（计算机应用技术专业论文）基于ip网络的qos研究与应用.pdf

武汉理- 下大学硕士学位论文 摘要 q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 即服务质量是一个综合指标，用于衡量使用一个服务 的满意程度。随着网络技术的飞速发展，互联网应用的普及，网络服务类型也 呈现出多样化特点，由传统的单一数据传输服务发展到视频、音频等多媒体服 务。网络服务类型差异，对网络资源提出的需求也就不同。 而i p 网络的初衷仅仅是提供一种称之为“尽力而为”( b e s t e f f o r t ) 的服务， 对i p 包传递的可靠性和时延等不提供任何保证，这对于只要求准确率而对时延 没有严格要求的数据业务来说是合适的，而对于话音、视频等各种实时性新型 业务，其服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 是难以保证的。如何实现端到端 的q o s 已经成为一个棘手的课题摆在人们面前。i p 网络不能保证业务特定的q o s 要求己经成为i p 网络向宽带综合服务网络发展的巨大障碍。如何解决i p 网络的 q o s 要求，以使网络能够灵活地根据业务的具体特点提供给客户满意的服务， 是i p 业界亟待解决的问题。 论文首先简要介绍了q o s 的定义，阐述了目前国内外i pq o s 的研究现状， 然后介绍了i pq o s 研究的意义和i p 网络目前存在的不足，并提出了研究i p 网 络q o s 所需要解决的问题。在此基础上，详细介绍了目前现有的各种q o s 实现 机制，包括综合服务( i n t s e r v ) 模型、区分服务( d i f f s e r v ) 模型、多协议标记交换 ( m p l s ) 矛i j 各种相关技术的基本原理、工作方式，指出它们各自的优缺点和网络 应用环境，但这些机制都无法单独实现完全的q o s 保证，于是还出现了将 i n t s e r v r s v p 与d i f f s e r v ，m p l s 与i n t s e r v r s v p 、d i f f s e r v 相结合的技术，意 在采取互补的技术，将其结合，互相合作共同来实现i p 网络中端到端的q o s 机 制。然而，这些方案只是解决了q o s 中的部分问题，于是论文研究了基于m p l s 的下一代网络模型，它着眼于全局网络，提供完全的端到端的q o s 保证，它是 一种将i n t s e r v 模型、d i f f s e r v 模型与m p l s 技术相结合的模型。随后，介绍了 令牌桶算法在i pq o s 中的应用，详细介绍了其实现原理及其流程，提出了现有 算法的不足并对算法做了相应的改进。最后，总结了论文的成果和不足，提出 了现有i pq o s 所存在的问题，并提出了今后的研究方向。 关键词：服务质量；区分服务：综合服务；多标记标签服务；令牌桶 武汉理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t q u a l i t yo fs e r v i c ei sac o m p o s i t ei n d i c a t o r , w h i c hi su s e dt om e a s u r et h e s a t i s f a c t i o no fas e r v i c e a l o n gw i t ht h er a p i dd 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 y a n dt h ew i d e ra p p l i c a t i o no fi n t e r n e t ，t h en e t w o r ks e r v i c ea l s o p r e s e n t st h e c h a r a c t e r i s t i c so fd i v e r s i f i c a t i o n ，f r o mt r a d i t i o n a ld a t a t r a n s f e r r i n gb u s i n e s st o m u l t i m e d i ab u s i n e s ss u c ha sv i d e o ，a u d i oa n ds oo n d i f f e r e n tn e t w o r ks e r v i c e s r e s u l ti nd i f f e r e n tn e t w o r kr e s o u r c er e q u e s t s h o w e v e r , t h eo r i g i n a li n t e n s i o no fl pi s j u s tt os u p p l yak i n do f b e s te f f o r t s e r v i c ew i t h o u tg u a r a n t e eo ft h er e l i a b i l i t ya n d t i m ed e l a yo ft h ei pp a s s a g e i ti ss u i t a b l ef o rt h o s ed a t ao p e r a t i o nt h a td e m a n d s a c c u r a c y , b u tn o tt i m ed e l a y ；w h i l ef o rt h o s er e a l - t i m eo p e r a t i o n s ，s u c ha sv o i c ea n d v i d e o ，t h eq u a l i t yo ft h es e r v i c ec a nn o tb eg u a r a n t e e d h o wt od e a lw i t hq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) f r o mp e e rt op e e r ? w i t hp r e s e n ti pr o u t i n gt e c h n o l o g ya n d n e t w o r ks t r u c t u r e ，i ti sn o te a s yt oe x p a n dt h ew h o l en e t w o r ka n dt op r o v i d ev a r i o u s s e r v i c e s n o tu n d e r t a k i n gq o sr e q u i r e m e n th a sb e c o m et h eo b s t a c l eo ft h ei p n e t w o r k sd e v e l o p m e n t h o wt or e s o l v et h ep r o b l e ma n dp r o v i d et h es a t i s f i e ds e r v i c e a c c o r d i n gt ot h es p e c i a lp r o c e e d i n gf l e x i b l yn e e d si n s t a n ta n s w e r s f i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e f i n i t i o no fq o s ，e x p a t i a t e st h er e s e a r c hs t a t u so f i pq o sa th o m ea n da b r o a d ，a n dt h e ni n t r o d u c e st h er e s e a r c h i n gm e a n i n go fi pq o s a n dt h ed e f i c i e n c yi ni pn e t w o r k s ob r i n g sf o r w a r dt h ep r o b l e m st h a tn e e dt os o l v e o nt h a tb a s i s ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sa l lk i n d so fm e c h a n i s m sf o rq o sr e a l i z i n ga t p r e s e n t ，i n c l u d i n g i n t s e r vm o d e l ，d i f f s e r vm o d e l ，m p l sa n dk i n d so fr e l a t e d t e c h n i q u e sa n dt h e i rb a s i cp r i n c i p l e sa n dw o r k i n g ，a n dp o i n t so u tt h e i r sa d v a n t a g e s ， d i s a d v a n t a g e sa n dt h ea p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t s ，b u ta l lt h o s em e c h a n i s m sc a n t r e a l i z et h ec o m p l e t eq o s g u a r a n t e eb yt h e m s e l v e s ，s oe v e na p p e a r st h et e c h n i q u e so f i n t s e r vm o d e lc o m b i n e dw i t hd i f f s e r vm o d e l ，m p l sc o m b i n e dw i t hi n t s e r vm o d e l ， a n dm p l sc o m b i n e dw i t hd i f t s e r vm o d e l ，w h i c hw a n tt ol e a r nf r o mo t h e r ss t r o n g p o i n t sa n dc l o s et h eg a pa n dh e l pe a c ho t h e rt or e a l i z et h eq o sm e c h a n i s m sf r o mp e e r t op e e r h o w e v e r , t h o s ep r e c e p t so n l ys o l v ep a r to ft h ep r o b l e m s t h e r ei san e wm o d e l 武汉理工大学硕士学位论文 b a s e do nm p l s ，w h i c hi sw i t hav i e wt ot h ew h o l en e t w o r k ，a n dp r o v i d e sf u l lq o s g u a r a n t e ef r o mp e e rt op e e r 1 l l en e wm o d e li sam o d e lw h i c hi sc o m b i n e dw i t ht h e m o d e l so fi n t s e r v , d i f f s e r va n dm p l s s u b s e q u e n t l yt h ep a p e ri n t r o d u c e st h et o k e n b u c k e ta l g o r i t h m sa p p l i c a t i o ni ni pq o s ，i t sb a s i cp r i n c i p l ea n dt h ef l o w , b r i n g s f o r w a r dt h ed e f i c i e n c yo ft h ea l g o r i t h ma n dg i v e st h ed e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h e m o d i f i e da l g o r i t h m a tl a s t ，t h ep a p e rs u m su pt h ea c h i e v e m e n t sa n dd e f i c i e n c i e s ， b r i n g sf o r w a r dt h ee x i s t e n tp r o b l e mi ni pq o s ，a n dg i v e st h er e s e a r c hd i r e c t i o nf o r t h ef u t u r e k e y w o r d s ：q o s ，i n t s e r v , d i f f s e r v , m p l s ，t o k e nb u c k e t 独创性声明 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研究成 果。尽我所知，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 经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或者其他教育机构的学 位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文 中做了明确的说明并表示了谢意。 签名：上裤日期：圳7 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：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电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) ( 蚴：瑶耳新( 2 鼍夺日期卅、f 咿 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章介绍研究i pq o s 的重要性及i pq o s 的研究现状和在路由器中的应用现 状，最后阐述论文的研究内容。 1 1 引言 进入上世纪末，i p 网络得到了前所未有的发展并且正在向下一代网络演 化i lj ，同时网络服务也呈现出多样化的特点，传统的非实时性业务已经不能满足 人们的需求，随之产生的是视频、音频、电视会议等对实时性要求很高的多媒 体业务，而传统的i p 网络只能提供“尽力而为”的服务【2 ，3 j ，这种“尽力而为”的服 务不能满足多媒体业务的低延迟要求，单纯的只是增加中继带宽，并不是解决 问题的最佳手段。而v o i p 技术、i p t v 技术、3 g 、视频监控、视频会议等这些 新兴的通信业务，下一步还都将以i p 网络为承载，如何才能保证这些对通信质 量要求较高的通信业务能正常的发展，是摆在通信运营商面前比较迫切的问题。 q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 技术顾名思义就是对各种服务提供传输质量保证的技术。 现阶段，随着通信技术的不断发展，网络设备的不断更新，已经可以为各种q o s 部署提供这方面的保证，通过端到端q o s 的实现，可以有效的利用带宽，保证 重要用户的重要业务的通信质量，保证对实时性要求较高的业务的服务质量， 减少垃圾流量对网络带宽的占用，使网络的流量分配更合理从而提高用户的满 意度。 网络中，服务质量( q o s ) 的研究有三个主要的意义。一是对q o s 有严格要求 业务的出现，如交互式实时多媒体业务、i p 电话等：二是通过q o s 研究，有助于 提高网络效率，降低网络成本：三是运营商可以通过q o s 机制，按照不同用户对 服务质量的不同要求，提供多种有区别的服务，提高用户的满意度，同时提高 网络运营商的收益。因此，服务质量的研究重点是如何提高网络提供q o s 保证 的能力，而最终研究的目标是保证用户对q o s 的要求。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2i pq o s 的定义 目前q o s 还是一个比较新的概念，由于一些历史原因，不同研究组织，如 i t u ( i n t e r n a t i o n a l t e l e g r a p hu n i o n ，国际电报联盟) ，e t s i ( e u r o p e a n t e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e ，欧洲电信标准协会) ，i s o ( i n t e m a t i o n a l o r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d s ，国际标准化组织) ，i e t f ( t h ei n t e m e te n g i n e e r i n gt a s k f o r c e ，互联网工程任务组) 等对于i p q o s 给出了不同的定义，这些定义的内涵 不尽相同。可以说，随着i p 技术在电信领域中应用范围的不断扩大，i pq o s 概 念从外延到内涵都得以扩展，所以研究i p 网络服务质量i pq o s 问题有必要对i p 网络的q o s 下一个明确的定义1 4 j 。 任何服务都要考虑质量，在通信和计算机网络中，服务质量简称q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ) 。q o s 的提出始于a t m 交换机。今天学术界普遍认为q o s 有广义与狭 义之分：狭义q o s 指技术指标( 传输延迟，抖动，时延，丢失率，带宽要求等) ； 而广义q o s 指资源调配与利用、层与层之间的协商，从而设计不同层次的q o s ， 这里主要研究狭义q o s 。q o s 在i e t f ( i n t e r n e t 规划与发展的主要标准化组织) 中定 义为“as e to fs e r v i c er e q u i r e m e n t st ob em e tb yt h en e t w o r kw h i l et r a n s p o r t i n ga f l o w ，及网络在传输数据流时要满足的一系列服务要求，具体可以量化为传输延 迟、抖动、丢失率、带宽要求、吞吐量等指标。再具体一点，i p 网络的q o s 是指 某个主机上的应用向其他主机上的应用发出一系列的数据包流时的平均速度、最 大速率、数据包的延迟时间、抖动、数据包的丢失率等。i t u 关于q o s 问题的研 究开展的比较早，最早相关的建议在2 0 世纪6 0 年代，当时的q o s 主要指传统电 话业务的性能，但是随着i p 技术在电信领域的应用，q o s 概念的内涵得以扩展， i t u 发布了一系列的推荐标准( 建议) ，这里i pq o s 的行为主体是指用户、电信 业务提供商( s p ) 、电信网络提供商( n p ) 。用户与电信业务提供商之间、电信业 务提供商与电信业务提供商之间签订s l a ( s e r v i c e l e v e la g r e e m e n t ，服务等级协 议) ，并按照s l a 中规定的服务功能和性能指标来确定服务的质量，与i e t f 相比， i t u t 的i pq o s 不单指网络层q o s ，还包括应用层q o s 。由于e t s i 和l t u 均属于 电信领域的研究机构，并且两个组织的研究人员在i pq o s 研究领域有重叠，因此 可以认为i t u 与e t s i 对i pq o s 的概念理解上基本相同，均是从网络运营的角度， 基于各个网络运营试题来定义的。i s o 的o s i 网络七层协议栈模型一直是计算机 网络协议和电信网络协议设计、分析、实现的重要参考，i s o 认为各个网络层次 武汉理工大学硕士学位论文 之间、对等层次之间都存在服务和被服务的关系，因此也存在服务质量的概念， 因此，q o s 不只局限于网络层和应用层，它存在与网络的各个协议层次之间，只 要有服务的地方就势必有服务质量的概念。i s o 对q o s 的定义可以看作是i e t f ， i t u ，e t s i 等组织关于q o s 定义的内涵的超集【5 l 。 当前，i p 网络的服务质量主要有以下一些衡量指标： 1 ) 可用性 可用性是指用户能够适用i p 业务可用性功能的时间间隔占i p 业务全部时间 间隔的百分比。可用性主要是设备可靠性和网络存活性相结合的结果。对它起作 用的还有一些其他因素，包括软件稳定性以及网络升级时不中断服务的能力。 2 ) 吞吐量 吞吐量是指网络中i p 包的传输速度，可表示为平均速率活峰值速率。网络 的吞吐量是衡量网络能够成为一个i p 流转发报文的能力，主要取决于链路速率、 结点设备的端口速率，以及网络的业务量状况。 3 ) 延迟 延迟指i p 包从网络入口点到达出口点所需要的传输时问间隔。产生时延的 因素很多，包括分组时延、排队时延、交换和路由时延、传播时延和跳数等。 4 ) 丢包率 丢包率是指i p 包在网络结点之间传输时丢失的i p 包数的比值。当网络拥塞、 传输损伤、超过生存周期( t t l ) 时，丢包就可能发生。 5 ) 延迟抖动 延迟抖动是指在一段测量时间间隔内，最大i p 包传输延迟与最小i p 包传输 延迟的差值( 也有其他延迟抖动定义，这是最普遍的一种) 。高频率的延迟变化 称作抖动，而低频率的延迟变化就称作漂移。抖动主要是由于业务流中相继分 组的排队等候时间不同引起的，是对服务质量影响最大的一个问题。 1 3i pq o s 的国内外研究现状 q o s 是指不同的应用可以向网络提出一组复杂的需求6 1 ( 如带宽，延迟、延 迟允许范围、可靠性和传输费用等) ，如果有满足这些需求的资源，网络将允许 为应用提供这种服务质量需求，并且与应用达成协议并建立连接。关于q o s 的 研究模型主要有两种，一种是互联网工程任务组i e t f ( t h ei n t e m e te n g i n e e r i n g 武汉理工大学硕士学位论文 t a s kf o r c e ) 于上世纪9 0 年代初期提出的综合服务模型i n t s e r v ( i n t e r g r a t e d s e r v i c e s ) t ”，综合服务模型是指利用r s v p ( 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 ，资源预 留协议) 协议【8 】在数据包转发之前通过协议信令协商预留资源，是一种基于流的 q o s 技术，它的优点是能够提供绝对有保证的q o s ，但是伸缩性不好，对路由 器要求较高，最大的弊端是不适合短周期的数据流【9 j ，不符合i p 网的发展趋势， 于是i e t f 组织于1 9 9 8 年提出区分服务模型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 s ) f 1 0 j ， 区分服务模型【l l 】的优点是伸缩性好，易扩展，这是一种基于类的q o s 技术，将 数据流聚合成有限数量的类，针对不同的类，分配不同的优先级，从而提供分 级服务，并通过多种算法的有效结合保证网络资源的服务质量引，而且便于在 路由器中实现。所以在应用上各大通信设备商都主要支持d i f f s e r v 模型，而不是 i n t s e r v 模型，因此i pq o s 的发展趋势是d i f l s e r v 模型，由于在r f c 中并没有规 定d i 船e r v 模型的具体实现方式，而是仅仅给出模型框架，因此国内外各大通信 设备商在d i f f s e r v 模型框架下的i pq o s 实现方式上有很多不同之处。 1 4i pq o s 研究的意义 众所周知，服务质量己成为当今网络发展的一个重要课题，网络中的服务 是面向不同的用户的，提供包括及时性、准确性和高效率几个方面的服务质量。 在i p 网络中，服务质量( q o s ) 的研究有三个主要的意义：一是对q o s 有严格要 求业务的出现，如交互式实时多媒体业务、i p 电话等；二是通过q o s 研究，有助 于提高网络效率，降低网络成本：三是运营商可以通过q o s 机制，按照不同用户 对服务质量的不同要求，提供多种有区别的服务，提高用户的满意度，同时提 高网络运营商的收益。因此，服务质量的研究重点是如何提高网络提供q o s 保 证的能力，而最终研究的目标是保证用户对q o s 的要求。 由于i p 协议是i n t e m e t 中使用最为广泛的网络层协议，所以研究l p 网络的 q o s 保障机制能够有效地解决i p 新业务以及实时业务推广应用中碰到的问题。 这样，网络用户就不仅能够浏览页面，还可以享受实时响应和交互式服务带来 的巨大乐趣。从而彻底改变人们对网络的认识。远程教育、网上订购、网络电 话等业务也将得到较快发展。因此，研究i p 网络q o s 不仅有学术上的价值，更 有巨大的实用价值。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 论文的主要研究内容及章节安排 论文在学习与研究工作的基础上，围绕着在i p 网络中实现服务质量q o s 保 证的相关技术，研究了q o s 在i p 网络中的应用，并以此为基础，讨论了与q o s 相关的令牌桶算法在i p 网络中的应用以及其改进算法。 论文的主要研究工作有：深入研究了当前q o s 的发展现状及其服务模型， 并对其模型进行优化，研究了与此相关的令牌桶算法，并对其进行改进。 论文主要内容分为四章，分别如下： 第1 章绪论 首先简要介绍了q o s 的定义，接着阐述了目前国内外i p q o s 的研究现状， 然后介绍了i pq o s 研究的意义。最后对论文的研究内容和组织结构进行了介绍。 第2 章i pq o s 的不足 首先介绍了i p 网络的不可靠性和i p 网络处理数据的无差别性，最后对i p 网络所存在的问题进行了总结，并提出了研究i p 网络q o s 所需要解决的问题。 第3 章q o s 的服务模型分析 概述i pq o s 中的服务模型( i n t s e r v 、d i f f s e r v 、m p l s ) ，并分析了集中模型 的优缺点和应用环境。 第4 章令牌桶算法在i pq o s 中的应用 在介绍了令牌桶的基本概念的基础上，介绍了令牌桶算法( 单速率三色标 记算法、双速率三色标记算法) 的基本原理及其在i pq o s 中的应用，最后分析 了现有令牌桶算法存在的问题，并提出了一种改进的令牌桶算法。 第5 章总结和展望 这部分是论文的结束部分，主要是总结了论文的研究成果、i pq o s 在实际 应用中的不足和今后的发展趋势。 1 6 本章小结 本章首先简要介绍了i pq o s 的基本概念和功能，接着阐述了q o s 的关键性 指标，然后描述了i pq o s 的研究现状和存在的问题，最后对论文的研究内容和组 织结构进行了介绍。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章现有i p 网络的不足 2 1i p 网络的不可靠性 i p 网络建网之初，并未太重视网络的q o s 问题，只提供“尽力而为”或“不可 靠”的服务。其最大的特点就是：不可靠，无连接。 不可靠是指它不能保证i p 数据报能成功地到达目的地。如果发生某种错误 时，例如某个路由器缓冲区暂时耗尽，i p 协议有一个简单的错误处理算法：丢 弃该数据报，然后发送一个i c m p ( i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c 0 1 ) 灌j 息报给源 端。任何要求的可靠性必须由上层来提供( 如t c p ) 。因此难以提供可预测的分 组丢失【13 1 。 无连接是指i p 并不维护任何关于后续数掘报的状态信息，每个数据报的处 理是相互独立的。因此i p 数据报也可以不按发送顺序接收。例如，一个信源向 相同的信宿发送两个连续的数据报( 先是a 然后是b ) ，每个数据报可以独立地 进行路由选择，因此可能选择不同的路线，而导致b 可能在a 到达之前到达信 宿。这自然不能保证分组传输的序列性，同时，因为路由变化，还可能引起时 延的抖动【j 4 j 。 很显然，在目前的i p 服务中，传统的尽力而为的路由器在处理内部时拥塞 时，其采用的处理方式势必造成大量不可预见或不可识别的分组丢失及数据抖 动。如果某个特定输出端口成为两个或更多输入端口业务流汇聚的焦点，尽力 而为的路由器就将使用先进先出的排队方式，把分组缓存在相应的输出链路的 队列中等待传输。排队会引入延迟以及潜在的分组丢失( 在队列溢出时，分组 丢失就成为必然) 。尤其是具有突发性的业务，对于每一个分组来说，所有排队 引起的延迟变化都是不可预测的。 2 2i p 数据处理的无差别性 i p 网络承载着各种业务。这些业务来自不断增长和变化的用户。总的来说， i p 网络上的业务分为弹性业务和非弹性业务两大类。其中，弹性业务主要是指 6 武汉理工大学硕士学位论文 i n t e m e t 原有的数据业务，它对带宽以及链路质量的变化适应性很强，只要求网 络能尽力传输数据包到目的地即可。非弹性业务是指实时业务，他们一般不能通 过降低可用性或者改变自身性质来适应网络变化。 不同业务对网络q o s 的要求也是不一样的： 1 ) 对弹性业务而言，目前i p 网络所提供的服务质量就可以满足其基本需 求。而对用户而言当然希望下载速度越快越好。 2 ) 对非弹性业务而言，i p 电话和i p 传真业务对网络延迟和抖动的敏感度 原本就很高，若延迟过长就有可能引起业务中断，抖动过大则会使解码器不能 及时解码，而使用户无法接享受其应得服务。另外，为了防止抖动，接收端一 般会留有大小可以调节的缓存区。但是，如果抖动过大就会造成数据包在缓存 区中停留的时间过长，而使延迟进一步增大。 3 1 会议电视、动态图象点播等宽带业务除了对网络延迟和抖动有一定要求 以外，还要求网络能够提供足够的带宽。 4 1 股票交易等实时性强的业务，对网络带宽和抖动则要求不高，但要求网 络延迟必须要低。 从上面的分析可以看出，不同的业务对网络服务质量的要求差别很大，网 络对这些数据必须区别对待。但现有的i p 网络还没有一个足够好的机制来保证 这一点。 i p 协议中数据报首部含有服务类型( t y p eo f s e r v i c e ，t o s ) 字段，包括一个 3 b i t 的优先级子字段，4 b i t 的t o s 子字段和l b i t 未用位( 但必须为0 ) 。但是大 多数的实现都没有使用t o s 字段，因为大多数实现都不允许应用程序设置t o s 字段，从而大多数路由器会把t o s 字段忽略。t o s 字段实际上也就名存实亡了。 因此i p 网络不能对不同的业务流类型，提供有区分的优先级服务，不能为 支付了额外费用的客户提供更好的服务，也不能满足多媒体应用、实时业务的 要求也就不足为奇了。 2 3 现有i p 网络的其他不足 由于目前的i p 协议并不真正支持业务分类，因而不支持c q s ( c l a s s i f i c a t i o n ，q u e u i n g ，s c h e d u l i n g ：分类，排队，调度) 机制。并且它只有有限 的机制可以对网络资源的使用情况进行审计。因而实际使用的路由协议比较简 武汉理工大学硕士学位论文 单，主要是采用最短通路的算法对路由进行选择，并按f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ： 先进先出1 的原则进行数据报转发。因此很难对不同的业务类型提供有区分的服 务质量。同时，由于缺少支持多业务服务质量的信令，而不能动态的请求( 或 修改) 端到端的服务质量【1 5 】 2 4 存在问题的总结 综上所述，i p 网络在q o s 方面存在的问题如下： 1 ) 不能保证分组传输的及时性； 2 ) 不能保证分组传输的顺序； 3 ) 不可预测的分组丢失； 4 ) 不可预测的网络失效； 5 1 发生瞬时拥塞时，路由器提供的时间响应不可预测； 6 ) 对不同的业务流类型不能提供有区分的优先级的服务； 7 ) 不支持为支付额外费用的客户提供更好的服务； 8 ) 不能满足多媒体应用及实时业务的要求； 9 ) 不能为共享网络资源的单个服务提供有保证的带宽； 1 0 ) 不能动态地请求或修改端到端的服务质量； 1 1 ) 只有有限的机制可以用来审计网络资源的使用情况； 下面将对上述问题进行分析归纳，以找出这些问题所涉及的i p 网络技术。 首先把上面的问题列为一栏( 用其编号表示) ，然后把q o s 常涉及到的参数或者 问题列为第二栏( 如：时延、时延抖动、丢失率、服务分类、稳定性等) ，最后， 把涉及到的网络技术列为一栏( 如：流分类、调度算法、路由协议等) 。 再从左到右把相关的问题关联起来( 注：以下连结主要是按直接相关的关 系连在一起，并不是十分严格，主要是为了分析方便) ，其结果如图2 1 所示。 由图2 1 可以看出，最集中的基本问题是时延、时延抖动、服务分类、稳定 性、灵活性和丢失率；而涉及的最集中的网络技术是业务分类、调度算法和路 由协议技术。 这些问题和技术主要与网络层相关，因而作为i p t c p 网络中的网络层协议， i p 协议将是影响q o s 的主要因素【1 5 j 。也就是说i p 网络存在的问题主要是由i p 协议的缺陷造成的。因此要在i p 网络中实现q o s ，改进i p 协议的实现将是实现 武汉理工大学硕士学位论文 q o s 保障的关键。 d e l a y s e r i a l 1 a s so fs e r v i c e o p 5 c n e o u n n g m e c h a n i s m s d l i n kt e c h n o l o g y 图表2 1q o s 问题关系图 2 5 研究i p 网络q o s 需要解决的问题 f o u t ep r o t o c o l s i g n a lm e t h o d c h a r g em e t h o d c e r t i f i c a t i o nm e t h o d a p p l i c a t i o nr o b u s t 上述分析了现有i p 网络不能满足数据传输的q o s 的原因，可知任何一个i p 网络的延迟、抖动、分组、丢失等特性最终可以归结于各个链路的q o s 特性以 及各路由器中所采用的排队策略和队列管理的动态特性。要实现网络对数据传 输的q o s 保障，从t c p i p 网络的网络层考虑，可以考虑增强接入控制能力，提 高对流量的管理能力( 如引入流量整形，管制等) ，引入区分业务机制，针对不 同业务采用有区分的优先级，把其作为路由器转发调度时考虑的重要因素。同 时，还需引入支持多业务的信令机制，为不同业务建立不同的应用。此外，还 需增强路由器获取网络信息能力，提高路由器路由时的决策能力。 总之，我们要为不同的业务提供一种绝对或者相对的保护，使其免受其他 业务的影响，得到与其他业务有所区分的网络服务。具体说来，有以下几个方 9 ，一23456789一mn一 武汉理工大学硕士学位论文 面还需要进一步的研究【l 6 j 1 ) 如何提供业务端到端的q o s 端到端的q o s 是业务开展的必需条件。目前通信运营商正大力推广其增值 业务，如v o l p 、v o d 、v p n 等，都需要考虑如何对这些业务提供满足要求的端 到端q o s 。此外，各种业务q o s 需求不一，包括带宽、延时、抖动和丢包率等， 应分别根据其不同的需求进行q o s 方面的考虑。 在目前的q o s 技术中，对端到端q o s 支持都存在着不足t 或者是实现过于 复杂，或者是不能提供绝对的q o s 保证，或者是实现的范围有限( 例如只能在 某个域里) 。这些都影响着端到端的业务的开展。 单从业务的角度看，业务端到端q o s 的研究应包括以下几个方面。首先是 q o s 测量，即在业务发起前对业务所经过路径的q o s 性能进行测量，判断当前 网络性能是否支持业务的需求；然后是资源预留，通过全程的资源预留为业务 提供硬性的带宽支持，由于业务通常具有一定的持续性，资源预留方式可以更 好地支持在一段时间内的q o s ；再就是业务监控，在业务运行时间里对业务进 行监控，根据其q o s 以及当前网络状况进行统计与调整。对于上述q o s 测量， 资源预留，业务监控这三个方面的研究都还需要加强。 2 ) q o s 管理 q o s 由于自身具有端到端的特点，因此涉及到一个全网的q o s 管理问题， 例如运营商需要管理全网q o s 策略及一致性、网络资源信息、q o s 授权用户、 计费信息等等，同时需要监控各链路实时性能，各用户的q o s 实施情况，并且 最好能动态地进行q o s 调整。对全网q o s 的可管理也是电信运营商关注的热门 问题。 传统路由器设备的管理，往往集中在设备本身，而不关心其他设备的状况。 现在提出的基于策略的q o s 管理框架，通过在网络中部署策略服务器来达到整 个网络中所有设备q o s 策略的一致性。虽然目前对q o s 管理的研究已经开始进 行，但这些还有待深入研究。 3 ) 业务开展 作为电信运营来说，q o s 本身就是个业务。通过对不同的用户提供不同 的q o s ，从而达到实施不同的收费策略。 目前q o s 业务的开展相对简单，通常是与用户签订s l a ，根据不同的q o s 保证收取不同的费用，这种方式q o s 保证与收费较固定和简单。随着以后个人 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 用户的增多，对q o s 的需求也会增加。同时，个人用户对q o s 的要求也是不固 定的，因此，可以考虑与个人用户实现比较灵活的q o s 支持，如根据实际需要， 逐步提供q o s 用户自助服务，用户可自定义不同的接入带宽、服务等级、资费 套餐等自助服务参数，并可查询接入带宽、服务等级、服务资费等。而这种业 务的开展又需要其他方面的支持：比如目前对q o s 的计费相对简单，对q o s 的 安全管理也要有新的要求等。 由于以上这些方面的新要求，从而导致q o s 业务开展成本的提高及复杂性 的上升。因此，如何更好地对用户开展q o s 业务，也是当前需要解决的一个问 题。 2 6 本章小结 首先介绍了i p 网络的不可靠性和i p 网络处理数据的无差别性，最后对 i p 网络所存在的问题进行了总结，并提出了研究i p 网络q o s 所需要解决的问题。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章q o s 的服务模型分析 在上面的分析中，已经明确了端到端的q o s 、q o s 管理和业务开展等方面 来解决i p 网络的q o s 问题。但需要有一个网络模型来承载这些要素，并把这些 机制放到这个具体的网络模型中加以讨论。为了提高网络资源利用率，为用户提 供一个高服务质量( q o s ) 的应用国际上负责q o s 研究以及相关标准制定工作的 i n t e r n e 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 ) 提出了几种服务模 型：【1 7 1 综合服务模型( i m s e r v - - i n t e g r a t e ds e r v i c em o d e l ) 与资源预留协议( r s v p r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 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 ) 多协议标记交换( m p l s - - m u l t ip r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 流量工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 矛1 基地约束的系统( c o n s t r a i n t - - b a s e dr o u t i n g ) 在这一章将对不同的网络模型及其实现技术进行深入的分析，并选择几种网 络模型进行进一步的研究验证各种i p 网络中q o s 保障机制。 3 1 综合服务体系( i n t s e r v r s v p ) 3 1 1 概述 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，它引入了资源预 留的概念，是一个基于流【l8 】的、状态相关的体系结构。i n t s e r v 的流是有相同的 q o s 服务的数据包组成的数据序列。资源预留协议( r s v p ：r e s o u r c er e s e r v a t i o n p r o t o c 0 1 ) 是i n t s e r v 服务中的主要信令协议。i n t s e r v 的基本思想是以资源预留 的方式来实现q o s 保障。各网络节点利用r s v p 消息向网络提出完成数据传送 必须保留的网络资源( 如：带宽及缓冲区大小等) 。同时，也确定沿传送路径的各 个节点传输处理策略，从而对每个业务流实现逐个控制。其网络服务模型如下 图所示： 武汉理工大学硕士学位论文 图表3 1i n t s e r v 应用场景描述 3 i 2i n t s e r v r s v p 服务分类 目前，i n t s e r v 支持三种服务类型：保证服务型( o u a r a n t e e ds e r v i c e ，o s ) 、 可控负载型( c o n t r o l l e d - l o a d s e r v i c e ，c