（计算机科学与技术专业论文）基于层叠网的qos自适应路由系统的设计与实现.pdf

：v ? - ； d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f a l l a d a p t i v eq o sr o u t i n gs y s t e m b a s e do no v e r l a yn e t w o r k c a n d i d a t e ：l vb a o p i n g a d v i s o r ：a s s o p r o f p e n gw e i at h e s i s s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t s f o rt h ep r o f e s s i o n a ld e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g i nc o m p u t e rt e c h n o l o g y 一 一- g r a d u a t es c h o o lo fn a t i o n a lu n i v e r s i t yo fd e f e n s et e c h n o l o g y c h a n g s h a , h u n a n ，p r c h i n a a p r i l ，2 0 1 0 979叭5m 9眦，1y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。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谢意。 学位论文题目：基土星叠圈鲍q q 曼皂重廑整由丕缝鲍遮进当塞理 学位论文储擀：辫孕 吼伽年多胪日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；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， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者始墨伍至 作者指导教师签名： 垫垒 黾裁：v l ，年i 茂? 移日 日期：呓d 。年6 月f d 日 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究背景l 1 2 层叠网络概述2 1 2 1 层叠网络的概念2 1 2 2 层叠网络的应用一3 1 3q o s 概述5 1 3 1q o s 发展5 1 3 2q o s 概念一6 1 3 3q o s 体系结构一6 1 4 本文主要研究工作8 1 5 本文的组织结构9 第二章层叠网络相关技术研究1 0 2 1 层叠网络平台研究一1 0 2 2 层叠网络路由研究1 1 2 2 1 层叠路由1 1 2 2 2 层叠网络q o s 路由1 3 2 3 层叠网络多播应用研究1 5 2 4 小结1 6 第三章o o s 自适应路由层叠网系统结构1 7 3 1o n a q r 系统框架1 7 3 1 1 层叠网络架构1 7 3 1 2o n a q r 系统框架1 8 3 2o n a q r 系统模块及通信流程1 8 3 2 1 模块简介1 8 3 2 2 模块功能1 9 3 2 2 1 客户端部分1 9 3 2 2 2 服务管理器部分2 0 3 2 2 3 层叠节点部分2 0 3 2 3 模块间通信2 0 第1 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 3 2 4o n a q r 系统的建立2 l 3 3o n a q r 系统接口设计2 2 3 4 小结2 3 第四章最短延迟自适应层叠路由算法2 4 4 1 业务与服务的分类2 4 4 1 1 业务分类2 5 4 1 2 服务分类2 5 4 2a o r s d 算法基本思想2 6 4 3a o 艮s d 算法描述2 7 4 4a o r - s d 算法详细设计3 0 4 4 1 数据转发节点选择阶段3 0 4 4 2 数据发送阶段3 2 4 5 小结3 4 第五章基于层叠网的最短延迟路由协议的设计与实现3 5 5 1 协议设计目标与技术途径3 5 5 2 协议消息格式3 6 5 3 协议工作过程：3 9 5 3 1 路由发现过程3 9 5 3 2 路由维护过程4 1 5 4 小结4 2 第六章实验模拟测试与性能分析4 3 6 1 链路控制平台n i s tn e t 简介4 3 6 1 1n i s tn e t 软件介绍4 3 6 1 2 n i s t n e t 延迟测试分析4 5 6 2 实验结果与分析4 5 6 2 1 测试环境4 6 6 2 2 测试结果分析4 7 6 3 小结4 9 第七章总结与展望5 0 致谢5 1 参考文献5 2 作者在学期间取得的学术成果5 5 第页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 表目录 表4 1 业务分类2 5 表6 1n i s tn e t 延迟测试分析4 5 表6 2n i s tn e t 延迟设置表4 8 第页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 图目录 图1 1 t r a n s i t 和p e e r i n g 连接示图1 图1 2q o s 发展阶段6 图3 1 层叠网络示意图1 7 图3 2o n a q r 系统体系结构图1 8 图3 3 q o s 自适应路由层叠网系统模块图1 9 图3 4 模块间通信2 l 图3 5 注册认证流程2 2 图3 6 o n a q r 系统接口设计2 2 图4 1最短延迟路由实现原理2 7 图4 2a o r - s d 算法流程图。2 8 图4 3a o r - s d 算法伪代码2 9 图4 4 数据转发节点选择算法流程图3 0 图4 5 数据转发节点选择算法伪代码3 1 图4 6 数据发送算法流程图3 2 图4 7 数据发送算法伪代码3 3 图5 1层叠网最短延迟路由协议在协议栈中的位置3 5 图5 2 消息交互步骤图3 6 图5 3 服务请求消息格式3 7 图5 4 服务应答消息格式3 7 图5 5 延迟测量消息格式3 8 图5 6 延迟通告消息格式3 8 图5 7 数据发送消息格式3 9 图5 8 服务管理器消息处理过程3 9 图5 9 层叠节点消息处理过程4 0 图5 1 0 数据源端消息处理过程4 l 图5 1 l 目的端消息处理过程4 l 图5 1 2 一个周期延迟测量过程4 2 图5 1 3 路径更新过程4 2 图6 1n i s tn e t 配置一4 3 图6 2n i s tn e t 的g l 界面4 4 图6 3模拟器打开后的n i s tn e t 的g u i 界面4 4 图6 4 测试环境网络拓扑图4 6 第页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 图6 5 实验数据图一4 8 第v 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 摘要 随着因特网的快速发展，许多对网络服务质量( q o s ) 有较高要求的应用广泛 出现在人们生活中，如电视会议、视频点播、远程教育等，这些实时业务需要网 络服务提供商( i s p s ) 提供端到端的q o s 服务。 受限于网络的初始设计原则和网络体系结构，为多媒体应用提供保证服务质 量的路由( q o s 路由) 一直是因特网面临的一个难题。目前，因特网的路由系统 支持基于最少跳数或最少费用的路由选择，但很难在网络层扩展支持q o s 路由、 多路径路由等新型路由机制。层叠网是实现这些新型路由机制的一种可行途径。 在此背景下，我们利用层叠网技术，采用多路径数据传输方法，来改善当前因特 网面临的端到端q o s 服务问题。 本文首先分析了传统i p 网络和层叠网络的特点以及在应用上存在的问题，设 计了一种q o s 自适应路由层叠网系统( o v e r l a yn e t w o r kf o ra d a p t i v eq o sr o u t i n g ， o n a q r ) ，并详细介绍了该系统的结构组成、模块功能、通信机制以及通信接口 等。 在此系统结构下，我们提出了一种最短延迟自适应层叠路由算法( a d a p t i v e o v e r l a yr o u t i n gb a s e do ns h o r t e s td e l a y ，a o r - s d ) ，该算法能够动态地在源端到 目的端之间建立多条路径，通过层叠节点周期探测源端到目的端的链路延迟，动 态建立数据传输路径，保证选择的路径是延迟最短的。根据最短延迟自适应层叠 路由算法，我们设计了一个层叠网最短延迟路由协议，详细介绍了该协议的消息 格式与处理过程，该协议具有实现简单，操作性强的特点。 最后使用链路控制平台n i s tn e t 软件设置链路延迟参数，在q o s 自适应路由 层叠网系统平台上进行数据传输测试。测试结果表明该系统比传统的数据传输方 式具有传输延迟小，可靠性高的优势，能有效支持端到端q o s 。 主题词：q o s 路由，层叠网，最短延迟，多路径，自适应路由 第i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e m e t , m a n yi n t e m e ta p p l i c a t i o n sw h i c hh a v eh i g h d e m a n do nq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) h a v ea p p e a r e d ，s u c ha st h ev i d e oc o n f e r e n c e ，t h e v i d e oo nd e m a n d ( v o d ) a n dt h ed i s t a n c el e a r n i n g t h e s er e a l - t i m ea p p l i c a t i o n sr e q u i r e i s p st op r o v i d ee n d - t o e n dq o ss e r v i c e b e c a u s eo ft h ei n i t i a ln e t w o r kd e s i g np r i n c i p l e sa n dn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，i ti s d i f f i c u l tt op r o v i d eq o sr o u t i n gs e r v i c e st ot h em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s p r e s e n t l y ，t h e i n t e r n e ts u p p o r t sr o u t i n gb a s e do nm i n i m a lh o p so rm i n i m a lc o s t i ti sd i f f i c u l tt oe x t e n d t h en e t w o r kl a y e rt os u p p o r tq o sr o u t i n g ，m u l t i - p a t hr o u t i n g ，o ro t h e rn e wr o u t i n g m e c h a n i s m s h o w e v e r , i ti sap r a c t i c a la p p r o a c ht oi m p l e m e n tt h e s en e wr o u t i n g m e c h a n i s m sw i t ho v e r l a yn e t w o r kt e c h n o l o g y u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，w ep r o p o s e da o v e r l a yn e t w o r k , w h i c hp r o v i d e se n d t o - e n dq o ss e r v i c ea tt h eo v e r l a yn e t w o r kl a y e r ， s o l v i n gt h eq o sr o u t i n gp r o b l e mp a r t i a l l yt h a tt h ei n t e r n e tf a c e sc u r r e n t l y i nt h i sa r t i c l e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dl i m i t a t i o n so ft h et r a d i t i o n a li pn e t w o r ka n d t h eo v e r l a yn e t w o r ki sa n a l y z e d b a s e do nt h ea n a l y s i s ，aq o s a d a p t i v er o u t i n go v e r l a y n e t w o r ks y s t e mi sp r o p o s e d t h es y s t e ms t r u c t u r e ，m o d u l ef u n c t i o n , t h ec o m m u n i c a t i o n m e c h a n i s ma n dt h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e sa r ei n t r o d u c e d b a s e do nt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ，w ep r o p o s eas h o r t e s t d e l a ya d a p t i v eo v e r l a y r o u t i n ga l g o r i t h m , w h i c hc a nd y n a m i c a l l ye s t a b l i s hm u l t i p l ep a t h sb e t w e e ne n ds y s t e m s t h i sp r o c e s sd o e sn o tn e e dt oe s t a b l i s ht h ef i x e dp a t h si na d v a n t e i to n l yn e e d so v e r l a y n o d e st op o l lt h ee n d t o - e n dd e l a y t h eq o sr o u t i n gm e c h a n i s mg u a r a n t e e st h a tt h e c h o s e np a t hs a t i s f i e st h eq o sr e q u i r e m e n t s t h ed e s i g no ft h ea l g o r i t h m ，t h es e l e c t i o n s t r a t e g yo fd a t af o r w a r d i n go v e r l a yn o d e s ，t h ed a t at r a n s m i s s i o ns t r a t e g ya n dt h e o p e r a t i n gp r o c e d u r e sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l f i n a l l y , w i t ht h eh e l p o ft h el i n ke m u l a t i o np l a t f o r mn i s tn e t , t h ed a t a t r a n s m i s s i o nt e s ti sc a r r i e do nt h eq o s - a d a p t i v er o u t i n go v e r l a yn e t w o r ks y s t e m t h e r e s u l t si n d i c a t et h a t ，c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a ld a t at r a n s m i s s i o nm e t h o d ，t h ep r o p o s e d s y s t e mh a sas h o r t e rt r a n s m i s s i o nd e l a ya n dh i 曲r e l i a b i l i t y ，h e n c e i tc a l ls u p p o r t e n d - t o e n dq o se f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：q o sr o u t i n g ，o v e r l a yn e t w o r k , s h o r t e s t d e l a y , a d a p t i v eo v e r l a y r o u t i n g 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第一章绪论 i n t e r n e t 已经成为流媒体业务发展和普及的强大推动力，大规模的多媒体应用 随处可见，如：在线音视频点播和直播、在线游戏、网络电视、视频聊天等。这 些应用通常需要一定的服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 保证，如保证一定的 传输带宽、保证端到端延迟不太大等。因特网的核心协议是i p 协议，它提供 “b e s t e f f o r t 无连接服务，不能提供端到端的q o s 保证。i n t e m e t 上常用的域内路 由协议有r i p 、o s p f 和i s - i s 等，域间路由协议则采用b g p 协议。r i p 和b g p 提 供最少跳步数的路由选择；o s p f 和i s - i s 可提供最少费用的路由选择，其中费用 的计算主要使用了链路带宽参数。这些路由协议基本上不支持基于各种q o s 参数 ( 如延迟和端到端吞吐量等) 的路由选择。自1 9 9 3 年提出至今，i e t f 、i s o 等国 际标准化组织已经提出了i p 网络的q o s 参数及其相关协议和模型。目前有关q o s 问题的主要解决方案有综合服务( i n t e r s e r v r s v p ) 模型、区分服务( d 瓶e r v ) 模 型、m p l s 模型等，这些模型都对路由器、交换机等网络设备有一定要求，因此这 几种方案都有很大的局限性，并没有真正得到实施。 1 1 研究背景 目前的i n t e m e t 是由许多自治域系统( a u t o n o m o u ss y s t e m ，a s ) 组成，每个 自治域系统一般由一个网络服务提供商( i n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e r ，i s p ) 来运营管 理。a s 之间有t r a n s i t 和p e e r i n g t l l 连接方式，如图1 1 所示。 自治域e 图1 1 t r a n s i t 和p e e r i n g 连接示图 图1 1 中的实线和虚线分别代表了t r a n s i t 、p e e r i n g 的连接关系。其中t r a n s i t 连接关系是在i n t e m e t 上公开发布的，如果自治域系统b 和c 是t r a n s i t 关系，那 第l 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 么以c 为目的地的数据包都可以通过自治域系统b 到达目的地c 。而p e e r i n g 的连 接关系在i n t e m e t 上是不公开的，只有自治域系统内部的用户可见，对其它自治域 系统用户是不可见的。如果自治域系统b 和c 是p e e r i n g 连接关系，那么b 和c 的内部用户可以使用这种p e e r i n g 的连接关系；其它自治域系统内部的用户则不能 使用这种p e e r i n g 连接关系，不能通过b 把数据包直接路由到c 上，也不能通过c 把数据包直接路由到b 上。当一个数据包要从a 路由到b 上时，如果采用b g p 路由协议，数据包需要经过c 、d 、e 三个自治域系统，然后到达目的地b 。但显 然这不是最佳的路由路径。如果在自治域系统c 中设置一个具有路由功能的中间 节点，就可以利用b 和c 之间的p e e r i n g 关系，数据包可以只经过一个自治域系统 c 。由此得出结论，应用层中间节点可以提供更加高效的路由路径。 为了提高网络的可扩展性，b g p 路由协议在不同自治域间进行路由时，采用 “跳数 作为性能度量选择最佳路径，但是这并不一定就是最佳路径，因为b g p 路由协议不能探测链路的性能，所以不能有效绕过产生拥塞的连接。随着网络应 用的发展，特别是多媒体业务的快速发展，网络应用对服务质量的要求越来越高， 而现有的i n t e r n e t 已经越来越不能满足人们对服务质量的要求了。 层叠网络( o v e r l a yn e t w o r k s ) 就是在这种情况下产生的。利用层叠网技术提 供实时传输服务是一种可行的途径，应用层具有很大的灵活性，不受底层结构的 限制，它是在现有网络之上形成的一层虚拟网络，实现方便，不需要大规模改变 现有网络架构就能提供服务质量更好、更可靠的应用服务，并可以方便地提供现 有网络层基础结构难以提供的新业务。 1 2 - 1 层叠网络的概念 1 2 层叠网络概述 层叠网络( o v e r l a yn e t w o r k ，在某些文献中也被译为覆盖网络) 是目前计算 机网络领域部分科学家为扩展i n t e m e t 底层的服务模型，用来支持不断出现的各类 新型网络应用而提出来的一种较为宽泛的概念。其基本思想：在不彻底改变i n t e r n e t 底层基础设施前提下，在部分网络节点上对已有的软、硬件进行扩充，使这些特 殊节点能利用底层网络所提供的基本服务协同配合，以达到支持和实现新型网络 应用和服务模式的目的。因此，这些特殊节点集合可以看作一个层叠在第三层网 络节点之上的逻辑网络，层叠网络的叫法也由此而来。层叠网络中的节点被称作 层叠节点( o v e r l a yn o d e ) ，而层叠节点之间的逻辑链路称作层叠链路( o v e r l a yl i n k ) 。 每条层叠链路实际上都是通过底层网络提供的传输服务建立起来的。层叠网络技 术允许借助已有的网络基础，逐渐改善和增强现有网络的性能和功能。 第2 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 层叠网络比传统的i p 网络有很大的优势。利用层叠网络，小需要大规模改变 现有的i n t e m e t 网络架构就能提供容错性更好、可靠性更高的网络服务。可以在为 特定应用设计的层叠网络上提供现有网络难以提供的新型应用。利用层叠网络， 即使网络层出现路由错误，也可以通过层叠网络找到新的路由路径，还可以根据 不同应用服务的服务质量要求确定相应的最优路由路径。 1 2 2 层叠网络的应用 层叠网络是为了解决i n t e m e t 存在的各种问题提出来的，目的是为了使i n t e r n e t 能够支持更多的业务和应用。层叠网络主要应用于p 2 p 流媒体分发网络、应用层 组播和内容分发网络等。 p 2 p 流媒体分发网络 目前互联网上基于p 2 p 的流媒体应用已是不胜枚举。比如我们熟悉的p p l i v e 、 u u s e e 等。p 2 p 是一种分布式网络，网络中的节点既是资源的提供者，也是资源的 使用者。p 2 p 技术具有以下几个特点： 1 ) 对等性高。节点之间具有相同的责任和能力，网络中的节点通过直接连接 来共享计算资源和存储资源，相比与传统的c s 模式，p 2 p 网络不再依赖于中心服 务器的计算资源和存储资源，而是把各个节点有机的连接，通过负载均衡技术来 实现网络带宽的有效利用。 2 ) 扩展性强。p 2 p 网络中，节点提供了网络中的资源，网络规模越大，其可 利用的资源就越多，因而可以支持更多的节点加入。理论上，p 2 p 网络的可扩展性 是无限的。 3 ) 健壮性高。传统的c s 模式，服务器的各种资源有限，随着网络规模的扩 大，很容易造成服务器的单点失效。另外网络拥塞或网络中断都会给系统的稳定 性带来影响。p 2 p 网络中的节点分布在网络中，节点之间保持直接的通信，但又不 依赖于单个节点，因此节点动态的加入和退出并不会影响网络中其他节点的正常 工作。 以上几个特点，使得p 2 p 技术从最初的文件系统扩展到流媒体的应用得到飞 速发展，并创造了巨大的商业利润。当前，对于p 2 p 流媒体分发网络技术的研究 主要集中在以下几个方面： 1 ) 可扩展性。这里的可扩展性指的是理想状态下，p 2 p 系统的性能应该随着 用户的增加而提高。 2 ) 带宽利用率。终端提供的带宽资源是有限的，能否有效的利用这一资源是 一个p 2 p 系统性能是否优良的评判标准。 3 ) 丢包与拥塞。丢包和拥塞直接影响流媒体观看的效果，当丢包率达到一定 第3 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 大小的时候，流媒体视频甚至不能顺利播放。p 2 p 系统构建于互联网之上，并且大 多数流媒体数据的传输都是基于u d p 协议的，因此如何避免丢包与拥塞也是一个 p 2 p 流媒体系统需要考虑的问题。 4 ) 延迟。延迟指的是数据从服务器发送到达客户端的时间。延迟的大小同样 影响流媒体视频的观看效果。 虽然当前的p 2 p 系统应用十分广泛，但在带宽利用率、可扩展性、丢包和延 迟等几个方面仍有很多需要改进的地方，而要真正解决这几个方面问题，仍然是 一个难题。 应用层组播 应用层组播网络是i p 组播的继承和发展，它与p 2 p 几乎是同时出现的。在传 统的网络层组播中，与组播相关的一些功能都放在路由器上实现。路由器用来负 责记录组播组的存在和组成员变化，并在组成员之间构造一棵组播分发树。数据 源只需向组内发送一份组播数据报文，路由器在恰当的分支复制数据，就可以让 所有组员收到数据。任何一份数据都只会在每条组播链路上出现一次，这样就能 有效地降低主机服务负载、网络通信负荷。 经过多年的研究，i p 组播技术到目前为止，仍停留在实验平台上或特定i s p 内小范围网络的应用阶段，一直没能进入商业领域，概括来说主要有以下几个原 因造成：一、i p 组播需要路由器的支持，因为每个路由器内需要保存大量的组状 态信息，所以就增加了路由器的处理开销以及实现的复杂性；二、目前i p 组播缺 乏有效的可靠传输、拥塞控制机制，可能对正常的单播业务造成不利后果；三、 当前还缺乏对组播流的合理收费模型。 层叠网络技术的提出，使得在应用层实现组播成为可能。应用层组播是指将 原本在路由器上实现的组播相关功能，转移到应用层即终端主机上实现。在应用 层组播中，所有终端节点通过层叠链路构成了层叠网络之上的应用组播树，数据 源节点将沿着应用组播树向数据接收节点( 终端主机) 发送数据，而树中每个非 叶子节点在接收数据的同时，还需要向其它树中的子节点继续转发。上述的组播 功能都是由终端主机完成的，而底层的物理网络只要完成端到端单播通信功能， 即保证每条层叠链路所对应的底层物理链路的通信畅通即可。应用层组播实际上 是用点到点的单播，来实现原有的点对多点的通信功能。 应用层组播解决了i p 层组播无法解决的两个问题，首先它不需要路由器的支 持；其次由于任何两个组员间在发送或接收数据都是单播方式，因此可以使用单 播流量控制和差错控制协议，进而简化了i p 组播复杂的拥塞控制机制。 与i p 组播相比，应用层组播的缺点，在于有些底层物理链路可能需要传送同 一份数据的多份拷贝，并且需要经过多个节点进行转发，因此造成了传输效率、 第4 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 传输性能( 如延迟等) 低下。本文提出的q o s 自适应路由层叠网系统，数据只需 要通过层叠网络中的一个层叠节点进行数据转发，有效地提高了数据传输效率和 传输性能。 内容分发网络 内容分发网络( c o m e md e l i v e r yn e t w o r k ，c d n ) 【2 1 指的是一类能在互联网不 同位置进行动态缓存数据内容和服务的层叠网络。它通过遍布世界的主要互联网 接入点，部署内容服务器节点。这些节点组成一个层叠网络，并利用一种特殊的 路由机制，将内容发布到离用户最近的网络“边缘，使得用户能以最快速度从 最近的地方获取所需信息。这种技术大幅度提高了网络的访问速度，缓解了网络 拥塞情况。到目前为止，一些比较成熟的c d n 系统已经进行了大规模的商业化运 营。目前，a k 锄a i 【3 1 和l i m e l i g h t 4 ；砼球最大的c d n 服务提供商，许多多媒体服 务都是通过a k a m a i 和l i m e l i g h t 提供的c d n 网络在全球范围内运行。 c d n 关键技术包括内容分发技术、路由请求技术以及负载均衡技术等。虽然 c d n 技术目前已经十分成熟，但也存在一个致命缺陷成本高昂，包括提供存 储、计算等资源的成本，以及大规模部署的成本。另外，当用户规模逐渐增大时， c d n 系统中单台服务器的可扩展性也不好。 1 3q o s 概述 目前，按照用户的要求提供q o s 控制是一个一般性的要求，也是i n t e m e t 发展 的重要挑战。计算机网络q o s 问题已经成为当今网络研究中最为重要的研究领域 之一，对于未来网络技术的研究、应用和发展，具有很重要的意义。 1 3 1o o s 发展 2 0 世纪9 0 年代中期，i p 网络一直是尽力服务网络，到目前为止总体上仍然保 持不变。但是私人企业和网络服务提供商的网络已经大范围地从尽力服务模型转 变成更为复杂的区分服务模型，这意味着网络为不同的应用提供不同层次的服务。 图1 2 描述了q o s 自2 0 世纪9 0 年代初发展的各个阶段。 第5 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 1 9 9 41 9 9 61 9 9 8 2 0 0 0 2 0 0 2 2 0 0 4 图1 2q o s 发展阶段 到目前为止，q o s 控制技术的研究和开发进展迅速，已经取得了一定的成果。 1 3 2o o s 概念 q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 用于描述一个用户或者应用在一个完整的活动周期 内从网络中得到的所有服务【5 】，是用户之间以及网络上互相通信的用户之间关于 信息传输与共享的质量约定。该约定可以被理解为服务提供者与用户之间的一份 服务契约，即服务提供者承担提供约定的服务质量，用户按照约定的信息流特征 产生相应的数据。也就是说，服务质量包括用户的要求和网络服务提供者的服务 行为两个方面，是用户和服务提供者两方面主客观标准的统一。用户的要求是指 用户在i n t e m e t 上进行多媒体通信时所要求的传输性能和质量等；网络服务提供者 的服务行为是指i n t e m e t 针对某一类服务所能提供和达到的性能与质量。 1 3 3q o $ 体系结构 q o s 研究的目标是提供有效的端到端服务质量控制或保证。当时i n t e m e t 工程 任务小组( i e t f ) 在此方面作了很多工作，并提出了i n t e m e t q o s 体系结构：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 ) 、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 t s e r v ) 和多协议标签交换( 御l s ) 模型等。 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 ) i n t s e r v 模型的基本思想是在传输数据之前，根据业务应用的q o s 需求进行网 络资源预留，进而为该数据流提供端到端q o s 保证。i n t s e r v 依靠资源预留协议 r s v p 6 1 提供q o s 协商机制，逐节点( h o p b y - h o p ) 建立或拆除每个数据流的路径 状态和资源软状态( s o rs t a t e ) ；依靠接纳控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 决定链路或 网络节点是否有足够的资源满足用户的资源预留请求；依靠传输控制( t r a f ! f i c 第6 页 晨鲁掣蒜媳 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 c o n t r 0 1 ) 将i p 分组分类成不同的传输流，并根据每个流的状态对分组的传输实施 q o s 路由和传输调度等控制。 i n t s e r v 模型提供如下三种类型的服务： 1 ) 尽力而为服务( b e s t e f f o r t ) 。类似于当前i n t e m e t 在多种负载环境下提供 的尽力而为服务，即不提供任何q o s 保证。 2 ) 保证服务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) 7 1 。对端到端数据包延迟有严格的界定， 并且提供不丢包的保证。该业务不能控制固定延迟，但是能保证排队延迟的大小。 3 ) 控制负载服务( c o n t r o l l e d l o a ds e r v i c e ) 【8 】。没有固定的延迟保证，但是 业务流要与在网络轻载情况下的流质量相当，要求有长期的带宽保证。 i n t s e r v 模型的优缺点【9 】： 优点：能够提供绝对有保证的q o s ；r s v p 在源和目的地间可以使用现有的 路由协议决定流的通路；q o s 能够在单播和多播下工作。 缺点：可扩展性差，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；对路由器的要求过高，由于需要进行端到端的资源 预留，必须要求从发送者到接收者之间的所有路由器都支持所实施的信令协议， 所有路由器必须实现r s v p ；该模型不适合于短生存期的流，因为为短生存期包预 留资源的开销很可能大于处理流中的所有包的开销。 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 ) d i f t s e r v 模型的基本思想是在网络的进入口处为每个数据包进行分类，并在数 据包中标记相应的区分服务代码点( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c ec o d ep o i n t ，d s c p ) ， 来指示数据包在网络转发路径的中间节点上被处理的方式。在网络内部的核心路 由器中只保存简单的d s c p 与p h b ( 每跳行为) 的相应机制，根据数据包首部中 的d s c p 值对数据包进行相应的优先级转发，而业务流状态信息的保存与流量控 制机制的实现等都在网络边界节点进行，内部节点是与状态无关的。 d i f f s e r v 模型的优缺点u0 j ： 优点：可扩展性强，无需保存状态和流信息；性能好，仅需检查一次分组 内容来为分组分类。此时对分组进行标记，并且所有后续的q o s 决定都依据分组 头中固定字段的值，从而减少了处理需求；灵活性好，d i f t s e r v 模型并未规定网络 节点实现的任何细节功能( 例如排队技术) 。只要与每跳行为( p 船) 定义的预 期行为相一致，节点可使用任何功能优化它的硬件和体系结构。 缺点：没有引入端到端的带宽预留，因此，服务保证可被这样的节点削弱 没有在拥挤的链路上恰当实现p h b 的网络节点，或者是没有为特定类别设计 正确的预期流量值的网络节点；缺少每流每会话的接纳控制使得应用程序可能相 互拥塞( 例如，仅有够1 0 个语音呼叫的带宽但是第1 1 个呼叫也被许可了，那么 第7 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 这1 1 个语音质量都将下降) 。 多协议标签交换( m p l s ) 模型 m p l s 协议的关键是引入了标签( l a b e l ) 的概斛1 1 】【1 2 】。一对标记交换路由器 ( l s r ) 必须在标签的数值和意义上一致。m p l s 可