（通信与信息系统专业论文）陕西煤矿瓦斯监测联网网络qos保障策略实现研究.pdf

论文题目：陕西煤矿瓦斯监测联网网络q o s 保障策略实现研究 专业：通信与信息系统 硕士生：杨洋 指导教师：卢建军 摘要 ( 签名) ( 签名) 轨荔 i y ， 陕西煤矿瓦斯监测联网是针对目前矿井瓦斯灾害严重的状况，采用具有标准性和通 用性的信息通信方式，将煤炭企业安全生产的工业网络接入到i p 网络平台上，形成信息 化网络数据资源传输体系，该体系建成后能够充分提高数据的利用率和共享度，同时， 也对联网网络的q o s ( 服务质量) 提出了更加严格的要求。q o s 是一个用于衡量服务满 意程度的综合指标，是用来解决网络延迟和拥塞问题的技术。作为研究使网络能够灵活 地根据业务的具体特点保障瓦斯监测数据等工业信息在i p 网络平台上传输的服务质量， 是具有重大意义的。 本文以国家8 6 3 计划资助的项目煤矿数字化瓦斯远程监测监控系统( 项目编号： 2 0 0 5 a a l 3 3 0 7 0 ) 中陕西煤矿瓦斯监测远程联网为背景，研究其联网网络的q o s 保障策略 的实现。由于现有的各种q o s 实现机制，无法单独为陕西煤矿瓦斯监测联网网络的q o s 提供保障，因此在实际应用中必须结合多种机制才能得到较好的q o s 保障效果。本文比 较了传统i p 网络的q o s 结构体系，通过分析i n t s e r v 和d i f f s e r v 两种模型的基本原理、工作 方式，并指出其各自的优缺点和网络应用环境，设计了将r s v p 协议与d i f f s e r v 模型相结 合来满足瓦斯监测数据传输实时性的要求；针对陕西煤矿瓦斯联网的特性，提出了将 t c p 拥塞控制算法与i p 层拥塞控制算法相结合的算法模型；在设计了陕西煤矿瓦斯监测 系统联网网络拓扑结构的基础上，通过联网网络端到端的q o s 改造最终实现了联网网络 q o s 保障策略的部署。 最后，通过对q o s 拥塞控制算法模型进行模拟与仿真，验证了该模型的设计能够较 好地满足课题的预期q o s 保障目标。并且此模型的应用可以在原有单一拥塞控制的基础 上有效地提升跨地区网络的q o s 特性。 关键词：服务质量；综合服务；区分服务；拥塞控制 研究类型：应用研究 s u b j e c t s p e c i a l t y n a m e i n s t r u c t o r ：t h er e s e a r c ho nq o sg u a r a n t e es t r a t e g i cr e a l i z a t i o no f s h a n n x ic o a l m i n eg a sm o n i t o rs y s t e mn e t w o r k ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ：y a n gy a n g ：l uj i a n j u n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) t h em o n i t o rp l a t f o r mo fs h a n n x ie o a l m i n eg a sn e t w o r kt a k ea i ma tt h eg a sd i s a s t e r w h i c hh a sas e r i o u ss t a t u si nt h ec o a l m i n ea tp r e s e n t ，a n da d o p ts t a n d a r da n dg e n e r a l c o m m u n i c a t i o nm a n n e rt oc o n s t r u c tt r a n s f e rs y s t e m ，a n dt r a n s p l a n tt h ei n d u s t r yn e t w o r ko f c o a lc o r p o r a t i o nt ot h ei pn e t w o r kp l a t f o r mw h i c hf o r mi n f o r m a t i o n b a s e dn e t w o r kd a t a s o u r c ea n di m p r o v et h ed e g r e eo fd a t au t i l i z a t i o na n dd a t as h a r ea tt h eb a s eo ft h a t a tt h e s a m et i m e ，t h ep l a t f o r mw i l lh a v eam o r es t r i c td e m a n dt ot h en e t w o r kq o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) q o si sas y n t h e s i sg u i d el i n et h a tb eu s e dt oe s t i m a t et h ed e g r e et os a t i s f y 、) r i t hs o m e s e r v e r , w h i c hi sat e c h n o l o g yt os o l v et h ep r o b l e mo fd e l a ya n dc o n g e s t i o ni nn e t w o r k t o e n s u r et h ei n d u s t r yi n f o r m a t i o ns u c ha sg a sm o n i t o rt ot r a n s f e rn e a t l yi nt h en e t w o r k a c c o r d i n gt ob u s i n e s sc h a r a c t e r i s t i c si ss i g n i f i c a n t t h i sp a p e ri si m b u r s e db yt h en a t i o n8 6 3p r o j e c ti t e m ag a sr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m o fd i g i t a l i z a t i o ni nc o a lm i n e ) ) ( p r o j e c tn o 2 0 0 5 a a l3 3 0 7 0 ) ，w h i c hm a k e st h eg a sr e m o t e m o n i t o rn e t w o r kb eab a c k g r o u n dt od os o m er e s e a r c ho nt h eq o sg u a r a n t e eo ft h en e t w o r k w em u s ti n t e g r a t em u l t i - q o sm e c h a n i s mt og e tg o o dq o sg u a r a n t e ei nt h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n t h i sp a p e rd e m o n s t r a t e d t h r e eq o sm o d e l si nt h ei pn e ta p p l i c a t i o na n d h o m o l o g i z e da f f e c t i v ef a c t o r s m e a n w h i l e ，t h ef i e l do fq o sp r o t e c t i o ns t r a t e g ya r r a n g e m e n t i ns h a n n x ic o a l m i n eg a sn e t w o r ki sb e e np i c k e du pa st h ee x a m p l e f o rt h i ss i t u a t i o n , t h e c o m p a r i s o nt ot h ed i f f e r e n tq o s m o d e l si sd o i n gs t r i c t l y b yc o m b i n i n gt h et c p c o n g e s t i o n c o n t r o la r i t h m e t i c 、i t l li pc o n g e s t i o nc o n t r o la r i t h m e t i c ，t h ep a p e ra l s oe m p h a t i c a l l yd e s c r i b e s t h e c o r r e s p o n d e da r i t h m e t i c m o d e lf o rt h a t s t i m u l a t i n g l y , i ti s p r o m o t e d t h eq o s c h a r a c t e r i s t i co v e r - a r e ae f f e c t i v e l y , w h i c hi ti sb a s e do nt h eo r i g i n a is i n g l ec o n g e s t i o nc o n t r 0 1 t oa c c o m p l i s ht h ed e p l o y m e n to fn e t w o r kq o sg u a r a n t e es t r a t e g ya f t e ra n a l y s ea n dr e b u i l d t h ew h o l en e t w o r kq o s ，w h i c hi sb a s e do nt h et o p o l o g yf r a m eo fg a sm o n i t o rs y s t e m n e t w o r k 2 f i n a l l y , t h ei m i t a t i o na n ds i m u l a t i o no fg a sm o n i t o r i n gn e t w o r kq o sg u a r a n t e es t r a t e g y m o d e lh a sb e e nt a k e n t h e r ea r ei n d i c a t i o nt h a tt h er e s u l tc o u l db es a t i s f i e dw i t ht h eg o a lo f t h ep r o j e c td e s i g n , w h i c ha l s op r o m o t e st h eq o sc h a r a c t e r i s t i co fs h a n n x ic o a l m i n eg a s m o n i t o rs y s t e mn e t w o r k k e yw o r d s ：q o si n t e g r a t e d - s e r v i c e d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e c o n g e s t i o nc o n t r o l t h e s i s 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：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 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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。 学位论文作者签名：走多绎日期：扣。啐卑日7 5 内 l 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 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 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：栖午 指导教 月( 1日 1 绪论 1 绪论 1 1 选题背景 煤炭生产安全事故时有发生，其中制约煤炭工业发展的最大障碍就是瓦斯灾害。目 前，我国煤矿开采造成死亡人数每年都在6 0 0 0 人以上，百万吨死亡率是发达国家的数 十倍到一百倍以上【l 】。据统计，我国煤矿每年发生死亡1 0 人以上的重特大事故中，瓦斯 事故约占死亡人数的7 1 【2 】。煤矿瓦斯灾害不仅严重影响煤矿的安全生产，而且造成了 人民生命财产的巨大损失，制约了煤炭工业的可持续发展。因此，对区域瓦斯灾害的风 险性进行联网监控，并同时实施在线分析与评价，对于防止瓦斯重大事故的发生有着积 极且重要的作用。 陕西煤矿瓦斯远程监测系统的目标就是充分利用煤炭企业现有监测监控系统，采用 标准通用的信息通信方式，构建传输体系，将煤炭企业安全生产的工业网络接入到i p 网络平台上，形成信息化网络的数据资源，在此基础上充分提高数据的利用率和共享度， 组建一个以国家安监局省安监局地、市安监局( 煤炭集团企业) 生产矿的 四级网络结构的安全应用体系，实现远程分级监测、数据分析处理和专家诊断与辅助决 策等功能。建立基于煤矿重大危险源风险预防和控制的煤矿安全生产监测、预警体系， 提高各级煤矿安全生产监督管理和监察执法能力，有效地消除了煤矿生产过程中的不安 全因素，从而从事前预防与控制的角度减少或避免煤矿瓦斯爆炸等重特大灾难的发生。 目前，随着网络技术日趋发展成熟，一些多媒体业务广泛应运，人们对整个网络所 能提供的综合业务，以及对网络所能保障的服务质量( q o s ) 的要求也越来越严格。由 于瓦斯监测系统数据的特殊性，本课题对承载它的口网络有着一定的特殊要求，例如 对网络带宽、延迟、抖动等。 1 2 课题研究的意义 煤矿瓦斯监测系统联网，是为了将煤矿井下工控网各类监测、监控系统采集到的安 全生产信息( 数据、视频) 实时传输至远程监控系统所搭建的计算机网络体系。如何有 效地使i p 网络承载这些工业信息的传输并保障网络的q o s ，是预测、防治瓦斯灾害的 前提。近年来，国内大中型煤矿企业均己建成企业内部网i n t r a n e t ，并与因特网i n t e m e t 互联，已初步具备了通过计算机网络传递安全信息，进行现代化安全管理的条件。因此， 研究煤矿瓦斯监测联网网络q o s 保障策略实现，不仅可以为煤矿的安全生产提供智能的 决策支持，还能够有效地实现事故的提前预防，减少、避免事故，特别是一些重大、特 大事故的发生，确保煤矿协调、稳定、健康、可持续的发展，具有明显的社会效益。并 西安科技大学硕士学位论文 且可以以最小的安全投入，实现最佳的管理效果，具有明显的经济效益。使煤矿重大事 故管理跟上社会发展潮流，迈入信息化、网络化的新阶段。 本文将以陕西煤矿瓦斯监测远程联网网络的q o s 保障策略部署为例，简要介绍i p 网络应用中q o s 的三种模型及其影响因素，并针对陕西煤矿瓦斯联网的特性，对其不同 的q o s 模型进行严格选比，同时通过对承载其业务的计算机网络进行改造来提高网络资 源利用率，完成瓦斯监测系统联网的q o s 部署与实现。 1 3 国内外研究现状及发展趋势 1 3 1 国内外q o s 研究现状 ( 1 ) q o s 主要模型的研究现状 i p 网络中q o s 技术为保证网络传输的质量提供服务。q o s 旨在针对各种应用的不 同需求为其提供不同的服务质量。例如：提供专用带宽、减少报文丢失率、降低报文传 送延时及时延抖动等。如何更好的保障网络q b q o s ，已成为国内外专家研究的热点领域。 目前，i p 网络中应用的由i e t f ( 互联网工程任务组) 提出的q o s 模型，分为三类：b e s t e f f o r t 、i n t e g r a t e ds e r v i c e 、和d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e 。 b e s te f f o r t 是属于“尽力而为”型，因此它对所有的数据包是实施公平对待的原则，即 对传输资源不做任何预留，其结果就是在网络带宽使用中，对属于q o s 的时延、抖动和 丢包都不可预测，严格的说它并未提供q o s 保障。 i n t s e r v 模型要求网络中的所有节点都记录每个经过的应用流的资源预留状态，需要 通过i p 报头识别出所有的用户应用流，同时为每个经过的应用流设置单独的内部队列以 分别进行监管、调度、整形等操作。即这种服务模型在发送报文前，需要向网络申请特 定的服务。这个请求是通过信令来完成的。应用程序首先通知网络其自身的流量参数和 需要的特定服务质量请求，包括带宽、时延等，应用程序一般在确认网络已经为这个应 用程序的报文预留了资源后，才开始发送报文。 对于现在大型运营网络中的节点，这种应用流的数量非常庞大，会远远超出节点设 备所能够处理的能力。因此i n t s e r v 模型不适用于运营商网络。 d i f f s e r v 是一个多服务模型，可以满足不同的q o s 需求【3 ，4 】，它的基本原理是将网络 中的流量分成多个类，每个类接受不同的处理，尤其是当网络出现拥塞时，根据业务的 不同服务等级约定，不同的类会享受不同的优先处理，从而得到不同的丢弃率、时延以 及时延抖动，有差别的进行流量控制和转发来解决拥塞问题。跟i m s e r v 模型相比，它 在应用程序在发出报文前，不需要通知路由器，而且网络不需要为每个流维护状态，它 根据每个报文指定的q o s ，来提供特定的服务，包括进行报文分类、流量整形、流量监 管和排队。目前运营商网q o s 的部署主要基于d i f f s e r v 模型。 2 1 绪论 ( 2 ) q o s 相关行业标准的研究状况 我国电信标准协会网络与交换标准技术委员会已经研究制订了i p 网络技术要求一 网络性能参数与指标标准( 编号为y d t 11 7 1 2 0 0 1 ) 。该标准规定了支持i p v 4 的i p 网 络性能参数和临时指标，其中有些指标与用户所选择的服务质量( q o s ) 类型相关，还规 定了满足推荐的、端到端的、国际i p 网通信的性能指标的每个网络段应该提供的性能 指标要求。该标准适用于具有一个或多个网络段的端到端路径所定义的q o s 类型；适用 于终端用户与网络服务提供商之间以及网络服务提供商之间的i p 网通信。可作为i p 网 网络规划、工程设计、运行维护以及相应设备的引进、开发的技术依据。该标准定义的 q o s 类型主要基于对点到点电话、多媒体会议和数据传输应用的支持。 1 3 2 发展趋势 国际电信联盟2 0 0 4 年世界电信标准化全会( w t s a 2 0 0 4 ) 确定n g n 是2 0 0 4 年 2 0 0 8 年研究期的重点。在该研究期，原s g l 3 更名为n g n 研究组，将重点研究n g n 网络架构、业务要求、网络性能、网络互通、网络演进和融合等内容。伴随着国内外运 营商对于n g n 网络的部署和各类多媒体业务的发展，对i p 网络的q o s 机制的研究和 部署变得日益迫切起来。从这些标准组织的研究方向和思路来看，统一实施整网i p q o s 是业界的一个发展趋势，也是本文需要研究和探讨的问题。 1 4 课题研究内容及其结构安排 随着互联网技术的日趋成熟，用户对网络应用业务的多样化、信息服务的综合化都 有了更高的要求。由于陕西煤矿瓦斯监测远程联网的规模之大及其对于煤矿安全生产的 重要性决定了网络设计人员对网络提供的服务质量、可靠性和高效性的严格要求，那么 网络的q o s 保障策略的设计就显得尤为重要。 本文是在国家8 6 3 计划资助项目煤矿数字化瓦斯远程监测监控系统( 项目编号： 2 0 0 5 a a l 3 3 0 7 0 ) 中陕西地区瓦斯监测远程联网的背景上展开的研究。陕西煤矿瓦斯安 全信息监控系统网络基础平台，将集铜川市耀州区、韩城市、陕西煤业化工集团公司三 节点与省煤炭工业局形成省局瓦斯监控系统联网。 陕西煤矿整个地区骨干网联网后，其网络应用将包含大量的音频、工业视频、i p 电 话等需要q o s 保障的实时业务流，同时由于网络的规模扩大，传输的文件流也随之扩大。 所以，为了提高网络资源的使用效率及其网络的整体性能，就要求陕西煤矿瓦斯联网网 络具有更完善的q o s 保障体系。 3 西安科技大学硕士学位论文 1 4 1 研究内容 由以上需求分析得出，陕西煤矿瓦斯监测远程联网网络对监测数据传输的实时性要 求较高。因此，本文将r s v p 协议与d i 鹧e 模型相结合，来提高网络运行的有效性，并 满足传输数据实时性的要求。在采用d i f f s e r v 结构体系保障业务层q o s 的同时，通过将 t c p 层拥塞控制算法与i p 层拥塞控制算法相结合提出相应的适应陕西煤矿瓦斯监测远程 联网网络的算法模型，在原有单一拥塞控制的基础上有效地提升了跨地区网络的q o s 特 性。 主要研究包括如下三个部分的内容： ( 1 ) 网络q o s 模型的比较与选定 根据传统i p 网络的q o s 结构体系，分析i n t s e r v 和d i f f s e r v 两种模型的基本原理、 工作方式，指出其各自的优缺点和网络应用环境，并得到适应本课题的q o s 模型。 ( 2 ) 拥塞控制算法的研究 在网络q o s 保障中，网络拥塞管理是其中的关键部分，当网络发生拥塞的时候，采 用何种拥塞控制算法是提高网络运行质量和效率的关键。通过对目前t c p 拥塞控制算 法和i p 拥塞控制算法的分析、比较，通过改进得到本课题的算法模型。 ( 3 ) 瓦斯监测联网网络q o s 策略算法模型部署与实现 基于以上分析，并根据本课题应用的针对性，提出瓦斯监测联网网络结构拓扑图及 q o s 保障部署策略。通过路由器模拟试验和n s 2 计算机仿真，将验证算法的可靠性和 有效性。 1 4 2 研究方法及结构安排 本课题拟采取理论分析，计算机分析、模拟和实际应用相结合的方法。理论上，借 鉴目前国内外典型的网络q o s 保障算法和理论，建立本课题q o s 保障的算法模型。通 过广域网实际环境模拟、n s 2 仿真试验，验证算法的可靠性和有效性。 本文的组织结构如下： 第一章绪论。本章介绍了论文的研究背景及选题意义，以及国内外相关内容的研究 现状，并对研究的内容和主要工作以及论文的结构安排分别进行了阐述。 第二章q o s 模型研究及技术实现机制。本章介绍q o s 的技术特性及比较重要的模 型，主要从队列调度机制，队列调度算法等几个方面进行深入的研究。 。 第三章陕西瓦斯监测联网网络q o s 策略方案设计与实现。本章提出陕西煤矿瓦斯监 测联网网络的拓扑结构，设计拥塞控制算法模型，并以第二章相关技术方法的分析为基 础完成陕西瓦斯监测联网网络q o s 的策略部署。 第四章瓦斯监测联网网络q o s 算法模型测试与仿真。本章将在第三章建立的拥塞控 4 1 绪论 制算法模型的基础上，结合瓦斯监测网络的q o s 部署策略，进行测试及仿真并对其结果 进行讨论。 第五章结论。对课题的研究内容进行了总结，同时指出了研究中的不足之处。 本课题的研究思路如图1 1 所示。 图1 1 课题研究思路流程图 5 西安科技大学硕士学位论文 2q o s 模型研究及技术实现机制 2 1 i p 网络中q o s 模型的体系结构 在目前口网络中应用的是由i e t f 提出的q o s 模型，主要分为三类：b e s te f f o r t 、 i n t e g r a t e ds e r v i c e 和d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e 。由于b e s te f f o r t 是属于“尽力而为”型，必然 导致了它对所有数据包是实施公平对待的原则，对传输资源不做任何预留。它的使用结 果就是在网络带宽使用中，对属于q o s 的时延、抖动和丢包都不可预测，严格的说并未 提供q o s 保障【5 , 6 1 ，b e s t e f f o r t 服务是现在i n t e r n e t 的缺省服务模型【7 1 。所以，目前应用 比较广泛的是综合服务i n t e g r a t e ds e r v i c e ( 简称i n t s e r v ) 模型和区分服务d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e ( 简称d i f f s e r v ) 模型。 2 1 1i n t s e r v 综合服务模型 服务质量控制研究的目标是有效提供端到端的服务质量控制或保证，i n t s e r v 模型要 求网络中的所有节点都记录每个经过的应用流的资源预留状态1 8 , 9 】，对于每个需要进行 q o s 处理的数据流，通过一定的信令机制，在其经由的每一个路由器上进行资源预留， 以实现端到端的q o s 保证。首先，该模型定义了一个作用于整个网络的要求集合，网络 中的每个元素( 子网或路由器) 都将能够实现这一要求集合。随后，通过一定的信令机 制，将特定应用的服务等级要求通知其传输路径上所有网络元素，并应用于各个网络元 素之间进行各种资源预留与处理策略的设置。这样，在整条路径建立起来之后，这条路 径上的所有网络元素都己经做好了为相应的数据流提供q o s 保证的准备。 具体而言，综合服务需要所有路由器在控制路径上处理每个流的信令消息并维护每 一个流的路径状态和资源预约状态，在数据路径上执行流的分类，调度和缓冲区管理。 综合服务依靠资源预留协议( r s v p ) ，逐节点建立或拆除每个流的资源预留软状态【lo ，1 1 1 。 依靠接纳控制决定链路或网络节点是否有足够的资源满足q o s 请求；依靠传输控制将i p 分组分类成传输流，并根据每个流的状态对分组的传输实施q o s 路由、传输调度等控制。 r s v p 是通过提供预留设置和控制为i p 网提供q o s 能力，即当特定的业务流被分配给某类 通信，一个“p a t h ”消息将被向前发送直至目的地址，以便确定网络是否具有支持该特 定业务所必需的足够资源( 如带宽、缓冲空问等) i l 列。如果发现路径上所有设备都可以 提供所需资源，接收端则生成一个“r e s v ”消息返回给发送端，通知发送端可以开始传 输数据。这一过程，就是基于资源预留协议的综合服务。 i n t s e r v 基本模型【1 3 1 5 j 是由在业务源和接受者之间提供传输服务的网元( n e t w o r k e l e m e m ，n e ) 串联而成。网元可以是一个主机、一个路由器或者一个底层链路任何参 6 2q o s 模型的研究及技术实现机制 与要求的i n t s e r v j 艮务传送的元素主要由三类n e 组成，如图2 1 所示。 一个有q o s f 毙力的n e 能主动的传递每一流行为以支持一个或更多i n t s e r v f j 艮务。 一个知晓q o s 的n e 能十分明白的表示它不能支持的信息。 一个非q o s 的n e 没有i n t s e r v f l 邑力和它周围的i n t s e r v l 网元交互。 图2 1i n t s e r v 模型所有网兀采取每一流业务量处理 在一个新数据流允许使用网络资源之前，它受制于沿着建议通道的每一n e 的接纳控 制。一个局部的每一跳决策和终端应用使用的信令协议紧密结合。只有当沿着通道的每 一个n e 表示它能支持要求时，一个流才被加纳。 接纳是部分基于源应用自己的业务量描述特性。在一个流被接纳后，网络边缘n e ( 有时通过核心) 施加( 和可能的流量整形) 功能给每一个流。这些功能限制了应用注 入超出它协商的业务量描述的能力。 目前，综合服务模型定义了三种业务类型，并且根据这些业务类型对路由器的要求 进行了描述： ( 1 ) 保证型服务( a s s u r e ds e r v i c e ) ：即保证在规定的传送时间内到达，只要数据流 的传输保持在特定的传输参数范围内，就不会因为队列的溢出而被丢弃。在r f c 2 2 1 2 t 1 6 】 中，将延迟分为两部分：固定延迟和排队延迟。固定延迟是路径的特性，它不是由保证 型服务决定的，而是由路径建立机制决定的。只有排队延迟是由保证型服务决定的，排 队延迟是指报文组成的流在交换设备、路由器等网络元素的缓冲区中排队等待的时间， 它是由缓冲区的长度，即队列长度和报文处理速度决定的。 ( 2 ) 控制负载型业务( c o n t r o l l e dl o a ds e r v i c e ) ：这种服务模式用于模拟用户在没有 重负载和拥塞时的服务模式。可控负载型服务能够在网络元素负载过高的情况下，通过 容量控制，提供用户的服务质量近似接近于网络元素无负载条件下的q o s 。它让用户无 论在网络负载很高还是很低时，感受的服务质量差异不大，本质上是一种定性的服务。 7 西安科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 尽力而为型业务( b e s te f f o a ) ：传统的i n t e r n e t 所提供的业务，该业务不能提供 任何q o s 保证。 2 1 2d i f f s e r v 区分服务模型 d i f f s e r v 区分服务网络模型【1 7 19 1 ，提供了一种具有良好可扩展性的q o s 解决方案，很 大程度上源于其“边缘分类，内部转发”的设计思想。最大的特点是区分了网络中节点的 行为，使得网络的内部节点不需要维护单个数据流的信息。该模型是将用户的数据流按 照服务质量要求划分等级，任何用户的数据流都可以自由进入网络，但是当网络出现拥 塞时，级别高的数据流在排队和占用资源时比级别低的数据流拥有更高的优先权。区分 服务只承诺相对的服务质量，而不对任何用户承诺具体的服务质量指标。 目前，d i f t s e r v 网络没有一个有效的全网范围内的资源管理机制。而这个机制对于 网络的服务提供是十分重要的。边界节点处理客户的服务请求进行接纳控制时，必须通 过某种方式来判断当前网络是否有足够的能力满足该请求。如果没有一个有效的资源管 理机制，d i f f s e r v 网络就无法向客户提供与承诺一致的q o s 保证。区分服务模型使用数据 流分类聚集的方法来实现对q o s 的支持，从而克服了以上缺陷。将网络中的路由节点区 分为边界节点和内部节点，边界节点不仅要执行内部节点的每跳转发行为( p h b ， p e r - h o pb e h a v i o r ) ，还要执行其它更复杂的操作，如数据包分类、接纳控制等。在d i f f s e r v 机制下，用户和网络管理部门之间需要预先商定服务等级协定( s l a ) 。根据s l a ，用户 的数据流被赋予一个特定的优先等级，当数据流通过网络时，路由器会采用每跳行为 ( p 皿) 来处理流内的分组。 可以清楚的看到，d i f f s e r v 体系结构是作为对应于相对复杂的、端到端特性的i n t s e r v 体系结构而提出。d i f f s e r v 目的是简化网络结构，使复杂的决策决定( 如多个域分类) 被推到边缘，如图2 2 所示。 迦缘：多个域分 类、管制、标记 边缘 、边绥 。 。 h | 了 i 、 一- 一一二。_ _ 一一一一一一 核心：d s 域分类、管制、标记、排队、调度 图2 2d i f f s e r v 模型简化核心路由器的复杂性 综上所述，d i f f s e r v 的设计目标是使网络运行简单有效，它通过下列途径满足实际 应用对可扩展性的要求2 0 】： ( 1 ) 简化网络内部节点的服务机制。在内部节点只进行简单的调度转发，而流状态 望 2q o s 模型的研究及技术实现机制 信息的保存与流监控机制的实现等只在边界节点进行，内部节点不需要维护特定流的相 关信息。 ( 2 ) 简化网络内部节点的服务对象。采用聚集传输控制服务对象是数据流分类聚集 ( s t r e a ma g g r e g a t e ) 而非单流，单流信息只在网络边界保存和处理。 d i f f s e r v 体系模型中也提供了三种类型的服纠2 l 】： ( 1 ) 尽力而为服务( b e ) 。类似于目f i i h n t e m e t 上提供的服务。它所对应的p h b 是缺 省p h b 。 ( 2 ) 奖赏服务( p s ) 。为用户提供低延迟、低抖动、低丢失率、保证带宽的服务。它 是目前所定义的服务级别最高的区分服务种类，用户可以享受类似专线的服务质量，因 而奖赏服务也称为“虚拟专线服务”，其它所对应的p h b 是加速转发p h b ( e x p e d i t e d f o r w a r d i n g ，e f ) 。 ( 3 ) 确保服务( a s ) 。其初衷是在网络拥塞时仍能保证用户拥有一定量的预约带宽， 使用户摆脱在“b e s t e f f o r t 传输时无法把握自己实际占有带宽量的无奈窘况。确保服务只 考虑带宽和丢失率，不涉及延迟、抖动。它所对应的p h b 是确保转发p h b 。 目前，奖赏服务己经比较成熟和稳定，而确保服务仍然处于不断改进和发展之中， 其焦点主要集中在如何保证聚集流之间的公平性以及聚集流内各单流之间的公平性，这 主要是由于i n t e m e t 上数据流的特性引起的。研究表明，现有的确保服务方案与较多因素 有关，较难达到量化标准。因此，如何使得确保服务能够真正起到确保的作用，还有待 进一步研究。 2 1 3i n t s e r v 与d i f f s e r v 服务模型比较 i n t s e r v 综合服务通过在所有路由器控制路径上处理每个流的信令消息并维护每一 个流的路径状态和资源预约状态，在数据路径上执行流的分类、调度和缓冲区管理来提 供端到端的q o s 保证。其缺点是可扩展性差，因为资源预留需要对大量的状态信息进行 刷新与存储，复杂了网络核心路由器的功能。因此，当网络规模扩大时，应用于网络规 模较小、业务质量要求较高的边缘网络综合服务模型将无法实现。综合服务模型通常应 用于网络规模较小，业务质量要求较高的边缘网络，如企业网、园区网等。 d i f f s e r v 区分服务，是网络的边界节点将众多数据流映射到一个服务类型，内部节 点根据该服务类型为这些数据流统一提供质量保证。其优点在于定义的网络q o s 特性只 需要几个简单的p h b 来表示，对业务流的分类整形控制在边缘路由器已经被处理，部署 了d i f 璐e r v 的核心路由器按照d s 域提供p h b ，而对于没有部署d i f f s e r v 的路由器则可以提 供普通的尽力传递服务，因而对网络整体来说，不至于变化过大，以后进行扩展也相对 方便，所以实施起来难度比i n t s e r y 小很多。但是d i f f s e r v 采用的是聚合类模型，对每个 业务的控制不那么精确，如果没有明确的预留机制和业务流整形处理，任何时刻，都有 9 西安科技大学硕士学位论文 可能造成网络中某一部分比其它部分接受更多的业务量，这样会导致拥塞，使得特定的 服务无法正常进行。这与综合业务模型有着很大的不同，综合业务网络中的每个节点有 着一致的行为，共同保证单个数据流的服务质量。 ( 1 ) i n t s e r v j 艮务模型优缺点 i n t s e r v 模型的优点是： 提供绝对保证的q o s 。因为资源预留协议( r s v p ) 在从源端到目地端的每个路 由器上运行，能监视每个数据流，以防资源浪费。 在源端与目的地之间，r s v p 可以用现有的路由协议决定数据流的通路，r s v p 使用i p 包承载，通过周期性重传路径和r e s v 消息，能对网络拓扑的变化做出反应。 可支持多播流。r s v p 协议能让路径消息识别多播流的所有端点，并将路径消息 发送给它们，还能把来自每个接收端的r e s v 消息合并到一个网络请求点上，让一个多 播流能在分开的连接上发送。 i n t s e r v 模型的缺点是： 对路由器的要求高，实现复杂。由于要进行端到端的资源预留，必须要求所有的 路由器都能实现r s v p 、接入控制、包的分类、调度转发。 状态信息的数量与流的数量成正比，从而占用了大量的路由器存储空间和处理开 销。 不适用于生存期短的数据流。因为这种情况下预留资源的开销很可能大于处理数 据流中有效数据的开销。 扩展性差。可扩展性差是i n t s e r v 模型最致命的一个问题，其基于流的资源预留、 调度处理以及缓冲区管理，有利于提供q o s 保证，但状态信息随业务流数量的增长而增 长，沿途路由器要为每个数据流都维持一个“软状态”，而路由器的存储器容量有限，可 以保存的软状态信息都是有限的，在一个运营商规模的网络中几乎不可能实现这一要 求。 ( 2 ) d i f | f s e r v 服务模型优缺点 d i f f s e r v 模型的优点是： 扩展性好。d s 字段规定了有限数量的业务等级，状态信息的数量正比于业务级 别，而不是流的数量。 便于实现。大部分复杂工作转移到网络边缘，内部路由器只实现简单的服务保 证机制。通过d s 字段将复杂的质量保证转换为单跳行为，大大减少了信令工作量。 不涉及路由选择机制。d i f f s e r v 节点所提供的服务仅限于队列调度和缓冲管理， 不涉及路由选择机制，不影响路由。 d i f f e r v 模型的缺点是：由于i e t f 仅仅提出了d i f i s e r v 在一个子网域内实现q o s 的框 架，对于大多数的交互式实时业务来说无法保证绝对的端到端的q o s 。 l o 2q o s 模型的研究及技术实现机制 通过以上比较【2 2 】可以知道，i n t s e r v 模型由于需要沿途的路由器要为每个数据流都维 持一个“软状态”，必然占用大量的路由器存储空间，资源预留的网络开销也大于处理正 常数据流的开销，所以对于一个大型运营商网络不建议使用该模型：d i f f e r v 模型是针对 i n t s e r v 模型的以上不足而提出来的，其“边缘分类，内部转发”的设计思想，使其在大规 模网络的q o s 保障中，占据主导地位。针对本课题的研究特性，本文将采用以d i f f e r v 模 型为主的q o s 技术来实现陕西瓦斯监测远程联网网络q o s 策略部署。 2 2q o s 技术的实现机制 2 2 1q o s 流量等级分类与标记 在d i 腩r v 区分服务中，根据服务要求对通信进行分类。一个分组的分类机制直接影 响到它能隔离不同类或i p 业务量类型的粒度。实际上，一个分组的关联语依赖于分组自 身承载的信息和从它到达接口导出的拓扑信息，或是由转发信息库( f i b ) 查找决定它 的下一跳。 流量分类，就是将流量划分为多个优先级或多个服务类，如使用i p 报文头部中的服 务类型( t o s ) 字段的前三位( 即i p 优先级) 来标记报文，可以将报文最多分成2 3 = 8 类； 若使用区分服务编码点( d s c p t o s 域的- 自；i 6 位) ，则最多可分成2 6 = 6 4 类。在报文分类后， 就可以将其它的q o s 特性应用到不同的分类，实现基于类的拥塞管理、流量整形等。这 种支持q o s 的网络环境需要路由器根据需要对所有的业务流进行区别分类、排队和调度， 具有这样q o s 保障的路由器被称为具有c q s 体系结构的路由器【2 引。区分服务本身并不提 供服务保证，它只是区分通信，从而优先处理某种通信，因此这种服务也叫做软q o s 2 4 1 。 对于流量的分类，如上文提到的关于i p 报文t o s 域，仅是分类的一种情况。可以对 报文的任何信息段进行分类，比如也可以根据源i p 地址、目的i p 地址、源端口号、目的 端口号、协议i d 等进行流量的分类。 虽然流量分类可以根据报文的任何信息段进行，但是流量分类标记一般只对i p 报文 的t o s 域。每一个业务类对其允许的瞬时特性具有一些限制：分组以多快的速率到达或 在特定时间间隔内分组到达的数量限制( 有时称为业务量描述p r o f i l e ) 。当路由器确定一 个分组超出该分组所属类的限制时( 或超出业务量描述) ，路由器将采取管制和标记这 两个非常相关的行为。其中管制是一个硬性行为，即超出业务量描述的分组被简单的丢 弃；标记就是超出业务量描述的分组通过修改头中的一个或多个比特，被标记( 非丢弃) 后传递到路由器的输出队列和调度级。流量标记的主要目的就是让其它处理此报文的应 用系统或设备知道该报文的类别，并根据这种类别对报文进行一些事先约定了的处理。 西安科技大学硕士学位论文 2 2 2 拥塞控制原理 拥塞是一种网络持续过载的状态，根本原因在于端系统( 用户) 对网络资源( 包括 链路带宽、存储空间和处理器能力等) 的需求超过了其存储和处理的能力。拥塞导致的 直接结果是分组丢失率提高，端到端的时延增大，甚至可能使整个网络系统发生崩溃。 当网络处于拥塞崩溃状态时，微小的负载增量都将使网络的有效吞吐量急剧下降。图2 3 显示了负载与吞吐量之间的关系：当网络负载较小时，吞吐量基本上会随着负载的增加 而增大，呈线性关系，延迟增长缓慢。到达膝点( k n e e