（计算机应用技术专业论文）一种改进的流媒体传输拥塞控制算法.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h ej n c r e a s ei nl i n k b a n d w i d t h ，m a n ym u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n ss u c ha ss t r ea i i lv i d e oa n da u d i oo v e r i n t e r n e th a v em o r ea n dm o r ee e r g e d t h e s en e wa p p li c a t i o n sr e q u i r en e t w o r k t os u p p l ye n d t o e n dq o sc o n t r 0 1a n dg u a r a n t e e h o w e v e r ，a tp r e s e n t ， i n t e r n e t l a c k se f f i c i e n tq u e u em a n a g e m e n ta n ds o m eb r u s h f i r ec o n g e s t i o no f t e nh a p p e n h e r ea n dt h e r e ，w h i c hc a n c a u s et h ed r o p p i n go fp a c k e t so rj i t t e ro ft r a n s d o r t d e l a y ， a n de v e n1 e a dt h en e t w o r kt oc 0 1 l a p s e n o wt h ep r o b l e mo fs t r e a m i n g m e d i ac o n g e s t i o nc o n t r 0 1h a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m d o r t a n ti s s u e si nn e t w o r k r e s e a r c h e ss ot h a tt h ef a i r n e s sa n ds t a b i l i t yo ff u t u r ei n t e r n e tc o u l db e e n s u r e d a sac r u c i a lm e t h o dt oa v o i da n dc o n t r o ln e t w o r kc o n g e s t i o n ， c o n g e s t i o n c o n t r 0 1i sn o to n l yt h ec r i t i c a lf a c t o ro fn e t w o r kp e r f o r m a n c ea n de f f i c i e n c y i m p r o v e m e n t ， b u ta l s ot h ep r e m i s eo fi m p r o v i n gn e t w o r kq o s t h ec o n v e n t i o n a l c o n g e s t i o nc o n t r 0 1m e c h a n i s m sb a s e do nt c pa r en o ts u i t a b l ef o rt r a n s f e r r i n g s t r e a m i n gm e d i a ，a n daf e a s i b l ew a yf o rs t r e a m i n ga p p l i c a t i o ni su s i n gr o u t e s o v e rn e t w o r k st oc o n t r 0 1c o n g e s t i o n i nt h ec o i 珈n u n i c a t i o nn e t w o r k s ，n e t w o r kc o n g e s t i o ni s s u e sa r eo f t e nc a u s e d b yu n b a l a n c e dl o a d i n go rp a r t i a ln e t w o r ki n v a l i d a t i o n ，w h i c hw i l ld e c l i n et h e q u a l i t yo fs e r v i c e s m p l st ec a nr e a l i z et h el o a db a l a n c eb e t w e e nm a n v1 i n k s i nam o r ef l e x i b l em o d e i tc a ni m p r o v et h en e t w o r kr e s o u r c eu t i l i z a t i o n i t s f a s tr e s u m em e c h a n i s m sa r ea l s oo f f e r e dw h e nt h e1i n k so rn o d e sf a ilt ow o r k i no r d e rt oi m p l e m e n tc o n g e s t i o nc o n t r o lb yc o n s t r a i n tb a s e dr o u t i n gi nm p l s n e t w o r k ， an e wa l g o r i t h mo fc o n g e s t i o nc o n t r 0 1i sp r e s e n t e dw h i c hi n t r o d u c e s c o n g e s t i o nd e g r e ec o n s t r a i n tw h il eg u a r a n t e e sq o sc o n s t r a i n t st of i n da f e a s i b l ep a t hf o rs e r v i c e s u s i n gt h en e wa l g o r i t h m ， t h ec o n g e s t i o nd e g r e e s h o u l db er e t a i n e du pt oa na p p r o p r i a t el e v e lt h a tc a nm a k en e t w o r kl o a db a l a n c e t h u sc o n g e s t i o nw i l lp r o b a b l yb ea v o i d e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a ni 盯i p r o v et h r o u g h p u ta n dd e c r e a s ec a l lb l o c k i n gr a t e f r o mac e r t a i ne x t e n t i ti ss u i t a b l ef o rt r a n s f e r r i n gs t r e 硼i n gm e d i a k e yw o r d s ：s t r e 锄i n gm e d i a ，q o s ，c o n g e s t i o nc o n t r 0 1 ，m p l s ，t e ，r o u t i n g i i 独创性声明 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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 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结果由本人承担。 学位论文作者签名茹、 良 日期： 伽占年4 月j 工日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 公平排队算法 一 x 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1 拥塞产生的原因及其所带来的影响 随着因特网( i n t e m e t ) 的日益普及，网上用户急剧增加，网上业务尤其是多媒体 业务呈爆炸性增长的趋势。业务的迅猛增长使得网络中有限的资源被越来越难以满足 用户的需求，当用户( 或叫端系统) 提供给网络的负载( 1 0 a d ) 大于网络资源容量和处理 能力时，就会出现数据包时延增加、丢弃概率增大、上层应用系统性能下降等问题， 即出现拥塞。 拥塞是一种持续过载的网络状态，此时用户对网络资源( 包括链路带宽，存储空 间和处理能力) 的需求超过了其固有的容量。拥塞产生的原因是多种多样的，综合起 来，主要有如下几个方面【1 2 】： 1 存储空间不足。几个输入数据流向同一个输出端口发送数据包时，就会在这个 端口建立排队，如果没有足够的存储空间来存储，排在队尾的数据包就会丢弃，对突 发数据流更是如此。增加存储空间在某种程度上可以缓解这一矛盾，但如果路由器有 无限存储量时，拥塞只会变得更坏，而不是更好，因为在网络里数据包经过长时间排 队完成转发时，它们早已超时，发送端认为它们已经被丢弃( 实际上它们仍在网络中 传输) ，因此重传这些数据包，从而浪费网络资源，加重网络拥塞。 2 带宽容量相对不足。在低速链路中进行高速数据流的输入时也会产生拥塞。根 据香农信息理论，任何信道带宽最大值即信道容量c = b l o g 。( 1 + s n ) ，其中，n 为信道白 噪声的平均功率，s 为信源的平均功率，b 为信道带宽。所有信源发送的速率r 必须小 于或等于信道容量c 。如果r c ，则在网络低速链路处就会形成带宽瓶颈，当其满足不 了通过它的所有源端带宽要求时，网络就会发生拥塞。 3 处理器处理能力弱、速度慢也能引起拥塞。如果路由器的c p u 在执行排队缓存， 更新路由表等功能时，处理速度跟不上高速链路的要求，也会产生拥塞。另外，低速 链路对高速c p u 也会产生拥塞。 如果对网络拥塞不加以控制，就会使得包丢失率增加、延迟增大、系统吞吐量降 华中科技大学硕士学位论文 低，严重的还会导致拥塞崩溃。拥塞的危害具体表现为以下几个方面【3 ，4 】： l 延迟增加。拥塞发生时，路由器缓冲队列长度增加，分组等待排队输出的时间 交长，进而导致延迟的增加，引起超时重传，更多的分组进入网络，进一步加重拥塞 程度。 2 包丢失率增大。由于拥塞，路由器不得不丢弃一些分组，在路由器缓存溢出的 情况下，随后到达路由器的分组都会被丢弃，路由器采用的丢弃策略直接影响着系统 的性能。 3 资源利用率降低。拥塞会导致资源利用率的降低，造成分组丢失，使得某些链 路得不到充分利用。 4 导致拥塞崩溃。拥塞一旦发生，往往会形成一个不断加重的恶性循环过程。拥 塞的持续恶化会导致拥塞崩溃的发生，此时网络进入死锁状态，严重影响网络性能。 1 2 流媒体传输与拥塞控制 当前的i n t e r n e t 正在从单一的传送数据模式向多媒体网络转变，许多新型的网 络应用，例如视频点播、网络会议、软件分发、远程教学、信息发布等，不但对网络 有很高的带宽要求，而且还要求信息传输中的低延迟和低抖动，它们不仅大大增加了 i n t e r n e t 的流量，还改变了网上流量的性质。这些多媒体业务随着网络技术和多媒体 技术的发展而逐渐成为网络中的主流业务，由于它们具有数据量大、带宽要求高的特 点，在i n t e r n e t 中，对多媒体数据业务的传输往往采取一种叫流式传输的方式，需 要合适的传输协议来支持。在流式传输的实现方案中，一般采用h t t p t c p 来传输控 制信息，而用r t p u d p 来传输实时声音数据。 传统的i n t e r n e t 网络只能提供一种“尽力而为”的服务( b e s te f f o r ts e r v i c e ， b e s ) ，所有分组在网络中被同等对待，任何拥塞链路都会增加分组传输时间，从而 导致性能下降、数据抖动或者分组丢失，不能保证流媒体业务的服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 。在这种网络体系结构下进行流媒体传输，拥塞的发生是不可避免的【2 l 。 如何更有效避免拥塞的发生以及拥塞发生后的恢复是网络提供q o s 的有效手段之 一。拥塞的发生与流入网络的业务负载有直接的关系，如图1 1 所示。对于流媒体传 华中科技大学硕士学位论文 输业务，要保证其服务质量，还要考虑业务可用性、时延、时延抖动、吞吐量和丢包 率等一系列q o s 参数问题。这些参数与网络拥塞的关系见图1 2 。从图1 1 与图1 2 可以 看出，在流媒体传输过程中，为了最大限度地利用资源，让网络工作在轻度拥塞状态 时应该是较为理想的，但这也增加了拥塞的可能性，因此需要一定的拥塞控制机制来 加以约束和限制。 成功传送数 图1 1 负载与拥塞的关系 传送数据包数量 鱼垃 负载 。) 延迟一敢嚣曲钱 b ) 输出一蕾电敦曲线 图1 2 延迟、吞吐量与拥塞的关系 要满足流媒体传输业务的q o s 要求，同时又能对网络资源进行有效的利用，进行拥 塞避免与拥塞控制是必不可少的。拥塞控制的主要目标是控制进入网络的数据流量， 保证通信网络不会被用户发送的数据流阻塞，并合理地使用瓶颈资源。拥塞控制可以 在网络协议的各个层次上实施，由于数据链路层靠近拥塞的发生点，所以在数据链路 层进行控制可以快速的对拥塞做出反应，但它只能对短期的拥塞现象进行控制。不同 华中科技大学硕士学位论文 网络层次中的拥塞控制机制具有囊矍；冀蚕篓薹薹奏萋堑蕊鬟霎i 萋羹蠢篓墓璧瓣掣瓢鳓引秸研塞箍襟其攀翁蹦描格：引稀漆幽葡帻僳恼嶙琅过镉聋 嗝溯懈 。； 曩咎挲划自g ；翻拍g 藩舄；上态糕借| i i $ ；i l 釉敬研啪墅够即；秘熟琶一觊 等靼弼t f 为挥霉即买l ：御蚴慰墅舞藩。磷跫赫掣器酾穗璀柠琦鲁毖；_ 实时流媒体文件，通常将流分解为许多包，采取以 包传输的形式进行断续的异步传输。由于网络是动态变化的，各个包选择的路由可能 不尽相同，故到达客户端的时间延迟也就不尽相同，甚至先发的数据包还有可能后到。 因此，流式传输的实现需要使用缓存系统来弥补延迟和抖动的影响，并保证数据包的 顺序正确，从而使媒体数据能连续输出，避免因为网络出现暂时拥塞使播放停顿。通 常高速缓存使用环形链表结构来存储数据，通过丢弃已经播放的内容，使流可以重新 利用空出的高速缓存空间来缓存后续尚未播放的内容。 流式传输的实现需要合适的传输协议。在流式传输的实现方案中，由于t c p 需要 较多的开销，故不太适合传输实时数据，一般采用h t t p t c p 来传输控制信息，而用 r t p u d p 来传输实时声音数据。实现流式传输一般都需要专用服务器和播放器，其基 本原理如图2 1 所示。 图2 一l 流式传输基本原理 9 9 x 华中科技大学硕士学位论文 a q m 的一个代表是r e d ( r a n d o me a r l yd e t e c t i o n ) 。研究表明，r e d 比d r o pt a i l 具有更好的性能。但是，r e d 的性能对算法的参数设置十分敏感，至今没有在i n t e r n e t 中得到广泛的使用【1 l 】。 1 4 本文研究内容与结构安排 流媒体技术的飞速发展，给i n t e r n e t 带来了机遇与挑战，要保证流业务的q o s 需 求，首先要解决传输中的拥塞控制问题。就拥塞控制而言，网络中间节点有可能更及 时，甚至提前准确了解网络的拥塞状态，通过实施有效的资源管理策略，能使网络有 效地避免拥塞或尽早从严重的拥塞状态中恢复过来。研究表明，借助路由器的标记功 能能提高网络的有效吞吐量( g o o d p u t ) 【1 2 1 ，从而能有效地控制与避免拥塞。i n t e r n e t 现有的尽力而为服务机制难以满足日益增长的q o s 需求，为了解决i n t e r n e t 上的q o s 问 题，i e t f 相继提出了i n t s e r v 、d i f f s e r v 及m p l s 等多个q o s 网络模型，这些未来的网络 体系给现有的拥塞控制思路、方法和技术带来了冲击，一种拥塞控制算法往往需要借 助某个网络体系结构的支持，在不同网络环境中，同一算法的效率有着很大的区别 1 3 l 。 因此，根据新的网络体系的特点与路由机制，从满足流媒体传输的q o s 需求角度，来 研究拥塞控制算法有一定的积极意义。 本文将主要针对流媒体传输中的业务特性与q o s 需求，分析拥塞产生的原因，比 较分析当前存在的各种拥塞控制调度与监管机制，从拥塞控制与路由机制的角度深入 剖析i e t f 提出的各种q o s 体系模型，论述q o s 路由与拥塞控制的关系，并给出了用q o s 路由实现拥塞控制的具体方案。在此基础上，结合q o s 路由及资源平衡对拥塞控制算 法进行研究，结合m p l s 的流量工程和约束路由机制，从避免拥塞与调整网络负载的分 布的角度上，提出了一种基于m p l s 网络的拥寨控制路由策略，在传统的q o s 约束路由 的基础上，加入节点拥塞度约束，在保证用户流q o s 请求的基础上，通过调整节点拥 塞度来进行负载均衡，从而达到拥塞避免的目的。最后，用网络仿真器n s 一2 对算法进 行仿真。 本文的结构安排如下： 第一章结合当前网络业务中流媒体传输的q o s 需求，分析拥塞产生的原因以及所 华中科技大学硕士学位论文 带来的影响，分析和探讨国内外拥塞控制的研究现状，提出本文的研究方向，然后分 析了研究流媒体传输中的拥塞控制算法的必要性。 第二章主要分析流媒体传输与传统的数据业务传输的区别，介绍流媒体技术的原 理，分析使用t c p 协议与u d p 协议进行实时流媒体传输的特点和各自存在的问题，探讨 网络在进行实时流媒体传输时，要进行哪些方面的控制与保证。 第三章首先根据n g n 的体系模型，从流媒体传输中的拥塞控制角度，对因特网上 实时流媒体数据传输协议研究成果做出比较与分析，介绍几种基于路由的拥塞控制策 略，最后，给出用q o s 路由算法来实现拥塞控制的具体方案。 第四章结合m p l s 的流量工程和约束路由机制，从避免拥塞与调整网络负载的分布 的角度上，提出了一种基于m p l s 网络的拥塞控制路由策略，在传统的q o s 约束路由的 基础上，加入节点拥塞度约束，通过调整节点拥塞度来进行负载均衡，从而达到拥塞 避免的目的。详细介绍了算法的设计思想，描述了算法的程序实现。 第五章介绍在n s 一2 中进行仿真实验的具体步骤以及实验参数设置，根据实验对算 法进行测试与比较。 第六章对全文做出总结，指出不足之处和后继未尽的工作。 1 5 本章小结 尽管拥塞控制已有了相当的发展，但由于网络的规模扩大的速度很快，网络拥塞 仍然是一个十分严峻的问题，因而对网络拥塞控制的研究仍有着十分重要的意义。本 章分析了拥塞产生的原因、所带来的影响，介绍了拥塞控制的研究现状，比较了几种 新的t c p 拥塞控制算法，指出了路由器参与网络的拥塞控制的必要性，提出了本文的 研究方向，讨论了根据具体的网络模型，研究流媒体传输中的拥塞控制算法的必要性， 最后阐述了本文的研究内容与论文的结构安排。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 3 u d p 下的实时流媒体传输 由于重传确认机制不利于保持音视频流的连续性，因此多媒体信息传输通常 采用u d p ( u s e rd a t a g r 锄p r o t o c 0 1 ) 协议。u d p 建立在i p 之上，它与i p 一样提供无连接 的数据报文传输。u d p 的功能是将在主机之间交换的报文封装到i p 报文的数据区，以 及检查数据校验和。而报文丢失、次序颠倒、流量控制和拥塞控制等都需要在高层协 议中去解决。u d p 的简单和高效率使得其实时性比t c p 要好。 不考虑网络拥塞状态而发送b e s t e f f o r t 业务，将很容易导致包非常严重的丢失， 这就使得网络的利用率变得很低。在目前的i n t e r n e t 中，9 5 的是t c p 业务。相比之下， u d p 协议的优点简单，没有连接过程和关闭过程，没有可靠性保证。大部分流媒体应 用，比如r e a l v i d e o r e a l a u d i o 和微软的媒体播放器使用u d p 来播放多媒体数据，它们 的拥塞控制算法是在u d p 之上的，并和各自的数据流的特征相适应。但是闷题是： 1 u d p 没有提供拥塞控制机制，数据的发送速率由接收端的接收速率决定。所以 当网络拥塞时，所有的t c p 流根据拥塞控制策略减少它们的发送速率，而u d p 由于不采 用拥塞控制策略而继续以固定速率发送数据，这样就会造成t c p 流得不到公平的带宽。 2 即使在u d p 之上采用流量控制算法，由于这些算法是各自设计的，它们在使用 网络资源上也是不公平的。 3 良多防火墙产品禁止u d p 连接通过，这样防火墙内部的众多用户难以得到多媒 体服务。 2 4 实时流媒体传输对网络的要求 流媒体传输在带宽、实时性、误码率、拓扑结构等方面的要求和传统数据业务有 本质上的区别。对于数据应用，用户需要的是快速响应，这通常可以通过增大网络带 宽来实现。为了提高网络传输的效率，数据网络的设计是基于带宽共享和时分复用的。 当网络的负载增加时，所有用户的平均响应时间均会增加。 音视频等多媒体信号和传统的数据应用不同，不管是l i v e 应用还是s t o r e d 应用， 媒体的传输是以流的方式进行的，即网络需要传递一个连续的分组( 或信元) 流。每个 华中科技大学硕士学位论文 分组必须在预定的期限内到达目的地，否则将影响业务的质量。为了支持多个a n 信 号，网络必须有足够的带宽，并且要有确保每个流的带宽的机制。因此，对于一个给 定带宽的多媒体网络，它能支持的a n 流的数量是有限的。 对于数据应用，典型的带宽是几十到几百k b s 。而对于一个视频信号，数据率在 几百k b s 到几十m b s 数据业务主要是点到点的通信，通常一个源向某个目的地发送 数据，或者一个源广播数据到所有的用户，由用户主机来过滤这些数据。多媒体应用 中，如视频会议、计算机协作工作等，需要网络支持多目广播( m u l t i c a s t ) 方式。 与传统的数据业务不同，多媒体业务允许一定的误码率。对多媒体业务在传输中 出现误码和丢包，只会影响到某段时间的服务质量，同时，音视频数据具有一定的冗 余，可以承受一定的差错。在数据业务中，一个比特的错误将可能导致结果完全不同。 因此，数据业务中出现误码和丢包时，需要重传数据，而音视频业务由于有端到端的 延时要求，通常是不重传的。 2 5 本章小结 流媒体与传统数据相比有着大数据量、对时间敏感等特点，因此流媒体应用与传 统的因特网应用有着很大的差别。流媒体业务的出现不但增长i n t e r n e t 的流量负载， 而且改变了其流量性质，要解决流媒体传输的拥塞控制问题，首先需要了解流媒体传 输与传统的数据业务传输的区别。本章首先介绍了流媒体技术的原理。探讨了使用t c p 协议与u d p 协议进行实时流媒体传输的特点和各自存在的问题，实时流媒体传输对网 络的要求不同于传统的数据业务，不但需要较高的带宽要求，而且需要网络提供延迟 及抖动的保证。 华中科技大学硕士学位论文 3 下一代网络的路由拥塞控制机制 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 络传输的数据也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。 3 1n g n 的体系结构及其拥塞控制路由机制 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，不能限定网络时延，因此，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同，发展具有q o s 保证 的下一代网络( n g n ) 体系是目前研究的热点问题。迄今为止，i e t f 相继提出了下一 代网络的多种q o s 模型，例如综合服务、区分服务和多协议标签交换，而在这些新的 体系下如何更好地进行拥塞控制，是当前亟待解决的关键。 3 1 1 综合服务模型 综合服务模型( i n t s e r v ) 【1 4 】的基本思想是“所有流的相关状态信息应该是在端 系统上”，它可以满足多种q o s 需求，提供绝对的q o s 保证。其核心技术是资源预留 协议( r s v p ) ，实时应用在传输数据之前，需要向网络申请特定的服务，即必须首先建 立通道和预留资源。它完成了两个功能：其一是一个应用的数据通路中的网络元素( 如 i p 路由器) 具有控制q o s 的机制；其二是提供一种能将应用的q o s 要求传送给网络元素 并能在应用和网络元素之间交互q o s 管理信息的机制。第一个功能由负载受控的网络 1 3 华中科技大学硕士学位论文 业务和质量保证业务来完成，即负载控制服务( c o n t r o l l e d l o a ds e i c e ) 。第二个功 能可以采用多种机制来完成，通常采用资源预留协议如r s v p 来实现。 综合服务和资源预留协议i n t s e r v r s v p ：以r s v p 信令向网络提出业务流传输规格 ( f 1 0 w s p e c ) ，并建立和拆除传输路径上的业务流状态。主机和路由器节点建立和保持 业务流状态信息。尽管r s v p 经常用于单个流，但也用于聚流的资源预留。 在服务层次上，i n t s e r v r s v p 提供了3 种级别的业务： 1 端到端的质量保证型服务( g u a r a m e e ds e r v i c e ) ：保证带宽、限制延迟、减小丢 包率。 2 可控负载型服务( c o n t r o l l e d l o a ds e r v i c e ) ：类似于在当前的一个负载较轻网 络中实现的尽力雨为业务的服务质量。 3 尽力而为的服务( b e s t e 舶r ts e r v i c e ) i n t s e r v 瓜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 l r 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 ) 。 具体而言，资源预留协议r s v p 负责逐点( h o p 小y - h 叩) 建立或者拆除每个流的资源预 留软状态( s o ：f ts t a t e ) ，也即建立或拆除数据传输路径：接入控制器将根据链路和网络 节点的资源使用情况以及q o s 请求的具体要求决定是否接受一个资源预留请求；分类 器则对传输的数据包进行分类成传输流：调度器则根据不同的策略对各个队列中的数 据包进行调度转发。 i n t s e r s v p 服务模型对传统i n t e m e t 体系结构的扩展，主要包括在路由器中保存 业务流状态信息和明确的状态建立机制。这种模型在路由器中所保存的业务流状态信 息是软状态信息，在路由器发生错误时这种软状态信息容易通过r s v p 信令刷新而隐 含地拆除，并在另外路由器中重建业务流状态信息，而硬状态信息( h a r ds t a t e ) 需要 明确地拆除状态信息，从而保持了网络体系结构的鲁棒性。同时，由于这种模型一方 面有效地集成了各种实时应用和非实时应用，保持了网络的效率；另一方面，兼容了 传统网络体系结构和协议栈，因此能对网络进行有效的管理，并有效地控制拥塞。 从理论上讲i m s e r v 瓜s v p 模型完全可以保证为i p 网络提供q o s 保障。但随后在一些 网上的实验表明这种服务模型有很明显的局限性。i n t s e n ，瓜s v p 的局限性表现在如下 几个方面： 华中科技大学硕士学位论文 1 可扩展性差：可扩展性是i n t s e r v 瓜s v p 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，沿途的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 对路由器的要求过高，网络中所有的路由器都必须支持r s v p 信令协议，接入 控制程序，分类器以及调度器。 3 r s v p 中引入每流状态( p e r f l o ws t a t e ) 的概念，对于数据通信和实时应用通 信而言，i p 网络同时扮演了面向无连接和面向连接网络的两个不同角色，提供两种功 能，这与其简化设计原则相抵触。 4 资源预留不适用于短时流，比如w 曲流等而在因特网中w 曲流量超过了5 0 。 因此，要实现i n t s e r v 的q o s 保证是很困难的，它需要基于流的、复杂的资源预留、 接纳控制、q o s 路由和调度机制。在大规模的网络中，链路状态不确定，有效地预留 带宽资源也显得非常困难。更重要地问题就是由于r s v p 基于每个数据流状态，每次连 接都有自己相应的状态，网络内部节点对数据流的更新和维护会大量占用资源，这使 其可扩展性很差，因此i n t s e r v r s v 很难得到大规模应用。另外在i n t s e r v 中一个流的 预留资源不能与其它流复用，这将导致资源的浪费。 3 1 2 区分服务模型 区分服务( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ，d i f f s e r v ) 【1 5 1 6 1 是由i n t s e r v 发展而来的， 是一个多服务模型，它可以满足不同的q o s 需求。它采用了i e t f 基于r s v p 的服务分类 标准，避免了综合服务中数据流在沿路节点上的资源预留。它的核心思想是在网络边 界结点根据流量调节合约t c a ( t r a f f i cc o n d i t i o n i n ga g r e e m e n t ) 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。逻辑上分为 分类器和调节器两个模块，如图3 1 所示。 华中科技大学硕士学位论文 - + 匝田掣笪暑 图1 ：d i f f s e r v 中边界结点进行传输分类和调节的逻辑框图 在区分服务网络中，边界路由器根据用户的流规格( s t r e a mp r o f 订e ) 将用户流 划分为不同的级别，再聚合成流聚集，聚集信息存放在i p 包头的d s 标记域，称为d s 标记( d i 髓r e n t i a t e ds e r v i c e sc o d e p o m t ，d s c p ) 。内部节点则根据d s c p 提供不同质量 的调度转发服务。 d i f f s e r v 体系使得i s p 能够提供给每个用户不同等级和质量的服务。用户( 或网络 边界节点) 通过设置每个数据包的d s 字段( i p v 4 包头中的服务类型字段或i p v 6 包头中 的流量标记字段) 的值要求特定的服务等级，网络通过这些信息来进行数据包的分类、 流量整形、流量监管和队列调度。用户和i s p 之间有一个协定，此协定规定了该用户 在每个服务等级上所能发送的最大数据率。超过此最大速率的数据包或被丢弃，或无 法享受到它所要求的服务。 区分服务网络最大的特征是其可扩展性好。此体系将许多复杂的控制移到了网络 的边界，使内部节点能对叠加之后的数据流进行处理，而不必对每个数据流分别处理， 从而大大减少了网络内部应该记录的状态，简化了网络内部节点的操作，方便了流量 及拥塞控制的实现。 i n t s e 服务能够根据客户的实际需要，定制出完全符合客户需求的网络服务，具 有相当的灵活性，而它最大的缺点是实现的复杂性，难以在主干网上大量使用。而区 分服务恰恰相反，它最大的优点在于它在主干网上的可扩展性，但由于其处理的对象 是流聚集，所以无法处理一个特定的流请求。因此，将量化的q o s 保证特性和可扩展性 优点相融合，为i n t e r n e t 上的应用提供更好端到端的q o s 保证。实施的基本策略如图 3 2 。在用户子网中，采用综合服务体系，在主干网采用区分服务体体系。数据流在 子网的边缘路由器中被映射到不同的服务质量级别，在主干网中以不同的p h b 穿越主 ! f1 9 1 一 1 6 华中科技大学硕士学位论文 j f | 、子阿，综台搬务区域主千 c 4 ，区分服务区域 刚j ，子硝，综台服务区域 图32i n t s e r v 和d i f f s e r v 的互补服务模型 3 1 3 多协议标签交换 d i f f s e n r 需要大量网络单元的协同运作，才能向用户提供端到端的0 0 s ，而这些组 件往往是高度分散的。因此，尽管d i 儡e r v 是目前在骨干网上实现i p o o s 最可行的方案， 但仅靠d i f f s e r v 还不能提供端到端的q o s 保证。解决这个问题的方法之一便是利用多协 议标签交换( m p l s ) 【l8 】技术将第三层的q o s 转换为第二层的q o s ，通过网络中第二层的 交换机制来实现端到端的服务质量保证。 m p l s 技术是综合利用网络核心的交换技术和网络边缘的i p 路由技术各自的优点 而产生的。其最初设计目标是将第二层的交换速度引入到第三层。基于标签的交换方 式允许路由器在作转发决定的时候仅仅以简单的标签为基础，而不是基于目标i p 地址 作复杂的路由查找。现在，m p l s 更成为流量工程( t r a m ce n g e e r i n g ) 和虚拟专用网 ( n u a lp r i v a t e n e t w o r k ，v p n ) 方案的重要解决手段，并且日益成为扩大i p 网络规 模的重要标准。 m p l s 明确规定了一整套协议和操作过程，最终在i p 网内通过a t m 和帧中继实现 快速交换。m p l s 中的关键概念使用标签( l a b e l ) 来识别和标记i p 报文，并把标签封 装后的报文转发到支持m p l s 的交换机或路由器，由它们在网络内部继续交换标签， 转发报文。 m p l s 中的常用的术语有：标签( l a b e l ) 、标签边缘路由器( l a b l ee d g er o u t e r ， l e r ) 、标签交换路由器( l a b l es 谢t c h i n gr o m e r ，l s r ) 、等价转发类( f o n v a r d i n g e q u i v a l e n c ec l a s s ，f e c ) 、标签交换路径( l a b l es 诵t c h n gp a t h ，l s p ) 和标签分配协 议( l a b e ld i s 订i b u t i o np r o x 华中科技大学硕士学位论文 标签边缘路由器( l e r ) 是m p l s 网络同其他网络相连的边缘 发备，它提供流量 分类和标签的映射、标签的移除功能。 标签交换路由器( l s r ) 是m p l s 网络的核心设备，提供标签交换、标签分发功 能，具有第三层转发分组和第二层交换分组的能力。 等价转发类( f e c ) 是在转发过程中以等效的方式处理的一组数据包，例如目的 地址前缀相同的数据包。 标签交换路径( l s p ) 是一个面向连接的系统，标签的分配实际上就是一个建立 连接的过程，也即建立了一条l s p 。l s p 可以是动态的，也可以是静态的，动态l s p 是通过路由信息自动生成，静态l s p 是被明确提供的。 标签分配协议( l d p ) 提供一套标准的信令机制用于有效地实现标签的分配与转 发功能。 m p l s 协议的关键是引入了标签的概念。一对l s r 必须在标签的数值和意义上一 致，一个标签只在一对正在通信的l s r 之间起作用，并用来表示属于一个从上行l s r 流向下行l s r 的特定f e c 的分组。m p l s 可以支持添加到现有的帧或分组结构( 如 以太网、p p p ) 的标签，也可以利用包含在数据链路层( 如帧中继和a t m ) 中的标签 结构。m p l s 的标签格式如图3 3 所示。 标签：2 0 b i t = c o s ：业菇等颤，3 b i t s s ： 堆栈底标恚，1 b i t s t t l ：生存周期，8 b i t g 图3 3m p l s 标签格式 传统的路由器是通过逐步查找路由转发表来转发数据的，这种转发速率受到很大 的限制，效率远远不能满足目前互联网的发展需要，尤其是一些高带宽和对时延敏感 的多媒体业务大量进入互联网后。而m p l s 的一个根本目的就是解决转发速率问题 【19 1 。其方法就是依据标签这个短小、定长、非结构化并只具有局部意义的标识来转发 华中科技大学硕士学位论文 分组。由于标签的这些特点，所以标签的查找可以采用数组来实现，无论是用硬件还 是用软件来实现都不难。 当一个数据包进入m p l s 网络时，它首先在l e r 处被分配一个标签。报文沿着 l s p 进行转发，路径中的每个l s r 仅仅根据标签内容来做出转发决定。在每一跳中， l s r 剥离现有的标签，将一个新的标签应用于该报文，并告诉下跳如何转发该报文。 m p l s 的最初设计目标是将第二层的交换速度引入到第三层，随着第三层交换速 度的大大提高，这一最初目标已经不复存在了，而现在m p l s 的最主要功能就是流量 工程，即在多条可能的转发路径中进行负载平衡。流量工程( t et r a 缳ce n g i n e e r 是 指为业务流选择路径的处理过程，主要目的就是在促进有效、可靠的网络操作的同时， 优化网络资源的利用率和流量的性能【2 0 】。其耳标是在给一定节点与另一节点之间计算 条路径( 源路由) ，该路径不违反它的约束( 例如带宽，管理要求) ，并且从一些数量 指标看来是最优的。 m p l s 由于自身路由与转发分离的特点，适合与t e 的结合，形成m p l s t e 技术。 应用m p l s - t e ，可以提高网络的q o s ，同时又能较好地进行拥塞避免和拥塞控制， 主要体现在： ( 1 ) 利用m p l s t e ，可以在多条可能的转发路径中进行负载平衡，从而避免拥 塞，提高q o s 。 ( 2 ) 应用m p l s t e ，通过r s v p t e 信令创建一条具有严格的q o s 带宽保证的 隧道，从而支持绝对的q o s 。 ( 3 ) 可以通过备份l s p 、f i 汛( 快速重路由) 等方式对隧道进行额外保护，从而 提高网络的q o s 。 但m p l s t e 也存在一些局限性，包括：首先它必须应用在m p l s 网络中，因此 目前部分非m p l s 现网无法支持该技术的应用；其次目前对m p l s t e 跨域的应用仍 然在研究阶段，这意味着当前m p l s t e 主要的应用只能在单个域中；另外，m p l s ，t e 虽然可为用户创建具有带宽保证的隧道，但如果在隧道中同时传送多种业务时，如何 对这些不同优先级的业务进行区别处理也是需要研究的问题。 1 9 华中科技大学硕士学位论文 虑不同多媒体数据的特点，以及网络流量的特性。所以，我们认为简单地套用这个间 隔作为控制周期有商榷之处。另一种控制方案2 6 1 是以r t t 的整数倍作为控制周期。由 于分组网上包的传输时延是不确定的，因此它们的控制周期是不断变化的。变长的控 制周期容易造成速率调整的不均匀：在网络空闲时，因r t t 值小，测控频繁；在网路拥 塞时，需要及时对流量进行调整，但此时控制周期反而加大了。 目前的调整策略主要有基于窗口和基于速率两种。基于窗口的控制策略【2 7 1 需要进 行重传，从而导致不可容忍的时延。所以，在传输实时视频流时主要采用基于速率的 调整方法。所谓基于速率的控制策略是指依据对网络可用带宽的估计来调整发送速 率。主要的调整发送速率的做法有a i m d ( a d d i t i v ei n c r e a s ea n dm u l t i p l i c a t i v e d e c r e a s e ) 法俐和m i m d ( m u l t i p l i c a t i v ei n c r e a s ea n d l t i p l i c a t i v ed e c r e a s e ) 法。 这些方法中控制参数对控制效果影响较大，这就给算法的推广带来一定的困难。 3 2 2 先进先出( f l f o ) 算法 目前的i n t e r n e t 无法提供q o s