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服务质量保证在网络层上的实现蹙 摘要 传统的i p 网络为尽力传送网络，但是随着网络上新应用的不断 增多，现有的尽力而为的服务很难满足各种应用的需求。尤其一些 实时和交互式的应用对于时延、带宽和抖动的提出了不同的要求， 这就要求对目前存在的网络体系进行一定的改进。 为了在i n t e m e t 上提供服务质量的保证，i e t f 提出了一系列的 构架：如集成服务资源预留和差分服务等，它们可以提供不同级别 的端到端的服务质量的保证。本文主要研究服务质量保证在网络层 上的实现，它主要涉及到三个方面的问题：数据调度、缓存管理和 约束选路，本文分别对这三个方面进行了讨论。 ，调度策略是在网络中提供服务质量保证的关键环节，它的基本功 能就是对在链路中等待发送的数据包进行仲裁；然后根据对数据包 所采用的调度算法和链路上业务量的特性，可以计算出某些服务性 能，这样就可以用来计算端到端的服务质量保证。我们在设计和选 用调度策略时，主要考虑算法的严格性、有效性、复杂性和公平 性。 相对于调度策略对链路资源的管理而言，缓存管理则是对网络节 点中的存储资源进行管理，它主要考虑在网络发生拥塞时如何对超 过了存储容量的数据包进行处理，如：在何时抛弃一个数据包，应 该抛弃哪个数据包等。缓存管理是确定包的时延，控制网络的流量 是非常有效的工具。 另外本文还着力探讨了基于服务质量的路由选择问题，尽管服 务质量选路相对于资源的管理和调度是两个完全不同的模块，但是 它是实现业务量工程的有效工具，可以明显改善数据调度和缓存管 理的有效性，是在网络层上实现服务质量保证必不可少的组件。 本文接着提出了两级调度的算法，并在l i n u x 上得以实现，它 的思想主要来自于在包网络上链路共享和资源管理的分级模型。两 级调度的主要优点在于它可以把需要服务质量保证的流和尽力而为 服务的流统一在一种调度算法之下，在保证实时流服务质量的同 时，兼顾了对于尽力而为服务的公平性。通过对此算法的实验数据 分析，我们发现它确实可以对带宽进行有效的分配，但是在网络拥 塞的情况下，对于需要交互的突发性业务量则没有很好的时延的保 证，因此需要在算法的某些方面进行改进。 本文在最后总结了例络层中的服务质量保证机制，并涉及到其 他提供服务质量保证的一些技术，如主动网络和v p n 等。它们从严 格意义上说，不是完全独立的，它们内部服务质量的实现，需要调 用到前面所论述的各利调度和管理算法、选路算法等，因此可以被 看成是上层的一利t 应用。l ，厂 关键词服务质量，调度算法，约束选路，公平队列，随机早期检测 p a c k e th a n d ii n gt op r o v i d eo o sg u a r a n t e eo n i p n e t w o r k s a b s t r a c t t o d a y si n t e r a c to n l yp r o v i d e s b e s t e f f o r ts e r v i c e t r a f f i ci sp r o c e s s e d a s q u i c k l y a sp o s s i b l e ，b u tt h e r ei sn og u a r a n t e ea st ot i m e l i n e s s o ra c t u a l d e l i v e r y w i t ht h er a p i d t r a n s f o r m a t i o no f t h ei n t e m e ti n t oac o m m e r c i a l i n f r a s t r u c t u r e ，d e m a n d sf o rs e r v i c eq u a l i t y h a v e r a p i d l yd e v e l o p e d t o p r o v i d et h eq o sg u a r a n t e e o ni n t e m e t ，i e t fh a sp r o p o s e ds o m e a r c h i t e c t l i r e ss u c ha si n t e s e r v r s v p ，d i f f s e r v ，e t c ，w h i c h c a n p r o v i d e e n d t o e n dq o s g u a r a n t e ei nd i f f e r e n tl e v e l s i n t h i st h e s i s ，w ed i s c u s st h e p a c k e th a n d l i n g o nt h e3 ”l a y e rt op r o v i d et h eq o sg u a r a n t e e ，w h i c h i n c l u d e st h r e ec o m p o n e n t s ：s c h e d u l i n g ，b u f f e rm a n a g e m e n t a n d ： c o n s t r a i n b a s e dr o u t i n g r e s o u r c e st h a tn e e dt om a n a g ei no r d e r t os u p p o r ts e r v i c ed i f f e r e n t i a t i o n p r i m a r i l yi n c l u d e b u f f e r sa n db a n d w i d t h t h ec o r r e s p o n d i n gm e c h a n i s m s c o n s i s to fb u f f e rm a n a g e m e n ts c h e m e s a n d s c h e d u l i n ga l g o r i t h m s ， r e s p e c t i v e l y b u f f e rm a n a g e m e n t s c h e m e sd e c i d ew h i c hp a c k e t sc a n b e s t o r e da st h e yw a i tf o rt r a n s m i s s i o n ，w h i l es c h e d u l i n gm e c h a n i s m s c o n t r o lt h ea c t u a lt r a n s m i s s i o n so f p a c k e t s t h et w o a r eo b v i o u s l yr e l a t e d ， e g ，s c h e d u l i n gf r e q u e n tp a c k e t t r a n s m i s s i o n sf o ra g i v e n f l o w ，i e ， a l l o c a t i n gi tm o r eb a n d w i d t h ，c a nh e l p r e d u c ei t sn e e df o rb u f f e r s ，a n d c o n v e r s e l yl i m i t i n gt h ea m o u n t o f b u f f e rs p a c eaf l o wc a n u s ei m p a c t st h e a m o u n to fb a n d w i d t hi ti sa b l et oc o n s u m e t od e s i g no rs e l e c ta n a l g o r i t h m w e s h o u l dm a i n l yf o c u so nt h et r a d e - o f f b e t w e e ni t se f f i c i e n c y a n d i m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t y w ea l s od i s c u s s e dq o sr o u t i n gi no n ec h a p t e r ，t h o u g hi ti sn o td i r e c t l y r e l a t e dt ot h er e s o u r c em a n a g e m e n ta n ds c h e d u l i n g b e c a u s ei ti sa u s e f u l 1 1 1 t o o lt oi m p l e m e n tt h et r a f f i ce n g i n e e r i n g ，i tc a n n o t a b l yi m p r o v e t h e s c h e d u l ea n db u f f e r m a n a g e m e n te f f i c i e n c ya n d i so n eo ft h en e c e s s a r y c o m p o n e n t s t oi m p l e m e n tt h eq o s g u a r a n t e e t h e nw e p r o v i d e at w o 1 e v e ls c h e d u l em e c h a n i s ma n d i m p l e m e n ti to n t h el i n u x p l a t f o r m t h i ss c h e d u l ea l g o r i t h m i sm a i n l yf o c u so nh o wt o m a k ee f f e c t i v ea n df a i ru s eo fb a n d w i d t h a m o n g t h eb e s t e f f o r tf l o w si n t h eq o st r a f h ca n db e s t - e f f o r tt r a 硒cc o e x i s te n v i r o n m e n t f r o mt h ed a t a a n a l y s i so f t h i sa l g o r i t h m ，w ek n o wt h a ti tc a nd oe f f i c i e n tb a n d w i d t h a l l o c a t i o nt ot h e h e t e r o g e n e o u sf l o w ，b u t i tc a n n o t p r o v i d eg o o dd e l a y g u a r a n t e et ot h ed e l a y - s e n s i t i v ef l o w sa n dw eh a v et od os o m e i m p r o v e m e n t a tl a s tw ed i s c u s ss o m e e m e r g e n t n e t w o r k t e c h n o l o g yt h a ti su s e f u lt o p r o v i d e t h eq o s g u a r a n t e eo n t h en e t w o r ks u c ha sa c t i v en e t w o r k sa n d v p n ，e t c t h e yl a r g e l yd e p e n do nt h es c h e d u l ea n dm a n a g e m e n t d i s c u s s e d p r e v i o u s l ya n d c a nb ev i e w e da s h i g h l a y e ra p p l i c a t i o n s k e y w o r d sq o s ，s c h e d u l e ，q o s r o u t i n g ，w f q ，r e d l v 第一章引言 当前的i n t e r n e t 正从提供尽力而为的服务转向提供具有服务质量保证的服 务转变，在i n t e r n e t 蓬勃发展的今天，综合业务传输的质量已经成为技术层出不 穷，应用日新月异的领域在j p 上的数据包的调度和选路是一个涉及面广，同 时具有学术和应用意义的领域我们在主要研究在i p 网络上的调度和路由的同 时，探讨了当前综合业务服务质量保证的架构、关键技术、算法、理论和为深入 发展所进行的研究。 1 1 进行服务质量研究的意义 在宽带网络中提供服务质量( o o s ) 的保证是当前i n t e r n e t 技术发展的一大 热点，它的核心思想在于在原有的网络构架中建立起能够提供端到端的质量保证 的服务以及对不同要求的服务提供良好的分级。 i p 上服务质量的研究具有很大的实际意义：一方面，随着网络上实时应用 的不断增多，对带宽和时延的要求越来越高，它们要求传输网络能够支持它们的 服务请求。另外，随着a t m 技术的出现，在链路技术上已经能够进行o o s 的协商 和保证，但是传统的i p 仍然提供尽力而为的服务，这使得下层的先进技术无法 得到应用。同时，r p 上服务质量的保证也为一些最新的网络技术的发展铺平了 道路，如主动嘲络和v p nr p ，郡需要对刁i 同业务的流进行管理。具有服务质量保 证的网络是下一代i n t e r n e t 技术对于目前的主要改进之一，它是下一代综合业 务数字网发展的基础。 1 2 包的调度和选路算法的研究 各种不同应用的出现是在网络上提供服务质量保证的驱动力，如一些电子商 务的应用需要对用户数据提供可靠性的保证；一些远程医疗则需要数据传输的时 延足够小，否则就会影响到病人的生命；对于一些视频应用束说，最重要的则是 要考虑抖动的问题。因此，为了满足这些需求必须对当前的网络服务进行改进工 作，而包的调度和选路是在网络层实现服务质量保证的关键技术。 1 2 1 包的调度和缓存管理 随着新的应用的不断增加，它们提出了不同的服务质量要求。对于目前尽力 而为的因特网来说，是不能支持许多严格的服务质量请求。为了扩展当前的 n t e r n e t ，i e t f 做了很多的工作，包括集成服务资源预留体系，差分服务体系 服务质量保证在网络层上的实现 第一章引言 等。这些都要求剥于不同要求的业务流进行分别的处理，根据它们的优先级和请 求的服务质量的严格程度合理地分配资源。 在网络| = i 带宽和缓存足两个最重要的网络资源，相对应的就足数据包的调 度和缓存的管理。缓存的管理包的存储，而调度则管理包的传输，它们是紧密联 系在一起的，为一个数据流分配足够的带宽可以减少所需的缓存，而如果为了节 省带宽，则必须为陔数据流提供足够的缓存。 在研究包的调度和缓存的控制机制中，我们主要需要考虑：公平性、独立性、 有效性和复杂性。公平性就是所有的数据对于多余网络资源的获取应该不能独 占：独立性就是数据不能受到其它贪婪的数据流的影响；有效性就是在一定的复 杂性下能够状取一定服务级别的数据流的数目；复杂性就是实现和控制机制实现 时的时间和空间复杂程度。例如，对于缓存管理方法来说可以为每条数据流都分 配一个队列，也可以让几个流共享一个队列。对于前者来说，具有较好的独立性 和有效性，但是因为对每个流都要管理一个队列，因此较为复杂。调度算法也存 在着同样的问题，例如加权公平队列算法可以为单一的流提供带宽和时延的保 证，而基于类的调度只能为属于同一类的流的聚合提供确定的服务。因此，有效 性和复杂性之帕j 永远是一对矛盾，实际操作时必须考虑在不同的网络环境下采用 最合适的调度策略和缓存管理方案。 1 2 2 基于o o s 的选路 当前的i n t e r n e t 中，i p 上的选路算法都是基于尽力而为的服务模型的，建 立路由表时只考虑到使其代价最小。但是随着多种应用的出现，由于它们对于带 宽、时延和抖动的不同要求，就需要在设计选路协议时考虑到这种约束，这就是 约束选路( c o n s t r a i n t b a s e dr o u t i n g ) 。根据这种协议就可以得到的一条满足 指定的约束条件的路径，如果约束条件是q o s 的参数，我们就称之为q o s 选路。 如果采用尽力而为的选路策略，那么所选得的一条通路可能是不能满足应用 程序的服务质量要求的。针对应用程序的服务质量请求，我们把选路后通路建立 的成功概率作为衡量q o s 约束选路算法准确性的个指针。对于具有多重的o o s 约束的选路问题是当日u 研究的一个热点，因为由于约束条件的增加可能使得计算 出符合条件的通路非常困难，需要进行某些近似才能在多项式阶的复杂度内计算 出通路，也可以利用在包的调度算法中所引入的约束条件的相关性解决问题。同 时，因为路由表的更新相对与网络状态变化存在着时延，使的在过时的信息中选 耿的通路并不一定能满足应用的请求，此时就要用成功率来衡量选路算法的性 能。 另外，为了实现服务质量选路的目标，就必须在路出表中维护更多的状态信 2 息，在亚新刚络状念时网络上传输的信息量也卡u 应地增火。这样就引入了实现的 时问和空间的复杂度。在选取路由算法时，这也是必须要考虑的一个问题。 1 3 两级调度系统的实现及性能分析 我们在l i n u x 平台上构建了两级调度系统。建立此系统的目的是：实现在 i n t e r n e t 环境下，在t c p i p 协议栈中提供具有q o s 调度的模块，能够对q o s 业 务和尽力而为服务进行管理，并分析所设计的系统的性能，对不同的调度算法进 行比较。同时评估添加这些特性可能导致的代价的增加，以此为基础进行可行性 的分析，为在实际的丌发积累经验。 选择l i d u x 作为我们的开发环境是基于多中考虑的： l i n u x 上所有的源代码都是公开的，在这样一个丌放的平台上， 我们可以很方便地获取各种核心的技术文档。 目前已经有很多人从事了这方面的工作，在需要时可以借鉴很多 的经验。 l i n u x 平台对于硬件的良好支持使得我们设计的模块可以很容 易的进行移植，这在一些实现中是很有用的。例如：如果我们用嵌入式的 l if l u x 作为v p n 的接入设备的操作系统，那么就可以很方便实现不同业务 的管理和配置。 采用多台主机仿真i n t e r n e t 的环境，我们分析了在不同的环境下调度算法， 进行了总结并提出了改进方法。 1 4 各章节的内容 论文的第一、第二章着重阐述了当 j i n t e r n e t 中服务质量保证的架构，同 时分析了调度和路出在其中的地位。第三和第四章分别叙述了调度和路由的各种 算法和它们的实现细节。第五章主要分析l i n u x 上q o s 服务实现以及在此之上两 级调度体系的构建。第六章为实验数据及分析，并提出了对不足之处的改进方法。 最后一章则为全文的总结，回顾了前面几章所讨论的问题，并讨论在目前飞速发 展的网络技术( m p l s ，主动网络，v p n ) 中q o s 的应用及发展前景，以及如何在 网络层之上构建服务质量保证的体系。 第二章i p 上服务质量架构 目前的因特网对于业务量的处理主要是尽力而为( b e s te f f o r t ) 的，所有的 业务量被尽快的处理。但是随着因特网同益被用作商业用途和承载的实时业务量 的增加，服务质量( q o s ) 的保证就显的尤为迫切。 显然针对因特网上的不同业务量，我们需要对他们采用不同的级别进行处 理。第一类最高级别的是专门在因特网上从事商业活动的公司，对于一些电子商 务的应用，不仅需要极高的可靠性，也要使用户能有足够的交互速度。另一类就 是针列实时的话音和视频的服务等级，它们要求具有较低时延和抖动的服务。最 后一类就是目前的因特网上所采用的尽力而为的服务，这在将来主要是针对一些 只需要因特网连接的业务，如电子邮件。 目前对于是否要在i p 网上提供q o s 的保障机制正在激烈地讨论。一些人认 为随着光通信的发展和密集波分复用技术的成熟，因此业务量的q o s 可以通过 增加廉价的带宽得到满足。而其它一些人则认为不管网络可以提供多少带宽，总 是会有新的应用来消耗它们。 2 1 因特网上q o s 保障的架构 为了满足因特网上端到端的q o s 需求，i e t f 已经提出了很多服务的模型。 其中最为流行的有集成服务( i n t e s e r v ) 资源预留( r s v p ) 、差分服务( d if f s e r v ) 、 多协议标签交换( m p l s ) 、业务量工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 和约束选路 ( c o n s t r a i n t b a s e dr o u t i n g ) 等。它们与t c p i p 协议栈之问的对应关系如下图 所示： 图2 - 1q o s 服务分层结构 f i g 2 - jq o si n1 a y e rm o d e l 在传输层上，主要是集成服务或差分服务的体系。集成服务是建立于资源预 留之上的，对于实时的应用，在传送前必须建立一条已经预约了的信道，r s v p 4 则是建立信道和预约资源所j _ | 】的信令i 办议。在差分服务中，不同类的数据包被分 成不同的级别而享受分级的服务。 在网络层的转发机制中，目前主要的技术有基于约束的选路和m p l s 等，本 文的主要讨论都是集中于这一层面。约束选路是为了在网络中寻找一条服从一定 约束条件的路径，如带宽的约束，时延的约束等；而m p l s 则是在提供q o s 时一 种较好的转发机制，它在当数据包进入m p l s 域时就给它分配一个标签，以后的 分类，转发和服务都基于这个标签进行，这样就可以简化很多操作。 2 1 1 集成服务和资源预留 1 和尽力而为的服务相比，集成服务又提供了两种新的服务模式。 确信服务 2 ：应用需要固定的时延。 控制负载服务 3 ：应用需要比尽力而为更可靠和迅速的服务。 这种服务存在的基础是凶为一些业务流需要端到端的严格的服务质量保证 这样就需要对于每一个流都保留相应的状态值。 r s v p 就是因此而产生的信令协议，它的工作方式如下图所示： 图2 - 2r s v p 信令工作流挫 f i g 2 - 2r s v ps i g n a l i n g 发送者向接收者发送一条p a t h 信息来指定需要传输的业务量的特性，每个 节点都是根据路由协议来转发p a t h 信息的。当接收者接受接收到这一信号之后， 响应一个r e s v 消息来为这个业务流请求资源。路径上的每个节点都要判断是否 能满足这一请求，如果此请求被接受，那么这个节点就为它预留所需的带宽和缓 存，同时建立关于这一流的状态表。 集成服务主要山四个部件组成：信令协议( r s v p ) 、许可控制、包分类器和 包调度器。对于需要确信服务或者控制负载服务的应用，都需要在传输数据前进 行路径的建立和资源预留的工作。许可控制用来确定是否能够满足业务流的请 求，从而建立预留。当节点许可某个业务流的进入后，分类器就根据数据包的特 定域进行分类，并将它们放到相应的队列中，由调度器进行调度以使其满足一定 服务质量保证在网结层上的实现 第二章l p 上的碾务质量架构 的服务质量要求。 集成服务的采用会对当前i n t e r n e t 的构架产生深远的影响，它要求在任何 一个端点都要部署流状态的信息和控制信令，这就会导致一系列的问题： 状态信息和业务流成比例增加，这给网络节点增加了巨大的存储 和处理开销，因此这种架构在主干网中不适宜采用。 对路由器的要求比较高，每个路由器都需要有r s v p 信令、许可 控制、分类和调度等模块。 对于确信服务i 面吉，更需要在所有的：肖点都部署具有集成服务的 路山器。而对于控制负载服务，可以在发生洲塞的节点有选择地部署。 2 1 2 差分服务 差分服务的引入就是为了克服在集成服务中所遇到的各种问题，在i p v 4 的 头部就有个服务类型( t o s ) 域，应用可以设置这个域来表示自己需要较低的 时延或包丢失率。差分服务定义了t o s 可能出现的选择( d sf i e l d ) ，同时对每 个类型规定了转发的行为( p h b ) 4 。通过对d s 域的标识，可以创建不同的服 务级别，因此差分服务中业务流获取的是一种相对优先的服务。 用户为了能够从i n t e r n e t 服务提供商( i s p ) 中获取区分的服务，他们必须和 ( i s p ) 签定服务级别的协议( s l a ) ，s l a 指定服务的不同级别和在相应的级别 中所允许的流量。s l a 可以是静态的，它可以在一定的期限内一直使用；也可以 在要求服务时动态地获取，但是这需要r s v p 这样的信令协议的支持。 在i s p 网络的入口点，数据包被分类、处理或整形，具体采用何种策略是由 s l a 规定的。当一个数据包从某个域到达另一个域时，它的d s 值就会根据两个 域之间的s l a 重新标识。 典自了这些分类、去卉、整肜或洲皮的机制后，差分服务体系可以抛供很多 种不同的服务： t 优良的服务( p r e m i u ms e r v i c e ) ：具有低时延和低抖动。 保证的服务( a s s u r e ds e r v i c e ) ：具有比较好的可靠性。 奥林匹克服务( o l y m p i cs e r v i c e ) ：它把不同的服务分成金、银 、铜三等，服务质量依此下降，类似于奥运会中运动员所得奖牌的性质 。 差分服务和集成服务相比，有很大的不同。首先，它的服务级别是受到d s 域长度限制的，因此网络节点所需的状态信息的量和业务流的数量无关，只是和 分类的数量多少有关，因此差分服务具有更好的扩展性。其次，分类、标识、策 略和整形这些复杂的操作都只要在自治域的边界进行，i s p 的主干路由器中只需 进行简单的行为聚合( b e h a v i o ra g g r e g a t e ，b a ) 因此实现和部署也更为简单。 一般来说，i s p 的网络中，边界路由器总是和客户端相连，互相之间再通过 主干路由器连接。为了降低传输的延时，主干路出器的设计必须是很快的，但是 边界路由器则没有这个要求，因为用户的接入速率相对来浣总是比较低的。因此， 在边界路由器就允许一些l ； 述的复杂操作。对于网络接入点( n e t w o r ka c c e s s p o i n t s ，n a p ) 的路出器来说则是例外，它们既需要复杂的操作，又需要快速的 转发，因此需要较好的配置。 差分服务模型的另一个优点就是它的增量部署，它不要求在数据通路的所有 节点都支持差分服务。尽管不支持差分服务的路由器按照尽力而为的模式传送业 务量，但仍然可以实现服务质量的区别。 2 1 3 端t , j t 嵩的架构 2 1 3 1 保证的服务 保证的服务使用户在网络拥塞的情况下，仍可以从i s p 处获取可靠的服务。 用户和i s p 之问签定s l a ，它指定了用户可以获取的带宽，而由用户来决定如何 在应用之阳j 分配这个带宽。 在保证的服务中，s l a 通常是静态的，它可以这样实现：首先，在入口节点 中进行分类和决策工作。如果所需要服务的业务量速率没有超过在s l a 中指定的 速率，就认为它们是合法的，否则就认为它们非法。然后，所有的包被放入可靠 队列以保证数据传输的有序性，这个队列在一定的缓存管理机制( 如r e d ) 的管理 之下。 随机早期检测( r e d ) 是- - 4 0 队列的管理机制，它通过随机地丢弃数据包来 触发t c p 的流量控制机制，使其减少发送的数据量。这样，r e d 就可以避免缓存 的溢出，从而避免了数据包的尾部丢弃。尾部丢弃会同时减少或增加t c p 的流量， 这种摇摆会严重影响网络的性能。事实证明，r e d 是很有用的，目前以得到了广 泛的应用。 r i o 是对r e d 的改进 5 ，它维持两个r e d 算法，一个足对于”i n ”数据 包，另一个是对于”o u t ”数据包。每个队列会有两个门限值，当队列长度小 于第一个门限值时，没有数据包被丢弃；当队列长度在两个门限之间时，”o u t ” 数据包被随机地丢弃；当队列长度超过第二个门限值后，表示网络出现了拥塞， 所有的数据包被随机地丢弃，但是”o u t ”数据包被丢弃的可能性更大。r i o 除了打破t c p 流控中的同步性能之外，还阻止了一些贪婪的流影响到其它流的性 能。 采用r i o 缓存管理，即使在网络拥塞的情况下，也可以把包的丢失率控制的 7 t 服务质量保证在阿络层上的实现第二章i p 上的服叁堕苎架构 i i i i i 很小。这样，只要用户遵守s l a ，它的所获得的服务是非常可靠的。尽力而为的 业务可以和保汪的服务分丌处理，也可以同样处理：在同样处理时，在d s 域中 取一个ab i t ，对于保证服务的”i n ”数据包ab i t 置为i ，对于保证服务的 “o u t ”数据包和尽力而为的数据包，ab i t 置为0 。 2 1 3 2 优先的服务 优先的服务能够为具有固定峰值速率的用户提供低时延和低抖动的服务。每 个用户和i s p 之间具有s l a ，在这里s l a 指定用户所需的峰值速率，用户必须遵 守这个协议，否则多于的业务将被丢弃。只要用户遵守了协议，i s p 可以保证一 定会有可用的带宽传输这些业务，因此优先的服务对于i n t e r n e t 上的电话、视 频会议和v p n 等需要租赁线路的业务都是很适合的。 由于优先服务比保证服务更为昂贵，因此需要i s p 同时提供静态的和动态的 s l a 。动态的实现允许用户在需要时j 请求优先服务，这样就会用到许可控制的 功能柬确定是否接受这个请求。 优先服务可以这样实现：在客户端首先要判断哪些应用需要获取优先服务， 连向该用户的边缘路由器进行分类和整形的操作。假设使用d s 域中的某一pb i t ， 如果pb i t 置位，那么数据包就属于优先服务；如果pb i t 复位，数据包就属于 保证服务或尽力而为的服务。在客户端的出口路由器处，必须进行通信量的整形， 以确保通信量的峰值速率不超s l a 的规定；在服务提供端的入口点，对这个通信 量进行决策，过量的业务被丢弃。所有pb i t 置位的数据包被放入优先队列 ( p r e m i u mq u e u e ，p q ) ，所有p q 中的数据将在a q 之前发送。 在优先服务分硇i 均匀的情况下，以下几个因素可以保证对于优先服务数据的 服务速率总是高于数据到达的速率。 通过许可控制来限制可以获得优先服务的业务量，一般来说把来限 制在入口链路的1 0 左右。 在网络的入口节点中，把超过了s l a 的数据包丢弃。这样一些贪婪 的业务流就不会影响到其它的业务流。 优先服务的数据包在其它级别的数据之前发送，理论上它们总是能 获取1 0 0 9 6 的输出带宽。而在一般的全双工链路中，输入带宽和输出带宽是相 等的。 在大多时间内优先队列的长度总是很小或是空的，可以保证优先服务的数据 包时延和抖动很小，但是却不能在量上提供严格的限制。 然而，优先服务的业务分却不均可能会导致一些问题。在i s p 网络中，从边 界路i j i 器到主干路l i f 器不可避免会发生流的聚合，如下图中的c r i ，由于输出链 路的速率比输入链路高很多，因此这种聚合是允许的。但是这却违反了前面优先 服务的到达速率必须远远小于服务速率的假设。此时，差分服务本身不能解决这 一问题，需要用到业务量工程和约束选路来避免这种由于分布不均而造成的网络 拥挤。 幽2 - 3 业务分布不均时的优良服务 f i g2 - 3u n e v e nd is t r i b u t i o no fp r e m i u mt r a f f i c 通过限制优先服务的业务量的速率，可以提供网络的公平性，避免其它保证 的和尽力而为服务的业务量的饥饿。这也可以通过在p q 和a q 之间提供加权公平 队列的机制来实现。 2 1 3 3 用户域内服务的分配 获取一个s l a 之后，用户域需要确定域内的主机如何分配s l a 中规定的服务， 这e i j 6 2 务分配主要可以有两c | j 选择： 每个主机自己决定使用哪利- 服务。 由带宽代理( b a n d w i d t hb r o k e r ) 决定如何分配服务。 带宽代理可以是主机，路由器，或者是出口节点中的一个进程，在它内部配 置了一定的服务分配策略。 在主机刀：始传送数据包时，它自己确定一个服务的等级；或者要求带宽代理 为它确定一个服务等级。如果主机发送的数据包是没有标识的，那么带宽代理就 就要使用一些协议来对与主机相连的路由器设置分类、标识和整形规则，目前使 用比较多的协议有资源预留协议( r s v p ) 和轻量级的目录访问协议( l d a p ) 。 另外，如果用户和服务商之间的s l a 是动态的，带宽代理就需要和i s p 之间 协商s l a 。因此，r s v p 在差分服务中，是作为信令协议使用的。 2 1 3 ，4 服务域内资源的分配 i s p 在发都了s l a 之后，必须配置边界路出器以让它们知道如何处理到达的 业务量。 对于静态s l a ，边界路由器可以手工配置分类、决策和整形的规则，所有的 用户都静态地分享资源。 9 服务质量保证在阿络层上的实现 第二章i p 上的服务质量架相 对于动念s l a ，资源的分配就和信令协议紧密相关。用户域的带宽代理用 r s v p 向i s p 请求资源，i s p 山边界路由器或带宽代理进行许可控制的处理。如果 边界路由器直接参与了信令的过程，一旦它接受某个请求，则必须接受相应的分 类、决策和整形规则；而如果出带宽代理参与信令过程，它必须对边界路由器进 行配置以使它能够对已接受的请求进行服务。从扩展性考虑，不管在哪种情况下， 主干路由器不应当参与信令的过程。 2 2q o s 在网络层中的实现 下图表示在t c p i p 协议栈的网络层中，数据包经过的服务质量处理模块 图2 4 网络层中的q o s 模块 f i g2 - 4q o sm o d u l ei 1 3r e t w o r kl a y e r 带有服务质量请求的数据包首先被许可控制模块处理，当被允许进入后进行 解复用，然后经过q o s 选路确定转发的接1 ：3 。数据调度和缓存管理主要是作用于 输出队列的，来决定是否保存数据包和确定发送数据包的次序。本文将对网络层 中的q o s 保证体系展开详细的例论。 2 2 1 数据调度和缓存管理 数据调度和缓存管理是实现网络服务质量保证的基本模块，不管是集成服务 还是差分服务都是建立在它们基础之上的。 数据调度主要用于确定下一次应该发送哪一个数据包，而缓存管理则确定是 否接受、何时丢弃数掘包。它们的主要目的是：提供带宽、时延和丢失率等服务 的保证；对过量资源的共享提供一定的公平性；使处理数据的代价最小化。 当然，这三个目标并不是一致的，它们在有效性和复杂性之间存在着矛盾。 因此，要根据不同的网络环境选取合适的调度和缓存管理策略。 o 争譬 一 詈i蜀正 面一装五蓄 占耋銮翌查兰翌主耋堡耋兰，。，。，。，一。，。些二：! 二星 幽2 5 数据调度和缓存管理 f i g 2 - 5p a c k e ts c h e d u l i n ga n db u f f e rm a n a g e m e n t 在设计数据的调度时要考虑到下面几个方面： 业务流的隔离：把需要服务质量保证的业务流和其它业务流隔离丌 来，使它不受其它流的影响。 对过量的业务和公平性的支持：如果有一个业务的流量超过了对它 的约束时，它应当如何享受网络中多余的资源。 实现的有效性和复杂性：有效性是调度算法可以支持的最大的流的 数目，而复杂性则是实现调度算法的时间和空间复杂度。 同时缓存管理也是提供服务保证的一种有效手段，这是因为在数据包的到达 速率高于出口速率时，节点的存储空问就会不够，因此需要管理策略来确定是否 接受一个数据包；如果不能接受，在什么时候舍弃这个数据包。 可以这么说，调度器管理的是链路资源的获取而缓存管理则是控制存贮资源 的获取，它们是控制数据包对网络资源获取的基本模块。 在第三章中，将主要讨论数据调度和缓存管理方面的问题。 2 2 2 许可控制 许可控制判断网络的资源是否可以满足业务流的q o s 请求，它的成功与否主 要取决与三卜方面：需要的服务质量保证的深度，业务流的特性和网络的可用资 源。 在实现许可控制的过程中，必须考虑到它的高效性和复杂性。 服务质量保证在网络层上的实现 第二章i p 上的服务质量架构 2 2 3 约束选路和业务量工程 当网络负荷很大时，通过集成服务和差分服务可以很好地对不同的业务量进 行区分以满足某些较商要求的服务。但是在网络状态比较好的情况下，集成服务 和差分服务的性能和尽力而为的化输没有什么大的区别。因此，为了避免洲塞， 以使所有的业务都能获取较高性能的服务，就引入了业务量工程。 网络捌塞不一定是由于网络资源的缺乏所造成的，还有可能是因为网络内部 业务量的分配不均。在前种情况下，唯一可以使用的办法就是对网络进行升级以 使它可以承载更多的业务；而在后一种情况下，由于业务量的分布不均，网络的 某些地方资源并没有完全使用，因此可以考虑将在拼j 塞处的业务引导到网络资源 比较空闲的地方。这种业务量的分配不均可以是目前所使用的选路协议所引起 的，不管是r i p 、o s p f 还是i s i s ，它们总是选择最短的路径发送数据包，这就 很容易使两个节点之间具有最短路径的链路阻塞，而其它链路则处于空闲。现在 有出现的扩展o s p f 和i s i s 可以在具有多条最短路径时平衡负载，但是在只有 一条最短路径的情况下则不起作用。在简单的网络中，可以通过网管配置链路的 丌销使业务量平均分御，但是对于复杂的网络则未必可行。 通过业务量工程可以使业务量平均地分配在网络之中，从而避免捎j 塞。拥塞 的控制和拥塞时服务的分级是实现网络服务质量的两个不同方面，业务量工程和 差分服务足互相补充的。约束选路则是使业务量工程自动化的重要工具。 显然，约束选路就是选择满足不同约束的路径，它的特例就是服务质量选路。 对于具有一定q o s 请求的流或流的聚合，服务质量选路总是返回一条最符合q o s 请求的路径。约束选路是对q o s 选路的扩展，它的目的主要在于t 选择满足服务质量请求的通路 提高网络的利用效率 当确定一条路径时，约束选路不仅考虑到网络的拓扑结构，同时还要综合考 虑业务流的需求、网络的资源状态和管理员所指定的策略。因此。它可以选出一 条也许比较长，但是比较空闲的通路。 出于q o s 选路是实现约束选路的主要手段，第四章将对q o s 选路展开论述。 2 2 4 多协议标签交换( m p l s ) m p l s 也是实现业务量工程的一种有用工具 6 。它是包的转发方法，采用固 定长度的标签来确定包的处理。每个m p l s 的包有一个头部，它包括2 0b i t 的 标签，3b i t 的服务类型( c o s ) 域，和8b i t 的生存时间( t t l ) 域。m p l s 的头 部被包含在链路层头部和网络层的头部之间。一个具有m p l s 功能的路由器( l s r ) 仅仅靠检测标签米转发数掘包。应用的网络协议可以很多，这就是被称之为多协 2 议标签交换的原因。 m p l s 需要一个协议在l s r 之问分发协议以建立交换信道( l s p ) ，这可以通 过标签交换协议( l d p ) 或者资源预留协议的扩展来实现。l s p 和a t m 中的虚电 路是比较相似的，它是单向从发送者到接收者的。l s r 通过协议协商每个标签的 语义，以确定如何处理来自对等实体的标签。l s p 的建立可以是拓扑驱动，也可 以是流驱动的，在l s p 中传输的是需要获取相同的服务的些流的聚合。l s p 可 以是和第三层中跳到跳一样的路径，也可以是由l s r 指定的一条显式路径( e r ) ， 可以设置显式路径是m p l s 中一个很有用的特性。在标签分发完毕之后，就在l s r 中建立一张标签索引表，表中的每个入口指定处理带有该标签的数据包的行为。 数据包在到达m p l s 域后，由入口l s r 进行分类和选路，然后插入m p l s 头部； 当一个l s r 接收到一个加了标签的数据包，它把标签作为索引检索转发表，并以 表项中规定的行为处理数掘包，同时把标签替换成出口的标签并把数据包转发至 下一个l s r ；当数据包离开m p l s 域后，在入口处加入的m p l s 头部被移走。在m p l s 域中，包的转发、分类和q o s 的服务都是由标签和服务类型这两个域所决定的。 同时l s p 也可以应用于隧道，当l s p 被建立起来之后，包的路径就出在入口 l s r 所分配的标签先全决定，这样就小i 府耍完全牧举山隧道所婴经过的。1 ，点。因 此和它的隧道技术枷比，m r l ，s j 以正小娃式| 旨定蹄径1 | j 情况下控制躯条通蹄。 综上所述，m p l s 的重要性主要体现在两个方面： 为数据包提供了快速的分类和转发。 提供了有效的隧道机制。 尤其是第二点在实现业务量工程时，是很又有用的。关于m p l s 在o o s 中的 具体应用将在第六章中讨论。 2 2 5 约束选路、m p l s 、差分服务之间的关系 从上面的讨论可以看出