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郑州大学硕上学位论文基于区分服务的主动式队列管理研究 摘要 网络的迅速发展使各种网络业务对服务质量提出了越来越高的要求，区分服 务模型即是为解决这个矛盾而提出。队列管理是区分服务中边缘路由器实现分类 和调节功能的重要组成部分，本论文即是对区分服务下的主动式队列管理算法进 行了一系列研究。 随机早期检测r e d 算法是主动式队列管理的代表算法，相比被动式队列管理 算法，r 印算法在各个性能方面有了很大提高。论文着重对r 功算法进行了详细 分析和论证，并通过n s 2 模拟器对它做了仿真实验，论证了r e d 算法的优缺点， 特别是r e d 算法的两个不足，参数配置不稳定和带宽不公平性。现有的改进r e d 算法一般是从这两方面进行改进。 标记思想在区分服务模型中起着重要作用，它一般通过对不同数据流的标 记，从而产生不同的优先级，实现有区分的服务质量。论文则提出将标记思想直 接用于r e d 算法中，通过对特殊事件的标记来改善队列管理。同时，基于对r e d 算法参数配置的分析，论文提出一种新的参数动态调整方法，并将其用于r e d 算 法中。结合以上两种方法，论文提出新的改进算法，基于标记思想和参数动态调 整的s m r e d 算法。 通过n s 2 模拟器，论文对改进算法进行了仿真实验测试，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。论文为路由器提供 更好的队列管理，进一步提供更好的网络服务质量奠定了一定理论和实验基础。 关键词区分服务主动式队列管理随机早期检测参数配置标记 郑州太学硕十学位论文基于区分服务的主动式队列管理研究 a b s t r a c t w i t ht h em p i dd c v c l o p m e n to fi n t e m e t ，v a r i o u sn e m o r kb u s i n e s sh a v e ”t f o r w a r dh i g h c ra n dh i g h c rr e q u i r e m e n tt oq o s ，w h i c hr e s u l ti nt h ep r e s e n t a t i o no f d i f f s e r vm o d e l t 1 l eq u e u e 瑚n a g e m e n t ，w h i c hr c l i z e st h ef t i n c t i o no fc l a s s i f i c a t i 衄 a n da d j u 咖1 t ，i s 粕i l l l p o n a i l tp a no ft h ee d g cr o u t e ro fd i f f s e n ed i s s c n a t i m a l 【e sas e f i e so fr 髂r c ho nt h ea c t i v eq u e u em 卸a g c m e n ta 1 9 0 r i t h m so fd i f ! f ! ；e r v r a n d o m e a r l yd e t e c t i o n ( r e d ) ，w h i c h i s r c p r c s e n t a l i v c a l g o 矗t l l m o f a q m ，p c r f o 咖sb e t t e ft h 卸p q m ( p 嬲s i v eq u e u em a l l a g c m t ) 衄e a c hp e r f 0 1 m l a n c e i n 如x n ed j s s e n a t i 伽f o c l l s e so n d j s c u s s j l l g 卸da n a l y s j n gt h e 砌da 1 9 0 r j i h m t h m u g hn s 2s i m u l a t o r w ef i n dt i l a tt i i e r ea r es o m es h o n 咖n i n 笋0 np a f 锄e t c rc o n t i g a n db a n d w i d t ha b o u tr e da 1 9 0 r i t h i n e x i s t i n ga l g o f i l h m sn o 瑚a l l yi m p 鼻o v er e d a 1 9 0 r i t h m0 nt h e s e 鹤p e c t s m 盯i 【i n gi d e ai si m p o n a m t od i f 塔e r vm o d e l t h f o u g ht h cm a r ko fd i f f c f e n td 砒a f l o w s ，i tp m d u c c sd i f f e r e n tp r i o r i t i e sa n dr c a l j z e sd i f f e r e n tq o s n ed i 鹞e n a t i o n a p p l i e sm 缸l 【i n gi d e 髂t or e da 1 9 0 r i t h md i r e c t l y ，t l l e ni m p m v e sq u e u cm 柚a g c m c n t b ym 缸l 【i n gs p e c i a le v e n t s a t t h e 阻m et i m e ，b a s i n ga b o v ea l l a l y s i so fp 盯a m e t e rc 0 i l f i g o fr e da l g o r i t l l f n ，t h ed i 鹞e r t a t i o na p p l i e san e wm e t h o do fd y n a m i cp 盯a m e t e r a d j u s t l e n tt or 到da l g o r i t i l m ( 、o m b i n i n gw i t ht w om e t h o d s ，w ep r c s e n tan e w i m p r o v e da l g o r i t h m s m r e da l g o r i t h m ，w h i c hi sb a s e do nm a r k i n gi d c a sa n d d y n a m a i cp a r 锄e l e ra d j u s t i n g t h ed i s s e r t a t i o n c s 亡st h ej m p r o v e da j g o r j t h mt h r o u g ht h es j m u l a t i o ne x p e r i m e n 姆 t h ee x p e r i m e n t ss h o ws m r e d a l g o r i t h mp e r f o n i l sb e t t e rt h a no f i g i n a la l g o r i t h mo n m a n yp e r f o 啪a n c ei n d e x e s t h ed i s s e n a t i o ne s t a b l i s h ss o m et h e o r ya n de x p c r i m e n t f o u n d a t i o n ，w h i c hm a k er o u l e ro f f e rb e t t e rq u e u em a n a g e m e n ta n db e t t e rn e tq o s k e y w o r d s ： d i f 体e r v ，a q m ，r e d ，p a r a m e t e rc o n f i g ， m a r k i n g 郑重声明 本人的论文是我在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有 剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意 承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：采c ) - 耙 彤年厂月。、日 郑州大学硕上学位论文基于区分服务的主动式队列管理研究 第一章引言 1 1i p 网络服务质量( i pq o s ) 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，现有互联网的规模越来越不适 合新的各种业务，伴随互联网用户数膨胀所出现的问题也越来越严重，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 ) 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，所有的业务流被”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 e ，f c f s ) 的工作方式，它 尽最大努力将i p 包送达目的地，这只适合e m a i l 、f t p 、w w w 等业务，但对i p 包传 递的可靠性、延迟等不能提供任何保证。 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 o 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。 郑州大学硕：t 学位论文基于区分服务的主动式队歹管理研究 1 2i pq o s 的定义及其实施方案 i pq o s 的研究目标是提供质量稳定的、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。q 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。q 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 指两个参照点之间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。因此，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 jc 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( 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 if r e r e nl j a t e ds e r v jc e s ) 便是基于这种策略。 郑州大学硕士学位论文幕于区分服务的主动式队列管理研究 为了解决i pq o s 问题，i e t f 已经提出了相应的几种服务模型和机制，主要有： 综合服务和资源预留协议i n t s e r v r s v p ：以r s v p 信令向网络提出业务流传输 规格( f l o w s p e c ) ，并建立和拆除传输路径上的业务流状态。主机和路由器节点 建立和保持业务流状态信息。尽管r s v p 经常用于单个流，但也用于聚合流的资 源预留。 区分服务( d i f f s e r v ) ：在区分服务网络中，边界路由器根据用户的流规格 ( s t r ea i i ip r o “l e ) 将用户流划分为不同的级别，再聚合成流聚集，聚集信息存 放在i p 包头的d s 标记域，称为d s 标记( 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 ， d s c p ) 。内部节点则根据d s c p 提供不同质量的调度转发服务。 多协议标记交换( m u l t i p r o t o c 0 1l a b l es w i t c h ，m p l s ) ：根据分组头的标 记，通过网络路径控制来提供流聚集的带宽管理子网带宽管理( s u b n e t b a n d w i d t hm a n a g e m e n t ，s b m ) ：负责0 s i 第二层( 数据链路层) 的分类和优先 级排列，同i e e e8 0 2 网络进行共享和交换。多协议标签交换( m p l s ) 是现在最 热门的技术之一，它将灵活的三层i p 选路和高速的二层交换技术完美地结合起 来，从而弥补了传统i p 网络的许多缺陷。它引入了新的标签结构和“显式路由” 机制，对i p 网络的改变较大，能对q o s 提供了更为可靠的保证。 现有大多网络中实现服务质量的模型主要还是综合服务机制但由于综合服 务模型的复杂性和扩展性差缺点，区分服务模型以及结合综合服务模型的区分服 务模型逐渐成为人们研究的热点。本课题选取了区分服务模型下其中的组成模块 作为研究对象，并设计了一种改进算法来改善区分服务中的网络资源利用率，从 而更好的提供区分服务网络服务质量。 1 3 论文组织 论文共分五章。第一章对i p 服务质量的现状作以简单介绍；第二章介绍解 决i pq o s 问题的所提出的两种网络模型，综合服务模型( i n t s e r v r s v 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；第三章详细介绍了现有主动 式队列管理的几种主要算法，给出论文实验所使用的仿真工具n s 2 并且对其代 表算法r e d 算法做了详细的介绍与分析，通过仿真实验讨论了r e d 算法的优缺点， 为进一步改进r e d 算法提供了理论和实验基础；第四章根据对r e d 算法在参数配 置方面的实验和讨论，提出了新的改进r e d 算法s m r e d ( 特殊事件标记算 郑州大学硕十学位论文 摹十区分服务的主动式队列管理研究 法) ，并给出了算法描述和仿真实验结果：第五章对本文进行总结，讨论了将来 进一步工作。 1 4 论文的研究内容与主要创新点 1 系统地分析了现有i p 网络中关于服务质量的两种网络模型，综合服务模型 和区分服务模型，比较分析了各自优缺点，为进一步将综合服务模型和区分 服务模型结合应用提供了理论依据。 2 对区分服务模型中的主动式队列管理( a 哪) 算法进行了分析，论述了现有 各主要算法的优缺点，特别是r e d 算法的两个不足，参数配置和带宽公平性， 为进一步研究a 。m 算法提供了依据。 3 将特殊事件标记思想和参数动态调整应用于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较原r 即算法有了提高。 4 郑州大学钡七学位论文基于区分服务的主动式队列管理研究 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 o s 的需要。 其中，综合服务模型( i n t s e r v r s v p ) 是现有大多网络所采用的模型，即提供尽 力而为的服务质量。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”。 本章主要介绍了i n t s e r v r s v p 和d i f f s e r v 两种服务模型，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和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 郑州大学硕士学位论文 基于区分服务的主动式队列管理研究 r s v 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进行分类成传 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 ，m 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i p 地址，目的i p 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i p 网提供q 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 e 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合协议，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 1 0 wd 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i p 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i p 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”的，这意味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 ) 。 郑州大学硬上学位论文基于区分服务的主动式队列管理研究 5 ) 多播的预留在上行的数据流复制点上被结合。 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 0 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。 使用r s v p 信令建立数据发送路径以及为业务流预留资源的过程如下：发送 端向接收端发送个包含业务流规格说明( t s p e c ) 的p a t h 消息，其中包含了业 务流标识( 即目的地址) 及其业务特征，包括所需要的带宽的上下限，延迟以及延 迟抖动等。如图l 中所示。该消息由沿路径的路由器逐跳传送，并且每个路 由器都被告知准备预留资源，从而建立一个4 路径状态”，该状态信息包含p a t h 消息中的前一跳源地址。如图1 中、所示。 接收方收到此消息后从业务特征和所要求的q o s 计算出所需要的资源，向其 上游节点发送一个资源预留请求r e s v 消息，该消息中包含了t s p e c 、r s p e c 以及 f i l t e rs p e c ，其主要包含的参数就是要求预留的带宽。如图l 中所示。 r e s v 是沿p a t h 的发送路径原路返回的，沿途的路由器收到r e s v 消息后， 调用自己的接入控制程序以决定是否接受该业务流，如果接受，则按要求为业务 流分配带宽和缓存空间，并记录该流状态信息，然后将r e s v 消息继续向上游转 发；如果拒绝，则向接收端返回一个错误信息给接收端以终止呼叫。如图1 中 所示。当最后的路由器收到r e s v 消息并且接受该请求时，它向接收端发回一个 确认消息。如图l 中所示。 图1 1r s v p 建立传输路径以及预留资源的过程 郑州大学硕士学位论文 摹于区分服务的主动式队列管理研究 在此过程中，我们注意到，和电信网络中的呼叫建立过程相反，r s v p 是由 接收端驱动的资源预留。其目的是考虑在组播的情况下，以接收端驱动，可以适 应组播群成员的动态增减，以及各接收端要求不同q o s 的异质请求情况。当通信 结束或者一方退出会话后预留的资源可以由超时机制释放。r s v p 还定义了显式 的释放机制，通过p a t h t e a r 由启动点沿下游方向传送至接收端，通知沿途各路 由器释放资源。r e s v t e a r 则反向传送，功能相似。它们可由端系统发出，也可 由路由器在状态超时时发送出。至此，业务流的传输路径已经建立起来了，数据 流可以进行发送了。 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q 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。 从以上讨论可以看出，i n t s e r v r s v p 服务模型对传统i n t e r n 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。 近来，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： 郑州大学硕士学位论文基十区分服务的主动式队列管理研究 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。 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，i p 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。如图1 i2 所示，从 路由角度来看它是一条好的路径，但从资源预留来看，由于没有足够的资源 可以预留，不能为数据流建立起一条路径，因此这一进程只能停留在这里， 等待上层超时拆除这个应用进程，再重新建立路径。 b c d i _ 弗吨鼻- t r 一 一 e 叠束一i 哺 圈12 ：r 8 v p 和路由之闻的矛盾 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i p 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，这主要是因为存 郑州火学硕上学位论文 基于区分服务的主动式队列管理研究 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，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 n 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 f s e r v ) 。 2 3 区分服务模型( d i f f s e r v ) 2 3 1 d 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 要求进行简单分 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i p 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i p 包头的t o s 域( i p v 4 ) 重新定义为d s 标志域( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s 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 rh o p b 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，而将骨于传送网从复杂的资源预留中解脱出来。d i f f s 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 o 最大特点就是简单有效、扩展性强。其实施特点是 采用聚合的机制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 i f f s e r v 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山器中只保存简单 的d s c p ( d if f s e r vc o d e p o i n t ) 与p 耶的对应机制，在数据流进入核心路由器 时h 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 ic e s ) 域中的d s c p 进行转发， 郑州大学硕上学位论文基于区分服务的主动式队列管理研究 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即是宏流而不是单流( 皿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贝对数据流进行分类， 从而将多种应用数据流聚集为有限的几种数据流等级。具体而吉，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i p 头部的d s c p 标记域中。核心路由 器在调度转发i p 包时以流聚集为服务对象，根据i p 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。美国正在开展的下一代互联网计划i n t e r n e t 2 便是 选择d i f f s e r v 作为其q o s 策略。 2 3 2 区分服务的体系结构 虽然d i f f 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 已经比较明确了。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1 3 所示。 其中的d i f f s e r v 区域是由一些相连的d i f f 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1 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l s p 那晕获得所需要的服务质量，用户必须和i s p 之间签 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 l ，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 郑州大学硕上学位论文基于区分服务的主动式队列管理研究 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队( b e h a v i o ra g g r e g a t e ) 。 出口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。 d i f f s 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 区域之间，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 区域之间建立s l a 或t c a ，区分服务可 以扩展到多个d s 区域。 图1 3 区分服务体系结构示意图 在图1 3 中，我们假设客户端网络已经和i s p 建立了相应的s 【。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 出器e l 根据用户与i s p 之间的s i 。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 1 中传输， 郑州大学硕士学位论文 基于区分服务的主动式队列管理研究 直到到达n 1 的出口节点。在n 1 的出口节点，边界路由器根据n l 与n 2 之间的 t c a 对业务流进行整形，使它符合n 1 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 a n d w i d t hb r o k e r ，踮) 动态s l a 的结构如图1 4 所示 薯1 4 缱掏示蠹蕾 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 i p 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 fs 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1 5 所示。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，i e t f 已将它定义为e c n ( e x p c i t c o n g e s t i o nn o t i f i c a t i o n ，显式搁塞指示) 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 h b 时，将忽略c u 的值；对于不支持该域的主机，在发 郑州大学硕士学位论文 基于区分服务的主动式队列管理研究 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。 056t 二至二二叵 口“s 字节或蓍i p 帕流类型字节 。强：聪黧辩 圈1 5i 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1 6 所示。 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： 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。 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u 号等。 4 郑州大学坝士学位论文 基于区分服务的主动式队列管理研究 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