（通信与信息系统专业论文）ip接入网络面向qos的分组调度和流量整形研究.pdf

摘要 本文涉及通过面向q o s 的网络提供多媒体l p 分组( 数据包) 端对端q o s 保证。在现有 两种i p q o s 网络架构中，i n t s e r v 能够对通信流( f l o w ) 提供有q o s 保证的服务，但网络 对通信终端产生的多媒体通信流有定要求，在进入网络之前要进行流量整形( t r a f f i c s h a p i n g ) ，流量整形用于控制突发速率和限制平均速率但也可能引起额外的延时。与i n t s e r v 网服务类似，d i f f - s e r v 网与用户系统之间也有流量适配问题。d i f f - s e r v 是基于汇聚流 ( a g g r e g a t e ) 的处理的i p q o s 网络架构。d i i f - s e r v 网只提供汇聚流的q o s 服务，耍通信流 获得q o s 还需用户系统的业务流进行合理调度，这种调度要采用如同链路共享所采用的分 级凋度的方法。 本文在讨论现有的各种调度方案基础上，通过分配令牌参数( h t p a ) 的方法设计一种 新的分级调度器。h t p a 有较高的带宽利用率和灵活性，在调度的同时进行流量整形。接着， 介蜊了如何在l i n u x 内核对分组发送附加定制的h t p a 调度功能来实现软件接入网关，并提 出改进软件接入网关性能的方案。 令牌桶具有限制流的突发量和平均速率的特点，广泛用于流量整形。令牌桶义是h t p a 调度器的“细胞”。本文推导出令牌桶等待队列k 度与丢包率的关系，以及推导出保证截止 期条件下如何确定令牌桶主要参数的关系式，给设计适当的令牌桶流量整形提供理论参考。 仿真结果显示山理论的可用性，并得山一些有价值的结论。 本文展后讨论了宽带i p 网一种重要的接入网e t h e m e t 接入。随着多媒体业务的开展 支持q o s 是未来的趋势。在面向q o s 的以太接入网中，通过应_ i j 分组调度和流量整形技术 可以获得多媒体应用的端到端的q o s 。 关键词： 服务质量( q o s ) 1 p 网区分业务网综合业务网接入网分组调度流量整形令牌桶分 级调度l i n u x 儿i 袋经俸帮、嚣桶纛 鼗垒文釜_ 简 a b s t r a c t t h i st h e s i si sc o n c e r n e dw i t hd e l i v e r i n gt h ep a c k e t sw i t ht h ee n d - - t o - - e n dq o sg u a r a n t e eb yt h e q o so r i e n t e di pn e t w o r k s b e i n go n eo ft h et w oa v a i l a b l en e t w o r ka r c h i t e c t u r e so fi p - q o s ，t h e i n t s e r vn e t w o r ki sa b l et og u a r a n t e eq o sf o r t h ep a c k e tf l o w , b u tp r e s e n t ss o m er e q u i r e m e n t st o t h ef l o wg e n e r a t e df r o mt h ec o m m u n i c a t i o nt e r m i n a l s b e f o r ee n t e r i n gt h eq o so r i e n t e dn e t w o r k , t h ef l o ws h o u l dp e r f o r mt r a f f i cs h a p i n g ，w h i c hc u r b st h et r a f f i cb u r s ta n dc o n t r o l st h ea v e r a g eb i t r a t eb u tm a yc a u s ee x t r ad e l a y s i m i l a rt ot h ei n t - s e r vn e t w o r k , t h ed i i f - s e r vn e t w o r kp r e s e n t s t r a f f i cr e q u i r e m e n t st ot h es e r v e df l o wt o o d i f f 色r e n tf r o mt h ei n t - s e r vn e t w o r k ，t h ed i i f - s e r v n e t w o r ko n l yg u a r a n t e e sq o sf o rt h ea g g r e g a t e s r e a s o n a b l ep a c k e ts c h e d u l i n gi sn e e d e dt o s u p p o r tq o sf o r t h ef l o w s h i e r a r c h i c a ls c h e d u l i n g ，n o r m a l l yu s e dt op e r f o r m t h el i n k s h a r i n g , c a l l b ea d o p t e di nt h i sc a s e an o v e lh i e r a r c h i c a ls c h e d u l e rc a l l e dh t p aw a sp r e s e n t e da f t e rd i s c u s s i n ga v a i l a b l e s c h e d u l i n gm o d e l s h t p am e a r i sh i e r a r c h i c a lt o k e np a r a m e t e ra l l o c a t i o n h t p ap e r f o r m st r a f f i c s h a p i n ga sw e l la sh i e r a r c h i c a ls 静e d u l i n g i ta p p e a r sg o o db a n d w i d t hu t i l i t ya n df l e x i b i l i t y t h e h t p aa l g o r i t h mw a si n s e r t e di n t ot h el i n u xk e m e lt or e a l i z et h es o f t w a r ea c c e s sg a t e w a y h o wt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h es o f t w a r ea c c e s sg a t e w a yw a sd i s c u s s e dt h e n t h et o k e nb u c k e tf i l t e r ( t b f ) i sw i d e l yu s e df o rt r 墒cs h a p i n gt oc u r bt h et r 折i cb u r s t a n da v e r a g er a t e t b fi sa l s ot h ec e l lo ft h eh ms c h e d u l e lt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e q u e u el e n g t ho ft b fa n dt h ep a c k e tl o s sr a t i ow a sa n a l y z e db a s e do nt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f t b fd i r e c t l y t h er e l a t i o n sa b o u tp a r a m e t e rs e t t i n g so ft b ft og u a r a n t e et h ed e a d l i n ei n d e x w e r et h e nd e r i v e d t h es i m u l a t i o nw a sd o n eb a s e do nam p e gv i d e os e q u e n c em o d e l 。w i t ht h e r e s u l t ss u p p o r t i n gt h et m ：o r e t i ca c h i e v e m e n t s f i n a l l y , a ne t h e r n e ta c c e s sn e t w o r k , o n eo ft h eb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k , w a sd i s c u s s e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i as e r v i c e s ，t h e r ee x i s t sat e n d e n c yt os u p p o r tq o si nt h i s n e t w o r k w i t ht h ea p p l i c a t i o no f p a c k e ts c h e d u l i n ga n dt r a f f i cs h a p i n g ，t h ee n d - t o - e n dq o sc a nb e a c h i e v e df o rm u l t i m e d i as e r v i c e si ns u c ha nq o so r i e n t e de t h e r n e ta c c e s sn e t w o r k k e y w o r d s ：q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) ，l pn e t w o r k ，i n t s e r vn e t w o r k ，d i f f - s e r vn e t w o r k ， a c c e s sn e t w o r k , p a c k e ts c h e d u l i n g ，t r a f f i cs h a p i n g , t o k e nb u c k e tf i l t e lh i e r a r c h i c a ls c h e d u l i n g ， l i n u x 第f 章绪论 1 绪论 v - q o s 是指i p 的服务质量，是指i p 数据流通过网络时的性能。它的目的就是向剧户的 业务流( t r a f f i c ) 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。目前的i p 网存在一些问题；一是能否持续发展，主要是三个 方面：i p 地址资源有限，没有完全的服务综合能力，以及安全的问题。二是i p 网的q o s 问 题。i p 网的核心功能是把t p 包从源端发送到宿端，通信终端再把分组化的数据、音频( a u d i o ) 、 视频( v i d e o ) 转换为i p 包，现有的i p 网对i p 包传输的实时性无法保证，i p q o s 技术一个 目标就是要保证i p 网对实时多媒体i p 包传输的实时性要求。i p q o s 技术还有一个是提高带 宽使用率、带宽分配的公平性等。 i p - q o s 是下一代通信网( n e mg e n e r a t i o nn e t w o r k ，n g n ) 1 】 2 】的核心技术之一。n g n 发展方向还没有完全确定。不过许多人认为，下一代通信网应当融合下述业务：电话、电视、 数据和专线。屯信网数字化以后，曾经做了多次尝试，其中窄带i s d n 是第一次尝试，这个 尝试总体来说是不成功的，主要原因是资源不能调配。第二个尝试就是a t m ，从技术层面 来说很成功，确确实实把所有的业务综合到一个网，但是商业层面上并不成功，关键问题是 技术复杂、成本太高。第三个尝试是i p 。它不面向连接，没有复杂的控制，这是i p 的优势 所在，但它尚未有效解决q o s 问题。 尽管i p - q o s 研究工作已经进行了一段时间，研究成果很多，但目前支持q o s 的i p 网 还未实用化，术出现一个成熟的体系架构、支持硬件以及相应的操作技术，还有很多问题没 有解决 7 。即便实用化，也还有不少学术问题( 如链路共享、业务调节、资源管理等) 值 得继续深入探讨。 i p - q o s 是个很宽泛的研究领域。在运营网部分研究日趋成熟的前提下，本文主要考虑用 户接入如何适应提供i p - q o s 功能的运营网，有效率地保证最终的端到端的q o s 。 1 1i p - q o s 体系结构概述 1 1 1i p 网的q o s 参数 互联网( t p 网) 最初不是为实时数据传输设计的，分组( 即包。p a c k e t ) 在传输时的一 个明显特征就是不确定性强，尤其是时延不确定。t p 网基于i p 技术对数据进行传输，和传 统电信网中的电路交换方式或分组交换方式都有着根本的不同。i p 网以t c p ，i p 协议为核心。 下面简要介绍一下t c p i p 协议原理。 t c p i p 模型在原理上采用了分层原理。 ( 1 ) 廊用层 它向用户提供一些常用的应用程序如电子邮件、文件传输等，用户还可根据白己的需要 浙江人学博士学位论文 建立自己的专用程序。 ( 2 ) 传输层 为端到端应用程序间提供通信。在计算机通信中常常是多种应用程序访问i n t e r n e t ( 国 际互联网) ，为了区别各个不同应用程序，传输层在每一分组中增加了识别信源和信宿 应用程序的信息，对信息流进行格式化。传输层使用的协议通常是t c p 或u d p 。 ( 3 ) i p 层 即网络层，负责处理相邻层之间的计算机通信。i p 层向它的上层，即传输层提供统一 的数据包，使得各种网络物理帧格式的差别被掩盖，成为不同网络层问互联的关键一层。 如图1 1 1 1 所示。 图1 1 1 1i p 网络结构框架图 应用层的数据经过各层封装，到网络层被封装到i p 包中。l p 包有统一的格式，i p 包里 除了数据外还有包头部分，包头里有源端和宿端的i p 地址等多种信息。在网络层t 作的是 路由器，路由器的任务就是负责转发i p 包，根据i p 包内的宿端r p 地址和网络情况把i p 包 转发到合适的相邻路由器。i p 包从一个路由器转发到相邻路由器称之为一跳，l p 包就是一 跳一跳地从源端发送到槽端。i p 包这种转发方式的好处，是包头信息简单并节约带宽，每 个应用不会独占带宽，能够非常有效地利用带宽资源。这些特点非常适合于传递批量小却数 量火的无规律数据，这跟传统的电路交换完全不同。由于这些优势，i p 网才有近些年的快 速发展。 i p 网的缺点是：i p 包从源端出发后，其所经路径并没有确定，所需时延更是无法保证 甚至连途中会不会丢包也难以预料。 总之，1 p 网是面向无连接网络，其传输特性无法得到保证。当上网用户不多，网络比 较空闲时，用户发出的通信请求能够很快得到满足。但是在上网高峰期间，网络拥塞时，就 会出现时延增火和丢包率增人的情况。这对传统的i n t e m e t 应用影响不是很大，例如发 e m a i l 、浏览网站或卜载文件，只是要拖长一些时间，对功能并没有影响。但是实时性应用 如v o l p ( v o i c eo v e r i p ) 对实时性要求是很高的，它需要时延很小，如果时延超过一定限度， 用户就难以接受。v o l p 的q o s 直接反映了i p 电话中的语音的质量，包括可懂性、清晰度等 等方面。也就是说q o s 直接反映了v o l p 的效果和人们对i p 语音的满意程度。从端到端通 信技术上考虑，q o s 有一些技术参数，保证这些技术参数是保证某个应用q o s 指标的基础。 这里的讨论只限于0 0 s 最常见的技术参数。 常用一套度量指标包括业务可用性( s e r v i c e s a v a i l a b i l i t y ) 、延迟( d e l a y ) 时延( l a t e n c y ) 、 2 第1 章绪论 可变延迟( d e i a y v a r i a t i o n ) ，抖动( j i t t e r ) 、吞吐量( t h r o u g h - p u t ) 和丢包率( p a c k e t l o s s r a t i o ) 3 】。 业务可用性 用户与i n t e m e t 业务之间连接的可靠性。 延迟时延 在两个参考点问数据包从发出到收到之间的时间间隔。 可变延迟抖动 同一条路由上发送的一组数据流中数据包之间的时间差异。 吞吐量 网络中发送数据包的速率，可用平均速率或峰值速率表示。 丢包率 在网络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率。数据包丢失一般是由网络拥塞 ( c o n g e s t i o n ) 引起的。 国际电信联盟i t u t 关于公共网i p 业务性能指标的建议y 1 5 4 1 ( 2 0 0 1 年制定) “1 p 通 信业务i p 性能和可用性指标和分配”( 原1 3 8 1 ) 将l p 性能建议以类似a t m 层性能建议 1 3 5 6 的方式来规范，但只将i p 业务o o s 分为六类：i p 分组丢失率( i p l r ) 对第零、一类、 二类、三类和四类q o s 均规定不人于1 0 一；i p e r 是针对a t m 的分组丢失率。关于l p 分组 传送时延( i p t d ) ，对第零类( c l a s s0 ) 要求为l o o m s ，对第一类( c l a s s1 ) 考虑实时话音要 求为不大于4 0 0 m s ，对第二类( c l a s s2 ) 为1 0 0m s ，第三类为不大于4 0 0m s ，第四类则放松 到1 秒。i p 分组时延抖动( i p d v ) 对c l a s s0 和c l a s s1 都规定为不大于5 0 m s ，其余类别均 不规范( 用“u ”表示) 。详见表1 1 1 1 。 表1 1 1 1i p q o s 应用类别和网络性能指标 q o sc l a s s e s c l a s s 0c l a s s lc l a s s2c l a s s 3c l a s s4 c l a s s 5 n e t w o r kn a t u r eo f p e r f o r m a n e t w o r k u n - s p e c i n e d n c e p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r o b j e c t i v e i p t d u p p e rb o u n do n l o o m s 4 0 0 m s4 0 0 m s u 1 0 0 m s1s t h e m e a n i p t d 皿d v u p p e rb o u n do n 5 0 m s5 0 m suuuu t h e1 1 0 。 ( n o t e ( n o t e q u a m i l eo f 3 、 3 ) i p t dm i n u st h e m i n i m u mi p t d i p l r u p p e rb o u n d o n 1 * 1 0 。 1 * 1 0 31 + 1 0 01 * 1 0 31 - 1 0 0u t h ep a c k e tl o s s ( n o t e( n o t e p r o b a b i l i t y 4 )4 1 i p e r u p p e rb o u n d 1 * 1 0 4u 表1 1 1 2 则是i pq o s 类别的指南( g u i d a n c ef o ri pq o sc l a s s e s ) 。可见，本文要关注的 视频流( v i d e os t r e a m i n g ) 归在第四类( c l a s s4 ) ，丢失率( i p l r ) 规定为不大于1 0 一，平 浙江大学博士学位论文 均延时规定为不大丁1 秒。y 1 5 4 1 建议还说明它只示明最差的情况，实际网络能提供给用 户的指标可能会好得多，而且不同的端到端路径指标会有差别。虽然，y 1 5 4 1 上未规定视 频流抖动指标，但英特网工程任务组( i e t f ) 己定义的有保证服务明确要有最大延时限制， 最大延时与最小延时之差就是抖动指标。 表1 1 1 2l p q o s 类指南 q o sa p p l i c a t i o n s ( e x a m p l e s ) n o d em e c h a n i s m s n e t w o r kt e c h n i q u e s c l a s s o r e a l t i m e ，j i t t e r c o n s t r a i n e dr o u t i n ga n d s e n s i t i v e ，h i g h d i s t a n c e i n t e r a c t i o n ( v o i p , v t c ) s e p a r a t eq u e u ew i t h p r e f e r e n t i a ls e r v i c i n g ， 1 r e a l t i m e ，j i t t e r t r a f f i cg r o o m i n g l e s sc o n s t r a i n e dr o u t i n g s e n s i t i v e i n t e r a c t i v e a n dd i s t a n c e s ( v o l ev t c ) 2t r a n s a c t i o nd a t a , h i g h l yc o n s t r a i n e dr o u t i n ga n d i n t e r a c t i v e ，( s i g n a l i n g ) d i s t a n c e s e p a r a t eq u e u e ，d r o p 3t r a n s a c t i o nd a t a , p r i o r i t y l e s sc o n s t r a i n e dr o u t i n g i n t e r a c t i v ea n dd i s t a n c e s 4 l o n gq u e u e ，d r o pa n yr o u t e p a t h l o wl o s so n l y ( s h o r tt r a n s a c t i o n s ， p r i o r i t y b u l kd a t a ，v i d e o s t r e a m i n g ) 5t r a d i t i o n a la p p l i c a t i o n s s e p a r a t eq u e u e ( 1 0 w e s t a n yr o u t e p a t h o f d e f a u l ti pn e t w o r k s p d o f i t y ) 1 1 2 两种主要q o s 模式 在广域网上，1 e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r e ) 定义了两种i pq o s 结构模型：综 合业务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s 。i n t - s e r v ) 和压分业务( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ，d i f f - s e r v ) 。 一i n t - s e r v 结构模型 i n t s e r v 模型的最基本原理参见文本r f c1 6 3 3 。i n t s e r v 的目的是为传统的尽力而为的 l p 网络增加一些端到端的服务，以适应一类新出现的实时媒体流和交互式廊用。i n t s e r v 定 义了三种级别的业务： 有保证的业务( g u a r a n t e e ds e r v i c e s 。g s ) ：保证带宽，限制延迟，无丢包。 控制负载的业务( c o n t r o l l e dl o a ds e r v i c e s ，c l ) ：在一个负载较轻的网络中实现类 似于尽力而为的业务。 4 第1 章绪论 尽力而为的业务( b e s te f f o r ts e r v i c e s 。b e ) 类似当前i n t e r n e t 在多种负载环境( 由轻到重) 下提供的尽力而为的业务。 i n t s e r v 的思想是“为了给特定的客户包流提供特殊的q o s ，要求路由器必须能够预留 资源。反过来要求路由器中有特定流的状态信息。”【4 它使用一种类似a t ms v c ( s w i t c h e d v i r t u a l c i r c u i t ) 的方法，在发送端和接收端之间用r s v p ( 资源预留协议) 作为每个流( f l o w ) 的信令。r s v p 的信息跨越整个网络，请求预留资源。路径沿途的各路由器( 包括核心路由 器) 必须为每个要求q o s 保证的数据流维护一个“软状态”。所谓的“软状态”就是一种临 时性状态，由资源预留定期失效来控制，因此无需申请拆除显式路径。软状态被定期的r s v p 信息更新。通过r s v p 信息的预留，各路由器可以判断是否有足够的资源可以预留。只有所 有的路由器都给r s v p 提供了足够的资源，“路径”方可建立，否则，将返回并拒绝信息。 i n t s e r v 结构模型如图1 1 2 1 所示 6 i n t s e r v 的优点是 图1 1 2 1i n t - s e r v 结构模型 能够提供绝对有保证的q o s 。详细的设计使r s v p 用户能够仔细地规定业务种类。 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 其消耗比它请求、预留和预先购买的要多的资源。 r s v p 在源和目的地问可以使用现有的路由协议决定流的通路。r s v p 使用i p 包承 载，使用“软状态”的概念，通过周期性的重传p a t h 和r e s v 消息，协议能够对 网络拓扑的变化做出反映。正如p a t h ( 用于建立路径) 和r e s v ( 用于预留资源) 刷新用来更改该预留的流的通路那样，没有了这些消息时，r s v p 协议释放与之关 联的资源。 设计i n t - s e r v 开始的目的之一就是使得q o s 能够上作在从一个源到一个目的地 ( u n i c a s t ) 和从一个源到多个目的地( m u l t i c a s t ) 。r s v p 协议能够让p a t h 消息识 别多播流的所有端点，并发送p a t h 消息给它们。它同样可以把自每个接收端的 r e s v 消息合并到一个网络请求点上，该点可以让一个多播流在分开的连接上发送 同样的流。 浙江人学博士学位论文 n t s e r v 的缺点是 扩展性不好。随着流数目的增加，状态信息的数量成比例上升，占用了大量的路由 器存储空间和处理开销。因此，这种结构的扩展性不好。 对路由器的要求较高。由于需要进行端到端的资源预留，必须要求从发送者到接收 者之间的所有路由器都支持所实施的信令协议。因此所有路由器必须实现r s v p 、 许可控制。多个域( m u l t i f i e l d m f ) 分类和包调度。 对确保质量服务需要网络全部使用i n t - s e r v 。如果中间有不支持的节点或网络存在， 虽然信令可以透明通过，但实际上对于应用米说，已经无法实现真正意义上的资源 预留，所希望达到的q o s 保证也就打了折扣。 该模型不适合于短生存期的流。冈为短生存期包预留资源的开销很可能大于处理流 中所有包的开销。但因特网流量绝大多数是由短生存期的流构成的。在短生存期的 流需要一定程度的q o s 保证时，i n t - s e r v 就显得得不偿失了。 二d i f f - s e r v 结构模型 i n t s e r v 模型对路由器的要求很高，尤其是当网络规模扩大时，往往会使得这种结构变 得难以实现。因而希冀能够出现一种新的解决问题的思想，既考虑已有网络的现状，又能达 到实现q o s 的目的，这就出现了d i f f - s e r v 模型。 d i f f - s e r v 结构模型如图1 1 2 2 所示 p e e r n e t w o r 图1 1 2 2d i f f - s e r v 结构模型 n e t w o r k p e e r e t w o r k s e d g e r o u t e r k ；0 1 1 e i o u t e r d i f f - s e r v 模型 8 】的主要思想是：先在网络边缘由边缘路由器( e d g er o u t e r ) 将各种单 个应用流按照预定规则进行分类，得到有限类型的的汇聚流( a g g r e g a t ef l o w s ) 。这样核心 6 第1 章绪论 路由器( c o r er o m e r ，或传输路由器，t r a n s i tr o u t e r ) 只需要对有限类型的汇聚流进行处理 所需维护和处理的状态也将大大减少。 为了区分不同的业务等级，d i f f - s e r v 将i p v 4 的业务类型( t o s ) 字段或i p v 6 的业务量 类型( t r a f f i cc l a s s ) 字段重新定义为d s ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 字段d s 字段的高6 位可 供目前使用，称为d i f f - s e r v 编码点( 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 ) ；d s 字段的 低2 为目前尚未使用。可以根据d s 字段定义了一个包转发处理库的集合，称为每一跳行为 ( p e r - h o pb e h a v i o r , p h b ) 。目前，已经定义了三类p h b ： 加速转发( e x p e d i t e df o r w a r d i n g , e f ) ：e f 适合建立低丢包率、低延迟和低抖动的 服务。它只有一个编码点( d s c p = - 1 0 1 1 1 0 ) 。 确保转发( a s s u r e d f o r w a r d i n g , a f ) ：a f 实际是一个根据相对带宽可用性和多种分 组丢弃特性定义的p h b 组，它允许更灵活和动态的共享网络资源。a f 规定了3 种服务类和4 种丢弃优先权，这样共计定义了1 2 个d s c p 。 缺省转发( d e f a u l tf o r w a r d i n g d e ) ：对应现有的尽力而为业务，它也只有一个编 码点( d s c p = 0 0 0 0 0 0 ) 。 任何进一个d i f f - s e r v 域的业务量( t r a f f i c ，或称流量) 首先必须受制于业务量调节( t r a f f i c c o n d i t i o n ) 。业务量调节一般山现在d i i f - s e r v 域的边界点，即个d i i f - s e r v 域和非d i i f - s e r v 域之间或两个d i f f - s e r v 域之间的边缘路由器。它主要包括四个部分：分类( c l a s s i f i e r ) 、计 量( m e t e r ) 、标记( m a r k e r ) 和丢弃整形( d r o p p e r s h a p e r ) 。为了得到区分型服务，网络服 务提供商与客户之间会签定一个服务级别协定( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t , s l a ) ，一个s l a 从根本上明确了所支持的业务级别以及在每个业务级别中所允许的业务量，据此可以得到业 务量调节协定( t r a f f i cc o n d i t i o n i n g a g r e e m e n t ，t c a ，s l a 的一个部分) ，业务量凋节正是依 据t c a 进行相应处理的。在d i f f - s e r v 域内或d i i f - s e r v 域之间时，由丁网络的处理对象为 汇聚流，客户可以通过设置自己的d s 字段以获得相应的服务；在非d i f f - s e r v 域与d i i f - s e r v 域之间时，网络的处理对象为单个应用流，仅仅使用d s 字段可能不足以满足需求，这时也 可以通过m f 分类来进行分类汇聚【1 0 【l1 1 5 】。 在d i f f - s e r v 域中，不同的d s 字段确定了不同的p h b ，路由器( 包括边缘路由器) 根 据p h b 作相应的处理，如排队( q u e u i n g ) 、调度( s c h e d u l i n g ) 等，因而能够产生不同级别 的服务。 总之，d i f f - s e r v 的工作模式是：通过对t o s 字节的利用标识i p 包的不同级别，路由 器对不同级别的1 p 包采取不同的处理办法，以最终取得各种不同服务要求的q o s 特征。 与i n t s e r v 类似，d i f f - s e r v 也定义了三种服务类型 尽力而为的服务( b e s te f f o r i ) ：类似目前i n t e r n e t 中尽力而为的服务。 最优的服务( p r e m i u m ) ：类似于传统运营商网络的专线服务。 分等级的服务( t i e r e d ) ：这一类别的服务严格讲不仅仅是一种服务，而是一个大 的类别，可以根据发展的需要定制不同的服务等级。也有称确保服务( a s s u r e d ) 浙江大学博士学位论文 1 1 3q o s 相关的技术 随着i n t e r n e t 和i p 技术的发展，q o s 越来越成为人们关注的焦点，目前，与q o s 相关的 技术也在日新月异的发展。下面，介绍其中的儿种： 一、m p l s 对q o s 的支持 m p l s ( 多协议标记交换) 是i e t f 为提高i n t e m e t 网络的扩展性，增强i n t e r n e t 的路由 器交换处理能力，而提出的基于第二层第三层相结合的数据包交换协议 1 2 【1 3 。m p l s 是 介于第二层与第三层之间的一种协议，m p l s 在网络层( 第三层) 的数据包头和链路层( 第 二层) 数据包头之间插入固定长度的标签，网络根据固定长度的标签来选择路由并进行转发。 这样就解决了路由表中不同长度的路由在路由判决时所耗费的时间差异的问题。同时在网络 中将网络层的数据包转换到链路层实现，使网络能充分发挥链路层的效率和优势。m p l s 实 现了第三层数据包到第二层的映射，因而可利用m p l s 来实现q o s 。在应用m p l s 的网络 中，可根据i p 层数据包的优先级类别，将其映射到一些特殊的链路层标签上。对于这些特 殊标签的数据，链路层提供特殊的传输通道，以满足这些数据包对时延及带宽的需求。这样， 通过链路层定义的特殊标签实现了网络层上不同的q o s 服务需求。 二、q o s 路由( q o s r ) 技术 q o s r 是根据网络现有资源状况米决定流量路径的路由协议。q o s r 被认为是在数据网 上提供真正的q o s 服务的一种较好的技术。i e t f 成立了q o s r 丁作组，来研究如何在i n t e r n e t 网上建立q o s r 的路由机制。 q o s r 将根据所考虑的测量值来计算利选择最佳路由。计算测量值的信息包括了在所有 节点的带宽资源情况，其中包括端到端的时延、资源的可用性及每一节点的转发机制等。 q o s r 能根据用户特定的需求来确定路由选择机制，网络管理员能很方便地根据服务类别进 行网络参数的调整与配置、资源的分配和网络带宽的控制。如对一些要求低时延的应用， q o s r 能尽量选择光纤线路，避开卫星传输线路，以保证选择最低时延的路由。遇到对带宽 有要求的应用时，q o s r 能保证选择的路由所经过的链路都能满足其带宽的要求。q o s r 在 计算路由时考虑的因素较多，因而其路由协议同现在i n t e r n e t 的路由协议相比要复杂得多。 q o s r 是在路由协议上提供了对不同服务类别的处理机制，因而它对q o s 具有很好的支持。 三、i p v 6 对q o s 的支持 i p v 6 不仅刚于解决i n t e r n e t 网络地址的危机，而且在解决i n t e r n e t 网络性能方面有了很大 的突破，提供了对q o s 的支持。在i p v 6 中定义了两个重要参数：服务类别域和数据流标志 位。服务类别域将i p 包的优先级分为1 6 级。优先级又分为两类：o 一7 级用丁。在网络发生 拥塞时通过减少数据包的发送速度来实现拥塞控制的服务；8 1 5 级用于一些实时性很强的 服务，它在网络拥塞时不作任何减少流量的控制。对于那些需要特殊q o s 的服务，可在i p 数据包中设置相应的优先级，路由器根据i p 包的优先级来处理这些数据。数据流标志位用 于定义任意一个传输的数据流，以便网络中所有的节点都能对这一数据进行识别并作特殊的 处理。除了在r s v p 协议中会使用数据流标志外，在i p v 6 中未对数据流标志的使用作详细 的说明。但有了数据流标志位，就可以使路由器处理一些具有特殊服务请求的数据包。 8 第1 章绪论 1 2 流量整形与链路共享 本文涉及通过支持q o s 的网络实现多媒体i p 分组( 数据包) 端对端q o s 保证。前面己 述两种i p q o s 网络架构，对i n t s e r v 网，英特网工程任务组( i e t f ) 己定义有保证服务【3 3 和控制负载服务 3 4 】，前者带宽、时延有保证，后者虽无保证，但是个轻载网服务，所以前 者可用于硬实时通信，后着用于软实时通信。通信终端产生的多媒体通信流( f l o w ) 不一定 适配网络提供的服务指标( 如速率) ，如超出指标，业务流就可能得不到戍有的q o s 保证。 通常业务流的突发速率远高丁平均速率，服务指标按突发速率额定太浪费，所以在进入网络 之前耍进行流量整形( t r a f f i cs h a p i n g ) ，流量整形用于控制突发速率和限制平均速率但也可 能引起额外的延时。 d i f f - s e r v 保留了现有i p 网特点，被人们认为是最有前途的。其他几种i p q o s 网络架构 基于单个数据流的处理，而d i f f - s e r v 与之不同，是基于汇聚流( a g g r e g a t e ) 的处理。与用 户系统相连的d i f f - s e r v 边缘节点除p h b ( 每跳行为) 工作外还要对用户业务流进行分类， 可能要作些流量调整( c o n d i t i o n i n g ) 。d i f f - s e r v 网与用户系统之间有服务等级协议( s e r v i c e l e v e la g r e e m e n t ，s l a ) 和服务调整协议( 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 ) 来划定用户系 统定购的服务等级和业务流特性( 如速率、突发字节量) 。如用户系统发来的业务流违反上 述协议，定购的服务等级将不能保证，甚至拒绝服务。因此，有必要对用户系统的业务流进 行合理调度，以确保定购的服务等级上速率、突发字节量等符合协议要求。 一一一i 业务流 图1 2 1 支持q o s 网络的用户系统产生多个业务流 交换 冈此，支持q o s 网络的用户系统或端系统( e n ds y s t e m ) 耍真正得到q o s 服务，必须对 送出的数据流进行流量整形，d i f f - s e r v 网只提供汇聚流的q o s 服务，要获得端对端q o s 还 需用户系统的业务流进行合理调度，这种调度要采用类似链路共享所采用的分级调度 ( h i e r a r c h i c a ls c h e d u l i n g ) 的方法。链路共享也是用户系统要解决的问题，用户系统有可能 是一个用户网络也可能是单机，但不管是网络或是单机，都可能产生多个不同类型和相同类 型的业务流( 如通过不同端口进行f t p 、w e b 、v i d e o 、a u d i o 业务传送) ，如图1 2 1 所示，用 户系统