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dif f s e r vo v e rm p l s 的流量工程的研究与仿真 摘要 传统的i p 网络是针对数据业务设计的，只能提供数据传输的服 务，并不具备调节网络资源使用的能力。随着互联网应用的普及化， 因特网已从单一的数据传输网向包含多种业务类型的综合传输网转 化，这些业务具有流量大、实时性高等特点，在i p 网尽力而为的服 务模式下，要传输这些高质量的业务流，就必须优化网络资源的使用， 流量工程可以控制网络资源的使用，目的在于将业务流合理分配在现 有的网络拓扑结构，优化网络资源的使用，解决网络资源使用的不平 衡。多协议标签交换( m p l s ) 流量工程在计算最短路径的过程中添加 一系列约束条件，建立具有服务质量( o o s ) 的路径，提高物理设备 的使用效率，还可以避免网络拥塞引起的网络瘫痪，虽然m p l s 流量 工程可以解决流量在网络中均匀分布的问题，但它没有区分业务类型 的能力，对所有业务采用相同的处理手段，且m p l s 目前还没有一个 全新的设备支持，因此实现o o s 并没有一套新的o o s 保证体系。区分 服务( d i f f s e r v ) 模型可以为业务流提供不同的转发处理，为不同的 业务流执行特定的q o s ，所以将d jf f s e r v 作为m p l so o s 的体系结构 实现流量工程是当前实现o o s 的较好方案。因此研究这一模型的流量 工程机制对于提高网络性能有着重要的意义。 本文阐述了q o s 的两种体系结构，对它们的优缺点进行了简单的 介绍，概述了m p l s 技术产生的原因及工作原理，重点研究m p l s 对流 量工程的支持、对d i f f s e r v 模型的支持、约束路由的优化以及相关 协议的扩展。创新点首先在于对网络仿真工具n s 2 进行扩展，实现 m p l s 的流量工程( m p l s - t e ) 和d if f s e r vo v e rm p l s 的流量工程 ( d s t e ) 两种模型的仿真，其次，修改m p l s 的基于约束的路由算法， 使用“最短距离路径”优化算法实现m p l s - t e 和d s - t e ，比较两种模 型的网络带宽使用情况，实验结果表明d s - t e 模型在网络资源利用率 方面具有良好的技术优势，在m p l s - t e 和d s - t e 每种模型中，“最短 距离路径”路由优化算法比起m p l s 基于约束路由的算法能更合理地 分配带宽资源。 关键词：服务质量多协议标签交换区分服务流量工程 i i i 之e s e a r c ha n ds i m u l a t i o no nt r a f f i c e n g d 也e r i n gb a s e do nd i f f s e r vo v e r m l s a b s t r a c t t r a d i t i o n a li pn e t w o r ki sd e s i g n e df o rd a t ab u s i n e s s ，b u tr a t h e rt o p r o v i d ed a t at r a n s m i s s i o ns e r v i c e s ，i td o e sn o th a v et h ea b i l i t yt or e g u l a t e t h eu s eo fn e t w o r kr e s o u r c e s w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no fi n t e r n e t a p p l i c a t i o n s ，i n t e m e th a st r a n s f o r m e df r o mt h es i n g l ed a t at r a n s m i s s i o n n e t w o r kt ot h ei n t e g r a t e dt r a n s m i s s i o nn e t w o r ki n c l u d i n gav a r i e t yo f b u s i n e s s e s ，t h e s eb u s i n e s s e sh a v eg r e a tt r a f f i c ，r e a l t i m eh i g h ，i nt h em o d e o fb e s te f f o r t ，i no r d e rt ot r a n s m i tt h e s eh i g h q u a l i t yb u s i n e s sf l o w s ，i ti s n e c e s s a r yt oo p t i m i z et h eu s eo fn e t w o r kr e s o u r c e s ，t r a f f i ce n g i n e e r i n g c a nc o n t r o lt h eu s eo fn e t w o r kr e s o u r c e s ，t h ep u r p o s eo fw h i c hi st ob ea r e a s o n a b l ed i s t r i b u t i o no fb u s i n e s sf l o wi nt h ee x i s t i n gn e t w o r kt o p o l o g y ， o p t i m i z et h eu s eo fn e t w o r k r e s o u r c e st oa d d r e s st h ei m b a l a n c ei nt h eu s e o fn e t w o r kr e s o u r c e s 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 ( m p l s ) t r a f f i c e n g i n e e r i n ga d d sas e r i e so fc o n s t r a i n t si nt h ep r o c e s so fc a l c u l a t i n gt h e s h o r t e s tp a t h ，e s t a b l i s h e st h eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) p a t h ，i m p r o v e st h e e f f i c i e n c yi nt h eu s eo fp h y s i o t h e r a p ye q u i p m e n t ，a l s oa v o i d sn e t w o r k i i i c o n g e s t i o nc a u s e db yt h eb r e a k d o w no ft h en e t w o r k , w h i l em p l st r a f f i c e n g i n e e r i n gc a ns o l v et h ep r o b l e mo ff l o wu n i f o r md i s t r i b u t i o ni nt h e n e t w o r k ，b u ti tm a k e sn od i s t i n c t i o nb e t w e e nt y p e so f b u s i n e s s e s ，u s e st h e s a m ea p p r o a c ht oa l lb u s i n e s s e s ，a n dn o wt h e r ei sn o tan e we q u i p m e n tt o s u p p o r tm p l s t h e r ei sn o tan e ws y s t e mt oa c h i v eq o s d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e s ( d i f f s e r v ) m o d e lc a nb eu s e dt ot r a n s m i td i f f e r e n tf l o w s d i f f e r e n tb u s i n e s s h a sd i f f e r e n ts p e c i f i cq o s ，t h e r e f o r e ，d i f f s e r va s m p l sq o sa r c h i t e c t u r et oi m p l e m e n tt r a f f i ce n g i n e e r i n gi st h eb e s t m e t h o dt oi m p l e m e n tq o sn o w t h e r e f o r e ，t h es t u d yo ft r a f f i ce n g i n e e r - i n g m e c h a n i s mo ft h em o d e li so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n g n e t w o r kp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rd e s c r i b e dt w oa r c h i t e c t u r eo fq o s ，i n t r o d u c e ds i m p l y t h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，o v e r v i e w e dt h ec a u s e sa n dw o r k i n g p r i n c i p l eo f m p l s ，f o c u s e do nm p l s f o rt h es u p p o r to f t r a f f i ce n g i n e e r - i n g ，d i f f s e r vm o d e l ，t h eo p t i m i z a t i o no fc o n s t r a i n t - b a s e dr o u t i n ga n d e x p a n s i o no fr e l a t e dp r o t o c o l s t h e f i r s ti n n o v a t i o n p o i n t w a st h e e x p a n s i o nf o r t h en e t w o r ks i m u l a t i o nt o o ln s 2 t oi m p l e m e n tt w om o d e l s s i m u l a t i o no fm p l st r a f f i ce n g i n e e r i n g ( m p l s r e ) a n dd i f f s e r vo v e r m p l st r a f f i c e n g i n e e r i n g ( d s - t e ) ，t h es e c o n d ，a m e n d e dt h em p l s c o n s t r a i n t b a s e dr o u t i n ga l g o r i t h m s u s e dt h e ”s h o r t e s t - d i s t a n c ep a t h ” o p t i m i z a t i o na l g o r i t h mt oi m p l e m e n tm p l s t ea n dd s t e ，c o m p a r e d t h eu s eo ft h en e t w o r kb a n d w i d t ho ft w om o d e l s ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wd s t em o d e lh a s g o o da d v a n t a g e si nt e c h n o l o g yo fn e t w o r k r e s o u r c e su t i l i z a t i o n ，i ne a c hm o d e lo fm p l s - t ea n dd s - t e ，t h e ”s h o r t e s t - d i s t a n c ep a t h ”r o u t i n g o p t i m i z a t i o na l g o r i t h mc a l l b em o r e r e a s o n a b l eb a n d w i d t ha l l o c a t i o no fr e s o u r c e st h a l lm p l sc o n s t r a i n t - b a s e d r o u t i n ga l g o r i t h m k e y w o r d s ：q u a l i t yo f s e r v i c e ；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 ； d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ；t r a f f i ce n g i n e e r i n g v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成 果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第署名单位发表 或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的 研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提 供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确晚明并致谢。 论文作者签名： 学位论文使用授权说明 年s 旯f o b 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的的提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时叫： 。 函即时发布口解密后发白 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名 聊魏批砷年占即同 广西大掌硬士学位论文o if f s e r vo v e ri h p l s 的流p 工程的研， 与仿| 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着互联网的蓬勃发展，多媒体技术也在飞速发展，因特网已经逐步由单一的数据 传送网向数据、语音、图像等多媒体信息的综合传输网演化，但是原有的i p 网络是针 对数据业务的，因此采用的传输模式仍是单一的“尽力而为”( b e s te f f o r t ) 服务，在这 种服务模型下各种实时性要求高的业务面临着传输效率低，无法满足不同的用户和不同 的业务不同的网络服务质量的要求。因此，以提高网络资源利用率、为用户提供更高服 务质量( q o s ) 为目标的研究领域极具活力。目前，i e t f 已经建议了多种服务模型和各 种机制，如区分服务模型( d i f f s e r v ) 、多协议标记交换( m p l s ) 、综合服务的资源预留 协议( 1 m t s e r v r s v p ) 等，提供网络服务的q o s 保证。不同应用对q o s 保证程度要求各 异、不同网络环境对服务可扩展性的要求也各不相同，r s v p 、d i f f s e r v 、m p l s 等技术 都是在q o s 管理的粒度和网络可扩展性这两个因素之问寻求不同程度的折衷：其中 r s v p 提供更细的q o s 保障的粒度，而d i f t s e r v 和m p l s 具有很好的可扩展性，因此它 们的结合和相互补充对i p 网络的q o s 具有极其重要的意义。 区分服务( d i f f s e r v ) 的体系结构是基于这样一种模型：当业务流进入网络时，网 络边缘路由器在分组头部标识区分服务码点( d s c p ) ，将这些业务流划分为不同的业务 类型，网络核心路由器则根据分组头部的d s c p 对分组采用不同的调度和丢弃策略，具 有相同的d s c p 的分组属于一个聚集流或“类”，我们称之为行为聚集( b a ) ，这些分 组接收相同质量的服务。d s 区域中的核心路由器实现p h b ，根据i p 分组头部的d s c p 值选择特定的调度转发行为( p h b ) 进行转发处理，每个d s c p 值只能对应一个p h b ， 它们可能是多对一的关系，各个d s 区域可以支持不同的p h b 组，各个区域的d s c p 与p h b 的映射规则也不同。目前区分服务主要支持三种p h b ：尽力而为( b e ) p h b ， 当d s c p 字段为全零时，对应的p h b 为b ep h b ；快速转发( e f ) p h b ，适用于延迟小、 广西犬掌硕士掌位论文d i f f s e l yo v e r 肝l s 的流量工程的研究与仿真 丢包率低、抖动低、具有带宽保证的业务流，话音和视频流是典型的e f 业务流。确保 ( a f ) p h b ，适用于需要速率保证，但不需要延迟或抖动限制的业务流。d i f l s e r v 将业 务流分成不同的等级，并按照等级分配不同的网络资源，从而解决了q o s 的问题，它是 一种可扩展的解决方案，不需要在网络核心维护基于业务流的信令和状态，但是，如果 流量的传输路径本身就不能提供足够的资源来满足q o s 要求，d i f f s e r v 也将无法保证 q o s 。 传统的i p 流量都是基于i p 路由协议进行选路和转发的，路由匹配遵循最长前缀匹 配原则，迫使几乎所有的路由器的交换引擎必须用软件来实现，使得流量传输速率大大 下降。m p l s 协议的产生最初是为了使用固定标签在核心骨干网络内实现分组的快速转 发，但是后来人们发现它可以对业务流量提供很强的控制能力，使流量工程的实施较为 有利。由于m p l s 技术可适用于任何网络层协议，故称为多协议，它不但可以支持诸如 i p v 4 、i p v 6 等网络层的协议，还可以兼容第二层的多种链路层技术，它是一种将分层网 络的第二层交换和第三层路由结合起来的一种数据传输技术，m p l s 的显式路由功能允 许网络边缘路由器进行路径计算( 提取数分组的i p 地址，把一个分组划分为一个等价 转发类，并用一个标签代表) ，使用标准的m p l s 标记分发协议c r - l d p ( 基于约束路 由的l d p ) 或r s v p - t e ( 扩展的r s v p ) 沿这条路径建立m p l s 转发状态，并将分组 映射到这条路径上。 流量工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 技术的目的是在网络中找到一条能够满足一系列约 束条件的路径，解决网络资源使用的不均衡，而传统的i p 路由算法是导致网络资源使 用不均衡的主要原因，无论是o s p f 算法还是r i p 算法在选路的时候都是使用最短路径 转发数据分组，这样就导致了短路径容易阻塞而长路径使用不均衡，造成网络的拥塞， 使网络的性能下降。而基于m p l s 的流量工程( m p l s - t e ) 可以避免一部分网络资源被 过度使用而另一部分资源却未被使用的情况发生，它可以通过在计算到目的地的可用路 径时加入一些约束条件，使用标记分发协议给进行路径计算的全部节点建立有带宽保证 的路径，弥补d i f l s e r v 模型的不足，实现q o s 的保证。m p l s - - t e 只能解决流量在整 个网络中均匀分布的问题，但对于流量本身的特性未作考虑，它将所有的流量采用相同 的处理策略和手段，不具有区分流量类型的功能，这样就会导致当网络资源短缺时，不 能保证重要的或紧急的流量优先通过。因此鉴于d i 船e r v 模型和m p l s t e 模型各自的 优缺点可以考虑将两者结合以实现网络资源的有效管理。 g - 西大掌司| 士掌位论文d i f f s e r vo v e rm p l s 的流量工程的研璺 与仿j 1 2 国内外研究现状 国内外对m p l s 与d i f f s e r v 协同工作的研究主要有下面几个方面：一是约束路由技 术，即如何将流量主干映射 ! i l s p 上，它可以根据多个约束条件( 流量主干相关的属性， 和资源相关的属性或其他拓扑状态信息) 计算出所有的可行路径，并根据一定的优选策 略从中选出一条最优的路径，以提高网络资源的利用率，实现网络性能的优化，例如基 于约束的最短路径优先( c s p f ) 算法。目前在实践中主要采用启发式算法来寻找可行 路径，即首先删除不能满足流量主干属性要求的资源，其次在剩下的路径中采用最短路 径算法。如何在节省通信资源、均衡网络负载以及计算复杂度之间取得最佳的平衡点是 基于约束的路由算法中的一个研究重点，文献【1 】深入剖析了最小干扰选路算法( m i r a ) 的关键思想，综述了对m i r a 的各种改进方案，文献 2 9 1 也分别提出了新的约束路由算 法。二是拥塞问题，即如何对拥塞进行预防和控制，以提高网络的性能，文献【1 0 】提出 了一种动态负载平衡机制，采用流量工程对拥塞进行避免。三是带宽限制模式，即如何 在不同的流量类型间分配网络资源，目前m p l s 默认的有两种模式：1 最大分配模式 ( m a m ) ，它将一个业务级别与一个带宽限制( b c ) 映射，各业务级别类型( c t ) 之 间不能共享带宽，这种方式造成带宽的浪费，适用于不允许抢占的网络。2 俄罗斯套娃 模式( r d m ) ，这种模式允许c t 间共享带宽，改进了m a m 模式的带宽利用率，但它的 缺点是不隔离不同的c t ，必须采用抢占机制以确保每个c t 获得保证的带宽份额，而不 受其他c t 竞争的影响“，文献【1 3 】提出了一种新的带宽分配模式，解决当高优先级业务 量较小时如何充分利用网络的带宽资源问题。四是流量控制，即限制一些通信量进入网 络中以避免堵塞，文献【1 4 】提出了一种动态的队列管理算法，并对d r r 调度算法进行了 改进，改进后的算法有良好的鲁棒性，能够提高网络资源的利用率。 1 3 课题研究内容 1 研究d i f f s e r v 模型，包括d i f f s e r v 对流量的分类，d s c p 和p h b 的映射等，分析其优 点，指出其在保证q o s 方面的缺陷。 2 研究m p l s 的关键技术，包括显式路由、流量工程、基于转发等价类( f e c ) 的标记 分发等，了解m p l s 这种新的数据传输技术的各种具体应用。 3 研究m p l s 对d i f t s e r v 的支持，包括d s c p 和m p l s 中的l a b e l 字段和e x p 字段的映 广西大掌硕士掌位论文 d i f f s e r ro v e rm p l s 的流? 工程的研究与仿真 射、r s v p 协议对d i f f s e r v o v e r m p l s 的扩展、支持标记分发和显式路由等功能。 4 研究m p l s 对流量工程的支持，包括与流量主干相关的属性，约束路由选择算法及其 优化等，指出其在流量工程方面的不足。 5 ，研究区分服务的m p l s 与流量工程相结合的技术( d s t e ) ，包括对i g p ( o s p f ) 的 扩展，对r s v p t e 的扩展。 6 利用n s 2 建立m p l s 与d i f f s e r v 结合的仿真模型，研究在此模型上的流量工程。通过 对建立的模型进行仿真实验，分析及比较m p l s t e 、d s - t e 、采用“s h o r t e s t d i s t a n c e p a t h ” 优化算法的d s t e 在流量控制和q o s 等方面的性能。 本文的创新点首先在于对网络仿真工具n s 2 进行扩展，实现m p l s 的流量工程 ( m p l s - t e ) 和d i t t s e r vo v e rm p l s 的流量工程( d s t e ) 两种模型的仿真，其次，修 改m p l s 的基于约束的路由算法，使用“s h o r t e s t - d i s t a n c ep a t h ”优化算法实现m p l s t e 和d s - t e ，比较两种模型的网络带宽使用情况，实验结果表明d s - t e 模型在网络资源 利用率方面具有良好的技术优势，在m p l s - t e 和d s t e 每种模型中，“s h o r t e s t - d i s t a n c e p a t h ”路由优化算法比起m p l s 基于约束路由的算法能更合理地分配带宽资源。 1 4 本文组织结构 第一章主要介绍课题的研究背景、研究内容以及国内外的研究动态。 第二章介绍了q o s 的定义及两种实现q o s 的模型，概述了这两种模型i m s e r v 和 d i f l s e r v 的工作原理和网络环境，并对它们进行了比较，分析各自的优缺点。 第三章首先介绍了m p l s 技术产生的原因，并对m p l s 的工作原理进行了全面的剖 析，最后详细讨论了m p l s 的标记分发协议l d p 的工作过程。 第四章的内容主要分为四个部分：第一部分主要介绍了流量工程的基本知识，包括 它的产生原因、建模过程、性能指标及相关的实现技术；第二部分分析了m p l s 技术对 流量工程的支持；第三部分概述了基于约束的路由技术，并简单地介绍了几种路由优化 算法；第四部分讨论了两种标记分发协议为支持m p l s 流量工程所做的扩展。 第五章介绍了d s t e 相对于m p l s - t e 的技术优势，并分析了m p l s 对区分服务的 支持、l d p 协议为支持区分服务所做的扩展以及支持区分服务的m p l s 对流量工程的支 持，最后详细说明了相关协议的扩展。 广西大掌司e 士掌位论文d i f f s e r vo v e rm p l s 的漶量工程的研，晦仿真 第六章的内容主要分为三部分：第一部分介绍了实验仿真工具n s 2 的原理以及它的 扩展使用和相关命令；第二部分介绍了n s 2 的m p l s 模块，并对m p l s 、m p l s - t e 、 使用“s h o r t e s t d i s t a n c ep a t h ”优化算法的m p l s t e 进行仿真，得出仿真结果；第三部分 介绍了d i f f s e r v 模块，并对d i f f s e r v 、d s - t e 、使用“s h o r t e s t - d i s t a n c ep a t h ”优化算法 的d s t e 进行仿真，得出仿真结果。 笫七章对以上工作进行了总结，并阐述了将来要进行的工作。 r - 西，0 攀硕士掌位论文 d i f f s e r vo v e r 硼l s 的漶量工程的研究皇肪，【 第二章q o s 概述 i n t e r a c t 自出现以来，一直以惊人的速度飞速发展，如今i n t e m e t 信息的传输类型已 不仅仅是数据信息，还包括许多分布式多媒体应用，例如视频会议、i p 网络电话、视频 点播、网络游戏、远程教育等等，它们不仅包含文本数据信息，还包含语音、图像、视 频、动画这些多媒体信息，这些信息不但对网络有很高的带宽要求，而且要求信息传输 的低延时、低抖动，同时可以容忍一定程度上的信息丢失。对于当今传统的i p 网络， 传输这些多媒体信息就出现了一个问题，i p 网络是针对非实时通信类型而设计的，它的 特点是类型单一，且采用“尽力而为”( b e s t - e f f o r t ) 的服务模式，无法辨别传输的数据 类型，因而采用相同的实施措施，不能对需要高带宽的业务但容许少量信息丢失与需要 低带宽的业务但不容许信息丢失的业务区别对待，无法满足不同用户和应用对于网络服 务质量的不同需要，在这种情况下，具有能提高网络资源利用率、能为用户提供高质量 服务的q o s 技术诞生了。 2 1q o s 定义 我们将q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 称为网络的服务质量，在日程生活中当服务者向 消费者提供服务的时候，消费者往往会对服务者作出一个服务满意度的评价，这个评价 就是服务质量。在计算机领域的术语中，q o s 被描述为发送信息用户与接收信息用户之 间或用户与计算机网络元素( 路由器、主机等) 之间关于信息传输的质量约定。用户之 间的协商是为了知道接收方是否有接收发送方信息的能力，用户与网络元素之间的协商 称为接纳控制( a d m i s s i o n c o n t r 0 1 ) ，是为了防止用户的q o s 要求太高，网络元素无法提 供所需服务的情况发生。当用户按照约定中的参数产生数据信息，网络元素提供约定的 服务质量，这个过程是双方的，要求用户和网络元素的共同参与，履行义务和责任。除 此之外，q o s 还被定义为当数据分组流经网络元素时，网络元素所能提供的传输服务， 这些服务具体包括带宽、延时、丢失率、吞吐量等等“”，q o s 反映了网络元素在提供质 量保证方面的能力。 随着q o s 问题研究的深入，i e t f 于1 9 9 7 年制定了有关于q o s 的一系列标准，其 中最典型的是提出了两种不同的q o s 体系结构：综合服务模型( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ) 和 区分服务模型( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) ，简称为i n t s e r v 服务和d i f t s e r v 服务。 6 广西大学硕士学位诧- 文d if f s e r vo v e r i p l s 的漶。工程的司”宅与仿真 2 2 综合服务模型 2 2 1i n t s e r v 的服务类型 i n t s e r v 服务模型提供了三种服务类型“： 1 确保服务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) 用于对延时比较敏感的业务，例如高质量的电话会议、实时财政事务处理等。 2 可控负载服务( c o n t r o l l e d 1 0 a ds e r v i c e ) 用于那些需要可靠传输，但能容忍一定程度延时的业务，例如中低质量的音频视 频组播。 3 尽力服务( b e s te f f o r t ) 用于没有q o s 支持的业务，这也是传统的因特网的服务模式。 无论是确保服务还是可控负载服务都需要网络元素为它们分配资源，这些资源包括 带宽、缓冲区等等，它们是共享的，因此用户在提出q o s 要求后网络系统必须运行接纳 控制过程来进行资源检查，以决定是否具有足够的资源来接受用户的请求，在网络资源 充足的情况下，为了防止其他服务占有网络资源，系统要对传输路径上的一系列网络元 素进行资源预留。在这个过程中引入了一个很重要的网络协议r s v p ，它使i p 网络为应 用程序提供所需要的端到端的q o s 保证成为可能，它实现把信息传送到路由器的显式建 立机制，使得路由器能把服务提供给请求它们的业务流。 2 2 2 资源预留协议r s v p r s v p 的中文含义是资源预留协议，它是一个信令协议，应用程序可以使用r s v p 请求网络资源，网络元素通过显式同意或拒绝来回应r s v p 请求。r s v p 信息有两种类 型：p a t h 和r e s v ，图2 1 描述了r s v p 在发送节点和接收节点实现端到端资源预留的 过程，步骤如下： 1 a 沿着数据路径发送“p a t h ”分组到b ，“p a t h ”分组包括前一跳节点的i p 地址和业 务流所需的带宽、延时、抖动等指标，这个分组在途径的每个路由器存储“p a t h ”状态。 2 b 收到“p a t h ”分组后，沿着“p a t h ”分组传输路径的相反方向向a 发送r s v p 预留 信息“r e s v ”分组。 7 3 路径中收到“r e s v ”信息的路由器使用接纳控制判断是否有足够的资源满足这个q o s 请求，如果有则进行资源预留，创建和保存“预留状态”，并存储一些与业务流相关的 信息，继续将“r e s v ”分组向上游发送给下一个路由器。如果缺乏资源则路由器必须拒 绝该请求，并返回一个错误信息给b 。 4 当最后一个“r e s v 分组最终传到达a 表明资源预留成功，a 可以开始向b 发送数据。 5 当业务流发送完毕，路由器释放先前预留的资源。 h o s t a 2 2 3i n t s e r v 实现模型 图2 - 1r s v p 工作过程 f i g u r e2 - 1t h ep r o c e s so f r s v p h o s t b 图2 - 2 给出了在主机和路由器中使用r s v p 实现i n t s e r v 的工作原理 r o u t e r 图2 - 2i n t s e r v 实现模型 f i g u r e2 - 2i m p l e m e n t a t i o nm o d e lo f i n t s e r v 8 d i f f s e r vo v e ri l h o l s 的流量工程的研究与仿真 图2 2 包括了实现r s v p 必需的几个模块： 1 分类器( 多域分类器m f ) ：用在单个流量中的流量控制，用于识别单个流，分类器可 以根据多个字段的值分类，如源地值、目的地址、源端口号、目的端口号等等。 2 策略控制器：判断用户是否有资源预留的许可权。 3 接纳控制器：判断网络可用资源是否满足流量的需要。 4 调度器：根据服务类型进行优先级排序、流量预估、监控等。 一个r s v p 的q o s 控制需要将分组( 包括路径分组和预留分组) 交给节点中的接纳 控制和策略控制模块处理，如果预留分组通过了上述两个模块的检查则可以进入分类器 和调度器，设置相应的参数和状态，并控制数据分组的转发。 2 2 4 ) n t s e r v 的局限性 i n t s c r v 服务需要为每条流量预留资源，网络中的每个节点都要维护各类数据库、链 路状态和q o s 路由表，严重影响了网络的扩展性，随着网络的扩大，流量的增多，路由 器的负担随之加重，难以实现端到端q o s 的保证，况且i n t s c r v 只面向单个流，对于路 由器的配置和使用m f 也会给路由器带来巨大的负荷，由此可见i n t s c r v 服务模型可扩 展性差，鲁棒性差。 2 3 区分服务模型 2 3 1 术语 在介绍区分服务模型之前，我们先对模型中所使用的术语进行概念性的描述。 1 行为集合( b a ) ：在一条链路上通向一个特定方向的拥有相同d s 码点的分组的集合。 2 分类器：根据已定义的规则基于分组头部字段选择分组的实体。 3 b a 分类器：基于d s 字段选择分组的分类器。 4 d s 边界节点：d s 域中负责连接另一个d s 域或非d s 域的节点。 5 d s 码点( d s c p ) ：d s 字段的值，用来选择p h b 。 6 d s 域：能够提供区分服务的区域，它由一组能提供策略和p h b 定义的连续节点组成。 7 每跳行为( p h b ) ：应用在d s 节点上的转发行为。 9 j - - 西大掌硕士掌位论文 d i f f s e r vo v e r l s 的瀛量工程的研舅：与仿真 8 服务等级协定( s l a ) ：用户和i s p 协商的服务，描述了用户应该得到的转发服务，用 户可以根据自己的服务质量要求，对照s l a 用适当的值标记d s c p 。 9 业务调节协定( t c a ) ：描述了分类器规则，流量的情况，应用于流量的测量、标记、 丢弃和整形规则。 2 3 2d i f f s e r v 的工作过程 对比面向每流的r s v p ，d i f f s e r v 网络是基于在分组i p 头部的d s c p 将分组划分成 不同的b a ，d i f f s e r v 服务处理的对象不是单个流而是单个流的集合聚集流，这些 流根据不同的d s c p 值，获得不同质量的服务。图2 3 给出了d i f f s e r v 体系结构的示意 图： 图2 - 30 i f f s e r v 体系结构图 f i g u r e2 - 3t h ea r c h i t e c t u r eo f d i f l s e r v 从图2 3 中我们可以看到d s 区由一组d s 区域组成，d s 区域是由一些相连的d s 节点构成的集合，它们遵循统一的服务规范并实现一致的p h b 组，d s 区域的边界节点 ( b r ) 连通d s 区域和非d s 区域或其他d s 区域，它们主要是对进入区域的流量进行 分类、测量、整形、延迟，将不符合业务轮廓( t c a 规范) 的分组丢弃，使输入流符合 之前约定的t c a ，并在分组头部标记d s c p 值，分类归入b a ；对输出区域的流进行调 节，保证其符合与下游d s 区域协商的t c a 。对未标记d s c p 的流量，d i f f s e r v 路由器 将用尽力服务处理。d s 区域中的内部节点实现p h b ，根据i p 头部的d s c p 值选择特定 的调度转发行为( p h b ) 进行处理，每个d s c p 值只能对应一个p h b ，它们可能是多对 一的关系，各个d s 区域可以支持不同的p h b 组，各自区域的d s c p 到p h b 的映射函 l o d i f f s e n ro v e r 硼l s 的漶量工程的研，l ：与仿j 数也不同，因此域问边界节点应分别对出域和入域流进行调节使其符合s l a 与t c a 规 定，此外在d s 区域与非d i f f s e r v 区客户网络之间也需要这样的调节。图2 - 4 说明了对 流量进行分类和调节的过程： 。广= = = 7 u p a c k e t 广j = 二j =- 广_ 二f 蛳一p p e 忙 7 l ：! 竺! ! ! 竺! l 7 l ! ：! 呈坚笪i t r a f f i cc o n d i t i o n e r 图2 - 4 流量调节器逻辑图 f i g u r e2 - 4l o g i cv i e wo f t r a f f i cc o n d i t i o n e r t l 7 1 分类器( c l a s s i f i e r ) 按照t c a 的约定，将分组分类交至流量调节器( t r a f f i c c o n d i t i o n e r ) 处理，对于符合t c a 协定的分组可以直接进入d s 域，不需要进行调整，这些分组进入 标记器( m a r k e r ) ，标记器根据两个域之间的s l a 对分组进行标记，标记后的分组进入 整形器( s h a p e r ) ，丢包器中，当业务流不符合t c a 规范时，将会被缓存在整形器的缓 存空间中，直到符合t c a 的流规范，当没有足够的缓存空间存储分组时，丢包器将会 丢弃业务流中的部分或全部分组“”。 2 3 3d i f f s e r v 的服务类型 i e t f 定义了1 4 个标准的p h b ，如下： 1 尽力而为( b ep h b ) 适用于不需要进行特殊处理的业务流，其d s c p 值为0 ，如果一个分组没有标记 d s c p ，网络元素对其提供尽力而为的服务。 2 觖速转发( e fp h b ) 适用于延时低、抖动低、丢包率低、需要保证带宽的流量，它是目前所定义的最高 级别的区分服务类型，由于其“三低一保证”的服务使得流量在传输路径上几乎不用排 队，因此不可能由于拥塞造成抖动、延时和丢包，需要e fp h b 提供服务的业务流包括 视频、语音流等。 产西大掌硕士掌位论文 d i f f s e r vo v e rm p l s 的流量工程的研舅冉仿| 3 十二个确保转发( a fp h b ) 适用于需要速率保证，但不需要延时或抖动限制的流量，每个p h b 按照物理队列 号和丢弃优先级的组合定义，目前i e t f 定义使用4 个队列，每个队列有3 个优先级， d s 节点会为每个队列预留一定的资源，保证用户即使在网络拥塞的时候也可以得到最 低限量的带宽资源，当网络空闲时，不同的业务流可以竞争剩余的可用资源。 2 4i n t s e r v 和d i f f s e r v 的比较 与i n t s e r v 相比，d i f f s e r v 有很大的优越性。首先网络里的路由器不需要维护每流的 信令和状态；其次，d i f f s e r v 将许多微流聚集映射成特殊的流量进行分类处理，比起 i n t s e r v 对每条微流的分类处理扩展性要好；再次，对进入网络的分组进行分类、标记都 是在边界路由器完成的，核心路由器只负责转发分组，减轻了核心路由器的负担；最后， 分组中的服务完全由i s p 决定，分组头中的服务比特只是用来对分组进行分类，而不需 要涉及具体的服务细节，给i s p 所支持的各种服务提供了很大的灵活性。d i