（通信与信息系统专业论文）基于帧中继网络的qos技术的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 如同人类世界越来越重视生活质量一样，计算机世界也越来越重视服务 质量。随着新型网络应用的产生和发展，越来越多的网络接入i n t e r a c t ，网络 环境日益复杂，使得网络对q o s 的要求越来越高，q o s 技术的研究成为近几年 业界的新热点。帧中继作为一种接入网引入i s d n ，自1 9 9 2 年问世以来，得到 了巨大发展，目前已经成为广域网的主流业务。帧中继q o s 技术也因此吸引 了业界越来越多研究人员的兴趣和关注。 本文以帧中继q o s 为主线，主要研究了帧中继流量整形的核心算法 一种令牌桶改进算法和帧中继q o s 在多核系统中的实现。 首先，研究了帧中继q o s 的原理，从不同的机制着手，逐一阐述了f r q o s 中f r t s 、f r t p 、帧中继队列管理、帧中继拥塞管理和帧中继d e 规则列表 的实现原理和基本过程。通过对f r q o s 实现架构的整体把握和对各个机制的 逐一分析，为f r q o s 多核实现方案的设计奠定了基础。 其次，研究了一种基于s r t c m 的改进令牌桶算法。该算法不仅结构简单， 而且也具有在突发流量处理性能及测量精度方面的优越性。通过实际组网， 对算法进行验证，结果表明改进算法在丢包率方面明显优于s r t c m 算法，系 统时延和抖动也得到合理改善。 最后，针对目前新兴的多核系统，研究- j f r q o s 的多核实现方案。通过 软件实现，在实际组网中对其功能和性能进行测试。结果表明，本文的f r q o s 的多核实现方案不仅在功能上能正确实现。在性能上也达到了很好的效果。 转发速率与单核系统相比有了较大的提高，系统响应时间显著缩短，抖动方 面也得到了明显改善。 关键词：帧中继；服务质量；帧中继q o s 令牌桶；多核 哈尔滨工程大学硕士学位论文+ 宣昌i 宣；置暑；i i 葺i i ；审葺i i 置i i i 薯肓i 宣暑i 掌高；暑宣i i i i 宣暑 a bs t r a c t j u s ta sp e o p l ep a y i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt oq 砌i t yo f l i f e ( q o l ) ，q u a l i t y o fs e r v i c e ( q o s ) i sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yi m p o r t a n ti nt h ew o r l do fc o m p u t e r w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e ww e ba p p l i c a t i o n s ，a ni n c r e a s i n gn u m b e ro fn e t w o r k s a c c e s st h ei n t e m e t ，i nt h a tc a s e ，t h en e t w o r kn e e d sab e t t e rq o s ，a n dt h es t u d yo f q o st e c h n o l o g yi sb e c o m i n gan e wh o ts p o ti nr e c e n ty e a r s a sat y p eo fa c c e s s n e t w o r kt oi s d n , f r a m er e l a yi sn o wb e c o m et h em a i nn e t w o r ki nw a na f t e ra g r e a td e v e l o p m e n ts i n c e 19 9 2 h e n c e ，t h et e c h n o l o g yo ff r a m er e l a yq o sh a s a t t r a c t e dt h ea t t e n t i o no fm o r ea n dm o r e p e o p l e i nt h i sp a p e ram o d i f i e dt o k e nb u c k e ta l g o r i t h mi ss t u d i e df o rf r t sa n da p r o g r a m m eo ft h ei m p l e m e n t a t i o no ff r q o si nm u l t i c o r es y s t e mi sd e m o n s t r a t e d a s w e l l f i r s t l y , t h ep r i n c i p l ea n db a s i cp r o c e s so ff r q o si sp r e s e n t e d ，w h i c hi n c l u d e s f r t s ，f r l 吧f rq u e u em a n a g e m e n t ，f rc o n g e s t i o nm a n a g e m e n ta n dd er u l e s s u c ha n a l y s i sl a y st h ef o u n d a t i o no ft h em u l t i - c o r em e c h a n i s m sf o rf r q o s s e c o n d l y , am o d i f i e dt o k e nb u c k e ta l g o r i t h mb a s e do nt h es i n g l er a t et h r e e c o l o rm a r k e r ( s r t c m ) i ss t u d i e d 眦sa l g o r i t h mh a ss i m p l i f i e da n di m p r o v e dt h e s r t c ma l g o r i t h m ，w h i c hm e a n si ti sn o to n l ys i m p l e ri nt h es t r u c t u r eo ft o k e n b u k e t ，b u ta l s oh a sa d v a n t a g e si np e r f o r m a n c ea n dm e a s u r e m e n ta c c u r a c yt ob u r s t d a t af l o w 砸sa l g o r i t h mi su s e di n r e a lf r t sn e t w o r k a n di ts h o w sb e t t e r p e r f o r m a n c e si nl o s sr a t e 、l a t e n c ya n dj i t t e rt h a ns r t c m f i n a l l y , as o f t w a r ed e s i g np r o g r a m m et of r q o si sd e m o n s t r a t e di nl i g h to f t h ee m e r g i n go fm u l t i c o les y s t e m s a n dat e s to ff u n c t i o n sa n dp e r f o r m a n c e st o t h i ss o f t w a r ed e s i g ni sa c o m p l i s h e di nar e a lf r a m er e l a yn e t w o r k ，w h i c hs h o w sa g o o dr e s u l ti nd e l a y 、j i t t e ra n ds o m eo t h e rf r q o sp a r a m e t e r s c o m p a r e d 谢mt h e s i n g l e c o r es y s t e m ，m u l t i c o r es y s t e mh a sb e e nl a r g e l ye n h a n c e di nf o r w a r d i n g r a t e ，e s p e c i a l l yi np a c k e tf o r w a r d i n gc a p a c i t y k e yw o r d s ：f r a m er e l a y ；q o s ；f r q o s ；t o k e nb u c k e t ；m u l t i - c o r e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者( 签字) ： 哈尔滨工程大学 。 日期：加| 学位论文授权使用声明 讳 年，月形日 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 酣在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：箍导师( 签字) ：易易 i ，、 日期：o 圳年f 月f ；日文矽7 年，月，莎日 j 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 q o s ( q u a l i t y o fs e r v i c e ，服务质量) 是各种存在服务供需关系的场合中 普遍存在的概念，它评估服务方满足客户服务需求的能力【1 1 。在i n t e m e t 中， q o s 所评估的就是网络转发分组的服务能力【2 】。由于网络提供的服务是多样 的，因此对q o s 的评估可以基于不同方面。通常所说的q o s ，是对分组转发 过程中为延迟、抖动、丢包率等核心需求提供支持的服务能力的评估【3 】。 随着计算机网络的高速发展，越来越多的网络接入i n t e m e t ，越来越多的 用户使用i n t e m e t 作为数据传输平台和载体开展各种应用。除了传统的w w w 、 e m a i l 、f t p 等应用外，用户还尝试拓展新的业务，比如电视会议、视频点播、 远程教学、虚拟世界等等【4 ，5 j 。这些新业务的不断涌现对带宽、抖动、延迟等 性能提出了更高的要求，用户已经不能满足于将简单的报文传送达目的地， 而是希望能在转发过程中得到更好的服务，如支持为用户提供专用带宽、减 少报文丢失、管理和避免网络拥塞、调控网络流量、设置报文优先级等等。 所以这些都要求网络具有更加完善的服务能力【6 ，7 1 。为了解决这些问题，增加 带宽是最为简单有效的方式，尤其是近年来密集波分复用技术瞵j 的出现，带 宽的成本大幅度降低，网络骨干提供1 0g b p s 的速率已不在话下。但是依据 著名的摩尔定律【9 】，应用对带宽的需求正以指数速度增长，更为重要的是从 历史的角度来看，带宽的有效性和带宽的需求之间始终存在着一种滞后的关 系，也就是说当有效带宽能满足某一应用的需求时，更大带宽需求的业务又 将出现。由此看来，额外的带宽并不是面对当今多业务应用的网络通信中q o s 的有效解决方案，即使再大的带宽在当今复杂的网络情形下也会出现大规模 的拥塞事件，此时如果没有合理的质量保证体系，必将产生带宽危机。 为了寻求更好的解决方案，越来越多的研究人员对网络q o s 产生了兴趣， 不仅如此，业界对q o s 研究进展的关注程度也日益提高，有影响力的网络运 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 营商和网络设备供应商都提供了一定程度的q o s 支持。各种新型技术的不断 涌现如多核系统的产生和发展，对现有的技术和方案提出了新的要求【1 0 1 ，这 也使得q o s 成为业界的研究热点。随着计算机技术和通信技术的不断发展和 融合，数据通信需求的增长和网络传输性能的提高给帧中继技术带来了机会， 帧中继技术的优势得以发挥【l l 】，帧中继q o s 的研究也成为一个新的热点。 1 2 国内外相关研究情况 近年来，帧中继业务组网在国内外迅猛发展，帧中继网络因为特有的自 动分配带宽的特点而在现代网络中广泛应用。特别是路由器、交换机等主流 通信设备几乎都拥有一套完整的帧中继业务模式。在现代日益复杂的通信环 境中如何保障和提高通信服务质量已经成为业界最为关注的焦点之一。国内 国际各大运营商和网络设备供应商为了提高服务质量( q o s ) ，都做出了相应的 努力。包括c i s c o 、3 c o m 、n o r t e l 等国际知名通信设备商推出的高、中、低 端产品都不同程度地进行了q o s 支持，对于其中帧中继业务模块不仅提供了 通用q o s 支持，而且提供了帧中继特有的f r q o s 支持。 对q o s 的支持来自软件和硬件两个方面。从硬件方面说，更快的转发速 度和更宽的带宽是基本前提。从软件方面来说，经过国内外近年来的研究， 主要得到了如下几种结论： 1 、d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ( 区分服务模型，简称d i f f s e r v ) 为了适应更广阔的需求，i e t f 新推出一种q o s 策略d i 舔e 【1 2 1 。目 前d i f f s e r v 的框架已基本确定，美国的i n t e m e t 2 也选择d i f f s e r v 作为其q o s 策略。 2 、多协议标签交换 m p l s 也被用来解决网络q o s 问题【1 3 - 1 6 1 ，但其覆盖范围是核心网络路由 器。为建立合理的核心路由间的交换路径，核心路由器间需要定时交换流量 等状况信息。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 、口接入网的q o s 研究 帧中继f r 是目前广泛使用的广域网业务，作为承载于口网络的主流广域 网业务来说，帧中继成了研究热点。在口接入网完成部分q o s 保证，并且通 过与i p 网络q o s 的配合，能够实现更好的通信服务。 总的来说，当前对q o s 的研究主要集中在以下几个方面：服务模型、接 入控制、队列管理、资源管理、标记算法、协议研究和应用场景等等。帧中 继q o s 既能在接口上适用通用的o o s ，又具有自己独特的q o s 方案，国内 外对它的研究则主要集中在接入和应用方面。 1 3 论文主要内容和章节安排 本文在详细了解帧中继技术和q o s 技术的基础上，研究了适合于帧中继 接口和p v c 的帧中继q o s 技术。本文有的放矢，对其中主要的帧中继q o s 技术帧中继流量整形和帧中继拥塞管理机制做了细致的研究，同时从整 体上分析了多核系统中帧中继q o s 的实现并对其结果和性能做了详细分析。 本文的内容和结构安排如下： 第l 章绪论，简要介绍了本课题的研究背景和研究意义，以及国内外的 相关研究情况。 第2 章介绍了通用q o s 技术，对主要流量管理技术、常见的队列调度机 制和q o s 性能指标进行了研究。 第3 章引入帧中继q o s 技术，研究了帧中继流量整形、帧中继流量监管、 帧中继队列管理、帧中继拥塞管理和帧中继d e 规则列表的原理和实现。 第4 章针对f r t s 的核心算法研究了一种改进的令牌桶算法，并在f r t s 中得以应用，分析了该算法的优越性。 第5 章提出了f r q o s 的多核实现方案，并通过实际的组网应用对该方案 的功能实现和性能影响进行了合理分析。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章q o s 技术 q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ，服务质量) 是各种存在服务供需关系的场合中 普遍存在的概念，它评估服务方满足客户服务需求的能力。在i n t e m e t 6 f l ，q o s 所评估的就是网络转发分组的服务能力。 本章从拥塞的产生、主要流量管理技术、队列调度机制以及q o s 性能指 标的角度对q o s 技术做了研究。 2 1 拥塞的产生、影响和解决对策 网络面临的服务质量问题主要是由于网络拥塞引起的。所谓拥塞就是指 由于供给资源的相对不足而造成的转发速率下降、引入额外延迟的一种现象。 在现代交换分组网络中，拥塞几乎随处可见。 i i o o m j r 墨7 佘r t a 骂攀q r i b 攀 斗+ 。鎏一啼彰臻斗 拶审 1 0 0 m 丁 ( 1 ) 不同速率接口流量的拥塞( 2 ) 相同速率接口流量的拥塞 图2 1 流量拥塞示意图 一般分为两种情况，如图2 1 所示： l 、分组流从高速链路进入设备，从低速链路转发出去； 2 、分组流从相同速率的多个接口同时计入网络设备，由一个相同速率的 接口转发出去。 如果流量以限速到达，由于突发流量剧增，就会遭遇出接口资源( 如带 宽) 的瓶颈，从而导致拥塞的发生。不仅链路带宽的瓶颈会导致拥塞，任何 可能用正常转发处理的资源不足，如可分配的c p u 时间、缓冲区、内存资源 等，都可能造成拥塞。此外，在某个时间内对所达到的流量控制力不足，超 4 哈尔滨工程大学硕士学位论丈 过了可分配的网络资源也可能引发拥塞。 了解了拥塞现象的产生，它可能带来的一系列负面影响也是显而易见的。 1 、增加了报文传输的延迟和抖动，过高的延迟可能导致报文重传： 2 、降低网络的吞吐率，造成网络资源利用率降低【1 7 】； 3 、报文重传可能导致拥塞加剧，从而耗费大量网络资源( 特别是存储资 源) ，不合理的资源分配甚至可能导致系统陷入资源死锁【1 8 】而崩溃。 由此可见，拥塞使流量得不到及时的资源分配，是造成服务质量和性能 下降的根源。既然拥塞现象在分组交换以及多用户多业务并存的复杂网络环 境下随处可见，其危害又不可小觑，因此必须慎重对待。这也是q o s 技术不 断发展的直接目的所在。 增加网络带宽是解决资源不足的直接途径之一，但是引起网络拥塞的因 素众多，环境复杂，增加带宽显然不能解决所有导致网络拥塞的问题。因此 人们积极寻找更有效的办法，在网络中增加流量控制和资源分配功能，为不 同服务需求的业务提供区别性的服务，正确合理地分配和使用资源。在进行 资源分配和流量控制的过程中，尽可能地控制好那些可能引发网络拥塞的的 直接或间接因素，减少拥塞发生的概率；在拥塞发生时，依照业务性质和需 求特性权衡资源分配，将有限的资源进行最优化分配，从而保证系统性能和 服务质量。这就是q o s 技术的主体和精髓，现代日益发展的q o s 技术都是基于 流量控制和资源分配的思想，并在此基础上逐渐优化和改进的。 2 2 主要流量管理技术 一般情况下，q o s 执行以下几项功能：流分类、访问控制、流量监管、 流量整形、拥塞管理和拥塞避免【1 9 ，2 0 1 。这几项功能是构造有区别地实施服务 以达到服务质量最优化的基石。 哈尔滨工程大学硕士学位论丈 2 2 1 流分类 流分类是有区别地进行服务的前提和基础，它依据一定的匹配规则识别 出符合某类特性的报文，必须和某种流量控制或资源分配相关联才有意义。 分类规则可以使用口头的t o s ( t y p eo f s e r v i c e ，服务类型) 字段的优先 级位识别出不同优先级特征的流量，也可以由网络管理者设置流分类策略， 如源地址、目的地址、m a c 地址、i p 协议或者端口号等。典型的流分类是 通过优先级进行的，下面介绍几种优先级：口优先级、t o s 优先级和d s c p 优先级。 d s 域t o s 字段 0 - - - 23 56 7 0 - 23 67 d s c p c u 莉烈 当前击 垡码点 。 率 差分服务代码点( d s c p ) 优先级t o s 标记0 r f c l l 2 2 必 r f c1 3 4 9 1r 为0 f 一廿i - j ，j 五i 上一t r f c2 4 7 4( t o s ) r f c7 9 l 图2 2d s 域和t o s 字节 如图2 2 所示，i p h e a d e r 的t o s 字段总共有8 b i t ，其中前3 b i t 表示i p 优 先级，取值范围是o 7 ；第3 - - 6 b i t 表示t o s 优先级，取值范围是8 m 5 ；在 r f c 2 4 7 4 中，定义了p 报文头的t o s 域，称为d s 域，其中d s c p 优先级采 用该域的前6 位( o 一5 ) 表示，取值范围为0 6 3 ，后2 位( 6 、7 ) 是保留位。 2 2 2 流量监管和流量整形 流量监管和流量整形是一种通过对流量规格的监督来限制流量和资源使 用的流量控制手段。一般采用令牌桶【2 1 l ( t o k e nb u c k e t ) 对流量进行控制。在采 用令牌桶评估流量规格时，是以令牌桶中的令牌数量是否足够为依据来转发 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 报文的。如果桶中令牌足够( 通常一个令牌对应一个b i t 的报文转发权限) ， 称为流量符合规格，如果桶中令牌不够，则称为不符合规格。 t p 流量监管( t r a f f i cp o l i c i n g ) 的典型应用是监督进入网络的某一流量的 规格，将流量限制在一个合理的范围之内，或对超出规格的那部分流量进行 处理，以保护网络资源和运营商的利益。流量监管对所监管流量的流分类服 务，并依据不同的评估结果实施预定的监管动作，是转发还是丢弃，是改变 优先级再转发还是改变优先级并进入下一级监管，还是直接进入下一级监管 等等。监管可以层层堆叠，关注和监管的目标一级比一级具体，一级比一级 细致。 t s 流量整形( t r a f f i cs h a p i n g ) 是一种主动调整流量输出速率的措施，一般 是基于下游网络结点的t p 指标来达到本地流量调节的目的。流量整形和流 量监管的主要区别在于前者应用于出接口，后者应用于入接口，前者是主动 出击，后者是被动应对。流量整形对流量监管中需要丢弃的报文进行入队缓 存。流量整形和流量监管的另一个区别是，流量整形由于会对报文进行入队 或入缓冲区的处理，可能会增加延迟，而流量监管几乎不会引入额外的延迟。 2 2 3 物理接口限速 l r 物理接口限速( l i n er a t e ) 可以在一个物理接1 ：3 上限制发送报文( 包括 紧急报文) 的总速率。l r 也是采用令牌桶来进行流量控制的。如果在设备上 的某个接口配置了l r ，所有经由该接口发送的报文首先要通过l r 的令牌桶 进行处理。l r 处理过程如图2 3 所示。 l r 与t p 实现限速的原理具有一致性，但是二者适用的范围具有差异性。 物理接口限速能够在物理接口上通过的所有报文，而流量监管只在网络层实 现，可以对网络层端口上不同流分类进行限速，但是对于不经过i p 层处理的 报文不起作用。当用户要求对所有报文都进行限速时，用物理接口限速相对 简单。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 发送报文 皿口 牌桶 入队缓存 图2 3l r 处理过程示意图 2 3 常见的队列调度机制 拥塞管理机制的中心内容就是当拥塞发生时如何制定一个合理的资源调 度策略，决定报文的处理顺序，从而达到相对满意的通信效果。对于拥塞管 理，普遍使用队列调度机制。常见的有q o s 队列调度机制+ f i f o 、p q 、c q 、 w f q 冽等，每种队列算法都是用来解决特定的网络流量问题的，对于带宽资 源的分配、延迟、抖动等有着不同程度的影响。 1 、f i f o 队列( 先进先出队列，f i r s ti nf i r s to u t ) f i f o 队列是q o s 队列机制中最简单最容易理解的。先来先服务，可以 说是最原始的队列，它严格按照时间到达的先后来决定分组转发的顺序。在 某些场合最简单的可能是最适宜的。f i f o 不需要考虑把什么类型的报文放入 哪个队列，也不需要考虑下一个出队列的报文要从哪个队列取出，取多少， 怎么取，对这些复杂程序的简化无形中提高了对时延的保证。但是f i f o 队 列这种“一视同仁 的做法对视频流、语音流、协议报文等具有特殊性的报 文流是不适宜的。 2 、p q 队列( 优先队列，p r i o r i t yq u e u i n g ) 阶级无处不在，计算机世界也存在等级。p q 队列就是针对关键业务应用 设计的。关键业务有一个重要特点，即在拥塞发生时，要求优先获得服务以 减小响应的延迟。p q 可以根据网络协议、数据流入接口、报文长度、源地址 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文+ ，目的地址等灵活地指定优先顺序，一般将队列从高到低分为四个级别：h i g h 、 m e d i u m 、n o r m a l 、b o t t o m 。在队列调度时，p q 严格按照优先级从高到低的 顺序，优先发送较高优先级队列中的报文，只要较高优先级队列中有报文， 就一直从高优先级队列中取报文发送，只有当高优先级的队列为空时，才从 低优先级队列中取报文。很明显，这种方式能够保证高优先级队列的报文得 到较大的带宽、较低的延迟、较小的抖动。但是如果高优先级的队列中一直 存有报文，那么低优先级中的报文将不能得到及时的调度，甚至得不到调度， 就会出现所谓的“饿死”现象 2 3 1 。 可以看出，p q 队列可以说是为保证某些流量尽可能得到最好的服务而不 管其它流量的“死活 。这种做法显然是不“人道 的，如何达到首末兼顾的 目的呢? 于是c q 队列因应而生。 3 、c q 队列( 定制队列，c u s t o mq u e u i n g ) c q 按照一定的规则分为o 1 6 个队列，分组根据自己的类别按照先进先 出的策略进入相应的c q 队列。其中队列0 是优先级队列，一般用做系统队 列，1 1 6 号队列为用户队列。只有当队列o 的报文处理完毕才会去处理1 1 6 队列。用户可以配置流分类的规则，计算出1 6 个用户占用接口或者p v c 带 宽的比例关系，公式为： b w j ：善(2-1)j = 百l 1 ) b ， 其中：召为当前队列所占的带宽， 口或p v c 第f 号队列应得的字节数， 于c q 来说刀取1 6 。 b j 为当前队列应有的字节数，玩为该接 刀表示该接口或p v c 的队列总个数，对 1 1 6 队列之间是平等的，采用轮询的方式按照预先配置的带宽比例一次 从1 1 6 号用户队列中取出一定数量的报文进行发送。如果一段时间内某个队 列为空，剩余队列会按照比例分配该空队列占用的带宽。这样既可以保证关 键业务能获得较多带宽，又能保证非关键业务得到合理的调度。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 、w f q ( 加权公平队列，w e i g h tf a i rq u e u i n g ) w f q 根据流对报文进行动态分类，一个流的定义由报文的( 源地址目 的地址协议号源端口号目的端口号) 五元组来确定，具有相同五元组特性 的报文属于同个流。w f q 根据报文的五元组特性对信息自动进行流分类， 并且尽可能多地提供队列( 一般最多可配置4 0 9 6 个队列) ，以便将每个流均 匀地放入不同的队列中，保证总体的公平。在队列调度时，按照优先级来分 配每个流占有的出口带宽。优先级数值越小获得的带宽越小，优先级数值越 大获得的带宽越大。每个流占用的带宽比例用如下公式计算： 口+ 1 ，= i l 一 ( 2 2 ) q ，+ 1 ) 二一r l ， i = 1 其中：，表示第歹条流占用的带宽，口，表示第_ ，条流的优先级，表示链路 中存在的第f 条流的优先级，玎表示链路中流的条数。例如有五个流，其优先 级分别为0 、1 、2 、3 、4 ，则每个流占用的带宽比例分别为：1 1 5 、2 1 1 5 、3 1 1 5 、 4 1 5 、5 1 5 。 通过该公式计算的是相对带宽，如果需要计算流量占用的实际带宽，还 需要乘上总的带宽，即： b w = ，b ( 2 3 ) 要想理解w f q 的丢弃机制和队列调度机制，需要理解一个重要概念： 序列号s n 。报文在经过流分类之后，在决定该报文是入队还是丢弃之前都 要赋予一个序列号。s n 的计算公式为： s n = 斛删+ w e i g h t p k t l e n( 2 4 ) 其中：肌。表示前一个报文州的大小，分两种情况：如果报文进入的队列 非空，使用该队列中最近进入队列的报文的州作为跚州；如果报文进入的 队列为空，使用发送队列最近发送的报文的删作为肌肌。w e i g h ，为各条流 的权值。从表2 1 可以看出w e i g h t 与优先级口，成反比。 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论丈 表2 1优先级与权值的关系表 优先级：口 0l234567 权值：耽砌f 3 2 3 8 41 6 1 9 21 0 7 9 4 8 0 9 66 4 6 7 5 3 9 74 6 2 64 0 4 8 具体计算s n 的方式如图2 4 所示。在调度过程中s n 越小的越先得到调度， 如果s n 相同，则根据报文顺序依次调度。 报文，流1 ：发送环 报文，流2 ： 圜i 些! 塑l 0 0 = 3 2 3 9 0 0 2 4 q o s 性能指标 图2 4s n 的计算 1 、丢包率 丢包率是很好理解的一个概念，粗略一点可以表示成如下形式： l o s s ：b y t e s n d - b y t e r c v 10 0 ( 2 5 ) b y t e s n d 、 下面公式给出了拥塞阶段数据丢包率尸，发送速率( 带宽口) 以及回路 响应时间r 刀的稳态数学分析。 b 型兰呈 r t t x 4 p ( 2 6 ) 其中：m s s 是数据包的长度，c 是常数，一般取1 2 2 。假设在一个瓶颈链路 处带宽为三m b s ，有个固定的连接。那么分配给单个连接的带宽近似为 l n 。将其带入上面的式子，并解除丢包率p ，得到： p x 。训或负载不足x ( ，) x 州都是效率不高的表现。显然，效率与总资源 的利用率有关。 3 、公平性 公平性指的是发生拥塞时各源端能否公平地享用网络资源( 如带宽、缓 存等) 。处于相同级别的源端是否能得到相同的网络资源。产生公平性的根本 原因在于拥塞发生必然导致数据包丢失而数据包丢失会导致各数据之间为了 争夺有限的网络资源而发生竞争，争夺能力弱的数据流将受到更多损害。如 果每个源端优先级相同，即墨( f ) = x ，( ，) ，( z ，_ 为任意值) 。公平性可以由下 式给出： m ，= 黠， 显然，完全公平时，f ( x ) = 1 ，此时所有的葺平均分配。当所有资源只提 供给一个源端时，f ( 功= 1 n 达到最小，当n _ o o 时，f ( x ) = 0 。如果刀个源 端中只有k 个平均共享资源，其他聆一k 个源端没有得到任何资源，则 传输延迟( l a t e n c y ) 是指收端接收数据与发端发送数据之间的时间差，数 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 - - r i i i ；宣i i i 昌；i i i i ；i i ；皇宣i ；宣；宣i i i ；i ；掌 学表达式为： 瓦= 疋一瓦( 2 - l o )-io、， 其中：瓦表示延迟时间，表示接收时间，瓦表示发送时间。 5 、抖动 抖动( j i t t e r ) 是通过一个网络的反应时间的可变性测量标准。比较直观的理 解是指对预期值的偏离程度。总抖动是随机抖动( r a n d o mj i t t e r ，i 和确定性 抖动( d e f i n i t ej i t t e r ，d j ) 懒t 2 4 1 ，即： ，( 刀) = 以( 疗) 幸厶( n ) = j ，( m ) x y d ( n - m ) ( 2 1 1 ) 随机抖动的概率密度符合高斯分布，固有抖动的概率密度接近矩形波。 2 5 本章小结 本章首先阐述了q o s 技术产生的必要性；然后详细介绍了几种主要的流 量管理技术；接着介绍了几种常见的队列调度机制；最后从数学模型上描述 了q o s 的性能指标。只有了解了通用q o s 技术才能明确承载业务瑚 中继网络上的q o s 技术。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章帧中继q o s 帧中继是一种统计复用协议，它实现了带宽资源的动态分配，因此适合 为具有大量突发数据( 如l 蝌) 的用户提供服务。但如果某一时刻所有用户 的数据流量之和超过可用的物理带宽时，帧中继网络就需要实施带宽管理。 它通过为用户分配带宽控制参数，对每条虚链路上传送的用户信息进行监视 和控制。而在网络发生拥塞或者根据用户的配置即将发生拥塞的时候，路由 器将对帧中继报文发生判断，可以根据帧中继q o s 中的d e 规则对报文进行 取舍，从而缓解网络的拥塞。 本章首先介绍了帧中继网络及帧中继技术的特点，然后按照不同的帧中 继q o s 模块详细描述了帧中继q o s 的实现原理和方法。 3 1 帧中继q o s 概述 3 1 1 帧中继技术 概括的讲，帧中继技术是在数据链路层用简化的方法传送和交换数据单 元的快速分组交换技术。帧中继协议作为一种统计复用协议，能在单一物理 传输线上提供多条虚链路，每条虚链路用数据链路连接标识( d l c i ，d a t al i n k c o n n e c t i o ni d e n t i f i e r ) 来标识【2 习。虚链路是面向连接的，按照建立方式不同可 以分为两种类型：永久虚链路( p v c ) 和交换虚链路( s v c ) ，目前帧中继网络中 采用最多的方式是p v c 例。 帧中继不提供发现错误后的重传操作，省去了帧编号、流量控制、应答 和监视等机制，大大节省了通信设备的开销，调高了网络吞吐量、降低了通 信时延。除此之外帧中继还提供一套合理的带宽管理和防止拥塞的机制，允 许用户有效利用预约带宽，还允许用户的突发数据占用未预定的带宽，以提 高网络资源利用率。同时，帧中继采用虚电路技术，能充分利用网络资源。 因此帧中继具有吞吐量高、时延低、适合突发性业务等特点。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 帧中继网络作为一种附加于分组方式的承载业务引入i s d n ，其帧结构 与i s d n 和l a p d 结构一致，帧中继能够实现多路复用，很大程度上是得益 于这种特殊的帧格式。尽管封装类型不同，有i e t f 、n l p i d 和c i s c o 封装 2 7 】，但是这几种格式具有相同的特点，抽象出来可以表示成图3 1 的形式。 i 标志 i 地址 i 信息 l f c s i 标志 i 图3 1 帧中继帧格式 地址字段的主要用途是区分同一通路上多个数据链路连接，以便实现帧 的复用。图3 2 描述了q 9 2 2 地址的具体格式，一般由两个字节组成，包含 一个1 0 b i t 的d l c i 号，并且有几个b i t 是用于拥塞控制及通信量的。 d l c i 高阶比特 c re a o d l c i 低阶比特 f e c nb e c nd ee a l 图3 2q 9 2 2 地址格式 c 瓜：命令响应。帧中继协议不用。 e a ：扩展地址。e a 位表明当前字节是否是地址的最后一个字节。 f e c n 前向显示拥塞通知。用来表示在帧传输方向上出现了拥塞，通知 目标站点发生了拥塞。 b e c n ：后向显示拥塞通知。用于表示在帧传输方向相反的方向上出现 了拥塞，通知发送方发生了拥塞。 d e ：丢弃资格。d e 位指明帧的优先级。当d e 被设置为1 时，这个比 特通知网络当拥塞发生时，可以优先丢弃该帧。 d l c i ：数据链路连接标识。通过解析d l c i 号来区分不同的虚链路，达 到分路复用的目的。 3 1 2 帧中继q o s 的重要参数 和通用q o s 一样，在进行流量评估和调控时，帧中继q o s 定义了一些重 要参数： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 允许的承诺信息速率( c i ra l l o w ，c o m m i t t e di n f o r m a t i o nr a t e a l l o w ) ：f r 正常情况下可以提供的传送速率。网络不拥塞时，可以保证用 户以此速率传送数据。 承诺信息速率( c i r ，c o m m i t t e di n f o r m a t i o nr a t e ) 虚电路可以提供的最 小传送速率。即使网络拥塞，也可以保证用户以此速率传送数据。 承诺突发尺寸( c b s ，c o m m i t t e db u r s ts i z e ) ：帧中继网络承诺的在t c 时 间内传送的包流量。网络拥塞时，帧中继网络保证这部分可以成功发送。 超出突发尺寸正b s ，e x c e s sb u r s ts i z e ) ：在t c 时间内，帧中继网络可以 超过承诺突发尺寸的最大值。网络拥塞时，这部分流量将被首先丢弃。 3 1 3 帧中继q o s 的整体架构 帧中继网络拥有自己独立的q o s 服务机n - 帧中继流量整形、帧中继流 量监管、帧中继拥塞管理、帧中继d e 规则列表、帧中继队列管理等，这些 机制不是独立运行的，需要相互配合相互依赖才能提供完整的网络服务质量 保障体系。示意图如图3 3 所示。 数据流向 流量整形流量监管 忿兰：俞型- 镶拶弋锱弋 n 何| d c e | d e 规则拥塞管理 图3 3 帧中继q o s 整体架构示意图 在报文的发送接口启用流量整形功能，在d t e 端设置d e 丢弃规则，在 d c e 端设备入接口对流量进行监管，根据网络状态对流量按照相应丢弃规则 进行丢弃或转发，在进入f r 网络之前，根据网络拥塞状态采用相应的队列 调度机制，将报文有序送出。从图中可以看出，p r q o s 各大模块在数据传输 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论丈 过程中各施其职，共同配合完成整个f r q o s 对f r 网络的质量保证。 3 2 帧中继流量整形 3 2 1 帧中继流量整形原理 帧中继流量整形( f r t s ，f r a m er e l a yt r a f f i cs h a p i n g ) 是贯彻整个f r q o s 机制的主线口引，其主要功能是实现全网的流量控制。f r t s 能够限制从某一 虚链路发出的报文流量和突发报文流量，使这类报文能够以比较均匀的速度 向外发送。 数据流向 d t e c i r a l l o w = 6 4 k b p s d c e c i r = 3 2 k b p s 图3 4 帧中继流量整形示意图 在帧中继网络中，如果不同网段带宽不匹配，往往会在网段的交界处产 生瓶颈。如图3 4 所示，如果r t b 以1 2 8 k b p s 的速率向r t a 发送报文，而 r t a 的接口速率最大只能达到6 4 k b p s ，这时就会在帧中继网络与r t a 的连 接处产生瓶颈，而发生拥塞，导致数据无法正常传送。但是如果r t b 的出接 1 ：3 s e r i a l 2 0 应用帧中继流量整形，可以使它以相对比较均匀的速率6 4 k b p s 发送报文，从而避免网络拥塞的发生。即使网络发生拥塞，r t b 仍能够以 3 2 k b p s 的速率发送报文。帧中继流量整形应用在设备的出接口，它可以向用 户提供c i ra l l o w 、c i r 、c b s 、e b s 等参数。帧中继虚电路能够以c i r a l l o w 的速率发送报文。帧中继流量整形还允许虚电路在突发的情况下以 超过c i ra l l o w 的速率发送报文。 帧中继流量整形是用令牌桶算法来实现的，令牌的单位为b i t 。具体实现 1 7 o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 流程如图3 5 所示。 令牌桶减去 所用令牌数 待发送报 是l 厂工一一 是 执行添加令牌ii 报文入f i f oi 广l 的过程 li c q p q 队列缓冲ii 丢弃报文 图3 5f r t s 处理流程图 3 2 2 速率自适应调节机制 f r t s 应用在f r 网络中路由器出接口上，使得每条p v c 都能够按照特 定参数进行流量输出。这些特定参数由接口或p v c 上应用的f rc l a s s 来提 供，其中最主要的参数是m i n c i r 、c i r 、b c 和b e 。m i n c i r 是帧中继p v c 可接受的输入或输出c i r 的最小值，计算公式为： f1、 m i n c i r = ( 1 一口) l 去c 腰l + ( 1 一) 5 6 0 0 0 ( 3 1 ) z 其中：口和只能取0 或1 ，在计算m i n c i r 时，先判断c i r 的取值，如果设 定了c i r 的值，口为0 ，为1 ，否则口为l ，为0 。 当报文发送的时候，如果配置了b e 值，则允许数据发送超过b c 的值， 1 8 是5 一发 哈尔滨工程大学硕士学位论文 然后发送的数据以c i r 的速率进行发送；当网络发生拥塞时，数据发送的速 率从当前的c i r 开始以一个设定的百分比和当前c i r 的乘积下降速