（通信与信息系统专业论文）diffserv架构下基于策略的动态资源管理.pdf

摘要 本论文阐述了现有的i p q o s 技术及研究的热点问题，分析了q o s 技术发展过 程中所存在的问题，探讨到未来q o s 技术发展的方向。本论文介绍了区分服务的 工作原理，着重讨论了d i f f s e r v 与i n t s e r v 相结合的端到端q o s 机制以及 d i f f s e r v 中带宽分配的公平性问题。论文分析了在o i f f s e r v 网络上实施i n t s e r v 框架的两种实现形式，即静态资源管理和动态资源管理，指出二者都存在一定的 缺陷。在带宽的公平分配方案上，本论文提出采用反馈机制的解决方法更为通 用。 为了在资源利用的有效性与实现机制的复杂性之间寻求到一个适合的平衡 点，本论文提出了d i f f s e r v 构架下基于策略的动态资源管理方案。该算法将在每 个支持区分服务的路由器上实施。它调用流量工程选路结果，并根据对周边网络 环境负载的反馈情况，动态调整后将其映射到底层链路传输参数，在减少路由算 法开销的同时，使网络资源能够自适应地得到分配。动态资源管理将针对不同网 络环境采用不同策略模式，从而获得更好的性能。本论文在网络仿真软件上对基 于策略的动态资源管理算法进行仿真，得出动态资源管理算法在各种网络负载情 况下都可以提升网络带宽资源的利用率，尤其在网络出现拥塞时，性能改善更为 明显的结论。 关键字：服务质量区分服务资源管理 策略 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c et h et e c h n o l o g ya n dt h eh o tp o i n t so fi pq o s i ta l s op r e s e n tt h e p r o b l e m sa n dt h ef u t u r eo fi pq o s t h et h e o r yo f d i f f s e r vi si n t e r p r e t e di nt h ep a p e r , i nw h i c h e n d - t o e n dq o s u s i n gd i t t s e r vc o m b i n i n gw i t l li n t s e r va n d t h ee q u a l i t yo f a l l o c a t i o no f b a n d w i d t ha r ee m p h a s i z e d s t a t i cr e s o u r c em a n a g e m e n ta n dd y n a m i cr e s o u r c em a n a g e m e n ta r e t h et w ow a y st oi m p l e m e n ti n t s e r vb a s e do nd i f f s e r vn e t w o r k ，h o w e v e rt h e yb o t hh a v ef a u l t s a n dt h ef e e d b a c km e c h a n i s mi st h eb e s tw a yt or e s o l v et h ee q u a l i t yo fb a n d w i d t ha l l o c m i o n i nt h i sp a p e r , t h ed y n a m i cr e s o u r c em a n a g e m e n tw i t hp o l i c i e sb a s e do nd i f f s e r vi s i n t r o d u c e dt ob a l a n c et h ee f f i c i e n c yo f r e s o u r c eu t i l i z a t i o na n dt h ec o m p l e x i t yo f i m p l e m e n t a t i o n t h ea r i t h m e t i cw i l lu s et h er e s u l t so fq o sm u t i n g t oc o n f i g u r et h ep a r a m e t e r s o f t h el i n k sd y n a m i c a l l yw i t ht h ef e e d b a c ko f t h el o a do f n e t w o r k ，i m p l e m e n t i n go ne a c h d i f f s e r vm u t e r i tw i l lr e d u c et h ec o s to f t h er o u t i n ga r i t h m e t i ca n da l l o c a t et h er e s o u r c e d y n a m i c a l l y 够w e l l t h er e s o u r c em a n a g e m e n t w i l li m p r o v ei tw i t hd i f f e r e n tp o l i c i e sa c c o r d i n g t ot h ev a r i o u sl o a do f n e t w o r k i n g t h ed y n a m i cr e s o u r c em a n a g e m e n tw i t hp o l i c i e si ss i m u l a t e d w i t ho p n e t t h ec o n c l u s i o nc a l lb ed r a wt h a td y n a m i cr e s o l l r c om a n a g e m e n tc o u l dr a i s et h e u t i l i z a t i o no f n e t w o r kr e s o u r c ew i t h i nv a r i o u sl o a dc o n d i t i o n s ，e s p e c i a l l yw i t h i nt h ec o n g e s t i o n 1 0 a d k e y w o r d ：q o s ，d i f t s e r v , r e s o u r c em a n a g e m e n t ，p o l i c y 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导t ( a 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：墨蓐云 日 期：。m ，年；月目 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：垒墅论文作者签名：趔 日期：坌2 竺生 ! 一目烂 旦 第一章概述 1 1ip0 0 $ 的研究背景和意义 目前，随着电信业务的引入，i p 网的服务质量( i pq o s ) 成为下一代 i n t e r n e t 的重要研究课题。由于i p 协议的无连接特性和i p 网络松散的控制管理方 式，使这项研究面临很大的挑战。近十年来，国内外专家学者对i pq o s 开展了坚 持不懈的研究，提出了一系列理论和解决方案。但是由于i pq o s 问题的复杂性， 至今还没有一个q o s 方案能在大型商用网络中全面推行。目前实时业务的迅猛发 展使得解决i pq o s 问题已经刻不容缓。 1 2lpq o s 的主要技术 i pq o $ 是一项综合技术。为了实现q o s 保障，除了在体系结构上要有个好 的总体设计之外，还需要依靠各个层面的技术来支撑。在数据平面上，物理层、 链路层、网络层、传输层和应用层都可以控制网络的q o s 。目前的i pq o s 控制研 究多半集中在网络层和传输层上。随着无线局域网和接入网、i o g 以太网、弹性 分组环等新型的互联网接入方式的迅速发展，链路层技术对i pq o s 的影响成为新 的研究课题。在管理平面上，网络管理、业务管理和客户管理3 个层次都包含了 网络服务的实施、保障和计费技术，这些技术对实现q o s 至关重要，但也是以往 研究中的薄弱环节。 i pq o s 技术主要有i pq o s 体系结构、数据平面的q o s 控制技术、管理平面的 q o $ 技术、q o s 测量等几个方面。 1 2 1 lpq o s 体系结构 当前的i pq o s 体系结构主要有i e t f 建议的集成服务( i n t s e r v ) 体系“1 和区 分服务( d i f f s e r v ) 体系。3 1 。 集成服务的基本思想是在传送数据之前，根据业务的 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。集成服务虽能提供确定的q o s 保 证，但是它需要在网络中维护每个流的状态，因而扩展性能差，难以在大型i p 网 络中实施。资源预留协议r s v p 是集成服务的核心。这是一种信令协议，用来通知 网络节点预留资源。如果资源预留失败，r s v p 协议会向主机发回拒绝消息。集成 服务能够在i p 网上提供端到端的q o s 保证。但是，集成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，集成服务可扩展性很差，难以在i n t e r n e t 核心网络实施，目前业界普 遍认为集成服务有可能会应用在网络的边缘上。 区分服务的基本思想是将用户的数据流按照o o s 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。区分服只承诺相对的o o s ，而 不对任何用户承诺具体的o o s 指标。i e t f 定义了区分服务的体系结构。1 。区分服 务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，区分服务是业 界认同的i p 骨干网的o 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。 多协议标签交换m p l s 并不是主要的o o s 机制，也不是o o s 的体系结构，但 m p l s 的显式路由功能大大增强了在i p 网络中实施流量工程的能力。对于骨干网业 务提供者来说，这是目前使用最普遍，可实现性最强的一种q o s 机制。目前 m p l s + d i f f s e r v 技术最有可能成为i p 网络运营商首选的o o s 方案“3 。 1 2 2 数据平面的0 0 8 控制技术 1 2 2 1q o s 选路 现在的i n t e r n e t 路由协议( 如o s p f 、r i p 等) 都采用单个测度( 如跳数、成 本) 来计算最短路由，没有考虑多个o o s 参数的要求。o o s 选路根据多种不同的 度量参数( 如带宽、成本、每跳开销、时延、可靠性等) 来选择路由。o o s 选路 包括3 个主要功能：链路状态信息发布、路由计算和路由表存储。 o o s 路由能够满足业务的q o s 要求，同时提高网络的资源利用率。但是o o s 路由的计算十分复杂，增加了网络的开销，目前实用的q o s 路由算法还不多见。 1 2 2 2网络层的q o s 控制 为了实现o o s 控制，互联网中的路由器需要根据网络所采用的o o s 体系结 构，增加了一系列流量控制和调节功能，包括i p 流的分类、计量和标记、缓存管 理、队列调度、拥塞控制等。随着互联网的发展，路由器的端口数和端口速率都 ， 网络节点预留资源。如果资源预留失败，r s v p 协议会向主机发回拒绝消思。集成 服务能够在i p 网上提供端到端的q o s 保证。但是，集成服务列路由器的要求很 高，当网络中的数据流数量很大时路由器的存储和处理雒力会遇到很大的压 力。因此，集成服务可扩展性很差，难以在i n t e r n e t 核心俐络实施，目前业界普 遍认为集成服务有可能会应用在网络的边缘上。 区分服务的基衣思想是将用户的数据流按照q o s 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埘，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。区分服只承诺相对的q o s ，而 不对任何用户承诺具体的q o s 指标。i e t f 定义了区分服务的体系结构。1 。区分服 务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，区分服务是业 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。 多协议标签交换m p i s 并不是主要的q o s 机制，也不是q o s 的体系结构，但 m p l s 的显式路由功能大大增强了在i p 网络中实施流量工程的能力。对于骨干网! l p 务提供者来说，这是目前使用最普遍，可实现性最强的一种q o s 机制。目前 m p l s + d i f f s e r v 技术摄有可能成为i p 网络运营商首选的q o s 方案“3 。 1 2 2 数据平面的o o s 控制技术 1 2 2 1q o s 选路 现在的i n t e r n e t 路由协议( 如o s p f 、r i p 等) 都采用单个测度( 如跳数、成 本) 来计算最短路由，没有考虑多个q o s 参数的要求。q o s 选路根据多种不同的 度量参数( 如带宽、成本、每跳开销、时延、可靠性等) 来选择路由。q o s 选路 包括3 个主要功能：链路状态信息发布、骆由计算和路由表存储。 q o s 路由能够满足业务的q o s 要求，同时提高网绍的资源利用率。但是q o s 路由的计算十分复杂，增加了两络的开销，目前实用的q o s 路由算法还不多见。 1 2 2 2网络屡的q o s 控制 为了实现q o s 控制，互联网中的路由器需要根据网络所采用的q o s 体系结 构，增加了一系列流量控制和调节功能，包括i p 流的分类、计量和标记、缓存管 理、队列调度、拥塞控制等。随着互联网的发展，路由器的端口数和端口速率都 理、队列调度、拥塞控制等。随着互联网的发展，路由器的端口数和端口递翠郡 在增加。目前，高速路由器需要工作在每秒太比特级的链路速率下，处理能力受 到很大的挑战。为了实现q o s ，分级别的业务流量控制和调节功能会给路由器的 处理能力造成更大的压力。因此，网络层q o s 控制研究的重要任务就是提出简单 有效的算法和实现方案。 1 2 2 3传输层的q o s 控制 传输协议性能的好坏直接关系到网络的q o s 。目前互联网的主要传输协议是 传输控制协议( t c p ) 和数据报协议( u c p ) ，其中t c p 提供高可靠服务，是目 前使用最广泛的传输协议；u d p 提供高效服务，用于一些交互次数很少的交易型 业务。随着互联网业务的扩展，出现了很多流媒体业务。这些业务即要求可靠， 又要求实时高效，因此对t c p 和u d p 都不满意。目前虽然大部分流媒体业务 ( v o i p 、音频、视频传输等) 都采用u d p 协议，但是需要在高层采取措施来保证 数据传输的可靠性。在这种情况下，新的传输协议应运而生，其中最典型的是流 控制传输协议( s c t p ) 。1 ，这个协议的目标是在保证可靠性的同时尽量提高传输 的实时性。s c t p 受到业界的高度重视，目前很多厂商已经在网上开展s c t p 的试 验。 1 2 2 4链路层对o o s 的支持 局域网和接入网的链路层协议对互联网的q o s 有重要的影响。其中无线局域 网( w l a n ) 和无线接入网对于i pq o s 的影响成为新的研究热点。其中无线局域网 ( w l a n ) 和无线接入网对i pq o s 的影响成为新的研究热点。同有线以太网相比，无 线局域网为用户提供了更加方便快捷的接入方式。i e e e 为无线局域网制定了相应 的国际标准i e e e 8 0 2 1 l 最近，很多学者对现有的w l a n 技术提出了改进意见，包括 分布式无线调度机制和改进的分布式协调功能( d c f ) 协议。这些新的机制可以提 高流之间的公平性，并提高t c p 在w l a n 上的性能。 1 2 。3 管理平面的o o s 技术 1 2 3 1 i p 网业务管理模型 目前i p 网还没有标准的q o s 管理模型，只有两个很好的参考模型。 一个是电信管理论坛t m f 提出的t o m ( t e l e c o mo p e r a t i o n sm a p ) 模型”1 。 t o m 在电信管理网( t m n ) 的四层结构基础上，对每个管理层面的功能和操作进 行了具体的掐述，使其适合i p 网络的管理。在这个模型中，i pq o s 管理主要在业 3 务管理层实现。f o m 还将业务的生命周期分为三个阶段：业务开通，业务保障和 业务计费。业务开通将用户的q o s 要求传送到网络中，并进行相应的配置；业务 保障维护协商好的o o s ，是i po o s 管理的主要阶段；业务计费进行公平合理的计 费。t o m 模型最有可能成为运营商和设备制造商提供q o s 业务的参考标准。 另一个模型是i e t f 提出的基于策略的管理框架”3 。这个框架将网络中的一些 操作和管理抽象出来，称为策略( p o l i c y ) 。网络管理者事先定义好一些管理策 略，存放到策略信息库中，网络设备根据这些策略自动地进行网络操作。由于策 略由网络管理者统一制定，因此采用不同q o s 技术的异构网能够实现统一的q o s 管理。 1 ，2 3 2服务等级合约管理 s l a ( 服务等级合约) 是用户与网络服务提供商( i s p ) 签订的关于q o s 的 协议。i s p 根据s l a 来对用户提供某个等级的服务和计费。s l a 分为静态和动态 两种。静态s l a 在一定的时间范围内是不变的，与网络的状况( 如拥塞程度、负 荷变化) 无关；动态s l a 根据网络的状态来协商和调整s l a 参数，从而提高网络 的资源利用率。当前，大部分网络仍采用静态s l a ，而动态s l a 还处于研究阶 段。 文献”1 提出了s l a 的结构和内容。s l a 中包括一个或多个t c a ( 流量调节合 约) ，s l a 和t c a 都属于商业上的协议，它们的技术细节分别由s l s ( 服务等级 规范) 和t c s ( 流量调节规范) 来表述。目前的研究主要集中在s l s 和t c s 的内 容定义，现在还没有这方面的标准。s l a 的建模和标准化是当前亟待解决的重要 问题。 s l a 管理包括：s l a 建模、s l a 接纳控制、s l a 业务配置和s l a 一致性监测 和控制。 1 2 3 3o o s 计费 为了在网络中推行o o s ，需要设计相关的计费策略，对不同类型和不同q o s 等级的业务采用不同的计费方式，使计费公平合理；另一方面，考虑到实现的可 行性，应该使计费算法简单有效，同时还要考虑多域和多运营商之间的结算问 题。 在按q o s 计费方面一直缺乏重大成果。计费公平性和算法可扩性之间的矛盾 始终未能解决。1 。最近，国外对o o s 计费的原则和策略开展了大量研究。有人提 出：i 0 的流占用了9 0 的网络资源，因而有必要对大流和小流加以区分，大流 4 采用较精确的计费方式，而小流则按简单的方法实施计费。也有人建议分等级和 分刚段计费，根据前一段时间的业务流量报告来确定和调整费率。还有入主张按 照经济学的原理调整费率，对网络的流量和q o $ 进行宏观调控。 1 2 4q o s 测量 q o s 测量”1 是一个新的研究课题，它的目的是用测量手段取得网络的性能和 q o s 指标。显然，网络的q o s 控制、维护、管理和计费都需要q o s 测量的支持。 q o $ 测量有不同的分类方法，按照测量过程中测试设备是否主动发送探测包可分 为主动测量和被动测量两类；按照测试设备所处的位置，又可分为基于路由器的 测量，端到端测量，以及路由器协助的测量。q o s 测量的内容很广泛，包括网络 拓扑发现，时延、丢包率、带宽测量，网络距离测量，路由器调度策略和瓶颈缓 冲器容量测量，以及路由器流量监测。 q o s 测量需要复杂的技术。特别是端到端q o s 测量，在没有路由器参与，两 端设备时钟又不同步的情况下，利用信号处理技术和数学分析方法，可以推测网 络拓扑，端到端的单向传输时延、链路时延，链路带宽、路径上的瓶颈带宽及可 用带宽，甚至还可以推测网络中路由器的调度策略和缓冲器容量。端到端q o s 测 量具有特别重要的意义，它可以测出网络的整体性能指标，而且不需要对路由器 进行改造，也不需要网络运营商公开内部资料。 目前q o s 测量技术还不成熟，国外有一些研究成果报道，国内在此领域的研 究则刚刚开始。 1 3i pq o s 技术的发展趋势 目前q o s 控制研究已有不少成果，需要解决的主要问题是算法复杂性和q o s 控制效果之间的权衡。q o s 管理、计费和q o s 测量的研究则还处于起步阶段，研 究成果较少，标准尚未形成，是i pq o s 研究的新热点。 q o s 研究的另一发展趋势是多种技术的结合，即多层次( 应用层、传输层、 网络层、链路层、物理层) ，多平面( 数据平面、控制平面和管理平面) 的q o s 研究相结合，研究各层、各面之间的交互作用，将各种q o s 机制综合起来，改善 i p 网的q o $ 。 1 4 论文的主要工作 本论文综合阐述了现有的i po o s 技术及研究的热点问题，分析了o o s 技术发 展过程中所存在的问题，探讨到未来o o s 技术发展的方向。从中可以看到，o o s 管理和q o s 控制相结合必将是o o s 技术发展的趋势。论文将研究重点放在数字平 面q o s 控制技术网络层资源控制问题上。 论文的第二章介绍了区分服务的工作原理，着重讨论了d i f f s e r v 与i n t s e r v 相结合的端到端o o s 机制以及d i f f s e r v 中带宽分配的公平性问题，将论文主题引 入到动态资源管理和资源分配问题上来。文中所提到了在d i f f s e r v 网络上实旌 i n t s e r v 框架的两种实现形式：一种为以静态方式提供内部的资源管理；另一种 为以动态方式提供内部的资源管理，主要是使用r s v p 信令进行全网资源预留。但 二者都存在一定的缺陷：静态资源管理无法根据当前网络的突发状况来控制资源 的合理分配，以使资源能够得到有效的利用；而采用r s v p 就不可避免地引入了 i n t s e r v 接纳控制的可扩展性和鲁棒性问题，同时也增加了网络的开销及实现的 复杂性。在带宽的公平分配方案上，采用反馈机制的解决方法更为通用。它的好 处在于，不但可以提高微流间的公平性，而且也能提高资源利用率。因为它将拥 塞排除在d i f f s e r v 区域以外，可以使区域内的资源利用最大化，避免因局部拥塞 导致的全局性浪费。 为了在资源利用的有效性与实现机制的复杂性之间寻求到一个适合的平衡 点，本论文第三章所提出了d i f f s e r v 构架下基于策略的动态资源管理算法。该算 法将在每个支持区分服务的路由器上实施。它调用流量工程选路结果，并根据对 周边网络环境负载的反馈情况，动态调整后将其映射到底层铬矿传输参数，在减 少路由算法开销的同时，使网络资源能够自适应地得到分配。动态资源管理将针 对不同网络环境采用不同策略模式，从而获得更好的性能。 第二章区分服务工作原理介绍 q o s 研究的目标是有效提供端到端的服务质量控制或保证，近几年i e t f 的 i n t s e r v 工作组已在此方面作了很多工作。但i n t s e r v 面向动态虚电路、依赖于 网络流状态的特点决定了其高复杂性，最终导致其可扩展性差、鲁棒性差、实现 难度大，因而发展逐渐受阻。近年出现的区分服务d i f f s e r v 是i e t f 在q o s 领域所 做的最新尝试，初衷就是避免高复杂性，提供一种具有良好可扩展性的q o s 解决 方案。 2 1d if f s e r v 概述 在i n t s e r v 体系的发展遭遇巨大障碍的时候，d i f f s e r v 应运而生。事实上， 也正是i n t s e r v 的推动者缔造了d i f f s e r v 。从这个意义上讲，两者是一脉相承 的，因而d i f f s e r v 与i n t s e r v 结合的问题自然也就贯穿了d i f f s e r v 的发展。 d i f f s 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，实现途 径是： ( 1 ) 简化网络内部节点的服务机制。在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等只在边界节点进行，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 ma g g r e g a t e ) 雨非单流，单流信息只在网络边晃保存和处理。 具体而言，边界节点根据用户的流规定( p r o f i l e ) 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 ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 标记域( f i e l d ) 中，称为d s 标记 ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sc o d ep o i n t ，d s c p ) ；内部节点在调度转发i p 包时根据 包头的d s c p 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 h 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，这两个过程是通过i p 包头内的d s c p 协同起来的。 除实现简单外，区分服务体系还有以下特点： ， ( 1 ) 层次化结构。分为d s 区域( d sd o m a i n ) 与d s 区( d sr e g i o n ) 两级。在d s 区域 内，服务提供策略与p h b 的语义和实现要一致；但d s 区内的各d s 区域可以支持不 同的p h b 、有不同的服务提供策略，它们之间通过服务层协议 ( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ，s l a ) 与传输调节协议 ( t r a f f i cc o n d i t i o n i n ga g r e e m e n t ，t c a ) 协调提供跨区域服务。这种结构适应了 因特网中由各i s p 提供接入服务的商业模式。 ( 2 ) 总体集中控制策略( 与i n t s e r v 分布式控制相对照) 。网络资源的分配 由总体服务提供策略( s e r v i c ep r o v i s i o n i n gp o l i c i e s ) 决定，包括在边界如何 分类聚合流，在内部如何调度转发流聚集。 ( 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，并在发展过程 中保持模块的可重用性。例如，服务类型同边界调节器( c o n d i t i o n e r ) 和内部 p h b 相对独立，使得较少种类的边界调节器和内部p h b 可进行各种不同的组合而 实现多种服务类型；而且随着进一步研究发展可能有更多服务类型出现却仍可以 重用已有模块构造。再如，p h b 与p h b 的具体实现机制相分离，使p h b 可以在发 展中保持相对的稳定，这给商家留下了施展的天地。 ( 4 ) 不影响路由。与一些以虚电路方式实现q o s 的方案( a t m m p l s ) 以及服务 类型标记方案不同，区分服务节点处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。 2 2d i f f s e r v 体系结构 目前d i f f s e r v 仍在不断发展，其相关概念、模型的定义大多处于讨论阶段。 到现在为止，d i f f s e r v 的体系结构已比较明确，在此基础上有关服务提供的相关 问题包括服务定义、设跫、管理等细节也在逐步清晰化。d i f f s e r v 模型从软 件工程中概念模型的角度讨论了在路由器中实现区分服务所需各种模块的组织结 构。t i n u x 核心从2 0 版开始提供可支持d i f f s e r v 分类、调度等的q o s 模块。， 因而l i n u x 可以作为d i f f s e r v 的测试平台。下面详细介绍区分服务体系结构的各 个组成部分。 2 2 ，1d 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 区域有踞确定义的边界，边界由边界节点 8 ( 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( 或其它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 rj 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) 符合预先制定的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 。 针对特定的流，边界节点又分为入口节点和出口节点。入口节点必须对入域 流进行调节，确保其符合t c a 规范；出节点可能对出域流进行调节，保证其符合 与下游d s 区域签定的t c a 。 内部节点上实现一组或若干组p h b 。处理i p 包时根据包头的d s c p 值选择特定 的调度转发行为( 外特性即p h b ) 。这一过程是多对一的映射( 函数) ，即每个 d s c p 值只能对应个p h b ，多个d s c p 可能对应同一p h b 。这种映射关系在一个d s 区域内应保持一致。内部节点的处理对象是流聚集，数量有限，因而处理的时间 与空间复杂度低。内部节点也可能部分或全部实现分类和调节功能以增强网络的 鲁棒性。 一般d s 区域由毗邻的属于同一网络管理机构的网络构成，如某个i s p 的网络 或者内部网。 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。区内的各区域 可能支持不同的p h b 组，并且各自区域的d s c p 到p h b 的映射函数也可能不同；如 果有不同d s 区域，则区域之间必须有s l a 与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 2 2d i f f s e t v 标记域与区分服务标记d s c p 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问传递 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 n 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。如下图所示。c u 未在区分服务体系中定义，用 于其它用途，如e c n 。 图2 1d s c p 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 的映射在具体实现中必须 是可配置的。定义p h b 时，应同时指定对应d s c p 的推荐值。 2 2 3 边界节点的传输分类与调度机制 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 下图所示： 图2 2 边界节点逻辑结构 ( 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 c a 中的流规格计量流的某些实时属性，如速率等，并将统计信 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为同一p h b 组内不同p h b 对应的d s c p 值 ( 例如，确保服务。见下面介绍) 。 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。 调节器的实现技术比较成熟，只要用令牌桶( t o k e nb u c k e t ) 、漏斗桶 ( 1 e a k yb u c k e t ) 等算法适当组合即可。 2 2 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 针对具体的流聚集，流聚集用i p 包头的d s c p 标识，因而实际上p h b 是个d s 节点调度转发处理包头标有特定d s c p 的i p 包流的外部行为描述。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) 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。事实上，也只有在多个流聚集竞争资源时，p h b 甚至整个 d i f f s e r v 体系才有意义。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 i f f s e r v 体系的整体资源分配策略也就通过这一个个单节点资源分配实 现的。 应该注意的是，p h b 仅是外特性描述，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 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，则在实现时就够成一个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。若干p h b 组有相似构造( 即各组内的 p h b 间有相似关系) ，因而这些p h b 组可以同时定义，则称箕属于同一p h b 组 族。组族与组的关系类似于面向对象中类与类实例( 对象) 的关系，一个是抽象 定义，一个是具体实例。典型的例子如a f 组族中的四个独立的a f 组。 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 df o r w a r d i n g ) 以及兼容i p 优先级的类选择型c s ( c l a s ss e l e c t o r ) 四 种。此外，准尽量做好型l b e ( l o w e rt h a nb e s te f f o r t ) 、允许丢失的加速型 e f d ( e x p e d i t e df o r w a r d i n gw i t hd r o p p i n g ) 以及协同p h b 组p h b i ( i n t e r o p e r b b i l i t yp t t bg r o u p ) 也正在讨论发展中。其中： e fp h b 的流量不受其它p h b 流量的影响，确保包的离开速率高于所规定的 值。与传统的租用线类似，e fp h b 能够提供低丢包率、低延迟、低抖动和有保证 的带宽服务。e fp h b 转发只提供对已接受的固定流量以及对流进行最小程度的排 队，并在边缘路由器丢弃掉任何超过f 指定数量的流。 a fp h b 为i p 包提供不同级别的转发特征，为四个级别a f 中的每个都分配特定 数量的转发资源( 比如缓冲区和带宽) ，并且为每个包指派三种不同丢弃优先缴 中的种。a fp h b 允许在整个流量不超过预先设定速率的前提下以更高的可能性 转发包。 2 3 d if f s e r v 与in t s e r v 相结合的端到端q o s 机制 i p 网络的q o s 研究导致了两种截然不同体系结构的出现：i n t e r v 体系结构及 其相应的信令协议r s v p ，和d i f f s e r v 体系结构。但这两种i p 网络的q o s 标准都不 能完全满足需要，如前所述它们各有自己的长处和局限。为了支持端到端的 q o s ，可考虑将i n t s e r v 、r s v p 和d i f f s e r v 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q o s 提供机制。最终达到既能提供类似状态相关网络 的强有力的服务，又能实现状态无关网络近似的可扩展性和鲁棒性。目前，这 两种技术的结合仍然是一个开放的研究课题。从应用的观点，这种结合将极大促 进诸如i p 电话、视频点播等多媒体应用以及各类非多媒体任务紧要应用的发展。 i n t s e r v 体系结构提供了一种在异类网络元素之上为应用提供端到端如s 的 方法。一般来讲，网络元素可以是单独的节点( 如路由器) 或链路，更复杂的实 体( 比如a t m 云或8 0 2 3 网络) 也可以从功能上视为网络元素。在这种意义下， d i f f s e r v 网络( 或“网络云? ) 也可以视为更大的i n t s e r v 网络中的一种网络元 素。目前提出了种在d i f f s e r v 网络之上实施i n t s e r v 的框架，描述了在 i n t s e r v 体系结构下d i f f s e r v 网络支持端到端q o s 的方法。 在该框架中，端到端的、定量的q o s 是通过在含有一个或多个d i f f s e r v 区的 端到端网络中应用i n t s e r v 模型来提供的。为了优化资源的分配和支持接纳控 制，d i f f s e r v 区可以参加端到端的r s v p 信令过程。从i n t s e r v 的角度看，网络中 的d i f f s e r v 区被视为连接i n t s e r v 路由器和主机的虚链路。该框架的目标是实现 i n t s e r v 区与d i f f s e r v 区无缝的相互操作，网络管理员可以自由选择网络中的哪 个区作为d i f f s e r v 区。 2 3 1d l f f s e r v 网络区支持i n t s e r v r s v p 的意义 与i n t s e r v r s v p 协同工作对于d i f f s e r v 网络区的意义主要在于以下三个方 面： ( 1 ) 在d i f f s e r v 区实现基于资源的接纳控制 在i n t s e r v 网络中，量化的q o s 应用使用显式信令r s v p 从网络请求资源，网 1 2 络作出接受或拒绝的响应，这称为“显式接纳控制”。显式接纳控制有利于网络 资源的优化使用。而对于只提供聚集传输控制而无信令机制的d i f f s e r v 网络区， 其接纳控制是以隐式的方式通过网络元素上的管制参数实现的。例如，d i f f s e r v 区入口的某个网络元素对e fd s c p 只允许接受5 0 k b p s 的传输。隐式接纳控制能够 在某种程度上对网络起到保护作用，但效率低。而且隐式接纳控制会破坏端到端 显式接纳控制的有效性。如果在d i f f s e r v 网络中采用显式接纳控制( 如利用 r s v p ) ，则能够保证对接纳的传输流实现资源预留( 虽然以损害未被接纳的流为 代价) 。因此，为d i f f s e r v 网络区指定一个支持i n t s e r v 的接纳控制代理可以优 化资源的使用，提高d i f f s e r v 区对于定量o o s