（计算机应用技术专业论文）区分服务中保障tcp流之间公平性的标记策略研究.pdf

硕+ 学位论文 摘要 随着i n t e r n e t 上的飞速发展，“尽力而为 服务已经不能满足各种不同应用 的要求了。于是i e t f 先后提出了综合服务( i n t s e r v ) 模型和区分服务( d i f f s e r v ) 模 型。由于i n t s e r v 不具备良好的可扩展性，因此单纯的i n t s e r v 无法在i n t e r n e t 中 得到广泛应用。而d i f f s e r v 避免了复杂性，提供了一种具有良好可扩展性的q o s 解决方案，容易在主干网上实现。因此成为近来网络研究的热点。 很多研究已经指出d i f f s e n ，中存在着带宽分配的不公平性问题，这些不公平 性主要表现在两个方面：( 1 ) t c p 流和非响应流( 比如u d p 流) 之间共享带宽的公 平性；( 2 ) 异质t c p 流之间享用带宽的公平性。目前研究者所提出的各种算法在 提高t c p 流之间的公平性都有一定的效果，但是他们都没有同时考虑往返时间 ( r t t ) 、目标速率( c i r ) 、重传超时( i 盯o ) 因素对t c p 流的影响。本文通过研究 d i f f s e r v 模型，改善了边界路由的分组标记策略，提高了t c p 流之间的公平性。 具体来说，本文的主要工作包括如下几个方面： 首先，对当前q o s 的概念进行了概述，指出了i pq o s 的研究现状和研究热 点，并重点介绍了d i f f s e r v 的体系结构、服务类型等基本理论。 然后，研究了影响t c p 流带宽公平共享的重要因素，对d i f f s e r v 中的实现 i pq o s 控制的基本分组标记策略的研究成果及其所面临的问题进行了探讨。针对 t c p 流之间分配带宽时的不公平性问题，本文在时间滑动窗口三色标记器 ( t s w t c m ) 的基础上，提出一种c i r 、r t t 、r t o 感知的三色标记器( c r r t c m ) 。 该标记策略的基本思想是通过改变标记不同颜色的包的概率来改变流带宽的分 布。该标记策略首先在边界节点获取各t c p 流的r t t 、r t o 参数并把这些参数 交给标记器处理，c r r t c m 标记算法再根据这些参数来标记包，它使用各种颜色 包的标记概率与c i r 、r t t 、r t o 参数相关的办法来降低r t t 和r t o 的影响， 同时保证在t c p 流之间根据c i r 成比例公平的分配带宽。 最后，利用n s 2 网络仿真软件对比了改进的算法和t s w t c m 的性能。实验 结果表明，与t s w t c m 相比，c r i h c m 算法保障了各t c p 流的目标速率获取， 并且能够合理的分配剩余带宽，提高了t c p 流之间的公平性。 关键词：服务质量；综合服务；区分服务；确保服务；分组标记策略 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to ft h ei n t e r n e t ，“b e s te f f o r t ”s e r v l c e c a nn o t s a t i s f yr e q u i r e m e n t s o fv a r i o u sa p p l i c a t i o n sa n y m o r e s oi e t fh a dp o p o s e d i n t e g r a t e ds e r v i c e s ( i n t s e r 、，) m o d e la n d 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 ) m o d e l i n s u c c e s s i o n a si n t s e r vd 0n o th a v ea9 0 0 ds c a l a b i l i t y ，t h e f e f o r es i n g l ei n t s e r vm o d e l c a n tw i d e l yu s e di nt h ei n t e f n e t b u td i f f s e r va v o i d st h ec o m p l e x i t y ，p r o v l d e s ag o o d s c a l a b i l i t vo ft h eq o ss o l u t i o n ，a n de a s y t oa c h i e v ei nt h eb a c k b o n en e t w o r k s o d i f f s e r vb e c o m eah o t s p o ti nt h en e 伸o r kr e s e a r c hr e c e n t l y m a n vs t u d i e sh a v ep o i n t e d o u tt h a tt h e r ea r eu n f a i rp r o b l e m so f b a n d w l d t h a l l o c a t i o ni nd i f f s e r v ， t h e s eu n f a i r n e s sm a i n l y e m b o d i e di n w oa s p e c t s ：( 1 ) 。i 。h e f a i r n e s s0 ft h es h a r e d b a n d w i d t hb e t w e e nt h et c p f l o wa n dn o n - r e s p o n s ef l o w 【s u c n a su d pf l o w ) ；( 2 ) t h ef a i r n e s so ft h es h a r e d b a n d w i d t ha m o n gh e t e r o g e n e o u s 1c l ， f l o w s r e s e a r c h e r sh a v ep r o p o s e dv a r i o u sa l g o r i t h m st oi m p r 0 v et h ef a i r n e s sa m o n g t c pf l o w s ，w h i c hh a dac e r t a i ne f f e c t ，b u tt h e yd i d n tc o n s i d e rt h er o u n d t r i p7 n m e ( r t n ，c o m m i t t e dl n f o r m a t i o nr a t e ( c i r ) ，r e t r a n s m i s s i o nt i m e o u t ( r t o ) f a c o r s o n t h ei m p a c to ft c pn o w s a tt h es a m et i m e t h i st h e s i sm a d ear e s e a r c ho n t h em o d e lo t d i f f s e r va n di m p r o v e dt h ep a c k e tm a r k i n gp o l i c yo nt h ee d g er o u t e r s ，皿p r 0 v e d t n e f a i r n e s sa m o n gt h et c p n o w s i ns u m m a r i z e ，t h i sp a p e ri n c l u d e sf o l l o w i n g o u t c o m e s f i r s t l y ，t h i st h e s i sm a d eas u m m a r i z a t i o no ft h ec o n c e p t o fq o s ，a n dp o i n t e do u t t h er e s e a r c ha c t u a l i t ya n dh o t s p o t s o f i pq o s ， t h e ng a v et h ei n t r o d u c t l o n w l t n e m p h a s i so nt h ea r c h i t e c t u r e0 fq o s ，t h et y p e so fs e r v i c e ，a n do t h e r b a s l ct h e o r y 0 i t h ed i f f s e r v s e c o n d l y ， t h i st h e s i s r e s e a r c h e dt h ei m p o r t a n tf a c t o r s ，t h a t a f f e c t e dt h er s h a r i n go f b a n d w i d t ha m o n gt c pn o w s ， a n dd i s c u s s e dt h er e s e a r c h f e s u l t sa n d p r o b l e m so fr e a l i z a t i o no ft h eb a s i cp a c k e tm a r k i n g s t r a t e g yo ft h ei pq o s c o n t o l1 n d i f f s e r v a i ma tt h eu n f a i r n e s sp r o b l e m0 f t h eb a n d w i d t ha l l o c a t i o n a m o n g 。i 。c pf l o w s t h i st h e s i sp r o p o s e dac i r 、r t t 、r t o a w a r et h r e ec o l o fm a r k e r ( c r r t c m ) o n 。h e b a s i so ft h et i m es l i d i n gw i n d o w st h r e ec o l o rm a r k e f ( t s w t c m ) - t h e b a s i ci d e ao f t h em a r k i n gp o l i c yi st oc h a n g et h ed i s t r i b u t i o no fb a n d w i d t ht h r o u g hc h a n g l n g t n e m a r k i n gp r o b a b i l i t yw i t hd i f f e r e n tc o l o r so fp a c k a g e t h i sm a r k i n gp o l l c yg e t s t n e r t ta n dr t op a r a m e t e f so fv a r i o u st c p f l o w sf r o mt h ee d g en o d ef i r s t l y ，a n dt h e n d i s t r i b u t et h e s ep a r a m e t e r st ot h em a r k e rt 0d i s p o s e ，t h ec r r t c m m a r k i n ga l g o r i t l l m m 硕士学位论文 m a r k sp a c k e t sa c c o r d i n gt ot h e s ep a r a m e t e r s ，i tu s e dm a r k i n gp r o b a b i l i t yo fd i f f e r e n t c o l o r s p a c k e t sw h i c hr e l a t e dt oc i r ，r t t ，r t op a r a m e t e r st or e d u c et h ee f f e c to f r t ta n dl t t o s i m u l t a n e o u si t g u a r a n t e e d t h ed i s t r i b u t i o no fb a n d w i d t h p r o p o r t i o n a b l ea n df a i r l yb a s e d0 nt h ec i ra m o n gt h et c p f l o w s f i n a l l y ，w eu s et h en s 2 s i m u l a t i o ns o f t w a r ew h i c hc o m p a r e st h ep e r f o r m a n c eo f t h e i m p r o v e da l g o r i t h m a n dt h et s w t c m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a t c o m p a r e dt ot s w t c m ，t h em a r k i n ga l g o r i t h mg u a r a n t e e da c q u i s i t i o no ft h et a r g e t r a t eo fv a r i o u st c pf l o w sa n dc o u l d0 b t a i nar e a s o n a b l ea l l o c a t i o no ft h er e m a i n i n g b a n d w i d t h ， t h ea l g o r i t h mi n c r e a s e dt h ef a i r n e s sa m o n gt h et c pn o w s k e y w o r d s ：q u a l i t yo fs e r v i c e s ； 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 en ，i c e s ； a s s u r e ds e r v i c e s ； m a r k i n gp o l i c y 区分服务中保障t c p 流之间公平性的标记策略研究 插图索引 图1 1 区分服务核心路由器和边界路由器的功能图6 图2 1 区分服务体系结构示意图1 1 图2 2i p 包头的区分服务标记域一1 2 图2 3 边界节点对包进行调节和分类示意。1 3 图3 1 网络拓扑图。1 9 图3 2 不同r t t 条件下的带宽分配1 9 图3 3 不同c i r 条件下的带宽分配2 1 图3 4 令牌桶结构图2 2 图3 5t s w t c m 体系结构2 3 图3 6t s w t c m 速率估计算法。2 3 图3 7t s w t c m 标记算法2 4 图3 8 入口节点图一2 8 图4 1n s 2 软件结构一3 4 图4 2 利用n s 进行网络模拟的过程3 5 图4 3c r l 玎c m 性能分析网络拓扑图3 7 图4 4 不同目标速度下吞吐量的变化3 7 图4 5c i r 影响下t s w t c m 与c r i 盯c m 的公平性指数对比3 8 图4 6 单流较少时不同r 1 r ，i 吞吐量的变化一3 9 图4 7r 1 盯影响下t s w t c m 与c r i 汀c m 的公平性指数对比3 9 图4 8 单流较多时不同r t t 吞吐量的变化4 0 v 硕十学位论文 附表索引 表1 1 一些应用的q o s 需求2 表2 1a fp h b 组族1 5 表3 1 不公平性实验r i o 参数设置1 9 表4 1c r r 性能分析r 1 0 参数配置3 6 v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：i 确拓 日期：如呕年每月z 苦日 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，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 洒皂 桦辨 日期：加q 拜 譬月z 日 日期：z o 。髀 月z 占日 硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 i n t e r n e t 的飞速发展离不开t c p i p 协议。该协议是a r p a 在7 0 年代中期为了 实现异种网之间的互联与互通，推出的一种联网协议规范和体系结构。时至今日， t c p i p 协议也成为最流行的网际互联协议。这时网络只提供尽力而为( b e s t e f f o r t ，b e ) 的服务。对于所有进入网络的业务流分组，路由器都按照先来先服务 ( f i r s tc o m ef i r s ts e r v i c e ，f c f s ) 的方式进行服务，尽最大努力将i p 包送达目的地， 也就是说所有的数据流公平地竞争网络资源。i p 的尽力而为服务模式在i n t e r n e t 发展中起到了巨大的作用，它很好的满足了文字和静态图像的传输要求， 使得电子邮件( e m a i l ) ，w e b 浏览，文件传输( f t p ) 等成为人们日常生活的一 部分。互联网目前几乎覆盖了全球的每一个角落，其飞速发展充分说明了t c p i p 协议取得了巨大的成功。 但是互联网发展的速度和规模，也远远出乎于几十年前互联网的先驱们制定 t c p i p 协议时的意料之外，他们从未想过互联网会发展到如此的规模，并且仍在 飞速增长。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。i n t e r n e t 已逐步由单一的数据传输网络向数据、语音、图像等多媒体信息的综合传输网演 化，出现了大量的新型业务应用，如i p 电话( i pp h o n e ) 、视频点播( v o d ，v i d e oo n d e m a n d ) 、远程教育( r e m o t ee d u c a t i o n ) 、远程医疗等等，这类基于t c p i p 技术的 业务统称为i p 业务。这些i p 新业务已经从传统的应用系统渗透到了其它通信网 业务领域，如电话网、有线电视网、广播网等。目前，不同的通信网向i p 技术融 合、形成一体化网络的过程正在进行之中，及利用i p 来承载其它任何业务。这说 明数据业务、尤其是i p 业务将占据未来通信网络的主导地位，是未来通信技术的 发展方向。这种发展趋势同时也对现行的i p 技术提出了挑战。 针对传统i p 网络的“尽力而为”服务无法满足多媒体应用和各种用户对网络传 输质量，如通信延迟、传输带宽和数据丢失率等性能指标的不同要求的问题。于 是提出了服务质量( 0 0 s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 【1 3 】的概念，其出发点就是为了能够在 现有的i p 网络上为不同业务级别的业务，尤其是语音、视频等实时性要求很高的 业务，提供一种有效的传输手段来满足数据传输提出的低延时、低抖动等要求。 今天，在飞速发展的网络中按照用户要求提供q o s 服务已经成为一个迫切而 普遍的要求，同时也是i n t e f n e t 发展所面临的重要挑战。计算机网络的q o s 问题 己成为当今国际网络技术最重要、最具挑战的研究领域之一，是目前计算机网络 区分服务中保障t c p 流之间公平性的标记策略研究 中研究与开发的热点问题，并和网络安全与管理、下一代w 曲研究、网格计算等 问题一起并称为新一代计算机网络最重要的核心研究领域之一，对未来网络技术 的研究、应用和发展具有举足轻重的意义。 1 2 服务质量的概述 1 2 1 服务质量的应用需求 随着多媒体技术和高速网络技术的飞速发展，人们越来越多地提出了包括多 媒体通信在内的综合服务要求。传统的分组交换网络采用的t c p i p 协议主要是 为了优化整个网络的数据吞吐量并保证数据通信的可靠性，为了面向非实时的数 据通信( 如e m a i l 的传输) 而设计的。而在当今分布式多媒体应用( 如视频会议、 视频点播、i p 可视电话、远程教育) 不仅包括文本数据信息，还包括语音、动画、 视频等这些类型的多媒体信息。分布式多媒体应用不但对网络有很高的带宽要求， 而且对信息的传输有低延迟和低抖动等要求，同时，这些应用一般能够容忍一定 程度的信息丢失和错误。 表1 1 给出了一些典型应用的q o s 需求【3 】。 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 s 1 0 2 带宽s 1 8 6 坳 端到端延迟2 5 0 m s 端到端抖动 1 m s m p e g 1 s 1 0 2 ( 未压缩的视频) 分组丢失率 s 1 0 。1 1 ( 压缩视频) 带宽 1 g b p s ( 未压缩) 一5 0 0 m b p s ( 无损压缩) 2 0 m b p s ( 有损压缩) 端到端延迟 2 5 0 m s h d t v 端到端抖动 1 m s s 1 0 一2 ( 未压缩的视频) 分组丢失率 s 1 0 。1 1 ( 压缩视频) 由此可见，在当今飞速发展的网络中，多媒体应用技术对网络提出了不同于 数据应用的服务质量要求，需要提供端到端的q o s 控制和保证。目前，按照用户 的要求提供q o s 控制是一个普遍的要求。多媒体信息传输与管理的q o s 技术作 为下一代网络的核心技术之一，是当前计算机网络中研究与开发的热点问题【4 1 。 2 硕：l 学位论文 1 2 2 服务质量的定义 q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) ，即服务质量。r f c 2 3 8 6 【5 】中描述为：q o s 是网络在传输 数据流时要求满足的一系列服务请求，这些服务请求是用户可见的，采用用户可 理解的语言表示的一组参数，具体可以量化为带宽、延迟、延迟抖动、丢失率、 吞吐量等性能指标。此处的服务具体是指数据包( 流) 经过若干网络节点所接受的 传输服务。q o s 反映了网络元素( 比如，应用程序、主机) 在保证信息传输和满足服 务要求方面的能力，分组不仅要到达其预传输的目的地，而且要保证分组的顺序 性、完整性和实时性。因此需要q o s 能够对分组进行合理的排队，对含有内容标 识的分组进行优化，并对其中特定的分组应赋予较高的优先级，从而加速传输过 程，以实现实时交互。提供q o s 保证的网络应该能够按照业务量的类型或者级别 加以区分，并能够依次对各级别进行处理。 q o s 控制的目标是为i n t e r n e t 上的应用提供性能保证和服务区分：性能保证 则要解决诸如带宽、丢失、延迟、延迟抖动等性能指标的保证问题；服务区分是 指根据不同的应用需求为其提供不同的服务。 1 2 3 服务质量的量化指标 通常把延迟、抖动、丢包率、吞吐量、可用性、出错率等作为q o s 的量 化指标，它们对于网络中各种业务也有着不同的影响。 ( 1 ) 延迟( d e l a y ) 是指数据包端到端的时间上的延缓，又可细分为排队延迟 ( q u e u i n gd e l a y ) 、处理延迟( p r o c e s s i n gd e l a y ) 、传播延迟( p r o p a g a t i o nd e l a y ) 、传送 延迟( t r a n s m i s s i o nd e l a y ) 。排队延迟主要是指数据包在路由器的队列中等待发送出 去的时间，这一时间受不同队列管理和队列调度机制的影响，通常为微秒量级到 毫秒量级之间：处理延迟主要指路由器对数据包进行一致性检测，包头检测以决 定转发目的地时所耗费的时间，通常为微秒量级；传播延迟主要指数据包沿链路 到达下一个中继点或者目的地所使用的时间，在广域网中，通常为毫秒量级；传 送延迟是指数据包从队列中到完全发送到输出链路上所用的时间，通常为微秒量 级。 ( 2 ) 抖动( j i t t e r ) 是指同一个流中连续数据包的延迟变化。抖动的产生原 因可能是因为排队，也可能是由于不同的数据包走不同的路径。 ( 3 ) 丢包率：是指一定时间间隔内，某一业务在网络中传输时，被丢失分组 占传输所有分组总数量的百分比。丢包主要是由网络拥塞引起的。 ( 4 ) 吞吐量：吞吐量的主要指标是应用程序可用的带宽大小。吞吐量决定应 用程序可以在网络传输的流量速率，吞吐量主要取决于网络的传送速度。 ( 5 ) 可用性：指当用户需要时，网络即能正常工作的时间占总时间的百分比。 可用性主要是由网络存活性与设备可靠性一起决定的，当然对它起作用的还包括 3 区分服务中保障t c p 流之间公平性的标记策略研究 软件稳定性以及网络演进或升级时不中断服务的能力等其它因素，。 ( 6 ) 出错率：指数据在传送过程当中发生的变化，包括丢失、变异等情况， 以发生错误的数据包数与总的数据包数的比例来表示，或者用发生错误的位数与 总位数的比例表示。 1 2 4 实现服务质量的两种模型 近十年来，研究人员对i p 网q o s 技术展开了坚持不懈的研究，提出了包括 包分类( c l a s s i f i c a t i o n ) 、业务调节( c o n d i t i o n i n g ) 、接纳控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 等 一些理论和解决方案，力求找到实用的q o s 策略优化管理网络资源，使其尽可能 满足多种业务需求。其中，i e t f 先后提出了两种不同的q o s 服务模型：综合服 务模型( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ，i n t s e r v ) 【6 1 和区分服务模型( d i f e r e n t i a t e d s e r v i c e s ，d i f f s en r ) 【7 1 ，用来在不同的场合提供相应的质量保证。 1 2 4 1 综合服务模型 综合服务模型【6 l 规定了网络中各元素如何控制和实现端到端的行为 ( e n d t o e n db e h a v i o r ) ，并为用户提供满意的0 0 s 的总称，i e t f 考虑综合服务模 型的主要出发点是网络的延迟因素，事实上当前衡量q o s 好坏的标准主要是分组 传输延迟。综合服务旨在于将互联网转变为一个健壮的公共信息传输平台，以支 持对0 0 s 要求较为严格的实时业务，为各种应用提供其所要求的端到端的行为保 证，i e t f 为此定义了三种不同等级的q o s 服务，分别是： ( 1 ) 端到端的质量保证型业务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) 【8 l ：用于需要固定时延限制 的应用，该业务通过资源预留为数据流的时延、带宽与丢包率来提供绝对保证， 数据包不会丢失，也不会超过指定的时延界限。 ( 2 ) 控制负载型业务( c o n t r o l l e dl 0 a ds e r v i c e ) 【9 】：用于可变时延限制的应用， 该业务提供相当于无负载网络的服务，大多数的数据包不会丢失，也不会发生排 队延时，但是不提供定量的服务质量保证。 ( 3 ) 尽力而为型业务( b e s te f f o r t ) ：用于无时延限制的应用，实际就是传统的 i n t e r n e t 所提供的业务，该业务不提供任何q o s 保证。 综合服务模型是基于资源预留的，以标准的资源预留协议( r e s o u r c e r e s e r v a t i o np r o t o c o l ，r s v p ) 1 1 0 l 作为实现机制。综合服务模型的最大特点是采用具 有面向连接特性的资源预留设置和控制协议r s v p 作为其信令协议。r s v p 是所 有q o s 技术中最复杂的，在服务保证、资源分配的粒度等方面能提供最高级q o s 。 综合服务的主要优点有： ( 1 ) r s v p 在源和目的地之间可以使用现有的路由协议：r s v p 可通过i p 数据 包来承载，并且具有“软状态 的特点，通过周期性地重传p ：a t h 和r e s v 消息， 协议能够动态地适应网络拓扑的变化。并且如果这些消息得不到及时的刷新， 4 硕十学位论文 r s v p 将释放其预留的资源。 ( 2 ) 能够提供绝对有保证的q o s ：r s v p 运行在从源端到目的端的每个路由器 上，因此可以监视每个业务流，从而防止其消耗的资源比它请求预留的资源要多。 ( 3 ) 能够像支持单播流一样方便地支持多播：r s v p 采用了面向接收者的方 法，它能够识别多播流中的所有接收端，然后发送p a t h 消息给它们。并且它可 以把来自多个接收端r s v p 消息汇聚到一个网络汇聚点上。 综合服务比较适合于网络规模较小、业务质量要求较高的边缘网络。但是综 合服务模型这种基于单个流的、状态相关的机制高度复杂，导致的直接后果是可 扩展性差、鲁棒性差。而且，在纯粹的数据网络的分层结构上实现i n t s e r 、，和r s v p 信令机制及其相关的功能需要大量的投资，需要在遍布世界范围的网络中引入繁 重的软件和硬件修改，实现难度大。这些都严重的妨碍了i n t s e n ，在整个i n t e r n e t 网络，特别是重负荷网络中的应用。其局限性【1 1 】主要表现在： ， ( 1 ) 可扩展性差 r s v p 要求路由器必须保留经过它的每一个单个业务流的状态。而随着流树 木的增加，状态信息的数量将急剧增长，大量消耗路由器的存储空间和处理能力。 ( 2 ) 对路由器的要求高，实现复杂 由于需要进行端到端的资源预留，要求发送端到接收端之间的所有路由器都 支持必要的信令协议。而目前，只有少量的主机产生r s v p 信令，因此综合服务 模型的实施存在于现有网络的兼容性问题。 ( 3 ) 不适合业务量较小的流 目前互联网中绝大多数业务是由业务量较小的突发流构成( 如w 曲应用) ，综 合服务模型在这些应用中显得效率低下。 ( 4 ) 必要的策略控制( p o l i c yc o n t r 0 1 ) 和价格( p r i c i n g ) 机制目前还尚处于发展阶 段，无法付诸应用【1 2 1 i n t s e r 、，由于可扩展性差，鲁棒性差，实现难度大等缺点，其发展逐渐受阻， 单纯的i n t s e r v r s v p 结构实际上无法被业界接受。于是人们希望出现一种新的解 决方案，能够在传统互联网这种“尽力而为一的服务与集成服务提供的针对每个 业务流的复杂机制之间寻找一种折中方案那便是区分服务。 1 2 4 2 区分服务模型 区分服务( d i f f e r e n t i a t e ds e n r i c e ，d i f f s e r v ) 是i e t f 提出的一种基于类的q o s 解 决方案【7 1 。它采用“保持主干网简单性，将复杂性推到网络的边界”的设计原则， 其目的是在传统的i p 分组交换网上为用户提供较大粒度的服务质量保证，以满足 实际应用对可扩展性的要求，其实现途径是： 5 区分服务中保障t c p 流之间公平性的标记策略研究 ( 1 ) 简化网络内部节点的服务机制。内部节点是状态无关的，在网络的内部 节点只进行简单的调度转发，而边界节点进行流状态信息的保存和流监控机制的 实现等。 ( 2 ) 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 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，边界节点根据用户的流规格( p r o f i l e ) 和资源预留信息将进入网络的 分组分类、整形、聚合为不同的流聚集，并将处理结果信息存储在每个i p 包头的 d s ( d i f f e r e n t i a t e ds e i c e sc o d e p o i n t ，d s c p ) 【1 3 l ，d s c p 用于指示分组在网络转发路 径的中间节点上应该被处理的方式；内部节点的主要任务是根据包头的d s c p 对 其采取相应的调度转发服务，其外特征称为逐跳行为( p e 卜h o p b e h a v i o r ，p h b ) 。 网络边界对单流做分类聚合，对为网络内部的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 包头内的d s c p 协同起来。 区分服务建立在一个简单的模型之上，其实现的主要机制是流量调节和基于 p h b 的转发。图1 1 表示了区分服务的边界路由器和核心路由器在分组处理过程 和内部组成元素所执行的功能。分组通过入口路由器进入网络。每个分组首先经 过一个分类器，它和计量器相结合决定下一步对分组采取的行动。计量器测量分 组是否符合服务供应商和客户之间约定的服务规格。接下来，标记器将分组的d s 字段标一记为d s c p 。在进入核心网络之前，还需对流量进行适当的调节( 整形或 丢弃 l 。核心路由器包含了一个简单的分类器，决定对分组采取何种p h b ，然后 将所有属于同一行为聚合体的分组在队列管理中按相同的方法处理。 ?7 、- 、。 悝喝 图1 1 区分服务核心路由器和边界路由器的功能图 区分服务体系除了实现简单以外，还具有以下特点： ( 1 ) 便于实现 大部分实现复杂度都转移到网络的边缘上，而在网络的核心只需实现最简单 的服务保证机制。更为重要是区分服务模型通过约定的d s c p 值来表示不同的服 务等级，从而只需在网络便于进行用户服务请求到d s c p 的映射，免去了在网络 的核心节点上显示预留信息的必要，降低了实现的复杂度。同时区分服务模型具 6 硕：卜学位论文 有层次化的结构，在不同的区域可以有不同的服务提供策略。 ( 2 ) 扩展性好 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，从而大大缓解了可扩展性问题。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 不影响路由 与一些以虚电路方式实现q 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。 1 3 国内外研究现状 目前，在国际上和国内都有许多的研究者在系统地开展i pq o s 控制方面的研 究，其中主要研究集中在q o s 控制模型、i pq o s 控制的关键技术，如队列调度、 队列管理、接纳控制、区分服务分组标记算法等。 ( 1 ) 队列调度算法 队列调度算法是保证网络q o s 的关键技术之一，其主要功能是通过调度策略 来实现网络资源的分配，从而对预留带宽或延时进行较为严格的保证。在i n t s e r 、， 及类似模型中，与接纳控制配合实现严格的q o s 保证。队列调度算法可以分为先 来先服务( f c f s ) 、轮循调度( r r ) 、处理机共享( g p s ) 和随机服务等。队列调度算法 可能在不同环境中有不同的应用。例如，队列调度算法可能被用于隔离恶意业务 流来为正常业务流提供服务质量保证【1 4 j ；队列调度算法还可能用来让用户平等地 共享链路的可用带宽；或者用来实现分级的链路共享等。 【2 ) 主动队列管理 主动队列管理在网络传输控制中发挥着很大的作用，是i pq o s 控制的核心技 术之一，也是实现网络拥塞控制的重要手段。主动队列管理机制在分组到达队列 前端时依据一定的策略和信息决定是否允许该分组进入缓冲队列。主动队列管理 直接涉及到的是节点中的队列缓冲资源，直接影响到的也只是分组丢失率性能， 然而其对系统带宽分配的性能有着不可忽视的影响。合理的系统队列缓冲容量， 对于平衡系统吞吐量和分组排队延迟起着至关重要的作用。如何解决网络带宽资 源的有效、公平分配问题是主动队列管理机制设计的关键。 ( 3 ) 接纳控制 接纳控制使用一种预防性的流量控制手段来实现网络q o s 保障，实施连接接 7 区分服务中保障t c p 流之间公平性的标记策略研究 纳控制的网络需要用户在请求接入网络时的通信量特征和要求的服务质量，然后， 网络根据用户的通信量特征和网络资源的使用情况来决定是否接纳用户的连接请 求。在过去的研究中，提出了许多的接纳控制算法，主要可以分为如下几类：基 于测量的接纳控制机制；基于端到端探测的接纳控制机制：基于带宽代理的接纳 控制机制。 ( 4 ) 区分服务分组标记 在现今异构网络，区分服务体系结构通过对不同应用和不同要求的数据流部 署不同等级的服务，以提供较大粒度的服务质量q o s 保证。不同流之间的公平性 问题是区分服务中的研究热点，而标记策略是提高公平性的有效方法。在近些年 分组标记算法是一个很热门的研究课题。标记算法的核心就是：首先测量聚集流跟 服务规格s l a 是否一致，低于服务规格的聚集流分组将会被标记成低丢弃优先级， 在核心将会受到高等级的服务；高于服务规格的聚集流分组将会被标记成高丢弃 优先级，在核心将会受到低等级的服务。区分服务中的分组标记算法是网络q o s 控制体系中的重要研究点，同时也是本文的核心内容。 1 4 研究热点 与综合服务相比，区分服务模型较好的解决了综合服务模型中的规模性问题， 容易在主干网上实现，以及简单性和可扩展性等特点，因此区分服务被认为是下 一代i n t e r n e tq o s 结构的基础，成为i pq o s 的研究热点。 而在区分服务模型中，与带宽共享的公平性问题成为近期研究的热点。区分 服务模型根据预先确定的规则对数据流进行分类，将多种应用数据流综合为有限 的几种数据流等级即流聚集，然后将每个流聚集作为一个整体进行传输处理。区 分服务让同一流聚集内的微流共享预留资源，实现了服务质量控制的简单化，但 同时也带来了公平性问题，而在资源共享环境中，各共享者之间的公平性问题是 无法避免的。具体的区分服务的公平性问题的研究热点包括以下两个方面： ( 1 ) 异质t c p 流之间享用带宽的公平性。由于各t c p 流特性不同，包括回路 响应时间r 1 t 、目标速率、包的大小、汇聚流中包含的单流数量等的原因，使得 各t c p 流在享用带宽时无法达到公平1 1 5 r 7 1 。 ( 2 ) t c p 流和u d p 之类的非响应流之间共享带宽的公平性。由于各流聚集的 微流数量、分组长度和预定带宽的不同的流聚集在共享资源时会带来不公平【1 8 2 们， 最根本的原因主要是由于t c p 流采用了拥塞控制机制，对丢包很敏感，特别是当 有多个包被连续丢弃时，其发送速率会大大降低；而u d p 流之类的非响应流缺乏 拥塞控制机制，在网络拥塞时，其发送速率不会因为丢包而降低。 目前研究者所提出的各种算法在提高异质t c p 流之间的公平性上都有一定 的效果，但问题是他们都没有综合考虑各种因素对带宽分配的影响。本文将重点 8 硕士学位论文 研究响应时间( r t t ) 、重传超时( 1 汀o ) 、目标速率因素对异质t c p 流之间分配额外 带宽的影响，并提出相应的算法。 1 5 论文主要研究内容 本文重点研究了区分服务确保转发服务( a f ) 的i pq o s 控制策略中的边界节 点的标记策略以及影