（计算机系统结构专业论文）qosoverip的机制及其评价.pdf

摘要 首先，本文从对网络q o s 的定义丌始，对q o s 参数作了全面的论述。 传统i p 网络只提供一种q o s ，就是“尽力而为”的数据服务。以往的应 用在这个服务之上能够很好地工作，也取得了巨大的成功，但是新的应用，例 如视频应用，需要网络提供更好的q o s 支持。 i p 之上的q o s 可以说很大程度上借鉴了a t m 的思想。r s v p 可以看作a t m 中的p n n i ，m p l s 则是a t m 信元交换在r p 中的体现。为了更清楚的理解口 之上q o s 的工作原理，不得不对a t m 进行论述。本文论述了a t m 机制的原理 及其与传统i p 协议的比较。 接着，全面介绍了i pq o s 的各种协议，对比了它们的特点。这些协议包 括：r s v p 、m p l s 、d i f f s e r v 、s b m 等。 光有协议是不够的，如何提供端到端的q o s ，必须得有端到端的q o s 模型 才行。有很多种q o s 模型可以采用，本文的介绍并不是完备的。 最后，两种q o s 模型在n e t w o r ks i m u l a t o r 中实现并进行了性能比较。 关键字 服务质量，r s v p ，m p l s ，d i f f s e r v ，s b m 。n s 1 a b s t r a c t f i r s t f r o mt h ed e f i n i t i o no fq o s ，t h i st h e s i st a k e sa no v e r v i e w o fa l ln e t w o r k q o sp a r a m e t e r s c o n v e n t i o n a li pn e t w o r ko n l yp r o v i d eo n et y p eo fq o s ，t h a ti s b e s te f f o r t s e r v i c e t h i ss e r v i c ei se n o u g hf o ro l da p p l i c a t i o n ，s u c ha sw e ba p p l i c a t i o na n d f t e b u tn e w a p p l i c a t i o ne m e r g e d ，s u c h a sv i d e ot r a n s f e r , t h e yn e e dn e t w o r kp r o v i d em o r e q o ss u p p o r t q o so v e r i ph a sl e a r n e dm u c hf r o ma t mm e c h a n i s m r s v pi s s i g n a l i n g p r o t o c o li ni pj u s tl i k ep n n i i na t m ，m p l s l a b e ls w i t c h i n gi sl i k ec e l ls w i t c h i n gi n a t m s o ，i fw ew a n tt ok n o wb e t t e rt h ei d e a so fq o s o v e ri p , w eh a v et ot a l ka b o u t m o r eo na t m i nt h i st h e s i s 。ii n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo fa t m a n dc o m p a r e di t 、i t i l c o n v e n t i o n a li p t h e n ，m a n yi pq o sp r o t o c o l sa r ei n t r o d u c e d ，t h e i rp e r f o r m a n c e s a r et a l k e d a b o u t t h e s ep r o t o c o l si n c l u d er s v p ，m p l s ，d i f f s e r v , a n ds b m q o sp r o t o c o l s a r en o te n o u g h i no r d e rt o p r o v i d e e n d t oe n d ”q o s ，q o s m o d e l sh a v et ob ed e f i n e d t h e r ea r em a n ym o d e l sc a l lb eu s e d i n t r o d u c t i o ni nm y t h e s i si sn o tc o m p l e t e f i n a l l y , t w oq o sm o d e l sa r er e a l i z e di n an e t w o r ks i m u l a t o rt o o l ：n s 2 a n d c o m p a r e d k e y w o r d s q o s ，r s v p , m p l s ，d i f f s e r v , s b m ，n s 4 、 c h l q o s 的概念及其必要性 本章主要介绍q o s 的概念、一些术语、对各种网络应用的影响及其必要性。其中 各概念和术语在以后的章节里会经常h 到。 1 1 q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 的概念及其参数 q o s 的定义有很多，简单来说，q o s 就是网络元素( 例如一个应h j ，一个宿主机或 者一个路由器) 对网络数据传输提供定程度保证的要求或者能力。q o s 可以用来衡量网 络提供的服务，衡量网络的性能。由于不同的网络应用对网络提供的服务期望值也不同， 有必要对q o s 设置参数。以下所列的是一些常用参数。 1 最大许可延迟( m a x i m u md e l a y ) 延迟是一个很重要的网络参数，对网络h = | 户米说，端到端延迟( e n d - t o e n dd e l a y ) 是 最被关心的。它是指从发送端发送一数据块到接收端所花的时间。端到端延迟由下面几部 分组成： 转发延迟( t r a n s i td e l a y ) ：物理参数。j ：l j 米表示两地之间发送一个二进制位所需的传播 时间，该时间受光速限制。它仅仅与所经过的距离有关，同时在使用卫星链路时该参 数意义重大。 传输延迟( t r a n s m i s s i o nd e l a y ) ：定义成端剑端z 间传输一个数据块所需的时间。该参 数与网络的比特章和中继。竹点的处理延迟有关。中继节点的处理延迟包括路由延迟及 缓冲延迟。转发延迟和传输延迟组成网络延迟( n e t w o r kd e l a y ) 。 接口延迟( i n t e r f a c ed e l a y ) ：定义成发送方开始准备发送数据块和网络准备传输该数据 块这段时间内出现的延迟。对丁二面向连接的网络，比如x 2 5 网，它必须在传输数据之 前建立端到端虚电路，这个参数的意义就很重要。该参数发挥作用的另一场合是在令 牌环局域网中，必须等到空令牌到达才开始进行传输。 图1 1 描述了端到端延迟的各组成部分。 发送方接收方 幽1 - i 端剑端延迟的组成 根据应用对端到端延迟的要求，我们可以把麻川分成两种类型：实时的( r e a l t i m e ) 和弹性的( e l a s t i c ) 。实时的应埘需要数据在定的时延范围内到达，否m 悔t 是毫无用处的。 篷i 戳i 蠡，。“酶裹矗+ 。：浚；蠡赣整遗i l i t 澎捌邑i 。， 弹性的应用则总是会等待数据到达。 实时的应用例如“回放”( p l a y b a c k ) 在发送端采样一些信号，打包并传送到接收 端，接收端解包并试图忠实回放原始的信号。由于各个数据包在网络中传输的延迟有差异， 接收端需要对数据进行缓存，在“回放点”( p l a y b a c kp o i n t ) 回放。回放点是指一个信号在 发送端采样的时间加上一个固定的时间差。如果数据在回放点之后才到达接收端，那么它 就是毫无用处的。 实时应用不会等待晚剑的数据，而弹性的应用则会一直等，这并不是说弹性应用对 端到端延迟不敏感，相反，有时它会严重地影响应用的性能。它与实时应用的区别在于它 不会把数据缓存起来而是立即使用。并且在新数据到达之前，它不会继续运行下去。例 如t e l n e t 。 2 延迟抖动( j i t t e r ) 延迟抖动被定义为最小的包延迟与最大的包延迟的差。延迟抖动可能是由网络的故 障、网络当前的交通状况、埂件或软件的算法等所引起的。 对于连续的媒体传输，延迟抖动必须被考虑在内。如果抖动过大，即使平均时延并 不大，也会损害应用的性能。例如视频或音频的传输。 3 吞吐能力( t h r o u g h p u t ) 网络的吞吐能力就是它的有效比特率或有效带宽。因此吞吐能力定义成物理链路的 比特率减去各种传输技术带来的额外开销。例如，某高速网在s o n e t 之上采用a t m 技术， 其网络载波所提供的比特率为1 5 5 5 2 m h p s 。相关的主要开销有： 约3 开销用于s o n e t 约9 5 开销用r a t m 所以这个网络实际的晟人吞吐繁为1 3 6 m b p s 。除去上述的额外开销，还存在其他一 些影响吞吐量的因素。这些因索为网络拥塞、瓶颈、节点或线路故障等。 许多情况下，这类额外开销不作特别申明直接把吞吐量简单地看成与系统的比特 率相等。实际上的吞吐率要小一些。 4 差错率( e r r o rr a t e ) 差错率是网络极为重要的参数它可以用多种方式来定义。一种方法是位差错率 ( b e r ) 定义为出错或者损坏的平均比特数与所传输的b i t 总数之比。另一种方法是分组 差错率( p e r ) ，只要把上面的定义中，比特数换成分组数即可。现今许多网络的位差错率 极低。例如光纤传输网，它的b e r 取值范围在1 0 4 至l o - o 之间。卫星传输网的b e r 为1 0 7 ， 这意味着按平均计算卫星数字网中，由一千万个b i t 组成的文件里只有一个b i t 是错误的。 假定某一视频由好几百万个b i t 组成，那么上述b e r 取值则意味着在数字视频传输过程中， 每帧图象只有一个b i t 是错的。 这些错误的影响要看情况而定，在某些场合。比如视频传输，一帧图象出了一点小 错，肉眼可能感觉不出来，而另一类戍朋，比如银行间电子转帐业务仅仅一个二进制位 出现错误就可能导致系统的崩溃。 盔瀛逝；溉g 。融撼蠢畿。鼢鲢菇漱蚕霾夏。纛照： 6 。1 2 影响网络性能的因素 、 、 前面已经定义了一些重要的网络性能参数：吞吐量，差错率，延迟及延迟波动等。 现在对这些参数不利于网络性能的一面予以分析。 1 吞吐性能因素 无论是广域网还是局域网，大多数网络的吞吐能力都是随着时间变化而变化的有 时因为网络节点或网线的突发故障或由于网络中出现大量数据流而造成网络拥塞，网络的 吞吐能力可发生迅速改变。影响总吞吐量的因素有： 节点或链路故障 拥塞 瓶颈 缓冲区容量 流量控制 下面对这些因素简单介绍。 节点戚链路故障 无论什么原因引起的网络节点或链路的操作中断，都可以引起离故障节点( 链路) 最近的其他节点( 链路) 的通信阻塞。这类故障可以导致分组延迟和文件传输错误。某些 情况下，可造成整个连接网的失败。虽然网络节点或链路的故障率较低，但一旦出现故障 就必须采取措施来杜绝上述后果。 网鲳拥塞 当网络负荷过重时拥挤的交通或瓶颈可能引起网络拥塞。网络容量通常设计成能 满足平均传输需求的水平。在日常的某些情况或紧急情况下，对网络的要求会超出这个水 平。此时网络的吞吐能力就会因为下面几种原因随负载的增加而降低。 当节点缓冲区溢出时，网络上的许多数据报开始进行分组节流( d r o pp a c k e t s ) 网络管理程序采取措施减少某些链路上的信息量 过度负荷的节点变成瓶颈( 如下所述) 瓶颈 吞吐能力下降的另一原因是出现了瓶颈。瓶颈的产生可能是由于节点或链路故障， 也可能是由于节点或链路容量不足造成的。横跨大西洋的低容量卫星链路把北美与欧洲的 高速数据网连接在一起，就是这方面的一个例子。 缓冲区容量 对于端到端连接来说端系统和网络接口的缓冲存储空间十分有限( 见图卜2 ) 。在 需要往网络上发送或接收信息时数据就被暂时存放在这些缓冲区中在传输大型文件时， 比如视频帧，缓冲容量常常很不够而不能执行实时发送或实时接收。 圈l - 2 端到端连接的缓冲技术 流量控制 当任何一端的缓冲区容量出现不足时，通常激活流量控制，它是端到端协议。该协 7 议对通过网络连接起来的两个端系统之间的数据传输速率加以限制。如果接收端系统没有 足够的缓冲区来存放发送端所希望发送的所有数据，这种约束就显得更加重要，这时就需 要激活协议去限制或测量发送方的数据速率以防止接收端系统的数据丢失。当进行流量控 制时，端到端吞吐量就受到影响。严格说来，流量控制不应该算作网络性能因素，因为它 是由端系统的缓冲局限引起的。 2 阿络差错性能问题 分组交换网中，所关心的主要问题是著错。出现f 列情况之一都会引起网络差错。 组块中的个别位被丢失或次序被颠倒 传送时丢失组块+ 组块节流或组块延迟 组块到达时次序混乱 注意这些失踪的组块要么是在传送中丢失的( 疏忽造成的) ，要么是在被中继点节 流了( 有意造成的) 。 网络的这类差错性能与所使用的通信协议有关。有些网络是面向连接的，有些是面 向无连接的。无连接协议十分适用于简短报文的传送而面向连接的网络最适用于数据流传 输。 个别位错误 当今的数据传输网，尤其是光纤网。位错误是十分少见的。然而由于链路噪音或组 块交换，有时仍会发生位错误( b i te t o ) 。当出现这种情况时，大多数分组交换系统使用 纠错码就能检测出该分组中具体的出错位置，并且可以要求把该出错分组重新传输一次。 这种重传过程要么是在中继节点进行的要么是在端到端基础上进行。 组块丢失 面向连接的网络里，当组块中出现位错误或丢失分组或出现节流时，一般接收端系 统能够发现这类情况并且通知到相关的发送方。接收端系统并不能准确指出具体出错的分 组或组块错误的类型( 是丢失了还是被节流了) 。发送方处理这类问题的一般方法是，重新 传输那些对接收端来说是新近出现的组块。在采用正向纠错( f e c ，f o r w a r de i t o rc o r r e c t i o n ) 的网络中，不必进行重传输，接收端系统常常就可以找到并且改正组块中的位错误。但当 整个组块都丢失了或被节流时。f e c 就不起作用了。 无连接网中，是很难把丢失的组块或被节流的组块检测出来的。高速网中组块被丢 失或节流的主要原因是因为网络拥塞而造成路由系统的缓冲空间不足。 次序滑乱的组块 当传输冗长文件或冗长数据流时，通常是按序号排列数据流中的各个组块的。接收 端系统的任务是按组块的最初发送次序来接收该组块序列如果接收端系统不能做到这点， 那么它接收组块一定是杂乱无序的，并且由此也可能引起接收端的错误。有时，也可能引 起序列中个别组块的丢失、节流或被大大延迟。在这种情况下，接收端不可能重新构造原 有的组块序列，并且这种情况有可能造成接收端系统要求重发整个组块序列或重发其中一 部分组块序列。 3 网络延迟性能问题 有些网络延迟是不可避免的例如如果两个端系统经卫星连接来进行通信，那么它 的单向转发延迟大约为0 2 5 s 因为卫星离地面3 6 ，0 0 0 公里高，光速的往返时间大约为0 2 5 s 。 8 簟 其他延迟则是由链路的比特率引起：链路的带宽越宽，延迟就越小。某些延迟是不可预测 的。网络拥塞可以引起延迟；传输错误可以引起延迟：线路及中继节点的物理故障也可以 引起延迟。这类延迟被归类为随机延迟处理起米鼹棘手。 传输结柬时在各个端站点若使h 缓冲区常常可以缓和i 正迟问题。对于网络来说，最 理想的情况是端到端延迟是一个恒定不变的茸。如果延迟恒定，比如零波动，就可以事先 分配好缓冲区资源。 9 1 3 为什么需要i p 之上的q o s 、 e t f 刚成立时，有一句谚语叫作：“i p o v e re v e r y t h i n g ”，这句言简意赅的话凸显了i p 协议在各种传输媒介和协议上运行，在各种系统平台之间通信的能力。正是i p 的这种能力 使得它获得了巨大的成功。 过去的几年里，因特网的发展惊人，不断地吸引新用户，出现新应用。因特网的发 展使它和其他网络的合并开始进行。例如电话、电视和广播网。于是一句新的谚语出现了， 那就是“e v e r y t h i n g o v e ri p ”。但这种合并并不是毫无阻力的。 显然，随着网络用户和应用的增加网络带宽必须增加，但是，只增加带宽是否是 足够的呢? 答案是否定的。网络流量并不仅仅是增加了，它也改变了性质。所以因特网也 需要改变，适应新应用的新服务要求。 传统的运行i p 协议的网络提供“尽力而为”( b e s te f f o r t ) 的数据传输服务。这种服 务方式把复杂性留在端结点上，而网络内部则保持相对的简单。可扩展性良好是这种方式 的特点，这一点已由传统因特网的成功证明了。当越来越多的宿主机连入因特网而使得需 求超过网络负载能力时。新的服务请求不会被拒绝，而是导致网络服务“优雅”地降级。 这个特点对于传统的因特网应用并没有太人影响，例如：电子邮件，文件传输和w e b 访问 等。 端到端原则( e n dt oe n da r g u m e n t ) 是传统i p 网络成功的一个原因，其内容是：“网 络最终能实现什么功能由用户自己来决定，试图通过网络内在的智能性来增强网络功能的 做法是多余的：网络功能尽可能地在网络之外实现。”这个原则与“尽力而为”是一致的。 当新的因特网应用，诸如多媒体传输之类的实时应用出现时，“尽力而为”服务不能 很好她适应，传输延迟、抖动和包丢失极大影响了实对应用的效果。虽然单纯的提高带宽 对于实时应用是必须的，但却远不是足够的。即使在没有其他负载的情况下，网络延迟也 会很大幅度的变化，给实时应用带来影响。于是，对因特网的基础需要作一些修改，在网 络内部结点加入某些智能来区分出那些有q o s 要求的数据包并对其作相应的处理来达到 q o s 要求这就是q o s 协议要做的事情。 从学术角度来看，改变因特网的服务模型是一个巨大的变化，但是i e t f 的工作组希 望它的影响能尽量的小于是新的成分与机制并不取代原有的因特网结构，而只是作为补 充。 1 3 1 应用的分类 网络因支持应用而存在应用刺激网络的发展，或者更准确地说，应用的用户刺激 网络的发展。 不同的网络应用有不同的网络服务需求。 表1 - 1 与表1 - 2 列出了其中的一些。 l 速率类型 描述 i 流( s t r e a m ) 可预测的比较恒定的比特率( c b r ) 突发( b u r s t ) 不可预测的块数据导致变化的比特率( v b r ) 滋纛五i 覆瑟瑟慈滋汹盛。量巍知i l o 、 对延迟的忍受程度传输类型 描述 高异步( a s y n c h r o n o u s )对延迟没有要求( 弹性) 同步( s y n c h r o n o u s )对延迟有定的敏感性 交互( i n t e r a c t i v e )应用对延迟敏感但不会严重影响性能 同时( 1 s o c h r o n o u s )应用对延迟敏感且会严重影响性能 低 严格( m i s s i o n 。c r i t i c a l ) 延迟使得应用不能进行 表i - 2 应异j 对数据传输延迟的敏感性 1 3 2 合并的需求：多媒体与组播( m u l t i m e d i aa n d m u l t i c a s t ) 对于数据网络来说，与i p 的合并基本上已经解决。许多的信息技术与商业应用都移 到了【p 平台之上。这些应异；多数是低优先级，低带宽，对传输延迟不敏感的。 对于电台和电视网络合并剑i p 的进穰已经开始，但还有很多事情要做。首先的也 是最重要的是带宽，这正在不断的满足之中。广播模型和一对多的i p 组播( m u l t i c a s t ) 模 型很相近，广播者同时为成千上万的客户服务。单播( u n i c a s t ) 不可能达到要求。所以组 播是把电台和电视网络合并到i p 网络的必需技术。 一旦i p 网络可以提供音频利视频服务。传输多媒体内容就变得可能了。在传输的同 时嵌入w e b 连接，或同时发送文件等其它内容，能大大丰富传输。除了组播以外，还有其 它一些要求需要满足。 + 1 3 3 实时与双向( r e a l t i m ea n d t w o - w a y ) 市场的压力更多地暴薅着i p 电话的服务缺点。虽然它是一种多媒体( 音频) 应用， 但对带宽的要求是很小的，大约为8 k b p s ，所以，带宽不是问题，响应时间才是。 i p 电话，或者其它实时、) 叹向应用对响应时间的要求远比带宽的要求高。往返传输 延迟超过0 5 秒将使得用户不可忍受。 一 鲁 1 4 ，j 、结 、 本章首先详细介绍了网络q o s 的各参数定义及它们各自的重要性、对它们可能造成 影响鬯黧慧了i p ? e 的q o s 的妇岬i 黜陛。妲陛是由于传统l p i p 网的成功己 其次，论述了 之上的 的必要性硐i 紧迫性。必要性是由十传现 唧削础掣 竿竺墨恭篙蒹器塞量黧裟焉霸喾q 迫。登s 蒜霖言鬟尊詈蒹眚了一些新的网络应用，这些应用对带宽、对时延抖动哥 参蔹明码旃网赞水传现h u f 五j 曩_ = ：1 忑嚣西i 赢蕊蕊蠢。；瓣j ；叠 2 、 c h 2 a t m 与q o s 提到q o s 。就不得不提到a t m ，a t m 对q o s 有强大的支持，这是a t m 技术本身的 特点决定的。 2 1 a t m 简介 异步传输模式( a t m ) 是一种基于信元的、隔绕新一代网络体系结构而建立的多路 复用及交换技术。国际电信联盟( i t u ，以前的c c i t t ) 于1 9 8 8 年把a t m 定义成：未来 公用b - i s d n 网络的基础技术。因此，a t m 是针对广域载波的策略性建网技术。开始对a t m 标准和技术的研究进展相对较慢。直到1 9 9 1 年由设备生产商创立的a t m 论坛，强调必须 对局域和广域范围内的专用a t m 网进行定义，这种状况才有所改观。同时这个拥有8 0 0 多个成员( 几乎包括所有数据和远程通信设备的主要生产商) 的a t m 论坛和i t u 联手制 定a t m 标准。由此，得到的两个标准规范十分相似。1 t u 为b - i s d n 定义的协议参考模型 如图2 - i 所示。 2 1 1 物理层 图2 - 1b i s d n 协议参考模型 最底层或物理层定义了a 俐信元与物理介质的映射关系和物理传输参数c c i t t 最 初的目标是1 5 5 m b l 砖的光纤传输a t m 论坛首先为局域a 1 m 网定义了1 0 0 m b p s 物理f d d i 传输的使用标准也可以在2 5 6 1 1 5 m b p s 或5 1 1 5 5 m b p s 或同步链路上使用非屏蔽双绞线电 缆线( u t p - 3 ) 比如在用户网络接口( u n i ) 上使用t 3 ( 4 5 m b p s ) 或e 3 ( 3 4 m b p s ) 载波 速率命名 命名机构 6 2 2 m b p ss d hs t m 4 s o n e ts t s 1 2o v e rs m f i t u 1 5 5 m b v ss d hs t m 1 s o n e ts t s - 3 co v e rs m f m m f , s t p , u t p - 5 i t u a t mf o r u m 1 5 5 m b v s c e l ib a s e do v e rm mf s t ru t p 5 a n “f o r u m 1 0 0 m b o s c e l lb a s e dm m f ( t a x i )a t m f 0 r u m 3 、 5 l m b o s t i t p 1m mf s m f a t mf o r u m 4 5 m b p s nr n 4 ，1 1 a t mf o r u r r g a n s i 3 4 m b p s nr n 4 ，f 1 a t mf o r u m e t s i 2 5 6 m b p s t pi j t p 3 u t p 5 a t mf o r u m 2 m b p s f 1 a t mf o r l l m e t s i 1 5 m b p s t 1 a t mf o r u m a n s i s m f ：单模光纤 m m f ：多模光纤t a x i ：传输，接收接口与物理f d d i 接口 s t p ：屏蔽双绞线 u t p ：1 e 屏蔽舣绞线 表2 ia t m 物理层方案 2 4 8 8 g b d s 的a t mo v e rs d h s o n e t 标准已经y - 1 9 9 9 年1 1 月颁布。 物理层为a t m 层提供以下两种功能：一种是传送有效信元，另一种是传送定时信息， 以实现较高层的服务。 物理层分为物理介质( p m ) 子层平| i 传输汇聚( t c ) 子层。p m 子层提供比特流传输、 定时以及媒介的物理接入。t c 子层的功能主要是h e c 控制、传输帧适配、信元定界、信 元速率耦合等。 2 1 2 a t m 层 a t m 层是交换及多路复用层。该层定义了a t m 信元的结构。信元存放的是5 3 个八 位二进制组的信息内容。前五个八位二进制组存放头信息，后4 8 个八位二进制组存放有效 负载。这种信元格式完全独立丁底部的物理层。 a t m 使用与x 2 5 中类似的交换标签( 1 a b e ls w a p p i n g ) 概念来完成信元的路由。路由 是建立在虚拟电路标识符( v c l s ) 和虚拟路径标识符( v p l s ) 基础上的。因此，a t m 是一 种基于连接的网络。交换控制函数定义了连接建立期间的网络地址到v p i v c i 对的映射关 系。 由于a t m 信元较小，传输链路的速率年仃点的交换速率又较高，因而a r m 的延迟 时间就相当低。可以以极小的颗粒度把这种a t m 小信元混合在一起，减少分片和缓冲延 迟。 a t m 层提供卜列功能： 信元构造 信元接收和信头有效性检测 利_ f ：jv p i v c i 进行信元中继、前向传递币l 复制 利用v p i v c i 进行信元复川和分川 区分信元净荷类型 解释已定义的和保留的信头值 信元优先级处理 支持多类服务质鼙 连接分配平取消 2 1 3 a t m 适配层 对丁：绝人多数廊川米说，基丁信元的a t m 层井不是合适的接口。c b r 应用需要_ 二进 4 制位流接口而一般的数据应川并不传送4 8 字1 ，的小报文，因此，a t m 适配层就是专门用 来在面向信元的a t m 服务与戍刖需求之间架起一鹰桥梁。i t u 定义了四种不同的b - i s d n 服务类，如表2 - 2 所示。 a 类b 类c 类d 类 i 源与目的之间的 需要不需要i 时序关系 比特率i 司定的变化的l 连接模式面向连接的方式无连接模式f 表2 - 2b - i s d n 服务类 a 类服务是针对速率不变的同步b i t 流的，b 类服务是针对可变速率的压缩音频或视 频流的。c 类和d 类服务是针对目前的数据通信服务的。为了支持这些服务类，a t m 定义 了下列不同的适配层： a a l 类型1 ：州丁a 类服务。在u n i 上提供打包解包函数，将c b r 转换成基 于信元的传输，反之亦然。而对接收端说米，必须输送全同步( 时钟式) 的b i t 流，这需要严格控制网络内的延迟。a a l i 是a t m i s d n 协同工作的前提，也 是传送同步语音平| lh2 6 1 码视频的先决条件。 a a l 类型2 ：用丁ib 类服务。要想实现a a l 2 是凼雉的。由于比特率变化的缘 故，很难为这种类型的传输预定资源。要么保留最大带宽，但这样效率很低， 要么不能把延迟及组块丢失维持住一定界限内。 a a l 类型3 ，类型4 ：支持c 类、d 类服务。由于a t m 本来就是面向连接的，所 以必须通过无连接服务器( c l s ) 才能实现无连接服务。但c l s 本身是必须通 过面向连接通信方式来访问的。冈此，这个层次不必将c 类服务和d 类服务分 开来。所以早期的类型3 和类刑4 现在就被合在一起，取名为a a l 3 4 。a a l 3 4 的主要功能是将报文分片及把报文重组成信元反之亦然。 a a l 类型5 ：a t m 论坛也把它定义成支持c 类或d 类服务。a a l 5 最初叫做简 单而高效的适配层( s e a l ) 。对火型组块来讲，信元开销比a a l 3 4 有很大下降， 从1 7 降到1 l 。由于备信元所需的校验减少了，报文的重组过程本身也稍有 简化。a a l 5 一个缺点就是，信元损坏常常导致报文的丢失，而a a l 3 4 有方法 把位差错局限在单个信元内。 暮蓬墓。| 一。，。 m 氨。蕊。：袋麓； 5 2 2 a t m 与传统i p 的比较 宽带综合业务数字网b i s d n 曾经被视为是一种能支持通信端点之间进行实时通信的 技术。它采用简洁的传输技术，a t m 。a t m 可以承载任何信息流，包括数据、语音和图象 等。a t m 把这些信息分成很小的分组，即信元，弗通过预先建立好的虚连接进行传输。 a t m 在几个方面上与l p 寻路存在不同。a t m 是面向连接的，而不是无连接的。在 进行任何数据传输之前，必须在两个通信实体之间建立一条端到端的连接。a t m 需要采用 人工配置手段或采用信令协议( 十分类似丁电话网中的电话信令) 来建立连接。二者之间 的另一个不同点是a t m 不需要在每一个中间肖点( 交换机) 为单个的分组( 信元) 确定 路由。对于a t m 来说，两个通信实体之间的网络通路在进行任何数据交换之前就已经计 算好，并且在整个连接期间保持不变。在进行连接建立时，每一个中间节点的a t m 交换 机都为该连接分配一个标识符或标签，这个标识符或标签对于该交换机内的交换器、连接 和分配及输入输出端口都是唯一的。这样可以实现两件事情：沿着一条固定的a t m 交换 通路上的资源将会为某个特定的连接所保留：单个的a t m 交换机只需建立一个转发表， 而这个转发表是局部的，并且只保存着有关穿越该交换机的活动连接的表项。这一点与路 由器是不同的，路由器必须维护一个整个网络范围的路由表，路由表中包含所有可能的目 的地址，其中或许还包含一些该路由器永远也不会州剑的目的地址。 在a t m 交换机中转发信元的过程十分类似于在路由器中转发i p 分组。二者都在信 头中包含了地址信息，被用米在个列表中进行索引，该列表记录着可用于发送信元或分 组的接口。a t m 速度很快，比传统的基于软件的路由器快得多。这是因为信元头中的标签 长度是固定的，a t m 在路由_ ! 笺找中所需要索引的迎接表通常比路由器中所维护的i p 转发 表要小得多，并且转发过程本身是由特殊的硬件实现。因此，a t m 交换与基于软件的i p 路由选择相比具有显而易见的性能优势，其中的原因就是硬件执行简单任务速度要比软件 执行复杂任务的速度快得多。 表2 3 列出了i p 和a t m 之间原理上的儿个筹异。以前曾有过关于这两种技术谁更优 越的争论，争论的焦点就是i p 和a t m 哪一个可以作为f 代网络技术的基础。这些争论 已经结束了，很清楚，i p 将会出现在所有的网络中。当然，【p 的一个优势就是它几乎可以 运行在任何一种数据链路层技术的高层。包括a t m 。a t m 应该被看作是一种f p 能采用并 且也应该采用的十分强有力的数据链路层技术。而不是用来作为i p 的替代技术。 属性 【pa t m 连接性无连接面向连接 分组长度可变固定( 5 3 字节) q o s 无有 信息数据数据，语音和图象 通路确定每分组连接建立 转发状态所有可能的网络局部活动的传输连接 转发基础最人匹配地址前缀固定长度的标签 信令无有 表2 - 3 i p 与a t m 的比较 羹艇$ 赫。札；。醛娃飘：激涵淄黼瀚陵。强囊。 啕 2 3 a t m 与传统i p 的结合 最初，尝试将传统i p 与a t m 结合起来的研究芹不热烈。i p 所采用的无连接、逐级 跳( h o pb vh o p ) 地转发数据报的方式是不可改变的。事实上，i p 在一个具有带宽保留和 时延限制能力的网络上运行的概念并不存在。而从a t m 的观点来看，一系列的分离寻址、 路由选择和信令协议都是专门为a t m 开发的，其运行和操作也是不可改变的。那么什么 方法能够将这两种完全不同的技术结合到一起呢? 这个问题的答案在于地址解析方法。为 了能与同一子网中的对等实体成功地实现通信，i p 的源主机需要将目的i p 地址解析为相应 的第二层地址。这使i p 源土机能够分纽寻址剑目的i p 地址，然后采用适当的第二层目的 地址将j p 分组封装剑个第二层的帧中。可是对ra t m 来说，目的a t m 地址只是在连 接建立之前被用于转发信令虚连接( s v c ) 的建立l 菏求。不过，i p 源主机仍然需要将目的 i p 地址解析为a t m 地址，以便i p 源主机能够建立手初始化一条通向目的地的a t ms v c 。 图2 2 举例说明了这个基本的解析方法。连接剑a t m 上的源主机向地址解析服务器发送解 析请求，要求获得能止确到达目的i 机的a t m 地址。地址解析服务器将a t m 地址返回给 源主机，然后源主机就可以建立条剑目的主机的s v c 。 幽2 - 2 基丁a 丁m 的数据互迮网的地址解析服务器方案 e t f ( i n t e m e t e n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ) 首先在r f c l 5 7 7 中建议了这种解决方案，也 就是基于经典i p 和a r p ( c l a s s i c a li pa n da r po v e ra t m ) 的方案。在r f c l 5 7 7 中定义 了一个a t m 地址解析协议( a t ma r p ) 服务器来维护个保存着i p 地址和a t m 地址的 表。稍后a t m 论坛将这种方法用_ 丁把介质访问控制( m a c ) 地址解析为a t m 地址，同时 增加了对广播的支持。提出这些方案的目的是为了开发一种系统，能够使局域网( l a n ) 中的应用可以在不作任何修改的情况下移植到a t m 网络上。a t m 论坛所做的工作被命名 为局域网仿真( l a n e ) ，现在已经十分流行因为它可以使基于多种协议的应用程序齄够 在原有网络和仿真网络上透明地运行。经典j p 和局域网仿真都是将高层的i p 和l a n 的功 能与a t m 所支持的底层服务完全分离开，在这一点上二者是相似的。 这两种方法的另一个相似之处在于a t m 连接的范围。经典i p 把a t m 通信连接限制 在同一个逻辑i p 子网( l i s ) 中的士机( 戚路由器) 之间。印使是不同子网中的两个主机 连接在同一个a t m 网络上，_ 二者之间仍然需要通过路由器来进行分组转发。对于逐级跳 ( h o p b y h o p ) 路由选抒方式，这将引入较人的例行开销和时延。l a n e 在这一点上的限 制是类似的，连接在同一个a t m 网络上但属_ r 不同逻辑l p 网络的主机不能直接利用a t m 进行通信，这样的主机之间也需要通过路由器交换信息。 这类技术演化的f 一个步骤是使不同网络中的两个士机能够通过a t m 网直接通信。 现有的互连网络模刑中所有子网问流域都要经过路由器，新的技术需要缓解这个压力。问 题是解决方察不仅要继续支持传统的逐级跳路由选择方式，并且还提供一种机制使f p 源没 一琢瑟蕊_ ，蕊巍赫，麟粼漱泓渤赫赫。r v 备能够建立一条直接的a t m 连接通往位r 月一个网络上的i p 目的设备。因此，这样的网 络不仅可以为尽力而为( b e s te f f o r t ) 传输模式和低流耸的业务提供通常的、逐级跳方式的 路由通路，同时也 - 7 3 1 人鬣的、艮持续时间的业务提供第二条高性能高带宽的交换通路。 这项技术最早是在i e t f 的f 一跳解析协议( n h r p ) 中实现的，后来被合并到了a t m 论坛的“基于a t m 的多协议( m p o a ) ”中。_ 二者都扩展了经典i p 和l a n e 所首先引入 的地址解析服务器的功能，使其解析的地址能够跨越子网的边界。这样一种新的高性能的 选路方式被称为直通选路或快捷连接选路( c t l t - t h r o u g ho rs h o r t c u tr o u t i n g ) 。它将传统的f p 选路扩展为个独立的“泛网络”的地址解析服务再加上一套管理动态s v c 所必需的底 层a t m 信令和路由协议。在图2 - 3 中说明了直通连接选路的概念。 幽2 - 3 直通选路 蕊巍赫 ：k ；，。一h 潞。瑚融汹斟蕊斌诎泣。溢“。+ 8 噶 2 4 ，j 、结 l 。，! 曩，先对a m 技术作了简单介 f ，把a t m 的技术特点和传统的j p 协议技术特点 差要五比警：。竺y 粤q o s 支持方面是1 r 常出色的，其资源预留和标签交换晶怎基建；蔷 璧型釜：妻的保t 【e 。往后面的章1 ，我们将会发现，i p 之上的q o s 支持也采哥逞磊莲嘉萎柔 取这种思想。 。 ”一“、 。芋拳寥霎竽a 丁m 和i p 结拿凹传统经典方法进行了介纠。这些方法能够使i pl 作在 竺登妾士但是：a t m 乖j 。q ? 5 的支持却井没有映f f 于到i p 层，冈为i p 层没有。己o s 亮篓_ 这样一米，a t m 的功能没有被充分发挥。 。 、。 b 。，_ ：自n w 9 c h 3 q o s o v e ri p 的协议 3 1 q o s 协议简介 o o s 简单的说，就是网络元素( 包括路由器、宿主机等) 对数据传输提供一定程度 的一致性保证的能力。 前面已经提到，新的应用对冈特网的基础需要作一些修改，在网络内部结点加入某 些智能来区分出那些有q o s 要求的数据包并对其作相应的处理来达到q o s 要求。这就是q o s 协议要做的事情。 一些应用比其他应_ l = | 有更严格的q o s 要求，从这个角度出发，有两类基本的q o s 类 型。 资源预留( r e s o t t r c er e s e r v a t i o n ) ：网络资源由应用的q o s 请求来分配。 分配优先级( p r i o r i t i z a t i o n ) ：网络流域被分类并赋予不同的优先级别来进行处理。 q o s 可以对单个的应用“流”( f l o w ) 实现。也可以对流聚集( a g g r e g a t e ) 实现，从 这个角度看，q o s 又分为两种类型。 对于单个流：流定义为单独的，单方向的，在两个应用( 如发送者与接收者) 之 间的数据流。由一个五元组唯一标识，五元组定义为( 传送协议，源地址，源 端口号，目标地址，目标端口号) 。 对于流聚集：一个流聚集简单地说，就是两个或者更多的流。一般来说，这些流 有一些相同的元素( 例如五元组中一个或多个元，一个标签或优先级等) 。 目前已经有的q o s 协议有以下几种： r s v p ( r e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) ：提供网络资源预留的信令。 d i f f s e r v ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) ：对网络数据流作简单粗略的分类并赋予优先级。 m p l s ( m u l t ip r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) ：给网络数据流分配标签( l a b e l ) 并以标 签作为交换基础，而不是l p 地址。 s b m ( s u b n e tb a n d w i d t hm a n a g e m e n t ) ：在共享及交换的i e e e 8 0 2 网络的第二层 实现分类与优先级。 这些协议的出现是由于不同的需要而产生的，它们实现的q o s 等级也是不同的，表 3 - i 给出了它们的比较。 o o s 程度网络层 应用层描述 最大 x 规定的端到端资源( 例如私有网) xxr s v p xm p l s xd i f f s e t v x 公平队列算法( 例如c f q ，w f o ，r e d ) 最小 尽力而为服务 袁3 ：j 艟。，。蠡姚淼菇羹基滋。疲； 1 3 2 集成服务 【p 网络所支持的基本服务只有一种服务类