（计算机应用技术专业论文）ip+qos在ixp2400上应用的研究与实现.pdf

电了科技大学硕士论文：i pq o s 在i x p 2 4 0 0 上的应用研究与实现 摘要 i pq o s 在i x p 2 4 0 0 上应用的研究与实现是在新的网络环境和新的业务需求 下所产生的，这一研究工作在最前沿的i n t e li x a 第二代网络处理技术和网络 q o s 技术的基础上进行，所以这是一个涉及多学科分支交叉性的研究阵地。本文 研究的成果在于：通过对i pq o s 在i x p 2 4 0 0 上应用的实现，提出了实现i po o s 的思想、方法、技术和方案，揭示了在i x p 2 4 0 0 上实现i pq o s 技术的优越性和 前沿性。这些最终体现在i pq o s 在i x p 2 4 0 0 上的应用的实现方案中。 文中首先详述了i p 网络实现q o s 控制的基本技术，然后给出综合服务 ( i n t s e r v ) 和区分服务( d i f f s e r v ) 研究方面的最新成就，分析了i pq o s 技术 在实现方面所需要的各种技术，并结合d i f f s e r v 的优点和可扩展性，最后确定 在本i po o s 应用中实现的技术为i pd i f f s e r v 。 i n t e li x a 网络交换架构是i n t e l 公司提出的第二代网络交换架构，i n t e l i x p 2 4 0 0 是i n t e li x a 网络处理器的一员。本文对它们分别作了详细阐述，同时 结合i x a 架构和i x p 2 4 0 0 在网络处理中的各种应用的软件框架和硬件外部接口， 指出了i x p 2 4 0 0 的先进性和实现i po o s 的可行性；并由此得出使用i x p 2 4 0 0 来 实现i po o s 技术是一个非常好的选择。 服务质量分类是实现q o s 的基础，本文就i x p 2 4 0 0 上的q o s 分类作了深入的 讨论，通过和以前分类方法的比较，结合当前各种路由器的分类方法，提出了我 们自己的分类方法。并且指出，为了减少边缘路由器的负荷，我们可以借助终端 来实现服务质量的映射，给出一个分类标志，提交给边缘路由器。同时本文还对 实现i pq o s 技术所需要的算法( 包括w r r 、d w r r 、d r r 和w r e d ) 作了详细分析， 指出了使用这些算法的优越性。 在分析了i x p 2 4 0 0 和i po o s 基础上，基于i n t e l 开发框架提出了实现i pq o s 应用的软件架构和硬件架构，并对软件架构的各个模块作出详细设计，这些模块 包括数据包重组、流分类、流量调节、队列调度、交换、存储转发等。同时在实 现i p q o s 的基础上对i x p 2 4 0 0 和外部的s r a m 和d r a m 资源分配作了规划。 关键词：服务质量( q o s ) ，网络交换架构，处理器，微引擎，综合服务，区分服 务，w r e d ，d w r r ，服务质量分类 第1 页 皇! ! ! 塾奎兰堡主笙苎! 坚里! ! 垄! 圣垦! 塑圭塑窒里堕塞皇塞翌 a b s t r a c t r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ft h ea p p l i c a t i o no f i pq o sb a s e do ni x p 2 4 0 0i s b e i n gd e v e l o p e df o rt h ed e m a n do fn e w t r a f f i c si nt h en e wn e t w o r ke n v i r o n m e n t r e c e n t l y i tb e c o m e sr e s e a r c hf i e l do fs e v e r a li n t e r s e c t i o n a lb r a n c h e ss u c ha st h e n e w e s ti n t e li x a ( i n t e r n e te x c h a n g ea r c h i t e c t u r e ) a n dq o st e c h n o l o g y t h er e s e a r c h r e s u l t si nt h ep a p e rs h o w st h a tw ep r o p o s et h ec o n c e p lm e a n s ，t e c h n o l o g ya n d s c h e m af o rr e a l i z i n gi pq o st h r o u g ht h ei m p l e m e n to fl pq o sb a s e do ni x p 2 4 0 0 ，a n d t h ea d v a n t a g ea n da d v a n c e dp r o p e r t ya r ep r o p o s e di nt h ea p p l i c a t i o n t h e s ea l la r e e x p o s e d i nt h ei m p l e m e n t a t i o no fl pq o sb a s e do ni x p 2 4 0 0 f i r s t l y , t h eb a s i ct e c h n o l o g yo fq o s c o n t r o li ni pn e t w o r ki sp r e s e n t e d t h e nn e w d e v e l o p m e n t i n i n t e g r a t e d s e r v i c ea n dd i f f e r e n t i a t e ds e r v i c ei s g i v e n ，a n d t h e t e c h n o l o g yo fr e a l i z i n gi pq o s i sa n a l y z e d f i n a l l yw e p r o p o s et h a tt h ed i f f e r e n t i a t e d s e r v i c ei su s e di nt h e a p p l i c a t i o no f i pq o sc o m b i n i n g i t sa d v a n t a g ea n de x t e n s i o n i n t e li n t e r n e te x c h a n g ea r c h i t e c t u r e ( i n t e li x a ) i st h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k a r c h i t e c t u r ep r o p o s e db yi n t e lc o m p a n y i n t e li x p 2 4 0 0i so n eo fi n t e li x an e t w o r k p r o c e s s o r c o m b i n i n gt h ei n t e l i n t e r n e te x c h a n g ea n dt h e a p p l i c a t i o n o fs o f t w a r e a r c h i t e c t u r ea n dh a r d w a r ee x t e r n a li n t e r f a c ei ni x p 2 4 0 0 ，w ee x p a t i a t et h e mi nt h e p a p e r t h ea d v a n t a g e o fi x p 2 4 0 0a n dt h e f e a s i b i l i t y o f r e a l i z i n g i p q o s i s p r o p o s e d s oi ti st h eb e s tc h o i c et or e a l i z ei pq o so f s e l e c t i n gi x p 2 4 0 0 t h eq o sc l a s s i f i c a t i o ni st h eb a s i c t e c h n o l o g y t o r e a l i z i n gq o s t h eq o s c l a s s i f i c a t i o nb a s e d0 ni x p 2 4 0 0i sd i s c u s s e dd e e p l y w ep r o p o s et h en e wm e a n so f c l a s s i f i c a t i o nc o m b i n i n gt h ec u r r e n tc l a s s i f i c a t i o na n d p a r t i c u l a r i t yo fi x p 2 4 0 0 a n d w e p o i n to u tt h a tw e c a nr e c u rt ot h em a p p i n go f q o si nt h ee n ds y s t e mf o rr e d u c i n g t h eb u r t h e ni nt h ee d g er o u t e r t h a tm e a n st h a tw ec a l le d u c eas y m b o li nt h ee n d s y s t e m ，t h e nt r a n s m i tt h es y m b o lt ot h ee d g er o u t e rt oh e l pi t sc l a s s i f i c a t i o n a tt h e s a m et i m e ，w ea l s o e x p a t i a t et h ea r i t h m e t i ct h a t a r en e e d e di nt h e s y s t e m a n dt h e a d v a n t a g e o ft h e s ea r i t h m e t i ci sa n a l y z e di nt h e p a p e r f i n i a l l y , o n t h eb a s e so fi x p 2 4 0 0a n di p q o s ，w e p r o p o s e t h es o f t w a r e a r c h i t e c t u r ea n dh a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo ft h ea p p l i c a t i o no f i pq o s i nt h ep a p e r ；w e 第j i 页 电子科技大学硕士论文：i pq o s 在l x p 2 4 0 0 上的应用研究与实现 p u t f o r w a r dt h ep a r t i c u l a rd e s i g nf o re v e r ym o d u l ei ns o f t w a r ea r c h i t e c t u r e t h e s e m o d u l e si n c l u d e p a c k e tr e a s s e m b l e ，c l a s s i f i c a t i o n ，t r a f f i ca d j u s t ，q u e u e s c h e d u l e r , f o r w a r d ，e t c s i m u l t a n e i t yb a s e do nt h ei m p l e m e n t a t i o n ，t h er e s o u r c eo ft h e e x t e m a ls r a ma n dd r a mi sp l a n e d k e yw o r d s ：q o s ，i x a ，p r o c e s s o r e ，m i c r oe n g i n e ，i n t e g r a t e ds 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 ，w r e d ，d w r r ，c l a s s i f i c a t i o n 第1 i i 页 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：盐：! ：坌 日期：沙一够年专月，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；美，：i ：垒 导师签名： 日期：夕华年于月1 日 电子科技大学硕士论文：i pq o s 在i x p 2 4 0 0 上的应用研究与实现 缩略词 a fa s s u r e df o r w a r d i n g b eb e s t e 肋r t c b rc o n s t a n tb i tr a t e c sc l a s ss e l e c t o r c s i xc o m m o ns w i t c hi n t e r f a c e d i f f s e r rd i f i e r e n t i a t e ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e d r rd e f i c i tr o u n dr o b i n d s c pd i 位r e n t i a t e ds e r v i c e sc o d e p o i n t d w r r d y n a m i cw e i g h tr o u n dr o b i n e f e x p e d i t e df o r w a r d i n g e f d e x p e d i t e df o r w a r d i n gw i md r o p p i n g e p d e a r l yp a c k e t d i s c a r d i m s e r v i n t e g r a t e ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e i x ai n t e r n e te x c h a n g ea r c h i t e c t u r e l b el o w e rt h a nb e s te 肋r t m em i c r o e n g i n e m p l sm u l t i - p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g o s p f o p e n s h o r t e s tp a t hf i r s t p h b p e r - h o p - b e h a v i o r p p dp a r t i a lp a c k e td i s c a r d r e dr a n d o m e a r l y d e t e c t i o n r i or a n d o m e a r l y d e t e c t i o nw i t hi na n do u t r s v pr e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l s l as e r v el a y e r a g g r e e m e n t t c at r a 衔cc o n t r o l a g g r e e m e n t u b r u n s p e c i f i e d b i tr a t e v b rv a r i a b l eb i tr a t e w r r w e i g h tr o u n dr o b i n 第1 v 页 电子科技大学硕士论文：i pq o s 在1 x p 2 4 0 0 上的应用研究与实现 第一章绪论 1 1in t e r n e t 的发展及其流量模式的转换( 背景之一) 1 1 1 i n t e r n e t 及信息系统的发展 i n t e m e t 在过去几年所取得的巨大成就和未来所蕴涵的巨大发展潜力几乎没 有人怀疑。当人们在思考未来i n t e m e t 的发展时。如何在i p 网络上保证用户信息 传输的质量就成为一个不容忽视的重要问题。为解决这一问题，i pq o s ( j 展务质 量) 便应运而生。 i p 业务多样化和快速增长已成为一个不争的事实。因此，i pq o s 已成为网 络基础研究的个重点。也是未来i p 网络发展的关键技术，因为i p q o s 是i p 网络增加服务内容、提高服务质量的关键技术。也是未来网络运营商竞争的一个 焦点。 1 1 2 i n t e r n o t 流量模式的转变 随着i n t e r n e t 的迅速发展，网络流量模式正在由以前的“8 0 2 0 ”模式向现 在的“2 0 8 0 ”模式转变。在以前，每个单位( 部门) 有一台本地服务器，并且 绝大多数流量( 80 9 6 ) 在子网内部，只有大慨不到2 0 的流量需要通过路由器穿 过子网边界。在这样的情形下，路由器能够胜任在各子网之间转发数据包的任务， 不会出现瓶颈。 促使流量模式的改变有两个主要原因：是w e b 这类应用在互联网上的兴起， 越来越多的人需要用w e b 来检索信息，他们可以随意地在站点之间跳转。另一个 原因是服务器集中，越来越多的企业把他们以前分布在各个部门中的服务集中部 署在服务器群中。这样做可以减低成本，提高安全性，同时也易于管理。以往分 散在多个子网内的服务器现在被集中在一起，并构成一个新的子网，这样子网之 间的流量也就增加了。 第1 页 电子科技大学硕士论文：i p q o s 在i x p 2 4 0 0 上的应用研究与实现 1 1 3i n t o r n o t 业务的迅速发展 i p 业务多样化和快速增长已成为一个不争的事实。因此，i pq o s 已成为网 络基础研究的一个重点。也是未来i p 网络发展的关键技术，因为i po o s 是i p 网络增加服务内容、提高服务质量的关键技术。也是未来网络运营商竞争的一个 焦点。 i pq o s 是指i p 的服务质量。也是指i p 数据流通过网络时的性能。它的目 的就是向用户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。i pq o s 在可预测、可测量性方面比传统i p 有了很大的提高。基本解决了商业用户的基本需求。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，i p0 0 s 还 可提高带宽的使用率。 基于因特网的新业务层出不穷，且由于价格因素的影响使它们都具有很强的 市场潜力。因特网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，因此在因特网上实现类似语音。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。 由于i n t e r n e t 网技术发展和其速度快速增长、计算机性能的迅速提高、互联 网上多媒体和实时应用增多，使i p 互联网的业务和其他i p 网上的业务爆炸式地 增长。这一局面导致专家预测，i p 协议最终将在互联网、有线电视网和电话网 中主导未来。 近年来各国政府的倡导和介入促使网络技术得到进一步的迅速发展，特别是 1 9 9 6 年美国政府支持的信息高速公路计划，包括两个组成部分：1 9 9 7 年开始的 新一代互联网( n e x tg e n e r a t i o ni n t e m e t ) 和1 9 9 6 年启动的互联网2 ( i n t e r n e t 2 ) 。 其中新一代互联网计划目标有3 个： 夺发展网络技术，包括提高网络的可靠性、鲁棒性、安全性、服务质量 和网络管理。为此要建立两个测试床。测试床建立在政府网上，如国 家科学基金会( n s f ) 和m c i 的v b n s 网、国家航空航天局( n a s a ) 第2 页 皇三至! 垫查兰堕主丝壅! 竺坐! 垄! 兰! ! ! ! ! ：! 塑些里塑! ! 墨茎型 的n r e n 网、国防部( d o d ) 的d r e n 网以及能源部( d o e ) 的e s n e t 网( 1 9 9 9 年启动) 。其网络速度比现有的大大提高，在高速网络中实 施新一代的网络技术的研究。 夺提高网络能力，建设速度为现有网络速度的1 0 0 0 倍。如v b n s 在2 0 0 0 年以前速度达到2 4 g b s 。 夺加强新一代的应用研究，包括虚拟实验室、数字图书馆、分布式计算、 远程教育和远程医疗等。 而互联网是由政府支持的、用于大学的研究开发的网络。该网的传输依靠 v b n s ，工程建设称为g i g ap o p ，用以将大学接入v b n s 。截止2 0 0 0 年底接入 大学已达3 4 5 所。接入点的速率可达o c l 9 2 ( 1 0 g b s ) 。当前互联网在网络技术 方面的研究课题有以下九个：i p v 4 向i p v 6 过渡、路由、服务质量、网络测量、 网络管理、网络存储、网络拓扑结构、网络安全和组播技术( m u l t i c a s t ) 。 以上两项研究既有相同的部分，又有不同的方面，经常召集联席会议，探讨 理论和技术问题。 1 2 第二代网络处理器的出现( 背景之二) 1 2 1i n t o i i x a 架构 i n t e li x a 交换架构是个以网络处理器为中心的基于包交换的处理架构， 它支持无限可编程性和强大的包交换处理，提供超流水线功能，它可以以低费用 来扩展产品的生命周期，也可以使网络服务快速的发展和推广。基于i x a 架构的 网络交换技术在i p 网中，不仅可以解决网络交换中存在已久的瓶颈问题，而且 对于象q o s 等高级应用都有很大的改善。 国内诸多的公司、科研机构、大学( 比如象清华、北邮等大学) 都在致力于 研制基于i x a 交换架构的产品，i x a 提供不仅提供了包括客户终端( c p e ) 、接入、 边缘和核心等这些网段的处理器的应用，而且还提供支持多平台的一个有效的开 发环境、工具等，除此之外，i n t e l 还正在与第三方开发者一起致力于建立个 强大的网络，以便为消费者提供个补充的解决方案。 第3 页 电子科技大学硕士论文：i pq o s 在i x p 2 4 0 0 上的应用研究与实现 1 2 2 i n t e i i x a 第二代网络处理器 i n t e l 正致力于提高工业交付使用新的网络服务的能力。为了获得这个目标， i n t e l l 提供给网络设备卖主和网络服务供应商最新的第二代i n t e l i x a 网络处 理器。每一个网络处理器家族都进行了最优化以满足目标网络段的需求，并且有 相应的软件工具和开发平台作为补充来帮助降低开发费用。新的i n t e li x a 网络 处理器家族共享了三个关键的建筑学上的特征： 夺微引擎技术一完全可编程，多线程r i s c 处理器的子系统，它能够在数 据平面中执行高性能的包处理。 夺i n t e lx s c a l e 技术在工业上提供了最高的性能动力比率。在速度达 ：到1 0 0 0 m i p s 的情况下功率的消耗只有i o m w 。它使低消耗，高密度数据处 理的控制平面应用成为可能。 夺i n t e l i x a 移动架构一通过一个标准的可编程框架，可移植性代码以 及基于网络处理器和下一代网络处理器的可重利用来提供软件投资保 护以及加快产品投向市场的时间。 1 2 3 微引擎技术 i n t e li x a 微引擎技术通过无限制可编程的灵活性以及高性能的处理来使智 能的网络服务迅速扩展。可升级的微引擎为一个较宽范围的线速提供了支持，当 今的线速范围是从o c 一3 1 5 5m b p s 至l j o c 一1 9 2 1 0g b p s 。高性能和可升级性是通过 一个多处理器，多线程的分布式架构以及软件中的流水线操作来获取的。微引擎 的特点是在高线速下进行有效处理所需要的不断更新的内部线程通信能力以及 为了提高网络算法所需要的综合目的硬件。i n t e li x a 技术在网络处理器的存储 转发( s t o r e a n d f o r w a r d ) 架构中起着一个关键的角色，它在集中通讯环境中 起着灵活多变的网络处理作用。网络处理器的多重处理子系统的特点是一个为新 的平面数据应用开发所准备的o e m 可编程计算平台。依靠它们的应用段，i n t e l i x a 处理器具有许多独立的r i s c 数据引擎以及多线程的硬件支持。这些微引擎群 充分利用所增加的灵活的可编程性，为一些在传统意义上是由高速a s i c 来处理的 作业提供了处理能力。微引擎的指令设计来在网络和通信的应用程序中更快更有 第4 页 电子科技大学硕士论文：i p q o s 在i x p 2 4 0 0 上的应用研究与实现 效的传送数据。微引擎独无二硬件架构设计来在没有核心处理器的情况下支持 高性能的平面数据处理。微引擎技术具有以下一些比较重要的优点： 夺灵活性和专用性可编程性使象a s i c 这样的专用函数得以执行，而且在 以后需要减少费用而要保证工程质量的情况下产生变化。它能够通过软 件来向装置增加一些新的服务性能而不需要太高昂的升级费用。 夺可升级性一微引擎在速度和功能性要求等方面都跨度了一个较大的范 围，它包括第二层到底七层。 夺有线速度的执行性能智能应用所要求的深包检测能够在o c 一1 9 2 甚至 更好的速度下执行。 1 2 4i n t e i x s o a i e 技术 i n t e lx s c a l e 核心用于操纵应用程序的处理，底层的通信，诸如路由表等 与微引擎共享的数据结构的管理和更新，建立和控制通讯媒介和交换装置等等， 除此以外，x s c a l e 核心还处理一些要求附加的复杂处理所需要的y l j # t - 数据包。 i n t e lx s c a l 微架构由于使用了超流水线技术因而取得了比较高的性能，一个多 进程，高效的指令级处理管道架构使反应时间减到了最小，而且是时钟速度到了 一种超低的能量消耗。基于a r m 版本5 t e 的指令设置( 派出了浮点指令设置) ， i n t e x s c a l e 技术在保持与第一代网络处理器的软件兼容性的同时，给与了工 业领导界m w a t t m i p s 的性能。在i n t e lx s c a l e 技术工具环境下，软件的开发 变得容易了。这个软件开发环境包括编译器，调试器，操作系统，模型，模拟器， 第三方卖主的支撑服务以及完全的文档和工具包。编译器和汇编器以及连接器都 支持一些专门为i n t e lx s c a l e 微架构，a r m 指令设置以及i n t e ld s p 扩展所设 计的特殊选项。 1 2 5i n t e i l x a 移动架构 i n t e l i x a 移动架构使快速和高效的开发可移植和可重用的代码成为现实，这 样就保护了i n t e l 在x s c a l e 核心处理器和微引擎代码两方面的投资。i n t e li x a 移动架构包括以下方面： 夺最优化的微引擎库和工具，它提供了微引擎在指令设置和架构方面变化 第5 页 电予科技大学硕士论文：i p q o s 在i x p 2 4 0 0 上的应用研究与实现 的连续性。这个库包括用于支撑多硬件之间协同工作的硬件提取库，一 个协议库和一个用于在协议头和数据结构中实现硬件最优化的使用库。 夺一个标准的可规划模块，用于通过微引擎和线程来执行最优化的应用程 序分割，使消费者需求的变化，第三方以及i n t e l 支撑微模块( 为微引 擎所建立的相互独立的代码模块，用于执行一些特殊的函数) 之间的整 合变得更容易。标准的模块使软件的各个成分之间很容易的耦合，匹配 和重新利用。微模块库通过使微模块之间的灵活连接来支撑网络处理器 微引擎的管道架构。 夺i n t e l x s c a l e 微架构子源代码库使标准的核心构件的开发成为可能，增 强了它在多个操作环境之间的移植性。 夺i n t e lx s c a l e 核心平面控制平台开发工具包为运行在外部处理器上的平 面控制棱提供了一个共用的界面和关联协议。 对于规划的灵活性来说，微模块代码可以使用高级的微引擎c 语言来开发。 i n t e li x a 移动架构是i n t e li ) ( a 软件开发包完整的一个部分。 1 3 支持多媒体和实时任务的需求和对策( 背景之三) i n t e r n e t 已逐步由单一的数据传送网络向数据、语音、图像和实时等媒体 信息的综合传输网络进化，但i n t e r n e t 中现有的传输模式仍为尽力而为型服务， 没有提供面向多媒体和实时任务所要求的服务质量保证技术。 服务质量保证技术是新代网络的核心技术之一。服务质量( q o s ) 是根据 某些关键参数来对分布式系统所提供的服务进行的整体衡量；具体是指分布式系 统在服务过程中满足上层应用的一系列服务需求的程度，这些需求常被量化成传 输延迟、延迟抖动、带宽要求、丢失率和吞吐量等性能指标。在一些分布式网络 环境中应用( 如实时、多媒体等) 的实效取决于系统是否能提供一定的服务质量 保证。 当前i n t e r n e t 网络提供的尽力而为型的服务质量，为数据传送类的应用提 供着无差错的传输及合理的响应时间。但是随着宽带网络的发展，i n t e r n e t 将 用于交互式话音、视频和实时任务等应用。这时，对交互式语音和实时视频，就 需要较小的延迟：反之，对于语音在传输过程中有过多的延迟抖动，或者视频传 第6 页 电了二科技大学硕士论文：i p q o s 在l x p 2 4 0 0 上的应用研究与实现 输时带宽过窄，则都会导致服务质量不可接收。所以减小交互式语音中的抖动 确保实时视频拥有足够的带宽是对于提供这类服务的基本服务质量要求。 1 4 论文的主要任务：基于l x p 2 4 0 0 的q o $ 技术的设计与实现 i n t e r n e t 网络是基于i p 技术的。在一个i p 网络中，协议是无连接的，它 无需事先建立好一条i p 链路，再在上面传送数据，而是通过动态路由协议动态 地根据网络拓扑的变化，计算一条或者几条到达目的地的最短路径，将数据包发 送出去。一个数据包可以不沿相同的路径到达目的地，这就是分组交换的特点。 由于是无连接的，就会出现丢失数据包的情况，这肯定会对多媒体数据在网络上 的传输造成不利的影响。再加上传输速率、带宽等方面的限制，所以在0 1 2 3 0 2 1 上，网络不能保证有足够的吞吐量和符合要求的传送时延，只是尽最大的努力 ( b e s te f f o r t ) 来满足用户的需要。但无连接的i p 网络最大的优点就是不需要 复杂的信令，只要网络有资源可以利用。所以i p 网络才得以迅速普及，可是这 也是i p 网络对q o s 支持不好的原因。 i pq o s 是指i p 的服务质量，是网络业务或应用的数据包经过一个或多个 网络时，所表现出来的性能属性。它的目的就是向用户提供端到端的服务质量保 证。它有一套度量指标，包括业务有效性、延迟、可变延迟、吞吐率和丢包率。 i pq o s 在可预测、可测量性方面，比传统i p 有了很大的提高。 本文所展开的工作，来自i n t e l 开放架构实验室，主要目的是探索在下一代 网络处理架构i n t e li x a 上的i pq o s 应用。本论文的任务是在i n t e li x p 2 4 0 0 网络处理器上实现i p 网的q o s 技术，通过在i x as d k 3 0 环境下使用i x p 2 4 0 0 网络处理器对i pq o s 应用进行模拟。具体研究内容为： ( 1 ) 全面对i n t e li x a 架构和网络处理器i x p 2 4 0 0 进行深层次的研究。 ( 2 ) 对i pq o s 的现在已经存在的各种技术进行分析，并得出自己的在 i x p 2 4 0 0 上实现i pq o s 技术的方法。 ( 3 ) 找到一种队列调度机制来保证实时任务和非实时任务的i pq o s 保证。 ( 4 ) 如何更准确的对i p 业务进行分类。 第7 页 电子科技大学硕士论文：i pq o s 在i x p 2 4 0 0 一t - 的应用研究与实现 1 5 本文的章节安排 本文第二章将对i n t e m e t 的服务质量技术i pq o s 技术进行探讨，论述当 前比较流行的i pq o s 技术的优缺点。第三章对i x a 网络处理器架构进行探讨， 并对i x p 2 4 0 0 网络处理器的硬件结构和软件框架作了详细深入的讲述。第四章 对i pq o s 在i x p 2 4 0 0 上的分类技术进行了探讨，并且指出要在客户端进行服务 质量映射，才能更好的保证服务质量。第五章讨论了本文种实现i pq o s 技术所 用到的几种常用的算法。第六章讲述了i pq o s 在i x p 2 4 0 0 上设计的详细过程和 设计内容，并且对i pq o s 在i x p 2 4 0 0 上实现的具体的内容进行了探讨。第七章 给出了我们在实现i pq o s 时，对i x p 2 4 0 0 上的各种资源的分配情况作了详细讲 述，并且对i x a s d k 3 0 环境配置作出了说明。第八章对全文进行了总结，并且 指出下一步的任务。 第8 页 第二章i pq o s 技术 2 1i p 服务质量( i pq o s ) 控制技术 i p 服务质量是一项综合技术。为了实现服务质量保障，除了在体系结构上 要有一个好的总体设计之外，还需要依靠各个层面的技术来支撑。在数据平面上， 物理层、链路层、网络层、传输层和应用层都可以控制网络的服务质量。目前的 i p 服务质量控制研究多半集中在网络层和传输层上，随着无线局域网和接入网、 1 0 g 以太网、弹性分组环等新型的互联网接入方式的迅速发展，链路层技术对i p 服务质量的影响成为新的研究课题。在管理平面上，网络管理、业务管理和客户 管理3 个层次都包含了网络服务的实施、保障和计费技术。这些技术对实现服务 质量至关重要，但也是以往研究中的薄弱环节。 i p 服务质量技术主要有i p 服务质量体系结构、数据平面的服务质量控制技 术、管理平面的服务质量技术、服务质量测量等几个方面。 2 。1 1i pq o s 概述 目前的i p 服务质量体系结构主要有i e t f 建议的集成服务( i n t s e r v ) 体系和 区分服务( d i f f s e r v ) 体系。 集成服务的基本思想是在传送数据之前，根据业务的服务质量需求进行网络 资源预留，从而为该数据流提供端到端的服务质量保证。集成服务虽能提供确定 的服务质量保证，但是它需要在网络中维护每个流的状态，因而扩展性差，难以 在大型i p 网络中实施。 区分服务的基本思想是将用户的数据流按照服务质量要求来划分等级，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有更高的优先权。区分服务只包含有限数量 的业务级别，状态信息数量少，实现简单，扩展性较好。目前，区分服务是业界 认同的i p 骨干网的服务质量解决方案。它的不足之处是不能为每个单独的i p 流提供端到端的质量保证，此外，由于标准还不够详尽，不同运营商的网络之问 篱9 丽 电了二科技大学硕士论文：i p q o s 在l x p 2 4 0 0 上的应用研究与实现 很难进行服务质量参数的协商和调整。 近来出现的m p l s 技术利用显式路由功能大大增强了在i p 网络中实施流量工 程的能力，m p l s 流量工程可以根据流的服务质量需求选择优化的路由，也能够 在m p l s 域内进行负载均衡，因而从宏观上提供了保障服务质量的基础。由于区 分服务和m p l s 技术具有较多的优势和兼容性，并且获得了众多设备厂商的支 持，因此区分服务和i p l s 技术结合在一起，能提供更好的服务质量保障，是一 种较好的技术选择。 2 1 2 数据平面的q o $ 控制技术 2 1 2 1q 0 8 选路 现在的i n t e m e t 路由协议( 如o s p f 、r i p 等) 都采用单个测度( 如跳数、成本) 来计算最短路由，没有考虑多个服务质量参数的要求。服务质量选路根据多种不 同的度量参数( 如带宽、成本、每一跳开销、时延、可靠性等) 来选择路由。服务 质量选路包括3 个主要功能：链路状态信息发布、路由计算和路由表存储。 服务质量选路能够满足业务的服务质量要求，同时提高网络的资源利用率。 但服务质量选路的算法十分复杂，增加了网络的开销。特别是服务质量组播路由 算法，既要寻找满足服务质量要求的组播树，又要考虑组播业务和单播业务之间 的公平性，是最为困难的选路算法。目前实用的服务质量选路算法还不多见。 2 1 2 2 网络层的0 0 s 控制 为了实现服务质量控制，互联网中的路由器需要根据网络所采用的服务质量 体系结构，增加一系列流量控制和调节功能，包括i p 流的分类、计量和标记， 缓存管理，队列调度，拥塞控制等。在集成服务网络中，除了上述功能之外，每 一个路由器都需要参与i p 流的实时接纳控制，为每个i p 流预留资源，并维护 i p 流的状态，任务十分繁重。在区分服务网络中，只有边缘路由器需要对每个 t p 流进行分类、计量和标记，核心路由器只需根据业务的优先级别来转发( 包括 存储和调度) i p 包。因此，边缘路由器比较复杂，核心路由器比较简单。 第10 页 电子科技大学硕士论文：i pq o s 在i x p 2 4 0 0 上的应用研究与实现 随着互联网的发展，路由器的端口数和端口速率都在增加，目前，高速路由 器需要工作在每秒太比特级的链路速率下，处理能力受到很大的挑战。为了实现 服务质量，分等级的业务流量控制和调节功能会给路由器的处理能力造成更大的 压力。因此，网络层服务质量控制研究的重要任务就是提出简单有效的算法和实 现方案。 2 1 2 3 传输层的0 0 8 控制 传输协议性能的好坏直接关系到网络的服务质量。目前互联网的主要传输协 议是传输控制协议( t c p ) 和数据报协议( u d p ) ，其中t c p 提供高可靠服务，是目 前使用最广泛的传输协议；u d p 提供高效服务，用于一些交互次数很少的交易 型业务。随着互联网业务的扩展，出现了很多流媒体业务。这些业务既要求可靠， 又要求实时高效，因此对t c p 和u d p 都不满意。目前虽然大部分流媒体业务( 如 v o i p ，音频、视频传输等) 都采用u d p 协议，但是需要在高层采取措施来保证数 据传输的可靠性。在这种情况下，新的传输协议应运而生，其中最典型的是流控 制传输协议( s c x p ) ，这个协议的目标是在保证可靠性的同时尽量提高传输的实时 性。s c t p 受到业界的高度重视，目前很多厂商已经在网上开展s c t p 的试验。 传输协议优化的另一个目标是提高网络资源的利用率，并使不同类型的业务 公平地占用网络资源。现在，当网路发生拥塞时，t c p 能够主动降低发送速率， 使拥塞现象缓解，u d p 则不能对拥塞做出任何响应。这样就形成t c p 和u d p 业务之间的不公平性。今后，如果大量的流媒体业务都使用非拥塞控制的u d p 业务，则很容易导致网络过载和性能下降，严重时会引起“拥塞崩溃”现象。因此， 基于u d p 的业务需要增加相应的控制机制，不仅要避免网络过载，达到自己的 服务质量要求，还要与t c p 业务公平地分享网络资源，这就是t c p 友好 ( t c p f r i e n d l y ) 的概念。在这个概念下，研究人员提出了许多t c p 友好控制机制， 包括基于t c p 窗口机制的拥塞控制以及基于模型和公式计算的t c p 友好控制机 制，这些机制通过改变拥塞窗口或改变发送速率来对网络拥塞做出响应。目前， 又出现了一种数据报拥塞控制协议( d c c p ) ，为流媒体业务的传输提供了t c p 友 好的方式。d c c p 还处于草案阶段，但已受到广泛的关注。 移动互联网是下一代互联网发展的必然方向。由于移动互联网的拓扑结构和 第1 1 页 电子科技大学硕士论文：i pq o s 在l x p 2 4 0 0 上的应用研究与实现 资源都在动态变化，要提供服务质量保证比固定网更为困难。因此，移动互联网 的服务质量研究受到高度重视。目前，根据无线和移动环境的特点，人们对网路 层和传输层的协议作了改进，使移动终端能够做到快速、平滑切换，并使移动业 务的服务质量和网络资源利用率都能得到兼顾。 2 1 2 4 链路层对o o s 的支持 局域网和接入网的链路层协议对互联网的服务质量有重要的影n 向，其中无线 局