（通信与信息系统专业论文）基于mpls网络的qos研究与应用.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 墨! 丑q 一 日期：丝里3 ：二7 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 f 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 鎏! 垫i 导师签名： 毯日期：一 山东大学硕士学位论文 摘要 因为近年来网络相关应用服务的蓬勃发展，v o i p ( v o i c eo v e ri p ) 、视讯会 议( v i d e oc o n f e r e n c i n g ) 等相关网络服务事业，对网络服务质量( q u a lit yo f s e r v i c e ) 要求日益增加，然而受限于传统网络封包交换技术( p a c k e ts w i t c h i n g ) 种种先天上的缺陷，例如封包在传送时是以路径选择来作为封包传送的标准，这 一点很容易造成网络阻塞及数据的丢失，这对于有传输质量保证要求的数据流是 不能接收受的。为了解决这个问题，又基于不改变原有的网络架构情况下，且能 保证多媒体数据流服务质量，多协议标签交换网络( m u l t i p r o t o c o ll a b e l s w i t c h i n g ，m p l s ) 的提出，针对这一方面提供了一个很好的解决方案。 为了提高网络资源的利用律，m p l s 弓i 入了基于限制路由的标签分发协议 ( c r l d p ) 。c r - l d p 并不是一套新的信令协议，而是对原有的l d p 在能力方面加 以扩展得到的。c r l d p 在建立c r l s p 的过程中要告知路径上的每一跳特定业务 所需的资源。如果没有足够的资源建立所需业务通道，那么就可为现存的路径重 新选路。给新路径重新分配资源，这就是所说的“路径抢占”。在c r - l d p 中，使 用建立优先级为新路径分级：用保持优先级为现存路径分级。建立优先缎和保持 优先级值的取值范围是o 7 。o 为分配给最重要路径的优先级，是路径中的最高 优先级。7 是分配给最不重要路径的优先级。 但是，这种只根据优先权高低来决定是否被侵占的机制，对于低优先权数据 通道的传输质量，造成不可预期的影响。因此，作者在这篇论文中通过对数据优 先级的重新定义，提出了通过协商来进行资源侵占的机制。 在文章的最后，作者通过对n e t w o r ks i m u l a t o rv e r s i o n2 ( n s 一2 ) 进行扩展， 使其可以支持m p l s 网络协议的模拟器m n s ( m p l sn e t w o r ks i m u l a t o r ) ，作为网 络仿真的环境进行仿真，并对仿真结果做了分析，提出了存在的问题以及对下一 步的展望。 关键词：多协议标签交换、服务质量、带宽侵占 2 一 一 堂查查兰堡主兰垡笙= ! 兰 a b s t r a c t i nm p l sn e t w o r k s ， c r l d p ( c o n s t r a i n t b a s e dr o u t e dl a b e ld i s t r i b u t i o n p m t o c o i ) p r o v i d e s t r a f f i ce n g i n e e r i n ga n d q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ) b yd i s t r i b u t i n g l a b e l s a l o n gt h ep a t h o n e o f t h ei n n o v a t i v ei d e a si nc r l d pi sr i g h t i nt h e c a p a b i l i t y o f b a n d w i d t h p r e e m p t i o n b a n d w i d t hp r e e m p t i o na l l o w sah i g h p r i o r i t y t r a f f i cf l o wt o p r e - e m p t t h el o w - p r i o r i t yt r a f f i cf l o ww h e nt h e r ei sn o te n o u g h b a n d w i d t hf o r c o n v e y i n g t h eh i g h - p r i o r i t yf l o w h o w e v e r ，i ti sn o te f f e c t i v ei n a s s u r i n gq o sb ys i m p l yp r e e m p t i n g t h e l o w p r i o r i t yf l o w t h e r e f o r e ，i nt h et h e s i s ，w e p r e s e n t a b a n d w i d t h p r e e m p t i o n w i t h n e g o t i a t i o n a r c h i t e c t u r ef o rm p l sn e t w o r k s i nt h ea r c h i t e c t u r e ，a h i g h p r i o r i t y f l o ww i l lh a v et on e g o t i a t et h eb a n d w i d t hw i t hi n g r e s ss w i t c hr o u t e r ( i s r ) b e f o r e i t c a n a c t u a l l yp r e - e m p t t h eb a n d w i d t h b e i n g u s e d b y t h el o w - p r i o r i t yf l o w a n e t w o r kl i n k s t a t ed a t a b a s ei ni s ri sd e s i g n e dt or e c o r dt h er e m a i n i n gb a n d w i d t hf o r e a c h p r i o r i t yc l a s s i s r d e t e r m i n e sw h e t h e rah i g h p r i o r i t yf l o wo a n p r e e m p ta l o w p r i o r i t yf l o w b a s e do nt h ec o n d i t i o nt h a tt h el o w p r i o r i t yf l o wi sp o s s i b l e t o s w i t c ht oo t h e r p a t h s w i t ha l le q u a lb a n d w i d t ha l o n gt h ep a t h i no r d e rt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo f o u r p r o p o s e dn e g o t i a t i o n m e c h a n i s m s t w e m o d i f y t h em n s ( m p l sn e t w o r ks i m u l a t o r ) b ya d d i n g ab a n d w i d t hn e g o t i a t i o n m o d u l e f o rt h ec o m p a r i s o n s ，w ed e s i g no n et o p o l o g i e sf o rs i m u l a t i n gt h ep r o p o s e d n e g o t i a t i o n a r c h i t e c t u r ea n dt h e t r a d i t i o n a lb a n d w i d t h p r e e m p t i o n w i t hf o r c em o d e i ti so b s e r v e dt h a tt h en e g o t i a t i o n a r c h i t e c t u r eh a v ee r d a b t e d b e t t e rp e r f o r m a n c e i nq o st h a nt h et r a d i t i o n a lb a n d w i d t hp r e e m p t i o n k e y w o r d ：m p l s 、b a n d w i d t hp r e e m p t i o n 、q o s 、c r - l d p 3 山东大学硕士学位论文 a s a r i s a t m b g p c a c c o s c r d i f f - s e r v d l c i d s c p e r f e c f i b f t n i e t f i p i s p l a n e l d p l e r l f i b l s r l s p m n s m p l s n h l f e 缩略词一览表 a u t o n o m o u s s y s t e m a g g e g a t e r o n t e - b a s e di ps w i t c h i n g a s y n c h r o n o u s t r a n s f e rm o d e b o n e r g a t e w a y p r o t o c o l c o n n e c t i o na d m i s s i o nc o n t r o l c l a s so fs e r v i c e c o n s t r a i n t b a s e dr o u t i n g d i f r e r e n t i a t e ds e r v i c e s d a t al i n kc o n n e c t i o ni d e n t i f i e r d i f f s e r vc o d ep o i n t e d g e r o u t e r f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c ec l a s s f o r w a r d i n g i n f o r m a t i o nb a s e f e c t o n h l f em a p i n t e r a c te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e i n t e m e tp r o t o c o l i n t e m e ts e r v i c ep r o v i d e r l a ne m u l a t i o n l a b e l d i s t r i b u t i o np r o t o c 0 1 l a b e le d g er o u t e r l a b e lf o r w a r d i n gi n f o r m a t i o nb a s e l a b e ls w i t c hr o n t e r l a b e ls w i t c hp a t h m p l sn e t w o r ks i m u l a t o r m u l t i - p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g n e x th o pl a b e lf o r w a r d i n ge n t r y 4 自治系统 聚合路由集成交换 异步传输模式 边界网关协议 连接接纳控制 服务类型 约束路由 差分服务 数据链路连接标识符 差分服务代码点 边缘路由器 转发等价类 转发信息库 f e c 到n h l f e 映射 i n t e m e t 网络工程组 网际协议 i n t e m e t 服务提供商 局域网仿真 标签分发协议 边缘标签交换路由器 标记转发信息库 标签交换路由器 标签交换路径 m p l s 网络模拟器 多协议标签交换 下一跳转发入口 山东大学硕十学世论文 n l s d o s i p h b p s c q o s r s v p t c p t l v t o s t t l u d p v c v c i v o d v p n w f q n e t w o r kl i n ks t a t ed a t a b a s e o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c t i o n p e rh o pb e h a v i o r p h b s c h e d u l i n gc l a s s p h b q u a l i t yo f s e r v i c e r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c 0 1 t y p e - l e n g t h - v a l u e t y p eo f s e r v i c e t i m e t o l i v e u s e rd a t ap r o t o c o l v i r t u a lc h a r m e l v i r t u a lc i r c u i ti d e n t i f i e r v i d e oo nd e m a n d v i r t u a lp f i v a t en e t w c l r k s w e i g h e d f a i rq u e u i n g 5 网络连接状态数据库 开放式系统互连 每一跳行为 调度类型 服务质量 资源预留协议 传输控制协议 类型长度值 服务类型 生存期 用户数据报协议 虚拟通道 虚拟线路标识 视频点播 虚拟网 加权公平队列 山东大学顺l 学位论立 第一章引言 由于近几年来网络应用的不断发展，以及网络使用人口的激增，使得网络数 据的流量逐年增加，而且对于网路传输具有服务质量的要求也越来越高。除此之 外，当大量数据在网路传输，如何考虑网路资源的公平分配与管理，也一直是现 今网路所面临到的问题。为此，i e t f 关于多协议标签交换式网络架构( m u l t 卜 p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 的提出，针对这个问题提出了一套完整的解决方案。 m p l s 使用基于限制路由的标签分发协议( c o n s t r a i n t b a s e d r o u t e dl a b e l d i s t r i b u t i o np r o t o c o l ，c r - l d p ) ，根据所提供在建立路径时的数据传输参数， 可以建立起具有资源预留，传输质量保证的虚拟传输通道( v i r t u a lc h a n n e l ) 。 在所提供的数据传输参数的设定里，每一条数据传输通道都有一个优先等级，当 高优先等级在传输路径上资源预留，发生带宽不足的情况时，可以去侵占低优先 等级传输逯道所预留的带宽，而低优先权的数据传输通道在带宽被侵占之后，就 不再有服务质量的保证。这种只根据优先权高低来决定是否被侵占的机制，对于 低优先权数据通道的传输质量，造成不可预期的影响。 因此，我们在这篇论文提出了通过协商来进行资源侵占的机制。当高优先等 级的数据在建立其传输通道时，因路径上带宽不足，需侵占低优先权的带宽来满 足自己的需要时，必须到网络入口节点去协商，所要侵占的低优先权传输连接是 否可被侵占。这样的机制可以使网路资源的使用达到最佳，并且数据流的传输质 量也可以得到合理的保障。 我们提出来的通过协商来进行资源侵占的方法，是利用基于限制路由的标签 分发协议c r l d p ，在标签要求信息包( a b e l r e q u e s t ) 中，关于数据连接优先等 级设定栏位，未使角的位元来定义。在新的数据连接建立时，当需要去侵占( p r e e m p t i o n ) 低优先权数据连接时，需使用协商的方式，还是使用传统强迫的方式。 在c r l d p 的定义里，将数据连接的优先等级分为on 7 八种等级，0 是属 于最高的传输等级，7 是属于最低的传输等级。在本篇论文我们将优先等级分成 四大类：第一种传输等级是o 与1 优先等级，此等级具有传统的强迫侵占低优先 权带宽的特性，第二种传输等级是第2 、3 优先等级，此等级在去侵占低优先等 山东人学顼l 学位论文 级的带宽时，必须到入口节点作协商的动作，当在整个协商的过程中，无法建立 预留其带宽时，其数据流会等下一次带宽建立时，才作数据的传输，第三传输等 级是第4 、5 优先等级，其在侵占带宽时，也需通过协商的方式，只是在整个带 宽协商过程后，仍然无法预留其带宽时，其数据流会以b e s te f f o r t 的方式做传 输，第四传输等级为第6 、7 优先等级，当此等级的数据流上来时，就直接以b e s t e f f o r t 的方式作数据的传送。我们将优先等级0 、1 设定为无须协商的目的是为 了避免低优先权的数据连接占用整个网络资源，而使得高优先权一直上不来，而 其他优先等级，在侵占低优先权数据流时，其需到网络入口节点( i n g r e s s ) 协商 低优先权的数据连接，是否有另一条路径可供其预留带宽，假如可以的话，我们 才允许低优先权的带宽被高优先权的数据连接侵占。 在我们所提出的通过协商来进行资源侵占的机制中，在网络的入口节点必须 新增一个处理网络核心路由器来协商是否可以侵占低优先权数据连接带宽的的 模块，此模块负责在查询过网络状态数据库之后，告知核心路由器协商的结果， 看是否低优先权的数据连接可以被侵占其带宽。而在核心路由器的部分，则要新 增一个模块，当协商式资源侵占的情况发生时，负责到入口节点作协商资源侵占 的动作。 我们利用支援m p l s 的扩充模块m n s ( m p l s n e t w o r ks i m u l a t o r ) ，在经过我们 修改一些模块之后使其成为具有通过协商来进行资源侵占的模拟器，来模拟我们 所提出来协商侵占机制，并对仿真结果进行了分析和展望。 山东人学硕卜学垃论文 第二章m p l s 相关知识简介 第一节m p l s 介绍 2 1 1 肝l s 背景介绍 m p l s ( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 即多协议标签交换，是基于标记 的i p 路由选择方法，它将第3 级的包交换转换成第2 级的交换。m p l s 可以使用 各种第2 层的协议，m p l s 工作组已经把在帧中继、a t m 和p p p 链路以及i e e e s 0 2 3 局域网上使用的标记实现了标准化。目前m p l s 的主要发展方向是在a t m 方面。 这主要是因为a t m 具有很强的流量管理功能，能提供q o s 方面的服务，a t m 和m p l s 技术的结合能充分发挥在a t m 流量管理和q o s 方面的作用。m p l s 不仅能够解决 当前网络中存在的大量问题，而且能够支持许多新功能，是一种理想的骨干i p 网技术。 当前，国际上对于m p l s 的研究十分活跃，l e t f 专门成立了m p l s 工作组， 正在积极开发和制定有关m p l s 的标准。i t u t 的各个工作组也在积极进行相应的 研究。m p l s 越来越引起人们的关注。普遍认为m p l s 将i p 技术与a t m 技术良好 地结合在一起，兼具了a t m 的高速性能、q o s 性能、流量控制性能与i p 的灵活 性、可扩充性，是a t , i 与i p 相结合技术的一种较好解决方案。同时，考虑到目 前我国已建有较大规格a t m 网的现实。采用m p l s 技术不仅可以保护现有的a t m 和f r 投资，同时也为将来可扩展的i p 增值服务铺平道路，非常适合我国的国情。 因此研究与跟踪m p l s 技术显得很迫切。 随着i n t e r n e t 网爆炸性地发展和变成一个商业性的基础设施，i p 在第3 层的统治地位已经是不争的事实。但是由于i n t e r n e t 网带宽的不足和t c p i p 技术本身的约束，制约了自身的发展，集中表现为： ( 1 ) 路由器出现严重的瓶颈。现有的i n t e r n e t 网络的结构仍是路由器加专 线模式。i p 数据包需要在多路由器中逐一寻址，增加了端到端的时延抖动，也 增加了发生丢失的可能性，难以保证服务质量( q o s ) 。 山东大学碗，【学位论文 ( 2 ) 网络带宽严重不足。 ( 3 ) i p v 4 协议中的i p 地址结构与分配方式不灵活，从而造成了地址资源 的紧张等等。 为了解决这些问题，提出了不少解决方案。其中，最关键的是构造高速的 i n t e r n e t 骨干网。目前有代表性的方案有以下几种： ( 1 ) i p 和a t m 的结合，以a t m 核心层作骨干网。这种方案称为i po v e r a t m 。 ( 2 ) i p 包不经过a t m 层，直接在s d h 链路上传输。称为i po v e r s d h 。 ( 3 ) i p 包直接用光缆连接，在密集式波分复用( d d m ) 的光缆链路上传输。 称为i p o v e rw d m 。 由于a t m 网络能提供灵活的扩展性和高的性价比，能够为实时业务预留带 宽，支持多媒体业务和多点通信等优点，使得i p + a t m 正成为新一代电信网络的 标准。如何在i p 网上提供高质量的业务将是a t m 技术能否成为下一代i n t e r n e t 骨干网技术的关键。同时考虑到目前我国已建有较大规模a t m 网的现实，近期采 用i p o v e ra t m 技术更适合我国国情。 a t m 是面向连接的技术，而i p 是面向无连接的技术。i p 协议有自己的寻 址方式和相应的选路功能，a t m 技术也存在其相应的信令、选路规程和地址结构。 如j 可使i p 技术与a 删技术有效地结合就存在很大的难点。不少的公司和组织提 出了解决方法：如a t m 论坛的m p o a ( m u l t i p r o t o c o lo v e ra t m ) ，c i s c o 提出的 t a gs w i t h i n g 等。 从i p 协议与a t m 协议的关系划分，i p 与a t m 相结合的技术存在两种模型： 第1 种模型称为重叠模型：第2 种模型称为集成模型。 重叠模型是指i p 协议在a t m 上运行，采用标准的信令( i t u t 或a t m 论坛) ， i p 和a t m 各自定义自己的地址和路由协议，a t m 端系统需分配i p 地址和a t m 地 址，需地址解析协议( a r p ) 。同时，这种模型还需要两套维护和管理功能。其缺 点是重复的地址和路由协议传送i p 的效率相对较低。目前我国公网采用的方式 是重叠模型。 集成模型在建立连接时不采用标准a t m 信令，仅利用了a t m 的信元交换基 本功能；采用i p 路由协议( 如：o s p f ，i g r p ) ，a t m 端系统只需分配i p 地址，a t m 9 山东大学顾士学位论义 交换机是一个多协议的路由交换机。其优点是不需要 p a t m 地址解析，传送i p 的效率较高。采用集成模型的技术有i p 交换( i ps w i t c h i n g ) 。t a g 交换( t a g s w i t h i n g ) 、i 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 c e ) 论坛定义的多协议标签 交换m p l s 。 其中m p l s 越来越引起人们的关注，普遍看好将m p l s 应用于广域网、作为 a t m 与i p 相结合技术的一种解决方案。m p l s 将i p 的智能和a t m 的高速交换结合 在一起，把面向连接机制引入到无连接的i p 网络中。它不仅把交换机的高速转 发性能与路由器的广播控制性能结合起来，而且还能对不同数据流实施不同的控 制策略。使用酝p l s 技术可在a t m 层上直接承载i p 业务，提高了业务的性能和网 络的效率。 2 1 2m p l s 的相关概念 m p l s 是出c i s c o 的标记交换演变而来的i e t f 的标准协议，是一种标记转发 的典范。与传统的网络层技术相比，它引入了以下一些新的概念： 流( f l o w ) ：从一个特定源发出的分组序列，它们被单点投递或多点投递到特 定的目的地，并且有路由和逻辑处理策略需求的相关性。 标记( 1 a b e l ) ：一个短而且定长、物理连续、只具有局部意义的标识符，用 来标识一个“流”。标记的局部意义一般是指一个标记仅在它被采用的、邻接的 两个m p l s 节点之间有意义。 标记交换( 1 a b e ls w a p ) ：一种基本的链路层转发操作，包括查找流入分组 的标记以决定对应的流出标记、封装操作、输出及其他数据信息处理操作。 m p l s 节点( f p l sn o d e ) ：可以用标记交换方式转发分组的网络节点。同时， m p l s 节点还必须运行相应的m p l s 控制协议和一定的网络层路由协议。m p l s 节点 也可以选择支持传统的网络层分组转发。 标记交换路径( 1 a b e l s w i t c h e d p a t h ) ：由若干m p l s 节点连接起来所组成 的点到点的路径，在该路径上分组在两m p l s 节点之间以标记交换方式转发。 m p l s 域( m p l sd o m a i n ) ：运行m p l s 路由选择和分组转发的一组连续节点的 集合，这些节点存在于同一个路由或管理域中。 m p l s 边界节点( m p l se d g en o d e ) ：连接一个m p l s 域及一个域外结点的 山东大学硕j 二学泣论文 m p l s 结点。这里所指的域外结点或是不运行于m p l s 方式下，或是属于另一m p l s 域。 标记交换路由器( l s r ，l a b e ls w i t c h i n gr o u t e r ) ：核心设备。根据已计算 好的交换表，交换被加上标记的数据包。l s r 可以成为m p l s 边界节点。处于边 缘的设备，称为边缘标记交换路由器( 边缘l s r ： e d g el s r ) ，边缘标记交换 路由器进行数据包初始的处理分类，加上第一个标签。 标记分发协议( l d p ：l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c 0 1 ) ：它是一系列标记交 换路由器通知另一个标记交换路由器( l s r ) 被用于转发在他们之间和穿过他们的 数据包的标记意义的过程，在l s r 中进行标记的交流及信息的传递。 2 1 3m p l s 系统工作的原理( 见图2 - 1 ) 图2 一l ：肝l s 的网络结构 步骤l ：网络利用现有路由协议( 如o s p f 、i g r p 等) 自动生成路由表，m p l s 系统标电分布协议( l d p ) 使用路由表中的信息去建立相邻设备的标记值，创建了 标记交换路径( l s p ) 。x n 蝴h a 接收报文，实现第三层增值服务并且给报 文加上标记，标记交换机依据标记对报文进行标记转发，预先设置了与最终目的 地之间的对应关系。 步骤2 ：通过将连续的网络层分组当作“流”来对待，m p l s 边界节点可以首 先通过传统的网络层分组转发方式接收这些分组：边缘l s r 通过一定的标记分配 策略来决定需要哪种第3 层的服务，例如o o s 和带宽管理。基于路由和策略的需 求等，有选择地放入一个标记到分组中，并把它们转发出去。 步骤3 ：当加入标记的链路层分组在m p l s 域中转发时，就不需要再经过网络 山东大学硕士学论文 层的路由选择，而由标记交换路径上的m p l s 节点在链路层通过标记交换进行转 发，l s r 读每一个数据包的标记，并根据交换表替换个新的，直至当标记交换 进行到m p l s 边界节点。 步骤4 ：加入标记的链路层分组将要离开此m p l s 域时，有两种情况：( 1 ) m p l s 边界节点的下一跳为非m p l s 节点。此时带有标记的链路层分组将采用传统的网 络层分组转发方法，先经过网络层的路由选择，然后再继续向前转发，直至到达 目的结点。( 2 ) m p l s 边界结点的下一跳为另一h p l s 域的m p l s 边界节点。此时可 以采用“标记栈( l a b e ls t a c k ) ”技术，使分组仍然以标记交换方式进行链路层 转发，进入邻接的m p l s 域。 m p l s 的优点从上面的m p l s 工作原理我们可以看出m p l s 用最简化的技术来 完成第3 层交换向第2 层交换的转换。采用m p l s 技术的网络对于i p 业务的转发， 不再需要采用h o pb yh o p ，不再需要对网络中的所有路由器进行第3 层路由表 的查询，而只需要在网络的边缘，也就是l e r 作一次路由表( f i b ) 的查询，就可 以给进入m p l s 域的i p 包打上一个标签，然后该i p 包在网络进行第2 层交换， 快速转发到m p l s 的目的地端，由出口l e r 将其恢复成传统i p 进行传统i p 转发， 加快了m p l s 交换机在查找路由表的速度，减轻了交换机的负担。由此可见，h p l s 可以满足网络高速转发i p 包的需求。同时m p l s 继承了a t m 的q o s 机制，可以保 证用户对于不同服务质量要求的保证。 传统i p 转发基于h o pb yh o p 的方式，i p 包在其经历的每一个路由器根据 它的第3 层头信息都要查询路由表，找到下一跳，然后从相应的端口将i p 包送 出。这种每一跳都要查询第3 层路由表i p 转发技术，不能实现高速转发i p 包的 需求。同时，传统i p 转发技术是一种b e s te f f o r t 模式，无法保证i p 业务的 服务质量要求，这对于有i p 话音需求的网络来说显然不满足要求。 而m p l s 将i p 的智能和a t m 的高速交换结合在一起，用最简化的技术来完成 第3 层交换向第2 层交换的转换。 m p l s 既有交换机的高速度与流量控制能力，又具备了路由器灵活的功能。 对i p a t m 良好的结合能够使目前a t m 设备的投资得到充分利用。m p l s 将交换机 与路由器的优点完美地结合在一起。 山东大学硕士学血论文 2 1 4m p l s 网络现状及展望 世界各大通信厂商及研究部门都在加紧进行m p l s 的研究工作，并已推出 具有m p l s 功能的设备，有些厂商还宣称已设计出实现m p l 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m p l s 功能，在m p l s 的q o s 保证 方面，要么不提供支持，要么使用扩展的r s v p 支持端到端的综合服务( i n t s e r v ) 的q o s 保证。目前尚未有哪家公司声称支持基于m p l s 的差分服务( d i f f - s e r v ) 的q o s 保证。 软件方面的产品发展相对较快，推出m p l s 软件包的有c i s c o 、n o r t e l 等公 司。其中n o r t e l 声称可提供全面的m p l s 解决方案。 、 目前实际运行的具有m p l s 功能的网络有：欧洲国家网络u u n e t ；美国互 联网正利用m p l s 技术为球网络实现流量工程调节；a t & t 用m p l s 构建了基 于帧中继的i p 服务网和通过m p l s p v c 实现a n y t o a n y 连接；中国云南采用 l u c e n t 公司设备、陕西采用c i s c o 设备建设本省的具有m p l s 功能的公共通信网。 i t ut 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 建议中支持 i p o a 的唯一控制协议。我国的m p l s 行业标准中，也建议使用c r l d p 作为骨 干网上i p 实现m p l s 的主导技术。 以上的发展现状充分表明，发展m p l s 作为下一代网络技术已成为业界的 共识。但由于m p l s 的相关协议及技术细节还不完善，各公司对于m p l s 产品 的开发与研究也还处于初级阶段。使用扩展的r s v p 实现的m p l s 以及i n t s e r v 的q o s 产品会在当前和今后一段时间内存在，由于c r l d p 协议的简单性和良 好的可扩展性，以及官方组织的支持，因此使用c r - l d p 实现的m p l s 以及 d i f f - s e “q o s 的产品必将占据市场主导地位。我们的重点应该放在c r l d p 和 d i f f - s e r v 的研究和产品的开发上。 1 3 山东火学砸上学位论文 第二节q o s 解决方案 2 2 1 q o s 背景介绍 随着高速网络和多媒体技术的飞速发展，电子商务、i p 语音、图像传送、 视频传输等业务纷至沓来，这些新业务对网络的实时特一陛等有了更多的要求，它 们的发展很大程度上取决于网络的有关服务指标，如延迟是否过大、画面是否抖 动、声音和图像是否同步等，这也就是所谓的服务质量q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 。 按照国际电联e 、8 0 0 的建议，q o s 是业务性能的总体效果，它决定了用户对特 定业务的满意程度，在这里q o s 实质上是指i p 包在1 个或多个网络传输的过程 中所表现的各种性能。而现有“尽力而为”的i p 网络的如下缺点使其很难满足 q o s 的要求： a 、在发生瞬时拥塞时，路由器提供的时间响应是不可预测的。 b 、对不同的业务流类型不能提供优先级服务。 c 、不能动态地请求( 或修改) 端到端的服务质量。 d 、只有有限的机制可以用于审计网络资源使用情况 i pq o s 的最终目的是要为各种业务( 包括数据、图像、多媒体和语音业务等) 提供可靠的端到端的服务质量保证，而实现这一目标的前提是要对各种q o s 参 数进行明确的定义： a 、业务可靠性是指用户与i n t e r n e t 业务连结的可靠性，包括建立时间、保 持时间等。 b 、时延也称延时，指在2 个参考点间，某一i p 包从发送到接收之间的时 间间隔。 c 、时延抖动是指沿同一路径传输的1 个数据流中，不同分组传输时延的变 化。 d 、吞吐量是指1 个网络中口包的传输速率，这一参数可以用平均速率或 峰值速率表征。 e 、包丢失率是指某一业务在网络中传输时，可允许的最大丢包率。丢包主 要是由网络拥塞引起。 4 些蔓苎兰!：兰：!i墨 解决网络q o s 的最直接有效的办法就是加大网络带宽，使其超过用户的需 求。然而带宽的增加要受到种种因素的制约如成本，l v - z j 络建设时间等。实际上， 仅仅依靠带宽的增加也并不能完全满足各种不断出现的新应用的需求。所以，必 须针对各种具体业务类型的服务质量包括其各种具体的服务质量参数，建立q o s 模型，在理论上予以探讨，同时研究其技术实现。 2 2 2 服务质量q o s 的2 个基本模型 对于网络中实现基于i p 协议的q o s 问题， e t f 提出了2 种解决方案：综合 服务模型i n t s e r v 方案和差分业务模型d i f f - s e r v 方案 综合服务模型方案该模型的原理是对每1 个需要进行q o s 处理的数据流， 通过一定的信令机制，在其经由的每1 个路出器上进行资源预留，以便实现端到 端的q o s 业务。它引入了资源预留协议r s 7 p ( r e s o u r o e r e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) ，从 而保证了沿善该通道传输的数据流能够满足q o s 要求。但为了支持这种能力， 数据包所经过的每个网络元素( 子网和i p 路由器) 都必须能够支持资源预留协议。 目前i n t s e r v 定义了3 种业务类型： a 、保证型业务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) ：提供时延、带宽与包丢失率等参数的 保证，采用加权公平排队w f q ( w e i g h t e d f a i rq u e u i n g ) 算法。 b 、负荷受控型业务( c o n t r o l l e dl o a ds e r v i c e ) ：可提供最小的时延，但没有 固定的排队时延上限对排队算法没有特别的要求。 e 、尽力而为型业务( b e s te f f o r ts e r v i c e ) ：实际上就是传统的因特网所提供 的业务，该类型业务不提供任何q o s 保证。 i n t s e r v 的优点是：可具有良好的q o s 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播业务中组员的动态加入，同时利用其中的 2 个参数r s v pp a t h 与r s v p 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。 i n t s e v 存在的问题是：首先，可扩展性是i n t - s e r v 最严重的问题。由于使 用了“软状态”的工作模式，r s v p 进行资源预留需要对大量的状态信息进行刷 新和储存，当网络规模扩大时，这一模型将无法实现；其次，i n t - s e r v 要求发送 节点的所有路由器都支持r s v p 信令协议，这对路由器要求太高；此外，它的用 山东人学砸上学泣论文 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i n t s e r v 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。 差分服务模型为解决i n t s e r v 模型中暴露出的种种缺陷，i e t f 又提出了相 对功能较强的差分服务模型。d i f f - s e r v 模型的基本思想是：在网络边界将数据流 按q o s 要求进行简单分类，不同的类在内部节点的每次转发中实现不同的转发 特性。 d i f f - s e r v 模型的几个重要概念： ( 1 ) s l a ：服务等级协议，是用户和网络服务提供商i s p 之间达成的协议。 该协议规定了用户在每个服务等级上所能发送的最大数据速率，超出速率的分组 将被作上标记或丢弃。 ( 2 ) d s 字段：相当于i p v 4 头中的服务类型( t o s ，t y p e o fs e r v i c e ) 字段或i p v 6 中的业务类型( t r a f f i cc l a s s ) 字段e d i f f - s e r v 模型使i s p 能提供给每个用户不同的服务等级和服务质量。用户和 网络边界节点通过设置原i p 分组头中服务类型域t o s ( t y p eo fs e r , d c e ) 。在 d i f f - s e r v 中t o s 域改为d s 域，其中6 位有效，另2 位为将来预留( 如图2 - 2 ) f l q 值来要求特定的网络服务等级。即当数据进入d i f f - s e r v 网络时，边缘路由器通 过标识该字段，将i p 包分为不同的服务类别，而网络中的其他传送路由器在收 到该【p 包时，则根据该字段所标识的服务类别将其放入不同的队列，并由作用 于输出队列的流量管理机制控制每个队列，即给予不同的每一跳行为p h b ( p e r h o pb e h a v i o r ) 。其中最主要的就是对每个队列出带宽的分配，以及发生拥塞时 如何丢包，这些资源的分配都是预先设定好的a h i l _ 448 i 垄主要i 燕篓i 墅 坌塑羞煎整熊茎受埋堡l 逝殛豇西面函髑域 44客 垂亘亘函蒌圃区分臌务辨s 域 图2 2i p 包的t o s 域与区分服务的d s 域 同时，在转发过程中，边缘路由器将对收到的业务流进行测量，检验业务流 是否遵守服务等级协议s l a ，如果不遵守，将进行业务量调整，即对业务进行 山东人学研l ：学位论文 整形、丢弃、标记等( 即改写d s c p 的值) 。 中间路由器只关心分组的d s 字段，依据d s c p 为业务流选择特定的每一跳 行为p h b ，根据p h b 的种类，将属于不同类别的业务导入不同的队列进行处理， 并对分组实施相应的丢弃策略。 这样，就使得对r s v p 网络控制协议的使用仅局限在用户网络一侧，将骨干 网从r s v p 中解脱出来。骨干网中的路由器只需检查d s 域判断业务的类别，为 不同的业务提供不同的q o s