（计算机应用技术专业论文）diffserv网络中带宽代理机制的研究.pdf

熏庚郏电文学硕士论文接受 摘要 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， 嵌这种服务模溅 下，所有的她务流公平地嶷争网络资淤，对i p 包传递的可靠性、延迟等不能撼 袋经薅豫谖。 嚣隧羲多媒髂避务兹兴超，对予臻些眷鬻窕、延遮、延迟誊睾羲等姆 殊要求的应掰来说，“尽力丽为”的服务显然是不够的。由予不其各殿务质墩 ( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 保障特瞧，匿前的困特嘲秃法支持诲夥新的应用翻遥 程教学、逡糕手本、远程会议和学术交滚等。因此，僳涯网络的服务厦爨成为了 个遗讶嚣聚解决瓣涟戮。 本文中，我们深入研究了服务质量的体系绡构一区分服务体系结构 ( d i f f s e r v ) 。为保证网络端到端豹q o s ，必须实现对网络资源的管理，两这一功 缝羲壶资滚黪瑾爨寒实瑷，颦当兹谤论矮多翡带宽代壤。搴文漤壤分援了繁宠代 理的体系缩构、实现原理殿相关的挤泌。 带宽代壤( b b ，b a n d w i d t hb r o k e r ) 在提供端剽端的区分服势拜寸，已经可弧 实现有保诞翁擎播l 疆务，本文介绍一裂1 分层弱b b 结构，著通过对b b 数据瘁以 及控潮僖感遴行褶旋调熬，以实瑗多个黼络医域内豹溃到璇静缀播遴信。 实时的动态接纳控制给集中式的骷宽代理带来了匝大的挑战，本文基于分层 带宽 弋理，实璎一茅孛适瘦性资源管理枫制，接纳控制程边缘带宽代理中执圣亍，耐 孩。荣窕钱瑗麓态速分酚疆竣各条援雾# 溪路衽懿粪滚，臻囊缝莱表臻这是 葶f | l 可行的媲褥区分服务的澄源管理得到简化的方法。 美键字：聪分服务，帮宽代理，接纳控制，测量机制，组播，p o q ，损耗路径， 适应性资源管理 鬟庚鄄龟大学硕士论文 a b s t r a c t t h ec u r r e n ti n t e r a c tp r o v i d e sb e s t - e f r o r ts e r v i c e s i n 恤i ss e r v i c em o d e l a l lo f s e r v i c et r a f f i c sf a i r l yo c c u p yn e t w o r kr e s o u r c e ，a n da n yr e l i a b i l i t ya n dd e l a yf o ri p p a c k e t sa r en o tg u a r a n t e e d w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i as e r v i c e s , t h e c u r r e n tb e s t e f f o r ts e r v i c e so b v i o u s l ya r ei n s u f f i c i e n tf o rt h o s ea p p l i c 撕o n sw i t hs o m e s p e c i a ld e m a n d ss u c ha sb a n d w i d t h ，d e l a y , d e l a yj i t t e ra n ds oo n s i n e et h ec u r r e n t i n t e r a c th a s n tt h ec h a r a c t e ro ft h eg u a r a n t e eo fq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 。“c a 矗t s u p p o r tm a i l ) ；n e wa p p l i c a t i o n ss u c ha sr e m o t et e a c h i n g ，r e m o t eo p e r a t i o na n d a c a d e m i ce x c h a n g ee t c s og u a r a n t e e i n gn e t w o r kq o sb e c o m e sap r o b l e mt h a tn e e d s r e s o l v e di m m e d i a t e l y i nt h i st h e s i s ，w ed e e p l yr e s e a r c h e dt h ea r c h i t e c t u r eo f ( 孢s d 澄s 嚣鞭瓢 g u a r a n t e en e t w o r ke n d - t o e n dq o s ，w em u s ti m p l e m e n tt h em a n a g e m e n to f n e t w o r k r e s o u r c e t h em a n a g e m e n ti sf i n i s h e db yt h er e s o u r c em a n a g e r - - - 一t h eb a n d w i d t h b r o k e rw h i c hi sd i s c u s s e dm o s tc u r r e n t l y i nt h i sp a p e rt h ea r c h i t e c t u r eo fb b ，t h e p r i n c i p l eo fi m p l e m e n ta n dp r o t o c o lr e l a t e d t ob a n d w i d t hb r o k e r 瓣c a r e f u l l y a n a l y z e d b a n d w i d t hb r o k e r ( b b ) h a sb e e np r o p o s e dt op r o v i d es c a l a b l ee n d - t o e n d g u a r a n t e e dd i f f e r e n t i a t e ds e r v i c ei nu n i c a s t i n g 强ea r t i c l ep r o p o s eam u l t i l a y e rb b a r c h i t e c t u r e 。a c c o r d i n gt od e s i g n i n gt h ed a t a b a s ei nt h eb ba n dt h ea s s o c i a t e dc o n t r o l m e s s a g e s ，g r o u pc o m m u n i c a t i o nc a n b er e a l i z e di nm u l t i p l ed i f f s e r vd o m a i n 。 t h er e a l - t i m ed y n a m i ca d m i s s i o nc o n t r o l l i n gb r i n g sg r e a tc h a l l e n g et ot h e c e n t r a l i z e db a n d w i d t hb r o k e r t h i sp a p e ri m p l e m e n t s 强a d a p t i v er e s o u r c e m a n a g e m e n tm e c h a n i s mb a s e do nh i e r a r c h i c a lb a n d w i d t hb r o k e ra r c h i t e c t u r e 弧o d y n a m i ca d m i s s i o nc o n t r o lw i l lb em a d el o c a l l ya te a c he d g eb a n d w i d t hb r o k e r t h e c e n t r a lb a n d w i d t hb r o k e ro n l yc o n s i d e r st h eb a n d w i d t ha s s i g n m e n tt oe a c hp a t h 。i t s s i m p l i c i t yc o n t r i b u t e st oas e a l a b l es o l u t i o nf o rr e s o u r c em a n a g e m e n ti nd i f f s e r v n e t w o r ka c c o r d i n gs i m u l a t l n g k e yw o r d s ：d i f f e r s e r v ，b a p a w i d t h b r o k e r ，a d m i s s i o nc o n t r o l ，m e a s u r e m e n tm e c h a n i s m ， m u l t i c a s tr o u t i n g ，p o q ，l o s s y ”p a t h ，a d a p t i v er e s o u r c em a n a g e m e n t h 独创性声明 本人声曝所璺交的学位论文是本人在苷师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以橼注和致谢的嫩方外，论文巾不包含其 毪入毫经发表或貘写过懿臻究裁采，毽不惫会秀获得耄送整塞盍堂或箕蘧教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同恚对本研究所做的任何 贡献均已在论文巾作了明确的说明并表示谢意。 学像论文捧者签名：了莎酽 签字霸期：矗年月譬曩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖鳗电太堂有关傺留、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 阕爨氆霾。本入授缀重塞錾篷塞堂霉淡跨学璧论文熬全部或蘩努滤容缓入 有荚数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、派编学位论 文 ( 保密豹学甄论文在瓣纛蓐逶震本授投褰) 学馥论文终者签名，壶书 签字日期：z “年( 月8 日黧鹅肌 签字日期。砂疵华杏月d 日 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 随着h 嗡n e t 的快速发展，许多网络新业务如音频、视频等实时业务和多媒 体业务的普遍应用，使得服务质量( q o s ，q u a l 时o f s e r v i c o 吸引了越来越多用户 的关注。m q o s 功能是通过给予网络运营商对网络资源使用的控制权来传送有 保证的区分式h t e m e t 服务，它提供了端到端的服务保证【1 】以及基于策略的m 网络性能指标的控制，例如资源分配、交换、路由、分组调度以及分组丢弃等。 服务质量是网络传输流时，业务流对网络服务需求的集合，其中业务流是 指与特定q o s 相关的从源到目的地的分组流。它提供了端到端的服务保证以及 基于策略的p 网络性能指标的控制，例如资源分配、交换、路由、分组调度以 及分组的丢弃机制。 q o s 是应用业务对网络传输服务所提出的一组可度量的要求【2 】，主要包括 带宽、时延、时延抖动、速率、包丢失率、可靠性、缓存空间、费用等，网络 传输相应的数据业务时必须满足这组要求。当然，不同的多媒体应用可根据具 体情况考虑其q o s 约束。例如，视频点播要求数据吞吐达到某一个传输速率， 而语音传输( v o m ) 则要求时延不能超过某一个值。 q o s 要求需要通过可测量的q o s 度量来实现，常用的几种q o s 度量主要包 括可用带宽( a v m l a b i eb 锄d 诵d l h ) 、端到端时延( d e l a y ) 、分组丢失率( p a c k e t l 0 豁r a t e ) 、时延抖动( d e l a yv 枷o n ) 、耗费( c o s t ) 等，不同的度量有不同 的性质。 i e t f 提出的区分服务( d i 邱e r v ) 体系结构【3 1 能够在m 骨干网上提供基于汇 聚流的不同q o s 的服务，具有良好的可扩展性和可实现性。在d i f b s e r v 模型中， 根据区分服务码点( d s c p ，d i 妇 s e f vc o d ep o i n t ) 值确定分组所属的优先级， 并在网络拥塞的情况下采取不同的丢弃策略。 d i 儡e r v 不能完全依靠自己来向用户提供端到端的服务质量，实现对网络 的q o s 支持要解决三个方面的问题： ( 1 ) 定义数据包的处理类； ( 2 ) 为每个类的处理指定一定数量的资源； ( 3 ) 把进入o o s 支持区的数据包分类到相应的处理类中。 区分服务体系结构已经解决了( 1 ) 和( 3 ) 问趔4 】，d i 邱e r v 定义了流的类型， 并且提供了一个简单的数据包分类机制。路由器可以很容易根据服务类型( t o s ， 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 t y p eo fs e r v i c e ) 域的值，把数据包分类到相应的处理类中，完全不需要知道 它是什么应用业务流。 对于第( 2 ) 个问题，d i f f s e r v 域需要控制网络带宽资源的分配和网络流量 的分布，这种控制可以通过两种方式实现：( 1 ) 由个体独立完成；( 2 ) 通过代理完 成。由个体独立完成控制功能易于实施，但难以实现全网同步，考虑到相互协 作的网络元素高度分散的特点以及对资源进行集中管理的需要，因而引入了带 宽代理【5 】( b b ，b a n d w i d t hb r o k e r ) ，对d i f f s e r v 域的全局网络资源进行动态管 理。 ， 带宽代理是一种依据客户的请求和网络的服务策略为客户分配不同的服 务，并且为己定义服务的正确前传行为来配置网络路由器的代理( a g e n t ) 。它是 区分服务网络中为实现支持q o s 的资源管理功能而开发的软件实体，并被集成 为一类操纵管理策略功能子集的策略服务器，即b b 可以根据策略库( p o l i c y d a t a b a s e ) 的规则对d i f f s e r v 域内及域间的接入控制做出决策以实现动态的资 源管理。 目前对带宽代理的研究并不多，i e t f 的区分服务工作组提出利用带宽代理 实现带宽资源分配，文献 6 提出一种提供资源预留，有动态带宽分配能力的 盼的原型实现框架。总的来讲，目前的带宽代理研究在体系结构方面、接纳控 制算法等方面还不成熟，对带宽代理的研究具有重要的现实意义和理论价值。 1 2 论文的内容和结构 本文对带宽代理的体系结构及接纳控制算法进行了深入的研究，着重对分 层带宽代理结构支持组播通信及接纳控制中适应性管理机制提出自己的见解及 实现。论文的主要内容包括： 带宽代理体系结构及接纳控制算法的概述； 根据现有研究，实现利用带宽代理支持基于d i f f s e r v 的组播通信； 对现有接纳控制的分析比较，着重研究和分析p o q 算法及适应性管理 机制在分层带宽代理机制中的应用。 总结带宽代理在区分服务中的应用特点，对今后的研究工作做了进一 步的展望 论文的组织结构如下： 第一章：绪论 介绍带宽代理的背景及本文的主要研究内容。 第二章：带宽代理体系简述 概述了带宽代理的体系结构及各功能实体，分析带宽代理的体系结构、实 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 现原理及相关的协议。 第三章：利用带宽代理支持组播通信 针对d i f f s e r v 支持组播存在的问题，提出利用分层带宽代理支持组播的详 细实现方案，并给出仿真实现结果。 第四章：带宽代理中的接纳控制 分析集中式带宽代理及分层带宽代理的接纳控制方式，分析p o q 机制的特 点及性能，并基于分层带宽代理，提出适应性资源管理机制，实验结果表明该 方案可以减轻核心带宽代理资源管理开销。 第五章：结论及下一步研究 对带宽代理体系的总结，及对后续研究工作的展望。 3 重庆邮电大学硕士论文第二章带宽代理体系结构概述 、，。 第二章带宽代理体系结构概述 2 1d i f f s e r v 概述 d i f f s e r v 是i e t f 为解决i n t s c r v 扩展性差的缺点而定义的另一种服务模型， 通过聚集类和逐跳行为p h b 的方式来提供一定的q o s 保证“1 。其实现途径是： ( 1 ) 简化网络内部结点的服务机制。在内部结点只进行简单的调度转发，而流状 态信息的保存与流监控机制的实现等只在边界结点进行，内部结点是无状态的； ( 2 ) 简化网络内部结点的服务对象。采用聚集传输控制嘲，服务对象是流聚集 ( s t r e a ma g g r e g a t e ) 而非单流，单流信息只在网络边界保存和处理。 具体而言，边界结点根据用户的流规定( p r o f i l e ) 和资源预留信息为进入网 络的单流分类、整形、聚合为不同的流聚集，这种聚集信息存储在每个i p 包头 的d s 标记域，称为d s 标记( d s c p ) ；内部结点在调度转发i p 包时根据包头的 d s c p 选择提供特定质量的调度转发服务，其外特性称为逐点行为( p h b ) 。网络 边界对单流进行分类聚合，网络内部对聚集流提供特定质量的调度转发服务， 这两个过程通过i p 包头的d s c p 协同起来。 除实现简单外，区分服务体系还有以下特点哪： ( 1 ) 层次化结构。分为d s 域( d sd o m a i n ) 与d s 区( d sr e g i o n ) 两种。在d s 区域内，服务提供策略与p h b 的语义和实现要一致；但d s 区域可以支持不同的 p t t b 、有不同的服务提供策略，他们之间通过服务等级协议( s e r v i c el e v e l a g r e e m e n t ，s l a ) 与传输调节协议( t r a f f i cc o n d i t i o n i n ga g r e e m e n t ，t c a ) 协调以提供跨区域服务 ( 2 ) 总体集中控制策略( 与i n t s e r v 分布式控制相对照) 。网络资源的分配由 总体服务提供策略( s e r v i c ep r o v i s i o n i n gp o l i c i e s ) 决定，包括在边界如何分 类聚合流，在内部如何调度转发流聚集。 ( 3 ) 利用面向对象的模块化思想和封装思想，增强了灵活性与通用性。各逻 辑模块相对独立，并有多种组合。少量模块可组合实现多种服务，并在发展过 程中保持模块的可重用性。 ( 4 ) 不影响路由。与一些以虚电路方式实现o o s 的方案( a t m ，m p l s ) 以及服务 类型标记方案不同，区分服务结点处提供服务的手段仅限于队列调度和缓冲管 理，不涉及路由选择机制。 4 重庆邮电大学硕士论文第二章带宽代理体系结构概述 2 1 1d i f f s e r v 体系结构 在区分服务模型中，一个接入服务提供商就构成了一个区分服务域，在一 个区分服务域内所有路由器都有相同的逐跳行为，从而保证子网作为一个整体 提供一致的服务。按照功能的不同，一个区分服务域内的路由器分为核心路由 器( c r ，c o r er o u t e r ) 和边界路由器( e r ，e d g er o u t e r ) ，如图2 1 所示。核 心路由器位于区分服务域的内部，它的功能比较简单，只需要按照既定的p h b 转发数据分组。边界路由器位于区分服务域的边界，与外部路由器相连，对进 入域的业务流进行分类、标记、测量、整形等n ”。 图2 1d i f f s e r v 体系结构 ，d i f f s e r v 区域( d o m a i n ) 是由一组连续的d s ( d i f f s e r v ) 结点组成，这些结点 按照通用的服务配置策略3 进行工作，且在每个结点上实现了一系列的p h b 组。 区分服务域通常是由在一个统一管理机构下( 如企业的内部网或i s p ) 的一个或 多个网络组成。域的管理机构有责任保证配置或预留了足够的资源以支持域提 供的s l a 。每个d s 区域通过边界结点( b o u n d a r yn o d e ) 与其它d s 区域或者非d s 区域相连，根据不同的数据流传输方向，边界结点可以分为入口结点和出口结 点。这样，当有数据流进入d s 区域时，入口结点对其进行分类( c l a s s i f i e r ) 、 整形( s h a p i n g ) ，保存流( 单流或聚流) 的状态信息，根据事先和用户约定的流规 格( t r a f f i cp r o f i l e ) 对流进行计量( m e t e r i n g ) 、标记( m a r k i n g ) ，整形 ( s h a p i n g ) 、丢弃( d r o p p i n g ) 等，以使输入流符合s e 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 a ，b e h a v i o ra g g r e g a t e ) 。出口结点也可能 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。d i f f s e r v 区 ( r e g i o n ) 则是由连续的d s 区域构成。一个d s 区内的d s 区域可以支持不同的 5 重庆邮电大学硕士论文第二章带宽代理体系结构概述 p h b 组，并且各自区域的d s c p 到p h b 的映射关系也可能不相同。在不同的d s 区域之间，必须对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。 2 1 2d i f f s e r v 中的几个重要概念 1 、d s 字段和d s c p i p v 4 中的t o s 和i p v b 中的流类型字段已被重新定义为d s 字段。d s 字段定 义了6 个比特作为区分服务代码点( d s c p ) ，还有2 比特当前未定义。d s c p 指 示了分组在网络中转发时应接受的服务，不同的d s c p 对应着不同的p h b 。 2 、p 腽和b a 每跳行为( p 皿，p e r - h o pb e h a v i o r ) 定义分组在网络中转发时接受的外 部可见的服务。在每个转发路由器中，按照某种方式将分组的d s c p 映射为某个 p h b ，并为之选择适当的转发行为。行为聚集是指带有相同d s c p 的一组分组。 在网络内部，p h b 作用于行为聚合体。 i e t f 已经定义了三种p h b ：e f 、a f 、b e ： ( 1 ) 快速转发( e f ，e x p e d i t e df o r w a r d i n g ) p t t b e f 可以用来在区分服务域中建立一个低丢失、低时延、低抖动、保证带宽 的服务。它提供的服务是最高级别的q o s 服务。e f 推荐的d s c p 是1 0 1 1 1 0 。 ( 2 ) 保证转发( a f ，a s s u r e df o r w a r d i n g ) p h b 保证转发p h b 组为i p 包的转发提供4 个独立的保证转发类。每一个保证转 发类中，一个i p 包可以被分配到3 个不同的丢包优先级。 ( 3 ) 尽力而为转发( b e ，b e s t - e f f o r t ) p i b 相当于传统的尽力而为调度转发行为的p h b 。其实在区分服务域中，a f 和 b e ( b e s t - e f f o r t ) 原理相同，只是在网络拥塞时丢弃概率不同而已。 3 、s l a 和t i 强 为了保证用户能从i s p 那里获得所需要的服务质量，用户必须和i s p 之间 签订有服务等级协定( s l a ) ，而i s p 之间也必须建立业务流调节协议( t c a ) 在 s l a 中规定了客户应享受的转发服务。用户可能位于不同的d s 域中，因此s l a 应该包括充分的流量调节规则，这些规则可用来形成全局或局部的流量调节约 定。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。t c a 规定分类器的规 则和相关的流盘特征描述以及应用于分类器所选流的计量、标记、丢弃、整形 的规则。t c a 既强调所有在s l a 中显式规定的规则，也强调那些隐式地包含在 相关的服务需求和或d s 域的服务配备策略中的规则。 6 重庆邮电大学硕士论文第二章带宽代理体系结构概述 综上所述，d i f f s e r v 没有办法完全依靠自己来提供端到端的q o s 结构，它 需要大量网络单元的协同运作，才能向用户提供端到端的服务质量。鉴于这些 组件高度分散的特点和对它们进行集中管理的需要，必须有一个全局的带宽管 理对全局资源进行动态管理。 2 2 带宽代理体系 带宽代理明是一个d s 区域内的带宽资源管理a g e n t “”。它拥有区域内各 结点的带宽资源信息和路由消息。船负责维护本地和周边其它区域签订的 s l a ( 服务等级协定) 协议，接受本地或其它d s 区域的带宽分配请求，根据网络 服务策略和当前的带宽资源分配情况来管理和分配带宽资源，配置边界路由器。 另外，它负责传递区域间的带宽分配请求消息，以此完成边缘翅缘的带宽 定购n q 。阴是一种依据客户的请求和网络的服务策略为客户分配不同的服务， 并且为已定义服务的正确前传行为来配置网络路由器的代理。它是区分服务网 络中为实现支持q o s 的资源管理功能而开发的软件实体，并被集成为一类操纵 管理策略功能子集的策略服务器，即盼可以根据策略库的规则对d s 域内及域 间的接纳控制做出决策以实现动态的资源管理。 2 2 1 带宽代理资源分配模型 b b l b b 2 h ；发送方r x , 接收方b r , 边界路由器c r , 核心路由器 图2 2 引入带宽代理明的资源管理模型 引入带宽代理雎的资源管理模型如图2 2 所示，遵循现有i n t e r n e t 结构， 每一个d i f f s e r v 域就是资源管理的基本控制单元，客户与d i f f s e r v 域以及 d i f f s e r v 域之间应签订双向的服务等级协议( s l a ) 。髓作为域的资源管理器， 7 重庆邮电大学硕士论文第二章带宽代理体系结构概述 负责域内和域间的资源管理和流量控制，以提供端到端o o s 。在域内，踮跟踪 q o s 请求，根据相关的策略分配资源和选择标记交换路径( l s p ) ( 图中点划线 箭头所示) ，并使用通用开放策略服务( c o p s ) 协议n 订配置域内路由器( 图中实 线所示) ；在域间，b b 可使用资源预留协议( r s v p ) 建立和维护与邻域的s l a ，以 保证对域间流量的处理符合q o s 要求( 图中虚线箭头所示) 。 在图2 2 中，发送方t x 要与接收方r x 进行通信，需要先进行带宽资源定 购，其过程如下所述： 1 发送方t x 向本地带宽代理b b i 发出资源分配请求( g a g ) ： 2 假如b b l 接受请求，它根据请求的目的地，向b b 2 发出请求； 3 假如b b 2 接受请求，它对数据流要进入的边界路由器进行配置，更新 本地资源信息； 5 b b 2 向b b l 返回接受请求的消息； 6 b b l 配置数据流要经过的入口路由器和出口路由器； 7 b b l 向发送方t x 返回接受带宽分配请求的消息。 这样，通过相应路径上的b b 的串连工作，完成了边缘到边缘的带宽资源 定购，发送方t x 就能以定购的服务级别，享受带宽服务0 7 1 。相反，如果某个 b b 发现本地资源不能满足要求，就向上游的b b 发回拒绝服务的消息，直至该 消息返回给发送方t x 。 i x 收到拒绝服务的消息后，可能降低服务级别或者另择 时间发送请求。 考虑到区分服务提供的是一种优质服务，用户为了在特定时间段内得到高 级别的服务，会有提前预订带宽资源的需求。对于预定带宽资源的情况，资源 的分配分成两步。第一步是发出资源预留请求。每个b b 在接受该类请求后， 和即时定购一样，在数据流要经过的每个d s 区域，b b 查看资源能否满足要求， 但当请求被接受的消息返回时，b b 只保留资源的预订信息，但并不马上配置边 界路由器。而是等到数据流要实际发送的那- n 。资源预定者再向b b 发出要 使用资源的请求，b b 核对其请求后，只需沿途配置每个边界路由器。之后，预 定者就可以发送数据。 一般来说，核心路由器比边界路由器具有高得多的速度，但如果入口路由 器的数据流集中流向某个核心路由器时，也会发生堵塞1 1 8 1 , 因此有必要监视核 心路由器的资源使用情况。在b b 中维护一个网络核心链路带宽使用情况的数 据库。在接受一个带宽资源分配请求时，b b 更新从入1 2 路由器到出1 2 路由器所 经过的每一条链路的带宽使用总量，如果该值已经达到了规定的上限，b b 将拒 绝新的资源分配请求。而核心路由器本身并不需要b b 的配置，也不对经过的 数据流进行监视 8 重庆邮电大学硕士论文第二章带宽代理体系结构概述 由于引入带宽代理b b ，因而d i f f s e r v 网络可被划分为数据平面和控制平面 两个不同层次，以应对不同的功能抽象。 数据平面 它主要关心数据包的不同前传转发方式，即包的服务规则或者队列的管理 规则。在此平面上还需要对数据流进行监测、整合，使它符合特定的处理类。 控制平面 它的工作是配置结点相关参数，其中包括为不同的数据包定义需要哪些特 殊的处理以及应用什么规则来使用这些资源。在控制平面上，q o s 的状态以链 路级和通路级两个层次来表示。链路q o s 状态数据库保存域内每条链路的q o s 信息，如所有预留的带宽、链路可用带宽等；而通路q o s 状态数据库维护城内 每条通路的q o s 信息。而流的状态则由流信息数据库来反映。 2 2 2 带宽代理的框架结构及功能实体 带宽代理框架结构具有如下特征： ( 1 ) 面向用户与面向资源相结合1 1 9 】：域间交互、服务等级协定( s l a ) 管理 及接入模块主要处理用户的业务请求，而网络规划、网络配置和域内资源管理 模块负责将用户请求映射为网络资源的分配和调度，流量预测模块将两者联系 起来，使现有网络资源满足更多用户的q o s 要求： ( 2 ) 集中式与分布式相结合f 2 0 j ：策略管理、s l a 管理、流量预测、网络 规划、网络配置、安全管理和计费模块对网络资源进行集中的调配管理，每域 只需设置一个这样的模块；域间交互和接入模块分布于网络各边缘结点；而域 内资源管理和监测模块分布于所有网络结点中； ( 3 ) 静态与动态相结合：用户可以通过s l a 管理模块静态预留资源，也 可以在使用时通过接入模块动态预留；网络配置模块需为所有签订了s l a 的业 务执行静态资源配置，也负责为动态数据流选路；域内资源管理可在网络配置 模块所允许的范围内对各类资源的分配进行微调； ( 4 1 控制平面和数据平面相分离口1 】：参考了智能网的设计思想，只需对 b b 控制软件进行修改，能够快速、方便地引入新业务，对数据平面没有影响； ( 5 ) 良好的稳定性和可扩展性：集中式的网络配置可提高网络的稳定性， 避免分布式网络控制易引起的不断重新调整路由等问题。仅对签订了s l a 的业 务执行集中式显式路由计算，而对于主流“尽力而为”业务仍采用分布式选路， 增强网络可扩展性 一个扩展的b b 实现模块圈构成如下： ( 1 ) 策略管理系统 9 重庆邮电大学硕士论文第二章带宽代理体系结构概述 策略是在高层指导网络或分布式系统行为的一种手段，可反映i s p 的商业 目的。高层策略将映射为低层系统的参数和功能，并可根据网络状态动态修改。 策略控制结构主要包含3 个单元：策略管理工具、策略数据库和策略用户。管 理员使用高级语言定义策略，经认证和静态冲突检测之后，存入策略数据库， 并激发相应的功能组件获取这些策略。 ( 2 ) s l s 管理模块 s l a 管理模块处理b b 与用户或相邻b b 之间的s l a 协商，根据策略和网 络配置模块提供的剩余资源信息等进行s l s 接纳操作，并维持s l s 数据库，便 于流量预测模块生成流量预测矩阵。 ( 3 ) 网络配置模块 网络配置模块根据资源限制、流量趋势、业务q o s 要求、策略和约束条件 等，进行网络物理资源的有效分配，实现方法包括容量分配、选路机制、调度 和缓存器管理方案。网络配置模块具有离线计算功能和在线计算功能。离线计 算功能( 重新) 计算所有标记交换路径，实现全网资源的优化使用。在线计算功 能仅为某些特定的业务请求( 由接入模块输入) 计算标记交换路径，不改变原有 标记交换路径，以提高系统稳定性。根据预测流量以及q o s 要求计算出的标记 交换路径集，包括每条标记交换路径的属性( 带宽、建立和保持优先级、亲和属 性、弹性和适应性) 。对于重要的标记交换路径，应计算备份路径；对于源目 的对之间的标记交换路径集，应计算负荷均衡参数。然后将相应的计算结果传 给入口路由器，并激发标记交换路径建立机制。网络配置模块将剩余网络资源 信息提供给s l s 管理模块，辅助其进行s l s 接纳和协商操作。同时，将网络配 置信息传递给域内资源管理模块，以便其计算实时的剩余网络资源( 以标记交换 路径为单位) 。对标记交换路径进行汇聚，得出每网络端口的p h b 流量，计算 p h b 参数( 即链路调度参数和缓存器管理参数) ，并传给域内资源管理模块。当 网络资源不能满足业务量需求时，通知网络规划模块。其功能可周期性执行， 也可由流量预测模块、域内资源管理模块和接入模块激发。 ( 4 ) 流量预测模块 流量预测模块根据s l s 数据库、流量预测参数和算法模型，计算预测流量 矩阵，传递给网络配置模块。它将面向用户的s l s 管理模块和面向资源的网络 配置模块联系起来，形成一个资源配置循环。这个循环可周期性执行，也可由 事件驱动。 ( 5 ) 域间交互模块 域间交互模块为b b 与用户以及相邻b b 之间的信息交互提供通道。交互 信息包括s l a 协商、动态数据传输请求、d s c p 与p h b 的映射、计费数据、域 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章带宽代理体系结构概述 间链路资源和域间选路信息等。 ( 6 ) 网络规划模块 网络规划模块根据流量估算进行系统硬件资源的配置，提供详尽的网络物 理拓扑结构、链路容量和缓存器容量等信息。当网络容量不能满足业务量需求 时，将由此模块决定是否进行系统扩容等。它是一种长期规划，也可由网络配 置模块激发 ( 7 ) 接入模块 接入模块分布于网络各边缘结点，它处理用户的动态资源请求，根据网络 配置模块提供的标记交换路径信息为准人的请求建立或检索路径，执行负荷均 衡。接收监测系统发来的路径故障或网络拥塞消息，执行流量重分布。当出现 新的业务流量而没有现成标记交换路径时，它将激发网络配置模块的在线计算 功能。当发现网络状态超出它的处理功能时，可激发网络配置功能。它向安全 管理模块发送r s v p 消息的认证和鉴权请求，并接收反馈结果。 ( 8 ) 域内资源管理模块 域内资源管理模块分布于所有路由器中，它根据网络配置模块提供的缓存 器和调度参数设置路由器，确保链路资源在各p h b 之问合理分配。此外，它接 收监测系统的告警信息，在一定范围内动态调整p h b 资源，实现带宽的有效分 配。当网络和流量状况变化使资源管理算法失效时，可激发网络配置功能。 根据网络配置模块提供的配置信息、监测系统汇报的监测数据以及接入模 块的信息，域内资源管理模块实时计算剩余网络资源( 以标记交换路径为单位) ， 并传给接入模块进行接纳控制。接收接入模块传来的计费请求( 包括客户的配置 文件和选择的标记交换路径) ，计算计费成本函数和时延上界，并传给计费模块。 它还向安全管理模块发送c o p s 协议消息的认证和鉴权请求，并接收反馈结果。 ( 9 ) 监测系统 监测系统负责检测网络拓扑、链路负荷状态的变化，可用于实时捕捉网络 性能参数，管理网络拥塞和监测s l s 是否得到保证等，并向相应的模块汇报监 测结果。它必须提供标记交换路径统计信息、流量增长模式和拥塞指示等信息。 其他各模块都可以作为监测系统的客户端，提出监测请求和设置监测门限值。 ( 1 0 ) 计费模块 计费模块根据提供的服务收费，体现公平和效益。根据统计的流量信息、 服务类别、时延上界和负荷函数，计算每次呼叫的计费信息。它还负责统计域 间计费信息，管理计费信息库 ( 1 1 ) 安全管理模块 安全管理模块用来保证信令消息( r s v p 和c o p s 消息) 的正确性，防止非法 重庆邮电大学硕士论文第二章带宽代理体系结构概述 用户对资源的窃取；维护密钥数据库，并为接入模块和域内资源管理模块返回 认证和鉴权结果。 ( 1 2 ) q o s 网络管理系统 q o s 网络管理系统负责管理整个网络，保证网络正常运行。其功能包括性 能管理、配置管理、计费管理、故障管理、安全管理以及q o s 管理，比传统的 电信网管功能更加复杂。 2 2 3 集中式和分布式的资源管理 集中式资源管理 2 0 , 2 3 1 就是将一个网络域内的资源分配、接纳控制等功能集 中在一个b b 上实现，负责收集整个网络域的拓扑信息、资源情况，对每个流 进行接入控制，然后将接入控制的结果通知给边界路由器，边界路由器再对分 组进行处理、发送。 优点： ( 1 ) q o s 控制平面与数据转发平面相分离； ( 2 ) 简化核心网络路由器功能并减轻其负担； ( 3 ) 网络结点无需交换路由状态信息。 缺点： 随着网络规模的扩大，b b 需要对大量的业务流请求进行处理，同时管理越 来越多的资源，对b b 的处理能力提出了更高的要求，而集中式b b 反而限制 了它的可扩展性。 为了解决集中式资源管理的可扩展性问题，提出了分布式资源管理的思想。 分布式资源管理的基本思想就是用多个设备来共同实现资源管理的功能。这些 设备相互协作共同完成资源管理器b b 的功能。这些设备可以是多个b b ，也可 以是边界路由器和一个b b 。多个b b 的实现方法；每个网络域都包括一个核心 b b ( e b b ，c e n t r a lb b ) 和多个边缘b b ( e b b ，e d g e b b ) ，核心b b 保存链路状态数 据库，边缘b b 保存路径状态数据库，共同管理网络资源。每个边缘b b 会负 责它所管理的边界路由器核心b b 的主要工作就是负责域间b b 的通信，以 及与边缘b b 之间的对话，而边缘b b 就专门负责对业务流进行接入控制以及 配置边界路由器边界路由器和一个b b 的实现方法就是将e b b 的功能放到边 界路由器上实现，由边界路由器保存跟本边界路由器相连的所有路径的信息， 由边界路由器对要由此进入的流进行接入控制。 优点：基本上解决了集中式资源管理的可扩展性问题。 缺点： 1 ) 资源管理比较复杂； 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章带宽代理体系结构概述 2 ) 分布式的资源管理使域间的通信更加复杂化。 2 2 4 带宽分配的公平性 d i f f s e r v 网络中，在区域边界微流聚合为流聚集，之后在区域内p h b 的处 理对象是流聚集而非微流，因而同一流聚集内的各微流实质上在共享预留资源。 d i f f s e r v 中的公平性指属于同一流聚集的各微流能享受同等待遇： ( 1 ) 资源总量充足时各微流能充分享用预约资源，达到预期性能； ( 2 ) 有额外资源并允许竞争时各微流能平均分配或按比例分配额外资源； ( 3 ) 资源总量不足时，各微流能按预约资源比例获得相应的降级服务。 影响公平性的因素有： 7 ( 1 ) 各微流特性不同，包括突发程度、是否有末端拥塞机制、流量大小、回 路相应时间、连接时间长短等。 ( 2 ) 服务实现机制，包括传输过程中的各环节 左界分类调节、内部p i - i b 以及是否有反馈控制等。 接纳控制的最终目的是充分利用网络有限资源( 如带宽) 。然而在极限的情 况下，数量众多的、所需带宽较小的网络流占用几乎所有的网络带宽。从而使 得数量较少的、所需带宽较大的、服务优先级较高的网络流得不到必要的带宽 分配，进而被拒绝接纳。这种情况的发生不但会影响网络流的正常接纳，而且 还会进一步地影响整个网络有限资源的合理分配。基于解决上述问题，有人提 出了一种更为公平的分级预留带宽接纳策略刚。 该接纳策略首先对流入控制结点的网络应用流进行带宽需求的分析，确定 每个具体流所需带宽的分布等，级。然后将具体的网络流以对象的形式分发给 所属级的子控制单元，按照各级定义的接纳策略进行各级别的接纳控制，从而 任满足用户需求的前提下，更加合理地分配带宽等网络有限资源。 非预留带宽非分级的接纳策略和预留带宽非分级的接纳策略都是将所有的 网络流从所需带宽的角度看成相同的类型，从而忽视了由于所需带宽大小不同 所带来的对接纳控制策略的影响：事实上，当数量众多的、所需带宽较小的网 络流占用几乎所有的网络带宽时，那些数量较少的、所需带宽较大的、服务优 先级较高的网络流由于得不到必要的带宽分配，而被拒绝接纳。这种情况的发 生不但会影响网络流的正常接纳，而且还会进一步地影响整个网络有限资源的 合理分配。更有甚的，由于网络流本身具有一定的服务时间，因此这些数量众 多的、所需带宽较小的网络流在网络上长时间地滞留，可能会进一步地导致整 个网络的服务失效。 分级预留带宽接纳策略的本质就是让带宽需求处于各级别的网络流可以在 重庆邮电大学硕士论文第二章带宽代理体系结构概述 各自的带宽范围内被合理的接纳。这种分级机制可以保证各级别的网络流之间 不会相互影响，而避免造成诸如非预留带宽非分级的接纳策略和预留带宽非