毕业论文-网络服务质量（QoS）控制的研究.doc

武汉理工大学毕业设计（论文）网络服务质量（QoS）控制的研究 学院（系）： 信息工程学院 专业班级： 电科学与技术1001班 学生姓名： 指导教师： 摘 要 传统的网络只提供尽力而为的服务，不能满足多媒体业务和一些对传输延时及抖动有严格要求的服务质量。越来越高的对网络服务的要求使得网络的拥塞、掉线等问题日趋严重。解决网络拥塞的途径有许多，提高网络本身的带宽，减少或限制某些业务流量，或者改善网络节点路由器的处理性能。因此，如何在现有网络基础上能够为各种类型的应用提供期望的服务质量已成为了网络通信发展的一个重要的方向。作者研究内容：1、 学习理解了QoS的相关概念后，对集成服务（IntServ）和区分服务（DiffServ）两种体系结构模型进行了理论分析，讨论了各自的优缺点。延吉了将两者相结合实现端到端QoS的混合模型。2、 研究了支持QoS控制的路由器所具备的调度机制。在OPNET环境下对IntServ和DiffServ两种体系结构构建网络拓扑结构，并仿真进行比较分析。3、通过建立的模型时延、抖动、吐量、丢包率等关键指标进行了仿真比较检测结果。对FIFO、PQ、WFQ三种队列的延时、大小进行仿真比较的同时，仿真分析了资源预留协议（RSVP）的延时和抖动两个参数。 服务质量的两种模型集成服务（IntServ）和区分服务（DiffServ）是保证一定网络服务质量的控制机制。集成服务体系结构一般应用在企业网络的边沿，而区分服务体系结构一般用于大型网络的骨干核心，区分服务较集成服务大大减少了核心节点的处理负担，保证了大型网络的健壮性和可扩展性。关键词：网络服务质量（QoS）；区分服务；集成服务；资源预留协议（RSVP）Abstract The traditional networks only provide best-effort service,multimedia services and they can not meet some of the transmission delay and jitter have strict quality of service requirements.Therefore,network congestion,dropped calls and other problems have become more serious.Ways to solve many of network congestion,increasing the bandwidth of the network itself,reduce or restrict certain traffic or to improve the processing performance of the network node router.So,how can we expect in the existing network and provide the basis for all types of application quality of service has become an important development direction of network traffic. The author researches content: 1.To study Integrated Services(IntServ) and Differentiated Services (DiffServ)models for both architectures.To understand the concepts of QoS,the architectural model of the two theoretical analysis,discuss their advantages and disadvantages.To combine the two models into a simple explanation. 2.The study supports the router with QoS control scheduling mechanism.The OPNET environment IntServ and DiffServ two architecture models were compared.And the delay created by the model,a key indicator of jitter,throughput volume,packet loss rate for simulation and test results through simulation comparison. 3.By establishing the model of time delay and jitter, vomit,key indicators such as packet loss rate are compared with the simulation test. Of three queue FIFO,PQ, WFQ delay,size of simulation comparison at the same time,also analyzed the resource reservation protocol (RSVP)delay and jitter of two parameters. Integrated Services Architecture general application in the enterprise network edge.While DiffServ architecture is generally used for large-scale core backbone network,which greatly reduces the processing burden of the core nodes to ensure scalability for large networks.Keywords: Network Quality of Service(QoS); Differentiated Service;Integration Services;Resource Reservation Protocol (RSVP)III目 录摘要IAbstractII第1章 绪论31.1 课题研究背景、目的及意义31.1.1 课题研究背景31.1.2 课题研究目的及意义31.2 QoS国内外研究现状41.3 本文研究内容及组织结构5第2章 QoS体系结构72.1 QoS简介72.2 QoS主要参数72.3 集成服务体系模型82.3.1 资源预留协议92.3.2 IntServ的优缺点112.4 区分服务体系模型112.4.1 DiffServ基本结构原理122.4.2 DiffServ的优缺点132.5 一种改进的端到端的QoS混合模型142.5.1 混合模型概述142.5.2 IntServ体系结构下DiffServ网络支持QoS153.1 OPNET简介173.2 OPNET网络仿真软件的使用173.2.1 仿真过程173.2 队列延迟及队列大小的仿真23第4章 QoS仿真264.1 FIFO，PQ ，WFQ三种队列的仿真比较264.1.1 仿真过程264.1.2 结果分析314.2 资源预留协议RSVP仿真实现344.2.1仿真过程344.2.2 结果分析36第5章 总结与展望385.1 总结385.2 展望38参考文献40致谢412武汉理工大学毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 课题研究背景、目的及意义1.1.1 课题研究背景随着高速网络技术和多媒体技术的飞速发展，电信业正在经历着巨大的变革，计算机网络已经逐步地深入到工业、农业、商业、医学、教育等生活的各个领域，影响并改变着我们日常的生活方式。伴随着计算机通信网络的多元化与复杂化的加剧，计算机用户对数据需求的质量也在朝着复杂化与多样化发展，越来越多地提出了包括多媒体通信在内的综合服务要求。当今分布式多媒体应用尤其是数字多媒体技术的飞速发展，使得网络用户对通信网络的要求更是加剧。在此背景下，通信网络的服务质量（Quality of Service:QoS）这一概念被提出，并且针对此概念，各种保障网络QoS的技术、算法也就应运而生。目前，QoS 控制技术的研究和开发都进展得非常迅速，并且已经取得了许多基本的成果。计算机网络的QoS问题已经成为国际网络研究领域公认的最重要、最富有魅力的研究领域之一，并且被称为下一代计算机网络为数不多的最重要的研究领域之一。1.1.2 课题研究目的及意义随着用户的急剧增多及用户对网络服务业务要求的不断增加，传统的网络也只能提供尽力而为的服务，却不能预测延时、保证带宽，也就无法满足多媒体应用和不同用户对网络传输的不同要求。网络拥塞、网络错误、网络掉线等一系列问题频频出现。为解决这样的问题，采取计算机网络服务质量（QoS）控制的有效方法，来提高网络本身带宽，节省业务流量，提高路由节点性能，提高因特网效率，降低网络成本是至关重要的。综上所述，研究服务质量（QoS）的控制机制主要有以下三个推动力:（1）对QoS有严格要求业务的相继出现，如交互式实时多媒体业务、IP电话等；（2）通过对QoS研究，有助于提高因特网的网络效率，降低网络成本；（3）运营商可以通过QoS机制，按照不同用户对服务质量的不同要求，提供多种有区别的服务，提高用户的满意度，同时提高网络运营商的收益。QoS提出之后，典型的工作是提出了两种不同的网络 QoS体系结构：综合服务（ IntServ）和区分服务（DiffServ）。目前，QoS 控制技术的研究和开发都进展得非常迅速，并且已经取得了许多基本的成果。国内近些年也开始了有关QoS 控制方面的研究。计算机网络的QoS问题已经成为国际网络研究领域公认的最重要、最富有魅力的研究领域之一，并且被称为下一代计算机网络为数不多的最重要的研究领域之一。1.2 QoS国内外研究现状为保证网络的服务质量，目前己经提出了许多QoS控制机制，包括集成服务（IntServ）和区分服务（DiffServ）体系结构、拥塞控制机制、分组调度和队列管理算法、MPLS （Multi-Protocol Label Switching，多协议标签交换）技术等面向服务质量控制的基础理论也得到了长足的发展。集成服务（IntServ）体系结构一般应用在企业网络的边沿，它在发送端和接收端之间用RSVP（资源预留协议）作为每个流（Flow）的信令。RSVP的信息跨越整个网络，请求/预留资源。路径沿途的各路由器必须为每个要求服务质量保证的数据流维护一个“软状态”。软状态被定期的RSVP信息更新。通过RSVP信息的预留，各路由可以判断是否有足够的资源可以预留。只有所有的路由器都给RSVP提供了足够资源，“路径”方可建立；否则，将返回并拒绝信息。区分服务（DiffServ）体系结构比IntServ更具可扩展性，它可用于企业的广域网中，并在运营商网络中发挥重要的作用，因为它可以根据应用或业务类型排出不同的优先级别。业务区分结构使用IPv4报头中的业务类型（TOS）字段，并将8位ToS字段重新命名，作为DS（Differentiated Service）字段，其中6位可供目前使用，剩余2位以备将来使用。DiffServ充分考虑了ToS字段和DS“处理”，将它们正确地转发给下一跳的字段的定义是不同的。边缘路由器可以将网络本身网络灵活、质量保证通过DS字段转换为先进的单跳行为，可扩展性强的特点，将复杂的服务从而大大减少了信令的工作1。因此，DiffServ不但适合运营商环境使用，而且也大大加快QoS在实际网络中应用的进程。DiffServ体系结构和基于区分服务的研究是QoS领域的热点问题。同时DiffServ的缺点在于无法为每个用户提供细力度的服务质量，无法实现端到端的灵活的QoS。在最初的TCP协议中，只有流量控制（Flow Control）而没有拥塞控制。由于这样的控制机制只考虑接收端的接收能力，而没有考虑网络的承受能力，不可避免的导致网络崩溃（Congestion collapse）现象的发生。当在网络中存在过多的报文时，网络的性能会下降，这种现象称为拥塞。拥塞发生过程中有两个关键点，分别是Knee和Cliff。当网络负载较轻时，吞吐量的增长和网络负载相比基本呈线性关系，网络延迟增长缓慢；当网络负载超过Knee之后，网络的吞吐量增长缓慢，而网络延迟增长较快；当网络负载超过Cliff之后，网络吞吐量急剧下降，网络延迟急剧上升。网络负载在Knee附近时，网络的使用效率最高。拥塞控制就是网络节点采取措施来避免拥塞的发生或者对拥塞的发生做出反应，拥塞控制的目标就是使网络在Knee附近工作。在拥塞控制算法中，包含拥塞避免（Congestion Avoidance）和拥塞控制（Congestion control）两种不同的机制。拥塞控制是“恢复”机制，它用于把网络从拥塞状态中恢复出来；拥塞避免是“预防”机制，它的目标是避免网络进入拥塞状态，使网络在高吞吐量、低延迟的状态下工作。端到端的拥塞控制算法设计上的困难主要体现在以下方面算法的分布性，网络环境的复杂性，算法的性能要求，算法的开销。根据拥塞控制算法的使用位置，可以将拥塞控制算法分为两大类：链路算法和源算法。多协议标签交换（MPLS）将灵活的3层IP选路和高速的2层交换技术完美地结合起来，从而弥补了传统护网络的许多缺陷。它引入了“显式路由”机制，对QoS提供了更为可靠的保证。多协议标签转换MPLS在路由寻址方面同传统路由器有明显的不同。MPLS支持特殊路由，到达同一目的地的数据包可沿不同路径进行转发。MPLS网络主要由标签交换边缘路由器ELR和标签交换路由器LRS组成。MPLS有两种途径对QoS支持：一是让标记本身就具有服务质量ToS（Type of Service）的意义，LER事先把标记空间分成多个区间，不同区间的标记具有不同的服务质量，在为新数据流分配标记时，根据其QoS的不同为其分配相应区间的标记；另一途径是让标记条目中的EXP域来标示传送分组的ToS。MPLS数据包的服务质量类型就由ToS等参数来决定。LER根据ToS来决定输出队列和丢包优先级，如对于到达同一目的地的IP包，可根据设置在标签中EXP域的ToS值来建立不同的转发路径，不同的转发路径对应不同的拥塞控制机制和丢包优先级，达到其对传输质量的要求。同时，通过对特殊路由的管理，还能有效的解决网络中的负载分担和拥塞问题，如当网络中出现拥塞时，MPLS可实时的建立新的转发路由来分担其流量，或通过强制丢包、通知信源降低数据发送率等手段来缓解网络拥塞10。1.3 本文研究内容及组织结构本文研究内容总结为一下四点： （1）研究当今计算机网络中的服务质量控制的有效方法； （2）主要分析IntServ和DiffServ两种服务模型的基本原理，说明两种模型各自的优缺点； （3）在OPNET网络仿真环境下比较IntServ和DiffServ两种模型；(4) 通过建立的模型延时、抖动、吞吐量、丢包率等关键指标进行仿真，并通过仿真比较检测结果；(5) 通过仿真结果和理论的结合加以分析，并说明网络技术在QoS方面的可能发展方向。 为分析对网络服务质量控制的研究，本文安排以下结构进行说明。第一部分为绪论，说明了课题研究背景，同时，简单介绍了网络服务质量的概念和常用到的一些性能参数以及影响参数的一些因素。第二部分主要研究Internt QoS的两种理论体系结构模型：综合服务（integrated services， IntServ）模型和区分服务（differentiated services，DiffServ）模型，以及二者的优缺点。第三部分是在OPNET仿真环境下仿真比较三种队列，对QoS的个别性能参数进行仿真，比较检测结果。第四部分做最终总结，总结全文所做的工作及不足之处。第五部分是作者的致谢说明、参考文献。第2章 QoS体系结构2.1 QoS简介 QoS（Quality of Service）是服务性能的总效果，此效果决定了用户与用户之间或者用户与网络节点质之间的约定（例如，传输延迟允许时间、最小传输画面失真度以及声像同步等）。反映了网络在保证信息传输和满足服务要求方面的能力。简单地说，服务质量（QoS）就是网络提供给应用程序所需要的功能性等级。在计算机系统，特别是计算机网络系统，作为计算和信息等服务的提供者，同样存在服务质量（QoS）优劣的问题。从计算机系统诞生开始，人们就一直致力于提高系统的服务性能和服务质量。也可将QoS定义描述为：网络在传输数据流时要求满足的一系列服务请求，具体可以量化为带宽、延迟、延迟抖动、丢失率、吞吐量等性能指标。 服务质量（QoS）是一组服务要求，网络必须满足这些要求才能确保数据传输达到适当服务的级别，数据在网络中传输的过程中，QoS机制通过各种手段将业务流加以区分并定制不同的策略，采取立即发送、延迟发送、丢弃等不同策略，来保障不同优先级别的数据业务的不同服务质量要求。这些机制包括流量分类，访问控制，流量整形，拥塞控制与管理，调度机制等。QoS的提供增加网络的性能可预知性，网络资源能够有效地分配，提高网络的吞吐量，减少网络丢弃数据包尤其是较重要的数据包的概率。 现有的Internet最初是面向非实时的、单一数据类型通信（如文件传输、E-mail）而设计的。IP协议提供一种无连接的网络层服务，必须辅以其他的高层端到端的协议（如TCP）才能更好的实现端到端的可靠传输。因为缺少必要的服务质量控制或保证，这种传统的IP传输被称为“尽力而为（Best Effort）”的服务。它只将分组递送到目的端，尽最大的可能性来发送报文，但对时延、可靠性等性能不提供任何保证，不为任何分组的递送提供保证或为其实现分配资源。因此，这种服务无法为多媒体通信提供QoS保证，为了满足Internet多媒体应用实时传输的要求，也随着服务质量概念的提出，目前已有许多QoS控制机制，包括集成服务（IntServ）和区分服务（DiffServ）体系结构、拥塞控制机制、分度调度和队列管理算法、MPLS技术等。本文将主要介绍较为典型的IntServ和DiffServ两种模型，以及各自的优缺点，同时仿真比较QoS的个别性能参数。2.2 QoS主要参数 一般在QoS保证的实现中，可以根据具体应用的不同要求将QoS的一些参数组合起来构成不同的服务等级。其性能参数主要包括下面几个： 可用性：用户与网络连接的可靠性。主要由设备可靠性、网络存活性软件稳定性等因素作用。 可变延迟：也称为延迟抖动，指接收的一组数据流中数据包之间的时间差异。 带宽：网络能提供给用户的数据发送率。 时延：发送和接收分组的平均时间间隔。像话音、视像等此类服务是严格要求不能有时延的。因此，设备必须保证尽可能低的延时来提高语音、视频的质量。产生延时的因素一般有分组时延、排队时延、交换时延和传播时延。时延变化：通信业务流不同分组之间的延时差异。高频率时延变化称为抖动。低频率的时延变化称为漂移。业务流中分组的排队等候时间的不同引起了抖动，这是对服务质量影响最大的一个问题。有些业务类型中决不允许定容差之外抖动的存在，尤其在话音和视像中，存在抖动就会在话音和视像中造成中断，严重影响服务质量。缓存可以克服过量的抖动，但会增多时延，造成其他方面的问题。 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表示。一般来说，吞吐量越大越好。 丢包率：在网络中传输数据包时因网络拥塞丢弃数据包的最高比率。不管比特还是分组丢失，对业务的影响都是相当大的。丢失一个比特或一个分组，在通话中，不会产生明显的影响，但是在视像中就可能造成屏幕瞬间的干扰9。对于QoS的参数描写越多，对其特征了解越清楚，控制可以更完善的实现。但实际应用中并不一定要用所有参数，根据不同的服务等级要求的特点，我们要具体应用其某些参数，来达到所要实现的目标。2.3 集成服务体系模型集成服务体系模型（IntServ）一般应用于企业网络的边沿，是一种通过使用带宽预留技术在因特网和企业网上提供QoS的模型。它解释了如何在主机和路由器之间进行资源预留以及相关参数的控制。IntServ是面向单个数据流的一种模型结构，它的目的是单播和多播应用，它的基本思想是在传送数据之前，根据会话的QoS需求进行网络资源预留，从而为该会话提供端到端的QoS保证。预留所希望的带宽数以支持流的需要，并保护它不受网络拥塞而导致的损坏。预留是通过与前往目的地的路线上的每个网络设备协商的。如果每个设备都有支持流的资源，则会建立预留路径。IntServ基于资源预留的模型，资源预留协议（RSVP）的使用是IntServ重要的特点，即每个数据流在通信之前先在沿途的每个节点上预留一定的资源，这样在通信过程中数据流就能获得满意的服务质量。在IntServ模型中，核心协议资源预留协议（RSVP）的使用使其完成通信双方资源的预留。RSVP是正向发送消息以请求预留，然后逆向发送消息以建立预留的信令协议（如果路线上的所有设备都同意预留资源的话）。IntServ模型如图2.1所示。图2.1 IntServ模型 IntServ模型有以下几个组成部分：资源预留设置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QoS要求的信令协议。RSVP是最常用的信令协议。 流量控制在网络设备中存在的一些组件以控制和管理为支持特定QoS所需的网络资源接纳控制规则，是决定一个网络设备（ 主机、路由器或交换机 ） 是否授予一个新的业务流所要求的QoS而不影响以前的QoS保证。当一个主机要求QoS业务时，路由上的每个结点都要做出接受或拒绝决策。 分类器根据分组头内容或附加在分组上的分类信息，输入的分组被分为某种业务类型。相同的业务类型在分组调度器中得到相同的处理，获得相同的QoS。 分组调度器管理和调度不同类型分组流的转发，实现相应的QoS。分组调度机制可以是优先级排队或者加权公平排队（ WFQ ）。2.3.1 资源预留协议 资源预留协议（Resource ReSerVation Protocol；RSVP）是一种用于互联网上质量整合服务的协议。RSVP 允许主机在网络上请求特殊服务质量用于特殊应用程序数据流的传输。路由器也使用 RSVP 发送服务质量（QoS）请求给所有结点（沿着流路径）并建立和维持这种状态以提供请求服务。RSVP允许多个发送者传送到多个组接收器，允许单独的接收器自由切换频道，并优化带宽的使用，而在同一时间消除拥塞。资源预留协议（RSVP）最初是IETF为QoS的综合服务模型定义的一个信令协议，用于在流（flow）所经过路径上为该流进行资源预留，从而满足该流的QoS要求。资源预留协议（RSVP）的引入使得IP网络为应用提供所要求的端到端的QoS保证成为可能。在实时数据开始传输之前，先设定路由和资源预留。为了支持这种能力，数据包所经过的每一个网络节点都必须能够支持RSVP协议控制服务质量的机制。也就是说，网络元素在收到RSVP预留资源请求后，需要为数据业务流保留所需的“软状态”（有关该数据业务流的源地址、目标地址、路由信息和需要占用该路由器的资源信息等）。RSVP的特性可用图2.2说明。该图是一个多目标广播叔，它的数据流从树的顶部到6个主机。虽然数据源来自发送端， 但保留消息则发自接收端。当路由器向上给发送端发保留消息时，路由器可以合并来自下面的保留消息。 图2.2 RSVP的特征RSVP的工作过程如下： 数据源周期性的向目标端发送路径消息，保留消息中包含有描述业务流的传输属性和路由的信息。所有途径的支持RSVP协议的中间节点都对路径消息进行传统的转发，并将自身的地址写入路径消息。如果中间节点不能支持RSVP协议，则将此消息透明转发。当目标接收端接收到保留消息后，朝着保留消息成功建立的反方向回送一个资源预留消息（RSVP），要求沿途的各中间节点进行资源预留。各个中间节点根据其自身的状态和适当的连接接纳算法决定是否接受资源预留的请求，如果拒绝资源预留请求，则向目标端返回错误信息，RSVP会话将被终结；如果接受资源预留请求，则必须为业务流保持所需的链路资源“软状态”，这种预约的“软状态”不需要明确的删除请求，而由RSVP控制信息周期性地刷新。在无刷新信息情况下，“软状态”会超时并删除11。2.3.2 IntServ的优缺点 IntServ模型的提出对网络服务质量的控制具有重要的意义，它主要具有以下优点： 一、IntServ的提出，使得QoS得到了理论上最可靠的保证，RSVP的引入使得网络为业务流提供所要求的端到端的资源保证成为可能，RSVP协议在此模型中可以运行在从源端到目的端的每个路由器上。用户可预订所需的资源，由网络接入服务商负责分配资源。 二、详细的设计使RSVP用户能够仔细地规定自身数据业务种类，并且网络接入服务商和其他网络节点可以监视每个流，以防止其消耗比它请求、预留要多的资源，而且可以随时在当前网络节点终止非法的资源占用。 三、由于RSVP协议使用“软状态”，通过周期性的重传保留和RSVP信息来刷新网络链路，因此，能对网络拓扑的变化做出反应。 即使IntServ模型对网络服务质量的控制具有重要的意义，同时也存在许多不可避免的、致命的缺点: 一、可扩展性是IntServ结构最致命的一个问题，因为IntServ要求端到端的信令，此模型适用于长期的稳定的业务流（如音频或视频流）。但是网络中大部分业务流为短期、突发的，这在一个实际运行的运营商网络中几乎无法实现。 二、资源预留协议还要求沿途的每个路由器（包括边缘路由器和核心路由器）都要支持RSVP控制协议，为业务流保持“软状态”，这对路由器的实现造价要求太高。无疑也限制了这种结构的可扩展性，因为每个路由器的内存有限，可以保存的软状态信息都是有限的，在一个运营商规模的网络中几乎不可能实现真正意义上的资源预留，所希望达到的QoS保证也就大打折扣。 三、如何为资源预留申请授权并确定优先权也是IntServ结构本身很难克服的问题。 四、从IntServ结构的实质来看，资源预留本身就与IP网络的最大特点“无连接”相冲突。无连接的IP网络最大的优点就是不需要复杂的信令，只要网络有资源可以利用，因此人们通常将这种方式叫做“尽力而为”的传送方式。显然，这种方式的可扩展性很强。 因而，单纯的IntServ结构模型实际上无法被用户满意的接受，在商业界更会受到发展的制约。所以，以上述单纯的IntServ结构模式将不会在通信网络中得到广泛应用。2.4 区分服务体系模型区分服务体系模型（DiffServ）定义了一种可以在互联网上实时可扩展、健全性、简单性的服务分类的体系结构。DiffServ一般用于大型网络的骨干核心，在运营网络中发挥着重要的作用。DiffServ是一个多服务模型，它可以满足不同的QoS需求。与IntServ不同，DiffServ不需要通知网络为每个业务预留资源，解决了IntServ模型扩展性差这一存在的问题。与IntServ第二个不同是，DiffServ模型将网络分为核心部分和边缘部分，大大的简化了网络的复杂度。DiffServ是基于优先级的，不同的数据流在进入网络的时候被边缘节点打上不同的标记，分为不同的类别，网络核心节点根据分组的不同标记提供不同的服务。节点路由器并不保存每个数据业务流的状态信息，而是只保留有限个业务类的状态信息。这样，在网络节点中的处理状态信息的负担将大大降低，从而简化了网络的复杂度，保证了大型网络的可实现性和可扩展性。目前，关于DiffServ模型的研究仍然是IP网络QoS研究的热点。区分服务模型如图2.3。图2.3 DiffServ模型服务等级协议SLA是用户与网络服务提供商之间达成的一个服务协议，它规定了用户在每个服务等级上所能发送的最大数据速率，超出速率的分组将被标记或者丢失。PHB描述了DS节点调度转发特定业务流聚集时的外部特性，由节点上的缓冲区管理和分度调度计时实现的。不同的PHB规定了不同的资源优先级。中心节点实现一组或几组PHB。边缘节点对经过的业务流进行分类和调节，由分类器和调节器实现。同一条链路相同传输方向上具有相同的DS字段的分组形成一个业务流聚集，或者称为行为聚集。2.4.1 DiffServ基本结构原理从上述DiffServ模型结构的特点，可以看出DiffServ功能结构上主要分为边缘路由器（ER: Edge Router）和核心路由器（CR: Core Router），边缘或核心路由器可以是典型常用的路由器也可以是网关，还可以是信任的终端主机，如图2.4和图2.5是两部分的区分服务功能。队列管理调度器标记器整形器及丢包器分类器图2.4 边缘路由器中的DiffServ功能分类器根据传输协议，将数据包规划为某一类。整形器及丢包器通过延迟、丢弃等分段使流符合TCA 规范。标记器在包头的DS标记域中标记适当的 DSCP， 将分组划入某行为聚集。队列管理调度器管理队列的长度、调度分组的发送。队列管理调度器DS字节分类器 图2.5 核心由器中的DiffServ功能 核心路由器只根据IP头内DS字节进行简单的调度转发， 复杂的工作由边缘路由器去完成。 DiffServ模型的边缘处，边缘路由器提供业务流的分类、整形、标记、管理调度等功能。当业务流到达边缘路由器时，边缘路由器的数据分类器根据数据包报头的某些字段信息内容，识别业务流属于哪一个类型的，并根据此业务流用户和网络服务商已达成的服务等级协定，对每个业务流分组打上DSCP标志，使得核心路由器能够识别此类服务。而对业务流的整形的目的是对每一个流的分组进行适当的延迟是它符合约定的带宽。而计量过程是对业务流量的监测、计算每一个业务流量的行为，对明显不符合约定的业务流根据其自身的缓存管理机制进行适当的处理。在DiffServ模型的内部，核心路由器根据业务流的不同DSCP标记，进行不同的调度转发工作，提供不同类型的服务。此外，DiffServ还提供业务流聚类功能，即具有相同DSCP值的数据包将被核心路由器提供相同的服务。由此可见，DiffServ复杂的功能分配到网络边缘而不是整个网络的所有路由器，从而使得业务流的状态信息只在边缘路由器处做存储而并不在核心路由器，网络内部的核心路由器节点是状态无关的（core stateless）。因此，大大简化了核心节点的复杂度，有利于提高核心节点工作效率，使得网络更高速运行。由此可见，DiffServ模型具有很好的扩展性和伸缩性，便于大型网络的应用。2.4.2 DiffServ的优缺点区分服务（DiffServ）相对集成服务讲有以下优点：1、 区分服务（DiffServ）模型比IntServ更具有扩展性，它解决了IntServ 模型存在的一些问题，并且可以跨网络工作。网络中形成的DiffServ路由器的集合，称之为DiffServ云。通信业务在进入DiffServ云之前进行分类。2、 DiffServ的最大优点是DiffServ采取边界操作，简化核心路由器的复杂度，一旦通信业务进入DiffServ内部，内部的路由器不需要维护QoS状态信息，这可使路由器专注于其路由功能，使得数据更能够得到高速转发。3、 DiffServ提供的转发服务是依靠的有限的业务流的类，而不是针对数据流的数量，这就使得DiffServ比IntServ模型更加易于实现。然而，DiffServ模型也并不是完美的，其提供的QoS可预测性并不是很好，DiffServ结构内部的路由器可以更改ToS字段从而造成错误的处理，而且，DiffServ只提供一种相对的服务质量，并不提供全网端到端的QoS保证。对于大多数的交互式实时业务来说将无法保证绝对的端到端的QoS。因此，仅仅提出DiffServ模型在一个子网域内实现QoS的框架，仍然不能提供QoS保障。2.5 一种改进的端到端的QoS混合模型2.5.1 混合模型概述 IntServ和DiffServ两种不同的Internet QoS 体系结构的设计与实现有着完全不同的目标和原则。下表对两种结构模型进行了总结。 表3.1 IntServ和DiffServ体系结构比较 对比项IntServDiffServ服务粒度单个流流的聚类路由器的状态维护基于单个流基于流的聚类服务类型确定性的保障服务确定性或低丢包率的保障服务可扩展性端到端逐跳行为PHB网络计费基于流的特性和QoS需求基于服务类型使用由于两种模型各自有其特有的优点和不足，为了能够更好的利用各自的优点，可考虑将两种模型是看作互相补充的技术，将其结合，互相协同，共同实现端到端的QoS 提供机制，提高可扩展性。目前，实现IntServ与DiffServ结合以提供端到端QoS仍然是一个开放性的、比较前沿的研究课题。也提出了若干不同的方案和机制。必须提出，想要提供端到端QoS的保障，单单提出一些模型结构是远远不够的，这只是从整体网络结构的角度去考虑，实施起来必须还要考虑每一个网络节点需要具备的控制机制。 QoS的研究导致两种不同的体系结构的出现，但是仅仅使用这两种网络的任何一种都不能完全地满足需要，为了支持端到端的QoS，可考虑将DiffServ与IntServ结合互相协调共同实现端到端的QoS。 DiffServ与IntServ集成的关键是主机经由边缘路由器网络产生的含有一定QoS的数据包如何被分类并确定DSCP的值即如何将IntServ的各种服务类型映射到DiffServ的PHB。2.5.2 IntServ体系结构下DiffServ网络支持QoS两种体系结构模型相结合以实现网络端到端QoS的原理框图如图3.1。图3.6 IntServ体系结构下DiffServ网络支持QoS框架 框图中的非DiffServ区即为边缘网络，也是IntServ区，DiffServ区即为核心网络。两种模型想结合的基本思想就是既要保证端到端的QoS要求，又要克服集成服务可扩展性差的缺点。根据边缘路由器的更能分析，在IntServ体系结构下DiffServ网络支持QoS，有以下两种实现形式：（1） 由于DiffServ区域不含有能识别RSVP的设备。此时边缘路由器ER1和ER2作为DiffServ区的控制节点，它处理来自主机1和2的信令消息，根据DiffServ网络区内部的资源信息和客户定义的策略来实现接纳控制。而DiffServ区内部的边缘路由器BR1和BR2只是纯粹的DiffServ路由器，唯一的任务就是基于DSCP描述服务级别和客户协商的协议对传输实施聚集传输控制。（2） DiffServ内部某些选定的设备参加RSVP信令过程。此时边界路由器ER1和ER2根据当地的资源情况和客户定义的策略实施接纳控制，而DiffServ区内部的边缘路由器BR1和BR2参加RSVP信令过程并作为DiffServ区的控制节点。 发送方和接受方主机都使用RSVP来传达QoS请求。主机操作系统的QoS进程代表应用生成的RSVP信令，RSVP消息在主机1和2之间端到端的传播来支持DiffServ区外部的RSVP，端到端的RSVP信令至少应被透明的传过DiffServ区，依赖于特定的实现，这些消息可能不会被DiffServ区的路由器处理，也可能被DiffServ内区的一些路由器甚至所有的路由器处理。 为了支持以上所述的集成框架，DiffServ必须满足一下要求： （1）端到端的RSVP信令至少应该被透明地传过DiffServ区; （2）必须能够在DiffServ区的边界路由器之间为标准的IntServ QoS服务提供支持在DiffServ区内部用PHB来调用这些服务; （3）必须在DiffServ区的边界节点执行适当的控制管理; （4）DiffServ区必须为其他客户网络提供接纳控制机制以便于资源的利用。实现边缘网络（IntServ区）和核心网络（DiffServ区）的映射关系必须考虑一下几点因素： （1） 在第一个边缘网络的出口节点处，如何将RSVP映射为等价的DiffServ中的DSCP; （2）在第二个边缘网络的入口节点处，如何恢复原来的RSVP预留机制； （3）核心网络中应采用何种控制流量的算法，以避免核心网络出现拥塞，使资源利用率达到最优化。 在核心网络中，通过建立LSP（标签交换路径）映射出相应的DSCP，使端到端的RSVP信令能够透明的通过减小了核心网络的复杂性。核心网络的入口处，将RSVP预留映射为由一个DS字节表示的服务等级，而在核心网络的出口处，RSVP预留又继续进行，直到数据到达目的主机。除此之外，核心网络是在MPLS网络中实现的DiffServ。综上所述，IntServ适用于网络规模较小、业务质量要求较低的边缘网络。DiffServ适合在网络主干实现QoS。考虑到各自的优缺点，通过这种改进的端到端的QoS混合模型，将IntServ与DiffServ的有机结合来实现，可一定程度上保证网络业务对QoS的要求。目前，虽然基本框架和实验方案已经为研究提供了一定的基础，但是实现真正的端到端的QoS还要继续做一些深入的研究工作。第3章 OPNET网络仿真3.1 OPNET简介 OPNET是美国OPNET Technology公司的网络仿真产品，具有在通信网络和信息系统方面的专业化, 设计，是目前世界上最先进的网络仿真开发和应用平台，它采用基于包的建模机制(Simulation on PacketI eve1)和离散事件驱动的模拟机理(Discrete Event Driven)，并且提供各种目的的研究工具，包括模型设计、仿真、数据收集和数据分析。OPNET是一种优秀的网络仿真和建模的工具,支持面向对象的建模方式,并提供图形化的编辑界面,更便于用户使用。它强大的功能和全面性几乎可以模拟任何网络设备、支持各种网络技术,除了能够模拟固定通信模型外, OPNET的无线建模器还可用于建立分组无线网和卫星通信网的模型。同时,OPNET在新网络的设计以及对现有网络的分析方面都有卓越表现。它为通信协议和路由算法的研究提供与真实网络相同的环境。此外,功能完善的结果分析器为网络性能的分析提供了有效又直观的工具。OPNET的Molder是专门用于可视化原型设计的软件,它的使用既方便了网络模型的建立,又减少了编程的工作量。OPNET具有丰富的技术、协议、设备模型库和适合各个层次的建模工具以及灵活强大的仿真分析工具，特别适合各种网络仿真研究，目前它是世界上最先进的网络仿真和应用平台。OPNET支持面向对象的建模方式,并提供图形化的编辑界面，以便于用户使用。在网络规划与设计以及对现有网络的分析方面都有很好的表现，同时也为通信协议和路由算法的研究提供了与真实网络相似的环境。3.2 OPNET网络仿真软件的使用3.2.1 仿真过程 创建发送节点：在工作区域里放入一个进程模块和一个点对点发射机，并将节点名称改为src和pt_tx，连接两个模块。在src节点上单击，将Packet Size项的Value区域，设置包大小为exponental（5000），这意味着包的大小呈均值为5000的指数分布16，如图3.1所示。 图3.1 发送节点打开pt_tx节点的属性对话框，展开channal的row0，将data rate（bps）的值改为9600，如图3.2所示。图3.2 点对点发射机pt_tx的属性 选择Interfaces的Node Interfaces，编辑节点接口。在对话框的Node Type区域，将mobile和satellite的Support区域改为no，这使得发送节点只有固定的一种形式。 接收节点用来模拟处理器的行为，包括3个点对点接收机、队列模块和进程模块。其中队列模块采用OPNET提供的acb_fifo_ms队列，a（active）表示队列是主动形式，即源模块发送数据，c（concentrating）指从多个客户到来的数据排列在一起集中处理，b（bits）指以比特流为单位处理，fifo（first in first out）指先入先出队列，ms（multi-server）指多服务台处理。 在工作区域中放入3个点对点发射机、1个队列模块、1个进程模块，将它们更名并用数据包流连接，如图3.3所示。图3.3 接收节点 打开queue的属性对话框，将进程模型改为acb_fifo_ms队列，服务台数量为2，服务能力保持为9600。 将pt_rx0、pt_rx1、pt_rx2的data rate （bps）的值为9600。 定义链路模型：在链路编辑器的Supported Link Type