试验IP通信网QoS的研究与仿真（可编辑）

1、试验ip通信网qos的研究与仿真 硕士学位论文 试验ip 通信网qos 的研究与仿真 research and simulation on qos technologies in test ip communication network 刘慧敏 哈尔滨工业大学 2013 年07 月 国内图书分类号：tn915.851 学校代码：10213 国际图书分类号：621.39 密级：公开 工学硕士学位论文 试验ip 通信网qos 的研究与仿真 硕 士研究生：刘慧敏 导 师：王学东教授 申 请 学 位：工学硕士 学 科：信息与通信工程 所 在 单 位：电子与信息工程学院 答 辩 日 期：20 13 年

2、07 月 授予学位单位：哈尔滨工业大学 classified index: tn915.851 u.d.c: 621.39 dissertation for the masters degree in engineering research and simulation on qos technologies in test ip communication network candidate ： liu huimin supervisor ： prof. wang xuedong academic degree applied for ： master of engineering spe

3、ciality ： information and communication engineering affiliation ： school of electronics and information engineering date of defence ： july, 2013 degree-conferring-institution ： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 随着通信和网络技术的飞速发展及广泛应用，未来的通信业务都希望承载在 ip 网络之上，internet 将逐步由单一的数据传送网络向数据、语音、图

4、像和实时等 媒体信息的综合传输网络进化，那么如何在网络中满足各种业务的需求，提供可 靠高效的服务质量保证则是一个关键性课题。试验通信网作为航天试验靶场的专 用通信网络，也面临着同样的问题。 本文旨在研究试验ip 通信网中qos 技术实施的可行性和有效性。论文首先介 绍了qos 的基本概念及性能指标，对qos 服务模型进行了深入分析与研究，指出 了它们各自的优缺点和应用环境，在此基础上深入探讨了区分服务模型的基本原 理和相关实现技术。然后，概述了试验通信网的基本情况和发展趋势，构建了试 验ip 通信网的整体架构，分析了其qos 的指标要求，在此基础上提出了简化的基 于区分服务体系结构的试验ip

5、通信网qos 模型，该模型按照区分服务体系结构进 行网络部署，可以在网络中实现区分的服务，提高网络服务质量。另外，论文还 提出了一种改进的基于内容重要性和业务类型的两级排队调度算法，该算法重新 定义了区分服务代码点，在路由器中，根据设定的区分服务代码点的值进行两级 排队，一级排队区分业务的重要性，二级排队区分业务的时延敏感性，传输中要 优先为重要业务提供服务，当拥塞发生时，首先丢弃一级排队中重要性最低且时 延不敏感的数据包，而重要任务仍然可以获得较大的带宽，保证了重要任务的服 务质量。最后，利用opnet 仿真软件对常见队列调度算法、试验ip 通信网qos 模型及改进的调度算法分别进行了仿真研

6、究，实验表明，试验ip 通信网中应用qos 模型可以极大的提高网络性能，该方案是可行且有效的，为今后在实际网络中的 应用提供了直接的理论支持。 关键词：服务质量；综合服务模型；区分服务模型；队列调度；试验ip 通信网； opnet 仿真 i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 abstract with the rapid development and widely used of communication and network technology, most communication services are intended to carry over the ip network

7、in the future, internet will gradually evolved from a single data transmission network to a integrated transport network including data, voice, video and real-time media information etc, so how to meet a variety of real-time business needs, providing reliable service quality assurance is a key issue

8、. the test communication network as a special dedicated network, is also facing the problem. this paper aims to reach the technical implementation feasibility and effectiveness of qos in the test communication ip network. first introduces the basic concepts of qos and performance metric, analyzes an

9、d research the qos service model in-depth, point out their advantages and disadvantages and application environment, then based on this discuss the principle of differentiated services and related technology. next, outline the basic situation and development trend of test communication network, cons

10、truct the overall framework of the test communication ip network, analyzes its qos indicators requirements, then propose a simplified qos architecture of the test communication ip network based on diffserv, this model is in accordance with the differentiated services architecture for network deploym

11、ent, and can achieve differentiated services, improve network quality of service. in addition, this paper also presents an improved algorithm based on the content importance and the type of business, which redefines the dscp value, in the router, according to the dscp value set two queues, first que

12、ue distinguish the importance of business, second queue separate queuing delay sensitive, in transmission, the router will give priority to business-critical services, when congestion occurs, first discard the lowest important data packets, the important task still get a larger bandwidth, ensure the

13、 qos. finally， using opnet constructed simulation model ，verify the feasibility and effectiveness of the program, the work will help to the implement of the end-to-end qos in the future work. keywords: qos, intserv, diffserv, queue scheduling, test ip communication network, opnet simulation ii 哈尔滨工业

14、大学工学硕士学位论文 目 录 摘 要. i abstract .ii 第1 章 绪 论.- 1 - 1.1 论文背景及研究的目的意义.- 1 - 1.2 国内外研究现状.- 2 - 1.3 论文研究内容及结构安排.- 4 - 1.3.1 论文研究内容.- 4 - 1.3.2 论文结构.- 4 - 第2 章 ip qos概念及服务模型.- 6 - 2.1 qos概述.- 6 - 2.2 qos服务模型.- 7 - 2.2.1 尽力而为服务模型.- 8 - 2.2.2 综合服务模型.- 8 - 2.2.3 区分服务模型.- 11 - 2.3 区分服务模型体系结构.- 14 - 2.3.1 流量分类

15、标记.- 14 - 2.3.2 流量监管与整形.- 15 - 2.3.3 拥塞避免和分组丢弃策略.- 15 - 2.4 队列调度技术.- 18 - 2.4.1 先入先出队列调度.- 19 - 2.4.2 优先级队列调度.- 19 - 2.4.3 加权轮询队列调度.- 20 - 2.4.4 加权公平队列调度.- 21 - 2.5 本章小结.- 22 - 第3 章 试验ip通信网结构及仿真方案.- 23 - 3.1 试验通信网概述.- 23 - 3.2 试验ip通信网规划与设计结构.- 24 - 3.2.1 试验ip通信网的发展背景.- 24 - 3.2.2 试验ip通信网的总体架构.- 25 -

16、 3.2.3 试验ip通信网与服务质量.- 27 - 3.3 opnet modeler网络仿真平台.- 29 - 3.3.1 opnet modeler的分层建模机制.- 29 - 3.3.2 opnet modeler仿真步骤.- 32 - 3.4 仿真设计.- 33 - 3.4.1 试验ip通信网qos模型.- 33 - 3.4.2 opnet modeler 中qos 的实现方法.- 35 - 3.5 改进的两级排队调度算法模型.- 36 - iii 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3.6 本章小结.- 38 - 第4 章 仿真建模及结果分析.- 39 - 4.1 队列调度技术仿真验证

17、.- 39 - 4.1.1 仿真设置.- 39 - 4.1.2 仿真结果及分析.- 41 - 4.2 试验ip通信网模型仿真.- 43 - 4.2.1 仿真设置.- 44 - 4.2.2 仿真结果及分析.- 45 - 4.3 改进的两级排队调度算法仿真.- 47 - 4.3.1 仿真设置.- 47 - 4.3.2 仿真结果及分析.- 48 - 4.4 本章小结.- 50 - 结 论.- 51 - 参考文献.- 52 - 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限.- 56 - 致 谢.- 57 - iv 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1 章 绪 论 1.1 论文背景及研究的目的意义 航天科

18、研试验通信网是在海、陆、空、天范围内，采用光缆、电缆、卫星、 微波等多种传输手段，为航天发射、测量控制、气象监测等业务提供数据、视频、 图像、话音、时间等通信服务的网络，由网络管理、支撑平台、数据传输、图像 通信、话音通信、时间统一、加密系统等部分组成。试验通信网具有时空跨度大、 业务范围广、设备类型多、传输环节多、传输方式多样、实时性可靠性要求高等 特点。 随着通信技术及数据网络的迅猛发展，网络互通、业务融合的下一代网络已 然是发展的必然趋势，而对于试验通信网，也需要顺应时代发展，构建一体化、 信息化、数字化的新一代综合传输网络，才能以更好的通信服务质量为航天试验 任务保驾护航。该网络 （为

19、与原网络区分，将其命名为试验ip 通信网）的基本原 则是：遵循 tcp/ip 国际标准、语音、数据、图像三网合一、覆盖整个试验场区、 在线持续运行。 试验 ip 通信网不同于一般意义的 internet 网，它具有强烈的航天试验特点， 即对可靠性、实时性要求非常高，尤其是关键的控制指令和测控数据，必须保证 最高的传输质量。未来，试验任务越来越繁重，网络规模不断扩大，传输信息呈 几何级数增长，但internet 中现有的传输模式仍为尽力而为型服务，即路由器对所 有的业务流“一视同仁”，只尽最大努力将ip 包送达目的地，但不能保证数据包何 时或是否被传送给接收方，这不符合航天试验通信要求。因此，研

20、究在ip 网络环 境下，如何对资源进行有效的控制和管理，以使网络能够针对不同业务的特点提 供不同的服务质量（qos ），为下一步的网络构建提供客观依据，是十分必要而有 意义的。本文正是基于这样的背景而提出的。 qos保证技术是下一代网络的核心技术之一。rfc 2386 中对qos 的定义 是：qos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 2 为带宽、时延、抖动、丢包率、吞吐量等性能指标 ，这里的服务是指网络 节点对传输的数据包提供的服务。它旨在通过给予网络运营商对网络资源和使 用的控制权来传送有保证的区分式服务，为用户提供端到端的服务质量保证。简 单的说，qos可以对数据包

21、进行分类、标识、优化，并为特定的数据包赋予较高的 优先级，然后通过合理的排队、灵活的调度，加速传输进程，实现实时交互。qos - 1 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 所追求的传输质量在于：数据包不仅要到达目的地址，而且要保证其顺序性、完 1 整性和实时性 。qos技术并不是一种宽带技术，它没有创造带宽，而是利用报文 压缩、业务分类、分组调度等技术，优化了网络资源的管理和使用，使得带宽的 利用更为合理和有效。 1.2 国内外研究现状 研究qos 也就是研究：为达到用户所要求的网络性能指标，提供端到端的qos 控制，而在网络中使用的一系列控制策略。从根本上讲，qos 就是一套完整的、 通用的服

22、务质量控制机制。要解决qos 问题，目前有三种方案：一是增加网络带 宽，这是最直观最简便的方法，但是在实际应用中，网络带宽是不可能无限增加 的，且其成本较大，因此可行性比较低；二是在网络节点中部署qos 策略，提高 传输质量。针对该方案，ietf 组织提出了两种qos 模型：综合服务模型和区分服 务模型；三是在网络中使用流量工程，通过合理分配传输路径，充分使用网络资 源，来优化网络性能。下面分别进行介绍。 1994 年，ietf组织在rfc 1633 中定义了intserv服务模型，其基本思想就是以 3 资源预留的方式来实现qos保障 。intserv （integrated services

23、 ）模型借鉴端到端 的传统电路交换思想，发送端在发送报文前，先发送信令建立一条虚链路，然后 呼叫双方按照事先约定的规则，经由此链路传递报文，从而达到保证传输质量的 目的。资源预留协议rsvp （resource reservation protocol ）是intserv模型的主 要信令协议。 intserv 能够提供有保障的end-to-end 服务质量，但与此同时，当应用中存在 成千上万个流时，网络设备的存储和处理能力将会面临较大的压力，这是因为在 传输数据流时，网络中的每个节点都需要建立并维护所有流的状态及预留的网络 资源。因此，intserv 的扩展性较差，在骨干网中难以实现。 199

24、8 年，ietf组织针对intserv模型的局限性和不足，推出了区分服务体系结 4 构 （differentiated services architecture ） ，其特点是业务分类，汇聚转发。在该 模型中，网络的边缘节点负责保存业务流的状态信息并对其进行监控，内部节点 则对聚集流提供特定质量的调度转发服务。具体来讲，边缘节点按照用户的流规 格和服务等级协议对网络的输入分组进行分类、标记、整形、流聚集等操作，然 4 后将聚集信息保存在区分服务代码点 （diffserv code point，dscp ） ，每个dscp 都对应着一种特定的服务等级，每一个服务等级都有相应的逐跳行为phb （

25、per-hop-behavior ）4 ，phb用于指示网络内部节点在转发分组时应采取的处理 - 2 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 方式，内部节点则使用相应的phb进行调度转发，提高了效率。 区分服务模型不按每个流作区分，而是对业务流汇集成类，为不同的类提供 不同的服务，所以网络终端或路由器无需维护和管理每个流的状态信息，无论流 的数目如何增加，它都只提供有限的几类服务，因此不存在扩展性的问题；同时 信令的传递也非常简单，适于在核心网中应用。但是，diffserv 模型也存在弊端： 当报文进入路由器时，diffserv 只为报文设置不同的优先级，而不关心这些报文即 将要被发送的下一跳路由

26、设备的状态，缺乏全局全网观念，因此它不能提供端到 端的 qos 保证。另外，diffserv 只能使类型不同的业务享受不同的处理速度、平 均带宽和平均丢失率，仅仅是一种统计上的有限处理，当网络畅通时，不同优先 级的数据包按照预先设定的调度顺序按部就班地发送，一旦网络发生严重拥塞， 无论报文优先级多高，一样会被阻塞。 当前，diffserv 的研究方向可以分为两类：绝对区分服务与相对区分服务。绝 对区分服务与intserv 模型相似，同样需要严格的接纳控制，但是内部路由器不再 使用动态的rsvp ，而使用半静态的资源预留机制，因此不必保持每个流的状态， 可以提供绝对可靠的端到端的 qos，但是其

27、实现比较复杂，扩展性较差；相对区 分服务为业务流提供一定程度的相对区分服务，qos 可以根据网络环境变化而略 有波动，网络管理、部署等都较为简单，尽管不能得到绝对的服务质量保证，但 网络会确保高等级业务比低等级业务获得更优的服务质量。 另外还有一种从宏观上实现qos 的方法，那就是流量工程te （traffic engineering ）。传统的动态路由协议由于采用最短路径的方式，则不管最短链路是 否拥塞，数据包都会沿着这条路径传送，从而导致最短路径上流量超载，而较长 路径相关的网络节点、链路却闲置不用的问题。因此，人们提出了te 的概念，希 望通过合理分配网络中数据流的路径，来优化网络性能，

28、当网络中存在多条可选 路径时，te就显的非常重要了。mpls技术为te 的实现提供了一种可行的方案。 5 mpls （multi-protocol label switching ，多协议标签交换） 是一种新的转发机制， 它在ip 中引入了atm 的概念和技术，兼具两者的优点。在一个mpls域内，其数据 包的转发是基于标签的，入口标记边缘路由器 （ler ）分析ip包头，确定其转发等 5 价类（fec ）和标记交换路径（lsp ） ，并为包加上标签后转发；标记交换路由 器（lsr ）则根据分组标签所指定的方向沿lsp进行转发，出口的ler负责去标记， 然后再按路由表进行转发。mpls技术是近几

29、年的研究热点，其优点在于：网络透 明，易于实施；支持多协议；显式路由；lsr只按标记转发，可以提高路由器的吞 吐率。 目前，人们还提出了一种解决方案，即diffserv over mpls ，该方法也是近几 - 3 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 年的研究热点。mpls 运行在三层网络层与二层链路层，diffserv 工作在传输层， 由mpls 承载实现diffserv ，可以发挥两者的优势，更加完善的解决qos 问题。 mpls 域的ler ，同时还要担当着diffserv 边缘路由器的角色，它首先进行业务 流的分类，并将ip 分组封装成mpls 分组，然后将服务等级相同的一类流聚集，

30、进行dscp 标识，并映射到lsp 进行转发，同时还需对流聚集进行监管、调度。 mpls 域的lsr ，则完成mpls 分组的标记交换，调度转发。 随着研究的深入，人们逐渐认识到，无论是哪种模型都不能完美的解决 qos 的所有问题，应该着眼全局，将这些 qos 模型结合起来，相互补充，相互协作， 既有灵活的动态信令机制，又有简单的区分服务，并辅以mpls-te ，这样的方案 才是首选方案，但是发展到现在仍然是一个开放的研究课题，没有形成一个标准 化的、可实施的、整网qos 机制。因此要想彻底解决qos 问题，还需要更加深入 的探讨研究，不仅要分析整个网络的每个层次，还需从用户、技术、设备、业务

31、、 管理程序等各方面综合考量。 1.3 论文研究内容及结构安排 1.3.1 论文研究内容 本论文主要研究试验通信网的qos 问题。在分析qos 概念、指标的基础上， 讨论了qos 的服务模型，在总结出intserv 、diffserv 服务模型的优缺点后将diffserv 模型作为研究的重点，给出了区分服务的体系结构及主要技术。其次，针对试验 通信网，提出了在该网络中应用区分服务模型实现qos 的方法，另外，由于试验 通信网具有军用特性，特别提出了改进的基于内容重要性的两级排队调度算法， 它能够更好的支持试验通信网分级的qos 保证，尤其是重要数据流的可靠实时传 输。最后，利用opnet 进行

32、仿真，通过仿真实验的结果可以明显的看出区分服务 模型在改善网络性能，提高qos 保证方面的优越性。 1.3.2 论文结构 本论文共分为四章，各章节结构如下： 第一章 绪论。总体介绍了本论文的研究背景、研究目的及意义，描述了目前 国内外对 ip 网络服务质量（qos ）的研究现状，最后提出了本文的研究目标和主 要工作以及论文的组织结构。 第二章 ip qos 概念及服务模型。介绍了ip qos 的基本概念、参数指标及三种 服务模型，并重点分析研究了使区分服务模型得以实现的各种qos 关键技术，包 - 4 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 括流量分类标记、流量监管与整形、拥塞避免和分组丢弃策略、

33、队列调度技术。 第三章 试验ip 通信网结构及仿真方案。首先介绍了试验通信网的基本情况及 特点，并在网络调研基础上，提出了试验 ip 通信网的拓扑结构。其次对 opnet 网络仿真平台进行了简单介绍。最后提出了试验ip 通信网的仿真方案，并基于试 验任务的特点，提出了改进的基于内容重要性的两级排队调度算法。 第四章 仿真建模及结果分析。利用 opnet 软件分别对队列调度技术、试验 ip 通信网、基于内容重要性的改进调度算法模型进行了仿真实验，仿真结果验证 了区分服务模型对于网络性能的改善。 最后是对全文的总结，指出研究中存在的问题和不足，并对下一步的工作提出 了建议，同时，展望了qos 技术的发展前景。 - 5 - 哈尔滨工业