（计算机应用技术专业论文）以太接入网及qos技术研究.pdf

摘要 本论文对基于以太网技术的宽带接入网进行研究，针对目前传统以太网技术 应用于接入网存在的网络安全不能保证、服务质量不能保证、不能提供运营管理 等一系列问题，提出一种可运营、可管理的以太接入网体系结构，重点研究及实 现以太接入网服务质量( q o s ) 保证的关键技术。 以太接入网是一种基于以太网技术的宽带接人n ，它是由中心交换设备及其 到用户的以太网链路构成的。以太接入网的q o s 也是由以太网链路的q o s 和中 心交换设备的i pq o s 级联而成的，要实现以太接入网的q o s ，在网络层次上必须 要解决三个环节的问题：1 ) 以太网链路的q o s ；2 ) 中心交换设备的i pq o s ；3 ) 二者之间的级联。同时，一个支持q o s 的网络环境，网中的设备必须能够根据 需要对业务进行分类、排队和调度，即支持c q s ( c l a s s i f yq u e u es c h e d u l e ) 机 制。所以，本论文进一步研究了以太网交换机和中心交换机的c q s 机制的设计 和实现，并对其中所用到的一些关键算法，如加权公平排队( w f q ，w e i g h t e d f a i r q u e u i n g ) 队列调度算法、随机早期侦测( r e d ，r a n d o me a r l yd e t e c t i o n ) 队列 管理算法，作了深入的分析、研究。 在以太网链路q o s 的具体设计实现中，主要设计实现了帧分类规则、基于 i e e e 8 0 2 1 p 的帧标、基于c o s 的队列设置、基于类的w f q 队列调度机制以及 基于i e e e 8 0 2 3 x 的以太网流控。在中心交换设备的i pq o s 的具体设计实现中， 主要设计了分组分类规则、基于m 优先级和d s c p 的分组标识、基于c o s 的队 列设置及基于r e d 的队列管理机制、基于类的识w f q 队列调度机制，并对如 管理、服务质量( q o s ) 保证、运营管理等概念之后，设计出了一种新型的、电 信级的、能够提供一定服务质量保证的基于以太网技术的宽带接入网产品。本论 文所研究、设计的以太接入网q o s 机制，使得以太接入网能够为不同的业务提 供不同优先级的服务，并能够根据优先级的不同为业务提供一定程度上的服务质 量保证。 关键词： 以太网、宽带接人、以太接入网、q o s 、c q s 、 1 1 a b s t r a c t t h i sp a d e rf o c u s e so nt h eb a n ( b r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k ) w h i c hi sb a s e do n e t h e m e t f o rt h e p u r p o s e o fg o o dn e t w o r ks e c u r i t y , q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) ， n e t w o r km a n a g e m e n t e t c 血i sp a p e rb r i n g sf o r w a r dan e wa r c h i t e c t u r eo fe t h e m e t a c c e s sn e t w o r kf e a n ) w i t ht h ea b o v ec h a r a c t e r i s t i c sw h i c hc a n n o tb ef c i u n di nt h e t r a d i t i o n a lo n e i t se m p h a s i si sp u to nt h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no ft h ek e yt e c h n i q u e o f q o s e a n ak i n do fb a n c o n s i s t so fc e n t e rs w i t c he q u i p m e n ta n dt h ee t h e r n e t1 i n k t ot h es u b s c r i b e r q o so fe a nc o m e sf r o mc a s c a d eo fe t h e m e t i n kq o sa n di pq o s o fc e n t e rs w i t c he q u i p m e n t i no r d e rt or e a l i z ei t t h r e ep r o b l e m sm u s tb es o l v e di nt h e f i e l do fn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ：1 ) q o so fe t h e m e t1 i n k ；2 ) i pq o so ft h ec e n t e rs w i t c h e q u i p m e n t ；3 ) c a s c a d eo ft h ea b o v et w o m e a n w h i l e ，i nan e t w o r kw i t hq o s ，t h e n e t w o r ke q u i p m e n tm u s tc l a s s i f y , q u e u ea n ds c h e d u l et h es e r v i c ea c c o r d i n gt ot h e n e e d ，w h i c hi sa l s oc a l l e dc l a s s i f yq u e u es c h e d u l e ( c q s ) m e c h a n i s m t h e r e f o r e ，t h i s p a p e rg o e sf u r t h e rn o to n l yt os t u d yt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fc q s m e c h a n i s mo f e t h e m e ts w i t c h & c e n t e rs w i t c h b u ta l s oa n a l y z et l er e l a t i v ek e ya l g o r i t h m ，s u c ha s w f q ( w e i g h t e df a i rq u e u i n g ) q u e u es c h e d u l ea l g o r i t h m ，r e d ( r a n d o me a r l y d e t e c t i o n ) q u e u em a n a g e m e n ta l g o r i t h m a c c o r d i n gt ot h ed e s i g no fe t h e m e tl i n kq o s ，t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h er u l eo f f r a m e c l a s s i f y i n g ，t h ef l a m et a gb a s e d o n i e e e 8 0 2 1 p ，t h eq u e u es e t u pb a s e do nc o s ， w f qq u e u es c h e d u l ea l g o r i t h mb a s e do nc l a s sa n de t h e m e tf l o wc o n t r o lb a s e do n i e e e 8 0 2 3 x a c c o r d i n gt oi pq o s o fc e n t e rs w i t c he q u i p m e n t ，t h i sp a p e re x p o u n d s t h er u l eo fp a c k e tc l a s s i f y i n g t h ep a c k e tt a gb a s e do ni pp r i o r i t y & d s c rt h eq u e u e s e t u pb a s e do nc o s ，t h eq u e u em a n a g e m e n tm e c h a n i s mb a s e do nr e d a n dw f q q u e u es c h e d u l em e c h a n i s mb a s e do nc l a s s f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e r h a sa l s oo n t l i n e d h o wt or e a l i z eb a n d w i d t hm a n a g e m e n t a tt h ee n do ft h i s p a d e r , i tp r e s e n t s e x p e r i m e n t a lp r o o f f o rq o s p e r f o r m a n c e o fe a n w h i l ei m p r o v i n g 血et r a d i t i o n a le t h e m e tt e c h n i q u e t h i s s t u d yh a si n t r o d u c e d s e c u r i t ym a n a g e m e n t ，b a n d w i d t hm a n a g e m e n t ，q o sg u a r a n t e e a n d o p e r a t i o n m a n a g e m e n t i na d d i t i o n ，i th a sd e v i s e dat y p eo fn e wb r o a d b a n da c c e s sp r o d u c t b a s e do ne t h e m e tw h i c hi so nt e l e c o m l e v e la n dc a ng u a r a n t e eq o st oag r e a te x t e n t t h ee a n q o s m e c h a n i s mi nt h i ss t u d ye n a b l e se a n t op r o v i d es e r v i c e so nd i f f e r e n t p r i o r i t y f o rd i f i e r e n tt r a f f i ca n dg u a r a n t e ei t sq o st oag r e a te x t e n ta c c o r d i n gt o d i f f e r e n tp r i o r i t y k e y w o r d s ： e t h e m e tb r o a d b a n da c c e s s e a n ( e t h e r n e t a c c e s sn e t w o r k ) q o sc q s 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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 为获得电子科技大学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 确的说明并表示谢意。 签名鬈遗日期：曲d 1 年i 蝴2 7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：昙遗导师签名：塑当 日期：砂f 年 文月u 日 第一章引言 第一章引言 1 1 宽带接入技术及发展 1 1 1接入网的发展 接入网概念的提出始于1 9 9 4 年r r u t 关于v 5 接口标准的制定。在传统通 信网中，接入网部分建设的比重约为3 0 4 0 ，基于v 5 的光纤接入网从1 9 9 7 年开始在电信网的建设中每年都有较大的增长，1 9 9 5 年全国接入网建设量约5 0 万用户线，到1 9 9 9 年已达到近8 0 0 万线，2 0 0 0 年大约为1 0 0 0 万线。可见，在 每年新增2 8 0 0 万线交换机和接入网中，接入网部允所占的比例逐年增加。 1 随着技术和业务的发展，特别是随着i n t e r n e t 的爆炸性增长和其他宽带数据 业务的发展，充分满足宽带业务需求同时融合窄带电路业务的新一代宽带接入网 的建设将成为今后网络建设的重点。 作为最靠近用户的基础网络的接入网是反映电信运营商网络竞争力的关键 因素，也是反映网络服务质量的关键所在。可以预见，新的竞争将由核心网络转 移到接入层，也就是如何充分满足用户的个性化需求并赢得更多的用户。 集团企业( 包括政府机关) 、中小企业、大中学校、金融证券、智能小区这 五种大客户群是关注的焦点所在，如何满足这些客户群的带宽和业务需求，是宽 带接入网建设的重点。新兴运营商宽带接入网的建设，以首先满足各种大客户群 的带宽需求和p 业务为切入点，以实现各类电信业务融合为方向，以提供各类 以p 为应用平台的增值服务为动力从而赢得重点客户群的忠诚度，保持新一代 开放电信基础设施健康、快速、持续的向前发展。 1 1 2 数据业务的发展及其对带宽的需求 2 1 世纪是将是信息化的社会，作为信息重要载体和传播途径的p 网络必将 在社会的信息化和信息化的社会中发挥了不可替代的作用。 截止到2 0 0 0 年底，中国公用通信网中数字数据网( d d n ) 容量达到3 5 3 万 个端口，宽带网达到3 7 万个端口，m 网端口数达到3 5 7 7 万个。公用通信网数 据通信用户达到5 0 万户。互联网用户数达到2 2 5 0 万，w w w 站点数为2 6 5 万 个，上网计算机8 9 0 万台。电子商务、远程教育、远程医疗等业务也开始进行试 验运营。 2 随着中国i n t e m e t 上网用户数的飞速膨胀，网上速度太慢和收费太贵愈发成 为中国i n t e r n e t 发展的两大障碍。一系列新的i n t e m e t 服务，包括提供音频、视 频流，本地信息服务( 社区资讯和服务) ，登陆c d r o m 服务器，视频点播以及 其他大量网上服务，都受制于网络速度而得不到广泛应用。 目前，大部分用户正在寻求种上网速度快而性能价格比高的上网方式。人 们开始竞相研究各种i n t e r n e t 宽带接入技术，比如a d s l ( 不对称数字用户线) 接入，h f c ( 光纤同轴电缆混合) 接入，光纤以太网接入等等。 第一章引言 1 1 3宽带接入技术的发展趋势 目前，各种宽带接人技术层出不穷。从各种接人技术所依赖的传输媒质划分， 有基于铜线传输的有a d s l 、v d s l 等各种d s l 技术；基于光纤传输的有各种 有源光接入和无源光接入技术( a p o n 、e p o n ) ；基于光纤+ 五类线传输的有以 太网接入技术；基于混合光纤同轴电缆网( h f c ) 的有c a b l em o d e m ；基于无线 传输的有3 5 g h z 固定无线接入和l m d s 等。【3 从各种宽带接人技术本身的特点来看，分别有着不同的应用场合和前景。 a d s l 与其它宽带接入技术相比，具有很多独有的优势：传输媒质覆盖面广；充 分利用已有的基础设施；施工周期短，提供服务快；具有良好的可管理性。当然， a d s l 也存在一些问题：首先是设备的兼容性问题；其次是a d s l 的传输性能容 易受到相邻a d s l 线路及外部电磁信号的影响。【3 现场实验表明，各种x d s l 在实际线路上的传输速率和距离远不如预期的那样好。 p o n 有巨大的带宽、优异的传输性能和灵活的组网能力。但由于a t m 的发 展势头受阻，a p o n 在近两年基本处于沉寂状态。目前，随着快速以太网、千兆 以太网、万兆以太网逐渐成为主流，正在开发e p o n 和i pp o n 来适应口网的 发展，预计p o n 在以后的宽带接人市场中地位会越来越重要【3 】 当今世界最大的c a b l em o d e m 市场在美国，1 9 9 9 年底超过了1 3 0 万，到2 0 0 3 年有可能达到9 0 0 万左右。 4 c a b l em o d e m 为h f c 网资源的进一步开发和开放 提供了手段，是c a t v 用户高速、低成本上网的一种有效途径。但h f c 网络的 双向化改造十分困难，加上我国现有c a t v 网络资源可利用程度较低，影响了 这项技术的推厂。【5 无线接入技术作为一种重要的补充，在无法或不便于敷设铜缆和光缆的特殊 地理环境下，具有独特的应用价值，在需要移动接入的情况下，则更具有灵活方 便的优点，无论是现在还是将来，都有一定的市场空间。 3 1 4 以太网接入是一种具有中国特色的宽带接人技术。这种技术之所以能在我国 迅速发展，主要有以下原因：设备廉价；传输能力强；协议简单、成熟，设备的 兼容性好；我国特有的居住环境有利于以太网接入的发展。但传统的以太网技术 直接应用到公用电信网的接入网中，会带来一些技术问题，在用户信息隔离、服 务质量保证、业务管理和网络可靠性方面没有考虑或考虑不全面，需要进行技术 上的改进，使之成为电信级的接入设备。目前，以太网接人在我国日益受到包括 传统电信运营商、新兴电信运营商和小区宽带接人运营企业等各方面的重视，成 为近期我国最有前途的一种宽带接入技术。【3 宽带接入将是竞争最激烈的市场之一，预计5 年内( 2 0 0 1 2 0 0 5 ) 中l 雪接人 速率在2 m b s 以上的宽带网用户将占互联网用户总数的2 0 左右，其中以太网 接入将约占5 0 ，x d s l 将约占3 0 ，c a b l e m o d e m 约占1 5 ，其它如无线接入、 卫星接入约占5 左右。 6 】 1 2以太网技术及发展 1 2 1以太网的应用与发展 以太网是在2 0 世纪8 0 年代发展起来的一种局域网技术，其带宽为1 0 m b s 最初是共享媒体型。 7 以太网由于具有使用简单方便、价格低、速度高等优点 2 第一章引言 很快成为局域网的主流。以太网的帧格式与p 是一致的，特别适合于传输p 数 据。随着因特网的快速发展，以太网被大量使用，目前全世界有6 亿个以太网端 口。 9 0 年代发展了交换型以太网，并先后推出了快速以太网f e ( 1 0 0 m b s ) 和 千兆位以太网g e ( 1 0 0 0 m b s ) 。1 9 9 8 年6 月，i e e e 批准了光纤千兆位以太网标 准( l x 和s x ) 和短距离铜线传输千兆位以太网标准( c x ) ，即i e e e 8 0 2 3 z 。 导致以太网长盛不衰的成功原因，是低成本和实现方便。除了以经济的价格提供 高速接续和支持各种传输介质外，以太网标准还支持庞大和越来越多种类的局域 网应用，它还能方便地从1 0 m 升级到1 0 0 m 、1 0 0 0 m 的系统。 1 2 2 以太网技术的新功能 随着以太网技术的广泛使用，除了速率的进一步提高之外，各种各样先进的 功能、应用也在不断的产生和发展。在这些新的功能、应用中，最重要的包括第 三层交换、虚拟局域网、帧优先权和流控。 ( 1 ) 第二层和第三层交换及其与路由器方案的竞争 局域网交换机是工作在o s i 第二层的，可以理解为一个多端口网桥，因此 传统上称为第二层交换；目前，交换技术已经延伸到o s i 第三层的部分功能， 即所谓第三层交换，第三层交换可以不将广播包扩散，直接利用动态建立的m a c 地址来通信，似乎可以看懂第三层的信息，如p 地址、a r p 等，具有多路广播 和虚拟网间基于i p 、i p x 等协议的路由功能，这方面功能的顺利实现得力于专用 集成电路( a s i c ) 的加入，把传统的路由软件处理的指令改为a s i c 芯片的嵌入 式指令，从而加速了对包的转发和过滤，使得高速下的线性路由和服务质量都有 了可靠的保证。目前，如果没有上广域网的需要，在建网方案中一般不再应用价 格昂贵、带宽有限的路由器，而采用具有第三层交换功能的交换机。 ( 2 ) 虚拟局域网( i e e e 8 0 2 1 q ) 以太网交换技术一个比较新的发展，就是允许区域分散的组织在逻辑上成为 一个新的工作组，而且同一工作组的成员能够改变其物理地址而不必重新配置节 点，即所谓的i e e e 8 0 2 1 q 虚拟局域网( v l a n ) 技术。当交换机建立虚拟局域 网时，就使得原来的一个大广播区( 交换机的所有端口) 逻辑的分为若干个子 广播区，在子广播区里的广播包只会在该子广播区内传送，其它的子广播区是 收不到的。i e e e 8 0 2 1 qv l a n 通过交换技术将通信量进行有效分离，从而更好 地利用带宽，并可从逻辑的角度出发将实际的l a n 基础设施分割成多个子网， 允许各个局域网运行不同的应用协议。【7 ( 3 ) 帧优先权( i e e e 8 0 2 1 p ) i e e e 8 0 2 1 p 标准是对网络的各种应用及信息流进行优先级分类的方法。它 确保关键的商业应用和时间要求高的信息流优先进行传输；同时又照顾到低优先 级的应用和信息流，使它们得到所要求的服务。因此，这个标准对于金融业务、 单据处理、网络管理、集成的声音和数据应用、视像会议和视像教学等应用是必 不可少的标准。 7 】 ( 4 ) 全双工传输与流控( i e e e 8 0 2 3 x ) 全双工提供了同时在单根电缆上进行发送和接收的方法。采用全双工以太网 可以消除链路上的冲突，因而不再需要把c s m a c d 作为流控或访问控制。 3 第一章引言 i e e e 8 0 2 3 x 正式定义了全双工技术，并把全双工流控法定为流控的可选条款。 利用i e e e 8 0 2 3 x 定义的新的m a c 控制子层的p a u s e 功能( 目前这个子层能够 完成的唯一功能就是发送和接收p a u s e 信息) ，在两个站点之间的点对点链路上 可以建立流控机制，用于匹配接收设备和发送设备的输出容量。【8 l2 3 以太网技术在接入网中的应用 随着千兆位以太网g e 的成熟和万兆位以太网1 0 g e ( 1 0 g b s ) 的出现，以 及低成本在光纤上直接架构g e 和1 0 g e 网技术的成熟，以太网开始进入城域网 m a n 和广域网w a n 领域。目前，g e 已经成为宽带口城域网的首选方案，也 已经开始用于w a n 。2 0 0 2 年1 0 g e 标准完成后，将被广泛用于m a n 和w a n 。 如果宽带口城域网的接入网也采用以太网，将形成从局域网、接入网、城 域网到广域网全部是以太网的结构。由于采用与p 一致的统一的以太网帧结构， 各网之间无缝连接，中间不需要任何格式转换，将可以提高运行效率、方便管理、 降低成本。 9 这种结构还可以提供端到端的连接，根据与用户签订的服务水平 协议( s l a ) ，提供服务质量( q o s ) 保证。 当然，基于以太网技术的宽带接入网与传统的用于计算机局域网的以太网技 术还是有些不同的。它借用了以太网的帧结构和接口，但在网络结构和工作原 理不完全一样。它要求具有高度的信息安全性、电信级的网络可靠性、强大的网 管功能，并且能保证用户的接入带宽。目前，这些都是现有以太网技术所不能提 供的，但只要经过技术改进后能够提供上述功能，基于以太网技术的宽带接入网 完全可以应用在公网环境中，为用户提供稳定可靠的宽带接入服务。 另外，由于基于以太网技术的宽带接入网给用户提供标准的以太网接口，能 够兼容所有带标准以太网接口的终端，用户不需要另配任何新的接口卡或协议软 件：无论是网络设备还是用户端设备，都比a d s l 、c a b l e m o d e m 等便宜很多， 因而它又是一种十分廉价的宽带接入技术。 基于以上考虑，基于以太网技术的宽带接入网将在以后的宽带口接人中发 挥重要作用。因此，以太接入网得到快速发展和广泛重视。2 0 0 1 年初，i e e e 成 立了8 0 2 3 e f m 工作组( e f m 的意思是“以太网第j 里”，即以太接入网) ，发展 制定以太接入网标准。 1 0 1 3 q o s 技术及发展 1 3 1传统网络对q o s 的支持 众所周知，传统的电话网是通过预先建立连接，在通话过程中独占资源、保 持连接的方式来提供q o s 保证的，带宽利用率非常低。f 1 】 而a t m 采用信元( c e l l ) 交换统计多路复用模式，配置永久虚电路( p v c ) 和交换虚电路( s v c ) ，实施流量管理和拥塞控制，带宽利用率高，是一个支持 数据、话音、影像和多媒体等各种业务的多业务平台，在数据包( 切短成信元) 交换传输过程中时延与时间抖动小，支持对各种业务进行分级( c o s ，如分成 s b r ，r t v b r ，k i t ，v b r ，a b r ，u b r 等五大类以及更多的具体业务等级) ，并 对优先业务等级可提供网络服务质量( q o s ) 的保证，可扩展性很好。 1 2 4 第一章引言 1 3 2i pq o s 的提出及发展 众所周知，不同类型的业务，其特点不同。如视频和话音业务虽然对传输时 延和时延抖动都十分敏感，但对数据的丢失却有一定的忍耐度：相反，一般的数 据业务虽然对时延和时延抖动都不十分在意，但对数据本身的丢失和差错却十分 敏感。因此，不同的业务在通过运营网络时对最优路径的理解是不同的。对于数 据业务来说，最短的路径就是最优的路径；而对于实时业务来说却未必如此。这 些分歧是为纯粹数据业务设计的传统路由协议很难弥补的。因此，与之相关的问 题就会影响到伊网络的服务质量，这是一个难以解决的问题。 近两年来，随着口电话、可视电话、远程教学等多媒体实时业务的开发和 普及，对口网上的服务质量的要求更加迫切，并相继提出了各种与q o s 有关的 技术。i p q o s 是指口的服务质量，是指口数据流通过网络时的性能。它的目的 就是向用户的业务提供端到端的服务质量保证。它有一套度量指标，包括业务可 用性、延迟、可变延迟、吞吐量和丢包率。 对于一个带宽与交换速率已经固定的网络，有两种方法实现q o s 支持：第 一种方法是沿着特定应用的数据流所经过的路径保留端到端的资源，这样实际上 是在端到端为这项应用建立了一条专用通路：第二种方法是不必为具体的流在网 络中保留特定的资源，但是要对分组做标记并在节点中提供特殊处理，比如“区 分服务”( d i f f s e r v ，d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) ，是先把分组的d s 域标记以具体的 权值，然后将节点作适当的配置使得被标记的分组在传送它们的节点中能做预期 的处理。 早期的许多工作都集中在i n t s e r v 体系结构上，i n t s e r v 体系结构引入了一个 重要的网络控制协议资源预留协议( r s v p ，r e s o u r c e r e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) ， 但是由于r s v p 的实现比较复杂，用户在通信前必须通过信令在收发两端沿途各 转发节点上进行资源预留，也就是说，沿途各节点上的路由器都要支持r s v p 协 议。这种实现方法既会加重路由器的处理负担，又会增加网络的数据量，因此没 能得到普及。【1 3 在i n t s e r v 的发展遇到巨大障碍的情况下，i e t f 成立了区分服务( d i f f s e r v ， d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ) g e 作组，主要是针对i n t s e r v 暴露的种种缺陷制定一个相对 扩展性较好的体系结构来保证口网络的q o s 。一些大的通信厂商也联合成立了 q o s 论坛，协商各种q o s 技术标准的实施方案。 i p q o s 在可预测、可测量性方面比传统p 有了很大提高，基本解决了商业 用户的需求，因而势必可以吸引更多的商业用户，形成一个新的利润增长点，带 来可增值的业务种类。另外，pq o s 还带来了更高效的带宽使用率等。因此可 以说口0 0 s 将是今后一段时间促进p 网络增长的关键技术。 i pq o s 将成为电信级i p 联网解决方案的基础，这种解决方案既可以十分可 靠地传输公共i n t e m e t 等一般性数据业务，同时又能传输关键业务应用。随着p 业务的进一步商业化，产业结构将发生较大变化。总之，尽管今天的i pq o s 还 有很多问题没有解决，但就像今天的口业务一样，i pq o s 将不可避免地成为运 营商口网络中一项关键的核心技术。 1 3 3 以太接入网引入q o s 的重要意义 5 第一章引言 过去的i p 接入网主要是针对基本文件传送、电子邮件或网上浏览而设计的， 现在已经不能支持日益增长的重要商业应用需求。随着i n t e r n e t 规模的不断扩大， i p 网上的实时业务量也在不断增长，出现了诸如电子交易、视频会议或l a n 电 话之类的重要商业业务，当这些商业业务与网络上的各种突发数据竞争带宽时， 结果可能是导致商业业务处理时的严重延迟。口网络上多媒体业务的出现对m 环境中的服务质量( q o s ) 提出了更高的要求。 由于实时业务对网络传输的延时、延时抖动等特性较为敏感，当突发性高的 f t p 或含有图象文件的h t i p 等业务量在网络上传输时，实时业务会受到影响。 即使在大多数时间内网络的响应时间是足够的，仍然有可能出现大型f t p ( 文件 传送协议) 传送与视频、语音采用相同网络部分的情况，导致暂时性的网络拥塞。 传统网络无法区分这两种数据流，对它们一视同仁进行处理。这样，f t p 传送可 能导致视频会议数据流的严重中断，造成视频图像质量的严重劣化。 为了避免诸如此类的情况，必须设计能适应迅速演进的应用的需求，又能尽 量降低复杂性的新一代宽带接入网络。i n t e r n e t 上的分组话音和传真业务极大地 降低了成本，使通信产业发生了彻底的变化。所有这些实时多媒体应用所需要的 q o s 远比目前i n t e r n e t 可以提供的尽力而为的服务等级保证要高。但目前，i n t e r n e t 远远不能提供企业所需要的且已经在其专用网络中习惯的可靠性和性能。商业客 户在安全性、可预测性、可测量性等方面得到保证之前，还不大可能把关键业务 的数据、话音和多媒体应用放到公用p 网络上。 基于以太网技术的宽带接入网解决这种挑战的一种重要手段就是提供更多 的带宽，但是仅靠增加带宽来解决网络的时间性能问题是不够的。基于以太网技 术的宽带接入网还需要一种控制应用业务量的方法。必须在l a n 环境中实现服 务质量( q o s ) 的策略，允许运营商们控制数据业务量，确保其网络有效工作， 而且保证商业业务的平稳运行。因此应在基于以太网技术的宽带接入网上导人 0 0 s 技术，以确保实时业务的通信质量。 在基于以太网技术的宽带接入网上导人q o s 技术，服务提供商就可以通过 吸引更多的商业用户、更高价位的业务级别以及更高效的带宽使用等来获得更大 的收益。它们还可以通过增强不同业务的区分能力、提供优于尽力而为的传输的 业务和客户化解决方案来获得更大竞争优势。对于任何运营商而言，其接入网络 都必须拥有足够的带宽和强劲的服务质量( q o s ) 能力，以便在任何条件下都能 提供可靠和可预测的应用性能。在如今应用业务多样化的情况下，没有q o s 的 接入网络会制约整个网络的发展。 在基于以太网技术的宽带接入网上导入q o s 功能，旨在通过提供对网络资 源及使用的控制权来传送有保证的区分式i n t e r n e t 服务。q o s 是网络传输流时需 要满足的一系列服务要求，它提供了端到端的服务保证以及基于策略的口网络 性能指标的控制，例如资源分配、交换、路由、分组调度及分组丢弃机制。 在以太网技术的宽带接入网上导入q o s 将带来些重要的好处： 夺它使得网络能够支持已有的和新出现的多媒体服务应用的要求，诸如 口语音等新应用对网络有特定的q o s 要求； 它使得网络运营商可以控制网络资源及其使用； 夺它提供了网络上的服务保证和通信区分，这正是单个网络上融合语 音、视频以及数据通信所必需的； 6 第一章引言 夺它使得服务提供商可以在现有尽力而为服务的基础上，同时提供区分服 务。服务提供商可以把服务分类，介绍给用户，然后配置网络，相应地 区分不同种类服务的通信； 1 4课题背景及意义 近几年来，因特网一直以惊人的速度发展，到2 0 0 0 年底，全球因特网用户已 经达到3 6 9 亿，中国的用户数也已经达到2 2 5 0 万。随着网络技术的迅速普及与 多媒体技术的飞速发展，用户对带宽的要求越来越高。今年3 月，九届人大四次 会议审议通过的“十五”计划纲要中首次明确提出，“要大力发展高速宽带信 息网，重点建设宽带接入网，适时建设第三代移动通信网”，这预示着我国将掀 起新一轮宽带网建设的高潮。 随着p 业务的爆炸式增长和我国电信运营市场的日益开放，宽带接人正在 向产业界展现出一个巨大的市场，无论是传统电信运营商还是新兴运营商，为了 在新的竞争环境中立于不败之地，都把建设面向业务的电信基础网作为网络 建设重点。在宽带城域网的接入部分，很多运营商都选择了以太网技术，基于以 太网技术的宽带接入网正在成为新的热点。 但传统的以太网技术存在这样或那样的问题，还不能完全满足电信接入网这 样一个公用网络环境的要求。因此，研究、设计和开发适应公用网络环境的以太 网技术和设备，提高以太接入网的服务水平和服务质量，将给用户、运营商及设 备供应商带来极大的经济效益和社会效益。 1 5 课题来源及论文的主要研究工作 本课题是由大唐电信科技股份有限公司下达的科研项目：“以太接人系统的 研究与开发”，其中包括了以太接入设备、以太接入网管系统等两个子课题，并 由大唐电信光通信分公司承担。本论文涵盖上述课题中系统体系结构设计、q o s 核心技术及关键算法研究几个方面的内容。 本论文的主要研究工作体现在： 1 ) 引进以太接入网的概念，并设计其体系结构： 2 ) 分析以太接入网的系统组成，并对其关键技术进行研究； 3 ) 提出以太接入网q o s 的概念； 4 ) 分析以太接入网q o s 的体系结构和技术； 5 ) 研究实现q o s 的关键算法聃，i q 队列调度算法； 6 ) 研究实现q o s 的关键算法r e d 拥塞避免算法； 7 ) 研究在以太网上如何实现q o s ，即设计、实现以太网链路的c q s 机制； 8 ) 研究在口上如何实现q o s ，即设计、实现中心交换机的c q s 机制； 7 第二章以太接入网体系结构设计 第二章以太接入网体系结构设计 2 1 以太接入网的界定 整个电信网按功能分成三个部分：传送网、交换网和接入网。它们的关系如 图2 1 所示。电信网包含了为在不同地方的用户提供各种电信业务的所有传输及 复用设备、交换机以及各种线路设施。 1 4 1 以太接入网是一种新兴的宽带接入 网络，与传统电信网体系结构中的接入网既有概念上的不同，又有技术上的内在 联系。 i 接入网i 交换网i 传送网i 交抉网i 接人网 i iiiiji 图2 1 接入网在整个电信网中的位置 以太接入网是一种基于以太技术的宽带接入网络，是目前宽带接入的主要方 式之一。它是指通过以太网技术，直接向用户提供基于m 的多种业务的数据接 入信道。( 在本论文以后的描述中，如无特殊说明，其所提及的“以太接入网” 即代表基于以太技术的宽带接入网) 以太接入网的建设目标是网络、用户、业务可管理的，安全、可靠、可扩展 的以太网宽带接人：其作为宽带d 网的接入部分，能按需要直接为用户提供多 样化的业务和各种不同类别的服务。 以太接入网的服务对象主要可以分为两类：一类是供企、事业单位办公生产 使用，需要接入的地方包括单位的办公楼、厂房或出租的共享办公楼。另外一类 是接入居民住宅区，包括一户一幢的别墅式住宅楼和公寓型居民住宅楼。在我国， 主要的居民住宅楼是公寓型的。 2 2以太接入网的技术要求 由于以太接入网是一个公用的网络环境，必须是一个安全的、可扩展的、支 持开放服务的平台。因此以太接入网的技术要求与局域网这样一个私有网络环境 的技术要求会有很大不同，主要反映在用户管理、安全管理、业务管理、计费管 理、运行管理和工作环境等几个方面1 1 5 】： ( 1 ) 用户管理要求 用户管理指的是用户需要到接入网运营商那里进行开户登记，并且在用户进 行通信时对用户进行认证、授权。对所有运营商而言，掌握用户信息、对用户进 行管理是十分重要的。因此，需要对每个用户进行开户登记。而在用户进行通信 时，要杜绝非法用户接人到网络中，占用网络资源，影响合法用户的使用，因此 需要对用户进行合法性认证，并根据用户属性使用户享有其相应的权力。 ( 2 ) 安全管理要求 8 第二章以太接入网体系结构设计 安全管理分为两个层次，一是系统安全管理，另一是用户安全管理。 系统安全管理指的是系统通过定义个人访问权限的方式，提供对于普通用 户、网络管理、操作系统访问的安全措施，确保访问请求的发起者只能在自己的 权限范围内执行操作。对于不同请求者定义不同层次的访问权限，未经授权的访 问尝试由系统记录并作为安全性告警。在接入网这样一个公用网络的环境，保证 其中设备的安全性是十分重要的，需要采取一定的措施防止非法进入其管理系统 造成设备无法正常工作，以及某些恶意的消息影响用户的正常通信。 用户安全管理指的是接入网需要保障用户数据( 单播地址的帧) 的安全性， 隔离携带有用户个人信息的广播消息( 如a r p ( 地址解析协议) 、d h c p ( 动态 主机配置协议) 消息等) ，防止关键设备受到攻击。对每个用户而言，当然不希 望自己的信息别人能够接收到，因此要从物理上隔离用户数据( 单播地址的帧) ， 保证用户的单播地址的帧只有该用户可以接收到，不能像在局域网中所有用户都 可以接收到。对于广播地址的帧，需防止被其它个人用户接收，避免m a c 1 ? 地 址仿冒，影响设备的正常运转，中断合法用户的通信过程。 ( 3 ) 业务管理要求 业务管理指的是以太接入网需要支持组播业务，需要为保证q o s 提供一定 手段。由于组播业务是未来i n t e r n e t 上的重要业务，因此接入网应能够以组播方 式支持这项业务，而不是以点到点方式来传送组播业务。另外为了保证业务的 q o s ，接入网需要提供一定的带宽控制能力，例如：保证用户最低接人速率，限 制用户最高接入速率，从而支持对业务的q o s 保证。对于需要开展语音、视频 组播等对带宽有较高要求的业务，还应能提供业务的q o s 保证。 从网络运营的角度考虑，以太接人网还必须要提供以下的业务管理能力：要 便于管理按照实际使用量( s l a ( 服务水平协议) 、q o s 和流量) 计费；在速率 和规模方面的可扩展性，目前接入速率为1 0 m b s ，今后应该能够升级到1 0 0 m b s ， 用户使用带宽可以根据需要以小增量增减，一旦用户提出一切要求可以快速满足 要求：有灵活的子网粒度：对延时、统计、安全的控制和反馈；增加新用户不需 要中断业务；单个用户设备故障不影响或只影响少数其它用户，并能快速发现确 定故障点；在家庭和企业使用同样设备，以保证配置的灵活性。 ( 4 ) 计费管理要求 所谓计费管理指的是以太接入网需要对有关计费的信息( 包括用户类别、使 用时长、流量等数据) 进行统计，并形成原始话单，能通过通用的接口提交给计 费系统，支持计费系统对用户按流量或时长计费。 在以太接入网环境中，需要进行用户信息的管理( 实时管理) ，除了使用代 理服务器验证、p p p o e 验证外，一般可以采用静态地址( 口或m a c 地址) 捆绑 的方式。但静态地址数量的限制会使用户可以使用的网络设备的数量受到限制， 同时更换网卡后需要管理部门确认后才能开通。在现有的技术下，通过检测用户 端口流量来进行计费比较困难( 需要分离内部数据和外部数据) ，所以按照流量 计费一般采用代理验证的方式，或者采用包月制进行计费。 ( 5 ) 运行管理要求 以太接入网应具有集中管理功能，即所有设备都要能够进行远程管理，网络 中心能够监视网络运行和用户对网络的使用状况，特别是要避免用户因出现误操 作或恶意攻击带来对网络的影响，出现问题应能及时发觉，及时处理。 9 第二章以太接入网体系结构设计 ( 6 ) 工作环境要求 现有的以太网设备是以室内环境进行设计，用在接入网环境中，很有可能放 置在室外，因此需要对设备的环境参数进行重新设计，以增强其对于环境的适应 性，主要包括对潮湿、灰尘、温度变动、电源波动、电磁干扰、噪声等的适应， 这些很多是在工艺、产品测试上进行细致考虑的。 2 3 以太接入网的体系结构及系统组成 2 3 1 以太接入网的体系结构 以太接入网的体系结构如图2 2 所示 1 5 。 网络管理平台 一 中汇边 心接缘 接接接 人人人 设设设 备备备