（计算机系统结构专业论文）基于ngn的qos问题研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = = = = ；= = = = ；= = = = ；= = = = 2 = = = = = = = = = = = = = = 一一： 捅要 ， 随着网络技术的进步和用户对业务需求的不断提升，以软交换为核心的下一代网 络已成为目前网络发展的热点。话音、传真、文本、图像、视频等网络上承载的多媒 体业务日益丰富，多媒体业务成为通信的主流业务，下一代网络对多媒体业务的q o s 要求日益提高，有q o s 保证的多媒体业务将得到快速的发展。 但是，因特网只能提供尽力传送的数据服务方式，在流量、延迟和网络带宽管理 上功能很弱，不适于传输语音、视频等要求q o s 保证的新业务。近几年来，i e t f 在实 现网络对q 0 8 保证方面作了大量的研究工作，提出了多种解决方案，但是这些方案在 路由时没有考虑网络的拥塞状况。仅仅考虑了对用户的q 0 8 保证，可能使得同类数据 流走相同的路径，势必造成某些链路的拥塞。而且仅仅保证用户业务的q o s ，并不一 定能保证网络资源获得较高的利用率。i p 在分析了q o s 控制策略以及实现控制策略的多种q o s 控制技术之后，针对当前 的q o s 路由机制做了详尽的探讨，引入了拥塞度的概念，提出了基于拥塞约束q o s 路由的新路由算法。算法除了保证用户q o s 要求外，还对网络节点的拥塞程度进行分 析，在路由时避开拥塞度高的链路，以调整负载的分布。从网络的能力与负载的关系 曲线可以看出，要使网络资源利用率达到最佳，链路的拥塞度应该保持在某个适度水 平。基于拥塞约束的q o s 路由算法可以通过设置合适的拥塞度来调整用户接通率，并 且使网络的资源分配得到有效的分配。基于拥塞约束的q o s 路由算法为目前的i p 网 络过渡到下代网络提供了一个较好的q o s 路由方案。 关键词：a 凶务质量；q o s 路由；拥塞约束； 工程、 7 7 j 软交换；蔓量f 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一m i = , = = = a b s t r a c t w i t ht h ep r o c e s so fn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h ei n c r e a s eo fu s e rs e r v i c e s ，n e x tg e n e r a t i o n n e t w o r kb a s e do nt h es o f t s w i t c hh a sb ea h o t s p o t i nt h ec u r r e n t d e v e l o p m e n t o fn e t w o r k m u l t i m e d i a s e r v i c e ss u c ha sv o i c e ，f a x t e x t ，i m a g e ，v i d e oa n ds oo nh a v em o r ea n dm o r ed c h e r , a n db e c a m e m a i ne e r v i c e si nt h ec o m m u n i c a t i o n t h er e q u i r e m e n to fq o si nt h em u l t i m e d i as e r v i c e sh a sm o r e a n d m o r e i n c r e a s e d a n d t h e g u a r a n t e e o f q o s o f m u t t i m e d i as e r v i c e s w i l lb er a p i d l y d e v e l o p e d b u t i n t e m e tc a no n l yp r o v i d e rb e s t - e f f o r ts e r v i c e sa n di t sw e a ki nt h em a n a g e m e n to ft r a f f i c ， d e l a ya n db a n d w i d t h s oi t sn o tg o o d t ok a n s f e rt h en e ws e r v i c e sw i t ht h eq o s g u a r a n t e e ds u c ha s v o i c ea n dv i d e oe t c i nt h er e c e n ty e a r s 1 e t fh a se n g a g e di nal o to fr e s e a r c h e si nt h eq o s g u a r a n t e e di nt h en e t w o r ka n dp u tf o r w a r dm a n y s o l u t i o n s b u tt h o s es o l u t i o n sh a v en o tc o n s i d e r e d t h es t a t eo fc o n g e s t i o ni nt h en e t w o r k i f o n l yc o n s 耐e d n gt h eg u a r a n t e e o fq o $ o f s e r v i c e s ，t h es a m e c l a s sd a t af l o ww i l l g oi n t h es a m ew a y , t h e nc o n g e - e u o nw i l lo c c u ri ns o m el i n k m o r e o v e r , o n l y c o n s i d e r i n gt h eg u a r a n t e eo fq o s o fs e r v i c e s ，t h eu t i l i z a t i o no ft h er e s o u r c e si nt h en e t w o r kw i l ln o t p r o b a b i l i t yr e a c hah i g hl e v e l b yt h ea n a l y s i so fq o sc o n t r o lp o l i c ya n dm a n yq o sc o n t r o lt e c h n o l o g i e s an e wa l g o r i t h m c a l l e dq o s r o u t i n ga l g o r i t h mb a s e do nc o n g e s t i o ni sp r o p o s e da n dc o n g e s t i o nd e g r e ei si m p o r t e d b e s i d e st h eg u a r a n t e eo fq o so ft h es e r v i c e s 。t h i sa i g o r i t h ma n a l y z e sc o n g e s t i o nd e g r e eo fe a c h n o d ei nt h en e t w o r ka n da v o i d st h el i n ko fh i g hc o n g e s t i o nd e g r e ei nt h er o u t i n g b a di nt h en e t w o r k w b ea d j u s t e dt oab a l a n c el e v e l f r o mt h eg r a p ho ft h er e l a t i o n s h i po ft h ep o w e ra n dl o a d ，t om a k e t h eu t i l i z a t i o no fr e a s o u c e si nt h en e t w o r kb e s t ，t h ec o n g e s t i o nd e g l e es h o u l db er e t a i n e du pt oa l l a p p r o p r i a t el e v e l q o sr o u u n ga l g o r i t h mb a s e d o nc o n g e s t i o nc a na d j u s tt h ea c c e s so fu s e rb yt h e s e t u p o f c o n g e s u o nd e g r e e a n dm a k et h ea l l o c a t i o no fr e a s o u c e si nt h en e t w o r km o r ee f f e c t i v e i t sa g o o dr o u t i n gs o l u t i o nt ot r a n s r f r o mi pn e t w o r kt on g n k e yw o r d s ：n g n ；q o s ；q o sr o u t i n g ；c o n g e s t i o n - b a s e d ；r a t eo f r e s o u r c eu t i l i z a t i o n ；s o f t s w i t c h ；t e u 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本章介绍了研究课题的背景及意义。分析了当前的用户对业务的要求日益丰富， 且对业务的q o s ( q u a l i t y o fs e r v i c e ) 要- 求日益提高，使得网络运营商要快速的生成新业务， 并且能够保证网络新业务的q o s 要求。这些要求的直接结果促进了当前网络的融合到 下一代网络。下一代网络各种网络结构的各异性更加加剧了实行网络q o s 控制的难 度。最后介绍了研究内容及结构安排。 1 1 下一代网络的发展状况 随着网络技术的飞速发展，各种异构网络的优越性和局限性也随之突出。人们对 网络的利用更加广泛，对网络业务的要求也越来越多。收发e _ m a i l ，v o c ，v o d 等等 大数据量的业务需求日益突出，话音、传真、文本、图像、视频等网络上承载业务的 臼益丰富，使传统公众电话网p s t n ( p u b l i c s w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) 不堪重负。计算机 互联网的兴起，人们传送大数据量的需求得到了满足。由于计算机采用d w d m 技术， 使得在其上传送数据具有成本低、业务易生成的优势。于是，人们除在互联网上传送 数据业务外，也开始尝试传送话音( e pi p 电话) 等传统公众电话网业务。业务的需求要 求计算机互联网公众电话网p s t n 互联互通。这些情况引出了所要考虑的未来网络建 设的问题：如何对待已经进行了巨额投资的传统p s t n ，如何改造p s t n 以适应日益增 加的数据业务量；如何使p s t n 低成本地向基于分组的网络结构演进。实现p s t n 与 分组网的融合等问题。 公众电话网p s t n 采用t d m f r i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术，提供给用户的各项业务 都直接与交换机密切相关，业务和控制都是由交换机来完成的。虽然p s t n 交换机已 经实现了全数字化，但其模拟接入方式、以6 4 k b p s 电路交换为基础的结构在很大程度 上限制了p s t n 上服务的提供。每个用户的话音信号在6 4 k b p s 的信道上传输，虽然保 证了话音质量，但信道利用率低，且交换机需要提供的功能和交换机提供的新业务都 需要在每个交换结点来完成。在传统基于电路交换的公众电话网p s t n 中，采用依靠 交换机和信令提供业务的方式，必须在交换机的技术标准和交换机的信令标准中对开 放的每项业务进行详细规范。如要增加新业务，首先需修订标准再对交换机进行改造， 华中科技失学硕士擎位论文 每提供一顼新监务都需要较长的罾尊阔蹋期。 为满髭用户对新娩务的需求，黼络中国现了公共的监务平台，帮智能网i n ( i n t e l l i g e n t n e r o , ) 。智能网的出现，实现了呼叫连接和渡务提供的分离。这样，交换机完成呼 叫连接，智能网完成业务的提供。智能网将呼叫连接和业务提供相分离，即将网络的 承载部分与控制部分楣分离，极大地提高了网络提供业务的能力，缩短了新业务提供 的周期。但随着薪业务的增加和数据业务鬃的猛增，需要网络能够迅速有效地提供新 的业务。但智能网i n 其网终结构复杂，部署周期长，无法满足用户的器浆。电信运 营嚣邋切鼹要找到一秘甄能迅速实现又能带来巨大收豢的新技术 l 。 溷越如侮灵滋、鸯效她嫠现纛豹姻州与分缎交换网实现盏逶，蹶裂擎潺她肉分 缀闲过渡，节省逶营成本鞠投资成为鼷终运营巍一令藁要课瑟。摇何在这种分毒、异 构、融合环境下建立薪一代智能掰络瑟胬公众豹、舞放静多鼗务支撑瓣络，快速 有效地提供丰富、商质量和个性能莳踌随泣务，并且健成猿立监务运营商和猿立韭务 提供商的形成，已成为网络技术发展中极其关键的问题。关于怎样实现融含互通的问 题，业界提出了很多解决方案，c a l ls e r v e r 、c a l la g e n t 、s o t t s w i t c h 、m e d i ac o n t r o l l e r 、下 一代交换机等等，虽然说法各异，但都是为了实现相同的茸的：以分组为基础，建设 下一代公众网络烈g n ，n e x t g e n e r a t i o nn e t w o r k ) ，实现p s t n 、c a t v 、分组交换网的融合： 魄信魁( 包揍p s 俐秘p l m n ) 颞测乎滑地良分组题( i p a t m ) 过渡，节赣运营成本和投 炎；裁选其鸯竞争性瓣薪特援移瑟韭务，获愿薮黪收入粱遴。在众多教解决方案中， 疆软交换为核心鹃下一代阙终懿解决方案邑裁必麓兴运营饔的共谈。 尽管通信两络获电舔交接商潋软交换为核心静下一代瘸络演迸邑戚炎不争豹共 识，但对通信设备厂商和通信运蓠商来说，如何徽好堍解决现有两络的无缝融合秘平 滑演进却是首先面对的问题。软交换的基本含义就是把呼明控俸功能获媒体网关涤输 层冲分离出来，通过服务器或网元上的软件实现基本呼叫控制功能，分组禽呼叫选路、 蟹理控制、连接掇制( 建立会话、拆除会话) 、信令互遇【如从s s 7 到l p ) 1 1 1 。其结果就是 把呼叫传输与呼叫控制分离开，为控制、交换和软件w 编程功能建立分离的平面，使 般务提供者可以爨由地将传簸业务与控制撼议结念起来，实现业务转穆。其中更重要 豹是，较交换采髑了舞教式纛瘸黼接n ( a p d ，允诲在交换枧制中灵嬷弓l 入赣业务 潋s o f t s w i t c h 为核心静架构偌签7 先进豹嬲络设谤愚想窝掰终建设豹成熟经验，它 2 华中辩技大学硕士学位论文 的主要特征就是通过提供个分层的、开放的、可靠的、扩展性蘸好的网络结构，使 得业务的提供能真正蛾独立于网络的运营，从而可以灵活、快速地提供各种新业务。 作为网络控制核心的s o t t s w i t c h ，它本身是一个汗放的、标准化的软件系统，能够在开 放计算平台上执行分布式通信功能，并具有传统t d m 电话交换机的功能。s o f t s w i t c h 能够会成话音、数据和视频，在此基础上提供综合网络业务。s o f t s w i t c h 支持传统的交 换协议艘】s s 7 ) 。网时，通过在不周协议之间进行翻译例如无线和有线系统之间完成 不同类型网终浆互通。s o f t s w i t c h 优化黔网络结构，篾他7 网络的复客 燃，在实施下一 代网络豹建设中，苓霖要瓣暴来豹瓣终结构进学破坏性改造，蹰终躲演进霹以照力嚣 襻，蘸点及瑟，平滑避渡。郢使将来壤麓全薪设备， 熟只鬻在软传实体串撼热相应瓣 协议就可黻了，弁级换代容易。基手分组交换技术静数据掰静发展及冀带宽豹迅速增 大为数搭黼传递各种蜜时迎务提供了可能。这其中话音鼗务楚爵髓入们最主簧静需 求。协议的开放性以及分组网传输的统计复用的特性，使基于分组两的话音业务与传 统的p s t n 相比有着成本低、配置灵活、更易于引进新业务等优势。软交换采取分布 交换、分布业务智能、集中网络智能的体系结构，智能集中于网络，接入设备( 媒体两 关只完成最基本的语皆压缩编码等功能。 从发展豹焦度来爨，n g n 是从传统电路交换的p s t n 网络逐渐迈囱分组交抉的 1 p a t m 题络豹，它将承载叛有p s t n 嬲络豹所骞业务，网对把大量的数据传输业务卸 载到i p a t m 瓣络誊戬减轻黠p s t n 瓣终戆蒸蕊，戳沪技术黪灵活性及舞放牲增添了许 多新羹监务。扶这个索爻童讲，n g n 是基- ti d m 熬p s t n 语音溜络察基子i p a t m 瓣分 组网络融合的产物，它使得在新一代两络t 语音、裙额、羧据等综合戴务绒蔻了胃髓 【1 j 。 n g n 业务的发展是一个渐进的过程，它的推动力主要是市场需求和科学技术的发 展。在n g n 网络建设的初期，它能提供的业务主要是基于分组话音和简单的无( ：l o s 保证的多媒体业务；随着n g n 网络的发展，多媒体成为通信的主流业务，对多媒体 业务的q o s 要求也丑慧提高，有q 。s 傈诞的多媒体业务将得剡快速的发展；在n g n 逐步宠善嚣，由予其标准性、舞敖性的特点，第三方业务提供亵将会绘网络提供丰富 的整务，其牵个性佬、虚叛纯鹣数务将爆炸技她增长，羁越逶售鞠贸爨、自动控铡、 教学、医疗酌结合氆会更勰紧密，逶信成为人稍王俸生活不霉缺少豹部分e 3 华中科技大学硕士攀位论文 2 8 。2 2 2 。竺号2 警鼍号。= = = ；= = 自= = 目= = # = = = ：目= 一 n g n 其有三大特征# 翻： 首先，下一代网络采用开放的阿络构架体系。将传统交换梳的功能模块分离成独 立的网络构件，各个构件可按相应的功能划分，各自独立发展。构件间的协议接口基 于相应的标准，使得原有的网络逐步走向歼放，运营商可以根据业务的需要，自由组 合各郝分驹功能产品来组建网络，实现各种异构网的甄通。构件化的结构更具有弹性， 便于务个构l 牛的独立发展、扩容和升级。 第二，下一代网络是渡务驱动豹网络。通过业务岛呼h q 控制分离以及呼叫控制与 承载分离实蕊褶黠独巍豹娃务体系，使业务真忑独立予网络，灵遗有效地实现业务的 撬侠。用户哥戬翻行配置和定义巍己瓣业务特征，不必关，豁承竣业务熬魍终形妓以及 终端类螫，使得邋务和应稽鹣撵供有较大豹灵活梭，扶瑟满是用户不断发攫更凝静业 务需求。也使得随络其有可持续发展的艟力j 辩竞争力。 第三，下一代网络是基予统协议的、基于分组的网络。现有酶信怠阚络，无论 是电信网、计算机网和有线电视网不w 能以其中莱一网络为基础平台来生长信崽基磕 设施。但近几年髓着l 户的发展，才使人们真藏认识到电信网络、计算机网络及有线电 视网络烤最终汇集到统一的i p 网络，即人们通常所说的。三网。融合大趋势。i p 协议使 褥各转以妒为基础豹业务都戆在不尉的网上实现点通，人类蓠次具有了统一的、为三 大圈都裁接受豹遁信协议，铁技拳上为n i l ( n a t i o n a li n f o r m a t i o ni n f r a s b u c t u r e ，国家信息基 稻设施 獒定了最垫安静基础。 莓前互联网配发展戚舞全球的倍惠溺络，其撬攘期用户数量莰次子电话羽 p 甜n ) 和有线电视两。从其发展的过程来看，互联礴有许多方瑟与梅憨中懿g i l ( g l o b a l i n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ，全球信意基础设施1 有着僚入的相钕之处，如覆盖全球、全方 位命名、全方位服务、开放型系统、可支持视频、音频多种鼗务蒋。而这磐方面徐恰 是p s t n 所固有的缺陷( 除了覆盖全球之外) ，因此奠联网的快速发展既给我们带来了机 遇，又使我们面临严重的挑战。专家预测互联网的未来发展必然会促使行业之间的互 相渗透、重缝和麓生，曩联嬲在社会灼缀济发展中将起至0 越来越麓要的作用。 1 。2 软交换解决方案 软交换( s o f t h ) 核心悉惩是硬件软件纯，逶过软件豹方式来实现糕来媒体弼关中 4 华中科技大学硕士学位论文 静控制、接续和鼗务处理簿功能。简攀墙说s o f t s w i t c h 是实现传统交换视的4 呼日q 控制” 功能的实体 1 1 。在传统的t d m 时分复阐电路交换网中，呼叫控制、业务提供和交换矩 阵均集中在一个交换系统中，不同的业务所需要的呼叫控制功能不同。而软交换的主 要设计思想，是将业舞、控制与传送、接入这些交换机的旗本部件完全分离开来，各 实体间通过标准协议进行连接和通信，能够更灵活、更方便地提供业务和更快地实现 嚣类复杂的协议。即软交换是基予软件的分布式交换控制平台，它将孵叫控制功能从 媒体阚关巾分离出来，从褥可以方便她在阚上弓i 入多釉靳兴的妲务。传统的交换机向 软交换鸵功能淡交如鞠 。 示期： 囊 传统交接椒离软交换熬演变过程 软交换系统蘸袄交换控铡设备、娃务设备、僖令掰关、媒体网关、簪裁终端、a 矗盎 服务器、大容量分布式数据库和策略黻务器等附精设备缀成稀。软交换的备种主要应 用方案以及各个设备之间遵循的协议如图1 2 所示辩： t 如图1 2 示，n g n 的体系结构可分为四层：蛾务朦、控制层、骨干层、接入层。 s o f t s w i t c h 技术区别于其它技术的最显著特征，也是其核心思想的三个基本要素是： 1 业务生成接口脚 她务层鄹$ o f t s w i t o h 配会，提供各葶申新业务，并提供业务计赞、用户认证和网管控 制功能。其敦务提供弱方式套3 穆； ( ) 基本敦务蠢s o f t s w i t c h 控刳没冬塞接提供；s o f t s w i t c h 完成熬就是孵叫控制功 能和萋本的敛务提供功能。 华中科技大学硕士学位论文 = 2 ；= ；= = = = = = ；= = = = = ( 2 ) s c p 互通方式：为平滑过渡和利用已有资源，s o f t s w i t c h 可作为虚拟 图1 2 面向n g n 的软交换解决方案 s s p ( s e r v i c es w i t c hp o i n t ) 使用，通过i n a p 接口与原有s c p ( s e r v i c ec o n t r o lp o i n t ) 互通，实现 智能业务提供； ( 3 ) 服务器方式：设置a p p l i c a t i o ns e r v e r ，通过开放的a p i 接口( 如p a r l a y ，j a i n 等) 与s o f l s w i t c h 控制设备交互，完成新业务的提供和生成。同时也可以根据用户的需 要提供传统业务。 2 综合的设备接入能力 s o f t s w i t c h 面对的是传统的多种网络类型：p s t n ，p l m n ，s s 7 支撑网络，l p 胪i t m 接 6 华中科技大学硕士学位论文 ；= = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = 一= 入网络等。对应的设备更是种类繁多：固定电话，f a x ，移动电话，p c 机等等。而且 各厂商生产的产品规格型号各异。要将他们统一连接起来，需要提供综合的设备接入 能力以及为了设备的可扩充性必须支持设备间遵循的标准协议。s o f l s w i t c h 提供了各种 综合接入设备l a d ( i n t e g r a t i v e a c c e s sd e v i c e ) ：中继网关t g w 、信令网关s g w 、无线接入 网关w g w 等，s o f t s w i t c h 支持众多的协议，如h 3 2 3 、s i p ( s e s s i o ni n i t i a lp r o t o c 0 1 ) 、i n a p 等等，以便对各种各样的接入设备进行控制，最大限度地保护用户投资并充分发挥现 有通信网络的作用。 3 策略的运行支持系统。 传统的网络管理以静态管理为主，网管操作通常须由操作员人工进行，管理无实 时性，对于大型网络很难有实时反应。s o f t s w i t c h 则采用了基于策略( p o l i c y - b a s e d ) 的实现 方式来完成运行支持系统的功能，主要实现话务拥塞控制、业务质量控制、路由动态 调整、故障管理恢复、告警管理等功能。通过p o l i c ys e r v e r 实现集中维护管理，根据 预先定制的策略，综合全网因素，自动进行网络管理和操作，且管理策略可编程定制， 具有较大的灵活性。 软交换设备是多种逻辑功能实体的集合，提供综合业务的呼叫控制、连接以及部 分业务功能，是下一代网络中语音、数据、视频业务呼叫、控制、业务提供的核心设 备，也是目前公众交换网向分组网演进的主要设备之一。其主要功能包括呼叫控制功 能、业务交换功能、协议功能、互通功能、资源管理功能、计费功能、认证与授权功 能、地址解析功能、语音处理功能、网管功能【7 】。 由上可见，使用软交换技术组成新一代网络结构的优点是：不受设备提供商的限 制，实现多厂家的网络运营环境；可以快速方便地在网上引入多种业务；网络扩展安 全、灵活和方便 e l ； 1 3 下一代网络的q o s 问题 q o s 主要为用户业务提供端到端的服务质量保证。从技术角度来看，是指网络系 统各种性能尺度的综合，主要包括带宽( b a n d w i d t h ) 、时延( l a t e n c y ) 、抖动( j i t t e r ) 和丢包率 ( p a c k e tl o s s ) 等参数。q o s 保证即对带宽、时延、抖动以及丢分组率等参数的保证捌。 各个参数意义如下1 1 0 ： 7 华中科技大学硕士学位论文 1 带宽：指用户在单位时间内能够向网络传送数据分组的大小。 2 时延：指分组自信源发出到达目的节点的时间间隔。 3 抖动：指分组到达目的节点时延的时间差异。因i n t e m e t 的数据传送是面向 无连接的分组交换，每个数据分组从源端到目的端的路由不同，同时网络的状况也 在随时变化，因此出现抖动的可能性非常大。 4 丢分组率：指在网络中传输分组时所允许的丢弃分组的比率，分组丢失一 般是由网络拥塞引起的。 具体业务不同，对q o s 各项指标的要求也不一样，见表1 1 。文件传输业务要求 传输速率高且分组丢失低，但对时延和抖动不是太敏感；活动视频会议业务不仅要 求传输速率高，而且对时延和抖动也很敏感。根据对服务质量的要求，可以将各种业 务粗略地划分为以下三类嘲： 表1 1 网络业务类型及其敏感性 业务类型敏感性 带宽丢分组率时延抖动 语音微 由 大大 电子商务小大大小 事务小大大小 电子邮件 小大小小 t e l n e t小大 由 小 偶尔浏览小 中中小 连续浏览中大大小 文件传输 大中小小 视频会议大 中大大 多播大大 大大 1 弹性业务。这类业务对端到端的传输时延没有要求，如电子邮件、文件传 输等。 2 适应性业务。这类业务能根据网络性能的变化调节服务质量和发送速率， 8 华中科技大学硕士学位论文 但超过一定界限后服务质量会劣化直至无法忍受，如i p 电话、r e a lp l a y 、w e b 浏览 等。 3 关键业务。这类业务要求有严格的对端到端时延保证，一旦失去时延保证， 服务质量将迅速下降，例如视频会议、多播等。 n g n 对多媒体业务的q o s 要求e l 益提高，有q o s 保证的多媒体业务将得到快速 的发展。从应用角度来看，对q o s 的保证必须一系列措施的q o s 控制技术。q o s 控制 主要包括信息传输的实时性和信息丢失的管理控制等问题。因特网的q o s 控制从其发 展过程来看，可以划分为尽力q o s 控制、相对q o s 控制、绝对q o s 控制三个阶段嘲。 1 尽力q o s 控制。早期的因特网传输是尽力q o s ( b e s t e f f o r tq o s ) 。路由器对任 何i p 数据分组的通过速率、丢失和时延都不作任何保证，关键原因是路由器对所有 数据分组都一视同仁，不管是实时的语音呼叫还是普通的文件传输。这种尽力而为 机制不昭有效地支持语音传输等实时性业务。 2 相对( m s 控制。相对( m s ( r e l a t i v e q o s ) 的控制机制在i p 报头中使用了t o s ( t y p e o f s e r v i c e ，简称t o s ) a p 服务类型字节。该字节用来表示分组的时延优先级和丢失优 先级。当前的网络设备已经可以支持优先排队和拥塞控制机制。相对( m s 与尽力q o s 相比是一大进步，它能够在一个管理良好的f p 网上达到较好的v o l p 质量。但是，为 了控制语音传输，在各个骨干网上都需要增加许多网络设备和操作。 3 绝对q o s 控制。绝对q o s f a 呐l 【培j y q o s ) 控制建立在相对q o s 控制基础之上， 要求有足够的带宽来控制时延和抖动。大容量光纤的建设大大加快了网络宽带化进 程。绝对c i o s 控制对于因特网上的关键业务来说是不可缺少的。三种q o s 控制及其 支持的业务对比如表1 2 所示： 表1 2 三种q o s 机制及其业务 q d s 机制带宽保证时延保证支持业务 尽力q o s没有没有弹性业务 相对( m s较难较难适应性业务 绝对( m s可以可以关键业务 但是目前的网络使用的q o s 控制技术还不够完善，主要存在以下问题【 1 l ： 1 网络系统状态和链路带宽容量变化的不确定性，使得传输通路的端到端带 9 华中科技大学硕士学位论文 宽预留缺乏有效的保证。 2 q o s 选路、资源预留和信息传输调度算法的复杂性，还不能适应高速信息传 输处理时间的要求。 3 q o s 要求所导致的资源利用的无效性导致不能充分利用网络资源提高网络 的吞吐量。 4 q o s 控制方案基本上是静态方案，缺乏有效地动态控制方案来捕捉网络拓扑 结构的变化。 5 一些基本研究成主要存在于理论中，没有形成专利技术和成熟的技术产品。 早期的因特网只能提供尽力传送( b e s te f f o r t ) 的数据转发方式，在流量、延迟和网 络带宽管理上功能很弱，因此，不适于传输语音、视频等对时延敏感而要求一定q o s 保证的新业务。有很多应用如视频会议v o c 等对延迟、抖动、传输质量等有特别的要 求，目前的分组交换技术来说却无法办到。由于网络中缺乏有效的流量管理手段，网 络经常会发生拥塞，这些拥塞是很难控制的。因此，解决j p 网络对q o s 的保证是下 一代网络技术应用和发展的关键。 1 4 本课题研究内容 随着用户对话音、传真、文本、图像、视频等网络上承载业务的需求日益丰富， 对业务的q o s 要求也越来越高，下一代网络n g n 要求能承载多种q o s 保证的业务、 采用开放的体系结构、网络结构灵活并易于扩充。但是目前网络对q o s 控制技术还很 不完善，存在不少问题。下一代网络是基于统一协议的、基于分组的网络。分组转发 模式在流量和网络带宽管理上功能很弱，网络经常会发生拥塞，而这些拥塞也是网络 管理者很难控制的。因此解决n g n 对q o s 的支持是n g n 技术发展的关键。 据此，计算机学院网络与信息系统实验室对n g n 的q o s 问题进行了较深入的研 究。并且在开发新业务领域，同华为技术有限公司进行了智能网业务仿真平台的项目 合作开发。在下一代网络领域，一直致力于n g n 的关键技术及其a o s 问题的研究工 作。本文将主要针对当前n g n 的q o s 现状，分析了实现q o s 控制的各种技术：接纳 控制、信源整形、( 1 0 s 选路和资源预留、基于q o s 的传输调度和缓冲区管理算法、综 合服务网的q o s 控制等。深入地剖析了i e t f 已经提出的来满足各种q o s 的需求的多 1 0 华中科技大学硕士学位论文 种服务体系和模型：集成服务，资源预留i n t - s e r v r s v pf i n t e g r a t e ds e r v i c e s r e s o u i c e r e s e r v a t i o n p r o t o c 0 1 ) 、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 d s e r v i c e s ) 、多协议标签交换协议m p l s ( 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 ) 、流量工程t e ( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 和约束路由c b rf c o n s t r a i n t - b a s e dr o u t i n g ) 、子网带宽管理s b m ( s u b n e tb a n d w i d t hm a n a g e o 。这些模型利用了多种q o s 控制技术从网络的各层对业务的q o s 进行控制。最后介绍了传统的路由机制，分析了 其中存在的问题。针对这些问题，提出了一种基于拥塞约束的q o s 路由机制。引入了 拥塞因子来引导用户流在网络中传输时在网络性能和传输数据流所付代价来做一个 权衡。有利于网络资源的优化以及拥塞避免。 1 5 本文结构安排 本文从现有q o s 存在的问题入手，分析了当前网络中q o s 控制的关键技术，着 重阐述了接纳控制和流量整形、q o s 路由、基于q o s 的分组调度策略以及缓冲区的调 度算法。然后分析了i e t f 对已有对q o s 控制技术进行应用的服务模型：综合服务模 型和区分服务模型。最后分析了i e t f 提出应用的骨干网的交换技术m p l s 。这些技术 从o s i 的网络模型的各个层进行q o s 控制。 第一章主要分析了当前的用户对业务的要求日益丰富，且对业务的q o s 要求日益 提高，使得网络运营商要快速的生成新业务，并且能够保证网络新业务的q o s 要求。 这些要求的直接结果促进了当前网络的融合到下一代网络。下一代网络各种网络结构 的各异性更加加剧了实行网络q o s 控制的难度。 第二章主要分析了n g n 的q o s 控制策略以及对实现策略的q o s 控制技术进行回 顾，指出了目前对数据流的q o s 控制的方法。接纳控制和流量整形主要在数据流要在 网络中进行传输开始对数据流进行q o s 参数分析，如果网络资源能够满足用户数据流 的传输特性，并且流速达到网络传输要求，则允许用户接入，否则阻止。进入了网络 的数据流在传输过程中可能存在多条路径到达目的端，于是存在q o s 路由问题。当数 据流在q o s 路由路径上的某个网络节点需要等待链路空闲时，为了该数据流的q o s 保证，需要提供一系列策略来进行队列调度，如果网络拥塞则需要丢弃该数据分组。 第三章主要剖析了i e t f 已经提出的来满足各种q o s 的需求的多种服务体系和模 型：集成服务资源预留、区分服务、多协议标签交换协议、流量工程和约束路由、子 华中科技大学硕士学位论文 黼带宽管理。这臻模挺莉甭了多稀q o s 狡箭技术秩网络的各层对泣务的q o s 进行控 制。最后分析了这些模型共同完成对用户业务的q o s 保证的可行性以及优缺点。 第四章主要介绍了现在的q o s 路由机制中存在的问鼷。针对这些问题，提出了一 种基于拥塞约束的q o s 路由算法。算法引入了拥塞度来度璧链路的拥塞程度，在保证 用户q o s 要求的基础上，对网络节点的拥塞穰度进行分析，避开拥塞度高的链路，调 熬负载的分露。从鄹络的能力与负载的关系敲线砸以蠢出，要使网络资源利用宰达到 最佳，链鼹鳇拥塞度疲该保持在某个造度水警。基于搠塞约束的q o s 黢由算法可以通 j 建设鬟合逶懿拥寨度来调整弱声接逶率，并晟使鹅终瓣资澡利用攀迭鎏l 最佳。 第聂章对全文傲了一个惑结，并羹指疆基于拥塞约束豹q o $ 路由机制戆不是和嚣 继未尽的工件。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 q o s 控制策略 本章主要分析了n g n 的q o s 控制策略以及对实现策略的q o s 控制技术进行探讨， 指出了目前对数据流的q o s 控制的方法。当数据流要在网络中汗始传输时，接纳控制 和流量整形对数据流进行q o s 参数分析，如果网络资源能够满足用户数据流的传输特 性，并且流速达到网终传输要求，则允许用户接入，否则阻止。进入网络的数据流在 传竣过程巾可瞧存在多条鼹经到达目的端，于是存在q o s 踌由闯题。当数据流在q o s 路出路径上鳇菜令网终苇点爨簧等待链鼹窆耀慰，为了数撰滚的q o s 像涯，嚣要提供 一系列策珞来遴撑驮列 | 睡度，妇采嚣绦翔塞剩嚣要丢弃数据分组。 2 1q o s 控制策略基本思想 农现实的阿络环境中，各个分组的转发点可能采餍不蔺的q o s 保诞技术，数摇流 的分类规则、优先级设置规则也不尽相同。这些问题导致无法为一个应用提供端到端 的q o s 。所以就要对网络进行策略控制。策略控制是指在掌握网络中蛾务和设备的运 行状态的基础上，通过一定的策略自动地对网络的带宽和访闯进行管理。 q o s 镱略控制基本实现恩想：当月户使用q o s 保诞要求的新业务时，希望业务端 裂端豹延迟、丢失率、誊 动等性能指标处于一定熬里。因为网络资源总是蠢限瓣，艨 爨霜终蒡笼罴簧摄据一定| l 孽策赡采决定是雾黪够接绒用户豹抟埝分组。热果现有静翘 络资源能够满足当蘸臻产分缀豹q o s 簧求，刘接纳它，否鬟| l 拒绝。然鼷根据传辍分组 的信意来决定该分组耩予鄢类数器流，不间类燮静数据流对应静簸务等级是不阕豹， 并且癸求使用一种认证方法来确认用户，黻诧来决定数据流获得储种服务锌级。当服 务等级确定后，网络就会按照q o s 参数来对数据流进行q o s 路由、缓冲隧调度、排 队控制，以满足数据流对服务质羹的疆求【1 2 j 。 因此在设计q o s 策略控制的时候，就需簧设计一个策略控制器和策略访问控制 嚣，它们根据定的锻略( 这些策略可艟是由网络管理员手动添加的，也可能是根据网 络滚鬟豹统诗自动产生豹分别确定哪些髑户霹以访阏资源以及网终资源是否足够潢 是臻声器求。离露，策略控枣l 器述应该能够对数掇滚进行分类帮撂记数据流，从露达 掰区分不间数据滚静精静。并置，这蹙策碚霉潋遗蓬莱种瓣络逶僚揍议黄送到各个受 1 3 华中科技大学硕士学位论文 控的网络设备，让它们根据策略完成自身资源的分配和使用。 2 2 q o s 控制策略结构模型 根据i e t f 的策略工作组制定的协议草案，策略控制系统包括四个部分：策略管理 工具p m t ( p o l i c ym a n a g e m e n tt 0 0 1 ) ，目录服务器d s ( d i r e c t o r ys e r v e r ) ，策略决策者p d p ( p o l i c yd e c i s i o np o i n t ) 以及策略执行者p e p ( p o l i c ye n f o r c e m e n tp o i n t ) 。其结构模型如图2 1 所示。p m t 提供一个图形化管理界面。网络管理员通过p m t 对策略进行增加、修改以 及删除操作。p m t 把管理员定义的策略转换为高度抽象的策略对象，同时也要将这些 对象存储在d s 上，并在需要的时候把策略对象传送给p d p 。d s 是策略信息的中心存 储数据库。p d p 进一步把策略对象转换成受控设备的配置，并将之传送给p e p 。在事 件的触发下，p d p 可以重新从d s 中获取相同的策略对象。同时，p d p 还要对策略进 行有效性判定，冲突检测，更正等操作。p e p 根据p d p 提供的信息重新配置受控网络 设备【1 2 】。 图2 1q o s 控制策略结构模型示意图 图2 1 涉及了两个协议一d a p 和c o p s 。轻量级目录存取协议l d a p ( u g h t w e i g h t d i r e c t o r ya c c e s sp r o t o c 0 1 ) 遵循x 5 0 0 协议的数据模式，实现p m t 和p d p 对d s 中策略数 据的存取。公共开放策略服务c o p s ( c o m m o no p e np o l i c ys e r v i c e ) 在p d p 和p e p 之间采 用t c p 连接交换策略请求和决定 1 3 1 1 q 。一般说来，p m t 和p d p 是运行在一台专用的服 务器上，而p e p 作为一个策略服务代理运行在网络设备( 如交换机、路由器) 上，它接 受来自于p d p 的策略规则，并把这些规则转换为网络设备的配置( 通常是s n m p 中的 s e t 命令) 。策略控制模型不但要控制网络设备还要控制服务器。在这种结构下，当服 务器过载，p d p 根据一定的算法，采取一定的策略( 比如，调整当前优先级别、改变排 队算法等) 缓解服务器的负担，从而为客户提供有保障的服务。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 3 q o s 策略控制技术 在策略控制q o