（通信与信息系统专业论文）分组调度技术在未来移动通信中的研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 分组调度技术在未来移动通信中的研究 通信与信息系统 孙广波 王安义 摘要 ( 签名) 型亡窿 ( 签名) 丝 在移动通信系统中，分组数据业务的应用越来越广泛，特别是3 g 、4 g 以及以后的 系统中分组业务应用都将为主导地位。这就使得对移动网络的q o s 满足要求越来越高。 移动分组网络相对于传统有线网络有更多类型的业务应用，不同业务对系统时延带宽等 需求各不相同。分组时延和时延抖动又是移动分组网络服务质量的两个十分主要参数。 研究移动网络中分组调度技术对网络时延、抖动影响的工作就显得越来越重要。 从传统有线网络q o s 体系结构入手，分3 个层面：控制平面、数据平面、管理平面 分别分析平面内各种影响q o s 的技术和平面间的配合。目前研究的q o s 保证技术模型 包括基于集成服务模型、区分服务模型等。研究分析了基于两种模型下的q o s 保证技术： r s v p 和d i f f s e r v 方式，和m p l s 技术原理和协议结构。 在详细分析g p r s 采用的分组调度算法基础后，本文提出在移动网络中应用m p l s 技术和d i f f s e r v 模型相结合的新的应用算法。利用m p l s 分组数据包包头格式中3 b i t 扩展字段表示区分服务模型中不同的业务优先级字段。既保证移动网络中多业务类别和 多业务优先级分类，又能对分组传送路径进行选择，避免网络中节点拥塞或中断带来的 网络服务质量的下降。 结合c d m a1 x 分组网的成熟的数据业务应用，分析目前阶段移动分组网络话务模 型和移动分组业务分类。给出网络配置需要的带宽、处理能力等参数的取定方法。通过 o p n e t 系统仿真平台，按照节点，进程、网络，由小到大，由下到上的顺序搭建系统 模拟实验系统，分别建立分组数据包格式、链路格式、节点模型、网络模型。通过搭建 的系统平台，仿真验证采用m p l s 技术与d i f f s e r v 相结合的新的调度算法，对系统时延 的改善。 关键词：m p l s ；分组调度；资源分配；时延 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho fp a c k e ts e r v i c e ss c h e d u l i n ga l g o r i t h mi nn e x t m o b i l ec o m m u n c a t i o nn e t w o r k s p e c i a l t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e：s u ng u a n g - b o i n s t r u c t o r ：w a n ga n - y i a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 堑警竺 ( s i g n a t u r e ) i nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h ep a c k e ts e r v i c e sa r i s ew i d e l ya p p l i e d ，e s p e c i a l l yi n t h en e w l y3g4 ga n dt h el a t e rm o b i l es y s t e m i tr e q u i r e sh i g h e rq o ss e r v i c eq u a l i t y i n m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h e r ea r el o t sk i n d so fp a c k e ts e r v i c e s ，w h i c hr e q u i r ed i f f e r e n t q o s a tb a n d w i d t h ，d e l a y , ji t t e ra n ds oo n i t sm o r ec o m p l e xt h a nw i r en e t w o r k t h ed e l a ya n d ji t t e ra r et w om o s ti m p o r t a n tp a r a m e n t si nq o sr e q u i r e m e n t s oi t sn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h e s c h e d u l i n ga l g o r i t h mw h i c hi m p r o v ed e l a ya n dj i t t e r i nt h i sp a p e r , t h et r a d i t i o n a lw i r en e t w o r k sq o ss t r u c t u r e sa r ee x p a t i a t e df i r s t ，w h i c h i n c l u d et h r e ep a r t ：c o n t r o lp l a n e ，d a t ap l a n e ，m a n a g ep l a n e t h er s v em p l sm o d e l t e c h n o l o g i e sw h i c hp r o v i d eq o sa s s u r a n c ea r ee x p a t i a t e da l s oa n a l i z e dr e s p e c t i v e l y t h en e w m p l st e c h n o l o g yt h e o r ya n dp r o t o c o ls t r u c t u r ea r ea l s oi n t r o d u c e di nt h ee n d a f t e rd e t a i l e d l ya n a l i z et h ea l g o r i t h mo fp a c k e ts c h e d u l i n gi ng p r sn e t w o r k ，b r i n g f o r w a r dan e wa p p l i c a t i o na l g o r i t h mw h i c hb a s e do nm p l st e c h n o l o g ya n dd i f l s e r vm o d e l s v a r ys e r v i c e sp r i o r i t i e s u s et h ee x pf i e l d so fm p l sd a t ap a c k e tf o r m a t ，w h i c hi sn o tu t i l i z e d n o w , e x p r e s sv a r yd i f f e r e n tp r i o r i t i e s n o to n l ye n s u r et h ed i f f e r e n tr e q u i r e m e n t ，b u ta l s oc a n s e l e c ta p p r o p r i a t er o u t i n gt oa v o i dt h eq o sp e r f o r m a n c ed e c r e a s e ，w h i c ha r o s eb yn e t w o r k c o n g e s t i o no rb eb r o k eo f f a n a l y s et h ep r e s e n tm o b i l en e t w o r k sp a c k e ts e r v i c em o d e la n dc l a s s i f i c a t i o nb a s e do n t h en a t u r ea p p l i c a t i o no fc d m a1x n e t w o r k t h r o u g ho p n e te m u l a t o rs o f t w a r e ，s e tu pd a t a f o r m a t ，l i n kf o r m a t ，n o d em o d e la n dn e t w o r km o d e l v e r i f yt h en e wa l g o r i t h m sp e r f o r m a n c e a ti m p r o v es y s t e md e l a ya n ds y s t e mji t t e r k e yw o r d s ：m p l ss c h e d u l i n gd e l a yji t t e r r e s o u r c em a n a g e m e n t t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西妻料技丈学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：弓j 、广液 日期：弘力6 o f 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。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电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 一 j 学位论文作者签名：孙产波 指导教师签名：瓦肛 泸 日 1 绪论 1 1 研究意义及背景 1 绪论 随着数字移动通信技术的高速发展，移动通信技术经过了第一代第二代到现在呼之 欲出的第三代( 3 g ) 数字移动通信技术和正在积极制定标准的后3 g 、4 g 。而且随着消 费者对通信业务的不断需求，话音业务即将趋于饱和，业务的增长主要是数据业务的飞 速发展。3 g 及以后的通信技术的发展主要是针对于数据业务，特别是高速分组数据业 务的新技术的发展。最近l o 年，固定宽带数据业务迅速发展。随着i n t e m e t 进一步发展 和对多媒体业务需求的增长，人们希望在移动环境中也能够提供同样甚至更高质量的宽 带数据业务。面对这种情况，业内人士纷纷为下一代移动通信系统研究更高质量的分组 数据业务技术1 1 1 。 目前移动分组数据技术还有许多待完善的地方，移动分组网络( g p r s 、c d m al x ) 都不能保证分组传输的及时性、完整性，也不能保证分组在时间上序列特性。因为初期 建设偏重容量地满足和向哪里发送分组，没有考虑如何充分利用网络资源，和发送分组 的时间及时间间隔。 随着移动分组业务应用的逐渐增大，就要求移动网络对分组业务在端到端的服务上 具有更高的服务质量。分组时延和时延抖动是影响移动分组网络服务质量的两个重要参 数，本文重点考虑改善分组时延和时延抖动对网络服务质量的改善。 在未来移动通信系统中，随着分组业务应用将占越来越大的比重，研究移动网络中 分组调度技术对网络拥塞、时延和抖动影响的工作越来越重要。 1 2 研究现状与发展 分组调度的概念在固定有线网中由来己久。目前在实际网络中已经开发和使用了多 种类型的q o s 控制技术。这些技术分别对应于o s l 分层模型的不同层次。由于实现的 层次和采用的技术不同，其效果也不尽相同 2 】。通常物理层常采用按业务量分配固定带 宽的t d m 或w d m 技术；数据链路层主要实现对物理介质的访问控制功能，其实现方 式与网络类型密切相关，像t o k e n - r i n g 、f d d i 、1 0 0 v g - a n yl a n 等就是通过介质访问 优先级定义q o s 参数；网络层完成路由选择和数据报转发服务，通常是无连接的，通过 中间结点的“存储转发”机制来实现，需要由支持q o s 的网络层协议提供相关的q o s 参数来对分组进行区分优先级来实现；传输层主要负责端到端的、面向连接的数据传输 服务，与网络设备无关，t c p 流量控制只在用户终端对发送速率进行适当的控制以防止 网络的拥塞和数据的丢失；应用层q o s 参数是面向端用户的，通常通过采用r t p r t c p 西安科技大学硕士学位论文 技术对实时业务进行适当的控制，以保证实施多媒体业务的q o s 。 时至今日，有关q o s 保证技术问题的研究仍处于不断发展、完善之中，已经规范的 多种基于a t m i p 网络的q o s 控制机制中最基本最常用的有三种：集成服务( i n t s e r v ) 、 区分服务( d i f f s e r r ) 和m p l s 流量工程( m p l s t e ) 【2 】。 在无线移动网络中，分组调度同样有着重要作用，但由于两种网络在传输介质和网 络结构上都有很大差异，因此在这两种网络中，算法的设计思想和侧重点都有所不同【3 j 。 固定有线网中的分组调度作用更大程度上是避免拥塞，为到达交换节点的各个连接选择 下一次转发的路由和服务顺序；而在多业务类型的无线移动网中，分组业务调度更侧重 于对系统整体性能和业务服务质量的保证，特别是时延和时延抖动。 目前移动商用网络中，又分为在c d m a 系统中和g p r s 系统。在g p r s 系统的骨 干网中，s g s n 和g g s n 之间利用m 隧道技术进行通信，m 包到达s g s n 和g g s n 后， 就被打包成新的m 包，然后再进行发送。数据将在网络中透明的传输直至达目的地， 因而在骨干网内更多的还是“尽力而为”的服务方式。c d m a 系统的分组数据网是建立在 i p 技术基础上的，c d m a 系统并没有试图建立一套完整的自己独有的分组数据系统结 构，构造自己的分组数据网络。核心网内也是以“尽力而为”的服务方式为主。 在即将商用的3 g ，即以后的移动网络中，分组网络因其固有的带宽灵活分配、带 宽利用率高等特点在通信网络中扮演了日益重要的角色，但因其q o s 保证能力不足的问 题始终是个严重的瓶颈，制约了分组网络在运营领域内发挥更大的作用。与此同时，大 量业务丰富的分组数据业务占的比重越来越大，不同的应用有不同的服务质量的要求， 所以分组资源调度，q o s 保证显得越来越重要。为了实现分组网络端到端的q o s 保证， 至少需要解决的问题如下： 实现网络资源的最大利用； 有效支持在网络业务端到端范围内高度分布的智能和多种应用类型； 有效支持网络业务端到端范围内的多个管理域的协同工作； 实现在网络业务端到端范围内多种网络技术和q o s 控制机制的并存和互操作。 在移动通信领域引入分组网技术，既要解决上面提到的固定分组网中需要解决的问 题，又要满足移动网络用户移动特性的新的话务模型。这些都对移动网络中分组技术和 提供q o s 的能力及保证q o s 的能力提出了新的更高的追求 4 1 。 1 3 主要工作及研究方法 本文的主要目的是结合传统有线固定网和移动g p r s 、c d m a1 x 网中的基于分组 调度算法的q o s 保证机制，以及网络流行的m p l s 技术分析，提出在未来移动网络中 使用的m p l s 技术和区分服务模型相结合的新分组调度算法来降低网络拥塞时延和减 小时延抖动，满足移动用户对分组业务服务质量的要求，提高网络的整体性能。 2 1 绪论 1 3 1 研究思路 首先引入分组网络中q o s 体系结构和q o s 保证技术，分析分组网络q o s 体系中的 具体技术。接着对有线网络中采用的分组调度方法和移动通信网络中目前常用的分组调 度技术的分析，研究把应用在有线网络中m p l s 新技术，结合移动网络中多种业务需求 不同q o s 的特点，和区分服务业务模型相结合，提出新综合分组调度算法应用到未来移 动通信核心网络中，来降低网络拥塞时延和减小时延抖动。 1 3 2 研究方法 论文分别理论分析m 网中q o s 的集成服务模型和区分服务模型中流量分类、流量 管理、流量整形等流控机制，及队列管理。接着分析在移动网络中分组调度技术和q o s 的保证问题。以移动网络中现有用户行为和业务类别、使用情况等结合3 g 网络的数据 业务应用类型分析计算数据业务话务模型。最后使用o p n e t 通信方针开发工具对移动 网络中采用m p l s 技术和区分服务模型相关调度算法对网络延迟和时延抖动的进行改 进。步骤见图1 1 。 3 西安科技大学硕士学位论文 1 4 章节安排 在第一章节首先介绍本研究课题的研究意义、背景以及发展现状和本文的研究思路 和研究方法。对本文的研究方向作一下概括的介绍。 论文第二章节介绍i pq o s 的体系结构的各种q o s 保证技术的工作原理方式。和基 于璩网络的q o s 保证技术在集成服务模型采用资源预留和区分服务模型采用d i f f s e r v 的方法。最后引入m p l s 方法。 第三章分组调度算法在移动网中的研究。分析g p r s 网络采用的r s v p 资源预留调 度，分析成熟的基于多业务的d i f f s e r v 。最后介绍本论文提出的结合d i 自c s e r v 和m p l s 的新算法。 本文第四章对现网分组业务进行分析，给出分组业务模型和分组网配置主要参数设 置原则和结果。对未来移动通信网分组业务类型基于不同q o s 需求进行分类。根据业务 模型和应用业务，搭建系统模拟环境。 第五章通过上一章搭建的仿真环境，仿真验证新算法在改善系统时延和时延抖动方 面的结果。 最后，总结本论文主要工作和创新点，对研究方向的进一步发展作了一下展望。 4 2i p q o s 体系结构 2 i p q o s 体系结构 为了获得需要的网络性能，需要在网络中采用一定的网络控制机制。即使在出现网 络资源争用的情况下，这些网络控制机制也应该能够保持网络所提交的不同网络服务响 应的一致性，这就是q o s 保证研究。规范的o o s 构件模块主要包括接纳控制、拥塞避 免、流量测量、策略及策略配置、排队调度、资源预留、服务等级管理、费率表征和流 量标识等。可以分为3 个相互独立又有机关联的平面：控制平面、数据平面和管理平面 1 4 1 1 5 1 。参照图2 1 所示。 图2 1 0 0 s 体系结构框架 ( 1 ) 控制平面 控制平面内包含了一系列与用户流量传播路径相关的控制机制，包括接纳控制、q o s 路由和资源预留等。 ( 2 ) 数据平面 数据平面内包含的是直接涉及用户流量的控制机制，包括缓存管理、拥塞避免、分 组标记、排队和调度、流量分类、流量管理和流量整形。 ( 3 ) 管理平面 管理平面内包含的机制涉及网络运营、管理等方面，包括服务等级协议、流量恢复、 流量计算和测量、策略管理等。 5 西安科技大学硕士学位论文 2 1 控制平面机制 2 1 1 接纳控制 接纳控制机制负责在节点流量的入口处控制流量能否接入网络。通常情况下的接入 标准是一个策略驱动的决策过程，流量是否被接入取决于服务等级协议( s l a ) 中已经 协商确定的用户服务的优先等级。决策还依赖于网络中可用资源的多少和接入该流量后 是否会影响已被接入到网络中的其他流量的服务性能。对于服务提供者来说，他们的目 标是在保持网络中已有流量的q o s 水平的同时，尽可能更多地接入新的业务流量 4 1 。 为满足业务的q o s 需求，接纳控制机制必须确保服务提供者在和用户的交易过程中 协商确定的性能参数能够得到满足，同时还必须满足由服务提供者和用户事先协商约定 的服务可用性和可靠性。已协商确定的服务性能的实现方法可以是基于参数的或基于测 量的。 基于参数的实现方法为业务确定一套流量参数( 包括分组丢失、时延、抖动) 的最 差门限，用于为实时业务提供可靠的硬性q o s 保证。代表的例子是资源预留方法，即为 一个将要发生的业务流提前预留必要的网络资源。 基于测量的实现方法是通过对网络现有流量的测量来决定是否允许接入新的流量。 此方法不能保证网络的吞吐量，也不能保证在分组丢失率、时延或抖动等性能参数方面 提供确定的最差限值，因此这种方法更倾向于提供一种软的、相对的q o s 保证。在一般 情况下，此方法比基于参数的实现方法具有更高的网络资源利用率。 2 1 2 q o s 路由 q o s 路由功能负责为业务流量选择能够满足其q o s 需求的一条路径。被选择的路 径通常不一定是传统的最短路径。而是根据所含q o s 参数的细节和数量，计算路径选择 所需的开销来选择q o s 路径。因此，实用的q o s 路由方案主要考虑采用一个q o s 参数 ( 如带宽或时延) 或两个q o s 参数的实现方法。 2 1 3 资源预留 资源预留申请和接纳控制密切相关。所有的申请都应经过接纳控制，而通常一个预 留申请被批准的必要条件是网络具有足够的资源。 资源预留的详细特性依赖于网络性能需求和满足这些需求的特定的网络控制方法。 例如，在集成服务方法中，单一流量将根据令牌桶所描述的参数进行分类，而由接收端 发起的资源预留工作的实施需要根据为保证时延限制所要求的峰值速率的情况。在不考 虑实施细节的情况下，对服务提供者而言，能够管理使用被预留的资源是十分重要的。 6 2 i p q o s 体系结构 因此，资源预留应支持认证、授权和计费( a u t h e n t i c a t i o n ，a u t h o r i z a t i o n ，a c c o u n t i n g ) 功 能，并能够在多个服务提供者争用资源时进行仲裁。资源预留功能的实现通常需要已完 成标准化工作的相关协议的支持，如资源预留协议( r s v p ) 。 2 2 数据平面机制 数据平面包含一些直接涉及用户流量处理的控制机制，具体包括流量分类、分组标 记、流量管理和流量整形、排队和调度、拥塞避免、缓存管理。 2 2 1 流量分类与分组标记 流量分类是一种使用流量分组中的一个或多个字段来标识分组所属类别的方法。流 量分类机制可以是基于分组的，也可以是基于流的。在网络的边缘，负责流量分类的实 体通过分组包的相关字段判定该分组包属于哪一个类型，该类型所对应的服务等级。 i p 网络的分组标记包括口优先级标记和服务类型( t o s ) ，在d i 船e n ，中，对口包 头中的服务类型字节重新定义了新的d s 字节，如图2 2 ，2 3 所示。 i p 优先级字段服务类型( t o s ) 字段 p 2p ip 0dtrc 保留1 图2 2r f c l 3 9 4 规定的服务类型字节 ；dscp字段 d s 5d s 4d s 3d s 2d s ld s 0 保留保留 图2 3d i f f s e r v 的服务类型字节 2 2 2 流量整形和流量管理 流量整形控制机制负责控制进入网络的流量速率和数量。目前，主要的流量整形方 法：漏桶方法和令牌桶方法嘲。 漏桶的工作好比一个底部有洞的水桶，水桶底部的洞使水流能够以稳定的速率流 出，如同数据包稳定地输出。在网络环境中，水流下的速率就是接口为该队列服务的发 送速度。如果水流进入漏桶的速度快于从洞口滴出的速度，那么漏桶就会慢慢地被填满。 此时，将发生数据包溢出现象，溢出的数据包丢失。漏桶的大小表明了漏桶能够在个 时间段内对超过恒定输出速率的流量的缓存能力。 令牌以一个恒定的速率( c r ) 生成，并被存放于令牌桶内。当分组到达时，首先 7 西安科技大学硕士学位论文 检查令牌桶中是否有足够的令牌来传送该分组。如令牌够用，则分组就被标记为顺从， 并从令牌桶删除与分组长度相等的令牌；如果令牌不够，则分组被标记为不顺从，并将 其加入到相应的队列中缓存，以后再传输。 流量管制( t r a f f i cp o l i c i n g ) 机制则是负责判定提交的流量是否符合事先商定的合 约。一般，不符合约定的流量将被丢弃，同时通知用户发送的分组被丢弃及丢弃原因。 2 2 3 排队和调度 排队和调度机制又称为队列管理和分组调度机制，这种机制的作用是控制分组发送 的输出链路。输入分组被置于一个排队系统中，一般情况下，这个排队系统由一个或多 个队列和一个调度器组成，参考下图2 4 ，一个有效的队列调度机制应能够保证：公平 性、时延特性、对恶意业务流的隔离能力、链路带宽的利用率等，这些参数指标都和 q o s 密切相关。 图2 4 排队系统参考路径 目前的排队和调度技术都没有考虑将对列状态通知源节点和限制源节点发送速率 等问题，需要和端到端的拥塞控制和拥塞避免机制协同工作。 2 2 4 拥塞控制和拥塞避免 网络承载的数据流量对网络中某一资源的需求超过该资源所能提供的可用资源总 量时，网络的整体性能就要变坏，这种情况叫做拥塞( c o n g e s t i o n ) 。资源拥塞的条件 写成如下的公式； y 对资源的需求 可用资源 ( 2 2 ) 3 2i p q o s 体系结构 拥塞控制通常采用的方法是在检测到拥塞发生时，将拥塞发生的信息传送到产生分 组的源节点。另一种方法是在网络节点转发的分组中保留一个比特或字段，用该比特或 字段的值表示网络没有拥塞或产生了拥塞。也可以由一些主机或网络节点周期性地发出 分组，以询问拥塞是否发生。 拥塞避免和拥塞控制的含义是基本一致的，拥塞避免是拥塞控制的目的和理想结 果；拥塞控制则是实现拥塞避免的方法。 2 2 5 缓存管理 缓存管理机制是用来处理队列中等待发送的分组的控制机制，决定这些分组是缓存 还是丢弃。目前，已经出现的缓存管理机制包括：随机早期探测( r e d ，r a n d o me a r l y d e t e c t i o n ) 、基于流的r e d ( f m ，f l o wr e d ) 、b l u e 等算法。其中r e d 是缓存 管理的基本算法，后进算法都是在本算法基础上改进咧。 随机早期探测的基本思想是：网络节点计算平均队列长度，当平均队列长度超过某 一门限时，节点将按照某一丢弃概率丢弃新到达的分组，而这个丢弃概率是一个与平均 队列长度成正比的函数。之所以称之为“早期”，是因为该机制是在网络节点不得不丢弃 分组之前就提早把它丢弃。 采用加权动态平均值来计算平均队列长度。加权动态平均队列长度为变量a v e r a g e l 跚g t l l ，其计算公式如下： a v e r a g e l e n g t h = n - w e i g h t ) x a v e r a g e l e n g t h + w e i g h t s a m p l e l e n g t h ( 2 2 ) 随即早期通过探测设定两个队列长度门限值来触发队列管理动作：m i n t h r e s h o l d ( 最 小门限) 和m a x t h r e s h o l d ( 最大门限) 。当分组到达网络节点时，如果平均队列长度比 最小门限小，无须采用任何措施；如果大于最大门限，新到的分组都将被丢弃；如果平 均队列长度在两个门限值之间，随即早期探测按概率p 将新的分组丢弃。在实际的使用 中p 值应有一个较平滑的过渡，它是a v e r a g el e n g t h 和上个分组被丢弃后距离当前时间 的函数，计算公式： t e m p p = m a x p x ( a v e r a g e l e n g t h - m i n t h r e s h o l d ) ， + ( m a x t h r e s h o l d m i n t h r e s h o l d ) 。 p = t e m p p ( 1 一c o u n t t e m p p ) ( 2 4 ) 2 3 管理平面机制 2 3 1 流量的测量 q o s 测量的目的是用一定的测量手段取得网络的性能和服务质量指标。网络的q o s 控制、维护、管理和计费都需要q o s 测量的支持册。q o s 测量有不同的分类方法，按照 9 西安科技大学硕士学位论丈 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、端到端的测量，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存器容量测量，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。在没有网络节点参与，两端 设备又不同步情况下，需要利用信号处理和数学分析推测。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。 2 3 2 流量的恢复 本文取恢复概念的定义是广义上的，指当网络出现失效时，能够减轻对网络业务影 响的所有方法。失效恢复方法包括线路路径保护中的自动保护倒换方法和共享网状网恢 复方法。网络失效通常有两种类型： 节点失效 传送链路失效 和控制平面的接纳控制一样，应急通信的业务流量需要比其他业务流量具有更高的 恢复优先等级。服务提供者需要规划足够的空闲资源，以保证在恢复状态下业务的q o s 和s l a 仍能够得到满足。通常用来衡量业务可恢复性的性能参数是恢复时间和业务恢 复百分比。 2 4i p 网络的q o s 保证机制 目前不同研究组织都对i p q o s 给出了不同的定义，这些定义的内涵不尽相同。由 于技术最早应用于互联网，所以i e t f 的关于i pq o s 的有关定义在i p 技术研究领域 得n y 最广泛的认可。其所指的i pq o s 实际上是指网络层的q o s 。相应的，其所指的 i pq o s 性能参数也是指口层的q o s 性能参数，这些性能参数的行为主体是口数据包， 参数主要包括：吞吐率、丢包率、传输时延、延迟抖动等。 目前i pq o s 模型主要研究主要基于集成服务模型和区分服务模型 $ 1 1 5 1 。 2 4 1 集成服务模型 9 1 i n t s e r v 主要特点： 资源预留：一个节点需要知道资源总数和当前的会话己经预留了多少资源( 包 括链路带宽和缓存空间等) ，从而对能否接纳新的资源请求做出判断。 呼叫建立：一个需要q o s 保证的会话必须先有一个呼叫建立过程，在源节点到 目的节点的路径上的每一个路由器上预留足够的资源，以保证其端到端的q o s 需求。 ， 1 0 2 i p q o s 体系结构 基本思想：采用r s v p 协议机制，以资源预留的方式实现q o s 保证。 r s v p 支持4 种基本的消息类型：预留请求消息、路径消息、差错与确认消息、拆 除消息。 预留请求消息由接收端发往发送端。该消息沿着数据发送路径的相反方向发送。 路径消息由发送端沿着由路由协议提供的单播或多播路由发送。路径消息用于存储 每一个节点的路径状态。 差错与确认消息共有3 种：路径差错消息、预留请求差错消息、预留请求确认消息。 路径差错消息因路径消息而产生，向发送端发送；预留请求差错消息因预留请求消息而 产生，并向接收端发送；预留请求确认消息是对预留请求消息的预留确认，根据由预留 确认对象所得到的单播地址，确认消息被发送到接收端主机，以逐跳路由的方式发送到 接收端。 拆除消息由终端系统发出，或者状态超时后由中间的路由器发出。包括路径拆除消 息和预留请求拆除消息。 ( 1 ) r s v p 工作方式【1 0 1 工作方式如图2 5 所示。 图2 5r s v p 建立资源预目的过程 当路径消息到达第一个r s v p 路由器时，该路由器存储来自上一跳域中的口地址， 作为发送端的口地址。然后这个路由器在上一跳域中插入自己的i p 地址，将路径消息 发送给下一个路由器。后续的每一个路由器重复上述处理过程，直到该消息到达接收端。 经过这个处理过程，每个路由器都将获得上一跳路由器的地址，资源预留路径就可以沿 着相反的方向建立起来。路程确定的过程如下图2 6 所示。 西安科技大学硕士学位论文 厂；石 高赢蚓 i ，_ j 图2 6r s v p 路径确定过程 路由器收到路径消息后，开始为相应的数据流做资源预留准备。如果用户请求最终 得到接纳，属于这个数据流的所有分组将使用通过路径确认消息确定的路由进行转发。 通过网络将路径消息从发送端发往接收端，能够达到以下目的：所有的接收端都能够获 知发送端将提供一个具有特定q o s 需求的数据流，并且所有路由器都知道应该为此数据 流预留适当的资源。 一般情况，在每一个路由器节点内，一个预留请求将触发两个动作：预留链路资源 和转发预留请求。 链路上的资源预留 r s v p 处理模块将资源预留请求传递给该节点内的接纳控制和策略控制模块。接纳 控制模块检查该路由器是否拥有足够的资源来建立新的资源预留，策略控制模块检查该 应用是否具有发起这个q o s 资源预留请求的权限，如图2 7 所示。 t e s v 雨 n 羹蠢l 过t 量蕞l一篇篇伍! ! ! f ( i t t m 郴) l ( f i l t 4 a a ) ll - r 卜_ 蔓暑暑盖：；t 叫竺竺竺! i ， 【型 端嚣) 、- 。一 广= i 二 r_ = = = = = t 摆蠢 ：= ：= 二l：= ：= 二 图2 7 r s v p 预留处理 转发预留请求 如果预留请求成功通过当前路由器内的接纳控制和策略检查模块，则该预留请求将 被进一步传送到上游节点。在组播环境下，一个接收端可以从多个发送端获得数据。属 1 2 2 i p q o s 体系结构 于一个预留请求的发送端主机的集合被称为该预留请求的范围。一个节点在成功预留资 源后向上游节点转发的预留请求可以不同于它所接收到的来自下游节点转发的预留请 求。造成这种情况的一个可能原因是流量控制机制可以逐跳修改流参数。另一个更重要 的原因是在组播环境中，资源预留请求可能来自不同的下游分支，但这些下游分支对应 着同一发送端，这些资源预留请求将在此节点处被合并到一起。这种合并操作对于节约 路由器资源来说非常必要。 只有在路径中的所有路由器都支持r s v p 的情况下，这种类型的预留操作才是可行 的。而只要路径中有一个路由器不支持资源预留，相应业务的q o s 就不能在整个路径上 得到保证。由于常规的路由器仅采用尽力而为的处理机制，而路径上任何一个不支持 r s v p 的路由器都将成为该路径实现业务q o s 保障的瓶颈。 ( 2 ) r s v p 消息结构 r s v p 的消息头结构如图2 8 所示，类型字段的定义值如表2 1 所示，r s v p 的对象 域如图2 9 所示。 44 8 1 61 6883 2 1 5i 1 6 图2 8 r s v p 的消息头 注：图中上方数字表示每个字段对应的长度，单位是比特 表2 1r s v p 消息类型字段当前的定义值 数值消息类型 路径 预留请求 路径差措 预留请求差错 路径拆除 预留拆除 预留请求确认 1 6 88 可变长度 图2 9 r s v p 的对象域 ( 3 ) 集成服务模型的不足 i n t s e r v r s v p 提供了i pq o s 中最高级别的保证，它允许应用层以很高的粒度和可 1 3 西安科技大学硕士擘住论文 靠性来获得数据传输的服务保证。能够提供绝对有保证的q o s 。因为r s v p 运行在从源 端到目的端的每个路由器上，因此可以监视每个流，以防止其消耗其它请求、预留和预 先购买的更多的资源。 但是它也有严重的缺陷，这些问题主要表现在： 可扩展性差：r s v p 提供的q o s 保证依赖基于流的、复杂的资源预留、接纳控制、 q o s 路由和调度机制，在大规模网络中实现这样的机制几乎是不可能的。同时由于r s v p 面向连接的特性，需要每个路由器保存维护和流数量成正比的预留状态，这对大型网络 的核心来讲是无法做到的。 对路由器的要求很高：若要实现有保证的服务，网络中所有的路有器都要支持 r s v p 的协议，并需要加入接纳控制模块、分类模块和调度模块。 和网络设计原则相抵触：事实上r s v p 依靠的类似动态虚电路的连接方式，彻底 改变了m 网络状态无关的基本结构，网络同时扮演了面向连接和无连接两种角色，违 反了球网络赖以取得成功的基本原则。同时r s v p 还存在资源预留和路由选择之间 的矛盾。 i m s e r v 仃璐v p 将定义需求并发起预留的功能放在了接收和发送方的应用层，如果 不对原来的不支持r s v p 的应用加以修改，而网络层面上在此情况下又缺少对流的区分 标记手段，就无法发挥q o s 功能。 2 4 2 区分服务模型i l l j d i f f s e r v 体系结构是为克服i n t s e r v 体系结构的可扩展性问题而提出的，与集成业务 模型的本质不同：它不是针对每一个业务流进行网络资源的分配和q o s 参数的配置，而 是将具有相似要求的业务归为一类，随后对这一类业务采取一致的处理方式。使用m 数据包报头中的t o s 字段，重命名为d s 字段。按预定规则加以定义，通过识别d s 字 段，获取足够的信息来处理到达的数据包，并将他们正确转发给下一节点，把复杂的 q o s 保证通过d s 字段转化为p h b 。较好的解决了集成服务模型可扩展性较差的问题。 基本机制是在网络边缘路由器上根据每个业务的服务质量要求将该业务映射到一 定的业务类别之中，利用m 分组的d s 字段唯一地标识这一服务类别，网络中的各个节 点将依据该字段对各种业务类别采取预先确定的服务策略，保证相应的延迟、传送速率、 抖动等服务质量参数。 当数据包进入边界节点时，首先根据五元组进行分组到流的区分，并把分类结果传 送给计量器分析，计量器对流的特性进行测量( 如速率，突发长度等) ，将流统计信息 传送给标记器和整形丢包器，调整这两个模块的数据；分类后的数据包进入标记器，标 记相应的d s c p 值，同时送入整形丢包模块中，整形可以平缓突发通信，对超过平均速 率的分组进行缓存排队，当业务流超出一定程度时则丢弃；当流量进入内部节点后，判 1 4 2 i p q o s 体系结构 断对分组采取何种p h b ，同一行为聚合体的分组按相同的方法处理，通过队列调度( 如 f i f o ，p q ，w f q 等) ，完成对不同p h b 的区分。 当数据包从边界节点进入核心节点，核心路由器根据分组头中的d s c p 值，映射为 p h b 集合中的某个特定的p h b ，对分组进行转发行为。 ( 1 ) d i f f s e r v 的体系结构 实现d i f f s e r v 功能的网络节点称为d s 节点。一组采用相同服务提供策略并实现相 同p 船组集合的相连的d s 节点组成一个d s 域。d s 地区则由一组相互邻接的d s 域 组成，d s 节点可分为d s 边界节点和d s 内部节点。前者将d s 域和其他d s 域或非d s 域连接在一起，后者仅负责在同一个d s 域内连接d s 边界节点和其他内部节点。两种 节点都可以根据分组的区分服务编码点选择相应的p h b 进行转发操作。d i f f s e r v 网络结 构如图2 1 0 所利“j 。 图2 1 0d i f f s e r v 网络结构 业务流的分类与策略工作由网络的边缘节点来完成，中间节点只需对d s 字段进行 检查并采取相应的交换策略即可。网络的边缘节点负责业务的分类、标记和整形，当数 据分组进入核心网络时，中间路由器将只关心分组的d s 字段，依据d s 字段为业务流 选择特定的p h b ，根据p h b 所指定的排队策略将属于不同业务类别的业务量导入不同 的队列加以处理，并按事先设定的带宽、缓冲处理输出队列，最后按照p h b 所指定的 丢弃策略对分组实施必要的丢弃。 ( 2 ) d i f f s e r v 模型的不足 虽然d i f f s e r v 模型有良好的可扩展性和可升级性和实现的简单化，但仍存在不足之 处，不能实现真正意义上的q o s 保证。d i f f s e r v 模型的的缺点是f 1 3 1 1 4 j ： 不能保证每个流的绝对的服务质量 1 5 西安科技大学硕士学位论文 不能保证端到端的q o s d i f t s e r v 没有办法完全依靠自己来提供端到端的q o s 结构，它需要大量网络单元的 协同运作，才能向用户提供端到端的服务质量。鉴于这些组件高度分散的特点和对它们 进行集中管理的需要，必须有一个全局的带宽管理对全局资源进行动态管理。 2 4 3m p l s 引入l 1 9 1 多协议标记交换( m p l s ，m u l t ip r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 最初是为了提高路由器 的转发速度而提出的一个协议。m p l s 协议的关键之处在于m p l s 将第三层口技术与 第二层的硬件交换技术结合在一起，引进了标签( l a b e l ) 的概念。标签是一种短小、易 于处理、不包含拓扑信息，且只具有局部意义的信息内容。它的短小是为了易于处理， 可以通过索引直接引用；只有局部意义是为了便于分配。 在m p l s 网络中，m p l s 边缘路由器对新进入网络的口分组进行m p l s 协议封装。 在此过程中，m p l s 边缘路由器分析i p 分组的内容，为这些i p 分组选择并插入适