（计算机应用技术专业论文）基于zynos的带宽管理系统的开发与设计.pdf

摘要 当前，尽管由于网络技术的发展，网络带宽以及网络速度都得到了极大的提高，但 需要通过网络传输的数据却也几乎与网络发展相同的速度增加，甚至超过网络发展的速 度，这使得网络带宽与网络速度依然是一个瓶颈问题。 现有的i n t e r n e t 网络基本上只提供了”b e s t e f f o r t ”的服务，在这种服务模型下， 所有的数据流( t r a f f i c ) 被”一视同仁”，公平地竞争网络资源，这对一些对带宽，延 迟，延迟抖动等有特殊要求的应用来说，无疑是不能满足要求的。这些新型的应用直接 导致了网络服务质量( q o s ) 概念和带宽管理技术的出现。 i p 服务质量和带宽管理是两个密切相关的研究课题，也是当前的研究热点。本文从 服务质量的角度研究了带宽管理技术在z y n o s 系统中的设计和实现。 首先，对i p 服务质量的一些基本概念和它的服务模型及其最新研究的进展进行了 探讨和论述，指出了i p 服务质量出现的必要性和重要性，同时也引出了服务质量的解 决方案一带宽管理技术的相关思想和概念。 然后我们对网络协议处理机制进行了分析和研究，提出了应用于z y n o s 系统的基于 带宽的网络协议处理调度技术，并对c b q 调度技术进行了深入研究，主要涉及它的基本 架构，调度算法研究和些重要参数的意义。 最后对带宽管理技术在z y n 0 s 系统中的具体实现进行了详细的介绍和研究，主要包 括带宽管理模块在z y n o s 系统中的架构，带宽管理模块相关数据结构的定义和函数实现， 以及用于用户对带宽管理进行配置的配置接口的实现等。 关键字：i p 服务质量，带宽管理，服务模型，基于带宽的网络协议处理调度技术， z y n o s ，c b q 调度技术 江南大学硕士学位论文 a b s t r a c t d u et ot h er a p i dd e v e i o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o 百e s ，t h en e 柳o r kb 锄d w i d t h 卸dt h e r a t eo fn e 柳o r kt r a n s m i s s i o nh a sb e e ne i l l l a n c e d 掣e a t ly h o w e v e r t h ed a t at h a tn e e dt ob e t r a n s m i t t e dh a sa l s oi n c r e m e n t e dw i t ht h es a m em t e ，e v e ne x c e e dt h ei n c r e m e n t i n gr a t eo f n e t w o r kb a n d w i d t h t h i sf a c ti n d i c a t e st h a lt h en e t w o r kb a n d w i d t hi ss t i l lak e yi s s u ef o r n e m o r kt r a n s m i s s i o n t h ec u r r e n ti i i t e m e to n l yp r o v i d e st h es e i c ec a l l e db e s t e 肋n ，i nw h i c h ，a ut m e i c sa r e t r e a t e di n d i s t i n g u i s h a b l ya n d c o m p e t ef o rt h en e t w o r kr e s o u r c e se q u a l ly 1 1 l i ss e n ，i c em o d e li s i n s u f f i c i e n tf o r t h o s ea p p l i c a t i o n st h a th a v es p e c i a lr c q u i r e m e n t sf o rb a n d w i d t h ，d e l a y 孤d d e l a yj i t t e r a n dt h e s er c q u i r e m e n t sr c s u i ti nt h ee m e r g e n c eo fc o n o e p to fq u a l i t yo fs e i c e a i l dt e c i l i l o l o g yo f b a i l d w i d t hm a i l a g e m e n t i pq o sa n db a n d w i d t hm a n a g e m e n ta r et 、oi n t e r r e l a t e dr e s e a r c hs u b j e c t s ，a n dt h e ya r c a l s oc u r r e n tr e s e a r c hh o t s p o t s t h i sp a p e rm a k e sr e s e a r c hf o rt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o ft h eb a n d w i d t hm a n a g e m e n tm o d u l eb a s e do n2 ，n o sa tt h ea i l g l eo fq o s f i r s t ，w ed i s c u s ss o m eb a s i cc o n c e p t so fi pq o s ，i po o s s e r v i c em o d e l s 柚dt l i e i rl a t e s t r e s e a r c hs i t u a t i o n s ，a n dp o i n to u tt h es i g n i 丘c a n c ea n dn e c e s s a r i t yo fi pq o s e m e i j g e n c e m e a n w h i i e ，w ea l s om e n t i o ns o m ec o n c e p t so ft h es o l u t i o no fi pq o s 由a n d w i d t h m a n a g e m e n t n e nw em a k er e s e a r c h e sa b o u tn e t 、o r kp m t o c o lp m c e s s i n g 柚ds c h e d u l i n gm e c h a n i s m a n dp r o p o s et h en e t w o r kp m t o c o lp m c e s s i n ga i l ds c h c d u t i i i gm e c h 卸i s mb 嬲e do nb a n d w d t h ， m e a n w h i i e ，w ea l s om a k ed e e pr e s e a r c h e sa b o u tc b qs c h e d u l j l l gt e c h l l o l o g y ，m a i n l y i n c l u d i n gi t sb a s i cs t m c t u r c ，s c h e d u l i n ga r i t h m e t i cr e s e a r c h e sa i l ds o m ei m p o n a i l tp 猢e t e r s m e a n i n g l a s t ，w ei n t m d u c eb a l l d w i d t hm a n a g e m e n t sd e t a i l e di m p l e m e n t a t i o ni nz y n o ss y s t e m ， m a i n l yi n d u d i n gt h es t n i c t u r eo fb 孤d w i d t i lm a n a g e m e n t sm o d u l e si nz y n o s ，a l s 0 ，t h e i r r e l a t e dd a t as t m c t u r ed e f i n i t i o n s ，f i i n d i o n a l i m p l e m e n t a t i o n s a i l du s e r c o n f i g u r a t i o n i n t e r f a c e s i m d l e m e n t a t i o n s 1 【e yw o r d s ：坤q o s ，b a i l d w i d t hm a n a g e m e n t ，s e n r i c em o d e l ，n e t w o r kp m t o lp m c e s s i n g a n d s c h e d u l i n gt e c h n o l o g y ，z y n o s ，c b os c h e d u l i n gt e c h n o l o g y i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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 本人为获得江南大学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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：虱：垒日期：w 6 年6 月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学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，允许论文被查阅和借阅，可以将学位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、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名；麴! 亡金 导师签名； ! ! i 2 丛一 日期：1 廊己年6 月日 第一章绪论 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 i n t e r n e t 采用的是无连接的端到端的数据包交换，提供”尽力而为”( b e s t e f f o r t ) 服务模型的设计机制。这种机制的最大优点是设计简单，可扩展性强。i n t e r n e t 在过去 的十几年中经历了爆炸式的增长，这己经充分证明了这种设计机制的成功。然而这种优 势并不是没有代价的，随着i n t e r n e t 用户数量的膨胀。网络的拥塞问题变得越来越严 重。 另外，在i n t e r n e t 提供的”尽力而为”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 包都采用先来先处理的工作方式，它尽最大 努力将i p 包送达目的地。但对i p 包传递的可靠性，延迟等不能提供任何保证，这很适 合e m a i l ，f t p ，w w w 等业务。 但随着i n t e r n e t 的高速增长，i p 业务也得到了快速增长和多样化。特别式多媒体 业务的兴起，计算机已经不是单纯的处理数据的工具。而是越来越贴近生活，计算机的 交互越来越实时和生动，这对计算机互联网络也就相应的提出了更高的要求。对于那些 有带宽，延迟，延迟抖动等特殊要求的应用来说，现有的尽力而为的服务显然是不够的， 尽管由于网络技术的发展，网络带宽以及网络速度都得到了极大的提高，但需要通过网 络传输的数据却也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。 这使得网络带宽和网络速度依然是一个瓶颈问题。同时，近年来发展起来的一些新的应 用( 如多媒体应用，组播应用等) 不仅增加了网络流量，更因为这些应用改变了i n t e r n e t 上的流量性质，因而它们需要全新的服务要求。由于不具备服务质量的保证，不能预留 带宽，不能限定网络时延，因此，目前的因特网无法支持许多的应用( 如远程教学，远 程手术，远程会议和学术交流等) 。 带宽管理技术就是在这个背景下出现的一种简单有效的用来提高网络服务质量的 解决方案，尽管它不能完全解决网络上的服务质量问题，但是可以有效缓解网络服务质 量的压力，特别是能够提高网络上一些重要业务流量的服务质量性能，同时从整体上实 现对网络带宽资源的优化和管理，提高网络资源的利用率。本文主要从服务质量的角度 研究了带宽管理技术在z y n 0 s 系统中的设计和实现，对于研究带宽管理技术的发展和应 用也具有一定的参考意义。 1 2 课题研究的现状 带宽管理技术只是i pq o s 技术的一种解决方案之一，但它却包含了q o s 部件的所 有部分，可以看成是一个小型的q o s 系统，因此对带宽管理技术的研究离不开i pq o s 技术的发展情况。总之，带宽管理技术的发展总是伴随着i pq o s 技术的发展而不断得 到改进，提高的。从当前的研究成果看，i pq o s 主要有以下几种解决方案n 7 ”1 。 1 ：2 1 集成服务( i n t s e r v ) 针对i pq o s 的问题，i e t f 在早期提出了i n t s e r v ( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ) 模型。 i n t s e r v 模型又称为集成服务模型，其基本思想是在传送数据之前，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。为此，集成服务通常采 用面向流的资源预留协议( r s v p ) ，在流传输路径上的每个节点为流预留并维护资源。 主机利用r s v p 向网络为应用流提出q o s 的请求；路由器利用r s v p 将q o s 请求信息传给 流的路径中的其他路由器，并建立和保存该服务的信息；r s v p 请求将会使得沿着数据路 径的资源在路由器处预留。这种模型的优点是能提供端到端的绝对的q o s 保证，但由于 这种模型在实现上是非常困难的，主要体现在： ( 1 ) 由于预留是基于每个流而进行的，因此使得节点中要保留每个流的状态信息，导 致核心路由器负担太重，因此可扩展性很差。 ( 2 ) 网络中每个节点都要维护各类数据库，并实现复杂的功能模块( 如资源预留、路 由、接纳控制等) ，造成了极大的复杂性。 1 2 2 区分服务( d j f f s e r v ) 由于i n t s e r v 的局限性，i e t f 又提出了d i f f s e r v ( d i f f e r e n t i 8 t e ds e r v i c e s ) 模 型，又称为区分服务模型。区分服务模型的基本思想是在网络的入口处为每个数据包分 类，并在数据包中标记相应的区分服务代码点( d s c p ，d i f f s e r vc o d e p o i n t ) ，用于指 示数据包在网络转发路径的中间节点上被处理的方式。在网络内部的核心路由器中只保 存简单的d s c p 与p h b ( 每跳行为) 的对应机制，根据数据包头部中的d s c p 值对数据包 进行相应的优先级转发，而业务流状态信息的保存与流量控制机制的实现等都在网络边 界节点进行，内部节点是与状态无关的。 区分服务具有实现简单，扩展性好的特点。目前在i p 网中区分服务得到了绝大部 分厂家的支持，其具体实现技术包括分类、重标记、速率限制、流量整形、拥塞避免、 队列调度等。但区分服务也有自己的局限性，主要体现在： ( 1 ) 区分服务只承诺相对的服务质量，因而不能对用户提供绝对的服务质量保证。 ( 2 ) 在拥塞发生时，区分服务模型只能采取丢弃报文的方式，而不能采用例如旁路的 方式使部分流量通过其他路径到达终点。 ( 3 ) 对相同优先级的业务而言，设备在拥塞时对报文的丢弃是非智能化的，也就是说， 设备只能随机地丢弃报文，其结果是所有业务的服务质量都受到影响。而此时希望的结 果是只丢弃少部分业务流的报文，从而避免剩下的大多数的业务流的服务质量受到影 第一章绪论 晌。 1 2 3i n t s e r v 与d i f f s e r v 结合 目前业界还提出了把i n t s e r v 与d i f f s e r v 结合的方式，其思路为：在用户网络仍 使用r s v p ，在运营商的d i f f s e r v 网络边界将i n t s e r v 的业务类型映射为d i f f s e r v 的业 务类型，这样利用i n t s e r v 的架构来解决端到端的q o s ，同时也利用d i f f s e r v 来提供好 的扩展性。 但这种方法仍然存在i n t s e r v 的信令复杂、参于管理等问题，而且由于在运营商的 网络采用d i f f s e r v ，因此在这一段网络也只能提供相对的q o s ，从而使端到端的服务质 量得不到硬性的带宽保证。该方法目前仍处于一种理论的研究阶段。 1 2 4m p l s & q o s 利用多协议标签交换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 ) 技术，可以协助解 决q o s 问题。m p l s 是一种结合第二层和第三层的交换技术，引入了基于标签的机制，把 路由选择和数据转发分开，由标签来规定一个分组通过网络的路径。m p l s 网络由核心部 分的标签交换路由器( l s r ) 、边缘部分的标签边缘路由器( l e r ) 组成。 由于m p l s 采用标签交换来进行m p l s 转发，因此其转发效率高于传统i p 通过路由 器的转发，从而通过减少转发时间来提高q o s 。此外，m p l s 的报文头中包含一个3 b i t 的e x p 字段，通过该字段可以标记该m p l s 报文的优先级，从而使设备在转发该m p l s 报 文时能根据优先级标志进行区别对待。 这种方式的局限性在于：首先它必须基于m p l s 网络实现，而当前许多网络上并没 有实施m p l s ；另外随着近几年芯片技术的不断发展，路由转发与交换转发之间的性能差 异也越来越小；而且通过e x p 进行优先级区分实际上也是d i f f s e r v 的实现方式，因而 这种方式也不可避免地具有d i f f s e r v 所具有的一些局限性。 1 2 5 啊p l s i e s 旧o s 流量工程( t r a f f i ce n g i n e e r ) 是指为业务流选择路径的处理过程，以在网络中不 同的链路、路由器和交换机之间平衡业务流负载。其目标是在给一定节点与另一节点之 间计算一条路径( 源路由) ，该路径不违反它的约束( 例如带宽管理要求) ，并且从一 些数量指标看来是最优的。 m p l s 由于自身路由与转发分离的特点，适合与t e 的结合，形成m p l s t e 技术。应 用m p l s t e ，可以提高网络的q o s ，主要体现在： ( 1 ) 利用m p l s t e ，可以在多条可能的转发路径中进行负载平衡，从而避免拥塞，提高 q o s 。 ( 2 ) 应用m p l s t e ，通过r s v p - t e 信令创建一条具有严格的q o s 带宽保证的隧道，从而 江南大学硕士学位论文 支持绝对的q o s 。 ( 3 ) 可以通过备份l s p 、f r r ( 快速重路由) 等方式对隧道进行额外保护，从而提高网 络的q o s 。 但m p l s t e 也存在一些局限性，包括：首先它必须应用在m p l s 网络中，因此目前 部分非m p l s 现网无法支持该技术的应用；其次目前对m p l s t e 跨域的应用仍然在研究 阶段，这意味着当前m p l s t e 主要的应用只能在单个域中；另外，m p l s t e 虽然可为用 户创建具有带宽保证的隧道，但如果在隧道中同时传送多种业务时，如何对这些不同优 先级的业务进行区别处理也是需要研究的问题。 1 2 6 带宽管理 为了更有效地监视和控制全网的资源，在新一代的模型中，人们又提出了带宽管理 ( b a n d w i d t hm a n a g e m e n t ) ，也就是网络资源管理器的概念。带宽管理收集网络的拓扑 和节点及链路状态信息，管理网络资源，并且结合策略服务器规定的策略进行接纳控制。 同时，带宽管理还负责管理域之间的通信，通过与相邻网络域的带宽管理理通信来达到 跨域之间q o s 实现的目的。 带宽管理技术的优点是将q o s 控制层与数据传输层分离开，核心路由器不需要进行 接纳控制和q o s 状态信息保存，路由器之间也简化了或者说消除了q o s 信令，简化了路 由器的复杂性。此外这种方式支持绝对的q o s 保证，包括支持跨域的q o s 保证。还有就 是这种方式中网络资源被统一地控制与管理，有利于电信运营商把q o s 作为一种业务来 开展。 但目前带宽管理技术仍然处于研究阶段，带宽管理与业务层和承载层设备之间的信 令交互，以及带宽管理之间的信令交互都还在讨论之中。另外，这种方式对带宽管理的 要求很高，在某些情况下，如果同时申请资源的业务流个数很多，有可能会使带宽管理 成为网络中的瓶颈。 1 3i p 服务质量当前的主要问题 i pq o s 发展到今天，除了上述的技术外，还有很多模型以及应用技术的提出。这些 技术的产生与应用，确实给目前的i p 网部分提高了q o s 的支持能力。但总体上，还没 有完全解决当前i p 网所面临的q o s 方面的问题。具体说来，有以下几个大的方面还需 要进一步的研究。 ( 1 ) 如何提供业务端到端的q o s 端到端的q o s 是业务开展的必需条件。当前电信运营商正大力推广其增值业务，如 v o i p 、v o d 、v p n 等，都需要考虑如何对这些业务提供满足要求的端到端q o s 。此外，各 4 第一章绪论 种业务的q o s 需求不一致，包括带宽、延时、延时抖动和丢包率等，应分别根据其不同 的需求进行q o s 方面的考虑。 在目前的q o s 技术中，对端到端o o s 的支持都存在着不足：或者是实现过于复杂， 或者是不能提供绝对的q o s 保证，或者是实现的范围有限( 例如只能在某个域里) 。这 些都影响着端到端业务的开展。 从网络的角度讲，端到端的业务涉及到网络的各个层面。因此提供业务端到端的 q o s ，仍然要分别从网络的各个层面考虑。应分别考虑在接入网以及核心网对业务实施 的q 0 s 策略，特别是接入网。由于目前接入方式的多样性，包括以太网接入、d s l a m 接 入、专线接入、无线接入等等，这都需要考虑相应的q o s 策略。 从业务的角度看，对业务端到端q o s 的研究应包括以下几个方面。首先是q o s 测量， 即在业务发起前对业务所经过路径的q o s 性能进行测量，判断当前网络性能是否支持业 务的需求；然后是资源预留，通过全程的资源预留为业务提供硬性的带宽支持，由于业 务通常具有一定的持续性，资源预留方式可以更好地支持在一段对间内业务的q 0 s ：还 有就是业务监控，在业务运行时间里对业务进行监控，根据其服务质量以及当前网络状 况进行统计与调整。对于上述q o s 测量，资源预留，业务监控这三个方面的研究都还需 要加强。 ( 2 ) q o s 管理 q o s 由于自身具有端到端的特点，因此涉及到一个全网的q o s 管理问题，例如运营 商需要管理全网q o s 策略及一致性、网络资源信息、q o s 授权用户、计费信息等等，同 时需要监控各链路实时的性能，各用户的q o s 实施情况，并且最好能动态地进行调整。 对全网q o s 的可管理也是电信运营商非常关注的问题。 而传统路由器设备的管理，往往集中在设备本身，而不关心其他设备的状况。例如， 通常实现的关于q o s 的命令行以及m i b ，都只是关于设备本身的q o s 管理。而从整个网 络来看，缺乏一个统一的q o s 管理结构和应用方案。 目前对q o s 管理的研究，已经开始进行，例如前面提到的b b ，就是对整个网络资源 的管理。还有现在提出的基于策略的q o s 管理框架，通过在网络中部署策略服务器来达 到整个网络中所有设备q o s 策略的一致性。但这些研究还有待深入。 1 4 带宽管理的基本概念乜5 3 2 1 总的来说带宽管理是一个简单的概念，主要的思想就是能够按照一系列标准区分用 户流量，通过网络封包分类，流量分析等手段，为网络上传输的各种数据，流量等指定 优先级，设定排列顺序。例如，带宽管理允许管理员为h t t p 流量指定比s m t p 流量更 高的优先级，而s m t p 流量的优先级又高于f t p 流量的优先级。同时带宽管理解决方 案能够跟踪每个应用程序所使用的实际带宽，并对每种流量模式可以使用的带宽进行限 江南大学硕士学位论文 制。 为了实施管理员制定的带宽管理策略，可以使用各种方法。最简单的方法就是当数 据包达到某些限制，或者当一些预先分配的会话缓冲区溢出时，丢弃这些数据包。一些 更复杂的机制包括基于流量整形的策略控制机制和基于队列调度技术的策略控制机制。 基于流量整形技术主要针对t c p 进行速率控制，与队列调度方法不同的是，流量整 形技术希望通过控制发送端的发送速率来控制流量，从根本上避免拥塞，而不是在队列 中通过包丢弃来控制流量。流量整形的一个主要方法是t c p 速率整形( s h a p i n g ) ，即通 过修改t c p 的a c k 中携带的接受窗口或延缓a c k 的发送来抑制t c p 的速率，实现基于速率的 t c p 。这种方法可以为每个t c p 流量实现速率限制，从而实现不同t c p 流的带宽控制。流 量整形方法的优点是降低了路由节点的压力，同时减少了包的丢失率。 基于队列调度技术是最常见的带宽管理的方法。其基本思想是把需要控制的流量区 分出来， 送入不同的队列，通过队列调度实现对这些流量的控制，包括带宽的保证和 速率限制等。常用的队列调度算法包括加权公平队列( w f q ) ，基于类的队列调度算法 ( c b q ) 以及r e d 等等。 本课题就是对基于队列调度技术的策略控制作为其核心技术的带宽管理技术进行 的研究和实现，以达到对网络带宽的合理分配和控制。在后面的章节中陆续会对它有详 细的介绍。 1 5 本文的主要工作 ( 1 ) 详述了本文课题的研究意义，研究现状和当前存在的主要问题，主要对当前i p q o s 的几种解决方案集成服务，区分服务，i n t s e r v 和d i f f s e r v 的结合，m p l s q o s ，m p l s t e q o s 等进行了分析和介绍。重点介绍了技术现状、目前存在的问题、解决的思路 和技术方法。 ( 2 ) 分析和介绍了i pq o s 和带宽管理技术的基本概念，主要包括i pq o s 的基本定义 和发展现状，以及带宽管理的基本原理和几个重要的方案分析。 ( 3 ) 对l i n u x 系统中的网络协议处理调度技术进行了详细的分析和研究，提出了适 用于我们的z y n o s 系统的基于带宽的网络协议处理调度技术，并对使用该技术的c b q 队列 调度技术进行了深入的分析和研究。 ( 4 ) 对带宽管理在z y n o s 中的设计和实现进行了详细的介绍，主要包括z y n o s 带宽管 理的原理，带宽管理模块的重要数据结构和函数的实现，以及z y n o s 带宽管理的一些重 要的用户配置接口的实现等。 6 1 6 本文的组织 第一章是课题的相关背景总的概述。我们首先介绍了课题研究的意义，研究现状和 当前存在的主要问题，然后介绍了带宽管理的基本概念，对带宽管理的定义以及带宽管 理常用的策略方法进行了简单的概述，引出了本文研究的主要问题。 第二章主要分析和介绍了i pq o s 和带宽管理技术的基本概念，主要本文研究的课题 的基本原理， 几个重要的方案分析，以及i pq o s 的基本定义和发展现状进行了分析和 介绍。 第三章主要是对对l i n u x 系统中的网络协议处理调度技术进行了详细的分析和研 究，提出了适用于我们的z y n o s 系统的基于带宽的网络协议处理调度技术，并对使用该 技术的c b q 队列调度技术进行了深入的分析和研究。 第四章是本文最重要的部分，介绍了基于z y n 0 s 的带宽管理的设计和实现，主要对 z y n o s 带宽管理的原理，一些重要用户配置接口的实现，以及z y n o s 带宽管理主要模块的 数据结构实现和函数实现进行了详细的介绍，最后还对z y n o s 带宽管理设备进行了试验 测试和结果分析。 第五章结论与展望，对本文所研究的问题进行了进一步总结和归纳，同时又对带宽 管理技术的发展进行了展望，提出了我们对带宽管理的将来的研究方向等。 江南大学硕士学位论文 第二章ip 服务质量( 0 0 s ) 和带宽管理技术综述 2 1 l p 服务质量概述” 2 1 1i p 服务质量的出现 i n t e r n e t 作为信息时代的主要标志正风靡全球，鉴于i n t e r n e t 开发的新型业务 ( 如i p 电话i p 传真、i p 会议电视、i p 电子商务等) 层出不穷，i n t e r n e t 也正在从 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然而，目 前的i n t e r n e t 主要是基于传统的t c p i p 技术，所支持的基本服务类型只有一种， 即“尽力而为”( b e sl e f f o n ) 服务，其含义是不管提交给网络的业务流的类型是什 么，一旦进入网络就以先来先服务的方式对信息分组进行服务。 由于现有的i n t e r n e t 所提供的是“尽力而为”的服务，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 包部采用先来先服务 的工作方式，它尽最大努力将封包送达目的地。但对i p 包传递的可能性、延迟等不能 提供任何保证。这很适合e m a i l ，f t p ，w w w 等业务。但随着i n t e r n e t 的高速增长i p 业务也得到了快速增长和多样化，特别是随着多媒体业务的兴起，计算机已经不是单纯 的处理数据的工具而是越来越贴近生活，计算机的交互越来越实时和生动，这对计算 机互联网络也就相应地提出了更高的要求对那些有带宽、延迟、延迟抖动等特殊要求 的应用来说，现有的“尽力而为”的服务显然是不够的。尽管由于网络技术的发展，网 络带宽以及网络速度都得到了极大的提高但需要通过网络传输的数据却也几乎以与网 络发展速度相同的速度增加甚至超过网络发展的速度，这使得网络带宽与网络速度依 然是一个瓶颈问题同时，近年来发展起来的一些新的应用( 如多媒体应用，组播应用 等) ，不仅增加了网络流量，更因为这些应用改变了以往i n t e r n e t 上的流量性质，因而 它们需要全新的服务要求。由于不具备服务质量保障特性，不能预留带宽，不能限定网 络时延，因此，目前的因特网无法支持许多新的应用如远程教学、远程手术、远程会议 和学术交流等。 但是近年来，由于对多媒体应用的需求越来越大，i p 原有的“尽力而为”封包传输 功能己经明显不足，并且成为网络发展的瓶颈用户对不同的分布式多媒体应用有着不 同的服务质量要求，这就要求网络应能根据用户的要求分配和调度资源，正是在这种环 境下提出了i p 对q o s 的支持。为了解决在i n t e r n e t 等计算机网上高质量地传输多媒体 信息的问题，美国开始了以提高网络服务质量研究为核心的i n t e r n e t2 以及n g i ( n e x t g e n e r a t i o ni n t e r n e t ) 等研究项目因特网工程任务组i e t f 也成立了专门的工作小组 来研究多媒体服务质量的定义和相关的标准，不断地研究新的q o s 标准和完善q o s 功能 i pq o s 的引入将会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 管理技术综述 疑问，i pq o s 将是今后一段时间促 是一个综合指标，用于衡量使用 一个服务的满意程度。i p 服务质量在可预测，可测量性方面比传统的i p 有了很大提高， 基本解决了用户对多媒体信息传播质量的需求。另外i p 服务质量还带来了更高效的带 宽使用率等。可以说i p 服务质量将是今后一段时间促进i p 网络增长的关键技术。服务 质量就是网络单元能够在一定级别上确定它的业务流和服务要求得到满足。服务质量本 身并没有创造带宽，只是根据应用程序的需求以及网络状况来管理带宽。i p 服务质量， 有一套性能参数，主要包括： 业务可用性：用户到i n t e r n e t 之间连接的可靠性 传输延迟：信息流从源端到目的端的延迟 可变延迟：也称为抖动，指信息流在从源端到目的端的传递过程中的延迟的相对变化 吞吐量：信息流在网络中的传递速率，也可用平均速率和峰值速率来表示 包丢失率：信息流( 在i p 网络中以i p 包为单位传递) 在网络中丢失的包与总信息量 的比率。 在网络环境中，服务质量是一组服务要求，网络必须满足这些要求才能适应不同服 务级别的数据传输。不同的多媒体应用要求具有不同的服务需求，所以必须将这些服务 参数化，i s 0 用服务质量定义服务需求的一组参数，使得不同的多媒体应用可以使用 同一套服务。同时服务质量的实施可以使实时程序最有效地使用网络带宽。 2 1 3i p 服务质量要求 i p 服务质量从技术角度来看，是指网络系统各种性能尺度的综合，主要包括带宽， 吞吐量，丢包率，时延和抖动等方面。具体应用不同，对服务质量的各项指标的要求也 不一样。像长文件传输，要求传输速率高且分组丢失率低，但对时延和抖动不是太敏感： 而像活动视频会议，不仅要求传输率高，而且对时延和抖动也很敏感。 根据对服务质量的要求，可以将各种应用粗略的划分为以下三类： 弹性应用：这类应用对端到端的时延没有要求，如电子邮件，文件传输等。 适应性应用：这类应用能根据网络性能的变化调节服务质量和发送速率，但超过一定 界限后，服务质量会劣化直至无法忍受，如i p 电话，w e b 浏览等。 关键应用：这类应用要求有严格的对端到端时延保证，一旦失去时延保证则服务质量 迅速下降，例如视频会议，多播等。 9 江南大学硕士学位论文 2 2i p 服务质量现状8 1 0 r ”。1 6 1 其实，l p q o s 的重要性在很早以前就被意识到了，对l p q o s 的全面研究已经有很 长的历史，然而，目前i pq o s 的实际应用还远远不能满足业务的要求。本部分从两个 方面讨论i pq o s 的现状：一个是研究的现状，主要讨论现有的l po o s 体系结构；一 个是网络应用的现状。 2 2 1l p 服务质量架构 目前，i p q o s 有两个主流的体系结构：集成服务( i n t s e r v ) 和区分服务( d i f f s e r v ) 。 这两种体系结构都是针对完整的i pq o s 解决方案，力求全面的解决服务质量问题。 l 、集成服务 集成服务的主要思想是模拟面向连接的电路交换提供端到端的服务质量。为此，集 成服务通常采用面向流的资源预留协议( r s v p ) 在流传输路径上的每个节点为流预留并 维护资源。从这个意义上说，r s v p 在i n t s e r v 架构里面是一种q o s 信令和资源管理的协 议。集成服务的最大优点是能够提供端到端的服务质量保证。但是，由于i p 网络本身 是无连接的，在一个无连接网络上维护一个面向连接而且要求资源保证的通道不可避免 的带来了很大的复杂性。这些复杂性主要体现在两个方面： ( 1 ) 每流状态的维护，网络的节点必须为每个流维护状态，包括每个流的识别、 状态的更新、状态的建立等，当网络中流的数量大量增加时，会带来扩展性问题，并导 致节点设备的复杂性； ( 2 ) 要求路径上的每个节点支持，作为一个端到端的模型，要求在传输路径上的 每个节点都支持i n t s e r v 相关协议，这种要求与i p 网络松散的组织架构和非集中式的 运行模式是不相容的，这给i n t s e r v 的部署带来很大的困难： 因此，随着i pq o s 研究的发展，集成服务越来越被认为是不能满足i pq o s 的要求。 但是考虑到集成服务在性能方面的优势，许多人认为，在一定的范围内，通过和其他的 q o s 机制结合，集成服务模型仍然具有竞争力。目前的研究主要集中在如何降低集成服 务模型的复杂性，提高其可扩展性上，例如，采用基于汇聚流的集成服务、改进的r s v p 、 以及和区分服务结合等。 2 、区分服务 区分服务采用了和集成服务完全不同的思想。区分服务把提高q o s 可扩展性、降低 实现的复杂性作为出发点。为此，区分服务并不要求获得绝对的质量保证，而是充分考 虑了i p 网络的特点，采用了基于流分类的会聚流处理方式。其基本思想是在一个资源 有限的网络中，通过适当的流分类和优先级处理，可以提供足够的质量保证。区分服务 1 0 第二章口服务质量( o o s ) 和带宽管理技术综述 的基本方法包括几个方面： ( 1 ) 流量区分，根据流量的q o s 需求和策略控制区分流量，并赋予一定的优先级； ( 2 ) 总量控制，在资源有限的网络中，必须对进入网络的总流量，特别是高优先 级流量进行限制，通过带宽的冗余来保证质量： ( 3 ) 核心简化，在网络的核心，节点仅需要根据p h b ( 每跳行为) 来处理流量，无 需作复杂的控制： ( 4 ) 边界智能，因为边界节点的流量较少，在边界的复杂控制，包括分类，流量 限制等不会导致扩展性问题。 区分服务从某种程度上可以看作是在复杂性和扩展性与性能上的折衷。其主要缺点 是不能绝对保证质量，而且服务质量提供不是端到端的，而是限于一个区分服务域。但 是，区分服务能够很好的与i p 网络相适应，其可扩展性、实现的简单性、可操作性和 可部署能力使得区分服务逐渐成为目前主流的i pq o s 体系结构。目前，区分服务需要 解决的主要问题是如何实现资源管理和提供动态资源调度的信令机制。另外一个问题就 是，如何通过资源管理协调多个区分服务域以实现端到端的服务质量。 在两种i pq o s 的体系架构下，还有许多具体的q o s 实现技术，包括：q o s 路由、流 量工程、拥塞控制、队列调度等。这里不再一介绍。 2 2 2l pq o s 的应用现状 尽管i pq o s 体系结构已经提出了很长时间，但是目前在实际的i p 网络，特别是运 营商网络上部署完整的i pq o s 解决方案还很少。导致这种情况的原因有多方面：首先 是现有的技术还不够成熟，在性能、扩展性、可操作性等方面还存在不足：其次是部署 的复杂性，在全网上部署q o s 解决方案需要对整个网络进行调整和重新配置，尽管现有 的设备一般都支持q o s 能力，但是重新部署的复杂性很高，而且，这些方案的大规模运 营的可靠性和实际效果尚需验证；最后，现有网络部署q o s 的需求不足，体现在两个方 面，一个是i p 网络的业务仍以数据业务为主，对q o s 要求很高的实时业务尚处于起步 阶段，另一个是现有网络由于带宽增长等因素，对普通的业务能够提供很好的支持。 目前，随着实时的电信业务在i p 网络上运营的要求的增加，以及i pq o s 技术的日 趋成熟，可以认为，在i p 网络上部署q o s ，至少是部分的分阶段部署q o s 已经成为必然 的趋势。 下面，我们从网络结构的角度，对q o s 的现状进行进一步分析。 ( 1 ) 骨干网络的q o s 目前，随着传输网络技术的发展，特别是d w d m 等技术的发展，使得骨干网络的带 宽得到大幅度的增长。带宽的增长为服务质量减轻了压力。一般认为，在骨干网络上， 服务质量不是主要的问题。但是，随着网络流量的增加，特别是i p 网络的路经不确定 性和流量的突发行为，使得网络的流量具有较大的突发性和不均衡性。因此。仅仅依靠 1 1 江南大学硕士学位论文 带宽还不足以提供服务质量。因此，在骨干网络中提供服务质量可以有两种方法：一种 是采用流量工程，一种是部署区分服务模型。流量工程的部署比较简单，而且流量工程 可以在多个层面尚进行，如传输层、m p l s 层和i p 层。目前，流量工程的实施一般都是 静态手工实施或者半静态的实施，缺乏动态实时的进行流量工程的工具。因此，流量功 能很难对短期突发行为进行调节。区分服务从长远来看具有更完整的q o s 提供能力，通 过和流量工程、m p l s 等机制结合，可以发挥更大的作用。 ( 2 ) 汇聚接入网络的q o s 汇聚和接入网络的q o s 是一个比较复杂的问题。因为在汇聚层和接入层，一方面网 络的带宽要小，另一方面网络的情况比较复杂。涉及多种技术，如以太网、a t m 、f r 等。 一般，在这个层次采用区分服务的思想实现q o s 。即通过流量分类和优先级处理。实际 上，包括以太网、a t m 、m p l s 在内的多种网络技术都支持包的标记能力。这为包的区分 和标记提供了基础。而网络设备，特别是接入设备一般都提供流量分类、标记和限制的 能力。但是，受到设备、技术、管理等因素的制约，目前，在该层次部署完整意义上的 区分服务的并不多，尽管从技术上，在汇聚接入网络部署区分服务模型是一个可行的 方案。也是未来的一个发展趋势。 ( 3 ) 客户端网络的q o s 客户端网络指企业内部网络，包括小区网络。作为网络的终端部分，客户端网络的 q o s 需求更多的是资源的服务质量管理，包括带宽管理、s l a 监测等。客户网络可以通 过一些手段，在承载网络没有或者缺乏服务质量提供能力的情况下，部分的实现q o s ， 特别是q o s 管理能力。目前，主要的方法是通过带宽管理设备。这些设备