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邦州大学硕士学位论文区分服务中公平带宽分配及主动队列管理研究 摘要 随着网络技术的发展，用户对于基于网络的实时、多媒体应用的兴趣和需求 不断提高，如何发展、规划、改造现有的网络，以适应这样的变化，并满足用户 多样的需求也成为研究领域和业界需要解决的问题。区分服务模型即是为解决这 个问题而提出。在区分服务域中，存在着对带宽分配的公平性问题；同时队列管 理是区分服务中路由器实现分类和调节功能的重要组成部分，本论文即是对区分 服务下的公平带宽分配问题及主动队列管理算法进行了研究。 论文首先对两种服务模型，综合服务模型和区分服务模型做了介绍，然后介 绍了区分服务中的公平带宽分配问题，对引起带宽分配问题的标记器做了介绍， 同时在基于时间滑动窗口的三色标记器t s w t c m 的基础上提出了动态的数据包标 记算法，实验结果表明改进后的标记算法提高了汇聚流分配剩余带宽的公平性。 对现有的几个常用主动式队列管理算法进行了详细描述，论文主要对主动式 队列管理算法的代表算法一随机早期检测( r e d ) 算法进行了详细分析和论证， 讨论了r e d 算法的两个不足，参数配置不稳定和对网络流量变化的响应较慢。论 文最后根据对r e d 算法的分析，结合控制论中的反馈机制，提出了改进的r e d 算法d r e d 算法，并通过仿真实验进行了测试，实验数据结果表明，改进后 的算法在多个性能指标方面都较原算法有了一定提高。 关键词标记算法公平性随机早期检测反馈 郑州大学硕士学位论文区分服务中公平带宽分配及主动队列管理研究 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e t , v a r i o u sn e t w o r kb u s i n e s sh a v ep u t f o r w a r dh i g h e ra n dh i g h e rr e q u i r e m e n tt oq o s p e o p l e si n t e r e s t sa n dn c c d sa b o u tt h e r e n l - t i m ea p p l i c a t i o na n dm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o nb a s e d0 1 1n e t w o r ki sm o r ea n dm o i u r g e n t2 m ds o m ep r o b l e r a ，s u c ha sh o wt od e v e l o p 、d e p l o ya n dc h a n g et h ec u r r e n t n e t w o r kt oa d a p tt h i sc h a n g ea n dt om e e tp e o p l e sv a r i o u sd e m a n d s ，h a sb e e nu r g e n t i nt h er e s r c hr i d & t h ed i f l g e r vm o d e li sp u tf o r w a r dt os u | v et h i ss j 岫l a c i o 札t h e m o d e la l s oh a s $ o m ei s s u e s s u c ha st h eu n f a i r n e s so ft h eb a n d w i d t hd e p l o ya n dt h e p e r f o r c eo fq u e u em a n a g e m e n tw h i c hi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ec l a s s i f i e ra n d c o n d i t i o n e ro ft h em u t e r t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ef a i rb a n d w i d t hd e p l o ya n dt h e a c t i v eq u e u em a n a g e m e n ti nt h ed i f l s e r vn e t w o r k 1 1 1 ep a p e rf a s ti n t r o d u c e st h et w ok i n d so fs e r v i c em o d e l s t h ei n t s e r vm o d e l a n dt h ed i f f s e r vm o d e l ；a n dd i s c u s st h eu n f a i r n e s so ft h eb a n d w i d t hd e p l o yi nt h e d i f f s e r vn e t w o r ka n dt h em a r k e rw h i c hc a n s e dt h eu n f a i m e s so ft h eb a n d w i d t h d e p l o y t h e nan e wm a r k e ra l g o r i t h m ，w h i c hm a r kt h ep a c k e td y n a m i c a l l yb a s e d o nt h et s w t c m ( t i m es l i d i n gw i n d o wt h r e ec o l o rm a r k e r ) i sp r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h ea l g o r i t h mi m p r o v e st h ef a i rs h a r i n go fe x c e s s b a n d w i d t h t h ep a p e rd e s c r i b e ss e v e r a lc o m l l l o na q ma l g o r i t h m si nd e t a i l t h ep a p e r d i s c u s s e sa n da n a l y s e sr e d ( r a n d o me a r l yd e t e c t i o n ) a l g o r i t h m ，t h er e p r e s e n t a t i v e a l g o r i t h mo fa q m ，d i s c u s s e st w om a j o rs h o r t c o m i n g so fr e d ：t h ei n s t a b i l i t y d i s p o s i t i o no np a r a m e t e ra n dt h es l o wr e s p 0 璐et ot h en e t w o r k sl o a d f i n a l l y , t h e p a p e rp r o p o s e sa nr e da l g o r i t h m - - d r e da l g o r i t h m ，b a s e d0 nt h ef e e d b a c kt h e o r y i nt h et e n e lf i e l d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h ei m p r o v e da l g o r i t h mp e r f o r m s b e t t e rt h a nr e d k e y w o r d s ：m a r k i n g a l g o r i t h m f a i r n e s sr a n d o me a r l yd e t e c t o nf e e d b a c k 释卅l 大学硕士学位论文区分服务中公平带宽分配及主动队列管理研究 第一章引言 1 1 课题研究背景与问题的提出 随着i n t e r n e t 的飞速发展和互联网的普及，现有的互联网越来越不能适应 各种新的业务。伴随互联网用户数膨胀所出现的问胚也越来越严重，除了我们众 所周知的i p 地址匮乏外，另外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 eq o s ) “1 保障。 现有的互联网所提供的是“尽力而为”( b e s t - e f f o r t ) 的服务，在这种服 务模型下，所有的业务流“一视同仁”地公平地竞争网络资源，路由器对所有的 i p 包都采用先来先处理( f i r s tc o m ef i r s ts e r v i c ef c f s ) 的工作方式，它最 大努力将i p 包送达目的地。但对i p 包传递的可靠性、延迟等不能提供任何保证。 这只适合e m a i l 、f t p 、w w w 等业务。 但由于互联网的高速增长，i p 业务也得到了快速增长和多样化。特别是随 着多媒体业务的兴起，计算机已经不是单纯的处理数据的工具，而是越来越贴近 生活，计算机的交互越来越实时和生动，这对计算机互联网络也就相应地提出了 更高的要求。对那些有带宽、延迟、延迟抖动等特殊要求的应用来说，现有的“尽 力而为”的服务显然是不够的。尽管由于网络技术的发展，网络带宽以及网络速 度都得到了极大的提高，但需要通过网络传输的数据却也几乎以与网络发展速度 相同的速度增加，甚至超过网络发展的速度，这使得网络带宽与网络速度依然是 一个瓶颈问题。同时，近年来发展起来的一些新的应用( 如视频会议，组播应用 等) 不仅增加了网络流量，更因为这些应用改变了以往互联网上的流量性质，因 而它们需要全新的服务要求。由于不具备服务质量保障特性，不能预留带宽，不 能限定网络时延，因此，目前的因特网无法支持许多新的应用，如远程教学、远 程手术、远程会议和学术交流等。 为适应新的业务，提供对多种q 0 s 业务的支持，必须改进当今的i n t e r n e t 网络。近几年来，i pq o s 已成为国际上研究的热点世界各国的大学和研究机 构、标准化组织( i e t f 、a n s i 等) 、互联网产品开发商及网络运营商等纷纷投入 到这一研究和开发当中。 q o s 研究的目标是提供有效的端到端的服务质量控制或保证。近些年来i e t f 在此方面作了很多工作，先后提出了两种不同的i n t e r n e tq o s 体系结构：综合 帮州大学硕士学位论文 区分服务中公平带宽分配及主动队列管理研究 服务( i n t e g e r a t e ds e r v i c e s ，i n t s e r v ) 蜘和区分服务( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s 。 d i f f s e r v ) 瑚。区分服务的目标在于简单有效，在区分服务的边界，根据用户的 服务层协议( s l a ) ，数据包被标记为不同的优先级进入区分服务网络的内部，在 区分服务内部，队列调度算法根据不同的优先级选择调度，从而实现服务的可区 分性。在区分服务中，当网络中有剩余带宽时，各流应当根据各自的s l a 公平地 竞争带宽，然而各流对网络带宽的竞争能力是不同的。区分服务边界的标记器对 各流公平地竞争带宽有很大的影响，当前的一些标记器存在着不合理的标记算 法，使得带宽在各流之间不能公平地分配，本文讨论了区分服务中的标记算法， 对标记算法做出了改进；区分服务的核心一般采用主动式队列管理算法，主动队 列管理算法相对于被动式管理算法能很好地解决网络的拥塞问题，目前有许多的 主动式队列管理算法，但其中应用的比较广泛的是随机早期检测算法r e d 啪 ( r a n d o me a r l yd e t e c t i o n ) 。r e d 算法能有效地防止网络拥塞，但r e d 算法的 参数配置是一个难题，不合理的r e d 参数配置会大大降低网络性能。本文讨论了 r e d 算法的工作原理，提出了一种改进的r e d 算法。 2 国内外研究情况以及课题研究意义 相对于综合服务，区分服务的一个很大优势在于简单有效，这也是区分服务 的目标。事实上区分服务的提出正是在综合服务体系的发展遭到巨大障碍的时候 提出的。目前区分服务仍在不断发展，其相关概念、模型的定义仍处于讨论阶段。 它的体系结构已比较明确，许多基于区分服务的实现相继被提出，许多研究机构、 学校和制造商在为完善d i f f s e r v 网络体系进行研究。如欧洲g e a n t ( g i g a b i t n e t w o r k ) 组织的一个工作小组t n - n g n ，该小组的任务是解决网络传 输中对延迟与抖动的需求。 随机早期检测算法r e d 自1 9 9 3 年提出以来，受到了广泛的关注，许多新的主 动式队列管理算法也相继被提出目前关于r e d 算法的参数配置问题仍然研究的 较多一些相应的改进算法如自适应r e d ，r i o ( r e d _ i t hi n p u t o u t p u t ) 也是 人们研究的热点之一。有些厂商的路由器也内置了对r e d 算法的支持，如何有效 的防止网络出现拥塞，降低r e d 算法对参数的依赖性是目前研究的一个主要闯 题。 2 郑州大学硕士学位论文区分服务中公平带宽分配及主动队列管理研究 1 3 i p q o s 的定义 i pq o s 的研究目标是提供质量稳定、可预测的数据传输服务以满足客户应用 请求。有效地为用户提供端到端的服务质量控制或保证。o o s 就是使网络单元( 例 如发送数据的应用程序、主机或路由器) 能够在一定级别上确保它的业务流和服 务要求得到满足。o o s 并没有创造带宽，只是根据应用程序的需求以及网络状况 来管理带宽。i pq o s 有一套性能参数，主要包括： 1 ) 业务可用性 指用户到i n t e r n e t 业务之间连接的可靠性。 2 ) 传输延迟 指两个参照点之问发送和接收数据包的时间间隔。 3 ) 可变延迟 也称延迟抖动( j i t t e r ) ，指在同一条路由上发送的一组数据流中数据之间的 时间差异。 4 ) 吞吐量 指网络中发送数据包的速率，可用平均速率或峰值速率表示。 5 ) 丢包率 指网络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率。数据包丢失一般是由网络拥塞 引起的。 实现q o s 的一种方法是按照服务水平的要求分配资源给每一个数据流。这种 采用“资源预留”进行带宽分配的方法并不适合“尽力而为”型应用。由于带宽 资源是有限的，q o s 的设计者引入了优先级概念，使得在资源预留后“尽力而为” 服务的数据流的传输也能得到一定的保障。i pq o s 可以分为两种基本类型： 基于资源预留：网络资源按照某个业务的q o s 要求进行分配，制定资源管 理策略。互联网工程任务组i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 提出的 综合服务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ，i n t s e r v ) 体系结构便是基于这种策略，资 源预留协议阿( 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 ，r s v p ) 是其核心部分。 基于优先级：网络边界节点对业务流进行分类、整形、标记。核心节点按 照资源管理策略分配资源，对q o s 要求高的业务给以优先处理。i e t f 提出的区 分服务( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 便是基于这种策略。 1 4 论文组织 论文共分六章。第二章介绍解决i po o s 问题的所提出的两种网络模型，综 郑州大学硕士学位论文区分服务中公平带宽分配及主动队列管理研究 合服务模型( i n t s e r v r s 、，p ) 和区分服务模型( d i f f s e r v ) ，并提出本文所研究的 问题，详细介绍了论文实验所使用的仿真工具n s 2 御及其它工具；第三章详细介 绍了区分服务中汇聚流对剩余带宽分配的公平性问题，介绍了几种标记器，以及 这些标记器对公平带宽分配的影响，提出了一种改进的标记算法，给出了改进的 标记算法的描述和仿真结果。第四章详细介绍了现有主动式队列管理的几种主要 算法，着重对其中的r e d 算法进行了详细的介绍与分析。第五章在第四章讨论的 基础上，根据对r e d 算法在参数配置方面的讨论，提出了新的改进r e d 算 法- - - - - - d r e d ( 动态参数调节r e d ) ；并进行了一系列仿真实验；第六章对本 文进行总结，讨论了将来进一步工作。 1 5 论文的研究内容与主要创新点 1 对区分服务模型中汇聚流的公平带宽分配问题进行了分析。讨论了几种标记 器及这几种标记器对公平带宽分配的影响，提出了一种改进的标记器。经仿 真实验测试，表明在大部分情况下，改进后的标记器能提高汇聚流的带宽分 配的公平性。 2 对区分服务模型中的主动式队列管理( a q m 算法进行了分析，论述了现有 各主要算法的优缺点，为进一步研究a 哪算法提供了依据。 3 将反馈思想应用于a q m 算法的代表算法随机早期检测( r e d ) 中，经 仿真实验测试，改进后的算法在平均队长、数据包丢弃率和链路吞吐量上都 比自适应的r e d 算法有了提高。 4 郑丹f 大学硕士学位论文区分服务中公平带宽分配及主动队列管理研究 第二章综合服务模型和区分服务模型 2 1 概述 到目前为止，i e t f 已经提出了多种服务体系和模型来满足各种q 0 s 的需要。 但是，目前i n t e r n e t 中现有的传输模式仍为单一的尽力而为( b e s t - e f f o r t ) 型 服务显然，由于i n t e r n e t 的迅猛发展，多媒体应用种类和数量的增加，这种 尽力而为的服务远远满足不了日益增长的网络资源需求。为了提供更好的网络服 务质量，i e t f 在1 9 9 7 年酝酿并于1 9 9 8 年提出了i n t e r n e t 区分服务( d i f f s e r v ) 模型，从而避免体系复杂性，提供一种具有良好可扩展性的q o s 解决方案，区分 服务( d i f f s e r v ) 模型的核心思想是“边缘分类，内部转发”本章首先介绍了 i n t s e r v r s v p 嘲和d i f f s e r v 啪两种服务模型，其中对区分服务模型做了详细说 明，其中着重对实现区分服务边缘节点分类、调节功能的分类器、调节器作了详 细介绍和分析。 2 2 综合服务模型和资源预留协议 2 2 1 资源预留协议r s v p i n t - s e r v r s v p 服务模型在i e t fr f c l 6 3 3 中进行了定义r f c l 6 3 3 将资源预 留协议r s v p 作为i n t s e r v 结构中的主要信令协议。其基本思想就在于以资源预 留的方式来实现q o s 保障，r s v p 是其核心部分。r s v p 是主机用来从应用程序获 得特定的q o s 的一种控制协议，完成综合服务需要定义的呼叫接纳控制功能和资 源预留功能。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保留的 网络资源( 如带宽及缓冲区大小等) ，同时也确定沿传送路径的各个节点传输处 理策略，从而对每个业务流实现逐个控制。 在服务层次上，i n t s e r v r s v p 提供了3 种级别的业务； 1 ) 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 ) ：保证带宽、限制延迟，无 丢包。 2 ) 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 ) ：类似于在当前的一个负载较 轻网络中实现的尽力而为业务的服务质量。 3 ) 尽力而为的服务( b e s te f f o r ts e r v i c e ) ：类似当前i n t e r n e t 在提供的尽力 而为的服务。 在结构层次上，i n t s e r v r s v p 服务模型主要由四个部分构成：信令协议 5 郑州大学硕士学位论文 区分服务中公平带宽分配及主动队列管理研究 r s 、，p ，接入控制器( a d m i s s i o nc o n t r o lr o u t i n e s ) ，分类器( c l a s s i f i e r ) 以 及包调度器( p a c k e ts c h e d u l e r ) 。 在实现层次上，综合服务需要所有路由器在控制路径上处理每个流的信令消 息并维护每个流的路径状态和资源预留状态，在数据路径上执行流的分类、调度 和缓冲区管理。具体而言，资源预留协议r s v p 负责逐节点( h o p - b y - h o p ) 地建 立或者拆除每个流的资源预留软状态( s o f ts t a t e ) ，也即建立或拆除数据传输 路径；接入控制器将决定是否接受一个资源预留请求，其根据是链路和网络节点 的资源使用情况以及q o s 请求的具体要求；分类器则对传输的数据包分类成不同 韵传输流，i n t s e r v 常用的分类器是多域( m u l t i - f i e l d ，b l f ) 分类器，当路由器 接收到数据包时，它根据数据包头部的多个域( 如5 元组：源口地址，目的m 地址，源端口号，目的端口号，传输协议) ，将数据包放入相应的队列中；调度 器则根据不同的策略对各个队列中的数据包进行调度转发。 资源预留协议r s v p 早在1 9 9 3 年就被提出，用于为口网提供o o s 能力。 1 9 9 7 年初i e t f 批准r s v p 成为r f c 文件，在i n t s c r v 工作组内进行标准制定工 作。r s v p 是一种提供预留设置和控制以实现综合服务的协议，是所有q o s 协议 中最复杂的。r s v p 资源预留请求包括流规格说明( t s p e c ) 、资源预留规格说 明( r s p e c ) 和过滤器规格说明( f i l t e rs p e c ) ，它们一起称为“流描述符”( f l o w d e s - c r i p t o r ) 。资源预留请求中的流规格说明通常包含服务类型和数字参数集合。 预留说明和业务流说明决定于综合服务模型并且对r s v p 来说是透明的。过滤器 规格说明的格式依赖于所使用的网络层协议，即i p v 4 或口v 6 。目前所用的r s v p 中定义的基本过滤器规格说明格式具有严格的形式：发送端口地址和可选的 t c p u d p 端口号。在服务保证、资源分配的粒度和对保证q o s 应用及用户反馈 的细节等方面r s v p 都能提供最高级的q o s 。归纳起来，r s v p 有以下6 个特点： 1 ) 在每一个路由器中的预留是“软”，这意昧着需要由接收者周期地更新。 2 ) r s v p 不是传输协议而是网络( 控制) 协议，它不携带数据，但是和t c p 或 u d p 数据流并行工作。 3 ) 应用要求a p i 决定流的初始预留请求，并且接收在经过初始请求和全过程中 预留成功或失败的通知 4 ) 为了能够容纳大量不同的接收者，预留是以接收端驱动的( r e c e i v e r - d r i v e n ) 5 ) 多播的预留在上行的数据流复制点上被结合。 6 捧州大学硕士学位论文区分服务中公平带宽分配及主动队列管理研究 6 ) r s v p 数据流可以通过不支持r s v p 的路由器，这会在q o s 链上产生弱链路， 在这些弱链路上无法提供q o s 保证，因而此时的服务就是尽力而为型的 r s v p 可以看作是配置业务处理的机制，综合服务则是在r s v p 信令基础上 够用以提供端到端o o s 保证的体系结构。i n t s e r v 设定网络设备支持业务的处理 机制，保证每一个业务流严格独立于其他业务流的服务，并设定提供特定量化资 源的服务 i n t s v r v r s v p 服务模型对传统l n t o m e t 体系结构的扩展主要包括在路由器中 保存业务流状态信息以及明确的状态建立机制。这种模型在路由器中所保存的业 务流状态信息是软状态信息，由于软状态信息在路由器发生错误时容易通过 r s v p 信令刷新而隐含地拆除并在另外路由器中重建业务流状态信息，而硬状态 信息( h a r ds t a t e ) 需要明确地拆除状态信息，因而保持了网络体系结构的鲁棒性 ( r o b u s t n e s s ) 。同时，由于这种模型有效地集成了各种实时应用和非实时应用， 因而保持了网络的效率。另外，由于兼容了传统网络体系结构和协议栈，因此能 对网络进行有效的管理。 2 2 2i n t s e r v r s v p 的缺陷 从理论上讲i n t s e r v r s v p 模型完全可以保证为i p 网络提供q o s 保障。但随 后在一些网上的实验表明这种服务模型有很明显的局限性，这些问题主要表现 在：扩展性差：要求核心路由器必须保持经过它的每一个单个数据流的状态。另 外，尽管主要的路由器生产商和主机都支持r s v p ，r s v p 也被广泛接受，但是 它始终没有成为主流，原因是i s p 们不愿意采用它，所以很少有大型网络采用它 m ，人们认识到r s v p 的出路在于与区分服务配合工作，相辅相成。下面对综合 模型的缺陷作简要分析： 1 ) 扩展性差：可扩展性是i n t s e r v r s v p 模型最致命的一个问题，其基于流的资 源预留、调度处理以及缓冲区管理，有利于提供q o s 保证，但状态信息随业 务流数量的增长而增长，沿途的路由器要为每个数据流都维持一个“软状态”， 而路由器的存储器容量有限，可以保存的软状态信息都是有限的，在一个运营 商规模的网络中几乎不可能实现这一要求。 2 ) 对路由器的要求过高：网络中所有的路由器都必须支持r s v p 信令协议，接 入控制程序，分类器以及调度器。 7 郑州大学硕士学位论文区分服务中公平带宽分配及主动队列管理研究 3 ) r s v p 中引入每流状态( p e r - f l o ws t a t e ) 的概念，对于数据通信和实时应用通 信而言，口网络同时扮演了面向无连接和面向连接网络的两个不同角色，提 供两种功能，这与其简化设计原则相抵触。资源预留不适用于短时流，比如 w e b 流等，而在因特网中w e b 流量超过了5 0 。 4 ) i n t s e r v r s v p 还存在着资源预留和路由协议之间的矛盾。即r s v p 选择的传送 路径与路由协议选择的传输路径之间存在着冲突。 因此，要实现i n t s e r v 的q o s 保证是很困难的，它需要基于流的、复杂的资 源预留、接纳控制、q o s 路由和调度机制。在诸如互联网这种复杂的、大规模的 网络中，链路状态是不确定的，有效地预留带宽资源非常困难。而且资源预留本 身就与讲网络的最大特点“无连接”相冲突。更重要地问题就是i n t s e r v 面临地 可扩展性( s c a l a b i l i t y ) 问题和鲁棒性( r u b u s t n e s s ) 问题，这主要是因为在分布 式网络环境中，很难维持动态的、可复制的传输流状态一致性。 早期的i n t s e r v 是面向单流的，在路由器配置和使用多域分类准则，这给路 由器尤其是主干网络核心路由器带来了巨大负荷。为了增加i n t s e r v 的扩展性， 近期r s v p 已经开始支持流聚集【8 一，即将沿相同业务流传输路径流聚合成宏流 ( m a c r o - f l o w ) ，按宏流来预留资源。这虽然减轻了核心路由器的一些负担，但 i n t s e r v 本身的体系结构已经决定了其高复杂性，而且由于路径数是边界节点数 的平方，宏流数仍然很庞大。 由于i r i t s e r v r s v p 体系存在着诸多问题，一种新的体系结构便应运而生， 这就是区分服务体系结构( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ，d i f l s e r v ) 。 2 。3 区分服务模型( d i f f s e r v ) 2 3 1d i f f s e r v 概述 d i f f s e r v 模型的基本思想是：在网络边缘将业务流按q o s 要求迸行简单分 类，不同的类在内部路由器的每次转发中实现不同的转发特性也就是说， d i f f s e r v 是一种基于业务分类及其相关质量保证策略的体系，在大的口网络中， 它不需要对每个流的预留状态进行维护，而是根据用户的需求将业务分为多种类 型，将p 包头的t o s 域( i p v 4 ) 重新定义为d s 1 0 】标志域( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s 郑州大学硕士学位论文区分服务中公平带宽分配及主动队列管理研究 c o d e p o i n t , d s c p ) ，网络节点读取数据包的d s c p 值，选择相应的逐跳行为( p e r h o pb e h a v i o r , p h b ) 对数据包进行处理。并将r s v p 网络控制协议的使用仅局限 在用户网络一侧，而将骨干传送网从复杂的资源预留中解脱出来。d i f 毽e r v 也是 基于策略的网络模型，它根据网络支持的策略为路由器设定多种p h b ，也就是 说，不同的p h b 可以采用不同的队列策略、时延处理、丢包策略、路由规则以 及资源分配和预留策略。d i f f s e r v 最大特点就是简单有效、扩展性强。其实施特 点是采用聚合的机丧4 将具有相同特性的若干业务流聚合起来，为整个聚合流提供 服务，而不再面向单个业务流。也就是说在d f i n e r y 网络边界路由器上保持每流 状态，核心路由器只负责数据包的转发而不保持状态信息。这种c o r e - s t a t e l e s s 结构有很强的扩展性。其基本实现方法是： 1 ) 简化网络内部节点的服务机制。在网络内部的核心路由器中只保存简单 的d s c p ( d f 毽e r vc o d e p o i n t ) 与p h b 的对应机制，在数据流进入核心路由器 时只根据数据包头部d s ( d i f f e r - e n t i a t e ds e r v i c e s ) 域中的d s c p 进行转发，不 再为不同的业务提供不同的q o s 保证策略；而业务流状态信息的保存与流监控 机制的实现等都在网络边界节点进行，内部节点是状态无关的。 2 ) 简化网络内部路由器的服务对象，或者说聚合网络内部核心路由器的服 务对象。采用流聚集的方式进行传输控制，具有相同d s c p 的业务流组成一个宏 流( m a c r o f l o w ) ，核心路由器的服务对象是宏流而不是单流( m i c r o f l o w ) ， 单流信息只在网络边界节点保存和处理。 d i f f s e r v 大大降低了信令的工作，而将重点放在流聚集以及适用于全网业务 等级的一套“逐跳行为”上。我们可以根据预先确定的规则对数据流进行分类， 从而将多种应用数据流聚集为有限的几种数据流等级。具体而言，边界节点根据 用户的流规格( p r o f i l e ) 和资源预留信息对业务流进行分类、整形、标记、聚合 为不同的流聚集，流聚集信息包含在报文m 头部的d s c p 标记域中核心路由 器在调度转发m 包时以流聚集为服务对象，根据口包头不同的d s c p 提供不同 的转发服务质量，这种对不同类型的数据报进行转发的方式，称为“逐跳行为” ( p e r - h o p - b e h a v i o r ，p h b ) ，实际上是一种相对优先级机制。 实际上，按照d s 域的标记，以相应方式提供不同质量的数据包转发服务， 也正是区分服务名字的由来。 9 邦，i f 大学硕士学位论文区分服务中公平带宽分配及主动队列管理研究 2 3 2 区分服务的体系结构 虽然d i f i s e r v 仍在不断的发展，一些标准仍在制定、完善之中，但经过几 年的发展，d i f f s e r v 的相关概念及模型已经比较成熟了，d i f f s e r v 体系结构也已 经比较明确t i n 】。在此基础上，与服务提供有关的问题，如d s c p 的定义、p h b 服务的定义等等已逐步完善区分服务体系结构如图2 1 所示。 图2 1 区分服务体系结构示意图 其中的d i f f s e r v 区域是由一些相连的d i f l s e r v 节点构成的集合，它们有统 一的服务提供策略，且实现一致的p h b 组，比如某个i s p 的网络或者内部网。 每个d s 区域通过边界节点( b o u n d a r yn o d e ) 与非d s 区域相连，根据不同的数 据流传输方向，边界节点可以分为入口节点和出口节点。 为了保证用户能从i s p 那里获得所需要的服务质量，用户必须和i s p 之问 签订有服务等级协定( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ，s l a ) ，而i s p 之间也必须建立 业务流调节协定( t r a f f i cc o n d i t i o na g r e e m e n t , t c a ) ，s l a 规范了i s p 对客户 端网络所支持的业务类别以及每种类别的业务流数量，t c a 则规范了i s p 之间 的数据流应该满足的一些约定。这样，当有数据流进入d s 区域时，入口节点对 其进行分类( c l a s s i f i e r ) 、调节( c o n d i t i o n ) ，保存流( 单流或聚合流) 的状态 信息，根据事先和用户约定的流规格对流进行计量( m e t e r i n g ) 、标记( m a r k i n g ) 、 整形( s h a r p i n g ) 、丢弃( d r o p p i n g ) 等，以使输入流符合s l a ，同时在包头标 记d s c p 值，并将其加入相应的行为聚集b a ( b e h a v i o r a g g r e g a t e ) 。出1 ：3 节点 也可能需要对输出流进行调节，以保证其与下游d s 区域的t c a 相符。 1 0 蓦州大学硕士学位论文 区分服务中公平带宽分配及主动队列管理研究 d i f 毽e r v 区( r e g i o n ) 则是由连续的d s 区域构成一个d s 区内的d s 区域 可以支持不同的p h b 组，并且各自区域的d s c p 到p h b 的映射函数也可能不相 同在不同的d s 区域之问，必须对s l a 和t c a 进行调节，以协调彼此之间的 服务语义。这样，通过在上游d s 区域和下游d s 区域之问建立s l a 或t c a ， 区分服务可以扩展到多个d s 区域。 在图2 1 中，我们假设客户端网络已经和i s p 建立了相应的s l a ，i s p 之间 也建立了t c a 如果客户端网络中的主机a 向另一客户端网络的主机b 发送数 据流，则数据包在客户端网络中路由到达与它直接相连的i s p 的网络n 1 ，边界 路由器e 1 根据用户与i s p 之问的s l a 通过查看数据包的头部信息对它进行分 类、监控、标记以及整形，以使它符合s l a 。被标记了d s c p 的数据包在n l 中 传输，直到到达n 1 的出口节点在n l 的出口节点，边界路由器根据n 1 与n 2 之间的t c a 对业务流进行整形，使它符合n l 与n 2 网络之间的t c a 。业务流 依次通过中间的每个i s p ，最后到达接收端所在的客户端网络。 在客户端网络与i s p 建立的s l a 有两种形式：静态s l a 和动态s l a 。静态 s l a 根据具体的策略由网络操作员事先确定客户网络所需要的网络资源，并一 直为客户端网络保留相应的资源，这样，客户端网络在发送数据流的时候，并不 需要向i s p 申请网络资源。显然，这种s l a 实现简单，但缺乏灵活性，网络资 源利用率不高。动态s l a 则相反，它提供了较强的灵活性。当客户网络需要发 送数据时，它首先向i s p 申请网络资源，i s p 根据客户请求分配资源，并在边界 节点建立起相应的s l a 。动态s l a 可以使用带宽代理( b 锄捌d t l lb r o k e r , b b ) 动态s l a 的结构如图2 2 所示 图2 2b b 结构示意图 郑州大学硕士学位论文 区分服务中公平带宽分配及主动队列管理研究 2 3 3 区分服务模型的组成部分 2 3 3 1d s 标记域与区分服务标记d s c p 口包头部的区分服务标记域( d sf i e l d ) 是d s 区域边缘节点和内部节点传 输流聚集信息的媒介，是内部核心路由器转发报文的依据，是连接报文与转发服 务( p h b ) 的桥梁，也是边界节点与其它d s 区域根据t c a 进行调节的依据 d s 标记域定义为i p v 4 头部的t o s ( t y p eo f s e r v i c e ) 字节或i p v 6 头部的流 类型( t r a f f i cc l a s s ) 字节。如图2 3 历示。其中d s c p ( 6 b i t ) 即为区分服务标 记，c u ( 2 b i t ) 在本体系中没有使用，m ，r f 已将它定义为e c n ( e x p l i c i tc o n g e s t i o n n o t i f i c a t i o n ，显式拥塞指示) 使用。对于不支持c u 域的路由器，当决定所收到 的报文的p i - i b 时，将忽略c u 的值；对于不支持该域的主机，在发送数据包的 时候，将该域的值置零。下行节点则通过识别这个字段，获取信息来处理到达输 入端口的数据包，并将它们正确地转发给下一跳的路由器。 d56t 二亘二日 口谢l o s 字节或看i p 访：；i c 类型字节 d 9 口：睡纷服务标记 c u - 保罄给e 积 图2 3i p 包头的区分服务标记域 d s c p 是区分服务标记域中的具体值，用来标志数据包所属的流聚集，供数 据包经过d s 节点诗选择特定的p h b 。每个d s 节点均有一个d s c p 值与p h b 的映射关系表。每个分组根据其包头中的值获取相应的网络资源和处理策略，并 以此选择相应的p h b 。 2 3 3 2 区分服务中的分类和调节机制 为了使用户数据流符合s l a 和t c a ，边界节点要对其进行分类和调节，因 而从功能上可以分为两个模块：分类器( c l a s s i f i e r ) 和调节器( c o n d i t i o n e r ) ， 如图2 4 所示。 圆一 囤j 吨推一 图2 4 边界结点对数据包进行分类和调节示意图 1 2 邦州大学硕士学位论文区分服务中公平带宽分配及主动队列管理研究 分类器根据数据包头部的某些域( 如d s c p 或m f 五元组) 对数据包进行分 类目前定义了两种类型的分类器： l 、行为聚集( b e h a v i o ra g g r e g a t e ，b a ) 分类器：根据包头的d s c p 来对 包进行分类。 2 、多域( m u l t i f i e l d ，m f ) 分类器：根据包头部中多个域内容的组合来进 行分类，如源地址、目标地址、d s 域，协议标识、源端口号以及目标端口号等。 从功能上，调节器可分为计量器( m e t e r ) 、标记器( m a r k e r ) 、整形器( s h a r p e r ) 和丢包器( d r o p p e r ) 计量器 计量器提供用于确定一个分组是否超出业务量描述( p r o f i l e ) 的计量功能。 在d i f f s e r v 网络中，计量器依据t c a 中所规范的业务流要求测量被分类器所选 定的业务流的某些实时属性，如速率等，并将所测量到的数据包的统计信息送往 其它的调节功能模块，标记器、整形器和丢包器。 标记器 当分组通过计量器，路由器将计量器的统计信息传到标记器。标记器将对那 些超出其业务量描述的分组采取相应的行动：管n ( p o l i c y ) 或者标记。管制是一 种硬性行为一一超出业务量描述的分组被简单的丢弃；标记则采取相对灵活的措 施一一超出业务量描述的分组通过修改头中的一个或多个比特位而被标记( 而非 丢弃) 且传递到路由器的输出队列。设置报文的d s 域为一特定的d s c p ，并将 标记了的包添加到一特定的d s 行为聚集中。标记器可以将经过分类器分类后交 给它处理的所有分组包标记为同一个d s c p 值，也可以配置成根据计量器的统计 信息将其标记为同一p h b 组内不同p h b 所对应的d s c p 值。 在d i f f s e r v 中，标记常常拨称为“颜色”( c o l o r ) ，如“单速率三色标记 器”和“双速率三色标记器都是用三种颜色1 1 2 j 3 来表示相应的在业务量描述内和 超出描述的三个等级。 整形器 整形器和丢包器则通过延迟或丢弃业务流中的包使得业务流符合t c a 流规 范类似于管制或标记，对速率的整形是用作限制或约束某些业务流的不可预测 郑州大学硕士学位论文区分服务中公平带宽分配及主动队列管理