（计算机系统结构专业论文）ip网络qos及其可扩展性研究.pdf

i p 网络o o s 及其可扩展性研究 摘要 随着因特网( i n t e r n e t ) 技术飞速发展，多媒体等各种实时业务不断 涌现，对基于分组交换、提供尽力( b e s te f f o r t ) 数据包转发服务的i p 网 络提出了q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 要求。本文系统介绍了i p 网络q o s 控 制的研究现状，综合分析涉及i p 网络q o s 保证的关键技术，并对现有研 究成果及其尚未解决的问题进行了讨论。在此基础上，本文对i p 网络 提供具有规模可扩展。i 生q o s 的若干问题进行了深入研究，主要创新涉及 流量聚集调度中聚集策略和调度策略，多q o s 带o 约路径选择问题，分布 式、并行的准入控制方案，以及结合i p v 6 网络的综合q o s 网络模型等四 个方面。 第一，在流量聚集调度方面，提出一新型基于微流有效隔离的公 平聚集器( f a i ra g g r e g a t o rf o rf l o w si s o l a t i o n ，简称“f a f i ”) 。f a f i 可 实现对微流的高效聚集，并通过类似于e d f ( e a r l yd e a d l i n ef i r s t ) 的思 想，对聚集完成的宏流进行过滤和排序等预处理，并按照w f 2 q ( w o r s t c a s ef a i rw e i g h t e df a i rq u e u e i n g ) 调度策略，对预处理后的宏流进行调 度转发。f a f i 解决了在基于流量聚集调度模式中，同一宏流内部的各竞 争微流之间的突发流量对数据包传输延迟产生影响的问题。文章通过严 格的数学推理与演算，证明聚集模型的有效性，并对数据包端到端网络 传输延迟上限进行了定量分析。 第二，在多目标q o s 路径选择问题上，本文提出了一基于遗传算法进 行多目标优化q o s 路径选择算法( m u l t i o b j e c t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m sf o r p a t hs e l e c t i n g ，简称“m o g a p s ) 。该算法可高效实现对多个q o s 目 标同时进行优化计算，一方面改进现有路径选择算法优化一个目标，然 上海交通人学博上学位论文 后检查剩余目标是否到达要求的做法；另一方面也有效消除一些算法把 多个目标线性加权组合，然后对组合e l 标进行优化的人为逻辑，因为对 不同性质的q o s 约束进行加权组合往往毫无物理意义。通过实验研究， 本文提出算法具有较好计算特性( 如算法的规模可扩展性、收敛性等) 和功能特性( 如阻塞率等) 。 第三，在准入控制方面本文提出一全新的分布式和并 行准入控制模式( d i s t r i b u t e da n dp a r a l l e la d m i s s i o nc o n t r o l ，简称 “d p a c ) 。d p a c 采用基于带宽预划分的虚链路机制，使域内各边 界路由器只需根据其本地信息库，进行快速、正确、并发、和完全分 布式的准入决策。同时，模型引入一全新的两阶段令牌传递机制，用 于自适应优化核心资源在不同边界路由器之间的预分配比例。通过仿 真，d p a c 表现出较好的准入控制响应性能，较低的数据包丢失率，和 较高的网络资源利用率。 第四，本文提出了一适用于i p v 6 网络的全新q o s 框架( d i s t r i b u t e d a d a p t i v er e s o u r c em a n a g e m e n t ，简称“d a r m ”) 。d a r m 框架主要包 括一全新基于i p v 6 流标签的虚拟路径机制和数据包转发机制，以及自 适应分布式资源定向探测过程。该框架不需要逐跳的q o s 信令传递过程 以及在网络核心维护每流的状态。因此，该框架兼有i n t s e r v ( i n t e g r a t e d s e r v i c e s ) 模型的q o s 保证水平和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 s ) 模型 的系统规模可扩展性。通过大量仿真，验证了该q o s 网络框架相对 于i n t s e r v 和d i f f s e r v 网络模型而言，具有较好的综合性能。 关键词：服务质量，综合服务，区分服务，准入控制，多参数约束路 由，流量聚集，调度策略，i p v 6 协议 一i i s t u d i e so np r o v i d i n gs c a l a b l eq o ss o l u t i o n si n ipn e t w o r k s a bs t r a c t t h ee n l a r g e m e n to ft h ei n t e r n e tu s e rc o m m u n i t yh a sg e n e r a t e dt h en e e df o ri p b a s e d a p p l i c a t i o n sr e q u i r i n gg u a r a n t e e dq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) c h a r a c t e r i s t i c s e f f o r t st op r o - v i d i n gq o sf 研m ei n t e r n e th a v el e dt o t w od i s t i n c ta p p r o a c h e s ：t h ei n t e g r a t e ds e r v i c e s ( i n t s e r v ) a n dt h ed 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 ) i n t s e r vs u f f e r sf r o ms c a l a b i l i t yp r o b l e m , w h e r e a sd i f f s e r vo n l ys u p p o r t sw e a kq o sa sc o m p a r e dt oi n t s e r v ac a r e f u la n a l y s i s o ft h e s eb a s i cq o ss c h e m e sr e v e a l st h a tp r o v i d i n gq o si ni pn e t w o r kn e e de v e r yn e t w o r k e l e m e n t sw o r k i n gh a r m o n i o u s l yu n d e rs o m ee f f i c i e n t ，s c a l a b l e ，a n dp r a c t i c a b l em e c h a n i s m s t h em o s ti m p o r t a n ti s s u e sa m o n gt h e ma r et h es c h e d u l i n gp o l i c y , a d m i s s i o nc o n t r o l ，q o s r o u t i n g ，a n dt h em e a n so f r e s o u r c er e s e r v a t i o n f i r s t ，t h i sp a p e rp r o p o s e san o v e lf a i ra g g r e g a t o rf o rh o w si s o l a t i o n ( f a f i ) t h a tt o m - b i n e sb o t he a r l i e s td e a d l i n ef i r s t ( e d f ) s c h e d u l i n ga n dw o r s t c a s ef a i rw e i g h t e df a i r q u e u i n g ( w f 2 q ) b ya s s e m b l i n gi n d i v i d u a lf l o w si ne d f a n df o r w a r d i n ga g g r e g a t e dt r a f - 行ci nw f 2 q f a f io v e r c o m e sd i s a d v a n t a g ei nf l o wa g g r e g a t i n gt h a tt h ee n d t o - e n dd e l a y o fa l li n d i v i d u a lf l o wi sr e l a t e dt ot h e b u r s t i n e s so fo t h e rf l o w ss h a r i n gi t sa g g r e g a t e dt r a f f i c s u b s e q u e n t l y , a l le n d t o e n dd e l a yb o u n di sd e r i v e d i nt h en e t w o r ke q u i p p e dw i t hp r o p o s e d a g g r e g a t o r i na d d i t i o n ，ap e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n i sd o n ew i t hp r e v i o u sw o r k so nt h ea s 。 p e c t so fe n d t o e n dd e l a yb o u n d ，n e t w o r ku t i l i z a t i o n ，a n ds c a l a b i l i t y s e c o n d ，an o v e lm u l t i o b j e c t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m sf o rp a t hs e l e c t i o n ( m o g a - p s ) i s p r o p o s e df o r t h es e t t i n g 叩o ft r a f f i ct r u c k si nt h en e t w o r kd o m a i n t h ea l g o r i t h mc a no p t i 。 m i z em u l t i p l eq o so b j e c t i v e sb yag e n e t i ca l g o r i t h mi nc o , u n c t i o nw i t hc o n c e p to fp a r e t o d o m i n a n c e ，w h i c hi sc a p a b l eo fd i s c o v e r i n ga s e to fq o s b a s e dn e a ro p t i m a lp a t h sw i t h i ni n af e wi t e r a t i o n s t h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sa b l et oe l i m i n a t et h et r a d i t i o n a la l g o r i t h md r a w - b a c k so fc o m b i n i n gd i f f e r e n ta n dc o n f l i c t i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s eq o sp a r a m e t e r si n t oa s i n g l es c a l a ro b j e c t i v e f u n c t i o n ，w h e r et h er e a li n t u i t i o na n dl o g i cb e h i n dt h ec o m b i n a t i o n s i 一 i so f t e nf u z z y i na d d i t i o n ，s i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o wt h ee f f i c i e n c ya n ds c a l a b i l i t yo ft h e a l g o r i t h mw i t hi n c r e a s i n gn u m b e ro fn e t w o r kn o d e s t h i r d ，an e ws c a l a b l ed i s t r i b u t e da n dp a r a l l e la d m i s s i o nc o n t r o l ( d p a c ) s c h e m ef o r t h eq o s s e n s i t i v i t yt r a f f i ci nc o r e s t a t e l e s sn e t w o r k si sp r o p o s e d i nt h i ss c h e m e ，t h ei n g r e s s r o u t e r sp e r f o r ma d m i s s i b i l i t yt e s ti naf u l l yd i s t r i b u t e da n dp a r a l l e lf a s h i o nf o rr e q u e s t sb y d i mo fo u rb a n d w i d t h d i v i d i n gb a s e dv i r t u a ll i n km e c h a n i s m t h e n ，t h ep a p e ri n t r o d u c ea n o v e lt w op h a s et o k e np a s s i n gm e c h a n i s mt oa d a p t i v e l yo p t i m i z et h ep r o p o r t i o no fb a n d w i d t hd i v i d i n ga m o n gc o n t e n d i n ge d g er o u t e r sa c c o r d i n gt ot h ed y n a m i co ft h e i rt r a f f i c t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ev e r yp r o m i s i n gi n d i c a t i n gt h a te v e nu n d e rv e r yh i g hr e q u e s tl o a di ti s p o s s i b l et op e r f o r ma d m i s s i o nc o n t r o la n dr e s o u r c ea l l o c a t i o ni np a r a l l e lw i t h o u ts u f f e r i n g i nt e r m so f r e s p o n s et i m e ，p a c k e tl o s sr a t e ，o ru t i l i z a t i o n f o u r t h ，an e wp r a c t i c a b l eq o sf r a m e w o r kw i t hd i s t r i b u t e da d a p t i v er e s o u r c em a n a g e m e n t ( d a r m ) i sp r o p o s e d d a r mp r o v i d e sp e r - f l o wa d m i s s i o nc o n t r o la n dr e s o u r c e r e s e r v a t i o na si n t s e r vw h i l ek e e p i n gt h es a l a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i ca sd i f f s e r v i nc o n j u n c t i o n w i t han o v e li p v 6f l o wl a b e lm e c h a n i s m ，d a r mi sc a p a b l eo fm a k i n ga d m i s s i o nc o n t r o l d e c i s i o n si n s t a n t a n e o u s l yi naf u l l yd i s t r i b u t e da n di n d e p e n d e n tm a n n e ra te d g eo fn e t w o r k w i t h o u th o p b y h o ps i g n a l i n g m o r e o v e r , a d a p t i v er e s o u r c er e c o n f i g u r a t i o na n dd i s t r i b u t e d r e s o u r c ep r o b i n gm e c h a n i s ml e a dt oh i g h e rg l o b a lr e s o u l c eu t i l i z a t i o ni nd a r m d o m a i n t h es i m u l a t i o nr e s u l t sc l e a r l ye x h i b i tt h a td a r m h a sab e t t e ro v e r a l lp e r f o r m a n c ec o m p a r - i n gt ot h ei n t s e r va n dd i f f s e r r k e yw o r d s ： q o s ，i n t s e r v , d i f f s e r v , a d m i s s i o nc o n t r o l ，i p v 6 ，q o sr o u t i n g ，a g g r e g a t es c h e d u l i n g ，i p v 6 一一 表格目录 表2 - l 基本符号表示及其含义对照表1 7 表2 2 跨域网络模型端到端延迟分析符号表2 8 表2 - 3 仿真实验参数设置3 l 表3 - 1 实验网络拓扑参数设置4 4 表5 1 定向探测算法变量定义7 4 v i i i 插图目录 图1 1i n t s e r v 网络模型示意图 图1 2d i f f s e r v 网络模型示意图 图2 1f a f i 聚集器内部结构示意图 图2 2 基于f a f i 的跨域聚集调度网络模型示意图 图2 3 仿真实验拓扑结构 图2 _ 4 四种实验模型数据包端到端传输延迟比较 图2 5 延迟性能与随着网络利用率变化之间的关系 图2 6 延迟性能与突发流量之间的关系 图3 1 染色体表示以及交叉操作 图3 2 基于遗传演进的多目标优化多q o s 匍j 约路径选择算法伪代码 图3 3 端到端延迟指标的收敛情况 图3 _ 4 数据包丢失率指标的收敛情况 图3 5 负载均衡性能指标的收敛情况 图3 - 6 算法的规模可扩展性能比较 图3 7 阻塞率随连接请求增加的变化情况 图3 8 链路利用率随连接请求增加的变化情况 图4 1 虚链路划分以及其逻辑功能示意图 图4 2 测量窗口及其时间离散化示意图 图4 3 两阶段令牌传递过程伪代码 图4 - 4 仿真实验网络拓扑结构 图4 5 网络负荷增长情况下平均响应时间的变化 图4 6 网络负荷增长情况下数据包丢失率的变化 图4 7 网络负荷增长情况下资源利用率的变化 图4 8 网络负荷增长情况下拒绝率的变化 图5 1 网络域s d 对资源增加算法伪代码 图5 2 网络域s d 对资源减少算法伪代码 图5 3 定向搜索算法网络示意图 图5 4 定向探测算法伪代码 一一 3 4 o 7 0 2 3 4 l 3 5 5 6 6 7 7 2 4 6 7 9 0 l 2 l 2 3 5 3 4 加刀让 舛 甜钙钙钙拍钉钾 铉舛弱卯钞甜酡 饥记乃巧 上海交通人学博士学位论文 图5 5 仿真实验网络拓扑结构 7 6 图5 6 不同k 值下d a r m 模型平均阻塞率比较 7 6 图5 7 不同t 值下d a r m 模型平均阻塞率比较7 7 图5 - 8i n t s e r v 与d a r m 模型之间平均阻塞率比较7 7 图5 - 9i n t s e r v 与d a r m 模型之间半均连接建立时间比较 7 8 图5 1 0i n t s e r v 、d i f f s e r v 和d a r m 之间的数据包传输延迟比较7 8 图5 1li n t s e r v 、d i f f s e r v 和d a r m 之间的数据包传输延迟抖动比较7 9 图5 1 2d a r m 算法与k s h o r t e s t 算法之间的峰值链路利用率对比7 9 图5 1 3d a r m 算法与k s h o r t e s t 算法之间的平均链路利用率对比 8 0 图5 1 4d a r m 算法与k s h o r t e s t 算法之间的平均阻塞率对比 8 l x 一 q o s o s i i e t f i n t s e r v d i f f s e r r a c r s v p b e d s c p p h b b b m p l s l s p l d p l s r f c f s r r g r g p s p g p s w f q 主要符号对照表 服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 开放系统互连( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t ) 因特网工程任务组( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 综合服务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ) 区分服务( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 准入控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 资源预留协议( 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 ) 尽力而为的服务( b e s te f f o r ts e r v i c e ) 区分服务码点( d 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 ) 每跳行为( p e r - h o pb e h a i v o r s ) 带宽代理( b a n d w i d t hb r o k e r ) 多协议标签交换( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 标签交换路径( l a b e ls w i t c hp a t h ) 标签分发协议( l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c 0 1 ) 标签交换路由器( l a b e ls w i t c h e dr o u t e r ) 先来先服务( f i r s tc o m ef i r s ts e r v i c e ) 轮循( r o u n dr o b i n ) 速率确保( g u a r a n t e e dr a t e ) 通用处理机共享( g e n e r a l i z e dp r o c e s s o rs h a r i n g ) 数据包通用处理器共享( p a c k e tg p s ) 加权公平队列( w e i g h t e d f a i rq u e u i n g ) 一一 上海交通人学博上学位论文 w f 2 q e d f v c r e d f i f o r f i g r c v f c a v f c t - w f i n s 2 c a s m c p m c o p m o p g a m o g a m o g a p s r s p o s p f b g p o m n e t + + v o i p d p a c d a r m v p 最坏情况公平队列( w o r s t c a s ef a i rw e i g h t e df a i rq u e u e i n g ) 最紧急优先( e a r l yd e a d l i n ef i r s t ) 虚拟时钟( v i r t u a lc l o c k ) 随机最早侦测( r a n d o me a r l yd e t e c f i o n ) 先进先出( f i r s ti nf i r s to u t ) 流隔离公平聚集器( f a i ra g g r e g a t o rf o rh o w si s o l a t i o n ) g r 调度器时钟( g u a r a n t e e dr a t ec l o c k ) 虚拟完成时间( v i r t u a lh n i s hc l o c k ) 聚集器虚拟完成时间( a g g r e g a t o r sv i r t u a lf i n i s hc l o c k ) 最坏情况时问公平指数( t i m ew o r s t c a s ef a i ri n d e x ) 网络仿真器( n e t w o r ks i m u l a t o r ，v e r s i o n2 ) 联合聚集调度算法( c o o r d i n a t e da g g r e g a t e ds c h e d u l i n g ) 多约束路径问题( m u l t i c o n s t r a i n e dp a t hp r o b l e m ) 多约束路径优化问题( m u l t i c o n s t r a i n e do p t i m a lp a t hp r o b l e m ) 多目标优化问题( m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n sp r o b l e m ) 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ) 多目标优化遗传算法( m u l t i o b j e c t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m s ) m o g a 选路算法( m u l t i o b j e c t i v e g e n e t i ca l g o r i t h m sf o rp a t hs e l e c t i o n ) 受限最短路径问题( r e s t r i c t e ds h o r t e s tp a t h ) 最短路径优先协议( o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ) 边际网关协议( b o r d e rg a t e w a yp r o t o c 0 1 ) 对象模块网络测试平台( o b j e c t i v em o d u l a rn e t w o r kt e s t b e di nc + + ) i p 语音( v o i c eo v e ri n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 分布式并行准入控制模式( d i s t r i b u t e da n dp a r a l l e la d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 分布式自适应资源管理模型( d i s t r i b u t e da d a p t i v er e s o u r c em a n a g e m e n t ) 虚拟路径( v i r t u a lp a t h ) 一i 一 主要符号对照表 s d r d r a 边界路由器对( s o u r c ee d g er o u t e ra n dd e s t i n a t i o ne d g er o u t e rp a i r ) 资源发现( r e s o u r c ed i s c o v e r yp a c k e t ) 资源确认( r e s o u r c e sa c k n o w l e d g ep a c k e t ) 一x 一 上海交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本文完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 上海交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解上海交通大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权上海交通大学可以将本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和汇编本学位论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 日期：差丝化 名乒 獬卑 聪竺 教 ： 导期 她日 日 1 1 背景 第1 章绪论 自计算机系统诞生开始，就一直存在提高系统服务性能和服务质量的问题， 因此服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，简称“q o s ) 问题实际上由来己久。对计 算机网络的q o s 控制的研究起源于2 0 世纪8 0 年代初期，s e i t z 和w o r t e n d y k e 等人在研 究a p p a n e t 网络x 2 5 通信协议时提出了基于用户性能评价问题，这也许是关于计算 机网络q o s 研究的最早文献【1 1 。在早期开放系统互连( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t ，简 称“o s i ”) 协议制定中，也为服务质量的一些参数留有相应的表示手段，但一直空 缺未用f 2 1 。很长一段时间，由于受计算机网络性能所限，人们对q o s 的关注只停留在 数据流传输过程中正确率、吞吐量和延迟等单一性的服务质量评价和控制上f 3 1 。直 至l j 2 0 世纪8 0 年代末期，随着b i s d n 技术以及a t m 交换网的出现和分布式多媒体应用 的急剧增加，人们才开始系统地对q o s 管理和控制进行较为深入的研究。一些实验 性系统也应运而生，具有代表性的如英国兰开斯特大学的q o s a t _ 程1 4 1 、美国哥伦 比亚大学的扩展的集成化参考模型( x r m ) 系统f 5 1 、国际合作项目矾一c 工程f 6 1 、 美国加州伯克利大学的t e n e t 工程【7 1 ，i b m 黑森伯格欧洲网络中心的h e i p r o j e c t - l - 程f 8 】等。 随着因特网( i n t e m e t ) 的不断发展并深入到社会生活的各个角落，对用户来 说，希望网络能提供更优质、有保障的服务；而对网络运营商来说，希望能够优化 网络资源的使用，使网络具有更好的可控和可管理性。因此，计算机网络的q o s 控 制研究引起了广大研究者的重视，而实现q o s 控制也成了下一代因特网的重要特征 之一。 因特网工程任务组( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，简称“i e t f ) 于1 9 9 7 年9 月开始制定有关i p 网络q o s 定义与服务的一系列标准，典型的工作是提出 了两种不同的i p 网q o s 控制模型：综合服务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ，简称“i n t s e r v ”) 模型f 9 】和区分服务( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ，简称“d i f f s e r v ) 模型【1 0 1 。 与此同时，因特网日益膨胀，3 2 位长度的i p v 4 地址面i 晦被耗尽的危机。早 在1 9 9 5 年，i e t f 就开始着手研究开发下一代i p 协议【l l 】，即“i p v 6 ”。i p v 6 除了地址 长度增加到1 2 8 位之外，还对i p v 4 协议的其他方面进行了改进，如增加对主机移动特 上海交通人学博上学位论文 征的支持，对数据报文安全传输支持，并开始对i p n 络q o s 特性提供支持，在i p v 6 包 头域增加了一个2 0 位长度的流标签域【1 1 1 。因此如何有效利用i p v 6 流标签域提高因特 网的q o s 特性，也成为人们关注的问题。 事实上，i p 网络q o s 控制的本质在于资源管理。因此，首选需要确定合理 的q o s 网络模型，然后研究适合对应q o s 网络模型的其他问题。这些问题主要包括两 个方而：一方而需要动态获取网络资源状况，或通过q o s 路由技术平衡网络负载， 实施有效的准入控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) ；另一方面，通过队列调度和队列管理对 网络资源进行有效的分配和控制。 1 2q o s f t c j 定义 q o s 是指服务性能的综合效果，它可以通过服务的各种性能因素的组合来表 示，如服务的适用性、可获得性、可保持性等f 1 2 1 。具体到i p 网络，q o s 是指流或分 组在一个或多个网络传输过程中所表现出各种性能，是对各种性能参数，如服务可 靠性、延时、延时抖动、吞吐量、利用率、分组丢失率等的描述【1 3 1 。在现实生活 中，q o s 的最终判断依据是用户对服务的满意程度，因此q o s 保证的目标是为各种 业务( 包括数据、图像、语音和多媒体业务等) 提供可靠的传输质量。 在网络资源一定的条件下，包括吞吐量、延时和分组丢失率在内的各项q o s 指 标之间一般存在矛盾，对某一个q o s 指标的保证和优化实质上是对以上各个指标的 一种折中( t r a d e o f f ) ，并且对于不同的业务，优化和折中的指标以及侧重是各不 相同的。例如，对多媒体实时业务，延时保证相对于分组丢失率保证更为重要，此 时q o s 保证机制的一个合理选择就是牺牲部分分组丢失率指标以换取较好的延时性 能。 1 3q o s 基本服务模型及其不足 1 3 1 综合服务模式i n t s e r v i i l t s e r v 服务模型是i e t f 在1 9 9 3 年的r f c l 6 3 3 中提出的 9 1 。r f c l 6 3 3 将资源预留协 议( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l ，简称“r s v p ) 1 4 1 作为i n t s e r v 模型的主要信令 协议，其基本思想在于以资源预留方式实现q o s 保障，r s v p 是其核心部分。端点应 用程序利用r s v p 消息向网络提出完成数据传送必须网络资源( 如带宽、缓冲区大小 等) 并进行预留，同时也确定沿传送路径各个结点的传输处理策略，从而实现对每 个业务流的控制。 一2 一 第1 章绪论 图1 1i n t s e r v l 习络模型示意图 f i g 1 1 t h ea r c h i t e c t u r eo fi n t s e r v 在服务层次上，i n t s e r v 提供了3 种级别的业务：端到端的质量保证型服务 ( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) d s l ，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 ) 1 6 1 ，以及尽 力而为的服务( b e s te f f o r ts e r v i c e ) ：在结构层次上，i i l t s e n ，服务模型主要由四个 部分构成：资源预留协议r s v p ，准入控制器( a d m i s s i o nc o n t r o ls e r v e r ) ，分类器 ( c l a s s i f i e r ) ，和分组调度器( p a c k e ts c h e d u l e r ) 。 在具体实现中，如图1 1 所示，i n t s e r v 需要沿途所有路由器在控制路径上处理每 流的控制信令并维护每个流的路径状态和资源预留状态，在数据路径上执行每流的 分类、调度和缓冲区管理。资源预留协议r s v p 负责逐跳建立或拆除每流的资源预 留软状态，也即建立或拆除数据传输路径；准入控制器将决定是否接受一个资源预 留请求，其决策根据是链路和网络结点的资源使用情况以及q o s 请求的具体内容： 分类器则对传输的分组进行识别，分类到对应的传输流。i n t s e r v 常用的分类器是多 域( m u f t i f i e l d ，简称“m f ) 分类器，当路由器接收到数据分组时，它根据数据 分组头部的多个域( 如源i p 地址，目标i p 地址，源端口号，目标端口号，和传输协 议) ，将分组放入相应队列；调度器则根据不同策略对各队列中的分组进行调度转 t 反。 从理论上讲i n t s e r v 模型完全可以为i p 网络提供q o s 保证。但随后的实验和实践表 明这种服务模型有明显局限性，主要表现在i n t s e r v 服务模型存在严重的规模可扩展 性问题，因为它要求端到端路径沿途所有路由器必须保持经过它的每一个单独数据 流( 称“微流 ) 的状态( p e r - f l o ws t a t e ) ，这给核心路由器带来极大的负担。 另外，在i n t s e r v 模型中，要求网络域中所有路由器都必须支持r s v p 协议，具有 准入控制器，分类器，以及调度器。r s v p 中引入的每流状态，是让i p 网络同时扮演 了面向连接网络和面向无连接网络两个不同角色，而这与i p 网络的简化设计原则相 抵触。 由于因特网规模巨大，网络结构复杂，链路状态不确定，基于每一微流进行有 效资源预留和调度是不现实的。因此，要在目前的因特网中，部署i n t s e r v 网络模 一3 一 上海交通入学博士学位论文 型，实现q o s 保证是很困难的。 1 3 2 区分服务模式d i f f s e r v 图l 一2d i f f s e r v 网络模型示意图 f i g 1 - 2 t h ea r c h i t e c t u r eo fd i f f s e r v i e t f 为克服i n t s e 模型缺陷，适应当前因特网以及i p 网络自身的特点，提出 了d i f f s e r v 模型【l0 1 ，图1 2