（教育技术学专业论文）数字视频业务服务质量（qos）保证设计问题研究.pdf

摘要 计算机网络已经成为我们生活、工作、学习的一个不可或缺的部分。随着网络的逐 渐普及，网络提供的业务也越来越多样化。数字视频是网络提供的非常有潜力的一种业 务。与传统的数据业务不同，数字视频业务对网络服务质量( o o s ) 有很高的要求。因 此，网络的服务质量成为当今网络发展的一个重要课题。 本研究以i e t f 和a t m 论坛所定义的服务质量为基础，深入地分析了当前各国际组 织提出的网络服务质量模型( 主要是i e t f 的综合服务体系和区分服务体系以及a t m 论 坛提供的a t m 网络的服务质量模型) 。在比较各国际标准组织服务质量定义、服务类型 划分、服务质量提供方式以及服务质量控制实现方式的基础上，本研究认为a t m 网络 的服务质量保证发展比较成熟；而口网络的服务质量保证问题的研究具有广泛的应用 前景。 作者在研究数字视频信号的传输对传输通道的编码方式、传输方式、延迟、误码与 损伤、抖动、解码等参数要求的基础上，讨论了作为提供数字视频业务的网络应该具备 的特点。由此，作者提出了建设具有服务质量保证的网络应遵循的原则，并进一步提出 了构建保证数字视频服务质量的网络应该遵循的原则。 在论文的最后，作者提供了保证服务质量网络的案例，并对其进行了分析，可作为 网络服务提供者以及网络工程技术人员进行网络构建时的参考。 关键词：服务质量( q o s ) ；综合服务体系：区分服务体系；m p l s ；数字视频业务 a b s t r a c t c o m p u t e rn e t w o r k sh a v e b e e nap a r to fo u rl i v e s a st h ec o m p u t e rn e t w o r k s g r a d u a l l yu s e di no u rl i v e s ，n e t w o r k sc a np r o v i d e sm o r ea n dm o r en e ws e r v i c e s p r o v i d i n g d i g i t a lv i d e o si s as e r v i c eo fh i g hp o t e n t i a l d i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a ls e r v i c e s ，s e r v i c eo f d i g i t a lv i d e o sh a sah i 曲l e v e lo fq u a l i t yo fs e r v i c e s o ，q u a l i t yo fs e r v i c eo fn e t w o r k sh a s b e e na r ti m p o r t a n tq u e s t i o no ft h ed e v e l o p i n go ft o d a y sn e t w o r k s b a s e do nt h ed e f i n i t i o no fq u a l i t yo fs e r v i c ew h i c hd e f i n e db yt h e1 e t fa n dt h ea t m f o r u m ，t h i sa r t i c l ed e e p l ya n a l y z et h em o d e lo fq o s ，a n dg e tac o n c l u s i o nt h a tq o so fa t m n e t w o r k si sc r e d i b l e ；b u tq o so fi pn e t w o r k sh a sab e t t e rf u t u r e a f t e rs t u d y i n gt h er e q u e s to fd i s i t a lv i d e o s s i g n a lf o rt r a n s f e rc h a n n e l ，s u c ha st h e p a r a m e t e r sl i k et h em o d eo fc o d i n ga n de n c o d i n g ，a u t h o rd i s c u s s e dt h et r a i to fac h a n n e l w h i c hu s e df o rt r a n s m i td i 酉t a tv i d e o s f u r t h e r ，t h ea u t h o rg i v et h er u l e so fb u i l d i n ga n e t w o r kw h i c hg a l lp r o v i d eq o s a tl a s t ，t h e i ri sa c a s eo fn e t w o r k sw h i c hc a l lp r o v i d eq o s a u t h o rh a sa na n a l y s i so fi t k e yw o r d s ：q u a l i t yo fs e r v i c e ；i n t s c r v ；d i f f s e r v ；a t mn e t w o r k s ；s e r v i c eo fd i g i t a l v i d e o s i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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， 也不包含为获得东北师范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谢意。 1 一二 学位论文作者签名：乙兰客 日期：丛! ：生 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位 论文的规定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权东北师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、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适用本授权书) 学位论文作者签名：坠：噬 指导教师签名： 日 期：k 2 墨：f 一日 期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：毖丝翌蕴磋 通讯地址：j k 勤彳b 力厉贿 电话： 邮编： 弓嗣 互联网的惊人发展使人们不得不对它进行重新规划和调整。典型的问题如从为了解 决互联网址即将用光的问题，i p 协议从i p v 4 过渡到i p v 6 。另一个重要的而且是急需解 决的问题是如何使网络提供服务质量保证( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 。计算机网络在其 发展之初，主要是面向普通数据的应用，如e m a i l ，t e l n e t ，f r p 等业务。这些数据 对实时性要求不高，因此，传统网络即使没有提供服务质量保证，用户对此也不会有什 么明显的感受。不过，今天或者说将来的网络应用使这个问题显得突出了。当网络要提 供远程教室、远程医疗、视频点播、互联网电话、虚拟现实等这样一系列的对数据传输 的延迟性、抖动率等参数非常敏感的数据业务，离开服务质量保证是不可想象的。试想 有哪个用户会愿意为一个没有服务质量保证的视频点播( 断断续续的画面，与画面不同 步的声音，甚至看到一半不能再看了) 付费呢。 因此，计算机网络的服务质量( q o s ) 成为当今国际上网络研究领域最重要、最富 有魅力的研究方向之一，是目前计算机网络中研究与开发的热点问题，并且和网络安全 等问题一起被称为新一代计算机网络最重要的核心研究领域，对未来的网络技术的研 究、应用和发展具有举足轻重的意义。 然而，由于网络基础设施的庞杂性，实现端到端的q o s 并非易事。影响网络q o s 的因素有许多，网络q o s 控制涉及到构成网络的每一个节点和元素，从网络链路与协 议，到路由器、交换机、服务器的硬件、软件体系结构。并且，网络业务在业务性质上 表现为多种业务的集成与综合，业务量突发性日渐明显，且不同的业务要求不同的q o s 保证，这一切，都为提供端到端服务质量保证形成层层障碍。 为此，本文作者在调查研究网络服务质量的现状与问题的基础上，主要讨论了用于 视频服务的网络应该提供什么样的服务质量以及如何提供质量保证。期望通过本研究为 早日实现提供端到端服务质量提供有益的思考。 第一章、计算机的服务质量( o o s ) 服务质量是日常生活中人们再熟悉不过的字眼。顾名思义，服务质量往往体现了消 费者对服务者提供的服务的满意程度，是对服务者服务水平的一种度量和评价。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 ( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 优劣的问题。事实上，从计算机系统诞生伊始，人们就一 直孜孜不倦地致力于提高系统的服务性能和服务质量，因此，o o s 问题由来已久。不过， 对于计算机网络的服务质量在计算机网络业内有专门的描述，只是还没有就这些描述形 成一致的概念。 一、o o s 的定义 ( 一) o o s 的一般性描述 随着高速网络技术和多媒体技术的飞速发展，人们越来越多地提出了包括多媒体通 信在内的综合服务要求。传统的分组交换网络，如i n t e m e t ，是面向非实时的数据通信 而设计的，采用t c 眦p 协议主要是为了优化整个网络的数据吞吐量并保证数据通信的 可靠性。而当今分布式多媒体应用( 如视频会议、视频点播、i p 可视电话、远程教育) 不仅包括文本数据信息，还包括语音、图形、图像、视频、动画这些类型的多媒体信息。 分布式多媒体应用不仅对网络有很高的带宽要求，而且要求信息传输的低延迟和低抖动 等，同时，这些应用大都能够容忍一定程度的信息丢失和错误。表1 给出了一些典型应 用的0 0 s 需求。 表1 不同应用的o o s 参数 应用类型q o s 要求参数范围 f t p带宽0 2 “i o m t e l h e t 相应延迟8 0 0 m s 带宽 1 6 k b p s 端到端延迟0 1 5 0 m s 电话 端到端抖动 l m s 分组丢失率 1 0 4 带宽1 8 6 ) 1 b p s 端到端延迟2 5 0 m s m p e g 一1 端到端抖动l m s 4 1 0 1 ( 未压缩的视频) 分组丢失率 l o 。1 ( 压缩视频) m p e g - 2 带宽i g b p s ( 未压缩) 2 一- - 5 0 0 l g o p s ( 无损压缩) 端到端延迟 2 5 0 m s 端到端抖动 l m s l o 。2 ( 未压缩的视频) 分组丢失率 l o 。( 压缩视频) 由此可见，当今高速网络中的多媒体应用对网络提出了不同于数据应用的服务质量 要求，需要提供端到端o o s 控制和保证i l l 。 对于q o s 的描述，r f c 2 3 8 6 2 】( r e q u e s t f o r c o m m e n t s ，r f c ) 中为：q o s 是刚络在传 输数据流时要求满足的一系歹朔厦务请求，具体可以量化为带宽、延迟、抖动、延迟抖动、 丢失率、吞吐量等性能指标。这里的服务具体是指数据包( 流) 经过若干网络节点所接 受的传输服务，强调端至端( e n d t o e n d ) 或网络边界到边界的整体性。o o s 反映了网 络元素在保证信息传输和满足服务要求方面的能力。 另一种描述【3 i 为( h u t c h i s o nd ，1 9 9 4 ) ：o o s 是指发送和接收信息的用户之闯以及 用户和传输信息的综合服务网络之间关于信息传输质量的约定。该约定可以被理解为服 务提供者与用户之间的一份服务契约，即服务提供者承担支持给定的服务质量，当且仅 当用户按照约定的信息流特征产生数据。换句话说，服务质量包括用户的要求和网络服 务提供者的行为两个方面，是用户与服务提供者两个方面主客观标准的统一。用户的要 求是指用户在i n t e m c t 上进行多媒体通信时所要求的服务类型以及相应的传输性能和质 量等，当然，用户要为此付出相应的费用。网络服务提供者的行为则是指i n t e r n e t 针对 某一类服务所能提供和达到的性能与质量，同样。服务提供者会按照一定的标准为提供 的不同等级和类型的服务收取相应的费用。可以用图1 来表示o o s 用户和服务提供者 之，问的关系。 圈1q o s 与用户以及网络系统的关系 ( 二) q o s 的定义和标准 随着网上传输的多媒体业务迅速增多，网络拥塞现象日益严重，对网络o o s 研究 随之开始深入。研究o o s 不可回避的一个问题是制订o o s 标准，定义q o s 参数。几个 比较重要的国际组织对此作了自己的定义。 1 0 s i 参考模型中的o o s 定义1 4 j i s o 最早开始计算机网络的q o s 问题的研究。针对o s i 参考模型的七层协议，i s o 组织要求每层协议都在向高层提供相应服务的同时，提供如表2 所示的服务质量。 表2 i s o 定义的q o s 参数 参数含义 吞吐量单位时间内在一个连接上传递的最大字节数 传输延迟从数据传输开始到数据传输完成确认为止的时问间隔 出错率数据单元错传、丢失或重传的概率 建立连接延迟从请求建立连接开始到建立连接确认为止的时问间隔 连接失败率建立连接失败的概率 传输失败率传输失败的概率 重置率在给定的时间内服务提供者释放连接或者重置连接的概率 释放延迟从释放请求开始到释放确认为止的时间延迟 释放失败概率释放连接时失败的概率 另外，i s o 还定义了与协议功能本身无关的安全性、成本与传输优先级等q o s 参 数。 2 c c i t t ( i t u ) 的q o s 定义 o s i 参考模型中的q o s 参数定义主要是针对数据传输的。这些定义既未考虑服务 类型，也未考虑出错概率的分布以及传输峰值的变化等因素。而且，o s i 参考模型的 q o s 定义也未给出如何实行q o s 要求的方法与框架。1 9 9 0 年，当时的国际电话电报咨 询委员会c c f i t ( c o n s u l t a t i v ec o m m i t t e eo ni n t e r n a t i o n a lt e l e p h o n ea n dt e l e g r a p h ) 又针对 q o s 制订了c c i t t - 1 系列建议。 该建议从呼叫控制、连接以及数据单元的传输控制等三个不同的层次定义了宽带综 合业务数字网( b i s d n ) 的q o s l 5 1 。 呼叫控制级的q o s 包括呼叫次数、失败率等。 连接级的q o s 包括连接延迟、连接失败率、释放的延迟和释放失败率等参数的定 义。 数据单元传输控制级的q o s 包括分组的峰值到达率、峰值持续时间、分组平均到 达率、分组丢失率、分组插入率以及比特出错率等。 3 a t m 的q o s 定义 a t m 精确地定义了q o s 的概念，但是方式十分复杂。a t m 论坛把a t m 网络的服 务定义为如下5 类： ( 1 ) c b r ( c o n s t a n tb i tr a t e ) ，恒定位速率服务。支持面向连接的服务，用于传输 率固定、对信元延迟和丢失率都敏感的应用，接近于传统的电路交换方式的应用。例如 用来传输声音和图像信号。 ( 2 ) r t v b r ( r e a l t i m ev a r i a b l eb i tr a t e ) ，实时可变位速率服务。 ( 3 ) n l t v b r ( n o n r e a l t i m ev a r i a b l eb i tr a t e ) ，非实时可变位速率服务； 可变未速率服务类型允许用户发送可变速率的信息。根据对信元延迟敏感的不同划 分为实时v b r 和非实时v b r 。可变位速率服务支持面向连接的服务，用于传输率变化， 同时对延迟敏感的应用，通常将实时v b r 用于视频影像信息的传送等场合，将非实时 v b r 用于多媒体e m a i l 业务等场合。 ( 4 ) a b r ( a v a i l a b l eb i tr a t e ) ，可用位速率服务。一种面向连接的数据服务，该类型 规定了峰值信元速率和最小信元速率，主要用于传送文件、e m a i l 等普通数据信息。r j 一股业务不同的是a b r 提供反馈控制，支持预留资源，因而在一定程度上保证了信息 传送的可靠性。 ( 5 ) u b r ( u n s p e c i f i e db i tr a t e ) ，未指定位速率服务。这是一种无q o s 保证的服务， 在数据传输前不需要建立连接，唯一的优点是费用相对低廉，对于不需要o o s 保证的 普通文件和e m a i l 等数据的传送比较适合。目前，a d s l 业务所用的就是这种类型的服 务。 表3 给出了i t u 定义的q o s 参数。 表3i t d 定义的q o s 参数 参数含义 峰值信元速率( p c r )用户发送信元的最大瞬间速率 持续信元速率( s c r )经过一个长时间测量得到的平均速率 摄小信元速率( m c r )用户希望至少达到的最小速率 信元丢失率( c u )因为错误和拥塞信元不能到达目的地而导致在网络中丢失 的信元所占百分率 信元传输延迟( c t d )一个信元从进入霹络到离去所经历的延迟 信元延迟方差( c d v )c t d 的方差 突发允许( b t )决定可以按照峰值速率发出的最火突发长度 根据a t m 4 0 版本的传输规范，表4 归纳了上述a t m 服务类的属性，从这个表里 我们可以看出a t m 网络对盯u 关于o o s 建议的支持情况。 表4a t m 论坛定义的o o s 参数 是否提供以下q o s 保证 服务类型传输描述 丢失率延迟方差预留资源反馈控制 c b rp c r 是是 是否 n v b r p c r ，s c r ，m b s是是是 否 n r t - v b rp c r ，s c r ，h 珏i s是否是否 a b rp c r ，n i c r 是 否是是 u b rp c r否否否否 另外，a t m 论坛也定义了相应的呼叫接纳控制c a c ( c a l la d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) ，用来 检套用户连接请求的服务类型，并根据a t m 交换机中的资源空闲状况决定接受或拒绝 用户的连接请求。 表5 给出了服务类对各种实际应用的适用情况。 5 表5a t m 各服务类的适用场合 应用 c b rr t c b rn l - t c b ra b ru b r 关键数据较好一般最好一般不可 l a n 互联般一般较好最好较好 w a n 互联一般般较好最好较好 电路仿真最好较好 不可不可不可 电话最好较好 不可不可不可 视频会议最好较好 一般一般 较差 压缩的音频一般最好较好较好较差 视频发布最好较好一般不可不可 交互式多媒体 最好最好较好较好较差 4 i e t f 的q o s 定义 如何在i n t e r n e t 上提供综合服务的关键是q o s 控制。早期在a t m 交换机及其协议 中开展的q o s 支持工作为后来口网络中的q o s 问题研究奠定了基础。事实上，人们正 在研究新的方法来实现对j p 网络的q o s 控制和传输管理。根据提供综合服务的要求， i n t e m e t 工程特别工作组i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 把q o s 问题划分为两大 部分，即综合服务模型与q o s 实现框架。并且，在r f c 2 2 0 5 1 6 1 给出了实现q o s 最关 键的部分一资源预留协议r s v p ( r e s o u r c er e s e r v a t i o n p r o t o c 0 1 ) 。不过，综合服务体系由 于可扩展性不好、实现难度大等问题并未能实现普及，因此，i e t f 又提出了种可扩 展性好的区分服务1 7 一( 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 ) 体系结构。在r f c 2 2 1 6 9 中， q o s 定义为：用带宽、分组延迟和分组丢失率等参数描述关于分组传输的质量。具体地， i e t f 将o o s 定义为一个二维空间。 服务类型和参数类型都用整数来表示。 的取值范围为【1 ，2 5 4 1 ， 参数 类型，的取值范围也是【1 ，2 5 4 】。在这些取值中，服务类型的值目前只确定了有限的几 种，还有待于进一步的研究确定，参数类型的取值也是同样如此。 事实上，前面描述的定义中( 除a t m 的定义外) ，由于没有很好的考虑应用和网络 的分层以及多媒体q o s 要求的多样性，因此不能很好地描述多媒体应用的q o s 请求。 例如，o s i 虽然按照层次描述q o s ，由于制订各层标准的工作小组是单独工作的，致使 各层的q o s 之间没有明确的定义，因而是不一致的；i e t f 的q o s 定义针对的是网络传 输延迟，未考虑抖动、同步、声音图像的失真率等因素。并且，上述的q o s 定义更多 的是从服务提供者方面考虑的，而普通用户如何将自己的主观需求转化表述为专业的 q o s 术语也是一个棘手的问题。在此，借鉴a t m 论坛的定义和应用列表是有实际意义 的。 二、i p 网络o o s 的实现机制 6 随着i n t e r n e t 商业化的巨大成功，互联网几乎成了网络的代名词1 1 0 】。另一方面， 随着i p v 6 的逐步应用，互联网的带宽终将超越最快的a t m 网络，但是，多媒体应用不 但对网络有很高的带宽要求，而且要求信息传输的低延迟和低抖动等，而目前的 i n t e r n e t 中现有的传输模式仍为单一的尽力而为( b e s t - e f f o r t ) 型服务，无法满足多 媒体应用和用户对网络l 输质量的不同要求【n j 。由此，以提高网络资源的利用率，为用 户提供更高服务质量为目标的o o s 控制技术应运而生。研究互联网应用技术的i e t f 先 后提出了综合服务【1 2 l ( i n t s e r v ) 和区分服务【1 3 】( d i f t s e r v ) 两种体系结构。 ( 一) 综合服务( i n t s e r v ) r f c l 6 3 3 给出了i n t e r n e ti n t s e r v 的框架，并将其划分为综合服务模型与参考实 现框架两大部分。 在服务层次上，除了原来的尽力而为型的服务外，i n t s e r v 还以每个流为基础，提 供了两种端到端的面向实时传输的服务：质量保证型服务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) 和可 挎负载型服务( c o n t r o e d l o a ds e r v i c e ) 。 在实现层次上i n t s e r v 方案需要所有的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，并且在数据路径上执行基于流的分类、调 度和缓冲区管理。 在技术层次上，i n t s e r v 依靠资源预留协议r s v p 提供q o s 协商机制，逐节点 ( h o p b y h o p ) 地建立或拆除每个数据流的路径状态和资源预留状态；依靠接纳控制决 定链路或网络节点是否有足够的资源满足用户的资源预留请求；依靠传输控制将i p 分 组分类成不同的传输流，并根据每个流的状态对分组的传输实旌q o s 路由、传输调度 等控制。图2 表明了i n t s e r v 以r s v p 为核心的的工作机制。 主机路由器 冈丽 r s v p 、厩翮 弹胬 数据纛：数目 幽7 圈 1 笪丕鲨f ru 型 传输控制传输控制 图2 在主机和路由器通过r s v p 实现i n t s e r v 的原理图 1 i n t s e r v 的服务类型 传统的i p 网络只能提供简单的尽力而为型服务，这显然不利于对q o s 敏感的多媒 体业务。为了提供多媒体通信的o o s 支持，就必须对传统的网络结构和服务模型进行 扩展，从而提出了质量保证型业务1 1 4 】和可控负载型业务【1 5 】。 i i 可控负载型业务 7 i e t fr f c 2 2 1 1 中把可控负载型服务定义为一种端到端的行为。可控负载型服务使 用户感到网络是在一种负载很轻或具有很大的容量条件下运行，用户感觉不到不可忍耐 的延迟。在本质上是一种定性服务，主要特点包括： ( ”很高百分比的分组成功被转发给接收端，损失或丢失的分组百分比必须低于 允许的范围； ( 2 ) 绝大部分转发成功的分组延迟率要小于一个可以接受的延迟范围。 可见，这个定义是模糊的。很高的百分比、绝大部分以及允许的范围都不是确定的 描述。可控负载型业务把这些定量描述交给用户，以便该服务能够支持大范围的应用。 町控负载型服务模式提供的是一个得到保证的持续传输速率以及偶然出现的突发峰值 速率，这两个速率可以沿用令牌桶方法加以描述，适用于那些能够容忍一定限度丢失和 延迟的应用类型。 1 2 质量保证型服务 i e t fr f c 2 2 t 2 中定义了质量保证型服务。质量保证型服务要求网络中各元素保证 用户所要求的最小延迟时间，从而保证会话过程中每个分组确定的延迟界限，即保证在 规定的传送时间内到达。为此，提供质量保证服务的各个网络元素必须先对各个服务参 数所要求的资源进行计算，并给出这些元素可能带来的最大延迟。质量保证型服务主要 由以下特点： ( 1 ) 质量保证型服务要求用户描述清楚应用的需求，而不是实现这些需求的机制 或指明流的方法； ( 2 ) 为了获得一个有限的延迟，质量保证型服务的数据传输路径上的每个网络元 素都必须支持质量保证型服务。也就是说，每个网络元素都必须提供有限的网络延迟； ( 3 ) 尽管质量保证型服务要求网络系统提供在要求延迟内的服务，但不能1 0 0 地 保证每一个所要求的时间延迟都能得到满足。 质量保证型服务的目的在于模拟某种特定速率电路提供的服务，对于实时性要求高 的多媒体应用较为合适。 2 资源共享要求与服务范围 无论质量保证型服务还是可控负载型服务，他们都需要网络元素为其分配相应资 源。这些资源包括网络带宽、c p u 和缓冲区等。网络元素的资源共享可以分为三个层次： 链路的共享、协议的共享以及服务的共享。其关系如图3 所示： 图3i n t e r n e t 资源共享的层次结构 8 链路共享一般由不同的组织机构和部门进行，他们共用相同的链路传输信息，例如 以太网和公用数据网等等。协议共享是指在i n t e r n e t 上除了i p 协议之外，还运行其他 协议，例如i p x 。这些协议经过i p 头部封装之后或以其本身的状态共享路由器等硬件 资源，造成了不同协议之间的带宽、c p u 等资源的竞争。服务共享则在一个协议家族， 即i p 协议内进行。不同用户同时经过某个网络元素造成该网络元素的处理能力下降。 因此，网络系统在用户提出q o s 请求之后迸行资源检查，然后根据资源的多少和用户的 要求，接受或拒绝用户的请求。 3 q o s 控制的实现框架 q o s 控制的实现是一个端到端的过程，实现q o s 控制的目的是用户提供多种类型的 综合服务。q o s 控制的实现框架包括以下几个部分： ( 1 ) 用户与用户、用户与网络系统的q o s 协商方法与界面； ( 2 ) 用户q o s 要求的接纳控制； ( 3 ) q o s 参数与服务类型控制分组的定义与实现； ( 4 ) q o s 资源预留协议； ，5 ) 分组调度与队列管理办法： ( 6 ) q o s 控制管理与评价标准。 q o s 控制的实现框架必须是端到端，即q o s 的控制程序既要在端主机系统实现，也 必须在提供用户服务的综合服务路径的各网络元素，包括路由器和交换机等中实现。如 图4 所示的路径不能为用户提供要求的q o s 。 ，- - 一一- 、 ，、 圈徊徊徊悃 、一、蔓羔一一，一，7 图4 无法提供q o s 服务的路径 在图中，由于a 、b 两点相应的路由器不能提供q o s 控制功能，所以，整个网络将 无法提供q o s 保证。 在这个框架里面，( 5 ) 相对发展成熟，其他几个方面的相关性比较强，其中一个不 能确定，将影q 向其他方面研究的进行。其中，( 3 ) ( 4 ) 比较复杂，( 6 ) 则由于涉及服务 的主观感受，难以量化，因此发展缓慢。 4 综合服务体系结构的局限 在i n t s e r v 体系结构中，网络中每个节点都要维护各类数据库( 例如，对于使用链 路状态协议的q o s 路由，路由器必须同时维护链路状态数据库和q o s 路由表；网络中的 资源管理器必须维护资源数据库等) 并实现复杂的功能模块( 如资源预留、路由、接纳 控制等) 。这种完全分布式的控制带来了极大的复杂性。总而言之，i n t s e r v 在整个网 络应用，存在如下根本的局限： ( 1 ) 基于流的r s v p 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， 但使系统开销过高，对于大型网络存在可扩展性问题； ( 2 ) 目前，只有少量的主机产生r s v p 信令，虽然其数量预计会大幅度增长，但许 多应用却从不产生r s v p 信令，因而在实现上修改应用程序的阻力较大： ( 3 ) 许多应用需要某种形式的q o s ，但却无法使用i n t s e r v 模型来表达q o s 请求； ( 4 ) 必要的策略控制( p o l i c yc o n t r o ) 和价格( p r i c i n g ) 机制，如访问控$ ( a c c e s s c o n t r 0 1 ) 、鉴别( a u t h e n t i c a t i o n ) 、记帐( a c c o u n t i n g ) 等，目前尚处于发展阶段， 无法付诸应用。 ( - - ) 区分服务体系结构( d i f f s e r v ) 由于i n t s e r v 体系的问题，区分服务体系应运而生。d i f f g e r v 的目标在于简单有 效，以满足实际应用对可扩展性的要求，其实现的途径是： ( 1 ) 简化网络内部节点的服务机制。内部节点只进行简单的调度转发，而流状态 信息的保存与流监控机制的实现等只在边界节点进行，与内部节点是状态无关的。 ( 2 ) 简化网络内部节点的服务对象。采用聚集传输控制，服务对象是流聚集( s t r e a b a g g r e g a t e ) 而非单流，单流信息只在网络边界保存和处理。 具体而言，边界节点根据用户的流规定和资源预留信息将进入网络的单流分类、整 形、聚合为不同的流聚集，这种聚集信息存储在每个i p 包头的d s 标记域中，称为d s 标记；内部节点在调度转发i p 包时根据包头的d s c p ( d s 标记) 选择提供特定质量的调 度转发服务，其外特性称为逐点行为( p e r h o p - b e h a v i o r ，p b b ) 。网络边界对单流做分 类聚合与网络内部对聚集流提供特定质量的调度转发服务，这两个过程通过i p 包头内 的d s c p 协同起来。 除实现简单以外，区分服务体系还具有以下特点： ( 1 ) 层次化结构；分为d s 区域与d s 区两级，有利于i n t e r n e t 中由i s p 提供接入 服务的商业模式。即一个i s p 提供一个d s 区域的服务，由其负责o o s 的协商。 ( 2 ) 总体集中控制策略；网络资源的分配由总体服务提供策略决定。 ( 3 ) 利用面向对象的模块化思想与封装思想，增强了灵活性与通用性；各逻辑模 块相对独立，并有多种组合。少量模块可组合实现多种服务。 ( 4 ) 不影响路由。与一些以虚电路方式实现o o s 的方案( a t m ，m p l s ) 以及服务类 型标记方案不同，区分服务节点提供服务的手段仅限于队列调度与缓冲管理，不涉及路 由选择机制。 目前d i f f s e r v 仍在不断发展，其相关概念、模型的定义仍处于讨论阶段。到现在 为止，d i f f s e r v 体系结构已经比较明确，在此基础上，有关服务提供的相关问题包 括服务定义、设置、管理等细节也在逐步清晰化【1 6 l 。其体系框架如图5 所示。 1 0 非d i f f s e r v 区 圃路由器 图5 区分服务体系结构的框架示意图 图中边界路由器充当出口路由器和入口路由器的角色。区域边界路由器执行传输分 类与调节；区域内部路由器通过调度和缓冲区管理实现p h b ( p e r h o p b e h a v i o r ) ；区 域入口路由器对入域流进行调节使其符合传输调节协议( t r a f f i cc o n d i t i o n a g r e e m e n t ，t c a ) j 区域出口路由器对出域流进行调节使其符合与下游区域的t c a ；区 域削服务层协议( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ，s l a ) 与t c a 要进行协调；区域与客户之 间通过s l a 与t c a 确定服务规范。 1 d s 区域与d s 区 d s 区域是由一些相连的d s 节点构成的集合，它们遵循统一的服务提供策略并实现 一致的p h b 组。d s 区域有明确定义的边界，边界由边界节点( b o u n d a r yn o d e ) 构成。 边界节点连通d s 区域和非d s 区域( 或其他d s 区域) ，其主要功能为：实现传输的分类 ( c l a s s i f y ) 和调节( c o n d i t i o n ) 机制( 逻辑上分为分类器与调节器) ，保存流( 单流 或聚集流) 的状态信息，根据预定的流规格对进入( 或离开) 区域的流进行调节，包括 计量( m e t e r i n g ) 、标记( m a r k i n g ) 、整形( s h a p i n g ) 、丢弃( d r o p p i n g ) 几个动作， 使输入流( 或输出流) 符合预定的t c a ，并在包头标记d s c p 值，分类归入行为聚集。 需要注意的是，边界节点上也要实现p h b 。一般d s 区域由毗邻的属于同一网络管理机 构的网络组成，如某个i s p 的网络或内部网。 连续的d s 区域构成d s 区，区内支持跨越若干区域的区分服务。区内的各个区域可 能支持不同的p h b 组，弗且各自区域的d s c p 到p h b 的映射函数也可能不周；如果有不 同的d s 区域，则区域之间必须有s l a 和t c a 定义域间的调节规则，协调彼此的服务语 义。域间边界节点分别对出域与入域流进行调节以保证其符合s l a 与t c a 的规定。 2 区分服务标记域与区分服务标志 i p 包头的区分服务标记域( d sf i e l d ) 是d s 区域的边界节点与内部节点间传递流 聚集信息的媒介，是连接边界的传输分类和调节机制与内部p h b 的桥梁。d s 标记域定 义为原i p v 4 包头的t o s 字节或i p v 6 包头的流类型字节( t r a f f i cc l a s so c t e t ) 的前 六位，如图6 所示。 0567 i p v 4t o s 字节或l p v 6 流类型字节 圈6i p 包头的区分服务标记域 d s c p 是区分服务标记域中的具体值，用来标识数据包所属的流聚集，供数据包经过 d s 节点时选择特定的p h b 。d s 节点上d s c p 到p h b 的映射具体实现中必须是可配置的。 在定义p h b 时，应同时指定对应d s c p 的推荐值。 3 边界节点的传输分类与调节机制 边界节点要根据t c a 对入域( 或出域) 流进行分类和调节，以保证输入( 或输出) 流满足t c a 中规定的规格，并将其归入某个行为聚集、标记相应的d s c p 值。逻辑上分 为分类器( c l a s s i f i e r ) 与调节器( c o n d i t i o n e r ) 两个模块。如图7 所示。 固滇鬻息 ；。i 压蛰霭 图7 边界节点进行传输分类和调节的逻辑框图 ( 1 ) 分类器遵照t c a 中的特定规则，根据包头的某些域( 如d s c p 值或m f 五元组) 将包划归到某一类别，然后交由相应的调节模块进一步处理。 ( 2 ) 调节器在逻辑上又分为计量器( m e t e r ) 、标记器( m a r k e r ) 、整形器( s h a p e r ) 和丢包器( d r o p p e r ) 。 计量器依据t e a 中的流量规格计量流的某些实时属性，如速率等，并将统计信息传 个标记器、整形器和丢包器。 标记器在包头的d s 标记域中标记适当的d s c p ，即将分组划入某个行为聚集。标记 器可以将经过分类器分类后交给他处理的所有分组标记同一d s c p 值，也可以根据计量 器的统计信息将其标为同一p h b 组内不同p h b 对应的d s c p 值。 整形器、丢包器通过延迟、丢弃等手段强制入流( 或出流) 符合t c a 的流规范。 4 逐点行为p h b 、p h b 组与p h b 组族 逐点行为p h b 是一个d s 节点调度转发特定流聚集这一行为的外特性描述。p h b 可以 用调度转发流聚集时的一些流特性参数( 如延迟、丢失率) 来描述。当某个p i t b 可能与 其他p h b 共存于一个节点时，还必须指出在分配资源( 如缓冲区、带宽) 时与其他p h b 的相对优先级。事实上，p h b 本质上描述的就是单个节点为特定流聚集分配资源的方式； d if f s e r v 体系的整体资源分配策略也就是通过这一个个单节点资源分配实现的。 多个p h b 由于彼此关系密切( 如具有按顺序排列的相对丢弃优先级) 而必须同时定 义，则在实现时就构成一个p h b 组。p h b 组是区分服务体系中的基本定义或实现模块， 单个p h b 是特殊的p h b 组。如果若干个p h b 组有相似的构造( 即各组内的p h b 间有相似 的关系) ，这些p h b 组可以同时定义，则称其属于同一p h b 组族。 定义具体的p h b 是i e t f 区分服务工作组的重要工作内容。目前已标准化的p h b 有 缺省型b e ( b e s te f f o r t ) 、加速型e f ( e x p e d i t e df o r w a r d i n g ) 、确保型a f ( a s s u r e d f o r w a r d i n g ) 以及兼容i p 优先级的类选择c s ( c l a s ss e l e c t o r ) 4 种。 5 d if f s e r v 的典型服务 白区分服务概念出现以来，奖赏服务p s 与确保服务i 7 i a s 是讨论最为集中的两种典 型服务。 5 1 奖赏服务p s 奖赏服务是为用户提供低延迟、低抖动、低丢失率、保证带宽的端到端或网络边界 到网络边界的传输服务，是目前所定义的服务级别最高的区分服务种类。“三低一保证” 的服务承诺使得用户可以享受类似专线的服务质量，因而奖赏服务也称为“虚拟专线” 服务。由于p s 的服务承诺针对用户流的最高速率，资源预留量也根据最高速率计算， 因而p s 也最昂贵。但p s 并非要取代传统的b e 服务，而是与之共存以提高网络资源利 用率一p s 没有用尽的带宽可以分配给其他的流使用。实际上，随着网络带宽的不断增 大，p s 流只占据很小的一部分资源。最终结果是，i s p 的收入提高了，资源也不会闲置。 由于延迟、抖动、丢失主要由于分组在传送路途中排队所致，因而“三低保证” 实际上意味着传输流在传送路途中几乎不排队。而在路由器处出现排队的原因是在某些 较短时间段内分组的入速率超过出速率( 请求速率超过处理速率) ，由此，要求任何时 刻，在p s 流传送道路上的任何节点处都要保证“p s 分组的入速率小于出速率”，因此， 这种服务要保证两点： ( 1 ) 在传送节点处保证p s 流有“良好定义”的最小出速率。“良好定义”意为最 小出速率不依赖于节点状态的动态变化，具体而言，既不依赖此节点处其他流的强度。 ( 2 ) 调节p s 流( 通过整形或丢弃) ，以保证它在任何节点处韵入速率都小于此处 的最小出速率。 其中，( 】) 由e fp h b 实现，( 2 ) 由边界调节机制实现。 e fp t t b 定义为一种逐点行为，它保证任何时候接受此服务的流的离开速率大于等于 设定速率；而保证这种不受其他传输流的影晌。因而在与其它p h b 共存时，e f 总是优 先级最高的。若e f 的实现机制是任意抢占式的，则必须设置e f 流特性的上限( 最高速 率，最大突发量) ，超过上限的分组一律丢弃，以防止恶意的e f 流肆意侵害其他流。理 论上似乎e f 的实现不需要缓冲区，因为任何时候e f 流的入速率总是小于出速率。但考 虑以下情况，一定的缓冲区还是必需的： ( 1 ) 输出链路当前被其他流的分组占用； ( 2 ) 在多个输入链路上同时到达多个e f 包。 因而节点缓冲区大小至少是各输入链路m t u 的和，再考虑e f 低延迟的要求，缓冲 区就可以取为此值。在网络边界处，必须对p s 流进行调节以保证其符合约定的流规格， 不超过额定最高速率。e f 服务已通过测试，实验表明，e fp h b 与边界调节器的适当实 1 3 现可以得到