（信号与信息处理专业论文）基于网络处理器的forces路由器中qos技术实现研究.pdf

浙江工确大学酾士学位论文 基于网络处理器的f o r g e s 路由器中o o s 技术实现研究 摘要 随着互联网技术的飞速发展，新的应用不断涌现。如何快速地在现有的网络 上支持新的韭务以满足粥户的需求成为学术界和韭界关注的一个焦点。i e t f 的 f 。r c e s 工作组提出的控制件和转发件分离的开放可编程路出器结构可以很好地 适应网络业务的不骣变化，允许嗣络设备功能平稳升级。在网络、隆务的实现上， 新出现阔络处理器以其兼顾专用处理器( a s i c ) 的高述和通用处理器的灵活町编 程特性，臼益成为网络处理领域的个新宠。 本文依托国家8 6 3 计划项目“支持多服务交换的开放可编程路由器管理协 泌g r i p ”，研究了基于i n t e i 的i x p 2 4 0 0 嘲络处理器( n p ) 的转发件与控制件分 离( f o r c e s ) 路由器中q o s 实现的关键技术问题。在对当前互联网q o s 实现的两 种体系结构：集成服务模型和区分服务模型分析比较的基础上，给出了一种提供 q o s 的f o r c e s 路由器模型，井对其中快速通道进行建模，依据功划分为以下 几个逻辑功能块( l f b ) ：d s c p 分类、六元分类、d s c p 标记、流量测量和加权随 枫早期检测。在着重分析这几个l ，f b 实现关键技术的基础k ，将它们加入数据龟 处理循环。在对顺序化线程编程模型深入分析的基础上，提出了一种在处理循环 的多个微引擎问以及单个微引擎内部通过信号传递实现线摆问同步的方法。此 外，提出了一种使用控制模块( c o n t r o lb l o c k ) 实现l f b 动态性的机制。 最后，我们设计了几个测试例对各【，f b 进行i 【| 1 9 试，测试鲇果验证了各i 。f b 的功熊。本文的： 作为最终实现一个转发件与控制体分离的o o s 路出器奠定了鏊 实的基础。 关键词：f o r c e s ，q o s ，网络处理器，d i f f s e r v 路由器，l f b 浙江工商大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ni m p l e m e n t a t i o no fq o s t e c h n o l o g yi nan p b a s e df o r c e sr o u t e r a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fi n t e r a c t n e wa p p l i c a t i o n sc o m ef o r t l l i th a sb e c o m ea f o c u so fn e t w o r kr e s e a r c ho nh o wt os a t i s f yu s e r sw i t hn e ws e r v i c e sq u i c k l yb a s e do n e x i s t i n gn e t w o r k i e t ff o r c e sw o r k i n gg r o u pp r o p o s e da no p e np r o g r a m m a b l e r o u t e rs t m c t u r ew i t ht h ep h y s i c a ls e p a r a t i o no fc o n t r o le l e m e n t ( c e ) a n df o r w a r d i n g e l e m e n t ( f e ) ，w h i c hf i t st h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r ka p p l i c a t i o n sc o m m e n d a b l ya n d u p g r a d i n gn e t w o r kd e v i c es m o o t h l y o ns u p p o r t i n gn e ws e r v i c e s ，t h er e c e n tn e t w o r k p r o c e s s o r ( n p ) i sac o m b i n a t i o no fh i g h s p e e da s i ca n dp r o g r a m m a b l eg e n e r a l p u r p o s ep r o c e s s o la n di sag o o ds o l u t i o ni nn e t w o r ka p p l i c a t i o n t h i st h e s i si sb a s e do nn a t i o n a l8 6 3h i g h - 1 b c hf u n dr e s e a r c ho n o p e n p r o g r a m m a b l er o u t e rp r o t o c o l ( g r m p ) t h a ts u p p o r t sm u l t i s e r v i c es w i t c h i t r e s e a r c ho ni m p l e m e n t a t i o no fq o si nan p - b a s e df o r c e sr o u t e r f i r s t l y , i ta n a l y s e s t w oi pq o sm o d e l s ，i n t e g r a t e ds e r v i c e sa n dd i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s t h e n ，i t i n t r o d u c e saf o r c e sr o u t e rm o d e l ，a n de m p h a s i so nt h ef em o d e l a st h em o s t i m p o r t a n tp a r t ，i tp r o p o s e sad i f f s e r vm o d e lb a s e do nt h ef ef a s tc h a n n e l ，w h i c hi sa c o m b i n a t i o no fl o g i c a lf u n c t i o nb l o c k s ( l f b ) ，s u c ha sd s c pc l a s s i f i e r , 6 - t u p l e c l a s s i f i e r , d s c pm a r k e ra n ds o m eo t h e rl f b s w ee m p h a s i so nt h ek e yt e c h n i q u e so f t h e s el f b s ，w h i c ha r ep a r t so ff ed i s p a t c hl o o p o nd e e pa n a l y s i so fo r d e r e dt h r e a d p r o g r a m m i n gm o d e l ，w ep r o p o s ea s o l u t i o nt os y n c h r o n i z et h r e a ds i g n a li na n d b e t w e e nm i c r o e n g i n e si nd i s p a t c hl o o p b e s i d e s ，w ep r o p o s eam e c h a n i s mt oc o n t r o l l f b sd y n a m i c a l l yu s i n gc o n t r o lb l o c k a b o v ea l l ，w ed e s i g n e ds o m et e s t i n gc a s e st ot e s tt h e s el f b s ，a n dt h ef u n o i o n s o ft h e s el f b sa r ep r o v e d t h em a i nw o r k so ft h i st h e s i sm a k eag r e a tc o n t r i b u t i o nt o b u i l dao o sf 0 r c e sr o u t e r k e y w o r d s ：f o r c e s ，q o s ，n e t w o r kp r o c e s s o r , d i f t s e r v , r o u t e r , l f b 浙江工商人学硕士学位论文 第一章引言 第一节研究背景 从i p 网络产生直到现在，网络提供的是一种“尽力而为”( b e s t e f f o r t ) 的服务，在这种服务模式下，网络上所有的数据流都平等的使用网络资源，路由 器对所有的i p 数据包都采用先到先处理( f i r s tc o m ef i r s ts e r v i c e ，f c f s ) 的 工作方式，它尽最大努力将i p 包送达目的地，但不能提供任何可靠性、延迟等 保证。随着互联网用户的高速增长，i p 业务也由单纯的数据业务向多媒体业务 发展。新的应用( 如i p t v 、视频点播等) 不仅增加了网络流量，而且改变了以往 互联网上的流量性质，它们对网络提出了全新的服务要求。由于不具备服务质量 保障特性，不能预留带宽，不能限定网络时延，因此，这些应用无法在目前的互 联网上运行。这就提出了一个新的问题，即服务质量【1 1 ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 。 服务质量是一种服务性能( 业务可靠性、时延、抖动、吞吐量和可靠性) 的综合 体现，这种服务性能决定了网络在多大程度上满足业务用户的要求。 下一代网络( n g n ) 要解决服务质量( q o s ) 问题，以使其能可靠支持多媒体通 信和实时数据交换业务，同时又能保持廉价和易扩展特性。在n g n 的研究中，开 放可编程( o p e np r o g r a m m a b l e ) 的网络结构思想得到了广泛重视，其基本观点 为：网络通信节点组件( 如交换机、路由器) 的资源应是通过标准化接口可以开 放可编程控制的。开放可编程网络的目标是简化网络重组的过程，形成一个能够 支持服务增值和智能化的动态网络。通过利用事先定义好的开放可编程接口( 如 n e t w o r ka p i ) 和不同的服务功能模块，实现可编程控制的开放网络。 第二节研究现状 本文研究转发和控制分离的基于网络处理器的路由器上支持区分服务 ( d i f f s e r v ) 的实现，当前与本课题相关的研究主要有： 浙江丁商大学硕士学位论文 转发和控制分离( f o r c e s 2 d f o r c e s ( f o r w a r d i n ga n dc o n t r o le l e m e n ts e p a r a t i o n ) 是i e t f 路由领 域( r o u t i n ga r e a ) 的一个工作组，它专门研究开放编程的i p 路由器的体系结构 和协议问题，是当前开放可编程网络研究最受关注的研究组织。f o r c e s 基本思 想是把i p 路由器分成转发件( f o r w a r d i n ge l e m e n t s ，f e ) 和控制件( c o n t r o l e l e m e n t s ，c e ) ，认为i p 路由器可由多个( 可达几百个) f e 、多个c e 和连接他 们的f o r c e s 协议构成。当前i e t ff o r c e s 工作组已经完成了f o r c e s 需求( f o r c e s r e q u i r e m e n t s ，r f c 3 6 5 4 3 1 ) 和f o r c e s 框架( f o r c e sf r a m e w o r k ，r f c 3 7 4 6 1 4 1 ) ，当 前的工作重点是f o r c e s 协议1 5 j 和f o r c e sf e 模型吼 通用路由器管理协议( g e n e r a lr o u t e rm a n a g e m e n tp r o t o c o l ，g r m p ) 是 我们提交给i e t ff o r c e s 工作组的互联网草案( i n t e r n e t d r a f t ) 。它作为三个 f o r c e s 的候选协议之一，己和另外两个候选协议( f a c ta n dn e t li n k 2 ) 一起初步 合并成正式的f o r c e s 协议。 二、网络处理器论坛( n p f l 7 d 网络处理器论坛n p f ( n e t w o r kp r o c e s s i n gf o r u m ) 是由i n t e l 等公司发起的 研究组织，它旨在制定一个面向下一代网络应用的网络处理器的通用开放式标 准，以便应用商能在此基础上快捷方便地开发特定网络应用示例。论坛基于公共 交换接口协会c s l x ( c o m m o ns w i t c hi n t e r f a c ec o n s o r t i u m ) 和公共编程接口联盟 c p l x ( c o m m o n p r o g r a m m i n gi n t e r f a c ef o r u m ) 组成 8 1 。c s l x 主要关注的是硬件 接v 1 标准，而c p l x 更集中于软件接口标准的制定。通过制定s w i t c h i n gf a b r i c 、 n p u 、各种协处理器之间的软件和硬件接口，实现不同网络处理器产品问的互操 作，在多个o s i 层次上的技术革新和减少产品的上市时间。 三、q o s 网络 i e t f 组织已经提出了多种服务模型和机制来满足对q o s 的需求，其中比较 典型的有：集成服务模型( i n t s e r v ，r f c l 6 3 3 9 】) ，区分服务模型( d i f f s e r v ， r f c 2 4 7 5 1 0 】) ，m p l s 技术( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i c h i n g ，r f c 3 0 3 1 1 1 】) ，流量 2 浙江工商大学硕士学位论文 工程( t r a f i ce n g i n e e r i n g l l 2 1 ) 和q o s 路由( o o s b a s e dr o u t i n g 1 3 1 ) 等均用于 互联网的q o s 控制和管理。 这些技术可以作为基础的q o s 技术在网络部件上使用，但是，这些技术并没 有解决全网的q o s 问题。而且，这些技术的研究还处于初步阶段，已有的研究成 果主要是一些整体框架，在具体的实施技术上还没有显著的成果。目前很多的标 准化组织包括i n t e r n e t 2 1 1 4 】，多业务交换机论坛( m u l t i s e r v i c es w i t c h i n g f o r u m ，m s f l l 5 1 ) ，i t u 等组织都在大力研究和制定全网q o s 机制。 以网络处理器作为路由器转发件还处于探索阶段，在该转发件上支持q o s 的研究更少。本人的工作就是以网络处理器作为f o r c e s 路由器的转发件，研究 其快速通道上q o s 实现的关键技术。 第三节论文的研究内容及贡献 一、研究内容 本论文依托国家8 6 3 计划项目“支持多服务交换的开放可编程路由器管理 协议g r m p ”。主要研究基于网络处理器的转发与控制分离路由器中q o s 实现的 关键技术。 本文首先分析了i pq o s 实现的两种体系结构：集成服务模型和区分服务模 型，主要分析区分服务的网络结构。在深入研究一种支持f o r c e s 路由器模型的 基础上，提出了在f e 的快速通道上支持o o s 的包处理循环。该处理循环包括以 下几个逻辑功能块( l f b ) ：d s c p 分类、六元分类、d s c p 标记、流量测量等。在 着重分析这几个l f b 实现关键技术的基础上，给出了它们的具体实现。此外，为 提供f o r c e s 对于l f b 动态性的要求，本文提供了一种解决方案。 最后，通过设计几个测试例对各支持o o s 的l f b 进行测试，测试结果验证 了各l f b 的功能。 二、主要贡献 1 、在基于网络处理器的转发与控制分离路由器上，加入支持q o s 的关键l f b 。 这些l f b 能够提供d s c p 分类、六元分类、d s c p 标记、流量测量等功能，部分实 浙江工商大学硕士学位论文 现了对于不同服务等级流的区分处理。 2 、在对顺序化线程编程模型深入分析的基础上，提出了一种在处理循环的 多个微引擎间以及单个微引擎内部通过信号传递实现线程间同步的方法。 3 、提出了在i x p 2 4 0 0 的快速通道和慢速通道之间共享内存的方式，实现对 l f b 的动态控制。通过对s r a m 控制模块的读写访问，可以动态地添加和删除一 个l f b 。 第四节本文的组织结构 全文共分为六章： 第一章为引言，介绍了课题的研究背景和现状，在此基础上，提出本文的研 究内容及主要贡献，最后是本文的内容安排。 第二章分析了i pq o s ，在分析集成服务模型及其存在的缺陷的基础上，提 出了区分服务模型，并着重分析了区分服务网络结构。 第三章提出了一种支持f o r c e s 的路由器模型。先是介绍了i x p 2 4 0 0 网络处 理器，接着给出了一种支持f o r c e s 的路由器的硬件模型和软件模型，最后分析 了i x p 2 4 0 0 一f e 快速通道的软件模型。 第四章是支持区分服务的l f b 的实现及关键技术研究。讨论区分服务的各类 l f b ( 如分类、流控、拥塞避免) 的实现，以及实现过程中碰到的一些关键技术 问题，包括处理循环的信号同步和l f b 动态性的实现。 第五章测试各个l f b 的功能，包括动态加载和删除模块，以及几个l f b 组成 的处理循环。在对不同情景测试结果分析的基础上，验证各个l f b 功能。 第六章总结全文的研究工作，并提出了将来的工作。 4 浙江工商大学硕上学位论文 第二章i p q o s 研究与分析 第一节下一代互联网的i pq o s 技术 一、i p q o s 产生的背景 互联网发展的速度和规模，远远出乎人们的意料之外。随着互联网的普及， 网络同人们的生活和工作已经密切相关。同时伴随互联网用户数膨胀所出现的问 题也越来越严重。除了我们众所周知的i p 地址匮乏外，另外一个严重问题就是 缺乏服务质量f 1 1 ( q u a l i t yo fs e r v i c eq o s ) 保障。 现有的互联网所提供的是“尽力而为”( b e s t e f f o r t ) 的服务，在这种服务模 型下，所有的业务流被“一视同仁”地公平竞争网络资源，路由器对所有的i p 包都采用先来先处理( f i r s tc o m ef i r s ts e r v i c ef c f s ) 的工作方式，它尽最大努 力将i p 包送达目的地。但对l p 包传递地可靠性、延迟等不能提供任何保证。这 很适合e m a i l 、f t p 、w w w 等业务。 但随着互联网的高速增长，i p 业务也得到了快速增长和多样化。特别是随 着多媒体业务的兴起，计算机已经不是单纯的处理数据的工具，而是越来越贴近 生活，计算机的交互越来越实时和生动，这对计算机互联网络也就相应地提出了 更高的要求。对那些有带宽、延迟、延迟抖动等特殊要求的应用来说，现有的“尽 力而为”的服务显然是不够的。 新业务的不断涌现对网络的服务能力提出了更高的要求。如电视会议、视频 点播需要高带宽、低时延和低时延抖动方面的q o s 。事务处理、t e l n e t 等等关键 任务虽然不一定要求高带宽，但非常注重低时延，在发生拥塞时要求优先获得处 理。也就是说，用户不再满足于简单地将分组送达目的地，还期望在时延、时延 抖动、丢包率等传输性能上获得一定的承诺和保障。因此，i p 网络的q o s 面临 着越来越严重的挑战。 5 浙江工商大学硕士学位论文 二、i pq o s 的定义及服务模型 ( 一) 、i po o s 的定义 1 pq o s 的研究目标是有效地为用户提供端到端的q o s 控制或保证。q o s 就 是网络单元( 例如，应用程序，主机或路由器) 能够在一定级别上确保它的业务 流和服务要求得到满足。q o s 并没有创造带宽1 1 6 1 ，只是根据应用程序的需求以 及网络状况来管理带宽。i pq o s 有一套性能参数【”】，主要包括： 1 、业务可用性：用户到i n t e m e t 业务之间连接的可靠性。 2 、传输延迟：指两个参照点之间发送和接收数据包的时间间隔。 3 、可变延迟：也称为延迟抖动( j i t t e r ) ，指在同一条路由上发送的一组数据 流中数据包之间的时间差异。 4 、吞吐量：网络中发送数据包的速率，可用平均速率或峰值速率表示。 5 、丢包率：在网络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率。数据包丢失一 般是由网络拥塞引起的。 ( 二) 、i po o s 的服务模型 实现q o s 的一种方法是按照服务水平的要求分配资源给每一个数据流。这 种采用”资源预留”进行带宽分配的方法并不适合“尽力而为”型应用。由于带宽 资源是有限的，q o s 的设计者引入了优先级概念，使得在资源预留后”尽力而为” 服务的数据流的传输也能得到一定的保障。因此，i pq o s 可以分为两种基本类 型： 1 、基于资源预留：网络资源按照某个业务的q o s 要求进行分配，制定资源 管理策略。互联网工程任务组r r 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 ) 提出的集 成服务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s i 9 1 ， i n t s e r v ) 体系结构便是基于这种策略，资源预留 协议( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l l l 8 1 ，r s v p ) 是其核心部分。 2 、基于优先级：网络边界节点对业务流进行分类、整形、标记。核心节点 按照资源管理策略分配资源，对q o s 要求高的业务给以优先处理。i e t f 提出的 区分服务( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s 1 0 】，d i f f s e r v ) 便是基于这种策略。 这些q o s 方法可以被用于单个数据流或聚集的数据流( a g g r e g a t ef l o w ) 。 根据应用的数据流的不同，i p q o s 可以分类为： 用于单数据流：单个数据流为在两个应用( 发送者和接受者) 之间的单个的、 浙江工商大学顾+ 学位论文 单向的数据流。可以用传输协议、源地址、源端口号码、目的地址和目的端口号 码这五种参数来分类。用于聚集流：综合流由两个或更多个单个数据流组成。这 些流在一个或多个参数、标记或优先数以及一些认证信息方面有一些共同点。 为了解决i pq o s 问题，i e t f 已经提出了几种服务模型和机制，主要有： 1 、集成服务【9 1 和资源预留协议【1 8 i i n t s e r v r s v p ：以r s v p 信令向网络提出 业务流传输规格( f l o w s p e c ) ，并建立和拆除传输路径上的业务流状态。主机和 路由器节点建立和保持业务流状态信息。尽管r s v p 经常用于单个流，但也用于 聚流的资源预留。 2 、区分服务【1 0 】：在区分服务网络中，边界路由器根据用户的流规格( s t r e a m p r o f i l e ) 将用户流划分为不同的级别，再聚合成流聚集，聚集信息存放在i p 包头 的d s 标记域【1 9 j ，称为d s 标记( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sc o d ep o i n t ，d s c p ) 。内 部节点则根据d s c p 提供不同质量的调度转发服务。 第二节集成服务模型和资源预留协议 一、i n t s e r v r s v p 服务模型 在i e t fr f c l 6 3 3 中进行了定义。r f c l 6 3 3 1 9 l 将资源预留协议r s v p 作为 i n t s e r v 结构中的主要信令协议。其基本思想就在于以资源预留的方式来实现q o s 保障，r s v p 是其核心部分。r s v p 是主机用来从应用程序获得特定的q o s 的一 种控制协议，完成集成服务需要定义的呼叫接纳控制功能和资源预留功能。端点 应用程序利用r s v p 消息向网络提出完成数据传送必须保留的网络资源( 如带宽 及缓冲区大小等) ，同时也确定沿传送路径的各个节点传输处理策略，从而对每 个业务流实现逐个控制。 在服务层次上，i n t s e 瓜s v p 提供了3 种级别的业务： 端到端的质量保证型服务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) ：保证带宽、限制延迟、无 丢包。 可控负载型服务( c o n t r o l l e d - - l o a ds e r v i c e ) ：类似于在当前的一个负载较轻 网络中实现的尽力而为业务的服务质量。 尽力而为的服务( b e s te f f o r ts e r v i c e ) ：类似当前i n t e r n e t 在提供的尽力而为 浙江工商大学硕士学位论文 的服务。 在结构层次上，i n t s e r v r s v p 服务模型主要由四个部分构成：信令协议 r s v p ，接入控制器( a d m i s s i o nc o n t r o lr o u t i n e s ) ，分类器( c l a s s i f i e r ) 以及包调 度器( p a c k e ts c h e d u l e r ) 。 在实现层次上，集成服务需要所有路由器在控制路径上处理每个流的信令消 息并维护每个流的路径状态和资源预留状态，在数据路径上执行流的分类、调度 和缓冲区管理。具体而言，资源预留协议r s v p 负责逐点( h o p b y h o p ) 地建立 或者拆除每个流的资源预留软状态( s o f ts t a t e ) ，也即建立或拆除数据传输路径； 接入控制器将决定是否接受一个资源预留请求，其根据是链路和网络节点的资源 使用情况以及q o s 请求的具体要求；分类器则对传输的数据包进行分类成传输 流，i n t s e r v 常用的分类器是多域( m u l t i f i e l d ，m f ) 分类器，当路由器接收到 数据包时，它根据数据包头部的多个域( 如5 元组：源i p 地址，目的i p 地址， 源端口号，目的端口号，传输协议) ，将数据包放入相应的队列中；调度器则根 据不同的策略对各个队列中的数据包进行调度转发。 图2 - ir s v p 的应用环境 r s v p 是一个网络控制协议，它使来自i n t e r n e t 所承载的各类应用的数据流 获得不同的q o s 。不同的应用具有不同的网络性能需求，而r s v p 的目的就是为 了给i p 网络承载的不同类型的应用提供不同的服务。图2 1 示意了r s v p 的应 用环境。 浙江工商大学硕士学位论文 a b c d i p 网络中i p 包从a 到c 的路由路径 r s v p 所要求的路径 图2 - 2r s v p 和路由之问的矛盾 因此，要实现i n t s e r v 的q o s 保证是很困难的，它需要基于流的、复杂的资 源预留、接纳控制、q o s 路由和调度机制。在诸如互联网这种复杂的、大规模的 网络中，链路状态是不确定的，有效地预留带宽资源非常困难。而且资源预留本 身就与i p 网络的最大特点”无连接”相冲突。更重要地问题就是i n t s e r v 面临地可 扩展性( s c a l a b i l i t y ) 问题和健壮性( r u b u s t n e s s ) 问题，这主要是因为在分布式 网络环境中，很难维持动态的、可复制的传输流状态一致性。 早期的i n t s e r v 是面向单流的，在路由器配置和使用多域分类准则，这给路 由器尤其是主干网络核心路由器带来了巨大负荷。为了增加i m s e r v 的扩展性， 近期r s v p 已经开始支持流聚集，即将沿相同业务流传输路径流聚合成宏流 ( i t l a c r o f l o w ) ，按宏流来预留资源。这虽然减轻了核心路由器的一些负担，但 i n t s e r v 本身的体系结构已经决定了其高复杂性，而且由于路径数是边界节点数 的平方，宏流数仍然很庞大。 由于i n t s e 瓜s v p 体系存在着诸多问题，一种新的体系结构便应运而生， 这就是区分服务体系结构( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ，d i f f s e r v ) 。 一、背景介绍 第三节区分服务模型分析 区分服务模型是一种适用于骨干网络，可满足多种业务服务需求的i p q o s 模型。该模型定义了加速转发【2 0 】( e x p e d i t e df o r w a r d i n g ，e f ) 、确保转发【2 1 j 浙江上商大学硕士学位论文 ( a s s u r e df o r w a r d i n g ，a f ) 等多种标准的转发服务。 在d i f f s e r v 模型中，用户通过标记分组的d s 字段来申请不同等级的服务。 d s 字段的前六位称为区分服务码点，具有相同的d s c p 值的分组的集合称为行 为聚合( b a ，b e h a v i o u r a g g r e g a t e ) 。网络节点( 如路由器) 保留d s c p 到每跳转 发行为( p i - i b ，p e r - h o pb e h a v i o u r s ，满足某一特定类别流量的转发行为，如流量 管制、流量整形、队列管理等q o s 控制行为) 的映射。当分组进入某一路由器 时，路由器根据分组携带的d s c p 标记将其划归某一b a ，并选取与之对应的特 定的p h b 来转发该分组。 在提供q o s 保证服务的过程中，网络边界路由器和内部路由器的功能各有 侧重，各自完成不同的功能并作为一个整体协同工作。d i t i s e r v 将复杂的流分类 和流控制交由边界路由器来完成。边界路由器主要负责完成复杂的流分类、为分 组打d s c p 标记、流量的接入速率管制和访问控制等动作。区域内部的路由器只 负责简单的流分类，对b a 实施流量控制。采用这样的分工可以避免要求d i f t s e r v 模型的核心节点支持基于单个流( p e r - f l o w ) 的复杂的流分类及流量控制，从而 使d s 网络内部的转发操作可以更高效地实现。 i e t fr f c 2 4 7 4 和r f c 2 4 7 5 分别定义了d s 域1 9 1 和d i f f s e r v 模型的体系结 构，r f c 2 5 9 7 定义了a fp h b t 2 “，r f c 2 5 9 8 定义了e fp h b 2 们。 二、d ；f f s e r v 网络结构 图2 - 3 示意了d i t t s e r v 的网络结构。 图2 - 3d i f l s e r v 网络结构示意图 实现d i f f s e r v 的网络节点称为d s 节点( 区分服务节点) ，d s 域由一组采用 浙江 _ 商大学硕上学位论文 二、i n t s e r v r s v p 的缺陷 从理论上讲i n t s e r v r s v p 模型完全可以保证为口网络提供o o s 保障。但随 后在一些网上的实验表明这种服务模型有很明显的局限性，这些问题主要表现 在：这不仅表现在扩展性差上，更大的问题是它要求核心路由器必须保持经过它 的每一个单个数据流的状态，而核心路由器是不能这么做的。因此，尽管主要的 路由器生产商和主机都支持r s v p ，它也被广泛接受，但是它始终没有成为主流， 原因是i s p 们不愿意采用它，很少有大型网络采用它。近来，人们认识到r s v p 的出路在于与区分服务配合工作，相辅相成。 可扩展性是i n t s e r v r s v p 模型最致命的一个问题，其基于流的资源预留、 调度处理以及缓冲区管理，有利于提供q o s 保证，但状态信息随业务流数量的 增长而增长，沿途的路由器要为每个数据流都维持一个“软状态”，而路由器的 存储器容量有限，可以保存的软状态信息都是有限的，在一个运营商规模的网络 中几乎不可能实现这一要求。 对路由器的要求过高，网络中所有的路由器都必须支持r s v p 信令协议，接 入控制程序，分类器以及调度器。 r s v p 中引入每流状态( p e r - f l o ws t a t e ) 的概念，对于数据通信和实时应用 通信而言，i p 网络同时扮演了面向无连接和面向连接网络的两个不同角色，提 供两种功能，这与其简化设计原则相抵触。 资源预留不适用于短时流，比如w e b 流等，而在因特网中w e b 流量超过了 5 0 。 i n t s e r v r s v p 还存在着资源预留和路由协议之间的矛盾。如图2 2 所示，从 路由角度来看它是一条好的路径，但从资源预留来看，由于没有足够的资源可以 预留，不能为数据流建立起一条路径，因此这一进程只能停留在这里，等待上层 超时拆除这个应用进程，再重新建立路径。 浙江丁商大学硕七学位论文 相同服务提供策略和实现相同p h b ( 逐跳行为) 组集合的相连的d s 节点组成。 d s 区( d sr e g i o n ) 则由一组相互连接的d s 域组成。d s 节点可分为d s 边界节点和d s 内部节点。前者将d s 域和其它d s 域或非d s 域连接在一起， 后者仅负责在同一个d s 域内连接d s 边界节点和其它d s 内部节点。两种d s 节点都可以根据分组的区分服务码点选择相应的p h b ( 逐跳行为) 进行转发操 作。 d s 边界节点需根据域间制定的流量调节协议( t c a ，t r a f f i cc o n d i t i o n i n g a g r e e m e n t ) 进行流量控制。d s 内部节点仅需基于d s c p 进行简单的流分类以 及对b a 实行流控。d s 边界节点同时作为d s 域的输入( i n g r e s s ) 和输出( e g r e s s ) 节点，分组从输入节点进入d s 域，从输出节点流出d s 域。 三、d i f f s e r v 服务类型定义 ( 一) 、d s 字段和d s 码点( c o d e p o i n t ) 1 9 1 可以使用i p v 4 的t o s 字段和i p v 6 的流量类型( r a f f l ec l a s s ) 字段作为d s 字段( d s f i e l d ) 。如图2 _ 4 和图2 5 所示，d s 字段的低6 位( 0 5 位) 用于编码 点，高2 位( 6 、7 位) 保留。 图2 4 用于d s c p 的八位位组服务类型 图2 5 用于口优先级的八位位组服务类型 其中，d s c p 用于网络内各节点选择相应的p h b ( 逐跳行为，p e r - h o p b e h a v i o u r ) 。p h b 是d s 内部节点作用于数据流聚合的外部可见行为的描述。 d s c p 到p h b 的映射关系可由网络管理员配置，也可以在需要的时候由网络根 据特定的规则动态调整。如果接收到无法识别的d s c p 标记( 未定义到p h b 的 映射) 的分组，节点将选择缺省的p h b ( 即b e s t e f f o r t ，d s c p = 0 0 0 0 0 0 ) 进行转 发处理。每个d s 节点必须支持缺省p h b 。 d s c p 的6 4 个编码点空间( 字段长6 位，2 6 = 6 4 ) 被划分为3 个编码池，如 表2 1 所示。 浙江工商大学硕+ 学位论文 表2 - 1d s c p 的编码 编码池编码空间用途 1x x x x x 0 标准操作 2x x x x l l 实验局部使用 3x x x x 0 1 也可用于以后标准操作的扩展空间 ( 二) 、标准的p h b 目前，i e t f 定义了三种标准的p h b ：加速转发( e f ，e x p e d i t e df o r w a r d i n g ) 、 确保转发( a f ，a s s u r e df o r w a r d i n g ) 和尽力而为( b e ，b e s t e f f o a ，缺省p h b ) 。 1 、e f p h b l2 0 】( 加速转发p h b ) 加速转发所定义的转发是这样定义的：在任何情况下，从任何d i f f s e r v 节点 发出的业务流的速率必须等于或大于限定的速率。e fp h b 在d s 区域内不能被 重新标记。重新标记仅允许在边界节点进行，并且要求新的d s c p 必须满足e f p h b 的特性。当采用“隧道”技术时，外部分组也需标记为e f 。 制定e fp h b 的目的是在d s 区域内模拟一种类似于虚拟租用线( v u 。， n u a ll e a s e dl i n e ) 服务的转发效果，提供一种低丢包率、低延时、高带宽的转 发服务。 2 、a fp i - i b l 2 1 l ( 确保转发p h b ) 确保转发服务能够满足以下服务需求：用户在向i n t e r n e t 服务运营商( i s p ) 定购带宽服务时，允许业务量超出所定购的流量规格。对于没有超出规格的流量， 网络应能够提供确保转发的o o s ，对于超出流量规格的部分，则希望在降低流量 规格的情况下继续转发，而不是简单的丢弃。 当前定义了4 类a f ( 确保转发) ，分别是a f l 、a f 2 、a f 3 、a f 4 。每一类 a f 业务的分组又可以细分为3 种不同的丢弃优先级。a f 编码点a f i ，表示a f 类为i ( 1 i 4 ) ，丢弃优先级为j ( 1 j 4 ) 。运营商在提供a f 服务时，为每 类a f 分配不同的网络资源。 对a fp h b 的一个特别的要求是：流量控制不能改变同一分组流的顺序。举 例来说，某业务流中的不同分组归属于同一a f 级别，但在流量管制时，这些 分组被标记了不同的丢弃优先级，此时虽然不同分组的丢弃概率不同，但它们之 间的相互顺序不能改变。这种机制特别适合于多媒体业务的传送。 3 、b e p h b ( 尽力而为p h b ) b ep h b 就是传统的i p 分组传送，该服务只关注流量的可达性，对其它方 浙江工商大学硕上学位论文 面不做任何要求。任何路由器都必须支持b ep h b 。 ( 三) 、推荐的d s c p 不同的d s 区域可以有各自定义的d s c p 到p h b 的映射。i e t f 的有关r f c 为b e 、e f 、a f i ，以及类选择编码点( c l a s ss e l e c t o rc o d e p o i n t ，为兼容i p v 4 的 优先级模型而设置) 推荐了规范的编码点取值。 尽力而为p h b ( b e s t - e f f o r t ) ：d s c p = 0 0 0 0 0 0 加速转发p h b ：d s c p = 1 0 1 1 1 0 a f i ，编码点：编码点的定义和取值如表2 2 所示。 表2 - 2d s c p 各编码点的定义 低丢弃优先级，j = 1中丢弃优先级，j = 2高丢弃优先级，j = 3 a f ( i = 4 )1 0 0 1 01 0 0 1 0 01 0 0 1 1 0 a f ( i - 3 )1 i i 01 1 1 0 01 1 1 1 0 a f ( i - 2 )1 0 1 01 0 1 0 01 0 1 1 0 a f ( i - 1 )1 0 1 0i i 0 01 1 1 0 属于同一类a f 的分组前3 位相同，a f i = 0 0 1 ，a f 2 = 0 1 0 ，a f 3 = 0 1 1 ，a f 4 = 1 0 0 。 第3 、4 位用来表示丢弃优先级，分别为0 1 、1 0 、1 1 ，数值越大，丢弃优先级越 高。类选择编码点：在制定d i f f s e r v 标准时，考虑与i p v 4 优先级字段的向后兼 容性。d s c p = x x x 0 0 0 被保留为类选择编码点，其编码原则是c o d e f o i n t 值越高， p h b 转发时延越小。 ( 四) 、d i f f s e r v 的关键技术 1 、流分类 d i f f s e r v 以b a ( b e h a v i o u ra g g r e g a t i o n ，即d s c p 相同的行为集合) 为对象 提供有带宽保证的服务。因此，在d i f f s e r v 模型中对b a 的流分类操作是必不可 少的。区分服务编码点可以由用户标记，也可由d i