（计算机系统结构专业论文）基于p2p模式协同设计环境中qos机制的研究与实现.pdf

东南大学硕士学位论文 基于p 2 p 模式协同设计环境中q o s 机制的砌f 究与实现 摘要 随着i n t e r n e t 和网络技术的不断发展，一种新的工作方式计算机支持的仂- 同：r = 作 ( c s c w ) 应运而生。与此同时计算机支持的协同设计( c s c d ) 作为c s c w 系统的一个主 要应用，受到了越来越多地重视。p 2 p 称为点到点技术，在该模式下每个节点的地位都是相 同的，既可以从别的节点处获取服务，同时也可以向其它节点提供服务。正是由- 3 - p 2 p 模 式具有这种所有节点是对等的并且协同完成任务的特征，所以利用p 2 p 模式实现协同设计 系统便成为一种很自然的选择。 在p 2 p 模式的协同设计环境中，协同用户之间传递的数据不再仅仅局限于文本类型， 更多时候传递的是那些具有实时性要求的数据流( 如音频和视频数据) ；同一协同组内的箨 川户所拥有的网络环境和用户需求也具有很大差异。诸如此类的问题，使得目前i p 网络所 能提供的单一服务尽力而为服务己很难满足实际需要，因此迫切希望能在现有的传输机制 的基础上增加一定的q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 机制，以满足各类用户对传输服务质量的不同需 求。 本文首先简单介绍p 2 p 网络和c s c w 系统，并着重分析其对q o s 的需求。接着对现有 的两个q o s 体系结构i n t s e r v 模型和d i t t s e r v 模型进行阐述，说明它们的| r 作原理并对二者 进 i 一定的比较。第三部分则是研究l i n u x 中的q o s 机制，着重介绍l i n u x 中的流鼍控制 机制( f r a f f i cc o n t r o l ，简称t c ) 。通过对上述相关理论的研究和分析，论文给山了基于p 2 p 模式的协同设计环境中q o s 系统总体设计方案，井对相关模块的实现做了具体的描述。最 后，论文总结了研究内容和成果，并根据不足之处提出对未来工作的展望。 关键字：c s c d p 2 p q o s i n t s e r vd i f f s e r v 堡翌查主塑兰堂垡丝茎 量主! 堡堡苎堡旦堡盐芝望! g 堕! ! 型塑堕塑兰茎些 a b s t r a c t a l o n gw i t hi n t e r a c ta n dn e t w o r kt e c h n o l o g yd e v e l o p i n gr a p i d l y ，an e ww o r k i n g m e t h o d c s c wh a sa p p e a r e d a tt h es a m et i m e ，c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v e d e s i g n ( c s c df o rs h o r t ) ，o n eo fm a i na p p li c a t i o n so fc s c w ，g e t sm o r ea n dm o r e a tl e n ti o n p 2 pt e c h n o l o g ya l s oc a nb ec a l l e dp o i n t t o p o i n tt e c h n o l o g y i np 2 pm o d e l e a c hn o d eh a s t h es a m er o l e ：i tc a ng e ts e r v i c e f r o mo t h e rn o d e sa n dc a ns u p p l ys e r v i c e t oo t h e rn o d e ss y n c h r o n o u s l y b e c a u s ep 2 pm o d e lh a st h ec h a r a c t e r i s t i c a l ln o d e s a r et h es a m ea n dc a mf u l f i 儿t a s k se o o p e r a t i v e l y ，t h ep 2 pm o d e lb e c o m e san a t u r a c h o o s ef o r t h ec s c ds y s t e m i nt h ec s c ds y s t e mb a s e do np 2 pm o d e l ，w h i c ht y p eo fd a t ac a nb e t r a n s b it t e d b e t w e e nu s e r si sn o to n l yt e x t ，b u tm o s t yi sr e a l t i b es t r e a ms u c ha sv i d e eo f a u d i o ：e a c hu s e ri nt h es a m ec o o p e r a t i v eg r o u pm a yh a sd i f f e r e n te n v i r o n m e n ta 】1 t h e s ep r o b l a m ss u c ha s t h ea b o v em e n t i o n e d ，m a k e t h eb e s t e f f o r t t r f l n s m i s s i o ns e r v i c e t h eo n l ys e r v i c et y p ew h i c hc u r r e n tn e t w o r kh a s ，c a nn o t s a tis f yt h ea c t u a l a p p l i c a t i o n s n e e d s s o m eq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) m e c h a n i s ms h o u l db ea d d e di n t o e u r r e n lt r a n s m is s i o ns y s t e mi no r d e rt os a t is f yd i f f e r e n tu s e r s n e e d s t h et h e s isf i r s t l yi n t r o d u c e sp 2 pn e t w o r ka n dc s c ws y s t e m ，a n a l y z i n gt h e i fq o s n e e d ss e c o n d l y t h e t h e s i sd e s c r i b e st h em a i n l yq o sb o d e l s i n t s e r va n d d l f f s e r v ，g i v i n gt h e i rp r i n c i p l e sa n dd i f f e r e n c e s a f t e rt h a t ，t h et h e s i sm a i n y r e s e a r c h e st h eq o sb e c h a n i s bi nt h el i n u xs y s t e m ，s p e c i a l l yt h et r a f f i c c o n t r o l t e c h n 0 1 0 9 y ( t cf o rs h o r t ) i na c c o r d i n gt ot h er e l a t e dt h e o r yr e s e a lc h e s a n d a r i a ly s is e s ，t h et h e s isp u t sf o r w a r d st h eo v e r a 1p r o j e c to fi m p l e m e n t i n gq o s p r o t o t y p es y s t e mb a s e do n t h e t h ec s c ds y s t e m u s i n gp 2 p m o d e l t h e ng i v i n ga nd e t a i l e d s u b s y s t e md e s i g n a t1 a s t t h ep a p e rd i s e u s s e st h ec o n c l u s i o na n df ul u r ew o r k s k e y w o r d s ：c s c d ，p 2 p ，q o s ，i n t s e r v ，d i f f s e r v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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 表示了跚意。 研究生签名：盈塑璺日期：塑堕! 童! 颦 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：牺笪 导师签名：日期：碰五，主，箩 查塑丛堂堡堂堕堡兰 基于p 2 p 模式协同设计环境中q o s 机制的删f 究弓实现 1 1 论文研究背景 第一章前言 随着i n t e r n e t 和网络技术的不断发展，一种新的工作方式计算机支持的协同t 作 ( c s c w ) 应运而生。它是一个利用计算机技术、网络与通信技术、多媒体技术、人机接口 技术将时间上分离、空间上分布，而工作上又相互依赖的多个协作成员及其活动有机地组织 起米，以共同完成某一项任务的分布式计算机环境。本论文所基于的上层应用一计算机支持 f 的协同没计( c s c d ) 就是c s c w 技术在产品开发过程的一项具体应用。 c s c w 系统的山现为计算机网络带来许多新的特征。如协同用户之间传递的数据不再 仅仅局限丁- 文本，更多时候传递的是那些具有实时性要求的数据流( 如音频和视频数据) ； 同一协同组内的各用户所拥有的用户环境和网络环境往往差异很大。诸如此类的问题，使得 日前】p 网络所能提供的单一服务尽力而为服务己很难满足实际需求，因此我们迫切磊望 能在现有的传输机制基础上增加一定的q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 机制，以满足粹类用户对传输 服务质量的不同需求。 目前针对q o s 机制业界己做了大量的深层研究，提出许多协议和模型，如r s v p 、i n t s e r v 模型和d i f l s e r v 模型等。然而这些模型在实际应用中都存在一定的局限性。具体表现在1 1 l ： 现有的q o s 机制无法适应系统具有的动态性。现有机制中的o o s 一般具有静态性，即 通信双方或多方一旦协商定q o s 参数，则在随后整个通信过程中，该q o s 参数始终保 持不变。然而在实际环境中，系统则往往具有动态性。具体表现为参加应用者不断变 化，用户可以随时参加或退出应用；通信模型、网络流量特征及不同用户的q o s 需求 等也都是不断变化的。网络方面则表现为可用带宽、缓冲区大小及网络拓扑结构等网 络状态参数的动态变化，并且该变化过程具有一定的随机性。系统所具有的动态性特 征要求q o s 机制能实时地监控网络状态变化，并根据状态变化动态调整策略，即能对 状态变化具有适应肚。显然现有的q o s 机制不能满足上述要求。 现有的q o s 机制对分布环境异构性的适应能力较差。分布环境的异构性主要表现在分 布式应用中，各个节点的软硬件体系结构和数据发送方式可能存在差异。前者表现在 节点可能具有不同的接入速率、主机性能等；后者则表现为节点可能采用组播或单播 发送方式，分布环境的异构性导致现有的q o s 机制可扩展性较差。 由此可见，研究新的对分布式环境具有一定适应性的q o s 机制是十分必要的。 1 2 论文研究目标 本文主要研究目标是针对p 2 p 网络和具体的计算机协同设计环境的特点，根据当前国内 外研究的现状，设计和开发一个适合于现有i n t e m e t 网、便于扩展、灵活且具有动态适性的 q o s 机制，以满足不同用户和应用的不同层次对网络服务质量的要求。 该基于p 2 p 模式的协同设计环境中的q o s 原型系统使用d i f t s e r v 以保证整个系统的网 络性能，满足崩户对丢包率、延时、特别是带宽等网络服务质量参数的要求，具有网络性能 好、实现成本低、易于扩展、易于管理员进行策略配置及修改和易于用户使用等优点。 1 3 论文章节安排 本论文主要是在基于p 2 p 模式的协同设计环境这样的应用背景下，研究q o s 机制中所 涉及的若干主要问题并结合d i f f s e r v 模型，在此基础上实现一个q o s 原型系统。论文章 ! ! ! 堕兰1 1 1 1 1 ：竺兰堡堕兰基于p 2 p 模式协同设计环境中q o s 彤l 制的研究与实现 ”忙安排如下： 第一章前言：主要讲述论文的研究背景、研究目标及内容。 第二章p 2 p 网络及c s c w 系统综述：该章主要分成两个大的部分，第一个部分主要 阐述p 2 p 基本概念及p 2 p 技术的应用领域；第二个部分阐述c s c w 的概念、研究现状及相 关应用。最后着重论述其对q o s 的需求。 第三章q o s 的体系结构：该章主要分成三大部分，第一部分是对q o s 的一般性描述， 包含q o s 定义、研究发展过程、研究现状和q o s 中涉及到的并与本论文实现的原型系统相 关的一些关键技术；第二部分是 n t s e r v 模型的简介，主要包括i n t s e r v 概述、i n t s e r v 的服 务类型、具体的q o s 控制的实现框架及i n t s e r v 的局限性；第三部分是d i f l x d e r v 模型的介坌f ， 主要包括d i f f s e r v 概述、d i f f s e r v 的体系结构、服务类型及d i f f s e r v 与i n t s e r v 模型的比较 第四章l i n u x 中的q o s 机制：介绍l i n u x 内核对流量控制的支持，主要包括t c ( t r a f f i c c o n l r o l ，流量控制机制) 中的排队规则、分类、过滤器及区分服务在l i n u x 上的设计及实现。 第五章q o s 系统的设计和实现：该章主要介绍原型系统的q o s 部分的设计原理、q o s 各模块之间的关系，包括和整个系统其他模块的衔接。介绍系统中功能模块和其实现方法， 主要包括用户q o s 请求模块、q o s 映射模块、接纳控制模块、包标记模块、“n u x 路由器 t c 配置模块、q o s 监控模块、数据包调度模块及协商重协商模块。 第六章系统性能分析：对q o s 原型系统进行测试，并对实验结果进行性能分析。 第匕章论文总结：对论文进行总结性的叙述，并提出了未来工作展望。 2 堑南大学硕i j 学位论文基于p 2 p 模式阱同设计环境中q o s 机制的研究一j 实现 第二章p 2 p 网络及c s c w 系统综述 2 1p 2 p 网络概述 2 1 1p 2 p 定义 p 2 p 是英文p e e r - t o p e e r 的缩写，称为对等网或者点对点技术，是在i n t e r n e t 上实施网络 计算的一种新的计算模型。r o k ut e c h n o l o g i e s 公司将p 2 p 定义成“使个人与个人之问直接 通信成为可能且更便捷的网络结构”。 在p 2 p 网络中所有节点是对等的( 称为对等点) ，各节点具有相同的责任与能力并协同 完成任务。对等点之间通过直接互连共享彼此的信息资源、处理器资源和存储资源等。对等 点既可以是服务器，又可以是客户端，无需象c s 模型那样依赖中央服务器，从而避免了单 点火效性、降低成本并提高了资源的利用率及通信的效率。正因为p 2 p 模矾具有这种1 ，点 对等性及1 ，点之间相互协作共间完成任务的特性，将p 2 p 模式应用到后面即将提剑的协同 设计环境中十分合适。 2 1 2p 2 p 模式优缺点 p 2 p 模式具有如f 优点： ( 1 ) 对等网络中的每个节点的地位是相同的，都能在享受其他节点提供的服务的同时， 向其他。1 ，点提供服务。节点不再仅仅充当服务的消费者，这样有利于用户资源的共享。 ( 2 1p 2 p 网络随着越来越多的对等实体的加入，整个网络所能提供的资源和功能会更加 丰富，性能也就越来越强。 ( 3 ) 由于p 2 p 网络系统中资源均匀分布，从而有效地实现均衡负载、充分利用带宽及 挖掘计算机空闲的计算能力。 但是p 2 p 也有不足之处，具体表现为”j ： ( 1 】与c s 模式相比，不易于管理。传统的c s 网络中整个网络上传播的信息是通过服 务器进行集中控制的，客户机只是简单地在服务器上提取自己所需的资源。因此管埋c s 网络比较容易，只需要注意中心节点( 服务器) 即可。相比而言，管理p 2 p 网络则复杂、 困难地多。因为在p 2 p 网络中对等节点具有极大的主动性，它可以提供任何形式和内容的 共享资源，也可以根据自己的需要到任何其他节点处下载资源；并且对等节点可以随时加入 或退小p 2 p 网络。因此对p 2 p 网络的管理需要综合考虑网络中的每个对等节点，这无疑是 非常复杂凼难地 j 作。 f 2 1p 2 p 软件无限制的资源共享会带来信息泛滥，同时由于p 2 p 网络中所共享的资源内 容缺乏有效地监控，从而使得某些不法份子有机可趁，利用p 2 p 网络火量传播病毒、垃圾 m 刚：或进行非法交易。此外p 2 p 网络也存在一定的安全隐患。据调查，目前几乎所有免费 的即时信息系统都缺乏加密功能，数据以明文形式在f 6 l 络中传播，极易受到监听、篡改等， 安全性难以保证。 ( 3 1p 2 p 使网络变得空前活跃，大多数用户利用p 2 p 网络在计算机之间传送文件，这将 大量吞噬网络带宽，而且大多数用户喜欢传送大体积的m p 3 文件、视频文件，这使得网络 带宽问题更加突出。另外，由于对等节点可以随意地加入或退出网络，会造成网络带宽和信 息存在的不稳定。在p 2 p 网络中研究如何高效地进行q o s 控制成为一个必须解决的问题。 o ) p 2 p 对原有的版权体系造成很大的冲击。在p 2 p 网络中，用户可以随意交换荇自需 要的资源。用户之间自由的歌曲交换、文件交换可能使盗版问题在网上泛滥成灾。大多数 p 2 p 服务都将不可避免地和知识产权发生冲突。 查堕叁堂堡i ：兰垡望文基于p 2 p 模式协同设计环境中q o s 机制的研究与实现 2 1 3p 2 p 技术的应用领域 目前p 2 p 计算技术主要应用领域包括：文件共享、分布式计算、协同t 作、即时通信 技术和搜索引擎。这里仅仅介绍与本文研究背景相关的应用领域一协同工作。 协同j 二作是指多个用户之间利用网络中的协同计算平台，共同完成某项计算任务，共享 信息资源等。传统的协同应用平台大多采取c s 模式来完成员工之间、企业和合作伙伴之间 的协同上作，但这种模式不适合大规模协作，因为大规模协作给服务器带来了极大的负担， 造成了昂贵的成本支出，从而影响了企业与合作伙伴、客户、供应商之间的交流。 p 2 p 技术的山现，使得互联网上任意两台个人计算机都可建立直接的联系，不再单纯依 赖中心服务器，有效地克服了c s 模式的弊端，同时也为协同工作的实现提供了高度的可 伸缩性、可靠性、可管理性、灵活性并降低实现成本。 g r o o v e 系统是p 2 p 技术在协同工作方面的个典型应用。它能够实现消息通信、内容 ，g 享，并提供了一系列工具用于合作。 2 2c s c w 概述 2 2 1c s c w 定义 训算机支持的协同工作( c s c w ，c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ) - - i 目最早是1 9 8 4 年由i r e n eg r e i f 和p a u lc a s l u n a n 两位研究人员提出的，用于描述他们当时正在组织安排的 如何j j 计算机支持交叉学科的人们共同工作的课题。1 9 8 6 年，第一届c s c w 会议在美国德 克萨斯州举行，这个主题很快在欧洲和亚洲科技界引起了人们广泛兴趣，相应的_ l ：作也在各 处展开。目前c s c w 已逐渐发展成为一个多学科相关的研究领域，其产晶通常被称为群件 ( g r o u p w a r e ) 。一般来说，c s c w 是指：个利用计算机技术、网络与通信技术、多媒体技 术、人机接口技术将时间上分离、空间上分布，而工作上又相互依赖的多个协作成员及其活 动有极的组织起米，以共同完成某一项任务的分布式计算机环境。c s c w 系统的主要目标 是要设计支持各种各样协同工作的应用系统，因此可以说，通信、合作、协调是c s c w 的 三要素。 2 2 2c s c w 的研究现状 目前c s c w 研究正处于持续发展的阶段，其研究内容也涉及很多方面，具体包括：群 仆( 即支持人们进行协同工作的软件系统) 、社会技术系统设计、协同工作的理论模犁、计 仟机为媒介的通信、人机交互、群体决策支持系统、协调系统、分布式系统、 办同1 1 作及实 际活动的研究、组织理论及设计、技术社会学、具有创新性实际策略的研究、管理科学、支 持协同的人工职能和分布式人工职能方法、用于支持协同工作的所有只有创新性的技术手 段：如电子会议室、远程会议设施、电子邮件、实时和异步技术、桌面会议系统、共享编辑、 视频和多媒体系统，另外还有有关c s c w 系统的社会、文化、伦理道德、法律和政治等方 面的研究。 现在国际上有关c s c w 的具有较大影响力的学术会议主要有三个，它们分别为： o c s c w 系列：由a c m 主办。可以看成是这一领域最高水平的学术盛会。自1 9 8 6 年开始， 每两年在北美召开一次，随着群组工作研究的深入，a c ms i g o a 被更名为s g g r o u p ， 以研究同群组工作有关的问题，1 9 9 7 年由s 1 6 g r o u p 资助召开了g r o u p 9 7 国际会议。 e c s c w 系列：主要由欧洲的些研究机构组织，自1 9 8 9 年第一次e c s c w 会议以来，每 两年在欧洲的有关国家轮流举行一次。由于这一系列的会议也具有较高的学术水平， 闪此它与a c m 的c s c w 系列形成互补，也成为一种国际性的会议。 4 查堕丛兰堡圭黛停论文基于p 2 p 横武协同设计环境中q o s 机制的研究与实现 e c s c w i d 系列：主要由亚洲国家的研究机构举办，其全称为c s c wi no e s i g n ，白1 9 9 6 年起每年召开一次，主要讨论计算机辅助设计中的协同工作问题，第一次c s c w w l d 在 中国北京举行。第二次在泰国，第三次c s c w w i d 已于1 9 9 8 年七月份在日本东京举行， 中国是该会议的主要成员之。 除了上述三个重要的国际学术会议外，有些国家还召开了自己的全国性的c s 侧学术会 议，如d c s 删和c c s c w 分别是德国和中国的全国c s c w 会议。 2 2 3c s c w 的相关应用 c s c w 应用领域十分广泛，主要包括电子邮件系统、屯子公告板系统、桌面会议系统、 远科教学平医疗系统等。这里仅仅介绍与本论文有着密切关联的、c s c w 系统的重要应用 之一- 一一计算机支持的协同设计( c s c d ，c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ed e s i g n ) 。 随着经济全球化进程的加速，跨行业、跨地区、跨国家的联盟型虚拟企业发展迅速，企业 环境发生着深刻变化，许多复杂产品的设计不得不由分布在不同地点的产品设计人员和其他 相关人员协同完成。这些有关人员在各自不同的实际工作中都积累了大量的专业经验矛知 识，为其提供一个共享的分布式的设计环境，将有助于各类有关人员的专业经验和知识及时 有效地被共享，方便协调大家进行合作设计。这就是计算机支持的协同设计系统应运而生的 背景条件。 要了解c s c d 的概念首先就需要对协同设计有一定的了解。协同设计是指支持有关人 员集体进行设计：f 作的一种环境，它要求开发者从开始就考虑产品生命周期的全部因素，从 概念到质量、价格、计划安排及用户需求。协同设计的特点在于产品设计由分布在不同地点 的产l 口l 设计人员协同完成。协同工作的目标为缩短开发周期、改善产品质量、降低产l 铺成本。 计算机支持的协同设计是指建立在计算机网络和通信技术基础上的协同设计。它有效地 改善了项目管理人员、设计人员及现场工程技术人员和工人直至用户之间的技术交流，从而 减少项目的设计时间，提高设计的质量，并可及早发现和避免一些设计上的差错和失误”j 。 2 2 4c s g w 系统对q o s 的需求 协同系统提供的可州资源一般来说都是有限的，且对这些有限资源的分配和使用也是不 可预测的口1 。c s c w 系统中大量的协作应用，尤其是近年来逐渐流行起来的多媒体会议应用， 如视频会议、远程教育等。在这些协作应用中，传输的数据不仅包括文本数据信息，还包括 音视频等多媒体信息。多媒体应用的出现对网络有很高的服务质量要求。除此之外，不同的 协同应用或同一协同应用中的不同用户也往往对网络所能具有的服务性能有着不同的要求。 这些都不是传统的提供单一服务质量的i p 网络所能满足的，就必然引起了对服务质量 ( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 的需求。在c s c w 系统中，服务质量主要体现在对有限资源的台 理分配和使用上，最终使尽可能多的用户都获得较满意的服务。 兰堕翌苎竺些羔羔型塑王一一 墨士! 堡堕塞堕旦塑生型望! 望! ! ! ! 型堕! ! 窒兰壅些 3 1q o s 的一般性描述 3 1 1o o s 定义 第三章q o s 体系结构 q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) ，即服务质量。关于它的定义，在r f c 2 3 8 6 6 1 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，具体可以量化为f 列性能指标： 业务可靠性：用户到i n t e r n e t 业务之间连接的可靠性。 延迟：也称为时延( l a t e n c y ) ，指两个参照点之间发送和接收数据包的时间间隔。 也就楚分组的第一个b i t 离开发送端与分组豹最后一个b i t 到达接收端之间的时问间 隔。 可变延迟：也称为抖动( j i t t e r ) ，分组延迟的变化程度，即在同一条路由上发送的一 绢数据流中数据包之间的时间差异。 吞吐量：网络中发送数据包的速率，可用平均速率或峰值速率来表示。 丢包率：在网络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率。数据包丢失一般是由刚络 拥塞引起的。 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，强调端到端或 网络边界到边界的整体性。q o s 反映了网络元素( 例如应用程序、主机或路由器) 在保证信 息传输和满足服务要求方面的能力。 在 7 1 中，则给q o s 作山如下定义：q o s 是指发送和接收信息的用户之间以及用户与传 输信息的综台服务网络之间关于信息传输的质量约定。因此服务质量包括了两个方面的内 容；h j 户的要求和网络服务提供者的行为，是用户与服务提供者两方面主客观标准的统一。 用户的要求是指用户在i n t e r n e t 上进行多媒体通信时所要求的服务类型及相应的传输性能和 质量等t 网络服务提供者的行为则指i n t e r n e t 针对某一类服务质量所能提供和达到的性能与 质量。 q o s 机制的日标”j 是为i n t e r n e t 应用提供服务区分和性能保证：服务区分是指根据不同 应州的需求为其提供不同的服务；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。 3 1 2q o s 机制研究现状 j p 技术在目前的i n t e r n e t 中占有主导地位，它具有很多优点，如：i p 具有良好的网络兼 容| 生，它对网络没有太多要求，因此各种网络传输技术都能够支持i p 传输；i p 技术具有丰 富和强火的应用扩展能力，除了早期的f t p 、t e l n e t 等应用外，w e b 、电子商务、多媒体、 p 2 p 等新应用不断涌现，层出不穷。 然而i p 技术在提供服务质量保证时却遇到了极大的困难，问题主要集中反映在l p 的无 连接每包路由方式和流媒体传输需要确保资源固定路径之间的矛盾；以及i p 网络“尽力而 为”的服务方式不能提供多种应用所需要的不同的服务质量要求等，q o s 问题成为目前j p 网络面临的最重要、最复杂的问题之一。 国内外针对如何在i p 网络中提供q o s 目前已做了大量的研究。i e t f 于1 9 9 7 年9 月开 始制定了有关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 r n e t q o s 体系结构：集成服务( i n t e g r a t e ds e r v i c e ，i n t s e r v ) 和区分服务( d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e s ，d i f f s e r v ) 。此外e t s i t i p h o n 、i t u 等组织目前也都在大力研究和制定i p 网的整网 q o s 机制，其中i t u - - t s g l 3 组正在研究制定新建议草案y q o s a r “分组网络q o s 参考体系 6 堡塑查兰堡主堂堡堡壅 茎望! 堡苎堡堕堡生堑望主里! ! 塑型塑婴! i 兰茎些 结构”。该建议草案明确定义了基本q o s 构建模块( 接入控制、拥塞反馈、计量年测量、策 略及策略配置、队列和调度、资源预留、服务等级管理、费率表征和流量标识等) ，通过不 同的方式把这些模块组织起来，可以满足不同业务的需求。此外该建议草案还考虑了实现 o o s 对安全的影响及相廊机制。 我国近年来在q o s 领域也作了大量工作，其中包括我国电信标准协会网络与交换标准 技术委员会已经研究制订了“i p 网络技术要求、网络性能参数与指标的行业标准”，该标准 规定了i p 网络性能千可用性参数的l 临时指标，可作为i p 网络规划、工程设计以及相应设备 的引进和开发的技术依据。 虽然在i pq o s 方面的研究已取得了一些可喜的进展，但目前大部分工作还只是停留在 初步框架制定阶段，已有的研究成果主要是一些比较笼统的框架性文件，在具体的实施技术 规范上还没有显著的成果。如何将q o s 技术运用到实际的网络环境中，并为其提供标准化 的操作过程规范将是国际标准化组织未来几年内的研究重点。 q o s 作为下一代计算机网络为数不多的最重要的研究领域之，本身所涉及的技术很 多，主要分为三夫类m 】：q o s 的提供机制、q o s 的控制机制和q o s 的管理机制。 3 1 3q o s 关键技术 ( 1 ) q o s 提供机制：主要涉及q o s 映射机制、q o s 协商机制、资源接纳控制机制。 q o s 映射是指系统将用户的q o s 请求转化成对应低层次的q 0 8 参数的过程，在这一过 科q - 闩 户可以不必知道该q o s 请求在较低层次是如何通过各种复杂的方式来表示的。 q o s 协商是指用户与系统以及用户与用户( 端到端) 之间就所传输信息的服务质量进行 商议，最后根据应用和系统资源确定系统和用户的服务质量等级的过程。 q o s 资源接纳控制机制则主要是将用户的q o s 请求与当前系统可用的资源进行比较， 并从所州资源最少和获得用户最大满意程度的q o s 角度出发，确定该行为是否能坎实施。 ( 2 ) q o s 控制机制：当用户应用与网络系统达成q o s 约定之后，网络系统就必须提供对 信息流的实际0 0 s 控制机制。目前基本的q o s 控制机制如下： 信息流整形机制；根据用户所提供的信息流特征描述米调整信息流茸。通过信息流粘 形可以使网络系统为该应用分配足够的端到端资源并且能够适当地配置流调度程序。 信息流调度机制：为了保证应用的端到端q o s ，网络系统必须对每个网络元素( 包 括端系统和网络节点) 中等待处理的数据分组进行排队，根据q o s 级别赋予相应的 优先级，并决定相应的调度执行顺序。同时当等待队列超过一定的长度时，还需要 按f ! l 某种策略丢弃部分等待的分组。当前比较常见的分组排队和调度算法是先进先 出算法、优先级算法和随机早检测算法等。 信息流同步机制：该机制主要用于控制事件顺序和多媒体交互行为的精确定时。唇同 步( 多媒体播放设备上视频和音频的同步) 是最常见的多媒体同步形式。 ( 3 ) q o s 管理机制：为了保证应用的端到端q o s ，网络系统只分配资源通常是不够的 还需要经常维护已担保的应用q o s ，这是由q o s 管理机制来完成的。q o s 管理机制包括以 下儿个主要方面： 0 0 s 监控机制：该机制允许系统的每一层跟踪在低层所获得的q o s 等级，它在维护 应用o o s 的管理行为中起核心作用。 q o s 维护机制：q o s 维护机制将被监控的q o s 与期望的性能做比较，然后调整资源 的使用策略以便维护应用的q o s 。如果当前的网络资源确实无法满足应用的q o s 要 求，那么q o s 维护将引发q o s 的降级操作。 镬) q o s 降级机制：当网络系统低层无法保证应用信息流的q o s 并且q o s 维护机制也无 能为力时，高层的q o s 降级机制将向用户发出一个q o s 指示。用户可以选择或者适 7 查堕盔堂塑1 邈论文基于p 2 p 模式协同设计环境中q o s 机制的研究与实现 应可获得的q o s 级别或通过降低服务级别来响应该指示。 ) q o s 适应机制；通信双方或多方能够根据资源当前状态动态地调整q o s 需求，这样 可以极大地提高网络资源的利用率，保证应用的服务质量。 3 2 集成服务体系结构i n t s e r v 随着i n t e r n e t 和多媒体技术的不断发展，为了满足越来越多的应用对q o s 所提山的不同 需求，i e t f 先后提出了两种的i n t e m e tq o s 体系结构：集成服务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ，i n t s e r v ) 利区分服务( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ，d i f t s e r v ) 。 3 2 1i n t s e r v 模型概述 i n t s e r v 由1 e t f 的i n t s e r v 工作组于1 9 9 4 年在r f c l 6 3 3 中提出。i n t s e r v 模型的设计思 路是“为了满足特定用户分组流的特定的q o s 要求，对路由器保留资源的要求是不可避免 的”。从这点出发，i n t s e r v 模型增加了资源预留协议( r s v p ) 和针对不同业务流的流量控 制机制。在网络用户发送数据之前，利用资源预留协议建立一条从发送端到接收端能满足其 o o s 要求的预留资源的路由，然后再通过流量控制机制对分组进行接纳，监控控制和调度， 满足其o o s 要求。 i n t s e r v 模型能为l p 网络提供具有q o s 保证的传输，为分布式多媒体应用提供所需要的 端到端行为，使应删能够为其数据包的传送选择服务等级。 3 2 2i n t s e r v 服务类型 当前i e t f 为i n t s e r v 定义了三种服务类型：一种就是传统i p 网络所能提供的尽力而为 服务类型，另外两种是确保型服务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) 和可控负载型服务( c o n t r o l l e d l o a d s e r v i c e ) 。 ( 1 ) 确保型服务：对带宽、延迟、分组丢失率提供定量的质量保证，是一种“艘”实时 服务。它主要有以下特点”j ： 第一：确保型服务要求用户清楚描述应用的需求，而不是实现这些需求的机制。 第一二：为了获得一个有限的延迟，确保型服务的数据传输路径上的每个网络元素都必须 支持这种服务。也就是说，每个网络元素都必须提供有限的网络延迟。 确保型服务对实时性要求较高的多媒体应用较为合适。 ( 2 ) 可控负载服务：可控负载服务能保证在网络负载较重时提供与负载较轻时相同的 q o s 。它与传统的因特网服务的主要区别在于它的性能不会随网络负载的加人而下降。可控 负载服务一般用丁可容忍一定的数据包丢失和延迟的应用中。 3 2 3i n t s e r v 中具体的0 0 s 控制的实现框架 为了实现q o s 控制，相对于晟初的i n t e m e t 模型，i n t s e r v 模型做山的最重要利根本的 变化是：路由器需要流量特征和资源预留协议，并且通过流量控制机制为特定用户分组流提 供所需要的q o s 。图3 - 1 为主机和路由器中具体实现i n t s e r v 的原理图t 本节将罔绕该图， 通过对图中各功能部分的介绍，阐述i n t s e r v 模型中具体的q o s 控制实现框架。 8 堡堕丛兰堡圭学位论文基于p 2 p 模式协同设计环境中q o s 机制的研究与实现 主机路由器 哞h 军峰 纠辈1 障 l 吲峰 散据 。鲑培仁一7 l ：二：二i 传输控制 图3 - 1主机和路由器中具钵实现 n t s e r v 的原理图1 8 1 i n t s e r v 模型主要包括以下几个组成部分： ( 1 ) 分组分类器 分细分类器根据数据分组头部山容和，或附加在分组上的分类信息对分组进行分类，以 便分组调度器对不同类型的分组采用不同的操作。不同的路由器可能具有不同的分类规则， 这将导致相同的分组可能进入不同的类别，但相同的业务类型在分组调度器中总可以得到相 同的处理，获得相同的q o s 。 ( 2 ) 分组调度 主要基于一定的调度算法对分类后的分组队列进行调度服务，管理和调度不同类型分组 流的转发，实现相应的q o s 。分组调度机制可以是优先级排队或者加权公平排队 w f q ( w e i g h t e df a i rq u e u i n g ) 等。 ( 3 ) 接纳控制 该部分决定一个网络设备( 主机、路由器或交换机等) 在不影向以前的q o s 保证的前 提r ，是否授予一个新的业务流所要求的q o s 。当一个主机要求q o s 业务时，路由上的每 个竹点都要做出接受肘目绝决策。 ( 4 ) r s v p 控制进程 r s v p 是一种基丁= 接收端、由接收端发起的资源预留协议。利用r s v p 协议使主机或路 由器能够预留网络中的资源以满足特定业务流的q o s 要求。在实际网络环境中不同的接收 端对q o s 要求可能不同，i n t s e r v 模型中利用r s v p 向发送端指明该接收端所希望接收的数 据流的q o s 参数。其工作流程如图3 - 2 ： 图3 - 2 利用r s v p 实现资源预留工作流程图 利用r s v p 实现资源预留过程的具体实现步骤如下i s l ： 发送端将数据流的性能指标( 如带宽、延迟等) 包含在p a t h 分组中发送给接收端。p a t h 分期利用网络中现有的路由协议所确定的从发送端到接收端的路径传输。该路径所经过的每 个路由器接收到p a t h 分组后，将p a t h 分组中包含的上一跳路由器地址或主机地址等路径 状态信息保存下来。接收端收到p a t h 分组后，将沿着与p a t h 分组相反路径发送r e s v 分 组。该r e s v 分组包含为数据流进行资源预留所需要描述的流量和性能期望等q o s 信息。 路径中路由器接收到该r e s v 分组后，将进行接纳控制判断是否有足够的资源以满足所需 9 墨旦尘兰婴土兰竺兰兰一 苎丝! 壁茎垫旦堡兰至丝! 旦! ! 塑型堕塑壅兰窒翌 q o s 要求。如果有足够的资源，则进行资源预留，存储数据流相关信息，然后将r e s v 分 组进一步转发；如果没有足够的赘源，则返回一个错误信息，以表明拒绝该o o s 请求。当 源端接收到r e s v 分组，则表明数据流的资源预留已经成功。可以开始向接收端发送数据。 当数据发送完毕或一段时间内没有收到状态更新报文，路由器则需要将先前设置的预留资源 释放。 r s v p 协议具有很多特点，如： 在同一个会话中可以支持多种不同的接收端。 由接收端而不是发送端发起资源预留。 为了维持预留资源，r s v p 协议使路由器或交换节点维持一个“软状态”( s o f ts t a m ) 这个状态周期性地由p a t h 和r e s v 消息来更新，如果在一段时间内没有收剑更新 报文，预留的资源也将被取消。 3 2 4i