WendongWendong WANGWANGBroadband Network Research Center (BNRC)Broadband Network Research Center (BNRC)
State Key Laboratory of Networking and Switching TechnologyState Key Laboratory of Networking and Switching TechnologySchool of Computer Science & TechnologySchool of Computer Science & Technology
Beijing University of Posts and TelecommunicationsBeijing University of Posts and TelecommunicationsSeptember 2006September 2006
QoSQoS Issues Issues in Heterogeneous IP Networksin Heterogeneous IP Networks
Lecture 4 of 4: Lecture 4 of 4: QoSQoS in heterogeneous IP Networks in heterogeneous IP Networks
2006-9-20计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院
国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心22王文东王文东
Contents OverviewContents OverviewCourse introductionQoS backgroundQoS ConceptQoS StandardizationQoS TechnologiesQoS in heterogeneous IP Networks
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心33王文东王文东
QoS in heterogeneous IP Networks
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心44王文东王文东
AgendaAgenda
QoS in heterogeneous fixed IP NetworksQoS managementQoS measurement
QoS in wireless IP NetworksQoS in heterogeneous fixed/wireless IP Networks
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心55王文东王文东
QoS in heterogeneous fixed IP Networks
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心66王文东王文东
DiffServ Network
R
R R
LAN/WAN edge routers
IntServ/RSVP
L/W1
R
R
IntServ/RSVP
L/W2
RR
Enabled RSVP messagesDisabled RSVP messagesReserved Data Packets
Network Links
DiffServ Data Packets
Host Host
IntServIntServ over over DiffServDiffServ
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心77王文东王文东
DiffServDiffServ over MPLS/MPLS TEover MPLS/MPLS TE
IGP OSPF
IGP OSPF
IGP OSPF
IBGP
EBGP
EBGP
EBGP
As 500
As 300
As 100As 200
As 400
EBGP
IGP OSPF
MPLS/MPLS TE
DiffServ
DiffServ
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心88王文东王文东
IntServIntServ vsvs DiffServDiffServ vsvs MPLS/MPLS TEMPLS/MPLS TE
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心99王文东王文东
QoS Management
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心1010王文东王文东
Time Scales of different Time Scales of different QoSQoS mechanismsmechanisms
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心1111王文东王文东
User/ServiceRequirementSpecification
CACResource allocation
Performance Monitoring
Congestion Detection
Feedback Control
Short Term Short Term ControlControl
PerformanceAnalysis
Performancestatistic
Traffic dimensioning
Long Term Long Term ControlControl
QoSQoS Management ModelManagement Model
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心1212王文东王文东
Service Specification:Source/Destination IP Address, Source/Destination port number, etc.Service scope: Networks, Ingress ER, Egress ER, etc.Service type: VoIP, VoD, VPN, etc.Service performance: Bandwidth, Delay, Jitter, Loss, etcService duration: Start/Stop time.Service traffic processing strategiesOther issues for service contact (Discount, special packets, etc. )
QoSQoS ManagementManagement
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心1313王文东王文东
Layered Services SpecificationLayered Services Specification
Service contractTechnical & non-technical issues
IP Service traffic characteristicsNetwork QoS guarantee
Network QoS capabilitiesEdge to Edge traffic aggregates
QoS Capabilities: TCA/TCSCore and Edge routers
ImplementationProducts’ specifications
Service Level AgreementService Level Agreement((SLASLA))
Service Level SpecificationService Level Specification((SLSSLS))
QoSQoS ClassClass
Per Domain BehaviorPer Domain Behavior((PDBPDB))
Per Hop behaviorPer Hop behavior((PHBPHB))
Traffic Conditioning blockTraffic Conditioning block
QoSQoS MechanismsMechanisms((WFQ, REDWFQ, RED))
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心1414王文东王文东
SLA and Dynamic SLASLA: Static SLA, Service provisioning with QoSguarantee but without feedback control.
Pros. : Easy to deployment
Dynamic SLA: Service provisioning with QoSguarantee and feedback control
Pros.: High resource utilization
Current Situation:Normal SLAPart of Dynamic SLA
SLA ManagementSLA Management
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心1515王文东王文东
QboneQbone Bandwidth BrokerBandwidth BrokerInterface:
User/Application Interface: resource allocation request Intra-Domain Interface: Router QoS configurations Inter-Domain Interface: Admission control and SLA negotiations between BBs
Entities:Routing infoData storePolicy entityNetwork management entity
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心1616王文东王文东
IntraIntra--Domain BBDomain BB
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心1717王文东王文东
InterInter--Domain BBDomain BB
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心1818王文东王文东
User Agent QoS Mgt.
Service subscription
QoSMeasurement
Performance
QoSCharging
Charging info
QoS Mgt.Sys.
ERER
ER
CR CR
CRCR
AS1 ERER
ER
CR CR
CRCR
AS3
ERER
ER
CR1 CR
CRCR
AS2
ERER
ER
CR1 CR
CRCR
AS4
User
User
User
Probe
Probe
Probe
Probe
Implementation ExampleImplementation Example
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心1919王文东王文东
Logically layered InternetLogically layered Internet
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心2020王文东王文东
Expected ResultsExpected ResultsVoice(EF)
Video(AF)
Web, Ftp(BE)
BE
AF
EF
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心2121王文东王文东
Browse ServiceOn SP WebSiteChoose Service
Post parameters
Build a SLA!(Draft)
Service Level Agreement
(Draft)
NP Server 1
SLA/SLS
NP Server 2
Mapping QoSAdmission Control
…….
Mapping QoSAdmission Control
…….
SLA/SLS
Build a SLA!
Service Level Agreement
Build a SLA!
Sign successfully!
(Final SLA)
Sign Successfully!(Final SLA)
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心2222王文东王文东
QoS Measurement
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心2323王文东王文东
Object of Internet MeasurementObject of Internet MeasurementNetwork performance monitoring Network operation and maintenanceNetwork dimensioning and optimizationNetwork QoS validationNetwork performance research
Internet MeasurementInternet Measurement
QoSQoSControlControl
QoSQoSManagementManagement
QoSQoSChargingCharging
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心2424王文东王文东
IP Measurement StandardsIP Measurement StandardsITU-T Y.1540/I.380: IP packet transfer and availability performance parameters
IP Packet Transfer Delay (IPTD)E2E IP Packet Delay Variation (IPDV)IP Packet Error Ratio (IPER)IP Packet Loss Ratio (IPLR)percent IP service unavailability (PIU)percent IP service availability (PIA)
IETF RFC2330: Framework for IP Performance MetricsIP Measurement Framework Measurement MetricsMeasurement Mothodology
IETF RFC 2544: Benchmarking Methodology for Network Interconnect Devices
Discusses and defines a number of tests that may be used to describe the performance characteristics of a network interconnecting deviceDescribes specific formats for reporting the results of the tests
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心2525王文东王文东
IP Measurement ParametersIP Measurement Parameters
ParametersConnectivityRouting and topology estimationPacket latency (One way/Round trip delay)Packet jitterBandwidth
Bandwidth capacity: max throughput a link can sustain, Available bandwidth: usable bandwidth Bulk transfer capacity: rate that a new single long-lived TCP connection would obtain over a path
Packet loss rate……
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心2626王文东王文东
IP measurement categoriesIP measurement categories
Active measurementPassive monitoring
End to end measurementRouter based measurement
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心2727王文东王文东
Active & PassiveActive & PassiveActive measurement
Measurer generates own traffic and exams the resultsE.g. ping, traceroute, …
Passive monitoringMeasurer looks at headers of user’s trafficE.g. netflow, …
InterceptionMeasurer can even see content of user’s trafficE.g. sniffer …
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心2828王文东王文东
Distributed E2E performance measurementDistributed E2E performance measurement
MeasurementNode 1
MeasurementNode 2
MeasurementNode 3
DatabaseServer
Measurement ServerWeb ServerPC
Administrator
(1)
(2)(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心2929王文东王文东
QoSQoS measurement architecturemeasurement architecture
Workstation
Data
Node Mon
Net Mon
SLS Mon
Monitor GUICorba
User Int.
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心3030王文东王文东
Measurement DataMeasurement DataNode Measurement
Delay, Loss of each PHBBandwidth of each PHBBandwidth utilization of each PHB
Network MeasurementE2E delay, loss ratio, jitter, throughput
SLS MeasurementService E2E delay, loss ratio, jitter, throughputUser SLS parameters in Ingress nodeUser SLS parameters in Egress node
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QoS in wireless IP Networks
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WiMAXWiMAX Network Reference ArchitectureNetwork Reference Architecture
http://www3.ietf.org/proceedings/05nov/slides/16ng-4.pdf
SSSS MSMS
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心3333王文东王文东
WiMAXWiMAX Service CategoriesService Categories
http://www.wimaxforum.org/news/downloads/Mobile_WiMAX_Part1_Overview_and_Performance.pdf
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心3434王文东王文东
WiMAXWiMAX QoSQoS FrameworkFramework
http://www3.ietf.org/proceedings/05nov/slides/16ng-4.pdf
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心3535王文东王文东
WiMAXWiMAX QoSQoS ArchitectureArchitecture
Quality of Service Support in IEEE 802.16 Networks; IEEE Network • March/April 2006
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心3636王文东王文东
QoSQoS in WLANin WLANHUA ZHU, MING LI, IMRICH CHLAMTAC, AND B. PRABHAKARAN; “A SURVEY OF QUALITY OF SERVICE IN IEEE 802.11 NETWORKS”, IEEE Wireless communications Magazine, Aug.,2004
Research in providing QoS guarantee in IEEE 802.11 WLANs can be classified into the following three categories:
Service differentiation mechanism Link adaptation in the physical layerAdmission control strategies in MAC and higher layers
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心3737王文东王文东
QoSQoS in WLAN (1)in WLAN (1)
A SURVEY OF QUALITY OF SERVICE IN IEEE 802.11 NETWORKS, IEEE Wireless communications Magazine, Aug.,2004
Service differentiation
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心3838王文东王文东
QoSQoS in WLAN (2)in WLAN (2)Link adaptation
A SURVEY OF QUALITY OF SERVICE IN IEEE 802.11 NETWORKS, IEEE Wireless communications Magazine, Aug.,2004
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心3939王文东王文东
QoSQoS in WLAN (3)in WLAN (3)Admission control strategies
A SURVEY OF QUALITY OF SERVICE IN IEEE 802.11 NETWORKS, IEEE Wireless communications Magazine, Aug.,2004
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心4040王文东王文东
QoS in heterogeneous fixed/wireless IP Networks
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UMTS ArchitectureUMTS Architecture
Core NetworkRadio Access Network
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心4242王文东王文东
UMTS ArchitectureUMTS Architecture
Gf
GiIu-ps'
Iu
GiMr
Gi
Ms
Gi
R UuMGW
Gn
Gc
Gp
Signalling and Data Transfer InterfaceSignalling Interface
TE MT UTRAN
Gr
Other PLMN
SGSN
GGSN
GGSN
EIR
SGSN
Gn
MGCF
R-SGW
MRF
MultimediaIP Networks
PSTN/Legacy/External
Applications& Services
HSSMm
Mw
Legacy mobilesignalingNetwork
Mc
Cx
R UmTE MT ERAN
AlternativeAccess
Network Mh
CSCF
CSCFMg
T-SGW
SCP
CAP
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心4343王文东王文东
UMTS UMTS QoSQoS ArchitectureArchitecture
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UMTS UMTS QoSQoS ManagementManagement
QoS management functions for user plane:Keeping user traffic accord to the traffic profileManaging the network resources for QoS guarantee
QoS management functions for the control plane: Traffic admission control for QoS guarantee Policy enforcement or authorization
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心4545王文东王文东
QoSQoS in UMTS User Planein UMTS User Plane
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心4646王文东王文东
QoSQoS in UMTS Control Planein UMTS Control Plane
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心4747王文东王文东
UMTS Service ClassesUMTS Service Classes
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心4848王文东王文东
UMTS UMTS QoSQoS ClassesClasses
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心4949王文东王文东
UMTS UMTS QoSQoS Classes ParametersClasses Parameters
Class Traffic Type Delay Buffering Bit rate Example
Conversation Symmetric
Asymmetric
Asymmetric
Asymmetric
Minimum fixed No Guarantee Video
telephony
Streaming Minimum variable Allowed Guarantee Multimedia
services
Interactive Moderate variable Allowed Not
guarantee
Internet (Web
browsing)
Background Big variable Allowed Not
guarantee Email
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心5050王文东王文东
UMTS Bearer Service AttributesUMTS Bearer Service Attributes
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IMS ArchitectureIMS Architecture
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IMS EntitiesIMS EntitiesCSCF: call session control function
Session control based on SIP signaling; 3 types: serving S-CSCF, interrogating I-CSCF, and proxy P-CSCFHSS: home subscriber server
central subscriber databaseSLF: subscriber location function
mapping to subscriber address to HSSMRF: media resource function
media contentsBGCF: breakout gateway control function
SIP server with routing functionalityAS: application server
Can host and execute services, three types: SIP–AS SIP applications server; OSA–AS open services access –service capability server; IM–SSF IP multimedia service switching function
MGW: media gatewaybearer data transfer
MGCF: media gateway control functionCCF: charging collection function
CSCFs, BGCFs, MRFCs, ASs send accounting information to a CCF which generates CDRs (3GPP TS 32.225)SGW: Signaling Gateway
IP to PSTN
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3GPP IMS Architecture3GPP IMS Architecture
Wireline and Wireless SIP EndpointsGSM, UMTS, 802.11, Bluetooth, DSL, FTTP, …
SIP
TDMPBX
Legacy IPEndpoints & PBXsH.323 and MGCP
MGCFMGCF
Web PortalWeb Portal
ININAccessAccess
Parlay App Parlay App ServerServer
SIP AppSIP AppServerServer
OSA SCSOSA SCS
II--CSCFCSCF
SGSG
PP--CSCFCSCFPDF
PSTNPSTN SS7SS7
IP IP SignallingSignallingConverterConverter
MediaMediaGatewayGateway
Media and End Point
Layer
Session ControlLayer
Application Layer
MediaMediaServerServer
MRFCMRFC
SS--CSCFCSCF
CentralizedCentralizedDatabasesDatabases
HSS Support SystemsSupport Systems
Billing Mediation, Fault Correlation, Operations,
Maintenance, …
BGCFBGCFSIP
SIP
SIP
SIP
SIPC
OPS
Diameter
H.2
48
H.2
48
AnalogEndpoint
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IMS Layer ArchitectureIMS Layer Architecture
CSCF, BGCFMGCF & MRFC
Applications Layer• End-user telephony service logic• AIN call trigger points• Non-telephony based services• APIs for enterprise & legacy applications
Session Control Layer• End Point Registration• Session setup• QoS establishment
Transport & Endpoint Layer• Bearer Services, Media Conversion(PCM>IP)• Special functions: announcements, touch
tones collection, voice recognition, speech synthesis
Media GatewayMedia Server
HSS
OSA-GWTelephony AS
Non-telephony AS
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Basic IMS Call procedureBasic IMS Call procedure
Control
Bearer
Called PartyVisited Network
Called PartyHome Network
Calling PartyHome Network
Calling Party Visited Network
UE
P-CSCF
HSS
S-CSCFSIP
SIP
Diameter
UE
P-CSCF
AS
HSS
S-CSCF SIP AS
SIP
Diameter
I-CSCF
Diameter
DNS
BackbonePacket
NetworkRANBackbone
PacketNetwork RAN
Initiate SIP Invitation1
1
Retrieve Subscriber Profile (if needed) 2
2
3
3 Apply Service Logic
Retrieve Address of CLD Party Home Networkand Forward INVITE.
4
4
Identify Registrar of CLD Party and Forward INVITE.5
5
Retrieve Subscriber Profile (if needed) 6
6
7
7 Apply Service Logic
Forward INVITE to CLD Party8
8
Ringing / Alerting10
10
SDP Negotiation / Resource Reservation Control9
9RTP Stream
Answer / Connect11
11
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心5656王文东王文东
End to End End to End QoSQoS Call FlowsCall Flows
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心5757王文东王文东
SummarySummary
QoS management and measurementQoS in heterogeneous fixed IP NetworksQoS in wireless IP NetworksQoS in heterogeneous fixed/wireless IP Networks
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国家重点实验室国家重点实验室 宽带网研究中心宽带网研究中心5858王文东王文东
ReferencesReferencesHttp://qos.internet2.edu/wg/documents-informational/20020709-chimento-etal-qbone-signaling/IETF RFC 2544: Benchmarking Methodology for Network Interconnect DevicesIETF RFC2330: Framework for IP Performance MetricsHUA ZHU, MING LI, IMRICH CHLAMTAC, AND B. PRABHAKARAN; “A SURVEY OF QUALITY OF SERVICE IN IEEE 802.11 NETWORKS”, IEEE Wireless communications Magazine, Aug.,2004Http://www.wimaxforum.org/news/downloads/Mobile_WiMAX_Part1_Overview_and_Performance.pdfClaudio Cicconetti, Luciano Lenzini, Enzo Mingozzi and Carl Eklund. Quality of Service Support in IEEE 802.16 Networks, IEEE Network, vol. 20, no. 2, March 2006, 3GPP TS 23.101: General UMTS Architecture3GPP TS 23.107: Quality of Service (QoS) concept and architecture3GPP TS 23.207: End-to-end Quality of Service (QoS) concept and architecture3GPP TS 23.228: IP Multimedia Subsystem (IMS) - stage23GPP TS 24.228: Signalling flows for the IP multimedia call control based on SIP and SDP3GPP TS 29.208: End to end Quality of Service (QoS) signalling flows