（计算机应用技术专业论文）透明带宽管理系统的研究与实现.pdf

摘要 6 3 3 1 3 6 透明带宽管理系统的研究与实现 摘要 网络技术的发展使得i n t e r n e t 成为当今社会的主要信息交流平台。由于网络用户激增 网络应用层不穷，接入国际互联网的带宽似乎永远也不够使用。但是从网络管理的角度来 说，网络带宽资源只是相对匮乏。如果加以妥善的管理，一定的带宽可以满足更多_ 【 j 户的需 要。另外，t c p i p 协议的核心思想是“b e s te f f o r t ”和公平，而刚络应用却要求按照不同 的应用特点和重要程度区别对待。因此，对带宽资源的管理是日前网络管理领域的一个重要 课题。 本文详细分析了当前几种主流的网络带宽管理技术，即队列整形技术 b t c p 速率控制技 术，论述了两种技术取向的差异和各自的应用场景，并结合现今流行的l i n u x 系统中业已实 现的n e t r i l t e r 和i p t a b l e 架构，提出了透明带宽管理系统的设计思想和系统模型。透明带宽 管理系统综合采用队列整形技术、t c p 速率整形技术、融合了网桥技术 i n e t f i l t e r 防火墙技 术，在有效的对t c p 数据流f i 非t c p 数据流加阻管理的同时，完成封包过滤的功能，而且可以 不改变日前的网络拓扑结构。 本文系统描述了透明带宽管理系统的体系结构和工作过程模型，井在此基础上给出了透 明带宽管理系统的整体设计，整个系统由网桥模块、过滤模块、带宽管理模块和配置与管理 模块组成，并采用g n uc 语言完成了带宽管理模块中t c p 速率控制模块的设计和编码。 透明带宽管理系统在基于应用、基于策略的带宽资源分配方面提出了一个可行的方案 同时也是在q o s 领域做的一个有益探索，有着极佳的发展前景。 关键字：透明带宽管理系统t c p 速率控制队列整形c b qn e t f i l t e r a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ft r a n s p a r e n t b a n d w i d t hm a n a g e m e n ts y s t e m a b s t r a c t i n t e r a c tb e c o m et o d a y sm a j o ri n f o r m a t i o ne x c h a n g ep l a t f o r mw i t ht h ee v o l u t i o no fi t s e l f t h eu s e r s b a n d w i d t hs e e m sa l w a y sn o te n o u g h ，b e c a u s et h en e t w o r kg r o w n r a p i d l ya n d a p p l i c a t i o ne m e r g ei ne n d l e s s l y b u tf r o mt h en e t w o r ka d m i n i s t r a t o r sv i e w ，t h er e s m l r c el a c ko f n e t w o r kb a n d w i d t hi sr e l a t i v e l yi fb a n d w i d t hm a n a g e m e n td o e sw e l l ，t h el i m i t e db a n d w i d t hc a n m e e tm o r eu s e r s n e e d i na d d i t i o n ，t h ec o r eo ft c p i pp r o t o c o li s “b e s te f f o r t ”a n di m p a r t i a l i t y a n dt h a tn e t w o r ka p p l i c a t i o nw i l lm a k ead i f f e r e n c eb e t w e e nd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n sa n dt h e i r p r i o r i t y s o ，t h em a n a g e m e n to f b a n d w i d t hi sai m p o r t a n tt a s ki nn e t w o r km a n a g e m e n ta r e a t h i sa r t i c l el a b o r ss e v e r a lf a m o u sn e t w o r kb a n d w i d t hm a n a g e m e n tt e c h n o l o g i e st o d a y ， q u e u eb a s e ds h a p i n ga n dt c pr a t ec o n t r o lt e c h n o l o g y ，a n de x p a t i a t e st h ed i f f e r e n c eb e t w e e n t h e s et w ok i n d so ft h et e c h i nt h e i rt r e n d sa n dt h e i rs c e n a r i o s ，u s i n gf a m o u sn e t f i l t e ra n d 1 p t a b l ef r a m e w o r ki nl i n u xt o d a y ，p r e s e n tt h ed e s i g ni d e aa n ds y s t e mm o d e lo ft r a n s p a r e n t b a n d w i d t hm a n a g e m e n ts y s t e m b a n d w i d t hm a n a g e m e n ts y s t e mu s i n gq u e u eb a s e ds h a p i n ga n d t c pr a t ec o n t r o lt e c h n o l o g y ，a n di n t e g r a t e db r i d g et e c h n o l o g ya n dn e t f i l ef i r e w a l lt e c h n o l o g y t of i n i s hp a c k e tf i l t e rf u n c t i o nd o sn o tn e e dt oc h a n g ea c t u a ln e t w o r k t o p o l o g i c ，a tt h es a m et i m e t om a n a g et c p i pd a t a f l o wa n dn o n t c pd a t a f l o w t h i sa r t i c l ed e s c r i b e db a n d w i d t hm a n a g e m e n ts y s t e ma r c h i t e c t u r e ，w o r k i n gp r o c e s sm o d e l ，a n d b a s eo nt h i st h e o r y ，w eg i v eo u tt r a n s p a r e n tb a n d w i d t hm a n a g e m e n ts y s t e mi n t e g r a t i o nd e s i g n ， w h o l es y s t e mc o m p o s e db yb r i d g em o d u l e ，f i l t e rm o d u l e ，b a n d w i d t hm a n a g e m e n tm o d u l e ，a n d c o n f i g u r a t i o na n da d m i n i s t r a t i o nm o d u l e w r i t et h ec o d e o ft c ps p e e dc o n t r o lr o u t i n ei n b a n d w i d t hm a n a g e m e n tm o d u l eu s i n gg n ucl a n g u a g e t r a n s p a r e n tb a n d w i d t hm a n a g e m e n ts y s t e mp r o v i d eav i a b l es o l u t i o nf o ra l l o c a t i n g a p p l i c a t i o nb a s e da n dp o l i c yb a s e db a n d w i d t hr e s o u r c e ，a l s o ，i t sag o o de x p l o r a t i o ni nq o sa r e a a n dh a sag o o df u t u r e k e yw o r d s ：t r a n s p a r e n tb a n d w i d t hm a n a g e m e n ts y s t e mt c pr a t ec o n t t 0 1q u e u es h a p e c b q 2 c t f i l t e r 第1 章引言 第1 章引言 带宽，我们将它理解为某一特定的通信线路所允许的最火数据传输速度，一般采用比特 秒作为带宽的单位，意为通信介质上每秒传输的比特数。带宽资源管理，简称带宽管理，就是 从资源的角度，按用户、应用对带宽的不同需求，基于一定的策略对带宽资源进行合理的分配。 1 1 研究背景 带宽管理作为一项新兴的网络管理内容正在逐渐被网络管理者认可和重视。这是计算机网 络发展到一定阶段的必然产物。纵观计算机网络发展的历史，从过去的只有2 4 0 0 b i t s 的拨号 线路，现在l o g b i t s 的高速局域网，从过去基于字符终端的主机应用到现在丰富多彩的多媒 体，计算机网络发展了翻天覆地的变化。同过去的网络相比，当前运行的网络在一下方面具有 巨大的差异。 局域网的发展 局域网技术走向统一，传输速度有了极大提高，同广域网形成反差。在过去局域网络技术 体系众多、协议纷繁复杂，不同厂商都有自己专有技术和实现，以太网、令牌环、令牌总线、 f d d i 等都有一定的市场占有率。由于以太网技术的飞速发展，现在以太网儿乎就是局域网的代 名词，而且以太网技术传输标准已经从l o m b i t s 的传输速度发展到现在的o b i t s 和l o g b i t s ， 且价格低廉。所以现阶段局域网的带宽应该是非常丰富且廉价的。相比之r ，广域网连接由于 价格问题，企业不可能建立同自身内部局域网带宽相匹配的广域网连接，所以广域网部分也就 成为了网络传输的瓶颁。 网络协议体系 过去不同的计算机软硬件厂商都提出了专有的网络协议体系，象n o v e l l 公司的i p x s p x ， i b m 公司的s n a ，a p p l e 公司的a p p i 。e t a l k 等等，这些协议都具备网络互联的功能。但在国际互 联网的推动下，基于开放标准的t c p i p 最终获得了胜利，成为网际互连的事实标准。目前所有 的网络应用全部基于t c p i p 协议或是提供对t c p i p 的支持。 网络互联规模 网络高度互连，规模空前巨人，传输异常复杂。过去的计算机网络有如一个个信息孤岛， 网络上传输基本上足企业或组织内部的应用和信息。但现在的情况通常是组织机构内部互迕， 然后同国际联网进行互联，甚而有些跨国企业把国际互联网作为企业内部网络互联的手段。 目前企业的信息流可能是全球性的。这也造成了仓业内部信息传输的复杂性。因为企业内部是 高速的局域网，可是远端的带宽情况却是不可知的。 网络应用 笫1 审引言 在过去，网络上的应用非常的有限，基本上局限于文什共亭、打印共享，基于e l ie n t s e r v c r 架构的数据库游问。但随着网络的发展，尤其是国际互联网的发展，网络的使用人数和基于网 络的应用都在呈现爆炸性的增长，多媒体应t j 更是层出不穷。过去网络上承载的巨大多数是数 据信息，可是现在网络上不仅包括数据信息，还有i 型形图像，音频和视频。这些信息流对传输 质量有一定的要求，象音频和视频信息流就对网络传输延迟非常的敏感。即便是同种应用，重 要程度也是千差万别，比如视频会议，和普通的视频娱乐节目，虽然对传输质量的要求是相同 的，但显然，应该有不同的传输策略。传输质量的保证通常体现为带宽的拥有，而且是端到端 的带宽，如果带宽不足，则一些应用无法正常的运行。 综上所述，我们可以得出以下结论，当前的互联网络基丁t c p i p v 4 协议，存在数量繁多的 网络应用，从局域网到广域网存在着巨大的带宽落差，目前迫切需要一种能够在兼容当前网络 环境f 适用的一种带宽管理技术能够满足当前应用的传输质量和传输策略需求。 研究的内容和目标 在以上的背景r ，对当局域网技术、广域网技术、t c p i p 协议进行深入的研究，分析了当 前的q o s 技术和主流的带宽管理思想，本文提出了一个基于开放式i i n u x 系统的透明的带宽管 理系统结构模型。它的设计思想是把基于i p 的网络应用按照一定的规则进行分类，对每一种分 类后的应用实施预定的带宽授予策略，从而保证在有限的广域网带宽资源条件下，为重要的应 1 j 提供优质服务质量，让关键应用以最低的响应时延通过网络而不受时间、用户数变化和网络 突发事件网素的影响。 1 2 本系统的主要优势 透明特性它可以在不改变现有网络拓扑结构的情况下进行部署，悄悄的完成带宽管理策略 的实施。 综合了t c pr a t ec o n t r o l 技术和队列整形技术，带宽管理机制更为完善。 提供封包过滤功能。 1 3 论文结构 论文的第一章详细分析了t c p i p 的传输控制机制，在第三章介绍带宽管理的主要技术，包 括在i p 层实施的服务质量的主要技术，t c p 速率控制和分级队列控制。第四章介绍了透明带宽 管理系统的必要性，特点和用到相关技术。第五章是系统的设计，摊出了几个核心功能模块的 设计和系统的整体结构。第八章介缁r 透明带宽管理系统模型的具体实现，最后第七章是论文 的总结，提山了系统的前景和进一步的研究方向。 2 第2 章t c p i p 传输机制分析 第2 章t c p i p 传输机制分析 2 1t c p i p 协议 t c p i p 协议作为i n t e r n e t 的核心协议，实际上是个协议族。t c p i p 协议族有自己的模 型，称为t c p i p 协议栈，又称d o d 模型，如图2 一l 所示： 2 1 1 i p 协议简介 应用层a p p l i c a t i o nl a y e r 传输层t r a n s p o r tl a y e r ( t c p u d p ) 网络层i n t e r n e tl a y e r ( i p ) 网络访问层n e t w o r ka c c e s sl a y e r 图2 - 1t c p i p 协议模型 i p 协议用于将多个包交换网络连接起来，它在源地址和目的地址之间传送数据报，还提供 对过大数据报的重新组装功能，以适应不同网络对包大小的要求。i p 协议的责任就是把数据从 源传送到目的地，不负责保证传送可靠性，流控制和包的顺序到达。这个协议由上层协议调用， 而此协议负责调用本地网络协议将数据报传送到下一个网关或目的主机。例如t c p 可以调崩i p 协议，在调用时传送目的地址和源地址作为参数，i p 形成数据报并调用本地网络( 协议) 接口 传送数据报。 2 1 2i p 协议分析 i p 的包头如图2 - 2 所示 第2 章t c p i p 传输机制分析 0 版本包长服务类型总长 标示标词段偏移量 生存时间协议头校验码 源地址 目的旭址 选项填充 各部分说明如下 版本：4 位 图2 - 2i p 包格式 此域标明包头的格式。现在通用的t p 版本为4 。 i n t e r n e t 包头长度是以3 2 位为单位标记的包头氏度，它指向数据的开始位置，这个域的最小 合法值为5 。 服务类型：8 位 指示服务质量的参数，用于在特定网络指示所需要的服务。有些网络会提供优先级服务。选择 的基本原则是以下三者的权衡：低延时，高可靠和高吞吐量。 o 一2 ：优先级 3 ( 延时一d e l a y ) ：0 = 通常延时1 = 低延时 4 ( 吞吐一t h r o u g h p u t ) ：0 = 通常吞上量1 = 高吞吐量 5 ( 可靠r e l i a b l e ) ：0 = 通常i j 靠性1 = 高可靠性 6 7 ：保留 优先级的说明如下 4 第2 章t c p f i p 传输机制分析 1 1 l n e t w o r kc o n t r o l 1i 0 一i n t e r n e t w o r kc o n t r o l 1 0 1 一c r i t i c e c p 0 1 1 一p l a s h 0 1 0 一i m m e d i a t e 0 0 1 一p r i o r i t y 0 0 0 一r o u t i n e 总长度：1 6 位 总氏度指的是数据报的k 度，由字节计，包括数据和报头。允许数t 删j x 4 , n6 4 k 。 标识用于重组分段的包，各分片属于同一个i p 包。 标记：3 位 0 ：保留，必须为0 1 ：( d f ) 0 = 可分段，1 = 不可分段 2 ：( m p ) 0 = 最后一段，l = 还有多段 段偏移：1 3 位 此域指示这个段在应该在数据报中什么位置，它以6 4 位为单位计算，首段的偏移为零。 生存期：8 位 此域说明数据报在互联网系统生存的最大时问。如果值为零，抛弃此数据报。在处理报头的同 时也处理此域。时间以秒计，但每个中间节点都会对生存期减一，即使时间小丁一秒。 第2 章t c p i p 传输机制分析 协议：8 位 此域指示用于数据报数据部分的下一层协议。 头校验码：1 6 位 校验码只在头部，因此头域会在处理时改变，因此头会经常改变。这种校验方法比较容易计算 实验证明它也是适用的，但它可能在未来被c r c 校验过程取代。 源地址和目的地址：3 2 位 选项：长度不定 在数据报中可以有选项也可以没有，但i p 模块中必须有处理选项的功能。有些情况下，安全选 项是必须的。它的长度不定，可以没有也可以是多个。 填充：补足位数 报头域填充削于保证报头是3 2 位的倍数。填充值为0 。 2 ，l 3i p 协议栈主要功能 i p 协议栈主要实现两个基本功能：寻址和分段。i p 协议将地址和本地网络地址( 我们可以 把本地网络地址理解为m a c 地址) 加以觖射，有地址解析协议( a r p ) 完成。而将本地网络地址和 路由进行映射则是低层协议的任务。地址是3 2 位长，由网络号和本地地址两部分构成。地址有 二类：a 类的最高位为0 ，后7 位表示网络号，其它的2 4 位表示本地地址；b 类前两位为1 0 ， 厉1 4 值表示网络地址，其它1 6 位表示本地地址；c 类三位为1 1 0 ，后2 l 位是网络号，其它8 何代表本地地址。对于不同的网络，其中传送的包大小可能不一样，因此把大包分小的功能是 必须的。数据报也可以被标记为“不可分段”，如果一个数据报作了这样的标记，那么在任何 情况下都不准对它进行分段。如果不分段到不了目的地，那就把包在半路丢弃。段偏移量域告 诉接收方应该把这一段放在什么地方，多段标记指示最后一个段，利用不同的域完全可以重组 一个数据报。标记域是用于唯一标记数据报的，它是最初的发送方设置，而且要保证数据报在 网络传输的全过程中它中唯一的。最初的发送方把多段标记设置为零，段偏移量设置为零。 i p 协议使用四个关键技术提供服务：服务类型，生存时问，选项和报头校验码。服务类型 指希望得到的服务质量。服务类型是一个参数集，这此参数是i n t e r n e t 能够提供服务的代表。 这种服务类型由网关使用，州丁在特定的网络，或是用于下一个要经过的网络，或足下一个要 第2 章t c p i p 传输机制分析 对这个数据报进行路由的网关上选择实际的传送参数。生存时间是数据报可以生存的时间上限。 它由发送者设置，由经过路由的地方处理。如果来到达时生存时问为零，抛弃此数据报。对于 控制函数来说选项是重要的，但对于通常的通信来说它没有存在的必要。选项包括时间戳，安 全和特殊路由。报头校验码保证数据的正确传输。如果校验出错，抛弃整个数据报。 i p 协议综述 t p 协议只是尽力的将数据报从源地址传送到目的地址，不提供可靠的传输服务，不提供端 到端的或( 路由) 结点到( 路由) 结点的确认，对数据没有差错控制，它只使用报头的校验码， 它不提供端到端的重发和流量控制。i p 协议虽然规定了一些有关质量服务的参数，由于各个厂 家的不同实现和i n t e r n e t 的使用传统，互联网的中间节点并不全都支持这些参数，因此，i p 层 的质量服务目前还未达到实用阶段。 2 2t c p 协议 2 2 1 t c p 协议筒介 许多网络上的应用如f t p 、w w 、t e l n e t 等都需要可靠的数据传输服务。在i n t e r n e t 上，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 ) 协议在i p 上提供了完全可靠的传输服务， t c p 是面向连接的端到端的可靠协议，支持多种网络应用程序，提供以字节为单位的。对一的 可靠传输。 2 2 2t c p 包头解析 源端口 目的端口 序号 确认序号 偏移量保留控制位接收窗口 校骢位优先指针 迸项 填竞 数据 图23t c p 包头范例 7 第2 章t c p i p 传输机$ j c y 析 t c p 包头如图2 - 3 所示，各部分解释如下 源端口：1 6 伉； 目的端口：1 6 位 序列码：3 2 位，当s y n 出现，序列码实际上是初始序列码( i s n ) ，而第一个数据字节是i s n + i 确认码：3 2 位，如果设置了a c k 控制值，这个值表示一个准备接收的包的序列码 数据偏移量：4 位，指示何处数据开始 保留：6 位，这些位必须是0 控制位：6 位： 窗口：1 6 位； 校验位：1 6 位； 优先指针：1 6 位，指向后面是优先数据的字节 选项：长度不定，但长度必须以字节记 填充：不定长，填充的内容必须为0 ，它是为了保证包头能够被3 2 整除 2 2 3t c p 协议综述 t c p 协议要完成端到端的数据传输任务，要具备连接的建立和拆除、流量控制和拥塞控制 和差错恢复功能，是相当复杂的一套协议。t c p 协议在进行传输前先以二次握手( 3 - w a y h a n d s h a k e ) 的方式建立连接，之后雨端均可以发送和接受数据。传输完毕使用三次握手( 3 - w a y h a n d s h a k e ) 方式终止连接。t c p 可以根据l p 协议提供的服务传送人小不定的数据，t c p 协议通 过确认和超时重传机制来保证数据传输的r 口j 靠性，并通过滑动窗口机制对流量进行调节，并避 免拥塞。为了避免拥塞，现行的i c p 标准使用慢启动( s l o w s t a r t ) 和加速递减( m u l t i p l c a t i v e d e c r e a s e ) 两种技术。对于每个连接，t c p 都记录接收窗u ( 确认信息中所通告的窗口) 和拥 塞窗口，用于在网络发生拥塞时把数据流量限制为小于接收缓冲区的大小。t c p 按下面的公式 计算有效的窗口值： 第2 章t c p i p 传输机制分析 a 1 l o w e d - w i n = m i n ( r e c e i v e r a d v e r z i s m e n t ，c o n g e s t i o n _ w i n ) 在稳定状态时，拥塞窗口等于接收窗口，一旦发生拥塞( 对拥塞的判断是报文丢失) ，就 采用加速递减策略，使拥塞窗口减半，如再次发现报文丢失，就再将拥塞窗口减半，育到拥塞 窗口为1 。在恢复的时候，采用慢启动的策略，即每收到一个确认，就将拥塞窗口增加l 。实际 上，这种启动策略并不慢，它是以2 的指数级进行增民，t c p 仅仅需要l o g z n 个往返时间就可以 连续发送n 个报文段。这也是我们说的t c p 会突发的原因。 2 3 u d p 协议 2 3 1u d p 协议简介 用户数据报协议是定义用来在互联网络环境中为戍i j 层的过程提供无连接的服务，此协议 默认认为网路协议( i p ) 是其下层协议。本质上，u d p 协议提供的是不可靠的服务，依赖于上 层的应用程序处理丢包的问题，协议本身对在网络传输过程中产生的丢包不予考虑，因此本协 议的开销非常小，适于完成一些实时性强、或对丢包不敏感的应用。 2 3 2u d p 协议格式 源端口目的端口 5 报文长度 校验和 数据 u d p 协议包头格式如图2 4 所示 源端口：是可选域，当其有意义时，它指的是发送进程的端口，这也就假定了在没有其它信息 的情况下，返同信息应该向什么地方发送。如果不使用它，则在此域中填0 。 目的端口：在有特定的目的网络地址时有意义。 包文跃度：指的是此用户数据报& 度的八进制表示。( 这表明最小| ：l 勺数据报长度是8 。) 9 第2 章t c p i p 传输机制分析 校验码：1 6 位，是对i p 头，u d p 头和数据中信息包头的数位取反之和再取反得到。 2 3 3u d p 协议综述 u d p 协议向上层提供的是无连接、无确认、没有流量管理和拥塞控制机制的传输服务，由 于它是无连接的，所以i j d p 协议只是在i p 上提供了端口寻址能力，没有定义更多得功能，协议 开销小，快速、在高可靠的局域网环境中和对实时性强的多媒体传输中得到了广泛的应用。 2 4 t c p i p 协议与带宽管理 通过对t c p i p 协议传输机制的分析，我们不难得出以下结论： t c p i p 提供的是“b e s t e f f o r t ”的服务，协议只是尽自身最大努力完成数据报的传 输工作，但不确保一定会送到和咀什么样的速度送到。 t c p i p 协议本身没有对发送速度、延迟、丢报率等传输性能参数作出规定 基于t c p i p 协议的数据传输是完全平等、也就是无序的竞争关系，竞争规则是先到先 得。 总而言之，t c p i p 不适台作质量服务，但t c p i p 确实需要质量服务，因为不同的用户和 应用其重要程度千差万别，需要网络提供不同的传输优先级，不同的应_ = | j 对带宽、延迟、丢包 的敏感程度也不同，需要区别对待。因此基于i p 的q o s 也一直是网络基础研究的重点。 o 第3 章q o s 与带宽管理技术 第3 章q o s 与带宽管理技术 3 1 基于i p 层的质量服务介绍 在过去的2 5 年中，i n t c r n e t 从一个美国政府建立的研究性网络发展成为今天全球性的商用 网络。随着i n t e r n e t 的发展，i p 技术现在已经成为网络互联的事实标准。同时，i p 协议所承 载业务也越来越呈多样化的趋势。冈此，i pq o s 已成为网络基础研究的一个重点，也是未来i p 网络发展的关键技术。现在有三种基于i p 协议的服务质量控制技术，即i e t f ( i n t e r n e t e n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 定义的综合业务结构( i n t s e r v ) 和业务区分结构( d i f f s e r v ) 和 新近提出的多协议交换技术( m p l s ) 。 i n t s e r v 在r f c ( r e q u e s tf o rc o m m e n t s ) 1 6 3 3 中进行了定义。r f c1 6 3 3 将r s v p ( 资源 预留协议) 作为i n t s e r v 结构中的主要信令协议。该协议假定从接收方到发送方之间沿途的每 个路由器都要为每一个要求o o s 的数据流预留资源。该协议还建议使用端到端的信令。i n t s e r v 一般应用在企业网络的边沿，如图31 所示，它使用一种类似a t m 技术中的交换式虚拟链路的方 法，在发送端和接收端之间用r s v p ( 资源预留协议) 作为每个流( f l o w ) 的信令。r s v p 的信息跨越 整个网络，请求预留资源。路径沿途的各路由器( 包括核心路由器) 必须为每个要求服务质量保 证的数据流维护一个”软状态”。所谓的”软状态”就是一种临时性状态，由资源预留定期失效来 控制，因此无需申请拆除显式路径。软状态被定期的r s v p 信息更新。通过r s v p 信息的预留，各 路由器可以判断是否有足够的资源可以预留。只有所有的路由器都给r s v p 提供了足够的资源，” 路径”方可建立：否则，将返回并拒绝信息。 图31i n t s e r v 架构 综合业务架构( i n t s e r v ) 定义_ ：广三种级别的业务： 有保证的业务( g u a r a n t e e d ) 保证带宽，限制延迟，无丢包。 控制负载的业务( c o n t r o l e dl o a d ) 在一个负载较轻的嘲络中实现类似于尽力而为的 l l 第3 章q o s 与带宽管理技术 业务。 尽力而为的业务( b e s te f f o r t ) 类似当前i n t e r n e t 在多种负载环境( 由轻到重) 下提 供的尽力而为的业务。 首先，发送方应该向接收方发送一个r s v p 信息。r s v p 信息同其他i p 包一样通过各个路由 器到达目的站点：接收端接收到发送端发送的路径信息之后，由接收端逆向发起资源预留的过程 资源预留信息沿着原来信息包相反的方向对沿途的路由器逐个进行资源预留。如果资源预留信 息成功地回到发送方，则发送方就可以成功地在这条已经预留资源的路径上发送应用数据了：否 则，应用将无法进行。 可扩展性是i n t s e r v 结构最致命的一个问题，因为i n t s e r v 要求端到端的信令，这在一个 实际运行的运营商网络中几乎无法实现。其次，i n t s e r v 还有一个目前很难解决的问题，那就是 资源预留和路由协议之间的矛盾。有时从路由协议角度来看它是一条好的路径：可从资源预留来 看，路由器没有足够的资源可以预留，不能为应用数据流建立起一条路径，因此这一进程只能停 留在这里，等待上层超时拆除这个应用进程，再重新建立路径。第三，资源预留协议还要求沿途的 每个路由器为每一个数据流都维持一个”软状态( p e r f l o w s o f ts t a t e ) ”。这无疑也限制了这 种结构的可扩展性，冈为每个路由器的内存有限，可以保存的软状态信息都是有限的，在一个运 营商规模的网络中几乎不可能实现这一要求。此外，如何为资源预留申请授权并确定优先权也是 i n t s e r v 结构本身很难克服的问题。 业务区分架构 业务区分结构( d i f f s e r v ) 定义了一种更具扩展性的实现i pq o s 的方法。d i f f s e r v 大大 降低了信令的工作，而将重点放在集合的数据流以及适用于全网业务等级的一套”单跳行为( p e r t o pb e h a v i o r ) 4 上。我们可以根据预先确定的规则对数据流进行分类，以便将多种应用数据流 综合为有限的几种数据流等级。业务区分结构使用i p v 4 报头中的服务类型( t o s ) 字段，并将8 位 t o s 字段蘑新命名，作为d s 字段，其中6 位可供目前使用，其余2 位以各将来使用。该字段可以 按照预先确定好的规则加以定义，使下行节点通过识别这个字段，获取足够的信息来处理到达输 入端口的数据包，并将它们止确地转发给f 一跳的路由器。d i f f s e r v 充分考虑了i p 网络本身 灵活、可扩展性强的特点，将复杂的服务质量保证通过d s 字段转换为先进的单跳行为，从而大大 减少了信令的工作。 d i f f s e r v 比i n ts e r v 更其可扩展性，可用于企业的广域网中，并在运营商网络中发挥重要 的作用，因为它可以根据应用或业务类型排出不同的优先级别。业务区分结构使用i p v 4 报头中 的服务类犁( t o s ) 字段，并将8 位t o s 字段重新命名，作为d s 字段，其中6 位可供舀前使用，剩余 2 位以备将来使用，通过该字段的标记，下行节点可以获取足够的服务质量信息，以对到达该端口 2 第3 章q o s 与带宽管理技术 的数据包做出相应的”处理“，将它们正确地转发给下一跳的路由器。这里需要注意，t o s 字段和 d s 字段的定义是不同的。边缘路由器可以将t o s 字段映射到d s 字段。 d i f f s e r v 的三种业务 与i n t s e r v 类似，d i f f s e r v 也定义了三种业务类型： 尽力而为的业务( b e s te f f o r t ) ：类似目前i n t e r n e t 中尽力而为的业务。 最优的业务( p r e m i u m ) ：类似于传统运营商网络的专线业务。 分等级的业务( t i e r e d ) ： 这一类别的业务严格讲不仅仅是一种业务，而是一个大的类别， 可以根据发展的需要定制不同的业务等级。 d i f f s e r v 的基本部件 d i f f s e r v 降低了信令的工作，而其重点部件是汇聚数据流和单跳行为。实际上，除去单跳 行为外，一个完整的d i f f s e r v 结构还包含边缘行为和带宽管理两个基本部件： 边缘行为数据包进入网络边缘时采取的一系列行为 通过分类器( c l a s s i f i e r ) 对入局接口的业务分类进行( 可以根据i p 地址、协议类型以及t c p 端口号区分不同服务级别) ，并对d s 字段加以标记。 对每个级别的业务加以监测，通过监管来监测每个级别的业务，以确保符合s l a 。 单跳行为数据包经过沿途路由器所采取的行为 依据数据包的d s 标记，将它插入台适山口的相应级别队列中。 业务管理机制根据各队情况对输出队列的业务进行调节，以建立一种定义明确的等级行为。 主要功能有分配输出带宽、针对网络中发生拥塞时如何丢弃数据包等制定规则。 目前i e t f 已经定义了三种类别的单跳转发行为，即d f ( 缺省转发，提供传统的尽力而为的业 务) 、a v ( 确保转发，基于三级丢弃优先级) 以及e f ( 快速转发，基丁二优先级队列) 的行为。目前只 有d f 已经标准化。 虽然d i f fs e r v 为i pq o s 奠定了宝贵的基础，但还没有办法完全依靠自己来提供端到端 的q o s 结构。d i f f s e r v 需要大量网络单元的协同运作，才能向h j 户提供端到端的服务质量。鉴 于这些组件高度分散的特点和对它们进行集中管理的需要，必须有一个全局的带宽管理对全局 资源进行动态管理。解决这一问题的方法有两个：一是用功能强大的全局策略管理器来完成这一 任务：另外种就是利用m p l s 将第三层的q o s 转换为第j 二层的q o s ，通过运营网中第二层的交换 机来实现端到端的服务质量保证。 多协议标记交换( m p l s ) m p l s 是一个r 丌j 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 交换和第三层路山的特点，将第二层的基础设施和第二层的路由有机地结合起来第三层的路由 在网络的边缘实旋，而在m p l s 的嘲络核心采用菊二层交换。m p l s 通过每一个节点的标签交换来 实现包的转发。m p l s 可以不改变现有的路由协议，可以在多种第二：层的物理媒质上实施目前有 第3 章q o s 与带宽管理技术 a t m 、f r ( 帧中继) 、e t h e r n e t 以及p p p 。通过m p l s ，第三层的路由可以得到第二层技术的很好补 充。充分发挥第二层良好的流量设计管理以及第三层”h o p b y h o p ”路由的灵活性，实现端到端的 o o s 保证。m p i 。s 是一个网络层包转发的新兴标准，它主要基y - i e t f 提交的一系列信令协议。在 这些协议里，最主要的有标记分配协议( l d p ) 、资源预留协议( r s v p ) 以及限制路由的标签分配协 议( c rl d p ) 三种。这些协议都应用在分配标签和转发m p l s 数据流上。 m p l s 是一种特殊的转发机制，它为进入网中的i p 数据包分配标签，并通过对标签的交换来 实现i p 数据包的转发。标签作为i p 包头在网络中的替代品而存在，在网络内部m p l s 在数据包 所经过的路径沿途通过交换标签( 而不是看t p 包头) 来实现转发：当数据包要退出i p l s 网络时， 数据包被解开封装，继续按照i p 包的路由方式到达目的地。 如图3 2 所示，m p l s 网络包含一些基本的元素。在网络边缘的节点被称作标签边缘路由 器( l e r ) ，而网络的核心节点就称为标签交换路由器( l s r ) 。l e r 节点在m p i ，s 网络中完成的是i p 包的进入和退出过程，l s r 节点在网络中提供高速交换功能。在m p l s 节点之间的路径就是标签 交换路径( l s p ) 。一条l s p 可以看作是一条贯穿网络的单向隧道。 i s r 擅鼢一撩签边缘路电器 图32m p i 。s 网络示意图 这三种服务模型中，从技术上看，i n t s e r v 具有面向连接的特性及思想，这与i p 技术本身 无连接特性是不符合的，容易导致网络的复杂化；从实现看，i n t s e r v 需要网络对每个流均维 持一个软状态，因此会导致设各性能的下降，或实现相同的功能需要更高性能的设备，另外， 还需要全【嘲设备都能提供一致的技术才能实现o o s 。而d i f f s e r v 则没有这方而的缺陷，且处理 效率高，部署及实施可以分布进行，它只是在构建网络时，需要对网络中的路由器设置相应的 规则，会使配置管理比较复杂。m p i 。s 在网络边缘对包进行分类和路山，对包进行标记，然后根 据标记在网内进行高速交换，结构清晰，所以可能成为将来q o s 网络的骨干技术。 1 4 第3 章q o s 与带宽管理技术 图3 - 3 典型企业网络结构 通常企业网接入互联网后会形成如图3 3 的网络拓扑结构，各企业或组织通过边缘接入设 备连入可以提供q o s 的互联网络骨干。q o s 网络骨干向企业网提供多种业务的支持及保证，根 据业务的重要程度，区分不同的业务以区别对待如银行网络中的实时交易为关键业务、企业 内部的视频会议为关键业务等，使关键业务能得到充分的服务质量保证( 如吞吐速率、时延小、 丢包少等) 。接入设备对转发报文进行o o s 保障的处理，发生在报文从设备的一个接口进入， 到从另一个接口出去的摧个过程中。一般的企业接入互联网的广域网连接通常与内部局域网的 带宽不在一个数量级上，而且广域网带宽资源非常昂贵。这就导致了广域网连接是网络传输的 瓶颈，极易发生拥塞，而且在这个环节上加以管理会产生极大的实用价值和商业价值。在这个 环节需要完成的功能分为报文分类、带宽管理与整形，提供服务质量，拥塞管理、拥塞避免等 部分。其中提供服务质罱是目的，报文分类、带宽管理与整形是密不可分的两个部分，是实现 服务质量、避免拥塞的手段。 3 2 带宽管理技术 3 2 1 报文分类技术 报文分类是是进行带宽管理的基础，只有区分r 不同的报文业务，才能进行分别处理及保 障相应业务的服务质量。一般在网络边界，根据物理接口、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依据对报文进行分类，分类后可以将i p 包放入相应的队列进行处 理，或设置报文i p 头的相应字段作为报文的标记供厉续的节点进行处理。在网络的内部则可 使用边缘设置分类的标准，以提高网络的处理效率。 第3 章q o s 与带宽管理技术 3 2 2 带宽管理技术 带宽管理的作用根据既定的网络传输策略，保证内部的关键业务可以在规定的速率下进行 数据传输，限制进出网络的某一连接流量与突发在报文满足一定的条件下，如某个连接的报 文流量过人，带宽管理就可以采取相应的措施来降低某个连接的流量。此时通常有两种技术可 供选择：队列技术和t c p 速率控制( t c pr a t ec o n t r o l ) 技术。 1 队歹! i 技术 采用队列技术可以将分类完毕的数据包放入不同的队列进行分别处理，优先级高的报文会 得到优先处理。不同的队列调度算法用来解决不同的问题，并产生不同的效果。常用的队列有 f i f o 、p q 、c o 、c b q 、t b f 等，下面简单介绍各种队列技术的特性。 先进先出队列( f i f o ) 顾名思义，先进先出队列( 简称f i f o ) 就是按报文到达接口的先后顺序让报文进入队列， 在队列的出口让报文按进队的顺序出队，先进的报文将先出队，后进的报文将后出队。这也是 通常的处理模式。 优先级