（计算机应用技术专业论文）supanet多粒度服务质量协商协议研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 电视网、电话网和传统计算机网络合并为一个数字化、分组化的集成网 络已经成为不可阻挡的趋势，密集波分复用技术为“三网合一”提供了高速 通信条件，而现有的i n t e m e t 所提供的服务难以对未来不同服务质量的应用 数据流提供质量保障，在这种背景下，作者所在的实验室提出了单物理层用 户数据交换平台体系结构( s u p a s i n g l ep h y s i c a ll a y e ru s e r - d a t as w i t c h i n g p l a t f o r m a r c h i t e c t u r e ) 。该全新的网络体系结构，利用带外信令控制技术，将 服务质量保障体系的协议层次降低到物理层，并简化用户数据传输平台为单 层平台。 服务质量保证协商协议( q o s n p q o sn e g o t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 是 s u p a n e t 服务质量保障体系中的第一个环节，因此完善q o s n p 协议，使之 有更优的保证服务质量的能力将具有很强的研究意义。本论文研究的主题即 是单物理层用户数据交换平台体系结构( s a ) 的服务质量协商，其重点 是进一步改进q o s n p 协议，细化其功能，使其能够针对不同业务需求采用 不同的协商操作，具有防止环路发生和动态调整配额的功能。同时，早期的 ：q o s n p 协议在对组播的支持上并没有进行深入的研究，因此，本论文在改进 q o s n p 协议的同时，增加了新的操作来支持组播应用。 本论文所提出的多粒度q o s n p 协议增加了三个新的操作叫e w 操作、 a d d 操作和d e c 操作。n e w 操作增加了环路防止机制，在有环网络拓扑结构 下达到有效防止环路的作用；a d d 操作使用户可以根据需要在原来的虚连接 上动态的增加配额，提高服务质量；d e c 操作与a d d 操作相对，可以使用户 降低某条虚连接上的服务质量。通过完善q o s n p 协议，以期能更有效的协 商连接和更高效的利用网络资源。并且对可能出现的异常情况进行了分析， 给出了可参考的解决方案。 本论文在分析了s u p a 现有的协商方式后，针对组播的特点，提出了逆 向资源预留协商方式。m q o s n p 协议增加了三个新的操作来支持组播。端系 统通过u s i ( o s e r - n e t w o r ki n t e r f a c e ) 接口传递组成员关系管理的消息，中继系 统通过n n i f n e t w o r k - n e t w o r ki n t e r f a c e ) 接口传递组播树的嫁接和剪枝消息。 然后对相应的机制进行了详细的讨论和说明。 在进行理论研究的同时，本文利用o p n e t 网络仿真软件对多粒度 q o s n p 协议中所提出的机制进行了仿真实验。建立了两个简化的s u p a 网络 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 拓扑结构，一个针对单播应用，一个针对组播应用。通过对仿真结果的比较 和分析，验证了作者所提出的机制的可行性和有效性。 关键词：单物理层用户数据交换平台体系结构；面向以太网的物理帧时槽交 换技术；服务质量协商协议；组播；资源预留 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 a bs t r a c t ni sa ni r r e s i s t i b l et r e n dt h a tt e l e v i s i o nn e t w o r k , t e l e p h o n en e t w o r ka n d c o m p u t e rn e t w o r km e r g ei n t o a l li n t e g r a t e do n e h o w e v e r , e x i s t i n gn e t w o r k a r c h i t e c t u r e sa r eh a r dt os u p p l yq o sp r o v i s i o n i n gf o rd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s s u p a n e t ( s i n g l ep h y s i c a ll a y e ru s e r - d a t as w i t c h i n gp l a t f o r ma r c h i t e c t u r e n e t w o r k ) ，i n t r o d u c e db ys i c h u a nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n , k e yl a b o r a t o r y ( s c - n e t c o ml a b ) ，s i m p l i f i e st h eu s e r - d a t at r a n s f e rp l a t f o r m ( u - p l a t f o r m ) i n t oa s i n g l ep h y s i c a ll a y e ra n de m b e dq o sm e c h a n i s m si n t 0i t i nt h i sw a y , s u p a n e t c a ne f f i c i e n t l yp r o v i d et h eq o sr e q u i r e db yd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s q o s n p i sa ni m p o r t a n tp a r ti ns u p a n e t , w h i c hn e g o t i a t e do n e v i r t u a ll i n e a n do b l i g a t e dt h eq u o t at om e e tt h eq o sp r o v i s i o n i n gf o rd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s i t i sv e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v ea n dp e r f e c tt h eq o s n pt om a k ei tm o r ec a p a b l e w h e np r o v i d i n gt h eq o s t h i st h e s i sf o c u s e so np e r f e c tt h e q o s n p , m a k i n gi th a s m o r ef u n c t i o n s t h eu s e rc a nu s ed i f f e r e n tf u n c t i o n sf o r ，d i f f e r e n tn e e d s m u l t i - g r a n u l a r i t yq o s n pi st h em a j o rc o n s i d e r a t i o ni nt h i st h e s i s i tr e s o l v e st h e l o o pp r o b l e m ，d y n a m i c a l l ya d j u s tq u o t ai s s u e ，a n ds u p p o r tt h em u l t i c a s tw h i c hi s n o ti n - d e p t hc o n s i d e r e di nt h ee a r l yv e r s i o no fq o s n p t h e r ea r et h r e en e wo p e r a t i o n si nm u l t i - g r a n u l a r i t yq o s n p ( m q o s n p ) ， n e w , a d da n dd e c t h en e wo p e r a t i o nw h i c hi n t r o d u c e san e ws c h e m ef o r a v o i d i n gl o o pi st or e s o l v et h el o o pp r o b l e mi nac y c l i cn e t w o r kt o p o l o g y t h e a d do p e r a t i o nc a ni n c r e a s et h eq u o t ao fo n ev i r t u a ll i n ea n di m p r o v et h eq o s a c c o r d i n gt ou s e r n e e d s t h ed e co p e r a t i o ni so p p o s f f et oa d do p e r a t i o nw h i c h c a nd e c r e a s et h eq u o t ao fo n ev i r t u a ll i n ea c c o r d i n gt ou s e r m e e d s m q o s n p c a nm a k ev i r t u a ll i n en e g o t i a t i o na n dn e t w o r kr e s o u r c eu s a g em o r ee f f e c t i v e m e a n w h i l e ，t h et h e s i sa n a l y z e st h ep o t e n t i a le x c e p t i o n sa n dp r o v i d e st h er e l a t i v e o p t i o n a ls o l u t i o n s t h i st h e s i sr a i s e san e wq o sn e g o t i a t i o nm a n n e r , r e v e r s es i n g l e - d i r e c t i o n n e g o t i a t i o n ( r s d n ) ，a f t e ra n a l y z e dt h es p e c i a l f e a t u r ei nt h em u l t i c a s t a p p l i c a t i o n s b e s i d e s ，t h r e en e wo p e r a t i o n sa r ea d d e di nm q o s n p t os u p p o r tt h e e n d - s y s t e mg r o u pm e m b e r s h i pm a n a g e m e n ta tu n i ( u s e r - n e t w o r ki n t e r f a c e ) a n di n t e r m e d i a t e d - s y s t e mm e m b e r sj o i n i n go rp r u n i n gi nm u l t i c a s tt r e e sa tn n i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1v 页 ( n e t w o r k - n e t w o r ki n t e r f a c e ) f i n a l l y , m q o s n pi sc a r r i e do u tt o , v a l i d a t ei t sf e a s i b i l i t ya n dc a p a b i l i t yb y m e a n so fo p n e tm o d e l e r 州t ht w ot o p o l o g yn e t w o r ke n v i r o n m e m s ，o n ef o rt h e u n i c a s ta n dt h eo t h e rf o r t h em u l t i c a s t k e yw o r d ：s i n g l ep h y s i c a ll a y e ru s e r - d a t as w i t c h i n gp l a t f o r ma r c h i t e c t u r e ( s u p a ) ；e t h e m e t - o r i e n t e dp h y s i c a lf r a m et i m e s l o ts w i t c h i n g ( e p f t s ) ；q o s n e g o t i a t i o np r o t o c o l ( q o s n p ) ；m u l t i c a s t ；r e s o u r c er e s e r v a t i o n 西南交通大学曲南父迥大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； r 2 不保密呵，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名： 日期： 伽l 5 i 指制雠：留罕 日期：妒7 易7 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 对s u p a 消息通用格式进行了改进，使s u p a 消息通用格式具有了可 扩展性； 2 在环路防止方面，多粒度q o s n p 协议优化了n e w 操作，在有环网 络拓扑结构下达到有效防止环路的作用：在动态调整配额方面，多 粒度q o s n p 协议增加了a d d 操作和d e c 操作。a d d 操作使用户可 以根据需要在原来的虚连接上动态的增加配额，提高服务质量；d e c 操作与a d d 操作相对，可以使用户降低某条虚连接上的服务质量： 3 在对组播支持方面，多粒度q o s n p 协议同样增加了三个新的操作， 利用h e l l o ，j o i n 和p r u n e 消息，端系统通过u n i ( u s e t - n e t w o r k i n t e r f a c e ) 接口传递组成员关系管理的消息，中继系统通过 n n i ( n e t w o r k - n e t w o r ki n t e r f a c e ) 接口传递组播树的嫁接和剪枝消 息。 撕 c 占7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章。绪论 1 1 本课题的研究背景和研究对象 人类跨入“信息时代 后，越来越认识到信息的重要性。信息 在人类的日常生活中也扮演着极其重要的角色。随着经济和技术的 发展，网络正在朝着数据、图形、图像、音频、视频等多媒体技术 综合运用的方向不断发展。而传统的电信网、有线电视网和计算机 网在建设之初均是面向特定业务的，电信网面向语音，电视网面向 视频，计算机网面向数据。由于各网间不能互通，用户不得不向三 个服务提供商分别付费，才能获得所需的各类业务。三网的分离， 一方面造成了重复投资和网络资源的浪费，另一方面造成用户在享 受各类业务时所付出的费用较高。因此，人们对“三网合一的呼 声越来越高。 i n t e r n e t 技术的发展已经经历了3 0 多年的漫长历史，在这3 0 多 年中，i n t e m e t 凭借其技术更新快、成本低和拥有可被三大网共同接 受的通信协议一一t c p i p 协议，已经在逐渐吸收和融合公众电话 和图像业务。d w d m 技术的应用使单根光纤上的数据传输速率达到 了t b p s ( 1 0 1 2 b p s ) 数量级【2 1 ，为多媒体业务的数据传输提供了足够的 带宽保证。 但是i n t e r n e t 提供的“尽其所能( b e s te f f o r t ) 型服务，缺乏相 应的服务质量保障机制使之难以保证语音、视频等多媒体业务的服 务质量。虽然在过去的l0 年中业界提出了诸多应用在i n t e r n e t 上的 服务质量保障技术，但是，服务质量本质上是对物理层传输质量的 度量【3 1 。而所提出的这些技术没有涉及到物理层的相关技术和机制 来保障服务质量，因此这些服务质量保障技术总体收效甚微。 针对现有i n t e m e t 体系结构不能满足“三网合一 网络的高速传 输、交换和服务质量保证的现状，四川省网络通信技术重点实验室 提出了一种全新的网络体系结构一一单物理层用户数据交换平台体 系结构( s u p a s i n g l ep h y s i c a ll a y e ru s e r - d a t as w i t c h i n gp l a t f o r m 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 a r c h i t e c t u r e ) 4 】5 】【6 】f 7 】f 8 1 。该全新的网络体系结构利用带外信令控制技 术，将控制、管理平台( s & m p l a t f o r m ) 与用户数据传输平台 ( u p l a t f o r m ) 相分离，进而将u 平台简化为单物理层平台。从物理 层出发，将服务质量保障机制嵌入该平台之中，直接保障用户数据 交换的服务质量。 物理层提供服务质量保障机制的同时，信控、管理平台也有一 系列服务质量保障措施和策略。其中，服务质量协商协议( q o s n p ) 【9 】 即是信控、管理平台服务质量保障体系中的一个环节。q o s n p 协议 的完善、完备性对服务质量的保障有很大的影响。从这点出发，作 者深入考虑了对q o s n p 协议的改进和扩展，使之有更强大的功能。 这就是本论文的研究对象一一多粒度服务质量协商协议( m q o s n p ) 。 1 2s u p a 体系结构 1 2 1s u p a 的协议层次模型和接口 s u p a 利用带外信令控制技术将u 平台和s & m 平台分离。图1 1 显示的是s u p a 的协议层次结构及接口图。s u p a n e t 是以作为骨干 网络为目的进行研究的，而现在应用了d w d m 技术的光纤网成为了 骨干传输网的主流，因此从图1 1 下半部分可以看出，d w d m 子层 是s u p a n e t 的u 平台组成部分之一。面向以太网物理帧交换子层 ( e p f s - - e t h e r n e t o r i e n t e dp h y s i c a lf r a m es w i t c h i n gs u bl a y e r ) 是u 平台的另一组成部分，它利用面向以太网物理帧时槽交换( e p f t s - - e t h e r n e t o r i e n t e dp h y s i c a lf r a m et i m e s l o ts w i t c h i n g ) l lu j 技术完成 端口间数据的高速转接。用户平台的s u p a 中间系统间的互联将通 过“网络一网络接口 ( n n i i j d ) 来完成；而s u p a 端系统与s u p a 中间系统的互联，则通过“用户一网络接口 ( u n i u d ) 来完成】。 图1 1 上半部分描述了s u p a 信控、管理平台结构。本论文所研 究的多粒度q o s n p 协议即工作于该平台。s u p a 端系统发起协商请 求时，将调用s & m 平台相应的多粒度q o s n p 协议操作，在端系统 和中间系统之间通过逐跳的方式沿途预留网络资源。鉴于9 5 以上 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 的计算机系统和用户域网络使用以太网【3 1 ，s u p a 的s & m 平台保留 了i n t e m e t 协议栈，这样有利于与i n t e r n e t 的互连，也保护了以往的 众多投资【12 1 。当信控、管理平台的中间系统互联时，通过“网络一 网络接口 ( n n i s m ) 来完成，而s u p a 端系统与s u p a 中间系统互 联时，则通过“用户一网络接e l ( u n i s m ) 来完成【1 1 1 。 、一7 u n i 伽( 用户数据传输平台的用户一网络接口)n n i t m ( 用户数墀传输平 台的网络一网络接口) 图1 1s u p a 的协议层次结构及接口 s u p a n e t 可以工作于两种模式：缺省i n t e r n e t 模式和s u p a 模 式。当工作于s u p a 模式时，s & m 平台的相关协议处于活跃状态。 当工作于缺省i n t e m e t 模式时，接口将按带内信令方式工作，所提供 的服务也就退化为传统的i n t e r n e t 服务。 1 2 2 “面向以太网帧物理帧时槽交换 ( e p f t s ) 技术 “面向以太网的物理帧时槽交换技术 ( e p f t s ) 是为了解决 s u p a 中u 平台数据高速、高效交换的问题而提出的【13 1 。；e p f t s 利 用路径交换表中存放的超前交换信息能够快速的组帧，利用e p f 帧 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 头的超前信息能够高速的转发数据。定长物理帧、异步交换和提供 面向连接的虚线路服务是e p f t s 的三个基本特征1 4 1 。 e p f s 是u 平台的一个功能子层，而其承载对象即是e p f 帧。 e p f 帧是用户数据载体本身，具有协议数据单元( p d u ) 的特征，因而 必须定义其格式。其格式如图1 - 2 所示。 嚣季紧十口锵段十唧的载荷搬 7 个字节前导+ 1 个字节帧界 支持组播的e p f 头 ( 1 6 个字节) 以太网m a c 帧( 2 0 0 0 字节) 1 5 1 8 ，1 5 2 2 或2 0 0 0 字节 2 字节 s p i ( s e c = 1 ) 。i = i t ) l 。粢， 图1 - 2e p f 帧格式 e p f 帧主要由三部分组成： e p f 头前导、e p f 头字段和e p f 载 荷字段。e p f 头字段共1 6 个字节，其中1 2 个字节的超前交换字段， 用于超前交换技术。控制字段共2 个字节，其中的字段或单独使用 或联合使用用于表示不同意义的控制信息。s p i 为扩展字段，占用2 个字节。当s e c 被置“1 时，该字段被填入相应的值，用于标识安 全参数索引。超前交换字段的具体含义将在2 4 节中介绍。 1 3 本课题的研究意义 s u p a n e t 具有一整套的服务质量保障体系，主要包括以下两个 部分：信控、管理平面的保障机制和用户平面的交换机制。本论文 所研究的多粒度q o s n p 协议即是在信控、管理平面的服务质量保障 机制。 本实验室在q o s n p 协议上已经做了大量的研究工作，并且已初 步制定出q o s n p 协议文本和协商流程。；q o s n p 是s u p a n e t 的服务 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 质量保障体系中的一个重要环节，因此完善q o s n p 协议，使之有更 强的保障服务质量的能力将具有很强的研究意义。早期研究的 q o s n p 协议为每个到来的数据流都建立一个虚连接，在动态调整虚 连接配额和组播方面尚未做出详细的研究，其适用的场景也是无环 的网络拓扑下。为完善q o s n p 协议，作者将着重在以下几个方面改 进现有的、q o s n p 协议： 1 为了使q o s n p 协议的消息不仅仅局限于新建虚连接，能够 具有多种操作来满足用户不同的需求，并且具备可扩展性。 本文对s u p a 消息通用格式进行改进来迎合这种需求。 2 优化t q o s n p 协议的新建虚连接消息，增加环路防止机制， 使之能够在有环的网络拓扑结构下有效的工作。 3 增加新的操作，使用户有能够动态的调整虚连接的服务质量 的机会。 4 扩展q o s n p 协议，使之同样具有为组播业务提供服务质量 保障的能力。 1 4 本论文的组织安排 本文主要是对单物理层用户数据交换平台体系结构的服务质量 协商协议的研究。针对s u p a n e t 中各种不同的用户需求，提出了多 粒度服务质量协商方式，并以各个操作为顺序详细分析和描述了不 同操作的处理过程。 第二章主要介绍了服务质量保障和组播相关技术，分别对现有 的服务质量保障技术、典型的组播技术和s u p a n e t 服务质量保障技 术、组播交换机制进行了介绍。 第三章是本文的核心章节，以s u p a n e t 现有的q o s n p 协议为 基础进行了改进和扩展，配合多粒度q o s n p 协议所细化的功能，使 服务质量保障协议具有了在有环的网络拓扑结构下的环路检查与环 路拆除和用户根据需求动态调整虚连接配额的功能。着重对多粒度 q o s n p 协议的各个操作进行了详细的分析和描述。 第四章讨论了多粒度q o s n p 协议对组播的支持，在第三章的基 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 础上继续扩展多粒度q o s n p 协议的操作，详细介绍了增加的三个操 作来支持组播组成员关系管理和组播资源预留和回收。同时提出了 一个新的协商方式一一逆向资源预留协商方式( r s d n ) ，来满足只 需建立反向虚连接的网络需求。 第五章使用o p n e tm o d e l e r 建立了用于可行性验证的网络仿真 模型。建立了两个简化的s u p a 网络拓扑结构，一个针对单播应用， 一个针对组播应用。收集了s u p a 节点在协商过程中的资源预留情 况，以验证了作者所提也的机制的可行性和有效性。 最后是全文总结。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章服务质量保障及组播的典型技术介绍 2 1 服务质量保障技术介绍 2 1 1i n t e r n e t 网络的q o s 保障体系 q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 即服务质量，在r f c 2 3 8 6 ”】中描述为： “q o s 是网络在传输数据流时要求满足的一系列服务请求，具体可 以量化为带宽、延迟、延迟抖动、丢失率、吞吐量等性能指标。”q o s 反映了网络元素( 主机或路由器等) 在保证信息传输和满足服务要 求方面的能力【l6 | 。它不是一个局部的概念，而是强调端到端或网络 边界到边界的整体性。i p 网络的服务质量，又称为i pq o s 是指i p 数据通过网络时的性能【1 7 】。早期的i p 网络无区别的对待所有的分 组，它依照分组到达时间的先后顺序提供转发服务，所有用户的分 组共同分享网络的带宽资源，而分组实际得到资源的多少则完全取 决于分组到达的时机。这种服务策略被称为尽力而为的服务【l 引，它 不对q o s 作出任何的承诺和保障。但随着网络的发展和“三网合一” 的要求，对网络的服务能力提出了更高的要求，如：电视会议，视 频点播等要求高带宽、低时延和低时延抖动的质量保证。所以提出 了i pq o s ，它主要有两种体系结构：综合服务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ， i n t s e r v ) t ”j 和区分服务( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ，d i f f s e r v ) 2 0 j 。 2 1 1 1 综合服务体系结构模型i n t s e r v 数据通讯网发展至今经历过电路交换网和数据报网络。综合服 务模型是i e t f 针对q o s 问题最早提出来的一种解决方法。它融合 了电路交换网和数据报网络的优点。一方面，电路交换网提供端到 端的连接，通过资源预留来保证特定的业务等级，但是资源利用率 很低。另一方面，数据报网络可以达到最大化的网络利用率，并能 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 够根据网络的动态变化自适应的提供多点通信和业务健壮性，但是 无法保证特定的业务等级【2 1 1 。 i n t s e r v 实现了一种资源预留的- q o s 机制。它引入了r s v p 资源 预留协议【2 2 1 ，利用r s v p 信令协议建立起一条从源到目的地之间的 数据传输通道，并在该通道上的各个节点进行资源预留。并且r s v p 周期性的重传p a t h 和r e s v 消息使之能够对网络拓扑的变化做出 反应。该模型中定义了三种服务类型：质量保证型服务、可控负载 型服务和尽力而为型服务【2 5 1 。 但i n t s e r v 可扩展性差一一需要为每个数据流都维护一个状态信 息；对路由器的要求过高一一网络中的所有路由器都必须支持r s v p 信令等缺点【2 川，不适用于骨干网，只适用与网络规模较小、业务质 量要求较高的边缘网络。 2 1 1 2 区分服务体系结构模型d i f f s e r v 为了弥补i n t s e r v 扩展性差的缺点，i e t f 提出了相对功能较强 的d i f f s e r v 体系结构。它通过两种方式来提供，q o s 。1 汇聚，路由 器把q o s 需求相近的业务流看成一个大类，这样，不为单个数据流 而是为一类数据流统一的提供服务质量保障服务；2 p h b ，每个p h b 对应一种转发方式或q o s 要求。d i f f s e r v 提出了d i f f s e r v 域的概念。 一个d i f f s e r v 域由一些相连的d s 节点构成，他们遵循统一的服务提 供策略并实现一致的p h b 组【l6 1 。业务的分类由特定的d s 域决定， 而d s 域又被映射到p h b 中，这样将q o s 限制在了不同的域内加以 实现。d i f f s e r v 中也定义了三种业务类型：快速转发，保证转发和尽 力而为业务【z 4 。 d i f f s e r v 模型不对分组的传送路径进行选择、没有引入端到端的 带宽预留，因此无法提供绝对有保证的q o s 。但是与传统i n t e r n e t 的尽其所能的服务相比，在服务质量的保障上有所改善。它将复杂 的资源预留的主要功能推向边界路由器，对路由器的要求比i n t s e r v 低，可扩展性好。对服务质量要求不严格的场合有较广阔的应用前 景。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1 2m p l s 网络的q o s 保障技术 在单纯的m p l s 网络中，实时和非实时的业务流并没有被区分 开来，受到的服务仍然是“尽力而为”的服务。所以需要为m p l s 网络引入q o s 体系【z 6 。 前面提到d i f f s e r v 无法提供绝对的保证的q o s ，重要的一个原 因就是它不对分组的传送路径进行选择，而m p l s 技术则可以强迫 分组在特定的路径上进行传送。然而m p l s 却无法对不同的业务流 指定不同的服务等级、区分服务。d i f f s e r v 和m p l s 都有类似的分 类和标记过程，结合起来比较简单，因此可以把它们结合起来使其 相互利用对方的优点。 d i f 瞎e r v 根据i p 包头中的d s c p 字段的值来区分不同类别的业 务流。m p l s 根据标签来区分不同的业务流，但是在m p l s 的核心 l s r 中，处于i p 层的d s c p 是不可见的，因此在把d i f f s e r v 结合到 m p l s 中时需要在网络边缘把i p 包头中的d s c p 值映射到m p l s 数 据包的标签头中。根据映射到标签头的不同字段，可以有e l s p 方 式和l l s p 方式两种【2 。 。 应用了d i f f s e r v 的m p l s 网络，既保留了d i f f s e r v 的针对不同 业务提供不同等级的q o s 的特点，又能基于每个d i f f s e r v 业务采用 m p l s 流量工程，减少拥塞和提高网络资源的利用率。 2 2s u p a n e t 的服务质量保障体系 s u p a n e t 具有一整套的服务质量保障体系，主要包括以下两个 部分：信控、管理平台的保障机制和用户平台的交换机制。 s u p a n e t 的信控、管理平台的服务质量保障机制主要由基于 q o s 的波长路由协议( q l r - q o s b s a e dl a m b d ar o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 、流 量监测与交换协议( t m e p ) 【2 9 1 和呼叫准入控制( c a c ) 【3 0 1 机制组 成。 s u p a n e t 的用户数据传输与交换平台的服务质量保障机制包 括：用户数据入网控制( u a c u s e r d a t aa d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 【3 l 】、 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 媒体配额算法( m q a m e d i aq u o t a a s s i g n m e n ta l g o r i t h m ) p 2 j 和交换 节点的交换结构及交换机制p 引。 服务质量协商协议( q o s n p 、q o sn e g o t i a t i o np r o t o c 0 1 ) l z 引是信 控、管理平台服务质量保障体系的一员，是本论文的研究重点，因 此对s u p a n e t 服务质量保障体系中的其他技术和机制将不作详细 的讲解。接下来将主要介绍早期研究的q o s n p 协议。 q o s n p 是对完成服务质量协商所应遵循的规程的描述【3 4 1 。在协 商参数的选择上，充分考虑了如吞吐率、传输时延、抖动和数据丢 失率等重要的服务质量参数；在协商技术上，它利用在传统路由器 中已有的传送层协议u d p 来传输q o s n p 协议数据单元( p d u ) ；在 协商策略上，它采用逐跳( h o p b y h o p ) 协商方法。 在请求服务时，s u p a 域的端系统s & m 平台的应用程序将首先 调用q o s n p 提供的服务，将期望的q o s 参数写入q o s n p p d u 的 相应字段。接入设备收到该协商请求后，首先调用入网控制机制， 根据当前网络状态决定是否允许此次请求接入。如果允许，利用s & m 平台的i p 路径选择功能选择输出端口，再根据服务质量需求在该端 口内选择满足该协商请求的波长。如果该节点具备支持该服务质量 请求的能力，则为该连接预留相应的资源，第一节点协商成功，该 协商过程推进到下一节点，直到s u p a 域的另一个端系统。如果在 i p 路径选择经过的任一节点不具备支持请求的服务质量的能力，则 该协商失败，连接不能建立，相关信息被反馈给前面协商成功的节 点，于是将已预留的资源归还给系统。 可以看出，早期的q o s n p 协议在协商过程中，只要“任一节点 不满足服务质量请求，此次连接将不能协商成功。这个条件限制是 比较强的。因为在现实网络中失败节点的上游节点很可能还有其他 下游节点可以到达目的节点。此外，早期的q o s n p 协议协商的粒度 是比较细的，无论请求服务是何种目的，统统触发新建虚连接的功 能。而实际网络用户所请求的服务可能是对某一虚连接的服务质量 进行调整，此时并不需要重新协商一条新的虚连接。最后，早期的 q o s n p 协议在协商策略上是逐跳协商，它在查找下一跳时所依赖的 是i p 路由表，那么协商请求消息就很有可能陷入环路中。而早期的 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 q o s n p 协议尚未有相应的措施来防止环路的发生。 2 3 典型韵组播技术概述 对于组播的研究早在2 0 世纪8 0 年代就已经开始，使用组播技 术，发送信息的主机不用向每个希望接收此数据包的用户发送一份 单独的数据包，而是在“树干 上传输一份数据包，在“树枝的 分叉再复制数据包传输到目的主机。与单播应用相比，使用i p 组播 技术分发信息常常能从本质上减少整个网络对带宽的需求，典型的 例子就是音频和视频网。 许多组播路由协议已经投入使用，典型的组播路由协议有： 1 p i m ( p r o t o c o li n d e p e n d e n tm u t i c a s t ) ，它独立于i p 单播路由， 可以说是现在最广泛使用的组播路由协议。p i m 又分为密集模式 ( d m ) 1 3 5 】和稀疏( s m ) 两种模式 36 1 。p i m d m 主要使用于高速和 高带宽的网络，因为p i m d m 使用扩散& 剪枝机制来发送数据到接 收者或者非接收者，数据包可能会被不必要的发送至一些不感兴趣 的接收者，并且路由器还要为这些无关紧要的节点保存相关( s ，g ) 状态，这种开销在网络资源紧张时效率将会很低。p i m s m 采用显示 加入模型，组播信息只被发送到特别需要他的网络位置，被更好的 约束在确实需要它的网络部分，共享树和最短路径树的结合使用减 少了通常与共享树使用相关的网络延迟。p i m s m 协议更适用于在广 域网连接末端有潜在成员的组播网络【3 7 】。 2 d v m r p ( d i s t a n c e v e c t o rm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) ，它是 第一个真正得到普遍应用的组播路由选择协议，可以被称为是“广 播& 剪枝 的组播路由协议。它与p i m d m 一样均是密集模式，也 使用r , p f 算法。它通过动态的剪枝嫁接给每个源建立起一个组播转 发树，也将是到源的最短路径树。d v m r p 采用定时发送数据包给所 有的l a n 的方法，然而这种方法导致大量路由控制数据包的扩散， 这部分开销限制了网络规模的扩大。另一方面，d v m r p 使用跳数作 为计量尺度，上限为3 2 跳，这限制了网络规模，也因为此，d v m r p 协议不能作为主干网上使用的组播协议【3 8 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 3 m o s p f ( m u l t i c a s to p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ) ，是o s p f v 2 单 播路由协议的一个扩展，它也是一个密集模式的组播路由协议。 m o s p f 协议不使用用于d v m r p 和p i m d m 的“扩散& 剪枝 机制， 但是它扩散特殊的组播，即链路状态信息，这些信息可随时随地的 识别网络组成员。所有的m o s p f 路由器使用本组成员信息通过 d i j k s t r a 算法构造( 源s ，组g ) 对的s p t 树。同d v m r p 协议相比， 路由开销较小，链路利用率高，但是d i j k s t r a 算法计算量很大，该协 议对网络拓扑的变化响应速度又快，重新计算失效的s p t 消耗了大 量的路由器t c p u 资源。这就决定了m o s p f 协议不适合高动态性网 络，而使用于网络连接状态比较稳定的环境【3 7 】。 4 c b t ( c o r e b a s e dt r e e s ) ，与p i m s m 相似，被设计成稀疏 模式，它使用双向共享树，为所有成员建立了一个单独的、共享的 转发树，这样可以大大减少路由器上存储的组播转发状态信息，同 时由于不用进行泛洪，可以作为域间的组播路由协议使用。但是由 于使用的组播信息都要通过核心路由器进行转发，核心路由器可能 会成为网络的瓶颈。 2 4s u p a n e t 组播交换机制 由1 2 2 节知，与组播机制相关的是1 2 个字节的超前交换字段 ( 如图1 2 ) 。1 2 个字节分为3 个超前交换字段，每个超前交换字段 有相同的格式。m b i t 为标记数据是单播数据还是组播数据。当m = 0 时，数据为单播数据包 当m = i 时，数据为组播数据包。n o n p ( n e x t o u t p u tp o r tn u m b e r ) 和n o a n ( n e x to u t p u tl a m b d an u m b e r ) 分别 代表下一个节点的输出端口号和输出波长号。3 个交换字段表明组播 树的每一个节点最多只能有三个分支。m b i t 的组合使用意义为：0 ， 0 ，0 表明是单播，此时后面两个交换字段用0 填充。中间节点读到 第一个交换字段的m b i t 为0 时，将不再继续读之后的两个交换字段； 1 ，0 ，0 表明该节点的下游节点将分为二叉树，数据在下一节点需要 被复制一份；1 ，l ，0 表明该节点的下游节点分为三叉树，数据在下 一节点需要被复制两份。这样，根据帧头超前交换字段中所携带的 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 信息，当e p f 帧到达后可以立即进行调度和通过交换字段，当数据 部分在通过交换字段的同时进行查表操作，这样将传统的查表、交 换( 指调度和通过交换矩阵) 的“串行 操作，在一定程度上改为 “并行 处