（计算机系统结构专业论文）多驱动mpls在ip+qos中的应用.pdf

浙江大掌硕士掌位论文 多驱动m p l s 在i p q o s 中的应用 摘要 进入二_ 一l 址纪，随着现代社会的信息化程度越来越深入，i n t e m e t 的规模不 断增大，各种各样的网络服务争扪涌现，尤其是先进的多媒体系统层出不穷。实 时业务的出现，对网络服务质量提出了很高的要求。作为互联阐基础的t c p i p v 4 网络协议，在过去的应用中取得了巨大的成功，但是| j 于在设计时并没有考虑服 务质量因素，在新的应用中日益体现出其不足之处。 针对这一问题，目前已经有了很多解决r p q o s 的方案，其中比较有代表性的 理论是i n t s e f v d i f f s e r v 和m p l s 三种。这三种方案都有其独到之处，但也都存 在定的缺点和不足。本文在对这三种体系机构进行深入分析的基础上，总结三 者设计思想上的优越之处提出了一个用多驱动的m p l s 架构替代原有的网络路 由机制，来解决i p 网络的服务质量问题。 本文的第一章中分析了飞速发展的互联网对服务质量的要求和传统p 网络 运行架构之间的矛盾，并由此引出q o s 的概念。 第二章中简单介绍了i n t s e r v 和d i f f s e r v 两种比较成熟的pq o s 服务模型， 并对它们的优缺点进行横向比较。 第三章中先介绍了m p l s 协议的原理和工作机制，分析了它在实现q o s 上 的优势，描述了m p l sq o s 在i p 网络中应用的美好前景。最后指出m p l s 在q o s 应用中的不足之处，提出m p l s 必须同mq o s 服务模型相结合。 第四章中介绍了一些相关的q o s 理论：流量工程和q o s 路由。 第五章中以m p l s 为框架，以i n t s e r v 和d i f f s e r v 的模型中比较先进的思想 为辅助，提出一种新的混合式的i pq o s 服务模型，并着重分析了模型的设计思 想和体系结构。之后把这一q o s 服务模型展开，分别阐述了 【p l s 如何同d i 嬲c 的集成m p l s 如何同q o s 约束路由的集成以及m p l s 同轻量级r s v p 的接口 等。 最后一章中总结全文。指出系统中还需要继续完善的地方，以及对末来的展 望。 关键词：服务质量、多协议标签交换、综合服务、区分服务、流量工程 油托工大学硕士学位论文 多驱动m p l s 在i p q o s 中的应用 a b s t r a c t i nt h e2ls t c e n t u r y a l o n g w i t ht h em o d e m s o c i e t y b e c o m e st ob e i n f o r m a t i o n - b a s e dm o r ea n dm o r e ，t h es c o p eo fi n t e r a c ta u g m e n t sc o n t i n u o u s l y , a l l k i n d so fn e t w o r ks e r v i c e sc o m ef o r t ho n eb y eo n e ，e s p e c i a l l ya d v a n c e dm u l t i m e d i a s y s t e m se m e r g ei ne n d l e s s l yt h ea p p e a r a n c e o ft h en e t w o r kr e a l - t i m es e r v i c eb r o u g h t f o r w a r dh i g hd e m a n d so f q u a l i t yo f s e r v i c eq u at h ef o u n d a t i o no fi n t e r n e t ，t p c i p v 4 n e t w o r kp r o t o c o lh a ss u c c e e d e dm u c hi nt h ep a s t ；b u td u et ot h el a c ko fc o n s i d c m t i o n o f q o sw h e n i tw a sd e s i g n e d ，i t ss h o r f a g eb e c o m ei n c r e a s i n g l yo b v i o u s t os o l v et h ep r o b l e m ，m a n yb l u ep r i n t so fi pq o sh a v eb e e nb r o u g h tf o r w a r da t p r e s e n t ，a m o n gw h i c h t h e r ea r ct h r e er e p r e s e n t a t i o n a lt h e o r i e s ：i n t s e r v , d i f l s e r va n d m p l s e a c ho f t h e mh a ss o m es p e c i a le x c e l l e n tp o i n t s ，a n da l s oh a ss o m e l i m i t a t i o n s b a s e do nl u c u b r a t i n go ft h e s et h r e et h e o r i e s ，t h et h e s i sm a k e s o u ta s y s t e m t h a tu s i n g m u l t i d r i v e nm p l si n s t e a do fi n t r i n s i cr o u t i n gm e c h a n i s mt os o l v et h eq o sp r o b l e m i n 口n e t w o r k i nc h a p t e r1 ，w ea n a l y z et h ec o n f l i c tb e t w e e nt h eq u a l i t yo fs e r v i c en e e d e db y f a s t d e v e l o p i n gi n t e m e t a n dt h ea r c h i t e c t u r eo f t r a d i t i o n a l 口n e t w o r k a n dt h e ni m p o r t t h ec o n c e p t i o no f q o s i nc h a p t e r2 ，w em a i n l yi n t r o d u c et w o 、臻u ；f o u n di pq o sm o d e l s ：t h ei n t s e r v a n dt h ed i f f s e r v a n dd os o m et r a n s v e r s eb o m p a m i v ew o r k so n t h e i ra d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g e i nc h a p t e r3 w ei n t r o d u c et h et h e o r ya n dm e c h a n i s mo fm p l s p r o t o c o la tr u 葛t , a n a l y z ei t sa d v a n t a g ef o rq o s ；t h e na n a l y z et h ed i s a d v a n t a g eo f m p l s ，c o m et oa c o n c l u s i o nt h a tm p l s q o ss y s t e mm u s t b ec o m b i n e dw i l l ai pq o s s y s t e m i nc h a p t e r 4 ，w ei n t r o d u c es o m ec o r r e l a t i v eq o st h e o r y , s u c h a sq o s r o u t i n ga n d t r a f f ce n g i r i c e r i nc h a p t e r5 ，w ee x p a t i a t ean e w m i x e da r c h i t e c t u r eo f 碑q o sm o d e l , w h i c hu s e s m p l sa si t sm a i nb o d ya n du s e st h ea d v a n c e di d e a so fi n t s e r v d i f f s e r v 鹤i t s a s s i s t a n t m a i n l yf o c u so nt h ei d e ai nd e s i g na n d t h ea r c h i t e c t u r eo f t h em o d e l t h e n , w et a l ka b o u tt h ei n s i d ed e t a i l so ft h i sn e wq o sm o d e l ，d e s c r i b et h ei n t e r f a c e s b e t w e e nm 睁l sa n d p r e l a t er s v p , b e t w e e n m p l sa n dq o sm u t i n g , b e t w e e nm p l s a n dd 词湛e l v , a n ds oo n i nt h el a s tc h a p t e r ，w ec o n c l u d et h et h e s i s ；g i v eo u tt h ep a r tt h a tn e e d sp e r f e c ta n d t h ee x p e c t a t i o no ff u t u r e k e y w o r d s ：q u a l i t yo f s e r v i c e , m p l s , d i f f s e r v , h a t s e r v , t r a f f i ce n g i n e e r 3 竺兰查竺竺查竺竺兰苎 兰兰兰! 竺兰! 壅堡q 旦璺! 竺垒里 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 互联网飞速发展对网络服务提出高要求 互联网发展速度日新月异，从1 9 8 3 年开始被酱遍使用到现在，短短二十年 时间，它已经从一个专用的低速数据通信网络迅速发展为一个几乎覆盖世界每一 角落的公用数据通信平台，其骨干带宽刚从最初的t i ( 1 5 4 m b p s ) 链路提升为 o c l 9 2 ( 1 0 0 b p s ) 光纤链路。2 0 0 2 年统计数据表明全球互联网用户数已达六亿 以上，这个数字还在飞速增长中。伴随着网络用户数急速增长的是网络应用的日 益多样化。个人用户开始越来越多的使用网络视频和高速的文件下载；在商业领 域，大量商业机构开始使用互联网提供全天候的在线服务，在一些发达地区，电 子商务网上交易已经成为一种重要的商业手段。互联网己逐步由单一的数据传送 网向数据、语音、图像等多媒体信息的综合传输网演化。 由于实时业务对网络传输时延、延时抖动等特性较为敏感，当网络上有突发 性高的f t p 或者含有图像文件的h t t p 等业务时，实时业务就会受到很大影响： 另一方面，多媒体业务占去了大量的带宽，现有网络要保证的关键业务就难以得 到可靠的传输。互联网业务量特性的变化导致了对网络服务质量要求的变化，即： 互联网必须能够在提供可靠业务量传输能力的前提下针对不同的用户要求提供 不同质量的传输服务。 1 1 2 传统i p 网络运行机制难以提供服务质量支持 互联网的基石是t c p ，i p 协议，这个协议曾经取得了巨大的成功，但是由于 其设计上的缺陷，无法承担新应用对服务质量的霰求。这主要表现在： 在路由交换方面负担过重 随着i n t e m e t 规模的继续扩大，全球路由表项急剧膨胀，用于路由表维 护的开销也在加大。路由器维护路由表时的负担很重。当路由器进行分组转发 时，采取最长匹配原则来查询路由表，这就更加加大了路由器的负担。口分 组包每经过一个路由器时，都要经过第三层协 义完成路由的寻址( 逐跳寻 址) 这增加了m 包的传输时延。尽管目前路由器技术有了很大的发展，如 高速缓存技术可以减少路由表项并加快访问速度，但未从根本上解决上述问 题。 6 浙江大d 蠕页士掌位论文 多驱动m p l s 在l p q o s 中的应用 不提供对q o s 业务的支持 球技术采用的是“尽力而为”的数据转发模式，既不因数据报所属应用 类型的差异而对其进行区别处理，亦不能确保数据报传输的可靠性和数据报 之间的次序关系。基本不具备流量和网络带宽管理上的功能。由于i n t e r a c t 缺乏有效的流量管理手段。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。当前很多应用( 如语音和视频等) 对时延、抖动和传输质 量有特别的要求。目前的口技术对于这样的要求可以说是心有余而力不足。 目前在基于i p 技术的互联网上，网络服务质量的矛盾可以用下图所示的三 角形来描述。 圈ll网络服务质量的矛盾三角形 发送方希望能随意发送高负载、高突发性的通讯量；接收方期望低延迟、高 吞吐率地接收信息；因为链路和通信设备的昂贵，服务提供方希望以最小的基础 设施代价换取最大的投资回报率，这就促成了对网络服务质量这个热点问题的研 究。 解决这些问题的最简单的办法当然是增大带宽，但是，由于这种方法代价高 昂，并不十分可行。而且增加带宽仅是适应实时网络应用的第一步这仍然不能 在突发流量时有效地避免抖动等问题，所以必须增加口的服务能力，以使网络 能对有严格时间要求的应用加以区分共提供适应性服务。于是提出了网络服务质 量q o s 这个概念。可以说，解决讲网络对q o s 的支持是下一代i i i m m e t 技术发 展的主要方向。要实现对服务质量的支持，必须在现有互联网技术体系中引入新 的旨在提高网络服务能力的控制和传输协议。 1 2q o s 的提出 q o s 就是指数据流通过网络时的性能，其主要目的是使得运营商能够对网络 上传输的视音频流等对实时性要求较高的数据提供优先服务，从而保证较低的延 迟，从而向用户提供端到端的服务质量保证。最简单地说，q o s 应该能够对数据 包进行合理的排队，对含有内容标识的数据包进行优化，并对其中特定的数据包 赋以较高的优先级，从而加速传输的进程，并实现实时交互。q o s 所追求的传输 浙江大掌硕士掌位论文 兰竺黧! 翌生! 墨堡q ! 兰! 塑皇里 质量在于：数据包不仅要到达其欲传输的目的地址，而且要保证数据包的顺序性、 完整性和实时性。通过q o s ，网络可以按照业务量的类型或级别加以区分，并能 够依次对各级别进行处理。 要实现q o s ，关键要解决好下面几个矛盾： 网络性能要求和资源利用率之间的矛盾 互联网业务量在整个网络中是非均匀分布的。现有的【p 路由技术仅能根 据静态数据( 如链路跳数) 为基础计算端到端的最短路径完全无视网络负 载的动态特性。因此，网络服务提供商不得不依靠过度供给方法来实现对用 户的服务承诺。其结果是，当网络的某一部分因突发负载而发生拥塞时其相 邻部分却有大量链路资源闲置。 服务质量和网络使用量 由于多媒体应用数量的日益增长和商业应用对网络可用性和传输带宽方 匾的严格要求，网络必须在确保对关键应用的服务质量的同时保证对普通用 户的支持，然而现有的网络资源提供机制和拥塞控制机制基本上只采用以单 个数据流为基础的精细模型和以流聚集为基础的统计模型两种研究方法，其 结果是：当用户数量在短期内迅速增长或网络内出现局部资源竞争时， i n t e m e t 无法确保对用户的服务质量。 网络应用和用户子网的异构性 虽然t c p i p 协议已经成为网络互联的事实标准，但是通过i n t e r a c t 互联 的用户子网可能使用了多种不同的网络技术；各种网络应用在运行平台和性 能要求等方面也存在极大差异。为此，互联网的控制和传输机制必须具备多 类用户子网的接入能力和根据具体应用要求提供相应服务的能力。 分布的网路管理和端到端的服务质量要求 目前互联网骨干是由不同的商业服务网络互联而成的，网络服务提供商 都根据自身要求进行网络的规划和运行管理，需要交换数据的用户双方往往 使用不同服务商提供的传输服务。在这种情况下，要实现端到端的服务质量 控制就必定要求不同服务商之间进行协调，以确保不同服务商网络控制机制 的互操作性和网络视图的一致性，但是现有的网络技术还不能有效实现以服 务质量为出发点的自治域间服务协调和一致性网络控制。 实际上上述四个矛盾是一个相互联系相互制约的整体，要真正解决网络服务 质量问题，必须对四者进行全面的分析考虑，仅针对其中一个或几个进行研究很 可能会激化其他矛盾。 浙江大掌硕士学位论文 多驱动m p l s 在口q o s 中的应用 1 3 服务质量的基本要求 上面一节对服务质量做了一个抽象概念上的描述，而要实现q o s ，必须用一 系列具体度量指标来描述。这主要包括： 业务可用性( s e r v i c ea v a i l a b i l i t y ) 用户到i p 业务之间连接的可靠性。 延迟( l a t e n c y ) 也称为时延，两个参照点之间发送和接收数据包的时间间隔。 可变延迟( j i t t e r ) 也称为抖动，指在同一数据流中的数据包延迟的时间差异。 吞吐量( t h r o u g h p u t ) 网络中发送数据包的速率，可用平均速率或峰值速率表示。 丢包率( p a c k e tl o s sr a t e ) 在网络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率。 为了使以上性能指标达到最优化，q o s 体系结构应包括以下几部分： 服务级别定义 对q o s 进行分类和定义的目的是使网络可以根据不同类型的q o s 进行管 理和分配资源。例如，给实时服务分配较大的带宽和较长的c p u 处理时间 等，另一方面，对q o s 进行分类定义也方便用户根据不同的应用提出q o s 需求。 用户通讯需求的交互方法 即信令、接纳控制和策略管理。网络服务提供商根据服务策略和服务协 议控制传输带宽、缓冲区等资源在不同服务等级乃至不同用户数据流之间的 分配。当接到一个新的服务请求时( 如预留资源) ，准入控制机制决定是否 接受该请求并提供相应资源：当多个业务流争夺同一资源时，资源管理和准 入控制机制依据既定服务策略分配网络资源。 服务提供者保证用户委托的方法 即策略控制和整形。这要求用户向网络发送的业务量也必须符合其与网 络服务提供商签定的服务协议的约定：对不符合协议规定的用户业务量，网 络可根据具体服务策略采用丢弃、降低服务等级或标记丢包优先级等方式处 理。 基于q o s 的路由选择 即服务提供者寻径的方法。路由选择决定了数据流穿过网络时的传输路 径，也决定了传输负载在网络内的分布状况。在计算传输路径的过程中，不 仅需要考虑网络的拓扑状态而且还要考虑端到端的传输带宽、延时及延时抖 9 渖聆驮掌硕士掌位崔吁t多驱动m l s 在m q o s 中的应用 动等因素。 基于q o s 的转发机制 数据报转发机制包括数据报在网络节点内的分类策略、缓冲区分配和丢 弃策略、排队规范、队列调度策略以及流量管理，这是实现网络服务质量控 制的最直接实施手段。 浙江大掌硕士掌位论文 多驱动m p l s 在i p q o s 中的应用 第二章现有i pq o s 概述 2 1l pq o s 简介 传统的i p v 4 缺乏对q o s 足够的支持机制。目前，对传统互联网络体系结构 方面的改进，主要通过增补一些旨在提高网络服务能力的协议和算法。它们分别 源于两种思路，一是资源预留，二是优先权。前者主要针对单个流的特征类型来 描述q o s ，后者则通过聚集流的特征类型来描述q o s 。由此可以看出，一个是要 求端系统和中间节点共同参与的控制，另一个则将改进集中在核心网络。由此衍 生出了两个比较重要的皿q o s 服务模型分支： 基于资源预留的综合服务模型( i n t s e r v 瓜s v p ) 基于优先权机制的区分服务模型( d i f f s e r v ) 2 1 1 综合服务模型( i n t e g r a t e ds e r v i c e ，i n t s e r v ) 2 1 1 1 基本概念 综合服务模型的基本思想是“所有的流相关状态信息应该是在端系统上”， 它基于每个流( 单个的或是汇聚的) 提供端到端的保证或是受控负载的服务。 i n t s e r v 框架使口网能够提供具有q o s 的传输，以用于对q o s 要求较为严格的 实时业务( 声音视频) 。 i n t s e r v 使用一种类似删的s v c 的方法，它在发送方和接收方之间用r s v p 作为每个流的信令。r s v p 信息跨越整个网络，假定从接收方到发送方之间沿途 的每个路由器都要为每一个要求q o s 的数据流预留资源。路径沿途的各路由器 ( 包括核心路由器) 必须为r s v p 数据流维护软状态。 囤2 lr s v p 过程示意图 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。r s v p 使用 i p 包承载，使用“软状态”的概念，通过周期性的重传p a t h 和r e s v 消息，协 兰兰查竺璺圭竺苎望查 兰兰兰! 堡坚查堡q ! 曼! 竺垒里 _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - 。- _ _ - _ - 。_ - 。_ 。- 1 _ _ _ 。_ 。_ 。_ - - - - ，- _ - - - 、 议能够对网络拓扑的变化做出反映。正如p a t h 和r e s v 刷新用来更改该预留的 流的通路那样，没有了这些消息时，r s v p 协议释放与之关联的资源。 在i n t s e r v 流中，定义了三种类型的业务，即： 保证业务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ，g s ) 对于g s 业务流的最大时延是受到控制的，路由上的任何时延都会影响 最大排队时延。 受控负载业务( c o n t r o l l e dl o a ds e r v i c e ，c l s ) c l s 没有固帘f | | 幸醺传讦t 侗特爷流覃与在网络轻载情况下的流质量相 当，采际牟c w 要求有长期的带宽傈证。 尽力丽为的业务( t b e s t - e f f o r t ) 类似当前i n t e m e t 在多种负载环境( 由轻到重) 下提供的尽力而为的业务。 2 1 1 2 功能部件 下图中描述了主机和i n t s e r v 路由器进行r s v p 交互时进行的通讯过程。为 此i n t s e r v 定义了4 个功能部件，网络中的每个路由器都需要实现这4 个部件。 皇机路崮髂 7 l 苎竺竺f _ 11 竺i 嚣 1 p 般据螗 ，睦晦 图22主机同路由器进行r s v p 交互的不意图 r s v p ( r f c 2 2 0 5 ) r s v p 即资源预留协议，它是i n t e m e t 上的信令协议。通过r s v p ，用户 可以给每个业务流( 或连接) 申请资源预留，要预留的资源可能包括缓冲区 及带宽的大小。这种预留需要在路径上的每一跳都要进行，这样才能提供端 到端的q o s 保证。r s v p 是单向的预留，适用于点到点以及点到多点的通信 环境。 、 访问控制( a d m i s s i o nc o l r r 0 1 ) 基于用户和网络达成的服务协议，对用户的访问进行一定的监视和控制， 有利于保证双方的共同利益。 分类器( c l a s s i f i e r ) 根据预置的一些规则，它对进入路由器的每一个分组进行分类。这可能 需要查看讲分组里的某些域：礤源地址、i p 目的地址、上层协议类型、源 浙江大掌硕士掌位论文 多驱动m p l s 在i p q o s 中的应用 端口号、目的端口号：分组经过分类以后被放到不同的队列中等待接收服务。 这方面的技术还不很成熟，是一个有待研究的领域。 队伍调度器( s c h e d u l e r ) 主要基于一定的调度算法对分类后的分组队列进行调度服务。这方面的 技术目前已比较成熟，常见的调度算法有w f q 、w f 2 q 、s c f q 、v c 、 m d - s c f q 、w r r 等。 通过这些基本功能部件，：e 机就可以通过路由器，为数据流申请资源预留了。 2 1 2 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 ，d i f f s e r v ) 2 1 2 1 基本概念 区分服务是由综合服务( i n t s e r v ) 发展而来的，为了解决i n t s e r v 的一些缺 点，i e t f 在r f c 2 4 7 5 中提出d i f i s e r v ，旨在定义一种实施口q o s 且更容易扩展 的方式，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 简化了信令，对业务流的分 类颗粒度更粗。它通过汇聚( a g g r e g a t e ) np h b ( p e rh o pb e h a v i o r ) 的方式来提供一 定程度上的q o s 保证。汇聚的含义在于路由器可以把q o s 需求相近的各业务流 看成一个大类，以减少调度算法所处理的队列数；p h b 的含义在于逐跳的转发 方式，每个p h b 对应一种转发方式或q o s 要求。 圈2 3区分服务体系结构的框槊不熏圈 d i f f s e r v 采用了基于r s v p 的服务分类标准，抛弃了分组流沿路节点上的资 源预留。区分服务区域的主要成员有：核心路由器、边缘路由器、资源控制器( b b ， b a n d w i d t hb r o k e r ) 。在区分服务中，边缘路由器上对数据流进行分组聚合再对 每个分组进行分类、标记d s 域，用d s 域来携带口分组对服务的需求信息。网 络的核心路由器根据分组头上的d s 码点( c o d ep o i n t ) 选择码点所对应的转发 处理。而资源控制器b b 配置了管理规则，为客户分配资源，它可以通过服务级 兰兰查竺翌主竺苎竺查 兰坚翌垒堡坚壅望g ! ! ! 塑墅 1。1。1。_”。_。_。-_。-_。-。_。_。-_，_-_- 、 别协定s l a ( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ) 与客户进行相互协调以分享规定的带宽。 与i n t s c r v 类似，d i f f s e r v 也定义了三种业务类型： 最优的业务( p r e m i u m ) ：类似于传统运营商网络的专线业务。 分等级的业务( t i e r e d ) ：这爿i 仅仅是一种业务，而是一个大的类别，可 以根据发展的雨耍定制不同的非务等级。 尽力而为的业务( b e s t e f f o r t ) 类似于 n t e r n e t 中尽力而为的业务。 d i f t s e r v 利用了i p v 4 分组头的t o s 字段( 或i p v 6 的c o s 字段) ，作为 d s c p ( d i f l s e r v 编码点) 使煺。每一种d s c p 对应一种p h b 方式。路由器在转发 分组时只需查看每个分组的d s c p 值，从而对此分组提供相应的p i - i b 转发方式。 这样，d i f f s e r v 将复杂的服务质量保证通过d s 字段转换为先进的单跳行为，从 而大大减少了信令的工作。 圈2 4区分服务功能部件工作机制 2 1 2 2 优先级和调度算法 差分服务提供一种简单粗略的方法对各种服务加以分类，其中对两个最有代 表性的服务等级作了规定： 快速转发( e f ) ；有一个单独的码点( d i f f s e r v 值) 。e f 要求把延迟和抖动减 到最小，因而能提供总合服务质量的最高等级。任何超过服务范围( 由本地服务 策略决定) 的业务被删除。 保证转发( a f ) ：有四个等级，每个等级有三个下降过程( 总共有1 2 个码点) 。 超过a f 范围的业务不会像“业务范围内”的业务那样以尽可能高的概率传送出 去。这意味着业务量有可能下降，但不是绝对的。 根据预定策略的标准，p h b s 适用于网络入口的业务。业务在这点加以标记， 然后根据这个标记进行路由指向，没有作标记的业务就放到了网络的出口。 d i f f s e r v 路由器使用与a t m 交换机组类似的输入管理器与输出调度器的原 1 4 理，来实现p h b 功能，同时也增加了拥塞管理机制用以处理口网络交通拥塞问 题，为此d i f f s e r v 使用了两种算法，分别为随机早期检测( r e d ) 与加权随机早 期检测( w r e d ) 算法，通过使用这两科t 算法达到在发生拥塞之前随机丢包以避 免踏由器过载的目的，这种丢包策略也能使传输控制协议( t c p ) 减慢发送端数 据发送的速度。 2 2i n t s e r v 和d i 仟s e r v 的横向比较 2 2 1综合服务模型的优缺点 综合服务模型的优点是： 能够提供绝对有保证的q o s 。r s v p 运行在从源端到目的端的每个路由 器上，因此可以监视每个流，以防止其消耗比它请求、预留和预先购买 的要多的资源。 r s v p 协议能够让p a t h 消息识别多播流的所有端点，并发送p a t h 消息 给它们。它同样可以把自每个接收端的r e v p 消息合并到一个网络请求 点上，该点可以让一个多播流在分开的连接上发送同样的流。 4 综合服务模型的缺点是： 可扩展性差，单纯从i n t s e r v 结构的实质来看，资源预留本身就与m 网 络的最大特点“无连接”相冲突。另外，对保障型业务需要网络全部使 用综合服务，如果中间有不支持的节点网络存在，虽然信令可以透明通 过，但实际上对于应用来说，已经无法实现真正意义上的资源预留，所 希望达到的q o s 保证也就打了折扣。 对路由器的要求较高。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。因此所有路 由器必须实现r s v p 、许可控制。m f ( m u l 蛀- f i e | d ) 分类和包调度。 该模型不适用于短生存期的流，因为为短生存期包预留资源的开销很可 能大于处理流中所有包的开销。但因特网流量绝大多数是由短生存期的 流。在短生存期的流也需要一定程度的q o s 保证时，综合服务模型就显 得得不偿失了。 r s v p 协议无法预留资源并不等于网络上没有足够的资源。由于协议刷 新间隔和网络延迟等原因，r s v p 协议中维护的信息不一定准确的反映 网络资源状况，这样就可能导致网络中有足够的资源但是无法预留资 源。 浙江大掌硕士掌位论文 多驱动m p l s 在碑q o s 中蛉应吊 2 2 2 区分服务模型的优缺点 区分服务模型的优点是： 伸缩性较好，d s 字段只是规定了有限数量的业务级别，状态信息的数量 正比于业务级别，而不是流的数量。 便于实现。只在网络的边界上才需要复杂的分类、标记、管制和整形操 作。i s p 核心路由器只需要实现行为聚集( b a ) 的分类，因此实现和部 署区别型业务都比较容易。 区分服务模型的缺点是： 没有办法完全依靠自己来提供端到端的q o s 结构。d i f f s e r v 需要大量网 络单元的协同动作，才能向用户提供端到端的服务质量。这些组件高度 分散的特点和对它们进行集中管理的需要，必须有一个全局的带宽管理 对全局资源进行动态管理。 由于没有资源预留过程。无法绝对保证单个数据流一定能达到其服务质 量要求。 2 2 3 两种模型的互通互补 从i n t s e r v 和d i f 9 3 e r v 的对比可以看出，两者具有很强的互补性。 i n t s e r v 直接作用于单个数据流，对每一数据流资源预留，具有最佳的服务质 量控制粒度，因而可以提供确保一个端到端通讯流的服务质量要求，；并支持多 播传输服务质量管理。由于伸缩性问题不适用于核心网络，但能够在局域网或企 业网中实施，很多企业的联网产品中都已经或即将集成某种程度的综合服务能 力。 d i f f s e r v 通过先将数据包分类划分服务级剐。再在每个节点按蓉略进行不同 服务的机制，可行性和伸缩性都好，但是并不能保证单个数据流的服务质量。只 能通过和约束路由等技术相结合实现端到端的可预测性传输。 于是，结合两者的优点，提出了结合i m s e r v 和d i f f s e r v 支持q o s 的方案a 该方案既具备d i f f s e r v 扩展性好的优点，又缝够利用r s v p 作显式接纳控制，克 服了d i f f s e r v 静态资源分配的缺陷。 下图是该方案的体系结构陶。在边缘接入网使用i n t s e r v 机制，而在核心骨 干网采用d i f f s e r v 机制。为了提供服务质量保证，该方案在主机和网络接入端之 间采用r s v p 信令。p a t h 和r e l y 消息经过接入网的操作与传统的蠢, s v e 信令 相同。不同之处在于p a t h 和r e s v 通过d i f f s e r v 骨干网时的处理。 1 6 浙江大掌硕士掌位论文 多驱动m p l s 在i p q o s 中的应用 圈2 5i n t s e r v - d i f f s e r v 棍台的q o s 群决方秉 若骨干d i f f s e r v 域的边缘路由器以及所有内部路由器不支持r s v p 。这时 d i l t s e r v 域中的节点忽略收到的p a t h 和r e s v 消息。i n t s e r v 域的边缘节点充当 了d i f f s e r v 域接纳控制代理。边缘节点根据i n t s e r v 域和d i f t s c r v 域之间静态q o s 协定，获知d i f l s e r v 域中的资源状况。当r e s v 消息到达边缘节点时，它比较当 前r e s v 中请求的资源与d i f f s e r v 域中可用的资源，决定是否接受此次海源请求。 如资源预留成功，则把i n t s e r vq o s 映射成d i f f s e r v 的q o s 类型( d s c p ) ，m h 把 分组打上从r e s v 中获得的d s c p 标记，这样分组就可以在d i f t s c r v 域中得到期 望的服务。 若d i f f s e r v 域的边缘节点和内部节点都支持r s v p ，则不需要e r 2 做d i f l s e w 域的接纳控制代理。b r ( 边缘路由器) 虽然具有r s v p 的功能，但仍然按照d i f f s e r v 方式对分组进行分类，并调度汇聚流。d i f t s e r v 域中可用资源的变化可以通过 r s v p 信令传递给i n t s e r v 域。当然，d i f f s e r v 也可以通过带宽代理协议把域内的 资源状况通知给i n t s e r v 。 但是该方案需要解决如何将i n t s e r v 的服务质量映射为d i f t s e r v 服务类别的 问题。而且由于没有统一的对外接口，复杂度增加造成实施困难，这一点在对外 接口多，内部拓孙结构比较复杂的网络中尤其明显。鹾 从上面的分析可以看出，通过在原有i p 网络中增加提高网络服务能力的协 议和算法，来实现q o s 的方法总是存在着这样或那样的问题。能不能用一个简 单高效统一的体系结构，在口网络中实现q o s 昵? 1 7 浙江大学硕士掌位论文多驱动m p l s 在i p q o s 中的应用 第三章m p l sq o s 综述 3 1 产生背景 从支持q o s 的角度来看，a t m 作为继i p 之后迅速发展起来的一种快速分组 交换技术，具有得天独厚的技术优势。因此a t m 曾一度被认为足一种处处适用 的技术，但是，实践证明这种想法是错误的。首先，纯a t m 网络的实现过于复 杂，导致应用价格高，难于为大众所接受。其次，在网络发展的同时相应的业务 开发没有跟上，导致目前a t m 的发展举步维艰。第三，虽然a t m 交换机作为 网络的骨干节点已经被广泛使用，但a t m 信元到桌面的业务发展却十分缓慢。 由于i p 技术和a t m 技术在各自的发展领域中都遇到了实际困难，彼此都需 要借助对方以求得进一步发展，所以这两种技术的结合有着必然性。多协议标签 交换( m p l s ) 技术就是为了综合利用网络核心的交换技术和网络边缘的路由 技术各自的优点而产生的。 i e t f 在1 9 9 7 年初成立了m p l s 工作组，利用集成模型中现有的技术的主要 思想与优势，制定出一个统一的、完善的第3 层交换技术标准。m p l s 明确规定 了一整套协议和操作过程，最终在i p 网内通过a t m 和帧中继实现快速交换。 m p l s 中的关键概念是用标签来识别和标记口报文，并把标签封装后的报文转 发到已升级改善过的交换机或路由器，由它们在网络内部继续交换标签，转发报 文。因而，p 报文标签的产生和分配是建立在通过现有的i p 路由协议获得网络 路由信息的基础上的。 3 2m p l s 技术简介 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 ) 即多协议标记交换。m p l s 属于第三 代网络架构，是新一代的琢高速骨干网络交换标准，由i e t f ( i n t e m c t e n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ，因特网工程任务组) 所提出，由c i s c o 、a s c e n d 、3 c o m 等网络设 备大厂所主导。 3 2 1 基本思想 传统路由器收到p 数据包时首先分析报头内容获取其目的地址，然后通过 在路由表中查找匹配路由确定转发路径，以完成数据发送。这是与“尽力而为” 的服务策略相适应的。但是，这种无连接的简单路由方法既无法有效降低单个数 浙江大掌硕士掌位论文 多驱动m p l s 在q o s 中的应用 据报的处理开销又无法实现对数据流的服务质量区分和网络负载均衡。 为解决这一问题，m p l s 试图在保持碑路由的灵活性和低开销的同时引入面 向连接的路由策略和高速交换能力。因此，m p l s 采用了第三层蹄由结台第二层 属性的交换技术，引入了基于标签的机制，它把路由选择和数据转发分开，由标 签来规定一个分组通过网络的路径。 每个i p 数据包进入m p l s 作用域时给包赋予一定韵标签，并由此决定数据 包的路径以及优先级，随后包的分类、转发和服务郝将基于标签完成。与m p l s 兼容的路由器( r o u t e r ) 在将数据包转送到其路径前，仅读取数据包标记，无 须读取每个数据包的i p 地址以及包头( 因此可以加快网络转发速度) ，然后将所 传送的数据包置于口链路层l s p ( 标签交换路径) 、f r a m er e l a v 或a t m 的虚拟 电路上，并迅速将数据包传送至终点的路由器，进而减少数据包的延迟，同时由 f r 啪er e l a y 及a t m 交换器所提供的q o s ( q u a l 蛔o fs e r v i c e ) 对所传送的数据 包加以分级，因而大幅提升网络服务品质提供更多样化的服务。 由于在m p l s 网络中，数据包通过虚拟电路来传送，只须在o s i 第二层( 数 据链结层) 执行硬件式交换( 取代第三层( 网络层) 软件式r o u t i n g ) ，整合了m 选路与第二层标记交换为单一的系统，因此可以解决i n t e m e t 路由的问题，使数 据包传送的延迟时间减短，增加网络传输的速度，更适合多媒体信息的传送。 m p l s 最大技术特色为可以指定数据包传送的先后顺序。m p l s 使用标记交换 ( l a b e ls w i t c h i n g ) ，网络路由器只需要判别标记后即可进行转送处理。 m p l s 独立于协议，只在路由器上实现，它可以和其他协议( 如a t m 。p p p 或f r a m e r e l a y ) 相结合，或直接作用于链路层协议上，利用分组头中的标记决 定下一跳路由器。r s v p 可以用来作为m p l s 的标记分发协议，同时，由于区分 服务和m p l s 在使能的q o s 的定性描述方面有相似性，可以将区分服务的通讯 量在m p l s 标记交换路径上进行映射。问题是，区分服务和m p l s 都是通过流 分类，对聚集流产生一个有效的管道，这些虚拟的管道提供比尽量服务更好的服 务质量，它们都没有为某个专门的应用检测需要多少带宽并分配必要资源的协议 机制，只有r s ，是为此而设计的。 3 2 2 网络构成 m l s 网