（通信与信息系统专业论文）3g中的qos技术研究.pdf

摘要 随着通讯事业的发展人们越来越期望移动网络可以随时随地给用户提供可靠 的服务。不同的用户对网络迟延以及丢包率等方面的要求也不尽相同。如何在第 三代移动通信网络中给不同类型的用户提供不同的服务质量，而非“一视同仁” 的q o s ，已经成为第三代移动网络研究的一个至关重要的问题。 针对第三代移动通信网络的研究以及i e t f 提出的几种q o s 服务模型，本文 的研究工作主要有以下几个方面： 1 w e bq o s 和网络q o s 技术的研究 论述了关于w e bq o s 和网络q o s 技术的概念、分类、协议和关键技术， 详细介绍了t c p m 网络的综合服务和区分服务协议。 2 支持q o s 的第三代移动网络的设计 详细分析了区分服务模型的关键技术以及区分服务模型的系统结构。将 区分服务模型和第三代移动通信系统结合起来，在移动通信网络的基础上， 设计了区分服务的骨干网络。并讨论了目前流行的排队算法和队列调度算法。 3 支持o o s 的第三代移动网络的实现 详细分析了在l i n u x 操作系统下实现分类、队列、调度模块的实现方法。 并给出了数据结构。 4 测试结果及其分析 介绍了泰克公司的自动化测试工具k 1 2 9 7g 2 0 。用k 1 2 9 7 _ g 2 0 模拟不同 的数据流来测试移动网络的处理情况，并通过对实验结果的分析表明了该移 动网络对q o s 的保证功能。 关键词：网络q o s 区分服务模型核心路由 队列管理 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m m u n i c a t i o n ，a l lu s e r sw i s ht oc o m m u n i c a t e w i t ho t h e r sa t e v e r ym o m e n ta n di ne v e r y w h e r e d i f f e r e n tu s e r sn e e dd i f f e r e n t d e l a yt i m e a n dl o s sr a t e m o b i l en e t w o r ks h o u l dp r o v i d ed i f f e r e n t q u a l i t y o f s e r v i c et od i f f e r e n tu s e r s h o wt or e s o l v et h i sp r o b l e mi nt h e3 “g e n e r a t i o nm o b i l e s y s t e mi sa ni m p o r t a n tp r o b l e m a c c o r d i n g t ot h er e s e a r c hi nt h e3 “g e n e r a t i o nm o b i l es y s t e ma n dt h em o d e lo f q u a l i t y o fs e r v i c et h er e s e a r c hw o r km e n t i o n e di nt h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u t ： 1 t h er e s e a r c ho nw e bo o sa n dq o s c o n c e p t s ，c l a s s i f i c a t i o n ，p r o t o c o l s a n d k e yt e c h n o l o g y a r e p r e s e n t e d ； i n t e g r a t e ds e r v i c e sa n dd i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e so nt c p i pa r ei n t r o d u c e di n d e t a i l s 2 t h ed e s i g no fo o s - a w a r et h e3 “g e n e r a t i o nm o b i l e s y s t e m t h e a n a l y s i s o ft h et e c h n o l o g yo fd i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sq o s ；t h ed e s i g n o ft h i s s y s t e m ，w h i c hi n v o l v e s i nt w ov i t a l c o m p o n e n t s ：d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e sm o d e la n dt h e3 “g e n e r a t i o nm o b i l es y s t e m ；t h ed i s c u s s i o no n q u e u ea l g o r i t h m sa n dq u e u es c h e d u l i n ga l g o r i t h m s ； 3 t h ei m p l e m e n t a t i o no fq o s - a w a r em o b i l es y s t e m r e s e a r c ho nq u e u ea n ds c h e d u l i n gt e c h n o l o g yi nl i n u x ；d a t as t r u c t u r e ， p r o g r a m f l o wa r e p r e s e n t e d i nt h i sp a p e r 4 t e s ta n dr e s u l ta n a l y s i s c h o o s ek 1 2 9 2 6 2 0a st h em o b i l es y s t e mt e s t i n gt o o l ；s i m u l a t es y s t e m e n v i r o n m e n tt h r o u g hac o r en e t w o r ki nt h e3 埘g e n e r a t i o nm o b i l es y s t e m ； a n a l y s i sh et e s t i n g r e s u l t s k e y w o r d s ：n e t w o r kq o s d i f t s e r vm o d e lc o r em u t e r q u e u em a n a g e m e n t 创新性声明 y6 9 5 5 3 本人声明所呈交的论文是我个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；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机 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 在论文中做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： 塞2 面塑f日期2 竺! 苎! 竺：主兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。本人保证毕业离校 后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍是西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公开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论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 塞1 2 厨，绌 主戳 日期圣翌主：i 2 ：兰兰 日期 ! 皇! 至! 兰量 第一章绪论 第一章绪论 1 1 应用背景 当今社会已经进入了一个信息化的社会，没有信息的传递和交流，人们就无 法适应现代化的快节奏的生活和工作。人们期望随时随地的交流、及时可靠、不 受时空限制地进行信息交流，提高工作效率和经济效益。移动通信综合利用了有 线、无线的传输方式，为人们提供了一种快速便捷的通信手段。电子技术，尤其 是半导体，集成电路及计算机技术的发展，以及市场的推动。现代的移动通信发 展至今，主要走过了两代，目前第三代移动无线系统的研究已经取得了很大的成 果。在国际电信联盟中，第三代移动网络被称为国际移动通信2 0 0 0 ( i m t - 2 0 0 0 ) ， 在欧洲称其为个人移动通信系统( u m t s ) 。第三代移动通信系统是一种能提供多种 类型、高质量的多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，与固定 网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类的通信系 统。由于其诸多优点全世界各个运营商、生产厂家与广大用户对此产生浓厚的兴 趣。第三代移动通信系统的目标可以概括为： ( 1 ) 能实现全球漫游：用户可以在整个系统甚至全球范围内漫游。且可以在不同速 率、不同运动状态下获得有质量保证的服务； ( 动能提供多种业务：提供话音、可变速率的数据、活动视频会话等业务，特别是 多媒体业务： ( 3 ) 能适应多种环境：可以综合现有的公众电话交换网( p s t n ) 、综合业务数字网、 无绳系统、地面移动通信系统、卫星通信系统。来提供无缝隙的覆盖； ( 4 ) 足够的系统容量，强大的多种用户管理能力，高保密性能和高质量的服务。为 实现上述目标，对其无线传输技术( r t t ： r a d i ot r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y ) 提 出了以下要求： ( 1 ) 高速传输以支持多媒体业务。 室内环境至少2 m b i t s ； 室内外步行环境至少3 8 4 k b i t s ； 室外车辆运动中至少1 4 4 k b i l s ； 卫星移动环境至少9 6 k b i t s ( 传输速率能够按需分配。 f 3 1 上下行链路能适应不对称需求。 但是一般的移动网络只提供”尽力而为”的数据传输能力。随着网络上用户数 量的不断增加，网络服务的需求将超过网络提供的能力，从而造成传输延迟变化 ( 延迟抖动( d e l a yi i t t e r ) ) 、传输延迟过大甚至引起数据包丢失，也就是说出现了删 2 3 g 中q o s 技术的研究 络拥塞。网络拥塞对一些i n t e r a c t 应用( 如电子邮件，文件传输和w 曲应用) 一 般不会造成太大影响，但对实时应用( 如多媒体业务) 及大多数双向通信业务( 如 电话业务) 却是不能容忍的。根据人类感官之经验归纳在双向通信业务中使用者 对迟延和迟延抖动相当敏感，如果迟延超过3 0 0 m s 使用者就难以忍受。 当然，我们可以通过增加网络带宽来缓解网络拥塞，但这样做并不能消除拥 塞。需要大带宽的新业务不断涌现，当这些业务量猛增的时候，拥塞将是难以避 免的。甚至在一个负载相对较轻的i p 网络上，传输迟延也能累积到影响实时应用 的程度。为了在移动网络上提供有质量保证的服务，必须制订有关服务数量和服 务质量水平的规定。规定中需要在网络方面增加一些协议，对延迟有严格要求的 业务和能够容忍延迟、抖动和数据包丢失的业务进行分类，同时采用多种数据包 调度机制和算法对这些业务进行处理，这就是q o s 机制的职责。也就是说，q o s 机制不是用来增加网络带宽，而是通过最优化的使用和管理网络资源使其尽可能 满足多种业务的需求。 1 2 解决方案 通常对于使用者而言真正会影响其品质的因素，不只是单一网络的服务品 质保证所能够提供的，而是端对端的服务品质保证。但是在实际中的端对端服务 会牵扯到太多的潮络组件，要直接提供端对端的服务是不容易的。如何在第三代 移动通信网络中引入和实现q o s 控制的机制与策略，从而满足不断增长的用户服 务需求，为不同类型的用户或请求提供服务区分和性能保证，这是目前的三代移 动网络发展迫切需要解决的问题，也是实现下一代移动网络q o s 控制技术不可或 缺的关键环节。 现代移动网络都是平等地处理所有到来的请求；大多数移动网络采用f i f o ( f i r s t i n f i r s t o r e ) 的调度策略，在超载的情况下不加区别地丢弃请求分组。在 第三代移动通信网络中核心网的网络节点s g s n ( s e r v i n gg p r s ( g e n e r a lp a c k e t r a d i o s y s t e m ) s u p p o r tn o d e ) 和g g s n ( g a t e w a y g p r s s u p p o r tn o d e ) 通过隧道传 输数据包。为了实现保证q o s 的目标，必须研究基于i p 的q o s 技术。面对品质 要求及时化、多变化而且负载极高的i p 网络，其品质管理复杂程度远比单纯的语 音或者数据网络复杂。i p 网络上的品质保证是一项大的技术挑战。网络管理系统 必须提供适当的资源管理机制管理不同服务的资源运营，并让管理者可以轻易的 调动网络，使得各类服务都可以获得适当的品质服务。 为满足移动网络上多种业务对q o s 的需求，i n t e r a c t 工程任务组( 1 e t f ) 先 后制定了两种q o s 服务模型：集成服务( i n t e r s e r v ) r s v p 模型和区分服务( 区 分服务) 模型，用柬在不同的场合提供相应的质量保证。 第一章绪论 3 1 、集成服务模型： 集成服务模型是一种山i e t f 提出并常与资源预留协议( r s v p ) 一起使 用的模型。集成服务模型中定义了两种服务类型：( 1 ) 保障型( g u a r a n t e e d ) 业务，用于需要固定时延限制的应用；( 2 ) 控制负载( c o n t r o l l e dl o a d ) 、i p 务，用于可变时延限制的应用。 2 、区分服务模型 区分服务( 区分服务) 模型简化了信令，对业务流的分类粒度更粗。它 采用汇聚( a g g r e g a t e ) 1 p h b ( p e rh o pb e h a v i o r l 的方式来提供一定程度上的 o o s 保汪。汇聚的含义在于路由器可以把o o s 需求相似的业务流看成 个 类，以减少调度算法处理的队列数量；而p h b 的含义在丁二逐级跳的转发方 式，每个p h b 对应一种转发方式或q o s 要求。区分服务通过设置数据包头 巾的保证比特位将数据包分为奖赏数据包和尽力而为数据包。当这些数据包 到达路由器时，它们能够向路由器表明自己的身份，从而得到不同的处理。 1 3 支持q o s 的第三代移动刚络系统 综上所述，为了满足用户不同的业务要求，需要把第三代移动网络的结构和 上面提到的服务模型结合起来，推出一套支持q o s 的第i 代移动通信系统方案。 当前，世界各大通信厂商及研究部门都在加紧进行q o s 的研究工作，并已推 出具有支持q o s 功能的设备，有些厂商还宣称已设计出实现支持q o s 功能的专 用芯片组。但目前大多数公司的产品只支持基本的q o s 功能，在q o s 保证方面， 要么不提供支持，要么使用f 扩展的) r s v p 支持端到端的i n t s e r vo o s 保证。目前 尚未有哪家公司声称支持基于d i f f - s e r vq o s 保证。软件方面的产品发展种i 对较 快，推出支持q o s 软件包的有c i s c o 、h a r r i s 、n o r l e l 、d a t ac o n n e c t 、j u n i p p e r 等 公司。其中n o r t e l 声称可提供全面的支持q o s 解决方案。目前实际运行的具有支 持q o s 功能的网络有：欧洲国家网络u u n e t ；美国互联网i f 在利用支持q o s 的 技术为l p 网络实现流罱工程调节；a t & t 用支持q o s 的技术构建了基于帧中继 的i p 服务网；i t u t 也已经决定使用c r l d p 作为其最新通过的y 1 3 1 0 建议( 原 1 i p a t m 草案1 中支持i p o a 的唯一控制协议。以上的发展现状充分表明，发展支持 q o s 的技术作为下代网络技术已成为业界的共识。但山于支持q o s 技术的相关 协议及技术细节还不完善，各公司对于支持q o s 技术产品的开发与研究也还处r 初级阶段。 要实现第三代移动通信网络对o o s 的支持。主要解决下面几个问题： 支持具体业务的分类以及各类业务具体q o s 参数的量化定义； 上下层之间q o s 参数的解析和映像规程： 4 3 g 中q o s 技术的研究 全网络范围的资源管理和接入控制机制： 支持现有异种网络之间q o s 机制的互操作性。 1 4 论文主要研究内容 本论文针对第三代移动通信网络的质量保证问题，讨论了各种q o s 服务模型 在第i 代移动通信网络中的应用，提出了区分服务在第三代移动通信嘲络中的应 用模型，并且通过l i n u x 实现了该区分服务的模型，最后通过模拟实验给出了改 进后的第三代移动通信网络在质量保证方面的效果改进。 第二章口q o s 技术研究5 第二章i p q o s 技术研究 2 1 q o s q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 是一个综合指标，用于衡量使用一个服务的满意程 度。它强调端到端或网络的边界到边界的整体性，具体可以量化为吞吐量、差错 率、端到端延迟、延迟抖动等网络性能参数。随着i n t e m e t 规模的不断增长，i p 网络上出现了大量的实时业务。传统的i p 网络没有服务质量q o s 保证，这与计 算机网络产生之初，只是为传输简单的数据业务，因而采用面向无连接的服务有 关。i p 网络不能保证业务特定的q u s 要求已经成为i p 网络向宽带综合服务网络 发展的巨大障碍。因此如何解决i p 网络的q o s 要求，以使网络能够灵活地根据 业务的具体特点提供给客户满意的服务，是i p 业界亟待解决的问题。在这种情况 下，各个研究团体纷纷开始组织大规模的q u s 研究。q u s 主要分为两种：端节 点的q o s 保证和网络传输中的q o s 保证。 2 2 端点的q o s 端点的q u s 主要是指w e b 端服务器的q u s ，现代w e b 服务器都是根据 i n t e r n e t 尽力而为( b e s t e f f o r t ) 的服务模型平等地处理所有到来的请求；大多数 u n i x 内核的w e b 服务器采用f i f o ( f i r s t i n f i r s t o u t ) 的调度策略，在超载的情 况下不加区别地丢弃高优先级的请求数据包。w e bq o s 属于应用层q u s ，是指 h t r p 用户与w e b 网站交互要求满足的服务性能。它摒弃传统w 曲服务器的“尽 力服务”，为不同用户和不同请求分类排队提供不同的服务。例如会员的测览速度 要比免费用户的快，视频点播请求要比一般文件下载请求优先响应。w e bq o s 有 许多性能指标，例如吞吐量、连接率、出错率等等，其中最重要的是平均响应时 间，即保证高级用户的平均响应时间低于普通用户。目前所用到的w e b q u s 技术 方案主要有：w e b 服务器应用软件的q o s 支持技术、操作系统的w e bq o s 支持 技术、中间件的w e bq o s 支持技术、w e b 服务器集群系统中的q u s 支持技术和 w e b 集群系统。 1 w e b 服务器应用软件的q o s 支持技术 目前，很多研究项目和技术成果试图通过改进w e b 服务器应用软件来为不同的 客户或请求提供区分的w e bq o s 。其主要方法是将到达的 r r r p 请求根据其重要 程度进行分类；分类后的请求根据其对应的调度策略可能被服务或拒绝；如果请 求被接纳，利用其分类属性来决定如何对请求进行排队和调度；另外还要为状态 无关的h r r p 协议提供会话语义并维持会话的状念，控制服务器的系统资源分配。 6 3 g 中q o s 技术的研究 2 操作系统的w e bq o s 支持技术 通过修改w e b 服务器应用软件虽然能在定程度上为客户或请求提供w e b q o s 支持，但仅在服务器应用层执行服务区分，对于实现w e bq o s 控制而言仍有 一定的局限性。实际上，一个唧请求中很重要的一部分处理是在操作系统的 内核中完成的。因此，如果缺少这一层上的服务区分，将导致对这部分w e b 处理 所消耗的系统资源的计算不准确。操作系统的研究者们已经意识到了操作系统的 内核机制对于支持服务区分和实现w e bq o s 的重要性。美国赖斯大学的b a n g a 等人提出了“资源容器”( r e s o u r c ec o n t a i n e r ) 的抽象，将资源代理与进程，线程的 概念从原来的一体化中分离开来，为操作系统中精细粒度的资源管理提供了支持。 资源容器可以用来计算和控制不同请求类别所消耗的操作系统资源，这种操作系 统的控制机制能够在w e b 服务器中提供基于类别的区分性能，从而在w e b 服务 器中有效地支持服务区分和w 曲q o s 。 大多数传统的操作系统将每个进程或者进程中的线程作为调度的实体。同时， 进程也是分配系统资源( 如c p u 和存储器) 的可记账实体。这种以进程为中心的 操作系统的设计前提是：进程是组成一个服务类的基本单元。进程的抽象同时具 有双重功能，既作为一个保护域( p r o t e c t i o nd o m a i n ) ，又作为一个资源代理 ( r e s o u r c ep r i n c i p a l ) 。资源容器是资源代理的最好的操作系统抽象，并且与进程 和线程独立。一个资源容器逻辑上包含一个服务类所消耗的所有系统资源。使用 资源容器，w e b 服务器可以将一个网络连接、一个服务器线程、一个c g i 进程等 与个单一资源代理( 代表正被处理的服务类) 相关联。此代理同代表其它服务 类的代理竞争服务器的资源。资源容器允许在内核和用户层为某一服务类所消耗 的资源进行准确的计算与调度，并且同适当的资源调度程序相结合，能够为不同 类型的客户或请求提供性能隔离和区分的w e bq o s 。 使用资源容器，一个进程线程与一个资源代理的绑定是动态的，并且直接在 应用的控制之下。内核将进程，线程所消耗的资源对资源容器进行记账。一个容器 可与多个进程线程相关联。一个在多个服务类之间分时复用的进程线程可以动 态地改变其与资源容器( 对应正被处理的服务类) 的绑定。系统调度程序为资源 容器而不是进程线程提供可用的资源。然后这些资源通过特定的二级容器调度程 序进一步由相关的进程线程多路复用。 此外，资源容器允许一个w e b 服务器或代理服务器的操作员将一个资源代理 与位于该服务器f 理上的每个虚拟站点或客户团体相关联。为了向不同的虚拟站 点或客户群有效地提供区分的服务，资源容器还必须针对每类资源( c p u 、存储 器、磁盘和网络带宽) 同一种适当的调度策略相结合。因此，使用资源容器能够 为位于同一w e b 服务器上的多个虚拟w e b 站点或客户团体实现性能隔离和服务 区分，实现区分的w e bq o s 。 第二章i p o o s 技术研究 7 3 中间件的w e b q o s 支持技术 为了向不同类型的客户提供区分的w e bq o s ，基于w e b 服务器应用软件以及 操作系统的w e bq o s 支持机制通常要求对其进行根本上的修改，使之具备特有的 体系结构和功能，以实现对w e bq o s 控制的支持。然而，这类修改在具体实现上 有一定的难度，而且改进后的系统会存在灵活性、通用性、可扩展性等方面的问 题，因此具有一定的局限性。目前，中间件技术已经被用来为w e b 服务器提供 q o s 支持。基于中间件的w e bo o s 控制机制无需对w e b 服务器应用软件或者操 作系统进行修改就能实现对w e bo o s 的支持。 中间件是在操作系统、网络和数据库之上，在应用软件的下层，总的作用是 为处于自己上层的应用软件提供运行与开发的环境，帮助用户灵活、高效地开发 和集成复杂的应用软件。 在众多的研究中，w e b 2 k 服务器是一个典型的例子。它基于中间件技术实现 了w e bq o s 功能，它所基于的中间件日q 做q o s a w a r e ，它的设计和实现来自l i p 实验室的b h o j 等研究者。在该服务器中，q o s a w a r e 中间件层保证w e b 2 k 服务 器可以向用户提供区分的w e bo o s ，而无需对操作系统和w e b 服务器应用软件进 行修改。为此，中间件层截取服务器的t c ps o c k e t 调用，并直接与服务器的t c p ，i p 堆栈对接，接收请求并进行优先化处理，然后将请求转发给w e b 服务器进行服务。 基于中间件的方法可以在w e b 服务器中实现透明的负载监测、过载保护、动 态q o s 自适应、q o s 隔离和服务区分，而无需修改服务器软件代码、下层协议、 操作系统的调度及通信资源管理机制。因此，这种方法可以无需对客户和服务器 进行修改而直接应用于目前的i n t e m e t 环境，具有很强的实用性和应用前景。 4 w e b 服务器集群系统中的q o s 支持技术 h t t p 请求的指数性增长和w e b 应用的迅猛发展，迫切需要高性能、高性价 比和高可用性的w e b 服务器系统。集群( c l u s t e r i n g ) 正是目前解决服务器超载和 提供高性能服务器的一种有效手段。 w e b 服务器集群概念最早起源于美国u i u c ( u n i v e r s i t yo f i l l i n o i sa t u r b a n a c h a m p a i g n ) 大学n c s a ( n a t i o n a l c e n t e rf o rs u p e r c o m p u t i n g a p p l i c a t i o n s ) 提出并实现的一个原型系统“n c s a s c a l a b l ew e bs e r v e rc l u s t e r ”，之后，伯克利的 n o w ( n e t w o r k o f w o r k s t a t i o n s ) 小组、n s c 和科罗拉多大学的h a r v e s t 小组、c i s c o 公司及i b m 公司也加入了这个行列，提出了许多新概念和新方法，并很快推出了 相应的产品。目前，比较成熟的用于w e b 服务器集群的负载均衡产品主要有c i s c o 的l o c a ld i r e c t o rd i s t r i b u t e dd i r e c t o r 、i b m 的n e t w o r k d i s p a t c h e r 、h y d r a w e b 的h y d r aw e bd i s p a t c h e r 、r n d 的w e bs e r v e rd i r e c t o r 等。w e b 服务器集群的应 用已经越来越广泛，成为当今w e b 站点所普遍采用的服务器体系结构。 w e b 服务器集群系统是由分猫在局域网( l a n ) 或广域网( w a n ) 上的多台 8 3 g 中q o s 技术的研究 w e b 服务器主机( 同构的或异构的) 相互联结而成的一种服务器体系结构，它采 用负载均衡策略将到达的请求分配给集群中的某台服务器进行处理。集群中的每 台服务器都能响应任何客户的请求。一般地，集群系统可以有以下几种分类方法： ( 1 ) 由局部范围内的多台服务器组成的局域集群和由多个局域集群在地理上 广域分布而形成的广域集群。 ( 2 ) 由中间节点管理整个集群的集中式集群和各个服务器协同工作的分布式 集群。n e t p t u r e 和n e c 公司的作业管理系统( j o b c e n t e r ) 都是属于分布式集群系 统，而本文提出的支持q o s 的w e b 集群系统属于集中式集群系统。 w e b 信息在服务器节点问的分布方式有两种，即在每个服务器的本地磁盘复 制全部的内容树，镜像各台服务器的内容( 适用于局域和广域集群) ：或通过管理 全部w e b 文件树的分布式文件系统( 如a n d r e w 文件系统) 来共享信息( 适用于 局域集群) 。 同单一的工作站相比，集群系统具有更高的性价比、良好的可扩展性、可靠性和 容错性，但它多主机的特点增加了系统实现的复杂性，其分布式特性给系统设计 带来了诸多的挑战，从而使w e bq o s 控制问题也更为复杂。首先，h t t p 客户 主观上仍然希望感受到的是与单一工作站进行通信，所以，集群的分布式特性应 该尽可能地对用户透明。其次，请求的处理可能会涉及到集群中的多台工作站， 这需要对集群的内部通信协议进行有效设计。更重要的是，对集群中服务器节点 的选择策略将直接影响到客户请求所获得的服务质量，因此，必须设计和实现有 效的请求分配机制和负载均衡策略。将客户的请求分配到集群中最适宜的w e b 服 务器节点进行处理，从而获取最佳的w e bq o s 性能，并且通过负载均衡策略，使 集群中各台w e b 服务器的负载处于均衡状态( 即服务器分得的请求负载与其处理 能力成正比) ，使整个集群系统的效率最高。 2 3 网络传输的q o s 然而，这些q o s 技术大都是针对服务端点w e b 的。如果网络传输不支持任 何的q o s 机制，在网络传输过载的情况下，即使高优先级的数据流仍有可能遭受 服务拒绝。根本不可能到达w e b 端点。因此在网络传输中实现q o s 机制是必要 的。网络传输作为端到端网络中不可缺少的一个重要环节，必须同样具备建立和 支持q o s 的机制与策略。i pq o s 楚i p 的服务质量，它是指i p 数据包或者流通过 网络时的性能，这种性能通过一系列可度量的参量来描述。网络传输的o o s 技术 可分为保证型和尽力型两种。保证型的q 0 5 在终端双方通信之前先要建立连接， 确保通信过程中的网络带宽，如a t m 业务类型、l p 网络中的r s v p 。一旦连接建 立，通信中所需的带宽就能保证，与连接帽关的应答时间、时延要求也能保证： 第二章i p q o s 技术研究 9 如果网络不能提供所需的带宽，它就会拒绝建立连接。尽力型的q o s 技术不能确 保带宽，通常用在非连接型通信中，例如在i e e e 8 0 2 i p q 的标记帧或者i p 数据 包头中的t o s 部分有3 位的优先级，供l a n 交换机或路由器进行优先级控制， 由于采用这种方法不能在通信中确保带宽只是按优先级顺序进行交换或转发，因 此也称为c o s ( c l a s so f s e r v i c e ) 以区别能保证带宽的狭义的q o s 技术。 2 4 网络传输的q o s 分类 概括地讲，i e t f 建议的q o s 技术方案主要有： 删网络； 基于约束的路由； 综合服务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s h a t s e r v ) ： 多协议标记交换； 区分服务( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s 区分服务) 2 4 1 a t m 网络 异步传输模式汹m ) 网络是从网络的体系结构上保证q o s ，a t m 采用面向 连接的虚电路方式工作，即在通信开始时先建立虚电路( 虚电路包括虚信道和虚 通路) ，用户将虚电路的标识写入信息头v c i v p i 中，网络根据虚电路标识将信 息送往日的地。同时在呼叫过程向网络提出传输所希望使用的资源，网络根据当 前的状态决定是否接受这个呼叫。其中资源的约定并不像电路交换中给出确定的 电路或p c m 时隙，只是用以表示将来通信过程所可能使用的通信速率。a t m 网 络按照端点间的定时关系、比特率可变性及可连接性为主要特征把传输服务分为 5 类：a 、b 、c 、d 和x 类。a 、b 类用于支持面向语音和视频的应用以及d s 电路模拟；c 、d 类用于支持面向数据的应用；x 类由用户和厂家自定义。互相 通信的a t m 节点在建立连接的过程中需要o o s 参数的协商，一旦连接建立了， 虚电路上的a t m 路由器必须为此次连接保证其承诺的服务质量。 2 4 2 基于约束的路幽 基于约束的路由( c b r ) 源自q o sr o u t i n g ，只是对o o s 的限制参数进行了 一定的扩充。c b r 的有效实现需要各个路由器之问的相互配合，比如相互通知各 自所知道的网络的一些状态信息( 如链路的剩余带宽) 。c b r 的难点在于：如何 在状态信息的精确发布和发伟频率之间取得一个折衷。因为，链路的剩余带宽在 1 0 3 g 中q o s 技术的研究 不断的变化，c b r 既要避免状态信息发布的滞后性，又要避免不停地频繁发布状 态信息。c b r 的有效实现还有待进一步的研究。 2 4 3 多协议标记交换 m p l s 源于i p 交换和标记交换技术，通过定义标记来封装i p 数据包，实现 流量控制和快速转发。i p 网络是无连接的，每个路由器根据每个i p 数据包的地 址查找转发路径，并做相应的转发。由于路由器采用最长前缀匹配搜索方法，因 此无法实现高速转发。m p l s 在网络的入口边缘路由器为每个i p 数据包加上一个 3 2 位的标记，核心路由器将根据标记值进行转发，在出口边缘路由器再恢复成原 来的i p 数据报。由于采用固定长度的标记来搜索目的地址，因此m p l s 能够实现 高速转发。 由标记确定的转发路径成为标记交换路径( l s p ) 。m p l s 能够根据流量的 o o s 要求选择一个优化的边界到边界的路径。m p l s 还提供了对流量工程的支持， 能够在m p l s 网络范围内进行负载均衡。 2 4 4 综合服务 r f c l 6 3 3 和r f c 2 2 1 0 对i n t s e r v 进行了定义，该模型利用资源预留协议 r s v p ( r c s o u r c cr e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 为信令，建立一条从源到目的端的数据传输 信道，并在该信道上的各个节点进行资源预留，以满足沿着该信道传输的业务流 的q o s 要求，从而实现端到端的q o s 服务。 i n t s e r v 模型定义了三种业务类型：保证服务( g u r a n t e e ds e r v i c e s ，r f c 2 2 1 2 ) ， 对带宽、时延分组丢失率提供定量的质量保证；可控服务( c o n t r o l l e d - l o a ds e r v i c c s ， r f c 2 2 1 1 ) ，给用户提供一种类似于在网络欠载情况下的服务，它是一种定性的指 标；尽力而为服务( b e s t e f f o r t ) ，类似于目前i n t e r n e t 网上提供的服务，是一种 尽力而为的工作方式，基本上无任何质量保证。 为了实现上面的服务，i n t s e r v 定义了4 个功能部件，网络中的每个路由器都 需要实现这4 个部件。 ( 1 ) r s v p ( r f c 2 2 0 5 ) ：r s v p 即资源预留协议，它是i n t e r n e t 上的信令协议。 通过r s v p ，用户可以给每个业务流( 或连接) 申请资源预留，要预留的资源可 能包括缓冲区及带宽的大小。这种预留需要在路径上的每一跳上都要进行，这样 才能提供端到端的q o s 保证。r s v p 是单向的预留，适用于点到点以及点到多点 的通信环境。 ( 2 1 访问控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) ：它基于用户和网络达成的服务协议，对 第二章i p q o s 技术研究 用户的访问进行一定的监视和控制，有利于保证双方的共同利益。 ( 3 ) 分类器( c l a s s i f i e r ) ：根据预置的一些规则，它对进入路由器的每一个数 据包进行分类。这可能需要查看l p 数据包里的一些部分：i p 源地址、i p 目的地 址、上层协议类型、源端口号、目的端口号；数据包经过分类以后被放到不同的 队列中等待接收服务。这方面的技术还不很成熟，是一个有待研究的领域。 ( 4 ) 队列调度器( s c h e d u l e r ) ：它主要是基于一定的调度算法对分类后的数据 包队列进行调度服务。这方面的技术目前已比较成熟，常见的调度算法 有w f q 、w f 2 q 、s c f q 、v c 、m d s c f q 、w r r 等。 使用r s v p 实现i n t s e r v 的主机和路由器参考模型如图2 1 所示。 主机路由器 r 一一一一一一一一一一一一一。一一一一一一一一一一i 。一一一一一一一。一一一一一一一一一一一一一一 应 r s v p r s v p 。 用 r s v p r s v p 程处理 4 黧 曛、 处理冈 斟* 女i 席 搿 接 j rd l 接 1 分类l1 分组i 纳纳 控控 l 器li 调度i 告i l 数据 告i l 数据 l 曼警j 图2 使用的主机和路由器参考模型 的优点是：可具有良好的保证，使用资源预留协议的软状态特性 可以支持网络状态的动态改变与组广播业务中组员的动态加入，同时利用 中的两个参数与的刷新，判断网络中相邻节点的产生与退出， 并实现网络资源的有效分配。 存在的问题是：首先可扩展性是最严重的问题，由于使用了 “软状态”的工作模式，进行资源预留需要对大量的状态信息进行刷新和 存储，当网络规模扩大时，这一模型将无法实现；其次要求发送节点的所 有路由器都支持r s v p 信令协议，这对路出器的要求太高；此外它的用户认证、 优先权管理，计费等也需要一套复杂的上层协议。因此只适用于网络规模 较小，业务质量较高的边缘网络，不适用于骨干网。 区分服务 1 2 3 g 中q o s 技术的研究 区分服务的最大特点就是简单有效、扩展性强。其实施特点是采用聚合的机 制将具有相同特性的若干业务流聚合起来，为整个聚合流提供服务，而不再面向 单个业务流。这种c o r e s t a t e l e s s 结构有很强的扩展性。其基本实现方法是：简 化网络内部节点的服务机制。在网络内部的核心路由器中只保存简单的d s c p ( 区 分服务c o d e p o i n t ) 与p h b 的对应机制，在数据流进入核心路由器时只根据数据 包头部d s ( d i f f e r - e n t i a t e ds e r v i c e s ) 域中的d s c p 进行转发，而业务流状态信息 的保存与流监控机制的实现等都在网络边界节点进行，内部节点是状态无关的。 区分服务大大降低了信令的工作，将重点放在流聚集以及适用于全网业务等 级的一套”逐级跳行为”上。我们可以根据预先确定的规则对数据流进行分类，从 而将多种应用数据流聚集为有限的几种数据流等级。具体而言，边界节点根据用 户的流规格( p r o f i l e ) 和资源预留信息对业务流进行分类、接形、标记、聚合为 不同的流聚集，流聚集信息包含在报文母头部的d s c p 标记域中。核心路由器在 调度转发m 包时以流聚集为服务对象，根据i l i 包头不同的d s c p 提供不同的转 发服务质量，这种对不同类型的数据报进行转发的方式，称为w 逐级跳行为” ( p e r - h o p - b e h a v i o r ，p h b ) ，实际上是一种相对优先级机制。 1 区分服务标记域与区分服务标记d s c p i p 包头部的区分服务标记域( d sf i e l d ) 是d s 区域边界节点和内部节点传输 流聚集信息的媒介，是内部核心路由器转发报文的依据，是连接报文与转发服务 ( 岫) 的桥梁，也是边界节点与其它d s 区域根据t c a 进行调节的依据。d s 标记域定义为l p v 4 头部的t o s ( t y p e o f s e r v i c e ) 字节或i p v 6 头部的流类型( t r a f f i c c l a s s ) 字节。如图4 所示。其中d s c p ( 6 b i t ) 即为区分服务标记，c u ( 2 b i t ) 在 本体系中没有使用，i e t f 已将它定义为e c n ( e x p l i c i tc o n g e s t i o n n o t i f i c a t i o n ， 显式拥塞指示) 使用。对于不支持c u 域的路由器，当决定所收到的报文的p h b 时，将忽略c u 的值；对于不支持该域的主机，在发送数据包的时候，将该域的 值置为零。下行节点则通过识别这个字段，获取信息来处理到达输入端口的数据 包，并将它们j f 确地转发给下跳的路由器。如图2 2 所示： 0567 i p v 4t o s 字：仃或者l p v 6 流类型字。 d s c p ：区分服务标记 c u ：保留给e c n 幽2 2i p 包头的区分服务标记域 2 区分服务中的分类和调节机制 为了保证用户能从i s p 那罩获得所需要的服务质量，用户必须和i s p 之间签 订有服务等级协定( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ，s l a