（控制理论与控制工程专业论文）基于区分服务网络的改进rioc算法的研究与仿真.pdf

1jl1ii y i l 1 3 at h e s i si nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g r e s e a r c ha n ds i m u l a t e d i m p l e m e n t a t i o n o f m o d i f i e dr i o - c a l g o r i t h m b a s e do n d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sn e t w o r k s b yh ux i a o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rj i n gy u a n w e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 p ，一 t 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 胡睛 日期：捌7 弓 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即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，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名： 胡喃 签字日期：瑚。7 弓 导师签 签字日 i 一 东北大学硕士学位论文 摘要 基于区分服务网络的改进rl0 - c 算法的研究与仿真 摘要 随着多媒体技术的发展，i n t e m e t 网络除了要进行数据传输之外，还要进行多 媒体信息的传输。因此对网络提出了不同于数据应用的服务质量要求。区分服务 体系结构目前已经成为解决m 网络服务质量问题的主要模型。d i f f s e r v 除了可以 提供尽力而为服务之外，还提供两种典型的服务，即奖赏服务和确保服务，实现 对优先级服务的区分。 本文主要围绕基于d i f f s e r v 的q o s 实现方案及其队列管理算法的改进方面开 展研究。论文对网络拥塞问题进行了较为详尽的剖析，研究了拥塞发生的原因及 其研究现状，重点分析了几种主动队列管理算法的性能，其中d r o p t a i l 算法过于 简单，不进行拥塞避免处理，也没有优先级的概念；r e d 算法以平均队列长度而 不是实际队列长度作为拥塞程度的指示，采用随拥塞程度变化的实际丢包率代替 了固定丢包率，能够进行拥塞避免的处理，同时能够有效的避免网络中产生“全 局同步 和“死锁 现象，但其不足在于不能实现优先级的区分；r i o c 算法在 r e d 算法的基础上进行了改进，解决了分组优先级的问题，但是该算法在网络负 载相对较轻，即导致网络拥塞的可能性较小的情况下，对到达分组，特别是高丢 弃优先级的数据分组，丢弃力度过大；相反，在网络负载相对较重时，对到达分 组丢弃力度不够，从而导致网络拥塞的可能性增大，影响网络的服务质量。 为了解决这一问题，针对r i o c 算法的不足，本文在其基础上对算法进行了 改进，改变丢弃概率计算方法，采用平均队列长度的二次函数来替代原算法的计 算方法，使数据包丢弃概率的大小随着平均队列长度的增加呈二次曲线方式增加， 从而降低了网络拥塞初期对数据分组的丢弃概率，增加了网络拥塞后期对数据分 组的的丢弃概率，并通过仿真实验证明了改进算法可实现区分服务，能提高对网 络带宽的利用效率。 关键词：网络拥塞；区分服务；d i f f s e r v ；q o s ；r i o - c 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ha n ds i m u l a t e di m p l e m e n t a t i o no fm o d i f i e dr i o c a l g o r i t h m b a s e do nd i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sn e t w o r k s a bs t r a c t m u l t i m e d i ai n f o r m a t i o ni st r a n s p o r t e db e s i d e st h ed a t a0 1 1t h ei n t e m e tw i t ht h e d e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i at e c h n i c a l ，w h e r e a si th a sd i f f e r e n td e m a n df o rq u a l i t yo f s e r v i c ec o m p a r e d 、斩mt h ed a t a d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r eh a sr e c e n t l y b e c o m ean i c es e r v i c em o d e lf o ra d d r e s s i n gq o si s s u e si ni pn e t w o r k s b e s i d e sb e s t e f f o r ts e r v i c ec a nd i f f e r e n t i a t et h ep r i o r i t yo fs e r v i c e s t h i sa r t i c l ef o c u so nt h eq o sb a s e do nd i f f s e r va n dq u e u em a n a g e m e n t a l g o r i t h mt oa c h i e v ei m p r o v e m e n t si nt h ea r e ao fa l g o r i t h mr e s e a r c h p a p e r sa n a l y s e t h en e t w o r kc o n g e s t i o ni s s u ee x h a u s t i v e l ya n ds t u d yt h ec a u s e so fc o n g e s t i o na n di t s r e s e a r c h a c t u a l i t y , f o c u s i n g o np e r f o r m a n c e a n a l y s i s o fs e v e r a la c t i v e q u e u e m a n a g e m e n ta l g o r i t h m ，s u c ha sd r o p t a i la l g o r i t h mw a st o os i m p l e ，i t c a n ta v o i d c o n g e s t i o na n dp r o v i d ep r i o r i t y ；r e da l g o r i t h ma d o p tt h ea v e r a g eq u e u el e n g t hr a t h e r t h a nt h ea c t u a lq u e u el e n g t h 缌t h ec o n g e s t i o nl e v e lo fi n s t r u c t i o n ，i tc a na v o i d c o n g e s t i o n ，a tt h es a m et i m ea v o i dt h e ”g l o b a ls y n c h r o n i z a t i o n ”a n d ”d e a d l o c k ，b u ti t a l s oc a n tp r o v i d ep r i o r i t y ；r i o ca l g o r i t h ms o l v e st h ep r o b l e mo fp a c k e tp r i o r i t y , b u t t h ea l g o r i t h mi nt h el i g h tn e t w o r kl o a d ，w h i c hl e dt ot h ep o s s i b i l i t yo fn e t w o r k c o n g e s t i o ni ss m a l l ，d i s c a r de x c e s s i v ep a c k e tw h e nt h ea r r i v a lo fp a c k e t , e s p e c i a l l y 东北大学硕士学位论文 e n h a n c et h eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo fn e t w o r kb a n d w i d t h k e yw o r d ：n e t w o r kc o n g e s t i o n ；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 ；q o s ；r i o - c i v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要 a b s t r a c t 第1 章绪论1 1 1 网络拥塞现状1 1 2 网络服务质量2 1 2 1q o s 概念描述2 1 2 2q o s 实现技术3 1 2 3q o s 性能指标4 1 3 本文的主要研究内容及论文安排5 第2 章区分服务队列管理机制7 2 1 区分服务的体系结构7 2 1 1d i f f s e r v 中的几个重要概念8 2 1 2d i f f s e r v 中典型的服务与技术1 l 2 2 队列管理的意义1 5 2 2 1 队列管理对q o s 的意义1 5 2 2 2 队列管理对拥塞控制的意义1 5 2 2 3 几种队列管理算法比较1 7 2 3r e d 和r i o c 算法1 9 2 3 1r e d 算法的实现1 9 2 3 2r e d 算法性能分析2 1 2 3 3r i o c 算法的实现2 2 2 3 4r i o c 算法性能分析2 3 2 4 本章小结2 5 一v 一 东北大学硕士学位论文 目录 第3 章改进的d i f f s e r v 队列管理算法2 7 3 1 改进r i o c 算法的设计目标2 7 3 2 改进r i o c 算法设计2 8 3 3 改进r i o c 算法描述3l 3 4 改进r i o c 算法的性能分析3 2 3 5 本章小结3 5 第4 章改进砒o c 算法仿真实验3 7 4 1 实验环境介绍3 7 4 2 确定本章实验的有关参数及仿真拓扑结构3 7 4 3 验证改进r i o c 算法实现区分服务3 8 4 4 验证改进r i o c 算法实现带宽的有效利用3 9 4 5 本章小结4 7 第5 章结论与展望4 9 参考文献5 1 致谢5 5 一v i 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 由于网络应用种类的不断增多，特别是多媒体业务的开发和运用，使得曾经一 度解决的网络拥塞问题再次以新的形式出现，拥塞控制问题在新的网络运营环境 下继续成为研究的热点。为了解决拥塞问题，人们研究出许多拥塞控制的算法。 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。在源算法方面，目前使用最广泛的是t c p 协议中的拥塞控制算法；在链路算 法方面，目前的研究主要集中在“主动队列管理”算法方面，算法的一个代表是 r e d 算法及其改进算法。本章就选题的意义及目的、拥塞控制的研究现状及存在 问题、论文的研究内容等进行相关说明。 1 1 网络拥塞现状 随着网络中语音和视频应用的普及，网络同人们的生活和工作已经密切相关。 同时伴随i n t e r n e t 用户数膨胀、传输数据激增出现的问题也越来越严重，除了我们 众所周知的i p 地址匮乏外，另外一个严重问题就是缺乏服务质量( q u a l i t y o f s e r v i c e ， q o s ) 保障。网络服务质量( q o s ) 是近年来网络通信中研究的一个热点问题，主动队 列管理算法中的r e d 算法及其改进算法有其独特有效的处理拥塞的方法。本文通 过对r e d 算法及其改进算法的分析，结合区分服务体制，提出了对于更加有效利 用带宽和分等级服务质量方面的改进，改进后的算法能更好的适应当今网络的现 状。 现有的i n t e r n e t 所提供的是“尽力而为( b e s te f f o r t ，b e ) j t 务，在这种服务模型 下，所有业务流“一视同仁”地竞争网络资源，路由器对所有的口包都采用先来先 服务( f i r s tc o m ef i r s ts e r v i c e f c f s ) 的调度策略，会尽力将i p 包送达目的地，对传 递的可靠性、延迟等不能提供任何保证，这比较适合e m a i l 、f t p 、w w w 等业务。 但是随着i n t e r n e t 的发展，实时多媒体应用将扮演越来越重要的角色，i p 电话已作 为一种新的业务进入互联网，多媒体教学、远程教学也需要通过互联网得以实现， 它们对带宽、时延和时延抖动都具有特殊要求。由于这些应用的推动，在“尽力 而为”的i p 网络中如何合理分配网络资源，提供q o s 保证成了网络研究的重剧。 对于网络中的拥塞同益严重的问题，我们来分析一下产生拥塞的具体原因。由 于当今的互联网络中的绝大部分是面向无连接的，当大量的分组进入网络中的路 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 由器时，在路由器的转发能力范围内，它将尽其所能根据其路由协议和路由表将 分组转发到下一条路由。当超过路由器本身的转发能力时，多余的分组只能通过 路由器的缓冲区做缓冲处理，等到路由器空闲时，将缓冲区中的分组再转发出去， 这都是正常的情况。可是，当路由器的缓冲区已经用尽仍有新的分组到来时，路 由器无法处理而只能将到来的数据报丢弃，而被丢弃的分组会在源端重传而导致 情况进一步恶化。最坏的情况是，路由器乃至整个网络完全瘫痪，几乎没有分组 能顺利到达目的地，这就是网络拥塞。 为在i n t e m e t 上提供q o s 保证，有效地解决网络拥塞现象，m t f 提出了端到 端的综合服务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ，i n t s e r v ) 体系结构和边缘到边缘的区分服务 ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ，d i 船e r v ) 体系结构。区分服务体系结构具有良好的扩展性 和鲁棒性，并且实现简单，已成为实现q o s 的首选方式和研究的热点。 1 2 网络服务质量 q o s 是网络的一种安全机制，是用来解决网络延迟和拥塞等问题的一种技术。 在正常情况下，如果网络只用于特定的无时间限制的应用系统，并不需要q o s ， 比如w e b 应用，或e m a i l 设置等，但是对关键应用和多媒体应用就十分必要。 当网络过载或拥塞时，q o s 能确保重要业务量不受延迟或丢弃，同时保证网络的 高效运行。 1 2 1q o s 概念描述 关于q o s 有多种定义形式，不同的定义有不同的侧重面。 在文献 2 】中描述为：q o s 被定义为网络进行数据流传输的时候满足一系列的 服务要求及其实现机制。总体来说，q o s 就是在网络带宽一定的前提下，通过一 定的策略和机制保证不同业务各自的服务要求。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 e 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问题等；网络服务提供者的行为则指i n t e m e t 针对某 一类服务所能提供和达到的性能与质量。 在文献【3 】中描述为：将服务质量定义为用带宽、延迟、延迟抖动、丢失率、 吞吐量等参数描述的关于分组的传输质量。此处的服务具体是指数据流经过若干 网络节点所接受的传输服务，强调端到端的或网络边界到边界的整体性。q o s 反 一2 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 映了网络元素( 例如：应用程序、主机或路由器) 在保证信息传输和满足服务要求 方面的能力。 1 2 2q o s 实现技术 不同的服务质量就是指业务流获得的一个或多个上述不同的网络参数。为业 务流提供o o s 保证，也就是保证业务流的这几个网络参数在所期望的范围之内。 到目前为止，q o s 的实现技术主要包括以下几个方面【4 】： ( 1 ) 综合服务模型( i n t e g r a t e ds e r v i c e s , i n t s e r v ) 与资源预留协议( r e s o u r c e r e s e r v a t i o np r o t o c o l ，r s v p ) ( 2 ) 区分服务模型( 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 ) ( 3 ) 多协议标记交换( m u l t i p r o t o e o ll a b e ls w i t c h i n g ，m p l s ) ( 4 ) 多约束路由( c o n s t r a i n t - b a s e dr o u t i n g , c b r ) 和子网带宽管( s u b n e t b a n d w i d t hm a n a g e ，s b m ) ( 5 ) 流量工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) i n t s e r v r s v p 是在数据传送前先进行网络资源的协商。d i f f s e r v 对数据进行分 类和整形，使不同类别的数据在网络中得到不同的服务。m p l s 是一种新的路由 转发机制，可以与多种q o s 模型结合起来。c b r 根据o o s 参数的要求和策略进 行路由的选择。s b m 提供数据链路层的资源预留。流量工程可以避免网络中的拥 塞问题。 上述q o s 实现技术大致可以分为两种基本类型： 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( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，i e t f ) 提出的综合服务 ( i n t s e r v ) 5 】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 n p r o t o c o l ，r s ，) 【6 】是其核心部分。i n t s e r v 通过r s v p 能够提供很好的确定服务质 量保证，但是它需要在整个路径上进行资源的预留，这种资源预留是基于软状态 机制对每个业务流实施的，软状态需要周期性地进行更新，当业务流数目很多时， 扩展性受到很大的影响，这是i n t s e r v 最大的缺陷。 基于优先级：网络边界节点对业务流进行分类、整形、标记。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 提出的区分 服务( d i a s e r v ) 【7 - 8 1 便是基于这种策略。d i f f s e r v 是为解决i n t s e r v 不足和缺陷提出 的，它在业务的q o s 保证和算法的复杂性方面做了一定的折中。在d i f f s e r v 里， 一3 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 引入了d i f f s e r v 域的概念，把支持相同规则d i f f s e r v 功能的路由器集合称为一个 d i f f s e r v 域，d i t i s e r v 域由边界路由器和中间路由器组成。边界路由器主要完成业 务量调节的功能，包括业务的测量、标记和丢弃处理，经过边界路由器后，口分 组被打上相应的标记( d i f f s e r vc o d ep o i n t , d s c p ) ，然后进入d i f f s e r v 域内。中间 路由器每收到一个p 分组，就查看其d s c p 值，然后进行相应的调度处理，这种 调度处理与d s c p 值是一一对应的，在d i f f s e r v 体系结构里，称为逐跳行为 ( p e r - h o p b e h a v i o r , p h b ) t g 。本文主要研究这种基于优先级( 即区分服务) 的q o s 保 证策略。 1 2 3q o s 性能指标 q o s 控制的目标是为i n t c r n e t 提供服务区分和性能保证：服务区分是指根据不 同应用的需求为其提供不同的服务；性能保证则要解决诸如带宽、丢失、延迟、 延迟抖动等性能指标的保证问题。 不同业务的业务性能可以从两个方面来衡量：一方面是体现业务本身流量特 性的参数，称为源流量参数，如峰值速率，最小速率，最大突发度等：另一方面 是对传输网络提出的参数要求，如业务所能允许的时延和时延抖动。 服务质量q o s 是用来衡量网络传输各种业务时的性能，用来定性和定量描述 应用对服务质量的要求，由于不同的应用对网络的性能要求不同，所以各种具体 应用对网络的期望值也不同，我们用q o s 来衡量这类期望值。大多数模型都把时 延、时延抖动、吞吐量和丢包率作为衡量q o s 性能的主要指标【1 0 圯】。 ( 1 ) 时延 时延是指数据包从发送端到接收端的时间。时延越大，传输协议进行有效操 作的压力越大。它包括固定时延和可变时延。固定时延主要包括传输时延和转发 时延。传输时延是不可避免的，由传输线路及传输距离决定。转发时延是指从数 据分组发送开始到发送结束的时间，它取决于数据分组的长度和分配的链路带宽。 可变时延包括处理时延和排队时延。其中处理时延取决于网络节点的处理能力。 排队时延则与网络负载、流的突发性和队列调度算法相关。 ( 2 ) 时延抖动 时延抖动是指端到端传输时延的变化，即相邻两个分组到达接收端的时间间 隔相对于发送端发送这两个分组的时间间隔之间的差值。 一4 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 ( 3 ) 吞吐量 吞吐量是对网络容量的度量，表示单位时间内有多少数据进入网络( 发送分组 的速率) ，可用平均速率或峰值速率表示，网络吞吐量就是它的有效带宽。 ( 4 ) 丢包率 丢包率是指在从源端到目的端的传输过程中，由于出错或者网络拥塞丢失的 分组数与源端发送的分组数之比。造成分组丢失的原因包括误码、路由器队列缓 冲区溢出等。后者是引起分组丢失丢包的主要原因。在q o s 解决方案设计时应充 分考虑到不同业务对丢包率的要求。 不同的服务质量就是指业务流获得不同的一个或多个上述的网络参数。为业 务流提供q o s 保证，也就是保证业务流的这几个网络参数在所期望的范围之内。 1 3 本文的主要研究内容及论文安排 本文主要围绕d i f f s c r v 体系结构下q o s 的实现方案及队列管理算法改进进行 研究，论文安排如下： 第一章在分析当前i n t e m e t 状况的基础上，阐述了网络的服务质量，包括q o s 的概念、实现机制和性能指标，并指出了本文的主要研究内容及论文安排。 第二章主要研究区分服务体系结构及其队列管理机制。首先对d i f f s c r v 做了 简单的概述，在了解d i f f s c r v 几个重要概念的基础上，详细介绍了d i f f s e r v 体系 结构中的各功能模块。详细介绍了路由器中的主动队列管理机制一r e d 算法的实 现方法及性能。研究了在区分服务中改进的r e d 算法一r i o c 算法，并分析其性 能。 第三章提出了一种改进的区分服务队列管理算法，详细叙述了该算法的设计 目标、设计思想，并通过数学推导分析该算法的性能。改进r i o 。c 算法在保留 r i o c 算法优势的前提下，提出了对于更加有效利用带宽和分等级服务质量方面 的改进，来满足d i f f s c r v 对分组丢弃行为和分组相对优先级的要求。 第四章利用n s 2 ( n e t w o r ks i m u l a t i o nv e r s i o n 2 ) 网络实验平台对改进r i o c 算 法进行仿真分析，通过仿真实验分析与比较，验证改进r i o c 算法能实现区分服 务，并在r i o c 算法的基础上，改进了带宽利用的效率。 第五章总结了本文的主要工作并对未来的q o s 研究进行了展望。 一5 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 一6 一 东北大学硕士学位论文笫2 章区分服务队列管理机制 第2 章区分服务队列管理机制 本章介绍区分服务体系结构和几种常见的队列管理机制。队列管理机制在分 组到达队列前端时依据一定的策略和信息决定是否允许该分组进入缓冲队列，从 另一个角度看，也就是做出是否丢弃该分组的的决定，因此也称为丢弃控制。区 分服务体系结构( d i 儡【1 3 - 1 5 】是当前实现q o s 的体系结构之一，在其实现中队列 管理技术是一个很重要的方面。本章在分析i n t a n c t 中比较主要的队列管理算法 r e d 算法的基础上，详细分析了d i f i s e r v 中的队列管理算法r i o c 算法。 2 1 区分服务的体系结构 区分服务体系结构( d i f f s e r v ) 定义了一种可以在互联网上实施可扩展的服务分 类的体系结构。一种“服务刀是由在一个网络内，在同一个传输方向上，通过一 条或几条路径传输数据包时的某些重要特征所定义的。这些特征可能包括吞吐率、 时延、时延抖动，丢包率的量化值或统计值等，也可能是指其获取网络资源的相 对优先权。服务分类要求能适应不同应用程序和用户的需求，并且允许对互联网 服务的分类收费。 多个l i f t ；e r 、匠嚷d m i l 疆i f f s e r v 叵( r t c i o 曲 强c 叠由嚣艘嚣赣 梧包种d 芷烈 亍相 应朴待轰弛嚏 垃， 箍由嚣j 懂据i 霹之 州謦t i n 搿揖耀包_ i 苎抒 整形1 l 虫其阮芘 e 警粼藿l 一 数据包堪符升为皇li 崭蛘记| ；l 及爱库l 谚嬲” 图2 1 区分服务体系结构示意图 f i g 2 1s k e t c hs t m c t u r em a po fd i f f s e r vs y s t e m d i f 踟v 是由i n t s e r v 发展而来的，它的核心思想是“边缘分类，内部转发 。 d i f f s e r v 的主要特点是域的内部节点是无状态的，它只对分组进行简单的调度转 一7 一 r 一 东北大学硕士学位论文 第2 章区分服务队列管理机制 发，采用聚集传输控制模式，服务的对象是聚集流而不是单流，单流状态信息的 保存与流监控机制的实现均在域的边界节点进行。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，为整个聚集流提供服务，而不再面向单个业务流。也就是说在d i f f s c r v 网络边界路由器上保持每流状态，核心路由器只负责分组的转发而不保持状态信 息。这种核心无状态( c o r e s t a t e l e s s ) 结构有很强的扩展性。 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 体系结构也已经比 较明确。在此基础上，与服务提供有关的问题，如d s c p 的定义、p h b 服务的定 义等已逐步完善，并融合了优先级的思想。区分服务体系结构如图2 1 所示。 下面先介绍d i f f s e r v 中的几个重要概念【1 6 1 。 2 1 1d i f f s e l v 中的几个重要概念 1 d i f f s c r v 的功能模型 d i f f s c r v 的功能模型如图2 2 所示。 边缘路由器核心路由器 i ；一，一i ，一一 li 、 | 业务量调整单元分类单元 图2 2d i f f s e r v 的功能模块 f i g 2 2d i f f s e r vf u n c t i o nm o d u l e 一个口分组到达d i f f s e r v 网络的边缘，边缘路由器对来自用户或其他网络的 非d i f f s e r v 业务流进行分类，并为每一类m 分组填入新的d s c p 值，同时对业务 建立并应用s l a 和p h b ( 与d s c p 相对应) ，而对来自用户或其他网络的d i f f s e r v 业务流，则依据分组的d s c p 值，为相应的业务选择特定的p h b 。根据p h b 的 种类，将属于不同类别的业务导入不同的队列进行处理。 在转发过程中，边缘路由器将对收到的业务流进行测量，检验业务流是否遵 一8 一 东北大学硕士学位论文第2 章区分服务队列管理机制 守s l a ，边界节点通过业务量调整单元对其进行分类和调节，因而边界节点从功 能上可以分为两个模块：分类器( c l a s s i f i e r ) 和调节器( c o n d i t i o n e r ) 。 ( 1 ) 分类器按照s l a 中的特定规范，根据包头d s c p 值将包归到某一类别， 然后交由相应的调节模块进一步处理。 ( 2 ) 调节器在逻辑上又可以分为计量器( m e t e r ) 、标记器( m a r k i n g ) 、整形器 ( s h a r p i n g ) 和丢包器( d r o p p e r ) 。 计量器根据t c a 中所规范的业务流要求测量被分类器所选定的业务流的某些 实时属性( 如速率等) ，并将所测量到的分组的统计信息传给标记器、整形器和丢 包器。 标记器在包头的d s 标记域【1 刀中标记适当的d s c p 值，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的交给它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记为同一p h b 组内不同p h b 所 对应的d s c p 值( 如确保服务) 。 整形器和丢包器通过延迟、丢弃等手段强制流符合t c a 规范。 边缘路由器对上述处理之后的业务流进行d s c p 的检查，并依据i p 流中的 d s c p 值对分组进行转发。 核心路由器只关心分组的d s 字段，依据d s c p 为业务流选择特定的p h b ， 根据p h b 的种类，将属于不同类别的业务导入不同的队列进行处理，并对分组实 施相应的丢弃策略。 2 区分服务标记d s c p 由边缘路由器写入i p 分组头部区分服务标记域( d sf i e l d ) 的d s c p 值是连接边 界的传输分类和调节机制与内部p h b 之间的桥梁。d sf i e l d 定义为口v 4 头部的 t o s ( t y p eo fs e r v i c e ) 字段或口v 6 头部的流类型( t r a f f i cc l a s s ) 字段的前六位，如图 2 3 所示。其中c u ( 2 b i t ) 在本体系中没有使用，匝t f 已将它定义为显式拥塞指示 ( e x p l i c i tc o n g e s t i o nn o t i f i c a t i o n ，e c n ) 【1 9 】使用。 d s 区域由些相连的d s 节点构成，这些节点遵循统一的d s 服务策略和相 同的p h b 。d s 区域有明确定义的边界，在边界节点上，需要对进入d s 区域的业 务流进行分类和调节，以保证在该d s 区域内传输的报文能被适当的标记以选择 在该区域内支持的p h b 。d s c p 是d s 标记域的具体值，用来表示数据包所属的 流聚集，供数据包经过d s 节点时选择特定的p h b 来处理，不同的p h b 决定了 分组的转发性能。d s 节点上d s c p 到p h b 的映射在具体实现中必须是可配置的， 一9 一 东北大学硕士学位论文第2 章区分服务队列管理机制 定义p h b 时，需要指出对应的d s c p 的推荐值。从本质上来说，d i f f s e r v 模型是 一种基于相对优先级的服务模型，不同要求的分组用不同的优先级处理，相同优 先级的分组汇集到同一类中，在适当的控制下，高优先级的分组将比低优先级的 分组得到更好的服务性能。 0 67 d sf i e l d ( d s c p )c u i p v 4t o s 字节或i p v 6 流类型字节 d s c p ：区分服务标记 c u ：保留给e c n 图2 3 口包头的区分服务标记域 f i g 2 3d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sc o d e p o i n tp r i o r i t yo fi pd a t a g r a m 3 d i f f s e r v 中的逐跳行为p h b 逐跳转发行为p h b 是一个d s 节点调度转发特定流聚集行为的外特性描述， h p 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) 描述，当某个 h p b 可能与其它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) 时与其它p h b 的相对优先级。本质上，p h b 就是单个d s 节点根据收到的分 组包头的d s c p 为特定流聚集分配资源的方式。区分服务体系的整体资源分配策 略也就通过这一个个单点资源分配实现的。 应该注意的是，p h b 仅是外特征描述，而不涉及具体的实现机制。这类似于 对象封装后的外部接口描述。p h b 的实现可以用于队列调度与缓冲管理等各种算 法，如优先级队列、分类队列等。多个p h b 定义为一个p h b 组，其中每个p h b 使用同样的缓冲区管理和分组调度机制。厂商通过对标准p h b 的组合，可以实现 自己所专用的业务。 行为聚集( b e h a v i o ra g g r e g a t o r , b a ) 是指带有相同d s c p 值的一组分组。而逐 跳行为p h b 是一个d s 节点调度转发特定流聚集行为的外特性描述，定义了分组 在网络中转发时接受的外部可见的服务。在每个转发路由器中，行为聚集分组的 d s c p 被映射为p h b 2 0 1 ，而p h b 又作用于该分组。p h b 可以用调度转发行为聚 集体分组时的一些流特性参数( 如延迟、丢失率等) 描述。当某个p h b 可能与其它 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) 时与其它p h b 的相对优先级。p h b 的实现可以用队列调度与队列管理等各种算法，如优先级队 一1 0 一 东北大学硕士学位论文第2 章区分服务队列管理机制 列、分类队列等。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 ) 、加速转发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 df o r w a r d i n g ) 。 2 1 2d i f f s e r v 中典型的服务与技术 在d i f f s e r v 模型中，不同p h b 对应着不同的服务。除了传统的尽力而为的服 务外还有以下几种典型的服务。奖赏服务与确保服务是区分服务两种典型的服务 类型，文献【2 1 】将二者统一在一个框架中。正是对这两种服务类型的深入讨论导 致了a f 与e f 两种逐跳行为( p h b ) 的产生。 1 尽力而为服务 类似于目前i n t e r a c t 上尽力而为的服务。即使d i t i s e r v 获得了广泛的应用，尽 力而为( b e s te f f o r t , b e ) 型业务仍将是i n t e r a c t 的主要业务，所以d i f f s e r v 模型也必 须能够支持这种传统业务。 文献 2 2 1 q b 规定，在区分服务中，尽力而为p h b 是缺省的p h b 。这种分组只 有在其它的分组都处理完之后才被处理，具有最低的优先级。b ep h b 对应传统 路由器中支持的尽力而为服务，同时对无法完成映射的d s c p ，其分组也由来处 理。b ep h b 是级别最低的p h b ，因此只有在保证其他p h b 性能的情况下，才能 分配带宽给b ep h b 。但是应该避免b ep h b 发生“饥饿 现象，因此，合理的 策略应该保证b ep h b 占用一定的资源。 在i e t f 的相关定义中，只定义了p h b 的特性，而不涉及具体的实现，因此， 对同一p h b ，可能会存在多种实现机制。p h b 实现的核心是队列调度和队列( 缓 冲) 管理机制，队列调度不仅要解决组内的分组调度，同时还要解决组与组之间的 分组调度问题，因此需要一种综合的分组调度机制。 通过不同的分类、策略、整形、调度机制，可以提供多种服务。 2 奖赏服务 奖赏服务( p r e m i u ms e r v i c e ，p s ) 是d i f f s e r v 模型中对性能要求最高的服务， 为用户提供低延迟、低抖动、低丢包率和保证带宽的端到端或者网络边界到边界 的传输服务。这种“三低一保证 的服务类似于传统运营商网络的专线业务，因 此也称为“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。用户在使用p s 前，必须事先与 网络协商，网络按协商的速率保证用户数据的传输。在此之后，如果用户在协定 东北大学硕士学位论文第2 章区分服务i r a 歹4 管理机制 的规范内请求此类服务，网络必须保证其性能，而不管当前的网络负载情况如何。 当用户发送的数据到第一跳路由器时，此路由器对数据进行分类和整形，分类的 目的是确认要求奖赏服务的分组并进行标注，而整形的目的是数据在进入网络前 对数据进行平滑。这里的分类基于全部或部分的口分组的包头信息，包括源p 地址、目的口地址等。在分组经过的路由器中，必须至少维护两个队列，一个缓 存奖赏服务的分组，另一个缓存其它服务的分组。奖赏服务是d i f t s e r v 中优先级 最高的服务，可以通过e fp h b 实现。 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“三低一 保证 实际意味着传输流在传送途中几乎不排队。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( 即请求速率超过处理速率) 。因 此，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，或更进一步，总体上的最大入速率要小于最小出速率。因此，提供这种 服务要确保两点： ( 1 ) 在传送节点上保证p s 流有“良好定义 的最小出速率。“良好定义”意 味着最小出速率不依赖于节点状态的动态变化，具体而言，不依赖于此节点上其 它流的强度。