（计算机软件与理论专业论文）支持qos的组播策略研究.pdf

山东师范大学硕士学位论文 6 0 英文缩略词列表 缩略词英文全称 a fa s s u r e df o r w a r d i n g a t m a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e b bb a n d w i d t hb r o k e r b eb e s te f f o r t c b tc o r e b a s e dt r e e s c o s c l a s so fs e r v i c e d s d i f f s e r v d s c p d if f s e r vc o d ep o i n t e c n e x p e d i t e dc o n g e s t i o nn o t i f f c a t l o n e f e x p e d i t e df o r w a r d i n g h b i h e a r t b e a ti n t e r v a l i e t fi n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e i pi n t e r n e tp r o t o c o l i p s e c i ps e c u r i t yh e a d e r l b el o w e rb e s t e f f o r t m b o n 8m u l t i c a s tb o n e m t um a x im l 堋t r a n s m i s s i o nu n i t n r s n e g l e c t e dr e s e r v a t i o ns u b t r e ep r o b l e m 0 s p f o d e ns h o r t e s tp a t hf i r s t p h b p e r h o pb e h a v i o r p i m s mp r o t o c o li n d e p e n d e n tm u l t i c a s ts p a r s em o d e p sp r e m i u ms e r v i c e o o sq u a l it yo fs e r v i c e q o s j 0 0 st r a n s f o r m a t i o n r s v pr e s o u r c er e s e v a t i o np r o t o c o l s s ms o u r c e s d e c i f f cm 1 1 t i c a s t t e ht r e ee n c a p s u l a t i o nh e a d e r t s e ft r e es t r u c t u r ee n c a p s u l a t i o nf i e l d t t lt i m et o l i v e v o i pv o i c eo v e ri p 独创声明 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( 注：如没有其他需要特别声 明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。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。 学位论文作者签名： 歹嘭酤蒸、 导师签字：z9 - 月名 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂蕉有关保留、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。本人授权堂 量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适用本授权书) 学位论文作者签名： j 哈燕、 导师签字：z 9 硼名 签字日期：2 0 0 歹年朋f 珀签字日期：2 0 0 5 年，月夕日 支持o o s 的组拯策略研究 摘要 近年来，随着新应用的不断涌现，网络用户的不断增加，带宽已经跟不上需求的发展 因此面向组的应用以其节省带宽的独特优势逐步得到广泛应用：同时，该类用户对q o s 的 需求越来越迫切。目前，组播q o s 选路和分层组播是两种主要的为组播提供q o s 支持的方 式，但是要适应当前q o s 组播应用的快速发展，必须设计一种框架级的解决方案。从功能 讲，组播和区分服务体系结构是两种互补的技术，组播可节省带宽，区分服务提供可扩展 的满足用户q o s 需求的服务方式，而且下一代互联网有望采用区分服务框架。因此，如何 有效结合组播和区分服务越来越受到国内外研究者的关注。 本文的目标是研究i p 组播与区分服务体系结构的结合，以提供一种可以对组数目和 组内成员数目可扩展的、支持异构q o s 需求和允许组成员动态加入离开的解决方案，使 组播数据流在区分服务城内能够获得较好的服务质量保证。 传统的i p 组播与区分服务在组状态信息保存、发起q o s 需求及资源管理体系结构等 方面存在冲突，将二者直接结合会产生被忽视的预留子树问题n r s 、组播发送方任意改变 以及异构q o s 需求三大主要问题。本文将已有区分服务组播策略分成基于状态的、基于边 界的和基于封装的三大类分别进行介绍，并对已有的区分服务组播方案进行详细分析给出 了其优缺点。 在此基础上，本文提出了一种基于封装的区分服务组播方案q o s a m d d 。首先，详细介 绍了该方案的基本传输机制以及封装首部t s e f 的结构和各部分功能，分析了该方案对可 变q o s 扩展的支持，给出了在p i m s m 协议下出节点路由器的对标准加入离开操作的q o s 扩展，并分析了该方案的局限性。 随后，论文对q o s a m d d 方案在保持核心路由器状态代价、通信费用、分片大小影响以 及延迟时间t 取值的影响等方面进行了理论分析，继而集中于组播组数目和组大小的可扩 展性、异构q o s 的支持以及同t c p 流之间的公平性等方面用流行的网络协议仿真软件n s 一2 山东师范大学硕士学位论文 进行了大量仿真实验。从理沦分析和实验结果来看，q o s a m d d 解决了n r s 、组播组成员动 态变化和异构q o s 需求支持三大问题，使组播组数目和组大小都具有可扩展性，能够灵活 的支持异构的0 0 s 需求及组成员关系的动态变化，并能够保证区分服务组播流与t c p 流之 间可以较公平的共享网络可用的帝宽。可见，尽管q o s a m d d 引入t s e f 增加了硬件处理代 价，但它对组播底层协议改动较少并将核心路由器从状态信息保存中完全解脱出来，且其 总体代价低于基于边界类的方案，比同类方案中比较优秀的代表d s m c a s t 方案通信费用更 低，在吞吐量上也有更好表现，能在存在背景流的情况下很快达到稳定，灵敏度较高。因 此，q o s a m d d 是一种可扩展的、灵活的、可行的区分服务组播方案。 本文对支持q o s 的组播策略特别是区分服务组播进行了探索，希望所做工作能够对支 持q o s 需求的组播应用发展起到一定的推动作用。 关键词：组播，服务质量，区分服务，区分服务组播，n s 一2 分类号：t p 3 9 3 茎堑q ! ! 墼塑堡兰堕堕壅 一 r e s e a r c h e so nq o s a w a r em u l t i c a s ts t r a t e g i e s a b sl 。k a c i o v e rt 1 1 el a t e s ts e v e r a ly e a r s ，m ep h e n o m e n a l 掣o w 山so fu s e r s q u a i l t i t ya n dc o n s t a n t p r o d u c i n go fn e w 印p l i c a t i o n sh a v ea c c e l e r a t e dt h ed e v e l o p m e mo fn e wi m e m e tt e c h n o l o g i e s t h ed o m i r m n tq u e s t i o nf a c i n gt h ei n t e m e tt o d a yi s ，h o wc a n 也en e t w o r km e e tt h en e e d so ft h e u s e r sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n sw h i l et r y i n gt ok e e ps u c hi m p l e m e n t a t i o n ss c a l a b l et ot h eb i l l i o n so f u s e r sp r e s e n to nt h ei n t e m e c ? t w oo ft t l ee m e r g i n gt e c h n o i o g i e sf o ra n s w e n gt h eq u e s t i o na r e d i f b r e n t i a t e ds e i c e sf d i f f s e r v ) a i l dm u l t i c a s t m u l t i c a s tc a l ls a v eb a n d 谢d t hw h i l ed i f f s e r v h a sb e e np r 。p o s e da sas c a l a b l es o l u t j o nf 。rs u p p o r t i n gq o si 1 1 t h ei n t e m e t ，e s p e c i a u y ，i ti s l i k e l vt h a ts o m ef o r mo fd i f f s e m o d e lw i l lb ei m p l e m e n t e di nt h en e x tg e n e r a t i o n1 1 1 t e m e t t h i st l e s j se m p h a s i z e st h ec o m b j m t i o no fi pm u l t i c a s ta n dd i f f s e r vs oa st op r o v i d ea 1 1 e 施c i e md i f 玛e r v m u h i c a s ts t r a t e g 矿 c o e x i s t e n c eo fm u h i c a s ta n dd i 仔s e r vi sp r o m i s i n gs i n c et h cd i f ：e s e r vm o d e tc a np r 0 v i d ea s c a l a b l e 行a m e w o r ka n dm a yr e d u c e 山ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yt ol o c a t eaq o s - s a t i s f i e d m u l t i c a s tt r e ea l t h o u 曲t h et 、v ot e c 王l i l o l o g j e ss h a f ec o m p l e m e n t a r yg o m s ，t h ei n t e g r a t i o no ft h e t w ot e c h n o l o g i e si san o n t r i v i a li s s u ed u et ot 1 1 r e e m d 锄e n t a la r c h i t e c t u r a lc o n n i c t s ，s i m p l e c o m b i n a t i o no ft h et w ow o u l db r i n ga b o u ts u c hp m b l e m sa sn e g l e c t e dr e s e n ，a t i o ns u b t r e e p r o b l e m ( n r s ) ，d y n 锄i c so fm b i c r a r ys e n d e rc h a n g ea 1 1 d h e t e r o g e n e o u sq o sr e q u i r e m e n to f r e c e i v e r s t h e s ep r o b l e m sm a 血l y1 e a dt o 血es i t u a t i o n si nw h i c ho t h e rs e r v i c eu s e r sa r ea f 诧c t e d a d v e r s e i y i nt h j st h e s i s t h ea v a i l a b l ed i f ! f s e r v 。m u l t i c a s ts o l u t i o n sa r ec l a s s 讯e di n t os t a t e _ b a s e d ， e d g e _ b a s e da n de n c a p s a t i o n - b a s e dt y p e s ，m e a n w et 1 1 ea d v a n a g e sa 1 1 dd i s a d v a n a g e so f e a c ht y p ea r ed e t a i l e d a n e ra n a l y z i n gm ei s s u e se s s e n t i a l l y ，w ep r o p o s ea j le 踊c i e n te n c a p s u l a t i o n b a s e ds c h e m e o o s a w a r em u l t i c a s to v e rd i f 鹤e r vd o m a i n s ( q o s a m d d ) ，w h i c hs o l v e st h ep r o b l e mo f e x t e n s i v eg r o u ps i z e ，n m b e ro fg r o u p s ， h e t e r o g e n e o u sq o ss u p p o r t i n g a i l dd y n 锄i c m e m b e r s h j pj o i l l l e a v e b yt h i sw a y ，t h eq u a l i t yo ft 1 1 e m u l t i c a s tt r a f ! f i cc a i lb ea s s u r e d f i r s t l y ， t h eb a s i ct r a n s p o r tm e c h a n i s m ，e es t r l l c t u r ee n c 印s u l a t i o nf i e l d ( t s e f ) a n dv a r i a b l eq o s e x t e n s i o n sa r ei m r o d u c e di nd e t a 订s a n dt h e n ，t h e o r e t i c a la 【1 a l y s i sh a sb e e nd o n eo nt h ec o s to f t h es t a t ei nt h ec o r e ，t h eo v e r h e a dv e r s u st h eo m e rt 、v oa p p r o a c h e s ，t h ee f f b c to ff j a g m e n t a t i o n a dt i m e rta l s o ，ag r e a td e a lo fe x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n eo ne f f e c to fp a c k e ts i z e ，e 氐c to f 掣o u ps i z e ，h e t e r o g e n e o u sq o ss u p p o r t i n ga n d t l es h a r ew i t ht c pw i t hn s 2 a c c o r d i n gt om e n l e o r e t i c a is t u d i e sa n de x p e r i m e n t a ir e s u l t s d e s p i t et i l ef a c tt h a tq o s a m d d i n c u r sp e r _ p a c k e t o v e r h e a dd u et ot h et s e f ，i tc a l lo f f e rt h ep e r f o m l a n c ew h i l ed r 啪a t i c a l l yr e d u c i n gt h es t a t e 山东师范大学硕士学位论文 r e q u i r e m e n t so ft h en e t w o r k i na d d i t i o n ，q o s a m d dd o e sn e e dh a r d 、张r ea c c e i e r a t i o nt oa v o l d i m p a c t i n gt 1 1 er o u t e rc p u ；m ep e r f o n n a n c eb e n e f i t so fm u l t i c a s ta i l dt h er e d u c t i o no fs t a t e i n f o n a t i o nm o r et 1 1 a 1 1o 侬e tt h ec o s to fm ch a r d 、w e u n l i k es i m p l ye x t e n d i n gt r a d i t i o n a li p m u l t i c a s t ，o o s a m d ds a t i s 6 e st h et h r e ec o n f l i c t sb e t w e e nd i f f s e r va n dm u l t i c a s tw h n e i n c u r r i n gan c g l 垮b l eo v e r h e a d t h u s ，q o s a m d dc a no f f e rs c a i a b l e ，f l c x i b l e ，a n d f e a s i b l e i p p r o a c hf o rd i f f s e r v - m u l t i c a s t ， i naw o r d ，t h i s 血e s i sh a sd o n es o m ee x p l o r i n gr e s e a r c h e so nq o s a w a r em u l t i c a s t s t r a t e g i e se s p e c i a l l yo nd i f f s e 一m u l t i c a s ta n da i m st ob e n e f i tt 1 1 ep o p u l 撕z a t i o no fq o s d e m a n d i n gg r o u pa p p l i c a t i o n s k e ) w o r d s ： m u l t i c a s t ， q o s ， d i 腋r e n t i a t e ds e r v i c e s i 髑e r v ) ，d i 船e r v m u l 石c a s t ， n sv e r s i o n2 c i a s s i f i c a t i o n ：t p 3 9 3 支持q o s 的组播策略研究 1 1 研究背景 第1 章绪论 近年来，随着i n t e r n e t 的飞速发展，基于i n t e r n e t 的应用已经深入到我们社会生活 的方方面面，从商务到通信，从教育到娱乐。同时还产生了许多新的应用，其中不少是高 带宽需求的多媒体应用，如网络视频会议、网络音频视频广播、a o d v o d 、股市行情发布、 多媒体远程教育、c s c w 协同计算、远程会诊，在线信息恢复以及p e e r t o p e e r ( p 2 p ) 文 件共享。“等。这就带来了带宽的急剧消耗和网络拥塞问题，人们陆续提出多种解决方案， 如增加网络带宽；服务器的分散与集群以改变网络流量结构，减轻主干网瓶颈压力；采用 i p 组播技术等。相比较而言，i p 组播技术有独特的优势在此模型下，数据可以经由 同一共享链路到达不同的接收者，不管接收者数目多少，在任意分支上只传递单一组播分 组副本。因为减少了网络间传输的信息量也就相当于增加了带宽，所以组播能从根本上加 强其他用户的0 0 s 保证。同时，为支持语音、视频以及数据操作等应用的不同服务要求， i p 网络核心需要区分不同的通信要求，并为之提供最合适的服务。但因特网现有的传输模 式仍为单一的尽量传递( b e s t e f f o r t ) 服务，无法满足多媒体应用和各种用户对网络传 输质量的不同要求。因此，以减少带宽损耗、提高网络资源利用率为用户提供更高服务质 量( q 。s ) 保证为目标的研究领域目前极具活力。 1 1 1lp 组播 在对多的文件传输，新闻和软件更新发布，w e b 缓存和分布式数据库更新，视频会 议等方面等应用中潜在地包含了分布在大范围内的成百上千的接收者，对网络带宽有较高 要求，因此有效地利用网络和端系统资源是非常重要的。 组播是一种允许一个或多个发送者( 组播源) 发送单一的数据包到多个接收者( 一次 山东师范大学硕士学位论文 的，同时的) 的网络技术。组播源把数据包发送到特定组播组，而只有属于该组播组的地 址才能接收到数据包。组播可以大大节省网络带宽，因为无论有多少个目标地址，在整个 网络的任何一条链路上只传送单的数据包。 蔓量鲤 嵌哥7 苴 播 嵌备6 方 n 实 现 组 播 功 能 嵌啬t 口 故钔 组 播 力 ，乩 f ) 广 播 实 现 组 播 功 能 图1 1 三种通讯方式数据传递过程比较 从图1 1 中，我们可以看出组播与其它传播方式不同。若用单播来实现一对多通信， 在发送者和每个接收者之间需要单独的数据信道。如果一台主机同时只对少量接收者传输 数据，般没有什么问题，但若在大量主机希望获得同一数据包的拷贝时却很难实现，因 为这将导致发送者负担沉重、延迟长，甚至出现网络拥塞状况，为保证一定的服务质量就 必须增加硬件支持或者带宽扩容。使用广播传输，可在i p 子网内广播数据包，广播意味 着网络向所有主机都投递一份数据包，无论这些主机是否乐于接收该数据包。然而广播的 r 支持0 0 s 的组播策略研究 使用范围非常小，只在本地子网段内有效，因为路由器会封锁广播通信，因此广播传输增 加非接收者的开销，在带宽并不富余的当前网络状况下，用广播实现同一数据的多份拷贝 不现实。与前两者相比，组播由于其传输特性，可以提高数据传送效率，减少了主干网出 现拥塞的可能性，并且组播组中的主机可在同一个物理网络，也可来自不同的物理网络( 需 要组播路由器的支持) 。当将相同的内容传送给多个客户时，组播能明显地减少带宽要求 并且降低服务器负载与网络负载。 在i n t e r n e t 上，组播传输基于i p 协议之上，因此又被称为i p 组播，将i n t e r n e t 上 的一些主机分成组播组，并为每个组播组分配一个i p 组播地址，这些主机通过组播路由 协议( d v m r p 、p i m 、c b t 、m o s p f 等) 构成组播分发树，组播源发送目的地址为给定组地址 的数据包，路由器沿着分发树来转发数据包并在分权处进行数据包复制，从而保证了从源 到目的地的每条网络链路上同一数据包的只传输一次。1 。 组播技术被认为是啊技术推广之后出现的最激动人心的网络技术之一。1 9 9 2 年出现 支持i p 组播的m b o n e ( 组播主干网) 和m b o n e 桌面工具；1 9 9 3 1 9 9 6 年i pm u l t i c a s t 成为 业界关注的焦点，然而因发展条件不成熟使得i p 组播只为业界所关注；进入1 9 9 9 年以来， 因为i p 组播已经具备发展的三个关键条件：支持组播的路由协议、基于开放标准的可测 试管理协议和商业发展机遇，因而又一次掀起了组播实践的高潮。目前在因特网上i p 组 播主要是运行在m b o n e 上，它是一个互相连接且能转发i p 组播信息的因特网路由器和主 机的小子网，由i e t f 开发的运行在i n t e r n e t 上的虚拟重叠网络。m b o n e 跨越几个洲，用 户数大约在1 0 0 0 0 一3 0 0 0 0 之间。在i e t f 会议期间，大约有1 0 0 0 个不同的接收主机接入。 1 1 20 0 s 策略 随着网络应用的飞速发展和用户群体的不断壮大，除了对网络资源利用率的研究之 外，越来越多的应用和用户开始提出q o s 需求。传统的q o s 包括两个主要的参数，丢失率 山东师范大学硕士学位论文 和延迟。实际上，0 0 s 除了这两项基本内容之外还包括一些其他的参数，它们代表了网络 传输数据流时需要满足的一系列服务要求，它提供了端到端或者网络边界到边界的服务保 证以及基于策略的i p 网络性能指标的控制，例如资源分配、交换、路由、分组调度及分 组丢弃机制。具体可以量化为传输延迟、抖动、丢失率、带宽要求、吞吐量等指标。此处 的服务具体指数据包( 流) 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 到边界的整体性。i pq o s 功能旨在通过给予网络营运商对网络资源和使用的控制权来传送 有保证的区分式i n t e r n e t 服务。 i pq o s 有如下的优点： + 它使得网络能够支持已有的和新出现的多媒体服务应用的要求，诸如i p 语音等新应 用对网络有特定的q o s 要求； + 它使得网络营运商可以控制网络资源及其使用权限 t 它提供了网络上的服务保证和通信质量区分，这正是在单个i p 网络上融合语音、视 频以及数据通信所必需的： 。 它使得服务提供商可以在现有的尽力而为服务种类( c o s ) 的基础上，同时提供奖赏 ( p r e m i u m ) 服务。提供商可以将奖赏服务分为诸如白金级、黄金级、白银级三类 介绍给客户，然后配置网络，相应地区分不同种类服务的通信。它使得应用感知网络 成为可能，在这样的网络中，网络根据分组报头中的附加信息为分组提供合适的服务。 而且，i pq o s 并不是事后产生的想法。i n t e r n e t 的创建者们早就预见到了这种需要 并在i p 分组报头中预留了一个字节，称作服务类型( t o s ，t y p eo fs e r v i c e ) ，使得最初 的i p 规范就包括q o s 。该规范用“服务类型用于指示所需q o s 的抽象参数”描述t o s 的用 途。在特定网络中传输数据报时，这些参数用于指导如何选择实际的服务参数。 直到2 0 世纪8 0 年代末期，i n t e r n e t 上运行的应用和通信还非常有限。因此，是否支 持t o s 显得无关紧要，几乎所有的i p 部署都忽略了这个字节。i p 应用也没有明确地表明 支持0 0 s 的组播策略研究 这个字节的含义，而路由器也不使用它来影响i p 分组的转发处理。 随着i n t e r n e t 走出象牙塔，发展到当前的大众化、商业化阶段，q o s 的重要性逐渐增 加。i n t e r n e t 是基于无链路的端到端分组服务，传统上使用t c p i p 协议簇来提供尽力而 为的数据传输方式。尽管无链路设计方案为i n t e r n e t 提供了很好的灵活性和健壮性，但 其分组的动态特性也容易导致网络拥塞，尤其是那些将带宽差别较大的网络连接起来的路 由器。在2 0 世纪8 0 年代中期，即i n t e r n e t 的早期发展阶段，j o h nn a g l e 就讨论过拥塞 崩溃“问题。 最初的q o s 功能是针对i n t e r n e t 主机的。对于昂贵的广域网( w a n ) 链路，存在的一 个主要问题就是开销过大，这主要是由t e l n e t 和r l o g i n 等应用产生的小型t c p 分组引起 的。n a g l en 2 1 算法可以解决这个问题，现在几乎所有的i p 主机部署都支持这种算法。n a g l e 算法宣告了i n t e r n e t 基于q o s 的功能的开始。1 9 8 6 年，v a nj a c o b s o n 开发了另一套 i n t e r n e tq o s 工具，这就是现在t c p 部署中中断系统必需的拥塞避免机制。这些机制( 如 缓慢启动和拥塞避免) 很大程度上帮助了今天的i n t e r n e t 免于拥塞崩溃，它们主要是使 网络中的t c p 流对拥塞信号( 丢弃的分组) 做出反应。还有另外两种机制快速重传和 快速恢复是在1 9 9 0 年添加的，它们用来在分组丢失期间提供最佳的性能。 尽管终端系统中的q o s 机制必不可少，但只有在路由器中添加足够多的机制，以便在 终端系统之间传递通信，才能完全实现端到端q o s 。因此，在1 9 9 0 年左右，q o s 的重点是 路由器。由于路由器最初只能进行先进先出( f i f o ) 的调度，所以在分组调度算法中不能 提供对通信进行区分或优先处理的支持。先进先出排队技术导致尾部分组被丢弃，因此不 能保护行为良好的流免受行为不良的流的破坏。w f q ( w e i g h t e df a i rq u e u i n g ) 算法1 和 w r e d ( w e i g h t e dr a n d o me a “yd i s c a r d ) 被广泛地用来填补i n t e r n e t 骨干网上的这种空 白。 后来出现了a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) ”1 网络技术，它是针对多媒体信息传 山东师范大学硕士学位论文 输要求而提出的，提供了q o s 控制和宽带技术“，但面向连接的特性却使a t m 网的应用和 发展受到一定局限。在q o s 研究转向因特网的过程中，a t m 网络的一些技术思想，尤其是 传输延迟控制、缓冲管理与调度策略和算法“ 6 1 仍具有重要的借鉴意义。 q o s 研究的终极目标是有效提供端到端的服务质量控制或保证。1 9 9 4 年，i e t f 成立了 i n t s e r v ( 集成服务) 。1 工作组，初衷就是避免高复杂性，提供一种具有良好可扩展性的q o s 解决方案，以更好地满足新出现的各种语音视频应用程序的需要。它的目标是清楚地定 义新的增强型i n t e r n e t 服务模型，并为应用程序提供使用路由器中的支持机制和子网技 术表达端到端资源要求的手段，旨在分别管理需要特定q o s 的流。 r s v p p a 出r 9 ，p 吣r s v pp 蚰 发 路路接 r s v pr f 笃v雕p r 匿vr ；、pr f s v 送 由由 d 觚 收 d 觚a d p m 图1 2 i n t e g r a t e ds e r v i c e s 的工作过程 但i n t s e r v 面向动态虚电路、依赖于网络流状态的特点决定了其高复杂性，最终导致 其可扩展性差、鲁棒性差、实现难度大，因而发展逐渐受阻，i e t f 开始寻求新的发展思路 并于1 9 9 8 年成立了d i f f s e r v ( 区分服务) 1 ”工作组。d i f f s e r v 是联系i n t s e r v 的保证 q o s 需求和当前i n t e r n e t 所提供的尽力而为服务的桥梁。其最大特点就是简单有效、扩展 性强。它将d s 域中路由器分为边界路由器和核心路由器，边缘路由器与终端或其它域的 路由器连接，核心路由器仅与所在域的路由器相连。其实施特点是采用聚集机制将具有相 同特性的若干业务流聚集起来，为整个聚集流提供服务，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逐流状态，核心路由器只负责数据包转发而不保持 状态信息。这种c o r e s t a t e l e s s 结构具有较强扩展性。其基本实现方法是 + 简化网络内部节点服务机制。在网络内部核心路由器中只保存简单的d s c p ( d i f f s e r v c o d e p o i n t ) 与逐跳行为( p e r h o p b e h a v i o r ，p h b ) 呻1 的对应机制，在数据流进入核 支持q o s 的组播策略研究 心路由器时根据数据包头部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d s c p 进行转发，而 业务流状态信息的保存与流监控机制实现等都在网络边界节点进行，其工作流程如图 1 3 所示，而内部节点状态无关； + 聚合网络内部核心路由器的服务对象。采用流聚集方式进行传输控制，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非单流 ( 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。 图1 3d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s 服务模型 d i f f s e r v 大大降低了信令工作量，将重点放在流聚集以及适用全网业务等级的一套 “逐跳行为( p h b ) ”上。我们可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聚集等级。具体而言，边界节点根据用户流规格( 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，聚合为不同流聚集( 通常在第一跳路由 器中进行) ，流聚集信息包含在报文i p 首部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 首部不同d s c p 提供不同的转发服务，也即”逐跳行为” 它是一种相对优先级机制。有一点很重要，第一跳路由器主要决定一个进入包将要接受到 的服务，且所有后继路由器不能改变特定单流的码点，但是可以改变流聚集码点。因为在 内部网络中改变一个特定流码点需要所有流的分类信息，这将致其遇到同i n t s e r v 体系结 构相似的扩展性问题。目前，i e t f 已完成加速转发e f ( e x p e d i t e df o r w a r d i n gp h b ) 埽口 确保转发a f ( a s s u r e df o r w a r d i n gp h b ) 的标准化工作。区分服务体系结构下各部件功能 如表1 1 所示： 山东师范大学硕士学位论文 表1 1 ：区分服务体系结构下各部件功能列表 功能部件位置启用的功能措施 通常位于d i f f s e r v 域边分组分类，流量控制输入流量，并根据通信配置 流量调节器 界路由器的输入接口整形和控制 文件设置d s c p 字段 整个d i 廿s e r v 域的资源分配根据d s c p 定义的服务特征 p h b 所有路由器分组丢弃策略应用p h b 1 1 30 0 s 组播策略 随着面向组的应用不断增多。这些组用户的q 。s 需求不容忽略，当前比较流行的q o s 组播实现策略有组播q o s 选路m 1 和分层组播。“。 当前对0 0 s 组播的研究大多都停留在组播o o s 选路上，它是指在组播进行选路时考虑 用户的q o s 需求。它主要有两种解决方式：一是源端驱动，即由源端发起，这种方式要求 源端对于组播成员有全局认识，较适合于组成员已知的情况；二是接收者驱动，即由接收 者发起，这种方式并不要求发送者对组播成员有全局认识，若有新成员要加入组播组，则 可以由新成员直接发出加入请求即可。其中由接收者进行驱动具有更好的灵活性和可扩展 性。但由于其多为单播q o s 选路方案的组播扩展，难以脱离对底层单播选路协议的依赖 可扩展性较难达到。 分层组播而是指依靠发送方对数据进行分层编码，形成多个不同速率的数据流，每个 接收者根据自己与发送端之问路径的拥塞情况以及自己的接受能力，独立地选择加入或离 开哪些组播层。一个接收者加入的层次越多，其累积接收的数据越多，其优点是每个接收 者的接收速率只受从发送方到其自身路径的可用带宽的限制，而不受同一会话中其他接收 者速率的影响，从而可以满足接收者的异构性要求( 称为接收者之间的公平性) 。但是，加 入和离开层的条件及协商机制都比较繁琐，因此这只是一种消极的q o s 组播策略。 1 4 因此，要适应面向组的应用的快速发展，必须设计一种框架级的q o s 组播方案。 支持0 0 s 的组播策略研究 1 2 问题提出 总的来说，适应当前网络应用的发展趋势满足用户的q o s 要求，主要有两种途径：第 一种是增加用户的可用带宽，使得这些额外的网络容量允许所有用户都得到自己满意的 q o s 标准，从网络发展历史来看这并不是一个根本的解决方案，因为每一次带宽扩容都很 快被用户不断涌现的新的服务占用完毕“3 ；第二种途径考虑了这个因素，认为尽管网络带 宽持续增长，i n t e r 网的主干本身若没有合适的资源分配机制也远不能达到支持q o s 的要 求。因此必须出现某种形式的资源分配方式来在整个i n t e r 网范围内提供服务区分。如 1 1 2 所分析的，区分服务( d i f f s e r v ) 是一种比较有发展前景的在整个网络范围内提供q o s 的模型。 就提供的功能来讲，组播和区分服务是两种相互补充的技术。组播试图保留网络带宽 而区分服务试图以一种合适的方式提供所需的带宽等需求给用户。区分服务作为一种很有 发展前景的区分服务框架，将组播与之相结合使得在区分服务域内实现组播支持非常必要 也非常有用，主要表现在三点：第一，区分服务提供服务区分而组播可以节省网络带宽， 区分服务和组播集成可提供一种支持服务区分又能节省带宽的模式：第二，下一代网络中 可能会采用区分服务模式，因此，在区分服务域实现组播支持从应用和理论上都有重要意 义；第三，一些正在发展的有q o s 需求的多媒体应用大多面向组，而且，这些应用往往消 耗了大量网络带宽，在区分服务域支持组播可以缓解带宽压力。然而，如第二章将要介绍 的一样，传统的组播和区分服务虽然是功能互补的技术，但在组状态信息的扩展、由发送 者还是接收者发起q o s 预约以及资源管理等方面存在冲突，因此二者的结合并非易事。 1 3 本文内容及主要工作 下一代互联网需要当代互联网所能提供的所有特性之外的两个重要方面的支持，即 增加的带宽容量和服务质量( q o s ) 支持。当前网络带宽在带宽消耗型的应用大量出现的 山东师范大学硕士学位论文 情况下已经超出负载，人们陆续提出多种解决方案，如增加互连带宽；服务器的分散与集 群，以改变网络流量结构，减轻主干网的瓶颈；采用i p 组播技术等。其中，i p 组播技术 以其从根本上节省带宽的独特优越性而备受瞩目。对q o s 支持来说，包括了最小带宽、延 迟、丢失率、抖动等方面的要求，这对于当前不断发展的网络实时应用来说越来越成为必 需，它通过让网络运营商控制网络资源及其使用，来提供各种i n t e r n e t 服务。尽管网络 的带宽一直在增长，但用户应用的增长幅度远大于网络带宽的增长幅度，因此，提供用户 需求的q o s 还需要有一种合适的带宽分配管理机制，目前也已经提出了多种服务质量体系 结构，如集成服务、区分服务以及流量工程等。其中区分服务可能被引入下一代互联网。 就功能来讲，组播与区分服务相互补充，由此引出将此两大技术结合的意义并分析了其必 要性。 本文的目标是研究i p 组播与区分服务体系结构的结合，以提供一种可以对组数目、 组内成员数可扩展的、支持异构q o s 需求和允许组成员动态的加入离开的解决方案，使 组播数据流在区分服务域内能够获得较好的服务质量保证。 本文的组织结构如下：第一章中，分析当前i n t e r n e t 的发展现状提出组播的必要性 然后重点阐述在当前网络发展情况下满足用户的0 0 s 要求的几种框架并分析它们的工作原 理和优缺点。第二章首先分析组播与区分服务简单结合可能产生的一些问题，然后分类概 述现有的区分服务组播解决方案，并对这些解决方案的优缺点进行综合比较说明。第三章 中，提出一种新的区分服务组播解决方案0 0 s a m d d _ 由o s a w a r e f u l t i c a s to v e rd i f f s e r v d o m a i n s ，并给出其详细介绍；第四章中，进一步对q o s a m 叻方案进行各方面的理论分析 并在n s 2 上进行了大量仿真实验。最后一章总结了本文的工作并指出了下一步的研究方向。 支持o o s 的组播策略研究 第2 章区分服务下的组播问题及其策略研究 在本章中，重点描述了区分服务和组播之间的主要冲突以及两种技术直接结合带来的 一些问题，然后分类概述了已出现的一些解决方案。本章的结构安排如下：2 ，l 节中总