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基于带宽代理的网络o o s 的研究及仿真实现 中文摘要 随着互联网的普及，网络同人们的生活和工作已经密切相关。同时伴随互联 网用户的增多所出现的问题也越来越严重。除了我们众所周知的i p 地址匮乏外， 另外一个严重问题就是缺乏服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 保障。 现有的互联网所提供的是”尽力而为”( b e s t 。e f f o r t ) 的服务，在这种服务模型 下，所有的业务流公平地竞争网络资源，对i p 包传递的可靠性、延迟等不能提 供任何保证。而随着多媒体业务的兴起，对于那些有带宽、延迟、延迟抖动等特 殊要求的应用来说，”尽力而为”的服务显然是不够的。由于不具备服务质量保 障特性，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。因此，保证网络的服务质量成为了个迫切需要解决的问题。 本文中，我们深入研究了q o s 的体系结构，包括i e t f 提出的最著名的综合 服务体系结构( i n t s e r v ) 和区分服务体系结构( d i f f s e r v ) ，以及其他国际组织和团体 提出的i n t s e r vo v e rd i f f s e r v 和m p l s 网络。为保证网络端到端的q o s ，必须实 现对网络资源的管理，而这一功能就由资源管理器来实现，即当前讨论最多的带 宽代理。本文详细分析了带宽代理的体系结构、实现原理及相关的协议。然后， 对仿真工具o p n e t m o d e l e r 作了简单的介绍。 基于前面对q o s 相关机制的深入研究，我们提出了一种基于带宽代理的保 证网络端到端q o s 的实现方案，并通过仿真来实现。我们使用o p n e tm o d e l e r 设计仿真模型，在仿真建模的过程中，实现了带宽代理的基本功能，组建了整个 实验网络，并在最后作了两个对比实验在d i f f s e r v 网络上无带宽代理的网络 模型和基于带宽代理的网络模型的仿真实验，通过这两个仿真实验来验证基于带 宽代理保证网络q o s 的方案的正确性。 关键词：服务质量，综合服务，区分服务，带宽代理，接入控制 基于带宽代理的眦络q o s 的研究及仿真实现 a b s t r a c t w i t ht h eu n i v e r s a lu s i n go f i n t e m e t ，n e t w o r kh a sb e e nc l o s e l yc o n n e c t e dw i t h p e o p l e sl i v e sa n d w o r k a n dt h em o r et h en u m b e r o f p e o p l eu s i n gi n t e m e t i s ，t h e m o r es e r i o u st h ee m e r g i n gp r o b l e m sa r e e x c e p to f t h el a c ko f i pa d d r e s s ，a n o t h e r s e r i o u sp r o b l e mi st h el a c ko fq u a l i t yo f s e r v i c e t h ec u r r e n ti n t e r a c tp r o v i d e sb e s t e f f o r ts e r v i c e s i nt h i ss e r v i c em o d e l ，a l lo f s e r v i c e t r a f f i c sf a i r l yo c c u p yn e t w o r kr e s o u r c e ，a n da n yr e l i a b i l i t ya n dd e l a yf o ri pp a c k e t s a r en o tg u a r a n t e e d w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f m u l t i m e d i as e r v i c e s ，t h ec u r r e n t b e s t e f f o r ts e r v i c e so b v i o u s l ya r ei n s u f f i c i e n tf o rt h o s ea p p l i c a t i o n sw i t hs o m es p e c i a l d e m a n d ss u c ha sb a n d w i d t h ，d e l a y ，d e l a yj i t t e ra n ds oo n s i n c et h ec u r r e n ti n t e m e t h a s n tt h ec h a r a c t e ro ft h eg u a r a n t e eo fq o s ，i tc a n ts u p p o r tm a n y n e w a p p l i c a t i o n s ， s u c ha sr e m o t et e a c h i n g ，r e m o t eo p e r a t i o na n da c a d e m i ce x c h a n g e e t c ，s o g u a r a n t e e i n g n e t w o r kq o sb e c o m e sa p r o b l e m t h a tn e e d sr e s o l v e di m m e d i a t e l y i nt h i st h e s i s ，w ed e e p l yr e s e a r c h e dt h ea r c h i t e c t u r e o fq o s ，i n c l u d i n gi n t s e r v 、 d i f f s e r vp r e s e n t e db yi e t f , a n di n t s e r vo v e rd i f f s e r v 、m p l sn e t w o r kp u tf o r w a r d b yo t h e ri n t e m a t i o r m lo r g a n i z a t i o n t og u a r a n t e en e t w o r ke n d - t o e n dq o s ，w em u s t i m p l e m e n tt h em a n a g e m e n t o fn e t w o r kr e s o u l c e t h em a n a g e m e n ti sf i n i s h e db yt h e r e s o u r c em a n a g e r _ t l l eb a n d w i d t hb r o k e rw h i c hi sd i s c u s s e dm o s tc u r r e n t l y i nt h i s p a p e rt h e a r c h i t e c t u r eo fb b t h ep r i n c i p l eo fi m p l e m e n ta n dp r o t o c o lr e l a t e dt o b a n d w i d t hb r o k e ra r ec a r e f u l l ya n a l y z e d a n dt h e nw e i n t r o d u c e dt h es i m u l a t i o nt o o l o p n e tm o d e l e r b r i e f l y b a s e do nt h e d e e pr e s e a r c ho ft h e m e c h a n i s mr e l a t e dt oq o s ，w ep r o p o s e da n i m p l e m e n t a t i o np l a nt og u a r a n t e et h ee n d t oe n dq o sb a s e do nb b ，a n d p r o v i d e d t h e p r o c e s so fs i m u l a t i o n w ei m p l e m e n t e d t h es i m u l a t i o nb yu s i n go p n e tm o d e l e ri n t h ep r o c e s so fs i m u l a t i o nm o d u l e ，w ea c c o m p l i s h e dt h eb a s i cf u n c t i o no fb a n d w i d t h b r o k e r , c o n s t r u c t e dt h e w h o l ee x p e r i m e n tn e t w o r k ，a n da tl a s tm a d et w oc o n t r a s t e x p e r i m e n t s - - - - t h e n e t w o r km o d e ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n tw i t h o u tb ba n dt h eo t h e r o n ew i t hb bi nd i i t s e r v l a s t l y , t h r o u g ht h i st w os i m u l a t i o ne x p e r i m e n tw ev e i l f yt h e i i 基于带宽代理的网络o o s 的研究及仿真实现 c o r r e c to f t h e g u a r a n t e eo f t h e n e t w o r kq o s p r o j e c tb a s e d o nb b k e yw o r d s ：q u a l i t yo fs e r v i c e ，d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ，b a n d w i d t hb r o k e r , a d m i s s i o n c o l l t r 0 1 i i i 附件三 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。 据我所知，除了文中特舁j 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，也不包含为获得电子科技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已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 签名： 煎：j 亟 日期：z 。b 年年，z 月佶日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，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。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编八有关数据库进 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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日，一， 签名：垫堑。塑 导师签名：徐况 日期：动。牛年l2 ，月l 孓日 桀于带宽代理的嘲络q 0 5 的研究及仿真实现 i p i e t f q o s r s v p i n t s e r v d i f f s e r v c o p s c o p s p r b b n s i s d s c p t o s p h b s l a s l s m p l s m p l s t e p d p p e p l d a p t c p 丁c a 缩略语 i n t e m e tp r o t o c o l i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e q u a l i t y o fs e r v i c e r e s e r v a t i o np r o t o c o l i n t e g r a t e ds e r v i c e d i 行：r a t i a t e ds e r v i c e c o m m o n o p e np o l i c ys e r v i c e c o p s p o l i c yp r o v i s i o n i n g b a n d w i d t hb r o k e r n e x t s t e pi ns i g n a l i n g d i i t s e r rc o d ep o i n t t y p e o fs e r v i c e p e rh o pb e h a v i o u r s e r v i c el e v e la g r e e m e n t s e r v i c el e v e ls p e c i f i c a t i o n m u l t i p l ep r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g m p l st r a f f i ce n g i n e e r p o l i c yd e c i s i o n p o i m p o l i c ye x e c u t a t i o n p o i m l o c a ld e r e c t o r ya c e s sp r o t o c o l t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l t r a f f i c c o n d i t i o n i n ga g r e e m e n v 1 网络协议 互联网工程工作组 服务质量 预留协议 集成服务 区分服务 公共开放策略服务 c o p s 策略配置 带宽代理 下代信令 区分服务编码点 服务类别 每跳行为 服务级别协议 服务级别规定 多协议标签交换 m p l s 流量工程 策略决策点 策略执行点 目录访问协议 传输控制协议 流量调节约定 基于带宽代理的网络q o s 的研究及仿真实现 第一章引言 1 1 课题背景 i n t e m e t 近年来以惊人的速度蓬勃发展，已逐步由单一的数据传送网向数 据、语音、图像等多媒体信息的综合传输网演化，需要提供端到端的q o s 控制 和保证。现有的“尽力而为”服务己无法满足网络服务的需求。在高速网络中 按照用户的要求提供q o s 控制是一个普通的要求，也是i n t e r n e t 发展的重要挑 战。 自从计算机系统诞生开始，就一直存在提高系统的服务性能和服务质量的 问题。而对于计算机网络q o s 的研究可以追溯到2 0 世纪8 0 年代初期。那时， 尽管网络的性能还比较低，提供的服务种类也比较少，但一些有远见的研究者 已经认识到服务质量的重要性。s e i t z 和w o r t e n d y k e 等人在研究a r p a n e t 中 的x 2 5 通信时已提出基于用户的性能评价问题，这是关于计算机网络q o s 研 究的最早文献。在早期的o s i 协议制定中，也为服务质量的一些参数留有相应 的表示手段，但一直空缺未用。很长的一段时间，由于计算机网络的性能所限， 人们对q o s 的关注只停留在数据流传输中的j 下确率、吞吐蠡和延迟等单一服务 质量的评价和控制上。直到2 0 世纪8 0 年代末期，随着b i s d n 技术以及a t m 交换网的出现和分布式多媒体应用的急剧增加，人们才开始系统的对q o s 管理 和控制进行较为深入的研究。一些实验性系统也应运而生，代表性的有英国兰 统、国际合作项目t i n a c 工程、美国加州伯克利大学的t e n e t 工程、i b m 公 司黑森伯格欧洲网络忠心的h e i p r o j e c t 工程，等等。 随着i n t e m e t 商业化的巨大成功，网上传输的多媒体信息迅速增多，网络拥 塞现象日益严重，i n t e m e t 的q o s 问题研究也随之开始深入。i e t f 于1 9 9 7 年9 月开始制定了有关q o s 定义与服务的一系列r f c 标准，典型的工作是提出了 两种不同的i n t e m e tq o s 体系结构：综合服务和区分服务。到目前为止，q o s 控制技术的研究和开发都进展的非常迅速，并且已经取得了许多基本的成果， 国内也于近些年开始了有关q o s 控制方面的研究。 i p q o s 在可预测、可测量性方面比传统i p 有了很大提高，基本解决了商业 用户的需求，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。有了i pq o s ，服务提供商就可以通过吸引更多的商、l e 基于带宽代理的网络q o s 的i i j t 究段仿真实现 用户、更高价位的业务级别以及更高效的带宽使用等来获得更大的收益。因此 可以说i pq o s 将是今后一段时间促进i p 网络增长的关键技术。 尽管i pq o s 的研究工作已经进行了很长一段时间，但是人们普遍认为目前 还未出现一个成熟的体系架构、支持硬件以及相应的操作技术。但无论怎样， 计算机网络的q o s 问题已经成为国际网络研究领域公认的最重要、最富有魅力 的研究领域之一。 1 2 课题任务简介及本人工作 本课题是中兴通讯股份有限公司技术中心研究部一个预言项目下一代 网络q o s 的研究及仿真。课题主要任务是进行q o s 研究，提出有效的解决方案， 并通过o p n e t 进行仿真。 在这个项目中，本人的主要任务是研究q o s 体系结构、国际上相关领域研 究组提出的q o s 解决方案、带宽代理原理及工作机制，以及与带宽代理相关的 一些协议。密切配合课题组的其他成员，积极参与q o s 解决方案的分析、q o s 网络架构方案的设计，在使用o p n e tm o d e l e r 进行的网络仿真中，本人负责带宽 代理上接入控制模块网络状态信息更新子进程及带宽代理和路由器上 c o p s p r 模块仿真建模的设计与实现，并通过网络仿真模型的实验验证了基于 带宽代理保证端到端的q o s 方案的正确性，圆满完成了任务。 1 3 本论文结构 本论文共分为六章。 第一章：引言。介绍本课题的背景和来源，课题的任务简介及本人所作的 工作以及本论文的结构。 第二章：q o s 的体系结构。主要分析了q o s 的体系结构：i n t s e r v 、d i f f s e r v 、 i n t s e r vo v e rd i f f s e r v ，以及m p l s 网络的q o s 控制机制。 第三章：带宽代理b b 及其相关协议介绍。首先，介绍了带宽代理b b 的 体系结构、工作原理及其在网络中的作用，并分析了集中式带宽代理和分布式 带宽代理各自的优缺点。然后，对带宽代理b b 的相关协议进行了简单的介绍。 第四章：o p n e tm o d e l e r 与网络仿真。主要对仿真工具o p n e tm o d e l e r 进行 了介绍。介绍了o p n e t m o d e l e r 的仿真平台，使用o p n e t m o d e l e r 进行仿真的流 程，以及建模的方法。 基于带宽代理的网络q o s 的研究及仿真实现 第五章：使用o p n e tm o d e l e r 进行基于b b 的网络q o s 的仿真。首先，介 绍了整体的仿真架构及总体设计模型。然后介绍各模块的详细设计与建模，重 点介绍了本人负责的模块：带宽代理上接入控制模块子进程及带宽代理和路由 器上c o p s p r 模块的建模。 第六章：q o s 仿真试验及结论。 基于带宽代理的两络q o s 的研究及仿真实现 第二章q o s 的体系结构 2 1q o s 定义及概述 q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) ，即服务质量。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、抖动、 丢失率、吞吐率等性能指标。此处的服务具体指数据包经过若干网络节点所接 受的传输服务，强调端到端或网络边界到网络边界的整体性。q o s 反映了网络 元素( 如应用程序、主机或路由器) 在保证信息传输和满足服务要求方面的能 力。另一种描述为：q o s 是指发送和接收信息的用户之间以及用户于传输信息 的综合服务网络之间的关于信息传输的质量约定。该约定可以被理解为服务提 供者与用户之间的一份契约，即服务提供者承担支持给定的服务质量，当且仅 当用户按照约定的信息流特征产生数据。换句话说，服务质量包括用户的要求 和网络服务提供者的行为两个方面。用户的要求是指用户在i n t e m e t 上进行多媒 体通信时所要求的服务类型以及相应的传输性能和质量等：网络服务提供者的 行为指i n t e m e t 针对某一类服务所能提供和达到的性能与质量。 q o s 控制的目标是为i n t e r n e t 应用提供服务区分和性能保证：服务区分是指 根据不同应用的需求为其提供不同的服务：性能保证则要解决诸如带宽、丢失、 延迟、抖动等性能指标的保证问题。然而，服务质量不单单是网络的事情，而 是应用程序、用户终端、网络、服务器各部分的综合效应。例如，一个用于远 程视频播放的端到端活动，就可能由以下几部分组成：从媒体服务器获得视频， 在源地进行压缩，通过i n t e m e t 将其传送到目的地，在目的地进行解压缩，并根 据播放窗口的大小对视频按比例进行调整，最后在视频窗口播放。在端到端路 径上，任何一个环节不符合q o s 的要求，都会影响播放的完整性。 在网络内部的路由器、交换机的端口以及端主机系统中，为了保证用户要 求的q o s ，必须进行资源预留，并采用相应的资源调度算法，这就需要相应的 资源预留协议和资源调度算法。除了上述机制以外，将q o s 控制过程引入 i n t e m e t 、参数化的q o s 描述以及q o s 维护、q o s 降级等控制管理机制也是必 不可少的。 q o s 框架分为三个层次，包括控制层，数据层和管理层。其中控制层主要 是完成资源预留、接纳控制、q o s 路由等功能；数据层主要完成数据包的转发、 4 基于带宽代理的网络q o s 的研究及仿真实现 数据包分类、拥塞避免等等。管理层跨越了两个层次，与两个层次均有交互， 它既负责检测和监视业务流的情况，同时又与控制层进行服务级别约定的协商 和管理。这里我们的研究重点是控制层，与管理层有少量交互。 圈2 - 1q o s 层次结构图 i p 网络如何提供服务质量q o s 支持这一问题现已成为业界关注的焦点。对 于由q o s 控制来实现q o s 保证，国际上不同组织和团体提出了不同q o s 体系 结构，其中最著名是i e t f 组织提出的两种不同的i n t e m e tq o s 体系结构：综合 服务( i n t e r g r a t es e r v i c e s ，i n t s e r v ) 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 t t s e r v ) 。 当前已有的q o s 服务模型和机制主要有i n t s e r v 、d i f f s e r v 、i n t s e r vo v e rd i f f s e r v 和m p l s 网络的q o s 控制机制等。下面的章节中详细介绍这几种q o s 服务模 型。 2 2 综合服务体系结构i n t s e r v 为了满足i n t e m e t 多媒体应用实时传输的要求，i e t f 定义了综合服务模型 i m s e r v 。r f c l 6 3 3 给出了i n t s e r v 的框架。 2 2 1i n t s e r v 模型 i n t s e r v 服务模型将资源预留协议r s v p 作为i n t s e r v 结构中的主要信令协 议。其基本思想就在于以资源预留的方式来实现q o s 保证，r s v p 是其核心部 分。它利用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，从而保证了沿着该通道传输的数据流能 够满足q o s 要求。但为了支持这种能力，数据包所经过的每个网络元素( 子网 和i p 路由器) 都必须自够支持r s v p 。 基于带宽代理的嘲络q o s 的研究及仿真实现 在服务的层次上，i n t s e r v 提供了3 种级别的服务： 尽力而为型服务( b e s t e f f o r ts e r v i c e ) ：这实际上就是传统的因特网所提供 的业务，该类型业务不提供任何q o s 保证。 保证型服务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) ：该类型业务通过协调控制各网络单元的 执行参数，为数据流提供类似于虚电路连接的端到端传输通道，确保严格的端 到端传输延时，并且当网络负载过重时，不会被丢弃。常用于需要严格保证无 丢失、准确达到的实时传输应用上。 负荷受控型服务( c o n t r o l l e d l o a ds e r v i c e ) ：该类型业务类似于网络轻负载 下的尽最大努力传送服务。它与尽最大努力传送的主要区别在于当网络负载较 重时，c s 流不会明显的恶化，其丢包率和延时大于某一阈值的概率极小。而尽 最大努力传送流在网络重负载时会有很大的延时或丢包率。c s 常用于延时敏感 型应用，如网络视频系统。 在结构层次上，i n t s e r v 的实现模型可以分为主机和路由器两种。路由器实 现模型内部主要包括四个模块：信令协议r s v p ，接入控制器( a d m i s s i o nc o n t r o l r o u t i n e s ) ，分类器( c l a s s i f i e r ) 以及包调度器( p a c k e ts c h e d u l e r ) 。主机的实现 模型与路由器相似，只是多了一个应用部分。 在实现层次上，i n t s e r v 需要所有路由器在控制路径上处理每个流的信令消 息并维护每个流的路径状态和资源预留状态。在数据路径上执行流的分类、调 度和缓冲区管理。具体而言，资源预留协议r s v p 负责逐点( h o p - b y h o p ) 地 建立或者拆除每个流的资源预留软状态( s o f ts t a t e ) ，也即建立或拆除数据传输 路径；接入控制器将决定是否接受一个资源预留请求，其根据是链路和网络节 点的资源使用情况以及q o s 请求的具体要求：分类器将传输的数据包按类分成 不同的传输流，i n t s e r v 常用的分类器是多域( m u l t i f i e l d ，m f ) 分类器，当 路由器接收到数据包时，它根据数据包头部的多个域( 如5 元组：源i p 地址， 目的i p 地址，源端口号。目的端口号，传输协议) ，将数据包放入相应的队列 中；调度器则根据不同的策略对各个队列中的数据包进行调度转发。 i p 网络q o s 问题的研究促进了i n t s e r v 体系结构和r s v p 信令协议的发展。 r s v p 协议是为支持综合服务模型而设计的，它解决了应用的q o s 需求问题， 承诺对每个流的服务，使应用能够将每个流的请求信号发送给网络。在进行接 基于带宽代理的髓络q o s 的研究及仿真实现 纳控制时，使用综合服务参数( 如流参数t s p e c 和r s p e c ) 来量化这些服务请求。 实际上，r s v p 信令协议依靠一种动态的虚电路连接机制而改变了整个网络的 体系结构。i n t s e r v 是基于每个流的( p e r - f l o w ) 、状态相关( s t a t e f u l ) 的体系结 构，能提供较好的q o s 保证。 2 2 2 资源预留协议r s v p r s v p 早在1 9 9 3 年就被提出，用于为i p 网提供q o s 能力。1 9 9 7 年初i e t f 批准r s v p 成为r f c 文件，在i n t s e r v 工作组内进行标准制定工作。r s v p 是一 种提供预留设置和控制以实现综合服务的协议，是所有q o s 协议中最复杂的。 r s v p 资源预留请求包括流规格说明( t s p e c ) 、资源预留规格说明( r s p e c ) 和 过滤器规格说明( f i l t e rs p e c ) ，它们一起称为”流描述符”( f l o wd e s c r i p t o r ) 。 资源预留请求中的流规格说明通常包含服务类型和数字参数集合。预留说明和 业务流说明决定于综合服务模型并且对r s v p 来说是透明的。过滤器规格说明 的格式依赖于所使用的网络层协议，即i p v 4 或i p v 6 。目前所用的r s v p 中定义 的基本过滤器规格说明格式具有严格的形式：发送端i p 地址和可选的t c p u d p 端口号。在服务保证、资源分配的粒度和对保证q o s 应用及用户反馈的细节等 方面r s v p 都能提供最高级的q o s 。归纳起来，r s v p 有以下6 个特点： 在每一个路由器中的预留是”软“的，这意味着需要由接收者周期地更新。 r s v p 不是传输协议而是网络( 控制) 协议，它不携带数据，依靠当前的 路由协议，和t c p 或u d p 数据流并行工作。 应用要求a p i 决定流的初始预留请求，并且接收在经过初始请求和全过程 中预留成功或失败的通知。 为了能够容纳大量不同的接收者，预留是以接收端驱动的 ( r e c e i v e r - d r i v e n ) 。 多播的预留在上行的数据流复制点上被结合。 r s v p 数据流可以通过不支持r s v p 的路由器，这会在q o s 链上产生i b 链 路，在这些弱链路上无法提供q o s 保证，因而此时的服务就是尽力而为 型的。 使用r s v p 信令建立数据发送路径以及为业务流预留资源的过程如下： 1 发送端向接收端发送一个包含业务流规格说明( t s p e c ) 的p a t h 消息， 基于带宽代理的网络q o s 的研究及仿真实现 其中包含了业务流标识( 9 0 目的地址) 及其业务特征，包括所需要的带宽 的上下限，延迟以及延迟抖动等。如图2 - 2 中所示。 2 该消息由沿路径的路由器逐跳传送，并且每个路由器都被告知准备预留 资源，从而建立一个”路径状态”，该状态信息包含p a t h 消息中的前一 跳源地址。如图2 2 中、所示。 3 接收方收到此消息后从业务特征和所要求的q o s 计算出所需要的资源， 向其上游节点发送一个资源预留请求r e s v 消息，该消息中包含了 t s p e c 、r s p e c 以及f i l t e rs p e c ，其主要包含的参数就是要求预留的带宽。 如图2 2 中所示。 4 r e s v 是沿p a t h 的发送路径原路返回的，沿途的路由器收到r e s v 消 息后，调用自己的接纳控制程序以决定是否接受该业务流，如果接受， 则按要求为业务流分配带宽和缓存空间，并记录该流状态信息，然后将 r e s v 消息继续向上游转发：如果拒绝，则向接收端返回一个错误信息 给接收端以终止呼叫( 接收端会发送一个消息通知已经过的路由器释放 预留的资源，以及在路由器上保存的p a t hs l a t e ) 。如图2 2 中所示。 5 如果源端接到r e s v 消息，则表明数据流的资源预留已经成功，可以开 始向接收端发送数据。如图2 2 中所示。 6 当数据流发送完毕，路由器可以释放先前设置的预留资源。 图2 - 2r s v p 建立传输路径以及预留资源的过程 基于带宽代理的网络q o s 的研究及仿真实现 2 2 3i n t e s e r v 的局限性 i n t s e r v 有很好的q o s 保证，使用r s v p 的软状态特性可以支持网络状态的 动态改变与组播业务中组员的动态加入，同时利用r s v pp a t h 与r e s v 的刷 新，还可以判断网络中相临节点的产生与退出，并实现网络资源的有效分配。 经过多年的研究，i n t s e r v 已初具规模，但其中的问题也逐步显现出来。 i n t s e r v 是基于流的、状态相关的体系结构，依赖于每个流的状态和对每个 流的管理。这种实现机制一方面使i n t s e r v 比状态无关的体系结构能够提供更高 的灵活性和更好的服务级别保证的服务，但同时也导致了i n t s e r v 的可扩展性问 题和鲁棒性问题，后果是实现复杂，难于应用。 在i n t s e r v 体系结构中，网络中每个节点都要维护各类数据库( 例如：对于 使用链路状态协议的q o s 路由，路由器必须同时维护链路状态数据库和q o s 路由表：网络中的资源管理器必须维护资源数据库等) 并实现复杂的功能模块 ( 如资源预留、路由、接纳控制等) 。r s v p 信令协议提供q o s 协商机制；各网 络节点建立和维护预留信息，并根据自身资源状况对用户的预留请求进行接纳 控制；数据传输时各网络节点监控传输流，并提供相应服务。这种完全分布式 的控制带来了极大的复杂性。 总之，i n t s e r v 和r s v p 在整个i n t e m e t 网络应用中存在如下的局限： 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，因此扩展性差； 不适合用于业务量较小的流。因为这种情况下为该流预留资源的开销很 可能大于处理流中有效数据的开销。但是，目前i n t e m e t 流量绝大多数是由业务 量较小的突发流构成的( 如w e b 应用) ，当这些流只需要一定程度的q o s 保证 时，集成服务模型的效率很低。 3 1 对路由器的要求较高，实现复杂。 因而，i n t s e r s v p 只适用于网络规模较小、业务质量要求较高的边缘网 络。 2 3 区分服务体系结构d i f f s e r v 在i n t s e r v 体系的发展遭遇巨大障碍的时候，d i f i b e r v 应运而生。事实上， 也正是i n t s e r v 的推动者缔造了d i f r s e r v 从这个意义上讲，二者是一脉相承 9 基于带宽代理的网络q o s 的研究及仿真实现 的，因而d i f l s e r v 与i n t s e r v 结合的问题自然也贯穿了整个d i f f s e r v 的发展过程。 2 3 1d i f f s e r v 概述 d i f f s e r v 的目标在于简单有效，以满足实际应用对可扩展性的要求，其实现 途径是： 1 简化网络内部节点的服务机制。在内部节点只进行简单的调度转发，而 流状态信息的保存与流监控机制的实现等只在边界节点进行，内部节点 是状态无关的。 2 简化网络内部节点的服务对象。采用聚集传输控制，服务对象是流聚集 ( s t r e a ma g g g r e g a t e ) 而非单流，单流信息只在网络边界保存和处理。 具体而言，边界节点根据用户的流规定和资源预留信息将进入网络的单流 分类、整形、聚合为不同的流聚集，这种聚集信息存储在每个i p 包头的 d s ( d i f f e r e m i a t e ds e r v i c e ) 标记域中，称为d s 标记( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c ec o d e p o i n t ，d s c p ) ；内部节点在调度转发i p 包时根据包头的d s c p 选择提供特定质 量的调度转发服务，其外特性称为逐点行为( p e r - h o p b e h a v i o r ，p h b ) 。网络边 界对单流做分类聚合与网络内部对聚集流提供特定质量的调度转发服务，这两 个过程通过i p 包头内的d s c p 协同起来。 除实现简单外，区分服务体系还具有以下特点： 1 层次化结构。分为d s 区域( d sd o m a i n ) 与d s 区( d sr e g i o n ) 两级。 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，d i 目f s e r v 区则是由连续 的d s 区域构成。在d s 区域内，服务提供策略与p h b 的语义和实现要一致； 但d s 区内的各d s 区域可以支持不同的p h b 、有不同的服务提供策略，它们 之间通过服务层协议( s e r v i c el e v e l a g r e e m e n t ，s l a ) 与传输调节协议( t r a f f i c c o n d i t i o n i n g a g r e e m e n t ，t c a ) 协调以提供跨区域服务。这种结构适应了i n t e r n e t 中由各i s p 提供接入服务的商业模式。 2 总体集中控制策略( 与i n t s e r v 分布式控制相对照) 。网络资源的分配由 总体服务提供策略( s e r v i c ep r o v i s i o n i n gp o l i c i e s ) 决定，包括在边界如何分类聚 合流，在内部如何调度转发流聚集。 3 刑用面向对象的模块化思想与封装思想，增强了灵活性与通用性。各逻 辑模块相对独立，并有多种组合。少量模块可组合实现多种服务，并在发展过 1 0 基于带宽代理的网络q o s 的研究及仿真实现 程中保持模块的可重用性。例如，服务类型与边界调节器( c o n d i t i o n e r ) 和内部 p h b 相对独立，使得较少种类的边界调节器和内部p h b 可进行各种不同的组 合以实现多种服务类型：而且随着进一步研究发展可能有更多服务类型出现但 仍可以重用已有模块构造。再如，p h b 与p h b 的具体实现机制相分离，使p h b 可以在发展中保持相对的稳定，这给商家留下了施展的天地。 4 不影响路由。与一些以虚电路方式实现q o s 方案( a t m ，m p l s ) 以及 服务类型标记方案不同，区分服务节点处提供服务的手段仅限于队列调度与缓 冲管理，不涉及路由选择机制。 2 3 2d i f f s e r v 体系结构 目前d i f 】s e 仍在不断发展，其相关概念、模型的定义仍处于讨论阶段。到 现在为止，d i f l s e r v 的体系结构已比较明确，在此基础上，有关服务提供的相 关问题包括服务定义、设置、管理等细节也在逐步清晰化。d i 自f s e r v 模型 从软件工程中概念模型的角度讨论了在路由器中实现区分服务所需各种模块的 组织结构。区分服务体系结构示意图如图2 3 所示。 图2 - 3 区分服务体系结构示意图 其中的d i f f s e f v 区域是由一些相连的d i 腮e r v 节点构成的集合，它们有统 一的服务提供策略，且实现致的p h b 组，比如某个i s p 的网络或者内部网。 基于带宽代理的网络q o s 的研究及仿真实现 每个d s 区域通过边界节点与非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。 这样，当有数据流进入d s 区域时，入口节点对其进行分类、调节，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、 标记、整形、丢弃等，以使输入流符合s l a ，同时在包头标记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 ra 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 ) 则是由连续的d s 区域构成。一个d s 区内的不同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 ，区分服务可以扩展到多个d s 区域。 在图2 - 3 中，我们假设客户端网络已经和i s p 建立了相应的s l a ，i s p 之间 也建立了t c a 。如果客户端网络中的主机a 向另一客户端网络的主机b 发送 数据流，则数据包在客户端网络中路由到达与它直接相连的i s p 的网络n 1 ，边 界路由器e 1 根据用户与i s p 之间的s l a 通过查看数据包的头部信息对它进行 分类、监控、标记以及整形，以使它符合s l a 。被标记了d s c p 的数据包在n 1 中传输，直到到达n 1 的出口节点。在n 1 的出口节点，边界路由器根据n 1 与 n 2 之间的t c a 对业务流进行整形，使它符合n 1 与n 2 网络之间的t c a 。业 务流依次通过中间的每个i s p ，最后到达接收端所在的客户端网络。 下面详细介绍d i f 】f s e 的各个组成部分及相关的一些定义。 d s 字段 d s 字段是包含在分组首部的比特语法格式，它指示了分组在网络中转发时 应接受的服务。i p v 4 中的t o s ( 服务类型) 和i p v 6