（通信与信息系统专业论文）基于对策论的ip网络qos保障机制的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ， fi p 网络服务质量( q o s ) 的保障是当前计算机网络研究领域最具挑战性的问题 、 之一：由于用户在通信服务中感受到的q o s 取决于其获得的网络资源，因而i pq o s 的核心问题是如何在分散的用户之间分配分散的网络资源。 在研究i n t e r n e t 的资源分配问题时，注意到网络资源提供者和用户之间由于对 资源的价值有不同的评价，因而对资源的使用有不同的优化目标和策略。而且某一 方( 网络方或者用户) 所期望的分配结果并不仅仅只取决于自身的行为( 策略) ，还 取决于其它参与者的行为( 策略) 。由于对策论被公认为是处理这种情形的最佳数学 工具，因而将对策论引入i p q o s 网络资源分配的研究是很有意义的。r 本文将i pq o s 网络资源分配问题转化为一个简单的，适用性很强的对策论模型， 用效用函数描述不同用户对q o s 的不同偏好，用户各自最大化从对网络的使用中获 得的收益。在第一章，本文详细分析了这一模型，讨论了纳什均衡点的性质和它的 存在性；给出了纳什均衡点为帕累托最优的条件；并利用这些分析结果来指导如何 为弹性用户设计闭环控制机制，为非弹性用户设计开环控制机制。 第三章从对策论的角度分析了流保护在i p q o s 中的重要作用。并提出了一种改 进的s c o r e 机制，这种无状态的缓存管理算法可以在不破坏网络可扩展性的前提 下，提供基于路由器的拥塞控制和流保护。 在第四章针对弹性业务，研究了基于e c n 拥塞计费的流量控制机制，通过在过 载的网络资源上适当地标记分组，然后在网络边缘对被标记的分组收取固定价格的 小额费用，向终端用户提供正确的信息和激励去有效率地使用网络资源。本文在这 一对策模型中提出了一种新的基于速率的标记方法( r b m ) 和基于g i l b e r t 模型的用 户端流量控制优化算法。 第五章针对非弹性业务讨论了接纳控制中的资源分配问题。首次提出了在一离 散时间系统中带宽的统一价格拍卖方案，并讨论了其激励兼容性。初步扩展出衍生 市场机制，解决资源预留与价格波动间的矛盾，实现了一个可预测、低风险、易于 华中科技大学硕士学位论文 用户决策的完善的市场机制。 上述的理论研究结果都在网络仿真平台n s - 2 上进行了仿真实验，还与当前已有 的相关算法作了比较实验研究，得出了一些有益的结论。 最后本文对全文的工作进行了总结，并指出了今后需要进一步研究和探索的问 题与方向。 l 、 l 关键词：服务质量、对策论、网络资源铃配纳什均衡、拥塞控制、流量控制、拥 塞计费、接纳控制 工pf ，1 ：j 气 i i 华中科技大学硕士学位论文 a b s tr a c t q u a l i t yo fs e r v i c eg u a r a n t e e ( q o s ) i nt h ei n t e m e ti so n eo ft h em o s tc h a l l e n g i n g p r o b l e m si nr e s e a r c h r r e b so fc o m p u t e rn e t w o r k s s i n c et h eq o sau s e r s a p p l i c a t i o n r e c e i v e di s d e p e n d e n to nt h ea v a i l a b l en e t w o r kr e s o u r c e sh e ( o rs h e ) u s e d ，t h eb a s i c p r o b l e mi nq o sp r o v i s i o ni sh o w t os h a r ed i s p e r s e dr e s 0 1 1 r c e s u c h 勰b a n d w i d t ha n d b u f f e rs p a c e ，a m o n gu s e r sw h oa r ea l s od i s p e r s e d w h e n d e a l i n gw i t hr e s o u r c ea l l o c a t i o np r o b l e mi ni pn e t w o r k s s e r v i c ep r o v i d e r sa n d u s e r so ft h en e t w o r kh a v ed i f f e r e n to p t i m i z i n go b j e c t i v e s r e s o u r c eu t i l i z a t i o n t h u s l e a d i n g t ot h e c o n f l i c t i n g a c t i o no fo p t i m i z a t i o n b e c a u s e g a m et h e o r y i st h eb e s t m a t h e m a t i c a lt o o lf o ra n a l y z i n gt h i s s i t u a t i o n ，i t i sn a t u r a lf o ru st oi n t r o d u c e g a m e t h e o r e t i c a la p p r o a c h e st ot h i sp r o b l e m i nt h i sp a p e r , w ef o r m d a t eam o d e lo f n e t w o r k r e s o u r c ea l l o c a t i o ni nn o n c o o p e r a t i v e g a m e ，w h e r eu s e r sa t t e m p tt om a x i m i z eh i s ( o rh e r ) o v e nb e n e f i tf r o m u s i n gt h en e t w o r k , a n dh e t e r o g e n e o u sq o s p r e f e r e n c e sa r ec a p t u r e db yau s e r su t i l i t yf u n c t i o n i nc h a p t e r t w o ，w ep r e s e mac o m p r e h e n s i v e a n a l y s i s o f t h i sg a m e ，g i v i n ga c o m p l e t ec h a r a c t e r i z a t i o n o fn a s he q u i l i b r i u ma n di t s e x i s t e n c e ，s h o w i n gu n d e rw h a tc o n d i t i o n si ti sp a r e t oa n d s y s t e mo p t i m a l ，a n du s i n gt h o s ea n a l y z i n gr e s u l t st od i r e c tt h e d e s i g no fc l o s e dl o o p c o n t r o lm e c h a n i s m sf o re l a s t i cu s e r sa n d o p e nl o o pc o n t r o lm e c h a n i s m sf o ri n e l a s t i cu s e r s i nc h a p t e rt h r e e ，w ea n a l y s i st h ei m p o r t a n c eo ff l o w p r o t e c t i o nf o re l a s t i cu s 酆i n q o sg u a r a n t e ep r o b l e mf r o mt h ev i e wo fg a m et h e o r y , a n dp r e s e n tt h e p r o g r e s s i v e s c o r e ( c o r es t a t e l e s s ) ，an e ws t a t e l e s sb u f f e rs p a c em a n a g e m e n t a l g o r i t h mi nr o u t e r st o p m v i d ef l o wp r o t e c t i o na n dc o n g e s t i o nc o n t r o lb a s e do nm a x r a i nf a i m e s sc r i t e r i o n i nc h a p t e rf o u r , w ea n a l y s i s t h e c o n g e s t i o np r i c i n gm e c h a n i s mf o re l a s t i cu s e r s b a s e do n e c n ( e x p l i c i tc o n g e s t i o n n o t i f i c a t i o n ) m a r k s b ya p p r o p r i a t e l ym a r k i n g p a c k e t s a to v e r l o a d e dr e s o u r c e sa n d b yc h a r g i n gaf i x e ds m a l la m o u n tf o re a c hm a r k i 华中科技大学硕士学位论文 r e c e i v e d , t h i sn e wf l o wc o n t r o la p p r o a c h c a np r o v i d ee n d - u s e r sw i t ht h en e c e s s a r y i n f o r m a t i o na n dt h ec o r r e c ti n c e n t i v et ou s et h en e t w o r ke f f i c i e n t l y t h et h e s i sp r e s e n ta n o v e la p p r o a c ht om a r kp a c k e t sc a l l e dm b r ( r a t eb a s e dm a r k ) a n dan e wu s e r s o p t i m i z i n g f l o wc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do ng i l b e r tm o d e l i n e l a s t i cu s e r sn e e da d m i s s i o nc o n t r o lt op r o v i d es t r i c tq o sg u a r a n t e e c h a p t e rf i v e p r e s e n t e da na d m i s s i o nc o n t r o lm e c h a n i s mb a s e d o ru n i f o r m - p r i c ea u c t i o ni nad i s c r e t e t i m es y s t e ma n d p r o v e d t h i sa u c t i o n si n c e n t i v ec o m p a t i b i l i t yi nt h en e t w o r ke n v i r o n m e n t w ea l s oe x t e n dt h i sb a s i cm o d e lt o s u p p o r ta p p l i c a t i o n s w h i c hr e q u i r em i n i l n u r n b a n d w i d t hg u a r a n t e e sf o rag i v e nt i m ep e r i o db yi n t r o d u c i n gd e r i v a t i v em a r k e t , a n d c o m p l e t eam a r k e tm e c h a n i s mf o rn e t w o r kr e s o u r c e a l l o c a t i o nw h i c hi s p r e d i c t a b l e ， r i s k l e s s ，a n ds i m p l ef o re n d - u s e r s b a s e do na b o v er e s e a r c h e s e x t e n s i v es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sw i 也n s - 2 ( n e t w o r k s i m u l a t o r ) a r e c o n d u c t e dt oe v a l u a t ea n d c o m p a r ep e r f o r m a n c e s o ft h e p r o p o s e d a l g o r i t h m sa n d t h e e x i s t i n g r e l a t e da l g o r i t h m s ，a n ds o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sa l ed r a w n a tl a s t , w er e v i e wt h ee n t i r ew o r ka n ds u g g e s tt h ed i r e c t i o nf o rt h ef u t u r er e s e a r c hi n t h i sf i e l d k e y w o r d s ：q u a u t yo fs e r v i c e ，g a m et h e o r y , n e t w o r kr e s o u r c ea l l o c a t i o n , n a s h e q u i l i b r i u m ，c o n g e s t i o nc o n t r o l ，f l o wc o n t r o l ，c o n g e s t i o np r i c i n g ，a d m i s s i o nc o n t r o l i v 华中科技大学硕士学位论文 第一章绪论 本章介绍了本文所研究课题的背景及意义。详细分析了当前i n t e m e t 上的q o s 研究现状及有待解决的问题，初步介绍了基于n a s h 均衡的现代对策论的基本思想及 其应用领域，阐述了将对策论引入i pq o s 研究的必要性，最后大致描述了本文研究 内容和结构安排。 1 1i p 网络的o o s 网络的服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 0 1 是指用户的业务在网络传输的过 程中所表现的各种性能，可以用一组性能参数对它进行具体地描述。这些性能参数 包括：到达速率或带宽、吞吐量( r a t e o rb a n d w i d t h ，t h r o u g h p u t ) 、丢失率( 1 0 s s ) 、延 时( d e l a y ) 、延时抖动( d e l a y j i t t e r ) 、连接的可用性( a v a i l a b i l i t y o f t h ec o n n e c t i o n ) 、 安全性( s e c u r i t y ) 、可靠性( r e l i a b i l i t y ) 。它们共同构成q o s 参数集，常用的q o s 参 数是前五项。这些服务性能的聚集效应，决定了用户的某一业务对网络所提供的通 信服务的满意程度 2 1 。 不同的业务( 应用) 对q o s 参数集的不同分量有不同的要求。交互式的实时应 用程序( 如语音通信等) 对端到端延迟和抖动很敏感。如果延迟大，则对通信的交 互性有所削弱。非交互式的实时应用程序( 如单向广播等) 对端到端延迟不敏感， 但对抖动敏感。非实时应用程序往往对延迟不敏感。当前的以i n t e m e t 为代表的m 网络只提供尽力而为的服务，并不能保障用户业务的这些q o s 要求。a t m 为用户的 业务提供q o s 保障的功能是“天生”具有的，而m 网的q o s 保障功能则是为了商 业应用的要求而“后天”加入的，需要通过对p 网控制机制进行扩展而实现b1 1 】。 业务所获得的q o s 取决于其实际占用的网络资源。网络上最重要的资源是路由 器的缓存容量和输出链路带宽。几个输入数据流共享同一个输出链路，根据香农信 息理论，任何一个带宽为h ( h z ) ，信噪比为s n 的信道，其最大数据传数速率为 华中科技大学硕士学位论文 c = h l o g a ( 1 + s n ) 。路由器的转发速率r 必须小于或等于信道容量c 。如果r c ，则 在理论上无差错传输就是不可能的。如果总的分组到达速率超过r ，多余的分组在 这个端口就会建立排队等待。如果没有足够的缓存空间存储，分组就会丢弃。而分 组的排队延迟和丢弃是影响q o s 的主要因素。因而，网络的资源分配是q o s 保障机 制的核心问题n 1 2 1 。 1 2 当前in t e r n e t 网络资源分配机制 网络的资源分配是用户端的流量控制和网络上路由器的控制机制综合作用的结 果，如图1 1 所示。网络上的路由器控制业务流所占用的网络资源有两个手段：即调 度策略( 带宽分配) 和缓冲区管理( 缓存分配) 策略。缓冲区管理负责将分组存入 图1 - 1 ：网络拥塞控制机制 缓冲区以等待传输并在出现拥塞时选 择丢弃哪些分组，调度策略则负责从 缓冲区中选择相应的分组传输【3 】。很 显然两者之间是相互关联的：给某个 特定业务流分配更多的带宽有助于降 低该业务流所需要的缓冲区容量，相 反地，改变业务流的缓冲区容量可以 对该业务流所占有的带宽产生影响。传统的i n t e r a c t 路由器采用先来先服务( f i r s t c o m ef i r s ts e r v i c e ，f c f s ) 的调度算法和当缓冲区满时丢弃所有后到分组的丢尾 ( d r o p - t a i l ，d t ) 策略。当网络上发生拥塞时，路由器不加区分地丢弃后到分组，源 端的传输控制协议t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 通过发现重传计数器( r t o ) 超时或收到3 个相同a c k 确认帧，判定网络发生拥塞( t c p 这一假定是基于由传输 引起的数据包损坏和丢失的概率很小) ，缩小发送窗口，从而减少入网流量，缓解拥 塞。由此可见，传统i n t e r a c t 的资源分配主要在用户端进行，即利用t c p 在用户端 进行端到端、分布式的流量控制。路由器的功能主要局限在寻找路由上，并不主动 2 餐箍囊，。：蕊，。i ； 霹e 致 华中科技大学硕士学位论文 参与网络资源分配，也不对单个业务流的流量进行控制”“。 i n t e m e t 在过去的十几年中经历的爆炸式增长和获得的巨大成功，说明原有的网 络资源分配机制对传统的i p 业务是有效的，有其独特的优点。传统的i p 网承载的业 务，如t e l n e t 、f t p 、e m a i l 、w w w 等应用对q o s 的要求有两个共同特点：一是这 些应用都为同步非时间紧要应用或异步传输应用，它们对延迟的忍受能力很强，只 要求简单的连通性( 传输服务可以维持) 。即对q o s 的要求很低。二是这些应用对 q o s 的要求没有多大差异。 用户端t c p 主导的资源分配机制符合上述两个要求。所有用户使用相同的流量 控制机制( 据统计，目前i n t e m e t 上仍有9 5 的数据流使用的是t c p 协议) ，通过合 作( c o o p e r a t i o n ) 实现基于最大最小公平的网络资源平均分配策略。显然，由于应用 对q o s 的要求没有多大差异，因而平均分配策略是合理的。 在这种资源分配策略下，当前的i n t e m e t 只提供一种简单的服务：尽力而为地传 输数据报。这种最简化的服务使得路由器是状态无关的( s t a t e l e s s ) ，即：除了高度聚 集的路由信息外，网络上的路由器无需保持任何关于业务流的状态信息。这使得今 天的i n t e m e t 具有很好的可扩展性( s c a l a b i l i t y ) 和鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 。网络是可扩 展的，因为路由器的复杂度与经过该路由器的业务流数目以及整个网络的节点数目 无关：网络是鲁棒的，因为当一个路由器出现故障，或从故障中恢复时，其它路由 器只需更新很少的状态信息。 但是，i n t e m e t 的巨大成功也带来了新的问题。越来越多的用户和网络服务提供 商( i n t e m e ts e r v i c ep r o v i d e r , i s p ) 要求i n t e m e t 提供一些多媒体业务，如视频会议、 远程教育、远程医疗、v o d 点播等等，这些业务与传统业务不同之处在于其对服务 质量的要求相对较高，这就要求网络不能仅仅提供简单的连通性，还需提供比尽力 而为更好的服务，如通信质量有保证的服务，服务质量在不同的级别间有差异的区 分服务和新的q o s 服务质量保证机制【1 3 1 。因而，p 网络上承载的通信业务除了在数 量上持续快速地增长外，其构成也在沿着多样化的方向演进，已成为包括基于t c p i p 的数据业务和多媒体与实时业务在内的综合业务量。这种迅速的前所未有的变化使 华中科技大学硕士学位论文 得对网络资源分配( r e s o u r c ea l l o c a t i o n ) 的研究面临新的前提： ( 1 ) 用户对网络资源的总需求大大超过了网络的供给，企图在网络规划阶段即 通过超量供给( o v e r - p r o v i s i o n i n g ) 来同时为所有业务提供足够的带宽是不现实的。 网络资源已成为了一种典型的稀缺资源。 ( 2 ) 不同的业务之间，不同的用户之间对网络资源的需求存在很大的差异，这 意味着在它们之间均分资源既不公平也无效率，因而分配策略的制定( 即如何确定 应当为某一应用提供多少资源) 成为了一个关键的问题。 ( 3 ) 业务的多元化也促进了用户的多元化，i n t e m e t 已从一个为科研服务的网络 转变为商业性质的网络。不同的用户之间，用户与网络( 服务提供商i s p ) 之间在网 络资源分配的问题上必然存在利益冲突，完全依靠用户间的合作来实现分配策略不 再是现实的了。 图1 - 2 ：u d p 与t c p 竞争带宽的n s 仿真 比如，目前提出的很多实时多媒体业务如口电话、视频会议等都是基于u d p 协议的。若基于t c p 的业务与基于u d p 的业务共享网络，当网络拥塞时，由于u d p 协议没有拥塞控制机制，路由器丢弃分组的行为只会使t c p 连接缩小发送窗口，而 不影响u d p 的发送速率，这最终会导致基于u d p 的业务占尽所有的带宽( 图i 2 用n s 仿真给出了这样的例子) 。更为严重的是，这种不公平结果会产生负面的激励 效果，使得一些应用为获取更多带宽而故意不采用拥塞控制机制。如果更多的业务 流在网络拥塞时不降低发送速率，在网络上就极可能产生严重的拥塞崩溃( c o n g e s t i o n c o l l a p s e ) ，从根本上威胁到i n t e m e t 的性能【1 4 】。 4 瓣澈t 融。鏊；i a 华中科技大学硕士学位论文 1 3 已提出的i p 网端到端g o s 保障机制及其局限 为了满足用户的应用对i p 网q o s 的要求，互联网工程组( i n t e r a c te n g i n e e r i n gt a s k f o r c e ，i e t f ) 提出t - - - 种端到端i pq o s 保障技术【4 】：综合服务模型( i n t e g r a t e ds e r v i c e ， ， i n t s e r v ) ，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 ，d i f t s e r v ) ，多协议标签交换技术 ( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h ，m p l s ) 。 1 3 1 综合服务模型( in t s e r v ) 1 e t fi n t s e r v 工作组于1 9 9 4 年首先提出了建立动态的基于连接的资源预留机制 的思想，用于满足各种q o s 业务的需求【1 5 】。这与传统i n t e r a c t 中基于无连接的传送 方式有很大的区别，因此，i n t s e r v 模型建议采用资源预留协议( 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 r s v p ) 来完成资源预留【1 ”。r s v p 使用端到端信令，传送应用程序对网络的 要求和在网络中传送q o s 管理信息。对于要求q o s 的会话，在接收端和发送端之间 所经过的每一个路由器上都进行了资源预留，因此在路由器中维护了每一会话的状 态信息【1 6 】。 资源预留建立具体过程如下( 如图1 3 ( a ) ) ：发送端发送r s v p 路径“p a t h ”信 息到接收端，接收端收到后沿与“p a t h ”信息相反的路径返回r s v p 预留“r e s v ”信 息，“r e s v ”信息经过的每个路由器对r s v p 的资源预留请求进行“接纳控制” ( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 和“监督控制”( p o l i c yc o n t r 0 1 ) 。接纳控制根据申请的资源参数 和预留方式确定本路由器是否有足够的资源来实现q o s 请求；监督控制则确定q o s 华中科技大学硕士学位论文 申请者是否具有申请预留的权利( 如图1 3 ( b ) ) 。如可满足，则将所需的资源预留下 来，向前一个节点继续转发“r e s v ”信息，直至发送者，双方即可通信a 如不满足， 则可拒绝，再通知接收者，则对话结束。 h a t s e r v 定义了三种服务 1 5 1 ：质量保证的服务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) ，可以为用 户保障所需的时延和带宽，尤其可以严格保障端到端数据排队的时延。质量保证业 务保障数据流在预定的时间内到达接收端，同时不会因为队列拥塞而丢弃分组； 控制负载的服务( c o n t r o l l e d - l o a ds e r v i c e ) ，为用户数据流提供一定的业务质量，这种 业务质量与同样数据流在轻负载网络中通过尽力而为业务获得的质量相近。负载受 控业务具有以下两个基本特性：决大多数分组能够通过网络成功传送到接收端，决 大多数分组的传送时延不超过发送成功分组的最小时延；尽力而为服务，几乎不 提供业务质量保障能力，只有在网络负载较轻的情况下，才能尽量满足业务需求。 i n t s e r v 存在的问题是f 4 】：由于中间节点要存储流的状态，随着流的增加，状 态的数量会大大增加，所以可扩展性不好，尤其不适合核心路由器。对路由器的 要求太高，因为所有的路由器必须实现复杂的功能模块如r s v p 、接纳控制、监督控 制、分类和分组调度。 1 3 2 区分服务模型( d i f f s e r v ) 针对i n t s e 存在着较复杂和不易扩展等问题，i e t f 又提出了较易实现的区分服 务l l 引，它不是基于流而是基于类进行处理，将有相似q o s 要求的流合并为一类，提 供相同的处理方法，而对于不同的服务种类，在节点中采用不同的方法进行处理， 来满足用户不同的q o s 要求。 d i f f s e r v 将i p v 4 包头中的业务类型( t o s ) 字段定义为d s 标识域( d s c p ) 用来 标识服务类别。网络节点根据数据包的d s c p 值选择相应的逐跳转发行为 ( p e r h o p - b e h a v i o r , p h b ) 对数据包进行处理，有相同p h b 的业务流在相同的路径 上构成流聚集( a g g r e g a t e ) 。 当用户的业务流进入提供d i f f s e r v 的网络时，用户和服务供应商之间必须协商 制定一个服务水平协定( s e r v i c el e v e l a g r e e m e n t ，s l a ) ，该协定定义了所提供的服 6 华中科技大学硕士学位论文 务类别以及不同服务类别的流量要求，用户的任何违反协定的数据流将被丢弃或不 能得到其要求的相应服务。在d i f f s e r v 结构中，能提供d i f f s e r v 业务的子网称为d s 域( d i f f s e r vd o m a i n ) 。一个d s 域是由多个互相连接的d s 节点构成，它们必须遵 循统一的服务提供策略并实现一致的p h b 组。包括确定的边界节点或称边缘路由器 ( e d g e r o u t e r ) 和内部节点或称核心路由器( c o r e r o u t e r ) 。其中边缘路由器可分为 入口路由器和出口路由器，入口路由器主要负责保证进入d s 域的流量符合该域和入 口相连的其他域之间的流量调节约定( t r a f f i cc o n d i t i o n i n g a g r e e m e n t ，t c a ) ，出口路 由器根据与下一个域之间的t c a 来实现出口流量调节( 如图1 4 ) 。 图卜4 ：d s 子网结构及功能模块图 d i t t s e r v 所提供的区分服务是通过不同的p h b 与网络边界的分类和调节策略相 配合而行成的。核心路由器的功能主要是根据包头的d s c p 值选择特定的p h b 来处 理分组。目前i e t f 只定义了三种标准的p h b 组：缺省转发p h b ( 也即b e s t e f f o r t ) ： 提供传统i n t e r n e t 网络支持的尽力而为的服务质量，只能保证尽可能快的转发和尽可 能多的带宽资源；加速转发p h b ( e x p e d i t e df o r w a r d i n gp h b ，e fp i - i b ) ：提供低时 延，低时延抖动和极小丢失率的转发方式，以满足视频等时延敏感型服务的需求【2 0 】； 确保转发p h b ( a s s u r e df o r w a r d i n gp h b ，a fp h b ) ：通过三种丢失优先级区别对 待丢失敏感和不敏感的服务，以满足需要可靠而不是快速传送的服务需求【1 9 】。 d i i i s e r v 将大量的复杂性工作放在网络边缘完成。边缘路由器的结构如图1 5 ， 分组先经过分类器判断服务的类型，以确定流量调节器采用哪种类型的流量规范进 行调节。计量器根据这种流量规范计量应用流的流量特性，并判断分组满足还是超 华中科技大学硕士学位论文 出了规范。按照计量器的判断结果， 标识器可以为分组设置相应于其服务 类型的d s c p 值，并将标识后的分组 归到特定的一种d s 转发集合中。整 形器通过延时一个或多个分组来调整 图卜5 ：d i f f s e r v 边缘路由器的结构图 应用流，使之与流量规范一致。整形 器中的缓冲区通常为有限容量，如果延时的流量超过了缓冲区容量，丢包器将按照 一定策略丢弃一些分组。 在d i i t s e r v 中，状态信息的数量与类型的数量成比例，而与各应用的流无关， 因而有较好的扩展性；另外，d i f f s e r v 体现了i n t e m e t 的设计思想，即将复杂功能( 智 能) 的实现放在网络的边缘，而使网络的核心尽可能的简单1 4 1 。因而，d i f f s e r v 要求 d s 域的内部节点只实现分类和简单的调度算法，比h a t s e r v 的路由器更容易实现。 1 3 3 多协议标签交换技术( n p l s ) m p l s 是一种可以在多种第二层媒质上进行标签交换的网络技术。这一技术综合 了第二层的交换机制和第三层( 路由层) 的智能、灵活性的特点，将第二层的基础 设施和第三层的路由有机地结合起来：第三层的路由在网络的边缘实旌，而在m p l s 的网络核心采用第二层交换t 2 ”。i e t f 提出m p l s 的主要目的是为流量工程( t r a f f i c e n g i n e e r i n g ) 提供一个有效的实施工具。但同时m p l s 也可作为一种新的q o s 保障 机制【1 3 1 。 m p l s 包头( s h i m ) 夹在链路层包头和网络层包头之间，具有固定的3 2 b i t 长度 便于提高处理速度。包头前2 0 b i t 为标签( l a b e l ) ，标签本地有效( 仅在它被采用的、 邻接的两个m p l s 节点之间有意义) ；接着是3 b i t 的服务等级c o s ( c l a s so f s e r v i c e ) 域，用于支持q o s , i b i t 的标签栈栈底指示，以便支持用堆栈( s t a c k ) 来对标签进 行管理( 先进后出f i l o ) ：8 b i t 的生存期r r l ( t i m et ol i v e ) 域，用来防止路由环 ( l o o p ) 。 与d i t t s e r v 相似，m p l s 网络由边界节点( 称作标签边缘路由器l e r ) 和内部 3 华中科技大学硕士学位论文 。节点( 称为标签交换路由器l s r ) 组成。l e r 又可根据数据的流向分为入口路由器 和出口路由器。l e r 首先通过传统的网络层分组转发方式接收这些分组，确定分组 数据所需的第三层服务，如q o s 、带宽管理等：然后按照一定的标记分配策略，为每 一分组数据加上标记并把它们转发出去。当加入标记的分组在m p l s 域中转发时， 就不需要再经过网络层的路由选择，而由l s p 上的标记交换路由器l s r 在链路层通 过标记交换进行转发：l s r 使用标记值作为指数在表中查找到下一跳的地址和新的 标记，用新标记替代旧标记或进行标记堆栈处理，再将数据包转发到下一跳。i p 数 据包在m p l s 网络中以标签交换的方式经过的路径称为标签交换路径( l a b e l s w i t c h e d p a t h l s p ) 。一条l s p 是一个从入口路由器到出口路由器的单向逻辑通道， 类似于a t m 中的虚通道。“。 用m p l s 实现区分服务，我们需要做的就是在边缘的路由器上做一个q o s 的映 射。m p l s 限制路由的标签分配协议( c r - l d p ) 可以支持q o s 功能，并且支持流量的 设计和管理。因此，在边缘路由器上可以通过c r l d p ，将从d s 字段中所获得的 q o s 信息映射到一些特殊的链路层标签上。对于这些特殊标记的数据，链路层提供 特殊的符合q o s 要求的端到端的l s p 以满足这些数据包对时延及带宽的需求。这样， 通过链路层定义的特殊标记实现了网络层上不同的q o s 业务需求。 1 3 4 已提出的i p 网端到端o o s 保障机制的局限 上述机制的共同特点是：通过网络边缘的接纳控制和网络内部的业务流不同程 度的隔离，打破了在不同的应用中均分资源的低效状态。使得网络具备控制用户的 ，业务流或某一类用户业务的聚集流的能力。这些技术为不同于均分的其他分配策略 在i n t e r a c t 上实现提供了技术上的保证，但这些技术本身并不能提供什么是最优的分 配策略，这属于q o s 政策( q o sp o l i c i e s ) 机制的内容。i n t e r a c t 资源信息分布的分散 性和资源的非集中控制使得q o s 政策机制所要完成的并不是一个简单的优化问题 田j 。传统的q o s 政策机制如先来先服务，按业务类型分配，优先级分配等从根本上 讲都是有缺陷的：( 1 ) 先来先服务没有解决同时到达的服务请求有冲突时该如何分 配的问题，更重要的是它会鼓励用户在没有通信业务的时候也提出服务请求，以免 o 华中科技大学硕士学位论文 在有通信业务的时候没有发送的机会；( 2 ) 按优先级分配没有解决优先级本身应当 如何在用户中分配；( 3 ) 按业务类型分配在技术实现上就有困难：i n t e m e t 的分层体 系结构使得应用层信息在网络层完全被屏蔽掉，网络无法知道用户的应用类型，也 不能指望用户真实地报告这一信息，更重要的是按业务类型分配并不一定是合理的： 我们很难讲一个用于消遣的v o d 就应该抢占商业应用中的e m a i l 的网络资源。 出现上述问题，是由于现有的pq o s 理论框架本身存在局限：( 1 ) 没有为网络 优化提供依据：口q o s 技术不能增加网络资源，它只能管理网络资源。当对网络资 源的需求超过供给时，网络发生拥塞此时保护某些应用的q o s 就意味着降低另外 一些应用的q o s 。现有的i pq o s 理论框架无法告诉我们这样的技术决策是否是合理 的。( 2 ) 1 p q o s 技术与计费脱节：已提出的印q o s 模型虽然都有计费模块，但并没 有考患计费策略对网络资源分配的影响。而现有的与用户对网络资源的使用无关的 平坦计费( f l a t r a t ep r i c i n g ) 会使得诸如d i f f s e r v 等i pq o s 模型根本无法实用。加州 柏克莱大学的p m v i nv a r a i y a 教授在i n f o c o m9 9 的大会主题报告中就明确指出： “f l a t r a t ep r i c i n gi si n c o m p a t i b l ew i t hq u a l i t y - d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ”。【67 j 理由很简单： 如果高质量的服务不收费，或者收费标准与低质量的服务相同，那么所有的应用都 会要求高q o s ，这只会加重对资源的滥用和网络拥塞。( 3 ) 网络资源的集中化控制 与i n t e r a c t 本性不符。从控制的角度来看，资源分配方式包括中心化控制( c e n t r a l i z e d c o n 订0 1 ) 和非中心化控制( d e c e n t r a l i z e dc o n u 0 1 ) 两种。中心化控制是指网络端根 据用户需求，采用某种先验公式确定资源分配准则，其优化依赖于所有用户的信息； 网络控制端相当于一个掌握着全部资源的管理者，它可以根据系统目标寻求最优分 配方案。非中心化控制是指资源分配不完全由网络端控制的一种机制，在此机制下 不存在集中的管理者，网络只为用户间的行为提供规范。现有的i p q o s 模型均由网 络方集中控制资源分配，而分散控制才是i n t e r n e t 发展的方向f 2 4 】。h a t e m e t 是由遍布 全球的i s p 商业网络、政府网络等共同构成，不属于任何一个权力机构，因而不可 能有统一的资源控制和管理。用户和用户资源的分散性，网络规模的庞大也使得中 心化控制不可想象。 l o 华中科技大学硕士学位论文 综合以上的原因，目前i yq o s 的研究成果离实用还有很大距离。而且所面临的 困难在现有的i pq o s 技术框架内基本上无法解决( 有些本身就是引发问题的原因) a 因而i pq o s 研究正呼唤着新思路和新视角，急切需要新的方法论作指导。 1 4 网络工程中的对策论和经济学分析方法 1 4 1 网络工程中的经济学分析方法 由于i pq o s 的中心问题是如何有效地分配有限的网络资源，从而最大限度地实 现资源的潜在价值，而这正是经济学处理得比较成熟的问题，因而国外在8 0 年代后 期已有人开始在网络资源分配的研究中借鉴经济学的一些方法，为分配研究提供强 有力的理论支持和实践指导瞄j 。 要用经济学方法研究网络资源分配问题，首先要建立用户的效用函数模型，从 而系统优化目标是最大化系统总效用。网络资源分配经济模型把用户看作购买商品 的顾客，把网络资源看作商品，采用价格机制调节用户需求，在供给大于需求时价 格下调，刺激消费；在供给小于需求时价格上调，抑制消费，直到达到系统总需求 等于系统总供给的均衡状态【2 6 ，2 7 1 。微观经济学理论证明当系统处于均衡状态时，资 源配置是最优的，系统总效用最大。该方法具有以下优点【z i “j ： ( 1 ) 经济模型这为网络优化提供了依据：能够提高网络( 系统) 用户的总效用 ( 所谓p a m t o 改进) 的技术决策才是合理的。( 2 ) 经济模型可以简化网络控制功能。 计费本身也是一种资源分配机制。虽然它不是显式地为特定用户的数据业务分配网 络的缓冲和带宽资源，但是它作为一种激励机制可以使