（计算机应用技术专业论文）linux环境下qos系统的研究与实现.pdf

桂林理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着网络规模的飞速发展，传统的p 网络仅提供“尽力而为”( b e s te f f o r t ) 的服务，对口包传递的可靠性和时延不提供任何保证，这对只要求准确率而对时延没有 严格要求的数据业务来说是足够的，而对日益增长的实时业务和多媒体业务，其服务质 量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 是难以保证的。传统的口网络没有服务质量保证的弱点已经 显示出来，因而q o s 问题己成为目前m 网络面临的最重要最复杂的问题。 本设计采用三星公司基于a r m 9 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 4 0 微处理器。同时，因为代码开 源、易于裁剪以及可移植性强等特点而选用了l i n u x 操作系统，根据l i n u xt c p i p 协议 栈框架，在l i n u xt c ( t r a f f i cc o n t r 0 1 ) 的基础上设计了一个具体的q o s 系统，实现对实时 业务的优先处理。q o s 系统由三个模块组成：命令解析模块、过滤器模块和 r t w r r ( r e a l t i m ew e i g h t e dr o u n dr o b i n ) 调度模块，命令解析模块将用户传递进来的配 置信息填充到数据包中，并将数据包发送至内核，内核再对其进行参数解析，根据参数 执行相关的r t w r r 操作：过滤器用于为数据包分类，决定它们按照何种队列规定 ( q u e u e i n gd i s c i p l i n e s ) 进入队列；r t w r r 模块是本系统的主要模块，这个模块通过改进 的w r r ( w e i g h t e dr o u n dr o b i n ) 调度算法叫t w r r 调度算法来对链路带宽的资源进 行分配和管理，实现不同级别的业务服务。 本文使用安装有r e d h a t9 0 的p c 作为开发主机，并在其上安装交叉编译工具，构 建交叉编译环境，并分析了l i n u x2 6 的内核特点，通过修改l i n u x 内核中与硬件平台相 关的代码，成功实现了l i n u x2 6 向$ 3 c 2 4 4 0 开发板上的移植，给出了详细的移植过程。 根据论文设计的方案，利用测试软件针对优化后的q o s 系统进行测试，测试结果表 明所设计的q o s 方案可以优先处理网络中对传输延迟有较高要求的实时业务，当网络中 没有实时数据时，再通过为不同业务流分配不同的权值，实现对每个服务等级输出带宽 的控制，改进了特定用户的网络服务质量。 最后，对本论文所做的工作加以总结，并提出今后研究的方向。 关键词：服务质量，l i n u xt c ，r t w r r ，$ 3 c 2 4 4 0 桂林理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r ks c a l e ，t h et r a d i t i o n a li p n e t w o r ko n l yp r o v i d e st h es e r v i c eo fb e s te f f o r t ，i td o e sn o tp r o v i d ea n yg u a r a n t e et ot h e r e l i a b i l i t ya n dd e l a yo fi pp a c k a g et r a n s m i s s i o n i ti sa p p r o p r i a t ef o rt h ed a t as e r v i c ew h i c h o n l yr e q u e s t sa c c u r a t ea n dh a sn os t r i c tr e q u i r e m e n t so nt h ed e l a y , a n di sd i f f i c u l tt og u a r a n t e e t h eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) f o rt h eg r o w i n gr e a l - t i m es e r v i c ea n dm u l t i m e d i as e r v i c e t h e w e a k n e s so ft h et r a d i t i o n a li pn e t w o r kw h i c hd o n th a v eg u a r a n t e et oq u a l i t yo fs e r v i c eh a s b e e nd e m o n s t r a t e d t h u st h eq o sh a sb e c o m et h em o s ti m p o r t a n ta n dc o m p l e x p r o b l e mi nt h e p r e s e n ti pn e t w o r k t h es y s t e mu s e das a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0m i c r o p r o c e s s o rb a s e do nt h ea r m 9 2 0 tc o r e a t t h es a m et i m e ，t h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e mw a ss e l e c t e d ，b e c a u s eo fi t so p e ns o u r c ec o d e ，e a s y t o t a i l o r , p o r t a b i l i t ya n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c sa c c o r d i n gt ot h ef r a m e w o r ko fl i n u x b a s e d t c p 口p r o t o c o ls t a c k as p e c i a lq o sc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e db a s e do nt h el i n u xt c ，t h e s y s t e mi m p l e m e n t e dt h ep r i o r i t yp r o c e s s i n gf o rt i m e - b a s e ds e r v i c e t h es y s t e mc o n s is t so f t h r e em o d u l e s ，w h i c ha r ec o m m a n dp a r s i n gm o d u l e ，f i l t e rm o d u l ea n dr t w r rs c h e d u l e m o d u l e t h ec o m m a n dp a r s i n gm o d u l ep r e s e r v e st h ec o n f i g u r a t i o ni n f o r m a t i o nw h i c hi s t r a n s i t e db yu s e ri nt h ef i l t e r , a n dc o o p e r a t e sw i t ht h er t w r rm o d u l et oc a r r yo nd if f e r e n t p r o c e s s i n gt o t h ed a t ap a c k e t t h ef i l t e rm o d u l ec l a s s i f i e sd a t ap a c k e t sa n dd e c i d e st h e q u e u e i n gd i s c i p l i n ea c t i o nt h a tt h e ye n t e rt h eq u e u e r t w r rm o d u l ei st h em a i nm o d u l eo f t h es y s t e m ，a n di n v o k e sr t w r rs c h e d u l ea l g o r i t h m 一t h ei m p r o v e dw r rs c h e d u l ea l g o r i t h m w h i c ha l l o c a t e sa n dm a n a g e st h er e s o u r c eo fl i n kb a n d w i d t ht oi m p l e m e n tt h ed i f f e r e n tr a n k s e r v i c e i nt h i s a r t i c l e ，ap cw i t hr e d h a t9 0w h i c hi st a k e nt ob et h eh o s tc r o s s c o m p i l e t o o l - c h a i n si si n s t a l l e do nt h eh o s tt oc o n s t r u c tc r o s s c o m p i l ee n v i r o n m e n t t h ec o n t e n t s t r u c t u r ei sa n a l y z e da n du b o o ti sp o r t e dt ot h e $ 3 c2 4 4 0d e v e l o p m e n tb o a r d ，l i n u x2 6 k e m e li sa n a ! y z e d c o d e si nl i n u xw h i c ha r er e l a t e dt ot h eh a r d w a r ep l a t f o r ma r em o d i f i e d a n dt h ek e m e li sp o r t e ds u c c e s s f u l l y t h e p o r t i n gp r o c e d u r e i sl i s t e di nd e t a i l a c c o r d i n gt ot h ed e s i g ns c h e m e so ft h ea r t i c l e ，t h eo p t i m i z a t i o nq o sc o n t r o ls y s t e mi s t e s t e db yt h et e s t i n gs o f t w a r e t e s tr e s u l ts h o w st h a tt h ed e s i g ns c h e m eo fq o sc a n p r e f e r e n t i a l l yp r o c e s st h er e a l t i m es e r v i c ew h i c hh a sh i g hr e q u i r e m e n t sf o rt r a n s p o r td e l a yi n an e t w o r k w h e nt h e r ei sn or e a l - t i m ed a t a ，v a n da s s i g nd i f f e r e n tw e i g h t sf o rv a r i o u st r a f f i c f l o w st oc o n t r o lt h eo u t p u tb a n d w i d t ho fd i f f e r e n ts e r v i c el e v e ls oa st oi m p r o v et h eq u a l i t yo f t i 桂林理工大学硕士学位论文 s e r v i c ef o rs p e c i a lu s e r f i n a l l y , t h ew o r ko ft h i sa r t i c l eh a sb e e ns u m m a r i z e d ，a n dt h eo r i e n t a t i o nf o rf u t u r ew o r k h a sb e e np r o p o s e d k e yw o r d s ：q o s ，l i n u xt c ，r t w r r , $ 3 c 2 4 4 0 i l l 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对论文的 完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者( 签字) ：茎鍪塑塑 签字同期：二丛生五4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解( 学校) 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印刷本和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权( 学 校) 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，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。( 保密的学 位论文在解密后适用本授权书) b0夕 扬夕 q 莎 雾 磐眺 璁 日斟登 丽 研日 灸o r 名 f 签铂 者 扩 雠 跏 文 蜘埘瑚似钥 桂林理工大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 随着计算机网络的高速发展，越来越多的网络接入因特网。i n t e m e t 无论从规模、覆 盖范围和用户数量上都拓展得非常快。越来越多的用户使用i n t e m e t 作为数据传输的平 台，开展各种应用。同样地，服务提供商也希望通过新业务的开展来增加收益。 网络发展同新月异随着口网络上新应用的不断出现，对口网络的服务质量也提出 了新的要求，例如v o i p ( v o i c eo v e r 口) 、语音等实时业务就对报文的传输延迟提出了较 高要求。如果报文传送延时太长将是用户所不能接受的，相对而言e m a i l 和f t p 业务 对时问延迟并不敏感，为了支持具有不同服务需求的语音视频以及数据等业务，要求网 络能够区分出不同的通信进而为之提供相应的服判。传统p 网络的尽力服务不可能识 别和区分出网络中的各种通信类别而具备通信类别的区分能力。正是为不同的通信提供 不同服务的前提，所以说传统网络的尽力服务模式已不能满足应用的需要。q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ) 服务质量技术的出现便致力于解决这个问题，同时也解决网络中拥塞的问题。 1 1 1 传统的数据包传递业务 传统的d 网络无区别地对待所有的报文，路由器处理报文采用的策略是先入先出 f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ) ，它依照报文到达时间的先后顺序分配转发所需要的资源。 所有报文共享网络和路由器的带宽等资源，至于得到资源的多少完全取决于报文到 达的时机。这种服务策略称作“尽力而为 ( b e s te f f o r t ) ，它尽最大的努力将报文送到目 的地，但对分组投递的延迟、延迟抖动、丢包率和可靠性等需求不提供任何承诺和保证。 传统的b e s t e f f o r t 服务策略只适用于对带宽、延迟性能不敏感的w w w 、文件传输、 e m a i l 等业务。 1 1 2 传统网络面临的服务质量问题 传统网络所面临的服务质量问题，主要是由网络拥塞引起的。所谓拥塞，是指由于 供给资源的相对不足而造成服务速率下降( 引入了额外的延迟) 的一种现象。在因特网 分组交换的复杂环境下，拥塞极为常见。以下图中的两种情况为例： 桂林理工大学硕士学位论文 一 1 0 0 1 0 0 m e 图1 1 流量拥塞示意图 分组流从高速链路进入路由器，由低速链路转发出去；分组流从相同速率的多个接 口同时进入路由器，由一个相同速率的接口转发出去。如果流量以线速到达，那么就会 遭遇资源的瓶颈而导致拥塞。不仅仅是链路带宽的瓶颈会导致拥塞，任何用以正常转发 处理的资源的不足，如可分配的处理器时间、缓冲区、内存资源的不足，都会造成拥塞。 此外，在某个时间内对所到达的流量控制不力，使之超出了可分配的网络资源，也是引 发网络拥塞的一个因素。拥塞可造成以下影响： 1 拥塞有可能会引发一系列的负面影响； 2 拥塞增加了报文传输的延迟和延迟抖动； 3 过高的延迟会引起报文重传； 4 拥塞使网络的有效吞吐率降低，造成网络资源的损害； 5 拥塞加剧会耗费大量的网络资源( 特别是存储资源) ，不合理的资源分配甚至可 能导致系统陷入资源死锁而崩溃。 可见，拥塞使流量不能及时获得资源，是造成服务性能下降的源头，然而在分组交 换以及多用户业务并存的复杂环境下，拥塞又是常见的，因此必须慎重加以对待。 1 1 3q o s 解决方案的提出 目前解决以上的问题有如下的解决方案： 1 升级链路增加网络带宽：最有效，最贵： 2 先转重要的包：对不同包分成不同的优先级，然后根据优先级的不同进行转发数 据包； 3 压缩2 层帧( 花费时间) ； 4 压缩3 层i p 包头。 增加网络带宽是解决资源不足的一个直接途径，然而它并不能解决所有导致网络拥 塞的问题1 2 】。解决网络拥塞问题的一个更有效的办法是增加网络层在流量控制和资源分 配上的功能，为有不同服务需求的业务提供有区别的服务，正确地分配和使用资源。在 进行资源分配和流量控制的过程中，尽可能地控制好那些可能引发网络拥塞的直接或间 接因素，减少拥塞发生的概率；并在拥塞发生时，依据业务的性质及其需求特性权衡资 2 桂林理工大学硕士学位论文 源的分配，将拥塞对网络的影响减到最小。 1 2 课题的研究现状和意义 对计算机网络q o s 的研究可以追溯到2 0 世纪8 0 年代初期，但直到2 0 世纪8 0 年代 末，分布式多媒体应用的急剧增加，才开始对q o s 进行了系统的研究。一些试验性的系 统也随之产生，比较有代表性的是英国兰开斯特大学的q o s a 工程，美国哥伦比亚大学 的扩展的集成化参考模型( x i w ) 系统，国际合作项目t i n a c 工程，美国加州伯克利大 学t e n e t 工程，i b m 公司黑森伯特欧洲网络中心的h e i p r o j e c t 工程等。 目前国际上从事口网络q o s 标准研究的主要组织有：i t l t ( 国际电信同盟) 、 i e t f ( - v 程任务组) 、e t s i ( 欧洲标准化组织) 等。其中i e t f 在1 9 9 7 年9 月开始制定了 有关q o s 定义和服务的一系列r f c 标准。 针对i pq o s 这一问题，主要提出了如下的几个解决方案： 1 i e t f 提出的集成服务模型i n t s e r v ( i n t e r g r a t e ds e r v i c e s ) 2 i e t f 提出的区分服务模型d i f f s e r v ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 3 i n t s e r v 与d i f f s e r v 结合的方式 4 m p l s 技术 5 o o s 路由 目前，在高速网络中按照用户的要求提供q o s 控制已成为一个普遍的要求，通过对 q o s 的研究，可以提高网络效率，降低网络成本。运营商通过q o s 机制，根据不同用户 对服务质量的不同要求，提供多种有区别的服务，可以提高用户的满意度，同时提高网 络运营商的收益【3 】。计算机网络的q o s 问题已经成为当今网络研究领域内最重要的研究 课题之一，对未来网络技术的研究，应用及发展具有举足轻重的意义。 1 3 本文所做的工作 本文首先分析了传统网络所面临的服务质量问题，并在其基础上引出了q o s 解决方 案，然后介绍了q o s 机制，分析q o s 的两种体系结构：综合服务和区分服务，接着阐 述了l i n u x 下的q o s 机制，分析了其实现原理。在软件设计和开发方案上，采用了高度 模块化和易于向其他平台移植的l i n u x 操作系统，在l i n u xt c 下设计了一个q o s 系统， 详细规划了系统的三个实现模块：命令解析模块、过滤器模块和r t w r r 调度模块，其 中r t w r r 调度模块是本系统的核心模块，采用r t w r r 调度算法对数据包进行出队调 度，从而实现了对实时数据的优先处理，对非实时数据则根据权值进行带宽分配，以比 较平滑的方式调度输出业务。在硬件平台上，本文采用以a r m 9 2 0 t 的三星$ 3 c 2 4 4 0 微 处理器为核心的开发板，并详述了系统移植过程。最后用测试软件对系统进行了测试， 桂林理工大学硕士学位论文 得到了预期的效果。 本文共分六章，安排如下： 第1 章：一绪论。介绍了本课题的研究背景、研究现状和意义，并对本文的章节作了 安排。 第2 章：q o s 概述。介绍了两种q o s 体系结构：综合服务体系和区分服务体系，并 对l i n u x 下的q o s 机制进行了分析。 第3 章：l i n u x 下o o s 系统的设计。详细设计了系统的三大模块：命令解析模块、 过滤器模块和r t w r r 调度模块，着重介绍了r t w r r 调度模块的设计。这是本文的重点章 节。 第4 章：系统在$ 3 c 2 4 4 0 上移植和实现。包括开发板引导代码b o o t l o a d e r 的移植和 l i n u x 内核的移植。 第5 章：测试。介绍了基于s 3 c 2 4 4 0 的q o s 系统的具体测试方案及结论。 第6 章：总结及未来工作的展望。 4 桂林理工大学硕士学位论文 2 1 q o s 的基本介绍 第2 章q o s 概述 q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) ，即服务质量。它有多种等价或者互补的定义形式。这些不 同的定义形式在描述q o s 的时候，侧重点各有不同。我们仅以r f c 2 2 1 6 当中的q o s 的 概念为例，对q o s 定义进行说明。 有r f c 2 2 1 6 当中是这么定义的：用带宽、分组延迟和分组丢失率等参数描述的关于 分组的传输质量。进一步，r f c 2 2 1 6 还定义了网络元素( n e t w o r ke l e m e n t ) 、流( f l o w ) 、服 务( s e r v i c e ) 、行为( b e h a v i o r ) 、特性化( c h a r a c t e r i z a t i o n ) 以及相应的流量规范( t r a f f i c s p e c i f i c a t i o n ，t s p e c ) 、服务要求规范( r e q u e s ts p e c i f i c a t i o n ，r s p e c ) 等q o s 相关的概念。 i e t f 规定，网络元素是指任何一个可在i n t e m e t 网络中处理数据分组的构件，它具 有在数据通过时进行q o s 控制的能力【4 】。网络元素包括路由器，子网，端主机的操作系 统等。流指的是具有相同q o s 要求和服从同一q o s 控制方法的通过某个网络元素的分 组的集合。服务描述的是网络元素的q o s 控制能力，它包括规范和功能两部分。行为是 指与q o s 相关的端到端的性能，它是应用直接可见的由服务提供的最终结果。t s p e c 是 要求服务提供的流量描述，它实际上是一份数据流和网络元素提供的服务之间的合同。 r s p e c 是用户对路由器等网络元素提出的q o s 要求。 基于上述概念的定义，i e t f 把q o s 定义为一个两维空间： ， 服务类型和参数类型都用整数来表示。其中，前者的取值范围是 1 ，2 5 4 】，其中， 只有f 2 ，1 2 7 被用来定义各种服务，1 和 1 2 8 ，2 5 4 都被保留。参数类型的取值范围也是 1 ，2 5 4 ，其中 1 ，1 2 7 是保留区间，专门用于指定那些供所有服务公用和共享的参数。 区间 2 ，2 5 4 由服务规范的设计人员给定，只针对相应的服务类型【5 】。 q o s 通常用带宽、时延、时延抖动和分组丢失率来衡量，q o s 的关键指标主要包括： 可用性、吞吐量、时延、时延变化( 抖动) 和丢包率。 1 可用性 可用性是当用户需要时，网络即能工作的时间百分比。可用性主要是设备可靠性和 网络存活性相结合的结果。 2 吞吐量 吞吐量是在一定时间段内对网上流量的度量。根据应用和服务类型，服务水平协议 ( s l a ) 可以规定承诺信息速率( c 取) 、突发信息速率( b i n ) 和最大突发信号长度。承诺信息 速率是应该予以严格保证的，对突发信息速率可以有所限定，以在容纳预定长度突发信 号的同时容纳从话音到视频以及一般数据的各种服务。一般讲，吞吐量越大越好【6 】。 桂林理工大学硕士学位论文 3 时延 时延是指一项服务从网络入口到出口的平均经过时间。许多服务，特别是话音和视 频等实时服务都是高度不能容忍时延的。当时延超过2 0 0 2 5 0 毫秒时，交互式会话是非 常麻烦的。为了提供高质量话音和会议电视，网络设备必须能保证低的时延。 产生时延的因素很多，包括分组时延、排队时延、交换时延和传播时延。传播时延 是信息通过铜线、光纤或无线链路所需的时间【7 1 。在任何系统中，传播时延都是存在的。 4 抖动 抖动是指同一业务流中不同分组所呈现的时延差异。抖动主要是由于业务流中相继 分组的排队等候时间不同引起的，是对服务质量影响最大的一个问题。某些业务类型， 特另0 是音频和视频等实时业务是极不能容忍抖动的。分组到达时间的差异将在话音或视 频中造成断续。所有传送系统都有抖动，只要抖动落在规定容差之内就不会影响服务质 量【8 】。利用缓存可以克服过量的抖动，但这将增加时延，造成其他问题。 5 丢包 丢包时不管是比特丢失还是分组丢失，对分组数据业务的影响比对实时业务的影响 都大。在通话期间，丢失一个比特或一个分组的信息往往用户注意不到。在视频广播期 间，这在屏幕上可能造成瞬间的波形干扰，然后视像很快恢复如初。但分组丢失多了， 会影响传输质量。 2 20 0 s 体系结构 随着互联网的飞速发展和网络业务的极大丰富，互联网将成为承载多种业务、服务 于多类用户群体的公共信息传输平台。但是由于p 协议固有的无连接特性和传统口网 络“尽力而为”的服务原则，传统互联网无法向用户提供有效的服务质量保障，也不能 实现网络资源的有效监控和管理。这种状况严重阻碍了互联网向纵深方向发展【9 】o 近十 年来，国内外专家学者对d 服务质量开展了坚持不懈的研究，提出了一系列理论和解决 方案。当前的d 服务质量体系结构主要有i e t f 建议的集成服务( i n t s e r v ) 体系和区分服 务( d i f f s e r v ) 体系。 2 2 1 综合服务( i n t s e r v ) 体系 综合业务( i n t s e r v ) 体系的基本思想是“所有的流相关状态信息应该是在端系统上”。 它所使用的资源预留( r s v p ) 协议是一种预留资源的信令协议。发送端给接收端发送一个 p a t h 消息，以指定通信的特性。沿途的每个中间路由器把p a t h 消息转发给由路由协 议决定的下一跳。当收到一个p a t h 消息时，接收方做出的反应是用一个r e s v 消息为 该流请求资源。沿途的每个中问路由器可以拒绝或接受r e s v 消息请求【1 0 1 。如果请求被 拒绝，路由器将发送一个出错消息给接收方，并且中断信令的处理过程。如果请求被接 6 桂林理工大学硕士学位论文 受，为该流分配链路带宽和缓冲区空间，并且把相关的流状态信息装入路由器中。 除了最佳效果业务外，综合业务模型还新定义了两种服务类型：( 1 ) 保障型 ( g u a r a n t e e d ) 业务，用于需要固定时延限制的应用：( 2 ) 预测型( p r e d i c t i v e ) x _ l k 务，用于可能 需要时延限制的应用。实现保障型业务和预测型业务的定义分别在保障型业务r f c 2 2 1 2 和控制负载( c o n t r o l l e dl o a d ) 业务r f c 2 2 1 1 中。这一模型的思想是“为了给特定的客户 包流提供特殊的q o s ，要求路由器必须能够预留资源。反过来要求路由器中有特定流的 状态信息”i j 。 1 i n t s e r v 综合体系的优缺点 综合业务体系的优点是： 1 ) 能够提供绝对有保证的q o s 。详细的设计使r s v p 用户能够仔细地规定业务种类。 因为r s v p 运行在从源端到目的端的每个路由器上，因此可以监视每个流，以防止其消 耗比它请求、预留和预先购买的要多的资源； 2 ) r s v p 在源和目的地间可以使用现有的路由协议决定流的通路。r s v p 使用m 包 承载，使用“软状态 的概念，通过周期性的重传p a t h 和l 迮s v 消息，协议能够对网 络拓扑的变化做出反映。正如p a t h 和r e s v 刷新用来更改该预留的流的通路那样，没 有了这些消息时，r s v p 协议释放与之关联的资源； 3 ) 设计综合模型开始的目的之一就是使得q o s 能够工作在从一个源到一个目的地 ( u n i c a s t ) 和从一个源到多个目的地( m u l t i c a s t ) 。r s v p 协议能够让p a t h 消息识别多播流的 所有端点，并发送p a t h 消息给它们【l2 1 。它同样可以把自每个接收端的r e v p 消息合并 到一个网络请求点上，该点可以让一个多播流在分开的连接上发送同样的流。 综合业务体系的缺点是： 1 ) 伸缩性不好。随着流数目的增加，状态信息的数量成比例上升，占用了大量的路 由器存储空间和处理开销。因此，在因特网核心中这种结构的伸缩性不好； 2 ) 对路由器的要求较高。由于需要进行端到端的资源预留，必须要求从发送者到接 收者之间的所有路由器都支持所实施的信令协议。因此所有路由器必须实现r s v p 、许 可控制。m f ( m u l t i - - f i e l d ) 分类和包调度； 3 ) 对保障型业务需要网络全部使用综合业务。如果中白j 有不支持的节点网络存在， 虽然信令可以透明通过，但实际上对于应用来说，已经无法实现真正意义上的资源顶留， 所希望达到的q o s 保证也就打了折扣【l 3 1 。 2 i n t s e r v 服务质量控制的组件 i n t s e r v 的目的是在基于口的网络中提供服务质量支持。i n t s e r v 的主要设计是在网 络发生拥塞时如何共享可用的网络容量。i n t s e r v 使用具有以下功能的服务质量控制组 件： 1 ) 接纳控制：对于服务质量传输( 而不是默认作尽力而为型传输) ，i n t s e r v 要求对 一个新的流要进行预留。如果网络内的路由器共同认定没有足够的资源来保证所请求的 服务质量，则这个流就不允许进入网络； 2 ) 路由算法：可以基于许多不同的服务质量参数( 而不仅仅是最小时延) 来决定路 7 桂林理工大学硕士学位论文 由的选择。例如路由协议为o s p f 就可以基于q o s 来选择路由； 3 ) 调度算法：i n t s e r v 的一个重要的元素就是有效的排队和调度策略，它考虑不同 流的不同需求； 4 ) 丢弃策略：如果许多数据包在输出端口排队时，当数据包使用完缓冲区之际，数 据包的丢弃策略就是服务质量一个重要元素。 在i n t s e r v 中专门使用服务质量控制服务( q o sc o n t r o ls e r v i c e ) 这一术语，它是指网络 元素所提供的服务质量控制功能协同工作的集合，其中网络元素包括路由设备和端节点。 下面给出路由设备和端节点的服务质量组件的实现。 2 2 2 区分服务( d i f f s e r v ) 体系 1 区分服务( d i f f s e r v ) 在i n t s e r v 体系的发展遭遇巨大障碍的时候，d i f l s e r v 应运而生。事实上，也正是 i n t s e r v 的推动者缔造了d i 腮e r v 从这个意义上讲，两者是一脉相承的，因而使 d i f f s e r v 与i n t s e r v 两者相互结合的思想也就自然地贯穿于d i f f s e r v 的发展中。 d i f f s e r v 的目标在于：简单有效，且满足实际应用对可扩展性的要求。其实现途径 是： 1 ) 简化网络内部节点的服务机制。在内部节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节点进行，内部节点是状态无关的； 2 1 简化网络内部节点的服务对象。采用聚集传输控制，服务对象是流聚集( s t r e a m a g g r e g a t e ) 而非单流，单流信息只在网络边界处保存和处理【1 4 1 。 具体而言，边界节点根据用户对流的轮廓描述和资源预留信息将进入网络的单流分 类、聚合为不同的流聚集，这种聚集信息存储在每个d 包头的d s ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 标记域( f i e l d ) d 尸，称为d i f f s e r v 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 e p o i n t ，d s c p ) ；内部节点 在调度转发口包时根据包头的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 e r - h o p b e h a v i o r , p h b ) 。网络边界对单流作分类聚合和网络内部对聚集流提供 特定质量的调度转发服务，这两个过程是依靠p 包头内的d s c p 联系起来的【l 5 1 。 除了实现简单外，区分服务体系还有以下特点： 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 ) 两级。在d s 域内，服 务提供策略以及p h b 的语义和实现要一致；但d s 区内的各d s 域可以支持不同的p h b 、 有不同的服务提供策略，它们之间通过服务层合约( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ，s l a ) 与传输 调节合约( 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 ) 协调提供跨域服务。这种结构适应了 i n t e m e t 中由各i s p 提供接入服务的商业模式； 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与封装思想，增强了灵活性与通用性。各逻辑模块相 8 桂林理工大学硕士学位论文 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【1 6 】。例如，服务类型与边界调节器( c o n d i t i o n e r ) 矛l 内部p h b 相对独立，使得较少 种类的边界调节器和内部p h b 可进行各种不同的组合而实现多种服务类型；再如，p h b 与其具体实现机制相分离，使p h b 可以在发展中保持相对的稳定，这给商家留下了施展 的天地； 4 ) 不影响路由。与一些以虚电路方式实现q o s 的方案以及服务类型标记方案不同， 区分服务节点处提供服务的手段仅限于队列调度与缓冲管理，不涉及路由选择机制。 2 d i f f s e r v 的体系结构 目前d i 腮e r v 仍在不断发展，其相关概念、模型的定义大多处于讨论阶段。到现在 为止，d i f f s e r v 的体系结构已比较明确，在此基础上有关服务提供的相关问题包括 服务定义、设置、管理等细节也在逐步清晰化。d i f f s e r v 模型从软件工程中概念模型的 角度讨论了在路由器中实现区分服务所需各种模块的组织结构。 区分服务体系结构主要由q o s 资源策略管理器、边缘器件模块和核心器件模块三个 部件构成。q o s 资源管理器允许i s p 规定q o s 策略，即何种业务接受网络所提供的哪一 种服务。这些策略从q o s 策略管理器下载到边缘器件模块和核心器件模块中。边缘器件 模块实际上就是在普通路由器或网关上增加粗略划分业务流的功能，根据i s p 确定的策 略，除了负责基于p e r - f l o w 的分类外，还执行业务整形、计量和标记等功能。在d i f 俗e n ， 子网内部的核心路由器( 即包含d i f f s e r v 核心器件模块的路由器) 采用统一的“逐跳行 为”( p h b ) 进行简单的数据包转发，不考虑流的状态信息。在转发中，服务对象是流的 聚集而不是单独的流，但流的信息需要在边缘路由器中处理、保存和识别。核心网中的 核心器件模块完成可以不考虑d i f f s e r v 功能，只要核心网两侧有d s 域，从这个意义上 说，核心网业务节点采用路由器或a t m 交叉连接设备没有多大差别。 3 区分服务的服务类型 自区分服务概念出现以来，期望服务p s 与确保服务a s 是讨论最为集中的两种典型 服务。最初分别由v a nj a c o b s o n 和d a v i dd c l a r k 提出，文献【l7 】中首次将两者统一在一个 框架中。正是对这两种服务的深入讨论导致了e f 与a f 两种p h b 的产生。 1 ) 期望服务( p r e m i u ns e r v i c e ，p s ) 期望服务为用户提供低延迟、低抖动、低丢失率、保证带宽的端到端( 网络边界到 边界) 的传输服务，是目前所定义的服务级别最高的区分服务种类。“三低一保证”的服 务承诺使得用户可以享受类似专线的服务质量，因而期望服务也称为“虚拟专线”服务。 由于p s 的服务承诺针对用户流的最高速率，资源预留量也根据最高速率计算，因而为 p s 所付出的代价也最昂贵。但p s 并非要取代传统的b e 服务，而是与之共存以提高网 络资源的利用率因为p s 没有用尽的带宽可以分配给其它的流如b e 使用。实际上 p s 流只会占据很小一部分资源。最终结果是，i s p 的收入提高了，资源也不会闲置。 9 桂林理工大学硕士学位论文 由于延迟、抖动、丢失主要由于分组在传送路途中排队所致，因而“三低一保证” 实际上意味着传输流在传送路途中几乎不排队。而在路由器处出现排队的原因是在某些 较短时间段内分组的入速率超过出速率( 即请求速率超过处理速率) 。上述推导的最终结 论是：任何时刻，在p s 流传送道路上的任何节点处都要保证：“p s 分组的入速率小于出 速率”，或更进一步，“总体上的最大入速率要小于最小出速率”。因此，提供这种服务要 确保两点： ( 1 ) 在传送节点处保证p s 流有“良好定义”的最小出速率。“良好定义”意为最小 出速率不依赖于节点状态的动态变化，具体而言，不依赖于此节点处其它流的强度； ( 2 ) 调节p s 流( 通过整形或丢弃) ，以保证它在任何节点处的入速率都小于此处的 最小出速率。 e fp h b 保证前者，后者由边界调节机制实现。 e fp h b 定义为一种逐点行为，它保证任何时候接受此服务的流的离开速率大于或 等于设定速率；而且这种保证不受其它传输流的影响。因而与其它p h b 共存时，e f 总 是优先级最高的。理论上e f 的实现不需要缓冲区，因为任何时候e f 流的入速率总是低 于出速率。但考虑到以下情况，还是需要一定的缓冲区： ( 1 ) 输出链路当前被其它流的分组占用； ( 2 ) 在多个输入链路上同时到达多个e f 包。 在网络边界处，必须对p s 流进行调节以保证其符合约定的流规格，不超过额定最 小出速率。这可以用令牌桶做整形与丢弃来实现。 对e f 模拟测试的结果，表明e fp h b 与边界调节器的适当实现可以得到预期的“虚 拟专线”服务。 2 ) 确保服务( a s s u r e ds e r v i c e ，a s ) 与p s 的相对成熟、稳定相比较，a s 目前仍处于不断改进和发展的阶段。a s 的初 衷是：在网络拥塞的情况下仍能保证用户拥有一定量的预约带宽，使用户摆脱在尽力而 为型时无法把握自己所占带宽量的无奈窘况；所以着眼点是带宽与丢失率，而不涉及延 迟、抖动。服务原则是：无论是否拥塞，保证用户占有预约的最低限量的带宽；当网络 负载较轻而有空闲资源时，用户也可以使用更多的带宽。用户最终实际得到的带宽分为 两部分：预定最小保证值和与其它a s 流或b e 流竞争剩余资源获得的额外带宽。与p s 对带宽的严格承诺不同，a s 着眼于统计性保证，这样可以提高资源利用率并降低价格， 但也弱化了服务质量保证。 对a s 的大量模拟测试表明，a s 的实际服务质量与诸多因素相关，较难达到量化标 准，而更多的是一种较优服务( b e t t e rs e r v i c e )