（通信与信息系统专业论文）应用rsvp协议提高网络服务质量.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 t_ 本课题( 的任务是“应用r s v p 协议提高网络服务质量”目的是提供 r s v p 协议在网络中的一整套实现方案：从数据的发送端和接收端到各 中间路由器。 该r s v p 系统包括两个部分：用户端和中间路由器。在数据的发送 端和接收端提供用户接口，用户可根据应用程序的不同需求向网络请 求不同的服务。用户提供的参数经处理后形成控制报文发往下一跳； 中问路由器处理接收到的各种r s v p 控制报文，向预约的数据流提供不 同级别的q o s 服务。 整个r s v p 系统实现了在网络环境中对特定数据报文的资源预约。 在搭建的测试环境中通过模拟各种网络流量情况对该系统进行测试。 蛱验数据表明使用r s v p 协议进行资源预约的数据流和没有进行预约直 接传输的数据流相比较，经过资源预约后传输的数据流在吞吐量、延 时、抖动和丢失率等方面都比没有预约的数据流有不同幅度的提高， 证明了r s v p 协议对提高网络服务质量的确实作用。k 该课题的创新之处在于在路由器上将r s v p 处理模块和操作系统的 流量控制部分通过r s v p 流量控制模块连接起来，利用操作系统的流量 控制部分完成对圈终童滔的塑毖，提高预约数据流在网络中传输的服 务质量。一 关键词 ，勺诲服务质量、资源预留协议、流量控制 皇王型垫奎堂堡圭笙苎 一 a b s tr a c t t h ea s s i g n m e n to ft h i ss u b j e c ti su s i n gt h er s v pp r o t o c o lt oi m p r o v e t h eq u a l i t yo fs e r v i c eo ft h ei n t e r n e t ，w i t ht h ep u r p o s eo fp r o v i d i n gt h e w h o l ep r o j e c to fr s v ps y s t e m ：f r o mt h ed a t ap r o v i d e r sa n dr e c e i v e r st o t h er e u t e r s t h er s v ps y s t e mc o n s i s t so ft w op a r t s ：t h eu s e rh o s t sa n dt h er e u t e r s d a t as e n d e r sa n dr e c e i v e r sp r o v i d ei n t e r f a c e st ou s e r s ，t h r o u g hw h i c ht h e u s e r sc a na s kf o rd i f f e r e n tk i n d so fs e r v i c ea c c o r d i n gt od i f f e r e n tk i n d so f n e e d s r s v pc o n t r o lm e s s a g ei sa r o s ef r o mt h eh a n d l e dp a r a m e t e r sf r o m u s e r sa n dt h e ns e n tt ot h en e x th o pr e u t e r sr e c e i v e st h er s v pc o n t r o l m e s s a g ea n do f f e rv a r i o u sl e v e lo f s e r v i c et ot h ed a t at r a n s m i t t i n g t h er s v ps y s t e mi m p l e m e n t st h er e s o u r c er e s e r v a t i o no ft h er e a l n e t w o r ke n v i r o n m e n tf o rt h ep a r t i c u l a rd a t as t r e a m w e v em a d et w os e t s o fe x p e r i m e n t sw i t ht h et e s t b e da n df r o mw h i c hw ec a nd r a ws o m e c o n c l u s i o n s ：b o t ht c po ru d pa p p l i c a t i o n sb e n e f i tf r o mt h er s v p s r e s o u r c er e s e r v a t i o na n dt h e i rq o sp a r a m e t e r s ：t h r o u g h p u t ，j i t t e r ，d e l a y a n dl o s s ，h a v eag r e a td e a lo f i m p r o v e m e n t t h ec r e a t i v i t yo ft h i ss u b j e c ti st h a to nt h er o u t e rw eu s er s v pt r a f f i c c e n t r e lm o d u l et oc o n n e c tr s v pd a e m o na n dt r a f n cc o n t r o l p a r to ft h e o p e r a t i n gs y s t e m w e u s et h eo s st r a f f i cc o n t r o l p a r t t os c h e d u l e n e t w o r kr e s o u r c e sa n di m p r o v eq u a l i t yo fs e r v i c e k e y w o r d q u a l i t yo fs e r v i c e ，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 ，t r a f f i cc o n t r o l 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。具我所知，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，也不包含为获得电子科技大学或其它教 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。 签名；整望弘日期：泐2 年弓月占日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 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。本人授权电子科技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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解秘后应遵守此规定) 签名： 卸? 三谚 l 翩签名：掘 日期：7 0 0 2 _ 年弓月6 日 电了科技大学硕士论文 第一章引言 1 1 课愿的价值和意义 因特网自6 0 年代出现以来蓬勃发展，近年来更以惊人的速度增长 一一连网主机每年翻一番，万维网站点每半年翻一番。同时伴随多媒 体信息技术的飞速发展，因特网的应用范围也逐步由单一的数据传输 向数据、语音、图像等多媒体信息的综合传输演化。 随着传输媒体的综合化发展，对传输机制提出了不同的要求。通 用的i n t e r n e ti p v 4 协议的报文转发机制足尽力而为( b e s te f f o r t ) ， 也就是根据报文到达顺序，路由器按先到先发( f i f o ，f i r s ti n f i r s t o u t ) 的方式转发报文。这对于转发数据报文来说，由于它们对实时 性要求不高，可以在报文到达接受方后由高层协议( 例如t c p 协议) 进行重组后再递交给用户。然而，对于声音和图像信息来源来说，这 种先到先发的网络服务机制就会带来声音间隔和图像出现跳变和失真 等问题。因此，不同类型的多媒体信息在因特网上传输时对网络系统 有不同的性能要求。例如，电子邮件和f t p 等数据传输要求所传输的 数据具有1 0 0 的正确性和较大的吞吐量，对延迟和抖动都不十分敏 感，而t e l n e t 则是一种交互性的网上操作，它需要较高的实时性和可 靠性，同时也需要数据传输具有1 0 0 的正确性。音频和视频信息的 传输又不同于以上应用。音频信息，例如i p 电话，允许一定的数据 丢失，也允许一定的延迟( 用户可以忍受范围内) ，但不允许语音流 出现间隔和干扰。视频信息，例如m b o n e 上的组播电视会议，既要求 很小的延迟，也要求很大的吞吐量。反过来，它们可以在不同范围内 允许一定的数据丢失。 解决这种矛盾的一种方法足增加现有网络的带宽。然而，如果带 宽不能扩展成无限或不能按光速来转发信息的话，则势必存在着对带 宽的竞争。而且，多媒体用户数量和应用的增长将超过物理带宽的增 长，这是一个不容争辩的事实。也就是说，资源总是有限的，而需求是 无限的。 因此，要解决因特网为用户提供集成服务的问题，必须在原有的 基础上对因特网的机制和结构，从端到端的角度进行改变和增强。也 就是按用户对服务质量要求和网络提供的服务质量进行协商，对网络 集成服务以及服务质量( q o s ) 进行端到端的控制。 电子科技大学硕士论文 q o s 是指服务质量，也是指i p 数据流通过网络时的性能。它的目 的就是向用户提供端到端的服务质量保证。它有一套度量指标，包括 业务可用性、延迟、可变延迟、吞吐量和丢包率。i pq o s 在可预测、 可测量性方面比传统i p 有了很大的提高，基本解决了商业用户的基 本需求，因而势必可以吸引更多的商业用户，形成一个新的利润增长 点，带来可增值的业务种类。 r s v p 是为改进传统i n t e r n e t ，提供q o s 业务而提出的，它考虑到 传统in t e r n e t 的实际情况，结合其它q o s 实现机制的优点，提出了 自己的一套实现机制。在服务保证、资源分配的粒度和对保证q o s 应 用及用户反馈等细节方面它都能提供最高级的q o s 。 1 2 r s v p 协议和发晨动态 r s v p ( 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 0 1 ) 是l e t f 针对q o s 进行开发研究的产物。它最早提出于1 9 9 3 年，并在1 9 9 7 年 由i e t f ( i n t e r n e t 工程任务组) 推出了相关的标准化文档r f c2 2 0 5 ： 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 l ( r s v p ) 一v e r s j o nlf u n cl i o n a l s p e c i f i c a t i o n 。它通过为特定类型的实时媒体流预留相应的网络资 源，从而实现因特网综合业务的设想。同时，它的多播技术、为不同 用户提供不同的预约级别和预约方式等特点使之成为实现因特网中 q o s 的一个优先选择。 随着r s v p 研究的深入，c i s c o ，3 c o m ，h e w l e t t p a c k a r d i b mr e s e a r c h c e n t e r ，n o r t e l ，s u nm i c r o s y s t e m s ，s i l i c o ng r a p h i c s 等国外公司或机构 都在其相应的路由器或主机产品上提供了对r s v p 协议的支持。 m i c r o s o f t 也在w i n d o w s2 0 0 0 上提供w i n s o c k 2a p i 用来支持o o s 服 务。 但是，实验也表明了r s v p 存在着明显的局限性。这表现在r s v p 协议的扩展性较差，即在使用r s v p 时，新增的通信量和时空开销随 着预约数据流的数量增长而显著增加。且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，这大大提高对核心路由器的要 求。这就决定了r s v p 只适用于小型的局域网络，而不适用于因特网 这样的广域网。 一种解决r s v p 局限性的方法是在r s v p 的基础上采用流聚集的 方法减轻核心路由器的压力，即将多个具有某种相同特征的r s v p 请 电了科技大学硕士论文 求聚集成一个。在这种模式下，如何确定流聚集后所需的资源及如何 保证流与流之间的独立性又成为新的研究课题。 近来，人们认识到各种q o s 协议互相合作，向用户提供端到端的 q o s ，会达到很好的效果。而r s v p 协议由于向用户提供高精度的q o s 眼务，成为在整个端到端q o s 体系中局域网部分的首选。因此，对r s v p 系统进行研究仍然具有较高的价值和实际意义。 1 3 课题的内容和目标 本课题在d l i n k 成都研发中心开发完成，属于该公司开发的新型 路由器的一个功能模块r s v p 系统的实现。 该r s v p 系统要求的基本功能如下： 在用户端提供用户预约的端口 在用户端实现r s v p 报文的产生和处理 在中间路由器处理接收的报文 在中间路由器对网络瓷源进行调度和预留 硬件平台采用lr l t e l 推出的p e n t i u mi l l8 0 0 处理器，1 2 8 m 2 5 6 m 内存。操作系统采用l i n u x2 4 0 版本。 课题的目标是在网络中提供使用r s v p 协议进行资源预约的一整套 方案，使用户能根据传输数据的不同需要进行预约，并使数据流在网 络中传输时得到更好的服务。在完成整个r s v p 系统后，将在搭建的 网络环境中模拟各种网络状况对该系统的功能和效果进行测试。 电子科技大学硕士论文 第二章网络服务质( 0 0 8 ) i n t e r n e t 在过去几年所取得的巨大成就和未来所蕴涵的巨大发展潜 力几乎没有人怀疑。当人们在思考未来i n t e r n e t 的发展时，如何在i p 网络上保证用户信息传输的质量就成为一个不容忽视的重要问题。为 解决这一问题，q o s ( i 艮务质量) 应运而生。 i p 业务多样化和快速增长已成为一个不争的事实。因此，q o s 已 成为网络基础研究的一个重点，也是未来i p 网络发展的关键技术， 因为q o s 是i p 网络增加服务内容、提高服务质量的关键技术，也是 未来网络运营商竞争的一个焦点。 2 1 网络服务质量简介 q o s 足指信息发送和接收用户之间、以及用户与传输信息的集成 服务网络之间关于信息传输的质量约定。服务质量包括用户要求( u s e r r e q u i r e m e n t ) 和网络集成服务提供者的行为( a c t i v i t y ) 两个方面。用 户要求指用户在因特网上进行多媒体通信时所要求的服务类型和相应 的传输性能和质量等。集成服务提供者的行为指i n t e r n e t 网络针对某 一类型服务所能达到的性能和质量。 q o s 与用户以及网络系统的关系如图2 1 所示。 图2 1 ：q o s 用户和网络关系示意图 由图2 1 可以看出，q o s 不足网络中单个个体或元素的行为描述， 它是涉及用户与用户，用户与网络以及网络内部节点的整体行为。用 户1 和用户2 之间要相互通信时，事先必须相互协调通信时的服务类 型以及相应的性能参数。否则，如果用户2 接收用户1 的实时图像信 u 子科技火学硕上论文 息，用户l 每秒按3 0 帧提供传输服务，信息可能会由于用户2 的接 收能力不够而丢失，从而无法进行令人满意的实时通信。相反，如果 事先经过协商、用户l 放慢播放速度，使其满足用户2 的接收能力， 则用户2 会获得较好的服务质量，且网络的负载也会相应减轻。 除了用户和用户之间的协商之外，用户和网络、网络中的各个元 素之间也存在着q o s 协商和管理问题。当用户的q o s 要求太高，网 络无法提供相应的集成服务时，将要求用户降低要求，甚至为了保证 其他用户的服务质量而拒绝用户的q o s 要求。我们把用户和网络系统 之间的q o s 协商称为准入控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 。网络管理通过准 入控制调配网络资源的合理分配与使用。 2 2 o o s 的协议体系 用户的需求推动了基于i p 网络的q o s 协议的发展。典型的协议体 系包括：i n t s e r v r s v p ，d i f f s e r v ，m p l s 等。这些协议的目的都是通 过更加有效地管理有限带宽来提高网络传输中的服务质量。 2 2 1 i n t s e r v r s v p 体系h 】 i n t s e r v ( 综合业务，i n t e g r a t e ds e r v i c e ) 体系处理的是单个数据流 ( f l o w ) 。一个典型的数据流的定义是一组具有相同目的i p 地址，相 同端口号和传输协议的数据包。i n t s e r v 体系的三个主要组成部分为： 资源预约协议( r s v p ) ：在数据包的转发路径上预约相应资源， 进行资源管理 准入控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) ：检查可用资源是否满足数据流的资 源要求，以决定是否提高q o s 服务 数据包转发机制：路由器中对数据包进行分类，排队，丢弃等机制 在i n t s e r v 体系下i p 网的工作过程如下：发送端向接收端发送一 个路径报文( p a t h ) ，其中包含数据流的传输属性和路由信息。中间 路由器对该路径报文进行传统的路由转发，并将自身的地址写入路径 报文以便于消息的回溯。当接收端接收到该路径报文，就发送一个预 约报文( r e s v ) ，要求沿途的各中间节点进行资源预约。各中间路由 器如果拒绝资源预约请求，则向接收端返回一个错误信息，该次r s v p 会晤终结。如果接收资源预约请求，则必须在路由器上留下有关预约 的带宽或缓冲等网络资源信息的“软状态”。软状态不需要明确的删 电子科技大学硕士论文 除请求，只需要定期刷新。在无刷新信息的情况下，软状态会因为超 时而被删除。 i n t s e r v 体系提供了对每个流优先级的细化预约，但是却存在一定 的问题： 网络扩展性差：综合业务模型下的预留状态信息是与数据流的个数 成正比，这使得路由器的负担会随着网络的扩大，数据流的增加而 加重。 对路由器的要求高：综合业务模型中的每个路由器( 包括边缘路由 器和核心路由器) 都要支持r s v p 控制协议，虽然r s v p 可透明通 过不支持r s v p 协议的中间路由器，但是数据的传输质量就得不到 保证了。 2 2 2d i f f s r v 体系【5 】 d i f f s e r v ( 区分服务，d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ) 的提出源于i n t s e r v 体系暴露的种种缺陷。i e t f 工作组为此制定了相对扩展性较好的方 案来保证数据传输的q o s 服务，并在1 9 9 8 年公布了定义区分服务的正 式文档r f c2 4 7 5 ”o 。 区分服务使用i p v 4 报头中的业务类型( t o s ) 字段，并将8 位t o s 字段重新命名，作为d s 字段，它是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。结构如图2 2 所示。 d i f f e r e n c i a t e ds e r v i c e s c o d e p o i n t d s c p ) 图2 - 2 ：d s 字段 其中，d s 标记域( d s c p ，d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c ec o d e p o i n t ) 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 s ur 科技大学硕：论文 o c t e t ) 的前六位。通过该字段的标记，下行节点可以获取足够的服务 质量信息，以对到达该端口的数据包做出相应的“处理”，将它们正 确地转发给下一跳的路由器。这里需要注意，t o s 字段和d s 字段的 定义是不同的。边缘路由器可以将t o s 字段映射到d s 字段。 区分服务体系是通过由用户和网络服务提供者在用户数据进入网 络的边缘( 可以足端主机系统或第一跳路由器) 上达成的一个服务性 合约，即服务级别约定( s l a ，s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ) ，来决定用户 应用应满足的流量特征和网络所应提供的相应服务。如图2 3 所示， 数据流在进入网络时，在d s 域的入口路由器( i n g r e s sr o u t e r ) 首先 经过一个分类器，它和流量计量器相结合决定下一步对分组采取的行 动。流量计量器测量分组是否符合服务供应商和客户之间约定的流量 特征描述。接下来，流量标记器将分组的d s 字段标记为d s c p 。在 进入核心网络之前，还需对流量进行适当的调节( 整形或丢弃) 。 m a i n t a i n s d s c p m a p p i n g sa n d a s s o c i a t i o n s w i t hi o c a l p o l i c i e s a c c u m u f a t e s s t a t i s t i c s 图2 - 3 ：区分服务的网络结构 d s 域内部结点可以是核心路由器或交换机，它按照某种方式将分 组的d s c p 映射为某个逐跳行为( p h b ，p e r h o pb e h a v i o r ) ，并为之 选择适当的转发行为。 d i f f s e r v 对数据流优先级的简化会降低其灵活性和能力。改进的 方法是和r s v p 方法相结合。如果d i f f s e r v 使用r s v p 参数或根据专 门应用类型对恒定比特率( c b r ) 数据流进行鉴别和分类，就可能建 立完全定义的综合流，它能够被引导成为固定带宽的管道。这样做可 以更有效地享用资源并且仍然能够提供有保证的服务。 2 2 3 b p l s 协议i s m p l s ( 多协议标签交换) 是时下最热门的技术之一，是i e t f 于 19 9 9 年提出的。它将灵活的第三层i p 选路和高速的第二层交换结合 电r 科技大学硕士论文 起来，弥补了传统i p 网络的许多缺点。多协议标记交换( m p l s ) 在某 些方面类似于d i f f s e r v ，它也是在网络的进入边界对分组加标记，在 输出点除去标记。但是不像d i f f s e r v 是在路由器内用标记来决定优先 级，m p l s 标记( 2 0b i t 标记) 主要用来决定下一个路由器的跳。m p l s 选路被用来建立“固定带宽的管道”，类似于a t m 或帧中继的虚电路。 m p l s 简化了选路过程。 酋a 酋 摩陟 图2 4 ：m p l s 网络结构 m p l s 的工作过程如下：m p l s 的入口边缘路由器( l e r ) 首先判 断进入的i p 数据包的转发等价类( f e c ) ，然后根据不同的类别绑定 不同的标签。而位于m p l s 网络中的标签交换路由器( l s r ) 只需要 简单地查看数据包的标签，将标签值作为指数在映射表中查找到再下 一跳的地址和新的标签。标记交换路由器将标签加到数据包上，并将 数据包转发到再下一跳。当数据包到达出口的边缘路由器时，边缘路 由器去除数据包的标签，然后进行第三层进行路由选择并转发。 卜一2 0 + 。一，卜一e 一 1 - b i t ：b o t t o mo fl a b e ls t a c k 图2 5 ：m p l s 的标签格式 m p l s 协议引入了“显式路由”的机制，使m p l s 网络中路由器更 像一个简单的第二层交换机，对数据包的处理速度大大提高了。而它 的缺点和区分服务一样，也是对数据流优先级的简化会降低其灵活性 和能力。 2 2 4 s b m ( 子网带宽管理) 7 1 电子科技大学硕士论文 i e t f 的链路层综合业务工作组( i s s l l ) 定义了上层q o s 协议和 服务与以太网之类的第二层技术之间的映射关系。其结果之一就足子 网带宽管理( s b m ) ，它于1 9 9 9 年提出，适用于8 0 2 1l a n ，如以太 网、令牌环和f d d i 等。s b m 是一个信令协议，它允许网络节点和交 换机之间在s b m 框架内进行通信和协调，并实现向高层q o s 的映射。 s b m 框架中基本要求是所有的数据流必须通过至少一个s b m 交换 机。s b m 系统中主要部件有： 带宽分配器( b a ) 。在子网中保持资源分配状态并按照资源使用情 况和其它行政定义的策略原则进行性能任务控制。 请求器模块( r m ) 。设置在每一个端点站而不足任何一个交换机边 上，按照行政定义的策略原则在第二层优先级和高层q o s 协议之间 进行映射。 s b m 协议提供请求器模块到带宽分配器或带宽分配器到带宽分配 器信令机制，用于预留初始化，可利用资源的带宽分配器排队，改变 和取消预留。s b m 协议还用于有q o s 的应用和请求器模块之间，但 是只包括使用a p i 而不是济议。s b m 协议被设计成适用于各种协议。 2 2 5 螭到墙的q o s v p p h 明t i o n 一3 a p p l i c a t i o n 卧 口 t m n s p o t t u | 1lr p h y s i c a i l斗i p h y s l c a l fr 涮f i - - 一s f s m - - 4 p r s v p r 一i d i f f s e wa n dm p l s + 一r s v p 一 图2 - 6 ：端到端的q o s 前几节介绍的几种q o s 协议的侧重点各不相同，却不互相排斥。 最初，人们认为这些协议是相互竞争的，后来才发现在很多网络结构 中，它们互相合作向用户提供端到端的q o s ，会达到很好的效果。在 器? 2 ) ) ) 电子科技大学硕上论文 实际应用中，考虑到不同的应用对q o s 要求不同，表现为对决策粒度 和保证程度的要求不同，为此发展了不同的服务方法和协议。它们之 间的关系不仅是相互竞争，更重要的是它们各具特色，相辅相成，可 以互相补充。这些协议被设计成在网络内可以透明使用，不同的协议、 机制和服务全部被设计成可以一起工作，通过混合和匹配成不同的可 能结构，就可实现端到端的、从上到下的q o s 型通信。这一目标正在 接近实现。尽管目前标准还没有完全发展成熟，像对多播的支持等重 要功能还正在发展中，但是在很多i p 网络中已经开始使用这些技术。 图2 - 6 就是为得到更高的性能同时使用多种q o s 技术来提供网络层次 从上到下、在发送者和接受者之间的端到端的q o s 的例子。 2 3 q o s 的未来 q o s 将成为i p 网络解决方案的基础，这种解决方案既可以十分 可靠地传输一般性数据业务，同时又能传输关键业务应用。分析家 普遍认为，在今后两年中i p 业务将迅速增长，并将成为大多数服务 提供商网络中的主导业务，而不仅仅是i s p ( i p 服务提供商) 。随 着i p 业务的进一步商业化，产业结构将会发生很大变化。 然而，q o s 也面临的挑战：i s p 需要将网络中不同的q o s 在一 个公共的q o s 体系下加以规制，不同的i s p 需要在这公共的 q o s 体系下运作。因此，我们还需要制定一个标准的q o s 标 准。再比如如何保证q o s 业务、t c p 和u d p 的相互作用和影响、 业务量工程、基于受限的路由等。 总之，尽管今天的q o s 还有很多问题没有解决，但就像今天的i p 业务一样，q o s 将不可避免地成为i p 网络中一项关键的核心技术。 电子科技大学硕士论文 3 1r s v p 协议简介 第三章r s v p 原理 在网络内部的路由器、交换机的端口，以及端主机系统中，为了 保证用户要求的服务质量，必须调度相应的资源，甚至进行资源预约， 这就需要相应的资源预约协议和资源调度算法。具体可以量化为传输 延迟( d e l a y ) ，抖动( j i t t e r ) ，丢失率( l o s s ) ，带宽要求( b a n d w i d t h ) ， 吞吐量( t h r o u g h p u t ) 等指标。i n t e r n e t 工程工作组( i e t f ) 针对 q o s 进行开发研究，r s v p ( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 就是其中 之一。 r s v p 最早于1 9 9 3 年提出，用于点到点通信和点到多点通信的 i n t e r n e t 网络环境中多媒体用户对网络资源的预约。1 9 9 7 年，i e t f 工作小组制定了r f c 2 2 0 5 ，定义了r s v p 的基本功能。 r s v p 包括两类最基本的控制报文：控制类报文( p a t h ) 和预约 类报文( r e s v ) 。p a t h 报文由源端发出，在沿途的路由器上留下路 径软状态( s o f ts t a t e ) 。目的端接收到p a t h 报文，经过处理，发出 相应的r e s v 报文在沿途的路由器上进行资源预约。一旦预约成功， 在该路由器上留下资源预留的信息。此时源端发出的数据经过该路由 器就可以使用预留的资源，满足其q o s 的要求。 r s v p 的资源预约必须是由数据流接收端到发送端的端到端的过 程。它具有以下特点： 可对点到点通信、点到多点通信方式进行资源预约。 r s v p 采用单方向预约方式，即由数据流的接收端向数据流源 端沿路径进行预约。 r s v p 在路由器等网络元素上设置和维护记录路由和资源预约 信息的软状态表，并能根据路由和预约信息的变化进行自动更 新和调整。 r s v p 能根据用户对数据源的访问需要提供不同的预约方式。 r s v p 提供流量控制( t r a f f i cc o n t r 0 1 ) 和传输策略控制( p o l i c y c o n t r 0 1 ) 。 。r s v p 既支持i p v 4 协议，也支持1 p v 6 协议等。 电予科技大学硕士论文 3 2r s v p 工作原理 图3 1 ：r s v p 协议的工作原理 r s v p 的基本功能是通过预约和保留传输路径中的资源而改善或保 证用户的服务质量。上一小节对它作了一个简单介绍，本节将进一步 介绍它的工作原理。r s v p 对资源的预约是端对端的，它涉及到主机 和路由器等网络元素。下图给出了主机和路由器之间的r s v p 预约关 系。 从图3 - l 可见，有两条通路，一条是r s v p 控制通路，也就是建立 预约的控制通路，一条是数据通路即实际数据信息的传送通路。下面 分别对控制通路和数据通路进行阐述： 控制通路 在每个节点中，r s v p 的控制报文( p a t h 、r e s v ) 都要交给两 个决策模块处理，这两个决策模块是准入控制模块( a d m i s s i o n c o n t r 0 1 ) 和策略控制模块( p o l i c yc o n t r 0 1 ) 。准入控制模块用来决定预约报文是 否可进入该节点进行资源预约，足否有足够的资源满足用户的请求； 策略控制模块主要用于检查用户制定预约及其预约模式的权限，回答 本用户是否允许使用该资源。如果用户的预约报文通过了上述的两个 控制模块的检查，则可以进入报文分类器和报文调度器设置相应的参 数和状态，并控制数据报文的转发。 r s v p 包括两类最基本的控制报文：控制类报文( p a t h ) 和预约 类报文( r e s v ) 。p a t h 报文由源端发出，在沿途的路由器上留下路 径软状态( s o f ts t a t e ) 。目的端接收到p a t h 报文，经过处理，发出 相应的r e s v 报文在沿途的路由器上进行资源预约。一旦预约成功， 在该路由器上留下资源预留的信息。此时源端发出的数据经过该路由 电r 科技人学硕士论文 器就可以使用预留的资源，满足其q o s 的要求。 h o s t a h o s t b 图3 2 ：r s v p 的运行流程 注：上图中从左到右的箭头是p a t h 报文传递的方向； 从右到左的箭头是r e s v 报文传递的方向。 r s v p 运行过程如图3 2 所示，大概分为6 个步骤： s t e p l ：源应用程序通过应用程序接口将用户的业务特征和期望的 服务质量要求送到r s v p 守护程序( r s v pd a m e o n ) ，r s v p 守护程序 根据要求形成p a t h 消息送到下一跳； s t e p 2 ：中间结点的r s v p 守护程序收到p a t h 消息，建立p a t h 软状态，保存该业务的参数和前一跳的地址，并收集该结点可用资源 的信息，形成新的p a t h 消息转发至下一跳： s t e p 3 ：目的主机的r s v p 守护程序收到p a t h 消息通过r s v p 应 用程序接口送到目的应用程序，该应用程序根据收到的业务特征和可 用资源参数形成r e s v 消息，该消息包括服务质量参数和满足该参数 的业务特征。然后将该消息按保存的前一跳地址原路返回； s t e p 4 ：中间结点的r s v p 守护程序收到r e s v 消息，建立r e s v 软状态，包括设置包分类器和包转发器的参数，并将该消息按保存的 前一跳地址转发； s t e p 5 ：源主机r s v p 进程收到r e s v 消息通过应用程序接口送到相 应的应用程序： s t e p 6 ：到s t e p 5 已建立了资源预留的通路。为适应路由、q o s 要 求等的变化，r s v p 定期地发送刷新消息，包括p a t h 和r e s v 刷新 消息。 数据通路 数据通路是真正用来传送用户数据的，数据的传送是沿着控制通 路建立的资源预留链路实现的。具体过程如下： 首先当某个具有q o s 控制能力的的结点收到数据包，将数据包通 生王! ! 丝叁兰堡笙苎 过报文分类器( c l a s s i f i e r ) 进行分类，该报文分类器决定报文的路由 和所要求的q o s 级别。 然后把具有相应路由和q o s 级别的报文转发给报文调度器 ( s c h e d u l e r ) ，按照r s v p 控制通路建立资源预留时的数据流分类标 准将该数据包送到相应的输出队列中，并由转发机制按一定的优先级 算法转发出去。 注：在数据通路中通常要监控收到的数据流，确定其是否符合预 先定义的业务标准。若是受控载荷业务则将不符合的数据包通过尽力 传送转发，若是保证业务则对该业务重新整型使之符合预先定义的业 务特征。 3 3 r s v p 设计的几个关键 r s v p 的存在几个设计思想： 大多数的资源预留都可用于多点广播( 或者称为组播) 应用程序， 比如高速视频传输。这些应用程序都有一些特别的地方，比如接受 方数目较大等等。而分组传送到接受方可能要经历不同的传输条件 和不同的自治域。 资源预留不涉及到路由选择。 使用所谓的“软状态”( s o f ts t a t e ) 。 以下是对设计思想的详细介绍。 3 3 1 会话、流、过滤嚣 在发送方对多个接收方进行资源预约是不实际的。因为一方面， 当用户切换到另一个视频频道时，连接的概念便不再明显了。另一方 面，让接受方来决定是否预约比较自然。比如：在i n t e r n e t 上进行视 频传输，如果用户处在接收条件较好的地方，网络负载很轻，那么传 输没有障碍，此时根本不需要预约。如果这时网络负载增加，分组迟 延增加，某些分组就会丢失或迟到，结果造成传输的图像不清晰，音 频也出现咔喀咔喀的声音。这就是用户没有资源预约的后果。这时用 户得到的是默认的服务。现在，如果有一种机制，接受方向网络发送 预留分组：“请保证给我多大的资源，以保证图像的传输质量”。由于 价格合理，许多网络用户都乐于这样做。所以r s v p 的基本思想之一 就是：由接受方来决定是否预约，同时也由接受方付费用。这种思路 电予科技人学硕士论文 模型适合于分布在不同地点的许多工作组。 r s v p 由接受方为一个会话( s e s s i o n ) 预约资源，一个r s v p 会话 自目的地址和3 2 位的预留标识符来识别。所有会话成员都必须知道 这个标识符。接受方通过指定会话的参数( 如目的地址、流特性等) 来发出预留请求。 目的站点可以是一个接受方加入一个多点广播小组的组播地址， 也可以是单个主机地址。可能有多个分组发往同一个地址，如来自不 同源地址的分组。过滤器用来区分这些分组是否属于同一个会话。过 滤器不仅可以指定源站地址，还可以指定将要选定哪些源站点数据。 还可以用来指定应用程序和端口。 为会话预留的资源是在流特性中来描述的，通常包括对吞吐量和 迟延的声明。实际上，当接受方试图预留某些资源时，并不能保证会 成功。仅仅声明了应用需求并不能使传输线路容量突然增大，r s v p 还包括控制决策。每个路由器采用对所请求的资源和现有的网络资源 进行对比的方法，来决定接收或者拒绝预留。 3 3 2 路径和预留 r s v p 的第二个设计思想是路由协议无关性。然而资源预留也不 能够完全与分组传输无关。我们必须保证资源正好是预留在对会话分 组进行中继的路由器上。接受方要知道会话数据来自哪个路由器，而 该路由器要知道前一个中继路由器的情况，如此等等。r s v p 采用路 径报文来解决这个问题。这些报文由源点定期发往会话的目的地址。 他们不是作为普通数据分组来发送的，而足作为r s v p 分组来发的。 源站顺着通往目的的方向发送分组到下一跳，该路由器记录前一跳地 址，加上自己的信息再往下一跳传送。 一旦路径被标记好，路由器准备好处理预约请求。当他们从收方 收到一个预约报文时，就使用路径信息来识别前一跳，并向这个路由 器发送中继请求。 3 3 3 状态和同步 路径报文用来标记网络。这就使得用户可以向源站点发送自己的 r s v p 请求，并预约他们认为必要的资源。但是这里有两个同步问题 需要考虑。即资源预留要和路由更新同步以及源站点和接受方的同步 u 予科技人学硕上论文 问题。r s v p 采用软状态机制来解决这个问题。 会话使用的路径是不固定的。路由进程不断的更新路由表以保证 分组按最短路由传输。会话路径也在变动，如：当一个链路断开，就 不会再跟踪前一个路径报文所产生标记的，预留的资源也不会再用。 这时，要使资源预留和路由更新同步。 r s v p 通过软状态机制来解决这些问题的。每隔一个间隔，路径 请求和预约请求就定期发送，如果路由表已经更新，下一个路径请求 就沿着新的路由进行，下一个预约也沿着新的路径。如果有新的接受 方加入到组中，则下一个路径报文就会对这个新的分支进行标记，使 之能够预约资源。如果一个新的源站点激活并发送路径报文，那么下 一个预约报文就为这个源站点预留资源。 软状态与定期刷新相结合，还可以对传输丢失提供保护。如果一 个报文没有到达目的站点，那么下一个报文会纠正这种错误。实际中， 路径和预留报文都有刷新周期( r ) 存活周期( t ) 。接收到报文的路 由器将创建一个“本地状态”用来标记路径和预留资源，这条路径在 t t l ( t ) 期间都是有效的。r 要比t 小的多，以便传输错误不会导 致状态过早的消失 3 4 r s v p 预譬类型及对预翻请求的合并 3 4 1 预留的模式 一个基本的r s v p 预留请求是由两个部分组成的：流规范 ( f l o w s p e c ) 和过滤规范( f 1 l t e r s p e c ) ；这一对特性一起被称为 流描述符( f l o wd e s c r i p t o r ) 。 其中流规范说明了接受方所需要的q o s ，它用来在节点的分组调 度器或其它链路层机制上设置相应的参数。r s v p 的流规范一般包括 一个服务类别和两个参数：( 1 ) 一个定义所需q o s 的预留特性( r s p e c 其中r 代表r e s e r v e ) 。( 2 ) 一个用来描述数据流的特性( t s p e c 其中t 代表t r a f f i c ) ： 过滤规范定义特定的流，他们是一些数据分组集合，接收在流舰 范里定义的q o s 。它用来在分组包分类器上设置相应的参数。通常过 滤规范与发送方的地址相关，如：发送方的i p 地址，u d p t c p 端口 号。 包含有流规范和过滤规范的预留清求是通过r e s v 报文传递的。 电了科技火学颁上论文 它在接受方产生并向上行传到发送方的。在每个节点处，一个预留请 求往往触发以下两个动作： 在连接处预留资源 r s v p 进程首先预留请求进行许可控制和策略控制的检验。如果两 种检验都失败了的话，那么预留请求被拒绝，而r s v p 进程会发一个 出错消息给接受方。如果两个检验都通过了，那么节点就会根据流规 范和过滤规范来设置包分类器和包调度器，同时节点还会和适当的数 据链路层进行交互以便