（计算机应用技术专业论文）基于服务的网络端系统QoS的研究.pdf

摘要 摘要 随着i n t e m e t 的迅速发展，需要更好网络服务的网络应用也越来越多，比如 网络电话、视频点播、网络会议等。目前因特网只能提供“尽力而为 的服务， 而不能为网络应用提供其所需的服务质i ( o o s ) 。为了在因特网上提供q o s ，目前 已提出了多种解决方案，如综合服务、区分服务等。但是由于因特网体系结构本 身的限制，这些方案离真正实用还有很远的距离。 为了满足不同网络应用各种各样的q 0 s 要求，本文从体系结构方面对网络提 供q o s 支持进行了深入研究。基于层次体系结构的t c p i p 网络在支持q o s 方面 有许多固有缺陷。虽然目前骨干网上支持o o s 的传输已经具有一定基础，但是在 网络端系统上支持o o s 还面临着许多问题。 非层次体系结构的出现对于改进网络服务质量提供了新的思路。服务元网络 体系结构( s u n a ) 是一种新型的非层次网络体系结构。本文从端系统角度对s u n a 的一种具体实现基于服务的网络系统( s b n s ) j 荭行了探索，对如何提供端到端 o o s 进行了深入研究。同时系统分析了端系统支持q o s 的要求，讨论了端系统提 供q o s 的必要条件，然后从资源控制、拥塞控制、处理调度和流量整形等多方面 进行了深入研究，并对相应功能服务元提出了设计思想。本文主要作了如下仓f j 新 性研究工作： 1 提出了在s b n s 端系统中实现q o s 的框架。由于不同的网络应用对q o s 有着不同的需求，因此端系统应具备协调不同q o s 需求的能力。本文研究了端系 统提供q o s 应该解决的一般性问题，提出了s b n s 端系统中实现q o s 的框架。 2 提出了端系统中一种基于延迟的拥塞控制改进算法( e d c a ) 。e d c a 是在 端到端d c a 拥塞控制算法的基础上，进一步分析了每个数据报文的往返时延 ( r t i ) 构成，更加准确地估计网络拥塞状况，从而调节发送数据的流量，尽量避免 拥塞发生。 3 对服务元调度进行了深入研究，提出了一种动态调整优先级的服务元管理 器调度算法( d a p a ) 。d a p a 算法可以让端系统中不同类型的网络应用获得相应的 网络服务。通过合理调度，对资源要求高的数据流会优先得到服务。 4 提出了在端系统中一种基于报文的自适应流量整形算法p b a t s 。p b a t s 摘要 算法针对s b n s 端系统的流量特点，综合考虑了比特速率和包速率的匹配问题， 具有良好的整形效果，显著提高了网络的抗拥塞能力。 5 实现了s b n s 端系统原型，并以此组建了s b n s 端系统的q o s 测试床。 该平台已成功运行了多种因特网上流行的网络应用。测试结果表明，基于s b n s 的端系统能够很好地控制网络应用程序的q o s 。最后分析了在现有t c p i p 网络 中实现此端系统的方法。 关键字：网络体系结构，拥塞控制，流量整形，服务质量。 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e t ，m o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n sr e q u i r eb e t t e r n e t w o r ks e r v i c e s ，s u c ha s v o i p , v o d ，n e t w o r kc o n f e r e n c ee t c h o w e v e r , i n t e r n e t ， w h i c hb a s e do nt c p i pp r o v i d i n g ”b e s te f f o r t ”s e r v i c e ，c a n n o tb ea b l et og u a r a n t e e q u a l i t yo fs e r v i c e ( o o s ) t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h e r eh a v eb e e ns o m en e t w o r kq o s t e c h n o l o g i e sp r o p o s e d ，s u c ha si n t e g r a t e ds 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 ea n dm u l t i p l e p r o t o c o ll a b e ls w i t c h ，e t c b u tt h e s et e c h n o l o g i e sa r ec o n f i n e dt ot h ei n f r a s t r u c t u r eo f t c p i p , t h e r ei sal o n gw a yt og ob e f o r et h e ya r ep u ti n t op r a c t i c e i no r d e rt o t om e e td i f f e r e n tr e q u i r e m e n t sf o rq o s ，t h ed i s s e r t a t i o n s t u d y c a r e f u l l yt h ef e a t u 托o ft c p f l pa r c h i t e c t u r ea n df i n dt h a tt h e r ea r em a n yi n h e r e n tf a u l t s f o rs u p p o r t i n go o si nt h el a y e r e dn e t w o r ka r c h i t e c t u r es u c h 笛t c p 珏pn e t w o r k t h o u g hs o m et e c h n o l o g i e sh a v eb e e np r o p o s e dt os u p p o r to o si nt h eb o n en e t w o r k ， t h e r ea r eal o to fp r o b l e m sa te n d - s y s t e mt os u p p o r to o s n e wi d e a sh a v eb e e np u tf o r w a r df o ri m p r o v i n gq o sw i t ht h ee m e 唱e n c yo f n o n - l a y e rn e t w o r ka r c h i t e c t u r e s e r v i c eu n i tn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ( s u n a ) i sn e w n o n l a y e rn e t w o r ka r c h i t e c t u r e t h ed i s s e r t a t i o ne x p l o r e st h ee n d s y s t e mq o so f s e r v i c e b a s e dn e t w o r ks y s t e m ( s b n s ) - ac o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o no fs u n a , a n d i n v e s t i g a t e sh o wt op r o v i d ee n d - t o e n dq o s b a s e do nt h es y s t e m i ca n a l y s i so ft h e q o sr e q u i r e m e n to fe n d s y s t e m ，t h ed i s s e r t a t i o nf i r s td i s c u s s e st h en e c e s s a r y c o n d i t i o n st h a te n d s y s t e ms u p p o r t sq o s ，t h e ns t u d i e sr e s o u r c ec o n t r o l ，c o n g e s t i o n c o n t r o l ，p r o c e s ss c h e d u l i n ga n dt r a f f i cs h a p i n g ，e t c ，a n db r i n g sf o r w a r ds o m en e w i d e a sa b o u ts u p p o r t i n gq o sa t e n d s y s t e m t h ep r i m a r yi n n o v a t i v ew o r k so ft h e d i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 p r e s e n t i n gt h eq o sf r a m e w o r ka tt h ee n d - s y s t e mo fs b n s 。a ta l le n d - s y s t e m ， t h e r ea r em a n yn e t w o r ka p p l i c a t i o n st h a tr e q u i r ed i f f e r e n tn e t o w r ks e r v i c e s ，h e n c e ，t h e a b i l i t yt om e e td i f f e r e n tr e q u i r e m e n t so fq o sm u s tb ep r o v i d e db ye n d s y s t e m t h e d i s s e r t a t i o na d d r e s s e st h ei s s u e sa b o u tp r o v i d i n gq o sa te n d - s y s t e m ，a n dp r e s e n t st h e q o sf r a m e w o r ka tt h ee n d s y s t e mo fs b n s 1 1 1 a b s t r a c t 2 p r e s e n t i n ga ne x t e n d e dd e l a y - b a s e dc o n g e s t i o nc o n t r o la l g o r i t h m ( e d c a ) a t e n d - s y s t e m ，a n dt h e nd e s i g n i n gc o r r e s p o n d i n gs e r v i c eu n i t o nt h eb a s i so fe n d t o e n d d c a , e d c aa n a l y s e st h ec o m p o s i t i o no fe a c hp a c k e t sr t ym o r ea c c u r a t e l y , a n d e s t i m a t e st h es i t u a t i o no fn e t w o r k c o n g e s t i o nm o r ee x a c t l bt h e na d j u s t sn e t w o r kt r a f f i c t oa v o i dc o n g e s t i o n 3 p r e s e n t i n gt h ed y n a m i ca d j u s t a b l ep r i o r i t ys c h e d u l i n ga l g o r i t h m ( d a p a ) ， w h i c hm a n a g e sd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n st o g e tc o r r e s p o n d i n gn e t w o r ks e r v i c e s a t e n d - s y s t e m b yr e a s o n a b l es c h e d u l i n g ，t h ef l o w s ，w h i c hn e e dm o r er e s o u r c e ，r e c e i v e n e t w o r ks e r v i c e sp r e f e r e n t i a l l y 4 p r e s e n t i n gap a c k e t - b a s e da d a p t i v et r a f f i c - s h a p i n ga l g o r i t h m ( p b a t s ) a t e n d s y s t e m i nv i e wo ft r a f f i cf e a t u r e so fe n ds y s t e m ，p b a t sc o n s i d e r sm a t c h i n go fb i t r a t ea n dp a c k e tr a t e ，a n dp e r f o r m sb e t t e ri nt r a f f i c s h a p i n gw h i l ei m p r o v i n g a n t i - c o n g e s t i o na b i l i t yr e m a r k a b l y 5 i m p l e m e n t i n gt h ee n d s y s t e mp r o t o t y p eo fs b n sa n db u i l d i n gu pq o st e s t b e d o fs b n se n d - s y s t e m ，o nw h i c hl o t so fp o p u l a ra p p l i c a t i o n so fi n t e r a c th a v er u n s u c c e s s f u l l y b a s e do nt h et e s t b e d ，ac o n c l u s i o nc a nb ed r a w nt h a tt h ee n d s y s t e mi n s b n si sa b l et oc o n t r o lt h eq o so fa p p l i c a t i o n sw e l l f i n a l l y , t h et h e s i sd i s c u s s e st h e m e t h o do fi m p l e m e n t i n gt h ee n d s y s t e mi nt h ee x i s t i n gt c p i pn e t w o r k k e yw o r d s ：n e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，c o n g e t s t i o nc o n t r o l ，t r a f f i cs h a p i n g ，q o s i v 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：如醴 日期：沏3 年9 月厂日 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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) ，、 。 签名：易么肫导师签名：名象铅 日期：200 8 年夕月日 第一章绪言 1 1当前网络的现状 第一章绪言 1 1 1q o s 是网络应用发展的需要 当前的网络体系结构是上世纪七十年代形成的。当时通信线路带宽小、质量 差、可靠性低，因此需要复杂的网络通信协议来保证可靠的网络通信。采用层次 网络体系结构较好地解决了复杂通信协议的设计问题。经过三十多年来的研究发 展，网络技术已经得到很大提高，主要表现在如下两个方面： ( 1 ) 以光纤为代表的通信介质带宽得到了很大提高，同时由于光纤抗干扰性 能好，光纤通信的可靠性也得到很大改善。 ( 2 ) 计算机技术按照摩尔定律显著提高了网络通信处理速度，特别是采用硬 件技术的交换设备极大地提高了网络数据交换速度。 经过多年竞争，计算机网络已经逐步统一到以光纤和以太网通信为基础，以 t c p 口协议栈为纽带的一致性网络体系结构中来，网络的差异性越来越少。 与此同时，随着计算机网络技术的发展，网络规模越来越大，网络应用也得 到广泛的普及。i n t e r n e t 的最初形式a r p a n e t ，只是传递军方数据信息。后来由军 用转为民用，从而得到迅速发展。目前因特网已经深入各行各业应用之中，用户 数量及业务量也呈爆炸性增长。在网络应用方面，最初的应用网络数据传递 继续保持活力，如文件传输、电子邮件和远程登录等；同时也涌现了大量新的网 络业务和应用，如电子商务、视频点播、网络电话和会议等。这些新的网络应用 对网络服务提出了很多新要求。除了 雨告 t c p i p 已经提供的可靠性以外，还有网络 安全、网络时延、以及时延抖动等方面的 要求。 从本质上看，过去网络应用的要求只 是可靠数据传输。现在，随着网络带宽的 图1 - 1 网络需求的三维模型 序 电子科技大学博士学位论文 增加，高性能的网络应用需求日益增加，多媒体、网络时延、组播、网络安全正 逐渐成为网络应用新要求的热点。针对网络应用需求的变化，i s a b e l l ec h r i s m e n t 认为，若原来的需求是二维的话，当前网络需求是个三维模型【。如图1 - 1 所示。 任何一个网络应用需求都可以看作是这个三维模型中的某一个点。传统的 t c p 协议只能满足二维的应用需求，即顺序性和可靠性；而新的多媒体的应用需 求基本都需要第三维特性，即时间特性。要满足这个特性，需要大网络带宽和高 可靠性来保障。正是由于时间特性要求，对网络提供的服务提出了q o s 的概念。 从广义上讲，o o s 包含着三维网络服务要求：而从狭义的角度来看，q o s 是指网 络提供的时间特性，因为满足其它两个特性已经不是难题。 当前广泛使用的i n t e m e t 在尽力而为( b e s te f f o r t ) 基础上提供的t c p 服务只能 满足顺序性和可靠性要求，对于网络的时间特性很难保证。人们正在努力探索和 研究保证o o s 的方法。这样的研究分为两个方向，一是研究在现有的i n t e r n e t 上 提供保证o o s 的机制，比如目前正在研究的综合服务模型【2 j 、区分服务模型【3 j 、 m p l s 4 j 等；另外一种是开发新的网络或者网络体系结构，以更好地支持q o s 要 求。如已经提出的a t m i 引，各种非层次网络体系结构的研究等。 1 1 2 网络端系统与q o s 一般网络系统可以看作两部分构成，即网络边缘部分和网络核心系统。网络 边缘部分包含各种联网主机和运行在这些主机上的网络应用软件，网络核心系统 由路由器构成，负责数据传输过程。通常把网络边缘部分称为端系统，网络核心 系统称为通信子网，在端系统和通信子网之间由接入网相连。从另外一个角度看， 端系统属于网络用户，而通信子网属于网络服务提供者( i s p ) ，如图1 2 所示。 目前q o s 研究主要集中在网络核心系统，提供可管理的、能够满足用户要求 的服务。如上面提到的综合服务模型、区分服务模型等，重点研究了通信子网中 图1 - 2 网络的构成 2 第一章绪言 如何预留资源、流量监控、队列管理、分组调度和q o s 路由等问题，让网络服务 提供商能够提供满足用户要求的q o s 。传统的尽力而为服务对网络核心系统的要 求很低，同时i s p 由于不能提供多样化的服务，限制了网络的应用。因此i s p 也 愿意从事这方面的研究来提供多样化的服务，在尽量提供资源的同时，通过差异 服务提高网络的收益。 但是仅仅让网络核心系统来提供q o s 服务，并不能完美保证端到端的网络 q o s ，端系统也是网络系统中的重要一环【6 j 。目前由于端系统中运行的、需要q o s 保证的应用较少，端系统q o s 还不是非常紧迫的问题。随着具有o o s 要求的网 络应用日益增加，端系统中的o o s 要求会日益紧迫。因此，端系统o o s 研究也 是非常必要的。从整个网络系统的作用来看，核心系统提供有保证的传输服务是 端到端q o s 的基础，但是端系统的o o s 保障也是一个重要环节。由于端系统是 网络系统中信息的产生者和消费者，其产生的信息流量模型将大大影响核心系统 的q o s * 同时每个端系统设备上将来也会出现不同q o s 要求的应用，这些不同应 用如何得到合理网络服务，在端系统上就需要合理的调度处理。这些都会影响端 到端q o s 要求。 当前在因特网端系统的q o s 研究很少。比较成熟的端系统q o s 处理方法有 如下一些：在t c 黝呼协议中，通过t c p 协议，可以提供端到端拥塞控制：在多 个网络操作系统中提供了r s v p i l 协议的实现，可以申请预留资源；在l i n u x 等操 作系统内核中集成了一个整形器模块，可以对发送到网络上的数据流量进行简单 的整形。究其原因，除了端系统q o s 问题还不是十分急迫以外，在端系统中实现 q o s 也有一些现实的困难。这是因为现在的t c 肌p 是层次体系结构，在端系统 中具有所有网络层次，要实现比较好的q o s 控制很不容易。 新型网络体系结构的研究让网络系统能够从体系结构上对q o s 提供更好的 支持，特别是非层次网络体系结构在端系统中对q o s 具有良好支持。在这种结构 中，可以把q o s 控制的各功能定义为相应的网络功能单元，通过合理组合提供合 适的q o s 。这比层次网络体系结构需要在不同层次分别考虑不同的q o s 处理具有 结构上的优势。本文正是在这种背景下来研究端系统的q o s 。 1 2 因特网的q o s 及其研究进展 i n t e r a c t 采用层次体系结构，它在发展之初很少考虑q o s 问题，只是提供了 3 电子科技大学博士学位论文 尽力而为的数据报转发能力。由于网络应用越来越多的，特别是多媒体应用，它 们对带宽、延时、丢包率等方面都有一定要求，因此，虽然i n t e r a c t 的层次网络 体系结构支持q o s 要求并不方便，但是考虑到目前i n t e m e t 已经成了互联网的事 实标准，还是对因特网如何提供q o s 作出了很多探索和研究。 目前在因特网上提供q o s 的网络服务模型主要有综合服务模型( i n t s e r v ) 和区 分服务模型( d i f f s e r v ) 。其中i n t s e r v 以r s v p 协议为基础，能够提供不同的q o s 保证，但是让网络核心路由器过于复杂，导致其扩展性和鲁棒性都较差，从而缺 乏广泛适用性嗍。而d i f f s e r v 则针对性地克服了i n t s e r v 的问题【9 l ，提供了具有良 好扩展性的q o s 解决方案，获得更好的扩展性和鲁棒性，但是不能提供端到端的 q o s 。下面对近年来的q o s 解决方案作一个简单介绍和分析。 1 2 1 综合服务模型 i n t s e r v 模型框图如图1 3 所剥1 0 】。i n t s e r v 要求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约状态，在数据路径上执行流 的分类调度和缓冲区管理。具体而言，i n t s e r v 依靠资源预留协议r s v p 在每个节 点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 ) ，依靠接入控锖l j ( a d m i s s i o n c o n t r 0 1 ) 决定链路或者网络节点是否有足够的资源满足q o s 请求：依靠传输控制 f t r a f f i cc o n t r 0 1 ) 将球数据报分类成传输流，并根据每个流的状态对传输数据实施 o o s 路由、传输调度等控制。 i n t s e r v 的优点是能够提供有保证的o o s 。详细的设计使r s v p 用户能够仔细 规定业务种类。因为r s v p 运行在源端到目的端之间的每个路由器上，因此可以 监视每个流以防止其消耗过多的资源。r s v p 在源和目的地间可以使用现有路由 协议决定流的通路。r s v p 使用l p 包承载和“软状态 的概念，通过周期性地重 传p a t h 和r e s v 消息协议能够对网络拓扑变化做出反应。 图1 3 i n t s e r v 模型框图 4 第一章绪言 在过去几年中，p 网络q o s 问题的研究促成了i n t s e r v 体系结构和r s v p 信 令协议的发展。实际上，r s v p 方案依赖于动态虚电路连接机制而改变了整个网 络的体系结构。 n t s c n , 是基于每流的( p e r - f l o w ) 、状态相关的( s t a t e f u l ) 体系结构， 和状态无关( s t a t e l e s s ) 的体系结构( 如原有的i p 网络和新提出的d i f f s e r v 网络) 相 比，i n t s e r v 具有更大的灵活性和更好的服务级别保证。然而，要实现i n t s e r v 的 q o s 保证不是一件容易的事。它需要基于流的复杂资源预留、接入控制、q o s 路 由和调度机制。在复杂、大规模网络中链路状态不确定，有效预留带宽等资源是 一件困难的工作，而p 网络的发展仍然不具有面向连接的特性。更本质的问题是， i n t s e r v 面临着可扩展性( s c a l a b i l i t y ) l h q 题和鲁棒性( r o b u s t n e s s ) i h 7 题。前者是因为， 基于流操作的复杂性通常随着数据流数量的增长而增加；后者是因为在分布式环 境下很难维持动态的、可复制的数据流状态一致性。 目前i n t s e r v 的q o s 问题在很多方面仍然有待于进一步研究。主要问题是【l l l ： 网络系统状态和链路带宽容量变化有不确定性，使整个传输通道中端到端的带宽 预留缺乏有效保证：o o s 路由、资源预留和传输调度算法的复杂性还不能适应信 息、高速处理的时间要求：q o s 要求会导致不能充分利用网络资源，将降低网络 的吞吐量；网络多址和多路径传输的q o s 控制策略和算法的复杂性仍然面临着挑 战；现存的网络交换机或路由器还不能保证用户的q o s ，缺乏简单有效的控制方 案和算法，传输管理与控制也有待改进。q o s 路由【1 2 】【1 3 】和基于q o s 的传输调度 1 4 - 1 7 j 是当前i n t s e r v 领域研究的热点问题。其中，不确定信息环境中的路由、q o s 组播路由等问题都有待于进一步研究。必要的策略控制( 和监控, p o l i c yc o n t r 0 1 ) ( p r i c i n g ) 机制，如访问控带t j ( a c c e s sc o n t r 0 1 ) 、鉴另1 ( a u t h e n t i c a t i o n ) 、记帐( a c c o u n t i n g ) 等，目前尚处在发展阶段，无法付诸应用。因而，单纯的i n t s e r v r s v p 结构实际 上无法被业界接受，在商业上不可能有大的作为。 1 2 2区分服务模型 鉴于上述i n t s e r v 模型的一些根本局限性，i e t f 工作组又提出了d i f f s e r v 模 型1 3 j 。其目标是简单有效，以满足实际应用对扩展性的要求。实现途径如下：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 的保存与流监察机制的实现等处理只在边界节点进行，内部节点是状态无关的。 网络内部节点的服务对象得到简化，采用聚集传输控制。服务对象是流聚集 ( s t r e a ma g 争e g a t e ) 而非单流，单流信息只在网络边界保存和处理。 s 电子科技大学博士学位论文 在区分服务边界，节点根据用户要求的数据流规格( p r o f i l e ) 和资源预留信息将 进入网络的单流进行分类、整形、聚合为不同的流聚集。聚集信息存储在每个i p 包头的d s ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ) 标记域中，一般称为d s c p ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e c o d ep 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，也就是所说的每跳转发行为( p e r - h o p b e h a v i o r ，p r m ) 。网 络边界对单个流做分类聚合过程，与网络内部对聚集流提供特定质量的调度转发 服务过程通过l p 包头的d s c p 协同起来。其模型1 8 j 如图1 4 所示。 图1 4 区分服务体系结构的框架示意图 每跳转发行为是一个区分服务节点的外部转发行为描述，应用到具有相同 d s c p 的包集合，即行为聚合( b a ) 。目前t f 己经定义了三种类别的每跳转发行 为，即d f ( 缺省转发，提供传统的尽力而为服务) 、a f ( 确保转发，基于三级丢弃 优先级) f 1 9 】以及e f ( 快速转发，给予优先级队列) 2 0 】，这些p h b 通过缓冲管理和 包调度机制实现。、 区分模型完全不同于综合模型，它的优点是伸缩性较好。d s 字段只是规定 了有限数量的业务级别，状态信息的数量正比于业务级别而不是流的数量，这很 方便实现。只在网络的边界上才需要复杂的分类、标记和整形等操作，i s p 核心 路由器只需要实现行为聚集( b a ) 的分类。因此实现和部署区分型业务都比较容 易。它的缺点是没有办法完全依靠自己来提供端到端的q o s 结构。d i f f s e r v 需要 大量网络单元协同动作，才能向用户提供端到端的q o s 。鉴于这些组件高度分散 的特点和对它们进行集中管理的需要，必须有一个全局的带宽管理对全局资源进 行动态管理。解决这一问题的方法有两个：一是用功能强大的全局策略管理器来 完成这一任务，另外一种就是利用m p l s 将第三层的q o s 转换为第二层的q o s ， 通过运营网中第二层的交换机来实现端到端的q o s 保证。 6 第一章绪言 m p l s 作为一种支撑区分服务的技术，目前得到广泛应用。m p l s 起源于 i p o a ( i po v e r a t m ) 。从支持q o s 的角度来看，a t m 【5 】作为继口之后迅速发展起 来的一种快速分组交换技术具有得天独厚的技术优势。因此a t m 曾一度被认为 是一种处处适用的技术，但实践证明这种想法具有局限性。首先，纯a t m 网络 的实现过于复杂，导致应用价格高，难于为大多数用户所接受。其次，在网络发 展的同时相应的业务开发没有跟上，导致目前a t m 的发展举步维艰。第三，虽 然a t m 交换机作为网络的骨干节点己经被广泛使用，但a t m 信元到桌面的业务 发展却十分缓慢。由于口技术和a t m 技术在各自的发展领域中都遇到了实际困 难，彼此都需要借助对方以求得进一步发展，所以这两种技术的结合有着必然性。 m p l s 技术【4 】就是为了综合利用网络核心的交换技术和网络边缘的1 p 路由技术各 自的优点而产生的。m p l s 明确规定了一整套协议和操作过程，最终在口网内通 过a t m 和帧中继实现快速交换。m p l s 的关键思想是用标签来识别和标记口报 文，并把标签封装后的报文转发到已升级改善过的交换机或路由器，由它们在网 络内部继续交换标签，转发报文。而报文标签的产生和分配是建立在通过现有的 口路由协议获得网络路由信息的基础上的。 m p l s 网络主要是由标签边缘路由器( u ! r ) 和标签交换路e h 器( l s r ) 组成。在 l s r 内，m p l s 控制模块以口功能为中心，转发模块基于标签交换算法，并通过 标签分配协议( l d p ) 在节点间完成标签信息以及相关信令的发送。值得注意的是， l d p 信令以及标签绑定信息只在m p l s 相邻节点间传递。l s r 之间或i s r 与l e r 之间依然需要运行标准的路由协议，并由此来获得拓扑信息。通过这些信息、l s r 可以明确选取报文的下一跳并可最终建立特定的标签交换路径( l s p ) 。m p l s 使用 控制驱动模型，即基于拓扑驱动方式对用于建立l s p 的标签绑定信息的分配及转 发进行初始化。l s p 属于单向传输路径，因而全双工业务需要两条l s p ，每条l s p 负责一个方向上的业务。其结构如图1 5 所示。目前m p l s 已经称为实现区分服 务的有效技术手段。 l s r 幽1 - 5m p l s 网络的组织结构 7 电子科技大学博士学位论文 1 2 3i n t e r n e t 端到端q o s 解决方案 虽然i e t f 提出了综合服务模型和区分服务模型，但是这两个模型要分别解 决q o s 问题都存在困难。使用i n t s e r v 模型，虽然支持端到端的q o s ，但是各节 点维护软状态，管理负担非常重。随着网络规模的扩大，将导致网络核心路由器 不堪重负。所以其缺乏可扩展性和鲁棒性的特点导致其不能直接应用于很多场合； 而d i f f s e r v 模型虽然解决了扩展性问题，但是它不能提供端到端的每流的q o s 问 题，只能用于骨干网中提供q o s 的数据传输方面。为此，可考虑将i n t s e r v 和 d i f f s e r v 看作互相补充的技术【2 ，互相协同，共同实现端到端的q o s 提供机制， 最终达到既能提供类似状态相关网络的强有力服务，又能实现与状态无关网络近 似的可扩展性和鲁棒性。目前这方面的研究得到广泛支持【2 2 。矧。下面简单介绍一 下基于这种思路的i n t e r n e t 端到端q o s 解决方案。 如图1 6 所示，在网络端系统主机到网络边缘路由器之间，采用i n t s e r v 模型。 主机要使用网络提供的服务传输数据，需要使用r s v p 协议来申请预留资源，请 求得到许可才能传输数据。而在网络的中间，核心系统上运用m p l s 之类的技术， 使用d i f f s e r v 模型来提供传输服务，可以获得与状态无关的可扩展性和鲁棒性。 图1 - 6i n t e r n e t 端到端q o s 解决方案 实际上，i n t s e r v 体系结构提供了一种在异种网络元素上为应用提供端到端 q o s 的方法。一般来讲，网络元素可以是单独节点( 路由器) 、链路或者更加复 杂的实体( 如a t m 云或者以太网络) 。基于这样的观点，d i f f s e p , 网络也可以看 作更大的i n t s e r v 网络中的一种网络元素。文献【2 5 】描述了一种在d i f f s e r v 网络之 上实施i n t s e r v 的框架，支持端到端q o s 的方法。 要在d i f f s e r v 网络上实施i n t s e r v 框架，大体上有两种基本的实现形式。一是 网络中的d i f f s e r v 以静态方式提供内部的资源管理，区内不含有r s v p 设备。二 是网络中的d i f f s e r v 区以动态方式提供内部资源管理，其内部某些限定设备参加 r s v p 信令过程。目前，利用i n t s e r v 与d i f f s e r v 结合来提供端到端q o s 仍然是一 8 第一章绪言 个开放的课题。 特别值得一提的是，下一代d 协议i p v 6 从商业上考虑了q o s 问题。i p v 6 包 头定义了一个4 比特的优先级区域，可以指示1 6 种优先级别。1 6 种优先级别中 的8 种用于非实时传输业务，其余8 种用于实时传输业务。但是协议并没有严格 规定l v 6 路由器应如何使用优先级区域。优先级区域的使用与i p v 4 的t o s 区域 使用非常相似，所以它是否能成功作为网络优先级机制就要看路由器生产商和应 用程序设计者是否愿意支持它。由于i p v 4 平台上的t o s 域未能得到很好的应用。 人们必会怀疑i p v 6 的优先级区域是否会有同样的命运。值得乐观的是，由于现在 的数据通信业非常重视口传输的q o s 问题，所以必会加大力度推行优先级机制。 在未来的i p 网络中，优先级标签并不是i p v 6 指出包的q o s 的唯一方法。i p v 6 的 包头还包括一个2 0 比特的信息流标签，这个标签可由初始化程序来设定，指出某 组数据包属于某种特定的口信息流。这样，路由器不需要检查地址、程序端口或 其它信息，就可将数据包分类。在母包头中带有信息识别号可以使路由器的工作 得到简化，因此也就减少了路由器确定数据包q o s 的时间。但需要注意的是，信 息标号并没有表明q o s 的提供方式，所以仍需使用r s v p 、m p l s 等其它协议的 配合。 1 3 新型网络体系结构及其研究状况 1 3 1网络体系结构的概念 网络体系结构是一个网络系统( 从物理连接到应用) 的总体结构，包括协议 描述和通信机制的设计原则1 2 6 1 。网络体系结构有时也称为“网络顶层设计”，常 常用来描述一组抽象的规则，用来指导计算机通信机制的设计和通信协议的实现。 网络系统结构是基于对网络各种应用的深入了解抽象出来的设计原则，其目的是 确保满足各种网络应用要求。 1 网络体系结构的起源 网络体系结构这个概念是丌发a r p a n e t 协议的研究组织在开发i n t e r n e t 的过 程中开始使用的。对于设计软硬件系统结构的计算机科学家来说，为了解决计算 机通信问题，会很自然地想到对各种资源和它们之间的关系进行抽象。结果形成 了一种“设计哲学 ，来辅助i n t e r a c t 协议和算法的设计【吲。随着时间的过去，这 9 电子科技大学博士学位论文 种哲学思想被详细描述，建立了i n t e m e t 协议栈的完整原始模型。网络体系结构 也是一组高级的设计思路，用于指导网络技术方面的设计，特别是协议和算法的 工程化。 2 网络体系结构的内容 一个网络体系结构必须指定：通信状态和实体、寻址和路径选择、通信建模 方式、网络资源和终端系统、网络安全和管理、q o s 的实现等。理想情况是想象 使用体系结构能够“生成 技术设计，但是显然这不可能。体系结构只能提供一 系列抽象的原则，通过这些原则，能够检查关于技术设计的每一个决定。体系结 构的作用是保证技术设计的结果一致和连贯，也就是各部分将平滑衔接，并且使 设计满足与体系结构相关的网络功能要求。 同一个特定的、符合要求的技术性设计相比，一个体系结构更具有一般性。 技术性设计来源于体系结构，但不是唯一的，它会随着时间的变化而改进，以对 应满足需求的细节变化。但是，相同的体系结构可能维持不变。更重要的是，一 个体系结构希望是相对长期的、可以适用于不止一代的技术。这方面的一个小例 子是i p v 6 ，它是i p v 4 的下一代技术，但是它们都遵守同样的互联网体系结构。 3 网络体系结构的特点 网络体系结构指明了网络开发的方向，它提供了各个网络技术的基础。一个 网络体系结构不仅表示一个抽象的目标，而且是应用于日常开发的一个要点。虽 然网络体系结构是长期的，但是它具有短期的含义。一般来讲，长期的研究常常 有短期的需求。但如果没有长远眼光，短期的研究不会有长期影响。 1 3 2当前层次网络体系结构及其优缺点 当前的网络体系结构是伴随着i n t e m e t 的发展而发展起来的，在上世纪7 0 年 代确定的【2 7 1 。在i n t e r n e t 发展初期面对的主要需求是网络互相连通、网络健壮性、 网络设备异构性、分布式管理等。这个时期，由于网络的可靠性差、网络设备的 差异性大，网络性能的主要障碍体现在底层的网络设备和信道上，同时网络应用 需求要求网络能够提供可靠通信，因而需要增加许多网络通信处理过程来保证达 到这样的目标。为了实现这个目标，相互通信的计算机必须进行复杂的协调工作， 使计算机软硬件设计非常复杂。层次体系结构采用分层原则，每个层次独立完成 一些特定的功能，组合起来，可以实现复杂的通信协议，从而获得可靠的、健壮 的网络通信，这里的协议处理效率还不是主要矛盾。层次化网络体系结构较好地 1 0 第一章绪言 满足了这个时期的网络应用要求。 除了a r p a m e t 的设计( i n t e r n e t 的前身) 采用了分层方法以外，后来i b m 公 司开发的系统网络体系结构s