（计算机应用技术专业论文）微通信元系统构架中主机对qos的支持.pdf

摘要 近年来，计算机网络技术正以飞快的速度在不断地发展，各行各业都不断享 受到网络技术发展带来的好处，我们正在步入一个信息化的时代。在当今的互联 网络世界中，t c p i p 协议簇已经成为计算机通信的事实标准。我们知道，t c p i p 体系是基于层次体系结构的，这种体系结构的产生有它的原因。在网络开发的初 期，计算机网络的应用还只是学术研究性质，网络的应用主要局限于一般数据信 息的有效传输，同时底层通信技术也不够发达，因此采用层次体系结构。其出发 点在于简化协议设计的复杂性。层具有封装性、隐蔽性和抽象性，层次结构功重 复，实现复杂。但由于t c p i p 协议栈本来就是为了窄带文本数据的传输而开发， 随着宽带网络和多媒体技术的发展，对实时语音视频传送、网络安全，q o s 等方 面提出了更高的要求。为了保证q o s ，t c p i p 在各层( 甚至在层间) 打了一系 列的补丁：资源预留协议r s v p 、实时传输协议r t p 、实时传输控制协议r t c p 、 i e e e s 0 2 1 d 协议、区分服务d e f f s e r v 和多协议标签交换m p l s 等。出现这种问 题，根源还在于体系结构的不合时宜性。 在国内外网络界就进行了许多关于高性能的网络体系结构的研究中，我们提 出了服务元网络体系结构，并建立起了这种体系结构下的第一个实现模型一一微 通信元体系架构。借鉴原有i pq o s 的原理和实现方式，扬长避短，在微通信元 体系架构中，针对主机节点，进行了深入的研究。同时，为了实现在l i n u x 操作 系统下的主机对q o s 服务支持，我们详细分析了l i n u x 中现有对流量控制机制、 准入控制机制，并对其相关源代码进行了研究分析。在此基础上，我们构建了 q o s 服务模块，并增添了相关的实现机制( 如s o c k e t 的改动，数据传输机制的改 动等) 。最终目的是实现微通信元体系架构下主机对q o s 的保障。 本论文和其他关于微通信元体系结构的论文、文章一道，构成了服务元体系 结构理论。保障q o s ，不仅要在主机节点上进行相关的更新，我们的网络节点也 要提供相关的支持，才能真正实现q o s 。本论文重点讨论主机节点上的机制，对 网络节点上的机制只是粗略讨论，如要了解网络节点上的实现机制，请参阅相关 专题文章。 关键词：服务元，微通信元，服务质量，主机 a b s t r a c t t h e s ey e a r s ，c o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p i n gv e r yf a s t e v e r y p a r to fo d 2 s o c i e t yh a sb e e nb e n e f i tf r o mt h i st e c h n o l o g y n o ww e a r ee n t e r i n ga n i n f o r m a t i o ne r a i nt h ec o m p u t e rn e t w o r kw o r l d ，t c p i pp r o t o c o l sh a v eb e e nt h e s t a n d a r di nf a c t b u tw ek n o wi th a sr e a s o n s a t b e g i n n i n g o ft h en e t w o r k s d e v e l o p m e n t ，c o m p u t e rn e t w o r k sj u s tb e e ns t u d i e d a sa na c a d e m i c a lt o p i c ，a n di t s m a i na p p l i c a t i o n sw e r eu s e dt ot r a n s f e rc o m m o nd a t a a tt h es a m et i m e ，t h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ew e r eb o t hn o ta d v a n c e d ，s ot h ea r c h i t e c t u r ew e r eb e e nd e s i g n e da st h e l a y e r s ，f o ri t c a ns i m p l i f yt h ec o m p l e xo ft h ed e s i g n l a y e r sh a v et h ef u n c t i o n so f e n c a p s u l a t i o n ，c o n c e a l m e n t ，a b s t r a c t i o n m a n yl a y e r s w o r k t o g e t h e r t or e a l i z e c o m p l e xf u n c t i o n b u tt h i s “n do f a r c h i t e c t u r em a yb ec o m p e t e n tf o rn a r r o w - b a n d b a s e dt e x td a t at r a n s f e r w h e nb r o a d - b a n d a p p l i c a t i o n s h a v eb e c o m et h em a i n a p p l i c a t i o no f t h ec o m p u t e rn e t w o r kl i k em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n ，t e c h n o l o g i e sl i k e q u a l i t y o fs e r v i c e ( q o s ) ，n e t w o r k s e c u r i t y h a v eb e e n e m p h a s i z e d s o m e n e w p r o t o c o l s a s r s v p ( r e s o u r c e s r e s e r v e d p r o t o c 0 1 ) ，r t p ( r e a l t i m e p r o t o c 0 1 ) ， i e e e 8 0 2 1 d ，m p l s ( m u l t i p l ep r o t o c o l sl a b e ls w i t c h i n g ) h a v ea p p e a r e d b u tt h e s e p r o t o c o l s a c t 船m e n d si nt h et c p i pp r o t o c o l s ，a n da d dt h e c o m p l i c a t i o n a n d r e d u n d a n c y t ot h ea r c h i t e c t u r e m a n y n e wc o m p u t e rn e t w o r ka r c h i c t e c t u r e sh a v ee m e r g e n c e dt h e s ey e a r s o u r l a bh a s p r o p o s e d an e wa r c h i t e c t u r en a m e da ss e r v i c eu n i tb a s e dn e t w o r k a r c h i t e c t u r e ，a n dw eh a v er e a l i z e dt h ef i r s tm o d e lb a s e dt h i s a r c h i t e c t u r et h e o r y n a m e dm i c r o c o m m u n i c a t i o ne l e m e n ta r c h i t e c t u r e a f t e r d i s c u s s i n g i p q o s t e c h n o l o g ya n da n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo fq o s i nl i n u x ，w eh a v ee s t a b l i s h e dt h e q o s m o d e li nt h em a i n f r a m en o d e s ，a n da d ds o m en e c e s s a r ym e c h a n i s mt or e l e a s e t h i sm o d e l t h i st h e s i si s p a r t o ft h es e r v i c eu n i tb a s e da r c h i t e c t u r et h e o r y i t m a i n l y c o n c e r n sh o wt or e a l i z et h eq o sm e c h a n i s mi nm a i n f r a m en o d e sb a s e do nt h es e r v i c e u n i tc o n c e p t t h i st h e s i so n l yd i s c u s s e saf e wq o sm e c h a n i s mi nn e t w o r kn o d e s i f y o u i n t e r e s ti nt h a tt o p i c ，p l e a s er e f e r p e r t i n e n tp a p e r s k e y w o r d ：s e r v i c eu n i t ，m i c r o c o m m u n i c a t i o ne l e m e n t ，q o s ，m a i n f r a m e i i 独创性声明 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 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 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。 签名：f 垂! i ! ! 圣 日期：力。啤伊月，r 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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应遵守此规定) 躲韭导师签名趁 日期：a 咖妒年口月lj 一日 缩略语 s u ：s e r v i c eu n i t服务元 s u n a ：s e r v i c eu n i tn e t w o r k a r c l l i t e c t u r e 服务元网络体系结构 m c e s ：m i c r o c o m m u n i c a t i o ne l e m e n ts y s t e m 微通信元系统 s d u ：s e r v i c ed a t au n i t服务数据单元 s u m ：s e r v i c eu n i tm a n a g e r服务元管理器 n i c ：n e t w o r k i n t e r f a c e c o n t r o l l e r网络接口控制器 b q m ：b u f f e rq u e u em a n a g e r缓冲队列管理 a r p a n e ta d v a n c e dr e s e a r c h p r o j e c t sa g e n c y n e t w o r k a r p a 计算机网 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异步传输模式 c r c c y c l er e d u n d a n c y c h e c k 循环冗余校验 i pi n t e m e tp r o t o c o l 网际协议 m a cm e d i u m a c c e s sc o n t r o l 介质访问控制 m c e sm i c r oc o m m u n i c a l i o ne l e m e n t s y s t e m微通信元系统 m c sm o d u l a rc o m m u n i c a t i o n s y s t e m模块化通信系统 m t um a xt r a n s f e ru n i t 最大传输单元 m cn e r w o r ki n t e r f a c ec a r d 网络接口卡 o s i o p e ns ”t e m i n t e r c o n n e c tr e f e r e n c em o d e l 开放式系统互联参考模型 q o sq u a l i t yo f s e r v i c e服务质量 r a r pr e v e r s ea d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l 反向地址解析协议 r s v pr e s o u r c e r e s e r v e p r o t o c o l 资源预留协议 m p l s m u f i p l ep r o t o c o l s l a b e l s w i t h i n g多协议标签交换 s d us e r v i c ed a t au n i t 服务数据单元 t c pt r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l 传输控制协议 u d pu s e r d a t a 鲫n p r o t o c o l 用户数据报协议 v 微通信元系统构架中主机对q o s 的支持 1 1 课题背景 1 引言 计算机网络从其出现到现在已经经历了几十年的发展，目前互联 网所使用的t c p i p 体系是基于层次体系结构的。在a r p a n e t 开发的初 期，计算机网络的应用还只是学术研究性质，网络的应用主要局限于 一般数据信息的有效传输，同时底层通信技术也不够发达，因此采用 层次体系结构。其出发点在于简化协议设计的复杂性。层由实体( 硬 件和或软件) 构成，能够接受下层提供的服务，并能向上层提供增值 服务。具体来说，目前的网络体系结构具有如下的特点：1 ) 体系结构 的适应性好。这是因为从a r p a n e t 到i n te r l 3 e t 的发展过程中，涌现了 各种各样的实际的网络技术，t c p i p 融合连接了众多不同技术的网络， 成为了互联网中的主流网络体系。2 ) 作为分层的体系结构，各个层次 的功能相对独立，便于设计。然而t c p i p 最初的开发设计是基于窄带 网络传输文本信息，随着网络技术的蓬勃发展，人们对网络应用的要 求越来越高，对网络服务的的高效性、可靠性、多样性等提出了更高 的要求，如对视频、语音等多媒体信息的实时传输，对网络的q o s 、安 全等方面的要求，此时t c p i p 的弊端也逐渐暴露出来，层次结构的特 点使得把新的技术和标准引入现有网络中的出现了困难，只能在原有 层次结构中进行修补始终很受限制，不能很好的满足新服务的需求； 另外由于几个网络协议层的冗余操作而使网络性能下降。虽然t c p i p 也在不断发展，但是由于其开放性的固定层次体系结构的限制，这种 需求和限制的矛盾将是长期的。解决这个问题的根本办法是设计更加 合理的网络体系结构，给网络使用者更好的网络功能支持。 从2 0 世纪9 0 年代开始，在国际网络界就进行了许多关于高性能 的网络体系结构的研究。电子科技大学计算机学院的曾家智老师在研 究这些体系结构，对现有网络中服务类别的分析、归纳，针对现有的 分层网络体系结构存在的层间功能重叠和复杂的分层处理过程所带来 的网络服务效率低下的问题，提出了一种基于服务元的网络体系结构。 服务元只提供服务，不接受服务，所以避免了层间交互和服务传递的 开销。服务元不仅能为本节点应用提供服务，而且不同节点的服务元 可以合作向某一节点或整个网络提供服务。而微通信元系统架构是服 微通信元系统构架中主机对q o s 的支持 务元网络体系结构的一种具体模型，它是一种易于从t c p i p 过渡的服 务元网络体系结构的构架。作为微通信元的服务元被组织成微通信系 统，大量的微通信系统被组织成网络系统。微通信元系统构架具有简 洁、可扩展和容易实现的特点。 对微通信元系统架构进行研究与实现，是研究新的网络体系结构， 改善现有网络服务的有益尝试。 1 2 课蹶任务简介及本人工作 本课题任务来自电子科技大学计算机学院新型网络研究室所承当 开发的电子科技大学的“十五”学科建设项目一一新型计算机网络体 系结构及关键技术研究。课题任务主要是基于l ir l l i x 系统平台，研究、 设计并实现一个初步的基于服务元网络体系结构的模型系统一一微通 信元网络架构。课题任务的开发环境基于： 硬件：p c 机( i3 8 6 ) 。 软件：l i n u x 操作系统 在这个项目中，本人分析了t c p i p 网络体系结构的设计弊端、实 现机制，密切配合课题组的其它成员，积极参与服务元网络体系结构 的分析、微通信元系统架构在主机上实现模型的总体设计，并负责微 通信元架构中主机对q o s 支持的模型设计与实现，包括原有i pq o s 的 研究和分析，l i f l u x 中对服务质量的保障机制和源码分析。微通信元体 系架构中服务质量保证的模型设计，简单q o s 服务元( 模块) 的编程 实现和测试。并圆满完成了任务。 2 微通信元系统构架中主机对q o s 的支持 2 网络体系结构的背景及发展动态综述 计算机网络从其出现到现在已经经历了几十年的发展，目前互联 网所使用的t c p i p 体系是基于层次体系结构的。在a r p a n e t 开发的初 期，计算机网络的应用还只是学术研究性质，网络的应用主要局限于 文本数据信息的有效传输，同时底层通信技术也不够发达，并且采用 层次体系结构。其出发点在于简化协议设计的复杂性。层由实体( 硬件 和或软件) 构成，能够接受下层提供的服务，并能向上层提供增值服务。 具体来说，目前的网络体系结构具有如下的特点： 体系结构的适应性好。这是因为从a r p a n e t 到i n t e r n e t 的发展过 程中，涌现了各种各样的实际的网络技术，t c p i p 融合连接了众多不 同技术的网络，成为了互联网中的主流网络体系。 作为分层的体系结构，各个层次的功能相对独立，便于设计。然 而t c p i p 最初的开发设计是基于窄带网络传输文本信息，随着网络技 术的蓬勃发展，人们对网络应用的要求越来越高，对网络服务的的高 效性、可靠性、多样性等提出了更高的要求，如对视频、语音等多媒 体信息的实时传输，对网络的q o s 、安全等方面的要求，此时t c p i p 的弊端也逐渐暴露出来，层次结构的特点使得把新的技术和标准引入 现有网络中的出现了困难，只能在原有层次结构中进行修补始终很受 限制，不能很好的满足新服务的需求；另外由于几个网络协议层的冗 余操作而使网络性能下降。虽然t c p i p 也在不断发展，但是由于其开 放性的固定层次体系结构的限制，这种需求和限制的矛盾将是长期的。 解决这个问题的根本办法是设计更加合理的网络体系结构，给网络使 用者更好的网络功能支持。 微通信元系统构架中主机对q o s 的支持 3 服务元网络体系结构 从2 0 世纪9 0 年代开始，在国际网络界就进行了许多关于高性能 的网络体系结构的研究。电子科技大学计算机学院的曾家智老师在研 究这些体系结构，对现有网络中服务类别的分析、归纳，针对现有的 分层网络体系结构存在的层间功能重叠和复杂的分层处理过程所带来 的网络服务效率低下的问题，提出了一种基于服务元的网络体系结构。 服务元只提供服务，不接受服务，所以避免了层间交互和服务传递的 开销。服务元不仅能为本节点应用提供服务，而且不同节点的服务元 可以合作向某一节点或整个网络提供服务。而微通信元系统架构是服 务元网络体系结构的一种具体模型，它是一种易于从t c p i p 过渡的服 务元网络体系结构的构架。作为微通信元的服务元被组织成微通信系 统，大量的微通信系统被组织成网络系统。微通信元系统构架具有简 洁、可扩展和容易实现的特点。 对微通信元系统架构进行研究与实现，是研究新的网络体系结构， 改善现有网络服务的有益尝试。 此论文是项目新一代网络体系结构一一微通信元架构的研究与实 现的一部分，本项目任务来自电子科技大学计算机学院新型网络研究 室所承当开发的电子科技大学的“十五”学科建设项目一新型计算 机网络体系结构及关键技术研究，并得到军方的科研资金支持。此本 项目分析了现有t c p i p 协议存在的低效率问题，在于各层的服务能力 具有大量的交集，如多层检错，地址重复和多层分片等，此外，t c p i p 所存在的网络安全问题和0 0 s 问题都是通过在协议栈上打补丁的方式 来解决。本项目提出了对上述问题的解决方案，所解决的技术难点为： 无层次结构；由于服务元只提供服务，不接收服务，所以避免了 层间交互和服务传递所带来的效率降低的问题； 服务元体系结构也是模块化结构，具有可扩展性：服务元不仅能 为本节点提供服务，而且不同节点的服务元可以合作向整个网络或其 它节点提供服务。 提供了一个通用的易于实现的服务元节点参考模型，模型描述了 用哪些服务元构成系统以及它们的关系；此外，还提供了相应的包格 式： 微通信元系统构架中主机对q o s 的支持 从网络的体系结构上来保证网络安全，即通过服务元之间的处理 顺序改变加强数据的保密性；此外，在包格式上提供对安全和认证的 支持。 在服务元体系结构中，q o s 只需一次处理端对端即可； 从现有网络向服务元网络过渡的解决方案。 本项目目标是改进现有网络体系结构，当前主要应用范围是给我 们的军网及党政网提供更高的安全性、可靠性及可用性。 现在对网络体系结构的研究表现在两个方面，一个是在t c p i p 体 系结构上进行改进，难以解决层次结构自身存在的问题。另一种研究 就是针对现在网络通信技术发展的特点，结合网络应用的需要，进行 新型网络体系结构的研究，这是解决层次网络体系结构存在问题的根 本途径。 在研究方法上，我们在研究新型网络体系结构一一服务元网络体 系结构的同时，结合现有在l i n u x 操作系统上的对原有t c p i p 网络协 议栈的具体实现，我们提出了微通信元系统架构，这是基于服务元网 络体系结构的第一个网络系统。因为服务元是s d u 的发送者、接收者、 转发者或变换者( 和网络介质一起组成有源信道) ，又因为一个节点包含 许多服务元，所以将它们称为微通信元。相关节点的服务团队将微通 信元组织成微通信系统，再将大量微通信元系统组织成网络系统。这 就是我们把服务元网络体系结构的第一个网络系统称为微通信元系统 m c e s ( m i c r o c o m m u n i c a t i o ne l e m e n ts y s t e m ) 架构的原因。服务元网络 体系结构和微通信元架构之间的关系，就好比层次网络体系结构与 t c p i p 模型之间的关系，前者是网络体系结构的类型，后者是该类型 的网络体系结构中具体的一个模型。从网络通信的角度来看，微通信 元系统架构刚好反映了通信功能是由若干最小的通信实体来组合提 供，即微通信元组成的网络系统。 现阶段，我们的主要工作集中在实现服务元网络体系结构中的的 第一个模型一一微通信元系统架构。首先我们的目标是实现无连接的 网络通信。在结合l i n u x 下现有t c p i p 实现源代码的基础上，在服务 元体系结构的指导思想下，完成微通信元系统构架的实现。其中，我 做的主要工作在研究现有i p 体系架构中对q o s 的理论和实现，并结合 服务元的思想，在为通信元系统构架的基础上，提出保障服务质量的 构架模型，并实现其中的部分功能。首先，我们来对服务元进行一个 微通信元系统构架中主机对q o s 的支持 阐述。 3 1 服务元的分类模型 服务元网络体系结构也是模块化结构，模块是服务元。服务元是 能够提供服务而又隐藏内部细节的最小实体( 硬软件) 。服务元不接受服 务，只提供服务。 服务元提供服务是通过服务数据单元s d u 完成的。s d u 又称为包 ( p a c k e t ) 。服务元是s d u 的发送者( 源) 、接收者( 目的) 、转发者( 递交) 或变换者。按照启动服务的方式和与s d u 的关系，服务元可以分为五 类，对应模型如图3 1 所示。其中，第一、二、三和四类服务元是s d u 的源和目的，用矩形表示。矩形下方的下箭头和上箭头表示服务元按 规定顺序发送或接收的一系列s d u 。 系统调用 发现问髓求助 解决问题 a 第一粪服务元b 第二娄服务元c 第三粪腿务元 d 第四类服务元e 第五樊服务元 图3 - 1 五类服务元模型 第一类服务元由于执行系统调用而启动服务。矩形上方粗箭头表 示执行系统调用。粗箭头的方向表示应用的信息流向：上箭头表示接 收：下箭头表示发送。例如应用执行系统调用w r i t e ( ) ，启动有连接发 送数据服务元，它把应用发送的数据分成小块组成一系列的包发送， 还要接收一系列的确认包。粗箭头的方向向下。又例如应用执行系统 调用c o n n e c t ( ) ，启动( 主动) 建立连接服务元，通过三次握手建立连接。 下方的上、下箭头表示先发出的第一次握手的包，再接收第二次握手 的包，后发出的第三次握手的包。如果应用为了接收而执行c o n n e c t ( ) 则粗箭头的方向向上。第一类服务元是为本节点( 应用) 提供服务的。对 于没有操作系统的节点，系统调用将被a p i 函数取代。 第二类服务元因网络发生不正常事件或请求帮助而启动服务，并 主动向某节点发警告或求助信息。第三类服务元由于收到此警告或求 助信息而启动服务，进行内部处理。i 节点的第二类服务元和j 节点的 第三类服务元协作向i 节点或j 节点提供服务。例如当路由器收到数据 微通信元系统构架中主机对q o s 的支持 报长度大于下一网段的最大传输单元时发生错误，它的第二类服务元 向源主机的第三类服务元发送目的站点不可到达的信息。又例如i 节 点i c m p 服务元求助j 节点i c m p 服务元进行可通性测量。 第四类服务元周期性地启动或收到相关包启动。其服务通过按规 定顺序发送和接收的一系列的包完成。并且通常是通过包的组播方式 进行收发。例如路由选择协议服务元，动态地为路由器填写路由表。 路由递交类型服务元接收到的包按路由表递交到相应端口。第四类服 务元用于各相关节点协作为整个网络系统提供服务。 第五类服务元由于s d u 的到来而启动服务并对s d u 进行变换后 输出。三角形上方的下箭头表示源于本节点s d u 的到来，输出的s d u 由三角形下方的下箭头表示；三角形下方的上箭头表示源于其它节点 s d u 的到来，产生的s d u 由三角形上方的上箭头表示。例如压缩解压 服务元、身份验证服务元、安全净荷服务元和n i c 服务元等。由于第 五类服务元功能是两两互逆的，我们将互逆的服务元的两个三角形画 在一起。 第五类服务元中，谁的输出作为谁的输入并不是固定的，只要收、 发方匹配即可。特例是n i c 服务元，它总是发送包所经过的本节点的 最后一个服务元。它一方面通过介质访问控制把本节点的包转换为b i t 流放在网络介质上，另一方面从网络介质抓取b i t 流到本节点转换成 包。考虑到：1 、网络接口层功能完全由网卡完成，而服务团队其它服 务元基本由主c p u 完成，二者可以并行：2 、由于网络接口层只提供 服务，并不接受服务，所以网卡既能作为层次结构的最下层，又能作 为新结构中的一个n i c 服务元。 3 2 层的地址和端地址 现有的网络体系结构，无论是层次结构还是m c s 构架( 微通信元 系统构架，将在下一章介绍) 都认为层间服务访问点s a p 由层的地址来 标识。问题是层的地址只有两种；节点( 主机和路由器) 地址( 网号和网 内节点号) 和端口号。所以如果存在着二层以上的网络模型，则标识s a p 的地址就会重复。例如t c p i p 中，传输层和应用层的地址都是端口号， 网络接口层的m a c 地址和网络层的i p 地址都是节点地址。 在服务元网络体系结构中，将抛弃层的地址的概念，而采用端到 端地址。 微通信元系统构架中主机对q o s 的支持 3 3 服务元功能元素及服务 表3 1网络的各种服务功能元紊 类服务功能元素对应包的域对应服务元 型 网位的编码和 络解码验错基本硬头和硬校n i c 服务元 接成包和拆包验 口m a c 介质分配 类 + 资源监控( 类r t c p ) 广义i c m p 专用广义差错控制服务元 实域 时 资源预留( 类r s v p )类r s v p 专用域资源预留服务元 q+ 优先级处理仅基本软头优先级处理服务元 o s 防抖动( 类r t p )类r t p 专用域类r t p 服务元 类 无 连发送数据基本硬头含校验无连接发数据服务元 接 服 务 接收数据同上无连接收数据服务元 类 有建立连接建立连接服务元 连释放连接释放连接服务元 接连接专用域( 含校 有连接发数据服务元 服保序、流控、拥塞控验1 务 制( 卡纠错) 有连接收数据服务元 类 安加解密e s p 专用域安全净荷服务元 微通信元系统构架中主机对q o s 的支持 全数字认证a h 专用域认证服务元 类 o s p f报文在数据域 o s p f 服务元 r i p 报文在数据域r i p 服务元 路e g p 报文在数据域e g p 服务元 由b g p 报文在数据域b g p 服务元 类 d v m r p 单播递交 报文在数据域d v m r p 服务元 组播递交 仅基本头部单播递交服务元 源选径递交 仅基本头部组播递交服务元 源选径专用域源选径递交服务元 其 他i c m p ，i g m p ，分片报文在数据域各种广义差错控制服 类务元 每一个基本网络服务功能称为服务功能元素，而服务功能则定义 为服务功能元素的集合。纵观各种网络，其服务功能元素归纳如表3 1 第一列所示。某些服务元素只在路由器中完成，例如o s p f 、r i p 、e g p 、 b g p 、d v m r p 和各种路由递交等功能。某些服务功能元素只能由主机 完成，例如分片功能，对于宽带网络而言，路由器和路由交换机等网 络设备是不应参与分片的。应该采用类似i p v 6 的方法，当源主机所发 包的尺寸大于某网络的最大传输单元m t u 时，网络设备向源主机返回 允许的包尺寸，源主机重发允许尺寸的包。 3 4 服务元网络体系的节点模型 应用的松散橐合 服务元的奢组织的集台 图3 2 服务元网络体系结构节点模型 节点模型分为两部分：应用层和服务层。应用层只接受服务，服 9 徽通信元系统构架中主机对q o s 的支持 务层只提供服务。这里的层并不是层次结构中的层，它是平面的概念， 所以我们分别称之为应用群和服务团队。应用群包括应用基础( 网络管 理和域名解析) 、典型应用( w w w 、e m a i l 和f t p 等) 和一般应用。应 用群是各种应用的松散集合。服务团队是服务元的有组织的集合，它 除了向本节点应用层提供服务外，还能和其它节点服务元合作向整个 网络系统提供服务或向某一节点提供服务。 3 。5 服务元网络体系的优势 目前，实用的网络体系结构都是层次结构，例如o s i 、t c p i p 、 s p x i p x 和a t m 等。其中，o s i 参考模型被公认是最严格的。尽管 t c p i p 比o s i 等协议具有较高的效率，但是功能冗余重复，影响了它 在宽带网络中的应用。 在层次结构中，第n 层向第n + 1 层提供的服务s 。，n + ，是第n 一1 层向 本层提供的服务s 。- l ，。和本层自身提供的服务s 。的并集，记为： s n l n + 1 = s n u s n 1 ，n( 1 ) 依次进行叠代后有： s n 。+ 1 = s n us n 1us 。，2 s 2 us l( 2 ) 由( 2 ) 可知，第n 层网络协议所提供的服务是第1 层到第n 层各层 自身提供服务的并集。为了提高效率，各层服务能力不应该具有交集， 如果出现交集则表示各层服务功能有重复。因为交集是不能提供增值 服务的。 t c p i p 存在的低效率问题在于各层的服务能力具有大量的交集。 而服务元网络体系结构就解决了这个问题：分别讨论如下： ( 1 ) 抛弃t c p i p 多层检错的方式采取一次检错 检错能力定义为能检出错误的集合。如果多层检错，则总检错能 力应为各层检错能力之并集。但是t c p i p 多层检错的能力小于各层检 错能力的总和。例如，最常见的t c p i p 以太网中，在传输层，数据段 的头部包含1 6 位效验和对数据报的头部、伪头和数据进行检错；在网 络层，数据段的头部也包含1 6 位效验和对数据段的头部进行检错，但 由于当数据段到达介质访问m a c 子层时所有的数据将进行3 2 位循环 冗余码( c r c ) 检错，所以这三层的检错能力仅仅等于介质访问m a c 予 层的检错能力。正是因为“i p 校验和的计算是i p v 4 的一个主要开销”， 所阻经过激烈的争论i p v 6 取消了校验和。遗憾的是在对峙争论中获胜 1 0 微通信元系统构架中主机对q o s 的支持 的一方仅仅解决了“i p 校验和多余”的问题，而不可能解决“t c p 校 验和也多余”的问题，因为他们的任务仅仅是制定网络层的i p v 6 。此 外，采用多层检错时，各层的包头检错的次数少于包的内容。显然， 包头的错误比包内容的错误危害更大。为了弥补这个缺陷，在t c p 和 u d p 的包头部增加了伪头，伪头包含了源机器和目的机器的3 2 位i p 地址，协议编号以及数据段的字节数。在效验和的计算中包括了伪头， 这样就等于再次检查了i p 头的一些内容，但如前面所说传输层、网络 层和介质访问子层的检错能力仅仅等于介质访问子层的检错能力，所 以其实并未增强检错能力。 服务元网络体系采用一次纠错，只由硬件计算3 2 位循环冗余码 ( c r c ) ，并填写在数据包尾部，这样解决了t c p i p 校验冗余的问题。 ( 2 ) 避免地址重复提高效率 例如在o s i 模型中i p 地址和m a c 地址都是一个节点的地址。但 如果一个网络设备要与另一个网络设备直接通信时需要同时知道对方 设备的l p 地址和m a c 地址，这样出现了a r p 协议即地址解析协议 f a d d r e s s r e s o l u t i o n p r o t o c 0 1 ) 和r a r p 协议即反向地址解析协议 ( r e v e r s e a d d r e s s r e s o l u t i o n p r o t o c 0 1 ) ，a r p 协议的功能是将i p 地址转 化为m a c 地址，而r a r p 协议的功能为将m a c 地址转化为i p 地址。 这些协议无疑增加了开销。组播也存在着i p 地址到m a c 地址的映射 问题。 服务元网络体系只有一个端到端地址这样避免了地址重复带来的 效率低下的问题。 ( 3 ) 分片( s e g m e n t ) 问题 i p v 4 实现中当路由器收到的需要转发的包长大于要发往的网络规 定的最大包长时需要对数据包进行分片，传输层都要处理，不仅多次 开销，而且无法避免各层之间的交互。 服务元网络体系采用的办法是当路由器收到的需要转发的包长大 于要发往的网络规定的最大包长时向对方节点发送类型为目的地不可 达的i c m p 报文，然后丢弃该数据包。对方节点接收到i c m p 报文后将 数据包分片再重新发送。 ( 4 ) t c p i p 协议栈本来就是为了窄带文本数据而开发的，所以仅仅 网络层服务类型具有分级分类标志，而且早期并未使用。后来随着宽 带网络和多媒体技术的发展，为了保证q o s ，在各层( 甚至在层间) 打了 微通信元系统构架中主机对q o s 的支持 一系列的补丁：资源预留协议r s v p 、实时传输协议r t p 、实时传输控 制协议r t c p 、i e e e 8 0 2 1 d 协议、区分服务d e f f s e r v 和多协议标签交 换m p l s 等。这些技术相互重复且不一致，例如各层的优先级位数和 类型就不一致。关键在于优先级和类型本身就不适合于层次结构，如 果各层处理不一致，则会造成混乱；如果一致，则会重复处理效率低。 服务元网络体系只需一次处理端对端的q o s 即可。 ( 5 ) 由于层次结构功能重复还造成包头( 首部) 增长，传输效率降低。 服务元网络体系的包头没有冗余信息，所以传输效率高。 微通信元系统构架中主机对q o s 的支持 4 微通信元系统构架 因为服务元是s d u 的发送者、接收者、转发者或变换者( 和网络 介质一起组成有源信道) ，又因为一个节点包含许多服务元，所以将它 们称为微通信元。相关节点的服务团队将微通信元组织成微通信系统， 再将大量微通信元系统组织成网络系统。这就是我们把服务元网络体 系结构的第一个网络系统称为微通信元系统m c e s ( m i c r o c o m m u n i c a t i o ne l e m e n ts y s t e m ) 构架的原因。 微通信元系统构架的构建原则是容易从t c p i p 过渡而来：1 1 包格 式尽可能靠近t c p i p ( 但要删除其冗余重复部分) ，以便简化包转换器： 2 ) 大量吸收t c p i p 的成功经验，例如服务功能元素的定义、套接字机 制、三次握手建立和释放连接、t c p 的状态迁徙图、滑动窗口技术， 等等：3 ) 沿用t c p i p 的系统调用格式；4 ) 可扩展。 微通信元系统构架的主机参考模型如图4 1 所示。图4 1 中矩形 和三角形中的s i ，j 表示它是第i 类服务元中的第j 种服务元。换言之i ， j 是服务元的标识。 同一节点的第五类服务元序列可以相同，也可以不同。这样就可 以实现一台主机可以和不同节点同时进行不同的通信，例如加密通信 和一般通信。第五类服务元序列的结构在初始化时设置，也可以通过 节点间协商进行再设置。 允许用户定义服务元用以扩展网络功能。例如用户定义新的路由 递交服务元，可以实现主动网络的功能。 微通信元系统构架中主杌对q o s 的支持 系笋十_ 、二、三樊艟务元 路由器参考模型如图4 2 所示，其中矩形表示第二和第四类的服 务元。这些输出和输入相连的多个第二类服务元和多个第四类服务元 通过第五类的服务元系列和各个端口相连。为了醒目，图4 - 2 只画了 个第四类服务元，实际上般都有若干个：递交服务元和多种路由 协议服务元。第二类服务元实际上也有多种，并且每种可以只有一个， 通过交换矩阵连到各个端口去。 微通信元系统构架中主机对q o s 的支持 5i pq o s 技术研究 随着i p 技术和网络的发展，世界各国的运营商基于i p 网络已经 开发出多种多样的新业务，i p 网正在从当初单纯传送数据向可传送数 据、语音、活动静止图像的多媒体网络转变。终端软硬件的不断发展 使得很多终端已能够满足多媒体应用的需要，因此在i p 网上实现类似 语音、传真、会议等实时多媒体应用的问题焦点便集中在了如何传输 这些时延敏感的业务上。而目前的i p 网络所提供的是一种“尽力而为” 的服务，无法保障实时多媒体业务服务质量( q o s ) ，因此在i p 网上实 现q o s 的机制己成为目前国际上的研究热点。 5 1i pq o s 框架体系 随着网络视频，音频，数据应用的急剧增加，对网络的带宽要求 也越来越高。但由于缺乏一些重要技术的支撑使网络的实时应用因排 队延迟和冲突丢包而无法正常运行。i n t e r n e t 最初设计的是很简单的 q o s ，点对点的尽力而为的数据传输。但在实时应用( 如远端视频，多 媒体会议，可视化应用，虚拟现实) 广泛应用之前，i n t e r n e t 的下层基 础构造需要修改来适应实时的q o s ，以便对端对端的包延迟进行控制。 i p 网络如何提供服务质量q o s 支持这一问题现己成为业界关注的 焦点。q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 的最初定义由c c i t t 现称i t u t ) 给出： “q o s 是一个综合指标，用于衡量使用一个服务的满意程度”。q o s 的进一步定义可在r a c e ( r e s e a r c hi n t o a d v a n c e dc o m m u n i c a t i o nf o r e u r o p e ) 中找到：“q o s 描述了关于一个服务的某些性能特点。这些性能 特点是用户可见的，它以用户可理解的语言表示为一组参数。这些参 数具有客观值或者主观值”。客观值刻画了系统的行为性能( 如失败概 率、吞吐量) ，主观值刻诋了系统的其它服务性能( 如安全性、优先级) 。 i pq o s 是指i p 数据流通过网络时表现出来的性能特性，它的目的就是 向用户提供端到端