（光学工程专业论文）ip+over+wdm网络中qos约束路由算法的研究.pdf

摘要 近年来，随着网络技术的发展以及新的网络应用的出现，全球i n t e m e t 业务呈现出爆 炸式增长的趋势，迫切要求扩大广域骨干通信网的容量。波分复用技术( w d m ) 允许在一 根光纤中同时传输若干路不同波长的光信号，是目前充分利用光纤容量的方法中最具吸引 力的侯选者。i p 技术和w d m 技术的融合是一种必然的趋势。对i po v e rw d m 网络的研 究中存在着众多的值得关注的问题，论文围绕q o s 这一热点，对q o s 约束路由算法进行 了研究。 论文首先对i po v e rw d m 网络概念及其研究热点进行了评述，得出对网络0 0 s 的研 究是一个值得关注的问题。 然后论文概括了目前网络中的几种q o s 模型：综合业务模型、区分业务模型和多协 议标签交换，并对他们进行了比较分析。此外，对实现网络q o s 的方式也进行了讨论， 并由此过渡到论文的重点：0 0 s 约束路由算法。 围绕该重点，论文先研究了q o s 约束路由相关的一些问题，其中着重对q o s 约束路 山的度量参数及其处理方法进行了分析，并总结了目前国外学者提出的一些近似算法。随 后论文给出了两种算法：改进的f a l l b a c k 算法和基于拉格朗日松弛的启发式算法，分 另4 在第四章和第五章进行了详细的分析和实验仿真。仿真结果表明，改进的f a l l b a c k 算 法性能比经典的f a l l b a c k 算法有较大幅度的提高，基于拉格朗曰松弛的启发式算法在解 决具有时延约束的路由问题时也具有较好的性能。 关键词： i p o v e r w d m 网络，q o s 约束路由，约束路由参数，约束路由算法，f a l l b a c k 算法 拉格朗目松弛 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f n e t w o r k i n gt e c h n o l o g i e sa n dt h en e ws e r v i c e so f i pn e t w o r k s ， t h e r ei sa ne x p l o s i v eg r o w t l l 仃e n do fi m e m e tt r a m c ，w h i c ha r ep r o m o t i n gt h ec o n s t m c t i o no f b r o a d b a n db a c k b o n en e t w o r k w a v e l e n g m - d i v i s i o nm u i t i p i e x i n g ( w d m ) i sap r o m i s i n g 印p r o a c ht h a tc a nu s et h ee n o m o u sb a n d w i d t ho ft h eo p t i c a l 胁e li ti sa b s o l u t e l yc e r t a i nt l l a t i pa 1 1 dw d mt e c h n o l o g yw i l lc o m b i n et o g e t h e r t h e r ea 婵m a n yp r o b l e m si nt h er e s e a r c ho ni p o v e rw d mn e t w o r k st h a ta r ew o r t hp a y i n gm o r ea t t e n t i o nt o t h ep a p e rf o c u s e so nm e q u a l i t y o f _ s e r v i c ea n ds t u d i e st h eq o sc o n s t r a i n e dr o u t i n ga l g o r i t l l h l f i r s t l y ，t h ep a p e rg i v e sa no v e r v i e wo ft h eb a s i cc o n c e p t sa 1 1 dt h em a i np r o b l e m so f i po v e r w d mn e t w o r k sa n dc o n c l u d e sm a tr e s e a r c ho nq o si sw o r t h w h j l e t h e n ，t h ep a p e rs i i m m a r i z e sa n dc o m p a r e st h eq o sm o d e l so ft h en e t w o r k sa tp r e s e n t a f e rt h a t ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h em e t h o d so fi m p l e m e n t i n g 出en e t w o r k sq o sa n d 西v e st h e e m p h a s e s ，q o sc o n s t r a i n e dr o u t i n ga l g o r i t m a r e r w a r d s ，t h ep a p e rm a i n l ys t u d i e st h ep a r a m e t e r so fq o sr o u t i n ga n do t h e rr e l a t i o n a l p r o b l e m s ，s u c h a st h e a l g o r i t l r n sp r o v i d e db yf o r e i g ns c h 0 1 a f i nt h i s p a r c ，t h em a i n c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ec h o i c ep r i n c i p l ea n dt h eh a n d l i n gm e t h o d so fq o sr o u t i n gp a r a m e t e r sa r e s t u d i e di nd e t a i l a tl a s t ，a st h em a i np a r to ft h ep a p e r ，t w on e wa l g o r i t s ，t h ei m p r o v e df a l l b a c k a 】g o r i t h ma n dt h el a g r a n g er e l a x a t i o nb a s e da l g o r i n l n l ，a r ep r o p o s e da n da n a l y z e di nc h a p t e r 4a n dc h a p t e r5s e p a r a t e l yw i t hs i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ei m p r o v e d f a l l b a c ka l g o r i t h mh a sab e t t e rp e r f o r m a n c em a nt h eo r i g i n a lo n e ，a n dt h el a g r a n g er e l a x a t i o n b a s e da l g o r i t h nh a sag o o dp e r f o m a l l c ei nd e a l i n g 丽t h 也er o u t i n gp m b l e mw i t hd e l a y c o n s t r a i n tt o o k e y 、v o r d s ： i po v e rw d mn e t 、v o r k s ， q o sc o n s t r a j n e dr o u t i n g ， c o n s t r a i n e dr o u t i n gp a r a m e t e r c o n s t r a i n e dr o u t i n ga l g o r i t ，f a l l b a c ka l g o r i t h m ，l a g r a i l g er c l a x a t i o n ( l r ) 南京邮电学院学位论文独创性声明 y7 6 5 3 3 9 本人声明所呈交的学位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的 地方外，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 含为获得南京邮电学院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作了 明确的说明并表示了谓 意。 研究生签名：3 l 簟 日期：z 竺! ：生：! j 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登0 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：毒雌导师签名 南京邮电学院坝i 研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 i po v e rw d m 网络概述 近十年来，传统语音业务的年增长率只有5 一1 0 ，而以i n t e m e t 为代表的数据业务 的年增长率为2 0 一3 0 。数据通信业务量如此高速、持续增长的最直接动力来自i n t e m e t 业务量指数级的增长。主要的i n t e m e t 提供商报告说他们的系统在主干上的带宽大约每6 9 个月翻一番，比著名的c p u 性能进展的摩尔定律( 约l8 个月翻一番) 还要快2 3 倍。i p 网 络通信业务量的爆炸式增长己成为世界瞩目的焦点和推动全球信息业发展的主要力量。世 界各国都把i p 网络作为2 1 世纪国家基础设施建设的重点，并使它加速发展，以争取在未 柬激烈的竞争中占据优势】。 i n t e m e t 业务的爆炸性增长给传统的传送网络带来了前所未有的变革，传送网络在业 务、流量模式、运营方面等都发生了巨大的变化。为了能够满足当前对带宽需求呈指数增 长的需要，人们开发出波分复用技术( w d m ：w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n 曲 3 j 来提 高光纤的传输容量。波分复用技术对网络的升级扩容、发展宽带新业务、充分挖掘和利用 光纤带宽能力，特别是在现有光纤用完而铺设十分困难的情况下实现超高速通信具有十分 重要的意义。从通信的发展情况看，光纤通信技术无论是在核心网，即长距离、大容量骨 干网的应用方面，还是在城域网、接入网应用方面发展都很迅速。近几年来，由于技术突 破和市场驱动，波分复用系统发展十分迅猛。据报道，目前单根光纤传输带宽可达l o t b p s 量级，如阿尔卡特和n e c 分别实现了总容量为l o 。2 t b p s ( 2 5 6 4 0 g b p s ) 和总容量为 1 0 9 t b p s ( 2 7 3 4 0 g b p s ) 的单纤传输容量的世界记录f 4 1 。 i p 的成功和w d m 巨大的带宽前景使得它们走向了融合。但是，如何构建光互联网， 如何将i p 和w d m 的优势很好的结合起来却是一个很大的挑战。传统的网络一般采用的 是i p ，a t m s o n e t ( s d h ) w d m 典型四层骨干网络架构，这种架构具有层间功能重叠严 重、层间开销大、管理维护复杂、可靠性和可扩展性差等缺点。随着业务应用的全面i p 化以及基于w d m 的光网络技术逐渐成为传送网技术的主流，精简高效的i p 。v e rw d m 网络体系结构已经成为下一代骨干网络( n g n n g i ) 的首选】。i po v e rw d m 技术不仅是 i p 与光网络在传输形式上的融合，而且体现了i p 控制功能向光网络的渗透，从而使得光 网络成为可动态重构和可动态恢复的智能光网络。 堕室业皇兰堕堡圭堕壅生堂竺堡塞 一笙二重! i 型l 1 2i po v e rw d m 网络研究中的热点 由于i po v e rw d m 相关技术的标准化工作尚在完善之中，到底最终会采用何种技术 路线以保证其q o s 性能、抗毁性能及可升级性能等等，还值得研究。从技术的可获得性 来看，一些宏观的发展趋势是可以预测的【7 1 ，如图1 1 所示。 现在2 5 年5 1 0 年 1 0 年虬后 时f 司 图1 1 i po v e rw d m 网络技术发展趋势l 7 j 为此，需要研究新的协议( 光用户一网络接口u n i 及网络网络接口n n i ) 以满足用户需 求不断增长的需要。例如：研究网络资源规划协议，用来解决路由及波长分配，网络的生 存性能等；研究高层拓扑，资源工程，用来解决流量工程能力；研究新的帧结构协议，用 来解决有限度的透明性问题。下面，对i po v e rw d m 网络中的热点研究问题分别予以简 单的讨论。 1 2 1 生存性问题 对于任何一个网络，生存性问题的研究都是不可缺少的。w d m 技术的出现和发展大 大提高了传输容量，但同时也使得其生存性问题日渐突出f 8 1 。对于承载大量i p 业务的 w d m 网络在网络部件失效时可能遭受比传统网络更大的损失，比如一根光纤断裂会使经 过它的所有光路同时失效。 光传送网支持的用户信号可能具有自己的恢复措旅。比如i p 路由器可以通过为分组 重选路由的方法来绕过失效的网络组件，传统的s d h 网络则利用环形网络的保护切换。 传统的i p 动态路由机制虽然有失效恢复能力，但本质上是属于尽力而为( b e s t e 舶n ) 的， 存在不少的缺点【引。光层的恢复时间则可以达到毫秒级，这有助于将数据丢失降低到最低 2 堕皇塑皇兰堕婴! ：旦塑生兰望堡苎 一 笙二兰堕堡 程度。 但是，仅仅考虑光层的保护和恢复措施是不够的，因为9 ，l o 】：1 ) 光层提供的光路是透 明的，它意识不到光路上所承载业务的具体内容，因此无法检测网络中所有类型的失效， 同时，也并不能处理网络中所有类型的失效：2 ) 光层以光路为单元保护业务，对光路上所 承载的不同业务无法提供不同级别的保护，要实现此能力，只能依靠高层的细粒度的业务 处理能力；3 ) 当有链路成本预算限制时，可能会限制光层的保护能力。例如，保护路由的 长度和光路所经过的网络节点数可能具有限制：4 ) 如果未仔细对全网进行业务设计，当失 效发生时，可能光层保护和应用层间的保护同时发生，出现冲突。 因此，在考虑i po v e rw d m 网络的生存性机制时，常常要折衷考虑，既要考虑光层 的生存性，也要考虑上层业务的q o s 。多层网络的抗毁是目前的研究热点，其目标是提 供比单层保护和恢复更加成本有效的，且满足q o s 要求的方法。多层抗毁研究中，需要 考虑的问题有：1 ) 保护性能：恢复时间必须足够短，以满足所需要的q o s 级别；2 ) 可维护 性：抗毁策略必须支持网络的维护操作；3 ) 可升级性：网络保护不应该妨碍新网络层的引 入，新网络层也不应该对网内现有的业务产生损害；4 ) 灵活性：保护策略不应该限制操作 者只能采用某种单一的方法，而是有多种方案可供选择，以迎合不同操作者的喜好和使用 要求；5 ) 成本：尽管成本很难定性分析，但在设备和操作成本之间采用折衷方案是肯定的。 许多学者提出了侧重点不同的设计方案。虽然各种方案的结果大相径庭，但其中有一 些观点是值得借鉴的【“，1 2 】，如：使传输层的恢复尽可能地接近物理媒介层，无保护冲突时， 各层尽可能各自负责自己的保护和恢复内容；在光层上相互独立的保护光路所对应的的路 径也尽量是独立的：在有保护冲突发生时，可通过设立适当的时间门限，在门限以内，网 络的恢复由事先定义的单层来完成，如果超过了时间门限还没有解决失效的恢复，则停止 之前的保护恢复措施，启动其它层的保护动作。 1 2 2 q o s 问题 在w d m 光传送网中，由于底层光网络通常被看作是具有可忽略的时延和传输错误 的高容量传输通道，因此在光网络中考虑q o s 是否有价值一直是一个争论的问题。例如， 有文献认为驯：对光网络来说，当传输速率达到g b i t s 时，在光域中很难针对单独的分 组，甚至是聚合的义务流，进行跟踪和控制；对网络节点，特别是对路由器来说，可用带 宽如果达到g b i “s 级别甚至t b i 讹级别，则q o s 可能不再是问题，充其量只是个小概 率事件。因此否定观点持有者认为，没有必要额外的在路由器中增加开销，引入新的技术 去解决0 0 s 。 塑皇业旦兰堕塑：! ! 韭塑生堂垡丝苎：蔓= 童堕堡 然而，更多的文献研究表明，解决i p o v e r w d m 网络中的q o s 问题是很有必要的。 首先，从网络资源来看，随着w d m 复用的波长数的增加，由于诸如宽带光纤放大 器、波长转换器等器件的性能局限，要想维持所有的波长具有相同的传输质量是非常困难 的。一方面，光网为上层应用( i p 层) 提供的服务质量是有等级差别的。另一方面，不同连 接对生存性、可用性以及管理功能的要求也应该区分【l “。即光层很难保证为所有的波长 都能提供相同的传输质量。近年来，己有大量文献研究w d m 光传送网中的q o s 问题。 a j u k a l l 和 l r v a n 等人在一系列文章盼1 6 ，17 1 中研究了两种网络模型。第一种是简化的模 型其中任意波长都能支持任意q o s 要求的业务；第二种模型中，不同的波长提供不同 的q o s 保证。st c h e n g 也研究了简化模型下的波长分配算法【1 8 1 。n ，g o l m i e 等人则是研 究如何根据不同光路的q o s 参数为区分业务提供q o s 保证。 其次，从网络协议来看，在传统路由器中，为实现q o s ，对数据包所属类型( 类似于 m p l s 的转发等价类，f e c ) 的划分在每一跳对每一个包都要进行。传统路由器中的逐跳 寻址、逐包转发方式在不同路由周期或网络状态发生改变时，可会引起包转发路径也发生 变化。这对路由敏感的有些应用( 如实时业务) 是不利的，即这种机制不具备q o s 能力，或 至多只能保证每跳的q o s ，而不能保证端到端的q o s 。因此，有文献提出：在光网络上 实现0 0 s ，m p l s 技术也是较好的选择2 引，例如利用基于m p l s 的显式路由在进行路 出计算时引入表征q o s 参数的约束条付，可以为不同的连接请求建立不同q o s 要求的路 由。 可见，对于i po v e r w d m 的q o s 问题，应该从光网络的传输能力和i p 网络的路由协 议算法两方面入手，以决定到底如何实现i p 业务的q o s 。 1 2 3 控制平面协议问题 传统的i p 网络具有路由器的吞吐量不够高、传输效率低、0 0 s 无法保证、不具备流 量管理能力等缺点，需要更强大有效的控制方案【2 i l 。近年来出现的m p l s 将路由选择平 面与转发平面相分离，创建一个标签交换平面，能够实现流量工程，平衡网络流量，提供 有效的q o s 保证【2 2 1 。m p l s 是构建i p 层和光层统一控制平台的理想选择，它强大的流量 工程能力使之可以用来进行光网络连接的分布式管理，提高光网络的性能，执行至关重要 的选路、监控和生存性操作【2 3 j 。m p l a m b d a s 把m p l s 标签交换的基本概念应用到了光域， 采用光波长作为交换的标签，利用波长来寻找路由，并标识所建立的光通路，为上层业务 提供快速的波长交换通道【2 4 1 。随着网络的进步发展，人们又继续扩展m p l s 的外延和 内涵，提出了g m p l s 概念随2 甜。g m p l s 在m p l 锄b d a s 基础上进一步扩展，将m p l s 塑里坐! ! 兰堕塑! ! 堕堑圭兰垡堡塞 ： 苎二兰堕堡 思想应用到t d m 时隙、光波长分组、波长、光纤等，m p l a m b d a s 成了g m p l s 的一个 子集。g m p l s 协议族可支持分组交换接口( p s c ) 、第二层交换接口( l 2 s c ) 、时隙交换接 口( t d m c ) 、波长交换接口( l s c ) 、波带交换接口( w b s c ) 和光纤交换接口( f s c ) 【2 7 】，如图 1 2 所示。g m p l s 技术集中体现了i p 层与光层相互融合的下一代光网络发展主流趋势， 它简化了跨层的网络控制与管理，降低了网络运行和维护成本，以利于网络的扩展 2 8 1 。 芏| i 一2 通川多饥议枷、记交换f g m p l s ) 技术 g m p l s 最大特征是从传送平面中分离出控制平面，并统一了各层设备的控制平面。 用于光网络的m p l a m b d a s g m p l s 控制平面的协议簇包括路由、信令、资源发现与广播、 基于约束的最短路由优先c s p f 和恢复管理等 2 9 】。 1 2 4 流量工程问题 网络流量的快速增长、突发事件或者网络事故可能会引起某一地点大量的带宽需求， 但同时又往往存在一些没有被充分利用的链路。流量工程( 或称业务量工程) 是指为了平衡 网络中的各个链路、路由器和交换机上的业务量，根据具体的数据业务量来选择路径的过 程。由于i n t e m e t 上的各种业务对带宽的需求快速增长，流量工程的重要性也越发体现 出来。 流量工程的主要目标是优化网络资源利用和流量性能的同时提供高效可靠的网络运 行。面向流量的性能目标主要是针对用户而言，要保证其申请的业务的服务，即q o s ： 面向资源的性能目标主要针对网络运营商而言，包括优化资源利用，提高资源效率等，如 有效管理带宽资源。 i po v e r w d m 流量工程可分为i p ，m p l s t e 和w d m t e ，如图1 3 所示。其中，i p m p l s t e 处理流分配和标记通路设计问题，而w d mt e 处理光路拓扑设计和i p 拓扑迁移问题。 5 南京邮1 u 学院坝。研究生学位论文 第一章绪论 映射= 流量工 m p l s 流量工程 数据流分配 标记通路设计 盘 。 r 。 光路拓扑设计 资源重组 w d m 流量工程 图j 一3j p w d m 流量j j 陧 在i p o v e r w d m 网络中，流量工程相关技术包换：虚拓扑设计( v t d ) ，约束路由( c b r ) 以及流量疏导( t g ) 等。其中，光层的虚拓扑设计( v t d ) 问题主要是研究如何根据光层 物理拓扑、物理资源( 例如，波长和收发器等) 和业务需求矩阵，以生成一个最佳的i p 层的连接拓扑3 2 】。优化目标一般是最小化端到端延时，或者是最大化网络吞吐量。 流量疏导( t r a m cg r o o m i n g ) 的基本含义可以理解为如何高效地将业务进行合理的分 拆和聚合以满足指定的优化目标( 如最小化电层设备的端口数量和最小化业务阻塞概率 等) 【3 3 m 挪】。它是光网络中实现流量工程的重要手段，也是目前研究的热点。 1 2 5 其他应该关心的问题 l po v e r w d m 网络本身是一个庞大的工程，其涉及到的内容包罗万象，在对它的研究 中，还有其他很多的问题值得关注。例如： 光网络资源的分配问题。目前，对于i po v e rw d m 网络资源分配问题的研究大致可 以分为两大类3 6 j 一是基于光层的方法，即给定一组光路连接请求，通过波长选路和波长 分配算法( r o u t i n ga n dw a v e l e n g t ha s s i g n m e n tr w a ) 来建立相应光路的问题。该方法是在应 用层和物理层之问引入光层的概念，该层负责管理w d m 信道的建立和拆除，并提供一 定级别的保护恢复能力；另一种是基于m p l s 的l a m b d a 交换方法，这一方法将数据层和 光层更好地进行了整合( i n t e g r a t i o n ) ，能更好的利用网络资源拓扑信息，具有更好的性能。 光交换技术相关的问题。光交换技术可以分为三种：光线路交换f o p t i c a lc i r c u i t s w i t c h i n g ，o c s ) 、光分组交换技术( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n 晷o p s ) 和光突发交换( o p t i c a l b u r s ts w i t c h i n g ，o b s ) ，其中，以波长路由为基础的光线路交换已经研究的较为成熟，并 逐步大规模的应用：光分组交换技术试图直接在光层上实现小粒度的分组交换，但是，在 一些关键性的光器件如高速光开关、光缓存器、光逻辑器件等取得重大突破之前，光分组 6 堕室些皇堂堕竺圭塑塞圭兰垡堡兰 蔓二兰堕堡 交换技术尚难以从实验室走向实用；由c h u m i n g q i a o 和j s n l h l e r 提出3 8 1 的光突发交 换技术，它克服了光分组交换的缺点，对光开关和光缓存的要求降低，并能够很好的支持 突发性的分组业务，在短短几年中已引起越来越多研究机构的注意，是目前研究的热点。 从本节关于i po v e rw d m 网络研究中应关注的问题的论述中可以看出：每一个热点 问题涉及到的技术都是相互交错融合的。其中，它们都围绕着一个共同的出发点，即网络 的o o s 。例如，对于生存性问题，这对于任何一个网络是最大的q o s ：对于控制平面问 题、流量工程问题，它们的目的都是为了有效的控制网络的各种资源，进行合理的分配和 利用，提高网络0 0 s 。 可见，对i po v e rw d m 网络中q o s 问题的研究是很有价值的。 1 3 论文的组织安排 论文主要研究了i po v e r w d m 网络中的q o s 问题，重点是基于约束的q o s 路由算法 的研究。 首先，即本章，简要的介绍了i po v e rw d m 网络的基本概念和目前研究中应该关注 的一些热点问题。 第二章主要介绍了几种典型的q o s 机制，并对它们进行了比较。 第三章主要概括了q o s 约束路由研究中存在的问题和相关的处理方法，此外，还简 单的介绍了一些主要的q o s 路由算法。 第四章和第五章是论文的重点。其中第四章对一种多约束路由算法，即f a l l b a c k 算 法，进行了分析，并提出了两点改进，随后用仿真验证了改进算法的有效性；第五章针对 有时延约束的路由问题，提出了一种基于拉格朗日松弛的启发式算法。 最后，即第六章，是全文的总结。 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章i p 网络中的q o s 机制 第二章i p 网络中的q o s 机制 从绪论可知，i po v e r w d m 网络中，q o s 是一个亟需解决的问题。要解决这一问题， 实现i p 业务的q o s ，应该从光网络的传输能力和i p 网络的路由协议算法两个方面入手。 论文主要从i p 层考虑这一问题。在本章中，先简单的介绍了i p 网络中q o s 得不到保证 这一现状，从而点明了在i p 网络中实现q o s 的必要性；然后详细地介绍了几种典型的网 络q o s 机制，并对它们的性能进行了比较；最后介绍了实现网络q o s 的两种典型方法： 流量工程和约束路由，其中后者是论文关注的重点。 2 1 i p 网络q o s 现状 i n t e r n e t 从出现至今，已经成为科学研究和商业交流的重要工具。随着用户数量以指 数速度逐年增长，基于i n t e m e t 提出的各种应用和要求也越来越多，未来的i n t e m e t 为了 更好地发展必须面对这一挑战。 在这些要求中，最主要的一项就是性能保证( p e r f o m a n c ea s s u r a n c e ) 【3 9 。基于数据报模 型建立的传统的i p 网络，缺乏资源管理相关的能力，因此不能够为用户提供所要的资源 保障，用户要求的网络性能也得不到保证。随着i n t e r n e t 越来越多地深人我们生活，缺乏 性能保证以及缺乏可预见性的性能成为迫切需要解决的问题之一。 另一个尚待解决的问题就是服务的可区分性( s e r v i c ed i 髓r e n t i a t i o n ) 【4 0 1 。目前，多样性 的业务对网络提出了不同的服务要求。然而，传统的i p 网络以相同的方式对待所有业务， 将网络资源公平地提供给它们。显然，这样一种单一的服务无法满足不同的用户业务需求。 在网络中，我们常常把能够提供资源保障和服务可区分性的这种能力称为q o s ( q u a i i t y o f s e n ，i c e 、1 4 “。 而传统的i p 网络提供的服务是尽力而为( b e s t e 髓n ) 的，它无法保证吞吐量和传送时 延等各种服务质量要求。 i p 网络设计的最初目的是为了进行高效的数据传输，它所使用的t c p i p 协议簇是一 种无连接的、基于数据报的传输模式。在i p 网络中，节点处的路由器检查数据包的目的 地址，对照转发表决定如何进行i p 数据包的下一跳。在这样一种数据转发机制中，如果 排队等候转发的数据包很多，则这些数据包就可能因为得不到及时转发而产生时延。如果 数据包排队长度超过了缓存器容量，下一时刻到达的数据包则将被丢弃。这种尽力而为的 服务对于数据业务没有太大的影响，可是却不适于话音、视频等多媒体业务的实时传输。 堕皇! ! ! ! ! 生兰堕竺! ! 塞生堂垡堕塞塑三兰堡堕堡! 坚g 堕垫型 由于现有的i p 网络很难满足实时业务的q o s 要求，人们提出了发展i p 网络q o s 概 念 40 1 。这富有挑战性的研究课题涉及i p 网络中几乎所有方面的技术，并且需要改变i p 网络的基本结构。 2 2 几种典型的q o s 模型 现在，i p 网络如何提供服务质量q o s 支持这一问题已经成为网络研究中的一个热点。 在支持q o s 的机制和结构上，有两个关键的问题需要考虑：资源分配和性能优化埘。综 合服务模型和差分服务模型是i m e m e t 中两个进行资源分配的基本结构。它们所提出来的 新的服务模型使得对业务流的资源保障和对用户所提供的服务进行区分成为可能。而 m p l s 则为服务供应商提供了一系列带宽提供和性能优化的管理工具。这些技术将成为支 撑i p q o s 的基本支柱。 2 2 1 i n t s en r 综合业务模型 虽然尽力而为的传输服务不能保证业务q o s 这一问题很久以来就已经被认识到了， 但是，真难在网络服务结构方面的努力是从2 0 世纪9 0 年代才开始的。9 0 年代初i e t f 开 始组建综合业务模型( i n t s e r v ) 工作组对新的资源分配结构和新的服务模型进行标准化工 作。该工作组于1 9 9 4 年在r f c l 6 3 3 【4 3 】中提出i n t s e n r 综合业务模型。 综合业务模型提出了两种可供用户选择的新的服务模型：可保证的服务模型 ( g u a r a n t e e ds e r v i c em o d e l ) 和可控制的服务模型( c o n t r 0 1 l e ds e i c em o d e l ) 。可保证的服务 模型通过严格的接入控制和公平排队调度策略提供确定的最差延迟限度。这种服务模型是 为需要完全的延迟保证的应用设计的。而可控制的业务模型则提供不那么严格的保证，是 一种接近于轻负载的尽力传输网络模型。与此同时，综合业务模型还规范了用于设罱预留 资源的信令协议一资源预留协议( r s v p ：r e s o u r c er c s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 协议( r f c2 2 0 5 ， r f c2 2 0 8 ，r f c2 2 0 9 等1 4 5 4 6 1 4 7 资源预留是综合业务模型的主要特征。综合业务模型使用资源预留协议( r s v p ) 作为 信令协议来建立通道和进行资源预留。为了能够保障资源，一个业务必须在它的数据流传 输之前开始进行资源预留。其步骤如下： 1 ) ，得到数据源的业务特性以及对资源的要求； 2 ) ，根据需要的资源，网络通过路由协议找到一条合适的路径； 3 ) ，使用资源预留协议在这条路径上设置预留状态；： 4 ) ，在路径的每一跳上，接入控制机制检查是否有足够的可用资源来接纳一个新的预 留；如有可用资源，则建立预留； 日 堕室塑皇兰堕堡主堕塑生差垡堡兰 兰三里! ! 璺塑主塑垒! ! ! ! 型 5 ) ，一旦预留建立好，该数据业务将独占预留的资源在路径上传输； 集成服务模型的优点是： 1 ) ，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、预留和预先购买的耍多的资源。 2 ) ，r s v p 使用i p 包承载，在源和目的地间可以使用现有的路由协议。 3 ) ，支持多播。r s v p 设计集成模型开始的目的之一就是使得q o s 能够工作在从 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 ) 。 综合业务模型是在i p 网络中增加q o s 功能的第一步，虽然它可以实现一定的q o s 功能，但是还有许多无法克服的局限： 1 ) ，扩展性不好。为了支持资源预留，每个节点都必须为每个业务流进行分类和调度， 这样，为每个业务流都预留资源造成的开销太大。这一机制无法扩展到具有大量业务流的 大型网络中。 2 ) ，对路由器的要求较高。要进行端到端的资源预留，就必须要求从发送端到接收端 之间的所有路由器都支持所实旖的信令协议。因此，链路中所有路由器都必须实现r s v p 、 许可控制，包调度等。 3 ) ，对保障型业务需要网络全部使用集成服务。如果中f 刚有不支持的节点或者网络存 在，就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。 4 ) ，该模型不适合于短生存期的业务流。因为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。但目前i p 网络中的流量大多数是由短生存期的业务流构成的， 如w e b 业务。在短生存期的业务流需要一定程度的q o s 保证时，集成服务模型就显得得 不偿失了。 5 ) ，需要的支持功能太多，难以实现。资源预留需要不同服务提供者之间的计费和结 算支持，并且由于要求资源预留的业务必须为该服务付费，那么资源必须是经过授权 ( a u m o r i z e d ) 、鉴别( a u t h e n t i c a t e d ) 和能够计费( a c c o u n t e d ) 的。这样一个支持结构在现在的 i n t e m e t 中是不存在的【4 2 】。 由于以上限制，综合业务模型仅适合用在较小的、单一自治域的网络中，对需要确定 带宽的i p 电话、视频会议等应用支持得较好。 2 2 2d i f 偈e n r 区分服务模型 由于i m e n l e t 本身的无连接性及其复杂性，实现综合业务模型所期望达到的绝对的服 1 0 塑皇些皇堂堕堡圭塑塞兰堂堡丝塞 釜三皇! ! 堕垫! 塑旦! ! 墨创 务质量并不现实。为克服综合业务模型的不足，解决骨干网络上的q o s 问题，i e t f 在 r f c 2 4 7 5 【4 8 1 中提出了一种更简单、更具扩展性的业务模型：区分业务模型。 区分模型与集成模型的本质不同在于它不是针对每一个业务流进行网络资源的分配 与参数的配置，而是将具有相似要求的一组业务归为一些数目不多的转发类( f o m ，a r d i n g c l a s s ) ，随后对这一类业务采取一致的处理方式。这样的分组分类是基于用户和服务提供 商之间的服务等级协定( s l a ：s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ) 进行的。其基本思想是：依据数据 源( 用户或“上游”子网) 与网络服务商( i s p ) 的服务等级协定，用户数据报在网络入口处 被分类标签，后续传输节点依据标签值执行预先定义的传输动作，从而实现对数据报的可 预测性传输。 区分服务不需要资源预留的设置，转发类的分配只是由用户和服务提供商之矧的 s l a 指定的，转发类也只是应用在业务的聚合( t r a m ca g 留e g a t e ) 而不是单独的业务量上的。 这样使得区分业务模型与综合业务模型相比，有以下的好处： 1 ) ，可以消除许多综合业务模型中的不可扩展的因素，如网络状态信息只是正比于有 限数量的义务级别，而不是流的数量； 2 ) ，便于实现。弱化了对信令的依赖，网络中间节点所需要支持的区分服务的功能很 简单，复杂的操作如分组分类等都在网络边缘完成。 但是区分服务也有它的缺点，例如，它很难完成真正端到端的保证，有关的许多技术 细节i e t f 都还未给出具体明确的规定，包括业务类别的具体划分、每类业务性能的量化 描述等等。 2 2 3 多协议标签交换m p l s m p l s 的提出有以下深刻的背景原因：i m e r n e t 的迅猛增长对当前基于i p 的承载网络 提出了新的挑战：1 ) 新的应用，如语音传输和视频服务等，需要网络能够保证将其按照各 自的应用特性正确的予以传送，但是传统i p 网络没数据特性的判别能力，也就谈不上按 照数据特性进行区分服务；2 ) 目前的i p 路由技术是基于目的地址的最短路径路由，无法 考虑所要传输数据的其他特性；3 ) 当前网络规模成膨胀性增长，但是现有的i p 路由技术 和组网方式不适合网络的扩展和许多增值服务的提供。 同时，由于a t m 具有高带宽、快速交换和可靠服务质量保证的优点，用a t m 实现 交换与传输成为业界的共识。而i n t e m e t 的迅速发展使得i p 成为计算机网络应用环境中既 成事实的标准和开放的系统平台。因此如何将最先进的a t m 技术与最普及的i p 技术融合 起来，在满足新的业务的同时维护现有的投资，为一个值得探讨的问题 塑室型皇兰堕堡主竺塑生兰垡丝兰 ： 墨三量! 旦塑! 箜里! ! 垫型 为了有效地解决上述问题，i e t f 提出了多标签交换协议( m p l s ：m u l t i p r o t o c o ll a b e i s w i t c h i n 曲技术4 9 1 。 m p l s 将灵活的i p 层选路和高速的数据链路层交换技术完美的结合起来，弥补了传 统i p 网络的许多缺陷，实现对i p q o s 的支持。具体而言，m p l s 使用两种方法实现对i p o o s 的支持，其一是在网络中建立基于转发等价类( f e c ) 的路由和转发机制，提供对具有 流量特性的数据传输通道的支持：其二是在路由器中使用标签交换技术提高数据报的处理 速度。m p l s 是一种使用路由选择信息的基于标签交换的i e t f 转发标准，它包括两个主 要组件：控制和转发。控制组件使用标签分发协议维护m p l s 网络中所有目的地的标签 转发信息，而转发组件则使用分组中的标签信息和控制组件维护的标签转发信息对分组进 行标签交换。如图2 1 所示，标签边界路由器l e r 是m p l s 网络中的边界路由器。对于 从非m p l s 接口进入m p l s 的所有分组，l e r 都给它添加m p l s 标签，同样它还将离开 m p l s 网络的分组的m p l s 标签删除；但包含标签的分组到达标签交换路由器l s r 时， l s r 将标签作为其标签信息库( l i b ) 的索引。对于输入标签，标签信息库传送一个匹配的 条目来转发分组，该条目包含相应的输出标签、接口和链路级封装信息。l s r 根据标记 信息库中的信息用输出标签交换输入标签，然后用合适的链路层封装将分组传送到输出接 口上。 tf r 图2 1 m p l s 网络 简言之，标记边缘路由器从i p 包中提取的服务质量信息，通过m p l s 信令建立一条 满足服务质量的贯穿整个运营网络的l s p ，以保证从入端到出端的q o s ，从而实现端到端 的服务质量保证。 m p l s 具有以下优点：提供了更快的包分类和转发速度及其一种有效的标记交换机制 保证了网络的q o s 。 12 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章i p 网络中的q o s 机制 2 2 4 模型比较 从对用户数据的传输质量控制上看，i n t e r s e n ，、d i f f s e 和m p l s 具有不同的出发 点和实施方法，这具体表现在各自的协议特性和实现要求的差异上。表2 1 依据内部机制 和实现特性上的差异对这三种模型进行了比较。 i m e r s e r v d i f 瑁e m p l s 基本思想对单个数据流区别处理依据数据流服务级别分类聚集处理 直接作用对象单个数据流单个数据流和聚集流 所处协议层次传输层网络层网路层，链路层 依据服务协议来依据f e c 建立标记 实现手段依据q o s 要求预留带宽 标记处理交换通道 数据流重整位置边界路由器边界路由器边界路由器 支持多播容易 困难 困难 与非协议设备的 可以可以不可以 互联性 表2 l 模型特性比较 正由于这些方