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基于i p c g 的自适应q o s 技术研究与应用 中文摘要 基于i p c g 的自适应q o s 技术研究与应用 中文摘要 随着广泛应用的多媒体业务对网络带宽的需求越来越大，网络带宽瓶颈显得越来 越突出。服务质量( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 是解决这一问题的一个可选方案。 本文在分析用户需求的基础上，结合口控制网关( i p c g ，i pc o n t r o lg a t e w a y ) 的体系结构，提出i n t s e r v 与d i f f s e r v 相结合的方法，为用户提供q o s 保证。同时， 接入控制和传输过程中采用自适应控制的方法，在保证用户服务质量和实时应用服务 质量的同时，管理和最大化的利用网络资源。 针对i p c g 中存在的q o s 需求，本文首先将q o s 应用到i p c g 中，设计并实现了 用户优先级和数据包优先级相结合的q o s 系统。该系统将用户数据包按用户优先级 分类，为用户提供与其优先级相匹配的q o s 保证。 其次，由于i p c g 的可用资源、在线用户、用户的q o s 需求以及优先级的相对关 系在运行过程不是恒定不变的，静态q o s 策略能保证用户服务质量，却不能充分利 用系统的资源，造成资源浪费，降低了i p c g 的吞吐量和系统的服务能力。因此在实 现q o s 的基础上，又提出基于i p c g 的自适应q o s 管理方案。该管理方案能够根据 系统的运行情况动态地调整q o s 映射关系、q o s 策略以及优先级队列的q o s 参数， 从而动态地改变用户的q o s 指标，使其适合当前的网络状况。 最后，实验证明自适应q o s 能使i p c g 在网络资源的分配过程中，不仅能为不同 优先级的用户和不同的应用提供q o s 保证，而且能最大化的提高网络资源的利用率。 关键词：i p 控制网关，服务质量，自适应服务质量 作者：朱碧贤 导师：朱巧明 a b s t r a c tr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f a d a p t i v eq o sb a s e d0 1 1i pc o n t r o lg a t e w a y r e s e a r c ha nd a p p l i c a t i o no fa d a p t i v eq o s b a s e do ni p c o n t r o lg a t e w a y a b s t r a c t w i t hi n c r e a s i n gm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sr u n n i n go nt h ei n t e m e t , t h eb a n d w i d t h b e c a m et h eb o t t l e n e c kf o rd a t at r a n s f e r r i n g q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) i sa na p p r o p r i a t e a p p r o a c ht os o l v es u c hp r o b l e m b a s e do nt h ea n a l y s i so fu s e rn e e d sa n di pc o n t r o lg a t e w a ya r c h i t e c t u r e ，t h i st h e s i s i n t r o d u c e st h eq o si n t ot h ei p c ga n di m p l e m e n t saq o ss y s t e mw h i c hc o m b i n a t i n gt h e i n t s e r va n dt h ed i f f s e r v o t h e r w i s e ，t h a ts y s t e ma p p l i e st h ea d a p t i v ec o n t r o lt oa c c e s s c o n t r o la n dt r a n s m i t t i n gp a c k e t s s ot h a tt h a ts y s t e mc a nm a n a g ea n dm a x i m i z et h eu s eo f n e t w o r kr e s o u r c e sw h i l e e n s u r i n g t h e q u a l i t yo fs e r v i c ef o r u s e r sa n dr e a l t i m e a p p l i c a t i o n s f i r s t l y , w i t ht h en e e d so fq o si ni p c gt h i st h e s i sd e s i g n sa n di m p l e m e n t saq o s s y s t e mw h i c hb a s e do nu s e r s p r i o r i t ya n dp a c k e t s p r i o r i t y t h a ts y s t e mc l a s s i f i e sp a c k e t s a c c o r d i n gt ou s e r s p r i o r i t ya n dt h e np r o v i d e sq o sg u a r a n t e et ou s e r sb yt h e i rp r i o r i t i e s s e c o n d l y , a v a i l a b l er e s o u r c e s ，o n l i n eu s e r s ，t h eq o sr e q u i r e m e n t sa n dt h ep r i o r i t i e so f t h er e l a t i v er e l a t i o n sa r ec h a n g e df r e q u e n t l ys ot h a tt h es t a t i cq o sc a n tm a k ef u l lu s eo ft h e r e s o u r c e s ，r e d u c e st h et h r o u g h p u ta n dt h es e r v i c ea b i l i t y t h e r e f o r e ，t h i st h e s i si m p r o v e s q o ss o l u t i o n sa n dp r o p o s e sa na d a p t i v eq o sa p p r o a c ho nt h ed i s a d v a n t a g e so fq o si n i p c gt h a ta d a p t i v eq o ss y s t e md y n a m i ca d j u s t sq o sm a p p i n g ，q o ss t r a t e g ya n dt h e p a r a m e t e r so fq o sp r i o r i t yq u e u e sa c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o no fs y s t e m a tl a s t ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a to u ra d a p t i v eq o sa p p r o a c hc a ne n s u r e u s e r s q o sa sw e l la si m p r o v et h ei p c gr e s o u r c eu t i l i z a t i o n k e yw o r d s ：i pc o n t r o lg a t e w a y , q o s ，a d a p t i v eq o s w r i t t e nb yz h ub i x i a n s u p e r v i s e db yz h uq i a o m i n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 研究生签名：墟臻鳋：日期： 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、 中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅 和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括 刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：趣日期： 导师签名：期： 基于i p c g 的自适应q o s 技术研究与应用 第1 章引言 1 1 研究背景 第1 章引言 校园网通常是指大学的校园网及高校的内部网( i n t r a n e t ) ，其主要特征是i lj ：网络 特别是路由结构完全由一个机构来管理。随着网络技术的飞速发展，校园网管理进入 了一个崭新的时期。账户管理作为网络管理的重要组成部分，既要对校园网用户访问 的范围进行控制，又要对校园网用户访问互联网的行为进行记录，同时还不能影响校 园网用户访问互联网的速度和质量。现在，一般高校采用代理服务器作为校园网用户 访问互联网的途径。但是代理服务器工作在应用层，一般是基于某种应用层协议，比 如h t t p 、s o c k s 等等，这样就使校园网用户无法使用其他协议的服务，给校园网用户 带来了极大的不便。基于n e t f i l t e r 框架【2 】的i p c g 工作在网络层，与应用层协议无关， 而且还具有转发效率高、数据包状态检测、对用户透明等特点；这样，i p c g 不仅具 有了代理服务器的功能，同时，还可以提供其它的应用层服务，比如：r t s p 、i c q 等等。 目前，这一技术在北京大学、中国农业大学、苏州大学等高校得到应用，并且取得了 较好的效果。 i p c g 的实现，很好的解决了校园网用户网络访问和流量计费的问题；解决了基 于代理技术的计费系统存在的局限性。采用i p c g 构建的i p 流量计费系统框架，涵 盖了用户认证、访问授权、流量入账等基本功能，基本满足了用户的需求；也解决了 目前教育科研网c e r n e t 采用流量计费，电信网采用包月收费，校园网要同时使用 它们并分开计费的问题。但是很多时候，校园网的使用效率不高，尤其是关键业务得 不到保证。 当今世界已经进入了网络时代，计算机网络飞速发展，遍布世界的每一个角落。 越来越多的应用在计算机网络上得到了实现，并出现了许多完全基于网络的新兴应用 和服务。其中，分布式多媒体应用( 如视频会议、视频点播、i p 可视电话、远程教育 等) 不仅包括文本数据信息，还包括语音、图形、图像、视频、动画这些类型的多媒 体信息。分布式多媒体应用不仅对网络有很高的带宽要求，而且要求信息传输的低延 迟和低抖动等，这些应用大都能容忍一定程度的信息丢失和错误。由此可见，当今高 速网络中的多媒体应用对网络提出了不同于数据应用的服务质量要求，需要提供端到 端的服务质量控制和保证。同时，随着校园网的发展、校园网用户不断增加，i n t e r n e t 第1 章引言 基于i p c g 的自适应q o s 技术研究与应用 应用快速增长，传统单一的i p 应用发展为多种媒体复合的i p 应用，网络带宽同样也 满足不了用户的需要，轻者造成学校重要业务的响应迟缓，严重时导致某些重要业务 无法响应甚至系统崩溃，这些问题也为校园网的发展提出了新的挑战。 目前i p c g 的用户之间采取争用的方式使用网络资源，用户的服务质量根据当前 网络的使用情况而定，也就是说，i p c g 并不保证向用户或者应用数据流提供所需的 带宽，也不保证数据流的传送时延和丢失率等质量指标。针对这种情况，本文提出在 i p c g 中实现自适应q o s ，将用户按级分类，并对用户网络应用加以区分，总是优先 让重要业务的数据包通过，保证高等级用户的服务质量；在此基础上，通过i p c g 的 自适应调节合理的分配系统资源，为低优先级用户也能得提供较好的服务质量。 1 2 在i p c g 中实现q o s 的意义 随着校园网的发展，用户的服务请求多样化，对带宽的要求也越来越高，这样就 使原来在1 0 0 0 m b p s 带宽环境下运行的i p c g 成为校园网出口的瓶颈。文献 3 提出了 基于时间序列预测的i p c g 集群的方法，采用基于时间序列预测的负载均衡调度算法 和基于n e t f i l t e r 和策略路由的负载均衡技术提升出口带宽，缓解了带宽不足的问题。 但是随着视频会议、视频点播、网上教育与e l e a r n i n g 等多种实时多媒体应用在 校园网中的出现与增多，使得光解决带宽的问题是远远不够的，q o s 已不仅是因特网 中所关注的问题，如何在现有的带宽上提供必要的q o s 支持，成了校园网建设与管 理中所要研究的新问题。 当前，i p c g 为所有的用户提供的都是“尽力而为 的服务，用户不同的优先级 得不到体现，所有的用户得到的服务都是相似的。另外，非连接i p 网络“尽力而为 的业务模式已不适应未来网络需求，为未来占统治地位的实时交互式流媒体业务提供 良好支持将是新一代网络q o s 研究面临的重要技术挑战之一【4 】，因此在校园网中也需 要研究如何为用户提供服务质量保证。 本文在分析用户的需求的基础上，结合i p c g 的体系结构，提出i n t s e r v 与d i f f s e r v 相结合的方法，即为用户提供资源预留服务，同时将用户的q o s 要求映射为区分服 务的服务类型，将数据包分类，实现对业务流的分类、标记、整形和调度，为用户提 供q o s 保证。同时，在接入控制和传输过程中采用自适应控制的方法。通过自适应 q o s ，使i p c g 能够根据系统资源和接入的用户情况，动态的调整资源分配方案、q o s 2 基于i p c g 的自适应q o s 技术研究与应用 第l 章引言 策略，在保证用户服务质量和实时应用服务质量的同时，最大化管理和利用网络资源， 提高i p c g 系统整体的服务能力。 1 3 国内外研究现状 与i p c g 类似的网络计费系统当前较为流行的有城市热点开发的d r c o m 系统计 费系统、清华大学的赛尔宽带计费系统、安腾宽带计费管理系统、亿邮网关管理系统、 华为3 c o m 的c a m s 系统和锐捷的s a m 系统等。除了 d r c o m 系统网关拥有流量 控制q o s ，其他网络计费系统都不支持q o s ，只提供上网控制服务。而流量控制并不 是完全意义的q o s 。 对网络q o s 的研究可以追溯到2 0 世纪8 0 年代初期，但直到2 0 世纪8 0 年代末 期，随着宽带综合业务数字网( b i s d n ) 以及a t m 交换网的出现和分布式多媒体应用 的急剧增加，人们才开始对系统的q o s 管理和控制进行较为深入的研究。文献 5 从 网络资源分配和网络系统设计原则的角度详细论证了在t c p i p 协议上引入q o s 接入 控制的必要性。有关q o s 问题的主要解决方案有以下几种：综合服务( i n t s e r v r s v p ) 模型6 】、区分服务d i f f s e r v 模型【7 1 、m p l s 模型【8 1 以及流量工程【9 】等等，文献 1 0 】讨 论了在包交换网上提供q o s 保证的问题，提出了网络的三类应用：确定型 ( d e t e r m i n i s t i c ) 、统计型( s t a t i s t i c a l ) 和尽力而为型( b e s te f f o r t ) ，分别讨论了保证这些应 用包延迟和包丢失的理论问题。文献【1 1 】对i p 网中q o s 的参数进行了研究，为i pq o s 的实施提供了依据。 q o s 的研究在网关这一领域取得了许多的成果，y a s s e rl m o r g a n , t h o m a sk u n z 在对等网络的网关中实现了q o s t l 2 】【1 3 】，在无线对等网络的q o s 网关也有了解决方案 。i - h s u a nh u a n g 等人提出了一种在q o s 网关中通过压缩实时数据的方式来提高包 的传输速率【1 5 】；文献【1 6 1 7 】研究了语音网关中的q o s 问题，此外对家庭网络的网关 q o s 也有研究：文献 1 8 设计了基于o s g i 和动态q o s 管理的家庭网关，可以提供灵 活的q o s 服务；文献 1 9 设计了基于l e x r a 网络处理器的家庭网关，讨论了网关q o s 设计原则。而文献 2 0 贝j j 提出了一种利用计费管理控制网络资源的分配和使用，提高 系统资源的利用率和用户q o s 的方法。 尽管对网关q o s 进行了许多的研究，但大多是针对无线环境或者是语音网关， 以保证时延敏感业务的服务质量，完全针对校园网或者是i p 网关的q o s 研究不多。 3 第1 章引言 基于i p c g 的自适应q o s 技术研究与应用 文献 2 1 2 2 1 提到的在校园网实现q o s 的方案，或是要对以太网的帧结构进行修改， 并使得主要组网设备交换机支持这种改进的帧结构；或是要改变路由器的设计使之能 对数据流进行处理，不能应用于i p c g 。此外许多q o s 解决方案需要网络底层协议给 上层应用提供服务质量保证，由于目前i p 网一般不提供资源预留、区分服务和带宽 划分等服务，这类方案存在着很大的局限性，不适合在i p c g 中使用。 1 4 主要工作和组织结构 本文在分析用户q o s 需求的基础上，结合i p c g 的体系结构，提出i n t s e r v 与 d i f f s e r v 相结合的方法，即为用户提供资源预留服务，同时将客户的q o s 要求映射为 区分服务的服务类型，为每个数据包分类，实现对用户、对业务流的分类、标记、整 形和调度，为用户提供q o s 保证。同时，在接入控制和传输过程中采用的是自适应 控制的方法。通过自适应q o s 管理，使i p c g 能够根据系统可用资源和接入的用户情 况，动态的调整资源分配方案，在保证用户服务质量和实时应用服务质量的同时，管 理和最大化利用网络资源。 本文首先介绍q o s 的相关技术；其次介绍在i p c g 中实现基于用户优先级和数据 包优先级的q o s 管理方案；然后，在该q o s 方案的基础上，研究并实现了适用于i p c g 的自适应q o s 技术，最后通过实验证明该方法的可行性，而且在有效保证用户服务 质量的同时，提升了系统的吞吐量。本文章节安排如下： 第l 章介绍在i p c g 中研究自适应q o s 的背景、意义，q o s 的研究现状。 第2 章详细介绍了q o s 的相关技术，包括q o s 的体系结构，q o s 保证，q o s 策 略以及q o s 实现，在此基础上引出了自适应q o s 的基本原理，介绍了自适应q o s 的 概念和基本函数，并对现有的q o s 系统以及今后的发展做了介绍。 第3 章介绍了在如何在i p c g 中实现q o s ，通过对用户的按级分类，设计并实现 了基于i p c g 的q o s 系统。着重介绍了基于用户信息的业务分类、基于应用类别的排 队策略以及如何进行带宽管理。最后通过实验证明，在i p c g 中实现q o s 可以在不增 加i p c g 负担的基础上，为用户提供不同等级的服务质量。 第4 章在分析了静态q o s 存在的问题，提出了自适应q o s 的思想，通过分析i p c g 的运行情况，结合校内网的特殊性以及校内网用户的特点，将自适应q o s 技术应用 到i p c g 中，完成了用户的q o s 映射、优先级调度、接入控制、自适应调节。在自适 4 基于i p c g 的自适应q o s 技术研究与应用 第i 章引言 应调节过程中着重研究了用户带宽公平分配的方法，通过引入因子的概念，对用户的 带宽调整做出了控制，使得i p c g 在一定程度上保证所有用户了带宽升级和带宽降级 的公平性。最后通过实验证明了自适应系统的有效性，而且能最大化资源利用率。 第5 章，总结和展望。总结本课题的研究成果，并指出了本课题提出的自适应 q o s 存在的不足和有待完善的方向。 5 第2 章相关技术基于i p c g 的自适应q o s 技术研究与应用 第2 章相关技术 i n t e m e t 的飞速发展给网络带宽和服务器带来了巨大的挑战，从网络技术的发展 来看，网络带宽的增长速度远远高于处理器和内存的增长速度。同时，随着流媒体等 应用的蓬勃发展，互联网中各种业务流量的比重正在悄然发生变化，实时多媒体业务 已经替代敏感丢失的传统数据分组业务，成为主导性业务流量。随着i p t v 等广播性 业务的流行以及远程医疗、电子沉浸、网络环境下的遥操作和遥控制等交互式业务的 兴起，实时性业务流量的比重会越来越高。贝尔试验的研究预测表明：2 0 1 0 年，互 联网骨干业务流量的8 0 以上将会是敏感延时的流媒体业务。尽管目前网络基础设施 的建设情况在不断提高，但网络可提供带宽对于近似于无限的用户带宽需求总是不够 用的；因此必须研究可行的、高效的q o s 保证方案。 2 1q o s 技术 r f c 2 3 8 6 t 2 3 】中对q o s 的描述为：q o s 是网络在传输数据流时要求满足的一系列 服务请求，具体可以量化为带宽、延迟、抖动、丢失率、吞吐率等性能指标。此处的 服务具体指数据包经过若干网络节点所接受的传输服务，强调端到端或网络边界到网 络边界的整体性。q o s 的主要目的是提供带宽、阻塞控制、延迟控制以及降低丢包率 在内的优先级，并在确保一个或者一些数据流获得较高优先级的同时，不能中断其它 数据流【2 4 1 。 q o s 控制的目标是为i n t e m e t 应用提供服务区分和性能保证：服务区分是指根据 不同应用的需求为其提供不同的服务；性能保证则要解决诸如带宽、丢失、延迟、抖 动等性能指标的保证问题。 网络中，q o s 的研究主要有三个方面的推动力：一是对q o s 有严格要求业务的 出现，如交互式实时多媒体业务、口电话等；二是通过q o s 研究，有助于提高网络 效率，降低网络成本；三是运营商可以通过q o s 机制，按照不同用户对服务质量的 要求，提供多种有区别的服务，提高用户的满意度，同时提高网络运营商的收益。因 此，q o s 的研究重点是如何向网络提供q o s 保证的能力，而最终研究的目标是保证 用户对q o s 的需求。 6 基于i p c g 的自适应q o s 技术研究与应用 第2 章相关技术 在通常的q o s 解决方案中，是在网络设备或者主机上定制q o s 策略，然后把这 些策略应用到网络运行中。 2 1 1 网络q o s 体系结构 1 、i n t s e r v 体系结构 i n t s e r v 体系结构是i e t f l 9 9 4 年提出的q o s 保证模式。它是在传统i p 网络尽力 而为服务模式的基础上定义了一组服务扩充，通过r s v p 提供端到端的q o s 保障。 i n t s e r v 虽然能够提供较好的q o s 保证，但是由于i p 网络流量模型和业务模型的特点， 使得i n t e m e t 骨干网瞬间要为成千上万的业务流提供服务，因此粒度为单个流的路径 预留的解决思路在i n t e m e t 骨干网上无法扩展，这严重制约了i n t s e r v 在实际网络中的 应用。当然还存在其他一些限制i n t s e r v 应用的因素，包括r s v p 信令大规模的部署、 不同厂商设备之间的互通以及基于业务的管理( 认证、计费) 等。另外，i n t s e r v 需要端 到端的全网支持，由于r s v p 技术的复杂性，可以说是目前最复杂的i p 技术之一， 让目前所有的网络硬件设备升级支持r s v p 是不现实的。 2 、d i 髑e 体系结构 针对i n t s e r v 在发展中遇到的困难，i e t f 在r f c 2 4 7 5 中提出了d i f f s e r v 体系结 构。d i f f s e r v 提出了核心路由器q o s 区分服务的体系结构，它由d s 域边缘和核心联 合操作，针对网络流的不同q o s 要求( 如延迟、丢失率等) 进行区分服务。d i f f s e r v 面 向q o s 参数而不区分应用，相比i n t s e r v 简化了信令，将网络上传输的业务分成不同 的业务流，每种业务类定义一组单向的分组传输特征，由区分服务码( d s c p ) 标识 d i f f s e r v 通过汇聚和逐点行为( p h b ) 方式提供一定程度上的q o s 保证。d i f f s e r v 最大 的特点是实现简单、扩展性好，但由于d i f f s e r v 结构中网络和端系统之间缺乏信令通 信，不能提供端到端的q o s 保证，而端到端的q o s 保证一直是i pq o s 研究的基本目 标。 区分服务具有实现简单，扩展性好的特点。目前在i p 网中区分服务得到了绝大 部分厂家的支持，其具体实现技术包括分类、重标记、速率限制、流量整形、拥塞避 免、队列调度等。但区分服务也有自己的局限性，主要体现在： 1 ) 区分服务只承诺相对的服务质量，因而不能对用户提供绝对的服务质量保证。 2 ) 在拥塞发生时，区分服务模型只能采取丢弃报文的方式，而不能采用例如旁 7 第2 章相关技术基于i p c g 的自适应q o s 技术研究与应用 路的方式使部分流量通过其他路径到达终点。 3 ) 对相同优先级的业务而言，设备在拥塞时对报文的丢弃是非智能化的，也就 是说，设备只能随机地丢弃报文，其结果是所有业务的服务质量都受到影响。而此时 希望的结果是只丢弃少部分业务流的报文，从而避免剩下的大多数的业务流的服务质 量受到影响。 3 、多协议标签交换模型( m p l s ) 多协议标签交换模型是基于标签的交换方式，允许路由器在作转发决定的时候仅 仅以简单的标签为基础，而不是基于目标i p 地址作复杂的路由查找。m p l s 在网络 中建立具有某种特性的传输通道，采用分类标记的方法确定数据包的传输路由，使用 标记交换技术实现数据包的高速转发，因此提供了更快的包分类和转发速度m p l s 将数据的转发与控制行为有效分开，因而对网络系统升级提供有效支持。网络负载严 重时，综合服务与区分服务的q o s 模型提供的性能是平稳下降的。而m p l s 的最主 要功能是流量工程，即在多条可能的转发路径中进行负载平衡。目前已提出的网络流 量工程方案i p m p l s ，只是解决了流量在整个网络中均匀分布的问题。 这种方式的局限性在于：首先它必须基于m p l s 网络实现，而当前许多网络上并 没有实施m p l s ；另外随着近几年芯片技术的不断发展，路由转发与交换转发之间的 性能差异也越来越小；m p l s 的报文头中包含一个3 b i t 的e x p 字段，通过该字段可 以标记该m p l s 报文的优先级，而通过e x p 进行优先级区分实际上也是d i f f s e r v 的 实现方式，因而这种方式也不可避免地具有d i f f s e r v 所具有的一些局限性。 2 1 2q o s 保证的分类 q o s 的实施可以使实时程序最有效地使用网络带宽，由于它可以确保某个保证级 别有充足的网络资源，所以它为共享网络提供了与专用网络类似的服务级别。q o s 保证指某个服务级别，i p c g 可以工作在无q o s 保证和提供q o s 保证两种模式下。在 提供q o s 保证模式下，通过资源预留，用户可以向i p c g 服务器发送资源保留的请求， 以支持一定服务质量的多媒体实时通信。i p c g 提供的q o s 保证类型包括： 1 、尽力而为型 i p c g 将用户的q o s 请求作为参考，并采用足够有效的措施满足请求的q o s ，但 是不用作任何担保。 8 基于i p c g 的自适应q o s 技术研究与应用 第2 章相关技术 2 、受控负载型 i p c g 以用户提出的q o s 请求作为参考，采取有效措施优化服务质量。当网络资 源不足时，在可允许范围降低q o s ；当网络资源有空闲时，提高q o s ，以提高用户的 服务质量。在这类服务中，应该研究确实有效的q o s 自适应控制算法，在网络资源 状态发生变化时，自动调整服务质量。 3 、确保型 i p c g 必须为这类服务或者用户提供相对应的服务质量，并在整个传输过程确保 服务质量不被降低。这种q o s 保证的代价是昂贵的，尽管这些预留的带宽对于这个 流来说并不是总能充分利用，但网络必须为保证服务预留足够多的资源以支持高质量 的传输。因此，确保型服务的通信对网络上其他流的通信会产生很大的影响，在i p c g 中的确保型服务只是为少数特殊的用户预留的。 2 1 3 策略q o s q o s 能对不同网络流量提供不同服务，这就意味着有些网络流量的服务质量被提 升，而有些则被降低。很自然的，每个人都希望自己网络流量的服务质量被提升，然 而，这又是不可能实现的，所以就需要有一种策略来控制q o s ，用它来决定哪种流量 获得什么样的服务等级，并且要求使用一种认证方法来确认用户。 策略控制q o s 通过一个策略访问控制器和策略控制器来完成这一功能，它们根 据一定的策略( 这些策略可以是由网络管理员手动添加的，也可以是根据网络流量的 统计自动产生的) 分别确定哪些用户可以访问资源以及网络资源是否足够满足用户需 求。同时，策略控制器还应该能够对数据流进行分组和标记，从而达到区分不同数据 流的目的。 2 1 4 策略q o s 的解决方案 在策略控制q o s 的环境中，当数据包到达网络设备，策略控制机制先分类数据 包，然后标记和记录数据包，接着进行流量整形，最后把数据包加入排队队列，在数 据包调度器的调度下发送。 图2 1 是策略控制q o s 的流程图，q o s 的关键是策略q o s 的控制。 9 第2 章相关技术 基于i p c g 的自适应q o s 技术研究与应用 图2 - 1 策略控制q o s 流程 策略q o s 由以下6 个部分组成： 1 、数据包分类器 数据包分类器通过将数据包与过滤器( f i l t e r ) l g 较来确认数据包。过滤器由六元组 组成( 源和目的i p 地址，源和目的端口号，网络协议以及优先级) 。过滤器也描述对数 据包的处理方法。一旦数据包与过滤器中的某条记录匹配，它才在策略配置文件的监 控下进入记录器和标记器，进行下一步的处理。 2 、记录器 记录器的作用是比较实际的流量和策略控制定义的流量，它起到了控制网络传输 速度的作用。比如，策略控制定义了10 0 k b y t e s s e c 的处理速度和一个2 0 0 k b y t e s 的 缓冲区，当数据包的流入速度在1 0 0 k b y t e s s e c 或者1 0 0 k b y t e s s e c 以下时，系统能正 确处理，但是当出现一个尖锋速度2 0 0 k b y t e s s e c 时，经过1 秒，缓冲区就被填满， 这时就要进行控制，限制流入的速度。 3 、标记器 标记器是和记录器结合起来使用，从而决定数据包是应该被丢弃、整形还是在一 个优先级较低的队列中排队。 4 、整形器 整形器的功能是使用记录器的信息决定流入的数据包是应该被缓冲还是整形。整 形是指通过缓冲的方法保持恒定的流出速度。 5 、阻塞控制 不同的数据包有不同的优先级别，因此需要建立不同优先级别的队列。设备的内 存和缓冲区总是有限的，于是始终会出现队列满的情况。这时就需要有选择地丢弃数 l o 基于i p c g 的自适应q o s 技术研究与应用 第2 章相关技术 据包。 6 、数据包调度器 数据包调度器是策略控制中很重要的一个部件。它从队列中有选择的取出数据 包，然后输出。常见的调度算法有w r r ( w e i g h t e dr o u n dr o b i n ) ，w f q ( w e i g h tf a i r q u e u i n g ) ，c b q ( c l a s sb a s e dq u e u i n g ) 。w r r 循环搜索队列，搜索的频率与该队列的 权值有关，这是一种比较简单的算法。w f q 计算数据包从到达队列到从队列输出的 时间，最优化的选择数据包。c b q 对较高优先级别的队列赋予优先的服务时间，很 多商业产品中使用这种算法，本文中的队列也是采用c b q 的算法。 2 1 5q o s 的实现 实现q o s 的关键就是解决网络的拥塞问题，目前主要有四种策略可以保证q o s 的实现。 1 、提高网络带宽来保证质量 由于局域网网络带宽较为便宜，所以这种方法是可行的，但随着网络规模的扩大、 网络终端和交换设备的增加，要保证网络中没有瓶颈将极为困难，靠增加带宽来解决 q o s 是一种短期、治标的行为。 2 、为应用保留静态资源 广域数据网中常用的时分复用( t d m ) 技术就是保留静态资源的技术，它是现在应 用最为广泛的一种服务质量保证技术，但有许多固有的缺陷。首先，它一般仅用于广 域网连接，不能用于局域网；其次，这种技术将浪费大量的带宽，因此大大增加网络 带宽的运营成本。 3 、靠整形技术来保证质量 这种策略要求在传送有用信号的同时还必须同步传送检错纠错信息，以便到用户 终端能最大限度地对原始信号进行无失真还原和修整。这样不可避免地增加了网络开 销，同时对终端设备的智能化程度也要求较高。 4 、为应用动态分配资源 在网络中用智能化设备来识别网络中数据流的类型，以此来为不同的应用分配不 同的网络资源是这种技术的关键所在。就目前而言，这种技术是最适合在网络中实现 多媒体应用，它具有两个显著的优点：无需修改现有终端系统和应用的软件或硬件； 第2 章相关技术基于i p c g 的自适应q o s 技术研究与应用 网络中传输的各种数据流所需要的服务类型可以存储在一个策略数据库中。这样不仅 可以在整个网络中提供一致的服务质量保证，而且还具备很好的可缩放性。 2 2 自适应q o s 技术 q o s 用来保证用户的服务质量，期望用户能得到满意的服务，但在网络的实际运 行过程中，网络的状态以及使用者对网络的要求都是在不停的变化，所以，使用定制 q o s 策略的方法最终是不能让使用者满意的。于是研究人员开始考虑用自适应q o s 来解决这样的问题。自适应q o s 是在q o s 基础上对q o s 的发展与改进，在q o s 中引 入自适应控制，其目的是为了提高q o s 效率。自适应q o s 通过一定手段获得当前网 络的状态并据此分配资源，从而使得资源利用得到最大化。 2 2 1 自适应控制概述 自适应控制的研究对象是具有不确定性的系统，事实上，任何一个实际系统都具 有不同程度的不确定性，这些不确定性有时表现在系统内部，有时表现在系统外部。 从系统内部来讲，设计者并不一定能确切知道描述被控对象动态过程的数学模型的结 构和参数。作为外部环境对系统的影响，可以等效地用许多扰动来表示。这些扰动通 常是不可测的，它们可能是确定性的( 如常值负载扰动) ，也可能是随机性的( 如网络拥 塞或突发) 。此外，还有一些其他的因素也会对系统产生影响，面对这些客观存在的 各式各样的不确定性，如何综合适当的控制作用，使得某一指定的性能指标达到并保 持最优或近似最优，这就是自适应控制所要研究解决的问题。 将自适应控制的理论应用到q o s 中就产生了自适应q o s 。何谓自适q o s ? 它可 定义为：在网络资源有限的条件下，以最小的代价，在网络状态变化时，能最大限度 满足用户对网络资源的需求，并获得最优的服务质量保证。因此，在i p c g 中实现自 适应q o s 就是要在i p c g 服务器负载、用户访问流量发生变化时，及时的更新系统的 参数，使用户的服务质量能得以提升，并相对比较稳定。 本文提出的基于i p c g 的自适应q o s 方案是根据系统当前的负载情况，用户优先 级与数据包优先级相结合的方法，在i p c g 中对用户的数据包进行映射，预留、分配 与回收系统资源。 1 2 基于i p c g 的自适应q o s 技术研究与应用 第2 章相关技术 2 2 2 自适应q o s 的产生和发展 自适应q o s 的发展分为三个阶段【2 5 】：第一阶段，通信服务质量在连接建立之前 就已经确定，通信过程中不允许改变。第二阶段多媒体数据传输中开始出现针对网络 状态变化的q o s 调整机制。但是针对q o s 的改变往往是静态的，调整策略和调整的 参数是固定值。调整的资源大多是维，即只针对q o s 参数进行不加区分地整体调 整而往往忽略了各种媒体间的联系。第三阶段是当前的研究方向和未来努力的目标。 在这一阶段，利用多种调控手段对各种媒体同时进行智能化自适应。调整的资源也由 一维向多维发展，文本、音频、视频、数据采取不同的q o s 策略，利用优先级在网 络状态发生变化时按优先级调整。 近年来，网络技术的飞速发展使得各种宽带高速网络不断出现，人们对信息的需 求不断增加，这就对网络本身的适应技术提出了更高的要求。另外随着i n t e r n e t 当中 的音、视频信息日益增长，多媒体的网络用户也呈指数级增加，造成网络中的可用资 源出现不稳定性、不确定性、不均衡性。在网络资源总是有限的情况下，在i n t e m e t 这样状态极不确定的异构网络中进行大数据量的传输没有自适应的调整是不可能实 现的。 2 2 3 自适应q o s 的概念和函数 l 、服务级别 服务级别反映不同的q o s 质量，服务级别按照以下定义： ( 1 ) 确定性保证。给定一个q o s 范围，在整个服务过程中不能够超出这个范围。 ( 2 ) 统计性保证。服务过程中可以在某种程度内超出给定的q o s 范围。 ( 3 ) 最好满足性。没有用户需求，根据当前状况尽可能提供服务。 2 、优先级 优先级代表了数据流的重要程度。通常，在q o s 管理中，数据流的优先级被划 分为几个等级，高优先级的流在q o s 管理中优先满足其q o s 请求。 在i p c g 中，还有一个很重要的优先级概念：用户优先级。i p c g 控制用户的访 问权限，记录用户的上网行为，使得在i p c g 中必然保存着用户的信息。在考虑数据 流优先级不同的同时，必须以用户的优先级为基础，按照用户优先级的高低排列，提 第2 章相关技术 基于i p c g 的自适应q o s 技术研究与应用 供不同的q o s 保证。 3 、适应性函数 在许多非自适应提供q o s 服务的场合，当无法维持预定的q o s 时，只是简单将 信息反馈给用户，由用户来决定是降低q o s 还是终止服务。而在自适应q o s 管理方 案中，适应性函数根据用户提供的一些信息，如q o s 指标是否可以降低等，与资源 管理函数协商，将q o s 调整到一个合适的值运行。当资源状态变化时，如有用户释 放了资源，适应性函数也可以调整q o s 指标，提供更好的服务质量。 4 、接入许可函数 接入许可函数返回的结果表示网络是否能提供应用提出的q o s 请求或经过协商 后是否能达到一个一致的结果。如果网络有足够的资源保证用户的q o s 请求，接入 许可函数返回一组具体的q o s 指标，表示该应用能够以所请求的q o s 投入运行；如 果网络缺少一部分资源保证数据应用的q o s 请求，客户端可以启动适应性函数与资 源管理函数协商，看是否能够以较低的q o s 使应用能为网络所接入，一旦达成一个 一致的协商结果，接入许可函数也返回一组具体的q o s 指标，数据流能够以较低的 q o s 投入运行：如果协商后仍然不能达成一个一致的结果，则说明目前必要的系统资 源已被其它进程占用，当前数据流无法投入运行。 5 、资源管理函数 q o s 保证总是离不开资源管理，资源的管理和预留是保证q o s 的前提条件。资 源管理函数应该能自动监控系统资源包括网络状态的变化，实时地更新资源分配表和 可用资源列表，还应该能根据数据应用的q o s 请求( 包括适应性函数协商的结果) 和数 据流的优先级将资源分配给数据流使用。 2 3 相关q o s 系统介绍 2 0 世纪8 0 年代末期开始，服务质量的控制和管理机制已经得到了广泛的研究， 并提出了两种不同的互联网q o s 体系结构，然而这些体系结构和机制都没有在当前 的互联网络中成功应用。尽管对宽带业务的q o s 进行了许多研究工作，但大多是基 于a t m 或只关于q o s 管理方面的研究，文献【2 6 中n a h r s t e d t 分析了网络多媒体系 统的基于服务质量的资源管理，提出了资源管理的三层模型和多媒体协商、c p u 调 度、缓冲区分配和差错控制的方法，文献【2 7 】【2 8 】【2 9 对分布式多媒体资源管理与调度 1 4 基于i p c g 的自适应q o s 技术研究