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蕈庆邮电学院硕+ 论文 摘要 目的尽力而为的服务已无法满足i n t e m e t 上多媒体应用和各种用户对网络传 输质量的不同要求，提高网络资源利用率、为用户提供更高服务质量为目标的研 究预域极具活力。h x t e r n e t 工程任务组提出了区分服务体系结构，以鼹决综合服 务的可扩展性和鲁棒性差的问题，并推荐在l n l e m e t 路由器上使用主动队列管理 算法。为在网络中提供真正意义的服务质量保证，主动队列管理算法和拥塞控制 策略的研究及箕改进一直是业内研究的重点。 论文首先对m 服务质量做了定量分析，然后详细阐述了区分服务体系结构， 总结了目前路由器广泛使用的拥塞控制策略及一些改进方案，并着重分析研究了 r e d 算法和b l u e 算法，在此基础了分别提出了一种改进方案：基于拥塞等级 的r e d ( c l r e d ) 算法和加权b l u e ( w b l u e ) 算法。 c l r e d 的基本思想是，把拥塞程度详细地划分为若干个等级，不同的拥塞 等级下，分组丢弃概率p 增加的程度不同，即当拥塞等级较大时，p 增加的也较 大，这样就能及时的通过调整p 来丢弃更多的分组，从而就能更快地调整队列长 度，更及时准确地控制拥塞了。最后基于o p n e t 对拥塞程度分为4 级的情况进 行了仿真。结果表明，c l r e d 在标准化吞吐量、分组丢失以及排队延迟方面都 比r e d 优越。c l r e d 的不足是，拥塞等级划分得越细，就越能详尽地反映出拥 塞程度的变化。但这样会增加计算p 的开销。 w b l u e 的基本思想是，分组丢弃概率p 。的增加量巧，和减小量占2 都随着 分组所在聚集流的优先级面不同，即优先级高( 丢弃优先级低) 的流，其艿t 和 疗2 比优先级低( 丢弃优先级高) 的小。通过o p n e t 的仿真结果比较可以看出， w b l u e 比b l u e 在分组丢弃率方面更能兼顾聚集流的优先级，从而在一定程度 上保证流的服务质量。但是，w b l u e 算法和b l u e 算法一样，由于采用自适应 的分组丢弃率计算方法，因而都不可避免的出现震荡等问题，所以在减小排队延 迟、消除队列震荡、加强流之间的公平等方面有待进一步。 关键词：服务质量； 区分服务；主动队列管理； 拥塞控制 随机早期检测；b l u e 重庆邮电学院硕士沦文 a b s t r a c t t o d a y si n t e r n e th a sc o n s i s t e n t l ym e tt h ec h a l l e n g eo fn e wa p p l i c a t i o n sa n db e s t e f f o r ts e r v i c eh a sm e tt h ec o m m a n do f q u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s ) o f t h eu s e r s ，m o r ea n d m o r ew o r kh a sb e e nd o n eo i lt h er e s e a r c ho fi m p r o v i n gt h ec o m p u t e rn e t w o r k u t i l i z a t i o na n dp r o v i d i n gb e t t e rq o s t oa c h i e v et h e s eg o a l s ，t h ei n t e r n e te n g i n e e r i n g t a s kf o r c eh a sr e c o m m e n d e dd i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sa sa na p p r o a c ht oi pq o sa n d a c t i v eq u e u em a n a g e m e n ta l g o r i t h m ss u c ha sr a n d o me a r l yd e t e c t i o n ( r e d ) u s e d i nr e u t e r s i m p r o v i n gt h ec o n g e s t i o na n dq u e u em a n a g e m e n tp o l i c i e si nt h ei n t e r n e t h a sb e e no n eo f t h em o s ta c t i v ea r e a so f r e s e a r c hi nr e c e n ty e a r s ， t h ep a r a m e t e r so fpq o sa n dt h ed i f f e r e n t i a t e ds e r v i c ea r c h i t e c t u r ea r ec a r e f u l l y d e s c r i b e df i r s ti nt h i sp a p e r t h e nt h ec o n g e s t i o nc o n t r o ls c h e m e su s u a l l yu s e di n r o u t e r sa n d i m p r o v e da l g o r i t h m s a r e a n a l y z e d ，f i n a l l y a n i m p r o v e d r e d s c h e m e c l r e db a s e dc o n t r o ll e v e l sa n da ni m p r o v e db l u es c h e m e - w b l u ea r e p r o p o s e d ，i m p l e m e n t e di no p n e t ，a n de v a l u a t e db ys i m u l a t i o n s t h ek e yi d e ab e h i n dc l r e di st op e r f o r mq u e u em a n a g e m e n tb a s e dd i r e c t l yo n c o n g e s t i o nl e v e l t h ep a c k e td r o pp r o b a b i l i t ypi n c r e a s e sw i t ht h ec o n g e s t i o nl e v e l b e c o m i n gb i g g e r s i m u l a t i o nr e s u l t su s i n go p n e ts h o wt h a tt h ep r o p o s e dc l r e d s c h e m eo u t p e r f o r m sr e di nt e r m so fn o r m a l i z e dt h r o u g h p u t ，q u e u i n gd e l a y ，a n d p a c k e td r o p b l u eu s e sp a c k e tl o s sa n dl i n ki d l ee v e n t st om a n a g ec o n g e s t i o n t h ek e yi d e a b e h i n dw b l u ei st op e r f o r mq u e u em a n a g e m e n tb a s e dd i r e c t l yo nd s c pa n d b l u e t h ep a c k e td r o pp r o b a b i l i t y - p mi n c r e a s e so rd e c r e a s e sd i f f e r e n t l yw i t ht h e d i f f e r e n td i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sc o d ep o i n t f o rt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no ft h e p r o p o s e ds c h e m e w b l u e o ff a i r n e s so f a g g r e g m e s t r a f f i ca r ea n dp a c k e tl o s sr a t i oi s p r e s e n t e d ， t h i sp a p e rw i l le n a b l eu st og a i nv a l u a b l ei n s i g h t sf o rd e v e l o p i n ga n dd e p l o y i n g a c t i v eq u e u em a n a g e m e n ts c h e m e si nd i f f e r e n t i a t e ds e r v i c en e t w o r k s k e y w o r d s ：q u a l i t yo fs e r v i c e ；d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ；a c t i v eq u e u em a n a g e m e n t ； c o n g e s t i o nc o n t r o l ；r a n d o me a r l yd e t e c t i o n ；b l u e h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除1 r 文中特别加以标注和致谢的地 乃夕h ，论文巾不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得重鏖邮电堂瞳或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同r 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在沦文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：乃f 喜伍签字日期：泸9 尹年够月2 f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽虫电堂院有关保留、使1 矸j 学 位论文的规定，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。本人授权重废邮电堂院町以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：马德疡 签字日期：俨尹年形月谚闩 剔雠：砷听 签字日期：形年够月巧7 舀 草庆邮电学院硕士论文 第1 章绪论 网络服务提供商和企业一般建造并维护不同的网络来承载语音、视频、关键 任务通信等，然而现在越来越趋向于将所有这些网络融合为单一的基于数据分组 的口网络。最大的呼网络当然是i n t e m e t ，它的使用以及基于i n t e r n e t 和i n t r a n e t 的应用程序的持续发展，导致非传统数据应用越来越多的出现在i n t e r a c t 上，例 如口语音( v o i c e1 p ) 和视频会议等。所以i n t e m e t 除了支持已有的应用之外， 同时还需要能够支持新出现的应用和服务。然而，当前的i n t e r n e t 只能提供尽力 而为( b e ，b e s t e f f o r t ) 的服务，而尽力而为的服务并不能提供关于数据分组何 时到达或是否传送给接收方的服务保证，虽然只有在网络拥塞时数据分组才会被 丢弃。 在网络中，数据分组通常使用p 分组报头中的5 个字段( 源p 地址、目标 l p 地址、口协议、源端口以及目标端口) 对流进行区分。所谓流，就是由源机 器的应用程序发送到目标程序的所有分组组成，属于同一个流的分组的5 个i p 分组报头的字段值相同。 为了支持不同网络服务要求的语音、视频以及数据应用通信，礤网络核心 应根据需求区分不同的通信，并为之提供服务。但是尽力而为的服务根本不可能 区分口网络核心上成千上万种通信流，因此不能为任何应用通信提供优先级或 保证，这使得口网络无法运载对网络资源和服务有特定要求的通信。口服务质 量( q o s ，q u a l i t y o f s e r v i c e ) 致力于解决这t 个问题。 i pq o s l l 恸能旨在通过给予网络运营商对网络资源使用的控制权来传送有 保证的区分式i n t e m e t 服务。q o s 是网络传输流时满足的一系列服务要求，它提 供了端到端的服务保证以及基于策略的p 网络性能指标的控制，例如资源分配、 交换、路由、分组调度及分组丢弃机制等。 为了在i n t e r a c t 提供q o s ，i n t e r n e t 工程任务组( i e t f ，i n t e m e te n g i n e e r i n g t a s k f o r c e ) 在1 9 9 4 年成立了综合服务( i n t s e r v ，i n t e g r a t e ds e r v i c e ) 2 2 作小组，扩 展i n t e r n e t 服务模型【a ，以更好地满足新出现的各种应用的需要。它的目标是清 楚地定义新的增强型i n t e r n e t 服务模型，并为应用程序提供使用路由器中的支持 机制和子网技术来表达端到端资源要求的手段，旨在分别管理需要特定q o s 的 重庆邮电学院硕i 论文 流。在 n t s e r v 模型中，使用资源预留协议( 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 ) 提出端至端的资源要求。i n t s e r v 模型要求在r n t e m e t 上傈证每个流的q o s 。由于 i n t e m e t 上的流成千上万，因此路由器需要保存的状态信息将非常大。随着流数 目的增加，状念信息量将迅猛增长。此外，r s v p 的有效实旋必须依赖于分组所 经过的路径上的每个路由器。在骨干网上，流的数目可能很大，因此要求路由器 的转发速率很高，这此都将导致扩展性问题。从而使得i n t s e r v 难以在骨干网上 得到实施。 为了解决i n t s e r v 存在的问题，i e t f 在1 9 9 8 年成立了区分服务( 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 ) 工作组，提出了d i f t s e r v 体系结构口，4 1 。d i f f s e r v 通过将通 信流分成几类并为之提供相关的服务优先级来区分通信，是联系i n t s e r v 的保证 q o s 要求和目前i n t e m e t 所提供的b e 服务的桥梁。 在实际网络环境中，用户数量的爆炸式增长、网络信息量的急骤增加以及流 的突发性等，都会使网络在瞬间发生拥塞。因此，如何有效的避免拥塞，以及发 牛拥塞时如何实现优先级高的流确保转发是d i f f s e r v 网络实现q o s 的关键。在 d i f f s e r v 模型中，根据区分服务码点( d s c p ，d i f f s e r vc o d ep o i n t ) 的值确定分组所 属的优先级，并在网络拥塞的情况下采取不同的丢弃策略，这是d i f f s e r v 的关键 技术之一，是由主动队列管理( a q m ，a c t i v eq u e u em a n a g e m e n t ) 机制来完成 的。 队列管理定义为一种在必要或适当时候通过丢弃分组来管理分组队列长度 的算法。从分组丢弃这一点而言，队列管理被分成两大类：一是被动队列管理 ( p q m ，p a s s i v eq u e u em a n a g e m e n t ) ，郢在路由器缓冲溢出或达到一定值前并 没有阻止分组丢失；另一种是主动队列管理a q m ，即在路由器缓冲区溢出前就 阻止分组丢失。p q m ( 如尾丢弃算法) 是目前i u t e r n e t 路由器上广泛使用的算法， 但存在着一些不足，如容易造成全局同步和缓冲区易被填满等。而a q m 目的是 消除全局同步现象以及提高网络的q o s ，其优点是能增加使用带宽、降低延迟 抖动、减少分组丢失率等。i e t f 推荐在i n t e m e t 路由器上使用a q m f 5 ，6 ，引，并推 荐随机早期检测( r e d ，r a n d o me a r l yd e t e c t i o n ) 算法作为下一代网络默认的 a q m 。各种a q m 算法以及a q m 的改进是d i f f s e r v 网络保证q o s 的重要机制 和研究重点之一。 蓐庆邮电学院硕七论文 因此，基于区分服务网络的拥塞控制策略以及主动队列管理机制的研究一直 是业内研究的热点。现有的拥塞控制思路、算法和技术在不同的网络环境，特别 是在区分服务网络中面临着更大的挑战。目静区分服务网络广泛采用的是基于队 列长度的r e d 算法，业内对r e d 算法在不同的方面都对其迸行了改进。同时， 也有人士提出了一种全新的基于“分组丢失率”和“链路利用率”的a q m 算法， 如b l u e 算法。无论基于哪种机制，都是为了保证数据流的q o s ，具体可量化 为减小分组丢失率、降低延迟抖动、增大带宽等。 本文提出了一种r e d 算法的改进方案：基于拥塞等级的r e d ( c l r e d ， c o n g e s t i o nl e v e lr e d ) 算法。c l r e d 算法的基本思想是，把拥塞程度详细的划 分为若干个等级，不同的拥塞等级下分组丢弃概率p 增加的程度不同，即当拥塞 等级较大时，p 增加的也较大，这样就能及时地通过调整p 来丢弃更多的分组， 从而就能更快的调整队列长度，更及时准确的控胄拥塞了。 同时本文还对b l u e 算法提出了一种改进方案：加权b l u e ( w b l u e ， w e i g h t e db l u e ) 算法。w b l u e 算法的基本思想是分组丢弃概率如的增加量 占，和减小量艿l 都随着分组所在聚集流的优先级而不同，即优先级高( 丢弃优先 级低) 的流，其占j 和占2 都比优先级低( 丢弃优先级高) 的小。 重庆邮电学院碗土论文 第2 章i n t e r n e t 的服务质量 2 1 服务质量定义 q o s l 8 1 定义为网络给不同形式的流量提供不同级别服务的保障能力，其功能 旨在通过给予网络运营商对网络资源的使用权和控制权，来传送有保证的区分式 i n t e r n e t 服务，并对网络资源进行管理和分配。虽然使用q o s 并不能增加网络的 带宽，但它能够有效地管理网络带宽，提高网络带宽的利用率。q o s 是网络传输 流时需要满足的一系列服务要求，它提供了端到端的服务保证以及基于策略的口 网络性能指标的控制，例如资源分配、交换、路由、分组调度及分组丢弃机制。 q o s 还是一套可利用的工具，网络管理员用它来指定某种流量的优先权或网络带 宽，或指定端到端延迟的实际质量的级别，保证对某种流量提供一定级别的服务。 q o s 含多种网络管理机制，其优点可归纳如下： 使网络能够支持已有的和新出现的多媒体服务应用的要求； 使网络运营商可以控制网络资源及其使用： 提供了网络上的服务保证和通信区分，给网络中重要的任务以优先： 使i n t e r a c t 服务提供商( i s p ，l m e m e ts e r v i c ep r o v i d e r ) 可以在现有的 b e 服务种类( c o s ，c l a s so f s e r v i c e ) 的基础上，同时提供奖赏( p r e m i u m ) 服务，奖赏服务分为诸如白金级、黄金级、白银级三类介绍给客户，然 后配置网络，相应地区分不同种类服务的通信； 使应用感知网络成为可能，在这样的网络中，网络根据分组报头中的 应用信息为分组提供相应的服务； 最大限度地利用当前网络的基础设施，在现有网络条件的基础上提高了 网络性能： 适应网络流量的变化，能确保各种流之间的公平享用资源。 随着诸如多播、多媒体传输和v o i c eo v e ri p 的应用，对特定质鼙级别的要 求越来越高，加上q o s 本身的优越性，保证q o s 的应用越来越广泛。 d 蓐庆邮电学院硕士论文 2 2q o s 的性能度量 q o s 旨在让网络能够提供具有确定性限制的连接，其中带宽、分组延迟、分 组抖动、分组丢失率是网络中表征连接性能的常用度量尺度。 2 2 1 带宽 带宽( b a n d w i d t h ) 用来描述给定介质、协议或连接的额定吞吐量( t h r o t i g h p u t ) ， 是网络或指定链路容量的度，实际上是指应用程序在网络上通信所需要的“管道 大小”。一般而言，对保证服务有要求的连接会有一定的带宽要求，并希望网络 专门为其分配最小带宽，即使发生拥塞时仍能保证。如数字语音应用程序会产生 6 4 k b i t s 的语音流，如果沿连接路径从网络获得的带宽小于6 4 k b i t s ，则该应用程 序几乎无法使用了。 2 2 2 分组延迟 分组延迟是指数据分组跨越网络的时间延迟，包括串行化延迟、传播延迟和 交换延迟。串行化延迟是指在输出速率一定的情况下，设备同步一个分组所需要 的时间。串行化延迟取决于带宽及分组的大小，也被称作传输延迟。如以1 9 2 k b i t s 的速度同步6 4 字节的分组需要2 6 m s 。传播延迟指一个数据分组从发送方到达接 收方所需的时间，取决于距离和介质，与带宽无关。交换延迟指设备从收到分组 到开始传输的时间，通常少于l o u s 。 2 2 3 分组抖动 当网络发生拥塞时，排队延迟将影响端到端延迟，并导致通过同一连接传输 的分组的延迟各不相同。这种分组延迟豹变化就是分组抖动。由于分组抖动可以 估算接收方分组的最大延迟，而不是单个的分组延迟，所以分组抖动很重要。接 收方可以根据应用程序，添加一个能够存储抖动范围内分组的接收缓冲区来补偿 抖动。发送连续信息流的回放应用程序( 如交互式语音电话、视频会议以及分配) 都属于这一类。 重庆邮电学院硕士论丈 2 2 4 分组丢失率 网络拥塞时丢弃分组以及传输线路破坏都会导致分组丢失。通常，当输入的 分组远远超过输出队列的限制时会发生丢弃分组现象；当接收分组的输入缓冲区 不够用时分组也会被丢弃。分组丢失率定义了传输期间网络丢失的分组数量，通 常指的是在特定时间内丢失的分组占传输的分组总数的比例。 2 。3i p q o s 的功能实现 要完成用户指定的q o s 要求，就必须有相应的功能模块来控制流量，处理 数据分组，以达到在各种网络变化中保证所承诺的服务质量。实现q o s 的功能 模块主要有：分组分类器和标记器、通信速率管理、资源分配及拥塞管理和拥塞 避免。 2 3 1 分组分类器和标记器 网络边界上的路出器根据t c p 仰分组报头中的一个或多个字段( 如t o s 字 段或d s c p 域) ，使用分类器功能标识属于特定通信类的分组，然后用标记器功 能标记已被分类的通信，这样就可以根据不同的标记对各分组进行区分服务。分 类支持类型有以下几种： 基于5 个流参数标记口流，这些参数是源p 地址、目标d 地址、i p 协 议、源端口以及目标端口： 基于口分组的优先级字段或d s c p 字段进行标识； 基于t c p i p 报头其他参数进行标识，如分组长度： 基于源和目标介质访问控制地址进行标识； 基于端口号、w e b u r l 地址进行应用标识。 2 。3 。2 通信速率管理 1 s p 使用控制( p o l i c i n g ) 功能度量进入网络的客户通信，并将其与客户的通 信配置文件( p r o f i l e ) 相比较。同时，接入服务提供商企业的网络还需要使用通 信整形功能来度量其所有的通信，并以恒定的速率发送出去以符合i s p 的控制功 能。令牌桶( t o k e n b u c k e t ) 9 1 是一种常用的通信度量方案。 重庆邮电学院硕士论文 2 3 3 资源分配 q o s 中的调度算法用来分配资源。调度算法能够区分队列中的不同分组，并 知道每个分组的服务等级，从而决定接下来处理队列中的哪一个分组。流的分组 获得服务的频度决定了为这个流分配的带宽或资源。 2 3 4 拥塞管理和拥塞避免 拥塞管理技术用于网络管理中对流进行优先级排队，通过给某种类型的数据 分组进行优先级排队，使更重要的和对延迟敏感的应用在拥塞的网络环境中仍能 正常进行。拥塞管理包含几种不同的排队策略，这些策略用来处理当应用对带宽 的要求超过了网络能提供的总带宽时的情况。拥塞避免则是利用潜在的技术机制 ( 如协议操作的方法) 来尝试和避免拥塞。积极的队列管理算法使得路由器在队 列溢出前就可以通过某种机制检测到拥塞，如r e d 及其改进算法、b l u e 等主 动管理算法就可以实现这一目标。 2 4 q o s 服务等级 q o s 可分为3 个等级，即b e 、i n t s e r v 和d i f t s e r v 服务模型。这些模型描述 了一组端到端q o s 能力，即为网络一端到另一端的流量提供指定服务级别的能 力。 2 4 1 尽力而为服务 b e 服务是指网络尽可能地传送数据分组到目的地。它只提供基本的连接， 对于分组何时到达以及能否被传送到目的地没有任何保证。b e 服务实际上并不 属于q o s 的范畴，因为在转发b e 的通信时，没有提供任何服务或传送保证，这 是当前i n t e r n e t 提供的惟的一种服务。当然，某些应用可以在这种模式下运行， 如f t p 、h t t p 等。但对于一些参数如网络延迟、带宽波动和其他网络变化比较 敏感的应用来说，这就不是一个最佳的服务了。 2 4 2 综合服务 为了满足i n t e m e t 多媒体等应用适时传输的要求，i e t f 定义了i n t s e r v 模型。 重庆邮电学院硕上论文 在服务层次上，i n t s e r v 提供端到端的质量保证( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) 或可控负载 型服务( c o n t r o l l e d l o a ds e r v i c e ) 。在实现层次上，i n t s e r v 方案需要所有的路由器 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态和资源预约状念， 在数据路径上执行流的分类、调度和缓冲管理，用r s v p 逐跳地建立或拆除每个 流的资源预留状态。 发送端给接收端发送一个p a t h 消息，以指定通信的特征。沿途的每一个中 间路由器把p a t h 信息转发给路由协议决定的下一跳。当收到一个p a t h 消息时， 接收方做出的反应是用一个r e s v 消息为该消息请求资源。沿途的每一个中问路 由器可以拒绝或接受r e s v 消息请求。如果请求被拒绝，路由器将发送一个出错 消息给接收方，并且中断信令的处理过程。如果请求被接受，为该流分配链路带 宽和缓冲空间，并且把相关的状态信息装入路由器。 上述过程中，方案依靠一个称为接纳控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 的过程来决 定链路或网络结点是否有足够资源满足q o s 请求。接纳控制是防止网络过载的 机制，如果所请求的q o s 不能达到，网络不会发送信号给发送端让它开始发送 数据。一旦发送端开始发送数据，就为其预留出网络资源一直保持到该应用结束 或预留的带宽超出了该应用所允许的范围。i n t s e r v 提供的服务具有比b e 更高的 灵活性和更好的服务级别保证。详细的设计使r s v p 用户能够仔细地规定业务种 类，防止恶意占用资源，提供绝对有保障的q o s 。 i n t s e r v 的不足是，由于需要基于流的、复杂的资源预留以及接纳控制、q o s 路由和调度机制等，所以在复杂、大规模网络中，链路状态的不确定性使有效地 预留带宽等资源是一件困难的工作。又由于n t s e r v 具有面向连接的特性，而i p 网络的发展仍然不具有面向连接的特性，因此i n t s e r v 面临着可扩展性问题和鲁 棒性问题，前者是因为基于流的操作的复杂性通常随着传输流数量的增加而增 氏；后者是因为在分布式网络环境中，很难维持动态的、可复制的传输流状态的 一致性，这些都使得i n t s e r v 难以在骨干网上得到实旌。 2 4 3 区分服务 在h l t s e r v 体系结构的发展遇到巨大的困难时，d j f 玛e r v 应运而生。d i f f s e r v 的目标是简单有效，满足实际应用中对可扩展性的需求，具有以下特点： 简化网络内部结点的服务机制。在内部结点只进行简单的调度转发，流 8 重庆邮电学院硕上论文 状态信息的保存与流监控机制的实现等只在边界进行，内部结点不需要 保留每个流的状态。 简化网络内部的服务对象。采用聚集传输控制，服务对象是聚集流而非 单流。单流信息只在网络边界保存和处理。边界结点根据用户的流规定 和资源预留信息，将进入网络的单流分类、整形、聚合为不同的聚集流。 这种聚集信息存储在每一个i p 分组头的d s 标记域中，称为d s c p 1 0 l 。 。内部结点根据d s c p 为p 分组选择提供特定服务质量的高度转发行为， 其外特性称为逐跳行为( p h b ，p e rh o pb e h a v i o r ) 。 层次化结构。在区分服务模型中，引入了区分服务域( d sd o m a i n ) 的 概念，它是一个能提供区分服务业务的子网。在d s 域内，服务提供策 略与p h b 相一致。各d s 域之间通过服务等级协议( s l a ，s e r v i c el e v e l a g r e e m e n t ) 和流量调节协议( t c a ，t r a f f i cc o n d i t i o na g r e e m e n t ) 协调 提供跨d s 区域服务。 总体集中策略。网络资源的分配由总体服务提供策略决定，包括在边界 如何分类聚集流，在内部如何高度转发聚集流等。 选用厩向对象的模块化思想与封装思想，增加了灵活性与通用性。各逻 辑块相对独立，并有多种组合。少量模块可以组合实现多种服务，并在 发展过程中保持模块的可重用性。例如，服务类型同边界调节器和内部 p h b 相对独立，p h b 与p h b 的具体实现褶分离，使得p h b 可以在发展 中保持相对的稳定。 不影响路由。d i f f s e r v 结点提供服务的手段仅仅限于队列调度与缓冲管 理，不涉及路由选择机制。 总之，区分服务包含了一系列分类工具和排队机制，该机制为某些协议或应 用提供比其他网络流量高的优先权。网络根据配置好的q o s 机制来区分每一类 通信，并为之服务。对于带宽密集型数据应用，网络控制通信和其他数据通信被 区分开束，从而被优先处理，以确保网络始终处于基本的连接状态。在3 章罩将 详细讨论d i f f s e r v 模型。 9 重庆邮电学院硕士论文 第3 章区分服务模型 在i n t e m e t 核心网络中，可能同时出现几万甚至几十力- 个实时业务，若采用 综合服务模式，现有的路由设备都将不堪重负。首先是接入控制的处理效率较低， 若每个接入请求的处理时间为l m s ，则路由器的最大接入能力为每秒1 0 0 0 个呼 叫。其次是状态维护，每个呼叫需要大约2 0 0 字节的状态信息，数万个呼叫就要 数兆字节的存储空间。最后是对数据分组的队列调度，需要对每个到达的数据分 组分类到相应的队列，并采取复杂的队列调度算法，若有排序过程，每个数据分 组至少需要口d ( n ) 的计算量( 其中n 为队列个数或当前排队的分组的个数) 。由 于综合服务难以满足核心网络的需要，导致研究者考虑其他的服务模型，区分服 务就是极具代表性的产物。下面将详细讨论d i f f s e r v 基本概念、体系结构、 d i f f s e r v 网络的组成模块和d i t t s e r v 所提供的服务类型。 3 1 区分服务简介 自从1 9 9 8 年2 月2 6 日i n t e m e t 工程指导组( 匝s g ，i n t e r a c te n g i n e e r i n g s t e e r i n g g r o u p ) 成立d i f f s e r v 工作组以来，围绕着建立d i f f s e r v 框架开展了大量 工作。 d i f f s e r v 是i e t f 定义的另一种服务模型，旨在提供一种更容易扩展的实施 方式，以解决i n t s e r v 扩展性差的缺点。d i f f s e r v 简化了队列调度，它通过聚集 类和p h b 的方式来提供一定程度上的q o s 保证。聚集类的含义是路由器可以把 q o s 需求相近的会话的数据流会合成一个大类，减少调度算法所需处理的队列 数：p h b 是一种逐跳的转发方式，对应了一定的服务质量要求。 区分服务不象综合服务那样为每个数据流预留资源，而是以聚集流为单位进 行处理。区分服务域的边界结点对流入的数据分组进行分类并标记特定的d s c p ， 每种d s c p 标志一类数据流，多个会话流可能被打上同样的d s c p 。在网络内部， 核心结点不再对数据分组进行会话级的细致分类，而是根据该数据分组的d s c p ， 决定对该数据分组应该采用的p h b 。因为d s c p 的个数( 即数据聚集流类的个 数) 远远少于会话流的个数，所以在网络内部对数据分组的分类和调度操作就变 重庆邮电学院硕士论文 得简单，从而区分服务具有较好的可扩展性。 在区分服务模型中，个接入服务提供商就构成了一个区分服务域，在。个 区分服务域内所有路由器都有相同的逐跳行为，从而保证子网作为一个整体提供 致的服务。 按照功能的不同，一个区分服务域内的路由器分为核心路由器( c r ，c o r e r o u t e r ) 和边界路由器( e e d g er o u t e r ) j ，如图3 + 1 所示。核心路由器位于区分 服务域的内部，它的功能比较简单，只需要按照既定的p h b 转发数据分组。边 界路由器位于区分服务域的边界，与外部路由器相连，对进入域的业务流进行分 类、标限测量、整形等。下面先介绍区分服务的一些基本概念。 d i f f s e r v 域b e r 图31d i f f s e r v 体系结构 3 。2o i f f s e r v 的基本概念 3 2 1d s c p i e t fd i t t s e r v 工作组正在进行使用户可以用口报头的t o s 字节中的6 b i t 来 标记d s c p 的标准化工作【8 j oi p 协议对t o s 域的含义进行了定义，如图3 2 所示， 第0 2 位表示数据分组的优先级，3 - 5 位表示延迟、吞吐率和可靠性等特性，最 后两位保留。 区分服务对t o s 域的前六位重新进行了定义。随着d s c p 的标准化，t o s 被 改名为d s 字节，如图3 3 所示。所谓给数据分组打标记就是设置数据分组中d s 字节的值，分类也是根据该值来进行的。因为区分服务只对d s c p 域的莉6 位进 重庆邮电学院硕士论文 行了定义，所以一共可以有6 4 种p h b 。但是每个网络从d s c p 到p h b 的映射 可以不同，因此实际上可以支持的p h b 是无限多的。 3 2 2p h b i p 优先级：3 b i t ( p 2 v 0 ) 服务类型：3 b i t ( t 2 一t o ) 当前未用( c u ) ：2 b i t 图3 - 2r f c l 3 4 9 规定的t o s 字节 d s c p ：6 b i t ( d s 5 一d s 0 1 当前未用( c u ) ：2 b i t 图3 3d s 字节 所谓p h b 是指在区分服务中，一个网络结点对一定的聚集流( 具有相同的 d s c p 流) 所采取的转发行为。每个支持区分服务的结点都可以实现多个p h b ， 收到一个数据分组时，根据该数据分组的d s c p 选择一个p h b ，对该数据分组 采用该p h b 所定义的转发行为。每个结点还可能对数据分组迸一步打标记，因 而数据分组在不同的结点可能接受不同的转发行为，所以这种行为是“逐跳”的。 3 2 3 区分服务域 区分服务域是指个连续的支持区分服务的网络结点的集合，这些结点实现 了同样的一个p h b 的集合，并且它们有相同的d s c p 到p h b 的映射，因此一个 数据分组在区分服务域的每个结点都会接受相同的服务质量。 3 2 4 服务等级协议 服务等级协议是指服务提供商和客户的一个约定，凌约定规定了客户将享受 的数据传输服务。这罩所说的客户可以是数据源所在的网络，也町能是另一个 d s 域。 1 2 再庆邮电学院硕士论文 3 2 5 流配置文件 流配置文件描述了一个会活的数据流特性，如数据发送率和突发数据长度。 3 2 6 t c a t c a 可以是s l a 的一部分，它规定了： 分类规则，即什么样的数据将享受约定的服务； 数据流配置文件，即客户发送的数据应该满足什么样的特性； 对于这些数据流应该采取什么样的处理f 如测量、打标记、整形等) 。 3 2 7 流量调节f r r a f n ec o n d i t i o n i n g ) 流量调节是指网络结点所实现的一些控制功能，通过这些功能可以实施t c a 中所规定的规则，包括分类、标记、测量、整形等。 3 3 区分服务域的组成 区分服务是在一个d s 域内实现的，在d s 域的e r 和c r 都应该实现分类 的功能，但e r 还必须实现流量调节的功能，因此还包含流量调节器。e r 进行 传输分类和调节的逻辑图如图3 4 所示。 斟3 4 边界节点进行传输分类和调节的逻辑框图 3 3 1 网络边界流量调节器 流量调节器实现网络边界所需的各种q o s 功能，通过设置d s c p 字段来标 重庆邮电学院硕上论文 记通信或对其进行分类，并控制进入网络的流量与配置文件相符。d s c p 是个 用来指示如何在d i f f s e r v 域中处理分组的字段，其功能可以是分组分类器、d s c p 标记器的功能，或者执行整形器或丢弃器操作的流量测量功能。 分类器( c l a s s i f i e r ) 在d i f f s e r v 中有两种分类器，一种称为多域分类器，这种分类器一般在 d s 域的边界结点实现，它可以根据数据分组头的多个数据域，如l p 地址、 端口号、协议类型等对其进行分类。另一种称为聚集流分类器，这种分类器 主要是在d s 域的内部结点实现，它只是根据数据分组的d s c p 进行分类。 分类的结果一般是决定对数据分组应该采用的p h b ，并且可能对数据分组 进行“重新标记”( r e m a r k i n g ) 的操作。 测量器( m e t e r ) 测量器主要是用来测量数据流韵特性是否与流量配置文件相符。当数据 分组进入一个网络结点时，分类器对其进行分类，决定应该采用那个调节器， 然后将数据分组的信息传递给该调节器的溅量器，测量器将该数据流的到达 速率与流量配置文件的值相比较，得知该数据分组是否符合流量配胃文件， 这种判断的结果将影响随后对该数据分组的处理。 标记器( m a r k e r ) 标记器用来对数据分组打标记，即设置其d s c p 值。对数据分组打标记 要根据预先对标记器的配置和测量器返回的状态结合来进行，例如，对于发 送过快的数据流( 发送速率超过流配置文件规定的值) 可以通过打标记使其 获得较低的服务质量。打上的标记将影响该数据分组在以后接受的服务质 量。 整形器( s h a p e r ) 整形器的作用是对某些或所有的数据分组进行延时，以使发送出去的数 据流的时间特性符合预先规定流配置文件。通常整形器有一个有限大小的缓 冲区，当缓冲区填满时，就可能丢弃数据分组。 分组丢弃器( d r o p p e r ) 分组丢弃器的作用是通过丢弃数据流中的某些分组，使其时间特性满足 预先规定的配置。这个过程又叫数据流的“管辖”( p o l i c i n g ) 。 重庆邮电学院硕士论文 3 3 2p h b 分组进入至r j e r 的输入接口且没有被丢弃以后，就被插入至r j e r 的输出接口。 如果存放分组的队列只有一个，那么该队列就存放所有流量等级的分组；如果有 多个队列，各队列分别存放属于不同流量等级的分组。队列管理算法有很多，这 里只讨论其中主要的几种。p h b 机制包括分组调度机制和队列管理机制。 ( 1 ) 分组调度机制 先进先出算法( f i f o ，f i r s ti nf i r s to u t ) 1 2 1 在f i f o 算法中，按分组到达的顺序将其放入输出队列。f i f o 有效成本 较高且不能区分流。 优先级排队算法( p q ，p r i o r i t yq u e u i n g ) 在p q 算法中，最高优先级的分组先出队列，接着是较高优先级的分组， 最后是优先级最低的分组。该算法的缺点是，当出现一个队列出现最高优先 级的分组时，其他队列中的分组可能就不能输出，这就不能适应d i f f s e r v 的 要求。当源发出大量且具有最高优先级的分组时，该源就可能会占用1 0 0 的带宽。因此，带宽应该s l a 来管理以防止这种情况的发生。 加权公平排队算法( w f q ，w e i g h t e df a i rq