（通信与信息系统专业论文）基于tmpls的ip+qos技术的研究与实现.pdf

武汉邮电科学研究院硕士论文 摘要 随着互联网的快速发展，用户越来越多，网络的规模越来越大。由于网络的用途 越来越广，网络上传输的数据流量越来越大，人们对服务质量的要求也越来越高。各 种通信网的迅猛发展，尤其是业务级别协议( s l a ) 的日益普及，使得在无连接i p 分组网上传输实时业务已出现端倪。如何提高i p 网络的服务质量( q o s ) ，众多国际 组织、网络设备制造商和网络服务提供商都在进行研究和应用的开发。目前i pq o s 技术的研究已成为口网络研究领域的一个热门点。 首先本文简要讨论了i pq o s 的三种体系结构：i n t s e r v 体系结构、d i f f s e r v 体 系结构和d s t e 体系结构，并介绍了它们的优缺点。由于传输多协议标记交换技 术( t - m p l s ) 兼具了i p 的灵活性、可扩展性和a t m 硬件交换技术的高速性能、流 量控制性能，可以兼容现有各种主流网络技术。因此，将t - m p l s 技术与d i 懿e 模型相结合的d s t e 机制可以充分利用t - m p l s 的显式路由能力以及d i f f s e r v 模 型的可扩展性，在可实施性和扩展性方面具有一定的优势，成为目前业界普遍看好 的解决口骨干网中q o s 问题的有效技术。 其次本文具体阐述了流量管理机制，而流量管理是实现q o s 的重要组成部分。 流量管理包括：流量监控，队列管理，队列调度。研究了实现这些功能所用到的各 种算法，并对算法进行了比较和分析，选择出最合适本文设计的算法。 最后本文提出了通过令牌桶来实现流量控制，在w r e d 算法的基础上提出公平 共享缓存模式实现队列管理，使用d r r 算法与p s 算法的两级调度的方法实现队列 调度，保证重要数据的优先转发。 关键词：传输多协议标记交换；服务质量；流量监控；队列管理；队列调度 武汉邮电科学研究院硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e m e t ，t h en u m b e ro fu s e ra n dt h es i z eo fn e t w o r ka r e g e t t i n gl a r g e ra n dl a r g e r b e c a u s et h eu s eo fn e t w o r kb e c o m e sw i d e ra n dw i d e ra n dt h e n e t w o r kt r a f f i ci sl a r g e ra n dl a r g e r , p e o p l er e q u e s tn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nh a sa h i g hl e v e l q u a l i t y t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n dt h ei n c r e a s i n g p o p u l a r i z a t i o n o fs e r v i c el e v e l a g r e e m e n t ( s l a ) m a k ei tp o s s i b l e t h a tw et r a n s m i t r e a l t i m es e r v i c ei nt h ec o n n e c t i o n l e s si pp a c k e tn e t w o r k m a n yi n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o n s ， c o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n tp r o d u c e r sa n di n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e r sa r er e s e a r c h i n ga n d i m p l e m e n t i n gt h ew a yt oi m p r o v ei pq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) n o wi pq o sh a sb e c a m e o n eo ft h ef o c u so fl pn e t w o r kr e s e a r c h i n gf i e l d t h ef i r s t ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h r e es y s t e ms t r u c t u r e so fi pq o s ：i n t s e r v , d i f f s e r v , d s t e a n di n t r o d u c e st h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t - m p l si n t e g r a t et h e p e c u l i a r i t yo fa t m a n di p t h et e c h n o l o g yn o to n l yh a sg o o df l e x i b i l i t ya n ds c a l a b i l i t yo f i p , b u ta l s oh a sh i g hs p e e da n dt r a f f i cc o n t r o lp e r f o r m a n c eo fa t m i tc a nb ec o m p a t i b l et o m a i nn e t w o r kt e c h n o l o g i e s s ot h ec o m b i n a t i o no f d i f f s e r va n dt - m p l sm e c h a n i s mt a k e s a d v a n t a g eo ft h ee x p l i c i tr o u t ea b i l i t yo ft - m p l sa n ds c a l a b i l i t yo fd i f f s e r v i th a sb e e n b e l i e v e du n i v e r s a l l yt ob et h e e f f e c t i v et e c h n o l o g yt or e s o l v et h ei pq o sp r o b l e m so f b a c k b o n en e t w o r k sa tp r e s e n t t h e n ，t h i sp a p e re x p l a i n ss o m ef u n c t i o n so fq o si nn e t w o r kn o d ei n c l u d i n g ：f l o w p o l i c i n g ，q u e u em a n a g e m e n t ，q u e u es c h e d u l i n g a n dt h ep a p e rs t u d i e ss o m ek i n d so f a l g o r i t h m s ，c o m p a r e sa n da n a l y z e st h ea l g o r i t h m se a c ho t h e r , t h e nc h o o s e s s u i t a b l e a l g o r i t h mf o rd e s i g n f i n a l l y ，t h i sp a p e rd e s i g n sf l o wp o l i c i n g ，q u e u em a n a g e m e n ta n dq u e u es c h e d u l i n g t o k e nb u c k e ti su s e df o rr e a l i z a t i o no ff l o wp o l i c i n g b a s i cw r e d ( w e i g h e dr a n d o m e a r l yd e t e c t i o n ) a l g o r i t h m ，i ta d v a n c e san e wq u e u em a n a g e m e n tm o d e l ：f a i rb u f f e r s h a r i n g d r ra l g o r i t h ma n dp sa l g o r i t h mi su s e df o rr e a l i z a t i o no fq u e u es c h e d u l i n g w e c a nu s et w o l e v e ls c h e d u l ef o rp r i o r i t yf o r w a r d i n go fi m p o r t a n td a t a k e yw o r d s ：t r a n s p o r tm u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ；q u a l i t yo fs e r v i c e ：f l o wp o l i c i n g ； q u e u em a n a g e m e n t ；q u e u es c h e d u l i n g 武汉邮电科学研究院硕士论文 1 1 课题研究的意义 第1 章绪论 i n t e m e t 在过去几年所取得的巨大成就和未来所蕴涵的巨大发展潜力几乎没有人 会怀疑，基于因特网的新业务层出不穷，且由于价格因素的影响使它们具有很强的市 场潜力。因特网正在从当初单纯传送数据向可传送数据、语音、活动静止图像的多 媒体网络转变。网络上需要传输的数据几乎以与网络发展速度相同的速度增加，甚至 超过网络发展的速度。随着互联网的普及，网络同人们的生活和工作己经密切相关， 网络聊天、网络购物、网络电话等已在大众中普及【1 1 。同时伴随互联网用户数膨胀所 出现的问题也越来越严重。因为因特网最初的设计目的是进行高效的数据传输，因此 所使用的t c p i p 协议族是一种无连接的、基于数据报的传输模式，提供的是一种“尽 力而为( b e s t - e f f o r t ) ”的服务，无法保证吞吐量和传送时延等服务质量( q o s ) 的要求。 t c p 使用的重传和滑动窗口机制给实时数据的传输带来无法预料的时间延迟以及时 延变化( 即抖动) 。而且网络资源总是相对有限的。因此，在有限的网络资源限制的前 提下，如何满足用户对带宽、延迟、抖动等服务质量的特殊要求便成为i n t o n e t 面临 的主要问题之一。 1 2q o s 的定义和目标 随着高速网络和多媒体技术的飞速发展，电子商务、p 语音、图像传送、视频 传输等业务纷至沓来，这些新业务对网络的实时特性等有了更多的要求，它们的发展 很大程度上取决于网络的有关服务指标，如延迟是否过大、画面是否抖动、声音和图 像是否同步等，这也就是所谓的服务质量q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ) 。按照国际电联的建 议，q o s 是业务性能的总体效果，它决定了用户对特定业务的满意程度，在这里q o s 实质上是指p 包在一个或多个网络传输的过程中所表现的各种性能【2 】i 而现有“尽 力而为 的口网络的如下缺点使其很难满足q o s 的要求： l 、在发生瞬时拥塞时，路由器提供的时间响应是不可预测的。 2 、对不同的业务流类型不能提供优先级服务。 武汉邮电科学研究院硕士论文 3 、不能动态地请求( 或修改) 端到端的服务质量。 4 、只有有限的机制可以用于审计网络资源使用情况。 i pq o s 的最终目的是要为各种业务( 包括数据、图像、多媒体和语音业务等) 提供 可靠的端到端的服务质量保证，而实现这一目标的前提是要对各种q o s 参数进行明 确的定义： 1 业务可靠性是指用户与i n t e r n e t 业务连结的可靠性，包括建立时间、保持时间 等。 2 、时延也称延时，指在两个参考点间，某一p 包从发送到接收之间的时间间隔。 3 、时延抖动是指沿同一路径传输的一个数据流中，不同分组传输时延的变化。 4 、吞吐量是指一个网络中口包的传输速率，这一参数可以用平均速率或峰值速 率表征。 5 、包丢失率是指某一业务在网络中传输时，可允许的最大丢包率。丢包主要是 由网络拥塞引起。 解决网络q o s 的最直接有效的办法就是加大网络带宽，使其超过用户的需求然 而带宽的增加要受到种种因素的制约，如成本，网络建设时间等。实际上，仅仅依靠 带宽的增加也并不能完全满足各种不断出现的新应用的需求。所以，必须针对各种具 体业务类型的服务质量包括其各种具体的服务质量参数，建立q 6 s 模型，在理论上 予以探讨，同时研究其技术实现 3 】o 1 3t - m p l s 发展现状和趋势 传送m p l s ( t - m p l s ) 是一种基于m p l s 面向连接的分组传送层网络技术，其 设计理念是针对运营商电信级以太网的特定需求，有效的组合和利用现有网络及技 术，同时借鉴其他一些技术，如端到端的连接保护、o a m 包传送等进行优化，建立 面向连接的网络，从而提供电信级的以太网业务【4 】。该传送技术具有完全的业务扩展 能力，支持不同技术信号的传送( 分组信元时分) ，并且有着与传统传送网媲美的 o a m 和生存能力，这符合网络转型的需求；另外，与承载层独立的特性使得现有的 传送层面( 时分波长) 仍然能被利用于其中；在采用通用的控制平面这个前提下， 可以保证与现有的传送网络互联互通。 2 武汉邮电科学研究院硕士论文 t - m p l s 网络由i t u tg 8 11 0 建议建模【5 1 。由于该技术符合r r u t 层网络体系架 构原理，因此在g 8 1 1 0 第6 2 节定义了一个通道层网络作为传送m p l s 层网络。一 个传送m p l s 层网络能够独立于其客户信号以及与其相关的控制网络( 例如s c n ) 而工作。这一独立性使得网络操作者拥有能够为他们自己使用和传送客户信号而设计 更为可靠的分组传送网所需要的自由度。传送m p l s 路径可以承载各种各样的客户流 量类型，该建议不规范控制协议或管理协议，同时也不限制这些协议在t - m p l s 传送 网中的应用。传送连接可以保持很长的时间，因此传送m p l s 具有与传统的传送网络 有关的特性，譬如o a m 功能和保护倒换。 t - m p l s 传送网络的功能体系结构采用( 1 8 11 0 建议中描述的m p l s 体系架构的 子集描述。该建议给出了与t - m p l s 传送网的特征信息、客户服务关系以及拓扑和 分割等有关的具体内容。其中，采用a s o n 的体系结构作为t - m p l s 分组传送网体 系结构的框架是r r u t 解决t - m p l s 控制平面问题的主要办法。如下图1 1 所示， t - m p l s 仍然采用控制面、管理面、传送面的分层结构。i e t f 的g m p l s 协议将成为 实现t - m p l s 控制功能面的首选。但由于t - m p l s 是基于m p l s 的分组交换技术，其 控制和数据传送耦合性更强，在实际设备的开发中，不一定像a s o n 一样，将两个 平面分割得那么清楚。在( 2 8 11 0 协议中为t - m p l s 信令通信网络( s c n ) 链路定义了 三种选择：共享路径s c n 链路、共享跨段s c n 链路、独立的s c n 链路。 图1 1t - m p l s 体系结构 根据2 0 0 6 年5 月r r u ts g l 5 发出的i e t fm p l s 和p w e 3 ( 端到端伪线仿真) 工作组的联络函，i t u t 提出的t - m p l s 无需重新定义i p m p l s 已经提供的功能，只 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 是沿用i e t f 已经对m p l s p w e ( 虚电路仿真) 定义的数据平面的数据处理过程。所 以说，t - m p l s 的数据传送面将基于m p l s 和p w e ，只是其o a m 能力进一步加强了。 t - m p l s 可以看作是a s o n 向分组传送领域的一次扩张【6 】 7 】。s d h 、o t n 和分组 传输这三类传送网都采用a s o n 的体系结构，这有利于各类传送网间互联互通，简 化传送网的运营管理，从而有利于未来传送网整体向分组传送的平滑过渡。 t - m p l s 控制平面的主要功能包括业务控制、信令控制、路由控制、保护恢复等。 t - m p l s 控制平面的引入很好的解决了分组传送网的生存性问题【8 1 。通过控制平面可 以引入更有效的保护恢复方案，例如共享保护、预配置通道保护以及利用复用段保护 环对组播业务进行保护等。 t - m p l s 传送面负责将客户数据、信令数据、o a m 数据进行适配和转发 9 】。对于 不同的客户层信号，t - m p l s 应采用不同的适配和转发方法。对分组数据( 以太网数 据、帧中继) 、信元数据( 如删) 和时分数据( 如p d h 、s d h ) ，由于格式、长度、 复用方式等方面的差别，在对其进行适配传输过程中牵涉到的汇聚、分段、封装、排 序、定时、复用解复用处理也将不同。 t - m p l s 保留了很多m p l s 的特性【1 0 】【1 1 1 ，有关标签的操作完全遵循i e t fm p l s 的标准，例如标签可以无限嵌套，因此t - m p l s 的o a m 有其特别的机制。m p l s 相 对较弱的o a m 能力在t - m p l s 中得到加强，扩展了传统传送网的o a m 机制，真正 做到了运营级别的分组传输。 t - m p l s 的传送面还有一个特征就是t 对客户层和服务层透明。对客户层透明是 指任何客户层信号都可以承载到t - m p l s 网络上进行基于分组的传送，客户网络可以 是m ，e m 锄棚m f r f c p d h s d h 等。对服务层透明是指t - m p l s 可以使用任何底 层技术传输，在t - m p l s 扩展出自己的数据链路层协议之前，承载在已有的 e t h e m e t s d h 等传输。 t - m p l s 可以使用带内信令，亦可以采用带外信令，即在t - m p l s 中信令通信网 ( s c n ) 是可以选的【1 2 】。带外信令的好处是信令网与数据网独立，而带内信令则更适 应分组传输的特殊性，如可以利用信令信道进行数据信道连通性检验，所以推荐使用 带内信令。 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 1 4 论文结构 1 ：绪论，即本章。描述了用t - m p l s 实现q o s 的定义和目标，给出论文架构以 便阅读。 2 ：传统m 网络q o s 体系。详细介绍两种体系结构：i n t s e r v 体系结构、d i f f s e r v 体系结构，及其优缺点。 3 ：基于t - m p l si p 网络的q o s 机制。主要介绍了d e t e 的基本概念、工作原 理和关键问题，d s t e 机制可以充分利用t - m p l s 的显式路由能力以及d i f f s e r v 模型 的可扩展性，成为目前业界普遍看好的解决口骨干网中q o s 问题的技术。 4 ：流量管理算法研究。本章重点对流量管理中现有算法进行研究，为后面两章 的设计实现提供理论分析依据。其中主要算法包括：流量监控算法，队列管理算法以 及队列调度算法。 5 ：分别比较流量监控算法，队列管理算法以及队列调度算法中不同算法的优缺 点，选择一种合适的算法或技术予以实现。 6 ：t - m p l s 流量管理设计实现。本文提出了通过令牌桶来实现流量控制，在w r e d 算法的基础上提出公平共享缓存模式实现队列管理，使用d r r 算法与p s 算法的两级 调度的方法实现队列调度，保证重要数据的优先转发。 7 ：总结与展望。对网络服务质量进行了总结，对未来工作的几个方面做了展望。 5 武汉邮电科学研究院硕士论文 第2 章传统i p 网络的q o s 体系结构 在解决当前口网络的q o s 问题方面，许多组织和团体都提出了自己的解决方案， 其中最为著名的是i e t f 。为研究口网络如何实现q o s ，i n t e m e t 工程任务组( i e t f ) 专门成立了综合业务工作组和区分业务工作组，研究p 网络的q o s 问题【1 3 】。这两个 工作组分别提出了各自基于d 网络的q o s 服务协议模型：综合服务模型( i n t s e r v ) 和 区分服务模型( d i f f s e r v ) ，并制定了相关的标准和协议草案。 2 1 综合服务模型( i n t s e r v ) 和资源预留协议( r s v p ) 2 1 1 综合服务模型和资源预留协议简介 i n t s e r v r s v p 服务模型在i e t fr f c l 6 3 3 中进行了定义，该模型以标准的r s v p 协议作为实现机制。通过i n t s e r v ，将可以实现p 网中的q o s 传输以及对于实时业务 的支持，使得各种应用能够为其数据包选择服务等级 1 4 】。 该模型的原理是对于每一个需要进行q o s 处理的数据流，通过一定的信令机制， 在其经由的每一个路由器上进行资源预留，以便实现端到端的q o s 业务。首先，该 模型定义了一个作用于整个网络的要求集合，整个网络中的每一个元素( 子网或路由 器) 都将能够实现这一要求集合。随后，通过一定的信令机制，将特定应用的服务等 级要求通知其传输路径上的所有网络元素，并在应用与各个网络元素之间进行管理信 息的交换，网络元素将为该应用进行各种资源预留与处理策略的设置 1 5 】。这样，当整 条路径建立起来之后，这一路径上的所有网络元素都己经做好了为相应的数据流提供 q o s 业务的准备。 目前，i n t s e r v 模型定义了三种业务类型，并且对于这些业务类型对于路由器的 要求进行了描述【1 6 】【1 7 】： 保证型业务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) 一一该业务将提供时延，带宽与丢包率等参数的 保证。该业务不能控制固定延迟( 传输延迟等，它们取决于由连接建立机制所选的路 由) ，它所能保证的是排队延迟的大小( 排队延迟是令牌桶大小和数据速率的函数) 。网 6 武汉邮电科学研究院硕士论文 络使用加权公平排队( w f q ) 算法。 控制负载型业务( c o n t r o l l e dl o a ds e r v i c e ) 一一在轻载网络中这种业务类似于 b e s t e f f o r t 业务。它能够提供最小的传输时延，对于排队算法没有特别的要求。在控 制负载业务网络中，应用可以假设网络传输的包差错率近似于下层传输媒质的基本包 差错率；平均传输延迟与网络绝对延迟( 包括光传输延迟加路由器转发延迟) 差别不 大。 尽力而为型业务( b e s t e f f o r ts e r v i c e ) 一一实际就是传统的i n t e r n e t 所提供的业务， 该业务不提供任何q o s 保证。 i n t s e r v 的技术基础包括：先进的冲撞管理；限制延迟、抖动以及网络内带宽消 耗的排队算法；资源预留协议( r s v p ) 。需要继续深入考虑的问题包括以下几个方面： 1 预留所需的开销太大； 2 短时间流( 主要由i n t e m e t 业务流组成) 的损失率高； 管理那些需要更高q o s 的流就出现困难。在任何情况下，r s v p 在广域网和 i n t e m e t 中的适用性都受到质疑，它现在主要应用于较小的企业网中。从本质上讲， 综合业务方法是一个组织管理严密的方法，其每一流具有绝对的q o s 保证。 2 1 2 综合业务模型的优缺点 1 综合业务模型的优点 能够提供绝对有保证的q o s 。详细的设计使r s v p 用户能够仔细地规定业务种 类。因为r s v p 运行在从源端到目的端的每个路由器上，因此可以监视每个流，以防 止其消耗比它请求、预留和预先购买的要多的资源 1 8 】。 r s v p 在源和目的地间可以使用现有的路由协议决定流的通路。r s v p 适用口包 承载，使用“软状态 的概念，通过周期性的重传路径和r e s v 消息，协议能够对网 络拓扑的变化做出反应。正如p a t h 和r e s v 刷新用来更改该预留的流通路那样，没 有了这些消息时，r s v p 协议释放与之关联的资源。 设计综合模型开始的目的之一就是使得q o s 能够工作在u n i c a s t 和m u l f i c a s t 下。 r s v p 协议能够让r a t h 消息识别多播流的所有端点，并发送r a t h 消息给它们。它 同样可以把自每个接收端的r e v p 消息合并到一个网络请求点上，该点可以让一个多 7 武汉邮电科学研究院硕士论文 播流在分开的连接上发送同样的流。 1 综合业务模型的缺点 可扩展性是i n t s c r v 结构最致命的一个问题，因为i n t s c r v 要求端到端的信令，这 在一个实际运行的运营商网络中几乎无法实现。单纯从i n t s e r v 结构的实质来看，资 源预留本身就与p 网络的最大特点“无连接 相冲突。另外，对保障型业务需要网 络全部使用综合业务，如果中间有不支持的节点网络存在，虽然信令可以透明通过， 但实际上对于应用来说，己经无法实现真正意义上的资源预留，所希望达到的q o s 保障也就打了折扣【19 1 。 对路由器的要求较高。由于需要进行端到端的资源预留，必须要求从发送者到接 收者之间的所有路由器都支持所实施的信令协议。因此所有路由器必须实现r s v p 、 许可控制、m f ( m u l t i f i e l d ) 分类和包调度。 2 2 区分服务模型( d i f f s e r v ) 由于i n t s e r v r s v p 体系存在着诸多问题，一种新的模型便应运而生，这就是区 分服务模型( 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 2 1 区分服务模型简介 d i f l s e r v 的基本思想是将用户的数据流按照服务质量要求来划分等级，任何用户 的数据流都可以自由进入网络，但是当网络出现拥塞时，级别高的数据流在排队和占 用资源时比级别低的数据流有更高的优先权。差分服务只承诺相对的服务质量，而不 对任何用户承诺具体的服务质量指标【2 0 】。i e t f 定义了d i f f s c r v 的体系结构。 在d i f f s e r v 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 器会采用相应的方式f 称为每跳行为p h b ) 来处理流内的分组。 d i f f s e r v 的最大特点就是简单有效、扩展性强。其实施特点是采用聚合的机制将 具有相同特性的若干业务流聚合起来，为整个聚合流提供服务，而不再面向单个业务 流。也就是说在d i f f s e r v 网络边界路由器上保持每流状态，核心路由器只负责数据包 的转发而不保持状态信息【2 1 1 。这种c o r e - s t a t e l e s s 结构有很强的扩展性。其基本实现 8 武汉邮电科学研究院硕士论文 方法是： l 、简化网络内部节点的服务机制。在网络内部的核心路由器中只保存简单的 d s c p ( d i f f s e r vc o d ep o j n o 与p h b 的对应机制，在数据流进入核心路由器时只根据数 据包头部d s ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 域中的d s c p 进行转发，而业务流状态信息的保 存与流监控机制的实现等都在网络边界节点进行，内部节点是状态无关的。 2 、聚合网络内部核心路由器的服务对象。采用流聚集的方式进行传输控制，具 有相同d s c p 的业务流组成一个宏流( m a c r o f l o w ) ，核心路由器的服务对象即是宏流 而不是单流( m i c r o f l o w ) ，单流信息只在网络边界节点保存和处理。 d i f f s e r v 大大降低了信令的工作，而将重点放在流聚集以及适用于全网业务等级 的一套“逐跳行为”上【2 2 】。我们可以根据预先确定的规则对数据流进行分类，从而将 多种应用数据流聚集为有限的几种数据流等级。具体而言，边界节点根据用户的流规 格( p r o f i l e ) 和资源预留信息对业务流进行分类、整形、标签、聚合为不同的流聚集， 流聚集信息包含在报文口头部的d s c p 标签域中。核心路由器在调度转发口包时以 流聚集为服务对象，根据口包头不同的d s c p 提供不同的转发服务质量，这种对不 同类型的数据报进行转发的方式，称为“逐跳行为”( p e r - h o p b e h a v i o r , p h b ) ，实际 上是一种相对优先级机制。实际上，按照d s 域的标签，以相应方式提供不同质量的 数据包转发服务，也正是d i f f s e r v 名字的由来。美国正在开展的下一代互联网计划 i n t e m e t 便是选择d i f f s e r v 作为其q o s 策略。 d i f f s e r v 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，d i f f s e r v 是业 界认同的d 骨干网的q o s 解决方案，但是由于标准还不够详尽，不同运营商的 d i f f s e r v 网络之间的互通还存在困难。 2 2 2 区分服务模型的体系结构和逐跳行为( p h b ) 虽然d i f f s e r v 仍在不断的发展，一些标准仍在制定、完善之中，但经过几年的 发展，d i f f s e r v 的相关概念及模型已经比较成熟了，d i i i s e r v 体系结构也己经比较明 确了。在此基础上，与服务提供有关的问题，如d s c p 的定义、p h b 服务的定义等 等已逐步完善。 9 武汉邮电科学研究院硕士论文 其中的d i f f s e r v 区域是由一些相连的d i f f s e r v 节点构成的集合，它们有统一的 服务提供策略，且实现一致的p h b 组，比如某个运营商的网络或者一个内部网。每 个d s 区域通过边界节点( b o u n d a r yn o d e ) 与非d s 区域相连，根据不同的数据流传输 方向，边界节点可以分为入口节点和出口节点。 为了保证用户能从运营商那里获得所需要的服务质量，用户必须和运营商之间签 订有服务等级协定( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ，s l a ) ，而运营商之间也必须建立业务流 调节协定( t r a f f i cc o n d i t i o n a g r e e m e n t t c a ) ，s l a 规范了运营商对客户端网络所支持 的业务类别以及每种类别的业务流数量，而t c a 规范了运营商之间的数据流应该满 足的一些约定。 这样，当有数据流进入d s 区域时，入口节点对其进行分类( c l a s s i f i e r ) 、调节 ( c o n d i t i o n ) ，保存流( 单流或聚流) 的状态信息，根据事先和用户约定的流规格对流进行 计量( m e t e r i n g ) 、标签- ( m a r l d n g ) 、整形( s h a p i n g ) 、丢弃( d r o p p i n g ) 等，以使输入流符合 s l a ，同时在包头标签d s c p 值，并将其加入相应的行为聚集b a ( b e h a v i o r a g g r e g a t e ) 。 出口节点也可能需要对输出流进行调节，以保证其与下游d s 区域的t c a 相符。 d i f f s e r v 区( r e g i o n ) 贝j j 是由连续的d s 区域构成。一个d s 区内的d s 区域可以支 持不同的p h b 组，并且各自区域的d s c p 到p h b 的映射函数也可能不相同。在不同 的d s 区域之间，必须对s l a 和t c a 进行调节，以协调彼此之间的服务语义。这样， 通过在上游d s 区域和下游d s 区域之间建立s l a 或t c a ，d i f f s e r v 可以扩展到多个 d s 区域。 在d i f f s e r v 域的路由器中，将对属于某一服务类别的业务流进行一致的处理。 这种处理包括队列选择、排队、丢弃等。对属于同一服务类别的业务流进行的标准化 处理的组合就构成了每一跳行为( p h b ) 组。p h b 中还包括了该p h b 组与其他p h b 组 之间的互操作问题。 p h b 是一个d s 节点调度转发处理包头标有d s 标记的口包流的外部行为描述。 在d s 域内，转发节点是按照p h b 来进行的，在每一传输段逐段保证p h b 行为是区 分服务的最大特点，也是区分服务分段保证端到端q o s 的基础。p h b 可以用一系列 流的参数特性包括延迟、抖动、优先级等来描述。p h b 是对路由器服务质量处理的 总体描述，它并不对实现p h b 的具体技术加以规定。这样，不同的厂商将可以使用 1 0 武汉邮电科学研究院硕士论文 自己的实现方式，只要结果能够满足标准p h b 的要求就可以了。另外，通过对标准 p h b 的组合，各个厂商将可以实现自己所专有的业务i e t f 已经标准化了一部分 p h b ，包括尽力而为p h b ( b e p h b ) ，类别选择p h b ( c s p h b ) ，加速转发p h b ( e f p h b ) 和可靠转发p h b ( a f p h b ) 。具体如下： l 、 尽力而为p h b ( b e p h b ) i n t c r n e t 规定，当d s c p 全为零( 编码点为“0 0 0 0 0 0 ”) 时，对应的p h b 就是尽力 而为p h b ，也称为默认p h b 。当路由器收到d s c p 为全零或者是无法识别的d s c p 值时，都将使用尽力而为p h b 对分组进行转发。但在后一种情况下，应当保持分组 中的d s c p 值不变。也就是说，尽力而为p h b 是一种默认的服务质量。 2 、类别选择p h b ( c s p h b ) 为了与现在正在使用的p 优先级字段保持一定的后向兼容，在d i f f s e r v 中定义 了类别选择p h b 。现有的m 优先级机制使用了t o s 字段的前3 b i t ，从而可以提供8 个口优先级。可见，这种方式与d s c p 的用法是十分相似的，其不同在于d i f f s c r v 使用了t o s 字段中的前6 b i t ，另外现有的路由器都能够理解t o s 域的意义：所以， 只要将d i f 携e r v 的一部分编码分配给传统p 优先级业务就可以很容易地实现上述的 后向兼容。同时d i f f s e n , 的业务等级将可以与传统的口优先级同时并存于网络之中。 类别选择编码点的分配为“x x x 0 0 0 ”，亦“0 0 0 0 0 0 到“1 1 1 0 0 0 8 个编码点。可见 类别选择编码点的位置与传统的口优先级字段的位置是完全一样的。 3 、加速转发p h b ( e f p h b ) 加速转发p h b 所描述的是一组用于实现低丢包率、低延迟、低抖动、具有带宽 保证的，以及在d s 域中具有端到端服务质量的业务的服务策略。使用这一p h b 组 的业务流将获得d i f f s e r v 网络中最高的服务质量，具有最高的优先级，在转发过程中 所使用的队列将是节点上最短的。当网络发生拥塞时，这类业务将获得最先处理，这 样，便可以使得这类业务的时延最小，同时也改善了该业务的其他服务质量参数。这 一p h b 对应的d s c p 编码为“1 0 1 1 1 0 。 4 、可靠转发p h b ( a f p h b ) 可靠转发p h b 所要达到的目标实际上主要是要对相同业务中不同分组的丢失优 先级进了分级。在业务开始转发之前，发送方与网络节点之间将对业务流的速率作一 武汉邮电科学研究院硕士论文 定的约定，这种约定称为业务流的轮廓( p r o f i l e ) 。在a f p h b 中，网络节点将允许业 务流的速率大于这一轮序，但是，网络节点将对超出轮廓的业务流分组采用较大的丢 弃优先级。根据这一思想r f c 2 5 9 7 对可靠转发p h b 做出了定义。r f c 2 5 9 7 规定， a f p h b 组包括四个等级。网络中的节点将根据这些等级，为相应的业务流分配网络 资源并进行相应的转发处理。另外对于每种不同类别的a f ，还分别规定了三种不同 的丢包优先级，优先级越高，分组丢弃的机率就越大。也就是说，a f 目前一共有1 2 种不同的编码点。 2 2 3 区分服务模型的优缺点 d i f f s e r v 最主要的优势在于它弱化了对信令的依赖，中间节点只需依据一定的分 组标志应用各种p h b 就可以了。这样，将无须像在i n t s e r v 中那样在每个路由器上为 每个业务流保存“软状态 ，从而避免了大量的资源预留信息的传递，具有良好的可 扩展性。 。 d i f f s e r v 并不要求实现端到端的服务质量保证，而只要求域( d o m a i n ) 的范围服务 质量的一致性，而在网络区域之间，对不同类别业务的服务质量的保证由一定的映射 机制来保证【2 3 】。d i f f s e r v 将服务质量的一致性范围缩小到了每个区域之中，从而降低 了这种模型实现的复杂性。 d i f f s e r v 的设计思想是希望使用一种与目前i p 网络协议相结合的方式来实现对 网络q o s 的保证，因此其实现将比使用端到端控制的i n t s e r v 简单，网络额外负担也 较小。 另外，在简化了网络实现的同时，d i f f s e r v 使用的业务量组合模型也造成了服务 质量某种意义上的不可预侧性【2 4 1 。这样，对于一个业务量组合来说，其中的业务量大 小也是难以预测的，在这种情况下，要提供确定的服务质量可以说是不可能的。 d i f f s e r v 所提供的服务质量从本质上说只是一种相对的服务质量，也就是说，这种服 务质量只是不同等级业务量之间服务质量的好坏关系。 目前，业界普遍认同了d i f 撂e r v 的设计思想，可以预见的一点是d i f f s e r v 将成为 未来广域网中居统治地位的q o s 技术。在局域网中，各种应用可以依据各自的需求 选择所要使用的q o s 技术，这一技术既可以是i n t s e r v 或d i f f s e r v 也可以是现有的网 1 2 武汉邮电科学研究院硕士论文 络媒体所能够提供的q o s 能力。而在广域网中，为了解决可扩展性问题，实现一定 意义上的端到端的服务质量，则需要使用d i f f s e r v 技术。而t - m p l s 将是实施d i f f s e r v 模型的重要载体。 1 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 第3 章基于t m p l s 醒网络的q o s 机制 区分服务模型支持多服务等级的可扩展网络，相对于集成服务模型而一言具有良 好的可扩展性，但它缺乏有效的路由策略使网络流量均匀分布，不能有效地利用网络 资源。另一方面，目前的t - m p l s 的流量工程机制基于聚合进行操作，具有灵活有效 的路由策略，但它也只是解决了流量在整个网络中均匀分布的问题，对于流量本身的 特征却未做更多的考虑，所有等级的流量都被采用相同的处理策略【2 5 1 。当整个网络出 现资源短缺时，有限的网络资源就不能保证重要或紧急的流量优先通过。 区分服务感知的流量工程( d i f f s e r v - a w a r et r a f f i ce n g i n e e r i n g ，d s - t e ) 则结合了 d i f f s e r v 良好的可扩展性和t - m p l s 流量工程的有效路由策略，可以实现对传输资源 的最优化利用，它允许按照服务类型对区域内的网络资源进行划分，从而使每种类型 的服务具有不同的网络资源集合，构成不同的“网络虚拟拓扑 ，实质上也就是允许 网络运营商在网络元素认为不同类型的业务指定不同的带宽约束，从而将网络细分为 具有不同q o s 保证能力的虚拟网络。被认为是多业务网络中保证q o s 并优化资源利 用的较优解决方案。 d s t e 基于服务等级实现流量工程。它通过将二个给定d i f f s e r v 服务等级的业务 映射到一条单独的l s p 上的方式，允许这个业务利用最短路径和非最短路径上的可 用资源，采用满足针对所属业务等级规定的工程约束的路径【2 6 】。d s t e