（计算机应用技术专业论文）基于ipv6的qos路由机制的研究与实现.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 基于i p v 6 的q o s 路由机制的研究与实现 摘要 计算机网络和通信技术的发展不断改变着人们工作和生活的方式。下一代互联网 n g i ( n e x t g e n e r a t i o n i n t e m e t ) 为人们提供了更灵活、更多样、更高服务质量q o s ( q u m i t y o f s e r v i c e ) 的网络服务。i p v 6 是n g i 的核心协议，支持q o s 路由应是其必备能力。现 有基于i p v 6 的路由协议不能有效提供q o s 保证，同时目前提出的多种q o s 路由算法又 难于部署在实际网络中。为此，需要设计基于i p v 6 的q o s 路由机制，提供q o s 保证， 兼容现有路由协议，能够快速、有效地部署于实际网络。 本文着重研究了基于i p v 6 的q o s 路由机制，包括单播路由和组播路由。设计了q o s 单播路由算法，并以此扩展o s p f v 3 协议，引入q o s 状态报文，扩展链路状态数据库和 链路状态广告以实现域内q o s 信息的收集、存储与发布；扩展b g p 4 + 协议，设计了支 持q o s 的网络层可达信息n l r i ( n e t w o r kl a y e rr e a e h a b i l i t yi n f o r m a t i o n ) ，实现自治域 间q o s 路由信息的发布与撤销。以q o s 单播路由机制为基础，设计了q o s 组播路由算 法，对m l d v 2 和p i m s s m 协议进行业务自适应扩展，实现基于i p v 6 的业务自适应源 特定组播；为了提供组播q o s 控制，扩展了r s v p 协议，设计了分层组播和流量控制机 制，基于博弈分析确定为用户分配的带宽量，优化网络带宽利用率。 对本文设计的基于i p v 6 的q o s 路由机制进行实现和部署。通过基于i p v 6 的q o s 控制视频会议系统，测试了该路由机制的可行性、实用性和有效性。实验结果表明，本 文设计的路由机制能够有效地解决i p v 6 下的q o s 路由问题。 关键词：i p v 6 ；服务质量；路由；单播：组播 i i 东北大学硕士学位论文 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 fi p v 6b a s e d q o sr o u t i n gm e c h a n i s m s a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e n c h a n g i n gw a y so fp e o p l e sl i f ea n dw o r k n g ir n e x tg e n e r a t i o ni n t e m e t ) p r o v i d e sa m o r e f l e x i b l e ，m o r ed i v e r s en e t w o r ks e r v i c e sw i t hh i g h e rq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) t p v 6i st h ec o r e p r o t o c o lo fn g ia n dq o sr o u t i n gs h o u l db ei t se s s e n t i a lc a p a b i l i t y h o w e v e r , c u r r e n ti p v 6 b a s e dp r o t o c o l sc o u l d n ts u p p o r tq o sa n dm o s to ft h ec u r r e n tq o sr o u t i n ga l g o r i t h m sa r e d i f f i c u l tt ob ed e p l o y e da ta c t u a ln e t w o r k t h u s ，i p v 6b a s e dq o sr o u t i n gm e c h a n i s m ss h o u l d b ed e s i g n e dt og u a r a n t e eq o sw i t hc u r r e n tr o u t i n gp r o t o c o l sc o m p a t i b l e ，w h i c hc o u l db e d e p l o y e da ta c t u a ln e t w o r kf l e e t l ya n de a s i l y i nt h i st h e s i s ，t h er e s e a r c hm a i n l yf o c u s e so nt h ei p v 6b a s e dr o u t i n gm e c h a n i s m s ， i n c l u d i n gu n i c a s tr o u t i n ga n dm u l t i c a s tr o u t i n g aq o s u n i c a s tr o u t i n ga l g o r i t h mi sd e s i g n e d b a s e do ni t ，b yd e f i n i n gq o ss t a t em e s s a g e ，e x t e n d i n gl i n ks t a t el i b r a r ya n dl i n ks t a t e a d v e r t i s e m e n t s ，o s p f v 3p r o t o c o li se x t e n d e dt oc o l l e c t ，s t o r ea n da d v e r t i s eq o si n f o r m a t i o n w i t h i na l la u t o n o m o u ss y s t e m b e s i d e s b g p 4 + p r o t o c o li se x t e n d e d 、i t hq o ss u p p o r t e d n l r if n e t w o r kl a y e rr e a c h a b i l i t yi n f o r m a t i o n ) t oa d v e r t i s ea n dw i t h d r a wq o sr o u t i n g s b e t w e e na u t o n o m o u ss y s t e m s b a s e do nt h eq o su n i c a s tr o u t i n gm e c h a n i s m ，aq o sm u l t i c a s t r o u t i n ga l g o r i t h mi sd e s i g n e d b a s e do ni t ，m l d v 2p r o t o c o la n dp i m - s s mp r o t o c o la r e e x t e n d e dt oi m p l e m e n tt h es e r v i c ea d a p t i v es o u r c es p e c i f i cm u l t i c a s tr o u t i n gb a s e do ni p v 6 b ye x t e n d i n gr s v pp r o t o c o l ，am u l t i l a y e r e dm u l t i c a s ta n dt r a f f i cc o n t r o ls c h e m ei sd e s i g n e d t op r o v i d eq o sc o n t r 0 1 i td e t e r m i n e st h ea l l o c a t e db a n d w i d t hf o rt h eu s e rb yg a m i n ga n a l y s i s ， o p t i m i z i n gt h en e t w o r kb a n d w i d t hu t i l i z a t i o nr a t i o t h ei p v 6b a s e dr o u t i n gm e c h a n i s m sd e s i g n e di nt h i st h e s i sa r ei m p l e m e n t e da n d d e p l o y e d t h ef e a s i b i l i t y , p r a c t i c a l i t ya n de f f e c t i v i t yo ft h ed e s i g n e dr o u t i n gm e c h a n i s m sa r e t e s t e dw i t ha ni p v 6b a s e dq o sc o n t r o lv i d e oc o n f e r e n c es y s t e m e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t t h e d e s i g n e dr o u t i n gm e c h a n i s m sc a ns o l v et h ep r o b l e m o fi p v 6b a s e dq o sr o u t i n g e f f i c i e n t l y k e y w o r d s ：i p v 6 ；q u a l i t yo f s e r v i c e ；r o u t i n g ；u n i c a s t ；m u l t i c a s t i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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诚挚 的谢意。 学位论文作者签名：南椭 签字日期：舻，2 。2 0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、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 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北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、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：高木角 签字日期：声卯r 以久口 导师签名：名刎 签字日期：2 7 l v 少 。矿矿 东北大学硕士学位论文第一幸绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 下一代互联网 随着网络规模的持续膨胀和新的网络应用需求不断增长，目前i n t e r r l e t 的发展面临 着诸多挑战：地址空间匮乏；存在数字鸿沟；难以实现实时端到端应用：不易开展新业 务；移动性支持有限；网络安全漏洞多；难以保证服务质量q o sq l l a l i t y o f s e r v i c e ) ： 各种修修补补的环节导致网络越来越复杂，运营和维护成本居高不下，等等。以i p v 6 为 核心的下一代互联网n g i ( n e x tg e r e r a t i o ni n t e m e t ) 应运而生 美国政府1 9 9 3 年提出的信息高速公路计划不仅推动了i n t e m e t 本身的发展。也促进 了对n g i 的研究。1 9 9 6 年l o 月，美国政府宣布启动n g i 研究计划，并建立了相应的 高速网络试验床v b n s 。1 9 9 8 年，先进i n t e r n e t 开发大学组织成立，开始i n t c r n e t 2 研究 计划，并建立了高速网络试验床a b i l e n e 。1 9 9 8 年亚太地区先进网络组织a p a n ( a s i a n p c r c i f i ca d v a n c e dn e t w o r k ) 成立，建立了a p a n 主干网。2 0 0 1 年欧盟建成g r a n t 高 速试验网。2 0 0 2 年，各国发起全球高速互联网g t r n ( g l o b a l t o b a c c o r e s e a r c h n e t w o r k ) 计划，积极推动n g i 的研究和开发。 n g i 是一个建立在技术基础上的新型公共网络，能够容纳各种形式的信息，在 统一的管理平台下，实现音频、视频和数据的传输和管理，提供各种宽带应用和传统电 信业务，是一个真正实现宽带窄带一体化、有线无线一体化、有源无源一体化、传输接 入一体化的综合业务网络l “。它把不同的网络技术有机融合在一起，使得在进行数据通 信时，就好像在使用一个网络，即各个网络之间协作细节对于用户来说完全透明【2 】。n g i 比现行的i n t e r n e t 具有更多的网络地址，更快的传输速率，更强的功能和更高的安全性， 可以达到信息高速公路的计划目标。 n g i 的特征是“更大、更快、更安全、更及时和更方便” 3 1 。更大”指的是n g l 将逐渐放弃口v 4 ，启用l p v 6 地址协议，地址空间从2 ”个增加到2 “个，使得n g i 具 有巨大的地址空间和网络规模，接入网络的终端种类和数量以及应用都将极其广泛。“更 快”指的是n g i 将比现在的网络传输速度提高1 0 0 0 倍以上，在n g i 高速强调的是端 到端的绝对速度，至少1 0 0 m b p s 。4 更安全”指的是目前的计算机网络因为种种原因存 1 一 东北大学硕士学位论文第一幸绪论 在大量安全隐患，因而n g i 在建设之初就充分考虑了安全问题，比如采用实名与m 捆 绑等措施，这样就使网络可控性大大增强，最终实现一个可信任的网络。“更及时”是 指n g i 必须支持组播和面向服务质量q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 的传输控制等功能，从 而可以更及时地为用户提供各种实时多媒体信息。“更方便”指n g i 必须能够支持更方 便、快捷的接入方式支持终端的无线接入和移动通信等。 1 1 2 晰 目前的i n t e m e t 主要是基于r p v 4 协议的。这一协议的成功促成了i n t e r n e t 的迅速发 展。但是，随着i n t e m e t 的发展，聃4 潜在的问题也日益显现出来。早在1 9 9 0 年，研究 t c p ，m 的专家们就己察觉出它潜伏的三大危机：地址枯竭、网络号匾乏、路由表急剧膨 胀，如不采取措施，i n t e r n e t 可能在地址枯竭之前就会瘫痪，i p v 4 已经直接制约i n t e m e t 的发展。为了从根本上克服上述三大危机，需要一个全新的n g i 协议来代替现行的i p v 4 协议。 为此，i e t f 下一代网络协议i p n g 工作组于1 9 9 4 年9 月提出“t h er e c o m m e n d a t i o n f o r t h ei pn e x tg e n e r a t i o np r o t o c o l ”草案，并在1 9 9 5 年底确定i p n g 协议规范，称为p 版本6 ，即i p v 6 。1 9 9 6 年i p v 6 的基本协议规范发表，1 9 9 8 年发表了m v 6 修订版 与i p v 4 相比，h v 6 具有如下主要特点1 4 1 ： ( 1 ) i p v 6 提供的地址长度由l p v 4 的3 2 位扩展到1 2 8 位，几乎可以不受限制地提 供地址。 ( 2 ) i p v 6 采用类似无类域问路由c i d r ( c l a s s l e s si n t e r - d o m a i nr o u t i n g ) 的地址 聚类机制层次的地址结构。网络前缀可以分为多个层次，可以定义非常灵活的地址层次 结构，而且同一层次上的多个网络在上层路由器中表示为一个统一的网络前缀，可以明 显减少路由器必须维护的路由表项。 ( 3 ) i p v 6 数据包可以远远超过6 4k b ，采用了简化的报头定长结构和更合理的分 段方法，可以使路由器加快数据包的处理数度，提高了转发效率，从而提高了网络的整 体吞吐置 ( 4 ) 口v 6 报头中提供业务级别和流标记字段，允许发送业务流的源节点在数据包 上加上标记，通过路由器的配置，可以识别和分开处理任何数据流，实现优先级控制和 q o s 保证。 ( 5 ) v 6 采用i p s e c ( i ps e c u r i t y ) ，实现了数据包来源认证、数据加密、数据完整 一2 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 性、抗数据重发攻击等，且定义了封装安全性载荷协议、验证头协议和密钥交换协议等， 可以为上层协议和应用提供有效的端到端安全保证。 ( 6 ) i p v 6 限定了路由器范围，可以区分永久性与临时性地址，更有利于组播功能 的实现。 ( 7 ) i p v 6 为主杌接口提供不同类型的地址配置，如全球地址、全球单播地址、区 域地址、链路本地地址、地区本地地址、广播地址、组播地址、传播地址、移动地址、 家乡地址等。通过启动动态主机配置协议来支持“即插即用”网络连接，允许从特殊的 启动协议服务器或动态主机配置协议服务器获取配置信息与网络和子网信息，构造有效 的链路地址。 i p v 6 作为新一代的网络互联协议，其先进性和灵活性己经得到了越来越多的认可， 使其成为构筑n g i 的重要基础，建设基于i p v 6 的n g i 已成为重要的发展方向。 1 1 3 q o s 路由 1 1 3 。lq o s 的提出 传统i n t e m e t 的技术基础是分组交换【卯，即通过多个网络结点逐段转发数据分组。 理论上讲，网络中参与分组交换的各个应用系统都应有适应m 网络在分组传输时发生 的异常变化并从中恢复的能力。然而，许多早期的应用( 如电子郏件等) 对分组的丢失 十分敏感，但对分组传输时间上的要求比较宽松针对这些应用，过分强调网络内部的 “智能化”会导致大量的冗余设计和实现上的复杂性。因此，以i n t e m e t 为代表的m 网 络的基本原则之一就是“网络应该尽可能简单”，网络只需为相对“智能化”的边缘设 备之间的通信提供最小的功能集1 6 1 。如果通路存在，分组就可以从源端传送到目的端， 但不能保证任何发送的分组最终都能到达目的地。但是，作为终端的主机可通过一定的 协议对这种情况进行处理( 如重发丢失包机制) 这就是“尽力而为( b e s te f f o r t ) ”网 络的定义啊。 “尽力而为”服务不加区别地为每个应用提供数据传输服务，缺乏对网络资源有效 的分配和管理。当网络负载较轻时，各个应用能得到足够的资源，传输q o s 尚可i 但随 着网络负载的增加，各种应用的行为将表现为无序地竞争网络资源，造成网络资源的不 合理占用，导致q o s 不断恶化【8 】；另外，“尽力而为”服务对q o s 没有严格的保证，表 现为端到端延迟、分组丢失率等随着网络负载的变化而波动。因此，为了有效解决传统 i n t e m e t 的局限性，以提供更快、更大、更安全、更及时、更方便、更满意的服务，q i o s 一3 一 东北大学硕士学位论文第一幸绪论 控制技术应运而生。 q o s 的定义最初由国际电报电话咨询委员会c c i t i ( i n t e r n a t i o n a lt e l e p h o n ea n d t e l e g r a p hc o n s u l t a t i v ec o m m i t t e e ) 给出：q o s 是一个综合指标，用于衡量使用一个服务 的满意程度。q o s 的进一步定义是描述关于一个服务的某些性能特点。这些性能特点由 用户可见，并使用用户可理解语言表示为一组参数，这些参数有客观值( 如延迟、抖动) 和主观值( 如安全性，优先权等) 。 传统的运行口协议的网络提供“尽力而为”的数据传输服务，这是因为最初的主 要设计目标是简单而有效地实现网络互连，因此采用面向无连接的机制，在网络节点中 不保留资源的状态信息。这种服务方式把复杂性留在端节点上，网络内部则保持相对简 单，扩展性良好是这种方式的特点。当越来越多的主机连入i n t e m e t 而使得需求超过网 络负载能力时，新的服务请求不会被拒绝，而是导致网络服务降级及数据丢失。通常的 解决办法是在t c p f l p 中要求对数据包进行重新发送。 随着n g i 的到来，多媒体业务和实时业务的不断涌现，用户对q o s 的需求不断提 高。对q o s 的研究有助于提高网络效率，降低网络成本，而且提供商可以通过q o s 机 制，按照不同用户对q o s 的不同要求，提供多种有区别的服务，提高用户的满意度，同 时提高网络提供商的收益。因此，如何对各种不同的q o s 提供保证成为n g i 面临的一 个重要问题。 1 1 3 2q o s 路由 目前主要通过两个途径提高q o s 。一个途径是节点控制，另一个途径是整网或局部 网络控制。因为路由直接关系到网络性能，所以q o s 路由成为解决q o s 问题的一项关 键技术。在路由过程中，q o s 体现为i p 分组在一个或多个网络传输过程中所表现的各 种性能，它是对各种性能参数的具体描述，这些性能参数包括延迟、抖动、吞吐率和分 组丢失率等嗍。在q o s 路由下，报文流的路径将被网络中的资源可用性和流的q o s 需 求所决定 在q o s 路由中有两种基本问题：最优化问题和性能界约束问题。最优化问题就是 寻找对应q _ d s 度量的最优路径；而性能界约束问题就是寻找大于对应q o s 度量( 如带 宽) 或小于对应q o s 度量( 如时延) 的一条路径，即在满足性能界要求的集合中选择 一个解。优化问题要求最优解，而约束问题只要求次优解就可满足需求 q o s 路由又包括单播路由与组播路由： ( 1 ) 单播是网络中主机之间一对一通信的一种方式，它将信息由源端发送到一台 一4 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 预先确定的目的主机上。q o s 单播路由的研究主要涉及四个基本的问题：链路约束问题、 链路最优化问题、路径约束问题和路径最优化问题 ( 2 ) 组播是网络中多主机之间通信的一种有效方式，它将信息由源端发送到一组 预先确定的目的主机上，借助共同链路来共享资源，支持q o s 是网络组播服务应具备的 特点。 q o s 路由的主要目标是为接入的业务选择满足其q o s 要求的传输路径，同时保证 网络资源的有效利用。一般可以将路由过程分成两个部分：一是寻径过程，即为到达业 务选择路径的过程，一是节点问路由信息的交互过程 q o s 路由具有如下一些特点： ( 1 ) 智能：在多约束q o s 路由中，由于计算复杂性是n p 完全的，需要采用智能 优化算法，如神经网络、演化计算和一些其他智能优化算法。 ( 2 ) 自适应：能够自动适应网络的状态变化，使网络负载均衡，避免阻塞。 ( 3 ) 不精确：包括模糊代价、网络信息不精确、拓扑聚合时的路由分层 ( 4 ) 公平：公平的接入、公平的资源共享或者公平的q o s 计费。 ( 5 ) 健壮：在链路故障时，能够重路由或者有替代路径。 与传统尽力而为的路由过程相比，q o s 路由具有以下几大优势： ( 1 ) 传统的路由过程多是基于最短路径的路由，在路由过程中仅通过路由跳数等 参数计算通信两端间的最短路径。q o s 路由能动态地从所有可能的选择中挑出一条满足 流的q o s 需求的路径，这个路径是由一些度量值决定的，如链路代价，带宽等。 ( 2 ) 传统的路由过程不考虑网络资源的实际状态，容易导致路由拥塞。但是，使 用q o s 路由能从整体上来提高网络的有效利用率。 ( 3 ) 传统的路由过程不提供任何资源预留保证，所有数据分组公平地共享路由器 转发队列，没有优先级保证。q o s 路由可以对报文流提供端到端保证( 延迟和延迟抖动 等) ，在确定了报文流的q o s 路径后，要对该路径上所需要的资源进行预留。 1 2 课题来源 随着多媒体业务和实时业务不断涌现，用户对q o s 的需求也不断提高。对q o s 的 研究有助于提高网络效率，降低网络成本，而且提供商可以通过q o s 机制，按照不同用 户对q o s 的不同要求，提供多种有区别的服务，提高用户的满意度，同时提高网络提供 商的收益。路由技术是网络最复杂、最核心、最重要的技术之一，开展基于1 v 6 的q o s 一5 一 东北大学硕士学位论文奄= 主壁丝 路由机制的研究与实现，不仅具有很高的学术价值，而且具有广阔的应用前景。 本课题得到国家高技术研究发展计划项目( 2 0 0 6 a a 0 1 2 2 1 4 ) 、国家自然科学基金项 目( 6 0 6 7 3 1 5 9 ) 、新世纪优秀人才支持计划项目、高等学校博士学科点专项科研基金课 题、辽宁省自然科学基金项目( 2 0 0 6 2 0 2 2 ) 和国家发改委c n g i 示范工程项目 ( c n g i - 0 4 - 1 3 2 t 和c n g i - 0 4 - 6 - 2 t ) 等资助。 一6 一 东北大学硕士擘位论文 第二章基于i p v 6 的q o s 路由 第二章基于i p v 6 的q o s 路由 2 1q o s 2 1 1q o s 概念 q o s 是网络在传输业务流时业务流对网络服务需求的集合，其中业务流是指与特定 q o s 相关的从源到目的地的分组流。也就是说，q o s 是应用业务对网络传输服务提出的 一组可度量的要求，主要包括带宽、延迟、延迟抖动和分组丢失率等。网络在传输相应 数据业务时，必须满足这组要求。q o s 需求可以通过一个约束集来描述，包括链路约束、 路径约束和树约束。链路约束定义了从源节点到目的节点路径上的每一条链路的约束， 如带宽约束；路径约束定义了从源节点到目的节点的路径上端到端q o s 约束，如延迟； 树约束定义了对组播中整个组播树的约束，例如对组播树耗费的约束是对树中从源节点 到所有目的节点的总耗费大小的约束 2 1 2 q o s 度量 q l o s 可以用一系列可度量的参数来描述，这些度量参数是q o s 寻路过程中所依据 的重要参数，包括： ( 1 ) 带宽：是指在单位时间内网络所能传送的比特数。 ( 2 ) 延迟：是指一个比特从网络的一端传到另一端所需花费的时间。 ( 3 ) 延迟抖动：指在同一条路由上发送的一组数据流中数据包之间的延迟时间差 异。 ( 4 ) 分组丢失率：在网络中传输数据分组时丢弃数据分组的最高比率。数据分组 丢失一般是由网络拥塞引起的。 根据q o s 参数的度量特性，度量参数又可分为：凸性参量、加性参量和乘性参量。 凸性参量由传输路径上的某个瓶颈网元( 节点或链路) 的q o s 参量决定，如节点缓 存空间、链路剩余带宽、链路速率等。 加性参量由传输路径上所有网元的特性共同决定，如延迟、延迟抖动、网络费用等。 乘性参量为所有网元对应参量的乘积，如分组丢失率等。通过对数函数转换，乘性 参量也可以转换为加性参量 一 一 东北大学硕士学位论文第二幸基于i p v 6 的q o s 路由 显而易见，网络支持的度量参数反映并影响路由的性能。支持的度量参数越多，越 能有效保证提供给接入业务的q o s ，但会使路由复杂度增大，同时使存在完全满足参数 限制的路由概率减小，从而使业务接入率降低 2 1 3q o s 体系结构 用户的需求推动了q o s 的发展。典型的支持q o s 的体系结构包括：综合业务i n t s c r v ( i i i 魄删硝s e r v i c e ) 【i o 】、区分服务d i f f s c r v ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ) i t 】和多协议标签交 换m p l s ( m u l t i w o t o c o ll a b e ls w i t c h ) i 埘，其目的都是通过更加有效地管理有限带宽来 提高网络传输中的q o s 。 2 1 3 1i n t s e r v i n t s e r v 处理的是单个数据流( n a w ) 。一个典型数据流的定义是一组具有相同目的 地址、相同端口号和传输协议的数据包。i n t s c t v 的三个主要组成部分为： ( 1 ) 资源预约协议r s v p ( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o u 0 1 ) 1 3 1 ：在数据包的转发路 径上预约相应资源，进行资源管理 ( 2 ) 准入控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) ：检查可用资源是否满足数据流的资源要求， 以决定是否提高q o s 服务。 ( 3 ) 数据包转发机制：路由器对数据包进行分类、掉队、丢弃等机制。 i n t s e r v 的工作过程如下：发送端向接收端发送一个路径报文，其中包含数据流的传 输属性和路由信息。中间路由器对该路径报文进行传统的路由转发，并将自身的地址写 入路径报文以便于消息的回溯。当接收端接收到该路径报文，就发送一个预约报文，要 求沿途的各中间节点进行资源预约。各中间路由器如果拒绝资源预约请求，则向接收端 返回一个错误信息，该次r s v p 会晤终结；如果接受资源预约请求，则必须在路由器上 留下有关预约的带宽或缓冲等网络资源信息的软状态。软状态不需要明确的删除请求， 只需要定期刷新。在无刷新信息的情况下，软状态会因为超时而被删除。 2 1 3 2d i f f s e r v d i f t s e r v 的提出源于i n t s e r v 暴露的种种缺陷。i e t f 工作组为此制定了相对扩展性 较好的方案来保证数据传输的q o s 服务，并在1 9 9 8 年公布了定义区分服务的正式文档 r f c2 4 7 5 d i t i s e r v 根据i n t e m e t 上通信需求的不同而区分服务类型。路由器把通过的数据流 分成若干类，为不同类型的数据流提供不同的路由策略。在i p v 6 协议中，它使用l p v 6 8 一 东北大学硕士学位论文 第二幸基于i p v 6 的q o s 路由 头部的t r a f f i cc l a s s 字段，并把它作为d s 模型的专用字段。i p v 6 流标签( f l o wl a b e l ) 的引入给区分服务提供了更多潜在的可行性。 d i f i s h y 体系的工作过程如下：数据流在进入网络时，在d s 域的入口路由器首先 经过一个分类器，它和流量计量器相结合决定下一步对分组采取的行动。流量计量器测 量分组是否符合服务供应商和客户之间约定的流量特征描述。接下来，流量标记器将分 组的d s 字段标记为d s c p 。在进入核心网络之前，还需对流量进行适当的调节( 整形 或丢弃) 。该过程如图2 1 所示。 图2 i 区分服务网络体系结构 f 培2 1n e t w o r k a r c h i t e c t u r eo f d i f f e a n f i a t e d v i 2 1 3 3m p l s m p l s 【1 2 】是1 限, 3 t 于1 9 9 9 年提出的。它将灵活的第三层口选路和高速的第二层交 换结合起来，弥补了传统球网络的许多缺点。m p l s 在某些方面类似于d i f l s e r v ，它也 是在网络的进入边界对分组加标记，在输出点除去标记。但是不象i ) i f l s e r v 在路由器内 用标记来决定优先级，m p l s 标记主要用来决定下一跳路由。m p l s 标记长3 2 位，由四 个域组成，如图2 2 所示。 01 92 5纠 3 1 图2 2 m p l s 标记格式 f i g 2 2m p l sl a b e lf o r m a t 2 0 位标签域包含实际的m p l s 标签值，用来传输路径信息服务等级c o s ( c l 雏so f s e r v i c e ) 域允许数据包在网络中通过每个路由器时可以被放入八个类别中的一个，这将 影响到应用数据包的排队和丢弃算法。堆栈域用来指示层次标签堆栈，也称作标签堆栈。 这意味着一个数据包可能会有多条路径，由标签堆栈识别出一条将要使用的路径。生存 周期1 凡( t i m et ol i v e ) 域由8 位组成，为m p l s 报头提供r i l ( 允许跨越网络节点 或网关的数目) 的功能，在l p v 6 中是跳数限制。 m p l s 的工作过程如下：m il s 的入口边缘路由器首先判断进入的i p 数据包的转发 等价类，然后根据不同的类别绑定不同的标签。位于m i l s 网络中的标签交换路由器只 需要简单地查看数据包的标签，将标签值作为索引在映射表中查找到下一跳的地址和新 一9 一 东北大学硕士学位论文第二幸基于l p v 6 的q o s 路由 的标签。标签交换路由器将标签加到数据包上，并将数据包转发到下一跳。当数据包到 达出口的边缘路由器时，边缘路由器去除数据包的标签，然后进行第三层路由选择并转 发。 2 2 i p v 6 路由 2 2 1i p v 6 协议简介 l p v 6 作为i p 协议的新版本，其根本目的是继承和取代i p v 4 。i p v 6 相对i p v 4 而言具 有极大扩展的地址空间和更加结构化的路由层次。i p v 6 的报头简化了基本报头结构，并 增加了可选的扩展报头【1 4 1 。i p v 6 报文头格式如图2 3 所示。 03l l1 52 33 l 版本类别漉标签 净荷长度下一个头跳极限 谭m 地址 目的伊地址 图2 3i p v 6 报文头格式 f i g 2 3i p v 6m e s s a g eh e a d a l - f o r m a t 在r f c 2 3 7 3 中定义各字段含义如下： ( 1 ) 版本：长度为4 位，对于i p v 6 ，该字段必须为6 。 ( 2 ) 类别：长度为8 位，指明为该包提供某种“区分服务”。最初定义该字段只有4 位，在最新的i p v 6 草案中，称之为“业务流类别”。该字段的定义独立于 p v 6 ，目前尚未 在任何i 强c 中定义。该字段的默认值是全0 。 ( 3 ) 流标签：长度为2 0 位，指定发送数据的序列。 ( 4 ) 净荷长度：1 6 位无符号整数，以字节为单位记录i p v 6 数据报负载，即除去i p v 6 报头自身长度以外的分组长度。一个i p v 6 数据报可以容纳6 5 5 3 5 字节的数据。 ( 5 ) 下一个头：这个字段指出了i p v 6 头后所跟的头字段中的协议类型。与i p v 6 协议 字段类似，可以用来指出高层是t c p 还是u d p ，也可以用来指明聃，6 扩展头的存在。 ( 6 ) 跳极限：8 位无符号整数。在每个传输此包的节点处递减。如果跳数限制减为 一1 0 一 东北大学硕士学位论文 第二章基于i p v 6 的q o s 路由 零，就抛弃此包。 ( 7 ) 源口地址：1 2 8 位数据发送方地址。 ( 8 ) 目的口地址：长度为1 2 8 位，指出i p v 6 包的接收方地址。这个地址可以是一个 单播、组播或任意点播地址。如果使用了选路扩展头( 其中定义了一个包必须经过的特 殊路由) 。其目的地址可以是其中某一个中间节点的地址而不必是最终地址。 与i p v 4 相比，i p v 6 的变化体现在扩展地址、简化头格式、增强对于扩展和选项的 支持、流标签、身份验证和保密等几个方面。 2 2 2i p v 6 地址格式 i p v 6 地址【1 4 l 的1 2 8 位( 1 6 个字节) 被划分为8 个1 6 位的无符号整数，每个整数用 四个十六进制位表示，这些数之间用冒号分开。 单播地址主要包括以下几种类型：本地链路地址( 1 i n k 1 0 c a la d d r e s s ) ，用于在单网 络链路或局域网上为主机编号。路由器不转发源地址和目的地址为本地链路地址的数据 包；本地站点地址( s i t e - l o c a la d d r e s s ) ，用于在内部网络为主机编号，路由器可以在网 络内部转发目的地址为本地站点地址的数据包，但不能将此类数据包转发到全球i n t e m e t 中；特殊地址，包括全0 地址、l o o p b a e k 地址以及内嵌i p v 4 地址的i p v 6 地址：全局可 聚类单播地址( a g g r e g a t a b l eg l o b a lu n i c a l s ta d d r e s s ) ，该地址的网络前缀具有多个聚类等 级，这种结构有助于建立层次型网络拓扑结构，有效聚集路由信息，提高路由性能。i p v 6 单播地址功能受制于c i d r ，在一个特定边界上将地址分为两部分。地址的高位部分包 含选路用的前缀，而地址的低位部分包含网络接口标识符，其地址格式如图2 4 所示 0n1 2 7 i三! 竺兰! 兰竺i 图2 4 脚6 单播地址格式 f i g 2 4i p v 6u n i c a s ta d d r e s sf o r m a t i p v 6 地址有2 馏个，其中1 2 5 6 的地址空间分配给组播地址。组播地址用于标识一 个组播组，即代表属于该组播组的任意多个主机，其地址格式如图2 5 所示 07l l1 51 2 7 图2 5i p v 6 组播地址格式 f i g 2 5i p v 6m u l t i c a s ta d d r e s sf o r m a t l l 东北大学硕士学位论文第二幸基于i p v 6 的q o s 路由 组播地址中除第l 字节之外的剩余部分包括如下三个字段： ( 1 ) 标志：由4 个单位标志组成。目前只指定了第4 位，该位用来表示该地址是 由i n t e m e t 编号机构指定的熟知的组播地址，还是特定场合使用的临时组播地址 ( 2 ) 范围：长4 位，用来表示组播范围。即组播组是只包括同一本地网、同一站 点、同一机构中的节点，还是包括1 1 6 全球地址空间中任何位置的节点。 ( 3 ) 组标识符：长1 1 2 位，用于标识组播组。根据组播地址是临时的还是指定的 以及地址范围，同一组播标识符可以表示不同的组。组播地址既依赖于组标识符，又依 赖于范围。 2 2 3 脚6 路由协议 i p v 6 中的路由协议可以分为两大类：单播路由和组播路由。 2 2 3 1l p v 6 单播路由协议 i p v 6 中常用的单播路由协议是o s p f v 3 ( o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ) 与b g p 4 + ( b o r d e r g a t e w a y p r o t o c 0 1 ) 协议，分别实现自治域内路由与域问路由。 o s p f v 3 路由协议”堤o s p f 路由协议在l p v 6 网络中的扩展版本，它是一种典型的 链路状态路由协议，一般用于同个路由域内。在这个自治域中，所有的o s p f v 3 路由 器都维护一个相同的描述自治域结构的数据库，该数据库中存放自治域中相应链路的状 态信息，o s p f v 3 路由器正是通过这个数据库计算路由表的。作为一种链路状态路由协 议，o s p f 将链路状态广告l s a ( l i n ks l a t e a d v e r t i s e m e n t ) 传送给某一区域内的所有路 由器，这一点与距离向量路由协议不同。运行距离向量路由协议的路由器是将部分或全 部的路由表传递给与其相邻的路由器。 b g p 4 + 路由协议【1 6 】是b o p 4 路由协议在i p v 6 网络中的扩展版本，是目前使用最广 泛的自治域间路由协议，通过公共网络访问点p n a p ( p u b l i c n e t w o r k a c c e s sp o i n t s ) 来 接收和转发网络信息。b g p 4 + 允许每一个自治域按自己的路由策略选择、通告和接收路 由，而决定路由策略的主要依据是i n t e r n e t 商业服务合同。由于b g p 4 + 是基于策略的路 由协议，所有b g p 4 + 协议通过策略选择接收和传播路由信息，而不向外暴露网络拓扑结 构，这种策略路由配置具有一定的灵活性。 2 2 3 2i p v 6 组播路由协议 i p v 6 中的组播路由协议被分为两类：基于共享树的组播路由协议和基于有源树的组 播路由协议。 一1 2 东北大学硕士学位论文 g ：- 章基于i p v 6 的q o s 路由 基于共享树的组播路由协议主要有：有核树c b t ( c o r eb a s e dt r e e s ) 和协议无关组 播路由协议一稀疏模式p i m s m ( p r o t o c o li n d e i 煳d e n tm u l t i c a s t s p a r s em o d e ) 。 c b t 协议【1 7 1 只构建一个共享树给组中所有成员共享，整个组播组的组播通信量都 在