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电子科技大学硕士论文：q o s 及其在网络制造系统中的应用 中文摘要 本文题目是q o s 及其在网络制造系统中的应用。它是根据实际需求以及 国内外对q o s 的研究成果的基础上提出的。文章阐述了未来制造业的关键 技术网络制造系统及其框架结构，从制造技术的信息化过程可以看到，以 n t e r n e t 为基础的网络制造系统将是未来制造业关键技术和发展方向。从网络 制造系统的框架结构可以知道在通过网络进行信息交流的过程中，那些对实 时性要求高的多媒体信息是重要的组成部分。根据对传统妒网络的特点分 析，可以知道通过p 网络进行传输又满足不了这样的要求，q o s 就是为了解 决这一问题而产生的。文章主要介绍了q o s 的概念、应用背景、实现协议 框架。并且对其中最为复杂的r s v p ( 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 一资源预 留协议) 进行了阐述。叙述了r s v p 的工作原理、协议内容、消息处理等相 关内容，并且在文章中有一个r s v p 协议实现系统，这是在已有环境基础上 通过完善程序、添加接口来实现的。并且通过搭建一个测试平台对上述实现 系统进行性能测试，以此来观察资源预留对于q o s 性能指标( 吞吐量、时 延、抖动、可靠性) 的提高情况，以验证r s v p 协议实现的可行性。i 通过试 验结果可以看出。在不同的网络负载情况下，经过预约的数据流性能指标很稳 定，相反没有预约的数据流变化很大。由于完整、系统的网络制造系统框架及 其实现还处于研究实验阶段，对于q o s 在网络制造系统中的应用的实际案 例没有详细阐述，但是其实现原理和对当前多媒体信息进行资源预留的原理 是完全一样的，并且应用程序的实现框架也是完全一致的，因此文章的内容对 于网络制造系统也有实际意义。j 关键词：网络制造系统；q o s ；r s v p ；资源预留 电子科技大学硕士论文：q o s 及其在网络制造系统中的应用 a b s t r a c t t h e t o p i co fm i sp a p e r i st h eq o sa n di t sa p p l i c a t i o ni nn e t w o r km a n u f a c t u r e s y s t e m i ti sp u tf o r w a r do nt h eb a s eo fr e s e a r c hf r u i tt ot h eq o s a n dt h ea c t u a l r e q u i r e m e n t t h i sp a p e rd e s c r i b e sn e t w o r km a n u f a c t u r es y s t e mf r a m e w o r k t h a ti s t h ek e yt e c h n i q u eo fm a n u f a c t u r i n gi nt h ef u t u r e a c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o n p r o c e s so fm a n u f a c t u r i n gw ec a ns e et h a tt h en e t w o r km a n u f a c t u r es y s t e mb a s e d o ni n t e r n e ti st h ek e yt e c h n i q u ea n dt h ed i r e c f i o no fm a n u f a c t u r i n gi nt h ef u t u r e t h em u l t i m e d i ai n f o r m a t i o nt h a th a s r i g i d r e s t r i c tt ot i m ei sm a i n p a r t o f i n f o r m a t i o nt r a n s p o r t e di nt h en e t w o r ka c e ( r d i n gt ot h ef r a m e w o r ko fn e t w o r k m a n u f a c t u r es y s t e m b u tc u r r e n ti pn e t w o r kc a n tm e e tt h i sd e m a n db e c a u s eo f i t sd e m e r i t a n dq o si su s e dt or e s o l v et h i sp r o b l e m i ti n t r o d u c e st h ec o n c e p t ， b a c k g r o u n dm a dp r o t o c o lf r a m e w o r k o f q o s i nt h i sp a p e r , t h em o s tc o m p l i c a t e d p r o t o c o ln a m e d r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1i sm a i ns u b i e c t i td e p i c t st h et h e o r y p r o t o c o lc o n t e x t ，i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ta n ds oo n t h e r ei sar s v ps y s t e m t h a th a sb e e nr e a l i z e di nt h i sp a p e lw h i c hi sc o m p l e t e db yp e r f e c t i n gp r o g r a m ， a d d i n gi n t e r f a c ei na d d i t i o nt os o m ek n o w nd o c u m e n t w et e s tp e r f o r m a n c eb y m a k i n g at e s tp l a t f o r mt oo b s e r v et h ei m p r o v e m e n to f q o sp e r f o r m a n c ew e i g h e d b yt h r o u g h p u t ，l o s s ，d e l a y , j i t t e ra n dr e l i a b i l i t y s ow e c a nd e d u c et h ef e a s i b i l i t y o fr s v p p r o t o c 0 1 a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fe x p e r i m e n tw ec a nk n o wt h a tt h e r e s e r v e dd a t af l o wh a ss t a b l ep a r a m e t e re v e nw h e nt h et r a f f i cc o n d i t i o ns h i f t s f r o mn o r m a lt oo v e r l o a d b yc o n t r a s t ，t h ep a r a m e t e ro fu n r e s e r v e df l o wd i f f e r s g r e a t l yw h e nt h et r a f f i cc o n d i t i o nv a r i e s b e c a u s ep e r f e c ta n ds y s t e mr e s e a r c ht o n e t w o r km a n u f a c t u r es y s t e mi ss t i l li ne x p e r i m e n t a lp h a s e t h e r ei sn od e t a i l e d p r e s e n t a t i o n f o ra c t u a li n s t a n c eo ft h ea p p l i c a t i o no fq o si nn e t w o r km a n u f a c t u r e s y s t e m b u ti t st h e o r yi ss f l m et ot h er e s o u r c er e s e r v a t i o no fc u r r e n tm u l t i m e d i a ， s oi st h ef r a m e w o r ko f a p p l i c a t i o np r o g r a m s o w ec a n s a yt h a tt h ec o n t e n to f t h i s p a p e r h a si m p o r t a n ta n d p r a c t i c a ls e n s et on e t w o r k m a n u f a c t u r e s y s t e m k e y w o r d s ：n e t w o r km a n u f a c t u r e s y s t e m ，q o s ，r s v p , r e s o u r c e r e s e r v a t i o n 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。具我所知，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：日期：年月日 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秘后应遵守此规定) 签名 导师签名酬另砌 日期：之删2 年专月5 日 电子科技大学硕士论文：q o s 及其在网络制造系统中的应用 第一章网络制造系统概论 随着社会的发展，制造技术也在不断的发展着。而信息在制造技术中也起 着越来越大的作用。从现代制造业的一些关键技术，制造业的信息化过程，我 们可以看到以i n t e m e t 为基础的网络制造系统将是未来制造业的发展方向。 1 1 现代制造业中的关键技术 制造业作为国民经济的支柱产业，它一方面创造价值，生产物质财富和新的 知识，另一方面为国民经济各个部门提供先进的手段和装备。工业化国家的7 0 到8 0 的物质财富来自制造业，各国也把制造业发展战略作为重中之重。随着 科学技术的发展，先后诞生了许多先进制造技术，如：f m s ( 柔性制造系统) 、 c i m s ( 计算机集成制造系统) 、c e ( 并行工程) 、a m s ( 敏捷制造) 、全球制造 系统、虚拟制造系统等。在2 1 世纪，集成化技术、智能化技术、分布式并行处 理技术、虚拟现实与多媒体技术将成为技术主流。 1 2 制造业的信息化过程 随着网络技术的出现与发展，信息已经成为制造业中决定性的因素，而且 还是最活跃的因素，制造业的信息化经过了如下几个阶段： 功能自动化阶段：七十年代电子技术和计算机技术的发展为生产的自动 控制提供了可能，使得以计算机为辅助工具的制造自动化技术成为可行，由此 出现了计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、计算机辅助工艺规 划( c a p p ) 、物料管理计划( m r p ) 等自动化系统。 信息集成阶段：八十年代针对设计、加工和管理中存在的自动化孤岛问 题，实现制造信息的共享和交换，采用计算机采集、传递、加工处理信息，形 成了一系列的信息集成系统，如：c a d c a p p c a m 、c a d m r p i i 、c a p p m r p 1 1 ，c i m s 等。 过程优化阶段：九十年代信息和通信技术在知识经济发展过程中处于中 心地位，企业意识到除了信息集成技术以外，还需要过程优化。如：使用并行 工程( c e ) 方法，在产品设计时考虑到下游工序的可制造性、可装配性等，重 组设计过程，提高产品开发能力。 敏捷化阶段：九五年以后，以i n t e r n e t 为代表的国际互联网，正在以极 快的速度发展。i n t e r n e t 在改变信息传递方式的同时也在改变着企业的组织管理 模式，使得以满足全球化市场、用户需求为核心的快速相应制造活动成为可能， 敏捷制造( a m ) 、虚拟制造( 、，m ) 等新的制造模式应运而生。 电子科技大学硕士论文：q o s 及其在网络制造系统中的应用 纵观制造业信息化过程可以看到，以i n t e m e t 为媒介的网络化制造系统将 是未来制造业发展的方向。网络化制造的含义就是：面对市场机遇，针对某一 特定产品，利用i n t e r n e t 为标志的信息高速公路，灵活而迅速地组织社会制造资 源，把分散在不同地区的现有生产设备资源、智力资源和各种相关资源迅速地 组合成没有围墙的、超越空间约束的、靠电子手段联系的、统一指挥的经营实 体，以推出高质量、低成本的产品。 1 3 网络化制造系统框架 利用互连网、企业内部网，构建网络制造系统平台，建立包括有关企业、 高校、研究所等在内的集成一体的网络制造系统。实现基于网络的信息资源共 享和设计制造过程的集成；建立以网络为基础的，面向广大企业的先进制造技 术虚拟服务中心和培训中心，建立网络化制造系统，具体实施包括了基于 i n t r a n e t 的制造环境内部化和基于i n t e m e t 的制造业与外界联系的网络化，具体 情况如下图1 1 所示： 一基于i n t r m _ l e t 的企业内部信息集成，巩固和扩大c a d c i m s 成果 厂企业介绍 ，供应链信窟 ifl 产品目录 li l厂软件 ji 公共数舯叫筹麓李盏霉舞库 l 技术动态与论坛 、基= j = i n t e r n e t l 企业nl企业论坛 企业信息中心 e fe i c 图卜3 ：美俄虚拟制造网 上述虚拟企业网有以下特点：r a v e n 是一个动态网，双方制造商为生产 某种产品，希望共享他们的核心能力而一起合作，任务完成，重新建立合作关 系：r a v e n 是个在线系统，使用i n t e r n e t 或拨号服务方式，为联合设计和 制造产品提供支持。 在图1 3 中有五大功能模块： ( 1 ) 集成的产品和工艺开发( i n t e g r a t e d p r o d u c t & p r o c e s s d e v e l o p m e n t i p p d ) 。i p p d 的作用是提示参与虚拟企业的公司对一系列的问题做出响应，这 些问题包括制造过程中涉及到的零件的集合类型、材料要求、材料处理、成本 计算等，这将使r a - v e n 决定零件应该在哪个企业制造。进而当应答信息产生， 并且产品制造出来以后，r a v e n 能够获得更多的资源，这些资源能够为未来 的成员企业进一步改善产品和工艺开发。 ( 2 ) 集成的企业后勤( i n t e g r a t e de n t e r p r i s el o g i s t i c i e l ) 。主要由三 部分组成，即一是企业m r p ；二是项目计划；三是n c 接口。 ( 3 ) 关系型制造数据库( r e l a t i o n a lm a n u f a c t u r i n gd a t a b a s e r m d ) 。该数 据库包括与r a v e n 有关的制造资源和文件，如机床、控制系统、夹具、材料、 零部件、编制好的n c 程序、刀具、工艺计划等。 ( 4 ) 企业论坛( e n t e r p r i s e f o r u m e f ) 。它类似于在线公告牌。为客户和 供应商提供了讨论问题的场所。对于网络，对于生产还起到在线介绍中心和在 线支持的作用。 ( 5 ) 企业信息中心( e n t e r p r i s e i n f o r m a t i o nc e n t e r e i c ) 。它是一个制造商 用来如何使用r a ，v e n 和如何计价的信息，以及关于特定企业的信息。 电子科技大学硕士论文：q o s 及其在网络制造系统中的应用 3 国内模具网络联盟制造模型框架 近年来，国内对有关网络化制造及相似问题也有研究。机械科学研究院 与同济大学、西安交通大学等合作开展了网络化制造应用示范的预研。框架如 图 图1 4 ：模具网络制造系统 综上所述，网络制造这一全新的生产模式是制造系统的发展趋势和方向， 国际互联网的发展更是加速网络制造的发展进程。利用网络制造，产品的开发 设计、加工制造、装配调试以及市场营销完全可以分散在世界不同国家和地区， 利用国际互联网及其提供的各种工具( 如万维网、电子邮件、f t p 等) 把他们 联系起来，实现资源共享。但是在利用i n t e r n e t 构建网络制造系统时，不同地区 的部门相互之间在传递信息，特别是多媒体信息( 如声音、图像) 的时候，在 现有条件下，会出现声音间隔、图像失真等问题。q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 就 是为解决这一问题而产生的。 第二章q o s 应用背景及框架结构 在网络制造系统中，将分散在世界各地的设备、人员、市场、材料等企业 资源有效集成起来，建立以网络为基础的网络制造系统，需要相互之间进行信 息的交流和发布。这种交流的信息形式是多种多样的，即有普通的数据信息( 如 文字) ，也有对实时性要求高的多媒体信息( 如声音、图像、动画) 。依靠l p 网 络对普通数据流信息( 如文字) 可以满足要求，但是对那些要求实时性很高的 多媒体信息来说则存在许多问题。因此要使基于i n t e r n e t 的网络制造系统能够流 畅的运行，必须解决多媒体信息的实时性问题，q o s 可以满足这一要求。 2 1 目前i p 网络的特点 最基本的互联网服务是由一个分组投递系统组成。从技术角度来说，它被 电子科技大学硕士论文：q o s 及其在网络制造系统中的应用 定义成为不可靠的、尽最大努力的、无连接的分组投递系统。这种服务是不可 靠的，因为不能够保证投递。 分组可能丢失、重复、迟延或不按序投递等，但服务不检测这些情况， 也不提醒发送方和接受方； 服务是无连接的，每个分组到达目的地所经过的路径可能不同，有的丢 失，有的到达。 尽最大努力( b e s te f f o r t ) 是互联网软件尽力发送每个分组，并不随意 丢弃分组，只有当资源用完时才丢弃分组。它是按照报文的到达顺序，路由器 按照先入先出( f i r s ti nf i r s to u t f i f o ) 的方式转发报文。 2 2 为什么需要q o s 由上述网络的特点可知，这种以先人先出为转发机制的尽力而为的口 网络，对于转发数据报文来说是可行的。因为他们对实时性要求不高，可以在 报文到达接受方以后由高层协议( 如t c p 协议) 重组处理以后再交给上层用户。 然而对于声音和图像等多媒体信息来说，这种先人先出的转发机制会带来声音 间隔和图像跳变与失真等问题。因此，不同类型的多媒体信息在i n t e r n e t 网上传 输时对网络有不同的性能要求。 例如：电子邮件和f t p 等数据传输应用要求所传输的数据具有1 0 0 的正 确性和较大的吞吐量，对延迟和抖动都不十分敏感。t e l n e t 则是一种交互性的 网上操作，它需要较高的实时性和可靠性，同时也需要数据传输具有1 0 0 的正 确性。音频和视频信息的传输又不同于以上应用。音频信息如口电话，允许一 定的数据丢失，也允许一定的延迟( 用户可以忍受范围内) ，但不允许语音流出 现间隔和干扰。视频信息如组播电视会议，既要求很小延迟，也要求很大的吞 吐量。反过来，它们可以在不同范围内允许一定的数据丢失和。几种典型应用 的性能要求区别如表2 。1 所示 表2 1i n t e r n e t 应用的性能要求 电子邮件 t e l n e t i p 电话视频通信 延迟几分几小时几分几秒 几秒毫秒秒 丢失率 0 0 小于2 5 允许平均分布 连续性无要求可等待连续连续 同步无要求无要求无有 抖动无要求无要求无串音不允许 由上表可见，不同应用对网络有不同的性能要求。如何在计算机网络中对 不同应用提供不同的网络性能呢? i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e rt a s kf o r c e ) 的 电子科技大学硕士论文：q o s 及其在网络制造系统中的应用 r f c l 6 3 3 用集成服务( 1 1 1 t e 伊a t e ds e r v i c e ) 来表达i n t e r n e t 网同时提供传统的尽 力而为服务，以及实时传输和根据用户优先级控制其传输速率等服务。即 i n t e m e t 的集成服务可以为用户提供数据、音频、视频等具有不同性能要求的传 输服务。 但是怎样解决i n t e m e t 为用户提供集成服务的问题呢? 一种方法是增加现有网络的带宽。然而，如果带宽不能变成无限或不能按 光速来转发信息的话，则势必存在着对带宽的竞争。而且，多媒体用户数量和 应用的增长将超过物理带宽的增长是一个不争的事实。也就是说，资源总是有 限的，而需求是无限的。增加网络带宽是非常重要的。增加带宽，是解决q o s 问题最简单最便宜的方法。但是这仅仅是解决问题的一个侧面。因此，要解决 i n t e m e t 为用户提供集成服务的问题，必须在原有i n t e r n e t 的基础上对i n t e r n e t 的机制和结构，从端到端的角度进行改变和增强。这就是按用户的服务质量要 求和网络能够提供的服务质量进行协商，对网络集成服务以及服务质量进行端 到端控制。合理分配网络资源的q o s 技术是当前i e t f 相关的工作小组和下一 代i n t e r n e t 研究的重要问题。 一般来讲，所谓q o s 技术就是使网络设备为网络数据传输和服务提供某 种程度保证的能力。为了实现q o s 要求，需要网络从上到下的各个层，以及两 端之间网络上的各种设备之间协调工作。在网络业务流量出现突发情况时，会 出现拥塞：为此给网络增加一些智能功能，使她区别对待那些对时延、抖动和 丢包的宽容要求不同的数据流。设计q o s 协议就是为了这个目的。q o s 技术 不能够增加带宽，但是可以管理带宽，提高带宽使用效率以满足不同应用的要 求。 2 3 对q o s 的一般描述 q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ) 即服务质量，是指发送和接收分组的用户之间， 以及用户和传输信息的集成服务网络之间关于信息传输的质量约定。服务质量 包括用户要求质量( u s e rr e q u i r e m e n t ) 和网络集成服务提供者的行为( a c t i v i t y ) 两个方面。用户要求指用户在i n t e m e t 上进行多媒体通信时所要求的服务类型以 及相应的传输性能和质量。集成服务提供者的行为指i n t e m e t 网络针对某一类服 务所能提供的性能与质量。 q o s 可以用一系列可度量的参数来描述： 业务可用性：用户到i n t e r a c t 业务之间连接的可靠性。 延迟：时延( l a t e n c y ) ，指发送和接收数据包的时间间隔。 抖动( j i t t e r ) 指同一条路由上发送的一组数据流中数据包之间的时间差异。 电子科技大学硕士论文：q o s 及其在网络制造系统中的应用 吞吐量：网络中发送数据包的速率，可用平均速率或峰值速率表示。 丢包率：在网络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率。 q o s 与用户以及网络系统的关系如图2 1 所示。 集成服 图2 1 ：q o s 与用户以及网络系统的关系 由图2 - 1 可以看出，q o s 不是网络中某个个体或元素的行为描述，它涉及 用户与用户，用户与网络以及网络内部节点的整体行为。用户1 和用户2 之间 要相互通信时，事先必须相互协调通信时的服务类型以及相应的性能参数。否 则，如果用户1 接收用户2 的实时图像信息，用户l 每秒按3 0 帧的传输服务， 信息仍会由于用户2 的接受能力不够而丢失，从而无法进行令人满意的实时通 信。相反，如果事先经过协商、用户1 放慢播放速度，满足用户2 的接收能力， 则用户2 会获得较好的服务质量，且网络的负载也会相应减轻。 除了用户和用户之间的协商之外，用户和网络、网络中的各个元素之间也 存在着q o s 协商和管理问题。当用户的q o s 要求太高，网络无法提供相应的 集成服务时，将要求用户降低要求，甚至为了保证其他用户的服务质量而拒绝 用户的q o s 要求。我们把用户和网络系统之间的q o s 协商称为准入控制 ( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 。 在网络内部的路由器、交换机以及端主机系统中，为了保证用户要求的服 务质量，必须调度相应的资源，甚至进行资源预约，这就需要相应的资源预约 协议和资源调度算法。后面几章所讲的r s v p ( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 就是 一种资源预留协议，在后面我们将详细介绍本协议。 2 4q o s 的体系结构 i pq o s 的概念应该分为局域网和广域网中的q o s 两个部分，这两部分的 电子科技大学硕士论文：q o s 及其在网络制造系统中的应用 i pq o s 定义和侧重点均有所不同。 局域网中的i pq o s 主要是在第二层的以太网帧头加入了优先级字段， 以区分不同的优先级。严格地讲，在局域网中只能简单地区分业务的优先级， 并不能像a t mq o s 那样有精确的定义和详细的参数指标来衡量。这种解决方 案是根据对i e e e8 0 2 1 p q 协议字段的处理来区分不同优先级业务的。i e e e 8 0 2 1 p q 同属于一个子集，在传统的以太网帧头中加入了4 个字节，其中8 0 2 1 p 占3 位。8 0 2 i p 延伸了8 0 2 1 d 的协议，利用3 位优先级位可以最多提供8 个优 先等级。而8 0 2 1 q 利用v i ( v l a ni d e n t i f i e r ，虚拟网标识) 位识别传送的帧究竟 属于哪一个虚拟网。v i 位共有1 2 位，最大可以支持的虚网个数不会超过4 0 9 6 个。8 0 2 1 p q 的具体定义可以下图2 2 图2 - 2 ：8 0 2 1 p q 的定义 广域网上，i e t f 定义了两种i pq o s 结构综合业务结构( i n t s e r v ) 和区分业务结构( d i f f - s e r v ) 。两种结构各有其特点和优势。下面分别介绍这两 种结构。 综合业务结构 i n t s e r v 在r f c l 6 3 3 中进行了定义。r f c1 6 3 3 将r s v p ( 资源预留协议) 作 为i n t s e r v 结构中的主要信令协议。该协议假定从接收方到发送方之间沿途的 每个路由器都要为每一个要求q o s 的数据流预留资源。该协议还建议使用端到 电子科技大学硕士论文：q o s 及其在网络制造系统中的应用 端的信令。 1 pq o s 的综合业务结构( h a t s e r v ) 定义了三种级别的业务： 控制负载的业务( c o n t r o l l e dl o a d 卜_ 在一个负载较轻的网络中实现类似 于尽力而为的业务。对带宽、时延、分组丢失率提供定量的质量保证。用户感 觉不到不可忍耐的延迟； 有保证的业务( g u a r a n t e e d ) 保证带宽，限制延迟，无丢包。它要求网络 中各个元素保证用户所要求的最小延迟。因此网络元素必须先对各个服务质量 参数所要求的资源进行计算，并给出这些网络元素所可能带来的最大延迟。这 种业务有下述三个特点：它要求用户描述清楚应用的需求，而不是实现这些需 求的机制或方法；路径上的每个网络元素必须都支持保证型服务，即每个网络 元素必须提供有限的网络延迟；尽管保证型服务要求网络系统提供延迟要求以 内的服务，但是并不能够1 0 0 保证每个所要求的时间延迟保证都可以满足； 尽力而为的业务( b e s te 仃o r t ) 类似当前i n t e r n e t 在多种负载环境( 由轻到 重1 下提供的尽力而为的业务。 综合业务结构一般应用在企业网络的边沿，如下图2 3 所示，它使用种 类似a t ms v c 的方法，在发送端和接收端之间用r s v p ( 资源预留协议) 作为每 个流( f l o w ) 的信令。r s v p 的信息跨越整个网络，请求预留资源。路径沿途的 各路由器( 包括核心路由器) 必须为每个要求服务质量保证的数据流维护个 “软状态”。所谓的“软状态”就是一种i 临时性状态，由资源预留定期失效来 控制，因此无需申请拆除显式路径。软状态被定期的r s v p 信息更新。通过r s v p 信息的预留，各路由器可以判断是否有足够的资源可以预留。只有所有的路由 器都给r s v p 提供了足够的资源，“路径”方可建立；否则，将返回并拒绝信息。 l ，1 “瞎由嚣 e l t ，谴唯蓐山嚣 一蛳有事岛 越埔燕。“t 抻批雌脚 r 他j 日i $ v p 戎鹰 区分业务结构 q 媾矗一蚺十嚣妻凶由埴柚 峙工忭鸯或嘲北峪山磊抗璩 收“ t 。丁佩曲 图2 - 3 ：i n t s e r v 架构 电子科技大学硕士论文：q o s 及其在网络制造系统中的应用 d i f f - s e r v 比i n t s e r v 更具扩展性，如图2 - 4 所示，它可用于企业的广域网 中，并在运营商网络中发挥重要的作用，因为它可以根据应用或业务类型排出 不同的优先级别。业务区分结构使用i p v 4 报头中的业务类型( t o s ) 字段，并 将8 位 l o s 字段重新命名，作为d s 字段，它是边界节点与内部节点间传递流 聚集信息的媒介，是连接边界的传输分类和调节机制与内部p h b 的桥梁 d s 标记域定义为原i p v 4 包头的t o s 字节或i p v 6 包头的流类型字节( t r a f f i c c l a s so c t e t ) 的前六位( 如图2 - 5 ) 。通过该字段的标记，下行节点可以获取足够 的服务质量信息，以对到达该端口的数据包做出相应的“处理”，将它们正确地 转发给下一跳的路由器。这里需要注意，t o s 字段和d s 字段的定义是不同的。 边缘路由器可以将t o s 字段映射到d s 字段。 图2 - 4 ：区分服务体系结构示意图 二0 二王三= 卫 1 1 1 、ii t 辆廿尊幢1 1 。i + “世掣+ ，q 图2 - 5 ：i p 包头的区分服务标记域 区分服务模型是通过由用户和网络服务提供者在用户数据进入网络的边 缘( 可以是端主机系统或第一跳路由器) 上达成的一个服务性合约( 称为服务 简本) 来决定用户应用应满足的流量特征和网络所应提供的相应服务。用户数 据流在进入网络时，首先在其网络层分组头部的服务标识( d s ) 域中放入所需 服务相对应的标记代码，而由网络进行流量测量和分组流量特性标识，对于符 合服务简本规定的流量特性的分组，加上i n 比特标记。被加上标记的分组在区 分网络中传递，中继节点根据上述标记来进行不同的转发处理( p h b ) ，以实现 所需的服务性能。 电子科技大学硕士论文：q o s 及其在网络制造系统中的应用 2 5 q o s 实现的协议结构 根据上述q o s 体系结构，为了满足各种不同类型的q o s 的需求，存在着 不同类型的q o s 协议和算法。主要的有资源预留协议、区分服务、多协议标记 转换和子网带宽管理等四中。图2 - 6 是实现q o s 的基本结构框架 子网带宽管理 l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - j ，- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - j l - ，。，一f r s v p 资源颈留协议区分服务和多协议标记转换r s v p 资源颈留协议 端到端q o s 图2 - 6 ：q o s 的仂、议实现结构图 帚实现。0 8 的应 资塬预留协议 区分服务 子网带宽管理 从上图可以看到协议结构主要由资源预留协议、区分服务、多协议标记转 换和子网带宽协议组成，下面分别进行简介： i 源预留协议限s v p r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 资源预留协议是一种提供预留设置和控制以实现综合服务的综合协议，是 所有q o s 协议中最复杂的。因此，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它都能提供最高级的q o s 。r s v p 特性见下一章。 2 区分服务 i e t f 的区分服务( d i f f s e r v ) i 作组开发了另一种保证q o s 的方法，对网络 上的数据流进行分类，划分优先级。i s p 或网络管理员可以根据价格、应用的 重要性或其他因素对不同的交通流提供不同水平的服务。 d i f f s e r v 是针对不同应用为分类服务提供的一种简单、粗糙的方法。目前 按照定义两种每跳行为( p h b ) 的标准来划分两种服务水平： d 丑速转发( e f ) ：使时延和时延抖动最小并且可以提供最高级的综合q o s 。 电子科技大学硕士论文：q o s 及其在网络制造系统中的应用 任何数据流超过由本地策略确定的流量规划值时，将被丢弃。 确保转发( a f ) 。超过流量规划值的数据流，不会按照未超过规划值时 那么高的概率传送。这意味着它可以被降级，但是不会被丢弃。 d i f f s e r v 按照预先决定的策略规则，数据流在网络的进入点( 网络边界入 口) 被加上标记，并且按照标记进行选路，然后在网络输出点( 网络边界出口) 除去标记。 d i f f s e r v 假设在拥有共同边界的网络之间有服务水平协议( s l a ) 。服务水平 协议确立了策略规则，制定流量规划，希望在输出点按照服务水平协议对数据 流执行策略和进行平滑，而任何超过规划的数据流在输入点将得不到保证。策 略原则的使用对象包括每天的时间、源和终点地址、传输和( 或) 端口号码。任 何上下关系或数据流内容( 包括字头和数据) 基本上都可以被用来执行策略。 d i t i s e r v 对数据流优先级的简化会降低其灵活性和能力。改进的方法是和 r s v p 方法相结合。如果d i f f s e r v 使用r s v p 参数或根据专门应用类型对恒定 比特率( c b r ) 数据流进行鉴别和分类，就可能建立完全定义的综合流，它能 够被引导成为固定带宽的管道。这样做可以更有效地享用资源并且仍然能够提 供有保证的服务。 3 多协议标记转换 多协议标记交换( m p l s ) 在某些方面类似于d i f f s e r v ，它也是在网络的进入 边界对交通流加标记，在输出点除去标记。但不像d i f f s e r v 是在路由器内用标 记来决定优先级，m p l s 标记( 2 0b i t 标记) 主要用来决定下一个路由器的跳。 m p l s 选路被用来建立“固定带宽的管道”，类似于a t m 或帧中继的虚电 路。m p l s 简化了选路过程，标记交换路由器( l s r ) 的选路过程可以简述如下： 在m p l s 网络中的第一跳路由器处，路由器根据终点地址( 或字头中任 何其他信息) ，按照本地策略决定进行转发，然后决定适当的标记值，把这个标 记加到数据包上并且把数据包发送到下一跳。 在下一跳，路由器使用标记值作为指数在表中查找到再下一跳的地址和 新的标记。标记交换路由器将标记加到数据包上，并将数据包转发到再下一跳。 用m p l s 标记的包选择的路由被称为枥；记交换路径( l s p ) 。m p l s 的想法是 用标记来决定下一跳，使路由器可以少做一些事，能够更像一个简单的路由器。 4 子网带宽管理 i e t f 在专门的链路层上提供综合业务工作组( i s s l l ) 定义了上层q o s 协议和服务与以太网之类的第二层技术之间的映射关系。其结果之一就是子网 带宽管理( s b m ) ，它适用于8 0 2 1l a n ，如以太网、令牌环和f d d i 等。s b m 1 4 电子科技大学硕士论文：q o s 及其在网络制造系统中的应用 是一个信令协议，它允许网络节点和交换机之间在s b m 框架内进行通信和协 调，并实现向高层q o s 的映射。 s b m 协议提供请求器模块到带宽分配器或带宽分配器到带宽分配器信令 机制，用于预留初始化，可利用资源的带宽分配器排队，改变和取消预留。s b m 协议还用于有q o s 的应用和请求器模块之间，但是只包括使用a p i 而不是协议。 s b m 协议被设计成适用于各种协议。 这几个q o s 协议的侧重点各不相同，却不互相排斥。最初，人们认为这 些协议是相互竞争的，后来才发现在很多网络结构中，它们互相合作向用户提 供端到端的q o s ，会达到很好的效果。在实际应用中，为得到更高的性能需要 同时使用多种q o s 技术来提供网络层次从上到下、在发送者和接受者之间的端 到端的q o s 。 我研究的主要对象是资源预留协议( r s v p ) ，因此，下面几章主要以r s v p 为主要内容来进行阐述。 第三章r s v p 的原理与设计 从本章开始，以下几章主要介绍资源预留协议( r s v p ) 。在本章主要说明 r s v p 的工作原理，几个关键设计，对消息的处理等协议内容。 3 1 r s v p 简介 在网络内部的路由器、交换机的端口，以及端主机系统中，为了保证用户 要求的服务质量，必须调度相应的资源，甚至进行资源预约，这就需要相应的 资源预约协议和资源调度算法。具体可以量化为传输延迟( d e l a y ) ，抖动 ( j i t t e r ) ，丢失率( l o s s ) ，带宽要求( b a n d w i d t h ) ，吞吐量( t h r o u g h p u t ) 等指 标。i e t f 针对q o s 进行开发研究，r s v p 就是其中之一。 r s v p 最早于1 9 9 3 年提出，用于点到点通信和点到多点通信的i n t e r n e t 网络环境中多媒体用户对网络资源的预约。1 9 9 7 年，i e t f 工作小组制定了r f c 2 2 0 5 ( r e s o a l c er e s e r v a t i o np r o t o c o l v e r s i o n1f u n c t i o n a ls p e c i f i c a t i o n ) 。定义了 r s v p 的基本功能。r s v p 的资源预约必须是由接收端到发送端的端到端的过 程。它具有以下特点： 可对点到点通信、点到多点通信方式进行资源预约。 采用单方向预约，由数据流的接收端向数据流发送方端沿路径进行预约。 r s v p 在路由器等网络元素上设置和维护记录路由和资源预约信息的软状 态表，并能根据路由和预约信息的变化进行自动更新和调整。 r s v p 能根据用户对数据源的访问需要提供不同的预约方式。 电子科技大学硕士论文：q o s 及其在网络制造系统中的应用 r s v p 提供流量控制( t r a f f i cc o n t r 0 1 ) 和传输策略控制( p o l i c y c o n t r 0 1 ) 。 r s v p 既支持i p v 4 协议，也支持i p v 6 协议等。 资源预留是在转发数据之前完成的，其资源预约是单向的。 资源预留可以用于主机，也可以用于路由器。 3 2r s v p 的工作原理 r s v p 的基本功能是通过预约和保留传输路径中的资源而改善或保证用户 的服务质量。上一小节对它作了一个简单介绍，本节进一步介绍它的工作原理。 r s v p 对资源的预约是端对端的，它涉及到主机和路由器等网络元素。 图3 - 1 给出了主机和路由器之间的r s v p 预约关系。 主机路由器 田丽 r s v p。丽 睦 町7 辨酐掣幅 1雅 势据 ，辟 数据眄 划u 图3 - 1 ：主机和路由器中r s v p 的关系 从图3 1 可见，有两条通路，一条是r s v p 控制通路也就是建立预约的控 制通路，一条是数据通路即实际数据信息的传送通路。下面分别对控制通路和 数据通路进行阐述： ( 1 ) 控制通路 r s v p 包括两类最基本的控制报文：控制类报文( p a t h ) 和预约类报文 ( r e s v ) 。p a t h 报文由源端发出，在沿途的