（计算机应用技术专业论文）基于策略的qos网络管理体系的研究.pdf

中国农业大学硕士学位论文 摘要 捅要 多媒体业务的不断发展对i p 网络的服务质量( q o s ) 提出了更高的要求，同时网络的不断复 杂化、异构化，又极大地增加了提供所需q o s 的难度，如何有效地解决这个问题成为当今业界的 研究热点。基于策略的网络管理既反映了用户业务的q o s 需求，同时也体现了网络管理的目标， 所以用基于策略的思想来管理网络q o s 成为近几年迅猛发展的网络管理技术。 本文围绕i p 网络服务质量q o s ，将i e t f 提出的策略思想应用到网络管理中，研究基于策略 的i p 网络q o s 管理。 本文阐述了1 p 网络q o s 产生背景、体系结构、研究现状以及实现方式，比较了i n t s e r v 和 d i f f s e r v 两种i pq o s 的方法。在分析现有网络管理技术的基础上，全面论述了网络管理的概念、 背景、通用模型结构、功能和协议；系统地分析了i b t f 提出的基于策略网络管理框架、各个模 块的功能、结构以及采用的通信协议。 在对基于策略的q o s 网络管理研究的基础上，建立了基于策略的i p 网络q o s 管理的逻辑框 架结构；详细设计了策略决策点p d p 功能模块和策略执行点p e p 功能模块；深入研究了策略网 管模式，并细化了其内部的工作流程；实现了o o s 从高层策略向网络设备命令映射，分析了接入 控制和队列调度机制，提出了一种改进的队列调度方法，分析并部分实现了c o p s 协议。 本文采用o p n e t 仿真试验的方式对p d p 和p e p 模块增强和改进的功能进行了测试，仿真结 果表明，所提出的基于策略的网管结构，简化了传统操作模式的复杂性，实现了网络管理的自动 部署和配置，显著的提高了网络性能并具有良好的可扩展性。 关键词：服务质量，综合服务模型，区分服务模型，策略，基于策略的网络管理 中国农业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ei n c r e a s i n g d e v e l o p m e n t o fm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds e r v i c e sh a v e c o n s i d e r a b l yi n c r e a s e dq o sr e q u i r e m e n ti ni pn e t w o r k ，i nt h em e a n w h i l et h ec o m p l e x i t y , h e t e r o g e n e i t y a n dd i s t r i b u t e da r c h i t e c t u r eo ft h ep r e s e n tn e t w o r ka d dm o r ed i f f i c u l t yt om e e tt h eq o s o b j e c t i v e s ，h o w t og u a r a n t e et h eq o si ns u c hn e t w o r kb e c o m e sah o tt o p i c p o l i c y - b a s e dn e t w o r km a n a g e m e n t , b e i n gan e wd e v e l o p i n gr e s e a r c hi 1 1t h ef i e l do fn e t w o r k m a n a g e m e n t ，c a nr e f l e c tu s e r i so o sr e q u e s t sa n de m b o d yt h en e t w o r km a n a g e m e n to b j e c t i v e s a m o n g f u t u r en e t w o r km a n a g e m e n tt e c h n o l o g i e s ，p o l i c y - b a s e dn e t w o r km a n a g e m e n ti s o n eo ft h em o s t p r o m i s i n gn e t w o r km a n a g e m e n tt e c h n o l o g i e s f o c u s i n g o nt h e p o i i c y b a s e dq o sm a n a g e m e n ti ni pn e t w o r k ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e b a c k g r o u n d ，s t r u c t u r e ，d e v e l o p m e n ta n dt h er e a l i z a t i o no fo o s i i pn e t w o r k d i f f s e r vi pq o sm o d e l a n di n t e r s e r vq o sm o d e la r ed i s c u s s e d o nt h eb a s i so fa n a l y s i st h ep r e s e n tn e t w o r km a n a g e m e n t t h e p a p e rc o m p r e h e n s i v e l ys u m m a r i z e st h eb a c k g r o u n d ，c o n c e p t ，g e n e r a ls t r u c t u r e ，f u n c t i o na n dp r o t o c o l ， s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e st h ep o l i c y - b a s e dn e t w o r km a n a g e m e n tf r a m e w o r k ，f u n c t i o na n dt h ep r o t o c 0 1 o nt h eb a s i so fr e s e a r c ho nv a r i o u sk i n d so fi m p l e m e n t so fq o sa n dp r e s e n tm e t h o d so f p o l i c y - b a s e dn e t w o r km a n a g e m e n t ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa np o l i c y - b a s e do o sm a n a g e m e n tl o g i c a l a r c h i t e c t u r ef o ri pn e t w o r ko o s m a n a g e m e n t , d e m f l e dd e s i g n st h em o d e la n dt h ef u n c t i o no fp d pa n d p e p , d i s c u s s e st h ep o l i c y - b a s e dn e t w o r km a n a g e m e n ts c h e m e ，d e t a i ld e s i g n st h et e c h n o i o g i c a la n d w o r kp r o c e d u r eo ft h es c h e m e ，a n a l y z e st h ec a ca n dq u e u i n gm a n a g e m e n tm e c h a n i s m ，p u t sf o r w a r d a na d v a n c e dd r ra l g o r i t h m ，a d d r e s s e st h ed e s i g na n dt h ep a r t i a li m p l e m e n t e dt h ec o p s p r o t o c 0 1 i nt h i sp a p e r , at e s tu s i n go p n e ts i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi sp r o v i d e do nt h ei m p r o v e dp d pa n dp e p m o d e l ，t h er e s u l ts h o w st h a tt h es o l u t i o nt h ep a p e rp r e s e n tc a ne f f e c t i v e l ys i m p l yt h et r a d i t i o n a ln e t w o r k m a n a g e m e n tp r o c e s s , i m p l e m e n tt h ea u t o m a t i c a l l yd e p l o y m e n ta n dc o n f i g u r a t i o no ft h en e t w o r k m a n a g e m e n t ，r e m a r k a b l ye n h a n c et h ep e r f o r m a n c ea n dt h ee x t a n s i t yo ft h en e t w o r km a n a g e m e n t s y s t e r n 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 , p o l i c y , p b n m i i 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得中国农业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 确的说明并表示了谢意。 一躲物确帆抑，嘶归 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 一躲耘娟 剥性锄游逆 凇酉 时间：加? 时间。印z 钰月f 怕 年石月p 日 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着i n t e r a c t 规模的不断扩大和信息技术的迅猛发展，计算机网络的应用领域呈爆炸式增艮， 各种各样的网络服务不断涌现，特别是语音、图像、视频等实时多媒体业务得到了迅速发展。这 些实时的多媒体业务对网络传输延迟、延时抖动等特性较为敏感，传输状况会在很大程度上受到 网络状态的影响；同时，由于多媒体业务占去了大量的带宽，在现有的网络中保证其他关键业务 得到可靠传输就显得很困难。传统的i p 网络在服务质量方面的缺点显现出来，网络负载分配不 均匀，业务无法保证及时准确地传输到目的地址。因此，迫切需要采用新的机制来改善当前的网 络环境以满足人们对网络传输质量的要求。 1 2 研究背景 随着新业务的不断出现和发展，p 网络的服务质量( o o s ) 越来越多的受到人们的关注。由 于传统的i p 网络提供的是尽力而为( b e s te f f o r t ) 的服务，因此服务质量得不到有效的保证，特 别是多媒体等业务的发展，业务要求的网络资源的增长远大于实际网络资源的增长，而且对现有 资源的利用也不够充分，不能根据当前运行的业务对网络资源进行及时、灵活的分配和管理，如 何利用q o s 技术1 1 1 来有效的提高服务质量成为当前网络发展的迫切要求。 网络管理作为一项迅速发展起来的能改善网络运行状况的新技术，已经变褥越来越重要。通 过进行网络管理，可以改善网络性能，使网络能提供可靠、有效的服务，网络设备的利用率和服 务质量都得到提高。但是传统的网络管理主要依靠管理员的经验积累和简单网络管理协议s n m p 等来进行，没有统一的标准和模式。s n m p 是基于t c p i p 协议的各种互联网络的管理标准，着 眼于网元设备的管理，而不是系统的对整个网络资源进行规划和管理，这种管理模式下网络管理 人员负担非常重，在当前网络规模日趋扩大的情况下已经不再适用。 在这种情况下，基于策略的网络管理应运而生。p b n m 技术的研究是国际上的一个热点研究 问题，很多研究机构和企业都开始进行关于p b n m 的研究，但目前都处于起步阶段。p b n m 系 统把网络作为一个整体来管理和控制，将管理行为的控制和具体的执行工作分开，网络管理者制 定网络的管理策略交由基于策略的网络管理系统去执行，系统将依据策略规则自动进行网络资 源的管理，因此网络管理人员无须逐一配置所有的网络设备，极大的减轻了工作负担，同时，策 略是抽象的，与单个网络设备无关，避免了因为策略的变动而必须对每个网络设备的配置进行修 改。 1 2 1 研究现状 针对如何在l p 网络上提供更好的服务质量，世界上众多组织和研究机构都在进行研究。a t m 作为解决成指数增长的网络通信业务以及增强对通信业务的q o s 支持能力而发展起来的一种快 速的信元交换技术，为q o s 概念的成熟和完善提供了良好的环境。但是a t m 要承载的业务太多 太新，为了能满足这些需要，a t m 的标准非常复杂，使得a r m 技术到现在仍无法得到大规模的 应用。自从上个世纪8 0 年代以来，多个研究机构对网络管理技术进行了深入的研究并分别提出 自己的解决方案。1 e t f 、r r u - t 、r 玎p h o n 、3 g p p 、多业务交换论坛( m s f ) 等组织都启动了对 下一代网络的o o s 问题的研究。i e t f 主要关注i p 网络的q o s 服务模型，并进行信令协议的研究； r r u - t 和t i p h o n 则主要关注q o s 的指标、分类与参考体系结构：而m s f 关注多业务网络的q o s 保证机制和体系结构i z j 。 近年来，i e t f ( i n t e r a c t e n g i n e e r i n g t a s k f o r c e ) 提出了多种支持q o s 解决方案的建议书，主 要包括：综合服务资源预留协议( i n t s e r v r s v p ) 、区分服务模型( d i f f s e r v ) 、多协议标签交换 ( m e l s ) 、流量工程等。综合服务，资源预留通过对每个流的资源预留，提供端到端的q o s 保证； 区分业务结构通过对不同的数据流采用不同的标记，实现对不同业务的数据流的区分服务：多协 议标签交换将三层路由的灵活性与二层交换的o o s 保证快速紧密结合起来，并提供显示路由和业 务量会聚。 2 0 0 1 年，1 t u t 成立了n g n 州- 2 0 0 4 项目，负责研究下一代网络的各种关键技术。涉及o o s 研究的删- t 研究组主要有以下几个1 4 j ：s g l l 从传送层网络信令的角度研究q o s 信令；s g l 2 从 业务和应用的端到端传输性能角度研究q o s ，提案主要涉及到性能测量、评价等问题：s g l 3 主 要从网络总体角度研究i p 阿络的q o s ，制定出o o s 的框架；s g l 6 则在m e d i a c o m 2 0 0 4 的框架 内研究多媒体通信系统的q o s 。端到端的q o s 是n g n 的熏要的研究领域之一，n un g n 专题组 f g n g n ( f o c u s g r o u po nn e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k s ) 已将i p q o s 列为一个重要的研究课题，并成 立一个专门的工作组w g 3 对其进行研究。i t u 把q o s 分成三个平面：控制平面、数据平面和管 理平面。控制平面主要是完成一些q o s 的控制功能，如q o s 信令处理、q o s 路由、接入控制、 资源预留等等：数据平面主要是对数据包进行处理。对数据包进行标记、整形、排队调度等等。 管理平面与其它两个平面均有交互，它的主要功能是完成服务等级条约s l a 的执行、流量监管 和q o s 计费等功能。 e t s i 的1 1 p h o n 工作组在下一代网络q o s 模型方面也做了大量的工作。t i p h o n 将下一代 网络o o s 架构分为两个平面，即应用平面和传输平面。应用平面指与业务控制相关的功能，传输 平面指与传输相关的功能。e t s ln p h o n 主要的研究目标是规定一套业务互操作性的要求，确定 接口和功能方面的体系结构，对呼叫控制程序、信息流和协议进行规定，研究端到端q o s 参数， 同时规定计费和安全的技术方面问题。 欧盟的一些1 s t 项目也涉及到端到端的q o s 问题。a q u i l a ( a d a p t i v e r e s o u r c e c o n t r o l f o r q o s 2 中国农业大学硕士学位论文 第一晕绪论 u s i n g a n i p b a s e d l a y e r d a r c h i t e c t u r e ) 项目的主要目的是动态地为现有i n t e m e t 用户提供q o s ，主 要侧重于q o s 参数的测量，并将结果作用于o o s 控制系统构成q o s 反馈控制系统。a q u i l a 网 络为用户提供了与不同q o s 级别对应的网络服务。为了支持动态提供q o s ，a o u i l a 在i n t e r n e t 上利用现有技术提出了一个灵活且可扩展的q o s 架构。在i s tc a d e n i i s ( c r e a t i o na n d d e p l o y m e n to fe n d u s e rs e r v i c e si np r e m i u mi pn e t w o r k s ) 项目中，提出了公众阿上的端到端的q o s 结构，将i s p 的服务和网络级的服务相分离。c a d e n u s 侧重于q o s 管理的上层，即服务的创建 和配置。它提出了q o s 的商业模型，并用e b x m l 框架实现。i s t t e q u i l a 5 j ( t r a f f i ce n g i n e e r i n g f o rq u a l i t yo fs e r v i c ei nt h ei n t e r a c t ，a tl a r g es c a l e ) 项目的主要目的是研究一系列照务的定义，研 发流量工程工具，业务提供商和客户间对q o s 的协商、监视和实现的系统架构、算法和协议：满 足s l s 的域内业务量工程算法、协议和功能模型；通过可扩展的业务量管理技术在i n t e r a c t 上实 现端到端的q o s 保证。 i n t e r n e l 2 是美国1 7 0 所大学、4 0 家公司和3 0 家其他组织合作，为新一代两络技术的开发而设 计的新一代i n t e r n e t 的高速实验网，主要为大学和科研院所提供研究和测试平台。由于网络的核 心技术在网络的边缘，而此方面的研究一直较少，因此i n t e r n c t 2 推出了q b o n e 核心测试网，o b o n e 也称为域间网，是由组播核心网m b o n e 以及i p v 6 核心网合成的。q b o n e 的主要目标是为了实现 如远程控制、分布式协作、虚拟教学等网络新技术的测试。它采用i e t f 提出的区分服务模型来 提供i pq o s 保证o b o n e 为d i f f s e r v 提供跨域的测试环境。q b o n e 信令设计小组提出了一种域 间的q o s 信令协议，也就是在带宽代理( b b ，b a n d w i d t hb r o k e r ) 之间的信令协议s i b b s 。 随着网络规模的扩大新的服务种类的出现，人们对网络服务的需求和网络管理复杂性不断 提高，传统的服务器一代理的网络管理模式不再能够适应网络发展的要求，逐渐将被新型的分布 式网络管理模式所代替。在国内外研究人员进行了大量研究后，基于策略的网络管理已经逐渐开 始显示出对目前网络发展的天生的适应性。目前，基于策略的网络管理作为一种新的管理理念和 管理技术得到了业界广泛关注，虽然一些知名的网络设备生产商提出了自己的解决方案，但这些 解决方案一般都局限于自家企业生产的某些产品，不能形成完整的高性能的端到端q o s 解决方 案，同时因为没有推出基于镱略管理的标准，现有的网络产品的兼容性也比较差。鉴于这种情况， i e t f 成立了多个工作组来进行标准的制定和推广 6 1 。 策略框架工作组( p o l i c y f r a m e w o r k w g ) 致力于基于策略网络管理的标准化工作，建立了策 略信息模型p i m ，目前已制定了 p o l i c yc o r ei n f o r m a t i o nm o d e l - v e r s i o n1s p e c i f i c a t i o n ( r f c 3 0 6 0 ) 和 p o l i c yq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) i n f o r m a t i o nm o d e l ( r f c3 6 4 4 ) ) ) 等有关策略信息模 型以及q p i m 、p c i m 向l d a p 信息的映射等标准文件，定义了策略网络管理的相关术语，策略 优先级的概念也被提出用于解决策略冲突问题。 资源分配协议工作组( r a p ) 致力于策略分配过程中所使用的协议的制定，包括c o p s ， c o p s r s v p ，c o p s - p r 和c o p so v e r t l s 等网管协议。主要参与成员有c i s c o ，m m ，i n t e l 和 n o r t e l 等公司。资源分配协议：亡作组发展较早，目前已经发布了多份标准文件。目前研究的基于 3 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 策略的网络管理技术多以r a p w g 与p o l i c y f r a m e w o r k w g 所提出的标准为依据。 s n m p 配置管理工作组( s n m pc o n f w g ) 致力于在s n m p 配置模式下提供基于策略的管理 信息库- 包括p o l i c y b a s e d m a n a g e m e n t m i b 和区分服务的配置m i b 等，基于m i b 的管理技术已 广泛应用于网络管理领域，得到了广泛的支持，并制定了一系列相关的文档，如 m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n b a s e f o r t h e d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e s a r c h i t e c t u r e ( r f c 3 2 8 9 ) 和 c o n f i g u r l n g n e t w o r k s a n dd e v i c e sw i t hs n m p ( r f c 3 5 1 2 ) 等。 区分服务工作组( d i f f s e r vw g ) 致力于区分服务技术上的相关标准，同时制定有关区分服务 的策略信息库p i b ( p o l i c yi n f o r m a t i o nb a s e ) 。 l p 安全策略工作组( i p s p ) 致力于1 p 层与安全相关的策略管理机制。包括1 p s e c 配置策略模 型、安全策略协议和i p s e c 策略信息库p i b ，相关标准尚在草拟阶段。 到目前为止，基于策略的网络管理技术在国内外都还处于研发阶段，虽然很多研究机构和标 准组织都对q o s 的研究投入了极大的热情，提出了许多保证o o s 的措施，但是截至目前，还没 有个标准的让业界认可的保证端到端q o s 的体系架构或者解决方案，统一的标准尚未最终形 成。国外虽然已经出现了一些研究的原型和将策略应用于网络管理产品中的案例，但大多数都局 限于单个厂商的局域网环境中。国内产品对策略管理的应用尚无成功实例。目前各个组织对下一 代网络q o s 的研究存在如下不足： 1 i e t f 的带宽代理结构以及r r u _ t 和t i p h o n 的资源管理结构等0 0 s 体系结构仍停留在理论 研究中，对于体系结构中各个构件之间的接口( 信令) 依然没有给出详细的规范。 2 目前主要考虑核心传输层的1 1 q o s 机制，对接入层、控制层和应用层的q o s 机制考虑甚少。 应用层对控制层、控制层对传输层的o o s 控制以及这些层次之间的q o s 映射是研究较少的领域。 由于接入层主要处理的是不同接入网络的媒体类型转换( 包括信令转换) ，控制层的处理对象是 会话流，应用层的处理对象是业务流，因此只有这三层的q o s 机制与传输层基于i p 分组的o o s 机制相结合才能很好地提供业务q o s 。 3 当前t i p h o n 和u - t 提出的q o s 体系结构只涉及到传输网络资源的管理。在n g n 中，由 于控制层和应用层是相互独立的，它们将构成各自发展和运营的会话网络和业务网络，这些网络 规模的扩展以及这两个层次的网络资源管理同样重要。 4 当前主要研究i p 网络业务的端到端q o s 。下一代网络是一个业务驱动、开放的并具有多个 层次的网络，它的业务模型与i p 网络的业务模型有所不同，因此从用户和业务角度研究q o s 很 有必要，即需要建立新的q o s 研究体系。 5 i e t f 的策略管理体系采用集中管理方式，赋予了p d p 过多的职责，很容易形成单点瓶颁 4 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 而且，p e p 过分依赖p d p 的决策，缺少智能性和独立性，难以满足大规模网络管理和自动化管理 的需要。 6 目前对q o s 监控、评估和计费手段的研究很少，下一代网络的部署需要这些机制的完善和成 熟。 1 2 2 研究意义 进行网络管理q o s 技术的研究，可在以下方面对网络发展产生影响： 1 通过研究网络e o s ，可以提高网络资源利用率，避免了网络资源的浪费，降低网络成本。 2 为用户提高了更高质量的网络服务，避免了用户因为网络服务质量不好而导致的数据延迟甚 至丢失等情况的发生。 3 网络的不断发展是一个公认的现实，n g n 作为一个全l p 的网络必须能够承载数据、话音、 视频等多种业务的网络，对于网络运营商而言，保障端到端的o o s 是为用户提供多种业务的一个 前提，这就要求必须根据不同业务的要求提供相应的端到端的o o s 保证。 4 网络服务提供商可以通过q o s 机制，根据不同用户对q o s 的不同要求，提供多种有区别的 服务，提高客户满意度，同时提高网络运营商的经营收益。 5 促进多媒体等应用服务的迅猛发展，一些对q o s 有严格要求的服务如视频会议、i p 电话、 v o d 视频点播等会得到更多用户的支持，同时其他的新型业务也会继续出现。 1 3 本文内容 本文在第二章介绍了q o s 的含义、研究内容和参数类型等知识，为后面的章节进行基础知识 的准备一在第二章中详细介绍了两种q o s 模型，即i e t f 提出的i n t s e r v 模型和d i f f s e 模型，分 析了他们的特点，并研究了r s v p 协议，并对两种模型进行了对比分析。 第三章介绍了基于策略的q o s 网络管理体系。首先介绍了什么是策略；接下来通过对传统网 络管理的功能、体系结构的阐述，指出了基于策略进行网络管理的重要性、策略网管的原理及其 优势；最后对i e t f 提出的策略网络管理框架和框架中采用的通信协议进行了分析，找到了其中 的不足。 第四章探讨基于策略的网络管理体系结构的整体设计和服务模式，设计其组成部分和q o s 映 射功能的实现，通过不同的子模块组合来实现p d p 和p e p 的功能。分析了接入控制算法平u 队列 调度算法，提出了一种新的队列调度方法，部分实现c o p s 协议。 5 第五章对文章提出的基于策略的q o s 实现机制进行仿真试验。 第六章总结本文研究工作中的成果和不足，并提出下一步工作展望。 6 中国农业大学硕士学位论文第二章o o s 概念 第二章q o s 概念 随着i n t e m e t 的广泛应用，人们非常关注如何提供高效、高质量的传输服务。网络上传输的 数据不是均匀分布的，有很大的突发性，因此经常会出现要传输的数据量大于网络带宽，从而引 起数据包的延迟、丢失等问题。在传统的网络中，采用的是尽力而为( b e s t e f f o r t ) 的传输机制。 这种方式一般对报文采用先入先出的策略，对传输的可靠性和延迟等性能不能提供保证，在网络 负载很大的情况下，网络服务水平会明显下降，因此在口网上实现q o s 机制已经成为目前的一 个热点研究问题。本章主要介绍了q o s 的基本概念和常见的q o s 服务模型，对i n f s e r v 7 1 和 d i f f s e r v p l 模型进行了详细分析。 2 1q o s 概述 2 1 1 定义 q o s p l 是网络元素在一定条件和程度上能够保障的网络传输和满足流量及业务服务的能力， 是网络与用户之间以及网络上互相通信的用户之间关于信息传输与共享的质量的约定。对于q o s 还没有一个标准的定义，有一种描述方法是：“随着网络上实时业务的逐步增加，在共享网络上 要求提供确定的传输服务。这些确定的传输服务要求应用程序和阿络基础设施有能力请求、设置 和增加数据的传输。”q o s 是用于衡量使用一个服务的满意程度的综合指标，它的目的就是向用 户提供端到端的服务质量保证。 q o s 要满足的传输质量的重点在于，数据包不仅要到达预期的传输目的地，而且要保证数据 包到达目的地的实时性、完整性和正确性。 2 1 2q o s 的参数 q o s 有一套度量指标【1 4 1 ”，包括业务可靠性、延迟、可变延迟、吞吐量、丢包率等。 1 可靠性：用户到i p 业务之间连接的可靠性，包括建立时间、保持时间等 2 延迟：也称为时延，指在发送点和接收点之间发送和接收数据包的时间间隔 3 可变延迟：也称为抖动，指在同一条路径上发送的一个数据流中数据包之间的时延差异 4 吞吐量：网络中数据包的传输速率，可用平均速率或峰值速率表示 5 丢包率：在一定时间范围内，网络中传输数据时丢弃数据包的最高比率，即丢失的分组数 传输的总的分组数。数据包丢失主要是由网络拥塞引起的。 7 中国农业大学硕士学位论文第二章q o s 概念 2 1 _ 3q o s 研究内容 q o s 本身没有增加带宽的能力，它只能根据应用服务的要求来管理带宽。为了实现对网络的 有效管理，提供高质量的q o s ，必须解决如下所述的问题： 1 准入控制【1 2 | 。根据用户的流量约定、请求的o o s 及网络当前的负载情况决定是否接纳该用 户，允许用户进入网络进行数据传输。 2 优先级和调度机制。在对数据包进行处理和转发的过程中，需要为不同应用的包提供不同的 优先级，优先级高的数据包获得优先服务。同时，也需为不同优先级的包提供不同的丢包率，高 优先级的数据包具有较低的丢包率。此外，网络节点也必须有一套相关的调度机制，确保应用能 获得保证其q o s 的资源，该机制也须提供一种公平的方法来分配空闲的容量。 3 排队机制。在数据包到达目的地之前，每个路由器或者交换机必须能根据业务流的q o s 要求 将数据流的数据分组恰当的排队，并采用适当的调度策略给予相应的调度时间。一个有效的排队 机制对i p 网络来说是非常重要的。传统路由器使用单一队列的先入先出的方法，无法保证以较 小的时延转发实时性很高的业务。优先级排队算法虽能调整数据包的传输顺序，保证对实时业务 的服务，却使优先级低的数据流的抖动加大，甚至有可能长时间得不到处理，因此需要其他的调 整策略保证低优先级的业务的传输f l ”。 4 拥塞控制。如果一个时间段内到达网络中某结点的数据量超过了该结点的承载量，就产生了 拥塞。拥塞产生的原因主要是网络资源不足或业务流分配不均匀。常见的拥塞控制策略有，在端 系统上使用的源控制策略，如t c p 拥塞控制算法；在网络设备上使用的链路控制策略，如主动对 列管理a o m 等。 5 q o s 的分类。对o o s 进行分类和定义的目的是使网络可以根据不同类型不同等级的q o s 进 行管理和分配资源，使用户可以根据不同的服务类型提出相应的0 0 s 请求。 6 资源预留。在源端和目的地之间的传送路径上，在传输持续时间内为应用的数据流维持一定 的网络资源，使得数据传输过程中不会受到其他业务的影响。为了给用户提供满意的0 0 s ，经常 对传输带宽和时延等相应的资源进行预留，以确保这些资源不被其他应用占用。 2 2q o s 模型 传统网络支持的是尽力而为的服务模型，对任何数据包都按照f i f o 方式进行服务，即网 络总是按照数据分组到来的先后顺序处理数据分组，而不进行任何区分，也不提供可靠性、时延 性以及吞吐量方面的保证，在传统网络中的网络设备不具备智能管理的能力。但随着网络用户的 不断增加，新业务种类的不断出现，为不同用户、不同业务按用户要求提供不同等级的服务是网 络发展过程中必须要解决的问题，为此，在q o s 技术领域中出现了i n t s e r v 模型和d i f f s e r v 模型 8 中国农业大学硕士学位论文 第二章q o s 概念 两种新的服务模型。 2 2 1i n t s e r v r s v p 为了更好的满足再种新出现的语音、视频等数据流量大的新的服务类型的需要，i e t f 于1 9 9 4 年成立了i n t s e r v 工作组，并制定了综合服务的体系结构和参考框架。综合服务模型以流为单位 提供q o s ，是一种单纯，自然的服务模式。流是以单播或多播方式在发送端和接收端间传输的数 据码流，它为不同服务提供类似连接的逻辑通道。 n t s e r v 的基本原理是对于每一个需要进行q o s 处理的数据流，通过一定的信令机制，在其经由的每一个路由器上进行资源预留以便实现端到 端的q o s 业务。 为了使口网络能够提供具有q o s 的传输，并支持对q o s 要求较为严格的语音、视频等实时 业务，为各种应用提供端到端的保证，i n t s e r v 模型定义了一个作用于整个网络的控制服务质量的 机制，整个网络中的每一个嬲络元素都必须有能力实现这一机制。随后，通过一定的信令机制， 将特定应用的服务等级要求通知其传输路径上的所有网络元素，并在应用服务与各个网络元素之 间进行管理信息交换，网络元素将为该应用进行各种资源预留与处理策略的设置。当整条路径建 立起来之后，这一路径上的所有网络元素都已经做好了为相应的数据流提供q o s 服务的准备。 n t s e r v 模型所采用的主要技术包括：流分类、准入控制、调度、拥塞控制和资源预留等。流 分类根据o o s 需求决定数据分组所属的服务等级调度技术根据数据分组的不同服务等级进行不 同的处理。每个网络元素都对进入的数据流进行准入控制，弗判断是否有足够的资源满足数据流 的q o s 要求，以及数据流是否有权获得要求的服务等级。i n t s e r v 通过资源预留机制逐个节点的 建立或解除每个流的资源预留状况，通过接入控制机制判断网络节点是否能满足q o s 请求并接受 或拒绝请求，模型中所有的路由器都要支持r s v p 机制，即都要有在控制路径上处理每个流的信 令消息并维护每个流的路径状态和资源预留状态，执行流的分类、调度和缓冲区的管理的能力。 目前， n t s e r v 模型提供了3 种不同等级的q o s 服务，其中前两种服务方式即保证型和可控 负荷型服务是i n t s e r v 所推荐的： 1 保证型服务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) ：可提供时延、带宽、丢包率等q o s 参数的保证。 2 可控负荷型服务( c o n t r o l l e dl o a ds e r v i c e ) 保证数据流能到达目的地，受尽力而为的影响最小 提供最小的传输时延。 3 尽力而为服务饵e s te f f o r ts e r v i c e ) ：与传统网络的尽力服务相同，安装网络在实际安装时按默 认的操作方法进行操作。 i n t s e r v 服务模型具有如f 的特点 9 中国农业大学硕士学位论文 第二章0 0 s 概念 1 以流为对象提供q o s 服务。i n t s e r v 以单方向的流为对象；在双向情况f 每个方向都可以使 用i m s e r v 。 2 通信开始之前必须进行资源预留。收发应用的双方必须通过交换路径信息和预留信息进行所 需资源的预留操作才可以获得i n t s e r v 服务。 3 多播。可以处理m 个发送端对n 个接收端传输的多播流。 i n t s e r v 模型定义了4 个功能部件，网络中的每个网络元素都要能实现这4 个功能，简要的 i n t s e r v 参考模型如图2 1 所示： 1 资源预留r s v p 处理结构：r f c 2 2 1 0 提出使用r s v p 支持i n t s e r v 模型。r s v p 的作用在于在 各端点和中断点之间维持流相关的状态信息，同时利用这些信息来为流沿其传输路径的资源预留 进行协商。通过r s v p 用户可以给每个业务流申请资源预留，要预留的资源可能包括缓冲区及带 宽的大小。这种预留需要在路径上的每一跳都要进行。这样才能提供端到端的o o s 保证。 2 准入控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) ：它基于用户和网络达成的服务协议，对用户的访问进行监视 和控制，通过一系列决策算法确定是否接入一个新的数据流并满足其o o s 需求。 3 数据包分类器( c l a s s i t i e r ) ：根据预置的一些规则，它对进入路由器的每一个分组进行分类。 分组经过分类以后被放到不同的队列中等待接收服务，不同类型的分组由调度装置调度得到不同 的处理。分组分类有以下几种： ( 1 ) 基于五个流参数标识i p 流，这些参数是源】p 地址、目的地i p 地址、l p 协议字段以及源 端口和目标端口。 ( 2 ) 基于l p 优先级字段进行标识。 ( 3 ) 基于源和目标介质访问控制( m a c ) 地址进行标识。 ( 4 ) 基于端口号、w e b 通用资源定位器( u r l ) 地址进行标识。 4 数据包调度装置( s c h e d u l e r ) ：它主要是基于一定的调度算法对分类后的分组队列进行调度 服务。分组调度器的调度机制可分为两类，一是队列调度机制，二是队列管理机制。这方面的技 术目前己比较成熟，常见的调度算法有w f o 、w f 2 0 、s c f o 、v c 、m d - s c f o 和w r r 等。 1 0 图2 1 l m s e 参考模型 资源预留协议r s v p 【1 q 黾h t s e r v 模型的核心。r s v p 是一个运行在网络层的信令协议，它允 许为数据流建立资源预留，控制综合业务。i u t s e r v 是通过资源预留并且根据应用程序的q o s 请 求来分配网络资源，以保证基于每个流的q o s 管理。i n t s e r v 模型需要依靠种信令协议机制来 建立或拆除每个流的资源预留状态r s v p 协议就是为了满足i n t s e r v 的这种需要【1 5 j 而产生的。 r s v p 是逐跳o o s 信令协议，即r s v p 消息是沿着数据路径从一个结点向另一个结点传输的。 r s v p 协议不同予以往的1 p 服务，摆脱了传统网络尽力而为服务的缺陷，使用户可以获得有 严格q o s 保证的服务，r s v p 有以下特点： 1 动态实现资源预留。r s v p 可以动态地为应用请求进行资源预留，根据当前的网络资源状况 和上层的策略管理网络设备可以实时地、定量地分配网络资源。 2 通用性。r s v p 协议不依赖于特定的路由算法、调度算法。r s v p 协议只传输必要的资源信 息。而信息的解释、对资源的预留实现都由网络设备完成。 3 单向性。r s v p 会话是单向的，只建立源端到目的地之间的单向连接，只能预留一个方向的 资源。如果需要进行双向的业务，必须建立两个独立的会话。 4 支持对多播应用通信的资源预留。r s v p 协议实现了对多个接收端的资源预留合并，并支持 动态的多播成员的变更，根据接收端的状态来决定资源预留，通过将多播成员状态的合并处理， 从而减少了发送应用的工作量。 5 独立于l p 路由协议。r s v p 的信令和进行路由转发的过程是分离的，它本身不进行路由的选 择，路由协议仍是现有的路由协议。 6 采j j 了定期更新软状态信令。r s v p 采用了动态定期更新业务流传送路径上的路由器状态的 n 中国农业大学硕士学位论文第二章o o s 概念