（计算机系统结构专业论文）层次式交换网络服务质量控制机制研究.pdf

层次式交换网络服务质量控制机制研究：摘要 摘要 随着i n t e m e t 规模的爆炸性增长以及向综合业务支持方向的不断演进，i n t e m e t 遇到 了在设计初期根本没有预料到的问题和困难。为了构建下一代网络，i n t e r n e t 的体系结 构需要某种根本性的变革。为此，钱华林老师提出了层次式交换网络的思想。层次式交 换网络为服务质量控制的实旌提供了有利条件。本文基于层次式交换网络进行了服务质 量控制相关机制的研究工作。 本文提出了层次式交换网络的服务质量控制模型。通过充分利用层次式交换网络拓 扑结构与地址结构的匹配所带来的优势，结合区分服务模型的基本思想，层次式交换网 络的服务质量控制模型与区分服务模型一样具有良好的可扩展性和实现简单性。利用资 源预留协议为流在传输路径上预先预留资源，保证业务流可以获得满足其服务质量要求 的网络资源，从而加强了区分服务模型的服务质量保证力度。层次式交换网络支持三种 类型服务：虚拟专线业务、确保服务和尽力而为。对于虚拟专线业务，系统保证其具有 较小的延迟、延迟抖动、丢包率：对于确保服务，系统保证服务的可用性，即使网络负 载较重也能保证其可以获得一定的服务量。对于尽力而为服务，主要目的是兼容现有 i n t e r n e t 的服务，不对其服务质量做任何保证。 本文提出了层次式交换网络的资源管理模型，即在每个节点域中设置专门的资源管 理服务器，以集中方式管理节点域所属逻辑链路的带宽资源，整个层次式交换网络的资 源管理由分布在每个节点域的资源管理服务器共同承担，资源管理基于不同业务类进行 资源总量管理，并不为单个业务流维护相关状态。资源管理的集中与分散相结合、资源 总量管理等措施可以保证系统的可扩展性和可靠性。同时，交换与控制的分离，有利于 交换节点的高速、高效实现。 本文提出了节点域的资源分配与管理方法。对于虚拟专线业务，以峰值速率为其分 配资源；对于确保服务，以平均速率为其分配资源。为了解决由于多种原因造成的资源 隐藏问题，本文提出了一种资源预留记录的校正方法，通过控制业务流的资源预留记录 与实际到达速率之间的偏差保持在可容许的范围之内，来提高资源利用率。本文讨论了 不同服务类型业务共享资源的方法以及分配系数、过载系数的调节方案。 本文提出了基于层次式交换网络的资源预留协议。结合层次式交换网络中分组传输 路径相对固定的特点和对现有资源预留协议的分析，层次式交换网络中的资源预留协议 由发送方发起，采用o n e - p a s s 机制，资源预留状态的维护采用“硬状态”方式。多种措 施可以保证资源预留处理的灵活性、可扩展性，并大大降低了资源预留消息的带宽损耗 和处理开销。 本文提出了一种用于确保服务业务的丢包率比例区分机制。通过对不同确保服务业 务丢包率的实时测量结果来调节r e d ( w r e d ) 队列的丢包概率因子，提供不同确保服务 业务丢包率的比例区分，为i s p 制订灵活的价格策略和用户在性能和代价之间进行平衡 提供基础。 层次武交换网络服务质量控制机制研究：摘要 基于输入缓冲交换机体系结构，本文提出了一种公平的调度算法b f q e f q 。其基 本思想是根据业务流的资源预留来设置单位时间内业务流可以获得的服务量，保证不同 业务流公平共享输出链路的带宽。本文同时给出了e f q 的一种硬件参考实现。 本文讨论了流量调节机制，给出了层次式交换网络边缘节点的流量调节方案。针对 虚拟专线业务，分析了流量整形所需的缓存区占用情况：针对确保服务业务，给出了一 种公平的标记算法。 本文讨论的服务质量控制数据平面机制也可以用于目前的i n t e r n e t 体系结构中。如 确保服务业务的丢包率比例区分、输入缓冲交换机的公平调度、确保服务业务流的标记 算法等。 关键词：层次式交换网络，服务质量，资源管理，流量调节，分组调度、丢包率比例区 分的确保服务 层次式交换网络服务质量控制机制研究：a b s t r a c t r e s e a r c ho n q u a l i t yo fs e r v i c em e c h a n i s m sf o rh i e r a r c h i c a l l ys w i t c h e dn e t w o r k s m a h o n g w e i 汜o m p u t e ra r c h i t e c t u r e ) d i r e c t e db y q i a n h u a l i n w i 也t h ee x p l o s i v eg r o w t ho fi t ss c a l ea n dt h ec o n t i n u o u s e v o l v i n g t o s u p p o r t i n g i n t e g r a t e ds e r v i c e s ，t h ei n t e r a c te n c o u n t e r ss o m ep r o b l e m s t h a th a v en o te v e rb e e n a n t i c i p a t e d a t “sb e g i n n i n g i no r d e rt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so f t h ef u t u r en e t w o r k s t h ea r c h i t e c t u r eo f t h ei n t e r n e tn e e d ss o m ee s s e n t i a lr e f o r m a t i o n t h e r e f o r e ，p r o f e s s o rq i a nh u a l i np u tf o r w a r d t h ei d e ao fh i e r a r c h i c a l l ys w i t c h e dn e t w o r k sr h s n e t ) h s n e ti n t r o d u c e sh i e r a r c h yi n t o n e t w o r kt o p o l o g ya n dt h ea d d r e s ss t r u c t u r e ，a n de s t a b l i s h e sao n e - t o o n em a p p i n gb e t w e e n t h en e t w o r kt o p o l o g ya n dt h ea d d r e s ss t r u c t u r e h s n e tp r o v i d e sa d v a n t a g e o u sp r o p e r t i e sf o r q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) c o n t r 0 1 t h i sd i s s e r t a t i o na d d r e s s e st h em e c h a n i s m so fq o s c o n t r o l f o rh s n e t a q o s c o n t r o lm o d e lf o rh s n e ti sb r o u g h tf o r w a r di nt h i sd i s s e r t a t i o n b yc o m b i n i n g t h ea d v a n t a g e so fh s n e tw i t ht h ed i 髑c r ym o d e l t h eq o sm o d e lf o rh s n e ti ss c a l a b l ea n d e a s yt oi m p l e m e n t b e f o r ea 订缅c f l o wc a l ls e n dp a c k e t si n t ot h en e t w o r k i ts h o u l dr e s e r v e r e s o u r c ea l o n gt h ep a t h u s i n gs i g n a l ，s ot h en e t w o r k c a n g u a r a n t e e t h e mi se n o u g hr e s o u r c et o s a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so ft h e f l o wa l o n gt h e p a t h t h e r e f o r e ，q o s c o n t r o lo fh s n e t s t r e n g t h e n st h es e r v i c eg u a r a n t e e so f d i f l s e r vm o d e l 1 1 他q o sm o d e lf o rh s n e ti n c l u d e s t h - e es o r t so fs e r v i c e ：v i r t u a lj e a s e dl i n e ，a s s u r e df o r w a r d i n ga n db e s te f f o r t v i r t u a l1 e a s e d l i n ei si n t e n d e dt op r o v i d eab u i l d i n gb l o c kf o rl o w d e l a y , l o wj i t t e ra n dl o w l o s ss e r v i c e sb y e n s u r i n gt h a tt h ev i r t u a l l e a s e dl i n e a g g r e g a t ei s s e r v e da tac e r t a i nc o n f i g u r e dr a t e f o r a s s u r e df o r w a r d i n gs e r v i c e ，t h es y s t e mg u a r a n t e e st h a tt h ef l o wc a na c h i e v es o m ea m o u n to f s e r v i c ee v e n d u r i n g t h e p e r i o d o f n e t w o r k c o n g e s t i o n n e b e s te f f o r ts e r v i c ei st h es a m e t h i n g a st h a to f t h et r a d i t i o n a li n t e r a c ta n dt h es y s t e md o e sn o t g u a r a n t e ea n y t h i n g ar e s o u r c em a n a g e m e n ts c h e m ef o rh s n e ti sd i s c u s s e di nt h ed i s s e r t a t i o n e a c hd o m a i n h a sar e s o u r c em a n a g e m e n ts e r v e rw h i c ht a k e sc h a r g eo f m a n a g i n g t h eb a n d w i d t ho fe v e r y l o g i cl i n ko f ad o m a i ni naf a s h i o no fc e n t r a l i z a t i o n a st ot h ew h o l eh s n e t t h er e s o u r c e m a n a g e m e n t t a s ki sp e r f o r m e dw i t hc o o p e r a t i o no fs e r v e r ss e t t l e di ne a c hd o m a i n t h es e r v e r m a i n t a i n ss t a t e sf o r a g g r e g a t e f l o wi n s t e a do fi n d i v i d u a lf l o w n l ec o m b i n a t i o no f c e n t r a l i z a t i o nw i t hd i s t r i b u t i o na n dt h er e s o u r c em a n a g e m e n ti nu n i to f t r a f f i cc l a s si n s t e a do f i n d i v i d u a lf l o wc a na s s u r et h es c a l a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f r e s o u r m a n a g e m e n ts y s t e m a t t h es a m et i m e ，t h es e p a r a t i o no f c o n t r o l l i n gf r o ms w i t c h i n gi so f b e n e f i tt oi m p l e m e n t i n go f s w i t c h e si nt h ec o n t e x to f h i g h s p e e dn e t w o r k i n g r e s o u r c ea l l o c a t i o na n dm a n a g e m e n ts c h e m e sa r ed i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f o r v i r t u a ll e a s e dl i n et r a 伍c t h en o d ea l l o c a t e sb a n d w i d t ha c c o r d i n gt ot h ef l o w sp e a kr a t e f o r a s s u r e df o r w a r d i n gt r a f f i c ，t h en o d ea l l o c a t e sb a n d w i d t ha c c o r d i n gt ot h ef l o w sa v e r a g er a t e i no r d e rt or e s o l v et h ep r o b l e mo fr e s o u r c eh i d i n gd u et ov a r i o u sr e a s o n ss u c ha ss i g n a l n l 层次式交换网络服务质量控制机制研究： a b s t r a c t m e s s a g el o s t ，n o d ef a u l t a n ds of o r t h ，ar e s e r v a t i o nr e c o r de m e n d a t i o ns c h e m ei s b r o u g h t f o r w a r d t h eb a s i ci d e ao ft h es c h e m ei sk e e p i n gt h ed i f f e r e n c ei nat o l e r a b l eb o u n db e t w e e n r e s e r v a t i o nr e c o r di nt h er e s o u r c em a n a g e m e n ts e r v e ra n dt h ea c t u a la r r i v a lr a t eo ft h e a g g r e g a t e t r a f f i cb y a m e n d i n g t h er e s e r v a t i o nr e c o r d sa c c o r d i n gt ot h ea r r i v a lr a t e w e p r o p o s ear e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o lf o rh s n e t t h ep r o t o c o lt a k e sa d v a n t a g eo f t h ep r o p e r t i e so fh s n e tt h a tt h ef o r w a r dp a t ho faf l o wi ss t a b l ea n dp r o v i d e sal i g h tw e i g h t q o ss i g n a l i n gm e c h a n i s m t h a ta l l o w sp e rf l o wr e s e r v a t i o ne s t a b l i s h m e n tw i t h o u tt h en e e df o r m a i n t a i n i n gs t a t ei n f o r m a t i o nf o ri n d i v i d u a lf l o w si nt h ec o r er o u t e r i ti ss e n d e r - i n i t i a t e d ， s u p p o r t so n e - p a s sr e s e r v a t i o nm e c h a n i s m ，a n du s e sh a r ds t a t em e c h a n i s m s ，s oi tp r o v i d e sa w a y t os i m p l i f yt h er e s e r v a t i o np r o c e s s i n ga n dt h e r e f o r er e d u c e sa s s o c i a t e do v e r h e a d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，ap r o p o r t i o n a ll o s s d i f f e r e n t i a t i o n ( p l d ) m e c h a n i s mf o ra s s u r e d f o r w a r d i n gs e r v i c ei sp u tf o r w a r d b ya d j u s t i n gt h em a r kp r o b a b i l i t yd e n o m i n a t o ro f ar e d ( r a n d o me a r l yd e t e c t i o n ) w h i c hi sa na c t i v eq u e u em a n a g e m e n tm e c h a n i s ma c c o r d i n gt ot h e m e a s u r e dl o s sr a t i oo ft h e a g g r e g a t et r a f f i cf l o w , t h es p a c i n gb e t w e e nd i f f e r e n ta s s u r e d f o r w a r d i n gt r a f f i cc l a s s e sc a nf o l l o wp r o p o r t i o n a lc o n s t r a i n t so np a c k e tl o s sr a t e p l dl a y sa f o u n d a t i o nf o ri s pd r a w i n gf l e x i b l ep r i c ep o l i c i e sa n df o ru s e r sm a k i n gt r a d e o f f sb e t w e e n p e r f o r m a n c e a n dc o s ta c c o r d i n gi t so w nn e e d s b a s e do nt h ei n p u t - q u e u e ds w i t c h i n ga r c h i t e c t u r e ，af a i rs c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，b f q e f q i s b r o u g h tf o r w a r d i nt h i sd i s s e r t a t i o n n l cb a s i ci d e ao fb f q e f qi st h a tt h es w i t c h g u a r a n t e e st h ef l o w c a l la c h i e v et h ea m o u n to fs e r v i c ec o r r e s p o n d i n gt oi t sr e s e r v a t i o n s ot h e b a n d w i d t ho fa no u t p u t1 i n kc a nb es h a r e da m o n gd i f f e r e n t 倘cc l a s s e si naf a i rf a s h i o n a r e f e r e n c ei m p l e m e n t a t i o no f t h es c h e d u l i n ga l g o f i t h r ai sa l s of i g u r e do u t n a m c c o n d i t i o n i n gm e c h a n i s m sf o rh s n e t a r ea l s om e n t i o n e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f o r v i r t u a ll e a s e dl i n et r a f f i c ，b u f f e ro c c u p a n c yo fs h a p i n gi sa n a l y z e d f o ra s s u r e df o r w a r d i n g s e r v i c e ，af a i rm a r k i n ga l g o r i t h m i sp u tf o r w a r d t h er e s e a r c hr e s u l t si nt h i sd i s s e r t a t i o n ，e x c e p tt h ec o n t r o lp l a n em e c h a n i s m s ，a p p l yt o t h et r a d i t i o n a li n t e r n e t ，s u c ha sp r o p o r t i o n a ll o s sd i f f e r e n t i a t i o nf o ra s s u r e df o r w a r d i n gt r a f f i c ， f a i r s c h e d u l i n ga l g o r i t h m i n i n p u tq u e u e ds w i t c h e s a n dm a r k i n ga l g o r i t h m sf o ra s s u r e d f o r w a r d i n g t r a f f i c k e y w o r d s ：h i e r a r c h i c a l l ys w i t c h e dn e t w o r k s ( h s n e t ) ，q u a l i t y o f s e r v i c e ( q o s ) ，r e s o u r c e m a n a g e m e n t ，t r a f f i cc o n d i t i o n i n g ，p a c k e ts c h e d u l i n g ，p r o p o r t i o n a l l o s sd i f f e r e n t i a t i o n i v 独创性声明 本人声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，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或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本 文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。 作者签名：骈日期：。一乒，驴 关于论文使用授权的说明 中国科学院计算技术研究所有权保留送交论文的复印件，允许论文被 查阅和借阅；并可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其它复制手段保存该论文。 储签名脚新签名婶啡一p i 。 第一章层次式交换网络 第一章层次式交换网络 i n t e m e t 仅仅经过三十多年的时间就已经发展成为了全球最大的计算机网络。“i p o v e re v e r y t h i n g ”实现了异构网络之间的互连，促进了i n t e r n e t 的迅猛发展：“e v e r y t h i n g o v e ri p ”技术正推动i n t e m e t 向综合业务支持方向演进，i n t e m e t 正逐步成为未来通信基 础设施的统一平台。i n t e m e t 的出现不仅改变了人们相互沟通信息的方式，也改变了我 们的生活方式。i n t e m e t 成为了一个全球现象，为我们的社会和工作均带来了巨大的变 化，全球向信息化社会迈进的步伐由于i n t e r n e t 的快速发展而明显加快。 i n t e r n e t 的应用环境从初期主要集中在科研和军用等领域迅速转向商用和民用等领 域，进而将成为未来融合多种网络( 电信网、计算机网、有线电视网等) 的通信基础设施 核心，网络应用也日益呈现多样性和个性化发展趋势。网络底层通信技术的飞跃性进展， 尤其是光传输技术，如密集波分多路复用 1 ( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ， d w d m ) ，使得通信链路传输能力的发展速度超过了计算机芯片的发展速度，造成了技 术发展的不平衡，网络节点的处理能力成为了新的网络瓶颈。应用环境的迅速改变和相 关技术的飞跃发展，使得i n t e m e t 遇到了许多在设计初期没有预料到的困难和问题， i n t e m e t 的发展面临着严峻挑战。i n t e m e t 一些体系结构特征，如无结构的拓扑、平面地 址结构、拓扑与地址相分离等，在一定程度上已经成为i n t e r n e t 进一步发展的阻碍因素。 i n t e m e t 的体系结构需要进行变革，以便构造高性能、可扩展和可管理的下一代i n t e m e t 。 本章首先简要介绍i n t e r n e t 的现状、发展趋势和面临的挑战，分析现有解决方案存 在的问题，指出i n t e r n e t 需要根本的变革才能适应新的形势和要求，进而引出层次式交 换网络的概念；随后讨论了层次式交换网络的基本思想、体系结构及其部署，最后一部 分是本文的研究内容和组织结构。 1 1in t e r n e t 的现状以及面临的挑战 用户需求和技术进步以及两者之间的相互作用是驱动i n t e m e t 发展的关键力量。随 着应用领域的进一步商业化和网络技术的进步，i n t e m e t 的发展异常快速。同时，i n t e r n e t 的发展也面临着一些严峻挑战。 1 1 1i n t e r n e t 的现状、发展趋势 1 9 8 4 年1 月1 日t c p i p 成为a r p a n e t 上唯一的正式协议以后，a r p a n e t 上连 接的网络、主机和用户数目快速增长，同时，人们开始把互联的网络集合看作i n t e m e t 。 此时，i n t e m e t 还只是在学术界、政府、工业研究人员中比较流行。1 9 8 9 年，一种全新 的应用w w w ( w o r l d w i d ew e b ) 的出现改变了一切，使得数以百万计的普通用户 层次式交换网络服务质量控制机制研究 开始使用i n t e m e t 来获取、交流信息，w w w 成为了i n t e m e t 继续发展的巨大推动力量。 i n t e m e t 的网络规模持续扩大。i n t e m e t 上的主机数量迅速增加，用户数量呈指数级 增长 2 】。目前，i n t e m e t 上的用户数已达8 亿4 千万，主机数超过了2 亿台 3 。网络规 模的急剧扩展和传输成本的大幅下降，i n t e m e t 上流量的增长速度越来越快。从1 9 7 0 年 至1 9 8 2 年，i n t e m e t 上流量的增长速度为每2 1 个月翻一番；从1 9 8 3 年至1 9 9 7 年，i n t e m e t 流量每9 个月翻一番；自1 9 9 8 年以来，i n t e m e t 流量每6 个月翻一番。 用户数量的急剧增长带来了用户需求的多样性，也促使i n t e m e t 应用日益呈现出多 样性和个性化发展趋势。从电子邮件( e m a n ) 、文件传输( f t p ) 、远程登录( t e l n e t ) 等传统 的应用到i p 电话、视频会议、交互式游戏、远程教育等多媒体实时应用，i n t e r a c t 上的 应用和业务类型越来越丰富，呈现出“e v e r y t h i n go v e ri p ”的趋势。用户和用户需求的 多样性促进了网络服务向个性化方向发展。目前，i n t e m e t 已开始提供一些简单的“以用 户为中心”的个性化服务，例如，微软的n e t 护照服务( p a s s p o r ta u t h e n t i c a t i o ns e r v i c e ) 可以使用户在服务提供商( i n t e m e t s e r v i c ep r o v i d e r , i s p ) 的服务器上存储自己的电子邮件 地址、住址和喜好等个性化信息。当用户访问服务提供商的网站时，只需登录一次，就 可以在不同网址、服务器，甚至不同合作伙伴的网站上畅行无阻，这些个人信息将时刻 紧密相随。 未来i n t e m e t 将更快、更大、更安全、更及时、更方便，成为未来通信设施的统 平台。从业务的角度来看，i n t e r a c t 的发展呈现出以下的趋势和特征：1 ) 数据超过话音 占据主导地位 4 】。电信网络中，数据通信的业务量年增长率为4 0 5 0 ，呈指数级增 长，而话音业务量的年增长率仅为1 0 ，呈线性增长。很多电信运营商骨干网中数据的 业务量已经超过了话音的业务量。i n t e m e t 用户的觏模也是按指数级增长，同时i n t e m e t 上的主机数量、存储的信息量也增长迅速。数据通信已经占据了主导地位。2 ) i n t e m e t 迈入宽带时期。由于用户数量和业务需求的急剧增长，导致了今天正在发生的带宽爆炸 现象。带宽每6 - 9 个月扩宽1 倍而单位成本下降一半，这种发展速度比c p u 频率和运 算能力的增长速度要快2 3 倍。网络带宽的供应已经或即将不成问题，并且价格将持续 下跌。3 ) 业务种类的多样化和个性化。随着宽带i p 网络的建设，各种形式的宽带接入 技术得到大量应用，i n t e m e t 基本接入业务的种类就越来越多。传统的窄带业务( 如 w w w 、f t p 、i p 电话、i d c ，电子商务、统一消息服务等) 继续存在和发展，同时在 解决了带宽问题后，基于音频、视频流的各种新型的宽带增值业务( 如视频点播、交互 数字电视、远程教育、远程医疗、会议电视、v p n 等业务) 进入了成熟期，必将得到大 规模的应用和发展。网络服务类型进一步细分，服务内容将更加注重个性化。4 ) 高度 融合的网络。电信技术、数据通信技术、移动通信技术、有线电视技术及计算机技术等 相互融合，出现了大量的混合各种技术的产品。如路由器支持话音、交换机提供分组接 口等；传统独立的网络：固定与移动、话音和数据开始融合，逐步形成一个统一的网络。 未来的电信经营格局绝对不是数据和话音的地位之争，而更多地是数据、话音两种业务 的融合和促进。同时，图像业务也会成为未来电信业务的有机组成部分，从而形成话音、 第一章层次式交换网络 数据、图像三种在传统意义上完全不同的业务模式的全面融合。大量话音、数据、视频 融合的业务，如v o d 、v o l p 、i p 智能网、w 曲呼叫中心等业务不断广泛应用，网络融合 使得网络业务表现更为丰富。网络融合和业务融合必然导致传统的电信业、移动通信业、 有线电视业、数据通信业和信息服务业的融合，数据通信厂商、计算机厂商开始进入电 信制造业，传统电信厂商大量收购数据厂商。 从技术的角度来看随着i n t e m e t 技术的迅速发展，带动了从传输技术到网络软件 等几乎每个方面的发展。目前，比较典型的是d w d m 技术的发展。利用d w d m 技术， 光纤的传输容量能够以每3 “月翻一翻。一根光纤便可以承载t b p s 级的流量【2 ，5 1 。光 纤传输容量的大大提高，意昧着传输成本的下降。光通信技术的飞跃发展和网络中数据 流量全面超过话音流量，促使网络的体系结构做出相应变化以更好地提供服务。原来的 网络主要针对语音业务传输而设计，数据传输位于网络边缘，数据需要以语音的形式通 过网络核心。随着i p 业务成为主导业务，网络设计针对i p 业务进行优化成为必然。五 层的i p a t m s o n e t d w d m ，f i b e r 结构演变为【p 仍w d m 两层结构，成为了i po v e r d w d m 。结构层次数目的降低，一方面降低了实现的复杂性，同时也提供了更好的灵活 性 5 】。i n t e m e t 技术的发展，最终将实现计算机互联网、电话网和有线电视网的三网融 合，而这一切都是以全光传输网和i n t e m e t 为基础。目前，i n t e m e t 的基础设施正朝着网 络核心光网络互连边缘高性能路由器方向发展。i p 数据网与光网络体系结构也正逐步从 相互独立的分割模型向相互融合的统一模型发展。i po v c rd w d m 结构成为共识，i p 业 务直接在光纤上运行，网络从底层就开始支持i p 业务。 1 1 2 当前i n t e r n e t 面临的严峻挑战 i n t e r n e t 的成功得益于如下基本原则：1 ) 开放式的网络结构。i n t e r n e t 本质上是多个 网络或者自治系统的松散联合体。这些网络自治系统仅仅靠共同的地址空间和以自治系 统网络为单位的路由协议实现相互之间的连接。开放式的网络结构使得i n t e m e t 具有极 强的包容性和可扩展能力。i n t e m e t 规模爆炸式增长后还能正常、稳定的工作是最好的 证明。2 ) 端到端原贝u ( e n d - t o e n d p r i n c i p l e ) 6 】。端到端原则是口协议设计中的最核心原 则，即只要有可能，通信协议相关操作就由端系统完成，网络只是尽力进行数据传输。 根据这一原则，i p 层提供无连接的分组转发服务。分组所经过的每个节点根据分组携带 的信息独立自主地决定其转发路径，传输所需的处理被分散到了沿途所经过的每个节点 上。因此，i n t e m e t 本质上是一个规模巨大的分布式系统。也是基于端到端原则，服务 独立于网络之外，如可靠性确认、安全，甚至流量控制都由端系统利用应用层协议进行 处理。这大大降低了网络的复杂性，并且网络在提供可靠性保证的基础上也改善了自身 的可扩展能力。3 1 平面网络拓扑结构。i n t e m e t 的设计目标是保证极强的可靠性，故采 用了平面网络拓扑结构。尽管后来由于网络规模的扩大不得不采用了两层的路由结构， 但在本质上仍然是平面的。平面网状结构可以保持很高的连接性，同时具有很高的灵活 性，便于扩充。 层次式交换网络服务质量控制机制研究 i n t e m e t 取得了极大的成功。但是随着应用需求与环境、计算机与通讯技术、网络 规模等的快速发展，i n t e m e t 的发展遇到了一些问题，面临着严峻的挑战。总结起来， i n t e m e t 面临的严峻挑战主要是指路由设备瓶颈问题、服务质量保证问题、安全问题等。 路由设备瓶颈问题：随着网络规模的扩大，网络节点( 主要是路由器和交换机) 的处 理能力成为了制约i n t e m e t 继续发展的瓶颈。导致路由( 交换) 设备的瓶颈问题有两个原 因，一是路由器性能提升缓慢，一是链路带宽的迅速提高要求路由器端口速度和交换容 量相应的提高。路由器性能提升缓慢的根本原因在于复杂的分组处理操作，分组在路由 器内的处理工作包括处理i p 包报头以及报头选项、路由表查询、缓存分组以及处理相 关的路由策略等，其中路由表查询是分组处理的主要环节。核心路由器需要查询庞大的 路由表( 核心路由器中活动路由表项数目已经到达近1 6 万个 7 】) 。如此庞大的路由表， 不仅需要大量的内存，更为严重的是确定分组转发的下一跳所需的查表操作需要耗费大 量时间，核心路由器难于做到线速转发分组。无类域间路由( c l a s s l e s si n t e r - d o m a i n r o u t i n g ，c i d r ) f 8 1 在一定程度上减小了路由表表项增长的速度，但所需的最长匹配又给 路由表查询带来了新的挑战，路由，交换设备成为了网络的瓶颈。多协议标记交换 ( 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 ，m p l s ) 9 作为一种以交换代替路由的分组转发方式得到 了广泛关注。m p l s 的基本思想是以定长的标签映射代替最长匹配的路由表查询。不过 m p l s 中无法完全避免路由问题，只是减少路由表的查找次数，没有从根本上解决庞大 的路由表生成、查询等问题。另外，m p l s 给网络核心引入了复杂性，标签的生成、分 配、标签到端口的查询和映射、标签交换路径的生成、标签交换与其它协议的互操作等 均需要核心节点的参与。简化路由设备的功能，用交换替代路由是提升路由器性能的一 种方案，但需要克服交换本身的缺点以及避免由交换而引入的复杂性。这种矛盾在当前 i n t e m e t 体系结构下是不可避免的。 服务质量保证问题：随着i n t e m e t 的深入应用与发展，口将成为未来信息通信的主 导技术，i n t e m e t 正逐步成为通讯设旄的统一平台。各种业务均可由i n t e r n e t 来承载 ( e v e r y t h i n go v e ri p ) ，并以i n t e m e t 网为基础，最终实现数据、话音、图像的业务融合 和网络融合。网络应用的多样性，要求i n t e m e t 提供多种类型服务并保证传输质量。但 是，目前的i n t e m e t 无法提供服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 保证，原因包括：1 ) i n t e m e t 设计时并没有考虑服务质量保证问题。i n t e m e t 以无连接的方式提供一种服务，即尽力 而为( b e s t e f f o r t ) ，即网络尽力传输分组，但不对传输的服务质量作任何保证。分组在网 络传输过程中，可能经历较大的排队延迟，也可能会由于传输路径上某个节点缺乏资源 而被丢弃。2 ) i n t e m e t 的每包路由机制为提供服务质量保证支持造成了障碍。分组交换 具有很强的可靠性，但会导致一个应用的多个分组经过不同的路经传输。传输路径的不 固定，造成难于通过有效地资源预留来保证传输的服务质量。 为了在i n t e m e t 上提供服务质量支持，i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ) 作了大量 工作，提出了多种机制，主要包括i n t s e r v r s v p 1 0 ，1 1 ，1 2 】，d i t t s e r v 1 3 】- 基于m p l s 的流量工程( m p l s - t e ) 1 4 和q o sr o u t i n g 1 5 ，1 6 1 等。i n t s e r v r s v p 的特点是应用在 4 第一章层次式交抉网络 传输数据前用信令在传输路径上预留资源，其工作方式是基于单个流的。因此，节点 需要保存和维护大量的状态信息。存在较为严重的可扩展性问题。此外，r s v p 、许可 控制、分组调度和队列管理算法的有效实旄需要依赖于传输路径上的每个路由器，路由 器的负担较重。i n t s e r v 尽管能够提供严格的服务质量保证，但每流操作方式的开销极大、 可扩展性较差，使得i m s e r v r s v p 模型难于在大规模网络中真正部署。由于网络中流量 分布的随机性和突发性以及路由的动态特征，i n t s e r v r s