（计算机应用技术专业论文）ipv6下的服务质量（qos）保证技术研究.pdf

西北师范大学硕二l 学位论文摘要 摘要 随着互联网络的高速发展，越来越多的实时业务在网络中传输，这些业务对数据传输 的带宽、延时、抖动都有更高的要求。目前的基于i p v 4 的i n t e m e t 只提供“尽力而为”( b e s t e f f o r t ) 服务，因此这种服务机制已经难以满足要求。i p v 4 网络将向着i p v 6 网络的方向发 展，同时，各种现有网络服务也必将会转移到i p v 6 上运行。提供可靠的网络服务并保证服 务质量是未来l p v 6 网络发展中需要解决的关键问题。 i pq o s 的研究目标是有效地为用户提供端到端的服务质量控制或保证。由于i p v 6 和 i p v 4 的相似性，i p v 4 下的q o s 保证技术已经获得比较好的发展，因此在i p v 6 大规模部署 之前，可以先借鉴i p v 4q o s 的成果，将集成服务模型、区分服务模型以及m p l s 等q o s 技术应用到i p v 6 网络中来。近几年的研究表明网络路由算法对实现网络保证质量的服务起 到了非常关键的作用，对q o s 路由的研究己经成为q o s 研究领域中的一个非常重要的研 究方向。由于基于多个约束条件建立的网络模型可以更准确地反映实际的q o s 路由选择问 题，所以本文主要研究i p v 6 网络环境中的多约束q o s 路由算法。 本文首先介绍了i p v 6 的特点和实现i pq o s 的关键技术，并对各种技术存在的问题做 了总结；然后探讨了流量类别、流标签字段以及逐跳选项扩展报头和路由扩展报头在q o s 保证中的应用，提出了利用逐跳选项扩展报头实现集成服务模型的方法；接着针对目前关 于q o s 的研究主要着眼于调度、拥塞控制和资源预留，而对q o s 路由研究得较少的情况， 将研究重点放在q o s 路由技术上。分析了q o s 路由与q o s 框架的关系，研究了已有的多 约束q o s 路由算法，在v 4 扩散算法的基础上，提出了一种1 p v 6 网络环境中的基于选择 性扩散法的多约束q o s 路由算法。算法中利用i p v 4 选择性扩散法的基本思想减少探测包 的数量并避免产生路由回路，利用流标签字段唯一标识业务流并加速包分类，利用逐跳选 项扩展报头记录q o s 请求并完成接入控制，利用路由报头记录探测包的转发路径并提供确 认包的返回路径。该算法既保留了i p v 4 扩散算法的优点，同时克服了i p v 4 扩散算法的缺 点，又能适应i p v 6 网络环境。最后本文利用n s 2 仿真软件对该算法进行了仿真并得出结论， 该算法可以大大减少探测包的数量，因此减轻了网络负担。 关键词：i p v 6 ；q o s ；集成服务：资源预留协议；区分服务；多协议标签交换；q o s 路由： n s 2 仿真 1 1 西北师范大学硕士学位论义 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ei n t e m e t ，m o r ea n dm o r er e a l t i m es e r v i c e sw e r e t r a n s f e r r e d t h e s es e r v i c e sa s k e df o rh i g h e rr e q u i r e m e n t si nb a n d w i d t h ，d e l a y , a n dj m e lw h i l e t h ec u r r e n ti n t e r n e tb a s e do ni p v 4o n l yp r o v i d e st h eb e s t e f f o r ts e r v i c e s ，t h e nt h i sm e c h a n i s m c a n n o ts a r i s f yt h e s er e q u i r e m e n t s i p v 4n e t w o r kw i l lb ed e v e l o p e di nt h ed i r e c t i o no fi p v 6 m e a n w h i l e t h en e t w o r kb u s i n e s si ni p v 4w i l lb et r a n s f e r r e dt oi p v 6 i t sak e yp r o b l e mf o r f u t u r ei p v 6t op r o v i d er e l i a b l en e t w o r ks e r v i c ea n dq o sg u a r a n t e e t h ea i mo fi pq o si st oo f f e re n d - t o - - e n dq o sc o n t r o lo rg u a r a n t e ee f f e c t i v e l y b e c a u s eo f t h es i m i l a r i t yb e t w e e ni p v 6a n di p v 4 ，q o sg u a r a n t e et e c h n o l o g i e si ni p v 4h a v eg o tab e r e r d e v e l o p m e n t w ec a nu s et h eq o s f r u i t so fi p v 4f o rr e f e r e n c eb e f o r et h el a g e r - s c a l ed e p l o y m e n t o fi p v 6 ，a n da p p l i c a t i o no fi n t e g r a t e ds e r v i c em o d e l ，d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c em o d e l ，m p l sa n d s oo nq o st e c h n o l o g i e st oi p v 6n e t w o r k t h er e s e a r c hd u r i n gt h e s ey e a r ss h o w st h a tt h e a l g o r i t h mo fn e t w o r kr o u t i n gp l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti np r o v i d i n gq u a l i t y - o f - s e r v i c eg u a r a n t e e s t h es t u d yo fq o s r o u t i n gh a sb e c o m eav e r yi m p o r t a n ts t u d yd i r e c t i o ni nr e s e a r c hf i e l do fq o s c o n s i d e r i n gt h a tn e t w o r km o d e lb a s e do nm u l t i p l ec o n s t r a i n t sc a nr e f l e c tq o sr o u t i n gp r o b l e m i np r a c t i c em o r ea c c u r a t e l y , s ot h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e sq o sr o u t i n ga l g o r i t h m sb a s e do n m u l t i p l ec o n s t r a i n t si ni p v 6 t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h eb a s i cf e a t u r e so f1 p v 6a n dk e yt e c h n o l o g i e so fi pq o s ，a n d i ts u m m a r i z e st h ep r o b l e mo fe v e r yt e c h n o l o g y t h e ni ts t u d i e sh o wt oa p p l yt r a f f i cc l a s sa n d f l o wl a b e la n dh o p - b y - h o pe x t e n s i o n sh e a d e ra n dr o u t i n ge x t e n s i o n sh e a d e ri nq o s g u a r a n t e e ，a n dp r o p o s e st h e m e t h o do fr e a l i z i n gt h ei n t e g r a t e ds e r v i c em o d e lb yu s i n g h o p - b y h o pe x t e n s i o n sh e a d m o r e o v e aa c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o nt h a tm o r ew o r kh a sb e e n d o n ei ns c h e d u l em e t h o d s ，c o n g e s t i o nc o n t r o la n dr e s o u r c er e s e r v a t i o n ，s ot h i sp a p e rd o e sm o r e w o r ki nr e s e a r c h i n gq o sr o u t i n g t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nq o sr o u t i n g a n dq o sf r a m e w o r k ，a n dh a ss t u d i e dt h ee x i s t e dm u l t i c o n s t r a i n tq o sr o u t i n ga l g o r i t h m s b a s e d o nt h ef l o o d i n ga l g o r i t h mi ni p v 4 ，i tp r o p o s e sam u l t i - c o n s t r a i n tq o sr o u t i n ga l g o r i t h mb a s e do n s e l e c t i v ef l o o d i n gi n1 9 v 6 t h eb a s i ci d e ao fs e l e c t i v ef l o o d i n gi ni p v 4i su s e dt or e d u c et h e n u m b e r so fp r o b ep a c k e t sa n da v o i dr o u t el o o p f l o wl a b e li su s e dt oi d e n t i f yt h et r a f f i cc l a s s a n da c c e l e r a t ep a c k e tc l a s s i f i c a t i o n h o p b y h o pe x t e n s i o n sh e a d e ri su s e dt or e c o r dq o s r e q u e s ta n dc o m p l e t ea d m i s s i o nc o n t r 0 1 r o u t i n ge x t e n s i o n sh e a d e ri su s e dt ot r a c et h ep a t ho f i i 型堕型型型生 坐型 p 。b 。p 8 。k e i s 柚dp r o v i d et h er e t u r np a t h 。fc 。n f i r m a t i 。np a c k e t t h i s a i g o r i m mn 。t 。n l y 陀s e r ”。8t h e8 d ”a i l t 8 9 e 。ff l o o d i n ga l g o r i t h mi ni p v 4a n d 。v e r c o m e si t s d i s a d v a n t 8 9 e ，b u ta j s 。 a d 印t 8 以。1 ft 。i p v 6n e t w 。r k - l a s t l y , t h i sp a p e rt e s t st h ea l g o r i t h mb yu s i n gn s 一2a 1 1 dc 。m e st 。 也。“。l u 8 i 。n h a tt 1 1 ea l g o f i t h r ac a nr e d u c ep r o b ep a c k e t sn u m b e r g r e a t l y , s 。i tc a l ll i 曲t e n l e n e t w o r kb u r d e n k 。y w o d 8 ：i p v 6 ；q o s ；i n t e g r a t e ds 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 0 1 ；d i 岱：r e n t i a t e d s e r v i c e ；m u l i t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ；q o s r o u t i n g ；n s 2s i m u l a t i o n v 独创性声明 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的地方外，论 文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北 师范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。 签名：丝查主日期： 讪厶i _ 、灯 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：；按看芒导师签名：蕴：噬!日期 葩6 ，r 2 i 1 1 i p q o s 产生的背景 第一章绪论 互联网源于美团国防部的a r p a n e t 计划。在上世纪6 0 年代中期，正是冷战的高峰， 美国国防部希望有一个命令和控制网络能够在核战争的条件下幸免于难，而传统的电路交 换的电话网络则显得太脆弱。国防部指定其下属的高级研究计划局( a r p a ) 解决这个问 题，此后诞生的一个新型网络便称为a r p a n e t 。当a r p a n e t 与美国国家科学基金会 ( n s f ) 建成的n s f n e t 互联以后，其上的用户数以指数增长，并且开始与加拿大、欧洲 和太平洋地区的网络连接。到了8 0 年代中期，人们开始把互联的网络称为互联网。 早在7 0 年代中期，a r p a 为了实现异种网之间的互联与互通，推出了t c p h p 体系结 构和协议规范。时至今日，t c p i p 协议也成为最流行的网际互联协议。它不是国际标准化 组织制定的，却己经成为网际互联事实上的标准，并由单纯的t c p i p 协议发展成为一系 列以i p 为基础的t c p i p 协议簇。t c p ，i p 协议簇为互联网提供了基本的通信机制。 随着互联网的指数增长，其体系结构也由a r p a n e t 基于集中控制模型的网络体系结 构演变为由i s p 运营的分散的基于自治系统( a u t o n o m o u ss y s t e m s ，a s ) 模型的体系结构。 互联网目前几乎覆盖了全球的每一个角落，其飞速发展充分说明了t c p f i p 协议取得了巨 大的成功。 但是互联网发展的速度和规模，也远远出乎于二十多年前互联网的先驱们制定t c p f l p 协议时的意料之外，他们从未想过互联网会发展到如此的规模，并且仍在飞速增长。随着 互联网的普及，网络同人们的生活和工作已经密切相关。同时伴随互联网用户数膨胀所出 现的问题也越来越严重。除了我们众所周知的i p 地址匮乏外，另外一个严重问题就是缺乏 服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 保障。 现有的互联网所提供的是“尽力而为”( b e s t e f f o r t ) 的服务，在这种服务模型下，所 有的业务流公平地竞争网络资源，路由器对所有的i p 包都采用先来先处理( f i r s t c o m e f i r s t s e r v i c e ，f c f s ) 的工作方式，它尽最大努力将i p 包送达目的地，但对i p 包传递地可靠性、 延迟等不能提供任何保证。这很适合e m a i l 、f t p 、w w w 等业务。 但随着互联网的高速增长，i p 业务也得到了快速增长和多样化。特别是随着多媒体业 务的兴起，计算机已经不是单纯的处理数据的工具，而是越来越贴近生活，计算机的交互 越来越实时和生动，这对计算机互联网络也就相应地提出了更高的要求。对那些有带宽、 延迟、延迟抖动等特殊要求的应用来说，现有的“尽力而为”的服务显然是不够的。尽管 由于网络技术的发展，网络带宽以及网络速度都得到了极大的提高，但需要通过网络传输 西北师范大学硕士学位论文第一章绪论 的数据却也几乎以与网络发展速度相同的速度增加，甚至超过网络发展的速度，这使得网 络带宽与网络速度依然是一个瓶颈问题。同时，近年来发展起来的一些新的应用( 如多媒 体应用，组播应用等) 不仅增加了网络流量，更因为这些应用改变了以往互联网上的流量 性质，因而它们需要全新的服务要求。由于不具备服务质量保障特性，不能预留带宽，不 能限定网络延时，因此，目前的因特网无法支持许多新的应用如远程教学、远程手术、远 程会议和学术交流等。 对服务质量的保证有许多不同的理解：对应用而言，服务质量的保证是一个端到端的 概念，涉及整个网络的方方面面：1 ) 从工作协议的层次看，可以在链路层、网络层、传 输层、应用层等不同的层次来进行保证。2 ) 从实施主体来看，可以在终端和( 或) 网络 结点上进行。3 ) 从保证粒度上看，可以是基于用户的、基于汇聚流的。4 ) 从技术的角度 看，包括框架性的服务质量保证体系和具体的服务质量保证机制和算法。虽然对服务质量 保证有很多视角，但是归纳来说，用户的满意度是体现有服务质量保证的重要标准，为此， 国内外的学者们在各个方面进行大量的研究和探索，许多专门的工作组应运而生，也有很 多的标准和草案问世。 1 2 i p q o s 研究现状 数十年来，q o s 研究的主要方向是提出一种与业务无关的通用的网络流量服务质量保 证机制，在这种思路下，如何保证整个网络的总体q o s 性能是关键。目前主要的研究成果 包括：提出了集成服务( i n t s e r v ) 和区分服务( d i 鹏e r v ) 两种体系架构；提出了控制平面 的q o s 路由和q o s 资源预留机制( r s v p ) ：提出了数据平面的各种q o s 队列和包丢弃算 法、流量拥塞管理算法、流量整形算法等等。 在下一代网络标准体系中，q o s ( 服务质量) 保证是极为关键的内容。目前i t u - t s g l 3 在这一方面主要围绕着三个草案建议开展工作：y q o s a r 、y 1 2 3 q o s 、y e 2 e q o s 。在最近一 次会议上通过了y q o s a r 。 y q o s q r 草案建议提供了在分组网络中支持q o s 的框架。这一框架结构由一组q o s 构 建模块组成。这些模块跨越了三个逻辑层面，即控制平面、数据平面和管理平面。它们组 合起来可以达到控制网络性能的目的。最终借助这些模块的组合应用可以帮助电信营运商 提供综合的业务性能，从而确定出针对某种业务的客户满意度。 y 1 2 3 q o s 草案建议给出了基于以太网的i p 接入网络的q o s 架构。它规定了一个分层 的参考模型，并给出了协议需求及实施方法。在y 1 2 3 q o s 中针对此架构所涉及的拓扑及 资源状态收集需求及信令描述也进行了规定。 两北师范大学母! i j 学矗：论文 第一章绪论 y e 2 e 草案建议给出了从i p 网络演进成为n g n 网络的一种端到端q o s 架构。尤其是 在核心网络中，m p l s 作为种关键技术应得以支持，从而方便地提供v p n 、流量工程和 q o s 路由。国际咆联下一步将在以下方面开展工作：进一步增强计费灵活性和商业应用模 式的研究；进步深入研究业务控制层与承载层间的接口与控制信息的交互；加强域间q o s 控制的研究；进一步包含无连接业务的情况，增大协议适用范围：增加对移动性的支持。 1 3i p v 6 简介 1 3 1 发展i p v 6 的必要性 近年来，网络应用及规模飞速发展，作为i n t e r n e t 中的核心技术i p v 4 功不可没。1 p v 4 以其简洁有效取得了巨大的成功，但是i p v 4 的设计者们并没有预料到网络会发达到今天 的发展速度和规模，到九十年代，i p v 4 的局限性逐渐暴露出来。其不足主要表现在： l 、地址空间枯竭 2 、路由表迅猛膨胀 3 、无法提供多样的q o s 其中矛盾最大的个问题就是地址空间的枯竭，即没有足够的地址来满足全球的需 要。另外i n t e m e l 不断提出的移动性、安全性以及多媒体业务支持等问题，i p v 4 都无法解 决。为了彻底解决这些问题，i e t f 开发了下一代互联网协议一6 ，用以解决目前i p v 4 所 存在的主要弊病。 i p v 6 协议是i n t e m e t 协议的新版本，比i p v 4 有了革命性的发展，但并没有完全抛开 i p v 4 ，而是保持了i p v 4 中的有用的功能。i p v 6 作为下一代互联网的核心协议，其巨大的地 址空间能够满足互联网飞速发展的需要，即插即用的接入方式、网络层的认证和加密、对 服务质量的支持和对移动性的支持使其成为构造下一代互联网的最佳选择。 1 3 2i p v 6 的特点 i p v 6 作为新版本的i p 层协议，其根本目的是继续发扬i p v 4 的好特性，同时对其不足 之处进行相应的改进。i p v 6 保持了i p v 4 的大多数概念，如1 p v 6 还支持无连接的传递，允 许发送方选择数据报的大小，要求发送方指明数据报在到达终点前的最大跳数，以及相关 的大部分选项等。但在保留的同时，i p v 6 也改变了协议中的许多细节，如使用更大的地址 空间，尤其是i p v 6 修订i p v 4 的数据报报头格式，用一系列固定格式的首部取代了i p v 4 中 可变长度的选项字段，从而节省了大量中问路由器的对数据报的处理时间，1 p v 6 中的变化 西北师范大学硕_ 上学位论文第一章绪论 体现在以下几个重要方面： ( 1 ) 简化的报头设计和灵活的扩展。对数据报头作了简化，咀减少处理器开销和节 省网络带宽。i p v 6 报头由一个基本报头和多个扩展报头构成，而且基本报头具有固定的长 度( 4 0 字节) ，这样能够减少路由器的操作，降低路由器处理数据的开销。与此同时，i p v 6 数据报文在传输的过程中，根据其特定的网络需求，由其基本报头有选择、有针对性的携 带一个或多个扩展报头，而不象i p v 4 那样一定要携带众多无关的选项，这使得i p v 6 变得 极其灵活，能够对多种应用强力支持，而且又为以后新的应用提供了可能。 ( 2 ) 层次化地址结构。i p v 6 协议最显著的特征是通过采用1 2 8 位的地址空间替代i p v 4 的3 2 位地址空间来提高下一代互联网的地址容量，从而可以为地球上所有想接入互联网 的实体分配全球唯一的i p v 6 地址，这些实体可以是p c 机、笔记本电脑、p d a 、p o c k e t 、 p c 、手机、汽车以及将来可能入网的各种家用电器和传感器等。同时i p v 6 地址的全球唯 一性保证了i p 协议端到端的特性，使得“a l w a y so i l ”( 永远在线) 的梦想成为可能。 同时我们还要看到，i p v 6 的地址变化不仅是简单意义上的规模扩大，更是对原有地址 结构的修改。i p v 6 的设计者把i p v 6 的地址空间按照不同的地址前缀来划分，并采用了层 次化的地址结构，这种层次化地址结构可以提高选路效率，从而减轻路由器负担，提高数 据吞吐量，这对于大数据量的传输是必须的。 ( 3 ) i p v 6 可以实现自动配置。i p v 6 支持无状态和有状态两种自动配置地址的方式。 在无状态地址自动配置方式下，节点使用邻居发现机制获得一个链路局部地址，通过使用 即插即用的机制，在没有任何人工干预的情况下，能够获得惟一的全球i p 地址。有状态配 置机制如动态主机配置协议d h c p ，需要一个额外的服务器，也就需要很多额外的操作和 维护。 ( 4 ) 服务质量( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 支持。i p v 6 的报头结构有所变化，采用了 流量类别字段和流标签字段。流量类别字段扩大到1 个字节，这就扩大了优先级的范围， 对各种多媒体信息根据紧急性来确定数据包的优先级，从而保证每一项服务都能达到用户 满意的质量。另外，在i p v 6 中，同一个业务流的所有数据包采用相同的流标签，这样当路 由器检测到相同的流标签的时候就采用相同的路径发出去，而不需要为每一个数据包重新 选择路由，从而大大提高了数据包转发的效率，降低了端到端的延迟。同时，借助流标签， i p v 6 数据包的载荷加密将不影响其对q o s 的支持。 ( 5 ) 内罨的安全特性。i p v 6 协议同i p s e c ( 1 ps e c u r i t y ) 安全机制一体化，通过认证 头( a h ，a u t h e n t i c a t i o nh e a d e r ) 和封装安全净荷( e s p ，e n c r y p t e ds e c u f i t yp a y l o a d ) 扩展 报头提供了i p 分组的认证和加密。对所有i p v 6 节点，l p s e c 是强制实现的。i p v 6 强制性 4 西北师范大学母! j 学位论文第一章绪论 的安全性包括两方面的内容。一方面，i p v 6 数据分组的接收者可以要求发送者首先利用 i p v 6 的a h 进行登录，然后才能接收数据分组。这种登录是算法独立的，可以有效地阻止 网络黑客的攻击。另一方面，利用i p v 6 的e s p 加密数据分组，这种加密也是算法独立的， 意味着可以安全地在i n t e m e t 上传输敏感数据而不用担心被第三方截取。 ( 6 ) i p v 6 的移动性。i p v 4 协议对移动的支持是可选部分，而移动1 p v 6 是i p v 6 协议 不可缺少的组成部分。移动i p 需要为每个移动设备在访问的外地网络上提供一个全球惟一 的i 临时i p 地址，) p v 4 协议没有足够的地址空间为i n t e r n e l 上每个移动设备分配一个这样的 地址，因此移动i p v 4 协议不适用于数量庞大的移动设备。而移动i p v 6 能够通过简单的扩 展，满足太规模移动用户的需求。 ( 7 ) i p v 6 加强了组播功能。组播的意义在于只有用户加入相应的组播组才能收到发 给该组的信息，而且组播组的范围可以包括同一本地网、同一机构网，甚至1 p v 6 全球地址 空间中的任何位氍的节点。这就为网络多媒体信息服务提供了更大的灵活性。 l p v 6 的扩展地址意味着i p 可以继续增长而无需考虑资源的匮乏，该地址结构对于提 高路由效率有所帮助；对于包头的简化减少了路由器上所需的处理过程，从而提高了选路 的效率；同时，改进对包头扩展和选项的支持意味着可以在几乎不影响普通数据包和特殊 数据包选路的前提下适应更多的特殊需求：流标签为更加高效地处理流提供了一种机制， 这种办法对于实时应用尤其有用；身份验证和保密方面的改进使得i p v 6 更加适用于那些要 求对敏感信息和资源特别对待的商业应用。 1 4 i p v 6q o s 基本情况 和i p v 4 相比，i p v 6 在q o s 方面提供了更多的措施，以期改善甚至彻底解决网络的服 务质量问题。最初的想法是，根据当时i pq o s 的研究进展，引入流标签机制，帮助处理 q o s 。由于受到当时网络技术发展水平的限制，第一个比较成熟的成果在1 9 9 4 年前后才推 出，即所谓的i n t s e r v 模型。该模型在信息传递之前，使用资源预留协议( r s v p ) 建立一 个可以保证q o s 各有关指标的一个通道。这种想法似乎是可行的，因为和它相类似的a t m 技术在q o s 上获得了较大的成功，或者说后者的一个主要特点就是解决了q o s 问题( 当 然，各有关技术还在不断发展之中) 。但是，i n t s e r v 并没有获得广泛的应用。今天再来 分析其原因，可以发现，a t m 网络支持的电路流的数量，基本上是以千条( t h o u s a n d s ) 为单位实施扩展的；而i p 网络，特别是i n t e r n e t 这样的全球网络，其业务流基本上是以百 万条( m i l l i o n s ) 为基本单位的，这对于网络中的路由器设备来说，很难支持如此大量的软 状态。同时，也存在跨多个运营商进行资源预留管理等问题。后来进一步发展了d i f f - s e r v 西北师范大学硕士学位论文第一章绪论 模型，它基于对网络业务的分类来简化处理的类别，从而解决了可扩展性问题，为i p 网络 的q o s 提供了一个可行的解决方案。但是，d i f f - s e r v 模型并不能提供一个端到端的解决方 案，其对i pq o s 的实现，需要通过与p h b ( p e r - h o p b e h a v i o r ) 、网络流量规划或者流量 工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ，t e ) 等措施联合提供。 1 5 研究i p v 6 下的q o s 保证技术的意义 众所周知，基于口v 4 的i n t e r n e t 在设计之初，只有一种简单的服务质量，即采用“尽最 大努力”( b e s te f f o r t ) 传输，网络层无法区分用户业务的种类，尽管i p v 4 分组头包含指明 优先级及服务类型的字段，但在路由器选择路由和处理分组时往往被忽略了，根本不予处 理。而将网络资源公平地提供给各类业务，在分组丢失、时延等方面公平地对待各类业务。 这种尽力发送的机制使网络层无法保证传输的参数，业务量尽快传送，没有明确的时间和 可靠性保障，从原理上讲服务质量q o s 是无保证的。因此，为不同应用提供不同的服务质 量( q o s ) 保证是互联网面临的重要研究课题。 随着i n t e m e t 规模的不断增大，各种各样的网络服务争相涌现，多媒体应用层出不穷， 如可视化i p 电话、视频会议、视频点播( v o d ) 、远程教育、远程会诊等多媒体实时业务、 电子商务在i n t e r n e | 上的传送等，网络很难同时满足应用的大数据量传输和实时要求。由 于实时业务对网络的传输时延、延时抖动等特性较为敏感，当网络上有突发性高的f t p 或 者含有图像文件的h t t p 等业务时，实时业务就会受到很大影响；另一方面，多媒体业务 占去了大量的带宽，这样，现有网络要保证的关键业务就难以得到可靠的传输。 解决这些问题的最简单的办法当然是增加带宽。增加带宽虽然可以缓解网络拥塞，但 是不能消除拥塞。由于交换机和路由器的接口速率与网络的带宽相比仍然很低，当到达接 口的速率超过接口的转发速率时，拥塞仍会发生。此外，需要大带宽的业务不断涌现，当 这些业务量猛增的时候，拥塞将是不可避免的。甚至在负载相对较轻的网络上，传输时 延也能累积到影响实时应用的程度。因此增加带宽的方法并不是十分可行，于是各种服务 质量技术应运而生，它们通过对数据包进行排队、对某些特定的数据包赋予较高的优先级 等方式，米满足各种业务的q o s 需求。q o s 不是创造带宽，而是管理带宽，因此它的应用 非常广泛，能满足更多的应用需求。q o s 的目标是要提供一些可预测的服务质量级别，以 及控制超过目前口网络服务能力的服务。 上世纪9 0 年代以来，i e t f ( i n t e m e t e n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，互联网工程专门工作组) 已经建议了很多服务模型和机制，以满足q o s 的需求。包括：集成服务i n t s e r v r s v p 模 型、区分服务模型d i f f s e r v 、多协议标签交换m p l s 、流量工程和约束路由等，用来在不 西北师范大学硕士学位论文 第一章绪论 同的场合提供相应的q o s 保证。但是现有的各种q o s 的协议和结构都是建立在i p v 4 协议 的基础上的，并且l p v 4 协议本身没有对q o s 的支持，因此基于实现i p v 4 的各种q o s 模型 比较复杂，需要增加额外的协议和组件。 由于i p v 4 的某些局限性，i p 网络将向着i p v 6 网络的方向发展，同时，各种现有网络 服务也必将会转移到1 p v 6 上运行。提供可靠的网络服务并保证服务质量是当前i p v 4 网络 及将来i p v 6 网络发展中需要解决的关键问题。i p v 6 作为下一代互联网的核心，要让它更 好的发挥优势，有效地开展各种新的业务，有效地支撑关键的信息体系，就需要建立一整 套完整的控制策略来分配、管理和优化现有的网络资源以尽可能满足各种网络服务的需 要，并对一些特殊服务提供q o s 保证。对这方面的研究工作将有利于各种网络服务的发展 和应用。 1 6 论文主要研究内容及结构安排 本论文针对i pq o s 在i p v 6 网络环境下的实施，进行了深入的研究和探讨。论文的主 要内容及结构安排如下： 第一章简要介绍了i pq o s 产生的背景、研究现状、i p v 6 的特点、l p v 6q o s 基本情况以及 研究i p v 6 下的q o s 保证技术的意义。 第二章主要介绍了实现i p q o s 的关键技术，重点讨论了i n t s e r v r s v p 服务模型、d i t t s e r v 服务模型和m p l s 。并对各种技术存在的问题及相关的研究方向作了总结。 第三章具体分析了i p v 6 基本报头中的流量类别字段和流标签字段以及i p v 6 扩展报头中的 逐跳选项扩展报头和路由扩展报头，详细研究了它们在q o s 中的应用。提出了利用逐跳选 项扩展报头实现集成服务模型的方法。 第四章重点研究基于i p v 6 的q o s 解决方案，由于i p v 6 和i p v 4 的相似性，在i p v 4 下已经 实现的大部分q o s 技术仍然可以应用到i p v 6 网络中来。针对当前对各种q o s 技术的研究 主要着眼于q o s 模型和资源预留等技术，但是对q o s 路由研究较少的现状，重点讨论q o s 路由技术，提出了- 种i p v 6 网络环境中的基于选择性扩散法的多约束q o s 路由算法。 第五章简要介绍了网络仿真软件n s 2 ，最后利用n s 一2 对算法进行了仿真。 第六章对论文进行总结，提出了需要进一步研究和改进的工作。 2 1 i p q o s 含义 第二章实现q o s 的关键技术 q o s 是发送和接收信息的用户之间以及用户与传输信息的集成服务网络之间关于信息 传输与共享的质量约定。该约定可以被理解为服务提供者与用户之间的一份服务契约，即 服务提供者承担支持给定的服务质量，当且仅当用户按照约定的信息流特征产生数据。q o s 反映了网络元素( 如主机、路由器或网关) 在保证信息传输和满足服务要求方面的能力。 q o s 并不能增加网络的带宽资源，只是根据业务的需求和网络管理配置带宽。最简单地说， q o s 能够对数据包进行合理地排队，对含有内容标识的数据包进行优化，并对其中的数据 包赋以较高的优先级，从而加速传输的过程，并实现实时交互。它所追求的传输质量在于： 数据不仅要到达其欲传输的目的地，而且要保证数据包的顺序性、完整性和实时性。 i pq o s 即i p 闱络的服务质量，是指i p 数据流通过网络时的性能属性。它的目的就是 向用户的业务提供端到端的服务质量保证。l pq o s 可以用一系列可度量的参数来描述： 业务可用性：用户到i n t e m e t 业务之间连接的可靠性。 延迟：也称为时延( l a t e n c y ) ，指两个参照点之间发送和接收数据包的时间间隔。 可变延迟：也称为延迟抖动( j i t t e r ) ，指在同一条路径上发送的组数据流中数据包 之间的时间差异。 吞吐量：网络中发送数据包的速率，可用平均速率或峰值速率表示。 丢包率：在网络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率。数据包丢失一般是由网络拥 塞引起的。 2 2 实现i p q o s 的相关技术 现在，网络如何提供q o s 支持这一问题已成为业界关注的焦点。对于由q o s 控制来 实现q o s 保证，田际上不同组织和团体提出了不同的控制机制和策略，比较著名的有： 1 ) l s o o s i 提出了基于o d p 分布式环境的q o s 控制，但至今仍只停留在只给出了用户层 的q o s 参数说明和变成接口阶段，具体实现q o s 控制策略并未提出： 2 ) a t m 论坛提出了q o s 控制的策略和实现，a t m 控制是“连接预定”型( c o n n e c t i o na n d r e s e r v a t i o n ) ，它的核心内容是在服务建立之前，通过接纳控制和资源预留来提供服务的q o s 保证，而在服务交互的过程中，用户进程和网络要严格按照约定的q o s 实现服务q o s 保 证： 西北师范大学硕士学位论文第j 章实现q o s 的关键技术 3 ) 1 e t f 组织也已经提出了多种服务模型和机制来满足对q o s 的需求，其中比较典型的有： r f c 2 1 1 5 ，r f c 2 1 1 7 以及1 9 9 8 、1 9 9 9 年提出的r f c 2 6 x x 系列中的集成服务模型( i n t s e r v ) 、 区分服务模型( d i f l e r e m i a t e ds e r v i c e s ) 、多协议标签m p l s 技术( 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 ) 、流量工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 和q o s 路由( q o s b a s e dr o u t i n g ) 等均用于解 决i n t e m e t 网络的q o s 控制和管理。 以下就一些比较典型的模型作简单的介绍。 2 3 集成服务资源预留模型 2 3 1 集成服务，资源预留模型简介 集成服务模型的基本思想是在传送数据之前，根据业务的q o s 需求进行网络资源预 留，从而为该数据流提供端到端的q o s 保证。为此，集成服务通常采用面向流的资源预留 协议( r s v p ) ，在流传输路径上的每个节点为流预留并维护资源。主机利用r s v p 向网络 为应用流提出q o s 请求：路由器利用r s v p 将q o s 请求信息传递给流的路径中的其他路 由器，并建立和保存该服务的信息；r s v p 请求将会使得沿着数据路径的资源在路由器处 预留。 在服务层次上，i m s e r v r s v p 提供了3 种级别的业务： 端到端的质量保证型服务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) ：保证带宽、限制延迟、没有丢包。 可控负载型服务( c o n t r o l l e dl o a ds e r v i c e ) ：类似于在当前的一个负载较轻网络中实 现的尽力而为业务的服务质量。、 尽力而为的服务( b e s te f f o r ts e r v i c e ) ：类似当前i n t e r a c t 在提供的尽力而为的服务。 在结构层次上，i n t s e r v r s v p 服务模型主要由四个部分构成：信令协议r s v p ，接入 控制器( a d m i s s i o nc o n t r o lr o u t i n e s ) ，分类器( c l a s s i f i e r ) 以及包调度器( p a c k e ts c h e d u l e r ) 。 在实现层次上，集成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 每个流的路径状态和资源预留状态，在数据路径上执行流的分类、调度和缓冲区管理。具 体而言，资源预留协议r s v p 负责逐点( h o p b y - h o p ) 地建立或者拆除每