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摘要 随着会议电视、v o i p 等实时业务的出现和迅速发展，因特网正 面临着新的机遇和挑战。实时业务对因特网提出了q o s 要求，即不 仅要保证定的传输带宽，而且对网络传输时延和时延抖动也提出了 性能要求。因特网在支持实时业务时将面临以下问题：在现有网络环 境里我们能否顺利开展实时业务? 网络提供给实时业务的性能是否 能满足实时业务的性能要求? 当网络性能下降时应采取什么样的策 略? 我们如何才能为实时业务提供更好的服务质量? 实时业务服务 质量的测量与改善就是在这种背景下提出的。本文以在网络上支持实 时业务的应用与改善服务质量为目标，从流量识别、性能测量与评估、 实时传输控制、服务质量改善这几个方面开展了研究。本文的主要工 作如下： 实时业务流的识别以及业务开展面临问题的研究：首先对h 3 2 3 协议与s i p 协议进行了介绍；然后在分析这两种协议的呼叫建立过程 的基础上提出了实时业务流的识别方法。最后针对n a t 与防火墙的 应用导致实时业务无法顺利开展的问题提出了相应的解决思路。 实时业务服务质量的测量与评估：首先提出了影响服务质量的几 种关键的网络性能参数的测量与计算方法；然后建立了m o s 值与端 到端时延以及等效报文丢失率之间的函数关系，并利用该函数计算出 达到定服务质量时网络性能参数可能存在的边界值，这为评估网络 支持实时业务的能力提供了参考。为了解决测量单向时延时遇到的测 量设备之间时间不同步的问题，提出了一种算法来估计测量设备间存 在的时间偏差，利用算法估计出的时间偏差来校正测量结果，可以较 准确地测量单向时延；仿真验证了估计算法的准确性。 可扩展r t c p 控制框架的研究：首先分析了通过组播方式发送 r t c p 报文的不足，并总结了r t c p 扩展协议提出的通过单播方式发 送r t c p 报文的优点，在此基础上提出了适用于特定源端组播( s o u r c e s p e c i f i cm u l t i c a s t ) 应用的r t c p 控制框架。该控制框架支持r t c p 扩 展前后两种版本的共存，且在大规模组播应用中能有效减少反馈流量 对网络资源的占用；并能提高源端响应网络拥塞的速度，为改善实时 业务的服务质量打下了基础。 网络中问题节点的定位：首先分析了现有的网段定位方法的不 足，然后在分析实时业务流之间时延相关性的基础上提出了一种定位 影响实时业务服务质量的问题节点的方法，本文提出的定位方法部署 容易且提高了定位粒度；仿真证实了这种定位方法是有效的。问题节 点的定位为改进网络配置改善实时业务质量打下了基础。 支持实时业务的队列调度机制与网络资源配置原财研究：首先分 析了广为应用的w f q 调度机制的特点与局限性，然后提出了克服其 局限性的方法；并针对w f q 存在的问题提出了w f q 改进算法。仿 真验证了改进算法能显著降低实时业务经历的报文丢失率与网络传 输时延；最后给出了因特网上支持实时业务的网络赛源配置的般性 原则，以供网络运营者参考。 以太网上实时业务服务质量保证筇略的研究：首先分析了以太网 上相关技术的进展，然后提出了以太网上实时业务服务质量保证的策 略，并给出了该策略的实现框架与操作流程。由于该策略采取了实际 测量与理论分析结合的方法，该策略对实时业务的服务质量应该是有 保证的。最后通过仿真我们验证了该策略的有效性。 关键词：服务质量、资源预留协议、加权公平队列、单向时延、实时 传输协议、实时传输控制协议 a b s t r a c t w i t ht h e a p p e a r a n c e a n dr a p i d d e v e l o p m e n to fr e a l t i m e s e r v i c e s ， s u c ha sv o i pa n dv i d e o c o n f e r e n c e ，i n t e r n e ti s f a c i n gg r e a tc h a l l e n g e s r e a l t i m es e r v i c e sn o t o n l y n e e dc e r t a i nb a n d w i d t h ，b u ta l s ob r i n g f o r w a r dp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n to no n e w a yd e l a ya n dd e l a yj i t t e r w h e n s u p p o r t i n g r e a l t i m e s e r v i c e s ，i n t e r n e t w o u l df a c e f o l l o w i n g p r o b l e m s ，t h e y a r e ：c a nr e a l t i m es e r v i c e sb es u p p o r t e dw i t h o u ta n y o b s t a c l e si nc u r r e n ti n t e m e t ? d o e st h eq o sp r o v i d e db yt h en e t w o r k s a t i s f y t h ep e r f o r m a n c ed e m a n do fr e a l t i m es e r v i c e s ? w h e nn e t w o r k p e r f o r m a n c ed e t e r i o r a t e s ，h o w c a r lw ed o ? a n dh o wc a nw ep r o v i d e b e t t e rq o sf o rr e a l t i m es e r v i c e s ? i m p r o v e m e n ta n dm e a s u r e m e n t o ft h e q u a l i t y o fr e a l t i m es e r v i c e s a r e b r o u g h t f o r w a r dt oa d d r e s st h e s e p r o b l e m s t h e a i mo ft h i s p a p e ri s t o s u p p o r t r e a l t i m es e r v i c e so n i n t e r n e ta n dt o i m p r o v e t h eq o so fr e a l - t i m e s e r v i c e s a n dw ed o r e s e a r c h e so na s p e c t s s u c ha st r a f f i ci d e n t i f i c a t i o n ，a s s e s s m e n t a n d m e a s u r e m e n to fq o s ，r e a l t i m et r a n s p o r t c o n t r o la n di m p r o v e m e n to f r e a l t i m es e r v i c e s t h ef o l l o w i n ga r et h em a i n w o r kd o n e b y t h i sp a p e r s t u d yo fi d e n t i f i c a t i o no fr e a l t i m et r a f f i c a n dt h ep r o b l e m st o r u nr e a l t i m es e r v i c e s ：w ef i r s ti n t r o d u c eh 3 2 3a n ds i pp r o t o c o l ，t h e n b a s e do nt h ep r o c e s so fc a l l i n gu pw ep r e s e n tt h e s c h e m et oi d e n t i f y r e a l - t i m et r a f f i c f o rn a t a n df i r e w a l lb e i n go b s t a c l e st or u nr e a l _ t i m e s e r v i c e so i le t h e r n e t f o rt h e p o l i c y i sb a s e do nt h e o r y a n a l y s i s a n d p r a c t i c a l m e a s u r e m e n t s oi ts h o u l da s s u r et h e q u a l i t y o fr e a l _ t i m e s e r v i c e s t oi m p l e m e n tt h i sp o l i c y , w ep r e s e n taf r a m e w o r ka n de x p l a i n i t sp r o c e s s i n gf l o w s i m u l a t i o ns h o w st h ee f f e c t i v e n e s so f o u r p o l i c y k e yw o r d s ：q u a l i t y o f s e r v i c e ，r e s o u r c e r e s e r v a t i o n p r o t o c o l ， w e i g h t e df a i rq u e u i n g ，o n e w a yd e l a y , r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l ， r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处 本人签名： 黄厦拴 本人承担一切相关责任。 日期：上q q 奎5 堕 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：董旦整日期：2 壁q 垒：二1 5 导师签名：日期： 北京邮电大学串请博士学位论文 实时业务服务质量的测量与改善 1 1 研究背景 第一章绪论 早期的i n t e m e t 只提供尽力而为类型的服务，这种类型的服务非常适合一些 传统的应用，如电子邮件、h t t p 与f t p 业务等。但是随着网络技术的快速发展 与i n t e m e t 的迅速普及，i n t e r n e t 上承载的业务类型越来越多，尤其是像会议电视、 v 0 口、远程教学、远程医疗和网络电视等宽带多媒体业务更是有着巨大的市场需 求。这些业务对i n t e m e t 提出了服务质量要求：它们不仅要求一定的传输带宽， 而且对单向时延、时延抖动以及报文丢失率也提出了要求。i t u t g l 0 1 0 建议【l 】 从单向时延、时延抖动以及报文丢失率这三个方面对话音业务与视频业务所要达 到的目标进行了规定。g 1 0 1 0 规定交互式话音业务的单向时延不超过1 5 0 m s ，时 延抖动应小于l m s ，报文丢失率应小于3 ；而g 1 0 1 0 规定交互式视频业务的单 向时延的短期目标是不超过4 0 0 m s ，其长期目标是不超过1 5 0 m s ，报文丢失率应 小于1 ，它还要求视频与音频必须同步在8 0 m s 内。这种服务质量的要求给提 供尽力而为服务的p 网络带来了巨大的挑战。在这种情况下各种q o s 技术应运 而生。本文提到的q o s 是指p 的服务质量，它有一套度量指标，包括网络传输 时延、抖动以及报文丢失率等。目前i e t f 已经提出了许多服务模型与机制来满 足q o s 需求，典型的有：集成服务( i n t s e r v ) r s v p 模型p “、区分服务( d i f f s e r v ) 模型7 8 1 等。这些q o s 技术从宏观上定义了网络需要支持的q o s 类型，如集成服 务定义了保证型服务7 9 1 与可控负载型服务8 0 】，典型的应用如远程教学、视频点 播等交互式音频和视频；区分服务定义了加速转发与保证转发两类p h b 8 1 【8 2 ， 加速转发p h l 3 看起来像在点到点租用线路上以最大带宽提供的服务，它被设计 用来支持低分组丢失率、低时延、低时延抖动的连接，如话音和多媒体数据流。 但是这些q o s 机制并没有解决下列问题：我们怎样判断网络提供给实时业务的 服务质量是否满足实时业务的性能要求? 我们应怎样测量和评估实时业务获得 的服务质量? 现有的支持q o s 的队列调度机制是否能满足实时业务的性能要 求? 为支持实时业务网络运营者或管理者应怎样配置他们的网络资源? 当网络 服务质量下降时我们应采取什么样的策略来改善服务质量? 在可管理的以太网 北京邮电大学申请博士学位论文实时业务服务质量的测量与改善 上我们怎样才能保证实时业务的服务质量? n a t 、防火墙等应用环境将造成实时 业务不能顺利开展，我们应该如何解决? 怎样简单有效地识别实时业务流? 此外，实时业务一般运行在实时传输协议与实时传输控制协议r t p r t c p 4 6 ) 上，前者用于传送报文，后者用于反馈服务质量等信息。在i e t f 提出r t c p 扩 展( r t c pe x t e n s i o n ) 5 4 】以前的版本里，终端以组播方式周期性发送r t c p 报文 来反馈当前网络提供的服务质量。为了避免反馈报文过度消耗网络资源，组播规 模越大则要求终端发送r t c p 报文的时间间隔就越大，而终端增大发送r t c p 报 文的时间间隔将不利于终端将网络服务质量状况及时反馈给源端，这将使得源端 无法及时获知网络拥塞的发生，最终导致源端无法及时降低发送速率来响应网络 拥塞，这种情况下可能会出现持续的报文丢失，从而导致实时业务服务质量的下 降。考虑到使用组播机制反馈的不足，i e t f 对r t c p 协议进行了扩展，提出了 适合特定源端组播应用的r t c p 扩展。在r t c p 扩展中终端以单播方式将r t c p 报文反馈给源端，然后源端采取反射或合并方式处理这些反馈报文，并以组播方 式转发到组播组【5 ”。文献 2 3 也认为在网络发生拥塞时源端及时降低发送速率有 利于提高实时业务的服务质量。可见，终端能否及时反馈服务质量的信息能在很 大程度上影响实时业务的服务质量。鉴于r t c p 扩展协议的提出，我们能否提 出更好的r t c p 控制框架使得源端能及时获得网络拥塞或者服务质量下降的信 息，以便源端及时降低发送速率，避免在网络性能下降时过多发送报文，从而改 善服务质量? 鉴于以上的挑战或问题，本文在分析支持实时业务的协议的基础上提出了实 时业务流的识别方法，分析了n a t 、防火墙应用对实时业务影响的原因，并提 出了解决的思路或方法；在深入研究网络测量技术的基础上，我们总结出了网络 传输时延、报文丢失率以及时延抖动的测量方法，并针对网络传输时延测量时存 在的时间偏差问题，我们提出了种时间偏差估计算法，它可以有效估计出测量 设备之间存在的时间偏差；参考现有的测量结果的评价方法，我们给出了m o s 值与端到端时延、等效报文丢失率之间的函数关系，并给出了一定服务质量下各 种网络性能参数的边界值，为评价测量结果提供了参考；通过研究r t c p 协议存 在的不足以及r t c p 扩展协议的思路，我们提出了一种可扩展r t c p 控制框架， 它不但能加速源端响应网络拥塞的速度，而且能降低反馈流量占用的网络带宽； 北京邮电大学申请博士学位论文实时业务服务质量的测量与改善 在研究现有定位影响服务质量关键网段方法的基础上，我们提出了一种网络中影 响实时业务服务质量的问题节点的定位方法，它可以在网络性能下降时定位出问 题节点，为改善配置排除问题打下了基础；在研究广为应用的w f q 调度机制在 调度实时业务时存在问题的基础上提出了一种加速调度算法，它对w f q 进行了 改进，该算法可以加速实时业务的调度，减小实时业务的传输时延以及报文丢失 率，为网络支持实时业务打下了良好的基础；在研究以太网相关技术进步的基础 上，我们提出了以太网上实时业务服务质量保证的策略，并给出了该策略的实现 框架。最后，根据本文的研究与相关文献的研究结果，本文给出了支持实时业务 的网络资源配置的一般性原则。 本章的后续部分首先对测量技术进行了介绍，然后分析了实时业务运行的协 议结构；随后说明了服务质量测量的意义与改善服务质量的思路；最后概述了本 文在这一领域的创新和主要工作以及论文后续部分的组织结构和内容。 1 1 1 测量技术的介绍 测量技术的一种分类方法是按照测量工具是否向被测网络中发送数据进行 划分，分为被动测量和主动测量两种。 被动测量只记录可在观测点观察到的数据，而观测点本身不产生任何数据送 入被测网络中。被动测量是大多数测量工具采用的方法，例如t c p d u m p 和 s n i f f e r p r o 等工具。t c p d u m p 可以将网络中传送的数据包的包头完全截获下来进 行分析。它支持针对网络层、协议、主机和端口的过滤，并提供与、或、非等逻 辑语句实现信息过滤，是目前应用最广泛的软件流量测量工具。s n i f f e r p r o 是一 个功能十分强大的流量测量软件，它能够抓取网络上的所有数据包，可自定义过 滤器，并将收集的数据包分析后转化为图表和报告形式输出，可以很方便地了解 网络状况。这种方式可以有效地获取网络中的流量信息，而不会因为测量动作对 被测网络产生影响。 主动测量则需要发出测量数据包，通过测量数据包在网络中的处理和响应结 果获知网络的流量状态信息。主动测量方式是为了弥补被动测量不能主动探测网 络的动态变化的不足而产生的。主动测量具有响应速度快、适应性强的优点，但 是会增加网络的负载，使用时需要注意测量的频度。主动测量的典型例子是利用 p i n g 工具或者i c m p 报文测量到达某个特定节点的网络时延。 北京邮电大学申请博士学位论文 实时业务服务质量的测量与改善 测量技术另一种分类方法是基于硬件和基于软件来进行划分的。 基于硬件的测量通常采用硬件测量设备，称为分析仪，它是一种为特定目的 设计的用于收集和分析流量数据的硬件设备。基于硬件的流量测量效率很高，专 用性强，但是存在价格昂贵、与网络接口类型和测试目标协议相关、对使用人员 的要求较高的缺点。 基于软件的流量测量一般通过修改安装于主机上的操作系统的网络接口模 块，使之具有捕获数据包的功能，以实现流量信息的收集和分析。基于软件的流 量测量具有价格便宜，实现灵活，可扩展性强的优点，但是其性能要低于基于硬 件的测量技术。 在进行测量时，根据测量的目的以及测量性能的要求我们可以选择不同的测 量技术；但无论采取何种技术进行测量，我们都要注意不要因为测量而对网络本 身的流量与性能产生大的影响，否则将影响测量结果的准确性以及网络的正常运 行。 1 1 2 实时业务运行的协议结构 实时业务数据一般运行在r t p u d p i p ，r t p 利用了简单而快捷的u d p 协议 实现网络传输。由于u d p 协议是一种无连接传输协议，不保证报文传输的正确 性和有序性，也不提供流量控制功能。另一方砸，在多媒体通信中，由于多媒体 数据的特殊性，不宜采用通常的重传纠错机制来提供正确性，而是采用控制传送 带宽方式来减少报文丢失，以满足多媒体应用所需的q o s 。 r t p 通过报头中的序列号、时戳等字段，以及r t c p 报文可提供一种基于无 连接传输协议的端到端控制机制，即： 1 序列号字段可用于对r t p 报文进行排序，消除重复分组，保持视频或音 频流内的同步和连续地播放； 2 时戳字段可以用于实现多种媒体流之间的同步，以保持视频与音频流问 的同步和连续地播放； 3 r t p 协议提供一种基于接收者反馈的网络传输q o s 监测机制，源端可利 用这种机制实施端到端的同步控制，以改善当前网络传输的q o s 。 北京邮电大学申请博士学位论文实时业务服务质量的测量与改善 1 1 3 服务质量测量的意义与改善服务质量的思路 服务质量测量的意义有三：一是通过测量网络提供给实时业务的服务质量， 我们可以判断网络支持实时业务的能力，即网络能提供什么级别的服务质量；我 们也可以根据测量的结果来判断网络提供给实时业务的服务质量是否满足网络 与用户之间达成的服务等级协议s l a ( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ) 1 6 ：二是通过 服务质量测量，我们获知该路径上提供的服务质量的好坏，当某条路径上实时业 务获得的服务质量严重下降时，及时反馈这类信息给网络管理设备，为网络运营 者找出网络中影响实时业务服务质量的问题节点提供线索，这使得改善网络中问 题节点的配置成为可能；三是通过测量网络中各条路径上实时业务获得的服务质 量，我们可以分析比较各条路径上提供的服务质量的优劣程度，然后在有新的实 时业务流需要申请加入时我们可以优先选择提供服务质量最优的路径进行接纳， 这可将测量的结果作为种反馈来影响接纳控制。 改善服务质量的思路分为两个方面：一方面是在以太网技术构成的驻地网或 城域网上保证实时业务的服务质量，相对于广域网而言，以太网上设备的复杂度 与网络拓朴的复杂度都相对比较低，可以说，以太网更易于管理；且随着8 0 2 1 p 机制的提出以及m s t p v l a n 等技术的进步使得在以太网上保证实时业务的服 务质量成为可能。另一方面是在广域网上研究如何更好的支持实时业务，并研究 如何配置网络资源以减小非实时业务对实时业务性能的影响；合理设计r t c p 控 制框架，加速源端响应网络拥塞的速度，避免拥塞的持续发生和服务质量的持续 下降，改善实时业务的服务质量；采取有效手段定位出网络中影响实时业务服务 质量的问题节点，以便及时告知网络管理者采取相应的措施，调整问题节点的配 置，改善实时业务在网络中运行的质量：分析研究现有的队列调度机制在调度实 时业务时是否能满足实时业务的性能要求，如果不能满足，提出改进的队列调度 机制，为在网络中支持实时业务打下基础。 1 t 2 论文研究目标和创新点 本文以在网络上支持实时业务的应用与改善服务质量为目标，从流量识别、 性能测量与评估、实时传输控制、服务质量改善这几个方面开展了研究。本文的 创新与主要工作如下： 北京邮电大学申请博士学位论文实时业务服务质量的测量与改善 ( 1 ) 实时业务流的识别以及业务开展面临问题的研究：首先对h 3 2 3 协议 与s i p 协议进行了介绍，然后在分析这两种协议呼叫建立过程的基础上提出了实 时业务流的识别方法。由于n a t 与防火墙的应用导致实时业务无法顺利开展， 针对该问题我们提出了相应的解决思路。 ( 2 ) 实时业务服务质量的测量与评估：首先提出了影响服务质量的几种关 键网络性能参数的测量与计算方法；然后建立了m o s 值与端到端时延以及等效 报文丢失率之间的函数关系，并利用该函数计算出达到一定服务质量时网络性能 参数可能存在的边界值，这为评估网络支持实时业务的能力提供了参考。为了解 决测量单向时延时遇到的测量设备之间时间不同步的问题，提出了一种算法用来 估计测量设备间存在的时间偏差，利用算法估计的时间偏差来校正测量结果，可 以较准确地测量单向时延：仿真验证了估计算法的准确性。 ( 3 ) 可扩展r t c p 控制框架的研究：首先分析了通过组播方式发送r t c p 报文的不足，并总结了r t c p 扩展协议提出的通过单播方式发送r t c p 报文的优 点，在此基础上提出了适用于特定源端组播( s o u r c es p e c i f i cm u l t i c a s t ) 应用的 r t c p 控制框架。该控制框架支持r t c p 扩展前后两种版本的共存，且在大规模 组播应用中能有效减少反馈流量对网络资源的占用，并能提高源端响应网络拥塞 的速度，为改善实时业务的服务质量打下了基础。 ( 4 ) 网络中问题节点的定位：首先分析了现有的网段定位方法的不足，然 后在分析实时业务流之间时延相关性的基础上提出了一种定位影响实时业务服 务质量的问题节点的方法。本文提出的定位方法部署容易且提高了定位粒度；仿 真证实了这种定位方法的有效性。问题节点的定位为改进网络配置改善实时业务 质量打下了良好的基础。此外我们还分析了导致实时业务服务质量下降的可能原 因。 ( 5 ) 支持实时业务的队列调度机制与网络资源配置原则的研究：首先分析 了广为应用的w f q 调度机制的特点与局限性，然后提出了克服其局限性的方法； 并针对w f q 存在的问题提出了w f q 改进算法，仿真验证了改进算法能显著降 低实时业务经历的报文丢失率与网络传输时延；最后给出了因特网支持实时业务 的网络资源配置的一般性原则，以供网络运营者参考。 ( 6 ) 以太网上实时业务服务质量保证策略的研究：首先分析了以太网上相 北京邮电大学申请博士学位论文实时业务服务质量的测量与改善 关技术的进展，然后提出了以太网上实时业务服务质量保证的策略，并给出了该 策略的实现框架与操作流程。由于该策略采取了实际测量与理论分析结合的方 法，该策略对实时业务的服务质量应该是有保证的。最后通过仿真我们验证了该 策略的有效性。 1 3 论文结构 本文后续部分的内容安排如下： 第二章实时业务流的识别以及业务开展面临问题的研究：首先介绍了支持 实时业务的h 3 2 3 协议与s i p 协议，并对实时业务开展产生影响的应用，如n a t 与防火墙进行了介绍；在此基础上分别提出了h 3 2 3 系统下与s i p 系统下实时业 务流识别的方案。最后具体分析了n a t 与防火墙应用对实时业务的影响，并提 出了相应的解决思路。 第三章实时业务服务质量的测量与评估：首先介绍了网络测量的基本准则 与测量结果的评估方法；然后给出了影响实时业务服务质量的网络性能参数的测 量模型，这些网络性能参数包括网络传输时延、时延抖动以及报文丢失率。在此 基础上引出了测量网络传输时延时存在的问题，即测量设备之间的时间不同步的 问题，并对现有几种校正方法进行了总结与比较。然后本文提出了一种时间偏差 估计算法，并通过仿真验证了时间偏差估计算法的有效性。最后本文以m o s 值 为评价准则，给出了端到端时延、等效报文丢失率与m o s 值的函数关系，并计 算出了一定服务质量要求下对应的网络性能参数的边界值。 第四章可扩展r t c p 控制框架的研究：首先分别介绍了r t p r t c p 协议以 及r t c p 扩展协议，然后分析了现有的r t c p 控制框架存在的不足，在此基础上 提出了可扩展r t c p 控制框架。本文对可扩展r t c p 控制框架与现有的r t c p 控 制框架在反馈流量占用的网络资源以及源端获知网络拥塞信息的及时性这两方 面进行了比较；并通过仿真比较了两种框架下源端响应网络拥塞的速度。仿真结 果也验证了源端在网络发生拥塞时及时调整发送速率的确改善了实时业务在报 文丢失率、网络传输时延这两方面的性能。 第五章网络中影响实时业务服务质量的问题节点的定位及其原因分析：首 先介绍了定位网络中影响实时业务服务质量的问题节点的必要性，然后介绍了两 北京邮电大学申请博士学位论文实时业务服务质量的测量与改善 种现有定位影响服务质量的关键网段的方法，并指出了它们的不足：在此基础上 提出了问题节点的定位方法，最后通过仿真验证了定位方法的有效性。此外我们 还分析了导致实时业务服务质量下降的可能原因。 第六章实时业务服务质量的支持与保证策略的研究：首先概述了网络q o s 技术的现状，并对几种支持q o s 的队列调度机制进行了比较，然后分析了网络 支持实时业务面临的问题。文章分析了w f q 调度机制在支持实时业务时存在的 问题，并对现有解决方法的不足进行了说明，在此基础上提出了加速调度算法， 并通过仿真验证了它的性能；随后我们提出了以太网上实时业务服务质量保证的 策略与其实现结构，并通过仿真验证了该策略的有效性；最后，我们给出了支持 实时业务的网络资源配置的一般性原则。 第七章本文总结与展望：对本文所做的工作进行了简要的总结，并对未来 的研究作了展望。 北京邮电大学申请博士学位论文实时业务服务质量的测量与改善 第二章实时业务流的识别与业务开展面临问题的研究 2 1 概述 目前支持实时业务的协议很多，主要是h 3 2 3 协议 2 1 和s i p 协议f 3 0h 3 2 3 协议是为基于分组交换网络上的视频会议制定的通信标准，为适应口电话，h 3 2 3 进行了适当改进。由于h 3 2 3 协议复杂而严格，产品之间不存在兼容问题。与 h 3 2 3 协议相比，我们认为s 口协议需要相对智能的终端：即终端需要包含用户 代理客户机u a c 和用户代理服务器u a s 两部分，由这两部分实现呼叫请求、呼 叫应答和用户的一些特定需要。从应用的广泛性而言，h 3 2 3 协议是目前的主流 协议。为了监测实时业务流的服务质量，我们首先需要识别各种协议支持的实时 业务流。实时业务流的识别可以方便我们统计实时业务的流量，并为实时业务服 务质量的测量与监控打下基础。为了方便陈述，我们将依靠h 3 2 3 协议支持的实 时业务流简称为h 3 2 3 流，将依靠s i p 协议支持的实时业务流简称为s i p 流。我 们将给出h 3 2 3 与s i p 这两种协议框架下实时业务流的识别方案。 为了内部数据的保密和内部网络的安全，许多企业网都是通过防火墙连接到 外部的因特网。出于正常应用的需要和安全方面的考虑，防火墙 4 】一般只允许 常用的f t p 、h t t p 、t e l n e t 以及s m t p 等协议类型的业务通过，而对别的协 议类型和端口号实行了禁闭。由于h 3 2 3 协议与s i p 协议对使用的t c p 端口、 u d p 端口有一定的要求，因此要在防火墙存在的环境里开展实时业务，则需要 合理配置防火墙以允许这些端口的流量通过。此外，h 3 2 3 系统中需要使用组播 5 ，因此也要求防火墙对这些组播地址的流量予以“放行”，否则内部网络与外 部网络之间不可能进行实时业务通信。本章总结了h 3 2 3 协议与s i p 协议使用的 协议类型及其端口，分析了因防火墙的存在给实时业务应用带来的问题，并提出 了相应的解决思路。 此外，n a t 应用 6 将导致s i p 系统框架下实时业务流完成不了n 目an q 建立的过 程，这将导致s i p 支持的实时业务无法在n a t 环境下开展，本文将就此问题进 行分析，并总结比较了多种解决方案。 本章的章节安排如下：2 1 1 节对h 3 2 3 与s i p 协议进行了介绍与比较；2 1 - 2 北京邮电大学申请博士学位论文 实时业务服务质量的测量与改善 节对防火墙与n a t 技术进行了概述；2 _ 2 节分别介绍了h 3 2 3 与s i p 系统下实时 业务流的识别方法；2 3 1 节介绍了防火墙对开展实时业务的影响与应对策略： 2 3 ，2 节介绍了n a t 对开展实时业务的影响与应对策略；2 4 节对本章进行了总 结。 2 1 1 支持实时业务的协议概述 支持实时业务的协议主要有h 3 2 3 与s i p 协议，下面我们将分别介绍。 2 1 1 1h 3 2 3 协议介绍 h 3 2 3 协议是一个国际电信联盟( i i u ) 标准，它产生于1 9 9 6 年，并于1 9 9 8 年进行了更新。它为基于分组的网络上的音频、视频和数据通信打下了基础。 h 3 2 3 提供了话音编码、简单的带宽管理、许可控制、地址转换、呼叫控制和管 理等标准。h 3 2 3 定义的四个主要部件构筑了一个通信系统，这四个部件是：终 端( t e r m i n a l ) 、网关( g a t e w a y ) 、网守( g a t e k e e p e r ) 以及多点控制单元( m c u ) 。 h 3 2 3 信令的协议结构如图2 1 所示。 呼叫控制 通道 呼叫信令 通道r a s 通道音频视频 h 2 4 5h2 2 5r t p t c pu d p i p 底层传输技术 图2 - 1h 3 23 信令的协议结构 终端需要支持下面3 项功能：支持信令和控制，具体为支持h 2 4 5 协议( 有 关通道使用和通道能力协商的协议) 7 1 干dh 2 2 5 协议( 一个类似于q 9 3 1 的呼叫 信令收发和建立协议) 1 8 以及r a s ( 定义在h 2 2 5 协议里用于终端与网守之间通 信的协议) ；支持实时通信，即支持r t p r t c p ( 实时传输协议实时传输控制协 北京邮电大学申请博士学位论文 实时业务服务质量的测量与改善 议，用于传输实时业务与反馈实时业务服务质量的信息) ：支持编解码，即在传 输前进行编码，接收后进行解码。为了支持各个设备之间的互操作性，每个h 3 2 3 终端需支持q 7 1 1 编码方式9 1 ，而其它的编码方式则是可选的。 网关介于报文交换网络和电路交换网络( s c n ，s w i t c h c i r c u i t n e t w o r k ) 之间， 它在二者之间建立一种协议映射与连接映射的关系。 网守在h 3 2 3 系统中是可选的，但如果出现，它就具有一些强制性的功能， 网守完成地址翻译、接纳控制、带宽控制、域管理4 个必须的功能。当一个h 3 2 3 系统中有网守时，所有类型的端用户在建立一次呼叫之前都需要登录到网守并获 得它的许可。 多点控制单元( m c u ) 支持3 个或3 个以上的端用户进行会话。典型的m c u 包括一个多点控制器( m c ) 和若干个多点处理器( m p ) 。m c 提供控制功能， 如终端之间协商采取何种话音或视频编码来进行通信。m p 完成会话中的媒体流 的处理，如话音的混合、话音视频的交换。 下面将介绍h 3 2 3 协议建立会话的流程。 h 3 2 3 协议提出了通道( c h a n n e l ) 的概念，通道的本质是一个传输层的连接。 本文通过介绍h 3 2 3 的四个通道的先后建立来描述h 3 2 3 协议建立会话的流程， 这四个通道分别是：r a s 通道、呼叫信令通道、h 2 4 5 控制通道以及媒体的逻辑 通道。 r a s 通道：终端用户通过r a s 通道登录到网守( g a t e k e e p e r ) ，并请求网守 允许它发起呼叫请求。如果该请求获得同意，则网守回送一个传输地址( 含被叫 方的p 地址和端口号) 用于终端建立与被叫方的呼叫信令通道。 呼叫信令通道：该通道承载呼叫的相关信息，这个通道采用h 2 2 5 协议，当 呼叫建立好后， l 2 4 5 控制通道需要使用的端口号将在本通道内进行协商。 h 2 4 5 控制通道：这个通道承载h 2 4 5 协议的信息，该信息用于对媒体的逻 辑信道使用的参数进行协商。在参与呼叫的各方完成能力协商之后，通过本通道 协商媒体的逻辑通道所使用的端口号。若只传送音频或视频，则需要协商四个端 口号；如果同时传送音频和视频，则需要协商八个端口号。 媒体的逻辑通道：这个通道承载话音、视频信息。每一个媒体类型承载在一 对通道上，即每一个媒体类型有自己的r t p 通道和r t c p 反馈通道。 北京邮电大学申请博士学位论文 实时业务服务质量的测量与教善 h 3 2 3 规定h 2 4 5 控制通道、呼叫信令通道承载在可靠的传输协议t c p 上 而r a s 通道和媒体的逻辑通道承载在不可靠传输协议u d p 上。 2 1 1 2s l p 协议介绍 s i p ( s e s s i o n i n i t i a t i o n p r o t o c o l l 协议是由i e t f 的m m u s i c ( m u l t i p a r t y m u l t i m e d i as e s s i o nc o n t r 0 1 ) _ t _ 作组于19 9 7 年7 月提出的，是应用层的控制协议， 能建立、调整和终止多媒体的呼叫和会话。s i p 于1 9 9 9 年成为i e t f 的标准，即 r f c 2 5 4 3 。2 0 0 2 年i e t f 提出了r f c 3 2 6 1 建议 3 】，以取代r f c 2 5 4 3 。s i p 系统主 要由用户代理u a ( u s e r a g e n t ) 和s i p 服务器两个部件组成，下面分别介绍。 用户代理u a ：它是s i p 系统中的端用户，是一个智能部件，根据它在会话 中扮演的角色又可分为用户代理客户机u a c ( u s e ra g e n tc l i e n t ) 和用户代理服务 器u a s ( u s e r a g e n ts e r v e r ) ，前者用于发起呼叫请求，后者用于响应呼叫请求。 s i p 服务器：它的主要功能是完成名字解析和用户定位。s i p 服务器分为以 下3 类。 1 代理服务器( p r o x ys e r v e r ) 。具有名字解析的能力，能够代理用户向下一 跳服务器发出呼叫请求。 2 重定向服务器( r e d i r e c ts e r v e r ) 。在获得了下一跳的地址后，立刻告诉用 户，- 止该用户直接向下一跳地址发出请求而自己则退出对这个呼叫的控制，访问 这样的服务器就像访问一个有地址对应关系的数据库一样。 3 登记服务器( r e g i s t e rs e r v e r ) 。用来完成对u a s 的登录注册，在s i p 系 统中，所有u a s 都要在某个登录服务器中注册，以便u a c 能通过服务器找到它 们并获得它们的d 地址。 另外，在实际的s i p 系统中，定位服务器( l o c a t i o ns e r v e r ) 也是需要的， 它可以把各个登录服务器的内容汇总起来，便于s i p 服务器查找。它可以作为一 个全局的数据库，作用就像d n s ，它的访问和接入可以是非s i p 的。但由于s i p 仅能实现用户寻址和用户定位，所以s i p 还需要s d p ( s e s s i o nd e s c r i p t i o n p r o t o c 0 1 ) 协议1 0 1 或类似功能的协议来配合实现对会话的描述，从而实现对会话 参数的协商。协商的内容包括：媒体的类型以及媒体需要使用的编解码器的类型。 s i p 协议支持的呼叫的流程如下： 北京邮电大学申请博士学位论文 实时业务服务质量的测量与改善 ( 1 ) u a c 向网络服务器( p r o x y 或r e d i r e c ts e r v e r ) 发出呼叫请求i ( 2 ) 网络服务器( p r o x y 或r e d i r e c ts e r v e r ) 通过名字查找，用户定位，最终 找到被叫u a s ； ( 3 ) 被叫u a s 响应用户请求( 拒绝或接受呼叫请求) ，该响应沿原路返回： ( 4 ) 主叫u a c 收到响应后，接通被叫或者终止这次呼叫请求。 2 1 1 3h 3 2 3 与s i p 协议的异同点比较 首先可以进行类比的是，s i p 系统中的u a 相当于h 3 2 3 系统中的终端，s i p 系统中的服务器相当于h 3 2 3 系统中的网守。另外，s i p 协议本身类似于h 3 2 3 系统中的r a s 和h 2 2 5 协议，而s i p 需要结合使用的s d p 协议则相当于h 2 4 5 协议。这两种协议主要的区别在于呼叫信令和控制的过程不一样。这是由于h 3 2 3 和s i p 分别是由电信领域与网络通信领域两大阵营推出的建议，它们在风格上有 很大的差异。h 3 2 3 企图把p 电话当作是众所周知的传统电话，只是传输方式从 电路交换变成了分组交换。而s i p 协议侧重于将口电话作为i n t e m e t 上的一个应 用。总之，s i p 协议借鉴了其它i n t e m e t 标准和协议的设计思想，在风格上遵循 i n t e m e t 一贯坚持的简练、开放、兼容、可扩展性等原则，协议比较简单，但由 于推出时间不长，协议并不是很成熟。h 3 2 3 沿用的是传统的实现电话信令的模 式，比较成熟，已经出现了不少h 3 2 3 产品：h 3 2 3 协议符合电信领域传统的设 计思想，进行集中、层次控制，采用h 3 2 3 协议便于与传统的电话网相连。目前 口标准研究组圆满完成了p 电话传真业务总体技术要求的制定工作，经信 息产业部批准，现已正式颁布发行。口电话传真业务总体技术要求对p 电 话业务给出了全面而详细的规定，它是