（计算机应用技术专业论文）流标签在服务质量管理中的应用及生成机制的研究.pdf

独创性( 或创新性) 声明 l i i iiii i i l l l l l l l i i i ii ii 17 5 8 5 7 6 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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列 的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京邮电大学或其他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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 雏氢日期：五如：= 丝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京邮电大学。学校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，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 书。 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权 、 北京邮电大学硕士论文摘要 流标签在服务质量管理中的应用及生成机制的研究 摘要 通信网络随着时代的发展必将走向一个融合的网络，不但多种业 务要基于融合的网络进行承载，多种技术也日趋融合；互联网协议 ( i p ) 在全球未来的互联网和移动网络演进融合的道路上将迎接电信 级可靠性的挑战。下一代互联网协议i p v 6 引入的流标签字段，蕴藏 着提供可靠服务质量( q o s ) 保证的巨大潜力。流标识功能对网络 q o s 准确、有效的实施至关重要，是各种网络支持q o s 的先决条件， 也是助力未来网络更加安全有序的必要手段。研究如何充分发挥流标 签的流标识特性将成为一把钥匙，引领我们通向未来融合可靠的网络 之门。 流标签作为i p v 6 固定包头的字段，长度为2 0 比特。目前该技术 尚处于理论研究阶段，在支持流标识功能方面天然具备以往任何传统 流标识方式都无法与之比拟的优势：流标签技术能够有效屏蔽分段技 术、加密技术和扩展包头技术等多种干扰，专注于网络层对单流的标 识与识别。尽管i p v 6 正在全球飞速发展，但有关流标签技术在具体 应用方向的研究还鲜有成果，致使流标签技术在业界的认知与发展相 对滞后，因此，流标签技术在全球范围内的推广工作亦不可轻视，设 计和实现系统中流标签的生成与识别机制等相关问题亟待解决。 本文主要研究当前在传统互联网和演进分组网络中服务质量管 理方面存在的问题，并结合流标签的技术特点，分别提出了两个创新 性的解决方案。在传统互联网中若要实现端到端q o s 保证，必须摆 脱当前网络环境跨域异构的困扰。复杂的网络环境使得流的原始信息 提取困难、q o s 实施混乱，而传统粗放的q o s 对象识别手段面对这 个问题束手无策。基于流标签的跨域异构网络q o s 模型通过协商时 对业务流合理绑定、通信时精确映射有效的解决了这个问题。通过 o p n e t 仿真，该模型在提高端到端q o s 方面取得的显著成效进一步 得到了有力的证明。在演进分组网络中，三大问题阻碍了q o s 在该 网络的发展：q o s 协商与授权过程繁杂、q o s 实施过程效率低、设备 资源开销大和策略与计费控制架构不统一。基于流标签的演进分组网 。 北京邮电大学硕士论文摘要 络q o s 模型成功的克服了这三大问题，改变了q o s 受理与实施流程， 屏蔽了不同网络技术向演进分组网络演进过程中在q o s 方面的差异。 在提出上述两个应用模型的基础上，本文对流标签的生成机制等 功能进行了设计与实现，详细介绍了各功能模块的设计思想，并给出 了系统实现的伪代码与实验结果，供流标签技术后续研究工作的开展 与参考。 关键字流标签q o s ( q u a l it yo fs e r v i c e ) 异构e p s ( e v o l v e d p a c k e ts y s t e m ) 生成 i i 北京邮电大学硕士论文 a b s t r a c t f l o wl a b e l sa p p l i c a t i o ni nq u a l i t yo fs e r v i c e a n di t sg e n e r a t i n gm e c h a n i s m a b s t r a c t t e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sw i l lg r a d u a l l ym e r g ei n t oaf u t u r en e t w o r kw i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h et i m e s n o to n l yv a r i o u ss e r v i c e sw i l lb es u p p o r t e db yam e r g e d n e t w o r k ，m u l t i p l et e c h n o l o g i e sw i l la l s ot e n dt ob e c o m eh a r m o n i o u s o nt h ew a y o f m e r g i n go ff u t u r ei n t e m e ta n de v o l v e dp a c k e ts y s t e m ( e p s ) ，i n t e r n e tp r o t o c o l ( i p ) w i l lc o n f r o n tt h ec h a l l e n g eo fh i g hr e l i a b i l i t yi nt e l e c o m m u n i c a t i o nl e v e l f l o wl a b e l ， 勰af i e l di n t r o d u c e db yt h en e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e tp r o t o c o li p v 6 ，c o n t a i n st h e s i g n i f i c a n tp o t e n t i a l i t yo fp r o v i d i n gr e l i a b l eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) g u a r a n t e e f l o w i d e n t i f i c a t i o nf u n c t i o ni sp r i n c i p a lf o ra c c u r a t ea n de f f e c t i v eq o si m p l e m e n t a t i o ni n n e t w o r k s i ti sa p r e r e q u i s i t ef o rn e t w o r k ss u p p o r t i n gq o s a n di ti sa l s on e c e s s a r yt o h e l pf u t u r en e t w o r km o r es e c u r ea n do r d e r e d s t u d yh o wt og i v ef u l lp l a yt o t h e c h a r a c t e r i s t i c so ff l o wi d e n t i f i c a t i o ni nf l o wl a b e lw i l lb eak e yf e a t u r e , l e a d i n gu s ， t o w a r d st ot h ed o o ro ft h ef u t u r ei n t e g r a t i o no far e l i a b l en e t w o r k f l o wl a b e la saf i e l di ni p v 6f i xh e a d e r , i s2 0b i t sl o n g c u r r e n t l y , i ti ss t i l li n r e s e a r c h a st os u p p o r t i n gf l o wi d e n t i f i c a t i o nf u n c t i o n , f l o wl a b e lh a si n c o m p a r a b l e a d v a n t a g ei n t h ef i l e do ff l o wi d e n t i f i c a t i o nb e c a u s ei ti s c a p a b l et o s h i e l dt h e d i s r u p t i o no fs e g m e n t ，i ps e c u r i t y ( i p s e c ) o re x t e n d e d h e a d e r i tc o n c e r n so n i d e n t i f y i n ga n dr e c o g n i z i n gas i n g l ef l o wi nn e t w o r kl a y e r a l t h o u g ht h en u m b e ro f i p v 6u s e r si si n c r e a s i n g l yg r o w i n ga l lo v e rt h ew o r l d ，r e s u l t si nr e s e a r c ha b o u tt h e a p p l i c a t i o no ff l o wl a b e la r eh a r d l yf o u n d ，s ot h a tt h ec o g u i z ea n dd e v e l o p m e n to f f l o wl a b e li nr e l e v a n tf i e l d si sl a g g e d t h e r e f o r e ，g l o b a lp o p u l a r i z a t i o no ff l o wl a b e l c a n n o tb ei g n o r e d ，a n dd e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n go ft h eg e n e r a t i n ga n dr e c o g n i z i n g m e c h a n i s mo f f l o wl a b e lh a v et ob es o l v e d i nt h i sp a p e r , c u r r e n tq o sp r o b l e m si nt r a d i t i o n a li n t e m e ta n de p sw i l lb e a n a l y z e d c o m b i n e dw i t ht h ef e a t u r eo ff l o wl a b e l ，t w on o v e ls o l u t i o n sh a v eb e e n p r o p o s e d i no r d e rt os u p p o r te n d t o e n dq o ss e r v i c ei nt r a d i t i o n a li n t e r a c t ，s o m e p r o b l e m sm u s t b es o l v e dw h i c hc a u s e db ya ne n v i r o n m e n tc r o s s e ds e v e r a l h e t e r o g e n e o u s d o m a i n sa n dt r o u b l e dc u r r e n tn e t w o r k s ac o m p l i c a t e dn e t w o r k i i i ， 北京邮电大学硕士论文 a b s t r a c t e n v i r o n m e n tm a d ei tc o m p l e xt oe x t r a c tt h eo r i g i n a li n f o r m a t i o nf r o mp a c k e t sa n d c o n f u s e dq o si m p l e m e n t a t i o n t r a d i t i o n a l c o u r s em e t h o d si n r e c o g n i z i n gq o s o b j e c t sd on o t h i n g t oa d d r e s st h i sp r o b l e m an e wf l o wl a b e lb a s e dq o sm o d e lb a s e d o nf l o wl a b e lf o rc r o s s d o m a i nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k sf i x e dt h ep r o b l e mb y r e a s o n a b l eb i n d i n gi nn e g o t i a t i o na n de x a c t l ym a p p i n gi nt r a f f i c t h r o u g h t h e s i m u l a t i o no fo p n e t , i ti sp r o v e dt h a tt h e n e wm o d e lo b v i o u s l yi m p r o v e d e n d t o e n dq o s i ne p s ，t h e r ea r e3p r o b l e m sw h i c hh a v eh i n d e r e di t sd e v e l o p m e n t i nq o s ：ac o m p l e xq o sn e g o t i a t i o na n da u t h o r i z a t i o np r o c e s s ，i n e f f i c i e n tq o s i m p l e m e n t a t i o np r o c e s sa n dh i g hc o n s u m i n gi nd e v i c e s r e s o u r c ：e s ，a n dd u a lp o l i c ya n d c h a r g i n gc o n t r o l ( p c c ) s t r u c t u r e s t h e n e we p sq o sm o d e lb a s e do nf l o wl a b e l s u c c e s s f u l l y s o l v e st h o s et h r e e p r o b l e m sb yc h a n g i n gq o sn e g o t i a t i o n a n d i m p l e m e n t sp r o c e s s ，s h i e l d st h eq o sd i f f e r e n c e s b e t w e e nd i s t i n g u i s h e dn e t w o r k s w h i c hi n t e n dt oe v e l y et oe p s d e p e n d e do nt h et w on e wm o d e l sa b o v e ，s e v e r a le l e m e n t a lf l o wl a b e ls y s t e m f u n c t i o n ss u c ha st h eg e n e r a t i n ga n dr e c o g n i z i n gm e c h a n i s mh a v eb e e nw e l ld e s i g n e d a n di m p l e m e n t e d t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ed e s i g ni d e ao fe a c hf u n c t i o n ，a n dg a v e s o m ep s e u d oc o d e sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，c a nb et h er e f e r e n c ef o rf u t u r er e s e a r c h o nf l o wl a b c l k e yw o r d sf l o wl a b e l ，q o s ( q u a l i t y o fs e r v i c e ) ，h e t e r o g e n e o u s ， e p s ( e v o l v e dp a c k e ts y s t e m ) ，g e n e r a t i n g i v 北京邮电大学硕十论文目录 目录 第一章前言1 1 1 课题背景l 1 2 研究内容及创新点1 1 3 论文的组织结构2 第二章q o s 机制与流标签技术简介3 2 1 国内外q o s 机制研究3 2 1 1 传统互联网q o s 主流机制研究4 2 1 2 演进分组网络q o s 机制研究6 2 2i p v 6 流标签技术研究1 1 第三章基于流标签的跨域异构网络q o s 模型研究1 3 3 1 跨域异构网络q o s 问题研究1 3 3 2 基于流标签的跨域异构网络q o s 模型一1 5 3 2 1 设计动因16 3 2 2 模型特点，1 6 3 2 3 模型中流标签的定义及生成17 3 2 4 模型网络元素l7 3 2 5 模型协议流程1 9 3 2 6 模型的优缺点：21 3 3i p v 6 网络流标签模型仿真2 2 3 3 1o p n e t 仿真设计与环境搭建：。2 2 3 3 2 流标签模型仿真与对比2 4 3 3 3o p n e t 仿真结果2 5 3 4 本章小结2 7 第四章基于流标签的演进分组网络q o s 模型研究2 8 4 1 演进分组网络的q o s 问题研究2 8 4 1 1 当前e p sq o s 与计费模型的协商与更新过程2 8 4 1 2 当前e p sq o s 的实施过程2 9 4 1 3 当前p c c 的双重结构3 0 4 1 4 问题总结3 0 4 2 演进分组网络i p v 6 的流标签模型3 1 v 北京邮电大学硕士论文 目录 4 2 1 设计动因3 1 4 2 2 新的q o si d 3l 4 2 3 新i d 的产生、标记和识别3 2 4 2 4 新q o si d 在e p s 中的预配置3 2 4 2 5 新的q o s 协商与更新过程。3 3 4 2 6 新的q o s 实施过程3 4 4 2 7 新模型中p c c 的统一结构3 5 4 3 本章小结。3 5 第五章流标签的生成机制研究与实现3 6 5 1 基于流标签的生成机制研究3 6 5 2 基于流标签的生成机制设计。3 6 5 3 基于流标签的生成机制实现3 7 5 4 基于流标签的生成机制试验结果4 l 5 5 本章小结。4 2 第六章总结与展望4 3 6 1 流标签对网络q o s 的意义。4 3 6 2 未来技术展望4 3 参考文献4 4 致谢4 6 攻读学位期间发表的学术论文目录4 7 v i 北京邮电大学硕+ 论文第一章前言 第一章前言 1 1 课题背景 i p 技术在全球范围内得到广泛应用的同时也遇到了严酷的挑战，现有i p v 4 正面临地址空间枯竭、q o s 、移动性和安全性等诸多问题，因此下一代互联网技 术i p v 6 1 】日益成为当今学术界研究和讨论的焦点。流标签作为i p v 6 新增的域专 为解决q o s 的问题而设计，希望籍此可以提高i p 层的流识别能力，使下一代网 络能够提供端到端q o s 成为可能。目前有关i p v 6 流标签的研究成果并不多见， 仅有少量i e t f 的r f c 标准【2 】，草案和其它文献中，能够揭示流标签基本使用的 若干原则，但是对于流标签应用的场景、应用价值及其生成机制的研究还寥寥无 几，严重阻碍了i p v 6 发挥其在q o s 上应有的作用。因此，对于流标签在q o s 应 用与生成机制的研究很有意义。 通信网络随着时代的发展必将成为一个走向融合的网络，这包括了两个层 面。一个是业务层面的，多媒体、话音、游戏和文件共享等多种业务要基于融合 的网络进行承载，这对网络本身如何在各种不同业务的流量特性具有较大差异的 情况下，如何在提高网络承载效率的同时兼顾对业务分配网络资源的公平性，从 而提高网络可靠性与用户的最终体验。另一个是技术的融合，l p 协议在互联网 取得的巨大发展在业界产生了深远的影响。移动网络演进的国际标准组织3 g p p 、 3 g p p 2 均认可在4 g 移动网络中要全面实现i p 化的计划已经开始付诸于行动p 】。 而深入发掘i p v 6 的q o s 特性正是配合这两大融合趋势、在通信网络发展道路上 披荆斩棘的利器。 i p v 6 ，作为下一代互联网协议，比传统的i p v 4 革命性的具备了q o s 新特性， 其本质是在i p v 6 设计之初引入了流标签字段。该字段目前尚处于理论阶段，在 设计之初希望其在流识别方向能够发挥其应有的作用。流识别功能在q o s 的实 施中起着举足轻重的作用，准确迅速的实现流识别是在各种网络中保证q o s 的 必要条件。结合以上现状及未来发展的态势，当务之急是要研究流标签的特性如 何能够充分的发挥使得网络q o s 技术显著提升，从而在未来融合的网络中实现 端到端可靠的服务质量控制。 1 2 研究内容及创新点 本文通过大量调研固网和演进分组网络中的q o s 实现机制，分析与挖掘流 北京邮电大学硕+ 论文第一章前言 标签字段在i p v 6 中天然的q o s 优势，提出了异构网络基于流标签的无状念异构 网络q o s 模型和演进分组网络的流标签模型。详细设计了模型的相关协议以及 生成和标记过程，结合实际需要对异构网络模型进行仿真分析。同时，参照两模 型对流标签生成机制的需求设计并实现了流标签生成和识别机制。 在研究过程中，本文创新性的分析了传统互联网q o s 在异构环境中面临的 新挑战，对该模型进行了设计与仿真。同时本文首次提出了演进分组网络q o s 与承载相分离的模型，该模型能够显著改善原网络存在的多个弊端。另外，本文 详细介绍了利用n e t f i l t e r 在l i n u x 系统中设计并实现了支持流标签网络模块的方 法，包括支持流标签生成和识别的网关及客户端模块。 1 3 论文的组织结构 全文大体分为五个部分： 第一部分( 第一、二章) 简要介绍了当前国内外网络q o s 机制的研究成果， 陈述了q o s 问题在演进分组网络的发展现状，并调研了流标签的定义和技术特 点，深入探索其q o s 应用的研究背景。 第二部分( 第三章) 深入剖析了传统互联网中q o s 机制面临的重大问题， 并结合流标签的q o s 优势提出了流标签跨异构网络无状态q o s 的应用模型。该 模型具体定义了相应的流标签产生机制，设计与实现了模型的各个模块。在此基 础上利用o p n e t 仿真工具完成了对模型的仿真设计与实现，包括部分仿真模块 的开发以及模型仿真的结果比较与分析。 第三部分( 第四章) 结合演进分组网络全i p 化的趋势，历数其q o s 实现的 多个难题，巧妙利用流标签将原模型的承载面与q o s 相分离，设计了基于独立 q o s 标识的演进分组模型，并对原有模型进行了比较与分析。 第四部分( 第五章) 在上述模型研究的基础上，整合了现有的流标签生成需 求，提炼出流标签生成机制，并开发、测试了流标签生成模块和流标签读取识别 模块。 最后一部分( 第六章) ，对全文进行了总结，并对流标签在q o s 方向的下一 步研究工作进行了展望。 2 - ， 2 1 国内外q o s 机制研究 q o s l 4 是网络服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 的简称，它专注于解决基于存 储转发机制的i n t e m e t 仅可提供尽力而为( b e s te f f o r t ) 的服务所引发的一系列网 络质量问题。早在1 9 9 6 年底，美国的i n t e r n e ti i 以及n g i ( 下一代互联网) 等研 究项目就开始着手提高网络服务质量方面的研究，多个国际标准化组织、大学和 科研机构都纷纷加入到q o s 研究的行列中。随着i p 技术在固网的广泛应用以及 在移动网络的分组系统显示出巨大的潜力，市场迫切需要网络能够提供可靠的服 务质量。 网络服务质量优劣的衡量主要从以下四个方面进行：带宽( b a n d w i d t h ) 、 时延( d e l a y ) 、抖动( j i t t e r ) 和丢包率( p a c k e tl o s tr a t e ) 。目前，互联网承 载了种类丰富的业务类型，有限的网络资源仅仅提供无差异的尽力而为的q o s 服务，实在难以满足不同业务的差异化q o s 需求：如话音( v o i c e ) 业务对时延 和抖动非常敏感，而电子邮件( e m a i l ) 业务则希望其丢包率能够得到有效的控 制。因此根据众多业务各自的流量特性，用户期待能够结合业务类型、按照自身 的情况订制个性化的o o s 服务。 q o s 机制在这样的背景下应运而生。它致力于在网络资源有限的条件下，通 过资源重分配，优化网络对不同分组的资源配置，从而达到改善用户的业务使用 体验，提升用户的满意度的目的。因此，q o s 机制在实质上有两个研究课题值得 人们关注与探索：q o s 保证的对象和资源保证的机制，也就是把网络资源分给谁 和怎么分的问题。本文主要对在q o s 机制中q o s 保证的对象这一课题进行了学 习与研究。 在网络层，若想实现对特定业务准确进行资源的预留和保证，需要将一个业 务与服务的等级进行绑定，这就要求网络必须首先具备q o s 保证对象的识别能 力。目前在网络层主要的业务识别手段见表l 。 本节q o s 对保证实施对象识别的基本介绍，迄今为止，在网络层主要有三 类q o s 模型可实现q o s 技术的综合解决方案：i n t s e r v 、d i f f s e r v 以及m p l s 。 下面将对各不同q o s 机制特点，及其q o s 保证的对象被如何设计与实施进行简 要说明与分析。 3 北京邮电大学硕士论文 第二章q o s 机制与流标签技术简介 表1 - 1q o s 对象识别技术 技术类别 示例优势 缺点 基丁地址段的划分金银铜用户仅需按照i p 地址进行单维 粗放型重分配网络资源， 流量识别 v l a n 识别，对性能要求低，损耗 牺牲火量普通 i 户体验。 小。 基丁流的流量基于五元组可对同一用户约定的不同无法区分应用类型，5 维 特征识别( t f r ) 的过滤规流分配区分服务的网络资映射查找速度慢，对性能 则源。影响大。 基于应用类型基于上层应用类可针对不同应用类型实施成本高，应用层解析规则 的流量识别型的过滤规则区分服务，无需预约，可实复杂，对性能影响大。 施特定业务保护。 基于标识的流基于业务数据报 支持细粒度的资源分配策需要终端进行标记，并存 量识别中特定标识位的 略和计费，对性能要求低， 在安全隐患 值损耗小 2 1 1 传统互联网q o s 主流机制研究 q o s 问题【5 】一直困扰着i p 网络对多业务的承载，逐渐成为当今业界所共同 关注与研究的焦点。迄今为止，其主要的研究成果包括以下解决方案： li n t s e r vq o s 特性 i m s o v 是集成服务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ) 模型，它作为设计i pq o s 机制早 期的模型，在1 9 9 4 年由i e f t 在r f c l 6 3 3 6 】中进行了详细的规范。i n t s e r v 的核 心设计思想是，通过先在沿途各个节点全程进行网络资源预留，成功后再传送有 特殊q o s 需求的数据流来保证该数据流的端到端q o s 。这种模型显著的优势是 可以确保实现端到端的q o s ，但同时由于i n t s c r v 的预留过程要求网络中所有相 关节点必须参与到其中，在部署和实施方面存在以下问题： 该模型在处理q o s 保证的对象这个问题上，采用了单流服务的理念。换言 之，对于所有需要预留资源的流，网络节点不得不保存每一个流的状态信息，进 而使得核心路由器不堪重负，极大的破坏了该模型的可扩展性。 该模型在网络中对所有节点要求不仅能维护各类数据库，而且还要支持多项 与q o s 相关的功能模块，因为每个节点均需独立完成资源预留、路由和接纳控 制等工作，这无疑给支持该模型的节点设计增加了沉重的负担。 该模型在请求资源预留的阶段使用资源预留协议( r s v p t 7 】) 作为其信令， 该信令过于复杂，难于管理。 2d i f f s e r vq o s 特性 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 ) 模型简称d i f f s e r v ，是i e t f 为了解决 i n t s e r v 的局限性提出的，r f c 2 4 7 4 | 8 】和r f c 2 4 7 5 t g l 对其进行了规范。该模型的设 计思想与i n t s e r v 有本质的不同，将网络划分了域的概念，在域的边缘对数据包 4 ， 北京邮电大学硕十论文 第二章q o s 机制与流标签技术简介 的信息进行提取、分类，并通过对数据包的区分服务代码点( d s c p ，d i f f s e r vc o d e p o i n t ) 进行差异化的标记，来提示域内每一个网元应对其采取何种q o s 保护行 动( p h b ，p e rh o pb e h a v i o r ) 。因此在d i f f s e r v 模型中，网元对q o s 的部署和 实施有了各自的分工：网络边缘仅支持接纳控制、维护流状态、分类和标记的功 能模块，而往往包含多个核心路由器的域内网元只需要保存d s c p 与p h b 的映 射关系，和实施p h b 而无需关注流状态等信息就能实现域内的q o s 控制了。 由于与i n t s e r v 相比较而言，d i f f s e r v 的扩展性优异、实现也很简单，得到 了业界的一致认可。该模型主要涉及到的实现技术包括分类、重标记、速率限制、 流量整拥塞避队列调度等。不可否认的是，d i f f s e r v 模型仍存在一定的局限性， 主要体现在： 该模型对网络进行了域的划分，使得该q o s 保证只能在域内实施，而非端 到端的q o s 保证，同时也有碍策略异构的多域q o s 协作。 该模型q o s 保证的对象是带有特定d s c p 的包，这意味着具有相同d s c p 的不同流在域内将会得到相同的q o s 处理，他们所获得的p h b 是一致的。这将 导致用户的流无法得到严格精准的q o s 保证，只能得到该模型承诺的某一服务 质量。 该模型中一旦某网络节点发生拥塞，到达该节点的数据包服务质量将难以保 证，网络不会通过旁路分担一部分流到轻载的设备上，这意味着d i f f s e w v 无法实 现负载均衡。 该模型对具有相同优先级( d s c p ) 的流在设备发生拥塞时，无法智能的丢 弃报文。这将导致一旦设备出现拥塞，该优先级上的所有流的服务质量都会下降， 而无法有选择性的对指定流的数据进行丢弃。 随着q o s 机制研究的深入与发展，目前一些研究机构也致力于i n t s e r v 与 d i f t x 3 e r v 结合解决q o s 问题的方向。其初衷是在网络的接入侧仍沿用r s v p 将运 营商的d i f f s e n v 网络边缘节点和用户连接起来，在d i f f s e r v 边缘映射i n t s e r v 的 q o s 信息，从而通过i n t s e r v 的端到端架构弥补d i f f s c r v 的不足，同时充分发挥 d i f f s e r v 良好的可扩展性优势。遗憾的是，迄今为止这一方向还处于理论阶段， 对诸如r s v p 的管理、端到端的绝对q o s 保证等问题还有待进一步探索。 3m p l sq o s 特性 多标签交换协议m p l s ( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 1 0 】从根本上与上述 两种q o s 机制不同，它是一种结合了数据链路层和网络层的交换技术。m p l s 最大的亮点便是引入了标签机制，利用标签组成一个分组传送的网络路径，从而 有效的将路由的选择与数据转发这两项工作相分离。同时，m p l s 网络也需要 划分独立的域，网络节点将成为边缘部分的标签边缘路由器( l e r ) 或核心部分 5 北京邮电大学硕士论文 第二章q o s 机制与流标签技术简介 的标签交换路由器( l s r ) 。 源于标签交换的转发效率高于传统i p 路由转发方式，m p l s 的q o s 在降低 转发时延上比传统数据网络有着天然的优势。不仅如此，m p l s 的包头中有一个 实验字段e x p ( e x p e r i m e n t a lf i e l d ) ，长度为3 比特。该字段用于标记q o s 保证 对象m p l s 数据包的优先级，从而赋予m p l s 设备转发数据包时为其提供差 异化服务的能力。 该模型最大的局限性在于只能基于m p l s 网络实现，况且随着近几年芯片 技术的不断升级，路由转发与交换转发在性能上的差距不断被缩小，其天然的优 势面临挑战。同时基于e x p 的q o s 保证对象区分设计与d i f f s e r v 异曲同工，一 些d i f f s e r v 的不足如负载失衡等问题在m p l s 的q o s 机制中也无法回避。 m p l s 与流量工程( t e ) 相结合的技术，m p l s t e 1 l 】成为目前得到广泛认 可的一种q o s 技术。该技术结合了m p l s 自身路由与转发分离的特点，以及t e 能够为业务流选择最优路径、易实现负载均衡等优势，有效的提高了网络的q o s ， 具体体现在以下方面： m p l s t e 技术能够在多条转发路径中进行负载均衡控制，从而最大限度的 避免拥塞，保证充分合理的利用全网的资源。 该技术利用m p l s 的标签来识别q o s 保证的对象，通过r s v p t e 创建一条 具有严格q o s 带宽保证的隧道，能够支持不再是相对的o o s 保证服务。 通过建立备份路径和快速重路由等技术能有效的对隧道进行冗余保护，大大 提高了网络对于拥塞及异常故障的容错能力，提高了网络q o s 保证的可靠性。 m p l s t e 的研究目前面临的最大挑战在于当前该技术主要的应用只能在单个域 中，其跨域的应用还鲜有成果。 2 1 2 演进分组网络q o s 机制研究 l 演进分组网络q o s 相关概念简述 e p s ：演进分组网络由演进分组系统( e v o l v e dp a c k e ts y s t e m ) 1 1 2 组成，简 称e p s ，是国际标准化组织3 g p p 规范的未来移动网络发展的模型。它主要由两 部分组成：接入网的l t e ( 和核心网的s a e ，又叫e p c ，如图2 1 所示。其中l t e 部分包括用户使用的终端u e 以及演进的基站e n o d e b ，e p c 由协商阶段的m m e 和传送阶段的服务网关s g w 和以及分组数据网络网关p d n 三个部分。除m m e 外，所有网元均与q o s 机制实施紧密相关。 s d f ：e p s 中允许实施q o s 保证的最小单位是一个服务数据流，即s e r v i c e d a t af l o w ，它可以代表一个单流，也可以是一个聚合流。在e p s 网络中，不同 的s d f 允许拥有不同的q o s 保证等级，但对于相同的s d f ，e p s 必须保证一致 的q o s 服务。 6 北京邮电大学硕十论文 第二章q o s 机制与流标签技术简介 图2 - 1e p s 架构示意图 t f t ：e p s 中q o s 保证的对象通过t f t ( t r a f t i ef l o wt e m p l a t e ) 1 3 】来描述与 识别。在u e 和网关识别s d f 时，通过由多个t f r 组成的包分类规则( p a c k e t f i l t e r ) 从上下行的流量中过滤出需要的s d f 。根据3 g p p 的规范，t i 叮的组成 形式可以有3 种：传统的5 维信息组成，包括i p 地址、端口号、协议号、端口 范围和业务类别；4 维的i p s e c 形式，用i p s e c 独有的s p i 取代了端口范围；3 维的流标签形式，仅需i p 地址，业务类别和流标签。 表2 - 1 有效的规则集组成 l 有效组合类型 数据包的规则集属性 ii ii i i 远程地址与子网掩码 xxx 协议号( i p v 4 ) - f 一个包头( i p v 6 )xx 本地端口范闱 x 远程端口范围 x i p s e cs p ix t o s ( i p v 4 ) t r a f f i cc l a s s ( i p v 6 ) 和掩码 xxx 流标签( i p v 6 ) x e p sq o s 基本参划1 4 】：e p s 对q o s 等级做了划分，分别用q c i 、a l 冲、g b r 、 m b r 等多个等级参数来描述一个e p s 承载的q o s 需求，下面将一一对其进行简 要说明。 q c i 是q o s 类别标识( q o sc l a s s i f i e ri d e n t i f i e r ) ，u e 到p d n 之间的所有 网元以q c i 为重要参考，来判断s d f 专有的q o s 参数应如何设置( 如权值调度、 准入阈值、队列管理阈值、链路层协议配置等运营商在网元上预配置的q o s 策 略。q c i 的技术参数划分见表3 。 a r p ( a l l o c a t i o na n dr e t e n t i o np r i o r i t y ) 是分配与保持优先级，由优先级等 级、优先抢占能力标志位和优先抢占脆弱性标志位三部分组成。a r p 的首要目 的是判决在资源有限情况下是否接受一个承载建立或更改请求。a r p 优先级等 级部分用于确保高优先级等级的承载请求更容易被系统重视。此外，它也可用于 7 北京邮电大学硕士论文 第二章q o s 机制与流标签技术简介 决定在资源有限时放弃哪个承载。优先抢占能力定义了是否允许去抢占一个更低 a r p 等级的资