（通信与信息系统专业论文）快速带宽自适应网络技术的研究与设计——资源管理.pdf

北京邮电大学硕士论文 快速带宽自适应网络技术的研究与设计 资源管理 摘要 f b a 是一种既支持实时业务又支持非实时业务，并且不需要复杂 的流量管理机制，它以电路交换方式为基础，通过动态的分配资源， 能很好的支持多种类型业务的传输需求，可以成为我国的综合业务传 送网络的主要技术之一。为此，本文研究了f b a 网络的通信原理和资 源管理方面的关键技术。 本文对通信网络现存的资源管理技术( 包括a t m 网络，以太网网 络，i p 网络，f b a 网络的资源管理技术) 进行了研究，分析比较了各 种技术的原理和特点。为了设计和实现一种适用于f b a 网络的、具有 优异性能的资源管理系统，作者主要深入研究了f b a 网络的资源管理 机制，包括其中的资源预留、资源分配、动态资源再分配、资源重利 用和错误管理。在充分的理论研究的基础上，作者首次设计和实现了 基于f b a 网络的资源管理模型。文章提出了集中式与分布式相结合的 资源管理方式，并且在f b a 仿真平台基础上，采用a r m s y s 4 4 8 0 一p 嵌 入式开发板实现了代理节点资源管理器的部分功能，以及中央资源控 制器的管理功能，对资源管理系统的多种资源分配机制，错误管理和 用户认证机制进行仿真实现。这个资源管理模型改进了以往的管理方 式，填补了仿真网络以往所残缺的资源管理模块，为今后的f b a 网络 协议的设计和研究提供了更完善的研究基础。 关键词：f b a 资源管理时隙分配仿真网络 北京邮电大学硕士论文 t h er e s e a r c ha n dd e s i g no ff a s tb a n d w i d t h a d a p t a t i o nn e t w o r kt e c h n o l o g y a b s t r a c t f b ai san e wh i g h s p e e dn e t w o r ka r c h i t e c t u r eb a s e do nf a s tc i r c u i t s w i t c h i n g w i t hb a n d w i d t hr e s e r v a t i o na n d s u p p o r t f o r d y n a m i c r e a l l o c a t i o nf o rb a n d w i d t h f b ai sd e s i g n e dt ou s et i m e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n go fc h a n n e l sf o rr e a l t i m em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o na n df o r c o m p u t e rc o m m u n i c a t i o n t h i st h e , i sd i s c u s s e st h eb a s i cc o m m u n i c a t i o nt h e o r ya n dk e y t e c h n i c a lf a c t o r sw h i c he f f e c tt h en e x tg e n e r a t i o na c c e s sn e t w o r k r e s e a r c ho nt h ef a s tb a n d w i d t ha d a p t a t i o nn e t w o r k a n da na n a l ，r s i sa n d c o m p a r i s o na m o n gt h er e s o u r c em a n e g m e n tm e c h a n i s mf o rc u r r e n t l y c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki n d l u d i n ga t m 、e h e m e t 、i p 、g r i da n df ：b ai s e l u c i d a t e d i no r d e rt od e s i g na nr e s o u r c em a n a g e m e n ta d a p t a b l ef o rf b a t h ea u t h o rd oad e c pr e s e a r c ho nt h er e s o u r c em a n a g e m e n to ff b a , i n c l u d et h eb a n d w i d t hr e s e r v a t i o n , b a n d w i d t hd i s t r i b u t i o n ，d y n a m i c r e s o u r c ea l l o c a t i o n ，s l o tr e u s ea n de r r o rm a n a g e m e n t b a s e do nt h et h e o r y i n v e s t i g a t i o n ，t h ea u t h o rd e s i g n e da nr e s o u r c em a n a g e m e n to ff b a b a s e d o nt h ef b a e m u l a t o r , a n dr e a l i z et h ea g e n tp r o c e s s o ra n dc o n t r o l l e ri nt h e r e s o u r c em a n a g e m e n t ，t h em o d u l es u p p l e m e n tt h ee m u l a t o ro ft h ef b a s u p p l yf o rt h ed e e p e rr e s e a r c ho nf b a i nf u t u r e k e yw o r d s ：f b a r e s o u r c em a n a g e m e n ts l o td i s t r i b u t i o n e m u l a t o r 北京邮电大学硕士论文 缩略词 缩写全称 f b a f a s tb a n d w i d t ha d a p t a t i o n 芦汀m a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e l p i n t e r n e tp r o t o c o i r s v p r e s e r v a t i o np r o t o c o l f c p t h ef b ac o n t r o lp r o t o c o lp r i m i t i v e s f b a u n lt h ef b au s e rn e t w o r ki n t e r f a c e f a pt h ef b a a c c e s sp r o t o c o l a da i i o c a t i o nd o m a i n e t s i e u r o p e a n t e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s l n s t i t u t e c m ic h a n n e lm u l t i p l e x i n gi d e n t i f i e r f r m pf b ar e s o u r c em a n a g e m e n tp r o t o c o i f c pf b ac h a n n e ip r o t o c o i f c ct h ef 队c o n t r o ic h a n n e i 7 4 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：z 坌型 日期：! ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论文注释： 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：垒五 导师签名： 日期：丑! ：堑 日期： 芝2 ：；：翅 北京邮电大学硕士论文 1 1 项目研究意义 第一章绪论 随着网络化时代的到来，人们对信息的需求与日俱增。i p 业务在全球范围突 飞猛进的发展，在给传统电信业务带来巨大冲击的同时，也为电信网络的发展提 供了新的机遇。从当前信息技术的发展潮流来看，建设高速大容量的宽带综合业 务网己成为现代信息技术发展的必然趋势。为了适应这种需求，通信的两大组成 部分一传输与交换，都在不断地发展与变革。 随着数据网用户数量的剧增、多媒体业务的不断普及和信息流量的持续高速 增长，利用传统路由器组织信息网络的组网方式的缺陷越来越明显，主要体现在， 一方面不能对网络上的业务和流量进行有效的管理，不能对实时业务提供可靠的 服务质量保证，极大地限制了多媒体业务的进一步发展：另一方面不能有效地保 证用户信息的安全性，极大地限制了网络的应用范围。因此，为了解决这些问题， 人们相继提出了i po v o ra t m ，i po v e - rd w d m ，i po v c rs d h 等技术。其中，目 前只有i po v c ra t m 很好地解决了上述两方面的问题，特别是基于a t m 网络的 m p l s 技术的应用，将口技术与a t m 技术完美地结合在一起，优化了全网性能。 但是，a t m 网络对实时业务与流量控制的支持强烈依赖于芯片的处理与缓存能 力，。随着光通信技术的发展和信息量的急剧增长，带宽不断扩展的交换网络要求 处理与缓存的规模以指数级增长，既难以实现，成本也太高，从而限制了这种技 术的进一步应用。那么，目前急需找到一种传送模式，以满足各种实时和非实时 业务的有效传输，又能在保证q o s 的基础上能支持流量控制和资源管理功能， 却又不强烈依赖于芯片处理与缓存能力。本课题正是为了解决这种现状，在实验 室多年来研究d t m ( d y n a m i ct r a n s f e rm o d e ) 网络经验的基础上结合初步搭建 的仿真平台，利用已有研究成果，提出并设计了一种面向于未来智能信息网的快 速带宽自适应( f b a ，f a s tb a n d w i d t h a d a p t a t i o n ) 光网络技术，以达到建立一个 北京邮电大学硕士论文 安全可靠、利于带宽不断扩展、完美支撑现有业务接入并能够快速适应未来新业 务发展经济可行的大容量传输交换网络的目的。 f b a 是下一代网络( n g n ) 中专门为实时媒体内容可预见的爆炸性增长而设 计的一种新的传送网技术。作为第二层的交换传输技术，通过强调简洁性和避 免使用复杂计算的策略、排队、缓冲和控制机制，f b a 充分利用了光纤的几乎无 限的传输能力，通过f b a 技术的内在特征，包括低的传输延迟、几乎零延迟变 化( z e r od e l a yv a r i a t i o n ) 、带宽的动态分配、信道之间流量的完全隔离和可升级 的高速传输实现实时视频的传输。 光纤是现代化通信网中传输信息的媒质，在短短的的二十几年中，获得了迅 速的发展，从根本上解决了网络链路容量有限的问题，将网络瓶颈转移到网络交 换节点和接入节点上来。此外，光纤的传输特性使得原来的差错控制等不再成为 必需，从而提高了网络的传送速度。f b a 网络便是以光纤为传输介质的网络，能 够在密集波分复用( d w d m ) 基础设施上工作得非常出色，也能在大规模网络环 境中保证很高的传输质量。f b a 同时满足不同流量类型( 例如视频、职和p d h ) 通过单个集成网络的传输要求。为了优化带宽的使用，可以按照5 1 2 k b p s 的倍 数，甚至完全达到光纤容量按需设置透明信道，其物理接口最高可达4 0 g b p s 的 速度。f b a 协议引入灵活的服务层，允许运营商提供按需的口和视频服务，并 且保持当前业务的完整性。总而言之，f b a 网络能为现代化多元化的网络提供 可靠的基础接入网络。 1 2 本文主要研究内容 随着通信事业的高速发展，网络覆盖范围迅速扩大， 业务种类日益丰富， 通信网络及其相关的资源变得越来越复杂。广义上来说，网络资源的种类繁多、 分布广泛、涉及多专业、多部门，这给各个业务部门的资源共享造成了很大的 障碍。这种信息孤岛的存在与通信网络全程全网的管理要求形成了巨大的反差， 给网络的规划、建设、维护、资源的合理配置以及业务的迅速部署带来了很大的 困难。为了适应技术发展以及市场的需求，必须采用更合理的技术和手段来管理 通信网络资源。 因此，本文对通信网络现存的资源管理技术( 包括a t m 网络，以太网网络， 口网络，网格网f b a 网络的资源管理技术) 进行了研究，分析比较了各种技术 的原理和特点。另外，本文的研究目的在于设计和实现一种适用于f b a 网路的、 具有优异性能的资源管理系统，所以，论文还深入研究了f b a 网络的通信原理 和关键技术。在此基础之上，主要深入研究了f b a 网络的资源管理机制，包括 2 北京邮电大学硕士论文 其中的资源预留、资源分配、动态资源再分配、资源重利用。在进行了充分的理 论研究之后，设计和实现了基于f b a 网络的资源管理模型。文章首次提出集中 式与分布式相结合的资源管理方式，并且首次在f b a 仿真平台基础上，采用 a r m s y s 4 4 b m p 嵌入式开发板实现了代理节点资源管理器的部分功能，以及中 央资源控制器的管理功能。 由于本文旨在设计一个具有优异性能和可扩展能力的f b a 网络资源管理信 息系统，所以必须在充分考虑了应用需求的基础上，从面向对象的资源建模入 手，并在此基础上，合理设计系统结构。在进行传送网资源管理系统的设计时， 应该采用如下的设计原则： 可扩展性要强：随着通信技术的发展和电信企业的日益壮大，系统的处理 能力必须能够跟上急剧膨胀的数据处理要求。另外一方面，新的网络资源管理 需求总是不断出现，因此，系统从软件的设计和支撑上必须采用易于扩展的方 法。系统采用了技术成熟、易于扩充的硬件平台及系统软件支撑平台，非常易 于扩充成具有分布式数据处理能力的、企业级的应用系统，保护用户已有的投 资。另外，系统在设计时采用了两层体系结构，这样也非常易于以后功能的扩 展。 系统的灵活性要强：系统设计时应该充分考虑业务变化时系统灵活适应能 力。 系统要具有较高的安全性：由于使用系统的用户众多，对于各个地域的用 户，其权限是有严格限制的， 否则将会导致数据的不安全和混乱。所以，系 统在设计时要充分考虑网络安全、数据安全，采用多级安全体系保证企业核心 数据的安全。 系统要具有较好的效率特性：资源管理系统是对系统效率要求很高的业务， 在设计上不但要求系统的数据正确，而且要尽力避免出现长时问的处理等待情 况。为了解决效率特性的问题，在设计时， 对各类对象的操作实现上，采用 在程序初始化的时候建立相应的内存链表，将对象属性从数据库中读入内存链 表，用户对对象的操作和修改均在内存中完成。当用户有入库动作时才对数据 库进行操作，保证内存数据和数据库数据的一致性。 以上便是本文的资源管理模型的设计原则。 3 北京邮电大学硕士论文 第二章通信网络资源管理技术的研究 面对日益纷繁多样的业务需求，要提高通信服务质量，降低运行成本，使网 络资源得到合理有效的利用，就要求有集中化的信息管理，实现资源的合理分配， 保证网络的高效运行。资源管理作为通信领域中的重要技术，在各个通信系统中 都有着深入的研究，并提出了多种模型。下面我们就资源管理技术的研究成果进 行简要的介绍和分析。 2 1a t m 网络的资源管理 a t m 资源管理技术的主要作用是在复杂的业务环境下，按照最优的方式使 用网络资源( 带宽、节点缓冲容量等) ，保护网络的正常运行，使之达到设计要求 的网络性能目标，为用户可靠的服务质量保证。 a t m 网络的资源管理都是针对a t m 信元进行的，并在虚通道v p 0 r m a lp a t h ) 上实施，v p c ( 虚通道连接) 从广义上来定义就是在两虚通道终端间标定单向性 通道，一个v p c 能够根据不同的目的建立固定、半固定或动态连接。在a t m 网 络中，一个虚通道可包含一组v c c ( 虚通路连接) ，并能管理这些连接所使用 的资源。可通过现存v p c 的终端所决定的简单连接响应来建立新的v i c ，因连 接机构中不包含传输节点，所以能快速建立连接。运用v p 概念，允许按业务需 求来分离业务类型。凹 以v p 为基础所提供的网络资源可以由三个独立的业务时间长短来描述，对 应的是a t m 网络的所有资源控制都是根据不同的业务类别进行资源分配的， a t m 论坛定义了以下几种业务类型：恒定比特率业务( c b r ) 、可变比特率业务 ( v b r ) 、未定义比特率业务( u b r ) 和可用比特率业务( a b a ) ，并根据相应的服务 优先等级动态的为用户分配系统资源。 1 恒定比特率业务( c b r ) ：c b r 业务优先级为1 ，它要求数据以一个恒定的 速率在网络中传输。它主要是针对话音、固定比特率编码图像等对时延和抖动要 求严格的业务类型而提出的。对于这种业务，当c a c 判定接纳时，则分配给它 所要求的带宽；当c a c 判定拒绝时，则不分配。 2 可变比特率业务( v a r ) ：v b r 又分为实时可变比特率和非实时可交比特率， 其中实时可变比特率业务优先级为2 ，非实时可变比特率业务优先级为3 。v b r 4 北京邮电大学硕士论文 同c b r 一样对时延和抖动有严格的要求，但它的数据传输速率是可变的。这种 业务的例子是：压缩语音、压缩的视频数据等等。对于v b r 业务，c a c 机制选 择一个门限速率传输信元，它小于业务流的峰值信元速率( p c r ) 以避免浪费带宽， 它又大于平均信元速率( a c r ) 以避免信元丢失率增加。这个门限速率又称为等效 带宽。只有当网络的可用带宽大于等效带宽时，c a c 才接纳该连接请求。 3 未定义比特率业务( u b r ) ；u b r 业务是为那些对时延或抖动要求不太严格 的数据通信业务提出的。在这类业务中源节点不必明确给出它所需要的带宽要 求，所以u b r 业务又称为尽最大能力服务业务( b e s te f o r ts e r v i c e ) 。建立u b r 连接时对网络资源没有特殊要求。也就是说，u b r 业务的连接请求在任何情况 下都能满足。 4 可用比特率业务( a b r ) ：a b r 业务是a t m 论坛较新定义的一种业务类型。 它提供了一种低信元丢失率、时延小，并且能够对带宽公平共享的业务类型。 a b r 与u b r 这两者的业务源模型有类似之处，但a b r 要求有更高的可靠性。 这类业务的例子是：重要数据传输、计算机服务器的应用等等。a b r 有一个重 要参数：最小信元速率( m c r ) ，网络可以根据m c r 执行c a c 功能。c a c 接纳 或拒绝一个a b r 呼叫连接请求，一旦连接建立，网络就必须保证这个m c r 。闭 对于a b r 业务，a t m 论坛定义了两种公平分配网络可用带宽的实现方案： ( 1 ) 将可用带宽减去用户的m c r 带宽，剩余带宽由各个用户等分。 ( 2 ) 将可用带宽等分，同时保证每个用户所得带宽均不小于它们的m c r 。 2 2 以太网的资源管理 由于数据包的发送过程必须经过发送端主机以及接收端主机的所有o s i 协 议层，甚至可能要经过中间某个网络的子网。这就涉及到一个问题：如何在子网 内，即在数据链路层上进行资源管理，以保证高优先级的数据帧获得高级别的服 务。某些链路层的技术已经可以很好的进行网络资源管理，例如异步传输模式 a t m 。而其它更多的l a n 技术( 如以太网技术) 并没有专门设计资源控制。以 太网作为共享的广播媒介，在它的交换方式中，提供了一种类似与传统的尽力而 为的i p 服务。为此，i e t f 的i s s l l 小组提出了子网带宽管理( s u b n e tb a n d w i d t h m a n a g e m e n t ，s b m ) 的方案，在数据链路层上的进行资源管理，它适用于8 0 2 1 l a n ，如以太网、令牌环和f d d i 等。 s b m 体系结构中，要求所有的数据帧必须通过至少一个s b m 交换机。s b m 的主要构件有三个部分： 北京邮电大学硕士论文 ( 1 ) 请求模块( r e q u e s tm o d u l e ，r m ) ：请求模块驻留在每个端系统中而不驻 留在任何交换机中。请求模块根据管理员所定义的策略，将高层的q o s 协议参数 映射到第二层的优先级别。 ( 2 ) 带宽分配器( b a n d w i d t h a l l o c a t o r ，b a ) ：带宽分配器保存子网内资源的 分配状态，并且根据可用资源的情况以及管理员所定义的策略来执行接入控制。 ( 3 ) 通信协议( c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，c p ) ：通信协议用于在s b m 系统 中，各个不同的组件之间进行通信。s b m 体系结构提供了r m o t o b a 以及 b a t o b a 的信令机制来请求资源、改变或删除分配资源。 s b m 有两种形式的体系结构：集中式结构和分布式结构，它取决于b a 所处 的位置。不管在哪种形式的结构中，r m 都必须在需要请求资源的端系统中。a p p 表示需要使用r m 的应用，它可以是用户应用程序，也可以是高层协议( 如 r s v p ) 。 图1 - 1 集中式s b m 结构 在集中式结构中，只有单个的b a 来实现整个子网的带宽管理与分配，每个 端系统中包含一个r m ，而网桥和交换机中则不需要r m 。当端系统需要请求资 源时，则由它的r m 首先向b a 发出请求通信。在这种结构中，b a 需要知道整 个子网的拓扑结构。 r s v p 主机， 路由器 中问网桥 r s v p ： = 机， 交换机 路由器 图1 - 2 分布式$ b m 结构 6 北京邮电大学硕士论文 在分布式结构中，子网内所有的网络设备中都需要实现b a 功能，所有的端 系统中仍然需要包含r m 。在这种结构中，每个b a 需要知道与它连接的本地网 段( 一个子网可能包括多个网段) 的拓扑结构。嘲 2 3i p 网络的资源管理 i p 网络提供一种”尽力而为”的服务，要使基于i p 技术的网络作为可靠的 电信业务承载网，就必须采用一些资源管理手段，使之能够提供合格的电信业务。 ”1 在目前的i p 网络中，主要通过以下模型来进行网络资源分配和管理。 ( 1 ) i n t - s e n d r s v p i n t s e r v 模型能够在因特网中提供有别于“尽力而为”服务的服务类型。 i n t - s e r v 所关注的是单个流的质量，也就是说以流为单位保证服务质量，每个流 都从网络请求特定级别的服务。i n t - s e r v 定义了两种新的业务模型：保证型 ( g u a r a n t e e d ) 业务和控制型载荷( c o n t r o l l e d l o a d ) 。保证型业务提供精确的包 排队延迟上限，用于需要严格0 0 s 保证的应用，控制型载荷利用统计复用的方 法控制载荷，用于比前者具更大灵活性的应用。 在h i t s e r v 体系结构中，网络通过对各类业务的数据包的区别对待实现与业 务不同要求相适应的0 0 s 。其中对时延、抖动或丢失率敏感的业务，其数据包 将得到相应的优先处理。这样做存在的一个潜在问题是：在网络出现拥塞时，高 q o s 要求的业务会产生对低q o s 要求的业务( 如采用b e s t - e f f o r t 原则传输的数据 业务) 的“排挤”。受。排挤”的数据包将会在一段时间内滞留于网络中并 进行不断重传，进一步加剧网络的拥塞。嗍 ( 2 ) d i f f s e r v d i t t s e r v 的目的是在因特网上为流量提供有区别的业务级别。与i n t - s e r v 相 比，d i f f s e r v 定义的是一个相对简单而粒度粗一些的控制系统。另外d i f f s e r v 针对的是流聚合后的每一类，而不是像i n t - s e r v 那样针对每个流，因此d i f f s e r v 具有可扩展性，能够在大型网络上更好的控制网络资源。 在d i f f s e r v 里，引入了d i f f s e r v 域的概念( 简称d s 域) ，一个d s 域可以认 为是一个能够提供d i f f - s e r v 业务的子网。d s 域主要由路由器组成，并对这些路 由器进行区分，把位于d s 域边界的称为边界路由器，而把d s 域内部的称为内 部路由器。边界路由器的功能有：对业务流的分类、整形、标记和调度；内部路 由器的功能是分类、调度。d i 自f s e n ，力图通过对业务流的分类、整形、标记、调 度来实现对业务q o s 一定程度上的保证。与i n t s e r v 类似，d i t t s e r v 也定义了三 种业务类型： 尽力而为的业务( b e s te f f o r ts e r v i 卜- 类似目前i n t e m e t 中尽力而为的业 7 北京邮电大学硕士论文 务。 最优的业务( p r e m i u ms e r v i c e 卜类似于传统运营商网络的专线业务。 确保业务( a s s u r e ds e r v i c e 卜确保服务是从统计上保证用户的带宽，其初衷 是在网络拥塞的情况下，也能保证用户有一定量的预约带宽。 用户为了获得区分服务，先与服务提供商i s p ( i n t e m e ts e r v i c ep r o v i d e r ) 协 商服务等级协议s l a ( s e r v i c el e v e l a g r e e m e n t ) ，s l a 定义了网络能提供的服务 等级，每个等级允许的最大流量等信息，它可以是静态或动态的。用户负责标识 报文的d s 域( 也可由i s p 的入1 3 节点标识) 。i s p 的入1 3 节点负责对报文进行分类、 整形、策略，