（通信与信息系统专业论文）分组交换网络的服务质量保证.pdf

摘要 随着互联网的高速增长，兴起了许多新的业务，使得计算机的交 互越来越实时和生动，这相应地对互联网络提出了更高的要求。这些 新业务( 如多媒体应用，组播应用等) 不仅增加了网络流量，而且业务 改变了以往互联网上流量的性质，因而它们需要全新的服务。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， 目前的因特网无法支持许多新的实时业务。对这些在服务质量上有特 殊要求的应用来说，传统的“尽力而为”的服务显然是不够的。这些 业务要求严格的服务质量保$ i e ( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) ，q o s 主要参 数包括：传输时延、时延抖动、分组丢失率、吞吐量等。 为了解决上述问题，本文全厦分析研究了现在已经提出的几种实 现服务质量保证的机制，并在此基础上提出了一种新的分组调度算 法，以求能改善端到端的q o s 。 全文主要由四个部分组成。第一章是绪论，介绍了q o s 产生的背 景。第二章分析了服务类型和交换方式，接着研究了计算机网络的体 系结构，为后续讨论奠定了基础。 第三章对q o s 的定义和研究范畴作了阐述，并全面研究分析了 现有的几种q o s 技术。首先分析了i e t f 组织提出两种典型的q o s 模型：集成服务( n t s e r v ) 模型和区分服务( d i f f s e r v ) 模型的体系 结构、工作原理和服务类型，比较了二者在设计思想、实现机制和 q o s 特性方面的差异。然后分析了网络节点( 如路由器、交换机等) ， 在处理相互竞争网络资源的数据流时，所采取的一系列合理分配缓 冲、带宽和处理优先级的措施。接着讨论了q o s 路由以及t c p 对q o s 的影响。还探讨了m p l s 技术对于实现0 0 s 的意义，以及子网带宽 管理s b m 对q o s 的作用。 第四章在分析比较了常见调度机制原理和局限性的基础上，提出 了一种新的支持q o s 要求的调度机制。它根据不同队列的服务质量 要求对队列进行调度。它通过计算不同队列的服务质量要求，把带宽 资源分配给最需要的队列。每完成一次服务就重新评估队列的需求， 然后根据重新评估的结果把资源分配给最需要的队列。 、 第五章对全文作了结论与展望。 关键词：服务质量i n t s e r vd i f f s e r v 分组调度 a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to ft h ei n t e m e t ，al o to fn e wa p p l i c a t i o n sh a v ea p p e a r e d o nt h eh o r i z o n t h e s en e w a p p l i c a t i o n s ，f o re x a m p l em u l t i m e d i am u l t i c a s t se t c ，h a v e n o to n l ye n o r m o u s l yi n c r e a s e d 廿a m ci nt h en e t w o r k b u ta l s oc h a n g e dc h a r a c t e ro f t h et r a f f i c t h e r e f o r e t h e yr e q u i r en e ws e r v i c e a tp r e s e n t ，i n t e m e tc a l l ts u p p o r ta g r e a td e a lo fn e wr e a l f i m es e r v i c e ，b e c a u s ei n t e m e tc a l l t a s s u r eq u a l i t yo fs e r v i c e f o o s ) r e s e r v eb a n d w i d t ha n d1 i m i tt r a n s m i s s i o nd e l a yt o o t r a d i t i o n a lb e s t e f f o r t s e r v i c ec a n ts u f f i c ed e m a n do ft h en e w a p p l i c a t i o n s ，w h i c hr e q u i r es p e c i nq u a l i t yo f s e r v i c e t h e s e a p p l i c a t i o n sr e q u i r e s t r i c t q o s ，m a i nq o sp a r a m e t e r s i n c l u d e ： t r a n s m i s s i o nd e l a y , d e l a yi i t t e r , p a c k e tl o s sr a t e ，t h r o u g h p u te t c t or e s o l v et h ep r o b l e m s s e v e r a le x i s t i n gq o sm e c h a n i s m sa r ea n a l y z e di nt h e t h e s i s ，a n do nt h eb a s i sw r i t e rp r o p o s e a l li m p r o v e d p a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m f o u rp a r t sc o n n i t u t et h et h e s i s c h a p t e r1i si n t r o d u c t i o n a n d , i ti n _ r o d u c e s r e s e a r c hb a c k g r o u n d i nc h a p t e r2 ，w r i t e rd i s c u s ss e r v i c et y p ea n ds w i t c hm o d e ，a n d i t i sb a s i so f s u b s e q u e n td i s c u s s 1 1 1c h a p t e r3 ，w r i t e rs t a t et h ed e f i n i t i o na n dc a t e g o r yo f q o s ，a n de x p o u n d r e l a t e d t e c h n o l o g yo fq o s f i r s t l y , w r i t e ra n a l y z e st w ot y p i c a lq o sm o d e lw h i c hi e t f d e f i n e d ，i n t e g r a t e ds e r v i c e ( i n t s e r v ) a n d d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e s ( d i f f s e r v ) ，a n d c o m p a r e s t h et w op a r t yd i f f e r e n c ei nd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n s e c o n d l y ，p h b ( p e r h o pb e h a v i o r ) i si n t r o d u c e ，w h i c hn e t w o r kn o d e ( r o u t e r , s w i t c he t c ) d i s t f i b u t eb u f f e r ， b a n d w i d t h a n dd e a lw i m p r i o r i t y s u b s e q u e n t l y t h e r ea r ep r e s e n t a t i o n sa b o u tq o s r o u t ea n de f f e c to ft c pt o q o s f u r t h e r m o r e ，w r i t e rs p e c i f i e ss i g n i f i c a n c e o f m u l f i p r o c o t o l l a b e ls w i t c h i n g ( m p l s ) a n ds u b n e tb a n d w i d t hm a n a g e m e n t ( s b m ) a b o u ti m p l e m e n t q o s i n c h a p t e rf o u r , w r i t e r a n a l y z e s a n d c o m p a r e s s e v e r a l p a c k e t - s c h e d u l i n g a l g o r i t h mi nc o m m o nu s e a n dr e s e a r c ht h e i r l i m i t a t i o n o nt h eb a s i so fr e s e a r c h ， w r i t e rd e s c r i b e san o v e lp a c k e t s c h e d u l i n ga l g o r i t h m t h ea l g o r i t h ms c h e d u l e sq u e u e b a s e dq o s r e q u i r e m e n to fe v e r yq u e u e i tf i r s tc o m p u t e sq o sr e q u i r e m e n to fe v e r ) , q u e u e a n dt h e nd i s t r i b u t eb a n d w i d t hr e s o u r c e st ot h eq u c u e t h a tn e e dm o s tu r g e n t l y b a n d w i d t h a n di t c o m p u t e sr e q u i r e m e n ta g a i n a f t e ri tp r o v i d eas e r v i c e ，a n dt h e n d i s t r i b u t er e s o u r c e s k e yw o r d ：q o s i n t s e r vd i f f s e r v p a c k e t s c h e d u l i n g 独创性( 或创新性) 声明 本人声明历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， 本人签名： 本人承担一切相关责任。 日期： 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 留著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一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 日期： 日期： 北京邮电大学硕士论文 分组交换网络的服务质量保证研究 1 1 研究背景 第一章概述 传统的通信网络是基于t d m 的p s t n 语音网络，它以电路交换技术为基础， 当初主要是为了传输语音、保证语音质量和承担语音业务而设计建造的，业务和 控制都由交换机完成。这种设计无疑有利于传输语音，然而，随着通信技术和业 务多样化的发展，计算机的广泛应用和普及，以致语音业务增长速度降低，而当 时尚未出现的数据业务和信息却异军突起，呈现指数式增长态势，远高于电话业 务。早在1 9 9 8 年，美国大部分运营商的公众骨干网中的数据业务量就超过语音 业务量，并以每年2 0 到4 0 的速度增长。目前全球通信网络中的数据业务仍 然在飞速增长。在未来传统电信网络与传输数据的计算机网络的融合乃是大势所 趋不可避免。 具有1 0 0 多年历史的电路交换技术尽管有其不可磨灭的历史功勋和内在的 高质量、严管理优势，但其基本设计思想是以恒定的对称的话务量为中心的，采 用了复杂的分等级的时分复用方法，语音编码和交换速率为6 4 k b s 。其对于未来 以突发性数据为主的业务而言，尽管采取种种措施后也可以传输，但效率较低， 传输成本和交换成本较高，而且浪费网络资源，还必须采用复杂的信令、计费和 网管。当数据业务量不大时，这种状态还可以容忍，而当网络的业务量以数据为 主时，这种低效率状态将变得不可容忍，因而建设新的对数据业务最佳的新一代 网络将势在必行。显然，这样的新一代网络只可能是以i p 为基础的分组化网。 分组化网有着传统电话交换网所无法具备的优势，诸如无复杂的时分复用结构， 有信息才占用网络资源，效率高、成本低，信令、计费和网管简单，可适应非对 称的突发数据业务等。显然，随着网络中数据业务量成为主导后，从传统的电路 交换技术逐步转向以数据特别是i p 为基础的电信新框架将是历史的必然。当初 设计的语音网越来越不能适应多元通信的需求，甚至成为业务进一步发展的阻 碍。 进入9 0 年代以来，随着基于t c p i p 体系结构的i n t e r n e t 的商业化，i n t e m e t 得到了巨大的发展，用户数有了爆炸性的增长，基于i n t e m e t 的新业务层出不穷。 且由于价格因素的影响使它们都具有很强的市场潜力。i n t e m e t 正在从当初单纯 传送数据向可传送数据。语音、活动，静止图像的多媒体网络转变。由于计算机 第3 页共6 3 页 北京邮电大学硕士论文 分组交换网络的服务质量保证研究 终端软硬件的不断升级，它已完全能够满足多媒体应用的需要，因此在i n t e m e t 上实现类似语音、传真、会议等实时多媒体应用的问题焦点便集中在了如何传输 这些时延敏感的业务上。i n t e m e t 最初的设计目的是进行高效的数据传输，因此 所使用的t c p l p 协议族是一神无连接的、基于数据报的传输模式。i p ( i p v 4 ) 所提供的是一种“尽力而为( b e s t - e f f o r t ) ”的服务，无法保证吞吐量和传送时延等 服务质量( q o s ) 。服务质量( q o s ) 系列服务请求及实现这些请求的机制。 量：带宽要求、传输延迟、延迟抖动、 是指网络在传输数据流时要求满足的一 这些服务请求可以用以下几个指标来衡 可靠性、丢失率、吞吐量等。分组网络 q o s 研究的目标是有效提供端到端( e n d - t o e n d ) 的服务质量控制或保证。t c p 使用的重传和滑动窗口机制【1 1 2 1 给实时数据的传输带来无法预料的时间延迟以及 时间延迟的变化( 以下把时间延迟的变化称为抖动) 。因此如何保证在基于i p 技 术的分组网络上传送的业务的服务质量就成了当前的一个研究热点。 1 2 本文结构 本文首先简要介绍h a t e m e t 网络体系结构。然后开始引入服务质量问题的讨 、 论，先全面介绍了现有的研究成果，并进行了分析讨论，这些研究成果中有一些 是本文进一步研究的基础。最后在现有的基础上提出了自己的改进机制。 第4 页共6 3 页 北京邮电大学硕士论文分组交换网络的服务质量保证研究 第二章i n t e r n e t 网络体系结构 2 1 网络服务类型与交换方式 通信技术与计算机技术相互结合产生了计算机网络。”“3 。计算机网络是通过 通信设施( 通信网络) ，将地理上分散的具有自治功能的多个计算机系统互连起 来，进行信息交换，实现资源共享、互操作和协同工作的系统。 这是一个广义的定义，它具有这样的一些特征： 首先，计算机是一互连的计算机系统的群体。这些计算机系统在地理上是分 布的，可能在一个房间内，在一个单位里的楼群里，一个或几个城市里，甚至在 全国乃至全球范围。 其次，这些计算机系统是自治的，即每台计算机是独立工作的，它们是在网 络协议控制下协同工作的。 第三，系统互连要通过通信设施( 网) 来实现。通信设旖一般都有通信线路、 相关的传输、交换设备等组成。同时为实现在主机之间或者主机与子网子间通信 还需要一系列通信协议。 第四，系统通过通信设施执行信息交换，资源共享，互操作和协作处理，实 现各种应用要求。 由于通信子网是计算机网络的重要组成部分，通信子网的性能直接决定了网 络传输数据时的服务质量，包括吞吐量、延迟等。通信子网提供的服务可以分为 两大类：面向连接( c o n n e c t i o n o r i e n t e d ) 服务和无连接( c o n n e c t i o n l e s s ) 服务。 因为通信网内各个节点的拓扑结构一般不是全连通的，所以网络中必然需要 有交换节点。交换技术分两大类：一是在传统的电话交换网中使用的电路交换技 术，二是起初主要是为了数据通信的需要而设计的分组交换技术”。 电路交换是一种实时交换，当任一用户呼叫另一用户时，应立即在两个用户 间建立电路连接；如果没有空闲的电路，呼叫就不能建立而遭受损失。应当配备 足够的连接电路，使呼叫损失率不超过规定值。其特点可以概括如下： ( 1 ) 在通信的用户间建立专用的物理连接通路，从而又引起以下特点： 在通信前先要有连接建立过程： 只要用户不发出释放信号，即使通信暂时停顿，物理连接仍然保持： 物理连接的任何部分发生故障都会导致通信的中断； 第5 页共6 3 页 北京邮电大学硕士论文分组交换网络的服务质量保证研究 只有当呼叫建立与释放时间相对于通信的持续时间很小时才呈现高效 率。 ( 2 ) 对通信信息不作处理( 信令除外) ，二是原封不动地传送，用作低速数 据传送时不进行速率、码型的变换。 ( 3 ) 送的信息无差错控制措施。 ( 1 ) 用基于呼叫损失制的方法来处理业务流量，过负荷时呼损率增加，但 不影响已建立的呼叫。 综上所述，电路交换是固定分配带宽，连接建立后，即使无信息传送也虚占 电路，电路利用率低；要预先建立连接，有一定的连接建立时延，通路建立后可 实时传送信息，传输时延一般可以不计；无差错控制措施，对于数据交换的可靠 性没有分组交换高。因此，电路交换适合于电话交换、文件传送、高速传真，不 适合突发业务和对差错敏感的数据业务。随着数据通信业务逐渐增长，电路交换 在传输数据业务时的缺陷日益明显。因此分组交换网络越来越受到重视。和电路 交换相比，分组交换的主要优势是： ( 1 ) 属于不同信源的分组可以共享通信链路，增加了物理资源的利用率； ( 2 ) 终端可以用合适的速率同节点相连，因此不同速率的终端可以通过分 组交换网络交换数据； ( 3 ) 当负荷增加时，分组交换网络会继续接收数据，只是时延会增加，而 电路交换网会阻塞部分呼叫请求； ( 4 ) 以采用优先级管理。 分组交换( p a c k e ts w i t c h i n g ) 采用存储转发( s t o r ea n df o r w a r d ) 的交换方式。 为此先介绍报文交换( m e s s a g es w i t c h i n g ) 。 报文交换又称为存储转发交换，与电路交换不同，不需要提供通信双方的物 理连接，而是将所接收的报文暂时存储。报文中除了用户要传送的信息以外，还 有目的地址和源地址。交换节点要分析目的地址和选择路由，并在该路由上排队， 等待有空闲电路时才发送到下一交换节点。报文交换可以进行速率、码型的变换， 具有差错控制措施，可以发送多目的地址的报文，过负荷时则导致时延增加。 采用存储转发方式的分组交换与报文交换的不同在于：分组交换将用户要传 送的信息分割为若干个分组( p a c k e t ) ，每个分组有一个分组头，含有可供选路 的信息和其它控制信息。分组交换节点对所收到的各个分组分别处理，按其中的 选路信息选择去向，以发送到能到达目的地的下一个交换节点。因为分组交换是 分成多个分组来独立传送，收到一个分组即可以发送，从而显著减小了存储的时 间，所以分组交换的时延小于报文交换。但是也正是由于分成多个分组，所以也 增加了开销。为此，分组长度的确定是一个重要的问题。分组长度缩短会进一步 第6 页共6 3 页 北京邮屯大学硕士论文分组交换网络的服务质量保证研究 减少时延而增加开销，分组长度加大则减少开销而增加时延。通常，、分组长度的 选择要兼顾到时延与开销这两个方面。 分组交换可以提供两种服务方式：虚电路( v c ：v i r t u a lc i r c u i t ) 方式与数 据报( d g ：d a t a g r a m ) 方式，各有其特点，可适应不同业务的要求。 ( 1 ) 虚电路 所谓虚电路方式，就是在用户数据传送前先要通过发送呼叫请求分组建立端 到端之间的虚电路；一旦虚电路建立后，属于同一呼叫的数据分组均沿着这一虚 电路传送，最后通过呼叫清除分组来拆除虚电路。 虚电路不同与电路交换中的物理连接，而是逻辑连接。虚电路并不独占线路， 同时建立多个虚电路，也就是建立多个逻辑连接，以达到资源共享。但是从另一 方面看，虽然只是逻辑连接，毕竟也需要建立连接，因此不论是物理连接还是逻 辑连接，都是面向连接( c o n n e c t i o no r i e m e d ) 的方式。 虚电路有两种：交换虚电路( s v c ：s w i t c h e dv i r t u a lc i r c u i t ) 和永久虚电路 ( p v c ：p e r m a n e mv i r t u a lc i r c u i t ) 。前述通过用户发送呼叫请求来建立虚电路的 方式称为s v c 如果应用户要求，由网络运营者为之建立固定的虚电路，就不 需要在呼叫时建立虚电路，而可以直接进入数据传送阶段，称之为p v c 。 ( 2 ) 数据报 数据报不需要预先建立逻辑连接，而是按照每个分组头中的目的地址对各个 分组独立进行选路，到达顺序也可能与发送顺序不同。由于没有建立连接，称之 为无连接( c o n n e c t i o n l e s s ) 方式。 ( 3 ) 虚电路与数据报的比较 分组头 数据报方式的每个分组头要包含详细的目的地址，而虚电路方式由于预先已 建立逻辑连接，分组头中只需含有对应于所建立的虚电路的逻辑信道标识。 选路 虑电路方式预先有建立过程，有一定的处理开销，但一旦虚电路建立，在端 到端之间所选定的路由上的各个交换节点都具有映象表，存放出入逻辑信道的对 应关系，每个分组到来时只要查找映象表，而不要进行复杂的选路。当然，建立 映象表也要有一定的存储器开销。数据报方式则不需要建立过程，但对于每个分 组都需要独立地进行选路。 分组顺序 虚电路方式中，属于同一呼叫的各个分组在同一条虚电路上传送，分组会按 照原有顺序到达终点不会产生失序现象。数据报方式中，各个分组由于是独立选 路，可以从不同的路由传送，会引起失序。 第7 页共6 3 页 北京邮电大学硕士论文分组交换网络的服务质量保证研究 故障敏感性 虚电路方式对于故障较为敏感，当传输链路或交换节点发生故障时可能引起 虚电路的中断，需要重新建立。有些分组网络具有再连接功能，出现故障时可自 动建立新的虚电路，并做到不丢失用户数据。数据报方式中各个分组可选择不同 路由，对故障的防卫能力较强，所以可靠性较高。 应用 虚电路方式适用于较连续的数据流传送，其持续时间应显著大于呼叫建立时 间，如文件传送、传真、以及现在的多媒体通信等业务。数据报方式则适用于面 向事务的询问响应型数据业务。下表是电路交换、虚电路、数据报三种交换技 术的比较。 电路交换虚电路数据报 数据流连续传输分组传输同左 无速率、编码转换有速率、编码转换同左 数据无存储转发前存储分组同左 。 呼叫建立后无附加位每个分组都由附加位同左 需要专用传输路径和带宽不需专用传输路径和带宽同左 呼叫建立后数据传输无时延有分组传送时延且时延可变同左 有呼叫建立时延同左无呼叫建立过程和时延 收发顺序一致同左收发顺序可能不一致 表1 电路交换、虚电路和数据报三种方式的比较 应该注意的是：子网所提供的服务( 面向连接的或是无连接的) 与通信子网 结构是相互独立的。一般人们常常把面向连接的服务称为虚电路服务，把无连接 的服务称为数据报服务。事实上在面向连接的通信子网上也可以提供无连接的服 务如：i p o v e r a t m 如果在i p 层上没有机制确保面向连接，那么这就是一个无连 接的通信网络。而如果i p 层上有确保面向连接的机制，例如如采用了t c p 协议， 那么即使通信子网是无连接的，但是整个通信过程仍然是面向连接的。 2 2 计算机网络体系结构 为了使计算机网络中的通信能够有序地进行，各个网络元素必须遵守一些预 先约定的规则。这些为了在网络中进行数据交换而确立的规则、标准和约定被称 第8 页共6 3 页 北京邮电大学硕士论文分组交换嗣络的服务质量保证研究 为网络协议”1 。用户的资源和信息存储在采用不同操作系统的主机中，这些主机 分布在网络的不同地方需要在不同的传输介质上实现采用不同操作系统的主机 之间的通信。一般网络协议都有协议分层的思想。分层有以下好处：容易解决通 信的异质性( h e t e r o g e n e i t y ) 问题，上层解决不同种语言的相互翻译( 数据的不 同表示) ，下层解决信息传递，使复杂问题简化，高层屏蔽低层细节问题；每层 只关心本层的内容，不用知道其他层如何实现；使设计容易实现。分层有如下原 则：当需要由一个不同等级的抽象时，就应当有一个相应的层次；每一层的功能 应当时非常明确的：层与层的边界应选择的使通过这些边界的信息量尽量少些， 否则不方便；层数太少，会使每一层的协议太复杂，但层数太多又会在描述和综 合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。每一层的活动元素称为实体 ( e n t i t y ) 。3 ，实体既可以是软件( 如一个进程) 也可以是硬件( 如智能i o 接口) 。 不同机器上同一层的实体称为对等实体( p e e re n t i t y ) 。n 层实体实现的服务通过 服务访问点s a p ( s e r v i c e a c c e s s p o i n t ) 提供给叶1 使用。 计算机网络各层以及其所有协议的集合称为网络体系结构( a r c h i t e c t u r e ) 。 它是对计算机网络各组成部分及其功能的抽象描述。目前主要有开放系统互联模 型o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o r m e c t i o n ) 和t c p h p 模型。 2 2 1o s l 参考模型 国际标准化组织i s o ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d so r g a n i z t i o n ) 及下属的计算机 与信息处理标准化技术委员会t c 9 7 ，经过多年卓有成效的努力，于1 9 8 4 年正式 颁布了一个称为“开放系统互连基本参考模型”o s i ( o p e ns y s t e m i n t e r c o r m e c t i o n b a s i cr e f e r e n c em o d e l ) 的国际标准i s o o s i7 4 9 8 1 6 j 。8 0 年代中，以i s o o s i 七 层模型为参照，i s o 和国际电报电话咨询委员会c c i t t 为各个层次制定了一系 列协议标准，组成了一个庞大的基本标准集，并同时为o s i 的应用和产品的最 终实现制定功能标准或轮廓标准i s p ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a d i z e d p r o f i l e ) 。 i s o7 4 9 8 信息处理系统一一开放系统互连一一基本参考模型( i s o7 4 9 8 ， i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e m s - o p e ns y s t e m si n t e r c o n n e c t i o n - - b a s i cr e f e r e n c e s m o d e l l 是o s i 标准中最基本的一个，它从o s i 体系结构方面规定了开放系统在 分层、相应层对等实体的通信、标识符、服务访问点、数据单元、层操作、o s i 管理等方面的基本元素、组成和功能等，并从逻辑上把每个开放系统划分为功能 上相对独立的七个有序的子系统。所有互连的开放系统中，对应的各子系统结合 起来构成开放系统互连基本参考模型中的一层。这样，o s i 体系结构就由功能 上相对独立的七个层次组成： 第9 页共6 3 页 北京邮电大学硕士论文 分组交换网络的服务质量保证研究 第一层：物理层p h ( p h y s i c a l ) 第二层：数据练路层d l ( d a t a l i n k ) 第三层：网络层n ( n e t w o r k ) 第四层：运输层t ( t r a n s p o r t ) 第五层：会话层s ( s e s s i o n ) 第六层：表示层p ( p r e s e n t a t i o n ) 第七层：应用层a ( a p p l i c a t i o n ) 端开放实系统 端开放实系统信息交换 数据链路层 理层 相应的协议层 链路层i + 叫d a t a l i n k 一r 物理层l + 叫p h y s i c a li l 一 d a t a l i n kj f r a 帧m e _ _ _ - - _ - - - - - 。_ 。 鼯b 他 1 ：1 二进制流 网络层h o s t ( 或d t e ) 一m o ( 或d c e ) 协议 数据链路层h o s t ( 或d t e ) 一m 但( 或d c e ) 协议 物理层h o s t ( 或d t e ) 一i m p ( 或d c e ) 协议 图2 1i s o o s i 基本参考模型 各层功能简介： 物理层：提供相邻设备间的比特流传输。它是利用物理通信介质，为上一 层( 数据链路层) 提供一个物理连接，通过物理连接透明地传输比特流。所谓透明 传输指经实际电路后传送的比特流没有变化，任意组合的比特流都可以在这个电 第l o 页共6 3 页 北京邮电大学硕士论文分组交换网络的服务质量保证研究 路上传输，物理层并不知道比特的含义。 物理层要考虑的是如何发送0 和”1 ”，以及接收端如何识别。 数据链路层：负责在两个相邻的节点间的线路上无差错的传送以帧为单位 的数据，每一帧包括一定的数据和必要的控制信息，在接收点接收到数据出错时 要通知发送方重发，知道这一帧无误得到达接收节点。 数据链路层就是把一条有可能出错的实际链路变成让网络层看来好像不出 错的链路。 网络层：网络中通信的两个计算机之间可能要经过许多个节点和链路，还 可能经过几个通信子网网络层数据的传送单位是分组( p a c k e t ) ，网络层的任务就 是要选择合适的路由，使发送站的运输层发下来的分组能够正确无误的按照地址 找到目的站并交付目的站的运输层，这就使网络层的寻址功能。 对于广播信道构成的通信子网，路由问题很简单，因此这种子网的网络层非 常简单，甚至没有。对于通信子网来说，最多只到网络层。 运输层：任务是根据通信子网的特性最佳的利用网络资源，并以可靠和经 济的方式为两个端系统的会话层之间，建立一条运输连接，透明的传输报文，运 输层向上一层提供一个可靠的端到端的服务，使会话层不知道运输层以下的数据 通信的细节。运输层只存在于端系统( 主机) 中，运输层以上层就不再管信息传输 问题了。 会话层：会话层虽然不参与具体的数据传输，但它对数据进行管理， 它 向互相合作的表示进程之间提供一套会话设施，组织和同步它们的会话活动，并 管理它们的数据交换过程。这里，“会话”的意思是指两个应用进程之间为交换 进程的信息而按一定规则建立起来的一个暂时联系。 表示层：提供端到端的信息传输。处理的是o s i 系统之间用户信息的表 示问题。在o s i 中，端用户( 应用进程) 之间传送的信息数据包含语义和语法 两个方面。 语义是信息数据的内容及其含义，它由应用层负责处理。 语法是与信息数据表示形式有关方面，例如信息的格式、编码、数据压缩等。 表示层主要用于处理应用实体向交换的信息的表示方法。这样即使每个应用系统 有各自的信息表示法，但被交换的信息类型和数值仍能用一种共同的方法来表 示。它包含用户数据的结构和在传输时的比特流或字节流的表示。在o s i 中， 用一种抽象语法表示法a s n 1 ( a b s t r a c t s y n t a xn o t a t i o no n e ) 来定义应用协 议数据单元和用户信息，而用一种基本编码规则b e r ( b a s i ce n c o d i n gr u l e s ) 来 描述在传输过程中的内容的比特流和字节流的表示，即一种传送语法。在两个应 用实体进行信息数据交换时，在表示连接建立期间，它们要进行协商，以确定在 第1 1 页共6 3 页 北京邮电大学硕士论文分组交换喇络的服务质量保证研究 数据传输阶段抽象语法所对应的传送语法。在表示服务中每一对抽象语法和传送 语法被称为表示上下文( p r e s e n t a t i o nc o n t e x t ) 。这种由抽象语法与传送语法相对 应的协商过程，即应用用户数据由抽象语法转换成传送语法的服务过程，称为表 示上下文管理。对传送的信息加密解密也是表示层的任务之一。 应用层：是o s i 参考模型的最高层，应用层确定进程之间通信的性质以 满足用户的需要；负责用户信息的语义表示，并在两个通信者之间进行语义匹配， 就是说应用层不仅要提供应用进程所需要的信息交换和远程操作，而且还要作为 互相作用的应用进程的用户代理( u s e ra g e n t ) ，来完成一些为进行语义上有意义的 信息交换所必需的功能。 2 2 2t c p i p 的体系结构模型 t c p i p 通常被认为是一个四层协议系统( 也有人认为应当在网络接口数 据链路层一下再加一个物理层构成一个5 层的模型) “，如图2 2 所示。 各神应用层协议 t c pu d p i pi c 【pa r pr a i t p 与各种网络接口 图2 2t c p ，i p 协议族的四个层次 网络接口层：有时也称作链路层，这是t c p i p 协议软件的最底层，它负 责接收i p 数据报并把数据报通过选定的网络发送出去。通常包括操作系统中的 设备驱动程序( 例如，机器与局域网相连时就需要相应的驱动程序) ，也可能包 括一个复杂的子系统，使用自己的数据链路协议( 例如，h d l c 协议与主机进行 通信的分组交换机构成的网络) 。它们一起处理与电缆( 或其他任何传输媒介) 的物理接口细节。大致上相当于o s i 七层模型的第二层。 网络层：有时也称作互联网层，处理分组在网络中的活动，包括( 1 ) 高层 数据的分组生成；( 2 ) 底层数据报的分组组装；( 3 ) 处理路由、流控、拥塞等问 题。在t c p i p 协议族中，网络层协议包括i p 协议( 网际协议) ，i c m p 协议( i n t e m e t 互联网控制报文协议) ，以及i g m p 协议( i n t e r n e t 组管理协议) 。一般认为本层 相当于o s i 七层模型的第三层。 传输层：主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在t c p i p 协议 族中，有两个互不相同的传输协议：t c p ( 传输控制协议) 和u d p ( 用户数据报 协议) 。t c p 为两台主机提供高可靠性的数据通信。它所做的工作包括把应用程 序交给它的数据分成合适的小块交给下面的网络层，确认接收到的分组，设置发 第1 2 页共6 3 页 北京邮电大学硕士论文分组交换网络的服务质量保证研究 送最后确认分组的超时时钟等。由于运输层提供了高可靠性的端到端的通信，因 此应用层可以忽略所有这些细节。而另一方面，u d p 则为应用层提供一种非常 简单的服务。它只是把称作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不 保证该数据报能到达另一端。任何必需的可靠性必须由应用层来提供。一般认为 本层相当于o s i 七层模型的第四层。 应用层：应用层负责处理特定的应用程序细节，提供常用的应用程序。几乎 各种不同的t c p i p 实现都会提供下面这些通用的应用程序：t e l n e t 远程登录： f t p 文件传输协议：s m t p 简单邮件传送协议；s n m p 简单网络管理协议。该层 包括了o s i 七层模型第5 层( 含第5 层) 以上的高层协议。 t c p i p 协议是一个用在异种网间实现互联的协议族。这一体系结构的基础 是网络层，它的功能是隐藏所有底层网络硬件细节的同时提供最一般的通信服 务，具体的也就是使主机可以将分组发往任何网络并使分组独立传向目标。口 协议定义在o s i 的第三层网络层，是i n t e r n e t 最重要的协议。在i p 协议 中规定了在i n t e r n e t 上进行通信时应遵守的规则，例如i p 数据报的组成、路由器 如何将i p 数据报送到目的主机等。 各种物理网络在数据链路层所传输的基本单元为帧( m a c 帧) ，其帧格式随 物理网络而异，各物理网络的物理地址( m a c 地址) 也随物理网络而异。i p 协 议的作用就是向传输层( t c p 层) 提供统一的i p 包，即将各种不同类型的m a c 帧转换为统一的i p 包，并将m a c 帧的物理地址变换为全网统一的逻辑地址( i p 地址) 。这样，这些不同物理网络m a c 帧的差异对上层而言就不复存在了。正 因为这一转换，才实现了不同类型物理网络的互联。 口协议川是无连接的，i p 网中的节点路由器根据每个p 包的包头i p 地址进 行寻址，这样同一个主机发出的属于同一报文的i p 包可能会经过不同的路径到 达目的主机。路由选择可以由源主机决定，也可以由i p 数据报所途经的路由器 决定。在i p 协议中，路由选择依靠路由表进行。在口网上的主机和路由器中均 保存了一张路由表，路由表指明下一个路由器( 或目的主机) 的i p 地址。路由 表由目的主机地址和去往目的主机的路径两部分组成。其中，去往目的主机的路 径通常是下一个路由器的地址，也可是目的主机的p 地址。 第1 3 页共6 3 页 北京邮电大学硕士论文分组交换网络的服务质量保证研究 0481 61 92 43 1 版本首部长度服务类型总长度 标识标志片偏移量 寿命协议首部校验和 源站i p 地址 目的站i p 地址 i p 选项( 若干)填充 数据 图2 3i n t e m e t 数据报格式，i n t e m e t 数据报是t c p i p 互联网上传输的基本单元 图2 3 显示了i p 数据报中各字段的具体组织形式。数据报的前4 比特字段， 即版本( v e r s ) 字段，包含了创建该数据报的i p 协议的版本信息，用来证实发 送方、接收方和和它们之间的所有路由器都约定使用该数据报格式。所有i p 软 件在处理一个数据报之前都要检查版本字段。 首部长度字段也是4 比特，给出了以3 2 比特字长为单位的首部长度。总长 度字段给出了以八位组为单位的i p 数据报长度，包括首部和数据中的八位组。 标示符、标志和分片偏移量三个字段用于控制数据报的分片和重组。寿命( t i m e t ol i v e ，t t l 又称为生存时间) 字段指定了一个数据报被丢弃之前，在网络上能 停留多少时间( 以秒计) 。它避免了包在网络中无休止循环。其中数据报通过一次 路由器，就要从t t l 字段中减1 。而且路由器会根据数据在路由器中驻留的时间 来递减t t l 。首部校验和( h e a d e rc h e c k s u m ) 字段用于保证首部数据的完整性。 源i p 地址和目的i p 地址在段包含了数据报( 最初) 发送方和( 最终) 接收方的 3 2 比特i p 地址。i p 地址后面的i p 选项( i po p t i o n s ) 字段是任选的，选项主 要用于网络测试或调试。i p 选项字段的长度变化取决于所选的项。填充 ( p a d d i n g ) 字段取决于所选的项，为了保证数据报首部的长度是3 2 比特的整 数部，通过设置填充字段要求添“o ”补齐。 8 比特服务类型( s e r v i c et y p e ) 字段，在非正式场合下可称为t o s ( t y p e o f s e r v i c e ，t o s ) 。它规定了数据报的处理方式 01234567 广 1 t 广 i 优先级ldl t i rl 未用l 图2 , 4 组成8 比特服务类型字段的五个字段 3 比特的优先级子字段指明了数据报的优先级，允许发送方表示每个数据报 的重要程度，优先级的值从0 ( 普通优先级) 到7 ( 网络控制) 。尽管一些路由器 会忽略服务类型