（通信与信息系统专业论文）ip网络qos模型研究及其实现.pdf

i p 州络q o s 模型 ! j f 究驶其实脱 摘要 随着基于t c p i p 技术的i n t e r n e t 在世界范围的飞速发展和普及，i n t e m e t 上传 送的业务已由e m a i l 、f t p 、w w w 等数据业务为主向传送语音、视频、数据等综 合业务过渡。而通信网经过b i s d n 和a t m 技术多年发展未能获得突破的情况下， 下一代通信网以i p 技术为基础已成为业界共识。但目前的网在初期设计时未能 充分考虑服务质量q o s 的提供，在向电信级l p 网演进时，如何向用户提供电信级 的i pq o s 已成为目前通信界和计算机界需要共同面对和解决的问题。 传统的i n t e r n e t 采用面向无连接的特性和尽力而为的传输方式，是面向非实时 的数据通信( 如e m a i l 、f t p ) 而设计的，采用的t c p i p 协议主要是为了优化整个 网络的吞吐量并保证数据通信的可靠性，对所有用户的服务是一视同仁的。而语音、 视频、图像等多媒体应用不但对网络有很高的带宽要求，而且要求信息传输具有端 到端的低延迟和低抖动等，同时，这些应用大都能够容忍一定程度的信息丢失和错 误。因此，如何向用户提供不同级别的端到端服务质量保证也是i pq o s 需要解决 的问题。 本文共分六章，介绍了目前i pq o s 技术的研究现状和实际应用，并对i pq o s 的一些关键技术进行分析和仿真。 第一章，简要介绍了i n t e m e t 的现状和实施i pq o s 的必要性；阐述了q o s 的概 念、参数和q o s 类型的划分等内容。 第二章，分析了确定型和随机型两种网络业务流量模型； 第三章，分析了i e t f 提出的i n t s e r v 和d i f f s e r v 两种体系结构和m p l s 技术支 持i pq o s 的方式；介绍了控制平面、数据平面、管理平面的相关q o s 技术，重点 分析了网络层的分组分类、流量成形、缓冲管理、队列调度和拥塞控制等技术和有 关算法。 第四章，利用网络仿真工具n s 2 进行了一些算法的仿真分析，并介绍了i pq o s 的实际应用。 关键词：i p q o s 相关q o s 技术网络仿真 i p 刚络q o s 模型矾究灶j 实脱 t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t l 0 n o fi pq o sm o d e l a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o na n dd e v e l o p m e n to fi n t e r a c tb a s e do nt c p i pa tv e r yf a s t s p e e di nt h ew o r l d ，t h ea p p l i c a t i o no ni n t e r n e th a sc h a n g e df r o md a t aa p p l i c a t i o nm a i n l y s e n d i n ge m a i l ，f t pa n dw w w t oc o m p o s i t i v ea p p l i c a t i o nm a i n l yt r a n s m i t t i n gs o u n d ， v i d e o ，a n dd a t a u n d e rt h es i t u a t i o no ft h a tt h e r ei s n o ta g r e a tb r e a k t h r o u g h o n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kt h r o u g ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fb i s d na n d a t m ，t h en e x tc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb a s e do nt h et e c h n o l o g yo f i ph a sb e e nr e a l i z e d w i d e l y b u tb e c a u s eq o sw e r en o tt h o u g h to fw h e nd e s i g n i n g i pn e t w o r ka tf i r s t t i m e ，h o wt op r o v i d et e l e g r a p h i ci pq o s _ w h e ne v o l v i n gi n t oi pn e t w o r kh a sb e c o m et h e p r o b l e m t h a tn e e dt ob ef a c e da n ds o l v e d j o i n t l y i nc o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o na r e a t r a d i t i o n a ln e t w o r kt h a t a d o p t s o r i e n t e d c o n n e c t i o n l e s sc h a r a c t e ra n db e s t - e f f o r t t r a n s f e rm o d ei sd e s i g n e df o rf a c i n gn o tr e a lt i m ed a t ac o m m u n i c a t i o n ( e x ：e m a i l ，f t p ) ， a n d a d c 。p t i n gt c p i pp r o t o c o l i sm a i n l yt oo p t i m i z et h et h r o u g h p u to fa l lt h en e t w o r ka n d t r e a ta l lt h eu s e r sf a i r l y m o r e o v e rm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o nl i k es o u n d ，v i d e oa n di m a g e n o to n l ya s k st h en e t w o r kh i g h l yf o rb a n d w i d t hb u ta l s od e m a n d st h ei n f o r m a t i o n c o m m u n i c a t i o nt ob ee n d - t o e n dl o wd e l a ya n d j i u e r a tt h es a l n et i m em o s ta p p l i c a t i o n s h o u l da b i d et h el o s eo fi n f o r m a t i o na n dd a t am i s t a k e s oh o wt op r o v i d ed i f f e r e n tg r a d e g u a r a n t e eo f e n d t o e n dq o si st h ep r o b l e mt h a ti pq o sn e e d st os o l v e t h ea r t i c l ei sd i v i d e di n t of o u rc h a p t e r s ，i n 扛o d u c e st h ep r e s e n tr e s e a r c hs t a t u sa n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o na n da n a l y z e sa n ds i m u l a t e ss o m ek e yt e c h n o l o g i e so f i pq o s ， c h a p t e r 1g i v eb r i e fi n t r o d u c t i o na b o u tt h es t a t u so fi n t e r a c ta n dn e c e s s a r yo f c a r r y i n g o ni pq o s ；i n t r o d u c et h ed e f i n i t i o na n d p a r a m e t e r o f q o s a n d p a r t i t i o no fq o s c h a p t e r 2c o n f i r mt h et w on e t w o r ks o u r c et r a f f i cm o d e l s ：d e t e r m i n i s t i cm o d e la n d r a n d o mm o d e l ； c h a p t e r3a n a l y z e st h ei n t s e r va n dd i i t s e r vm o d e l ；i n f f o d u c et h ec o r r e l a t i v eq o s t e c h n o l o g y a b o u t c o n t r o l l i n gp l a n e ，d a t ap l a n e a n dm a n a g e m e n tp l a n e ，a n dp l a c e e m p h a s i s o nt h et e c h n o l o g ya n da r i t h m e t i co f p a c k e tc l a s s i f i c a t i o n ，t r a f f i cs h a p i n g ，b u f f e r m a n a g e m e n t ，q u e u es c h e d u l i n ga n dc o n g e s t i o n c o n t r o lo fn e t w o r kl a y e r c h a p t e r 4u t i l i z i n gt h et o o lo fn e t w o r ks i m u l a t i o np r o c e s s e sc a r r i e ss o m es i m u l a t i o n a n d a n a l y s i so f a r i t h m e t i ca n d i n t r o d u c et h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no f q o s k e yw o r d s ：i p q o s ，c o r r e l a t i v eq o st e c h n o l o g y , n e t w o r ks i m u l a t i o n 2 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列 的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京邮电大学或其他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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：墼美日期： 垄兰量! 篁 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文 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北 京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权 书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 张羲 张红华 日期：抛岁。2 扩 日期：争，耐，；2 扩 i pm 络q o s 模型研 究，5 乏j c 宴垅 第一章绪论 下一代通信网已确定以i p 为其基础网络技术，通信界和计算机界正积极合作 研究以i p 为核心的网络融合技术，并将坤网络应用由单一数据业务扩展到包括话 音、视频在内的实时通信业务。与此相应，提出了基于软交换的网络控制架构和基 于应用编程接口( a p i ) 的开放式业务提供架构。但是，由于坤网络固有的无连接特 性，服务质量( q o s ) 始终是下一代网络发展的技术“瓶颈”，如何在i p 多业务网络中 有效地提供各类业务所需的q o s ，同时又能保证网络的可扩展性，一直是通信业界 关注的热点问题。 1 1 互联网的现状和面临的挑战 互联网i n t e m e t 源于美国国防部的a r p a n e t 计划。在上世纪6 0 年代中期，正 是冷战的高峰，美国国防部希望有一个命令和控制网络能够在核战争的条件下幸免 于难，而传统的电路交换的电话网络则显得太脆弱。国防部指定其下属的高级研究 计划局( a r p a ) 解决这个问题，此后诞生的一个新型网络便称为a r p a n e t 。当 a r p a n e t 与美国国家科学基金会( n s f ) 建成的n s f n e t 互联以后，其上的用户 数以指数增长，并且开始与加拿大、欧洲和太平洋地区的网络连接。到了8 0 年代 中期，人们丌始把互联的网络称为互联网。 早在7 0 年代中期，a r p a 为了实现异种网之间的互联与互通，推出了t c p i p 体系结构和协议规范。时至今日，t c p i p 协议也成为最流行的网际互联协议。它不 是国际标准化组织制定的，却已成为网际互联事实上的标准，并由单纯的t c p i p 协议发展成为一系列以口为基础的t c p i p 协议簇。t c p i p 协议簇为互联网提供 了基本的通信机制。 随着互联网的指数增长，其体系结构也由a r p a n e t 基于集中控制模型的网络 体系结构演变为由i s p 运营的分散的基于自治系统( a u t o n o m o u ss y s t e m s a s ) 模型 的体系结构。互联网目前几乎覆盖了全球的每一个角落，其飞速发展充分说明了 t c p i p 协议取得了巨大的成功。 但是互联网发展的速度和规模，也远远出乎于二十多年前互联网的先驱们制定 t c p i p 协议时的意料之外，他们从未想过互联网会发展到如此的规模，并且仍存飞 速增长。根据中国互联网络信息中心c n n i c 于2 0 0 5 年1 月发表的最新中国互联网 络发展状况统计报告，中国的网民总数已达9 4 0 0 万，比半年前增长8 ，其中使用 宽带l 网的人数达到4 2 8 0 万。随着互联网的普及网络同人们的生活和工作已经 密切相关，各种应用层出不穷，网络聊天、网络购物、网络电话等已在大众中普及。 i p 删络q o s 模型研究发c 宴观 同时伴随互联网用户数膨胀所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，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 eq o s ) 保障。 现有的互联网所提供的是“尽力而为”( b e s t e f f o r t ) 的服务，在这种服务模型 下，所有的业务流被“一视同仁”地公平地竞争网络资源，路由器对所有的m 包 都采用先来先处理的工作方式，它尽最大努力将i p 包送达目的地。但对口包传递 的可靠性、延迟等不能提供任何保证。这很适合e m a i l 、f t p 、w w w 等业务。 但随着互联网的高速增长，p 业务也得到了快速增长和多样化。特别是随着 多媒体业务的兴起，计算机已经不是单纯的处理数据的工具，而是越来越贴近生活， 计算机的交互越来越实时和生动，这对计算机互联网络也就相应地提出了更高的要 求。对那些有带宽、延迟、延迟抖动等特殊要求的应用来说，现有的”尽力而为”的 服务显然是不够的。尽管由于网络技术的发展，网络带宽以及网络速度都得到了极 大的提高，但需要通过网络传输的数据却也几乎以与网络发展速度相同的速度增 加，甚至超过网络发展的速度，这使得网络带宽与网络速度依然是一个瓶颈问题。 同时，近年来发展起来的一些新的应用( 如多媒体应用，组播应用等) 不仅增加了 网络流量，更因为这些应用改变了以往互联网上的流量性质，因而它们需要全新的 服务要求。由于不具备服务质量保障特性，不能预留带宽，不能限定网络时延，因 此，目前的因特网无法很好地支持许多新的应用如远程教学、远程手术、远程会议 和学术交流等。 1 2 实施i p q o s 的必要。l 生 显然，如果能够满足现有的需求，i n t e m e t 中的现有的技术不需要改变。分组 承载能力( 网络带宽) 的增长也应该能够满足电子邮件业务以及大部分的“电击阅 读”式的w e b 浏览需求的增长。但是，人们已经开始注意新的i n t e m e t 应用了，基于 t c p i p 技术的i n t e m e t 的下一步发展中最令人感兴趣的技术可能是i n t e r n e t 能足够 充分支持实时和交互式视频音频应用。现有的视频音频编解码技术已经可以很好地 将模拟视频音频信息数字化，并映射到i p 分组，现在w e b 浏览器的内部至少设计 了一个插件程序，使用户能够在p c 上播放流式的视频音频内容。其他一些应用系 统如r e a l a u d i o 和r e a l v i d e o 几乎成为在i n t e r n e t 上进行实时信息传输的实际标准。 但由于i p 网络的无连接特性，在通过i p 网络传输这些数字化的视频音频比特流时， 嘲络并不能保证这些数字化的视频音频信息流的实时性和顺序性。然而，出于不断 挑战新技术的需要或“免费”使用i n t e r n e t 进行通信的愿望，人们一直努力改进妒网 络所能提供的尽力而为的服务，使之能提供高等级口服务质量。 i n t e r n e t 的另一个重要应用是虚拟专用网v p n ，v p n 是在共享或公用的网络基 础设施上提供类似于专用网络的服务。v p n 的首要特征是用户的业务流与底层的基 i p 削络q o s 模型 ! j f 究驶其实现 础设施以及和共享该设施的其他削户相互隔离。这种隔离具有两个关键的方面，首 先是拓扑结构的隔离，其次是时间上的隔离。拓扑隔离意味着用户可以引入他所选 择的任何地址空间和路由；时间隔离意味着，当面临突发性的用户业务流时，v p n 提供的服务只依赖于该用户业务流的特征。在口骨干网中的p 隧道等技术能够支 持拓扑隔离，但不能直接满足时间隔离的要求。i p 骨干网仍然需要能够保证用户所 需要的带宽和端到端延迟。 此外，有人提出随着技术进步将导致q o s 控制和业务量管理将不复存在，这 些观点都存在一定的片面性。以下是几种典型的观点： 观点一：有人提出光纤技术的发展可以提供充足的带宽解决q o s 问题，认为 那时只要加大路由器容量即可。传输带宽的成本急剧降低，使得网络中有足够的资 源满足所有应用的带宽需求，因此网络再也不需要提供差异服务以满足不同通信过 程的质量要求，这个观点支持在骨干网和某些接入网络处提供充足或过量的网络资 源，但是，即使存在足够的网络资源，也可能出现网络瓶颈，因为不断发展的各种 应用将消耗掉以前认为足够的网络资源，并且即使在轻载网络中不可预测和突发业 务量也可能造成网络的阻塞。这一点在电话网络中已有体现，在重大事件或节假日 期间的高话务量将有可能使程控交换机阻塞甚至完全瘫痪。 观点二：随着带宽使用成本的降低并不能产生无限制的需求，这个观点引用了 这样一个事实：无论资费如何调整，本地电话平均业务量维持在4 0 分钟，表明这 种业务的增长是有限的。由于人们在一件事上花费的时间是有限的，并且实际用户 的增长也是有限的。这种观点是有一定道理的，但它否认了需求具有的交叉特性。 对于有线本地电话的业务量是如此，但无线本地电话的业务量却在急剧增长；另外， 并不是所有的通信过程不只是限于人和人之间或人和机器之间，将来机器和机器之 间的通信业务量会急剧增长。 观点三：在网络上的应用将会如t c p 一样均能够根据网络上资源提供的情况 进行自动调整。这种方法可以保证在网络出现资源紧缺时仍能支持业务的进行。但 是许多应用可能会降低到无法服务的门限以下。因此，仍然需要具有q o s 的网络保 证要求最低带宽和服务质量的服务请求。 1 3 服务质量q o s 的概念 随着高速网络和多媒体技术的飞速发展，远程教学、视频会议、远程医疗等新 应用层出不穷。这些新应用的推广应用很大程度上取决于它的有关服务指标，如延 迟是否过大、画面是否抖动、声音与图像是否同步等，能否满足实际要求，此要求 也就是我们常说的服务质量q o s 。q o s 的最初定义由c c i t t 给出：q o s 是一个综 合指标，用于衡量使用一个服务的满意程度。q o s 性能特点是用户可见的、使用用 p 棚络q o s 模型 ! 】f 究发其实现 户可理解的语言表示为9 组参数，如传输延迟、延迟抖动、安全性、可靠性等。为 了实现q o s 的这些要求，需要网络从上到下的各层，以及两端之间网络上的各种设 备协同上作。 目前在电信研究领域，关于i pq o s 的概念比较混乱，由于一些历史原因不同 研究组织，如i t u 、e t s i 、i s o 、i e t f 等对于i pq o s 给出了不同的定义，这些定 义的内涵不尽相同。可以说，随着p 技术在电信领域中应用范围的不断扩大，i pq o s 概念从外延到内涵都得以扩展。以下仅介绍i e t f 和i t u 对于i pq o s 的定义。 1 、i e t f 对于i p q o s 的定义 i e t f 没有给出统一的( 一致的) 有关i p q o s 的定义，只是在不同建议( r f c ) 或草 案( d r a f t ) 中根据需要分别给出了不同表述形式的pq o s 概念。i e t fr f c 2 2 1 6 将 q o s 定义为“分组业务传输的特性，具体表现为可达到的带宽、分组延迟和分组丢 失率”。i n t e r n e t 网络业务的q o s 精确定义尚未形成，还有许多可解释和细化的环节。 i e t f 综合业务框架认为分组延迟是最主要的q o s 参数描述，而i e t f 区分服务体系 则进行了扩展，包括了可用性和丢失估计。 这些表述虽然不同，但是其所指的1 pq o s 实际上是指网络层的0 p 层的 q o s ) 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，主要 包括丢包率、吞吐量、传输时延、时延变化等。这些性能参数的行为主体是弹包( 如 所指的时延和时延变化实际上是指疋包的时延和时延变化) 。 2 、r r u t 对于i p q o s 的定义 i t u 关于q o s 问题的研究开展的比较早，最早的相关建议出现在上个世纪六 十年代，当时的q o s 主要是指传统电话业务的性能；但是随着口技术在电信领域 的应用，q o s 概念的内涵得以扩展。关于i p q o s 的问题，l t u 发布了一系列的推荐 标准( 建议) ，集中在i t u - t e8 0 0 一e8 9 9 系列( 电信服务质量：概念、模型、目标与 规划) 中。这里i pq o s 的行为主体是指用户、电信业务提供商( s p ) 、电信网络提供 商0 4 p ) 。用户与电信业务提供商之间、电信业务提供商与电信网络提供商之间签订 s l a ，并按照s l a 中规定的服务功能和性能指标来确定服务的质量。 与i e t f 关于i pq o s 的定义相比，i t u t 的i pq o s 不单指网络层q o s ，还包 括应用层q o s ，它从网络运营的角度来定义i pq o s ，认为i pq o s 存在于各个网络 运营实体之阳j 。 实际上，从用户的角度来讲，其并不关心i p 层的q o s ，其所关心的是其最终 能够得到什么样的业务，以及这些业务的服务质量( q o s ) ；从服务提供商的角度来 讲，其主要关心如何利用网络提供商提供的网络服务，通过优化自身的基于业务的 处理逻辑，为用户提供具有某种q o s 级别的服务；从网络提供商的角度来讲，其主 要关心服务提供商对其提出怎样的i p 层q o s 需求，并通过何种i p 层q o s 保证策略 4 i p 刚络q o s 模型研究妓其实现 来满足这种需求。而i t u 正是基于对电信网络的运营经验，按照上述对网络中各个 功能实体( 同时也是运营实体) 之间所存在的服务关系的理解来定义q o s 概念的。 1 4 q o s 主要参数 i pq o s 的研究目标是有效地为用户提供端到端的服务质量控制或保证。网络 q o s 就是网络单元( 例如，应用程序，主机或路由器) 能够在一定级别上确保它的 业务流和服务要求得到满足。q o s 并没有创造带宽，只是根据应用程序的需求以及 网络状况来管理带宽。i p 网络q o s 有一套性能参数，主要包括： 1 、带宽或吞吐量 用来描述给定介质、协议或连接的发送数据包的速率，实际上是指应用程序在 网络上通信所需要的“管道大小”。网络中可用平均速率或峰值速率表示。 通常来说，对保证服务有要求的连接会有一定的带宽要求，并希望网络专门为 它分配最小带宽，数字化的语音应用程序会产生6 4 k b i t s 的语音流，如果沿连接路 径从网络获得的带宽小于6 4 k b i t s ，则该应用程序几乎无法使用了。 2 、分组延迟和抖动 在每一个中继段中，分组延迟包括串行化延迟、传播延迟和交换延迟。 串行化延迟：输出速率一定的情况下，设备同步一个分组所需的时间。串行化 延迟取决于链路的带宽以及分组的大小。例如：以3 m b i t s 的速度同步6 4 字节的分 组大约需要1 7 l “s 传输；以】9 2 k b i t s 的速度同步6 4 字节的分组需要2 6 m s 。因此， 串行化延迟仅与带宽有关。 传播延迟：一个数据位从发送方到达接收方所需的时间。由于即使在最好的情 况下，传播速度也比光速小许多，所以这种延迟会很明显。这种延迟取决于距离和 介质，而与带宽无关。对于广域网链路，以毫秒计的传播延迟是很t f 常的。 交换延迟：设备从收到分组到分组离开的时间，通常小于1 0 a s 。 如果网络没有被阻塞，则路由器上没有队列，总的分组延迟由每个中继段的串 行化延迟和传播延迟所组成，这是网络的最小延迟。 如果网络发生阻塞，排队延迟将影响端到端延迟，并导致通过同一连接传输的 分组的延迟各不相同。分组延迟的变化程度称为分组抖动。 分组抖动可以估算接收方分组的最大延迟，接收方可以根据应用程序，添加一 个能够存储抖动范围内分组的接收缓冲区来补偿抖动。发送连续信息流的叫放应用 程序，如交互式语音电话、视频会议等都属于这一类应用。 随链路带宽的增大，串行化延迟与传播延迟相比变得越来越不重要。如果队列 为空，则交换延迟可以忽略，但随着队列中等待分组的增加，交换延迟将锐增。 3 、分组丢失率 i p 删络q o s 模型训f 究灶# 实现 分组丢失率规定了分组传输期间网络丢失的分组数量。嘲络拥挤时丢弃分组以 及传输线路破坏分组都会导致分组的丢失。通常，当输入的分组远远超过输出队列 的限制时会发生丢弃分组现象。当接收分组的输入缓冲区不够用时分组也会被丢 弃。分组丢失率通常指的是在特定时段内丢失的分组占传输的分组总数的比例。某 些应用程序在分组丢失后不能很好地工作，甚至无法诈常工作，这些不能容忍分组 丢失的应用程序要求网络提供分组丢失率保证。 设计良好、正确预定或预定未满的网络通常很少发生分组丢失的情况。对于网 络已经预留了所需资源的保证服务应用，分组丢失的情况很少发生。对于光纤，其 比特差错率( b e r ) 为1 0 一，因此分组丢失的主要原因是网络拥塞时丢弃分组。但 在传输尽力而为的通信时，分组丢弃是无法避免的，虽然只有在必要的情况下_ 才会 丢弃分组。丢弃的分组浪费了网络资源，因为在它们到达被丢弃的位嚣之前，它们 已经消耗了一定的网络资源。 4 、典型的网络q o s 参数 下表给出了些典型应用的q o s 需求。 表1 - l 一些应用的q o s 需求 应用类型带宽端到端延迟端到端抖动分组丢失率 普通v o i p 电话 5 3 6 3 8 1 6 k b p s 0 1 5 0 m sl m s9 0 2 m p e g - 1 ：1 5 m b p s 视频直播视频 m p e g - 2 ：3 - l o m b p s ls - 2 s1 s盟0 。 点播m p e g 4 h 2 6 4 ： 3 8 4 k 2 m b p s 可视电话视频 会议 1 2 8 k b p s 一3 8 4 k b p s l m s5 0 m s墨o 一3 游戏 2 0 0 m sn 久n 久 w w w 1 2 8 k b p s l sn 姨n a f t p 0 2 1 0 m b p s n an 给n a 1 b l n e l8 0 0 m s n an a 1 5q o s 业务类型划分 业务类型的划分与多业务规划、应用q o s 需求分析( 业务流聚合) 、业务逻辑 结构组织等诸多问题的研究有密切的联系。目前，1 t uk 7 0 0 中基于业务流的流转 方向将业务划分为会议业务、谈话业务、分发业务、检索业务、采集业务和消息 业务六类。这种业务分类方法对于业务实施有很大帮助，但是对于q o s 分析则没有 p 恻络q o s 模型训宄及j e 实现 直接的指导意义。实际卜，业务类型划分可以有多种依据，比如：实时与非实时、 交互与响应、音频视频数据、重要与非重要、宽带与窄带、传统与多媒体等。 综合上述多种因素，参考相关文献，本文将各种业务划分为四种类型： 1 、网络控制类，包括重要告警、心跳命令、计费信息、路由更新等； 2 、实时交互类，包括i p 电话、视频会议、交互游戏、实时监控等； 3 、实时非交互类，包括v o d 、广播、m p 3 播放、电子商务等； 4 、尽力而为类，包括e m a i l 、语音邮件、t e l n e t 、f t p 、w w w 等。 在i t uy 1 5 4 1 中定义了6 种i pq o s 等级，具体如下表所示。 表1 - 3 y 1 5 4 1 规定的1 p q o s 等级 网络性参数描述等级0等级1等级2等级3等级4等级5 能参数 i p t d平均时延的上限1 0 0 m s4 0 0 m s1 0 0 m s4 0 0 m s1 s未规 i p d v最大时延与最小5 0 m s5 0 m s 未规定疋 时延的差 i p l r 最大丢包率 1 1 0 31 1 0 31 1 0 3l x l 0 3l x l 0 。3 l p e r 最大错包率1 x 1 0 4未规定 根据前面对业务类型的划分，可以给出相应的映射关系。 表1 4 不同业务与y 1 5 4 1 规定的1 pq o s 等级的映射关系 应用类别应用实例对应y 1 5 4 1 类别 网络控制网络的重要告警、心跳命令等级2 计费信息、路由更新信息 实时交互i p 电话等级0 或等级l 会议电视、网上实时交互游戏 非实时交互音频视频点播( v o d m p 3 广播)等级3 电子商务、客户一服务器模型事务处理、t e l n e t 等级4 非实时非交互电子邮件、文件传输等级5 w e b 浏览、非重要消息 1 6 本章小结 本章首先详细了i n t e m e t 的现状和面临的挑战，接着阐述了实施i p q o s 的必要 性和不同困际组织，如i e t f 、1 t u t 对服务质量q o s 的定义，接着分析了q o s 的 性能参数、一些典型应用的q o s 需求，最后简要介绍了q o s 业务类型划分。 i v 网络q o s 模型研究及j e 实现 2 1 信源业务量特征 第二章网络业务流量特征 信源业务模型的目的在于找到由小的统计特征集所定义的业务模型，该模型能 描述实际业务的有意义的统计信息，将该模型作为网络系统的输入使用，以便能够 获得精确的网络性能评价( 如丢失率、延迟等) 。 信源业务量可分为两种基本类型：确定性和随机性，不同的信源描述方法实际 是系统精确性和简单性的折衷。 确定性业务模型采用特定描述参数和额定函数判断特定的业务到达模式是否 符合规定的业务量描述。口令牌桶和a t m 漏桶算法均能精确定义分组或信元在最 差情况下的到达模式。确定性业务模型以可以测量、可重复和确定性方式给出了信 源的业务特征，但信源的描述参数定义是非常复杂的。 随机性业务模型则是另外一种信源描述的方法。一般而言，随机模型参数具有 较长时间段内可测平均值的特性，同时随机模型也可描述信源的短期行为。 2 2 确定性业务模型 以下是描述坤网络中话音、视频和数据业务的一些通用描述参数。 2 2 1 峰值速率和平均速率 一个信源以峰值速率发送数据，受限于物理链路或其他控制机制( 如业务量成 形操作，处理速度) 。物理传输链路速率表示单位是b s ( 每秒比特) ，基于帧协议 的网络，如口网络速率表示单位是分组s ( p s ) ，a t m 网络则是信元s 。通常情况 下，峰值速率对应于短时间内可传送的分组和信元数，平均速率对应较长时间内的 速率平均值。 2 2 2 突发度和信源活动概率 信源描述还可以采用突发参数进行描述。如果在不同的时间段内，信源的传送 速率是相同的，则信源不具有突发度；反之，信源具有突发特性。突发度可以通过 在特定时间段内的峰值速率和平均速率之比进行描述，即： l p 喇络q o s 模型 i f 究发j 实现 姗胁赡发度)=堂avera些gera罴te 、 ( 平均速军) 但突发度仅能从极其简单的角度出发描述信源的特征，因为即使两个信源的峰 值速率和平均速率之比是相同的，可能这两种信源具有的业务特性具有很大的差 别。 信源活动概率描述信源发送信息的频度，即： 肋“阳e a c t i v i t y p r o b a b i l i t y ( 信源活动概率) = 瓦石磊磊i 1 丽= 令姜e 粤a l c 嬖k a 譬t e 专器d “坩姗b i 哭发厦j r l l | i 睾1 且迷率j 当信源的峰值速率是1 0 m b s ，平均速率是5 0 0 k b s ，其突发度是2 0 ，而信源活 动概率为0 0 5 。在局域网络中，用户传送信息的突发度在1 0 1 0 0 之间，即多数用户 只有不足l o 网络连接时间段内以峰值速率传送信息。多个用户信息流的符合码流 的突发度将趋近于1 ；而如果采用拨号上网的工作方式，突发度数值则和应用密切 相关，如当进行大文件下载时突发度为1 ，而在w e b 冲浪时则突发度是1 0 或更大 值。 2 2 3 突发持续时间 通常情况下，由多个信源产生的数据流具有可预测的统计通断模式。信源产生 数据的间隔是和许多因素相关的。许多计算机通信协议具有一个动态控制窗口，该 窗口尺寸限制了发送端接收到应答信号之前可发送的最多分组数目。另外网络有 时也会限制信源传送的最大突发度以保证通信过程的服务质量。 如上面的信源的峰值速率是1 0 m b s ，平均速率是5 0 0 k b s 的例子，当信源在1 秒内发送5 0 0 0 0 0 比特突发信息流量和1 毫秒内发送5 0 0 比特突发信息可能具有相 同的平均速率，此时业务描述就必须在原有的峰值速率平均速率比之外，再附加突 发持续时间。 2 3 随机性业务模型 常用的业务流量随机模型有泊松模型、马尔可夫流量模型和自相似流量模型。 泊松和马尔可夫模型适用于传统电话网的呼叫模型，业务流量随着时间1 日j 隔延长而 呈现出趋向于某种平滑的趋势，并且可预测。但在2 0 世纪9 0 年代早期的一蝗实际 局域网流量测量的研究表明：在某些情况下马尔可夫模型显得过于乐观。大量的针 对以太网，w e b 流量，v b r 变比特率视频信号等业务的测量表明：这些实际的网络 业务普遍存在着在统计意义e 的长程相关性( 1 0 n gr a n g ed e p e n d e n c e ) 或自相似性 ( s e l f - s i m i l a r ) ，具体表现在业务在大的时间尺度上呈现出相似的突发性，这与传统 的电话网中服从泊松过程的短相关业务假设有着很大的不同。 p 嘲络q o s 模型研究及其实现 自相似随机过程的一种常见定义是基于连续时间变量的直接尺度变换。一个随 机过程在统计上具有参数为h ( 0 5 h 1 ) 的自相似性，如果对于任何实数a 0 ， 随机过程a - h z ( 叫) 与x ( f ) 具有相同的统计特性。此相互关系可由下面3 个条件表达： ( 1 ) 均值f k ( 鲥w = 墨畴掣；( 2 ) 方差v a r k ( f ) = 可v a r x ( a t ) ； ( 3 )自相关 心e ，) ：掣，参数h 称为h u r s t 参数，又称为自相似参数，它是自相似程度 的一个重要度量，是描述自相似特性的唯一参数。更确切地说，h 是统计想象的持 续性( p e r s i s t e n c e ) 的度量，是随机过程长范围相关( 1 0 n g - r a n g ed e p e n d e n c e ，l r d ) 的一 个度量，h 的取值范围是，h = 0 5 表示没有自相似性，h 的值越接近1 ，持续性或长 范围相关的程度就越大，过程的自相似程度就越高。 另一个与自相似性有关的概念是重尾分布( h e a v y t a i ld i s t r i b u t i o n ) ，有文献指出， 通过对i n t e m e t 流量的观测，发现尽管交互式会话的到达过程呈现泊松分布，但这 些会话却常常可能延续很长时间。由于会话长度分布的尾部概率远远大于泊松模型 ( 负指数分布) ，研究者称之为“重尾分布”。分组到达时间间隔或突发数据的长度 的重尾分布是网络自相似特征的主要物理根源。重尾分布的定义如下：对于随机过 程的分布函数f ( x ) ，有1 一f ( x ) = p x x = x ，当x o q 则称f ( x ) 是服从重尾分 布的。一种最常用的重尾分布是p a r e t o 分布，其概率密度函数为 f ( x ) = 兰( 兰) “，口 o ，工 s ， 其中e 决定了最小值，o t 决定了均值和方差。当 占x o t = o 9 5 和= l 时，可以很好地模拟观测到的t e l n e t 流量；当a = 1 2 1 和e = l 时，与 w e b 数据传输函数的分布吻合得很好；而当a = l 和e = 1 时，则与f t p 数据流量相 吻合。遵守p a r e t o 分布的分组到达间隔时间与泊松模型( 负指数分布) 相比更宽， 突发持续时间更长。 假设网络中的一个业务源，在发送数据和不发送数据两种状态问交替转换，在 发送状态( 称为o n 期间) 以固定的速率发送数据而在不发送数据状态( 称为o f f 期 阳j ) 保持空闲。这种业务源成为o n o f f 源。如果o n 和o f f 时间为相互独立且均服从 p a r e t o 重尾分布的随机变量，则这种p a r e t oo n o f f 数据源可以导致网络流量旱现出 自相似的特性。以太网流量，w e b 流量，v b r 变比特率视频信号等业务都符合自相 似流量的特征。 考虑个p a r e t o 分布的o n o f f 数据源，假定它产生一个两念时间序列 w ( t ) ， p 叫络o o s 模型 l j | 究及儿实现 t l ，w ( t ) = l 表示在t 时刻有一个数据包，而w ( t ) = o 表示数据源没有发送数据包。则 如果一条链路上有m 个这样的数据源，叠加它们后就可以构造这条链路的实际传 输数据包数对于第m 个数据源，它可以产生一个两态时间序列w ( “( t ) t ，则y 呱t ) = l 就表示时刻t 该链路上传输数据包数把时间放大t 倍，可得 n m w 7 。( t o = 几w ( ) ) d ，它表示在 o ，t 】时间段内链路上的聚合的数据量。可以 0 m = l 证明，随机过程w 嚣( n ) 在m 和t 取很大值时，该过程与分形布朗运动过程具有相 似的统计特性，且与o n 和o f f 的数学期望有关，所以大量p a r e t o 分布的o n o f f 源聚 合可以产生近似的自相似业务。 本文在网络仿真实验中，利用n s 2 网络仿真工具模拟了自相似流量和泊松流 量，从对比图中可以明显看出，自相似流量模型的带宽要比泊松流量模型大许多， 并且突发程度并没有随时间间隔的增大而平滑。 2 4 本章小结 本章介绍了描述信源业务的两种模型，即确定型业务模型和随机型业务模型。 确定型业务模型通过一些定量的性能参数来描述网络业务，以判断特定的业务到达 模式是否符合规定的业务量描述；而随机型模型则是通过网络业务的统计信息建立 相应的数学模型来描述业务的行为特征，一个符合实际网络流量的随机模型更能真 实地反映实际网络业务的运行状况，并对网络的结构和性能设计有着重要的意义。 p 旧络q o s 模型研究段“实现 3 1 i p q o s 体系结构 第三章相关i pq o s 技术 1 pq o s 研究的目标是提供有效的端到端的服务质量控制或保证。近年来i e t f 先后提出了两种i pq