特定的數據對象和擴展對象。

策略管理器可以發送替代數據到策略執行點，來替代輸出報文里的一些或者所有的數據。例如，在錯誤的情況下，它為切換應答消息提供新的生命周期；它也可以提供擴展，插入到輸出報文；它還可以為切換請求消息提供一個新的認證擴展。

當客戶端收到一個決定，以ESV 字段的值作為一個替代數據，Ctype 字段的值在輸出報文里指出需要被替換的數據。

(5）錯誤特定數據對象

當 Cnum=19時，對象為錯誤特定數據對象，它包含錯誤詳細的信息。

Ctype 字段指示了錯誤代碼。ESV(error specific value)字段被一些錯誤類型用來攜帶特定信息。策略服務器通常在輸出的切換消息應答報文里攜帶這個對象，提供錯誤代碼給策略執行點。CType 映射了應答消息定義的錯誤代碼。

如果移動節點的切換消息被新域路由器接收，但拒絕預留資源，Ctype 字段的值及含義如下所示：

Ctype = 1：原因未表明；

Ctype = 2：管理禁止接受；

Ctype = 3：移動節點認證失敗；

Ctype = 4：資源不夠；

Ctype = 5：序列號超出了窗口的范圍；

Ctype = 6：重復地址檢測失敗。

2.5協商過程及其模擬

在實驗室環境建立所提出的QoS兩級協商框架，簡單實現三個功能實例，對COPS擴展協議使用Java語言實現，并利用此協議在各實體點通信、模擬驗證QoS協商過程。當移動節點移動到一個新的外地網絡，需通過移動節點、策略執行點、策略管理器的交互完成QoS協商過程。首先本地網絡可根據相應策略信息決定是否接納該節點，并通知移動節點成功或失敗的情況。另一方面，如果本地網絡不能滿足移動節點所提的QoS要求，節點可決定是否進入該網絡或采取QoS降級協商更低的QoS請求。如果允許節點接入，本地網絡需根據一定策略，為節點預留能保證其QoS的可用資源，并當節點離開后，釋放相應資源。移動節點通過COPS擴展協議與所在網絡協商成功后，再通過RSVP協議與通信對端進行QoS協商，通信對端也需要與它所在網絡進行協商。當三個階段協商成功后，移動節點就可與通信對端進行數據傳送，否則協商失敗。

以移動節點從通信對端接收數據為例，說明移動節點移動到一個新的外地網絡之后的協商過程，對協商中主要的COPS消息以圖形界面顯示。

(1)移動節點完成切換后，向通信對端發送移動切換消息。

(2)移動節點的默認路由器截獲此切換消息，并向本地策略管理器發送COPS請求消息通知有關移動節點的QoS請求，發送COPS消息界面如圖7所示。

(3) 如果本地策略管理器根據一些接納控制策略允許移動節點進入無線接入網絡，并使用發現協議確定移動的范圍及位置，當確定移動的范圍并不影響整個路徑時，可以對QoS恢復，則本地策略管理器向需重建QoS路徑中的路由器發送一個成功的COPS決策消息，在這個消息中包含配置路由器相應接口的參數，如切換影響整個傳輸路徑，需對QoS路徑重建，則本地策略服務器把從策略執行點得到的QoS參數信息傳送到全局策略管理器，由其生成相應策略，組織QoS重建。若不允許移動節點進入接入網，本地策略管理器將向默認路由器發送一個失敗的QoS決策消息。決策消息包括客戶句柄、一個或一個以上的決策對象、相關的上下文對象，其消息界面如圖8所示。

(4)接收到一個成功的COPS決策消息之后，默認路由器向本地策略管理器發送COPS報告消息通告自己的配置結果（成功或失敗）；否則，默認路由器不應答本地策略管理器。狀態報告消息如圖9所示。

(5)移動節點的默認路由器把移動切換消息轉發到通信対端。如果移動節點的QoS請求發生了變化，將繼續以下的操作；否則通信對端路徑無須重建，協商結束。

(6)接收到移動切換消息之后，通信對端向移動節點發送移動切換確認消息（通信對端使用的移動切換消息）。

(7)通信對端的默認路由器對移動切換確認消息進行處理，在這個消息中包括QoS對象選項，該QoS對象選項可能與包括在移動切換消息中的相同，也可能被通信対端進行修改過。經過適當處理之后默認路由器把QoS請求消息轉發到本地策略管理器。

(8)根據一定的QoS控制策略，如果本地策略管理器能夠滿足這個QoS請求，它將向通信對端的默認路由器發送一個成功COPS決策消息，在這個消息中包括配置路由器相應接口信息。否則，本地策略管理器向默認路由器發送一個失敗COPS決策消息。

(9)在接收到一個成功COPS決策消息之后，默認路由器通過COPS報告消息向本地策略管理器發送配置結果（成功或失敗）；否則，默認路由器不應答本地策略管理器。

(10)通信對端的默認路由器把綁定確認消息（通信対端使用的擴展綁定確認消息）轉發到移動節點。

在整個過程中，本地策略管理器和全局策略管理器保持通信來更新本地和全局的資源列表信息。在進行策略決策時，若本地策略沒有相應QoS決策策略，則還需進行本地策略管理器與全局策略管理之間的交互。

3結束語

本文設計了移動環境下基于策略兩級協商的QoS框架，分析了框架中的功能實體，并對協商協議進行擴展，模擬了簡單的協商過程。由于應用了策略技術，可根據管理域間網絡狀態和管理要求進行動態協商，這在應用層面更能夠實現面向需求的高度抽象，這是基于設備的管理機制所無法做到的，也正是基于策略管理的優勢所在。目前，對移動環境下基于策略QoS協商的真正端到端路徑的資源預留的工作做得還不足，還需要做進一步細致的工作。

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