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y s 8 9 北京邮 u 大学硕十学位论文史持差分服务模型的m p l s 嘲络中q o s 相关技术的研究 独创性( 或创新性) 声明 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己在论文中 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 同期：二五! 生童：盈同期：磁! 生幺：虚 ! ! 塞些生叁兰婴：! ! 兰篁笙：j ! ； 生塑茎坌坐堑竖型堕! 坠! 旦堕! 兰堕羔坚望堕型型! ! l 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) 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 书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：! 丕堡三 日期：趣三垂金：趁 导师签名：倒趣日期：型丝兰：圣! 北京 i | i ；屯大学硕士学位论文支持差分雕务模型的m p l s 网络中q o s 相荚技术的研究 支持差分服务模型的m p l s 网络中 q o s 相关技术的研究 摘要 目前随着多媒体业务等的大量出现，现有的i pq o s 机制都不能完 全满足人们对q o s 的需求。集成服务模型虽然能够提供绝对的服务质 量保证，但由于其本身具有的扩展性差的缺陷决定了其不可能在网络 上大规模实施。而区分服务模型虽然本身具有扩展性好，容易部署和 实施的优点，但由于它仅仅只在每个节点提供了相对的服务质量，还 无法完全解决端到端的q o s 问题。m p l s 和基于限制的路由一起能够 强制分组进入特定的路径，能够保证转发等价类的带宽，但是在m p l $ 的基本形式中，它并不能给不同的业务流提供差分服务。 通过对现有的i pq o s 机制的研究，采用d i f f s e r v 和m p l s 相结合 的机制充分利用了d i f f s e r v 的可扩展性以及m p l s 的显示路由能 力，在扩展性和可实施性方面具有一定的优势，是解决骨干网q o s 的 有效技术，网络资源可根据用户的需求得到最优的利用。总的来说， 有差分服务支持的m p l s 能够满足q o s 的两个基本条件：足够的带宽 和差分的服务。m p l s 满足了第一个条件，也就是说它强迫业务流进 入由带宽保证的通道，并且沿着这些通道转发。d i f f s e r v 通过区别 对待满足了第二个条件。因此采用了d i f f s e r v 与m p l s 技术相结合 的机制会很好的解决前面提到的问题。 作者：徐茸志3 北京邮电人学顶t ：n 位论文支持差分服务模型的k l p l s 网络中q o s 相关投术的研究 本文综述了包括i n t s e r v 、d i f f s e r v 、m p l s 等在内的实现o o s 的 主要原理，并对他们的优缺点进行了分析，在此基础上，根据m p l s 在流量工程方而表现出的良好特性提出了在m p l s 网络中支持 d i f f s e r v 的解决方案，并重点对解决方案的原理进行了阐述，最后 用实验验证了各种o o s 技术表现出来的性能，进一步验证了方案的可 行性和正确性。 关键词 i po o s ，区分服务，集成服务，m p l s ，流量工程 作者：徐j e 志 北京邮电大学倾七学位论文 支持差分服务模型的m p l s 网络中o o s 相关技术的刊f 宄 s t u d y o fm p l sw i t hd i f f s e r vi ni pq o s a b s t r a c t w i t ht h eb l o o m i n go fm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n ，t h ei pq o sm e c h a n i s m w h i c ha r en o wu s i n gc a n n o tm e e tt h en e e d t h e r ea r et w om a j o rq o s a r c h i t e c t u r e si ni n t e m e tc o m m u n i t y ：i n t e g r a t e ds e r v i c e s ( i n t s e r v ) a n d 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 p s e r v ) i t h a sb e e n s u g g e s t e d t h a tt h e i n t e g r a t e ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r ea n dr s v p a r ee x c e s s i v e l yc o m p l e xa n d p o s s e s sp o o rs c a l i n gp r o p e r t i e s ，a n da r en o ts u i t a b l e t ob ed e p l o y e di n l a r g e s c a l e i n t e m e tb a c k b o n e s t h ed 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 ) q o sm o d e la d d r e s s e s t h e s c a l a b i l i t y a n di m p l e m e n t a t i o n i s s u e s ，a n d d e f i n e sam o r es c a l a b l ea n df l e x i b l ew a yt oa p p l yi pq o si nt h en e t w o r k c o r e b u ti tc a no n l yp r o v i d er e l a t i v eq o st oc u s t o m e r s i no r d e rt o a c h i e v ee n d - t o - e n dq o si nt h ed i f f s e r v ，t h eb a n d w i d t hb r o k e r ( b b ) w a s i n t r o d u c e da st h el o g i c a le n t i t yi nc h a r g eo fr e s o u r c em a n a g e m e n ti na n a d m i n i s t r a t i v ed o m a i n b a n d w i d t hb r o k e r sp e r f o r ma d m i s s i o nc o n t r o l ， m a n a g e n e t w o r k r e s o u r c e s ( t h e d o m a i n si n t e r n a lr e s o u r c e sa n d i n t e r - d o m a i nr e s o u r c e s ) ，c o n f i g u r el e a fa n d e d g ed e v i c e si na d sd o m a i n m p l s ，w h i c he n a b l e sf a s tp a c k e ts w i t c h i n ga n dt r a f f i c e n g i n e e r i n g ，i s c o n s i d e r e da st h en e x t g e n e r a t i o nn e t w o r k st e c h n o l o g i e s 作者：徐其志 5 北京邮电大学硕士学位论文 支持差分服务模型的m p l s 阿络中q o s 相关技术的研究 t h ec o m b i n a t i o no fd i f f s e r va n dm p l s p r e s e n t s av e r ya t t r a c t i v e s t r a t e g yt ob a c k b o n en e t w o r kp r o v i d e r s b yl e v e r a g i n gt h er i c hs e to f t r a f f i cm a n a g e m e n ts e r v i c e sp r o v i d e df o rw i t h i nt h ed i f f s e r v a r c h i t e c t u r e ， m p l sd e l i v e r sq o st ot h en e t w o r kl a y e r sw h e r et r a f f i c m a n a g e m e n ti s r e q u i r e d t h ec o m b i n a t i o no fm p l sa n dd i f f s e r vp r o v i d e sas c a l a b l e q o s s o l u t i o nf o rt h ec o r eo ft h en e t w o r k t h i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e sv a r i o u sq o s a n dm p l sm e c h a n i s m sa n d a n a l y z e st h e i ra p p l i c a b i l i t y ，a n dp o i n to u tw h a t st h e i r a d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ef i r s ti n t r o d u c et h et w o m a j o rq o s a r c h i t e c t u r e sp r o p o s e d b y i e t et h e nw ed i s c u s si nd e t a i lm p l s w i t h d i f f s e r vm e c h a n i s m s i nt h ef i n a lw e v e r i f i e dt h i sm e c h i s m s k e yw o r d s i p q o s ，d i f f s e r v ，i n t s e r v ，m p l s ，t r a f f i c e n g i n e e r i n g 作者徐其忐 6 北京邮l 乜大学硕十学位论文 支持差分服务模型的m p l s 网络中q o s 相关技术的研究 1 1 为什么需要q o s ? 第1 章绪论 随着i p 技术和网络的发展，世界各国的运营商基于i p 网络已经开发出多种 多样的新业务，i p 网f 在从当初单纯传送数据向可传送数据、语音、活动静止 图像的多媒体网络转变。终端软硬件的不断发展使得很多终端已能够满足多媒体 应用的需要，因此在i p 网上实现类似语音、传真、会议等实时多媒体应用的问 题焦点便集中在了如何传输这些时延敏感的业务上。而目前的i p 网络所提供的 是一种“尽力而为”的服务，无法保障实时多媒体业务服务质量( q o s ) ，因此在 l p 网上实现q o s 的机制已成为目前国际上的研究热点。 1 2 q o s 的定义和目标 q o s 即服务质量，它是指分组或流通过网络时的性能，这种性能通过一系列 可度量的参量来描述。引入它的目的主要是提供端到端的服务质量保证，提高网 络资源利用率。 q o s 可以用一系列可度量的参数来描述 用户需求( u s e r sq o sr e q u i r e m e n t s ) 延迟( d e l a y ) ：指两个参照点之间发送和接收数据包的时间间隔。 延迟抖动( d e l a yj i t t e r ) ：指在同一条路由上发送的+ 1 组数据流中 数据包之间的时间差异。 丢包率( 1 0 s sr a t e ) ：指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网络拥塞引起的。 作者：徐其志 吞吐量( t h r o u g h p u t ) ：指在不丢包的情况下，被测对象( 系统、设 备、特定连接、特定服务类等) 所能达到的最大传输速度。可以用带 宽来度量吞吐量。 利用率( u t i l i z a t i o n ) ：指带宽的利用状况。带宽利用率= 实用带宽 额定带宽。当带宽的利用率达到1 0 0 时，很有可能在这条链路上发生 了拥塞。 北京邮i 乜人学硕士学位论文支持差分服务模型的m p l sl 最j 络中q o s 相关技术的研究 1 3 q o s 的必要条件 上面我们已经对q o s 进行了定义，下面让我们来为了满足q o s 的最基本的需 求。为了给各种类型的应用( 比如，声音和多媒体) 提供q o s ，网络必须满足两 个必须的条件。 第一个必要的条件足为一个应用在各种条件下( 包括拥塞和失败) 需要的带 宽必须得到保证。 第二个必要的条件是当一个业务流通过网络时，它必须收到相应的分类对 待，包括时序安排和包转发。 1 4 q o s 机制的基本类型 基于资源预留：网络资源按照某个业务的q o s 要求进行分配，制定资源管 理策略。互联网工程任务组1 e t f ( i n t e r n e t e n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 塑些塑箜合罂务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ， i n t s e r v ) 体系结构便是基于 这种策略，资源预留协议( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l ，r s v p ) 导 其核心部分。 基王优垄级：网络边界节点对业务流进行分类、整形、标签。核心节点按 照资源管理策略分配资源，对q o s 要求高的业务给以优先处理。i e t f 提 卑的差分服务( d i f f e r e n t i a t e ds e r v f c e s ，d i f f s e r v ) 便是基于这种策 q o s 盘鎏煮要用三单个数据流或多个数据流集( a g g r e g a t ef l o w ) ，因此根 据应用的数据流的不同，i pq o s 可以分为： 、 旦于尊攀搀搏：单个数据流为在两个应用( 发送者和接受者) 之间的单个 堂：，鼍向鬯数据流。可以用传输协议、源地址、源端口号码、目的地址和 目的端口号码这五种参数来分类。 。 作者：徐其志 但流第栈旭毓涕黼宽业油俨带仆歪的 够一，严需足瓦或户黝棚惝槠酬诎渐蝴 流谳带随射环少到他斛豫珑 一一一一一 列第剖个镐坟孺卜拊似耵献碱矩 陋姒剐跏彤 t日谢、嬲河 f l 上o僦吣 黝扎懈 数髓，匕个念扯州郴舱毗 每而级乱给力先醋 一一一一一一一 求幼者静礅一黼鼢 珊唠眦池一一一舞鼎 一一一一 1 心宽旷类m 懒酬黻删一好撇 实彤簖酢献 罹型页奠 北京邮电大学顺士学位论文支持差分服务模型的m p l s 网络中q o s 丰i ；| 关投术的研究 用于数据流集：数据流集由两个或更多个单个数据流组成。这些流在一个 或多个参数、标签或优先数以及”一些认证信息方面有一些共同点。 1 5 i pq o s 技术的发展史 随着人们认识问题的逐步深入， i pq o s 技术的发展经历了一个漫长、曲折 的过程。 1 ) 2 0 世纪8 0 年代，当时的i n t e r n e t 主要承载数据业务，网络采用尽力而为 的服务、无q o s 保障。 2 ) 到了2 0 世纪9 0 年代初期，由于受到v o i p 等实时业务的驱动，i e t f 组织 在i pq o s 领域做了第一次尝试，在1 9 9 4 年推出了基于r s v p 的i n t s e r v 解决方 案，这是一种端到端基于流的q o s 技术。 3 ) 为了寻求扩展性和简易性，i e t f 组织在1 9 9 8 年推出了基于d s c p 的 d i f f s e r v 解决方案，这是一种基于类的q o s 技术，主要用于骨干网。使用 d i f f s e r v ，在网络入口处根据服务要求对业务进行分类、流量控制，同时设置 报文的d s c p 域；在网络中根据实施好的q o s 机制来区分每一类通信、并为之服 务，d i f f s e r v 域中的所有节点都将根据分组的d s c p 字段来遵守p i i b 。d i f f s e r v 通过将业务定义为有限的类、可以很好地解决扩展性的问题，但由于各种业务的 流量模型和业务模型的不同，各种业务叠加在一起后，其流量模型和业务模型将 会是非常复杂的，使得在现实网络中d i f f s e r v 无法去真正部署，必须利用一一些 智能化的工具，这就是m p l sd st e 。 业界同时提出了一种将i n t s e r v 与d i f f s e r v 结合的思路：即在用户网络 仍使用r s v p 协议、在运营商的d i f f s e r v 网络边界将i n t s e r v 的业务类型映射为 d i f f s e r v 的业务类型，这样解决了端到端的q o s ，同时也具有很好的扩展性。但 这种方法并没有解决d i f f s e r v 的部署问题，同时也存在i n t s e r v 的信令复杂、 管理等问题，该方法仍处于一种理论的研究阶段。 4 ) m p l s 网络本身的q o s 技术可以采用两种思路，首先可以采用i n t s e r v 方 案，提供基于流的q o s ，但由于i n t s e r v 存在的问题，这条路在一开始就没有走 通。 m p l sq o s 的另一种思路是采用d i f f s e r v 方案。 m p l s 与d i f f s e r v 都具有很好的可扩展性、处理过程也类似在网络边 缘聚合、在网络核心处理：如果将d s 字节的设置融入m p l s 的标签分配过程中， m p l s 的标签将具备区分分组服务质量的能力。m p l s 与d i f f s e r v 的结合称为m p i s c o s 。 5 ) m p l st e 是一种间接改善网络q o s 的技术。传统路由协议主要是保障网络 作者：徐其志 北京邮电大学硕士学位论文支持差分服务模型的m p l s 网络巾q o s 相关技术的研究 的连通性和可达性，通常选取不是非常灵敏的参数作为s p f 计算根据，导致网络 负载不均衡、路由动荡等缺陷； m p l st e 利用了l s p 支持显示路由的能力，在 网络资源有限的前提下，将网络流量合理引导，达到实际网络流量负载与物理网 络资源相匹配，问接改善了网络的服务质量。 m p l st e 通过对i g p 协议进行扩展，使其能够收集网络流量信息形成流量工 程数据库，每个l e r 根据自己的t e d 、结合各类策略实施在线约束路由计算，得 到显示路由，最后显示路由通过信令协议c r l d p 或r s v p 扩展来部署。 根据用户需求( 显示路由、带宽等) 及网络资源的情况，m p l st e 能够自动通 过c r l d p 信令( 或r s v p 扩展) 建立一条跨越骨干网的从i e r 到l e r 的隧道，同时 可完成隧道的维护、统计、属性修改( 如带宽) 及备份等功能；l e r 与l e r 没各之 f n j ，可以认为通过一个隧道直连； m p l st e 隧道可广泛应用于v p n 、各类接入及 互联业务中。 通过m p l st e ，可为用户创建具有带宽保证的隧道，但如果在隧道中同时传 送e f 、a f 及b e 业务时，业务之间会相互干扰，也就是说m p l st e 存在一个严 重的问题一m p l st e 隧道不能够感知业务类型。 6 ) 2 0 0 2 年业界提出了一种m p l sd i f f s e r v a w a r et e ( m p l sd s t e ) 的解决 方案。 d if f s e r v 提供了基于类的q o s ，具有良好的可扩展性，但缺乏有效的端到端 部署的机制；m p l st e 通过有效地管理带宽资源间接改善网络服务质量，但其带 宽管理以及m p l st e 隧道都无法做到基于业务类别( 时延) ，如果f f 、a f 、b e 业 务都承载在一个m p l st e 隧道中e f 和a f 业务将受到严重的影响。 m p l s d i f f s e r v a w a r et e 在原来m p l st e 的基础上，增加了基于类别的资源管理， 例如可根据带宽及时延的不同将接口资源划分为e f 、a f 、b e 三类，通过i g p 协 议对每个类别的资源使用情况进行收集、分别建立t e d ，通过信令协议携带类别 建立1 s p 。 m p l s d s t e 充分利用了d i f f s e r v 的可扩展性以及m p l j s 的显示路由能力， 是解决骨干网q o s 的有效技术，网络资源可根据用户的需求得到最优的利用；与 d st e 相关的r f c 草案已提交i e t f 工作组进行审核，尚未形成最终标准。 、 1 6 论文的编排结构 本论文在第一部分对q o s 的相关东西进行了回顾和总括，第二部分主要就 目前实现q o s 的主要技术进行了总括和介绍，并就他们的优缺点加以指出，在此 基础上，论文在第三部分重点阐述了在m p l s 中实现d i f f s e r v 的具体原理等相关 细节，在论文的最后，我们对文中提出的理论和现有技术做了一个仿真试验进行 对比认证。 作辑：徐其志 北京邮l 也大学硕i j 学位论文支持差分服务模型的m p l s 网络中q o s 相关技术的研究 第2 章实现q o s 的主要技术 从网络工作人员意识到在分组交换网络中需要q o s 机制开始，出现了几种方 法：i n t s e r v 与r s v p 信令协、议一起，提供了最先意义上的真实q o s 架构。可是， 当发现采用r s v p 的i n t s e r v 的可扩展性和可操作性问题时，i e t f 定义了 d i f f s e r v 架构，这个架构在它的基本形式上并不需要信令协议。后来m p l s 作为 一种面向连接的方法引入无连接的i p 网络中，并且它提供流量工程。这个部分 刚顾了这些早期的架构并且为后来为可升级的q o s 保证的机制( 将在下一部分得 到介绍) 的出现提供了相应的背景。 2 1 综合服务模型和资源预留协议( i n t s e r v r s v p ) 21 1 in t s e r v r s v p 简介 i n t s e r v r s v p 服务模型在i e t fr f c l 6 3 3 中进行了定义。综合服务( i n t s e r v ) 的基本思想是在传送数据之前，根据业务的q o s 需求进行网络资源预留，从而为 该数据流提供端到端的q o s 保证。i n t s e r v r s v p 的工作原理如图2 一l 所示。 图2 1r s v p 工作原理 r f c l 6 3 3 将资源预留协议r s v p 作为i n t s e r v 结构中的主要信令协议。因为 i n t s e r v 基本思想就在于以资源预留的方式来实现q o s 保障，r s v p 是其核心部分。 r s v p 是主机用来从应用程序获得特定的q o s 的一种信令协议，用来通知网络节 点预留资源，完成综合服务需要定义的呼叫接纳控制功能和资源预留功能。端点 应用程序利用r s v p 消息向网络提出完成数据传送必须保留的网络资源( 如带宽 及缓冲区大小等) ，同时也确定沿传送路径的各个节点传输处理策略，从而对每 个业务流实现逐个控制。如果资源预留失败，r s v p 协议会向主机发回拒绝消息。 作者：徐其志 北京| j i ；叱大学坝十学位论文支持差分服务模垂塑m p l s 里络! 里堕塑差垫查堕型壅 在服务层次上，i n t s e r v r s v p 提 j t - t3 种级别的业务 端到端的质量保证型服务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) ：保证带宽、限制延迟、 无丢包。 可控负载型服务( c o n t r o l l e d - - l o a ds e r v i c e ) ：类似于在当前的一个负 载较轻网络中实现的尽力而为业务的服务质量。 尽力而为的服务( b e s te f f o r ts e r v i c e ) ：类似当前i n t e r n e t 在提供的 尽力而为的服务。 在结构层次上，i n t s e r v r s v p 服务模型主要由四个部分构成：信令协议 r s v p 、接入控制器( a d m i s s i o nc o n t r o lr o u t i n e s ) 、分类器( c l a s s i f ie r ) 以 及包调度器( p a c k e ts c h e d u l e r ) 。 在实现层次上，综合服务需要所有路由器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，在数据路径上执行流的分类、调度 和缓冲区管理。具体而言，资源预留协议r s v p 负责逐点( h o p b y h o p ) 地建立 或者拆除每个流的资源预留软状态( s o f ts t a t e ) ，也即建立或拆除数据传输路 径。 接入控制器将决定是否接受一个资源预留请求，其根据是链路和网络节点的 资源使用情况以及q o s 请求的具体要求。 分类器则对传输的数据包进行分类成传输流，i n t s e r v 常用的分类器是多域 ( m u l t i - f i e l d ，m f ) 分类器，当路由器接收到数据包时，它根据数据包头部的 多个域( 如5 元组：源i p 地址，目的i p 地址，源端口号，目的端口号，传输西 议) ，将数据包放入相应的队列中。 包调度器则根据不同的策略对各个队列中的数据包进行调度转发。 2 1 2 资源预留协议r s v p r s v p 早在1 9 9 3 年就被提出，用于为i p 网提供q o s 能力。1 9 9 7 年初i e t f 批 准r s v p 成为r f c 文件，在i n t s e r v 工作组内进行标准制定工作。r s v p 是一种提 供预留设置和控制以实现综合服务合协议，是所有q o s 协议中最复杂的。r s v p 资源预留请求包括流规格说明( t s p e c ) 、资源预留规格说明( r s p e c ) 和过滤器 规格说明( p i i t e rs p e c ) ，它们一起称为”流描述符”( f 1 0 wd e s c r i p t o r ) 。资 源预留请求中的流规格说明通常包含服务类型和数字参数集合。预留说明和业务 流说明决定于综合服务模型并且对r s v p 来说是透明的。过滤器规格说明的格式 依赖于所使用的网络层协议，即i p v 4 或i p v 6 。目前所用的r s v p 中定义的基本 过滤器规格说明格式具有严格的形式：发送端i p 地址和可选的t c p u d p 端口号。 在服务保证、资源分配的粒度和对保证q o s 应用及用户反馈的细节等方面r s v p 都能提供最高级的q o s 。归纳起来，r s v p 有以下6 个特点： 在每一个路由器中的预留是”软”的，这意味着需要由接收者周期地更新。 作者：徐其忐4 北京邮电人学硕j ：学位论文支持差分撇务模型的m p l s 嘲络中q o s 相笑挫术的硼f 究 r s v p 不是传输协议而是网络( 控制) 协议，它不携带数据，但是利t c p 或u d p 数据流并行工作。 应用要求a p i 决定流的初始预留请求，并且接收在经过初始请求和全过程 中预留成功或失败的通知。 为了能够容纳大量不同的接收者，预留是以接收端驱动的 ( r e c e i v e t d r i v e n ) 。 多播的预留在上行的数据流复制点上被结合。 r s v p 数据流可以通过不支持r s v p 的路由器，这会在q o s 链路上产生弱钮 路，在这些弱链路上无法提供q o s 保证，因而此时的服务就是尽力而为型 的。 使用r s v p 信令建立数据发送路径以及为业务流预留资源的过程如下 发送端向接收端发送一个包含业务流规格说明( t s p e c ) 的p a t h 消息，其 中包含了业务流标识( 即目的地址) 及其业务特征，包括所需要的带宽的上 下限，延迟以及延迟抖动等。如图2 2 中所示。 该消息由沿路径的路由器逐跳传送，并且每个路由器都被告知准备预留资 源，从而建立一个”路径状态”，该状态信息包含p a t h 消息中的前一跳源 地址。如图2 2 中、所示。 接收方收到此消息后从业务特征和所要求的q o s 计算出所需要的资源，向 其上游节点发送一个资源预留请求r e s v 消息，该消息中包含了t s p e c 、 r s p e c 以及f i l t e rs p e c ，其主要包含的参数就是要求预留的带宽。如图 2 2 中所示。 r e s v 是沿p a t h 的发送路径原路返回的，沿途的路由器收到r e s v 消息后， 调用自己的接入控制程序以决定是否接受该业务流，如果接受，则按要求 为业务流分配带宽和缓存空间，并记录该流状态信息，然后将r e s v 消息 继续向上游转发；如果拒绝，则向接收端返回一个错误信息给接收端以终 止呼叫。如图2 2 中所示。 当最后的路由器收到r e s v 消息并且接受该请求时，它向接收端发回一个 确认消息。如图2 2 中所示。 作者：徐其志 北京邮电大学倾+ 学位论文 支持差分服务模型的 , t p l s 网络中q o s 相关技术的i i j | _ 究 孔珏嘴惠沿着敞悟珞往帆裳 繁盛燃搿 p a l 嘴启发迸割f 一十略由 艟s v j 曹惠j e 者在p t h 埔矗中 的上精踌往信直传墒寓十 b s i r p 瞎由嚣麻留崔滴茸堆裳 i i e s v 靖患或考惟绝亳调顶 宙请求并向接收端发囡一十 镨谖信息 图2 2r s v p 建立传输路径以及预留资源的过程 在此过程中，我们注意到，和电信网络中的呼叫建立过程相反，r s v p 是由接 收端驱动的资源预留。其目的是考虑在组播的情况下，以接收端驱动，可以适应 组播群成员的动态增减，以及各接收端要求不同q o s 的异质请求情况。当通信结 束或者一方退出会话后预留的资源可以由超时机制释放。r s v p 还定义了显式的 释放机制，通过p a t h t e a r 由启动点沿下游方向传送至接收端，通知沿途各路由 器释放资源。r e s v t e a r 则反向传送，功能相似。它们可由端系统发出，也可由 路由器在状态超时时发送出。至此，业务流的传输路径已经建立起来了，数据流 可以进行发送了。 r s v p 可以看作是配置业务处理的机制，综合服务则是在r s v p 信令基础上够 用以提供端到端o o s 保证的体系结构。i n t s e r v 设定网络设备支持业务的处理机 制，保证每一个业务流严格独立于其他业务流的服务，并设定提供特定量化资源 的服务。 从以上讨论可以看出，i n t s e r v r s v p 服务模型对传统i n t e r n e t 体系结构的 扩展主要包括在路由器中保存业务流状态信息以及明确的状态建立机制。这种模 型在路由器中所保存的业务流状态信息是软状态信息，由于软状态信息在路由器 发生错误时容易通过r s v p 信令刷新而隐含地拆除并在另外路由器中重建业务流 状态信息，而硬状态信息( h a r ds t a t e ) 需要明确地拆除状态信息，因而保持了 网络体系结构的鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 。同时，由于这种模型有效地集成了各种 实时应用和非实时应用，因而保持了网络的效率。另外，由于兼容了传统网络体 系结构和协议栈，因此能对网络进行有效的管理。 作者：徐j e 志 北京| | | i 乜人学硕士学位论文支持差分服务模型的m p l s 刚坌 中q o s 相关技术的研究 213i n t s e r v r s v p 的缺陷 从理沦上讲i n t s e r v r s v p 模型完全可以保证为i p 网络提供q o s 保障。但随 后在一些网上的实验表明这种服务模型有很明显的局限性，这些问题主要表现 存： 可扩展性差：可扩展性是i n t s e r v r s v p 模型最致命的一个问题，其基于 流的资源预留、调度处理以及缓冲区管理，有利于提供q o s 保证，但状态 信息随业务流数量的增长而增长，沿途的路由器要为每个数据流都维持一 个”软状态”，而路由器的存储器容量有限，可以保存的软状态信息都是有 限的，在个运营商规模的网络中几乎彳i 可能实现这一要求。 对路由器的要求过高：网络中所有的路由器都必须支持r s v p 信令协议， 接入控制程序，分类器以及调度器。 r s v p 中引入每流状态( p e r f l o ws t a t e ) 的概念，对于数据通信和实时 应用通信而言，i p 网络同时扮演了面向无连接和面向连接网络的两个不 同角色，提供两种功能，这与其简化设计原则相抵触。 资源预留不适用于短时流，比如w e b 流等，而在因特网中w e b 流量超过了 5 0 。 i n t s e r v r s v p 还存在着资源预留和路由协议之间的矛盾。如图23 所示， 从路由角度来看它是一条好的路径，但从资源预留来看，由于没有足够的 资源可以预留，不能为数据流建立起一条路径，因此这一进程只能停留在 这里，等待上层超时拆除这个应用进程，再重新建立路径。 a t e d 图2 3r s v p 和路由之间的矛盾 早期的i n t s e r v 是面向单流的，在路由器配置和使用多域分类准则，这给路 由器尤其是主干网络核心路由器带来了巨大负荷。为了增加i n t s e r v 的扩展性， 近期r s v p 已经开始支持流聚集，即将沿相同业务流传输路径流聚合成宏流 ( m a c r o f l o w ) ，按宏流来预留资源。这虽然减轻了核心路由器的一些负担，但 i n t s e r v 水身的体系结构已经决定了其高复杂性，而且由于路径数足边界节点数 的平方，宏流数仍然很庞大。 作者：徐其志 北京邮f 乜人学硕士学位论文支持差分服务模型的m p l s 嘲络中q 堕相关技术自! 至! 塑 因此，要实现t n t s e r v 的q o s 保证是很困难的，它需要基于流的、复杂的资 源预留、接入控制、q o s 路由和调度机制。在诸如互联网这种复杂的、大规模的 网络中，链路状态是不确定的，有效地预留带宽资源非常困难。而且资源预留本 身就与i p 网络的最大特点”无连接”相冲突。更重要地问题就是i n t s e r v 面临地 呵扩展性( s c a l a b i l i t y ) 问题和鲁棒性( r u b u s t n e s s ) 问题，这主要是因为在 分布式网络环境中，很难维持动态的、可复制的传输流状态一致性。这不仪表现 在扩展性差上，更大的问题是它要求核心路由器必须保持经过它的每一个单个数 据流的状态，而核心路由器是不能这么做的。另一个大问题是这种方法尽管主要 的路由器生产商和主机都支持r s v p ，它也被广泛接受，但是它始终没有成为主流， 原因是运营商们不愿意采用它，很少有大型网络采用它。 由此认为，综合服务能够在i p 网上提供端到端的q o s 保证。但是，综合服 务对路由器的要求很高，当网络中的数据流数量很大时，路由器的存储和处理能 力会遇到很大的压力。因此，综合服务可扩展性很差，难以在i n t e r n e t 核心网 络实施，目前业界普遍认为综合服务有可能会应用在网络的边缘上。近来，人们 认识到r s v p 的出路在于与差分服务配合工作，相辅相成。 2 2 差分服务模型( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ，d i f f s e r v ) 由于i n t s e r v r s v p 体系存在着诸多问题，一种新的模型便应运而生，这就 是差分服务模型( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ，d i f f s e r v ) 。 22 1 d i f f s e r v 简介 d i f f s e r v 的基本思想是将用户的数据流按照服务质量要求来划分等级，任何 用户的数据流都可以自由进入网络，但是当网络出现拥塞时，级别高的数据流在 排队和占用资源时比级别低的数据流有更高的优先权。差分服务只承诺相刘1 的服 务质量，而不对任何用户承诺具体的服务质量指标。i e t f 定义了d i f f s e r v 的体 系结构。d i f f s e r v 工作机制示意图如图2 4 所示。 作者：徐j e 忐 回圈回囤| 图2 4d i f f s e r v 工作机制示意图 北京邮电人学硕l 学位论文支持差分服务模型的m p l s 网络! 里堕塑差垫查塑塑窒 在d i f 。f s e r v 机制下，用户和网络管理部门之间需要预先商定服务等级合约 ( s 1 a ) ，根据s l a ，用户的数据流被赋予一个特定的优先等级，当数据流通过网 络时，路由器会采用相应的方式( 称为每跳行为p h b ) 来处理流内的分组。 d i f f s e r v 的最大特点就是简单有效、扩展性强。其实施特点是采用聚合的机 制将具有相同特性的若干业务流聚合起来，为整个聚合流提供服务，而不再面向 单个业务流。也就是说在d i f f s e r v 网络边界路由器上保持每流状态，核心路由 器只负责数据包的转发而不保持状态信息。这种c o r e s t a t e e s s 结构有很强的 扩展性。其基本实现方法是： 简化网络内部节点的服务机制。在网络内部的核心路由器中只保存简单的 d s c p ( d i f f s e r vc o d e p o i n t ) 与p h b 的对应机制，在数据流进入核心路由 器时只根据数据包头部d s ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 域中的d s c p 进行转发，而业务流状态信息的保存与流j 4 ；【控机制的实现等都在网络边界 节点进行，内部节点是状态无关的。 聚合网络内部核心路由器的服务对象。采用流聚集的方式进行传输控制， 具有相同d s c p 的业务流组成一个宏流( m a c r o f l o w ) ，核心路由器的服务 剥象即是宏流而不是单流( m i c r o f l o w ) ，单流信息只在网络边界节点保 存和处理。 d i f f s e r v 大大降低了信令的工作，而将重点放在流聚集以及适用于全网业务 等级的一套”逐跳行为”上。我们可以根据预先确定的规则对数据流进行分类，从 而将多种应用数据流聚集为有限的几种数据流等级。具体而言，边界节点根据用 户的流规格( p r o f i l e ) 和资源预留信息对业务流进行分类、整形、标签、聚合 为不同的流聚集，流聚集信息包含在报文i p 头部的d s c p 标签域中。核心路由器 在调度转发i p 包时以流聚集为服务对象，根据i i 包头不同的d s c p 提供不同的 转发服务质量，这种对不同类型的数据报进行转发的方式，称为”逐跳行为” ( p e r l l o p b e h a v i o r ，p h b ) ，实际上是一种相对优先级机制。 实际上，按照d s 域的标签，以相应方式提供不同质量的数据包转发服务，也 f 是d i f f s e r v 名字的由来。美国正在开展的下一代互联网计划i n t e r n e t 2 便是 选择d i f f s e r v 作为其q o s 策略。 d i f f s e r v 只包含有限数量的业务级别，状态信息的数量少，因此实现简单 扩展性较好。它的不足之处是很难提供基于流的端到端的质量保证。目前 d if f s e r v 是业界认同的i p 骨干网的q o s 解决方案，但是由于标准还不够详尽 不同运营商的d i f f s e r v 网络之间的互通还存在困难。 2 22d i s e r v 的体系结构 虽然d i f f s e r v 仍在不断的发展，一些标准仍在制定、完善之中，但经过几 年的发展，d i f f s e r v 的相关概念及模型已经比较成熟了，d i f f s e r v 体系结构也 作粥：徐j c 忐 北京邮电大学硕士学位论文 支持差分服务模型的m