（电磁场与微波技术专业论文）基于路由器的高性能qos嵌套cbq系统研究及其实现.pdf

摘要 互联网的大规模商业应用对传统的数据传输业务提出了新的挑战。基于实时 多媒体信息流的服务，如视频点播、在线直播、p 2 p 视频共享，构成了目前在线 服务的主流。因此，保证多媒体信息流的实时性传输已经成为互联网发展研究的 热点。多媒体信息不仅需要互连方面的要求，而且对网络带宽、延迟、延迟抖动 等性能也有明确严格的考虑。在仅仅面向数据传输的互联网，如何实现经济有效 的服务质量( q o s ) 保证，已成为业界研究的重要课题。 d i f f s e r v 模型中提出的q o s 保证模型，可以在互联网中经济有效地实现q o s 服务。它简便的实现形式和方便的可扩展性为其在网络中的应用提供了广阔的前 景。但是随着网络规模的不断扩大，网络应用的不断多样化，传统的基于i p 地 址的端到端的q o s 服务，仅仅依靠端系统上的策略和算法已经难以提供令人满 意的q o s 保证，也难以满足不同用户的q o s 需要。因此，如何在目前的路由器 上实现可靠高效的，基于嵌套策略的q o s 服务，成为本篇论文的重点。 本论文首先对q o s 的发展历史作了简单介绍，阐述了q o s 的三种服务模型 以及d i f f s e r v 模型取代之前两种模型的必然性。在对目前的q o s 功能深入分析 部分，分析了q o s 模块的具体框架，深入探讨了c b q 算法。在介绍路由器q o s 模型的基础上，提出了嵌套c b q 设计思想，并实现了基于路由器的嵌套c b q 系 统。然后对路由器的相关算法，进行适合q o s 系统的改进，实现了针对q o s 系 统的冗余备份和负载均衡。 关键词：0 0 s 嵌套c b q 路由器互联网 a bs t r a c t t h ec o m m e r c i a la p p l i c a t i o no fi n t e m e tc h a l l e n g e st h et r a d i t i o n a ld a t at r a n s m i s s i o n s e r v i c e t h eo n l i n es e r v i c e sw h i c hb a s eo nr e a l t i m em u l t i m e d i a d a t as t r e a m ，s u c ha s v i d e o o n d e m a n d ，o n l i n eb r o a d c a s t ，p 2 pv i d e os h a r e ，h a v eb e c o m et h em a i n s t r e a mo f o n l i n e s e r v i c e s g u a r a n t e et h ef l o wo fm u l t i - m e d i at r a n s m i s s i o no fr e a l - t i m eh a sb e c o m eah o t s p o to f i n t e r n e tr e s e a r c h m u l t i m e d i ai n f o r m a t i o nr e q u i r e sn o to n l yt h er e q u i r e m e n t si nt e r m so f i n t e r c o n n e c t i o n ，a n dt h en e t w o r kb a n d w i d t h ，d e l a y ，d e l a yj i t t e r ，a n do t h e rp r o p e r t i e sb u ta l s o ac l e a rs t r i c tc o n s i d e r a t i o n i nt h ei n t e m e tj u s tf o rd a t at r a n s m i s s i o n ，h o wt oa c h i e v e c o s t - e f f e c t i v eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) g u a r a n t e eh a sb e c o m ea ni m p o r t a n ts u b j e c to fc o m p u t e r s c i e n c e d i 仟s e r vm o d e li nt h eq o sg u a r a n t e em o d e l ，c a ns u p p l yq o ss e r v i c ee f f e c t i v e l ya n d e c o n o m yi ni n t e r n e t i t ss i m p l ea n dc o n v e n i e n tf o r m so fa c h i e v i n gt h es c a l a b i l i t yp r o v i d et h e a p p l i c a t i o nw i t hab r o a dp r o s p e c t b u tw i t ht h eg r o w i n gs i z eo fn e t w o r k ，n e t w o r ka p p l i c a t i o n s c o n t i n u et od i v e r s i f y ； q o ss e r v i c e sb a s e do nt h et r a d i t i o n a le n d t o - e n di pa d d r e s sa n dr e l i e d s o l e l yo nc l i e n ts y s t e m so nt h es t r a t e g i e sa n da l g o r i t h m sh a v ed i f f i c u l t yi np r o v i d i n gas a t i s f a c t o r y g u a r a n t e eq o s ，s o i tw i l lb ed i f f i c u l tt om e e tt h eq o sn e e d so fd i f f e r e n tu s e r s t h e r e f o r e ，h o w t h ec u r r e n tr o u t e rt oa c h i e v er e l i a b l ea n de f f i c i e n t ，b a s e do ng r o u ps t r a t e g yq o ss e r v i c e s ，i st h e f o c u so f t h i sp a p e r f i r s t l yt h eh i s t o r yo fq o si sp r e s e n t e d ， w h i c hi n c l u d et h et h r e em o d u l e so fq o ss e r v i c e a n da n dt h ei n e v i t a b i l i t yf o rt h ed i f f s e r vr e p l a c et h eo t h e rm o d u l e s o nt h eb a s eo fd e e pr e s e a r c h o ft h ef u n c t i o n so fq o s ，t h i sp a p e ra n a l y z et h ef r a m eo ft h eq o sm o d u l ea n dt h ec b q a l g o r i t h m i ni n t r o d u c i n gt h em o d e lq o sr o u t e ro nt h eb a s i so ft h ep r o p o s e dn e s t e dc b qt h i n k i n g a n dd e s i g nb a s e do nt h er e a l i z a t i o no f t h en e s t i n gc b qr o u t e rs y s t e m f u r t h e rm o r e ，w ei m p r o v e t h er e l a t i v ep r o t o c o lo fr o u t i n ga r e a ，p r o p o s ean e wp r o t o c o l ，w h i c hc a ni m p l e m e n tt h e r e d u n d a n c yb a c k u pa n dl o a d b a l a n c ef o rq o ss y s t e mi n t e g r a t e di nr o u t e r k e yw o r d s ：q o s ，n e s t ，c b q ，r o u t e r ，i n t e m e t 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕盗叁堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我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。 学位论文作者签名：惭立砷 签字日期：纱路年石月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨宣盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：靳五叶 签字日期：如曙年月殳日 新躲苗缈 签字目期： 咯年多月2 日 第章绪论 1 1q o s 的发展历史 第一章绪论 随着i n t e r n e t 的快速发展，i p 协议取得了巨大的成功。i p 协议之所以取得了 巨大成功在于它的简单性，其设计的基本原则是“端到端”，把“智能”处理放 在网络的端点一源主机和目的主机，而使网络核心简单化。然而，这样的设计结 果是i p 只能提供“尽力而为”的服务，从而导致无法预测的数据分组延迟和数 据分组丢失率。 q o s ，即计算机网络的服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 。一般来讲，q o s 是指网 络在传输数据流时要求满足的一系列服务请求，强调端到端或网络边界到边界的 整体性，具体可以量化为带宽、延迟、延迟抖动、丢失率、吞吐量等指标。 在计算机网络诞生的初期，网络应用十分简单，带宽也很有限，在网络中几 乎没有任何q o s 保证机制。但是人们对于提高系统的服务性能和服务质量问题的 关注，也已经由来己久了。对计算机网络的q o s 的研究可以追溯到2 0 世纪8 0 年 代初期，在那时，一些有远见的研究者已经开始认识到了服务质量的重要性。s e i t z 和w e r t e n d y k e 等人在研究a r p a n e t 中的x 2 5 通信时，就已提出了基于用户的性 能评价问题，这也许是关于计算机网络q o s 研究的最早文献。但是很长一段时 间以来，由于计算机网络的性能所限，人们对q o s 的关注只停留在数据传输中的 正确率、吞吐量和延迟等单一服务质量的评价与控制上。直到2 0 世纪8 0 年代末 期，随着b i s d n 技术以及a t m 交换网的出现和分布式多媒体应用的急剧增加， 人们才开始系统地对q o s 管理和控制进行较为深入的研究。 随着i n t e m e t 商业化的巨大成功，网上传输的多媒体信息迅速增多，网络拥塞 现象日益严重，i n t e r n e t 的q o s i h - j 题研究也随之开始深入。世界各国的大学和研究 机构、标准化组织、计算机网络产品的开发商和网络运营商都纷纷投入到这一领 域的研究开发中来。i n t e r a c t 工程任务组( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，i e t f ) 于 1 9 9 7 年开始制订了有关q o s 定义与服务的一系列r f c ，这些r f c 中很多已经成为 了目前网络q o s 应用中的实际标准。i e t f 的典型工作是提出了两种不同的i n t e r n e t q o s 体系结构：综合服务( i n t e g r a t e ds e r v i c e ，i n t s e r v ) t 2 】和区分服务( d i 毹r e n t i a t e d s e r v i c e ，d i f f s e r v ) t ”。其中i n t s e r v 体系由于实现复杂度高，扩展性和鲁棒性较差， 并没有在i n t e r n e t 上得到广泛的应用，而d i f f s e r v 体系由于实现简单，可扩展性、 第一章绪论 灵活性以及通用性都较好，已经成为- i n t e m e t 网络中广泛应用的一种体系结构。 1 2q o s 策略简介 策略( p o l i c y ) 是规则和服务的结合，其中规则定义了资源存取和使用的标准。 一个策略为网络上设备选择的策略规则的集合，每个策略规则由一系列的条件和 相应的行为组成。条件定义了该策略规则何时有效。一旦策略规则被激活，其相 关的一至多个行为将按一定的规律执行。行为可以定义为满足条件时执行，也可 以定义为不满足条件时执行 4 儿5 l 。 传统不具备q o s 功能的交换机不具有提供传输品质服务的能力，它同等对 待所有的交通数据流，并不保证某一特殊的数据流会受到特殊的转发待遇。当网 络带宽充裕的时候，所有的数据流都得到了较好的处理，当网络拥塞发生的时候， 所有的数据流都有可能被丢弃。这种转发策略有时也被称做提供最佳效果服务， 因为这时交换机是尽最大能力转发数据，交换机本身的交换带宽得到了充分的利 用。 在遵循d i f f s e r v 体系的网络中，各交换机和路由器对包含同样分类信息的报 文采取同样的传输服务策略，对包含不同分类信息的报文采取不同的传输服务策 略。报文的分类信息可以被网络上的主机、交换机、路由器或者其它网络设备赋 予。可以基于不同的应用策略或者基于报文内容的不同为报文赋予类别信息。识 别报文的内容以便为报文赋予类别信息的做法往往需要消耗网络设备的大量处 理资源，为了减少骨干网络的处理开销，一般这种赋予类别信息的方式都使用在 网络边界。 交换机或路由器根据报文所携带的类别信息，可以为各种交通流提供不同的 传输优先级，或者为某种交通流预留带宽，或者适当的丢弃一些重要性较低的报 文、或者采取其他一些操作等等。这些独立设备的这种行为在d i f f s e r v 体系中被 称作每跳行为( p e r - h o pb e h a v i o r ) 。如果网络上的所有设备提供了一致的每跳行 为，那么对于d i f f s e r v 体系来说，这个网络就可以构成e n d t o e n dq o ss o l u t i o n 。 1 3 选题背景 尽管随着各种i p 技术和传输技术的不断发展，互联网用户数继续保持增长， 但是传统宽带业务经营模式的问题逐步开始暴露，最突出的表现就是运营商的 c a p e x 和o p e x 的增长速率远高于用户的增长速率，并且运营商非常关注的 a p r u 持续下降，运营商迫切希望通过提供差异化、丰富的业务来产生更多的价 第一章绪论 值。 随着各种应用技术的不断发展，企业用户越来越依赖网络提供的服务，希望 网络能够提供安全、可靠的专线、v o i p 以及会议电视等业务，从而降低企业的 运营成本。同时个人用户也已经不再满足于简单的通过网络获得i n t e r n e t 冲浪或 者f t p 下载等简单业务，而是期望能够从网络中通过多媒体获取更好的体验， 包括高质量的l p t v 、视频聊天、实时游戏等服务。 随着n g n 3 g 的大规模部署，n g n 3 g 承载网的建设将会得到运营商的重点 关注，如果能够通过带宽接入网来承载n g n 3 g 业务，这不仅能够加快n g n 3 g 的部署，并且能够大大降低整网解决方案的成本。 所有这些都要求能够在宽带接入网上提供丰富的业务，为了能够在单一的接 入网上承载这些具有q o s 需求的业务，要求宽带接入网具有q o s 处理能力。原 有路由器的q o s 功能根本不能满足业务的q o s 需求。为了能够在宽带接入网上 承载不同的q o s 需求，从而更加细致的分解数据流，提出了嵌套策略的设计思 想。 1 4 本论文的主要研究工作 本人在杭州华三通信技术有限公司平台软件部实习期间，参与了平台软件部 北京研究所的路由器q o s 嵌套c b q 开发项目，承担了嵌套c b q 模块的实现开 发。该系统主要是为了满足宽带接入网上承载不同的q o s 需求，从而达到细化 流分类的目的。 论文主要分为五个部分：第一章在介绍q o s 发展历史的基础上介绍本项目 的背景及论文结构；第二章介绍q o s 的基础知识，包括q o s 的定义，q o s 功能 及q o s 的服务模型；第三章具体介绍路由器中的q o s 模型，包括路由器的工作 原理及嵌套c b q 策略的整体模型框架；第四章着重介绍本项目的具体实现，从 算法、数据结构及函数实现三个方面进行描述；第五章的内容是在第四章系统实 现的基础上进行的改进，在路由器中实现高性能的q o s 系统。 第二章q o s 概述 第二章q o s 概述 为了更好地理解q o s 中嵌套c b q 策略的实现机制以及本文将要介绍的基于 路由器的q o s 系统的设计与实现，在本章中，将首先介绍q o s 的一般概念，并 介绍标准制订组织给出的q o s 定义。在本章中，还介绍了q o s 的三种服务模型， 即尽力服务( b e s t - - e o f f r t ，b e ) 、综合服务( i n t e g r a t e ds e r v i c e ，i n t s e r v ) 和区分服务 ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ，d i f f s e r v ) 模型。其中，重点介绍了d i f f s e r v 服务模型。 2 1q o s 的一般概念 q o s 即服务质量，一般专指计算机网络的服务质量。q o s 是一个十分广泛的 概念，并没有一个十分确切的定义。简单的说，可以采用r f c l 6 1 中对q o s 的描述： q o s 是网络在传输数据流时要求满足的一系列服务请求，具体可以量化为带宽、 延迟、延迟抖动、丢失率、吞吐量等性能指标。此处的服务具体是指数据包或数 据流经过网络节点是所接受的传输服务，强调端到端( e n d - t o e n d ) 或网络边界到边 界的整体性能。q o s 反映了网络元素如应用程序、主机或路由器在保证信息传输 和满足服务要求方面的能力。 另一种描述为p j ：q o s 是指发送和接受信息的用户之间以及用户与传输信息 的综合服务网络之间关于信息传输的质量约定。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。即，服务质量包括了用户的要求和网络服 务提供者的行为两个方面，是用户与服务提供者两方面主客观标准的统一。用户 的要求是指用户在i n t e m e t 上进行多媒体通信是所要求的服务类型以及相应的传 输性能和质量等；网络服务提供者的行为准则是指i n t e r n e t 针对某一类服务所能提 供和达到的性能与质量。 q o s 控制的目标是为i n t e r n e t 应用提供服务区分和性能保证：服务区分是指 根据不同应用的需求为其提供不同的服务；性能保证则要解决诸如带宽、丢失、 延迟、延迟抖动等性能指标的保证问题。然而，在网络中，特别是在i n t e r n e t 这 样大规模的全球网络中提供q o s 绝非易事，它需要0 s 1 的七层模型中所有层次 以及端到端的所有网络元素的整体协作。 q o s 与用户以及网络系统的关系如图2 1 所示。 第二章q o s 概述 综 图2 - 1q o s 与用户以及网络应用的要求 服务 q o s 可以控制各种网络应用和满足各种网络应用的要求，如： ( 1 ) 控制资源。如可以限制骨干网上f t p 使用的带宽，也可以给数据库访问 以较高优先级。 ( 2 ) 可裁剪的服务。对于一个i s p ，其用户可以传送语音、视频或其他实时 业务，q o s 使i s p 能区分这些不同的报文，并为他们提供不同的服务。 ( 3 ) 多种需求并存，可以为时间敏感的多媒体业务提供带宽和低时延保证， 而其他业务在使用网络时，也不会影响这些敏感的业务。 2 2q o s 定义 国际上的各个研究组织对q o s 分别提出了自己的定义。其中最大的两个组 织就是制定了开放系统互连( o s i ) 体系七层标准的国际标准化组织o s o ) 和 i n t e r n e t 工程特别工作组( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，i e t f ) 。本节主要介绍 这两个组织对q o s 的定义。 2 2 1i s o 组织对q o s 定义 最早开始计算机网络q o s f i 题研究的是i s o 组织。在对q o s 进行定义时，i s o 组织针对i s o 参考模型的七层协议，要求每层协议都要在向高层提供相应服务的 同时，提供如表2 1 所示的服务质量博】。 如表2 1 示，o s i 参考模型中的服务质量( q o s ) 是用参数方式进行定义的。即 当高层协议要求低层协议提供相应的服务质量时，高层协议向低层协议发送包含 q o s 参数值的服务数据单元，低层协议按高层协议的q o s 要求进行操作，如图 第二章q o s 概述 2 2 所示。 参数 含义 吞吐量单位时间内在一个连接上传递的最大字节数 传输延迟从数据传输请求开始到数据传输完成确认为止的时间间隔 出错率数据单元错传、丢失或重传的概率 建立连接延迟从请求建立连接开始到建立连接确认为止的时间间隔 连接失败率建立连接失败的概率 传输失败率传输失败的概率 重置率在给定时间内服务提供者释放连接或重置连接的概率 释放延迟从释放请求开始到释放确认为止的时间延迟 释放失败概率释放连接时失败的概率 按 n 层协议 ji q o ! r 进 ( 宅 输 1 r ( n 1 ) 层协议 图2 2o s i 参考模型的参数传递 2 2 2i e t f 组织对q o s 的定义 d u 传 ) i e t f 组织对i n t e m e t 的q o s 进行了大量的研究工作。i e t f 提出的一些关于 q o s 的定义和概念也是目前使用最广泛的。 在i et f 的r f c2 216 t 9 】中，将q o s 定义为：用带宽，分组延迟和分组丢失率等 参数描述的关于分组传输的质量。 传统的i n t e r n e t 只提供单一的服务质量，即尽力而为( b e s t e f f o r t ) 服务，在 该服务中，可利用的带宽以及相应的延迟特性都取决于网络的负载情况。 为了进一步描述q o s 控制过程和服务模型与视线框架，r f c 2 2 1 6 定义了网 络元素( n e t w o r ke l e m e n t ) 、流( f l o w ) 、服务( s e r v i c e ) 、行为( b e h a v i o r ) 、特性化 ( c h a r a c t e r i z a t i o n ) 、以及相应的流量规范( t r a f f i cs p e c i f i c a t i o n ，t s p e c ) 、服务要求 第二章q o s 概述 规范( r e q u e s ts p e c i f i c a t i o n ，r s p e c ) 以及q o s 控制有关的其他词语定义。其中： ( 1 ) “网络元素”是指任何一个可在i n t e m e t 网络中处理数据分组的构件，它 具有在数据通过时进行q o s 控制的能力。网络元素包括路由器、子网、端主机 系统的操作系统等。 ( 2 ) “流”则指具有相同q o s 要求和服从同一q o s 控制方法的通过某个网络 元素的分组集合。在一个给定的网络元素中，一个流的分组可以来自于某个单一 的应用，也可以来自于不同的应用。 ( 3 ) “服务”描述网络元素的q o s 控制能力。服务包括规范和功能两大部分。 ( 4 ) “行为”是指与q o s 相关的端到端性能。行为是应用直接可见的由服务 提供的最终结果。 ( 5 ) t s p e c 是要求服务提供的流量描述。 ( 6 ) t s p e c 实际上是一份数据流和网络元素提供的服务之间的合同。r s p e c 则 是用户对网络元素的q o s 要求。 目前，e i t f 所定义的这些名词已经成为了q o s 技术中的通用概念。 2 3q o s 服务模型 在i pq o s 网络架构的基础上，i e t f 已经建议了很多服务模型和机制，以满 足q o s 的需求。其中比较有名的有：b e s t e f f o r t 尽力而为服务模型，i n t s e r v ( i n t e g r a t e ds e r v i c e ) 综合业务模型，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 ) 区分业务模型 等。 2 3 1 尽力而为( b e s t e f f o r t ) 体系结构 b e s t e o f f a 服务模型是目前i n t e r n e t 网络中最基本的服务模型。对于b e s t e o f f r t 服务模型，应用程序可以在任何时候发出任意数量的报文，而不需要事先获得批 准，也不需要通知网络。而网络设备也尽最大的能力对报文进行转发，但对时延、 可靠性等性能不提供任何保证，在报文排队机制上，则使用最简单的先进先出 ( f f i o ) 机制。在这种模型中，报文在传送时很容易造成报文丢失，报文重复或报 文失序等情况。在传统的i n t e r n e t 网络中，这类问题只能靠面向连接的传输层协议 t c p 协议来解决：在发送数据包的时候，t c p 协议给每个数据包指定一个序号， 并且直到收到了接收方发回的应答消息后，才确认数据包发送成功。在b e s t e o f f r t 服务模型中，拥塞的避免主要是靠t c p 协议的慢启动算法和拥塞避免算法【l0 】实现 的。所以在这种模型中，q o s 只能靠发起t c p 会话的网络两端的终端用户来保证， 而网络中间节点并没有主动参与至l j q o s 保证中来。 第二章o o s 概述 在b e s t e o f f r t 服务模型中，数据包的传输延迟也是不可预测的，所以具有很 差的延迟抖动性能。同时对于需要保证带宽的实时应用，b e s t e o f f r t 服务模型也 不能给予特殊的处理。这使得b e s t e o f f r t 服务模型已经不适合于目前i n t e m e t 中 大量的多媒体应用了。于是需要提出一种新的q o s 服务模型。 2 3 2 综合服务资源预留( i n t s e r v 瓜s v p ) i n t s e r v 模型是i e t f 于1 9 9 4 年在r f c l 6 3 3 中提出来的基于i p 的q o s 协议 模型，它引入了资源预留的概念，是一个基于流的、状态相关的体系结构。通过 提供高精度和细粒度的服务，能很好地保证服务质量，同时可支持一个源到一个 目的地和一个源到多个目的地的q o s 服务。其基本思想是一个应用要想获得某 种服务质量，必须在向网络传送流量之前请求网络为其预留所需资源。因此从某 种意义上来说i n t s e r v r s v p 实际上是提供了一种类似于电路级的服务质量。 综合服务模型定义了三种级别的服务： ( 1 ) 有保证的服务( g s ) ：保证带宽，限制时延，无丢包； ( 2 ) 受控负载的服务( c s ) ：模拟用户在没有重负载和拥塞时的服务模式，是 一种定性的指标； ( 3 ) 尽力而为的服务( b s ) ：类似于目前i n t e r n e t 网上提供的服务，没有任何 可控制的质量保障。 i n t s e r v 体系的核心是资源预留协议( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l ，r s v p ) 。 r s v p 是一个用于资源预留的信令协议，其预留建立在流的基础上，流由i p v 4 的地址字段或l p v 6 的流标识来指定，r s v p 在进行资源预留时采用了多播树的方 式。发送端发送p a t h 报文给所有的接收端指明通信量的特性，每个中间的路 由器都要转发p a t h 报文，而接收端用r e s v 报文进行响应，路径上的每个路 由器对r e s v 报文的请求都可以拒绝或接受，当请求被某个路由器拒绝时，路由 器就发送一个错误报文给接收端，从而终止了这一信令过程；当请求被接受时， 链路带宽和缓存空间就被分配给这个分组流，而有关流的状态信息就保留在路由 器中。为了适应网络拓扑路由及q o s 要求的变化，r s v p 请求及路由维护的状 态信息要做周期性的刷新，至此，预留通路就建立起来了。具有r s v p 的结点收 到分组，将分组分类，按照r s v p 控制通路建立资源预留时的分组分类标准将该 分组送到相应的输出队列中，并由转发机制按一定的优先级算法转发出去。 i n t s e r v r s v p 模型虽然能提供绝对保证的q o s ，但是在此模型中状态信息的数 量与流的数量成正比，从而占用了大量的路由器存储空间和处理开销。同时要进 行端到端的资源预留，对路由器的要求高，实现复杂，所以扩展性差，很难在大 型网络中实施。 第二章q o s 概述 2 3 3 区分服务( d i f f s e r v ) 体系结构 为了解决i n t s e r v 的一些缺点，i e t f 在1 9 9 7 年酝酿并于1 9 9 8 年提出了区分 服务( d i f f s e r v ) 体系结构。d i f f s e r v 的初衷就是避免高复杂性，提供一种具有良好 可扩展性的q o s 解决方案，其核心思想是“边缘分类，内部转发n od i f f s e r v 力 图不改变网络的基础结构，但是在路由器中增加区分服务的功能。因此，d i f t s e r v 将i p 协议中原有8 b i t 的l p v 4 的服务类型字段和i p v 6 的通信量类字段重新定义为 区分服务字段d s 。路由器根据d s 字段的值来处理分组的转发。 因此，利用d s 字段的不同数值就可提供不同等级的服务质量。根据因特网 的建议标准r f c 2 4 7 4 ，d s 字段现在只使用占6 b i t 的前一部分一区分服务码点 d s c p ，后面2 b i t 标记为c u ，表示暂时未用，如图2 3 所示。 d s c pc u 图2 3i p 包头的区分服务标记域 在实施d i f f s e r v 的网络中，每一个路由器都会根据数据包的d s c p 字段执行 相应的p h b ( p e rh o pb e h a v i o r ) 行为，主要包括以下三类p h b ： ( 1 ) e x p e d i t e df o r w a r d i n g ( e f ) ：主要用于低延迟、抖动和丢包率的业务，这类 业务一般运行一个相对稳定的速率，需要在路由器中进行快速转发。 ( 2 ) a s s u r e df o r w a r d i n g ( a f ) ：这类业务在没有超过最大允许带宽时能够确保 转发，一旦超出了最大允许带宽，则将转发行为分为4 类，并对应3 个不同的丢 弃优先级，其中每一个确保转发类都被分配了不同的带宽资源。 ( 3 ) b e s t e f f o r d ( b e ) - 尽力转发，主要用于对时延、抖动、和丢包不敏感的业 务。 2 4q o s 功能 在2 3 节中，讨论了q o s 的三种服务模型，但是并未讨论q o s 的具体功能。 本节将讨论为了实现这些服务模型( 主要是d i f f e r s e r v 模型) 所定义的q o s 质量保 证目标所必须实现的功能。 一般来说，q o s 应实现以下功能： ( 1 ) 报文分类。 ( 2 ) 流量监管和流量整形。 第二章q o s 概述 ( 3 ) 拥塞管理和拥塞避免。 在这些技术中，报文分类是基础，它根据一定规则识别出报文并将其分类， 是有区别地实施服务的前提；而流量监管、流量整形、拥塞管理和拥塞避免从不 同的方面对网络流量及其分配的资源进行控制，是有区别地进行服务的思想的具 体体现。 2 4 1 报文分类 报文分类是指路由器基于一个或多个报文头的字段( 或报文的内容) ，把报文 分类到相应的流服务类的过程。所有的属于同一个流的报文应遵守事先规定的 规则，并由路由器按照相同或相似的方式进行处理或标记。 事先规定的规则称为过滤规则，所有规则的集合称为分类器( 或规则库) 。每 个分类规则关联一个行为( b e h a v i o o ，以便对符合该规则的报文做相应的处理或 标记。流分类规则可以使用i p 报文头的t o s 字段的优先级位，识别出有不同优 先级特征的流量；可以使用a t m 信元头中第四个字节的最后一位即c l p ( c e l l l o s sp r i o r i t y ，信元丢失优先级) 位，识别不同的优先级；也可以由网络管理者设 置流分类的策略，例如综合源地址、目的地址、m a c 地址、i p 协议或应用程序 的端口号等信息对流进行分类。一般的分类依据都局限在封装报文的头部信息， 使用报文的内容作为分类的标准是比较少见的。分类的结果是没有范围限制的， 它可以是一个由五元组( 源地址、源端口号、协议号码、目的地址、目的端口号) 确定的狭小范围，也可以是到某网段的所有报文。一般在网络边界对报文分类时， 同时设置报文i p 头的t o s 字段中的优先级位，这样，在网络的内部就可以直接 使用护优先级作为分类标准。而队列技术如w f q 也可以使用这个优先级来对报 文进行不同的处理。下游( d o w n s t r e a m ) 络可以选择接收上游( u p s t r e a m ) 网络的分 类结果，也可以按照自己的标准重新进行分类。 进行流分类是为了有区别地提供服务，它必须与某种流控或资源分配动作关 联起来才有意义。具体采取何种流控动作，与所处的阶段以及网络当前的负荷状 况有关。例如，当报文进入网络时依据承诺速率对它进行监管；流出结点之前进 行整形；拥塞时进行队列调度；拥塞加剧时要采取拥塞避免措施等。 2 4 2 流量监管和流量整形 如果不限制用户发送的流量，那么大量用户不断突发的数据只会使网络更拥 挤。为了使有限的网络资源能够更好地发挥效用，更好地为更多的用户服务，必 须对用户的流量加以限制。比如限制每个时间间隔某个流只能得到承诺分配给它 的那部分资源，防止有用过分突发所引发的网络拥塞： 第二章q o s 概述 流量监管和流量整形就是一种通过对流量规格的监督，来调节流量及其资源 使用的流控策略。进行流量监管或整形有一个前提条件，就是要知道流量是否超 出了规格，然后根据评估结果实施调控策略。一般用令牌桶( t o k e nb u c k e t ) 算 法对流量的规格进行评估。图2 4 为令牌桶算法的示意图。 囫囹 午玄 圜圜圜 图2 4 令牌桶算法示意图 如图2 - 4 所示，令牌桶中装有令牌，它有一定的容量。系统按照一定的速率 匀速地向桶中放入令牌，当令牌桶满后，新产生的令牌将被丢弃。待发送的分组 在桶外缓冲区中排队，桶中有多少令牌就可以发送相应于令牌个数的分组，当桶 空时，停止发送数据，新来的分组就要等待生成新令牌或被丢弃。令牌桶的好处 是，当数据流量的速率小于令牌产生的速率时，令牌可以在桶中积累，如果有高 速率的突发数据量到来，也可被快速输出。所以令牌桶算法有利于缓解突发流量 造成的网络拥塞。在实际应用中，流量监管通常由承诺访问速( c o m m i t t e da c c e s s r a t e ，c a r ) 技术实现，流量整形通常由通用流量整形( g e n e r a lt r a f f i cs h a p i n g ，g t s ) 技术实现。这两种技术都是基于令牌桶算法的，但不同的是，c a r 中得不到令 牌的分组将被直接丢弃，以达到限制流量的目的，如图2 5 所示。 第二章q o s 概述 需由此接口发送 殴塑塞 - 口日日 需由此接口发送 的丝塞 - 曰曰日 曰 图2 5c a r 原理图 丢弃 按规定速率向桶内存放令牌 图2 - 6g t s 原理图 而g t s 技术将得不到令牌的报文放入一个缓存队列，当令牌桶中有足够的 令牌时，再匀速地向外发送这些报文，使得数据流量的速率比较平稳，达到“整 形”的目的。由于引入了缓存队列，所以流量整形技术会增加报文延迟，而流量 监管技术则几乎不会带来额外的延迟。如图2 - 6 所示。 2 4 3 拥塞管理和拥塞避免 自从i n t e r n e t 诞生之日起，拥塞问题就一直是一个难以解决的问题。所谓拥 第二章q o s 概述 塞，是指一种持续过载的网络状态，对于网络中间节点来说，就是数据流进入网 络节点的速率超出了网络节点的处理能力，或者入接口上数据报文进入的速率超 出了出接口上数据的输出的速率，其中后者通常是由于网络设备两端所连接的网 络带宽不一致导致的，如果网络节点的上游链路的带宽大于下游链路的带宽，那 么在此节点向下游链路转发数据流的出接口处就会发生拥塞。就护网络的体系结 构而言，拥塞的发生是其固有属性。因为在事先没有任何协商和请求许可机制的 资源共享网络中，几个i p 分组同时到达路由器，并期望经过同一个输出端口转 发的可能性是必然存在的，此时所有的分组不可能同时接受处理，它们之间必须 有一个服务顺序，所以需要在中间节点上设置一定的缓存来为等候服务的分组提 供保护。当没有足够的存储空间来保存这些分组时，它们其中的一部分就会丢失。 分组的丢失又可能会导致发送该分组的主机或路由器因超时而重传此分组，这将 导致恶性循环。 l 够 一 巴 您 负载 图2 7 负载与吞吐量之间的关系 拥塞的直接结果是分组丢失率提高，端到端延时加大，甚至有可能使整个系 统发生崩溃，当网络处于拥塞崩溃状态时，微小的负载增量都将使网络的有效吞 吐量( g o o d p u t ) 急剧下降。图2 7 刻画了负载与吞吐量之间的关系：当负载较小时， 吞吐量与负载之间呈线形关系：到达膝点后，随着负载的增加，吞吐量的增量逐 渐变小；当负载越过崖点之后，吞吐量却急剧下降。通常将膝点附近称为拥塞避 免区间，膝点和崖点之间是拥塞恢复区间，而崖点之外是拥塞崩溃区间。 为了最大限度地利用资源，网络工作在轻度拥塞状态时应该是较为理想的， 但这也增加了滑向拥塞崩溃的可能性，因此需要定的拥塞控制机制来加以约束 和限制。在路由器这样的网络中间节点上，拥塞控制机制包括拥塞避免和拥塞管 理两个方面。 1 拥塞避免 第二章q o s 概述 拥塞避免是指通过监视网络资源( 如队列或内存缓冲区) 的使用情况，在拥塞 有加剧的趋势时，主动丢弃报文，以调整网络流量并解除网络过载的一种流控机 制。拥塞避免通常通过队列管理机制实现，即通过选择何时丢弃何种业务流分组 来控制队列长度。在路由器中最常用的队列管理策略是尾丢弃( t a i ld r o p ) 策略。尾 丢弃是一种最简单的丢弃策略，它在队列满后，将新到达的分组全部丢弃。尾丢 弃容易造成数据流的全局同步现象，同时也会使队列保持在持续的满队列状态。 于是产生一种称为主动队列管理( a c t i v eq u e u em a n a g e m e n t ，a q m ) 的技术。它可 以在拥塞到来之前就采取一定的行为，提前避免拥塞的产生。a q m 技术将在第 三章中进行比较详细的介绍。 2 拥塞管理 对于网络单元，当分组到达的速度大于该接口发送分组的速度时，在该接口 处就会产生拥塞。如果没有足够的存储空间来保存这些分组，它们其中的一部分 就会丢失。分组的丢失又可能会导致发送该分组的主机或路由器因超时而重传此 分组，这将导致恶性循环。拥塞管理的中心内容就是当拥塞发生时如何制定一个 资源的调度策略，决定报文转发的处理次序。 对于拥塞管理，一般采用排队技术，使用一个队列算法对流量进行分类，之 后用某种优先级别算法将这些流量发送出去。每种队列算法都是用以解决特定的 网络流量问题，并对带宽资源的分配、延迟、延迟抖动等有着十分重要的影响。 最简单的一种调度算法是先入先出( f i r s ti nf i r s to u t ，f i f o ) 队列，另外还有优 先队y u ( p r i o r i t yq u e u e ，p q ) 和加权公平队y l j ( w e i g h t e df a i rq u e u e ，w f q ) 等。 2 5q o s 模块的框架 为了阐述清楚我们的实现，首先要从一般的概念和分析数据包经过q o s 模 块时的基本逻辑流程开始。图2 8 描述了模块的主要部件： 模块中有四个主要部件：分类器( c l