（计算机科学与技术专业论文）自治网络中qos机制的研究.pdf

北京邮电大学硕士学位论文自治网络中q o s 机制的研究 自治网络中q o s 机制的研究 摘要 i p 网络已经成为承载多种业务、服务于多类用户群体的公共信息 传输平台，其地位日益提高。然而随着网络应用的发展，i p 网络架构 的弊端也日益显现，迫切需要对其进行改进。基于此需求，新型网络 体系架构的研究正在逐步展开，而自治网络作为此研究的主要方向之 一，正受到越来越多的关注。另一方面，随着网络中出现的应用种类 增多，用户对服务质量的要求也随之提高。传统i p 网络尽力而为的 服务原则已不能满足用户对网络服务质量的需求。因此，研究一种能 够自动适应于网络环境的动态变化，满足不同用户特殊需求的服务质 量保证技术，已成为未来网络研究中需要重点考虑的问题。 本文根据未来自治网络的发展趋势，围绕着网络服务质量体系及 其实现机制展开了系统而进行深入研究。参照区分服务模型，以实现 自治为目的，设计了一个自治化q o s 机制自组织框架。该框架为区 分服务的每个基本步骤的实现提供了多种机制，在网络运行过程中， 可以自动根据上下文环境的变化，对不同的实现机制进行选取和组 合，具有自适应和自优化的特点。 接着，本文对自治化q o s 机制自治组织框架中的标记机制进行 深入研究，提出一种基于上下文感知的自治标记方法c a a m ( c o n t e x t a w a r e a u t o n o m i cm a r k e r ) 。该算法通过区分多媒体业务流中不同业务 类型，及其编码后产生的关键帧与非关键帧，在保护关键帧顺利传输 的同时，根据不同的业务类型的特点，有选择地对非关键帧进行标记。 经仿真验证，c a a m 算法能够有效提高多媒体业务的服务质量。 最后，总结了论文的主要工作并阐述了存在的不足和需要改进的 地方。 关键词：自治网络服务质量上下文感知区分服务 第1 页 北京邮电人学硕上学位论文 自治网络中q o s 机制的研究 r e s e a r c ho fq o sm e c h a n i s mi na u t o n o m i cn e t w o r k a bs t r a c t i pn e t w o r ki sb e c o m i n gap u b l i ci n f o r m a t i o nt r a n s p o r t p l a t f o r m w h i c hc a r r i e sav a r i e t yo fs e r v i c ea c t i v i t i e s ，a n dp r o v i d e ss e r v i c e sf o r m a n yt y p e so fu s e rg r o u p s ，a n di t ss t a t u si si m p r o v i n gg r a d u a l l y b u ta s t h e d e v e l o p m e n to fn e t w o r ka p p l i c a t i o n s ，i t s d r a w b a c k sa r ea l s o b e c o m i n go b v i o u s ，s ot h e r ei sa nu r g e n tn e e dt oi m p r o v ei t b a s e do nt h i s r e q u i r e m e n t ，t h er e s e a r c ho fn e wn e t w o r ka r c h i t e c t u r ed e s i g ni sc a r d e d o u tg r a d u a l l y a so n eo ft h em a i nd i r e c t i o no ft h i ss t u d y , a u t o n o m i c c o m m u n i c a t i o nh a sb e e nr e c e i v i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n o nt h eo t h e r h a n d ，w i t ht h ei n c r e a s i n g t y p e so fn e t w o r ka p p l i c a t i o n s ，t h eu s e r s r e q u i r e m e n t so nt h eq u a l i t yo fs e r v i c ea r ea l s oi m p r o v e d t h eb e s t e f f o r t s e r v i c ep r i n c i p l eo ft r a d i t i o n a in e t w o r kc a nn ol o n g e rm e e t su s e r s n e e d s o fq o s t h u s ，t h es t u d yo fq o st e c h n o l o g i e sw h i c hc a na u t o m a t i c a l l y a d a p tt od y n a m i cc h a n g e so fe n v i r o n m e n t sa n dm e e tt h es p e c i a ln e e d so f d i f f e r e n tu s e r s ，h a sb e c o m i n ga ni m p o r t a n ta s p e c ti nt h es t u d yo ff u t u r e n e t w o r kt e c h n o l o g y i nt h i st h e s i s t h eq o sm e c h a n i s m si na u t o n o m i cn e t w o r kh a v eb e e n d e e p l ys t u d i e di na c c o r d a n c ew i t ht h ef u t u r ed e v e l o p m e n to fa u t o n o m i c n e t w o r k r e f e r e n c et ot h ed i f f s e r v m o d e l ，f o r t h e p u r p o s e o f i m p l e m e n t i n g a u t o n o m i ca t t r i b u t e s ，a na u t o n o m i cq o sm e c h a n i s m s e l f - o r g a n i z a t i o na r c h i t e c t u r ei sd e s i g n e d t h i sa r c h i t e c t u r ec a np r o v i d e m u l t i p l em e c h a n i s m s f o rt h e i m p l e m e n t a t i o no fe v e r yb a s i cs t e pi n d i f f s e r v , a n d c o u l dr e a l i z ed i f f e r e n tc o m b i n a t i o n so f p r o t o c o l s a u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt ot h ec o n t e x tc h a n g e s t h e n ，b a s e do nt h ed e e ps t u d yo fm a r k i n gm e c h a n i s mi nt h e a u t o n o m i cq o sm e c h a n i s ms e l f - o r g a n i z a t i o na r c h i t e c t u r e ，a na u t o n o m i c m a r k i n ga l g o r i t h mu s i n gc o n t e x ta w a r e n a m e dc a a m ( c o n t e x ta w a r e a u t o n o m i cm a r k e r ) i sp r o p o s e d ，a n di t s p e r f o r m a n c ei sp r o v e db y 第1 i i 贞 北京邮i 乜人学硕i j 学位论文 自治网络中q o s 机制的研究 s i m u l a t i o n a tl a s t ，t h em a j o rw o r ko ft h i st h e s i si ss u m m a r i z e d ，a n dt h ee x i s t e n t i n s u f f i c i e n c i e sa n df u t u r ei m p r o v e m e n t sa r ep o i n t e do u t k e yw o r d s ：a u t o n o m i cn e t w o r k q o s c o n t e x ta w a r e d i f f s e r v 第l v 页 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他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了谢 意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 g a - 签g ：馨盏琵 一 日期： 堡2 ：主：! 兰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校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，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：篮丝亟 导师签名：三篁! ! 塑 ，6 、 日期：型z ：墨：! 兰 日期：丝望：! ：! 北京邮电人学硕! i ：学位论义自治网络中q o s 机制的研究 1 1 课题背景 第一章绪论 当前互联网正面临着巨大的结构压力，其分层的特点在对互联网的发展起到 重大的历史推动作用的同时，也导致了一系列网络发展与演进中的问题。突出表 现为寻址、大型网络的有效管理与控制、q o s 与安全等各个方面。虽然，具有三 十多年历史的互联网已取得了巨大的成功，但是随着社会政治和经济的发展，互 联网中的地址编码问题、网络和业务的配置管理问题、安全和信任问题以及性能 的监控和优化等问题，正在制约着互联网技术的进一步发展。 针对上述网络发展进程中出现的新问题，当前许多研究机构正专注于研究下 一代网络的体系架构，希望能够对现有网络架构进行进一步演进，或是进行重构。 如今，新型网络体系结构问题的研究已经成为当前国内外的研究热点，并有了不 少相关的研究项目，如：f i n d 1 】【3 1 、g e n i 4 】 6 1 、a n a 7 1 、b i o n e t s 8 】- 【9 】、h a g g l e 1 0 】 等。在该领域中，以自治化网络体系结构来支持未来网络需求是一个重要的研究 方向。在文纠】中对自治通信的目标、需求、应用、前景等进行了广泛的讨论。 自治通信寻求提高网络和服务的能力，来处理未知的变化，如拓扑、负载、任务、 网络能访问的物理及逻辑特征等。它通过自组织，自配置和自调节的网络和通信 基础构造，简化了复杂通信结构的管理，降低了人工干预和管理的需要。在自治 通信中，网络的发展独立于终端用户所需要的应用和服务，它有服务驱动、定位、 自治控制、自组织、分布化、技术独立、可扩展的特点。 在一个自治通信网络中，用户只需进行最少的网络配置和操作，就能获益于 通信网络的可靠性和动态适应性。同时，这也能反过来逐步降低操作和管理通信 设施的开销。但是，由于网络中各结点的自组织特性，较之采用集中控制方式的 传统i p 网络，结点间的信息交互、特征冲突将会大大增加。此外，由于处于一 个非集中控制的环境当中，网络环境的动态变化也将会给结点带来更多影响。这 样的一个自治系统的迫切需要有适当的q o s 保证机制来满足它们的动态本质。 未来的网络应当可自动适应于网络环境的动态变化，提供多样化的q o s 保证， 满足不同用户的特殊需求。 因此，研究并设计一种能够适应未来网络发展需求的，具有自适应特性的 q o s 系统具有十分重要的现实意义。 1 2 课题主要研究内容 第l 页 北京邮电大学顺l ：学位论文自治网络中o o s 机制的研究 “c a a n m ( c o n t e x ta w a r ea u t o n o m i cn e t w o r km o d e l ) - - 广义上下文感知的自 治化网络体系结构模型的研究”项目是由国家8 6 3 资金资助的一个基础研究和应 用的课题。该项目在分析现有网络问题的基础上，围绕未来网络通信需求，结合 自治计算、自治通信等研究领域的最新技术，研究和提出适应未来网络业务需 求的自治化的新型通信网络体系结构模型；并通过自治化网络原型，验证模型的 可行性。 “自治网络中q o s 机制的研究”是c a a n m 项目的子题目之一，主要研究内 容为自治网络中网络的q o s 体系和机制的改进。自治网络中的q o s 是在原有q o s 实现的基础上，加入了自优化、自适应等自治属性，从而能够根据感知到的网络 及业务上下文信息，进行q o s 实现机制的重新组合调整，并能根据上下文的变 化，进行具体算法参数的重配置等。 1 2 1 课题目标 c a a n m 项目在分析和研究现有通信网络中存在的固有缺陷的基础上，围绕 未来网络技术的发展趋势和未来社会的通信需求，结合自治计算、自治通信领域 的最新进展，研究和提出适应未来网络与业务需求的自治化的新型通信网络体系 结构模型。在此基础上，展开自治网络原型研究，通过建立原型化的广义上下文 感知自治网络支持自管理、异构通信与业务q o s 保障，以验证本课题提出的自 治化新型网络体系结构模型的可行性。 其中，c a a n m 项目中的“自治网络中q o s 机制的研究”部分则重点关注于 自治网络中具有自治属性的q o s 架构设计，和q o s 机制的改进。本项目中，将 q o s 的研究分为网络级、节点级、功能级、协议级四个层次进行，自治属性的体 现集中在功能级和协议级上。功能级q o s 机制是根据感知到的网络上下文和业 务上下文信息，来选择不同的协议级q o s 策略进行组合；协议级的q o s 机制则 主要是根据网络上下文及功能级q o s 的决策结果，来对具体的q o s 协议算法参 数进行自适应的配置和调整，从而保证整个自治网络的q o s 。由于c a a n m 为 满足未来网络的需求而提出，较之传统的互联网，其q o s 的内涵在各个方面( 如 带宽、时延和抖动、可靠性等) 都有了扩充。 1 2 2 本文研究内容 “自治网络中q o s 机制的研究”是8 6 3 资助项目“c a a n m 广义上下文感知的 自治化网络体系结构模型的研究”的子题目之一，主要研究内容为自治网络中功 能级q o s 和协议级q o s 机制的实现。 在q o s 功能级方面，主要是通过综合分析网络状况等多方因素，对各个具 体的q o s 协议进行管理决策，主要在各个具体的协议间进行选择组合。 第2 页 北京邮电大学硕：卜学位论文 自治网络中q o sl j l , n 的研究 在q o s 协议级方面，借鉴了d i f f s e r v 的处理方式，分为分类、标记、队列 管理、和队列调度四大部分。每一部分根据不同的适用情况，需要实现一种或多 种具体的q o s 协议。具体安排如下：分类( 线性的查找方式) 、标记( f m 和 s r t c m ) 、队列管理( r e d 和f i f o ) 、队列调度( p q 、w f q 、w r r ) 。协议级 q o s 的自治主要体现在对这些协议参数自配置、自适应和自优化。 1 3 主要工作内容 在本课题的研究中，根据网络级和协议级q o s 机制所需实现的功能，本人 的研究任务可划分为以下几个部分： ( 1 ) 分析项目的相关背景技术，对自治网络的研究背景、研究现状、及其发展方 向进行了调研和总结。对现在互联网中存在的问题进行分析和归纳，并给出 在网络发展过程中产生的新需求，及可行的解决方法。 ( 2 ) 参考传统网络中的q o s 模型，重点分析现有的区分服务模型。研究在自治化 网络体系中自治化q o s 保障问题的实现。自治通信网络应当提供多样化的 q o s 保证，并自动适应于网络环境的动态变化，满足不同用户的特殊需求。 ( 3 ) 在对区分服务模型进行分析的基础上，以实现自治为目的，对现有的区分服 务模型进行改进，提出了一个基于动态协议组合的自治q o s 框架。该框架将 q o s 的实现分为网络级和协议级两个层次。 ( 4 ) 研究并设计功能级q o s 对协议级q o s 机制的管理方案。需要研究的内容包 括在多种网络上下文和节点上下文的条件下选取合适的q o s 机制组合；对各 个协议级q o s 相关信息的存储与表示；各个协议级q o s 机制之间数据的传 递方式；与节点其它组件进行控制信息交互的方式。 ( 5 ) 研究各个协议级q o s 机制参数自治调整的方法，设计一种以上下文感知为基 础的自治标记算法，该算法能够通过感知多媒体业务的业务类型，对标记结 果进行调整，提高多媒体业务的服务质量。并且在n s 2 仿真平台上对算法 的改进效果进行仿真验证。 1 4 论文结构 本论文后续各部分内容安排如下： 第二章为背景技术综述，通过对现在互联网中存在的问题进行分析和归纳， 给出在网络发展过程中产生的新需求，接着在此基础上，介绍了解决现有网络缺 陷的一种研究方向一自治通信。同时，对自治通信的研究背景、研究现状、及其 第3 页 北京邮l u 人学硕i ：学位论文 白治网络中q o s 机制的研究 发展方阳进行了调研和总结。最后，对当前及未来网络中日益重要的网络服务质 量问题进行了重点分析与描述。 第i 錾介绍了本课题提出的一个自治化q o s 机制自组织框架。该框架为区 分服务的每个基本步骤的实现提供了多种机制，在网络运行过程中，可以自动根 据上下义环境的变化，对不同的实现机制进行选取和组合，具有自适应和自优化 的特点。 第1 川章令留j 了本课题提出的一种基于上下文感知的自治标记算法c a a m 。 该算法可以0 对刁i 同多媒体流的类型及编码方式，提高封装关键帧的关键分组成 功传输的鼢；时，作不影响业务实时丢包率的前提下，有选择地对封装普通 帧的普j i j l 舒，n j ：抓；d ，通过改变普通分组丢弃的排列方式，来提高业务的服务 质量。 第l “n 川：沦i 之进行总结，提出了下一步改进和完善的建议，最后还列出了 本人在帧叶歹f 化别问i 向j ：作情况和成果。 第4 页 北京邮电大学硕：t 学位论文 自治网络中q o sg u n 的研究 第二章相关研究 本章首先对现在互联网中存在的问题进行分析和归纳，并给出在网络发展过 程中产生的新需求，接着在此基础上，介绍了解决现有网络缺陷的一种研究方向 一自治通信。对自治通信的研究背景、研究现状、及其发展方向进行了调研和总 结。最后，对当前及未来网络中日益重要的网络服务质量问题进行了重点分析与 描述。 2 1 互联网缺陷分析 当前互联网正面临着巨大的结构压力，其分层的特点在对互联网的发展起到 重大的历史推动作用的同时，也导致了一系列网络发展与演进中的问题。突出表 现为寻址、大型网络的有效管理与控制、q o s 与安全等各个方面。虽然，具有三 十多年历史的互联网已取得了巨大的成功，但是随着社会政治和经济的发展，互 联网中的地址编码问题、网络和业务的配置管理问题、安全和信任问题以及性能 的监控和优化等问题，正在制约着互联网技术的进一步发展。总体而言，当前网 络主要存在着以下几方面的缺陷： ( 1 ) 架构演进：互联网的体系架构自从确立以来，对于出现的新需求，采用修补 策略，使得功能技术在原有架构上堆积，导致架构复杂化。随着服务质量、 网络安全、可运营可管理等方面的需求不断迫切，传统互联网架构也面临深 度调整甚至变革的问题。 ( 2 ) 结构模型：传统互联网架构采用“云图模型”，整个网络是扁平的，所有网元 基本处于同一层次。这有利于网络的扩展性和灵活性，但也带来了一些问题， 如网络功能的增加需要所有网元的配合。 ( 3 ) 分层设计：互联网采用了分层设计，各层之间通过标准定义的服务接口来实 现服务和被服务的关系，简化了网络设计，给网络实现提供了较大的自由度。 但是，分层设计也使各层之间的信息相互屏蔽，信息传递造成额外开销。 ( 4 ) 传输模式：互联网采用分组交换方式，在互联网中使用不定长的分组，这在 提供了业务数据封装的灵活性和封装效率的同时也给网元对分组的处理增 加了难度，使得一些功能不能通过硬件来实现。 ( 5 ) 编址与命名：互联网中网元采用全局命名规则，网络标识和身份标识合一， 即i p 地址既表示网络位置也表示用户在网络中身份，这种限定性使得互联 网对于移动性支持能力先天不足。 ( 6 ) 寻址与路由：在互联网发展之初，网络链路极不可靠，要求路由协议在出现 第5 页 北京邮i u 人学硕i ：学位论义自治网络中q o s 机制的研究 局部链路故障的时候，能够自动发现新的通路，具有自组织的能力。但这种 网络自组织特性对寻址性能是有影响的。现在网络的故障率很低，需要在路 由协议的自组织特性和寻路性能之间进行权衡。 ( 7 ) 服务质量保证方式：传统互联网不提供服务质量保证，但由于目前互联网业 务的多样化，及一些实时性业务的开展对互联网服务质量提出了更高的要 求，因此如何在简单性和服务质量保证之间找到平衡是未来网络架构中需要 关注的重点。 ( 8 ) 网络安全性：网络终端可以访问网络中的任何一个网元或者其它网络终端， 这种特性对于保证互联网的可达性有着重要的作用，但是对于网络安全有较 大影响。网络安全性应该在体系结构层面进行保证，是体系结构的重要内容。 ( 9 ) 可管理能力：互联网是自组织性很强的网络，每个网元只需完成存储转发功 能，对于网络其它部分的状况是不关心的，这给网络的运行和维护带来不便。 ( 1 0 ) 业务支撑能力：互联网中采用了分层结构，网络和业务是分离的，利用同一 个i p 网络可以支持多种业务。但由于i p 技术在服务质量、安全、可管理性 等方面存在着许多不足，也导致了其在为业务提供的不同网络环境方面还存 在较大的局限性。 2 2 未来网络需求分析 当前互联网正以前所未有的方式飞速发展，在对网络架构进行需求分析时， 还应考虑到未来网络的发展趋势。总的来说，未来网络具有网络设备大量增加、 网络新技术不断出现、无线移动设备在网络中所占的比例大大增加的特点。针对 上述网络所面临的缺陷，文章【屹】中通过对未来网络发展趋势的预测，给出了未 来网络所面临的新需求： ( 1 ) 更高级的q o s 保证：需要更大规模网络吞吐量的实现，由于节点规模的变小 导致网络应用向无线方向发展，而无线网络有限的带宽将会与越来越多的高 带宽应用需求发生矛盾。未来的网络设计必须考虑到带宽的利用问题。同时 对业务有不同的网络时延要求，由于不同的应用对于时延的容忍程度各不相 同，未来网络应当可以根据应用的这一特性，来设计不同的网络协议，以充 分利用网络资源。 ( 2 ) 实现可靠性、可用性、可恢复性的不同级别：不同的网络用户对网络的性能 也有不同的需求。一些机构用户把网络作为完成它们任务的核心技术，任务 的完成依赖于网络及服务的可用性，因而需要一个具有高可靠性、可用性和 可恢复性的网络；而另一方面，实现高质量的网络开销较大，一些个人用户 第6 页 北京邮电大学硕士学位论文自治网络中q o s 机制的研究 更倾向于用较小的代价获得一个相对质量较低的网络。因而，需要综合考虑 性能与开销之间的关系，为不同的用户提供不同的平衡点。 ( 3 ) 异构寻址和命名机制的实现：i p 地址仍然会是未来网络十分重要的网络元 素，然而，未来网络会加入许多新的终端设备，如p d a 、w l a n 、3 g 及蓝 牙等等，这就需要解决当前i p 机制带来的诸多弊端，寻求新的异构寻址解 决方案。 ( 4 ) 不同的安全和访问控制策略：可以由网络的所有者自己定义所需要的安全策 略。一些组织( 如军用组织) 会要求高度安全的环境，而一些个人用户可能 需要有一个更加开放的网络环境。 2 3自治网络及其研究现状 针对上述互联网存在的缺陷，及在网络发展进程中出现的新需求，当前许多 研究机构正专注于研究下一代网络的体系架构，希望能够对现有网络架构进行进 一步演进，或是进行重构，以解决上述问题。如今，新型网络体系结构问题的研 究已经成为当前国内外的研究热点。在该领域中，以自治化网络体系结构来支持 未来网络需求是一个重要的研究方向。 自治网络架构寻求提高网络和服务的能力，来处理未知的变化，如拓扑、负 载、任务、网络能访问的物理及逻辑特征等。它通过自组织，自配置和自调节的 网络和通信基础构造，简化了复杂通信结构的管理，降低了人工干预和管理的需 要。在自治网络架构中，网络的发展独立于终端用户所需要的应用和服务，它有 服务驱动、定位、自治控制、自组织、分布化、技术独立、可扩展的特点。自治 化网络功能实体更灵活、适应性更强，可通过自感知获取更丰富的信息源，不仅 包括系统内信息，还可感知网络环境、客户需求、业务状态等等。本课题称这些 信息为广义上下文。自感知使网络实体在上下文变化时，能适应性的作出最优决 策，进行自组织、自配置和性能自优化。自治网络是一种新型的网络结构，它具 有灵活性、动态性、安全性的特点，能自治形成适应网络结点及整个网络的各种 网络操作策略，能够适应未来网络发展的需求。 当前，自治化网络体系结构的研究大都还处在探索阶段，没有搭建成熟的试 验平台，设计与实现还需要进一步的研究和实验。在网络技术领域引入自治特性 的研究首先是在网络管理方面，一些自治的网络管理框架的方案也被提出。而当 前研究的另一个主要方面是在整体网络架构中全面引入自治化属性。世界各主要 国家和国家联盟对此十分重视。例如，s a c ( s i t u a t e da n da u t o n o m i c c o m m u n i c a t i o n ) i 乃卜【1 4 】是欧盟i s t ( i n f o r m a t i o ns o c i e t yt e c h n o l o g y ) 的f e t 第7 页 北京邮电人学顾。l ：学位论文 自治网络中q o s 机制的研究 ( f u t u r ea n de m e r g i n gt e c h n o l o g i e s ) 计划中的一个研究领域，其目标是促进具有 适应性( 如对环境及上下文的变化作出正确反应) 、自治控制、自组织、分布式 的、技术独立的、无限扩展特征的通信网络系统的研究，从而使网络演化为任务 和认知驱动的、可完全扩展的、能够适应多种动态上下文、面向业务的通信网络。 图2 一l 给出了s a c 研究领域的几个主要研究方向与研究计划。h a g g l e 提出 了一种机会网络的跨层架构，支持缺乏端到端架构的机会通信；b i o n e t s 是生 物学启发的一种自治服务演化网络架构，提出了服务细胞与服务个体的概念，由 多个服务细胞进行组合形成服务个体，来完成一个完整的服务；a n a 设计了一 种超i p 的全新自治网络架构，提出了功能块( f b f u n c t i o nb l o c k ) 的概念，多个功 能块可以组合成一个功能更为强大的功能块，来完成更丰富的功能；c a s c a d a s 主要研究自治通信元素。 自治服务 图2 1s a c 研究方向与研究计划 此外，还有欧盟i s tf p 7 项目- - e f i p s a n s 1 5 】，其全称为e x p o s i n gt h ef e a t u r e i ni pv e r s i o ns i xp r o t o c o l st h a tc a nb ee x p l o i t e d e x t e n d e df o rt h ep u r p o s e so f d e s i g n i n g b u i l d i n ga u t o n o m i cn e t w o r k sa n ds e r v i c e 。该项目通过对i p v 6 协议进行 扩展，在网络中加入自治属性，适应未来网络和业务的发展。为了支持异质化通 信融合的网络模式，满足各种异质通信方式的融合带来的新型业务的出现，以及 对可扩展性、自治属性的要求，尤其是为了解决网络管理的复杂性。 网络自治化的研究思想主要得益于自治计算【1 6 】、自治通信【1 7 】- 【1 8 】领域的研究。 从广义上讲，自治计算是指一个自动调节以满足应用需要的基础结构，是一 个自管理计算模型。自治计算系统具有极大的灵活性，只需最小的人工干预来保 证高质量的服务，类似于神经系统调节人体而不需要个体的有意识干预。自治计 第8 页 北京邮电大学硕十学位论文 自治网络中q o s 机制的研究 算正处在它的发展初期，其成果包括i b m 的e l i z a o p t i m a l g r i d t l 9 】【2 0 1 、 i n t e l 的 i t a n i u m2 【2 1 1 、s u n 的n 1 2 2 1 等；学术成就主要有：美国亚利桑那州大学的 a u t o n o m i a 2 3 1 ，美国r u t g e r s 大学的a u t o m a t e 【2 4 1 ，伦敦帝国学院的a m u s e t 2 卯， 英国牛津布鲁克斯大学和兰开斯特大学的o p e no v e r l a y s 2 6 1 ，及英国圣安德鲁斯 大学的a s a 等【2 7 1 。 自治通信的研究涉及到多个相关学科和领域，包括：协议设计、网络管理、 人工智能、普适计算、控制论、博弈论、语义学、生物学、上下文感知系统、传 感器网络、信任与安全。 自治通信的实现基于两类基本概念：一是自治控制环，二是各种自治属性 ( s e l f - 宰) 。 自治控制环的基本结构如图2 2 所示，分为收集( c o l l e c t ) 、分析( a n a l y z e ) 、 决策( d e c i s i o n ) 、执行( e x e c u t e ) 四个部分。首先，从各种数据源收集信息；接着， 分析这些信息并构建一个反映当前情况的面向网络及业务的模型，作为做出适应 性改变决策的基础；然后，根据分析的结构进行行为决策；最后，通过网络执行 这些决策，并将结果报告给用户或管理者。而结果的影响将在下一轮控制周期中 被收集。 图2 2 自治控制环 而网络中的自治属性言要可分为自管理( s e l f - m a n a g e m e n t ) 、自组织 ( s e l f - o r g a n i z a t i o n ) 、自配置( s e l f - c o n f i g u r a t i o n ) 、自感知( s e l f - a w a r e ) 、自优化 ( s e l f - o p t i m i z a t i o n ) 、自保护( s e l f - p r o t e c t i o n ) 、自修复( s e l f - h e a l i n g ) 七大类。对于 某项具体的网络功能，可以实现上述一项或多项自治属性，以达到不同的自治程 度。自治属性( s e l f - * ) 能够减少网络管理的人工操作的负担，可解决网络在面 临异质通信( 异质的用户业务需求、异质的底层网络设备、异质协议等) 需求 时导致管理控制的复杂性问题。在出现故障或失效时，网络也能够通过自组织 重构网络的功能与服务。 北京邮i 乜大学顾l ：学位论文 自治m 络中q o s 机制的研究 2 4 q o s 综述 传统的i n t e m e t ，基于t c p i p 传输模型，只提供最大努力( b e s te f f o r t ) 的服务， 主要适用于文件传输，或电子邮件之类的数据传输应用。在未来的自治通信中， 这远远不能满足用户对服务质量( q o s ) 的需求。当前基于i p v 4 的网络不能保证任 何其它交互性多媒体应用的服务质量，从而限制了语音及视频之类对时延和丢包 十分敏感的时实传输应用的发展。未来的自治通信网络应当是基于i p v 6 协议， 提供多样化的q o s 保证，自动适应于网络环境的动态变化，满足不同用户的特 殊需求。在一个自治网络的环境中，q o s 的研究目标在于解决如何在特定的动态 网络上下文环境中，自治地为用户业务提供符合用户要求的、具有差异性的q o s 保障的网络服务。 2 4 1 现有技术及其缺陷 现在，i p 网络如何提供服务质量( q o s ) 支持这一问题现已成为业界关注的焦 点。对于由q o s 控制来实现q o s 保证，国际上不同组织和团体提出了不同的控 制机制和策略，比较著名的为i e t f 组织提出了以下几种： ( 1 ) 综合业务模型( i n t s e r v ) 2 8 】 i n t s e r v 引入了一个重要的网络控制协议r s v p ( 资源预留协议) ，数据包所 经过的每个网络元素( 子网和i p 路由器) 都必须能够支持r s v p 控制服务质量 的机制。 ( 2 ) 差分业务模型( d i f f s e r v ) 2 9 】 d i f f s e r v 重新利用了i p 数据包头中的服务类型( t o s ) 字段( 改为d s 域) ， 骨干网中的核心路由器检查数据包中的t o s 字段判断业务的类别，再为不同的业 务提供不同的q o s 保证策略。 ( 3 ) 多协议标签m p l s 技术【3 0 】 m p l s 协议的关键是引入了标签( l a b e l ) 的概念。它是一种短的、易于处 理的、不包含拓扑信息、只具有局部意义的信息内容。网络路由器只需要判别标 记后即可进行转送处理。 ( 4 ) 流量工程( t r a 衔ce n g i n e e r i n g ) 3 1 】 将业务流映射到网络的物理拓扑上的任务被称作流量工程，通过它可以平衡 网络中不同的链路、路由器和交换机之间业务负荷，使所有这些设备既不会过度 使用，也不会未被充分使用。 ( 5 ) q o s 路由1 3 2 j q o s 路由的主要目标是为接入的业务选择满足其服务质量要求的传输路径， 第l o 页 北京邮电大学硕士学位论文 自治网络中q o s 机制的研究 同时保证网络资源的有效利用。一般路由选择过程由两个部分组成：一是为到达 业务选择路径并发送数据包的过程；一是节点问路由信息的交互过程。 然而，尽管现在有许多q o s 的解决方案，但在实际的应用中，很少有十分 成功的q o s 提供机制。许多q o s 机制未能得到广泛部署。这主要有两方面的原 因：一是q o s 机制的及时性，即它们很少在真正需要的时候到达；二是在一个 尽力而为的网络中，分层q o s 机制的内在矛盾。文掣3 3 】分析了几种已提出的q o s 机制的缺陷： ( 1 ) i n t s e r v 在i n t s e r v 中，路由器中加入复杂的队列和调度策略。仅仅靠资源预留，来 追求转发速度是i n t s e r v 的目标。i n t s e r v 的复杂性同网络的发展趋势背道而驰。 ( 2 ) d i f f s e r v d i f f s e r v 用于降低i n t s e r v 的复杂度，但它从不考虑服务提供者合作的问题， 且不能保证端到端的q o s 。 ( 3 ) i pq o s i pq o s 的策略是过度提供资源以降低丢包率。但学术研究表明当前许多骨 干网仅仅以5 n 1 5 的负载工作。这表明i pq o s 并不能解决q o s 问题。 ( 4 ) m p l s m p l s 是个用于流量工程的内部域技术，而今天的网络是个全球化的网络， 有多个不同的提供商，因而m p l s 不一定适用于未来网络的发展。在实际应用 中，m p l s 也不是一个用于授权用户的方法。 因而，一个q o s 机制要获得成功，它不仅要在需要的时候及时到达，也必 须成为网络固有的一个内在属性。未来的q o s 研究不能孤立进行，必须将与其 它网络功能的发展相结合考虑，才有可能获得成功。 2 4 2d i f f s e r v 背景技术研究 当前，i p 网络中q o s 的实现主要采用d i f t s e r v 体系架构，本课题的研究也 以d i f f s e r v 模型为基础进行。在r f c2 4 7 5 中对d i f f s e r v 架构作了明确定义，它 是一种能够在互联网上实施的可扩展的服务分类的体系结构。其基本网络架构分 为边缘路由器、核心路由器、和链路三部分，如图2 3 所示。 第l l 贞 北京邮电人学顾：l 二学位论文 自治网络中q o s 机制的研究 图2 3d i f f s e r v 架构 在d i f f s e r v 架构中，边缘路由器可根据分组的包括时延、抖动或用户提出的 其他需求的流量特性对其进行分类，并把有相似q o s 需求的分组划分到同一转 发等价类中。接着，边缘路由器对完成分类的分组根据其所属业务流的特点( 如： 承诺的信息传输速率、允许的突发度等) 执行标记操作。标记的目的是对同一业 务流中的各个分组区分不同的丢弃优先级。标记后的分组通常分为红、黄、绿三 类，其中红色分组的丢弃优先级最高，黄色分组次之，绿色分组最低。分类和标 记的结果用i p 分组头中的d s 域进行标识。 在i p v 6 中，d s 即数据包头中的t r a f f i cc l a s so c t e t 。d s 域中的6 个比特被用 于编码( d s c p d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c ec o d e p o i n t ) ，在每个节点上进行p h b 的选 择，2 个比特( c u ) 被预留，它的值被d i f f s e r v 节点组件所忽略。表2 一l 为r f c2 4 7 4 中给出的各个q o sp h b 的d s c p 推荐值【3 4 1 。具有更高优先级的p h b 组可以抢 占优先级相对较低的p h b 组的资源。而多余的资源则可以在a f 和b e 之间平均 分配。此外，还有d s c p 值为1 l x 0 0 0 用于表示网络控制流，具有最高优先级。 表2 1d s c p 值分配 e f1 0 i1 1 0 ( 4 6 ) a f l l0 0 1 0 1 0 ( 1 0 )a f l 20 0 1 1 0 0 ( 1 2 )a f l 30 0 1 11 0 ( 1 4 ) a f 2 10 l 0 0 1 0 ( 1 8 )a f 2 20 1 0 1 0 0 ( 2 0 ) a f 2 3 0 1 0 1 1 0 ( 2 2 ) a f a f 3 10 1 1 0 1 0 ( 2 6 )a f 3 20 1 1 1 0 0 ( 2 8 )a f 3 30 1 1 1 1 0 ( 3 0 ) a f 4 11 0 0 0 1 0 ( 3 4 )a f 4 21 0 0 1 0 0 ( 3 6 ) a f 4 3 1 0 0 1 1 0 ( 3 8 ) b e 0 0 0 0 0 0 ( 0 ) 接着，在转发过程中，每个支持d i f f s e r v 的路由器，包括边缘路由器和核心 路由器都会根据这个d s c p 值把分组映射到称之为逐跳行为p h b ( p e r - h o p b e h a v i o r ) 的一类转发行为中，并在转发过程中区别对待之。 第1 2 页 北京邮电大学硕： ：学位论文自治网络中o o s 机制的研究 d i f f s e r v 网络的最大特征是将许多复杂的控制转移到网络边界来执行，而使 内部的核心路由器只需对叠加以后的汇聚流进行处理，从而大大减少网络内部应 该记录的不同状态，简化了网络内部节点的操作。 2 4 3 q o s 与自治 当前明确的有关自治通信中q o s 的相关研究还没有很多，但存在许多类似 网络的q o s 研究，例如：未来自治通信的承载网络d i f f s e r v 中的q o s ，自感知 的q o s ，自适应的q o s ，动态的q o s 机制，移动网中的q o s 等等，这些都是近 几年有关q o s 研究中较热门的方向。 自治通信的q o s 具有自管理、自适应、自优化、自恢复等特点，并要着重 考虑移动节点的q o s 保证。因而，对于这类q o s ，可以借鉴以上各方面的q o s 研究，找出合适的q o s 机制。 2 5 本章小结 本章首先对现在互联网中存在的问题进行分析和归纳，并给出在网络发展过 程中产生的新需求，接着在此基础上，介绍了解决现有网络缺陷的一种研究方向 一自治通信。对自治通信的研究背景、研究现状、及其发展方向进行了调研和总 结。最后，对当前