（通信与信息系统专业论文）基于多路路由机制的diffservmpls服务质量研究.pdf

中文摘要 互联网的商业应用，使其面临的传输业务有了空前的丰富和发展，也对其提 出了新的挑战。随着高速网络交换技术和w d m 高容量带宽技术的发展，对多媒体 信息传输的支持成为互联网发展研究的重要方向之一。多媒体信息不仅需要互连 方面的要求，而且对网络带宽、延迟、延迟抖动等性能也有明确严格的考虑。如 何在原先仪仅面向数据传输的互联网，实现经济有效的服务质量( s ) 保证， 成为业界研究的重要课题之一。 d i f f s e r v 模型中提出的o o s 保证模型，有望在互联网路中经济有效地实现 q c s 服务。它简便的实现形式和方便的可扩展性为其在网络中的应用提供了广阔 的前景。但是。由于其对传输业务流不提倡在网络节点和链路上进行资源预留， 而数据包的传输按照优先级的不同占用资源，因此对网络拥塞特别敏感，在高载 荷链路和节点，可能引起低优先级业务流传输性能的恶化，造成所谓的类伺效应。 最近几年的研究表明，要完全实现d if f s e r v 模型的q o s 模型，流量工程技术是 其重要的研究领域之一。b i p l s 技术是9 0 年代末崩发展起来的高速嗍络交换技术， 实现路由和转发逻辑上的分离。利用标记进行转发有助于在网络中方便高效地实 现流量工程。本文从多路路由的角度研究了在b i p l s 网络实现流量工程，减少高 优先级业务流对低优先级业务流传输绩效的影响，实现d i f f s e r v 模型的q o s 保 证。 本文首先对o o s 路由传输研究的现状作了简单的介绍，阐述了d i f f s e r v 模 型实现q o s 的关键技术、m p l s 技术的实现及其列流量工程技术的支持和l j p l s 网 络向光网络发展中出现的新技术g i “p l s 。在对目前的q o s 路由技术的深入研究部 分，分析了单路路由和多路路由对q o s 保证的实现，详细地研究和分析了利用多 类多路路由技术在消除d i f f s e r v 模型中类间效应的性能，并提出了一种优化的 多类多路路由算法，利用仿真试验验证了其在消除d j f f s e r v 模型中高载荷链路 上的类间效应的有效性。在文章的结束，对多路路由机制的发展及其对q o s 保证 的未来作了展望。 关键词：服务质量，d j _ f f s e r v ，类间效应，m p l s ，多类多路路由 a b s t r a c t t h ec o m m e r c i a la p p l i c a t i o n so fi n t e m e tm a k et r a n s m i tb u s i n e s sw h i c hi t s e l f c o n f r o n t su n p r e c e d e n t e da b u n d a n c ea n dd e v e l o p i n g , w h i c hp r e s e n tan e wc h a l l e n g e f o ri n t e r n e t w i t ht h ed e v e l o p i n go ft h eh i g hs p e e dn e t w o r ks w i t c ht e c h n o l o g ya n d w d mh i g h c a p a c i t y b a n d w i d t ht e c h n o l o g y , t h er e s e a r c ho fs u p p o r t i n gt h e m u l t i m e d i ai n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nb e c o m eo n eo ft h ei m p o r t a n tr e s e a r c hi n i n t e m e td e v e l o p m e n t t h em u l t i m e d i an o to n l yd e m a n dt h ei n t e r c o n n e c t i v i t yb u ta l s o h a v es t r i c tc o n s i d e r a t i o no fb a n d w i d t h ，d e l a ya n dj i t t e r h o wt or e a l i z ee c o n o m i c a l a n de f f i c i e n tq o sg u a r a n t e e ，w h i c hb a s e do ni n t e r a c to n l yf o rd a t at r a n s m i s s i o n ， b e c o m eo n eo ft h ei m p o r t a n ts u b j e c ti n v e s t i g a t e db yt h es e r v i c ep r o v i d e r 1 1 1 eq o sm o d u l ep r e s e n t e di nt h ed i t t s e r vh o p e f u l l yr e a l i z et h eq o ss e r v i c e e c o n o m i c a l l yi ni n t e r a c t t h es i m p l er e a l i z a t i o na n dc o n v e n i e n te x p a n s i b i l i t yo ft h e q o sm o d u l ep r o v i d ei t s e l fw i d ep e r s p e c t i v ei nt h ei n t e r a c ta p p l i c a t i o n h o w e v e r , s i n c et h eq o sm o d u l ed on o ta d v o c a t et h er e s o u r c er e s e r v a t i o no nl i n ka n dn o di n n e t w o r k sa n dt h ed a t at r a n s m i s s i o no c c u p yr e s o u r c ea c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tp r i o r i t y , t h ed a t at r a n s m i s s i o nh a v eas p e c i a ls e n s i t i v i t yf o rt h en e t w o r kc o n g e s t i o na n dt h e l i n ka n dn o d eo f t h eh i g hl o a dm a ya g g r a v a t et h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo ft h el o w p r i o r i t yd a t a ，w h i c hr e s u l ti nt h ei n t e r - c l a s se f f e c t t h er e c e n tr e s e a r c hi n d i c a t et h a tt o c o m p l e t e l yr e a l i z et h eq o s m o d u l eo fd i f f s e r v , t r a f f i ce n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yi so n e o ft h ei m p o r t a n lr e s e a r c hf i e l d m p l si st h eh i g hs p e e ds w i t c ht e c h n o l o g yw h i c h d e v e l o p e d i nt h e9 0 s m p l sr e a l i z et h es e p a r a t i o no f r o u t i n ga n df o r w a r d i n gl o g i c a l l y t h er i s eo fl a b e lf o r w a r d i n gi s h e l p f u lt or e a l i z et h et r a f f i ce n g i n e e r i n gr f l o r e e f f i c i e n t l yi nt h en e t w o r k t h i sp a p e rs t u d i e st h er e a l i z a t i o no f t h et r a f f i ce n g i n e e r i n g i nm p l sn e t w o r kf r o mm u l t i p a t hr o u t e a n dr e d u c et h ea f f e c t i o nw h i c h 也eh i g h p f i o f i t ) rd a t am a k et ot h el o wp r i o r i t yd a t ao ni t sp e r f o r m a n c e ，w h i c hr e a l i z et h eq o s g u a r a n t yi nd i f f s e r v f i r s t l yt h er e s e a r c hr e a l i t yo fq o sr o u t ei sp r e s e n t e d ，w h i c hi n c l u d et h ek e y t e c h n o l o g yo fd i f f s e r vm o d e lt or e a l i z eq o s ，t h er e a l i z a t i o no fm p l sa n dt e a n d g m p l su s e di no p t i c a ln e t w o r k o nt h eb a s eo fd e e pr e s e a r c ho fq o sr o u t i n g t e c h n o l o g ya tp r e s e n t ，t h i sp a p e ra n a l y z et h er e a l i t yo ft h eq o sg a u r a n t e db yt h e m u l t i - p a t hr o u t i n ga n ds i g l e p a t hr o u t i n g a n db r i e f l ys t u d yt h ep e r f o r m a n c ei n e l i m i n a t i n gt h ei n t e r - c l a s se f f e c tu s i n go fm u l t i c l a s s - m u l t i - p a t hr o u t l n g ( m c m p r ) a n dp r e s e n tam c m p r a l g o r i t h m t h ep a p e ru s es i m u l a t i n ga n dt e s t i n gt ov a l i d a t et h e e f f i c i e n c yo fe l i m i n a t i n gt h ei n t e r - c l a s se f f e c to ft h eh i 吐l o a dl i n ki nd i f f s e r v i nt h e e n do f t h i sa r t i c l e ，t h ed e v e l o p m e n to f t h i sa l g o r i t h mi sp r o s p e c t e d k e y w o r d s ：q o s ，d i f f s e r v , i n t e r - c l a s se f f e c t ，m p l s ，m c m p r i i 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，也不包含为获得苤生太鲎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。 学位论文作者签笔窆弘貉签字嘿沙竹月节日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基生盘翌有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤叠盘茎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) 学位论文作者签名：芝掰 签字日期：沙厂年月z 7 日 导师签名： 签字日期：肛厂年月工7 日 f 天津大学硕士学位论文第一章网络o o $ 概述 第一章网络q o s 概述 1 1 多媒体通信对互联网q o s 的需求 互联网络起源于美国军方的a r p a n e t ，当时所面向的传输业务基本上是文本 等数据文件，主要强调的是通信双方的互连性和吞吐量。随着a r p a n e t 与美国 国家科学基金会s t ) 建成的n s f n e t 的互联，并开始与加拿大、欧洲和太平洋 地区的网络连接，互联网上的用户成指数增长，互联网越来越深入地影响到人们 的工作、学习和生活的方方面面。互联网从军事应用发展进入商业应用，它所承 载的传输业务也从单纯的文本等数据发展到了诸如语音、图像、图形、视频和动 画等各种各样丰富的多媒体信息，网络传输强调的性能也从单纯的互连性和吞吐 量发展到包括传输延迟、抖动等涵盖于服务质量各方面的内容。 a r p a n e t 为了实现异种网之间的互联与互通，推出的t c p i p 体系结构和协 议规范已经成为最流行的事实上的网际互联标准，并由单纯的t c p i p 协议发展 成为一系列以i p 为基础的t c p i p 协议簇。t c p i p 协议簇为互联网提供了基本 的通信机制。随着路由技术和通信链路的发展，基于t c p i p 技术的互联网络已 经成为全球范围内最大的通信介质。其丰富的资源和广泛的互连性也将使更多的 用户受益。计算机终端对包的有效处理能力和网络传输中包交换的高复用性，使 基于t c p ，i p 的计算机网络通信的发展在未来有取代其他网络，诸如广播电视网、 公共电话网等的趋势。随着高速网络技术和多媒体技术的飞速发展，人们对多媒 体网络通信需求不断提出更高的要求。而传统的基于分组交换的互联网络，是面 向非实时性的数据通信而设计的，采用t c p i p 协议主要是为了优化整个网络数 据吞吐量并保证数据通信的可靠性。这种单纯以可靠性和吞吐量优化为基础的传 统t c p i p 网络不能有效地满足多媒体通信的需要。多媒体信息不仅包括文本数 据，而且还包括语音、图像、图形、视频和动画等其他类型的信息。它们不仅对 带宽提出了要求，而且对时延和抖动都提出了不同的要求。而在保证时延和带宽 方面，正是传统网络的弱项，这就要求网络作必要的技术上的改进和优化，以满 足多媒体通信的需求。因而就涉及到了网络q o s 保证方面的问题。 不同的多媒体业务是需要不同q o s 保证的。表1 1 是一些典型应用的q o s 一# o 天津大学硕士学位论文第一章网络q o s 概述 表1 1 一些应用的q o s 需求 应用类型q o s 要求参数 范围 f t p带宽 0 2 1 0 m b p s t e l n e t相应延迟s 8 0 0 m s 带宽 1 6 k b p s 端到端延迟0 1 5 0 m s 电话 端到端抖动1 m s 分组丢失率1 0 2 带宽 1 8 6 m b p s 端到端延迟2 5 0 m s 【p e g 1端到端抖动l m s 1 0 。( 未压缩的视频) 分组丢失率 1 0 1 1 ( 压缩视频) 带宽 g b p s ( 未压缩) 5 0 0 m b p s ( 无损压缩) 带宽 2 0 m b p s ( 有损压缩) h d t v 端到端延迟 2 5 0 m s 端到端抖动i i t i s s 1 0 - 2 ( 未压缩的视频) 分组丢失率 1 0 。1 ( 压缩视频) 从上表可以看出，不同的应用要求的带宽、延迟、抖动及分组丢失率等参数 有明显的差异。在提供单一尽力而为( b e s te f f o r t ) 服务的传统网络中，对q o s 参数有多样性要求的不同业务而言，或是不能保障相应的服务质量，或是为了保 证相应的服务不得不对网络资源造成大量的浪费。因此，能提供多样性服务的 q o s 网络的实现己成为当务之急。 近年来，对计算机网络服务质量的研究越来越引起广泛关注，并取得了一定 天津大学硕士学位论文第一章网络q o s 概述 的成果。 1 2 计算机网络通信服务质量的相关研究 在通信网络中首先提供服务质量保证的是电信领域。在早期电话业务中，服 务商为每个用户提供专用的物理线路。这种专线方式能够提供足够的服务质量， 但是成本较高，每增加一个用户就需要增加一条物理线路，并采用人工交换的方 式，接通时间长，通信成本高，因此只能服务于少量用户。交换技术和链路复用 技术的发展所采用的t d m 方式在复用的基础上，降低了成本增加了用户。这种 提供q o s 保证的方式是面向连接的方式，即在双方通信之前先建立专用的通信 链路，在通信过程中维持链路的连通性，并在通信结束时拆除该链路，释放所占 用的资源。而在通信过程中，无论是否有信息传输，它都要占用相应的资源，这 无论是对用户还是对服务提供商来讲都是浪费。 基于i p 的t c p i p 协议从发展之初起就是无连接的，它采用存储转发的工作 方式，在链路忙时先将数据存储在节点的缓存中，当链路完成前面分组的转发， 空闲时才转发缓存中的数据。通信方只在发送消息时占用链路，在没有通信时不 占用链路资源，因此没有上述的对链路资源的浪费，通信的成本更低。它提供给 网络业务流的服务是尽力而为( b e s te f f o r t ) 的服务，但是由于它的通信方式是 无连接的，相同链路上的数据通信采用竞争方式，当节点中待转发的数据较多时， 缓存中数据等待的时间就要长，相应的延迟就长，当链路发生拥塞时还将引起丢 包、重传等，进而导致更长的延迟。因此不能保证固定带宽、延迟、抖动等方面 的q o s 。如何利用无连接的计算机网络低成本地传输有严格q o s 需求的多媒体 业务，成为计算机网络和电信领域共同关注的问题。 对计算机弼络q o s 的研究可以追溯到2 0 世纪8 0 年代初期。那时，尽管网 络的性能还比较低，提供的服务种类也比较少，但一些有远见的研究者已经认识 到服务质量的重要性。s e i t z 和w o r t e n d y k e 等人在研究a p a r n e t 中的x 2 5 通信 时已提出基于用户的性能评价问题，这是关于计算机网络q o s 研究的最早文献。 在早期的o s i 协议制定中，也为服务质量的一些参数留有相应的表示手段，但一 致空缺未用。很长的一段时间内，由于计算机网络的性能限制，人们对q o s 的 关注只停留在数据流传输中的正确率、吞吐量和延迟等单一服务质量的评价与控 制上。直到2 0 世纪8 0 年代末期，随着b i s d n 技术以及a t m 交换网的出现和 分布式多媒体应用的急剧增加，人们才开始系统地对q o s 管理和控制进行较为 深入的研究。 在对计算机网络通信提供q o s 保证的讨论中存在两种观点：( 1 ) 高速率的 天津大学硕士学位论文第一章网络q o s 概述 交换技术和w d m 技术的发展能够为q o s 给予足够的保证；( 2 ) 为了提供q o s 保证必须要有完善的机制来完成这项复杂的工程。诚然，高速交换技术和大带宽 可以保证适量的多媒体业务通信得到相应的带宽、延迟、抖动等q o s 的保证， 但是，根据互联网上各种业务量的增长速度很容易发现，带宽的增长不能满足成 指数级别增长的通信业务的需求。此外由于带宽资源的有限性和成本，为了保证 q o s ，必须在发展更快的交换技术和更大容量的传输技术的同时，提供完善有效 的q o s 机制。i e t f 于1 9 9 7 年9 月开始制定了有关的q o s 定义与服务的一系列 r f c 标准，典型的工作是提出了两种不同的i n t e m e tq o s 体系结构：综合服务 ( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ，i n t e r s e r v ) 和区分服务( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ，d i f f s e r v ) 。 在综合服务体系中，试图根据每个流的信息为其提供单独的资源来保证q o s 。由 于众多的流和相应的大量信息的存在，域内的每个节点都要交换、保存相应的信 息并支持相应的服务，在这种模型中存在可扩展性差、实现困难和成本高的问题。 在区分服务体系中，业务流在域边界路由器上进行分类并进行相应的标记，形成 聚集流，在域内各个节点仅需要根据标记进行相应的调度转发( p 毋) 。这种模 型实现起来简便，并且可扩展性强。但是，由于在区分服务体系中实施的是依据 统计特性的q o s 保证，要完全实现相应的q o s 还需要相应的策略来保证，例如 避免拥塞的机制、完善的调度机制和带宽管理机制等等。 m p l s 是使用标记进行转发的一种快速交换机制。数据包在通过m p l s 域时， 先由边界路由器插入相应的标记，而后根据标记进行相应的转发，在离开m p l s 域时，在相应的边界路由器上删除标记。由于可以利用标记实现区别于传统的最 短路径的选路方式，因此在流量工程领域有重要的应用，可以避免大量数据通过 相同的节点和链路，造成链路和节点的拥塞。利用m p l s 实现流量工程避免拥塞， 成为d i f t s e r v 实现q o s 的有利条件 m p l s 中标记的分发是基于路由信息库的，要建立适合的流量工程路径必须 依靠相应的路由机制。因此，能保证流量工程的路由机制研究成为实现q o s 的 重要基础。 1 3 传统路由机制在密集业务量时存在的问题 传统t c p i p 网络的路由机制建立在存储转发机制的基础上。数据包在通过 计算机网络节点时，根据分组包头的第三层i p 地址进行最长地址匹配，利用路 由协议建立起来的转发数据库查询相应的转发路径，从而转发到相应的端口，进 入下一条链路并到达下一个节点，并重新进行基于i p 地址的最长地址匹配。这 种周而复始的操作能保障数据包最终到达信宿节点。这是早期的路由机制，因为 天津大学硕士学位论文 第一章网络q o s 概述 每个分组在每个节点都要进行基于i p 地址的选路，对同一对源目的对之间的大 量分组的寻址，影响了数据包的传输速度，并占用了路由节点的大量资源，不利 于路由节点成本的降低，也影响到了可用带宽的进一步的提高。 m p l s 技术的出现使同一对源目的对之间的大量分组的寻址变得相对简单。 在一个m p l s 域中，数据包在进入边界节点后，被插入相应的标记，相同源目 的对的数据包被分配相同的标记，这些标记信息库是该m p l s 域根据i p 路由协 议所生成的路由信息库而建立的，并通过相应的协议标记分发协议l d p 给 相关的链路分配相应的标记。当一条标记交换链路l s p 建立后，相同源一目的对 的分组就可以依据标记在每个节点通过变更包头插入的标记来完成分组的转发 工作。包头的m p l s 标记在数据包离开m p l s 域时被边界节点删除，并进入下 一个域或端点。m p l s 技术对数据包的快速转发，使人们在q o s 的实施过程中， 更多的选择显式路由方式，以便将网络对高优先级数据包的转发延迟降到最低。 在广泛的q o s 路由研究文献中，普遍采用在同一源目的对之间选取一条路 径，并依靠在这条路径上对不同优先级分组的分类、q o s 标记、资源预留、调度 转发等来完成对数据包的q o s 转发。这就引起了在研究中发现的类间效应 ( i n t e r - c l a s se f f e c t ) 的出现。即，高优先级的数据流抢占低优先级数据流的资源， 并造成低优先级数据流的q o s 服务品质的下降，严重的还引起网络拥塞和大量 丢包，甚至整个网络的瘫痪。无论对保护低优先级业务流的服务品质，还是对整 个网络资源的安全而言，这都是一个必需解决的问题。除依据多类单路路由本身 的机制来解决外，还可以考虑另一种路由机制，这就是本文将讨论的多类多路路 由机制。 前文己提及，不同业务流对网络性能需求不同。对f t p 类业务流，强调的 是对带宽资源的需求；对语音来讲更多的是对延时的需求；对h d t v 类业务流， 不仅要强调带宽，还要考虑延时和抖动等性能。大多数研究所设计的q o s 路由 是在多个约束条件下的基于约束的路由，这里的约束条件更多的是跳数和带宽等 条件。而最终的相同源一目的对之间单条路径的选择是基于这些约束条件的综和， 可能产生对于对时延满足的要求的业务流，或许有带宽更能满足要求的链路空 闲；而对于带宽满足要求的业务流，或许有时延更能满足要求的链路空闲。而这 两种链路又往往不是同一条链路。选用多类多路路由机制就是为了在一个源目 的对之间，对不同优先级和q o s 性能要求的业务流选择更符合该业务流要求的 路径，从而避免在高优先级载荷较重的链路出现上述的类间效应，保证不同q o s 要求的业务流的传输。 天津大学硕士学位论文第一章网络q o s 概述 1 4 相关的工作 本文通过建立一个简单的模型来检验类间效应。为此，提供了一个与现行 网络中的传统单路路由机制不同的、简单而有效的多类多路路由机制。多类多路 路由包括套路由算法，每个算法能单独应用于不同的类。通过多类多路路由， 差别服务中的所有的类能最大限度的得到优化。在本义中，分析和显示了基于一 个简单模型的多类多路路由算法的有效性，并说明了单路路由的效率差的问题。 通过o p n e t 仿真实验发现，对b e 类使用b s p 算法，相比于多类多路路 由，b e 类的绩效能得到大幅度的提高。这个结果正好和预期是一样的，b e 类的 目标是最大限度的吞叶量。与假定相一致，e f 类的目标是最小的延迟，当对b e 和e f 分别使用b s p 和s p 算法后，其件能都得到了优化。 1 5 论文的结构 论文主要分为七部分，第一部分介绍课题的研究背景，分析传统单路路由 机制在实现流量工程保证服务质量方面的局限性，指出了流量工程研究在q o s 保证中的必要性，根据m p l s 的特点提出了在m p l s 中实现多类多路路由的方 法。第二部分对d i l t s e r v 模型实现q o s 服务进行了研究，介绍了d i f t ，g e r v 模型， 分析了d i f f s e r v 模型的实现方法和有关的技术难点，并对相关问题进j j 了探讨。 针对d i f f s e r v 模型中出现的类间效应，提出了依据流量工程技术来实现d i f l l s e r v 中的q o s 的保证。第三部分介绍了m p l s 和流量工程技术，分析了实现流量工 程的路由技术。第四部分研究了q o s 路由机制，分析了多类多路路由实现q o s 的模型。第五部分介绍了多类多路路由算法模型，并通过模型分析了多类多路路 由机制减少类问效应的效果。第六部分通过仿真的方法验证多类多路算法的有效 性，并作了相应的分析。最后部分给出了研究的结论：多类多路路由机制自效 的解决了d i f f s e r v 中的类间效应，降低了延迟：利用m p l s 和d i f t s e r v 相结合的 方式，提高了嘲络的q o s 服务绩效。并展望了未来网络的多类多路路由机制研 究发展的方向。 究发展的方向。 天津大学硕士学位论文第二章d i f f s e r v 模型q o s 研究 第二章d i f f s e r v 模型q o s 的研究 传统的计算机网络没有q o s 保证，所有的业务流在网络上都是采用先到先服 务的方式进行转发，单个业务流没有固定的带宽，因此在传输过程中与其他业务 流是竞争关系，可能引起带宽、延迟等的不稳定。随着多媒体业务流传输的需求， 需要网络能够提供相应的保证来实现多媒体业务流传输服务。大容量高带宽的传 输交换技术的出现为多媒体业务的传输提供了可能。通常在局域网中，由于业务 流不多，网络载荷不重，局域网内的多媒体通信能够得到某种程度的保证。但是， 计算机网络及应用的发展将导致更多的局域网间甚至全球范围内的多媒体通信。 繁多的业务种类和有限的网络带宽交换资源之间的矛盾，需要更有效的机制防止 各业务流间对资源占用的冲突，进而保证实现端到端的q o s 。 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： 基于资源预留：网络资源按照某个业务的q o s 要求进行分配并制定资源管理 策略。互联网工程任务组i e t f ( i n t e r a c te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 提出的综合服务 ( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ，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 ，r s v p ) 是其核心。 基于优先级：网络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 l _ f 提出的区分服务 ( d i f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ，d i t t s e r v ) 便是基于这种策略。 2 1 两种服务模型的简介 1 i n t e r s e r v 模型 i n t e r s e r v r s v p 服务模型定义于i e t fr f c l 6 3 3 。r f c l 6 3 3 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。其基本思想是以资源预留的方式来 实现q o s 保障，r s v p 是其核心。r s v p 是主机用来从网络获得特定的q o s 的一 种控制协议，完成综合服务需要定义呼叫接纳控制功能和资源预留功能。端点应 天津大学硕士学位论文第二章d i f f s e r v 模型q o s 研究 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 r v r s v p 提供了3 种级别的业务： ( 1 ) 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； ( 2 ) 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。 ( 3 ) 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 m e t 提供的尽 力而为的服务。 在结构层次上，i n t s e r v r s v p 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 t s c h e d u l e r ) 。 在实现层次上，综合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： 接入控制器决定是否接受资源预留请求，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。 要实现i n t s e r v 的q o s 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。更重要的是i m s e r v 面临的可扩展性( s c n a b i l i t y ) 问题和坚韧性( 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 面向单流，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造成了巨大负荷。为了增加i n t 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的流聚合成宏流 ( m 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 天津大学硕士学位论文第二章d i f f s e r v 模型q o s 研究 的平方，宏流数仍然很庞大。 由于i n t s e r v r 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 ) 。 2 d i f f s e r v 模型 差分服务模型的基本思想是在网络的入口处为分组标记一个码点，口v 4 中 对应包头的t o s ( t y p eo f s e r v i c e ) 域，而在i p v 6 中对应包头的t c ( t r a f f i cc l a s s ) 域。码点用于指示分组在网络转发途径的中间节点上应该被处理的方式。这样， 对每个分组进行的复杂处理被推到了网络边缘，核心网的主要任务只是根据分组 首部的码点对其采用相应的转发措施。在差分服务模型中由于不需要网络中间节 点管理每个正在工作的流状态，因此具有良好的可扩展性。 差分服务工作方式基于聚集流( a g g r e g a t ef l o w ) ，聚集流是两个或者更多的 数据流的集合，这些数据流有某些共性，如五元组参数中有一个或多个相同。在 d i f f s e r v 体系中定义了3 种服务质量，分别为尽力服务( b e ) 、奖赏服务( e f ) 和保证服务( a f ) ，其中奖赏服务是指将网络带宽中的一小部分带宽分配给奖赏 服务用户使用，主要用于实时服务；而保证服务是提供比尽力而为服务可能好的 服务质量，与“尽力而为”服务的区别在于，当网络拥塞时先丢弃“尽力而为” 分组。 图2 1区分服务体系结构的框架示意图 为了保证用户能从i s p 那里获得所需要的服务质量，用户必需和i s p 之间签 订服务等级协定( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ，s l a ) ，而i s p 之间也必须建立业务 流调节协定( t r a f f i cc o n d i t i o na g r e e m e n t ，t c a ) ，s l a 规范了i s p 对客户端网 络所支持的业务类别以及每种类别的业务流数量，t c a 则规范了i s p 之间的数 据流应该满足的一些约定。 天津大学硕士学位论文第二章d i f f s e r v 模型q o s 研究 当数据流进入d s 区域时，入口节点对其进行分类( c l a s s i f i e r ) 、调节 ( c o n d i t i o n ) ，保存流( 单流或聚集流) 的状态信息，根据事先和用户约定的流 规格对流进行计量( m e t e r i n g ) 、标记( m a r k i n g ) 、整) 嘭( s h a r p i n g ) 、丢弃( d r o p p i n g ) 等，以使输入流符合s l a ，同时在包头标记d s c p 值，并将其加入相应的行为 聚集( b e h a v i o ra g g r e g a t e ) 。出口节点也可能需要对输出流进行调节，以保证其 与下游d s 区域的t c a 相符。边界节点逻辑上分为两个模块，如下图所示： 萼彳息 i i i 【 母矍卜 图2 2d i f f s e r v 边界节点逻辑框图 d i f f s e r v 区( r e g i o n ) 由连续的d s 区域构成，一个d s 区内的d s 区域可以 支持不同的p h l 3 组，并且各自区域的d s c p 到p h b 的映射函数也可能不相同。 在不同的d s 区域之间，必需对s l a 和t c a 进行调节，以协调彼此之间的服务 语义。这样，通过在上游d s 区域和下游d s 区域之间建立s l a 或t c a ，区分 服务可以扩展到多个d s 区域。 区分服务结构具有如下特点： 边界路由器、内部路由器和主机之间分工明确。区分服务区分两种类型的路 由器：边界路由器和内部路由器。边界路由器保存s l a 的状态信息，分类、标 记数据包为不同的种类并根据s l a 监管流量使之符合服务标准。 在网络和主机之间有显式的合同。网络提供给主机的服务通过s l a 描述， 这是一个网络提供给主机的流量描述。只要网络不拥塞，一台主机的流量可以超 过s l a 所规定的标准。如果网络拥塞了，主机必须根据s l a 的描述降低发送速 率。 内部路由器提供一些不同类别的服务。在区分服务结构中，一旦数据包通过 边界路由器进入网络的核心部分，核心路由器以“聚集”对待它们。核心路由器通 过i p 包头中的t o s 字段( 内部包括d s c p ) 区分数据包的不同种类并分别提供不 同的服务。 在结构上，区分服务结合了“尽力服务”模型的统计复用和“集成服务”模型的 q o s 保证的特点。边界路由器保持每流状态，并且通过流量调节器监控和标记流 量。核心路由器仍是无状态的，所以是可扩展的机制。 天津大学硕士学位论文第二章d i f f s e r v 模型o o s 研究 改服务模型中，网络本身支持非常细粒度的q o s ，面区分服务仅在边界网络 支持这样的细粒度q o s ，并把它映射到一些类别的包。在网络内部，区分服务仅 仅对不同类别的数据包区别对待。这种机制简化了内部网络实现并使得该机制是 可扩展的。区分服务把可实现的服务同实际的实现机制分离。 对于流量说明，集成服务需要支持动态的q o s 请求并在发送之前建立资源 预留状态；而区分服务的s l a 是长期的并且是静态的。 3 r s v p 协议 r s v p 早在1 9 9 3 年就被提出，用于为i p 网提供q o s 服务。1 9 9 7 年初1 e t f 批准r s v p 成为r f c 文件，在i n t s e r v 工作组内进行标准制定工作。r s v p 是一 种提供预留设置和控制以实现综合服务的协议，是所有q o s 协议中最复杂的。 r s v p 资源预留请求包括流规格说明( t s p e c ) 、资源预留规格说明( r s p e c ) 和 过滤器规格说明( f i l t e rs p e c ) ，它们一起称为”流描述符”( f l o wd e s c r i p t o r ) 。 资源预留请求中的流规格说明通常包含服务类型和数字参数集合。预留说明和业 务流说明决定于综合服务模型并且对r s v p 透明。过滤器规格说明的格式依赖于 所使用的网络层协议，即口v 4 或i p v 6 。目前所用的r s v p 中定义的基本过滤器 规格说明格式具有严格的形式：发送端i p 地址和可选的t c p u d p 端口号。在服 务保证、资源分配的粒度和对保证q o s 应用及用户反馈的细节等方面r s v p 都 能提供最高级的q o s 。归纳起来，r s v p 有以下特点： ( 1 ) 每个路由器中的预留是”软”的，这意味着需要由接收者周期地更 新。 ( 2 )r s v p 不是传输协议而是网络( 控制) 协议，它不携带数据，但是和 t c p 或u d p 数据流并行工作。 ( 3 ) 应用要求a p i 决定流