（通信与信息系统专业论文）网络中服务质量（qos）的研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得电子 科技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做了明确的说明并表示谢 恧。 签名： 蚴 日期：p 1 年明钼 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规 定，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 论文被查阅和借阅。本人授权电子科技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，可以采取影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：( 燃导师签名：盔垒到 日期：t ) 2 年r 月馏日 i p 网络中的服务质量( q o s ) 研究 一一 摘要 本论文的研究工作源于某公司的a t m i p 交换机的研究项目，本课题是该 项目的q o s 部分。 随着网络和多媒体技术的不断发展，当前可以提供实时数据特别是多媒 体数据传输服务的分布式多媒体网络已经成为网络发展的一个重要方向。 为了实现这一目标，在现有的i n t e r n e t 中引入服务质量( q o s ) 就成为网络服务 中的一个重要课题。本文第一章描述了q o s 的定义，q o s 的基本结构以及 o p n n e t 网络仿真工具。第二章对i e t f 工作组提出的综合业务模型和区分业务 模型进行了分析和比较，得出了这两种模型的优缺点，并对o p n e t 网络仿真工具 进行了简单的介绍。第三章自主创新的提出一个新的模型综合业务+ 区 分业务模型，并对该模型的机制以及设计思路进行了详细论述，在第三章最后 对现行的r e d ，f r e d ，f q 和c s f q 拥塞管理机制进行了仿真研究。第四章对综 合业务+ 区分业务模型中的自适应机制进行了仿真研究。第五章对令牌桶和漏 桶这两种机制在综合业务+ 区分业务模型中的应用进行了仿真研究。第六章对 o o s 在a t m 网络和i p 网络中的统一以及一机多业务平台机制进行了研究。第 七章是对q o s 交换路由器的设备特性进行研究。第八章总结全文的研究工作。 关键词。 服务质量，综合业务模型，区分业务模型，综合业务+ 区分业务模型，o p n n e t ， ，v q o s 自适应机制，应用的弹性，令牌桶，漏桶，一机多业务平台 “j ，。 - 。 i p 网络中的服务质量( q o s ) 研究 一 a b s t r a c t t h er e s e a r c hw o r ki nm yt h e s i sc o m e sf r o mt h ep r o j e c t o fa t m i p s w i t c h t h er e s e a r c hw o r ki st h eo o sp a r to ft h ep r o j e c t w i t ht h ei m p r o v i n go fn e t w o r k sa n dt h ed e v e l o p p i n go fm u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n s n e t w o r k sh a v es e e n o n eo ft h e i rm a i ng o a l s d i s t r i b u t e d m u l t i m e d i an e t w o r k ，w h i c hc a nt r a n s f e rr e a l t i m ee s p e c i a l l y ，m u l t i m e d i a d a t a i na c h i e v i n gi t ，i n t r o d u c i n gq u a l i t yo fs e r v i c e ( o o s ) i n t oc u r r e n t i n t e r n e ta r c h i t e c t u r e h a sb e e na ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c i nt h i s t h e s i s 。w ei n t r o d u c et h et e c h n i q u e sa n dm e t h o d o l o g i e st h a t w eu s e dt o d e s i g na n di m p l e m e n ti n t e g r a t e ds e r v i c e s + d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sm o d a l b yu s i n go p n e t i nc h a p t e rl ，w ed e s c r i p t t h ed e f i n i t o na n dt h eb a s i c f r a m e w o r ko fo o s i nc h a p t e r2 ，w ea n a l y z e da n dc o m p a r e dt h ei n t e g r a t e d s e t 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 sw h i c hp r e s e n t e db yi e t fw o r k g r o u p a st h er e s u l t ，w eg e ta d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h e s et w om o d a l i nc h a p t e r3 w ei n n o v a t e dan e wm o d e l 一i n t e g r a t e ds e r v i c e s + d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sm o d a l w ed i s c u s s e dt h em e c h a n i s ma n dt h ew a yo f t h i n k i n go ft h i sm o d a l a tt h ee n do ft h i sc h a p t e r ，w es t u d i e dc u r r e n t c o n g e s t i o na l g o r i t h m ss u c ha sr e d ，f r e d ，f qa n dc s f qb yu s i n g s i m u l a t i o n ， i nc h a p t e r4 ，w es t u d i e dt h es e l f a d a p tm e c h a n i s mi m p l e m e n t e di nt h isn e w m o d a l i nc h a p t e r5 ，w eh a v ei m p l e m e n t e dt h et o k e nb u c k e ta n dl e a k yb u c k e t a l g o r i t h m s i nt h i sm o d o la n ds t u d i e dt h e i re f f e c t sb yu s i n go p n e t i n c h a p t e r6 ，w es t u d i e dt h e o n em a c h i n em u l t i s e r v i c ep l a t f o r mt e c h n o l o g y i n c h a p t e r7 ，w es u m m a r i z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fq o ss w i t c h i n gr o u t e r i n c h a p t e r8 w ed r a w nac o n c l u s i o no fa l 1t h er e s e a r c hw o r kw eh a dd o n ei n t h i st h e s i s k e y w o r d s q o s ，i n t s e r v , d i f f s e r v , i n t e g r a t e ds e r v i c e s + d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sm o d a l o p n e t ，q o ss e l f a d a p tm e c h a n i s m ，f l e x i b i t yo fa p p l i c a t i o n ，t o k e nb u c k e t 】e a k yb u c k e t ，o n em a c h i n em u l t i s e r v i c ep l a t f o r mt e c h n o l o g y 4 - i p 网络中的服务质量( q o s ) 研究 _ 一 缩略字表 a c e a d a p t i v ec o m m u n i c a t i o n e n v i r o n m e n t a fa s s u r e df o r w a r d i n g a f c a p p l i c a t i o nf o u n d a t i o nc l a s s e s a p i a p p l i c a t i o np r o g r a m i n t e r f a c e a f m a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e b bb a n d w i d t hb r o k e r b eb e s te f f o r t b g pb o r d e rg m e w a yp r o t o c 0 1 c a rc o m m i t t e da c c e s sr a t e c b q c l a s sb a s e d q u e u i n g c b rc o n s t r a i n tb a s e d r o u t i n g c o sc l a s so fs e r v i c e d h c p d y n a m i c h o s tc o n f i g u r a t i o np r o t o c o l d i f f s e l nd i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s d p s d y n a m i cp a c k e ts t a t e d p t d y n a m i cp a c k e tt r a n s p o r t d sd i f 传r e n t i a t e ds e r v i c e s d s c pd 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 w f q d i s t r i b u t e dw e i g h t e df a i rq u e u i n g e c r e g r e s sc o m m i t t e d r a t e e f e x p e d i t e df o r w a r d i n g e i g r pe n h a n c e di n t e r a c tg a t e w a y r o u t i n gp r o t o c o l f e c f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c ec l a s s f rf r a m er e l a y h t m l h y p e r t e x tm a r k u pl a n g u a g e i n t s e r v i n t e g r a t e ds e r v i c e s l d a p l i g h t w e i g h td i r e c t o r ya c c e s sp r o t o c o l l d pl a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c o l l s pl a b e ls w i t c h e dp a t h m p l sm u l t i p r o t o c o il a b e js w i t c h i n g p h bp e rh o pb e h a v i o u r p o sp a c k e to v e s o n e t s d h p p pp o i n t t o p o i n tp r o t o c o l p qp r i o r i t yq u e u i n g q o sq u a l i t yo f s e r v i c e r e dr a n d o me a r l yd e t e e t i o n r i p r o u t i n gi n f o r n l a t i o np r o t o c o i 0r e dw i t hi n 0 u t r i o pr e a l ，t i m ei n t e r - o r bp r o t o c o l r s v pr e s o u r e er e s e r v a t i o np r o t o c o l s l as e r v i c el e v e l a g r e e m e n t - 5 i p 网络中的服务质量( q o s ) 研究 s l s t c p t o s v p n w f q w r e d s e r v i c el e v e ls p e c i f i c a t i o n t r a n s p o r t c o n t r o lp r o t o c o l t y p e o fs e r v i c e v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k w e i g h t e df a i rq u e u i n g w e l i g h t e dr a n d o me a r l yd e t e c t i o n 6 i p 网络中的服务质量( q o s ) 研究 一 第1 章绪论 1 。1引言 随着因特网的迅速发展，交换路由器特别是骨干网中的交换路由器的设计 和实现主要面临着两个挑战：一是网络用户增加及多媒体应用的出现，对网络 带宽提出更高要求，链路和交换路由器需拥有更高带宽；二是应该针对网络用 户和应用的要求提供不同的服务质量，交换路由器应具备区别服务( 包括i e t f 定义的i n t s e r v 和d i f f s e r v 两种服务) 的机制。 同时支持高带宽和区别服务，使交换路由器的设计和实现更为复杂。高带 宽要求交换路由器快速地处理和转发每个数据包，也就要求交换路由器内部处 理尽可能简单；而区另g 服务需要在交换路由器内部保持更多的连接状态信息， 以便按连接状态信息分类识别数据包和分配网络资源，这使数据包处理和转发 更为复杂。为解决这一矛盾，同传统b e s t ，e f f o r t 交换路由器相比，q o s 交换路 由器需要在体系结构和资源管理等方面进行改进，主要特点是利用交换技术和 并行处理技术来提高交换路由器的性能。 当前网络设备制造巨头如c i s c o ，l u c e n t ，n o r t e l 和3 c o m 等都发布了能够提 供q o s 的交换机。 本文将通过一些基本的q o s 业务模型的分析比较，吸取各种模型的优越性 来构建一个新的模型。现将从如下几方面阐述q o s 的实现机制。第一章简单介 绍q o s 框架以及本文中所使用的网络仿真软件。第二章比较和分析了1 e t f 提 出的综合业务模型和区分业务模型。第三章提出一个新的模型综合业务 + 区分业务模型，并对该模型的机制进行研究。第四章对综合业务+ 区分业务 模型中的自适应机制进行了研究仿真。第五章对综合业务+ 区分业务模型中的 流量控制方面进行了仿真研究。第六章对一机多业务平台进行了研究。第七章 是对q o s 交换路由器的设备特性进行了研究。第八章归纳总结了全文。 1 。1 服务质量( q o s ) 的定义 在早期计算机网络及分组交换网络中，网络一般只为业务提供尽力传送 i p 网络中的服务质量( q o s ) 研冗 ( b e s t e f f o r t ) 服务，在这样的网络系统中，所有业务竞争的共享网络资源，业 务之间没有明确的区分。近年来，随着i p 技术以及高速以太网技术的飞速发展， 尤其是i n t e m e t 及其服务的爆炸式发展，单一的服务类型已不能满足业务发展 的需要，于是提出了服务质量( q o s ：q u a l i t so f s e r v i c e ) 的概念。 服务质量( q o s ) 的最初定义由c c i t t 给出：“q o s 是一个综合指标，用 于衡量使用一个服务的满意程度”。q o s 的进一步定义可以在 r a c e ( r e s e a r c hi n t oa d v a n c e dc o m m u n i c a t i o nf o re u r o p e ) 中找 到：“q o s 描述了关于一个服务的某些性能特点。这些性能特点是用户可见的， 它以用户可理解的语言表示为一组参数。这些参数具有客观值或者主观值。客 观值刻画了系统的行为性能，如延迟、抖动、失败概率、吞吐量，主观值刻画 了系统的其他服务性能，如安全性、优先级”。 现有i n t e m e t 都不能提供q o s 保证，只是提供b e s t e f f o r t 传送。现有的网 络已经不能满足网络的发展的需要。为了适应网络应用的进一步发展，i n t e m e t 2 工作组提出了i n t e m e t 2 的草案。i n t e m e t 2 的草案对q o s 的要求如下： 1 支持高级应用，如：双向交互音视频，远程设备控制，虚拟的协 同工作环境等。 2 良好的可扩展性。 3 可管理性。 4 提供可计量的服务。 5 能与端用户操作系统和中间件协同工作。 1 2 服务质量( q o s ) 的基本结构 q o s 的基本结构引入了三个基本的功能片来实现q o s 机制( 见图1 ) 1 ) 单个网元的q o s 功能：包括排队、调度、和业务量整形。 2 ) q o s 信令技术：q o s 信令技术用于端到端的网络元素，调整端到端所 经过的网元之间的q o s 。 3 ) q o s 策略，管理和计费：q o s 策略，管理和计费功能用来控制网络中 的端到端的业务。 i p 网络中的服务质量( q o s ) 研究 。一 图1 ：服务质量( q o s ) 的基本结构 为了满足对服务质量的需求，i e 盯已经制定了多种业务模型和机制。其中 著名的有：综合业务( i n t g g r a t e ds e r v i c e s ) 模型和区分业务( d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e s ) 模型。综合业务模型( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ) 的一个显著特征是资源预 留( 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 ) 。对于实时业务，在数据开始传输前， 必须预先设定路由和资源预留。r s v p 是一种用来设定路由和资源预留的信令 协议。区分业务模型( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 在业务口对业务分级，同一级别 的业务在该网络域中被聚合统一传送，保证相应的延迟、传送速率、抖动等服 务质量参数。不提供从发送者到接收者的端到端的服务质量保证，而是在域的 范围内保证与业务分类相对应的服务质量。综合业务模型和区分业务模型都有 各自的优越性，但各自也存在一些缺陷。 服务等级指实际的端到端q o s 能力。q o s 服务在其q o s 等级上有所区别， 服务应该严密地限定特定的带宽、延时、抖动和丢失特性。异种网可以提供三 种基本的端到端q o s 服务等级( 如图2 所示) 尽力传送服务( b e s t e f f o r t ) ：这是不保证的传输。 区分服务( 又称软q o s ) ：这是统计选择，不是硬的保证。 i p 嘲络中的服务质量( q o s ) 研究 确保服务( 又称硬q o s ) ：这是绝对地预留网络资源给特定的业务量。 图2 ：端到端q o s 服务等级 i pq o s 应提供分类、队列管理机制、队列调度机制、拥塞避免，q o s 信令， 与全网相关的业务量整形和策略管理以及业务量工程。以下对这几方面详细叙 述。 分类 分类提供了把网络业务量分割成多个优先级的服务等级能力。 队列管理机常l j ( q u e u em a n a g e m e n tm e c h a n i s m ) 在网络发生拥塞时，路由器必须丢弃些分组，这个问题的解决首先必须实 旋有效的队列管理机制( 或缓冲区管理策略) 。 目前，已经出现的队列管理机制有：p p d ( p a r t i a lp a c k e td i s c a r d ) 、e p d ( e a r l y p a c k e td i s c a r d ) 、r e d ( r a n d o me a r l yd i s c a r d ) 、f r e d 、r i o ( r e dw i t hi na n do u t ) 、 b l u e 等算法。比较起来，r e d 算法具有较低的排队时延、较高的分组通过度 ( g o o d p u t ) 和较好的公平性，其主要思想是：路由器计算平均排队长度，当平 均排队长度超过某一门限时，路由器按照一丢弃概率丢弃到达的分组，而这个丢 弃概率是与平均排队长度成正比的函数。r e d 算法允许短时的分组突发，因而可 以避免因为网络负荷变化造成的分组丢弃；r e d 能避免多个t c p 连接同时的 超时重传，从而保持高的带宽利用率；此外，r e d 算法还能较好的支持突发业 i p 网络中的服务质量( q o s ) 研究 一一 务，且确定哪些连接使用了更多的带宽。 f r e d 和r i o 都是在r e d 上的改进或变种，f r e d 对每一个业务流( 或连接) 都实施单独的一个r e d 算法，这样能保证更好的公平性；r i o 在r e d 的基础 上又增加了一个门限值，在对d i f f s e r v 业务的研究中多采用此算法。 b l u e 算法是i b m 公司的研究人员最近才提出的另种较新的队列管理机 制，与其他算法不同的是：b l u e 算法以“分组丢失率”和“链路有效利用率” 作为判断拥塞是否发生的标准，而之前的算法都是以路由器中的“平均分组长 度”作为拥塞是否发生的判断标准。 队列调度机翻j ( q u e u e i n gs c h e d u l i n gm e c h a n i s m ) 不论在i n t s e r v 还是在d i f f s e r v 里，都涉及到队列调度问题。简言之，队列 调度的功能就是路由器如何从多个( 或一个) 队列中选择下一个待转发的分组， 这与队列管理机制有着本质的区别。根据不同的服务规则，队列调度算法可以 分为以下几种：先到先服务( f c f s ) 、循环调度( r o u n dr o b i n ) 、处理机共享 ( p r o c e s s o rs h a r i n g ) 、优先级服务和随机服务等。 目前已出现的队列调度算法主要有：基于循环调度的算法和基于 g p s ( g e n e r a l i z e dp r o c e s s o rs h a r i n g ) 的算法两大类。一个有效的队列调度算法应 达到的性能指标主要有：公平性、时延特性、对恶意业务流的隔离能力、链路 带宽的利用率和复杂性等，前4 个指标与q o s 密切相关。基于循环调度的算法 是轮流地对每个队列进行服务，其实现简单，但不能对业务提供时延保证，目 前主要有w e i 【g h t e d r r 和d e f i c i t 。r r 等。基于g p s 的调度算法目前主要 有：加权公平排队( w f q ) 、自时钟公平排队( s c f q ) 和v c ( v i r t u a lc l o c k ) 等，它 们能提供较好的公平性、时延特性以及对恶意业务流的隔离能力，但当队列数 较多时，其实现复杂度较大。 拥塞避免工具 w r e d ：避免拥塞，配合q o s 信令技术工作。w r e d 把r e d 算法的功能 与i p 优先级结合起来。这个结合对高优先级分组提供优先的业务量处理。当接 口开始变得拥塞时，它能有选择地丢弃低优先级业务量，给不同服务等级提供 不同的性能特征。w r e d 同时感知r s v p ，提供综合服务给负载受控的q o s 服 i p 网络中的服务质量( q o s ) 研冤 务， 分布式的加权随机早检测( d w r e d ) ：在网络平台上提供高速的区分业务 数据传输。分布式的加权随机早检测( d w r e d ) ，它是一种运行在分布的v i p 处理器的高速w r e d 版本。除了w r e d 所提供的功能外，还提供最小和最大 队列深度门限和下降每个服务等级的性能。当前d - w r e d 只有c i s c o i o s1 1 i c c 版；拉支持。 业务量整形和策略工具 通用业务量整形( g e n e r i ct r a f f i cs h a p i n g ：g t s ) ：针对超过带宽的业务量 进行业务量控制。 帧中继业务量整形( f r t s ) ：管理帧中继业务量。 高效链路机制 l f hf r a g m e n t i n ga n di n t e r l e a v i n gi pt r a f f i c 。 r t p 头压缩：增加数据传输的实时性。 约束路由( c o n s t r a i n e d b a s e dr o u t i n g ) 基于约束路f h ( c b r ) 的q o sr o u t i n g ，只是对q o s 的限制参数进行了一定的 扩充。c b r 的有效实现需要各个路由器之间的相互配合，比如相互通知各自所 知道的网络的些状态信息( 如链路的剩余带宽) 。c b r 的难点在于：如何在状 态信息的精确发布和发布频率之间取得一个折衷。链路的剩余带宽在不断的变 化，c b r 既要避免状态信息发布的滞后性，又要避免不停地频繁发布状态信息。 c b r 的有效实现还有待进一步的研究。 业务量工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 业务量工程的主要目的在于尽量地避免网络拥塞的发生，以保证q o s 。网络 拥塞发生的原因可能有：网络资源( t g 如链路带宽、缓冲区) 的不足以及网络中 业务的不均匀分布。当业务量不均匀分布时，则有的链路处于过载状态而有的 链路可能处于欠载状态；此时如果我们能够对网络中的业务流进行适当引导， 贝0 不必增加网络资源也可能缓解拥塞。业务量工程的目的就在于：如何有效地 i p 网络中的服务质量( q o s ) 研究 引导业务流通过网络以便消除由于业务量不均匀分布而造成的网络拥塞。多协 议标签交换( m p l s ) 和基于受限的路由都是业务量工程的有用工具a 1 3o p n n e t 网络仿真软件概述 o p n n e t 是m i l 3 公司推出的一个功能强大的网络仿真软件。它能够使网络设 计者和管理员对网络的结构，网络中的各种技术进行仿真。 o p n n e t 的特点有： 面对对象。模型中由一个个对象组成，每一个对象都有系列可以配置的参 数，设计者可以通过改变各个对象的参数来调整网络模型。 图形化。模型中可以通过图形对象编辑器对对象进行编辑，设计者可以通过 简单的拖放在模型中增加新的设备。 扩展模型组。o p n n e t 中包含了m i l 3 公司提供的许多常用的网络模型。同时， 它还可以让设计者根据需要对这些模型进行修改。它也可以让设计者建立新 的模型。设计者可以将新的模型加入到模型库中。 自动建立模型和检查。o p n e t 软件能够帮助设计者快速的建立网络拓扑并进 行配置。还能够对网络节点间的链路的连通性进行检查。 集成的分析工具。设计者能够快速简单的分析仿真结果。设计者可以通过直 观的图表来查看结果，还可以对这些结果进行数学过滤和统计。 附加的产品模型。o p n e t 提供了许多公司的网络产品的模型，如 3 c o m ，c i s c o ，b a y ，l u c e n t ，i n t e l 等许多公司的路由器和交换机的模型。这样 极大的方便了设计者的网络仿真。 o p n e t 仿真的基本步骤： 建立网络模型和流量。网络模型的建立有两种方式，一种是手工方式建立， 利用o p n e t 提供的向导可以很容易的建立。另一种是导入，可以从h pn e t w o r k n o d em a n a g e r ，a t mt e x tf i l e s 和x m ld a t a 导入。建立好网络模型后就可 以建立流量。o p n e t 提供了背景流量( b a c k g r o o n dt r a f f i c ) ，设备链路负 载流量和应用流量这三种方式，设计者还可以从外部导入流量。 设置参数。o p n e t 允许设计者对网络模型中的各个对象进行参数设置，以使 整个模型满足设计者的需求。 仿真结果的统计。设计者能够在模型中指定所需要研究的网络参数，仿真完 毕后利用o p n e t 所提供的输出功能把这些所需要研究的参数用图表的形式输 出。设计者也可以根据需要对这些结果进行数学过滤和统计。 i p 网络中的服务质量( q o s ) 研究 第2 章业务模型 为了满足对服务质量的需求，i e t f 已经制定了多种业务模型和机制。其中 著名的有：综合业务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ) 模型和区分业务( d s ：d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e s ) 模型。本章第节讲述综合业务模型，第二节讲述区分业务模型。本 章比较详细的分析和比较了这两种模型，并指出各自适用的场所以及各自的优 劣性。 2 1 综合业务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ) 模型 综合业务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ) 模型是i e t f 在1 9 9 4 年提出的实现i pq o s 的一种方法。综合服务模型以i p 协议为其网络层的统一平台。将有q o s 要求 的实对应用和传统的b e s t - e f f o r t 服务集成于i n t e r n e t 网上。在综合业务模型中， 实时应用看成一个个流( f l o w ) 。所谓流是指源于某一用户的特定行为的一串 彼此相关的i p 数据包，这些数据包具有相同的q o s 要求，且可能有多个接受 者。流的引入使得一个个流可以被理解为一条条逻辑上的i p 连接。综合服务的 基_ 本思想是：首先对网络所用的共享链路进行一定的资源控制，同时考虑将网 络应用按其q o s 要求分成不同的种类，并将它们统一实现在对上层应用的服务 接口中。这使得路由器或者其它网络元素不必考虑该数据流对应的应用是什么， 实现了对应用的透明性。只要数据流经过的路由器都支持这些服务类别，那么 就能为该数据流提供一定的端到端q o s 保证。 目前，i e t f 定义的服务类别有可保证服务( g u a n r a n t e e ds e r v i c e s ) 、负载 可控服务( c o n t r o l l e d 1 0 a ds e r v i c e s ) 和传统的尽力传送服务( b e s t e f f o r t s e r v i c e s ) 。 ( 1 ) 可保证服务( g u a n r a n t e e ds e r v i c e s ) 可保证服务要求提供一定的带宽和端到端延迟保证，即所有 的端到端延迟均小于某个固定值，且保证数据流中合法的数据的包无排队 丢失。 ( 2 ) 负载可控服务( c o n t r o l l e d 1 0 a ds e r v i c e s ) 负载可控服务能保证在网络负载较重时，提供与负载较轻时 i p 网络中的服务质量( q o s ) 研究 相同的q o s 。如果数据流被当作负载可控服务接纳，那么路由器至 少应该提供与负载较轻时的尽力传送( b e s t - e f f o r t ) 流相同的q o s 保证。负载可控服务一般用于可容忍一定的数据包丢失和延迟，只 需保证大批量数据的正确传输的应用。 ( 3 ) 尽力传送服务( b e s t e f f o r ts e r v i c e s ) 尽力传送服务不保证q o s ，当网络负载较重的时候，数据包 被丢弃。当网络负载较轻的时候，数据包可以被正确传输。 综合业务模型的一个重要特点是资源预留( r s v p ) 。对于实时应用，在数 据开始传输前，应用必须先设定路由和预留资源。r s v p 是一个重要的网络控 制协议，r s v p 的引入使得i p 网络为应用提供所要求的端到端的q o s 保证成为 可能，但为了支持这种能力，数据包所经过的每个网络元素( 子网和i p 路由器) 都必须能够支持r s v p 控制服务质量的机制。也就是说，网络元素在收到r s v p 预留资源请求后，需要为业务流保留所需的“软状态”( 包括有关该业务流的起 止地址、路由信息和需占用该路由器的资源信息等等) 。综合业务模型的参考实 现模型可分为主机和路由器两种，内部包括欲实现r s v p 控制协议所必需的几 个模块：决策控制( p o l i c yc o n t r 0 1 ) 、接纳控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 、分类控制 器( c l a s s i f i e r ) 、分组调度器( p a c k e ts c h e d u l e r ) 以及r s v p 处理模块。主机的 参考实现模型与路由器模型相似，只是多了一个应用部分。决策控制用来判断 用户是否拥有资源预留的许可权；接纳控制用来判断可用的资源是否满足新业 务流的需要，是否接纳新业务，可用来减少网络负荷：分类控制器通过判断数 据包中的特定域以决定数据流的通信服务等级；分组调度则根据服务等级进行 优先级排序，进行队列和时钟管理、流量估计和流量监管。当决策或接纳控制 未被允许时，r s v p 处理模块将产生预留错误消息发往源端。在综合业务模型 下i p 网的工作过程如下：信源端向信宿端发送一个路径消息( p a t h m e s s a g e ) ， 消息中包含有描述业务流的传输属性和路由的信息。所有途径的中间节点都对 路径消息进行传统的路由器转发，并将自身的地址写入路径消息中以便路径的 回溯。当信宿端接收到路径消息后，回送一个预留消息( r e s v m e s s a g e ) ，要求 沿途的各中间节点进行资源预留。各中间节点如果拒绝资源预留请求，则向信 宿端返回错误信息，r s v p 会晤结束；如果接受资源预留请求，则必须为业务 流保持所需的链路带宽和必要的缓冲区等“软状态”，这种预约的软状态不需要 i p 网络中的服务质量( q o s ) 研艽 一一 明确的删除请求，而由r s v p 控制信息周期性的刷新。在无刷新信息的情况下， “软状态，会超时并被删除。从这里，我们可以发现r s v p 资源预留方式于异 步转移模式( a t m ) 中的资源预留方式有两个不同： ( 1 )r s v p 时一种面向信宿端的协议，由信宿端来描述资源请求，而 a t m 是由信源端来要求资源预留 ( 2 )r s v p 中保留的是“软状态”，需要周期性的更新，而a t m 保留 的是“硬状态”，通信期间不改变。 综合业务模型针对每个流( p e rf l o w ) 进行管理。采用公平排队( f a i r q u e u e i n g ) 来支持拥塞控制。综合业务模型能够提供更强大和灵活的服务，能 够提供每流带宽和时延保证，因此能够达到比较高的资源利用率。但是，综合 业务模型的这种利用r s v p 全程信令将原本面向无连接的i p 网络改为面向连接 的网络存在着许多致命的缺陷，使得原本欲提供的端到端全程q o s 保证实际上 很难实现。原因有三： ( 1 ) 综合业务模型下的预留状态信息是于业务流的个数成正比的，这使得路 由器的负担会随着网络的扩大、业务流的增多而加重，网络的扩展性不好。 ( 2 ) 综合业务模型中的每个路由器( 包括边缘路由器和核心路由器) 都要支 持r s v p 控制协议，为业务流保持状态信息，这对路由器的实现要求太高。如 果有一个中间路由器不支持r s v p 控制协议，虽然r s v p 仍然可以透明通过， 但服务质量仍不能保证。 ( 3 ) 由于综合业务模型对每个流的控制是端到端的，适用于长期的稳定的业 务量( 如音频视频流) ，不适合短期的，突发的业务量( 如w e b 业务量) 。 2 2 区分业务( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 模型 区分业务模型是i e t f 在1 9 9 8 年底提出的一种新颖的区分业务模型。它 为不同的应用服务提供一种简单的分类机制。与综合业务模型不同的是区分业 务模型不是对每个业务流在交换路由器上保存其状态信息，而是对业务类操作， 交换路由器上只保留有限个业务类的状态信息，这样就大大减轻了交换路由器 的负担。区分业务模型给业务在业务1 2 1 分级，同一级别的业务在该网络域中被 聚合统一传送，保证相应的延迟、传送速率和抖动等服务质量参数。不提供从 i p 网络中的服务质量 q o s ) 研究 发送者到接收者的端到端的服务质量保证，而是在域的范围内保证与业务分类 相对应的服务质量。区分业务模型定义了d s 字段和p e r h o pb e h a v i o r s ( p h b s ) ， 这是因为虽然i p v 4 头包含t o s 比特，应用可以在t o s 中设置三个比特来标识 需要低时延或者高吞吐量的业务或者低丢包率的服务，但是可供的选择却是有 限的。区分业务模型对包标识不同的d s 字段并对不同的d s 字段进行不同的 处理。这就使许多不同的服务类别可以被建立。因此，区分业务模型是一种相 对比较好的构架。为了使用户从i s p 服务商那里得到区分服务，必须有一个服 务等级协定( s l a s ) 。s l a s 通常被认为是和v i r t u mp f i v a t en e t w o r k s ( v p n s ) 钼联系的，但可以被网络服务提供商利用作为一个简单的服务标准。 区分业务模型是无状态的，它保持了i n t e r n e t 的传统特性，采用r e d 来进行拥塞控制。区分业务模型具有更好的广泛性和健壮性。但是，它不能提 供低对延保证和高的资源同时利用率，即使在一个中等程度的网络( 1 5 跳) 中， 当利用率很低( 2 0 0 m s 。对于短期的预约( s h o r t - - l i v e dr e s e r v a t i o n s ) 不适合使用集中的许可控制( 如：b a n d w i d t hb r o k e r ) 。 i p 网络中的服务质量( q o s ) 研究 第3 章综合业务+ 区分业务模型研究 综合业务模型和区分业务模型都有各自的优越性，但是他们也存在许多缺 陷。在近年来的文献中，有一些文献提到了综合业务模型和区分业务模型可以 优势互补，但在这些文献中，这种优势互补只是两种模型的简单叠加，并没有 将综合业务模型和区分业务模型相互融合来互构建一个统的模型。在本章， 作者通过把综合业务模型和区分业务模型相结合起来，构建了一个新的业务模 型一一综合业务+ 区分业务模型，并对于该模型中的拥塞控制作出仿真分析。