（计算机应用技术专业论文）微通信元架构中路由器qos的研究与实现.pdf

中文摘要 实用的网络体系结构都是层次结构，目前互联网使用的主流网络体系是 t c p i p 。由于最初的t c p i p 协议栈本来就是为了窄带文本数据而开发的，但是 随着全球互联网的蓬勃发展，随着高速网络技术和多媒体技术的飞速发展，人们 对网络的利用和依赖的增加，人们越来越多的提出了包括多媒体通信在内的综 合服务要求，各种新的网络服务不断涌现对网络互连的核心设备一路由器的性 能和功能都提出了更高的要求。 传统的层次结构网络的一个严重问题就是缺乏服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 保障。尽力而为”( b e s t e f f o r t ) 的服务模型下，所有的业务 流被”一视同仁”地公平地竞争网络资源，对i p 包传递地可靠性、延迟等不能提 供任何保证。 微通信元架构的特点之一就是要提供服务质量的保证，基于虚电路的通信 方式比基于数据报的通信方式能更好地保证网络的q o s 、能更好地对网络进行 安全控制，因此在微通信元系统架构中采用了虚电路的通信方式。与传统的只 提供无差别服务的路由器相比，服务元架构中的路由器能提供快速的分组转发 技术，根据应用的需求提供多种类型的服务。在保证吞吐量的同时满足分组在 带宽、延迟和丢失率等方面的要求。 我的这篇论文主要讲述用p c 机模拟实现基于微通信元系统构架的路由器 对q o s 的支持。首先介绍了服务元网络体系结构：接着介绍了q o s 的体系结构； 第四章介绍了基于微通信元系统构架的路由器对q o s 的支持；第五章则介绍了 基于微通信元系统构架的q o s 路由器模型的详细设计与实现；第六章介绍了路 由器q o s 模型的测试方法及测试结果。第七章进行了全文总结。 关键词：服务元，微通信元，q o s ，路由器 a b s t r a c t t h ep r a c t i c a ln e t w o r ka r c h i t e c t u r e si nu s ea r ea l ll a y e r e do n e s t c p i pi st h e m a i n s t r e a r nn e t w o r ka r c h i l e c t u r eu s e db yn o w a d a yi n t e r n e t b u lt h eo r i g i n a lt c w i p p r o t o c o ls u l t e sw e r ed e v e l o p e d f o rn a r r o w b a n db a s e dt e x td a t a w i t l lt h e f l o u r i s h i n g d e v e l o p m e n t o f t h e 口o b a li n t e r n e t ，t h em a k i n g u s eo fa n d r e l y i n g o nt h en e t w o r ka r e c o n t i n u o u s l yi n c r e a s i n g , v a r i o u s o fn e wn e t w o r ks e r v i c ea r ep o u r i n gi n ，s ot h e d e m a n d sf o rb e r e rn e t w o r kp e r f o r m a n c ea r eh i g h e ra n dh i 曲e r n e wi n t e g r a t e d s e r v i c e si n c l u d em u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o nw a sp u tf o r w a r d ，i ti sar e a lc h a l l e n g et o r o u t e r s sc a p a b i l i t ya n df u n c t i o n t h ec u r r e n ti n t e m e tp r o v i d e st h eb e s t e f f o r ts e r v i c e s i nt h i ss e r v i c em o d e l a l l o fs e r v i c e st r a f f i c sf 萄r l yo c c u p yn e l w o r kr e s o u r c e a n da n yr e l i a b i l i t ya n dd e l a yf o r i p p a c k e t s a r en o tg u a r a n t e e d t h ec u r r e n tb e s t - e f f o r ts e r v i c e s o b v i o u s l y a r e i n s u m c i e n tf o rt h o s ea p p l i c a t i o n sw i t hs o m es p e c i a ld e m a n d ss u c ha sb a n d w i d t h , d e l a y ，d e l a yj i t t e ra n d s oo n am a i n p r o b l e m i st h el a c ko f t h e q u a l i t yo f s e r v i c e m i c r oc o m r n u n i c a f i o ne l e m e n ta r c h i t e c t u r ep r o v i d e dag e n e r a lg u a r a n t e ef o r o o s t h eq o so f t h em i c r oc o m m u n i c a t i o ne 1 e m e n tb a s e do nv i r t u a lc i r c u i tw i l ld o b e r e rt h a nt h em o d eo nm e s s a g e a n da n dn e ts e c u r i t yc o n t r 0 1 s ow e m a i n l ya n a l y s e d t h ev i r t u a lc i r c u i tc o m m u n i c a t i o ni nm i c r oc o m m u n i c a t i o ne l e m e n ta r c h i t c c t u r e c o m p a r ew i t ht r a d i t i o n a lr o u t e r sw h i c ho n l yp r o v i d ei n d i s c r i m i n a t i o ns e r v i c e s ，t h e r o u t e r so nm i c r oc o m m u n i c a t i o ne l e m e n ta r c h i t e c t u r ec a nr a p i d l yt r a n s m i tg r o u p s a n dp r o v i d ev a r i o u so fs e r v i c e sb a s e do nt h en e e do fa p p l i c a t i o n i ta l s oc a na s s u r e d e m a n d so f t h r o u g h p u t ，b a n d w i d t h ，d e l a ya n ds oo n t h i sp a d e rd e s c r i b e sh o w t od e s i g na n dr e a l i z et h er o u t e rm o d e l s u p p o r t i n gt h e o o so np c p l a t f o r ma n dl i n u xo s ，a n d t e s ti t sp e r f o r m a n c e n l em a i nw o r k si nt h e p a p e ra r e ：f i s r t l y ，t h es u n a i so v e r v i e w e d ；t h e n ，t h em c e si so u t l i n e d ；c h a p t e r r n l r e ei n t r o d u c e st h eq o s sc o n c e p ta n dt e c h n i q u e s ；c h a p t e rf o u rs h o w sh o wt h e m c e s s u p p o r t st h eq o s ；c h a p t e rf i v ei n t r o d u c e st 1 1 ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f t h e r o u t e rm o d e lb a s e do nt h em c e s ；c h a p t e rs i xd e p i c t st h et e s tm e t h o da n dr e s u l t a b o u tt h er o u t e rq o s m o d e l ；f i n a l l y ，c h a p t e rs e v e ns u m m a r i z e s t h ew h o l ew o r k k 唧豳：s e r v i o c i h 武m h 州珊衄瑚血m d 哪日时s 细o l 既瞅q 峨r _ 岫： i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。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，也不包含 为获得电子科技大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名：墨壅塑! 日期：2 f 年5 月j 7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 。1， 签名：墨垒螫导师签名：l 釜兰k 日期：抄口5 年5 月一日 s e r v i c eu n i t 缩略词 服务元 s u n a ：s e r v i c eu n i tn e t w o r ka r c h i t e c t u r e 服务元网络体系结构 s d u ： m c e s n i c ： d m ： r p m ： u i ： s s u ： r t m ： i c m p r i p ： b q m ： a r p ： r a r p r t p ： r t c p ： o s p f ： t c p ： s e r v i c ed a t au n i t 服务数据单元 m i c r oc o m m u n i c a t i o ne l e m e n ts y s t e m 微通信元系统 n e t w o r ki n t e r f a c ec o n t r o l l e r 网络接口控制器 d is t r ib u t em a n a g e r r o u t e rp a r a m e t e rm o d u le u s e ri n t e r f a c e s u b m i ts e r v i c eu n i t r o u t e rt a b l em o d u l e 分发器 路由器参数模块 用户接口 递交服务元 路由表模块 i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l 网间控制报文协议 r o u t i n gi n f o r m a t i o np r o t o c o l选路信息协议 b u f f e rq u e u em o d u le 缓冲队列管理 a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l 协议地址解析协议 r e v e r s ea d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l 协议即反向地址解析 协议 r e a l t i m et r a n s p o r t 实时传输协议 r e a l t i m ec o n t r o lp r o t o c o l r t p 控制协议 0 p e ns p f开放s p f 协议 t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l传输控制协议 1 1 1 i p ： u d p ： r s v p q o s ： d s c p a t m ： m p l s p h b ： i n t e r n e tp r o t o c o l u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l 网间协议 用户数据报协议 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资源预留协议 0 u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sc o d e p o i n t 区分服务标记 a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e 异步传输模式 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 多协议标记交换 p e r h o p b e h a v i o r i n t s e r v ：i n t e g r a t e ds e r v i c e s 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 逐跳行为 综合服务 区分服务 微通信元构架中路由器q o s 的研究与实现 1 1 课题背景 第一章引言 随着高速网络技术和多媒体技术的发展，人们越来越多的提出了包括多媒体 通信在内的综合服务要求，目前互联网所使用的基于分组交换的t c p i p 体系是 基于层次体系结构的。因为在网络开发的初期，计算机网络的应用还只是学术研 究性质，网络的应用主要局限于一般文本数据信息的有效传输，同时底层通信技 术也不够发达，因此采用层次体系结构。使用层次体系结构可以简化协议设计的 复杂性。层具有封装性、隐蔽性和抽象性的特点，但层次结构功重复，实现复杂。 由于t c p i p 协议栈本来就是为了窄带文本数据的传输而开发，随着宽带网络和 多媒体技术的发展，对实时语音视频传送、网络安全，q o s 等方面提出了更高的 要求。为了保证o o s ，t c p i p 在各层( 甚至在层间) 打了一系列的补丁：资源预 留协议r s v p 、实时传输协议r t p 、实时传输控制协议r t c p 、i e e e 8 0 2 1 d 协议、 区分服务d i f f s e r v 和多协议标签交换m p l s 等。 由于全球互联网的蓬勃发展，人们对网络的利用和依赖的增加，t c p i p 层 次网络体系及互联网其它的局限所带来的矛盾也不断突出。为了满足日益紧迫的 网络应用的要求，在国内外网络界就进行了许多关于高性能的网络体系结构的研 究。我们提出了服务元网络体系结构，服务元网络体系结构去掉了分层次结构的 观念，它认为各个网络功能部件是一个个的服务元，服务元网络体系结构也是模 块化结构，模块是服务元。服务元是能够提供服务而又隐藏内部细节的最小实体。 服务元不接受服务，只提供服务。同现在流行的使用的t c p i p 体系结构相比， 它具有结构精简有效、效率高、容易扩展等优点。微通信元系统构架是8 0 5 教研 室自主开发的第一个基于服务元的网络系统。 对微通信元系统架构进行研究与实现，是研究新的网络体系结构，改善现有 网络服务的有益尝试。 1 2 课题任务简介及本人工作 本课题任务来自电子科技大学计算机学院新型网络研究室所承担开发的电 子科技大学的“十五”学科建设项目新型计算机网络体系结构及关键技术研 究。课题任务主要是基于l i n u x 系统平台，研究、设计并实现一个初步的基于服 务元网络体系结构的模型系统微通信元网络架构，并对此模型进行建模和仿 真，最终形成仿真和状态空间分析报告。课题任务的开发环境基于： 微通信元构架中路由器q o s 的研究与实现 硬件：p c 机， 软件：l i n u x 操作系统( k e r n e l2 4 2 8 ) ，g c c + g d b ， 在这个项目中，我分析了t c p i p 网络体系结构在对q o s 的支持上的设计弊 端，分析比较了几种实用的q o s 实现机制，密切配合课题组的其它成员，积极参 与服务元网络体系结构的分析、微通信元系统架构在虚电路方式下路由器对q o s 的支持，并负责基于虚电路的微通信元架构的路由器q o s 设计与实现，确定了 各个功能模块及模块与模块之间的接口，定义相关的数据结构，设计程序流程， 并搭建软硬件环境，编写相应代码，调试并保证了代码的成功运行，圆满完成了 任务。 1 3本论文结构 整篇文章都是围绕在微通信元系统构架下路由器q o s 的研究、设计和验证展 开的。 第一章：引言。介绍本课题的背景和来源。作者所做的工作以及论文结构。 第二章：服务元网络体系结构。主要分析了现有层次网络结构存在的问题， 对服务元网络体系结构进行了介绍，并在此基础上进一步对微通信元系统架构的 主要方面进行了阐述。 第三章：q o s 的体系结构。主要分析了q o s 的体系结构：i n t s e r v 、d i f f s e r v 、 i n t s e r vo v e rd i f f s e r v ，以及m p l s 网络的q o s 控制机制。 第四章：微通信元系统架构中路由器对q o s 的支持。本章首先详细分析了微 通信元系统架构的虚电路通信，进一步分析了基于虚电路的微通信元系统架构中 路由器对q o s 的支持及优势。 第五章：微通信元架构中路由器的q o s 的研究与实现。设置了相应的功能模 块、数据结构、程序搁受耻垮鞋 代码。 第六章：微通信元架构中路由器q o s 模型的测试。设计测试方案，得出结论 证实了设计的正确性和有效性。 第七章：结束语。对全文工作的总结，说明论文的使用价值及技术展望。 微通信元构架中路由器q o s 的研究与实现 第二章服务元网络体系结构 2 i 目前网络的特点及存在的缺焰 2 1 1 层次结构的特点 目前互联网所使用的t c p i p 体系是基于层次体系结构的。在i n t e r n e t 开发 的初期，计算机网络的应用还只是学术研究性质，网络的应用主要局限于一般数 据信息的有效传输，同时底层通信技术也不够发达，因此采用层次体系结构。其 出发点在于简化协议设计的复杂性。层由实体( 硬件和或软件) 构成，能够接 受下层提供的服务，并能向上层提供增值服务。层具有封装性、隐蔽性和抽象性， 层次结构功能重复，实现复杂。具体来说，现有的t c p i p 网络体系结构具有如 下的优点： 1 ) 体系结构的适应性好。这是因为在i n t e r n e t 的发展过程中，已经存在各 种各样的实际的网络技术，i n t e r n e t 通过t c p i p 将这些不同技术的网络连接在 一个大的互联网上。 2 ) 作为分层的体系结构，各个层次的功能相对独立，便于设计。 2 1 2t o p ip 协议存在的缺陷 随着全球互联网的蓬勃发展，人们对网络的利用和依赖的增加，t c p i p 层 次网络体系及互联网其它的局限所带来的矛盾也不断突出。主要表现在如下几个 方面： 1 ) 可扩展性差，不能满足多种网络服务的需要。随着技术的发展，对网络 的应用需求是不断提高，但是基于层次性体系结构的t c p i p 很难随意扩展，如 前所述，t c p i p 在设计之初就没有认真考虑各种服务质量的要求问题。目前在 主机上只提供了不可靠的数据报( u d p ) 服务和可靠的数据流( t c p ) 服务，路由 上采用的是简单的尽力转发机制，无法保证数据传输的时间特性( 延迟、抖动等) 。 只能在各层打补丁，来满足不断增加的需求。但是这样的结果，会降低网络通信 效率和计算机的处理性能。 2 ) 各层功能冗余。许多功能在不同的层次中都有处理，从而导致网络许多 微通信元架构中路由器0 0 s 的研究与实现 地方功能重复( 如校验) ，数据报文冗余信息多，层间地址多，处理复杂，并导 致整体性能的下降。 3 ) 没有能很好的支持网络传输的0 0 s 。层次结构不适合保证端到端的服务 质量。并且没有很好的安全保障机制。层次结构的优先级是分层处理的，各层的 优先级位数和类型不一致。如果各层处理不一致，则会造成混乱；如果致，则 会重复处理效率低。对于安全保障机制，作为一种开放的系统，最早是没有考虑 网络应用的安全性的，虽然现在开发了很多安全协议机制，但是网络安全仍然是 一个十分严重的问题。作为一个开放的层次固定的体系结构系统，黑客随时可以 方便的研究存在的漏洞来进行攻击，同时，由于网络的许多方面缺乏用户的有效 控制，信息都暴露在网络上，黑客也可以通过获得的相关信息进行拒绝服务，冒 充，破解等多种形式的网络攻击。为了保证信息安全，目前我国的关键网络只好 采用物理隔离的办法来防止来自外部的攻击，这大大降低了网络的使用效果，给 工作带来不便。 通过如上所述，我们知道，现在的基于t c p i p 的互联网网络技术在许多方 面已经越来越不能满足人们对网络的不断需求，特别是一些高级的网络服务，一 些敏感部门的网络需求。虽然t c p i p 也在不断发展，但是由于其开放性的固定 层次体系结构的限制，这种需求和限制的矛盾将是长期的。解决这个问题的根本 办法是设计更加合理的网络体系结构，给网络使用者更好的网络功能支持。因此， 无论国外还是国家都很重视网络体系结构的研究工作。 2 2 国内外网络体系结构相关研究介绍 国外网络体系结构的研究主要表现在两个方面，一个是在t c p i p 体系结构 上进行改进，满足日益紧追的网络应用的要求。 d c l a r k 和d t e n n e n h o u s e 在1 9 9 0 年提出了面向网络协议处理性能优化的 应用级组帧( a l f ) 的网络体系结构思想，试图消除传统o s i 参考模型中由于高 层协议分层过多而造成协议软件处理性能较低的不足。 d t e n n e n h o u s e 等人在1 9 9 6 年提出了可以在单个分组上进行资源分配和调 度的高性能网络模型主动网络技术，主动网络的网络节点不仅可以转发报文 而且可以通过执行附加程序来对报文进行处理。整个网络上的节点也都是可编程 的，可以执行用户定义的报文处理程序。该技术试图消除传统i n t e m e t 对所有分 组采用单一资源分配和调度的模式。 4 微通信元架构中路由器s 的研究与实现 1 9 9 7 年a l a z a r 提出可以根据应用需要，定制网络服务的可编程网络模型， 试图改变传统网络对所有应用只能提供固定服务的静态模式。 上述研究都是基于传统的层次结构网络，对网络的性能进行改善，但难以解 决层次结构自身存在的问题，如安全问题。 另外一个方面是开创一个新的网络体系结构。针对现在网络通信技术发展的 特点，结合网络应用的需要，进行新型网络体系结构的研究。 s t e f a nb o e c k i n g 提出的m c s ( m o d u l a rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 构架是一种 具有代表性的面向对象的网络体系结构。其出发点在于：满足不断涌现的应用对 于网络的不同性能和服务质量的需求。 在新型网络体系结构方面，美国有一个n e w a r c hp r o j e c t ，它是d a r p a 基金 支持下的，由u s ci n f o r m a t i o ns c i e n c e si n s t i t u t ec o m p u t e r n e t w o r k sd i v i s i o n 、m i t l a b o r a t o r yf o rc o m p u t e rs c i e n c e 、i c s i ( i n t e r n a t i o n a lc o m p u t e rs c i e n c ei n s t i t u t e ) 共同研究的一个项目，2 0 0 2 年1 0 月，b r a d e n 等人为了解决现有网络层间交互和 难于扩展新的服务的问题，提出了一种无层次的基于角色的网络体系结构。 基于角色的网络体系结构是一种新的非栈式的协议体系结构，称之为基于角 色的网络体系结构r b a ( r o l e b a s e da r c h i t e c t u r e ) 。它也是模块化结构，r b a 没有使用协议层，取而代之地使用称为角色( r o l e ) 的模块功能单元来组成通信系 统。角色并未按层次来进行组织，因而角色之间的互相连接( i n t e r c o n n e c t ) 将比 传统的协议层次要丰富得多。一个角色的输入输出部分是应用数据净载荷 ( p a y l o a d ) 和与特定的一些角色所对应的舍控制信息的元数据( m e t a d a t a ) 。这个 元数据( m e t a d a t a ) 类似于当前普遍采用的层次网络体系结构中的协议头。在各种 分组头部中，元数据不再是一个栈( s t a c k ) 的结构，而是一个协议头部“堆”( h e a p ) ， 即分组头部由一个容器所取代，容器可容纳各种大小尺寸的元数据子块。并且这 些元数据块可以通过模块化协议单元依任意的顺序来实现插入、访问、修改、删 除等功能。r b a 允许将现有的较大的协议如i p ，t c p 等进行模块化重组，使他 们变成许多小的单元从而与各种特定的任务对应起来。此类任务如：分组转发， 流量控制等等。每一个任务都是由功能可分的函数功能模块来组成并由r b a 中 的一个角色( r o l e ) 来完成。角色是对一个通信模块的功能性描述，如完成分组 转发或处理等功能。协议模块称为一个角色。通常角色成对地定义，而且每对都 是互补地，称之为对应的角色( r e f l e c t i v er o l e s ) ，如( 分片，重组) ，( 压缩，解 压) 等等。一些角色除了细节上有所不同外，通常具有相同的一般性功能，作者 把这些相关的角色归并在一起并称之为族( f a m i l i e s ) 。它们的一般性功能通常 徽通信元架构中路由器q o s 的研究与实现 抽象地表示成一般的角色( g e n e r i cr o l e ) ；特殊的角色可由一般的角色经过一个 或多个阶段的规定派生产生。 2 3服务元网络体系结构 针对现有分层网络中存在的层间功能重叠和复杂的分层处理过程所带来的 网络服务效率低下的问题，服务元网络体系结构提供给我们一个高效简洁的解决 之道。在这个模块化网络体系结构中，不同于层的概念，每一个基本网络服务功 能被定义为一个服务功能元素，而服务功能则定义为服务功能元素的集合。服务 元则就是具有独立性和扩展性的服务功能模块。服务元是能够提供服务而又隐藏 内部细节的最小实体( 软硬件) ；它只提供服务，而不接收服务；它不仅能为本 节点应用提供服务，不同节点的服务元还可以合作向某一节点或是整个网络提供 服务。 。 2 3 1 服务元的分类模型 服务元网络体系结构也是模块化结构，模块是服务元。服务元是能够提供服 务丽又隐藏内部细节的最小实体( 硬软件) 。服务元不接受服务，只提供服务。 服务元提供服务是通过服务数据单元s du 完成的。s d u 又称为包( p a c k e t ) 。 服务元是s d u 的发送者( 源) 、接收者( 目的) 、转发者( 递交) 或变换者。按 照启动服务的方式和与s d u 的关系，服务元可以分为五类，对应模型如图2 1 所示。其中，第一、二、三和四类服务元是s d u 的源和目的，用矩形表示。矩 形下方的下箭头和上箭头表示服务元按规定顺序发送或接收的一系列s d u 。 掏珊碉蝴 ，一、 j 二一、； 鹪糯 j 7 一、n j tt 、 图2 - 1 五类服务元模型 6 微通信元架构中路由器q 0 s 的研究与实现 第一类服务元由于执行系统调用而启动服务。矩形上方粗箭头表示执行系统 调用。粗箭头的方向表示应用的信息流向：上箭头表示接收；下箭头表示发送。 例如应用执行系统调用w r i t e ( ) ，启动有连接发送数据服务元，它把应用发送的 数据分成小块组成一系列的包发送，还要接收一系列的确认包。粗箭头的方向向 下。又例如应用执行系统调用c o n n e c t ( ) ，启动( 主动) 建立连接服务元，通过 三次握手建立连接。下方的上、下箭头表示先发出的第一次握手的包，再接收第 二次握手的包，后发出的第三次握手的包。如果应用为了接收而执行c o n n e c t ( ) 则粗箭头的方向向上。第一类服务元是为本节点( 应用) 提供服务的。对于没有 操作系统的节点，系统调用将被a p i 函数取代。 第二类服务元因网络发生不正常事件或请求帮助而启动服务，并主动向某节 点发警告或求助信息。第三类服务元由于收到此警告或求助信息而启动服务，进 行内部处理。i 节点的第二类服务元和j 节点的第三类服务元协作向i 节点或j 节点提供服务。例如当路由器收到数据报长度大于下一网段的最大传输单元时发 生错误，它的第二类服务元向源主机的第三类服务元发送目的站点不可到达的信 息。又例如i 节点i c m p 服务元求助j 节点i c m p 服务元进行可通性测量。 第四类服务元周期性地启动或收到相关包启动。其服务通过按规定顺序发送 和接收的一系列的包完成。并且通常是通过包的组播方式进行收发。例如路由选 择协议服务元，动态地为路由器填写路由表。路由递交类型服务元接收到的包按 路由表递交到相应端口。第四类服务元用于各相关节点协作为整个网络系统提供 服务。 第五类服务元由于s d u 的到来而启动服务并对s d u 进行变换后输出。三角 形上方的下箭头表示源于本节点s d u 的到来，输出的s d u 由三角形下方的下箭 头表示：三角形下方的上箭头表示源于其它节点s d u 的到来，产生的s d u 由三 角形上方的上箭头表示。例如压缩解压服务元、身份验证服务元、安全净荷服务 元和n i c 服务元等。由于第五类服务元功能是两两互逆的，我们将互逆的服务 元的两个三角形画在一起。 第五类服务元中，谁的输出作为谁的输入并不是固定的，只要收、发方匹配 即可。特例是n i c 服务元，它总是发送包所经过的本节点的最后一个服务元。 它一方面通过介质访问控制把本节点的包转换为b i t 流放在网络介质上，另一方 面从网络介质抓取b i t 流到本节点转换成包。考虑到：1 、网络接口层功能完全 由网卡完成，而服务团队其它服务元基本由主c p u 完成，二者可以并行；2 、由 于网络接口层只提供服务，并不接受服务，所以网卡既能作为层次结构的最下层， 又能作为新结构中的一个n i c 服务元。 微通信元架构中路由器0 0 s 的研究与实现 2 3 2 层的地址和i & 而t 1 t i 地址 现有的网络体系结构，无论是层次结构还是m c s 构架( 微通信元系统构架， 将在下一章介绍) 都认为层间服务访问点s a p 由层的地址来标识。问题是层的 地址只有两种：节点( 主机和路由器) 地址( 网号和网内节点号) 和端口号。所 以如果存在着二层以上的网络模型，则标识s a p 的地址就会重复。例如t c p p 中，传输层和应用层的地址都是端口号，网络接口层的m a c 地址和网络层的i p 地址都是节点地址。 在服务元网络体系结构中，将抛弃层的地址的概念，而采用端到端地址。 2 3 3 服务元功能元素及服务 表2 - 1网络各种服务功能元素 类服务功能元素对应包的域对应服务元 型 网位的编码和 络解码验错基本硬头和硬校验n i c 服务元 接成包和拆包 口m a c 介质分配 类 资源监控( 类r t c p )广义i c m p 专用域广义差错控制服务元 实资源预留( 类r s v p )类r s v p 专用域资源预留服务元 时 优先级处理仅基本软头优先级处理服务元 q o s 防抖动( 类r t p )类r t p 专用域类r t p 服务元 类 无 连发送数据基本硬头含校验无连接发数据服务元 接 服 务 类 接收数据同上无连接收数据服务元 有建立连接 建立连接服务元 连释放连接 释放连接服务元 接连接专用域( 含校 服验) 有连接发数据服务元 微通信元架构中路由器q o s 的研究与实现 务保序、流控、拥塞控制( 卡 类纠错)有连接收数据服务元 安加解密e s p 专用域安全净荷服务元 全数字认证a h 专用域认证服务元 类 报文在数据域o s p f 服务元 o s p f 路 报文在数据域融p 服务元 由r i p 类e g p报文在数据域e g p 服务元 b g p 报文在数据域b g p 服务元 d v m r p 报文在数据域d v m r p 服务元 单播递交仅基本头部单播递交服务元 组播递交仅基本头部组播递交服务元 源选径递交源选径专用域源选径递交服务元 其 他i c m p , i g m p , 分片报文在数据域各种广义差错控制服务 类元 每一个基本网络服务功能称为服务功能元素，而服务功能则定义为服务功能 元素的集合。纵观各种网络，其服务功能元素归纳如表2 1 第一列所示。某些 服务元素只在路由器中完成，例如o s p f 、r i p 、e g p 、b g p 、d v m r p 和各种路 由递交等功能。某些服务功能元素只能由主机完成，例如分片功能，对于宽带网 络而言，路由器和路由交换机等网络设备是不应参与分片的。应该采用类似i p v 6 的方法，当源主机所发包的尺寸大于某网络的最大传输单元m t u 时，网络设备 向源主机返回允许的包尺寸，源主机重发允许尺寸的包。 2 3 4 服务元网络体系的节点模型 应用的松散集合 服务元的有组织的集合 图2 - 2 服务元网络体系结构节点模型 节点模型分为两部分：应用群和服务团队。应用群只接受服务，服务团队只 提供服务。应用群包括应用基础( 网络管理和域名解析) 、典型应用( w w w 、 9 队 群 团 用 务 应 服 、0广llllj 微通信元架构中路由器0 0 s 的研究与实现 e m a i l 和f t p 等) 和一般应用。应用群是各种应用的松散集合。服务团队是服 务元的有组织的集合，它除了向本节点应用层提供服务外，还能和其它节点服务 元合作向整个网络系统提供服务或向某一节点提供服务。 2 3 5 服务元网络体系的优势 目前，实用的网络体系结构都是层次结构，例如o s i 、t c p i p 、s p x i p x 和 a t m 等。其中，o s i 参考模型被公认是壤严格的。尽管t c p i p 比o s i 等协议具 有较高的效率，但是功能冗余重复，影响了它在宽带网络中的应用。 在层次结构中，第r l 层向第n + l 层提供的服务s 椭+ 1 是第n - 1 层向本层提供 的服务s n 1 n 和本层自身提供的服务s 。的并集，记为： s 砒+ 】= s 。u s n l n( 1 ) 依次进行叠代后有： s 曲+ 1 = s n u s 。1 u s n - 2 s 2 u s l( 2 ) 由( 2 ) 可知，第n 层网络协议所提供的服务是第1 层到第n 层各层自身提 供服务的并集。为了提高效率，各层服务能力不应该其有交集，如果出现交集则 表示各层服务功能有重复。因为交集是不能提供增值服务的。 t c p i p 存在的低效率问题在于各层的服务能力具有大量的交集。而服务元 网络体系结构就解决了这个问题：分别讨论如下： ( 1 ) 抛弃t c p i p 多层检错的方式采取一次检错 检错能力定义为能检出错误的集合。如果多层检错，则总检错能力应为各层 检错能力之并集。但是t c p i p 多层检错的能力小于各层检错能力的总和。例如， 最常见的t c p i p 以太网中，在传输层，数据段的头部包含1 6 位效验和对数据报 的头部、伪头和数据进行检错；在网络层，数据段的头部也包含1 6 位效验和对 数据段的头部进行检错，但由于当数据段到达介质访问m a c 子层对所有的数据 将进行3 2 位循环冗余码( c r c ) 检错，所以这三层的检错能力仅仅等于介质访 问m a c 子层的检错能力。正是因为“i p 校验和的计算是i p v 4 的个主要开销” 1 0 l ，所以经过激烈的争论i p v 6 取消了校验和。遗憾的是在对峙争论中获胜的一 方仅仅解决了“i p 校验和多余”的问题，而不可能解决“t c p 校验和也多余” 的问题，因为他们的任务仅仅是制定网络层的i p v 6 。此外，采用多层检错时， 各层的包头检错的次数少于包的内容。显然，包头的错误比包内容的错误危害更 大。为了弥补这个缺陷，在t c p 和u d p 的包头部增加了伪头，伪头包含了源机 o 微通信元架构中路由器q o s 的研究与实现 器和目的机器的3 2 位i p 地址，协议编号以及数据段的字节数。在效验和的计算 中包括了伪头，这样就等于再次检查了i p 头的一些内容，但如前面所说传输层、 网络层和介质访问子层的检错能力仅仅等于介质访问子层的检错能力，所以其实 并未增强检错能力。 服务元网络体系采用一层纠错，只由硬件计算3 2 位循环冗余码( c r c ) ，并 填写在数据包尾部，这样解决了t c p i p 校验冗余的问题。 ( 2 ) 避免地址重复提高效率 例如在o s i 模型中i p 地址和m a c 地址都是一个节点的地址。但如果一个 网络设备要与另一个网络设备童接通信时需要同时知道对方设备的i p 地址和 m a c 地址，这样出现了a r p 协议即地址解析协议( a d d r e s s r e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) 和r a r p 协议即反向地址解析协议( r e v e r s ea d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) ，a r p 协议的功能是将i p 地址转化为m a c 地址，而r a r p 协议的功能为将m a c 地址 转化为i p 地址。这些协议无疑增加了开销。组播也存在着i p 地址到m a c 地址 的映射问题。 服务元网络体系只有一个端到端地址这样避免了地址重复带来的效率低下 的问题。 ( 3 ) 分片( s e g m e n t ) 问题 i p v 4 实现中当路由器收到的需要转发的包长大于要发往的网络规定的最大 包长时需要对数据包进行分片，传输层都要处理，不仅多次开销，而且无法避免 各层之间的交互。 服务元网络体系采用的办法是当路由器收到的需要转发的包长大于要发往 的网络规定的最大包长时向对方节点发送类型为目的地不可达的i c m p 报文，然 后丢弃该数据包。对方节点接收到i c m p 报文后将数据包分片再重新发送。 ( 4 ) t c p i p 协议栈本来就是为了窄带文本数据而开发的，所以仅仅网络层服 务类型具有分级分类标志，而且早期并未使用。后来随着宽带网络和多媒体技术 的发展，为了保证q o s ，在各层( 甚至在层间) 打了一系列的补丁：资源预留协 议r s v p 、实时传输协议r t p 、实时传输控制协议r t c p 、i e e e 8 0 2 1 d 协议、区 分服务d e f f s e r v 和多协议标签交换m p l s 等。这些技术相互重复且不一致，例 如各层的优先级位数和类型就不一致。关键在于优先级和类型本身就不适合于层 次结构，如果各层处理不一致，则会造成混乱；如果一致，则会重复处理效率低。 服务元网络体系只需次处理端对端的o o s 即可。 微通信元架构中路由器0 0 s 的研究与实现 ( 5 ) 由于层次结构功能重复还造成包头( 首部) 增长，传输效率降低。服务 元网络体系的包头没有冗余信息，所以传输效率高。 2 3 6 层次网络体系结构向服务元网络体系结构的过渡 服务元网络体系结构基本沿用原有的网卡，仅仅稍作改变( 将主机地址设为 网卡地址，主机地址可以由用户来设置，主机地址采用i p v 4 或i p v 6 的i p 地址) 就能使用。第一步保持系统调用不变，使t c p i p 的浩如烟海的应用程序和建立 在t c p 、u d p 上的所有软件都可以照常使用；第二步通过增添服务元，扩充系 统调用以便直接支持话音和视频信号的实时传送。服务元体系结构中，由于省去 了帧的处理，路由器甚至“第四层”交换机的硬件结构和包转发率和价格都将和 现在的第二层交换机相近。廉价的新网络系统通过包转换器和现有因特网相连使 过渡可以逐渐展开。 2 4 结论 在以服务元体系结构中，各个服务元是网络动能的集合，每一个服务元可能 属于某类网络服务功能，也可能属于另类