（计算机应用技术专业论文）ip网络接纳控制技术的研究.pdf

南京邮电学院硕士学位论文 l p 网络接纳控制技术的研究 i p 网络接纳控制技术的研究 摘要 随着i p 业务的多元化和需求的快速增长，i pq o s 问题越来越引起人们的高 度重视，成为研究的热点。而接纳控制技术是i pq o s 问题的一个重要研究领域。 接纳控制是指在新连接申请建立的时刻，根据新连接的业务特性、服务质量要求 和网络资源的当前状况对是否接纳此连接申请做出判断。接纳控制技术能够保障 接纳连接的q o s ，提高网络资源的利用率。 当前主要存在的接纳控制技术可分为两大类：基于参数的接纳控制技术和基 于测量的接纳控制技术。基于参数的接纳控制方法不具有可缩放性，网络资源的 利用率低。基于测量的接纳控制m b a c 则很好地解决了可缩放性、资源利用率问 题。但是m b a c 在测量、存储、动态性等方面存在问题。针对m b a c 的缺陷，提出 了基于探测的接纳控制技术，它也可以归类为基于测量的接纳控制技术。 本文在深入研究了各种接纳控制技术的基础上，肯定了基于探测方法的优 势，同时分析了探测方法可能出现的问题。为了保证探测方法的可靠性和准确性， 提出了改进的基于探测的接纳控制技术。即在传统的基于探测的方法上加载了 “改进的链路探测标签”机制，其核心思想为：在发送探测包前。首先根据预先 定义的链路标签来判断请求路径上是否有其他探测包。最后，本文还从理论和实 验两方面证明了改进的基于探测的接纳控制方法不仅有效地降低了数据流拥塞 的可能性，而且数据流的丢失率也比传统的基于探测方法有了明显地改善。 关键词ti pq o s ，接纳控制技术，m b a c ，基于探测的接纳控制技术，链路探测标 签机制 1 ：本项研究工作得到江苏省自然科学基金重点项目资助( 项目编号 b k 2 0 0 1 2 0 5 1 。 南京邮电学院学位论文独创性声明 v7 6 5 1 4 5 本人声明所呈交的学位论文是我个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 含为获得南京邮电学院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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：堡f 垒 日期：趣! 兰：生堕： 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 虢扛翩繇 期：瑚鳢生蛭： 南京邮电学院硕士学位论文 l p 网络接纳控制技术的研究 i p 网络接纳控制技术的研究 摘要 随着i p 业务的多元化和需求的快速增长，i pq o s 问题越来越引起人们的高 度重视，成为研究的热点。而接纳控制技术是i pq o s 问题的一个重要研究领域。 接纳控制是指在新连接申请建立的时刻，根据新连接的业务特性、服务质量要求 和网络资源的当前状况对是否接纳此连接申请做出判断。接纳控制技术能够保障 接纳连接的q o s ，提高网络资源的利用率。 当前主要存在的接纳控制技术可分为两大类：基于参数的接纳控制技术和基 于测量的接纳控制技术。基于参数的接纳控制方法不具有可缩放性，网络资源的 利用率低。基于测量的接纳控制m b a c 则很好地解决了可缩放性、资源利用率问 题。但是m b a c 在测量、存储、动态性等方面存在问题。针对m b a c 的缺陷，提出 了基于探测的接纳控制技术，它也可以归类为基于测量的接纳控制技术。 本文在深入研究了各种接纳控制技术的基础上，肯定了基于探测方法的优 势，同时分析了探测方法可能出现的问题。为了保证探测方法的可靠性和准确性， 提出了改进的基于探测的接纳控制技术。即在传统的基于探测的方法上加载了 “改进的链路探测标签”机制，其核心思想为：在发送探测包前。首先根据预先 定义的链路标签来判断请求路径上是否有其他探测包。最后，本文还从理论和实 验两方面证明了改进的基于探测的接纳控制方法不仅有效地降低了数据流拥塞 的可能性，而且数据流的丢失率也比传统的基于探测方法有了明显地改善。 关键词ti pq o s ，接纳控制技术，m b a c ，基于探测的接纳控制技术，链路探测标 签机制 1 ：本项研究工作得到江苏省自然科学基金重点项目资助( 项目编号 b k 2 0 0 1 2 0 5 1 。 南京邮电学院硕士学位论文l p 网络接纳控制技术的研究 r e s e a r c ho na d m i s s i o nc o n t r o li n i pn e t w o r k s a b s t r a c t f o rm u l t i p l ei pa p p l i c a t i o na n di n c r e a s i n gr e q u i r e si ni pn e t w o r k s ， i pq o sb e c o m e sm o r ei m p o r t a n ta n di ti st h eh o t s p o tn o w a d m i s s i o nc o n t r o l i ss i g n i f i c a n ti nt h i sd o m a i n ? h e nan e wc o n n e c t i o nr e q u e s ta r r i v e s ，t h e d e c i s i o no fw h e t h e ri t i sa d m i t t e do rn o td e p e n d so nt h es e r v i c ec h a r a c t e r o ft h ec o n n e c t i o n ，q o sr e q u i r e m e n ta n dt h en e t w o r ks t a t u s a d m i s s i o n c o n t r o lc a ng u a r a n t e et h eq o so ft h ea d m i t t e dc o n n e c t i o n 。a n di m p r o v et h e u tiiit yo fn e t w o r kr e s o u r c e t h e r ea r et w oc l a s s e so fa d m i s s i o nc o n t r o l ：p a r a m e t e r b a s e da d m i s s i o n c o n t r o la n dm e a s u r e m e n t b a s e da d m i s s i o nc o n t r o l ( m b a c ) p a r a m e t e r b a s e d a d m i s s i o nc o n t r o li sn o ts c a l a b l ea n dc a nn o tu s et h er e s o u r c ee f f e c t i v e l y ， w h i l em b a cc a ns o l v et h ep r o b l e m sa b o v e 。t h e r es t i l la r es o m ei s s u e si n m e a s u r e m e n t m e m o r ya n dd y n a m i c sw i t hm b a c t oc o p ew i t ht h e s ei s s u e s ， p r o b e b a s e da d m i s s i o nc o n t r 0 1i sp r o p o s e d i tc a na l s ob er e g a r d e da sa l f i b a cm e t h o d i nt h isp a p e r w es t u d yt h e s ea d m i s s i o nc o n t r o lm e t h o d sd e e p l y p r o b e b a s e da d m i s s i o nc o n t r o li st h eb e t t e ro n e w ea l s oa n a l y z et h e p r o b l e m st h a tt h i sm e t h o dm a yc o p ew i t h i no r d e r t oa s s u r et h er e l i a b i l i t y a n dt h ea c c u r a c y ，a ni m p r o v e dp r o b em e t h o disp r o p o s e d w ea d dam e c h a n is m n a m e d “1 i n kp r o b el a b e lm e c h a n i s m ”w h o s ec o r ei d e ais ：b e f o r es e n d jn g t h ep r o b ep a c k e t w ef i r s tc h e c kt h er e q u e s t e dp a t hw i t h1i n kl a b e lt o j u d g ei ft h e r ea r eo t h e rp r o b ep a c k e t so rn o t f ih a l l y ，w ec o n c l u d e dt h a t t h i si m p r o v e dp r o b em e t h o di ss u p e r i o rt ot h eo r i g i n a lp r o b e b a s e d a d m i s s i o nc o n t r o lm e t h o do nd a t af l o wb l o c kp r o b a b i l i t ya n dd a t af l o wl o s s p r o b a b i l i t y w ep r o v et h i sc o n c l u s i o nn o to n l yw it ht h e o r y ，b u ta l s ow i t h s i m u l a ti o ne x p e r i m e n t k e y w o r d s ：i p q o s ，a d m i s s i o nc o n t r o l ，m b a c ，p r o b e b a s e da d m i s s i o nc o n t r o l l i n kp r o b el a b e lm e c h a n i s m l ：t h isw o r ki sp a r t i a l l ys u p p o r t e db ys c i e n c ef u n do fj i a n g s up r o v i n c e ( n o b k 2 0 0 1 2 0 5 ) 。 2 南京邮电学院硕i ：学位论文 i p 网络接纳控制技术的研究 第一章引言 i n t e r a c t 在过去的十多年的时闻里取得了巨大的成就，并且其未来的发展潜 力是不容置疑的。随着音频、视频等实时应用在因特网等计算机网络中应用和需 求的急剧增长，i p 业务多样化和快速增长已成为一个不争的事实，这对网络提 供的“服务质量”提出了更高的要求。即希望网络能够为这些应用提供端到端的 质量保证，要求延迟、丢失率和抖动等性能指标保证在一定的范围内。而传统的 因特网是“尽力而为”( b e s t e f f o r t ) 的网络，在这种服务模型下，所有的业 务流被“一视同仁”地公平地竞争网络资源，路由器对所有的i p 报文都采用先 来先处理( f i r s tc o m ef i r s ts e r v i c ef c f s ) 的工作方式，它尽最大努力将i p 报文 送达目的地。但对i p 报文传递的可靠性、延迟等不能提供任何保证。 如何在i p 网络上保证用户信息传输的质量就成为一个不容忽视的重要问题 了。为解决这一问题，i pq o s ( 服务质量) 便应运而生。i po o s 是指i p 提供服务 的质量，也是指i p 数据流通过网络时的性能。i pq o s 已成为网络基础研究的一 个重点，也是未来i p 网络发展的关键技术因为i po o s 是i p 网络增加服务内 容、提高服务质量的关键技术，也是未来网络运营商竞争的一个焦点。i po o s 在可预测、可测量性方面比传统i p 有了很大的提高，解决了商业用户的基本需 求，因而势必可以吸引更多的商业用户，形成一个新的利润增长点，带来可增值 的业务种类。 i pq o s 的研究目标是有效地为用户提供端到端的服务质量控制或保证。q o s 就是在一定级别上确保网络中的业务流和服务的质量要求得到满足。o o s 并没有 创造带宽，只是根据应用程序的需求以及网络状况来管理带宽。i pq o s 有一套 性能参数 1 ，主要包括： 业务可用性：用户到i n t e r n e t 业务之间连接的可靠性。 传输延迟：指两个参照点之间发送和接收数据报的时间间隔。 可变延迟：也称为延迟抖动( j i t t e r ) ，指在同一条路由上发送的一组数据 流中数据报之间的时间差异。 吞吐量：网络中发送数据报的速率，可用平均速率或峰值速率表示。 南京邮电学院硕士学位论文 i p 网络接纳控制技术的研究 丢包率：在网络中传输数据报时丢弃数据报的最高比率。数据报丢失一般是 由网络拥塞引起的。 为了解决i po o s 问题，已经提出了几种服务模型和机制，主要有： 集成服务和资源预留协议i n t e r s e r v r s v p 2 3 ：以r s v p 信令向网络提出 分组流传输规格( f l o w s p e c ) ，并建立和拆除传输路径上的分组流状态。主 机和路由器节点建立和保持分组流状态信息。尽管r s v p 经常用于单个流， 但也用于聚流的资源预留。 区分服务d i f f s e r v 4 ：在区分服务网络中，边界路由器根据用户的流规格 ( s t r e a mp r o f i l e ) 将用户流划分为不同的级别，再聚合成流聚集，聚集信 息存放在i p 分组头的区分服务( d s ) 标记域，称为d s 标记( d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e sc o d e p o i n t ，d s c p ) 。内部节点则根据d s c p 提供不同质量的调度 转发服务。 多协议标签交换( m u l t i p r o t o c o ll a b 】es w i t c h ，m p l s ) 5 ：根据分组头 的标记，通过网络路径控制来提供流聚集的带宽管理。 子网带宽管理( s u b n e tb a n d w i d t hm a n a g e m e n t ，s b m ) 6 ：负责o s i 第二 层( 数据链路层) 的分类和优先级摊列，同i e e e8 0 2 网络进行共享和交换。 q o s 路由 7 8 ：现在的i n t e r n e t 路由协议( o s p f 、r i p 等) 都采用单个测 度( 如跳数、成本) 来计算最短路由，没有考虑多个q o s 参数的要求。o o s 路由根据多种不同的度量参数( 如带宽、成本、每一跳开销、时延、可靠性 等) 来选择路由。q o s 路由包括三个主要功能：链路状态信息发布，路由计 算和路由表存储。q o s 路由能够满足业务的o o s 要求，同时提高网络的资源 利用率。但是q o s 路由的计算十分复杂，增加了网络的开销。 在q o s 的研究中发现，接纳控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 是其中必不可少的关 键环节。“接纳控制”是基于用户和网络达成的服务协议，对用户的访问进行一 定的监视和控制，有助于保障双方的共同利益。由于流量和路由的动态改变，潮 络提供机制需要网络的拓扑和更多的路由信息。静态的提供已经不能处理输入流 量和网络拓扑的动态改变。这时就要求1 s p 在区分服务网络中采用信令协议或者 接纳控制方法。接纳控制旨在满足分组流的q o s 需求，提高网络资源的使用效 率。 南京邮电学院硕士学位论文 i p 网络接纳控制技术的研究 但是，目前的接纳控制技术还存在一定的问题：简单的基于分组流峰值固定 分配带宽的方法，使得资源利用率不高；而采用统计分配分组交换资源，则难以 精确估算分组流对资源的占用。而且，目前的接纳控制方法增加了网络的复杂性。 因此，需要研究一种新的可用于区分服务网络中的动态提供的接纳控制机制。 目前有两类接纳控制的算法：基于参数的接纳控制算法和基于测量的接纳控 制算法。第一类有算法有：简单和( s i m p l es u m ) 算法；第二类包括：测量和 f m e a s u r e ds u m ) 算法、接收区域( a c c e p t a n c er e g i o n ) 算法、等价带宽( e q u i v a l e n t b a n d w i d t h ) 算法等三种具体算法。在基于测量的接纳控制方法中，2 0 0 0 年k a r l s s o n 首次引入探测机制用于接纳控制，提出了基于探测的接纳控制方法 9 1 1 1 0 】。探测 方法的灵感来自于可缩放的预留协议( s r p ) 。这个接纳控制的核心思想就是： 在发送实际数据包之前必须先探测从发送方到接收方的路径，由探测包的丢失率 来判断是否接纳。方法通过端到端地探测网络，以此来预见未来的网络状况。这 个方法的优点是： 探测包丢失率和数据包丢失率的关系并不强烈地依靠于流量的性质： 它可直接用于区分服务网络： 由于不需要在网络结点保存预留状态信息，具有可缩放性，所以这个接纳控 制方法也可拓展到多播和移动终端。 本论文的主要工作： ( ”详细分析了基于参数接纳控制方法、基于测量的接纳控制方法的算法和 实现机制。在此基础上，对这些算法进行比较，指出他们分别的优势和 存在的缺陷。 ( 2 ) 对文献【9 】【1 0 】中首次提出的基于探测的接纳控制方法，进行描述、分析， 指出该算法相比较于前面提出的其他算法的改进。 ( 3 ) 基于探测的接纳控制算法虽然克服了单纯的基于测量算法的一些缺陷， 但是，也还存在着一些问题。本论文详细讨论了这些问题，对存在的问 题给出了相应的解决方法，提出了改进的接纳控制方法。 ( 4 ) 使用n s 2 1 1 1 1 k 具，通过仿真实验对改进结果加以验证。 论文的主要结构如下：第二章简要介绍i pq o s 相关问题，探讨了i pq o s 体 系的现状和存在的问题，回顾了已提出的支持i pq o s 的模型和机制、i pq o s 的 南京邮电学院硕士学位论文 i p 网络接纳控制技术的研究 管理，此外还介绍了欧洲优质i p 计划。第三章主要分析了接纳控制技术对q o s 提供的意义和作用；详细分析了存在的两种接纳控制算法和关键实现机制。第四 章详细探讨了基于探测的接纳控制技术，包括它的控制过程和性能评定，以及在 区分服务环境中的拓展运用。第五章是本论文的重点，通过分析发现基于探测接 纳控制算法存在的问题，讨论了对这些问题的相应解决方案，给出了对改进建议 的仿真实验的结果，并对实验结果加以分析。第六章对所做的工作进行总结，提 出可进步改进的方向和下一步任务。 南京邮电学院硕士学位论文 i p 网络接纳控制技术的研究 第二章 i pq o s 问题 在2 5 年的时间里，i n t e r n e t 已经从一个美国政府建立的研究性网络发展到 今天全球性的商用网络，它是大规模应用i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 的网络体系。 当前，i p 网络上的业务种类不断拓展。语音、视频以及其它多媒体业务的出现 对i p 环境中的服务质量( q o s ) 提出了更高的要求。传统的尽力而为 ( b e s t e f f o r t ) 模式已经不能满足需要了。此外，】p 网络中采用的链路技术也 越来越多样化，从光纤链路技术到多种多样的有线或者无线链路技术。而且，用 户也期待得到更多不同的应用和服务。这些l p 网络的未来趋势正是网络和设备 供应商在i p 网络中提供q o s 的强大的商业动机。q o s 成为近2 0 年来网络研究领 域中主要的研究课题。如欧洲优质i p 计划( t h ee u r o p e a np r e m i u mi pp r o j e c t ) ， 这在后面将作进一步介绍。 2 1 当前i po o s 体系的现状及存在的问题 2 1 1 支持i p0 0 8 的模型和机制 增加链路资源是解决i p 网络上新应用的流量需求问题的直接和简单的方法。 但是，i p 网络未来发展趋势使得这个方法的实现变得复杂。并且，从技术和经 济角度柬看，这个快速“过量提供( o v e r p r o v i s i o n i n g ) ”的方法并不一定有效。 于是提出了“服务质量提供( q o sp r o v i s i o n i n g ) ”方法。它是通过流量策 略和资源控制，在全网管理延迟、抖动和拥塞事件的一套技术。这几年，o o s 的 支持技术有了重大的发展，但是，要实现真正的q o s ，其体系必须应用到端到端， 而不仅仅在边界或者在选定的网络设备。下面是支持q o s 的主要模型和机制。 ( 1 ) 集成服务模型( i n t e r s e r vm o d e l ) 和资源预留协议 2 3 o o sp r o v i s i o n i n g 的第一个方法就是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 资源预留协议) 。r s v p 是i e t f 工作组定义的一个重要的协议，建立在i p 协议之 上，是一个信令协议而不是路由协议，用来通知网络节点预留资源。如果资源预 留失败，r s v p 协议会向主机发回拒绝消息。它是集成服务的关键协议，实现路 径上每个流的q o s 。集成服务模型也是由i e t f 定义，集成服务的基本思想是在 9 南京邮电学院硕士学位论文 i p 网络接纳控制技术的研究 传送数据之前，根据业务的q o s 需求进行网络资源预留，从而为该数据流提供端 到端的q o s 保证。集成服务能够在i p 网上提供端到端的q o s 保证。但是，集成 服务对路由器的要求很高，当网络中的数据流数量很大时，路由器的存储和处理 能力会遇到很大的压力。因此，集成服务存在很多缺陷：不安全、过于复杂、不 具有可缩放性等，难以在i n t e r n e t 核心网络实施。 ( 2 ) 区分服务模型( d i f f s e r vm o d e l ) 4 为了寻找一种介于传统i p 服务和集成服务之间的新型服务模型，i e t f 设计 了区分服务模型。区分服务很好地解决了可缩放性问题，使得其可以用于大的 i n t e r n e t 骨干网。区分服务模型也是流量处理体系，但是它处理的是流量的集 合，而不再是每个流。d s c p ( d i f f s e r vc o d ep o i n t ) 是在分组头中定义的一个 8 位位组的区分服务字段，在 1 2 中给出了标准规范。d s c p 对分组进行分类，决 定了下跳行为( p h b ：p e r h o pb e h a v i o r ) 。拥有相同或者相似q o s 需求的流被 标以相同的d s c p ，这样就被归为相同的类，采用相同的转发行为。有三类p h b ： 尽力而为、确信转发和加速转发。 在区分服务机制下，用户和网络管理部门之间需要预先商定服务等级合约 ( s l a ) 。根据s l a ，用户的数据流被赋予一个特定的优先等级，当数据流通过网 络时，路由器会采用相应的“p h b ”来处理流的分组。 区分服务只包含有限数量的业务级别，状态信息的数量少，因此实现简单， 扩展性较好。它的不足之处是很难提供基于流的端到端的质量保证。目前，区分 服务是业界认同的i p 骨干网的q o s 解决方案。 ( 3 ) 多协议标签交换( m p l s ：m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 5 为了提高数据吞吐的效率、避免路径层的拥塞，获得更加平衡的网络，i e t f 设计了新的网络技术：m p l s 。m p l s 是一种特殊的转发机制，它为进入网络的i p 数据报分配标签，并通过对标签的交换来实现i p 数据报的转发。标签替代了网 络中的i p 分组头，在网络内部i p l s 在路径沿途通过交换标签来进行转发，而不 是看i p 分组头。当数据报离开m p l s 网络后，继续按照i p 分组的方式传送。多 协议标签交换m p l s 并不是主要的q o s 机制，也不是q o s 的体系结构，但m p l s 的显式路由功能大大增强了在i p 网络中实施流量工程的能力。对于骨干网业务 提供者来说，m p l s 和区分服务的结合是目前使用最普遍、可实现性最强的一种 1 0 南京邮电学院硕士学位论文 i p 网络接纳控制技术的研究 q o s 机制。 区分服务和m p l s 都具有自己的技术优势：区分服务体系提供了一个可缩放 的o o s 方法，而i v i p l s 可以建立具有流量工程能力的路径。这两个技术的结合可 以提供严格的q o s 保证，并且这种结合从技术上来看也是可能的。i e t f 中有很 多草案描述了i p l s 和区分服务的连通性 1 3 4 5 。这种连通性是基于以下考 虑：首先区分服务本身具有可缩放性；此外区分服务有很多适合m p l s 的特性。 具体来看，两者都采用了汇聚集合的方法来实现可缩放性。在区分服务中，相同 或者相似特征的流归为一个相同的d s c p 字段；在m p l s 中，根据边缘的区分，不 同的流划分为不同的f e c ( f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c ec l a s s ：转发等价类) 。而 且，在网络中，支持区分服务的设备根据d s c p 字段对业务流执行相应的p h b ； 而m p l s 的标记交换路由器( l s r ) 根据标签对f e c 执行相应的转发行为。一个 d s c p 可以编码到m p l s 头，使得区分服务应用到m p l s 封装的i p 流量中。正是这 些类似的操作使得两者的互通成为可能，并且容易实现。 i e t f 工作组2 0 0 2 年提出了在m p l s 网络中支持区分服务的方法 1 3 。方法 通过依靠两类l s p 的结合使用来实现：e - l s p 和l - l s p 。在e - l s p 中，e x p 字段 包括p s c ( p h bs c h e d u l i n gc l a s s ) 和包的丢失优先参数；雨在l - l s p 中，e x p 字段仅仅包括分组的丢失优先参数。在这个方案中，网络管理者可以选择区分服 务行为集合b a s 和m p l s 的l s p s 之间的映射。比如，管理者可以决定不同的b a 集合是否归到同一个l s p 。 同时，区分服务和m p l s 都还存在着一些没有解决的问题。区分服务仅仅是 个流量处理机制，还要经过配置才能提供s l a 中定义的服务。另外，区分服务结 构虽然解决了可缩放性问题，但还不能作为端到端q o s 提供的解决方案。 1 4 导致目前区分服务在实际中尚朱实现的原因有很多。比如：如何定义网络提供的 服务? 服务定义应该简单清晰，并且利于网络的资源分配。出现的问题是：当流 量过量时，如果使用确定的服务定义则导致低效：如果使用统计的服务定义，则 难以理解。另外还存在一个标准化的问题。关于服务的定义，服务提供者和用户 应该有一个统一的协议，在此基础上才能制定双方的s l a 。此外，缺乏动态服务 创建和配置的工具。动态服务创建使得网络可以通过增加新的应用和服务来重新 配置。而对于一个大的i p 网络，不可能进行手动的配置。存在的问题还有：如 南京邮电学院硕士学位论文 i p 网络接纳控制技术的研究 何动态联系q o s 资源和应用( 用户) 类来实现动态的i pq o s ? 如何对提供的q o s 进行监测? 而且，目前对区分服务的研究只限制在一个区分服务域中，域间q o s 也是待解决的问题。而对于m p l s 结构，它虽然被认为是当前解决流量工程问题 的方法，但是还存在m p l s 流量工程的流量与传统的i p 流量共存的问题。 ( 4 ) q o s 路由机制 7 1 8 q o s 路由是保证网络管理者提供服务质量的重要手段之一。在大型网络中如 何寻找q o s 路由，即具有q o s 和流量均衡能力的路由算法及相应规范的制定问题 一直是业界研究的热点问题。具有q o s 能力的路由算法不仅仅是为数据传输找到 一条通道，还需要考虑所选路径的传输容量和服务质量，并且还要分析全网负荷， 以平衡网络中各条通道的数据流量，此外，不论是对单播还是多播、域内还是域 间路由，都要求路由算法具有快速收敛性和高效的路由表查询技术。需要对当前 的路由协议进行拓展，使得q o s 路由可以根据多种不同的度量参数( 如带宽、成 本、每一跳开销、对延、可靠性等) 来选择路由。 2 1 2i pq o s 管理 2 1 2 1q o s 管理模型 目前l p 网还没有标准的q o s 管理模型，但是有两个很好的参考模型： 一个是电信管理论坛t m f 提出的t o m ( t e l e c o mo p e r a t i o n sm a p ) 模型 1 5 。 t o m 在电信管理网( t m n ) 的四层结构基础上，对每个管理层砸的功能和操作 进行了具体地描述，使其适合i p 网络的管理。在这个模型中，i pq o s 管理 主要在业务管理层实现。t o m 还将业务的生命周期分为三个阶段：业务开通， 业务保障和业务计费。业务开通将用户的q o s 要求传送到网络中，并进行相 应地配置；业务保障维护协商好的o o s ，是i pq o s 管理的主要阶段；业务计 费进行公平合理地计费。t o m 模型最有可能成为运营商和设备制造商提供q o s 业务的参考标准。 另一个模型是i e t f 提出的基于策略的管理框架 1 6 。这个框架将网络中的 一些操作和管理抽象出来，称为策略( p o l i c y ) 。网络管理者事先定义好一 些管理策略。存放到策略信息库中，网络设备根据这些策略自动地进行网络 操作。由于策略由网络管理者统一制定，因此采用不同q o s 技术的异构网能 南京邮电学院硕士学位论文i p 网络接纳控制技术的研究 够实现统一的q o s 管理。 2 。1 2 2 q o s 资源管理 目前，区分服务体系结构被普遍认为是提供端到端q o s 保证的具有可缩放性 的解决方法。但是，要提供q o s 保证，不仅需要这样的体系，还需要进行资源的 管理。通过资源管理，来强制执行每个服务类的行为规则，来进行接纳控制以保 护和管理资源。那么如何在区分服务网络中管理资源呢? 关于这个问题，i n t e r n e t 2q o sw o r k i n gg r o u p ( q b o n e ) 定义了带宽代理b b ( b a n d w i d t hb r o k e r ) 来实现端到端的q o s 1 7 。b b 具有五个功能：接收来自应 用和路由器的带宽请求；和路由器建立了q o s 之后可以向请求发出响应；能拒绝 带宽的过预约；能配置路由器；能中止应用对带宽的使用并返还带宽资源。可见， q b o n e 定义的b b 是一种资源管理器，它收集网络的拓扑和节点及链路状态信息， 管理网络资源，并结合策略服务器规定的策略进行接纳控制。到目前为止有六个 b o n e 的工程实现了盼，他们分别是：g a r a ( g l o b u sa r c h i t e c t u r ef o r r e s e r v a t i o n a l l o c a t i o n ) 、m c i w o r l d c o m 、m e r i tn e t w o r k s 、s i e m e n s 、t e l i a 、 u n i v e r s i t yo fk a n s a s 。下面我们给出b b 资源管理的结构图。图中l r 、c r 、e r 分别表示叶路由器、核心路由器和边界路由器。 包皿卜 ：蜇警 d i f f _ s e r vd o m a i na d i f f _ s e r vd o m a i nb 图2 1b b 资源管理体系结构图 最初的建议就是在每个区分服务域中建立一个中心代理b b ，通过它来管理每 个域的资源，决定本地的接纳控制。这种集中的方法使得核心路由器不再负担接 纳控制。但是，如果b b 每秒钟要处理上千个请求，这必然存在缩放性的问题。 宁 南京邮电学院硕士学位论文 i p 网络接纳控制技术的研究 而且，集中式的方法本身也有缺陷。如：b b 周围的链路容易出现拥塞，b b 需要 保持域中每个流的信息，而且b b 一旦发生错误，没有替换，可靠性低。所以， 这方面的很多研究朝着分布式的方向发展。e 1 8 此外，目前的资源管理，如b b 方案，只针对带宽。但是，对于视频会议、 i p 电话等应用，这是不够的。这些应用对延迟和抖动都很敏感。尽管通过严格 控制带宽可以保持一定的延迟和抖动，但是不一定能将延迟和抖动降低到可以接 收的程度。所以，要全面的考虑q o s 的保证问题，必须要增加对延迟的管理。这 样，就需要严格的接纳控制和延迟计算。其中接纳控制是资源管理的主要功能， 它根据资源的可用性和策略决定接收或者拒绝资源预留请求。要进行接纳控制 必须追踪记录资源的可用性，这可以通过实时记录网络流量和保持预留记录来实 现。延迟计算是为了提供端到端的对延迟和抖动的保障。可以计算三类延迟：传 播延迟、处理延迟和排队延迟。 1 7 而且，现存的资源管理不能实现未来网络资源的预留、域间资源预留、流量 分析和支持不同的路由器。具体来看，网络资源的未来预留是为了获得网络资源 的有效利用。如果在未来某个时间预知的网络资源的需求存在，则可以对未来的 资源进行预留。由于区分服务网络被划分为若干令区分服务域，所以，如果源点 和目的节点不在同一个域中，则要对他们之间的所有区域进行资源预留。而目前 的资源管理器都仅仅提供域内的资源预留。资源管理要能够帮助设计未来的网络 和当前网络的重新设计，以使用户得到更加满意的服务质量。同时，很多应用也 可以根据当前网络的流量负载情况来调整自己的传输速率。这些都可以通过对实 际流量的分析来实现。再来看路由器，目前由于网络中存在很多种类的具有不同 q o s 能力的路由器。这个问题可以有两种解决办法：其一使网络中的路由器具有 相同的o o s 性质，但是这并不现实；其二就是使资源管理器能支持不同的路由器。 这个方法被认为是可以实现的。 1 7 2 。l 。2 。3s l a 管理 s l a ( 服务等级协定) 是用户与i s p ( 网络服务提供商) 签订的关于服务质 量的协议。i s p 根据s l a 来对用户提供某个等级的服务和计费。s l a 分为静态和 动态两种。静态s l a 在一定的时间范围内是不变的，与网络的状况( 如拥塞程度、 负荷变化) 无关：动态s l a 根据网络的状态来协商和调整s l a 参数，从而提高网 南京邮电学院硕士学位论文 i p 网络接纳控制技术的研究 络的资源利用率。当前，大部分网络仍采用静态s l a ，而动态s l a 还处于研究阶 段。 s l a 中包括一个或多个t c a ( 流量调节协定) ，s l a 和t c a 都属于商业上的协 议，它们的技术细节分别由s l s ( 服务等级规范) 和t c s ( 流量调节规范) 来表 述。目前的研究主要集中在s l s 和t c s 的内容定义，现在还没有这方面的标准。 2 2 欧洲优质i p 计划 这个计划由欧洲委员会资助，包括了大量的研究和工作伙伴，计划的主要的 研究问题就是：如何发展、实现具有o o s 能力的i p 网络 1 4 。该计划建立了三 个研究工程：a q u i l a ( a d a p t i r er e s o u r c ec o n t r o lf o rq o su s i n ga ni p b a s e d l a y e r e da r c h i t e c t u r e ) 、c a d e n u s ( c r e a t i o na n dd e p l o y m e n to f e n d u s e r s e r v i c e si np r e m i u mi pn e t w o r k s ) 和t e q r u i l a ( t r a f f i ce n g i n e e r i n gf o rq o s i nt h ei n t e r n e ta tl a y e rs c a l e ) 。这些计划有着共同的目标，就是开发提供 i p 额外费用的服务，以此作为向下一代网络n 刚迈进的基本步骤。但是，侧重 不同的细节问题。 定义商业处理是创建新服务的主要活动。c a d e n u s 计划考虑了当前的商业处 理，包括定义和增加的灵活性和动态特性。将服务提供者从网络( 资源) 提供者 中分离出来，这是c a d e n u s 体系机构的基础。对于服务提供者，资源( 网络) 只 是一个抽象的概念。计划主要致力于为服务创立和开发定义一个新的架构，旨在 引入一个新的方法来实现自动化的服务的发送。 1 9 a q u i l a 定义了一个基于区分服务的体系结构，来向请求的应用发送需要的 q o s 。这个结构的主要特点是向后兼容现存的因特网，并且对更大的网络具有可 缩放性。a q u i l a 开发了终端用户应用工具包( e a t ：e n d u s e ra p p l i c a t i o n t o o l k i t ) ，旨在为终端用户提供对q o s 特征的访问。e a t 是连接终端用户和网络 基础构件的桥梁。a q u i l a 使用不同的预定义q o s 特征向网络消费者提供不同的 网络服务，并且使用不同的流量类型来加以实现。 2 0 t e q u i l a 是一个接纳控制方法计划，它设计和执行了在i p 区分服务网络中， 实现q o s 发送的解决方法。提出了一个统一的体系结构，还在不同程度上结合服 务管理功能和流量工程功能。提议的接纳控制计划采用了一个基于反馈的模型 南京邮电学院硕士学位论文 l p 网络接纳控制技术的研究 ( f e e d b a c k b a s e dm o d e l ) ，来判断q o s 失效的风险。t e q u i l a 网络体系期望用 两个方法激活服务需求 s u b s c r i p t i o n 和i n v o c a t i o n 活动。对于前者，在s i s 中定义服务，然后从用户传送到t e q u i l a 体系机构。服务实际的活动即 i n v o c a t i o n 可以是不明确的。也可以通过通知供应者的边界来明确执行。 2 1 在过去的十年里，i pq o s 问题越来越引起人们的关注，也出现了很多支持 q o s 的技术和协议。从i e t f 最初提出的集成服务模型、资源预留协议到后来的 区分服务、m p l s ，o o s 技术日趋成熟，其中区分服务和m p l s 分别在可缩放性、 流量工程方面被普遍看好，但是在实际中还存在很多的问题，有待解决。在对网 络资源的管理方面也对开始的b b 结构提出很多有效的改进和发展。使撂b b 结构朝着分布式的方向发展，在延迟管理、未来网络资源的预留、域间资源预留、 流量分析和支持不同的路由器等方面进行拓展。而欧洲优质i p 计茏l j 在i pq o s 方面做出了大量的贡献，对这个领域的发展起着积极的作用。 1 6 南京邮电学院硕士学位论文 i p 网络接纳控制技术的研究 第三章接纳控制技术 3 ，1 接纳控制在q o s 中的地位和作用 按照i t u t 和a t m 论坛的定义，接纳控制是网络在新连接申请建立的时刻， 根据新连接的业务特性( 用流量参数表征) ，服务质量要求和网络资源( 带宽， 缓冲区) 的当前状况对是否接纳此连接申请做出判断。 接纳控制可以同时实现两个目标： ( 1 ) 保障所有连接的q o s ： ( 2 ) 有效地提高网络资源利用率，即在用户需求和网络效益最大化之间取得良 好的折衷。 但是，接纳控制的实现需要两个前提，只有同时满足了下面的两个前提条件， 新连接请求才被接纳，否则被拒绝： ( 1 ) 资源条件，即网络结点有足够的资源来满足新连接请求的服务质量； ( 2 ) 不损害条件，即新连接的接入，不会影响已接纳分组流的o o s 。 3 2 当前存在的接纳控制技术 主要存在的四种接纳控制算法有：一个基于参数的接纳控制算法：简单和 ( s i m p l es u m ) 算法，三个基于测量的接纳控制