（电磁场与微波技术专业论文）互联网备选接口协议和网络功能配置问题的研究.pdf

北京邮电大学博士学位论文 互联网备选接口协议和网络功能配置问题的研究 摘要 随着计算机和互联网的广泛使用，互联网对人类社会文明进程产生了 越来越深远的影响。而互联网技术本身，经过一段时间的快速发展之后， 目前正处于下一步发展的一个关键十字路口上，一方面，新的业务应用和 使用中暴露出来的问题对互联网提出更高的要求，例如移动互联网、传感 器联网、安全性和服务质量保证等问题；另一方面，承担着巨大通信流量 的庞大的互联网早已不是一张白纸，使得对互联网的改变越来越难，许多 十多年前就开始研究的技术很难迅速在全网上铺开，例如组播、i p s e c 、 i p v 6 、m p l s 、a s o n 等。因此，有必要在重新审视互联网，探索新的互 联网演进之路。 本论文第一章分别从三个不同的视角来认识互联网面临的挑战。首先 从传送网的角度分析如何使得i p 网络能够与传送网较好的结合，特别是 如何利用自动交换光传送网更好地承载i p 业务；然后则从公路网的角度 分析i pq o s 问题；最后分析移动互联网对传统互联网结构的影响。 第二、三章重点就“如何适应坤流量动态性”的问题进行了较为深 入的研究。第二章在介绍目前现有的一些适应动态i p 流量的方法后，重 点分析较新的v l b ( v a l i a n tl o a db a l a i l c e ) 方法，给出了一些较深入的分 析，并重点讨论其在实际中应用必须解决的问题。在第三章提出了一种新 的备选接口协议a j p ( 舢t e r n a i eh l t e 嘞c e p r o t o c 0 1 ) 的方法，在选择各选接口 的无环判定条件方面，在前人基础上提出更宽松的选择条件并证明了其正 确性。同时给出了a j p 方法的具体实现、基本协议内容和以及初步的仿 真结果。 北京邮电大学博士学位论文摘要 第四章则聚焦到对互联网架构演进的问题上。首先从历史的经验、当 前的问题和未来的展望三个角度来分析互联网架构演进的影响因素，在列 举目前相关的研究项目和研究方法的基础上了，提出了互联网架构“功能 重组和边缘到边缘”的演进方法，并进行了初步的分析和讨论。 以下是本论文的创新性工作： 1 ) 最短径寻址网络中选择无环备选接口的判定准则方面，给出已有 “严格代价递减准则”的新证明；提出并证明在“下一跳最短径 转发”条件下，“下一跳代价递减准则”不形成环路；并给出这两 个准则同时使用的条件和证明。 2 ) 给出v l b 方法一些新的分析结果，提出其在实际应用中需解决的 问题。并由此提出了较完整的各选接口协议a i p ，给出了通过 d i j k s 仃a 最短径算法的扩展来生成备选接口列表的算法，设计了 a i p 协议细节和处理流程，并针对一个具体的网络给出了初步的 仿真结果。 3 ) 提出了“功能重组和边缘到边缘”的新的互联网架构演进方法， 并用该方法分析“口与光自动交换光传送网的结合”、“主机移动 性管理”问题，提出了可能的演进思路。 关键词：备选接口无环路由最短径优先互联网架构自动交换光 传送网网络演进 北京邮电太擘博士学位论文 摘要 r e s e a r c ho ni n t e r n e ta l t e r n a t ei n t e r f a c ep r o t o c o l a n dn e t w o r kf u n c a t i o n sc o f i g u r a t i o n a b s t r a c t w i t hm ep o p u l a t i o no fc o i n p u t e r sa 1 1 di n t e m e t ，i n t e m e th a sd e e p l y i n n u e n c e dm ep r o 盯e s so fh u m a nc i v i l i z a t i o n a st oh l t e m e ti t s e l c r i t i c a l c r o s s r o a dh a se m e r g e d 0 nm eo n eh a n dn e wa p p l i c a t i o n sa 1 1 do l dp r o b l e m s b r i r l gf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t st oi n t e m e t ，s u c ha sm o b i l ei n t e m e t ，s e n s o r i n t e m e t ，s e c 嘶t ya 1 1 di pq o s ，e t c 0 nt h ea n o t h e rh a n d ，c h 越g e st oh l t e m e t h a v eb e c o m em o r ea 1 1 dm o r ed i 伍c u l t ，m a n yt e c h n o l o 西e s ， w h i c hw e r e a d v a l l c e dm o r et h a nt e ny e a r sa g o ，c a nn o tb ed 印l o y e d 谢d e l y ，f o re x 锄p l e ， m u l t i c a s t i p s e c 、d v 6 、m p l s 、a s o n ，e t c s ow en e e dt or e m i n km e e v o l u t i o n a lp a mf o ri n t e m e ta f c e ran e wu n d e r s t a l l d i n go fh l t e m e t i nc h 印t e r0 n e ，w er e m i n kt h ec h a l l e n g eo fi n t e m e t 仔o mt h r e ed i f 诧r e n t v i e w s f i s r t l ym ec o m b i n a t i o np r d b l e mb e t w e e ni pn e ta n d 仃a n s p o r tn e ti s a n a l y z ed s e c o n d l ym ei pq o sp r o b l e mi sv i e w e d 矗0 m 慨面h o ro fr o a d n e 时o t k f i n a l l ym o b i l ei n t e m e t s 吼dr e l e a t e dp r o b l e m sa r ed i s c u s s e d t h ep r o b l e mo f “a d 印t a t i o nt od y i l 锄i ci p 廿a 髓c ”i sd i s c u s s e di nt h e f 0 1 l o w i n gc h a p t e r s a f t e ri n 拄o d u c t i o no fs o m e l e m o d sw h i c hh a v eb e e n s m d 蛐w ed i s c u s st i l er c l a t e dp r o b l e 娜o fv l bm l i a n tl o a db a l a n c e ) i n c h a p t e r ，1 w o an e wa j p ( a 1 t 锄a t ep r o t o c 0 1 ) m e t h o di sp r o m o t e d i i lc h 印t e r m e e al o o s e rc o n d i t i o ni s 西v e ni i lm es e l e c t i o no fl o o p 一丘e ea l t e m a t e i n t e r f - a c e s a n dw ep u tf o r w a r dm ed e t a i l so fm ea l g o r i t h m ，b a s i co p e r a t i o n so f a i pa 1 1 d “s ot h ei i l i t i a ls i m u l 撕伽r e s u l t s t h et l l e s i sf o c u s e st h ed r o b l e mo f 【i l t e r n e ta r c b j t e c t i l r ee v 0 1 u t i o ni nm e 北京邮电是学博士学位论文 摘要 c h 印t e rf o u r a r e rav i e wo f “w h a ti s a r c h i t e c n 。e ”，w ee m p h f l s i z em e f a c t o r st om en e t w o r ke v 0 1 u 6 0 n 丘o mt h ep a s te x p e r i e n c e s ，c u 盯e n tp r o b l e i n s a i l d 如t u r ev i s i o n s i i lm el i g h to fr e l a t e dp r o j e c t s ，w eb r i n gf o r w a r dan e w r e s e a r c hi d e a ， “f u n c t i o n sr e o 唱a i l i z a t i o na n de d g e - t o e d g e ”，a | 1 dh a v e s o m ed i s c u s s i o n so ni t t h i sd i s s e n a t i o ni n c l u d e st h ef 0 1 1 0 沛gc o n t e n t 1 ) o ns e l e c t i o no fa l t e m a t ei n t e r f a c ei ns h o r t e s t - p a m - f i r s t ( s p f ) n e 铆o r k ， a f t e ran e wp r o o fo fm e“s t r i c t l yd e c r e a s i n gc o s t ” 谢t e r i o n ，an e w “n e x t _ h o pd e c r e a s i n gc o s t ” c r i t e d o ni sp m v e nt ob el o o p 骶e w i t h “n e x t - h o ps t r i c n ys p ff o r w a r d i n g ” c o n d i t i o n a n di ti s p r o v e nt ob el o o p 一舶et ou s e“s t r i c t l yd e c r e a s i n gc o s t 嘶t e r i o n a 1 1 d “n e x o h o ps t r i c t l yd e c r c a s i n g c o s t ，c r i t e r i o nt o g e t h e rw i t h s o m em l e 2 ) a f t e rs o m ea i l a l y s i so fv l b ，m ed 印1 0 y m e n tp r o b l e m sr e l a t e dt o v l b ( v j l i a n tl o a db a l 粕c e ) i sp u tf o r w a r d a n dan e wa i p ( a 1 t e m a t ci n t e 矗虻ep r o t o c 0 1 ) m e t l l o d i sa d v a i l c e d t h ea l t e m a t e i n t e r f a c ea l g o r i t h mi sb r o u 驰tf 0 州a r db a s e do nm ed i j k s 仃as h o r t e s t p 砒a l g o 珊蚰a 壬l dw eg i v em eb a s i co p e r a t i o n so fa i pa n da l s ot h e i n i t i a ls i m u l a t i o nr e s u h s 3 )b r i n gf o r w a r dan e wr e s e a r c hi d e at oi n t e m e ta r c m t e c t u r ee v 0 1 u 廿o n ， “f u n c t i o n sr e o 瞎a n i z a t i o na n de 趣e t o e d g e ”，姐dw eh a v es o m e d i s c u s s j a n so ni t k e y w o r d s ：a 1 t e 呦t ei n t c r f a c e ；1 0 0 p - 丹e er o u t e ；s h o r c c s t - p a t l l - f i r s t ；i n t e 】1 l e t a r c h i t e c t u r e ；a u t o m a t i cs 谢t c h e d0 p t i c a ln e 铆o r k ，n e t w o r ke v 0 1 u t i o n 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电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。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：兰垄 一一一 本人承担一切相关责任。 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名 王亚兜 鼻型l ， 日期：兰! ! ! ：三：! ! 日期：垒2 量! ：堡 北京邮电大学博士学位论文 第l 章从不同的视角看互联网面临的挑战 第1 章从不同的视角看互联网面临的挑战 1 1 引言 互联网是人类历史上最伟大的发明之一，它的产生是人类迈入信息社会的 重要标志性事件。但是目前的互联网发展存在许多问题，例如地址空间问题、 信息安全问题、服务质量保证等，特别是由于互联网广泛使用，使得互联网的 架构越来越难以演进，自从上个世纪八十年代，现有的互联网架构和主要协议 确定以来，互联网的架构基本没有什么变化，尽管出现了诸如婵v 6 、组播、 d i f f s e 、m p l s 等新型技术，但是这些新的技术很难在现有互联网中得到部 署。因此有必要重新认识互联网。 在扩展性方面，互联网的发展在不断加快，所用的地址表项数也在不断增 加，使得传统路由器只是不断地增加容量和提高转发速度，很难融合进入新的 功能，并且在1 0 g 端口情况，电处理的能力似乎已到极限。因此，如何解决路 由器的扩展性是个重要问题，否则会进一步增加网络结构的复杂性，进一步加 大演进的难度。而另一方面，传送网作为p 网络的承载网，通常只是被当作 一个透明通道使用，尽管光传送网的容量和灵活性有了很大的提高，但是很难 被互联网所使用。因此，有必要从互联网和传送网相结合的角度来考虑互联网 的下步发展。第1 2 节重点从传送网的角度来分析互联网存在的一些问题以 及如何从互联网和传送网相结合的角度进行网络优化。 i pq o s 是关系互联网的架构的重大问题，对q o s 问题研究也已经非常深 入，例如提出的h l t s e r v 、d i 踯e r v 、m p l s 1 】以及对t c p 的改进【2 3 】等方法。 但是由于种种原因这些技术很难在互联网中规模部署，并且实际取得的效果也 很难评价，因此，有必要从另外的角度分析坤0 0 s 问题，第1 3 节借鉴了公 路网的经验来重新认识和讨论口q o s 问题，并提出了一些新的研究思路。 移动互联网应用是继e m a i l 、w e b 、p 2 p 之后可能对互联网架构产生重要 影响的应用，无线互联网对传统互联网的架构提出了许多新的要求，因此第 1 4 节重点从新兴的移动互联网的角度来分析互联网架构面临的问题和可能的 方法。 总的来说，本章重点从传送网、公路网和移动互联网的不同视角分析互联 网所面临的挑战。 北京邮电大学博士学位论文 第1 章从不同的视角看互联网面临的挑战 1 2 从传送网的视角看i p 业务优化 在宽带和无线接入技术的推动下，互联网的应用越来越普及，特别是p 2 p 等新业务应用带来了流量的急剧增长。对传送网而言，数据业务已经成为其主 要承载业务之一，因此，原来主要针对语音业务设计的传输网必须进行重新优 化和设计4 1 。 传统的传送网，特别是s d s o n e t 、w d m 大容量光网络主要针对语音业 务来设计和配置。针对语音业务双向带宽对称、话务量可预测、有质量保证的 电路交换、语音业务同质等特点，传送网络容量一般是对称设计，无需对承载 业务区别对待。对互联网而言，一般都是采用“路由器+ 专线”的思路，传送 网更多的是一种传送口数据的管道，很少涉及两者的配合和优化 5 。因此， 当口业务成为传送网主要承载业务的时候，必须重新考虑传送网如何有效传 送p 业务的问题，特别是要考虑如何利用自动交换光传送网所带来的光层智 能。下面分别从口业务流量不对称性、m 流量不均衡性、q o s 和传送网轻 载设计四个方面来分析传送网和口网相结合更好支持p 业务的相关问题。 1 2 1i p 业务流量的不对称性 从拨号接入时期开始，互联网流量的不对称性现象就普遍存在了，一方面 表现在网络接入流量的上下行不对称；另一方面表现在通往热点网站( 地域) 的 流量不对称 6 】。这一点从早期v e mp a x s o n 7 开创性的流量分析工作中就已经 得到验证。v e mp a x s o n 发现瓶颈带宽和排队时延也不对称。 尽管互联网采取了w c bc a c h e 等措施，并且p 2 p 业务流量持续增长，但 是互联网业务流量的不对称性依然存在，主要是接入带宽的不对称性、业务流 向的不对称性和t c p 重传机制的影响因素依然存在，只是流量不对称性的发 生地点和方向可能会发生变化。 针对互联网流量对传送网的影响，参考文献 6 、 8 分别针对网状网、环 网做了分析和仿真，参考文献 6 中提出，随着流量不对称性的增加，无论在大 业务量时还是小业务量时，单向系统都比双向系统具有明显优势，单向系统对 流量的不对称性有更好的适应性。在参考文献【8 】中则提出了采用阵列波导光栅 a w g 和热光( t l l 锄o o p 矗c ) 器件的刚山m 组成的适应不对称流量的新的单纤环 网。尽管参考文献 6 、 8 】针对传送网适应互联网流量不对称性做了一定的探 讨，但是还不够深入，例如下面一些问题还有待进一步研究： ( 1 1 什么情况下，单向光系统较双向系统适应业务量不对称性有较大优 势，是否网状网相对环网来说，单向设计对业务流量不对称性适应得 2 北京邮电大学博士学位论文 第1 章从不同的视角看互联网面临的挑战 更好? f 2 ) 目前广泛存在城域和接入的环网结构，什么情况下对流量不对称的不 适应性比较突出，有什么改进手段? 采用r o a d m 、w d m 技术设计 的、新的环网结构如何解决流量不对称性问题? ( 3 ) 将来进行传送网设计时，是否可以主要以单向链路设计为主? 1 2 2i p 业务流量的不均衡性 与电路域的语音业务不同，p 采用包交换，支持不同的上层应用。由于各 种应用的带宽大小、持续时长、流量特征、次数都不相同，因此带来了口流 量突发性强的问题，使得流量统计、建模、预测都很困难。同时，由于互联网 采用最短路径优先的选路算法，也导致了整个网络业务流量的不均衡，不同的 链路之间，甚至同一个链路的不同方向，拥塞程度和时延都不相同。这一点与 传统语音业务双向带宽对称、面向连接( 选路) 和好的统计特性( 爱尔兰公式) 有 很大不同，因此传送网面临新的挑战。 一 针对p 业务流量不均衡的问题，业界做了很多研究和标准化工作，例如， 研究不同于t c p 的新的拥塞控制传输协议，o s p f 、i s i s 等i g p 路由协议采用 多等价路径( e q u a l c o s t n m l t i p a l h ，e c m p ) 来负载分担，轻载设计 ( o v e r _ p m v i s i o n i n g ) ，利用m p l s 的面向连接能力进行流量工程( t r a m c e n g i n e e 血g ，t e ) 和虚拟专网( v i r n l a l p r i v a l e n e t w o r k ，v p n ) 设计。但是，很少从传 送网或者传送与口适配的角度来考虑璎业务负载均衡。参考文献 9 、 1 0 、 【1 1 提出了采用分割流量、两跳路由的方法来适应不均衡的毋业务。 参考文献 9 借鉴高速路由器无阻塞交换的思想，采用与e c m p 类似的多 路径均衡流量，提出了v l b ( v a l i a n tl o a db a l a l l c 血g ) 结构来进行负载分担，基本 思路是将从a 到b 的流量经两次转发后才到达b ，流进a 的流量不管目的地 是哪儿，首先均分成n 份( n 个点组成的网状网) 发送到下一路由器，然后在这 一条路由器再进行路由转发。参考文献 1 0 】 1 1 采用了类似的思想，提出 n e t s w i t c h 的方法，分成分割( s p l i t t i n g ) 和路由( r o u 血g ) 两步进行报文转发，具体 方法上与参考文献【9 】有些差异。基于两步转发的方法对于流量变化和故障发生 的自适应性是比较好的。参考文献【9 】、【1 0 、 1 l 】做了一些开拓性工作，但是 这种方法要得到应用还存在许多理论和实际问题，例如：流量如何分割才最优， 传输层和p 层各承担什么功能，是否只在传输层或者只在层实现更好，在 s d h 环网中的如何实现( 网状网较容易些) ，这些都需要做进一步的研究。 北京邮电大学博士学位论文第l 章从不同的视角看互联网面临的挑战 1 2 3i p 业务质量保证 i p 协议采用无连接的报文交换机制，具有业务适应性好、复用效率高等优 点，但是，它很难有好的服务质量保证( q o s ) 能力，这也是一直困扰其进一步 发展的关键因素。多年来，针对dq o s 问题，业界提出了多种解决方案， i n t e r s e n 、d i f 俗e 州l 】等对其中的关键技术也做了深入研究【1 ，例如：接纳控 制、整形和监管( s h 印i i l gm dp o i i c i n g ) 、信令和资源管理、排队和调度、拥 塞控制和队列管理、q o s 路由( r o u t i n g ) 等。但是，这些措旖主要针对球层，特 别是路由器。下面从传送网的角度做一些分析。 一般来说，p 业务q o s 能力应该主要包括：时延、抖动、可达性和丢包 率。参考文献 1 2 】、 1 3 】分析，只有当链路利用率达到8 0 9 0 时，疋报文的 排队时延较大，多数情况下报文的时延主要是传送时延，路由器的排队时延较 少。这主要原因可能是传送时延是固定值，而路由器采用了一定的调度措施和 采用较少的缓存 1 4 。针对时延抖动，现在大多数的措施是在客户端使用能处 理抖动的媒体编码器。例如v o 口业务的s k y p e ( w w w s k y p e c o m ) 工具的成功应 用就是一个很好的例子。 网络可达性( 连通性) 除了网络故障或者一些应用瓶颈( 例如d n s ) ，大多数 情况是由于网络拥塞而路由没有及时调整导致的，因此，可以认为网络f 或链 路) 拥塞是影响可达性的关键因素。在参考文献 1 5 】中通过测量发现，网络拥塞 ( 瓶颈) 点与报文丢失的地点有很强的相关性。可以认为保持较低的丢包率就能 很好地保证可达性( 连通性) 。因此，目前pq o s 问题主要集中在丢包率上， 通过传送网减少丢包率从而优化口o o s 是很有意义的。 除了通过轻载( o v e r p r o v i s i o n i n g ) 设计外，传送网减少q o s 丢包率的一个 主要方法是减少一个连接中经历的路由器数目，增加路由器之问直连的密度。 因为目前光传输技术的误码率已经非常低，互联网丢包主要是发生在路由器中 报文排队调度，因此，减少报文传送所经过的路由器数目对于减少丢包率是非 常重要的。 除了增加路由器之间的物理直连，还可以用传输通道的交换代替部分p 交换，这可以在一定程度上避免路由器低速端口过密的问题。下面介绍一种用 传输通道的交换代替部分m 交换的实现总路，使得流量尽量经传输网交换 而不是进入邛网交换。 目前口接入光传输的一种主要形式是口o v e rs d h ，一般采用po v e rp p p o v e rs d h ，即p o s 方式。对路由器而言，传输像一条没有划分车道的大马路， 所有流量在传送层上没有任何区别，传输只是充当一个管道的作用。因此，必 须在路由器和传输层的接口处做进一步的工作，使得传输层能感知i p 业务， 4 北京邮电走学博士学位论文 第l 章从不同的视角看互联网面临的挑战 这样才能进行p 层和传输通道的联合优化。第一步的工作就是要实现通道化 s d h f c h a n n e l e ds d h ) ，使得路由器s d h 接口卡能够处理部分s d h 通道的开销， 能够识别、分割和使用s d h 的虚容器( v c ) 。 具体来说，就是路由器的s d h 接口可以通过虚链路划分成几个虚接口 f v i r t u a l i n t e r k e1 ，这些虚链路通过光传送网交换、复用等终结到其他路由器 端口，从而形成路由器之间的直接物理连接。 图1 - 1 路由器连接 如图1 1 所示，路由器a 有4 个2 5g b i t ，s 接口分别连接到b 、c 、d ， 并有流量流向e 、f ( 网络中其他路由器没有标出，该图仅为示意) 。实际上，可 以将路由器a 的4 2 5g b i t s 接口合并为一个1 0g b i “s 接口，该接口具有 v c 4 ( 1 5 5m b i t s ) 虚链路识别和处理能力( 也应该有处理虚级联v c a t 和链路容 量调整l c a s 能力) 。通过传输网的交换、复用，可以直接建立a e 2 5g b i “s + 6 2 2 m b i “s 直接连接和a _ f2 5g b i t ，s 的直接连接，减少了a 、f 的低速率接口，同 时a e 、a f 之间的路由由2 跳减少为1 跳。如果路由器c 没有其他接口 或者与c 相连的路由器都通过传输网直接互连，路由器c 可以取消。这样不 仅m 报文质量得到保证，而且减少了路由器低速端口和网络中路由器数量( 可 能s d h 接口通道化会增加接口成本) ，并且通过虚级联v c a t 和链路容量调整 l c a s 能力，传送网的容量、路由器p 接口和实际业务流量能更好地匹配。 考虑到目前路由器产品中有将传输功能综合进去的趋势，通过这种基于路 由器s d 删s a n e t 端口处理虚链路的方法来减少每一路由中所经历的路由器 数目具有一定的可行性。当然，这种方法还有许多问题需要进一步研究。例如： 路由器端口需要新增什么功能，如何实现? 如何与传送网配合，如何分配流量， 传送网需要做什么改进? 路由器层面如何配置和调整传输通道、与自动交换光 网络a s o n 的关系等。应该看到，该方法是增加了传输层的交换能力，这一点 北京邮电大学博士学位论文 第l 章从不同的视角看互联网面临的挑战 与a s o n 是类似的。 特别是考虑到最近参考文献 1 6 】、【1 7 提出的路由器的控制面和转发面分 离和光传送网交换能力的提升，有可能出现核心网中不再需要高速路由器，核 心网交换由传输节点来实现；路由器退至网络汇聚层面，主要完成流量汇聚 1 8 。路由器的控制面和光传送网的控制面有可能合二为一，在路由器层次化 ( 1 l i e r a r c h y ) 设计较好的情况下，可以大大减少核心路由器的数目和每一路由中 所经历的路由器数目。 1 2 。4 对轻载设计的优化 为改善皿业务传送质量，一种比较可行且广泛应用的方法是采用轻载 ( o v e r - p m v i s i o n i n g ) 设计 1 9 ，这是目前传送网适应坤业务的主要手段。但是， 目前传输网的轻载设计主要是一种工程手段，通常根据链路流量来扩充容量， 例如：当链路平均容量为最大设计容量的8 0 时进行扩容，很少有系统研究 来进行传送网的轻载设计的优化和改进。 传送网的轻载设计比较困难，由于涉及到不确定的p 业务流量和不容易 控制调整的传送网，是否存在最优设计很难确定，理论模型和研究较为困难。 但是，对轻载设计进行优化也是可能的，对传送网适应d 网的改进实际上有 助于轻载的优化。可从以下几方面做些研究。 对坤业务分类承载可以降低对轻载设计容量使用率的要求。在参考文献 2 0 中，根据g 1 0 b a lc r o s s i n g 运营经验将p 业务流量分为三类：p r e m i u m 、 a s s u r e d 、b e s te f 佑r t ，采用流量工程手段实现有质量保证业务的时延和抖动。 中国电信单独建立了一个独立于其原有互联网的c n 2 来承载有质量保证的业 务 2 1 】，如v p n 、v o 擅等。如果将d 业务进行分类，至少可分为有质量保证 和尽力而为的两类( 实际上如果将专线和带宽保证的v p n 业务算上也是三 类) ，在实践中是可行的。由于两类业务对轻载设计的要求不一样，相对于业 务不分类的情况，可以减少轻载设计所需的容量，并且可动态调整两类业务的 占用带宽，这样既保证有服务质量保证的业务的性能，又可缓解扩容的压力。 路由器基本上是一个平面结构，尽管也有a s 域内域外之分，但是路由器 之间基本上对等连接的。传送网是分层设计的。路由器将传输只当作一个管道， 目前轻载设计是以链路为对象进行的，没有考虑传送网络结构的问题，因此， 在传送网承载口业务时，如果能进行定的分层设计和网络层面的轻载设计， 预计能优化同样质量要求下所需的带宽。 另外，可以结合口层和传输层的流量工程能力，通过多层流量工程 【6 】( m u l t i l a y e r 订a 伍ce i l 百n e 嘶n g ，m t e ) 先对业务流量进行疏导，也能缓解扩 6 北京邮电大学博士学位论文 第l 章从不同的视角看互联网面临的挑战 容压力。但是，目前多层流量工程主要基于智能光网络，如a s o n 来实现的， i p 层和光层配合机制还不完善；而且流量工程手段一般来说相对复杂，且存在 规模应用的问题，这些都需要进一步的研究。 i p 业务已成为传送网最主要的承载业务，因此，有必要对传送网有效承载 i p 业务的相关问题重新考虑和设计，特别是要考虑如何利用自动交换光传送网 所带来的光层智能。本节较系统地分析和探讨了m 网与传送网有效配合来传 送碑业务的问题，并提出了下一步的研究设想。从传送网的角度来分析m 业 务优化问题，涉及到的技术较多，与工程实践关系较为密切，很难建立有效模 型。但是有效传送疋业务，无论对自动交换光传送网还是口业务优化都具有 很重要的意义，值得进一步深入研究和探讨。 1 3 从公路网的视角看l pq o s 自从上个世纪九十年代互联网大规模进入商业应用，i pq o s ( 服务质量， q u a l i t yo f s e i c e ) 就成为互联网研究的一个重要方向，例如砸t f ( w w w i e t o r g ) 提出了 h l t e g r a t e ds e n r i c e s ( n s e ，r f c l 6 6 3 ) ， d i f f e r e n t i a t e ds 洲i c e s ( r f c 2 4 7 5 ，d i 嬲e ) ，m u l t i p r o t o c 0 1l a b e ls w i t c l l i n g ( m p l s ，r f c 3 0 31 ) 等。对其 中关键技术也有了深入研究 4 ，2 2 ，例如接纳控制、整形和监管( s h a p i n ga n d p o l i c i n g ) 、信令和资源管理、排队和调度、拥塞控制和队列管理、q o s 路由 等。 尽管口q o s 在学术界得到较深入的研究，但在实际的工程领域推广应用 不普遍，例如大多数互联网运营商只是采取轻载( o v e r - p r o v i s i o n j n g ) 设计来减轻 对口q o s 的压力【1 9 ，2 3 】。而关于q o s 的研究论文大多在算法上着眼，而且所 研究的算法越来越复杂，过于复杂的算法无助于实际网络设备的开发，导致很 难得到应用，复杂的算法也不见得能够适应互联网应用的复杂环境 2 2 ，2 4 ，2 5 】； 同时无论是1 1 1 t s e r v 、d i f f s e r v 都需要在网络的终端或边缘处进行大量的流量分 类和标识工作，给实际应用和终端的支持带来困难。尽管无线领域的口q o s 研究正成为一个新的热点，但这只不过是因为无线环境下口q o s 问题更为突 出而己。从近年的三大会议( s i g c o m m 、i n f o c o m 、g l o b e c o m ) 发表的有 关口q o s 的论文【2 5 】发现，实际上业界对目前dq o s 的研究存在分歧和置疑。 礤q o s 的目标是什么? 在网上能够达到传统电话网的q o s 吗? 用什么指标 来衡量邛0 0 s ? 除了在流量算法方面的改进外，是否需要在网络设计和网络体 系上寻找解决口0 0 s 问题的突破? 因此有必要从新的视角重新审视婵q o s 问题。如果将电话交换网比作铁 路网，那么基于包交换的口网络则可以看作公路网 2 6 ，可以借鉴公路网的一 北京邮电大学博士学位论文第1 章从不同的视角看互联网面临的挑战 些规划、运营和研究经验来分析口q o s 问题。表1 1 将口网与公路网、电话 网与铁路网的基本属性进行类比，例如交换单元、复用方式、寻址方式等；会 发现在网络运行方式上，p 网络和公路网有许多相似之处，而且两者对外表现 出来的一些现象颇为相似，如排队、拥塞等。以下先从公路网的视角来分析什 么是邛q o s 。 表1 1 口网和公路网、电话网和铁路网的特性比较 网络i p 网公路网 电话网( p s l n ) 铁路网 交换单元口包汽车时隙车厢 单元属性长度变化大： 长度( 速度) 长度固定：由控长度基本固定： 一个i p 包就变化大：一个制时隙加上数火车头加上车厢 是一个基本汽车就是一据时隙构成复构成复合单元 单元个基本单元合单元 单元标识 i p 地址车牌 时隙编号 某一列车的第几 个车厢 复用方式 统计复用统计复用时分复用某一时段，某一 区间只有一列火 车运行 连接方式无连接无需连接面向连接面向连接 寻址方式根据报头i p司机根据地根据信令和时根据通信信号和 地址和网络图寻址隙编码进行寻列车编组寻址 图寻址址 交换节点路由器交叉路口电话交换机火车站霸组站 接入方式只有口地 只要有牌照，由运营部门认由运营部门认证 址，随意接入随意接入 证接入，并且适接入，并且适配 配时隙车厢 1 3 1i pq o s 问题溯源 尽管对口o o s 研究有很多年了，但是业界对它仍然没有一个统一的定义 2 7 2 8 】，从字面上理解为m 服务质量，一般可认为它是指耀分组或流通过网 络时的性能，这种性能通过一系列可度量的参数来描述，例如带宽( b a n d 、i d t l l ) 、 延迟( d e l a y ) 、延迟抖动( d e h yv 撕a t i o n ) 、丢包率( 1 0 s sr a t i o ) 和出错率( e n d r r a t i o ) 等【2 8 2 9 】。同时随着对mq o s 研究的深入，对q o s 定义的讨论也更为细致， 例如文献 2 2 】将用以上参数德量的pq o s 分为三种形式：绝对的、统计的和时 间平均的。通常多数研究总是希望p 网上能够提供传统电话网的q o s ，特别 是用以上参数严格衡量的端到端服务质量保证。 北京邮电大学博士学位论文第l 章从不同的视角看互联网面临的挑战 1 3 1 1 为什么需要i pq o s ? 互联网提供口o o s 的目标是什么呢? 它满足什么样的需求呢? 对于互联 网的初期应用而言，例如e m a i l 、f r p 等，互联网的“尽力而为”的服务能力 认为是足够的，这一方面在于此类业务的应用特点；另一方面也在于初期计算 机( 终端) 的能力较弱和人们对互联网的依赖性还是较小的。这与汽车发展初期 对公路的要求也是比较类似，只要有基本连通性即可。 随着计算机能力提升和更多商业应用对互联网依赖性的增强，人们希望互 联网能提供有别于“尽力而为”的服务能力。 对用户和终端应用来说，不仅希望互联网的整体服务质量可以持续改善， 例如更高的带宽，同时也希望能在一定代价的情况下获得较高( 或者明确) 的 服务质量承诺，特别对商业客户( 应用) 提供有保证的服务能力是非常必要的。 对p 网络研究者而言，更希望d 网一统天下( e v e r y m i n go ni p ) ，i p 网能 够取代传统电话网，所以也希望p 网能够提供像传统电话网那样的0 0 s 承诺， 特别是随着路由器能力的加强和对t c p 佃业务特性研究的深入，提供严格的 端到端服务保证能力似乎是理所当然的。 应当说如果能以较低的代价实现电话网一样的q o s 保证能力，p 网运营 商( i s p ) 会非常欢迎，但是由于互联网的复杂性和m 应用的多样性，运营商很 难提高可测量的、严格的pq o s 服务承诺，而转向更容易衡量和感知的服务 水平协议( s l a ：s e i c el e v e la g r e e m e n t ) ，口q o s 手段也更多地是服务于保证运 营商与客户签订的s l a 【3 0 。 因此，近期来看，pq o s 主要目标是改善用户的体验( q u a l i t yo f e x p e r i e n c e ) 、提供有一定保证的差异化服务能力、以及用以衡量和改善i s p 的 网络运营服务水平，保证向客户提供更好的s l a 。 1 3 1 2i p 网能否提供像传统电话网那样的q o s 先看一下公路网的情况，在交通繁忙时间，除了警车开道等特殊情况外， 很难像铁路那样从绝对意义上保证汽车出行所需的时间，特别是端到端的时 间；而汽车的速度、舒适度等服务指标也是跟汽车本身有很大关系的；另一方 面，道路有设计时速和等级，交叉道口有通行能力等设计指标，而且公路通过 划分车道、红绿灯、警察、交通法规等手段保证通行能力尽可能达到设计水平。 公路网提供了一种相对的、统计意义上的服务质量保障。 传统电话网p s t n 提供的一种严格的、有保证的服务质量能力，因此，人 们往往也希望口网能够提供像p s l n 网一样的严格的q o s ，口网能够提供这 种q o s 保障呢? 为什么p s t n 能够提供这种严格的q o s ? 这是因为p s l n 网络是针对话音 9 北京邮电大学博士学位论文第l 章从不同的视角看互联网面- 临的挑战 这种单一业务来建设，网络的质量就是语音业务质量，可以说p s t n 网络是以 效率( 时分复用) 、复杂性( 面向连接、电路交换) 、接入控制( 不易接入) 、单一业 务为代价换来的实际网络运行能力能够达到其设计能力。 疋报文采用了无连接、长度可变、最短路径寻址、统计复用、无接纳控制 等技术。因此，m 网络有较高的效率、简单和易接入等优势，如果要求p 网 络能够提供像p s t n 网络的服务质量，那必将牺牲口网现有的特点，从这一 意义上说，p 网对所有业务都保证严格的q o s 可能得不偿失。 应该看到，正是口网和电路网之间的基本机理的不同，使得它们对0 0 s 的要求、定义和提供手段是不相同的。i p 网很难提供传统电话网那样的0 0 s 保证。d 网络可能更多地需要像公路网那样提供适应自身应用( 和客户) 需要的 服务质量保证。 1 3 1 3 什么是合适的i pq o s ? 尽管可以用带宽、丢包率、延迟、抖动等指标来衡量m 网络的服务质量， 但是口网络提供的q o s 保证应该是一种相对差异化的、统计意义上的q o s 能 力 2 2 】【2 8 ，例如保证一个网络8 0 报文的平均时延在5 0 m s 等。q o s 服务能 力的获得是有代价的，因此不同的用户( 应用) 对q o s 需要是不同的，并且大多 数情况希望服务能力是在预期范围内的，满足使用体验的需要( q u a l 时o f e x p e r i e n c e ) 。因此，可以