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摘要 q o s ( q u a l i t yo fs 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。随着网络的普及发展以及网络数据传输量的迅猛增长 1 ，如何实现端至0 端的q o s 成为一个棘手的课题摆在人们面前，现在的i p 路 由技术以及组网方式不利于网络的扩展和许多增值业务的提供，i p 网络不能 保证业务特定的q o s 要求已经成为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，是工p 业界亟待解决的问题。 现有的各种q o s 实现机制，包括综合服务( i n t s e f v ) 模型、区分服务 ( d if f s e r v ) 模型、多协议标记交换( m p l s ) 和各种相关技术都有各自的技术特 点、优缺点以及应用场景，但这些机制都无法单独实现完全的q o s 保证。由 于多协议标记交换技：术( m p l s ) 兼具了i p 的灵活性、可扩展性并l i a t m 硬件交换 技术的高速性能、q o s 性能、流量控制性能，可以兼容现有各种主流网络技 术。减少网络的复杂度，大幅度降低组网成本，在向用户提供工p 业务时，能 确保q o s 及其安全性。因此，将m p 。s 技术与d i f f s e r v 模型相结合的机制可以 充分利用m p l s 的显式路由能力以及d i f f s e r v 模型的可扩展性，在可实施性和 扩展性方面具有一定的优势，成为目前业界普遍看好的解决i p 骨干网中q o s 问题的有效技术。 本文首先介绍了传统i pq o s 的结构体系，分析了i n t s e r v 和d i f f s e r v 两 种模型的基本原理、工作方式，指出它们各自的优缺点和网络应用环境，给 出了一种基于两者的混合模型实现方案；随后，从三个层面概述了i pq o s 的 主要技术和实现机制。在分析m p l s 基本原理的基础上，详细论述了m p l s 技术 对流量工程和d i f f s e r v 模型支持的要求；从流量工程的角度分析了用d s t e 技术来实现端到端的i pq o s 的解决方案；最后，针对采用d i f f s e r v 体系的m p l s 域在管理层面设计出了一个基于策略的集中式管理模型。 关键词：服务质量综合服务区分服务多协议标记交换 区分服务感知的流量工程 a b s t r a c t q o si su s e da sas y n t h e t i ci n d e xt om e a s u r et h es a t i s f i e de x t e n to fa p p l y i n g s o m es e r v i c e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r ka n de x p l o s i v ei n c r e a s eo fd a t a f l o w , i tb r i n g su pac h a l l e n g i n gt a s kt oh a n d l et h ep r o b l e m st h a th o wt od e a l 、析t hq o sf 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 dn e t w o r k s 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 d s e r v i c ea 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 s e v e r a lm a j o rm e c h a n i s m sw h i c hc o u l dr e a l i z eq o sg u a r a n t e e ，i n c l u d i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n so fi 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 d k i n d so fr e l a t e dt e c h n i q u e s ，h a v et h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e ss e p a r e t l y a n do n l yas i n g l ek i n do fq o sm e c h i s mc a n n o ts o l v ep r o b l e m so fq u a l i t yo f s e r v i c e m p l si n t e g r a t et h ep e c u l i a r i t yo fa t ma n di p , t h et e c h n o l o g yh a sg o o d f l e x , i b i l i t ya n dh i g hs p e e d a d o p t i n gi t c a ni n c l u d ev a r i o u sc e n t r a ln e t w o r k t e c h n o l o g i e s s ot h ec o m b i n a t i o no fd i f f s e r va n dm p l sm e c h a n i s mm a k e s u s eo f t h ee x p l i c i tr o u t ea b i l i t yo fm p l sa n dt h es c a l a b i l i t yo fd i f f s e r v i th a sb e e n b e l i e v e du n i v e r s a l l yt ob et h ee f f e c t i v et e c h n o l o g yt or e s o l v et h ei pq o s p r o b l e m so fb a c k b o n en e t w o r k sa tp r e s e n t t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ea r c h i t e c t u r eo fi pq o sf i r s t ，a n a l y z e st h eb a s i c t h e o r ya n dw o r ks t y l eo f i n t s e r va n dd i f f s e r v ，e x p o u n dam i x e ds o l u t i o n t h e ni t a n a l y z e st h ec e n t r a lt e c h m o l o g i e so fi p q o sa n dp r i n c i p l eo fm p l s b a s e do n t h ea n a l y s i so ft h ep r i n c i p l eo fm p l st e c h n o l o g y , i ts t u d i e st h ef e a s i b i l i t yo ft h e i n t e g r a t i o no ft h eq o sa n dt h et r a f f i ce n g i n e e r i n gu n d e rt h ef r a m e w o r ko ft h e m p l st e c h n o l o g y a n dad e t a i l e da n a l y s i si sg i v e nf o rt h er e q u i r e m e n to ft h e m p l st os u p p o r tt h ed i f f s e r vm o d e l a n de x p o u n dt h es o l u t i o no fe n d t o e n di p q o su s i n gm p l s d s t e a tl a s t ，i te x p o u n d sak i n do fi pq o s m a n a g i n gm o d e l k e d v o r d s ：q o s i n t s e r vd i f f s e r vm p l sd s t e 第1 章绪论 1 1 选题的意义 i n t e r n 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，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。网络上需要传输的数据几乎以与网 络发展速度相同的速度增加，甚至超过网络发展的速度。随着互联湖的普及， 网络同人们的生活和工作己经密切相关，网络聊天、网络购物、网络电话等 已在大众中普及。同时伴随互联网用户数膨胀所出现的问题也越来越严重。 因为因特网最初的设计目的是进行高效的数据传输，因此所使用的t c p i p 协 议族是一种无连接的、基于数据报的传输模式，提供的是一种“尽力而为 ( b e s t - e f f o r t ) ”的服务，无法保证吞吐量和传送时延等服务质量( q o s ) 的要求。 t c p 使用的重传和滑动窗口机制给实时数据的传输带来无法预料的时自j 延迟 以及时延变化( 即抖动) 。而且网络资源总是相对有限的。因此，在有限的网 络资源限制的前提下，如何满足用户对带宽、延迟、抖动等服务质量的特殊 要求便成为i n t e m e t 面临的主要问题之一。 为了解决这一问题，i pq o s 的各种解决方案便应运而生。i e t f 在q o s 的实 现上先后提出了两种模型：综合服务模型( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ，i n t s e r v ) 2 和 区分服务模型( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ，d i f f s e r v ) 3 】。但其都有自己的优缺点， 也不能单独实现端到端的q o s 。而近年来出现的m p l s 技术将路由和转发分 离，通过采用固定长度的标记来提高转发效率，同时m p l s 的显式路出功能 极大地增强了在i p 网络中实施流量工程的能力，从而对q o s 提供更好的保证。 鉴于m p l s 和d i f f s e r v 技术的优势和相似性( 可扩展性好，智能边缘、简单核 心) ，将d i f f s e r v 和m p l s 技术结合在一起，提供更好的q o s 保障，是一种被 业界广泛看好的选择。 。 但是，o o s 是一个多层次、复杂的技术问题，要真乖实现在大规模的i p 网络上承载各种实时和非实时业务，除了在i p 网络上实施一种可扩展性好的 q o s 体系框架和相关机制外，还需要从控制和管理层面对i p 网进行0 0 s 管理。 这也是下一步i p 网研究发展的一个薰要方向。 1 2 q o s 的定义和目标 目日搁o s 仍是一个新的概念，由于一些历史原因，不同研究组织，如i t u ， e t s i ，i s o ，i e t f 等对于i pq 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。以下仅介绍i e t f 和1 t u 对于i pq o s 的定义。 1 i e t f ( 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 ，因特网工程任务组) 对于i pq o s 的定义 i e t f 没有给出统一的有关i po o s 的定义，只是在不同建议( r f c ) 或草案 ( d r a f t ) 中根据需要分别给出了不同表述形式的i po o s 概念。i e t fr f c 2 2 1 6 1 4 将q o s 定义为“分组业务传输的特性，可以用可达到的带宽、分组延迟和分 组丢失率等参数来描述”。为了迸步描述q o s 控制过程和服务模型与实现 框架，r f c 2 2 1 6 还定义了网络元素、流、服务、行为、特性化、以及相应的 流量规范、服务要求规范等与q o s 有关的其它词语。而r f c 2 3 1 8 5 则描述为 “o o s 是网络在传输数据流时要求满足的一系列服务请求”。这些表述虽然 不同，但是其所指的q o s 实际上是指网络层( i p 层) 的o o s ，相应的，其所指的 i pq o s 性能参数 6 也是指i p 层的o o s 性能参数，主要包括： ( 1 ) 业务可用性：用户到i p 业务之间连接的可靠性。 ( 2 ) 带宽：网络能够提供给用户的数据发送速率。 ( 3 ) 传输时延：两个网络节点之间发送和接收数据包的时间日j 隔。 ( 4 ) 时延抖动：在同一条路径上发送的一组数据流中相邻数据包之间 的延时差异。 ( 5 ) 丢包率：在网络中传输数据包时数据包的丢失比率。 2 i t u t ( 国际电信联盟电信标准化部门) 对于i po o s 的定义 i t u 关于o o s 问题的研究开展的比较早，最早的相关建议出现在上个世纪 六十年代，当时的o o s 主要是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，o o s 概念的内涵得以扩展。关于i po o s 的问题，i t u 发布了一 系列的标准，集中在i t u - t e 8 0 0 一e 8 9 9 系列( 电信服务质量：概念、模型、 目标与规划) 中。这晕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 网络提供商之间签订s l a ，并按照s l a 中规定的服务功能和性能指标柬确定服 务的质量。 与i e t f 关于i pq o s 的定义相比，i t u - t 的i po o s 不单指网络层q o s ，还包 括应用层q o s ，它从网络运营的角度来定义i pq o s ，认为i pq o s 存在于各个 网络运营实体之间。实际上，从用户的角度来讲，其并不关, g q e 层的q o s ， 其所关心的是其最终能够得到什么样的业务，以及这些业务的服务质量 ( o o s ) 。从服务提供商的角度来讲，其主要关心如何利用网络提供商提供的 网络服务，通过优化自身的基于业务的处理逻辑，为用户提供具有某种o o s 级别的服务；从网络提供商的角度来讲，其主要关心服各提供商对其提出怎 样的i p 层q o s 需求，并通过何种i p 层o o s 保证策略来满足这种需求。而i t u i t 是基于对电信网络的运营经验，按照上述对网络中各个功能实体( 同时也是 运营实体) 之间所存在的服务关系的理解来定义q o s 概念的。 由以上这些定义我们不难看出：i po o s 的研究目标是有效地为用户提供 端到端的服务质量控制或保证。网络o o s 就是网络单元( 例如，应用程序，主 机或路由器) 能够在一定级别上确保它的业务流和服务要求得到满足。q o s 并 没有创造带宽，只是根据应用程序的需求以及网络状况来合理地管理带宽， 以更好她提赢网络资源的利用率，满足用户的o o s 要求。 1 3 论文结构 本文内容安排如下： 第l 章绪论。提出了论文的研究意义，对i pq o s 的定义和分类进行了简 要的回顾，列出了论文的框架。 第2 章传统i p 网络的q o s 体系结构。介绍了i e t f 提出的两种o o s 解决方案 的实现原理，比较了它们的优缺点，给出了一种基于两者的混合模型。 第3 章i pq o s 的主要技术及实现机制。从控制平面、数据平面和管理平 面简要概述了i po o s 的主要技术和实现机制。 第4 章多协议标记交换( m p l s ) 技术。分析了m p l s 的网络结构、工作原理 以及m p l s 流量工程机制。 第5 章基于m p l s 的i pq o s 机制。阐述了m p l s 与d i f f s e r v 结合中的关键问 题。提出了一种瓤的d i f f s e r v m p l s 网络的管理模型。 第2 章传统i p 网络的q o s 体系结构 在解决当静i p 网络的o o s 问题方面，许多组织和团体都提出了自己的解 决方案，其中最为著名的是i e t f 。为研究i p 网络如何实现q o s ，i n t e r n e t 工程任务组( i e t f ) 专门成立了综合业务工作组和区分业务工作组，研究i p 网络的q o s 问题。这两个工作组分别提出了各自基于i p 网络的q o s 服务协 议模型：综合服务模型( i n t s e r v ) 和区分服务模型( d if f s e r v ) ，并制定了相 关的标准和协议草案。 2 1 综合服务模型( i n t s e r v ) 和资源预留协议 2 1 1 综合服务模型( i n t s e r v ) 简介 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 7 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。其基本思想是个应用要想获得某种服 务质量，必须在向网络传送流量之静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 实际上是提供了一种类似于电路级的服务质量。 在服务层次上，综合服务模型提供了三种级别的服务： ( 1 ) 质量保证型服务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ，g s ) ：它要求网络中各元素 保证用户所要求的最小延迟时间，从而保证会话( s e s s i o n ) 过程中每个分 组确定的延迟界限，即保证在规定的传送时自j 内到达，只要数据流的传输保 持在特定的传输参数范围内，就不会因为队列的溢出而被丢弃。质量保证型 服务是一种“硬实时”服务。 ( 2 ) 可控负载型服务( c o n t r o l l e d l o a d s e r v i c e ，c s ) ：是一种“软实时” 服务，这种服务模式用于模拟用户在没有重负载和拥塞时的服务模式，它在 本质上是一种定性的服务。 ( 3 ) 尽力而为型服务( b e s t - e f f o r ts e r v i c e ，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。 4 在结构层次上，i n t s e r v 服务模型主要由四个部分构成： ( 1 ) 资源预留协议r s v p ，它是i n t s e r v 的信令协议，负责逐点( h o p b y h o p ) 地建立或者拆除每个流的资源预留软状态( s o f ts t a t e ) ，也即建立或拆除数 据传输路径。 ( 2 ) 接纳控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) ，用来决定是否同意对某一资源的 请求，其根据是链路和网络节点的瓷源使用情况以及q o s 请求的具体要求。 ( 3 ) 分类器( c l a s s i f i e r ) ，用来将进入路由器的分组进行分类，并根据 分类的结果将不同类别的分组分别放入不同类别的队列。i n t s e r v 常用的分 类器是多域( l t i f i e l d m f ) 分类器，当路由器接收到数据包时，它根据 数据包头部的多个域( 如五元组：源i p 地址，目的i p 地址，源端口号，目的端 口号，传输协议) ，将数据包放入相应的队列中。 ( 4 ) 调度器( p a c k e ts c h e d u l e r ) ，根据不同的策略对各个队列中的数据 包进行调度转发。 主机 路由器 图2 一l 在主机和路由器中通过r s v p 实现i n t s e r v 的原理图 在实现层次上，综合服务需要所有路由器在控制路径上处理每个流的信 令消息并维护每个流的路径状念和资源预留状态，并在数据路径执行流的 分类、调度和缓冲区管理。 2 1 2 资源预留协议r s v p 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 通过提供预留设置和控制为i p 网提供o o s 能力。r s v p 是集成 服务中资源预留的一种动态机制。在提供集成服务网络中的每个支持r s v p 的路由器都执行r s v p 信令、准入控制、调度和策略。r s v p 是一种信令协议， 应用程序可以通过它把q o s 需求传送给网络元素。r s v p 只是用于传输q o s 参数，并不提供任何q o s 相关的功能。r s v p 由应用程序在会话开始时发起。 会话由通信的目的i p 地址、传输层协议类型和目的端口号标识。每个r s v p 数据分组都包含着所属会话细节，一旦r s v p 要求的资源被预留，通话的数 据流就可以使用相应的资源。 r s v p 协议定义的主要消息类型是p a t h 和r e s v ，用来实现r s v p 的基本 操作。p a t h 消息由发起会话的源端发送，包含源端用来描述数据流特点的 s e n d e r t s p e c 对象。p a t h 消息通过的所有网络元素和目的端本身会设置 p a t h 状态。r e s v 消息由会话的接收者发送。它每一跳都跟踪p a t h 消息所 经过的路径，直到会话的源端。r e s v 消息在回到源的路径的每一跳上设置 q o s 状态，这些状态与目的端的特定q o s 资源需求相关，路径上的网络元素 根据这些状态给会话流分配资源、监视和重塑其数据流。由于r s v p 状态是 软状态，必须定时更新，因此，p a t h 和r e s v 消息必须定期重传，否则状态 不刷新就会被删除。 ， 使用r s v p 信令建立数据发送路径以及为业务流预留资源的过程可分为 下面几步： “ ( 1 ) 数据发送的源端确定发送数据流所需的带宽、延迟和延迟抖动等指 标( & d t s p e c 参数) ，并将其包含在在p a t h 控制消息中发送给接收端。 ( 2 ) 各r s v p 路由器解释p a t h 消息，保存上一中继的i p 地址，将自己的i p 地址作为静一中继段地址，并沿应用程序数据使用的路由发送更新后的消 息。 ( 3 ) 接收端收到p a t h 消息后，它沿着与p a t h 消息中获取的源路径相反的 方向向上一中继段路由器发送一个r e s v 消息。该r e s v 消息包含为数据流进行 资源预留所需要描述的流量和性能期望等q o s 信息。 ( 4 ) r s v p 路由器接收至r e s v 消息对，它通过接纳控制来确定是否可以满 足这些r e s v 请求。如果可以，就合并收到的预留请求，进行带宽和缓冲区空 间的预留，并且存储一些与数据流相关的特定信息，并将r e s v 消息转发给上 6 一中继段路由器请求预留。如果不能，就拒绝预留，同时返给接收端一个错 误信息。 ( 5 ) 如果源端收到r e s v 消息，则表明数据流的资源预留已经成功，可发 开始向接收端发送数据。 ( 6 ) 当数据流发送完毕，路由器可以释放先前设甓的预留资源。 2 1 3 综合服务模型的优缺点 i n t s e r v r s v p 模型的优点是： ( 1 ) 提供绝对保证的q o s ，因为r s v p 在从源端到目地端的每个路由器 上运行，能监视每个数据流，以防资源浪费。 ( 2 ) 在源端与目的地之白j ，r s v p 可以用现有的路由协议决定数据流的 通路，r s v p 使用i p 包承载，通过周期性重传路径和r e s v 消息，能对网络拓 扑的变化做出反应。 ( 3 ) 可支持多播流，r s v p 协议能让路径消息识别多播流的所有端点， 并将路径消息发送给它们，还能把来自每个接收端的r e s v 消息合并到一个 网络请求点上，让一个多播流能在分开的连接上发送。 i n t s e r v r s v p 模型的缺点是： ( 1 ) 对路由器的要求高，实现复杂。由于要进行端到端的资源预留，必 须要求所有的路由器都能实现r s v p 、接入控制、包的分类、调度转发。 ( 2 ) 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 空日j 和处理开销。 ( 3 ) 不适用于生存期短的数据流，因为这种情况下预留资源的开销很可 能大于处理数据流中有效数据的刀：销。 ( 4 ) 扩展性差，很难在大型网络中实施。 2 2 区分服务模型( d i f f s e r v ) 2 2 1d i f f s e r v 简介 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” 8 。 7 其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。区分服务只承诺相对的服 务质量，而不对任何用户承诺具体的服务质量指标。 在d i f f s e r v 机制下，用户和网络管理部门之| 日】需要预先商定服务等级协 定( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t 。s l a ) ，根据s l a ，用户的数据流被赋予一个特 定的优先等级，当数据流通过网络时，路由器会采用相应的方式( 称为每跳 行为p h b ) 来处理流内的分组。 d i f f s e r v 的设计目标是简单有效，它通过下列途径满足实际应用对可扩 展性的要求： ( 1 ) 简化网络内部节点的服务机制。在内部节点只进行简单的调度转发， 而流状态信息的保存与流监控机制的实现等等只在边界节点进行，内部节点 是状念无关的。 ( 2 ) 简化网络内部节点的服务对象。采用聚集传输控制服务对象是流聚 集( s t r e a ma g g r e g a t e ) 而非单流，单流信息只在网络边界保存和处理。 2 2 2d i f f s e r r 的体系结构 虽然d i f f s e r v 仍在不断的发展，一些标准仍在制定、完善之中，但经过 几年的发展，d i f f s e r v 的相关概念及模型已经比较成熟了，d i f f s e r v 体系结 构也已经比较明确了。在此基础上，与服务提供有关的问题，如d s c p 的定义、 p h b 服务的定义等等已逐步完善。o i f f s e r v 体系结构如图2 2 所示。 其中的d s 区域是由些相连的d s 节点构成的集合，它们遵循统一的服务 提供策略，且实现一致的p h b 组，比如某个运营商的网络或者一内部网。每 个d s 区域由边界节点和内部节点构成，通过边界节点与其它d s 区域或非d s 区 域相连。针对特定的流，边界节点又分为入口节点和出口节点。 为了保证用户能从运营商那里获得所需要的服务质量，用户必须和运营 商之间签订服务等级协定( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ，s l a ) 9 ，而运营商 之删也必须建立传输调节协定( t r a f f i cc o n d i t i o na g r e e m e n t ，t c a ) ，s l a 规范了运营商对客户端网络所支持的业务类别以及每种类别的业务流性能， t c a 则规范了运营商之间的数据流应该满足的一些约定。 j e 璧羹黧妻黧蓁雾篓塞 鬟篡导髻暴嚣篓卷 区域速界路由器抽 器通过调度和 蔷纂嵩蕃磊；磊；藉 行传输分类与调节 登冲医管理实苔苦错匠釜一t c a 。 现p h b 一 区域入口路由 嚣对入域流进 行调节，使其 符畲t f a 与t c a 冀进行 拂调 闻通过s l a 与 t c a 确定服务 规范 区 图2 _ 2d i f f s e r v 的体系结构 这样，当有数据流进入d s 区域时，入口节点对其进行分类( c l a s s if y ) 、 调节( c o n d i t i o n ) ，保存流( 单流或聚流) 的状态信息，根据事先和用户约定 的流规格对流进行计量( m e t e r i n g ) 、标记( m a r k i n g ) 、整形( s h a p i n g ) 、丢弃 ( d r o p p i n g ) 等，以使输入流符合预先制定的s l a ，同时在包头标记d s c p 值， 并将其分类加入相应的行为聚集队( b e h a v i o ra g g r e g a t e ) 。出口节点也可 能需要对输出流进行调节，以保证其符合与下游d s 区域签定的t c a 。 d i f f s e r v 区( r e g i o n ) 则是由连续的d s 区域( d o m a i n ) 构成。一个d s 区内 的d s 区域可以支持不同的p h b 组，并且各自区域的d s c p 多j p h b 的映射函数也可 能不相同。在不同的d s 区域之间，必须有s l a 和t c a 进行调节，以协调彼此之 间的服务语义。这样，通过在上游d s 区域和下游d s 区域之闻建立s l a 或t c a ， d i f f s e r v 可以扩展到多个d s 区域。 2 2 3d i f f s e r v 标记域与d i f f s e r v 标记d s c p i p 包头部的d i f f s e r v 标记域( d sf i e l d ) 是d s 区域边界节点和内部节点传 输流聚集信息的媒介，是内部核心路由器转发报文的依据，是连接报文与转 9 发服务( p h b ) 的桥梁，也是边界节点与其它d s 区域根据t c a 进行调节的依据。 d 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 f s e r v 将流量分成少量等级，并按等级为流分配网络资源， 从而解决o o s 问题。为了避免采用复杂的信令协议，d i f f s e r v 将i p 协议中原 有的8 b i ti p v 4 的服务类型( t o s ) 字段和i p v 6 的通信量类( t r a f f i cc l a s s ) 字 段重新定义为区分服务标记域。如图2 3 所示。路由器根据d s 标记域的值柬处 理分组的转发。因此，利用d s 标记域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 一一区分服务标记d s c p ，后丽2 b i t 标记为c u ，表示本体系中暂时未用。因此， 由d s 标、庀域的值所确定的服务质量实际上就是由d s c p 的值柬确定。下行节点 则通过识别这个字段，获取信息，选择提供特定质量的调度转发服务，处理 到达输入端口的数据包，并将它们正确地转发给下一跳的路由器。 比特0 5 67 叵二二卫 图2 - 3i p 包头的区分服务标记域 2 2 4 边界节点的分类与调节机制 在o i f f s e r v 中引入了域( d s 域) 的概念。个d s 域在一个管理实体的 控制下实现同样的区分服务策略。位于d i f f s e r v 域内部的路由器称为内部 路由器，位于d i f f s e r v 域边界的称为边界路由器。d i f f s e r v 将所有的复杂 性放在d s 域的边界路由器中，而使内部路由器的工作尽可能简单。内部路 由器只负责数据包的转发而不保存状态信息，边界路由器中的功能较多，如 图2 - 4 所示从功能上可分为分类器和通信量调节器两大模块。 分类器根据分组首部的某些域( 如d s c p 或盯五元组) 将数据包划分到某 一类别，然后交由相应的调节模块进一步处理。目的定义了两种类型的分类 器： ( 1 ) 行为聚集( b e h a v i o ra g g r e g a t e ，b a ) 分类器：根据包头的d s c p 来对包 进行分类。 ( 2 ) 多域( m u l t i f i e l d ，m f ) 分类器：根据包头部中多个域内容的组合来 进行分类，如源地址、目的地址、d s 域、协议标识、源端口号以及目的端口 号等。 调节器在逻辑上又可分为计量器( m e t e r ) 、标记器( m a r k e r ) 、整形器 ( s h a p e r ) 。 计量器根据事先商定的s l a 和t c a 中所规范的业务流要求测量被分类器 所选定的业务流的某些实时属性，然后确定应采取的行动，例如，可重新打 标记或交给整形器进行处理。 标记器根据分组的类别设置报文的d s 标记域为一特定的d s c p ，并将标 记了的包添加到一特定的d s 行为聚集中。标记器可以将所有送入到它那儿的 包记为同一个d s c p 值，也可以根据计量器的统计信息将其标记为同- - p h b 组 内的p h b 所对应的d s c p 值。 整形器中设有缓存队列，可以将突发的分组峰值速率平滑为较均匀的速 率，甚至丢弃一些分组，使得业务流符合t c a 流规范。 随着对网络业务流特性研究的深入发展，调节器的实现技术也只渐成 熟，通常的做法是用令牌桶( t o k e nb u c k e t ) 和漏斗桶( 1 e a k yb u c k e t ) 等算法 进行适当组合。近来又提出了一种新的算法：基于对间滑动窗口( t i m es 1 i d e w i n d o w s ，t s w ) 的算法，它是通过计算数据包的平均到来速度来对包进行分类 和标记。 譬棚 榧亘 = 爿蛩 图2 _ 4d i f f s e r v 的边界路由器功能结构图 2 2 5d i f 玛e l m y 中的每跳行为p h b 每跳行为p h b 是一个d s 节点调度转发特定流聚集这一行为的外部特性描 述。所谓“行为”就是指在转发分组时路由器对分组是怎样处理的。所谓“每 跳”是强调此行为只涉及到本路由器转发的这一跳的行为，而下一个路由器 再怎样处理与本路由器的处理无关。由此可见，在每一传输段逐段保证p h b 是区分服务的最大特点。由于流聚集由i p 包头的d s c p 标识，所以实际上p h b 是一个d s 节点调度转发包头标有特定d s c p 的i p 包流的外部行为描述。p h b 可以用调度转发流聚集时的一些流特性参数( 如延迟、丢失率) 来描述。 p h b 是对路由器服务质量处理的外特性的总体描述，并不涉及具体的实 现技术。这样，不同的厂商将可以使用自己的实现方式，只要结果能够满足 标准p h b 的要求就可以了。另外，通过对标准p h b 的组合，各个厂商将可以实 现自己所专有的业务。i e t f 已经标准化了一部分p h b ，包括缺省p h b ( b e - p h b ) 、 加速转发p h b ( e f p h b ) 、可靠转发p h b ( a f - p h b ) 和类别选择p h b ( c s p h b ) 。 具体如下： ( 1 ) 缺省p h b ( b e p h b ) b e p h b 是相当于传统尽力丽为调度转发行为的p h b 。显然，任何一个节 点都应支持b e - p h b 。它的推荐d s c p 是“0 0 0 0 0 0 ”。此外在d s c p 至i j p h b 的映射 表中，任何没有明确指出映射关系的d s c p 都映射至i j b e - p h b 。此每跳行为可用 如下方式实现：属于8 e p i j b 的i p 包仅在带宽空闲未被其它流聚集使用时发 送。 ( 2 ) 加速转发p h b ( e f - p h b ) 加速转发p h b 所描述的是一组用于实现低丢包率、低延迟、低抖动，具 有带宽保证的，以及在d s 域中具有端到端服务质量的业务的服务策略。使用 这- - p h b 组的业务流总是具有最高的优先级，且离开速率总是大于等于设定 速率。初步模拟测试表明，e f p h b 与边界调节器的适当实现可以得到预期的 “虚拟专线”服务。这一p h b 对应的d s c p 编码为“1 0 1 “0 ”。 ( 3 ) 确保转发p h b ( a f p h b ) 确保转发p h b 所要达到的目标实际上主要是要对相同业务中不同分组的 丢弃优先级进行分级。在业务开始转发之前，发送方与网络节点之间将对业 务流的速率做出一定的约定，这种约定称为业务流的轮廓( p r o f i l e ) 。在 a f p h b 中，网络节点将允许业务流的速率大于这一轮廓，但是网络节点将对 超出轮廓的业务流分组采用较大的丢弃优先级。根据这一思想，r f c 2 5 9 7 规 定了a f _ p h b 的定义，a f _ p h b 组包括四个等级。网络中的节点将根据这些等级， 为相应的业务流分配网络资源并进行相应的转发处理。另外对于每种不同类 别的a f ，还分别规定了三种不同的丢包优先级，优先级越高，分组丢弃的机 率就越大。也就是说，a f 目静一共有1 2 种不同的编码点。 ( 4 ) 类别选择p h b ( c s p h b ) 为了与现在正在使用的i p 优先级字段保持一定的后向兼容，在d i f f s e r v 中定义了类别选择p h b 。现有的i p 优先级机制使用了t o s 字段的前3 b i t ，从而 可以提供8 个i p 优先级。可见，这种方式与d s c p 的用法是十分相似的，其不 同在于d i f f s e r v 使用了t o s 字段中的前6 b i t 。所以，只要将d i f f s e r v 的一部 分编码分配给传统i p 优先级业务就可以很容易地实现上述的后向兼容。同时 d i f f s e r v 的业务等级将可以与传统的i p 优先级同时并存于网络之中。类别选 择编码点的分配为“x x x 0 0 0 ”，亦即“0 0 0 0 0 0 ”到“1 1 1 0 0 0 ”8 个编码点。 c s - p h b 组的任何实现要保证：对应d s c p 较大的流聚集处理优先级要高于d s c p 较小的流聚集。 2 2 6d i f f s e n r 中的基本服务类型 d i f f s e r v 体系模型中也提供了三种类型的服务： ( 1 ) 尽力而为服务( b e s t e f f o r ts e r v i c e ) ，类似于目前i n t e r n e t 上提 供的服务。它所对应的p h b 是缺省p h b ( d s c p 推荐值为“0 0 0 0 0 0 ”) 。 ( 2 ) 奖赏服务( p r e m i u ms e r v i c e ，p s ) ，为用户提供低延迟、低抖动、低 丢失率、保证带宽的服务。它是目i ； f 所定义的服务级别最高的区分服务种类， 用户可以享受类似专线的服务质量，因而奖赏服务也称为“虚拟专线服务”， 它所对应的p h b 是加速转发p h b ，( d s c p 推荐值为“1 0 1l1 0 ”) 。 ( 3 ) 确保服务( a s s u r e ds e r v i c e ，a s ) ，其初衷是在网络拥塞时仍能保证 用户拥有一定量的预约带宽，使用户摆脱在“b e s t e f f o r t ”传输时无法把 握自己实际占有带宽量的无奈窘况。确保服务只考虑带宽和丢失率，不涉及 延迟、抖动。它所对应的p i t b 是确保转发p h b ( 分四类，每类又定义了三种 不同的丢弃优先级，共有1 2 种推荐码点) 。 目前，奖赏服务己经比较成熟和稳定，而确保服务仍然处于不断改进和 发展之中，其焦点主要集中在如何保证聚集流之问的公平性以及聚集流内各 单流之问的公平性，这主要是由于i n t e r n e t 上数据流的特性引起的。研究表 明，现有的确保服务方案与较多因素有关，较难达到量化标准。因此，如何 使得确保服务能够真正起到确保的作用，还有待进一步研究。 2