（通信与信息系统专业论文）一体化网络一种带宽管理机制的设计与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 本文的工作依托于国家9 7 3 项目“一体化可信网络与普适服务体系基础研究”。 一体化网络是一种新的互联网体系架构，力图实现网络可信、可控、可管的目标， 并在一种网络载体上支持多种普适服务。 一体化网络包括“网通层 和“服务层 。“服务层 负责各种业务的传输、 会话和管理；“网通层 为服务层的诸多业务，如语音、数据、流媒体等提供统一 通信载体。为了更好的支持服务质量，在网通层设计了服务质量总体架构。 本文在网通层服务质量总体架构的基础上，研究一体化网络带宽管理方案的 设计与实现。 首先，本文分析了现有q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 业务模型、资源管理模型和 q o s 路由算法，并简要介绍一体化网络网通层服务质量总体架构。根据一体化网 络网通层总体结构的特点，结合现有q o s 技术，设计一种支持端到端q o s 的带宽 管理方案，并在方案中设计了支持分离路径的多约束q o s 路由算法，用于路径计 算。该算法的引入，可以为终端用户提供多条链路分离路径，提高了q o s 路由的 容错性和鲁棒性。 其次，本文的设计方案在l i n u x 平台上进行编程实现，实现方案有以下特点： 1 ) 使用分离路径q o s 路由算法对资源请求进行接纳控制。2 ) 使用s o c k e t 套接口 实现终端、路由器代理、服务质量管理器之间的信令交互。3 ) 采用统一的消息报 文格式。4 ) 使用触发、定时相结合的方式对服务质量管理器中的数据信息进行备 份，提高了数据信息的完整性。5 ) 采用多线程的实现方式，提高了服务质量管理 器并行处理请求的能力。 第三，本文对一体化网络带宽管理方案进行理论分析和实验测试。通过在一 体化网络原型系统实验平台上的测试，可以说明：该系统能够成功的计算和配置 q o s 路径，并在q o s 路径出现异常时，自动启用备份路径；另外，对本q o s 路由 算法进行测试，验证了大规模稀松网络情况下可以计算出两条或两条以上分离路 径。最后，本文针对现有方案的不足，给出方案实现上的改进意见和进一步研究 的方向。 本方案的成功设计和实施，为一体化网络网通层服务质量总体架构的方案设 计、具体实现以及测试分析提供了一个实验平台，也为网通层服务质量后续研究 工作打下了良好的基础。 关键词：一体化网络；服务质量；资源管理；分离路径 分类号：t n 9 1 5 0 北京交通大学硕+ 学位论文 a bs t r a c t t h i sw o r ki sb a s e do nf u n d a m e n t a lr e s e a r c ho nt h ea r c h i t e c t u r eo fu n i v e r s a l t r u s t w o r t h yn e t w o r ka n dp e r v a s i v es e r v i c e s u n i v e r s a ln e t w o r ki san e wk i n do f n e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，w h i c hi sr e s e a r c h e db yt h ep r o g r a ma n do w n st h ea b i l i t yo f c o r r e s p o n d i n gt om a n ys e r v i c e s i td i v i d e st h en e t w o r ki n t ot w ol a y e r s 一“n e t w o r k l a y e r a n d “s e r v i c el a y e r ” i nt h i sw o r k ，w em a i n l ya d d r e s st h ep r o b l e mh o wt o d e s i g na n di m p l e m e n tt h e n e t w o r kb a n d w i d t hm a n a g e m e n ti nt h eu n i v e r s a ln e t w o r k f i r s t l y , w eb r i e f l yi n t r o d u c e t h et e c h n o l o g i e sa n ds t u d i e so fi p q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) a n dt h em a i nq o s f r a m e w o r ko fn e t w o r kl a y e ri nu n i v e r s a ln e t w o r k s e c o n d l y , w ed e s i g nan e t w o r k b a n d w i d t hm a n a g e m e n ts y s t e mi nt h eu n i v e r s a ln e t w o r ka n du s em u l t i p l ec o n s t r a i n t s q o sr o u t i n ga l g o r i t h mw h i c hc a ns e a r c hs o m el i n k d i s j o i n tp a t h s t h i r d l y , w ei m p l e m e n t t h en e t w o r kb a n d w i d t hm a n a g e m e n ts c h e m ei nl i n u x t h et r a i t so ft h ei m p l e m e n t a t i o n a r es h o w na sf o l l o w s ：1 ) i ti n t r o d u c e saq o sr o u t i n ga l g o r i t h mf o ra d m i s s i o nc o n t r o l m o d u l e 2 ) i ta d o p t st h en e t w o r ks o c k e tt oi m p l e m e n tt h ec o m m u n i c a t i o na m o n gt e r m s ， r o u t e r sa n du q o s m ( u n i v e r s a lq o sm a n a g e r ) 3 ) t h em e s s a g e p a c k e t sh a v eau n i f o r m f o r m a t 4 ) i tc a nb a c k u pd a t a b a s e 5 ) i tu s e sm u l t i - t h r e a dm o d e l f o u r t h l y , w ea n a l y z e a n dt e s tt h ep r o g r a mi no u rp r o t o t y p e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i ss y s t e m c a ng i v eq o s g u a r a n t yb yu s i n gq o sp a t h i ft h eq o sp a t hi se r r o r , t h es y s t e mc a nu s ea b a c k u pq o sp a t ht or e p l a c ei t a f t e rh a v i n gt e s t e dt h ea l g o r i t h mo fq o sr o u t i n g , w e f o u n dt h a ti tc a nw o r ko u tt w oo rm o r ed i s j o i n tp a t h s f i n a l l y , w es u m m a r i z et h i sw o r k a n d1 i s ts o m ef u t u r ew o r k t h i sw o r kp r o v i d e sap l a t f o r mf o rt e s t i n ga n da n a l y z i n gt h eq o sp e r f o r m a n c eo f u n i v e r s a ln e t w o r k a n di tb u i l d sag o o df o u n d a t i o nf o ro t h e rq o sr e s e a r c h e si nt h e l j n i v e r s a ln e t w o r k k e y w o r d s ：u n i v e r s a ln e t w o r k ；q o s ；r e s o u r c em a n a g e m e n t ；d i s j o i n tp a t h s c l a s s n 0 ：t n 9 15 0 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位做作者签名锡却九 签字日期：纱彳年月茹日 导师签 签字日期：弘7 年厂月刎旧 l 7 鸲 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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交通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已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位做作者签名锄鲰乙签字慨1 年月拥 中文摘要 致谢 本文的顺利完成得益于众多人士多年来的关心、指导和支持。 本论文的工作是在我的导师张宏科教授的悉心指导下完成的，张宏科教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助。张老师在学业上对我启发指 导，在生活上对我关怀爱护，在思想上对我提点勉励。在此衷心感谢两年来张老 师对我的教育和关心。 非常感谢下一代互联网互联设备国家工程实验室的多位老师。在两年的研究、 学习中，张思东老师、秦雅娟老师、周华春老师、罗洪斌老师、董平老师等也时 常给我无私的帮助和有益的建议，在此一并感谢! 在实验室工作及撰写论文期间，熊珂博士、王博博士、李世勇博士、王洪超 博士、郭华明博士、姚楠博士、邱峰博士、谭蔚翔硕士、魏海涛硕士、孙照辉硕 士、刘晓波硕士、胡俊硕士、李玮硕士等同志对我论文中的研究工作给予了热情 帮助，在此向他们表达我的感激之情。 还要感谢各位专家、学者在百忙之中对本论文的审阅和赐教。 最后，感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够专心完成我的学业。 引言 1 引言 1 1 研究背景与意义 随着生产力的不断发展，科学技术对生产力的促进作用日益明显，已经成为 推动社会发展的第一动力。信息科学技术作为科学技术的一个分支，同样推动着 社会不断进步。在信息技术领域，各个国家之间也展开了激烈的竞争，二十一世 纪的竞争，从一定意义上说，就是信息技术的竞争。开放系统互联( o p e ns y s t e m i n t e r e o n n e c t i o n ，o s i ) 体系结构的提出，t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o l p r o t o e o l i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 网络体系结构的使用和推广，带来了信息科技领域的巨 大革命，这一革命的源头正是来自于网络基础架构理论的建立。由此看来，一个 国家信息技术水平的高低很大程度上取决于信息网络基础理论的研究水平。 信息技术的一个重要应用就是互联网，它改变了人类的生活方式，并为经济 和社会的发展做出了重大的贡献。应用促进了互联网的发展与普及，与此同时， 也使网络不堪重负。随着互联网上应用种类和数量的不断增加，传统网络的缺陷 表现得日益明显：地址空间不足、没有q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 保证、安全机制 差、对移动性支持差等，这些问题正是源于互联网设计之初面向非连接和“尽力 而为 的特点。 现有信息网络基本上是一种网络支持一种服务，无法满足一种网络支持多种 服务的要求。比如传统的电信网络，它是面向连接的，通过电路交换的方式传递 信息，可以提供很好的通话质量保证。然而，这种方式的效率却是比较低下的， 在这种网络上无法承载大数据量、高质量的业务；互联网是针对数据传输设计的 一种网络，采用分组交换的方式，使得数据传输效率大大提高，但是这种面向非 连接、“尽力而为 的传输方式又会造成没有q o s 保证、安全性差等方面的问题。 如果按照一种服务需要一种网络承载的思路，那么网络的利用效率将会更低，同 时造成重复建设和资源浪费。由此看来，急需一种新的网络体系结构，可以承载 多种服务，并且新的服务可以友好的融入这种网络体系架构中来。 “一体化可信网络与普适服务体系基础研究 中提出一种新的网络体系结构， 可以很好的解决现有网络体系结构中的诸多不足之处。一体化网络包括“网通层 和“服务层 。“服务层 负责各种业务的传输、会话和管理；“网通层”为服务层 的诸多业务，如语音、数据、流媒体等提供统一通信载体。一体化网络力图实现 网络可信、可控、可管的目标，在一种网络载体上支持多种普适服务。 北京交通大学硕十学位论文 一体化网络对q o s 有很好的支持。随着新业务的出现，对于网络资源的需求 也不尽相同，比如v o l p 业务( v o i c eo v e ri p ) 需要很高的实时性和一定的带宽，在 线文件下载需要较大的带宽，高清视频会议需要实时性和高带宽。然而，传统互 联网采用“尽力而为”的i p 分组转发方式，所有用户都是平等的，网络尽最大努 力将数据包发送到目的地址，这种数据包转发方式已经不能为上述业务提供q o s 保证。一体化网络克服了传统网络对q o s 支持不够的缺陷，在管理域内引入服务 质量管理器这一实体，为各类的用户提供相应的服务质量保证。 1 2 国内外研究现状 1 2 1网络体系结构研究现状 传统网络体系结构带来的路由可扩展性差、移动性支持能力差、缺少基础安 全机制等问题制约了互联网的进一步发展。这些问题的出现源于互联网设计之初 的原始架构。因此，只有建立一套新的网络体系架构，才能从根本上克服这些问题。 为此，各个国家和组织投入大量人力和物力，用于新的网络体系架构的设计。 英国电信的“2 1 c n ”下一代网络计划【l 】、美国自然科学基金委员会( n s f ，n a t i o n a l s c i e n c ef o u n d a t i o n ) 的g e n i ( g l o b a le n v i r o n m e n tf o rn e t w o r k i n gi n n o v a t i o n s ，g e n i ) 计划【2 胡、f i n d ( f u t u r ei n t e m e tn e t w o r kd e s i g n ，f i n d ) t 5 】计划、国内的下一代信息网 络理论与技术研究【6 9 】等都提出了一些新的网络体系结构，其目的就是解决现有网 络中安全性、移动性、服务质量和普适服务支持等方面存在的严重弊端。北京交 通大学下一代互联网互联设备国家工程实验室在下一代互联网体系架构的研究 中，提出一体化可信网络和普适服务体系结构，力图通过一种网络支持多种普适 服务，为移动网络、传感网络等网络的接入提供更友好的方式，更好的支持网络 融合。 1 2 2 q o s 业务模型研究现状 在q o s 业务模型方面，i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 提出综合服务 模型和区分服务模型，这两种模型在一定程度上解决了传统网络对q o s 支持的一 些问题，但是也都存在自身的不足。 综合服务模型( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ，i n t s e r v ) 【u 】 综合服务模型的基本思想，是为需要q o s 保证的一个数据流从源端到目的端 途经路径上的每一个节点预留一定的带宽资源。当该流的数据传输完毕之后，再 2 引言 拆除预留路径，释放预留资源。 i n t s e r v 可对某一个应用会话提供服务质量保证，有以下两个特点： 资源预留，一个路由器需要知道当前情况下已经预留了多少资源( 即链路带 宽和缓存空间) 。 呼叫建立，端到端的会话必须首先在源点和终点路径上的每一个路由器预留 所需资源，以保证该会话的服务质量要求。会话开始之前这一预留资源的过程称 之为呼叫建立。 在服务层次上，i n t s e r v r s v p ( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) b 0 1 提供了两种 级别的服务： 端到端的服务保证型服务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) ，保证一个分组在通过路由器 时的排队时延有一个严格的上限。 受控负载的服务( c o n t r o l l e d l o a ds e r v i c e ) ，从一定意义上说，它比“尽最大 努力”更加可靠。 i n t s e r v 的四个组成部分： 第一部分是资源预留协议r s v p ，i n t s e r v 的信令协议： 第二部分是接纳控制，用来决定是否同意对网络资源的请求： 第三部分是分类器，用来把进入路由器的分组包进行分类，并分配到特定的 队列当中； 第四部分是调度器，根据服务质量要求决定分组发送的前后顺序。 i n t s e r v 体系结构在路由器上的实现，主要分为两个部分：上层的控制部分和 下层的数据传输部分。数据传输部分又分为两个功能模块：分类器与队列调度器。 控制部分有四个功能模块：路由选择代理、资源预留代理、管理代理和接纳控制。 其中，路由选择代理的功能是负责维持路由选择数据库；资源预留代理用于为每 一个流预留必要的资源；管理代理负责更新相关数据库和设置接纳控制策略；接 纳控制用于判断是否有足够资源接纳该数据流。 综合服务i n t s e r v 体系结构在一定程度上可以提供q o s 保证，但是也存在一些 问题： 第一，状态信息的数量和流的数目成正比，大型网络中，按每个流进行资源 预留会产生很大的开销； 第二，i n t s c r v 体系结构复杂，对路由器要求高，它们都必须支持r s v p 、接 纳控制、分类器和调度器的功能，暴露出扩展性差的缺点； 第三，定义的服务等级太少。 区分服务模型( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ，d i f f s e r v ) 1 2 】 由于综合服务i n t s e r v 和资源预留协议r s v p 都较复杂，在大规模网络中难以 3 北京交通大学硕十学位论文 实现，因此i e t f 提出区分服务这一种新的服务架构。 区分服务的三个特点： 第一，d i f f s e r v 在不改变网络基本结构的基础上，在路由器上增加区分服务的 功能。 第二，将i p 协议中原有8 位的i p v 4 的服务类型字段和i p v 6 的通信量类字段 重新定义为区分服务d s ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c ed o m a i n ) ，利用d s 字段的不同数 值就可以提供不同等级的服务质量保证。 第三，网络划分为多个d s 域，将所有的复杂性放在d s 域边界节点边界 路由器中，内部路由器工作尽可能简单。 边界路由器有两大功能，分类器和通信量调节器，调节器又由标记器、整形 器和测定器三部分组成。 与综合服务模型相比，区分服务模型的实现相对简单，其可扩展性也得到提 升。然后，这种模型也存在以下缺陷： 第一，区分服务提供的是相对优先级策略，不是基于真正意义上的满足q o s 参数需求的端到端保证。 第二，区分服务没有接纳控制的能力，当数据流超过网络负载时将出现拥塞。 1 3 本文主要工作及结构 本文在研究q o s 业务模型和资源管理技术的基础之上，结合一体化网络体系 结构的特点，设计一种适合于一体化网络的带宽管理机制，在l i n u x 操作系统中进 行编码实现，并进行测试验证。 本文的各部分内容安排如下： 第一章是引言，主要介绍q o s 的研究背景、意义，国内外研究现状以及论文 主要工作与结构； 第二章主要介绍了资源管理技术、q o s 路由算法相关内容，并对一体化网络 网通层服务质量总体架构做了描述； 第三章根据一体化网络网通层对于带宽管理的需求，设计了一套网络带宽管 理机制，并详细分析了核心系统的功能和设计方法； 第四章介绍了方案中具体模块的实现以及核心代码的流程； 第五章介绍了一体化网络带宽管理机制的测试环境、测试方法，并给出了功 能测试和核心算法测试的结果； 第六章对全文的研究工作进行总结，并展望未来技术的发展方向。 4 一体化网络 2 一体化网络 本章对资源管理技术、q o s 路由算法、一体化网络进行了简单介绍，并对一 体化网络网通层服务质量总体架构做了简要分析。 2 1 资源管理技术简介 2 1 1集中式资源管理 集中式资源管理的出发点是试图通过一个独立的资源管理器，对路由自治域 或者网络管理域进行统一管理。一种典型的集中式资源管理方案就是带宽管理器 ( b b ：b a n d w i d t hb r o k e r ) 1 3 , 1 4 】。 带宽管理器的结构如图2 1 所示： 图2 - 1 带宽管理器架构【1 4 1 f i g 2 - 1b a n d w i d t hb r o k e r a r c h i t e c t u r e 带宽管理器的作用是根据当前的网络资源状况对资源申请做出判断，决定是 否接纳该申请，并做出相应的网络资源配置。带宽管理器接收到一个资源申请 ( r e s o u r c ea l l o c a t i o nr e q u e s t ，r a r ) ，这一申请来自其所管理的网络域内。带宽 管理器需要对这一请求做出同意或者拒绝的回复，称之为资源请求回复( r a a ： r e s o u r c ea l l o c a t i o na n s w e r ) 。 除了带宽管理器本身的功能之外，信令的交互也尤为重要，它主要包括以下 5 北京交通人学硕十学位论文 三个协议： 应用协议，主要涉及请求、撤销、异常等过程的终端与带宽代理管理器之问 的消息通信。 域内通信协议，涉及域内带宽管理器之间以及带宽管理器与路由器之间的信 令通信过程。 域问通信协议，用于不同管理域之间带宽管理器的信令通信。与相邻域中带 宽管理器进行s l a 协商，签订领域f b j 的s l s ，为跨域的q o s 保证提供基础。 带宽管理器在实现过程中也存在一些问题。第一，由于是集中式的资源管理 方式，需要在带宽管理器上计算q o s 路由，这就提高了管理器的负荷。第二，管 理器需要维护整个管理域内的资源和拓扑信息，这也增大了管理器的负担。因此， 在针对大型网络时，带宽管理器的负载会很大。 2 1 2 分布式资源管理 与集中式资源管理方法相比，分布式资源管理的思路有很大区别，它是将网 络资源的管理和维护部署于多个设备之上，实现分布控制和网络资源管理。 图2 - 2 资源控制层架构 f i g 2 - 2r e s o u r c ec o n t r o lm a n a g e m e n tl a y e ra r c h i t e c t u r e i s t 子项目之一a q u i l a 的q o s 管理体系结构中的资源控制层【l s , 1 6 l ( r e s o u r c e c o n t r o ll a y e r ，r c l ) ，就是对分布式资源管理方式的一种实现。 由图2 2 可以看出，r c l 主要包括以下组件： 1 ) 资源管理代理( r e s o u r c em a n a g e m e n ta g e n t ，r m a ) 域内最高级的管理设备，负责接纳控制和管理网络资源、路由器配置和邻接 管理域间的服务等级协商( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ，s l a ) 2 _ 接纳控制代理( a d m i s s i o nc o n t r o la g e n t ，a c a ) 接纳控制策略的具体实施者，持续的把当前对每一类流量的预留和分配给自 己的每一类流量的带宽上限做比较，若预留值低于某一设定的下限值，则把未使 6 一体化网络 用资源归还资源池，并降低接纳上限，若超出上限值则向资源池申请新的资源， 提高其接纳上限。 3 ) 终端用户应用工具( e n d - u s e r a p p l i c a t i o nt o o l k i t ，e a t ) 提供终端用户与分布式系统的接口，及时反馈终端用户对网络的资源需求。 2 2 q o s 路由问题简介 2 2 1基本概念 q o s 度量 q o s 服务的性能需要通过相关参数进行描述，网络中表述q o s 服务性能的参 数主要有：带宽、时延、抖动、丢包率、吞吐量等。这些参数对q o s 性能有很大 的影响，下面逐一介绍： 带宽：指分组流在网络传输中占用传输资源的大小，是一种凹性约束，会使 端到端的数据传输出现瓶颈。 时延：指发送端发送数据包至接收端接收到该数据包的时间间隔，是一种加 性约束。 抖动：用于描述分组数据包延时的一个参数，定义为两个连续数据包延时的 最大差值，是一种加性约束。 丢包率：指从网络中一个参考节点向另一个参考节点发送数据包时，接收端 丢失的数据包数量与发送端数据包发送总数量的比值，是一种乘性约束。 吞吐量：指数据分组包在网络中的单位时间内的传输数量，可以用平均值或 者峰值描述。 q o s 度量分类 网络可用图g ( n ，三) 表示，其中表示网络中节点集合，对应网络中的路由器 设备；三表示网络中各个路由器间链路的集合，w q ) 表示链路，l 上的q o s 度量 值，w ( p ) 表示路径p 的度量值，则不同类型的q o s 度量分类如下： 若“p ) = 胁w ( o ，即路径的q o s 特性为该路径上每条链路的相应q o s 度量 值的和，则称度量为可加的，典型的可加性度量有时延、代价等； 若以p ) = 丌却以，) ，即路径的q o s 特性为该路径上每条链路的相应q o s 度量 值的乘积，则称度量为可乘的，如丢包率等； 若以p ) = i i l i n 从耽。p ) ，即路径的q o s 特性为该路径上每条链路的相应q o s 度量值的极小值，则称度量为凹性的，如带宽等。 7 北京交通人学硕十学何论文 q o s 路由问题 q o s 路由问题的目标是在寻找满足约束条件的路径并有效的利用网络资源。 对网络资源信息的搜集是q o s 路由问题的基础，在此之上寻找好的q o s 路由算法 进行路径求解。 q o s 路由问题可以分为两个主要类型：单播路由和多播路由。根据网络信息 的存储方式，又可以分为源路由算法、分布式算法和分层路由算法，其中源路由 算法是这三种路由算法的基础。链路分离的q o s 路径问题也是q o s 路由问题的一 个研究方向，建立源节点和目的节点之间的分离路径可以提高网络容错性和鲁棒 性，在一条路径失效后可以立即使用备用路径替换。 本文中涉及的q o s 约束下的分离路径问题描述为，考虑若干个加性约束，寻 求若干条可以满足约束条件的链路分离路径。 2 2 2多约束链路分离路径算法介绍 在网络中的源节点和目的节点之间寻找多条满足q o s 度量、没有重复链路的 路径，对于提高网络的鲁棒性有着重大的意义。当源、目的节点之间的主路径中 的某条链路出现异常时，可以选择一条备用路径继续传输数据，由于备用路径与 主路径没有重复链路，因此备用路径可以满足数据传输的要求。这种应用在不稳 定的网络中，作用体现的更为明显。 j w s u u r b a l l e 在文献【1 7 】中首次提出不考虑q o s 约束情况下分离路径的求解， 该算法只是判断网络中的两个节点之间是否存在分离路径，在文献i l 引中，j w s u u r b a l l e 与r e t a r j a n 对算法进行了改进。这两篇文献的研究没有引入q o s 度量， 文献【1 9 】中说明，如果在分离路径的计算中引入一个加性约束，那么该问题就是n p c ( n o n d e t e r m i n i s t i cp o l y n o m i a lt i m ec o m p l e t e ) 问题，文献 2 0 2 3 】通过研究k 条最小 代价分离路径，从中选取两条满足q o s 度量的端到端路径，这一思路可以转化为 d c l d p ( d e l a y c o n s t r a i n e dl i n kd i s j o i n tp a t h s ) 问题求解。文献【2 5 】对于有向图两个 加性约束链路分离路径的求解，采用了文献【1 9 】中分离路径算法，并结合了两约束 条件下的s a m c r a 算法。通过这些文献可以看出，分离路径的研究是从简单到复 杂，从单一的路径求解，发展到加性约束的引入。本文中涉及的q o s 路由算法正 是在多加性约束链路分离路径算法领域范畴内进行设计。 2 3 一体化网络网通层服务质量总体架构 本节首先对一体化网络总体架构作了简要介绍，并与o s i 七层网络模型、 8 一体化网络 t c p i p 四层网络模型进行比较；在此之后，叙述一体化网络网通层的总体结构和 功能；最后，针对网通层服务质量的要求，引入基于混合模型的端到端q o s 的框 架。 2 3 1一体化网络体系结构简介 一体化网络与普适服务网络体系结构【8 , 9 1 是一种新的网络架构，将网络划分为 两层结构网通层和服务层。服务层为多种业务的会话、控制与管理提供支持； 应用层 表示层 会话层 传输层 嘲络层 链路层 物理层 应用层 传输层 网络层 网络接口层 服务层 网通层 0 s i 七层t c p i p 口q 层一体化 1 ) 9 络 体系结构模型体系结构模型两层体系结构模型 图2 - 3 网络体系结构模型的比较 f i g 2 - 3c o m p a r i s o n so fo s i ，i n t e m e ta n du n i v e r s a ln e t w o r ka r c h i t e c t u r e 通过图2 3 可以看出，一体化网络体系结构中的服务层对应于t c p i p 网络体 系结构中的应用层和传输层，网通层对应于网络层和网络接口层。服务层可以细 分为虚拟连接子层和虚拟服务子层，在虚拟连接子层中引入连接标识，虚拟服务 子层中引入服务标识，可以更好的支持业务的应用和传输。网通层中，将网络划 分为核心网与接入网，在核心网中引入路由标识，接入网中引入接入标识，为安 全性、移动性、服务质量等提供了更好的支持。 2 3 2 一体化网络网通层简介 一体化网络网通层可以支持多种普适服务，为不同业务提供统一载体。相对 于传统网络，它具有安全性更高，对移动性的支持更好，支持服务质量和多家乡 等优势。本小节对网通层结构和通信流程做简要介绍。 图2 4 是一体化网络网通层结构模型。通过该图可以看到，网通层包括管理层 面和交换路由层面两部分。管理层面包括认证中心、服务质量管理器和映射服务 器；交换路由层面主要提供标识替换和高效路由的功能，在接入交换路由器上实 9 北京交通大学硕十学位论文 现接入标识和交换路由标识的替换工作，在广义交换路由器上实现核心网高效路 由功能。通过这两部分的配合，才能实现网通层的整体功能。 匝万再而豆圈一一一一一鹰丽而硒下研一一一一一一啊历鬲币丌硐 数据包：磊了一r i ；裹一 图2 _ 4 一体化网络网通层结构 f i g 2 - 4t h en e t w o r kl a y e ro fu n i v e r s a ln e t w o r k 接入标识( a i d ，a c c e s s i n gi d e n t i f i e r ) 【8 】 标识接入网络终端或路由器的身份信息。一个接入网络中终端和路由器的接 入标识可以是一个或多个，并且全球唯一，并在移动过程中保持不变。 路由标识( r i d ，r o u t i n gi d e n t i f i e r ) 【8 】 标识接入网络终端或路由器的位置信息，具体的分配是由接入交换路由器完 成。路由标识的引入，使得网通层可以更好的支持多家乡和流量工程。 模型中功能实体 1 ) 接入交换路由器( a c c e s ss w i t c hr o u t e r ，a s r ) 为各种固定网络、移动子网和自组网等提供接入服务，并将数据包中的接入 标识或路由标识进行替换，实现接入网与核心网的分离机制。 2 ) 广义交换路由器( g e n e r a ls w i t c hr o u t e r ，g s r ) 核心网络中数据包提供高效的分组转发服务，支持多种路由协议。 3 ) 服务质量管理器( u n i v e r s a lq u a l i t yo fs e r v i c em a n a g e m e n t ，u q o s m ) 对终端用户的q o s 请求进行接纳控制，提供有q o s 保证的服务，维护用户业 务请求信息、网络拓扑信息和网络资源信息，并进行统一管理。 4 ) 映射服务器( i d e n t i f i e rs e r v e r ，i d s e r v e r ) 域内映射关系的管理者，维护域内所有接入标识与交换路由标识的映射关系， 为接入交换路由器提供查询服务。 5 1 认证中心( a u t h e n t i c a t i o nc e n t e r ) 终端接入认证的管理者，记录终端用户安全类别、安全等级等，记录和维护 所有合法用户的认证信息，在用户接入时进行认证和授权服务。 1 0 一体化网络 一体化网络网通层的通信流程 1 ) 如图2 4 所示，固定终端a 向固定终端b 发送数据包，当该数据包传送到 a s r l 时，数据包中的源接入标识、目的接入标识被替换为源路由标识、 目的路由标识。 2 ) 核心网中的g s r 根据数据包的目的路由标识进行分组转发，最终到达 a s r 2 。 3 ) a s r 2 收到该数据包后，将源路由标识、目的路由标识替换为原先的源路 由标识、目的路由标识，并转发到接入网络。 4 ) 终端b 收到由a s r 2 转发的来自终端a 的数据包。 2 3 3网通层服务质量保证方法 网通层服务质量保证方法的目标是让一体化网络更好的支持普适服务，能够 在网通层为一体化网络中域内通信的各种不同业务提供网络服务质量保障，能够 为一体化网络中域内通信语音、数据、图像、视频等多媒体实时业务提供精细粒 度的网通层q o s 保证。 图2 - 5 一体化网络网通层服务质量保证结构 f i g 2 5q o sg u a r a n t e ea r c h i t e c t u r ef o rn e t w o r kl a y e ro fu n i v e r s a ln e t w o r k 一体化网络网通层服务质量保证方法系统结构如图2 5 所示，包括：a s r 、 g s r 、u q o s m 三大网络实体，其中a s r 主要负责信令转发和资源配置的实现， g s r 负责资源配置的实现，服务质量管理器负责q o s 业务的接纳控制、q o s 路由 计算、域内资源信息维护、域内拓扑信息维护等工作。 在运行方法上，包括服务质量请求过程、服务质量实现过程和服务质量请求 撤销过程。服务质量请求过程由请求终端发起，经a s r 转发通知u q o s m ，管理 北京交通大学硕十学位论文 器根据请求和域内资源情况决定是否接纳，并将结果通过a s r 告知终端。服务质 量实现过程通过u q o s m 与路由器之间的信令交互实现。请求撤销过程也是由终端 发起，经过a s r 转发告知u q o s m ，u q o s m 通知相关路由器撤销资源预留和q o s 路由路径。 2 3 4 与传统网络服务质量保证方法的比较 网通层服务质量保证方法相对于传统网络服务质量保证方法，主要有以下几 个特点： 1 ) 通过接纳控制策略对业务流进行判决和管理，有效的避免网络过载。 2 ) 通过域内全局流标签的方式，支持细粒度的服务质量保证。 3 ) 根据域内全局流标签快速转发有q o s 保证的数据包，路由器根据流标签转 发表进行路由，从而降低了路由查找时间。 4 ) 利用v 6 环境下数据包现有字段实现域内全局流标签，无需修改数据包格 式，便于编程实现。 2 4 小结 本章首先介绍了两种基本的资源管理技术，并分析了各自的优势和不足。集 中式资源管理对网络资源信息的掌握更加全面，但是由于q o s 的诸多核心处理功 能都集中在b b 上，因此它的负载会比较重，这会影响到它的业务处理能力；分布 式资源管理相对于集中式管理，业务处理分散，对网络资源信息的掌握和同步性 就要受到一定的影响。 本章第- d , 节简单介绍了q o s 路由问题，包括它的概念和一些基本算法。本 文中主要涉及链路分离的q o s 分离路径算法，本小节也介绍了该类算法的研究情 况。 一体化网络是一种新的网络架构，其网通层服务质量总体架构可以很好的支 持q o s ，本章对该框架做了简要介绍并同传统网络服务质量保证方法做了比较。 在网通层服务质量总体框架的基础上，本文设计并实现了一体化网络带宽管 理机制，可以实现网络资源的管理、业务请求的接纳控制、支持分离路径的q o s 路由计算，从而为终端用户提供更好的端到端q o s 保证。 1 2 一体化网络带宽管理机制的设计 3 一体化网络带宽管理机制的设计 本章介绍了一体化网络带宽管理机制的总体结构，并对各个子系统的功能和 设计进行了详细描述，最后简单小结本章内容。 3 1 总体设计 一体化网络带宽管理机制是根据网络的实际资源状况，实现端到端数据流的 接纳控制，从而更好的保障服务质量。从图3 1 可以看出，一体化网络带宽管理机 制主要是由四大部分组成：拓扑管理系统、接纳控制系统、信令系统和q o s 路由 计算部分。 发送端 信令 发送与 接收 数据 发送 a s r 消息处理 a s r 配置代理 数据平面 消息 处理 模块 u q o s m 圈圜 接收端 既翟互翟= = 数据流信令 图3 - 1 一体化网络带宽管理机制总体结构 f i g 3 1t h ea r c h i t e c t u r em o d e lo fb a n d w i d t hm a n a g e m e n ti nu n i v e r s a ln e t w o r k 拓扑管理系统主要负责域内拓扑信息的管理与维护，接纳控制系统会根据域 内具体的资源情况确定是否接纳一个端到端具有q o s 保证的数据流，信令系统负 责终端、接入交换路由器、广义交换路由器和服务质量管理器之间的信息交互， q o s 路由计算部分用于计算多种约束条件下端到端每一跳路径，下面几个章节将 详细介绍每一个部分。 3 2 拓扑管理系统设计 1 3 萼亲萼亲 北京交通大学硕+ 学位论文 拓扑管理系统是服务质量管理器的重要组成部分，其主要功能是对域内拓扑 信息和请求业务进行维护和管理。完成这一功能需要其它两个子系统的配合与协 调，这两个子系统是存储子系统和备份子系统。存储子系统是在内存中保存当前 拓扑信息和业务信息；备份子系统负责定时或触发备份内存中的存储内容，在一 定程度上防止信息丢失。 3 2 1 存储子系统设计 存储子系统由一系列描述域内拓扑和业务请求的数据表组成。通过这些数据， 可以记录域内拓扑连接情况、域内资源使用情况和每一个具有q o s 保证的业务流 的参数及其途径路径等信息。主要包括以下几类数据： 系统数据管理表 存储子系统中包含众多的数据表，对这些表的大小、数量等重要信息都需要 记录和管理，同时也为数据的备份提供需要的信息。通过查询系统数据管理表， 可以详细的知道存储子系统中每类表的数量、大小等信息。每一类表都是通过链 表方式存储，系统数据管理表中也有各类表的存储索引，为直接寻址查表提供了 方便。图3 2 描述了系统数据管理表详细的内容： 域内拓扑域内流铷s 路径备份f 系 域内拓扑连接数据 资源数据标签数据数据统数据 拓扑耵链路参邻接常点邻接节点数 i p 地址炭 竹点【oo j 路m 器链路状态 域内全局流标q l ，s 路径备份信息 点数数个数炭酋地址量表酋地址斤地址1 1 ) 对应表前地址农首地址签农酋地址表首地址表酋地址 图3 - 2 系统数据管理表 f i g 3 - 2s y s t e md a t am a n a g e m e n tt a b l e 通过图3 2 可以看到，系统数据管理表主要有五类数据：域内拓扑连接数据、 域内拓扑资源数据、域内流标签数据、q o s 路径数据和备份子系统数据。域内拓 扑链接数据包括拓扑节点数、链路参数个数、邻接节点表首地址、邻接节点数量 表首地址、p 地址表首地址、节点i d 与路由i d 对应表首地址，这些首地址的存