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东 北大学 硕士学 位论文摘要 基于公平性的d i f f s e r v 服务质量模型的研究 摘要 i p网 络中 主 要采用综合服务 ( i n t s e rv ) 、区 分服务 ( d iff s e rv ) 和多协 议标记交换 ( m m l s ) 来实 现q o s ， 其中区分 服务 作为一 种可 扩展 性较好的q o s 体系结构在网 络设 计中 逐渐得到 广泛认 可。拥塞是网络服务质量中需要解决的一个主要问 题。随着多媒体业务的广泛应用，使得互 联网己经不可能只依靠基于源端的t c p 拥塞控制， 路由 器本身也应主动参与到拥塞控制中来， 所以基于中间节点的拥塞控制机制逐渐地成为目 前研究的重点。队列管理是拥塞控制中的主 要组成部分。 在资源共享环境中， 一定会有各共享者之间的公平性问题， 具体到d i ff s e rv， 指 同一聚集流内各微流共享资源。 分布式主动队列管理算法结构和区分服务类似并且能够保证 流与流之间的公平带宽分配。可以 把分布式主动队列管理算法和区分服务模型相结合，以解 决d i ff s e rv网络中的公平性问 题。 本文重点讨论 d i ff s e rv模型的公平性问 题。首先介绍了网络拥塞的基本概念和产生拥塞 的基本原因以 及为解决拥塞问题可以采用的基于源端的控制机制和基于路由 器的控制机制: 然后重点介绍目前较为流行了四种能保证公平性的主动队列管理算法;详细讨论了区分服务 的体系结构和特点。 最后，为了能在 d i ff s e r v模型下实现公平性， 把一种分布式主动队列管 理 算法 ( s c a l e - wf s ) 结合到d iff s e r v 模型中。 通过 对网 络模型的 仿真和结果分析， 显 示了 该 模型能够改善d i ff s e rv网络的公平性。 关键词; d i ff s e rv s c a l e - wf s 拥塞控制队列管理公平性 一n一 东北大学硕士学位论文 r e s e a r c h o n t h e q o s mo d e l o f d i f f s e r v b a s e d o n fa i r n e s s abs tract i n t e g r a t e d s e rvi c e s ( i n t s e r v ) , d i ff e r e n t i a t e d s e r v i c e s ( d i f s e r v ) a n d mu l t i p r o t o c o l l a b e l s w i t c h i n g ( m p l s ) a r e a d o p t e d t o i m p r o v e t h e q o s o f i p n e t w o r k s . d i ff e r e n t i a t e d s e r v i c e s i s w i d e l y r e c o g n i z e d s i n c e i t s s c a l a b i l i t y . n e t w o r k c o n g e s t i o n i s a n i m p o rt a n t i s s u e o f n e t w o r k q o s . wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f m u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n , f a i r n e s s a m o n g d i ff e r e n t fl o w s e m e r g e s . c o n s e q u e n t l y , n e t w o r k c o n g e s t i o n c a n n o t b e s o l v e d o n l y d e p e n d i n g o n t c p c o n g e s t i o n c o n tr o l w h i c h i s i m p l e m e n t e d i n s o u r c e n o d e . r o u t e r s h o u l d a c ti v e l y p l a y a n i m p o rt a n t r o l e i n c o n g e s t i o n c o n tr o l , s o c o n g e s t i o n c o n tr o l b a s e d o n t h e m i d d l e n o d e g r a d u a l l y b e c o m e s t h e m a i n d i r e c ti o n i n c u r r e n t r e s e a r c h . f o r d i f f s e r v , t h e f a i rn e s s m e a n s t h a t e v e ry m i c r o - fl o w i n t h e s a m e a g g r e g a t e d fl o w c a n f a i r l y s h a r e t h e r e s o u r c e s . q u e u e m a n a g e m e n t i s a c o m p o n e n t i n t h e c o n g e s ti o n c o n t ro l m e c h a n i s m . t h e d i s t r i b u t e d a c ti v e q u e u e m a n a g e m e n t h a s a s i m i l a r a r c h i t e c t u re t o d i ff s e r v a n d c a n a s s u r e f a i r b a n d w i d t h a l l o c a ti o n a m o n g fl o w s . i n t e g r a t i n g d i s t r i b u t e d a c ti v e q u e u e m a n a g e m e n t w i t h d i fl s e rv m o d e l t o s o l v e t h e f a i r n e s s p r o b l e m i s p r o p o s e d . f a i r n e s s p ro b l e m i n t h e d i f s e rv m o d e l i s m a i n l y d i s c u s s e d i n t h i s p a p e r . f i r s t l y t h e c o n c e p t o f n e t w o r k c o n g e s ti o n a n d t h e re a s o n s i s i n tr o d u c e d ; t h e n t h e c o n g e s t i o n c o n t ro l m e c h a n i s m s b a s e d o n s o u r c e n o d e a n d o n m i d d l e n o d e s a r e b r i e fl y d e s c r i b e d . f o u r a c ti v e q u e u e m a n a g e m e n t a l g o r i t h m s a r e p re s e n t e d a n d t h e a r c h i t e c t u r e o f d i f f s e r v a n d i t s c h a r a c t e r i s ti c s a r e d i s c u s s e d i n d e t a i l . f i n a l l y , a m o d i f i e d m o d e l m e r g i n g s c a l e - wf s a l g o r i t h m w i t h d i f f s e r v m o d e l i s p r o p o s e d t o a c h i e v e f a i r n e s s i n d i f s e r v m o d e l . s i m u l a ti o n r e s u l t a n d a n a l y s i s s h o w t h a t t h i s m o d e l c a n i m p r o v e t h e f a i rne s s i n d i f f s e rv n e t w o r k s . k e y w o r d s : d i f s e r v s c a l e - wf s c o n g e s ti o n c o n tr o l q u e u e m a n a g e m e n t -i i i - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 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。 学 位 论 文 作 者 签 名 :* at, -) 日 期 : z ,2,) t , i? 马 口 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定:即学校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。本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同 意网 上交流， 请在下方签名; 否则视为不同意。 ) 学 位 论 文 作 者 签 名 :, 4 签 字 日 期 沪 叱 , ,3 导师签名: 签字日期: x 叫 佗 尸声举。 。 3 东 北大学硕士学位论文第一章引 言 竺 - 吝己i宣 二 月 ，二书 二j . 二 . 1 . 1 i p服务质量概述 随着网络技术的飞速发展，基于i n t e r n e t 的新业务层出不穷。 从最初单纯的数据传送网己 发展成现在的可传送数据、 语音、 静态励态图 像的多 媒体网 络。 传真( i p f a x ) 、 电 话( i p p h o n e ) , 网上电视会议、网上电子商务等活动的开展，对数据的传输提出了 低时延、低抖动等一系列 新的技术要求。 目 前，由于 】 n t e r n e t 带宽的不足和t c p / i p 技术本身的局限性 制约了网络自 身的发展。 传统网络的最初设计目 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。 i p ( 1p v 4 ) 所提供的 “ 尽力而为” 服务，无 法保证吞吐量和传送时 延等服务质量要求。 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难以预料的时间 延迟以及抖动。因此，最迫切需要解决的问 题是如何保障i n t e rn e t 的服务质量，以及对不同的 业务提供相应的服务。 网 络服务 质量 11 1 .4 1 ( q o s ) 是 指网 络在传 输数据流时 要 求满足的一 系 列服务 要 求及实 现这 些 要求的机制。q o s的目 标就是保证关键数据流的传输性能在可以接受的范围内。在现实中， 网 络的带宽是一定的，因 此需要通过实施 q o s 策略保证在各种 应用共存的条件下， 实现关 键 应用的畅通。 q o s 有一套具体的度量指标。 ( 1 )业务可靠性:用户与i n t e r n e t 业务之间的可靠性。 ( 2 )延迟: 也称为时延 ( l a t e n c y ) ， 指两 个参照点之间 发送和 接收数据报的时间间隔。 ( 3 )可变延迟: 也称( j i tt e r ) ， 指沿同 一路径传输的一个数 据流中 ( s tr e a m ) 中， 不同分组 传 输时延的变化。 ( 4 )吞吐量:网 络中发 送数据包的 速率，可用平均速率或峰值速率表示。 ( 5 )丢包率: 在网 络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率. 丢包主要是由网 络拥塞引 起的。 影响i p 网 络q o s 有两个关 键因 素:网 络资源 ( 如链路带宽、 缓冲区) 不足及网络中 流量 分布不合理: 现有网 络协议支持q o s 能力不足。 针对这两种原因，可以 从两个方面来解决i p q o s 问 题:q o s 直 接 实 现 和 流 量 工 程 1 1 ( t r a ff i c e n g in e e r in g简 称t e ) ， 而q o s 直 接实 现 又 包 括 : 综 合 业 务 i ( i n t e g r a t e d s 。二 ， 简 称i n t s e r v ) 模 型 、 区 分 服 务 6 ( d iff e re n t i a t e d s e r v i c e . 简 称d iff s e r v ) 模 型、 多 协 议 标 记 交 换 i ( m u lt i - p r o t o c o l l a b e l s w it c h in g ， 简 称m p l s ) 。 下 面 分别简要介绍这几种实现机制。 为了 给i p 网络提供q o s , i e t f 最早提出 一种资源预留 及q o s 控制流程的i n t s e r v 模型。 r f c 1 6 3 3 给出了i n t e r n e t i n t s e r v 的框架， 并将其划分为综合服务 模型伽t e g r a t e d s e r v i c e s m o d e l ) 与参考实现框架( r e f e r e n ce im p l e m e n t a t io n f r a m e w o r k ) 两大部分。 在服务层次上，除了原来的尽力而为型服务以外，i n t s e r v还以每个流 ( 单独或聚集)为 基础，提供两种端到端的面向 实时的传输服务;质量保证型服务( g u a r a n t e e d s e r v i c 的 和可控负 载型服务 ( c o n tr o l l e d - l o a d 闭。 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，并且在数据路径上执行基于流 一1 一 东 北大学硕士学位论文第一章引 言 竺 - 吝己i宣 二 月 ，二书 二j . 二 . 1 . 1 i p服务质量概述 随着网络技术的飞速发展，基于i n t e r n e t 的新业务层出不穷。 从最初单纯的数据传送网己 发展成现在的可传送数据、 语音、 静态励态图 像的多 媒体网 络。 传真( i p f a x ) 、 电 话( i p p h o n e ) , 网上电视会议、网上电子商务等活动的开展，对数据的传输提出了 低时延、低抖动等一系列 新的技术要求。 目 前，由于 】 n t e r n e t 带宽的不足和t c p / i p 技术本身的局限性 制约了网络自 身的发展。 传统网络的最初设计目 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。 i p ( 1p v 4 ) 所提供的 “ 尽力而为” 服务，无 法保证吞吐量和传送时 延等服务质量要求。 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难以预料的时间 延迟以及抖动。因此，最迫切需要解决的问 题是如何保障i n t e rn e t 的服务质量，以及对不同的 业务提供相应的服务。 网 络服务 质量 11 1 .4 1 ( q o s ) 是 指网 络在传 输数据流时 要 求满足的一 系 列服务 要 求及实 现这 些 要求的机制。q o s的目 标就是保证关键数据流的传输性能在可以接受的范围内。在现实中， 网 络的带宽是一定的，因 此需要通过实施 q o s 策略保证在各种 应用共存的条件下， 实现关 键 应用的畅通。 q o s 有一套具体的度量指标。 ( 1 )业务可靠性:用户与i n t e r n e t 业务之间的可靠性。 ( 2 )延迟: 也称为时延 ( l a t e n c y ) ， 指两 个参照点之间 发送和 接收数据报的时间间隔。 ( 3 )可变延迟: 也称( j i tt e r ) ， 指沿同 一路径传输的一个数 据流中 ( s tr e a m ) 中， 不同分组 传 输时延的变化。 ( 4 )吞吐量:网 络中发 送数据包的 速率，可用平均速率或峰值速率表示。 ( 5 )丢包率: 在网 络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率. 丢包主要是由网 络拥塞引 起的。 影响i p 网 络q o s 有两个关 键因 素:网 络资源 ( 如链路带宽、 缓冲区) 不足及网络中 流量 分布不合理: 现有网 络协议支持q o s 能力不足。 针对这两种原因，可以 从两个方面来解决i p q o s 问 题:q o s 直 接 实 现 和 流 量 工 程 1 1 ( t r a ff i c e n g in e e r in g简 称t e ) ， 而q o s 直 接实 现 又 包 括 : 综 合 业 务 i ( i n t e g r a t e d s 。二 ， 简 称i n t s e r v ) 模 型 、 区 分 服 务 6 ( d iff e re n t i a t e d s e r v i c e . 简 称d iff s e r v ) 模 型、 多 协 议 标 记 交 换 i ( m u lt i - p r o t o c o l l a b e l s w it c h in g ， 简 称m p l s ) 。 下 面 分别简要介绍这几种实现机制。 为了 给i p 网络提供q o s , i e t f 最早提出 一种资源预留 及q o s 控制流程的i n t s e r v 模型。 r f c 1 6 3 3 给出了i n t e r n e t i n t s e r v 的框架， 并将其划分为综合服务 模型伽t e g r a t e d s e r v i c e s m o d e l ) 与参考实现框架( r e f e r e n ce im p l e m e n t a t io n f r a m e w o r k ) 两大部分。 在服务层次上，除了原来的尽力而为型服务以外，i n t s e r v还以每个流 ( 单独或聚集)为 基础，提供两种端到端的面向 实时的传输服务;质量保证型服务( g u a r a n t e e d s e r v i c 的 和可控负 载型服务 ( c o n tr o l l e d - l o a d 闭。 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，并且在数据路径上执行基于流 一1 一 东北大学 硕士学位论文 第一章引 的分类，调 度和缓冲区管理。 在技 术层次上， i n t s e r v 依靠资源预留 协议r s v p 提供q o s 协商 机制， 逐节点 地建立或拆除每个数 据流的路径状态和资源预留软状态( s o ft s t a t e ) ，工 作原理结 合图 1 1 进行说明。 主机路由器 应用程序 卜 一 叫 r s v p 棋块 接纳控制i 策 略 控制 分组分类器分组调度器 遴 茹 jrsvp m* 奎 到 瓜二 洲 万 丽 面 及 骊 一 111脚 l流 l尸.1: 数 数据流 图 1 . 1 综合服务棋型 f i g . 1 . 1 t h e m o d e l 叮i n t s e n 从图 1 . 1 可以 看出， 主机和路由 器中 最主要的区别在于路由 器中 有一个路由 模块，这表明 资源预留机制依赖于当前和将来的路由协议。 各个模块的功能如下:策略控制， 确定请求预 留 的应用是否有许可 进行资 源预留 ， 它需要检查r s v p 包是否满足r s v p 连接请求中 的流 特性 来确定是否禁止该预留行为，它能提供对数据流的平滑控制、 拥塞控制等;接纳控制，确定 在端系统和路由 器中是否有足够的本地资源来支持请求预留的带宽:分组分类器，负责确定 q o s的级别，对应用程序送来的每一个分组进行检查，对属于不同数据流的分组进行分类， 并发送到分组调度器:分组调度器，按不同数据流事先预留 好的资源来调度分组的传送。 r s v p 用来向网络发送资源预留请求，告知网络用户在特定的应用程序下对网 络服务的要 求， 也被路由 器用来向 沿发送端到接收端的路径传递q o s 参数， 预留并维持提供服务 所需的 资 源。 r s v p 的工作 过程为: 发送端发送包括业务类别( ts p e c ) 的p a t h 消息到接收端，每个 r s v p 路由器存放p a t h 信息和并向下一节点转发， 直到接收端。 接收端返回r e s v 消息， 包含业务类 别 ( t s p e c ) , 请 求 类 别 ( r e p e c ) 和 过 滤 类 别 ( f i i te r s p e c ) 1 # l a r s v p 路由 器 按 原 路 径 传 送 r e s v 消 息 ， 当 某一路由 器接收到一个r e s v 消息时， 它通过接纳控制来决定是否有足够的资 源满足q o s 请 求。如果是，就进行带宽和缓冲区空间的预留，并且保存与数据流相关的特定信息，然后将 r e s v 消息转发给下一个 节点路由器; 如果路由器必须拒绝该请求，则它返回给接收端一个错 误消息。 如果源端接收到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。当 数据 流发 送完 毕， 路由 器 可以 释放 先前设 置的 预留 资 源 ts l d i ff s e r v 定义了 一种更具扩展性的实现i p 网络伽s 的方法，它尤其适用于主千网络。区分 服务模型的基本思想也是对业务进行分类，但与综合服务不同的是它不对每一个业务流进行 网 络资源的 分配与q o s 参数的设置， 而是将具有相似要求的业务归为一类， 然后对这一类业务 采取一致的处理方式。 d i ff s e r v 的基本机制是在网络的边缘路由 器上根据业务的服务质量要求将该业务映射到一 定的业务类别中，然后利用i p 分组中的d s 字段唯一地标记这一业务所需的服务类别。网络的 一2 一 东北大学 硕士学 位论文第一章引 言 每个节点根据该字段对各种业务类别采用预先设定好的服务策略， 保证所要实现的服务质量 参数。 为了 让一个客户从他的i s p 佣到区分型服务， 客户必须与 i s p 签订一个服务 级别合同 ( s l a ) . 一 个s l a 从根本上明确了所支持的业务级别以及在每个业务级别中 所允许的通信量。 它可以是 静态的，也可以是动态的。静态s l a 定期地协商， 如以月或年为单位。动态s l a 的客户用某种 信令协 议( r s v p ) 请求所要求的 服务。 客户可以 标记自 己 的 d s 字段以 指定想得到的服务， 也可 以让边缘路由器根据m f 分类来标记。 与 i n t s e r v 类似， d iff s 。定义了 三种业务类型: 尽力而为的 业务 ( b e s t e ff o r t) ; 最优的业务 ( p r e m i u m ) ,类似于传统运营商网络的专线业务;分等级的业务( t i e r e d ) ，类别业务可根据发展 的需要定制不同的业务等级。 区分服务可扩展性好，便于实现，只在网络的边界上才需要复杂的分类、 标记、策略和 整形操作， 核心路由 器只需要实现行为聚集( b a ) 的分类和转发，因 此实 现和部署区分业务都 比较容易。 虽然d iff s 。为 i p q o s奠定了 宝贵的 基础， 但 还没有办 法完 全依靠自 己 来提 供端到 端的 q o s . d i ff s e r v ig要大量网络单元的协同运作，才能向用户提供端到端的服务质量。 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服务 质量 保证。 尽管 这可能不是一 个真正 意义上的i p 网 络 q o s ， 但却 是目 前可以 实现的 方法中 最切实可行的一个s 1 流量工程就是如何安排业务流通过网络，以避免不均匀地使用网络而导致拥塞的过程， 是一种间 接实现q o s 的技术。 它通过对资源的合理配置， 对 路由 过程进行有效控制从而使得网 络资源能 够得到最优的利用。 当网 络资源得到 充分利用时， 网 络的各种q o s 指标自 然也 会得到 大大改善。对于简单网络， 可以让网络管理员手工配置链路， 均匀地发配流量。但对于复杂 网络，这几乎不可能。为使流量工程自 动化，约束路由是一种重要的工具。 在避免拥塞和提 供良 好的性能方面，流量工程其实是对区分业务模型的补充。 基于约束的路由技术( c o n s tr a in t - b a s e d r o u t in g ,c r ) ，也称作服务质量路由( q o s r o u t i n g ,q o s r ) ， 用于计 算受 到多 个约束 条件限 制的 路由 。 为了 得 到一个 数 据流 或一 个数 据 流聚 集的服务质量要求， q o s 路由 通过计算得出 最能 满足服务质量要 求的路由。 约束路由 的目 标是: 选择能够满足服务质量要求的路由以及提高网络资源的利用率。在选择路由时，基于约束的 选路不仅考虑网络的拓扑结构， 而且还考虑数据流的0 o s 要求， 所以基于约束的选路会认为一 条较长的、较空闲的路由优于过载的最短路径。这样网络的流量分布可以较为均匀，从而利 用率也可以大大提高。约束路由是通过一定的算法进行路由 计算，因此，约束路由极有可能 使流量工程实现自 动化。 m p l s 是一种集成模型技术的 应用， 其基本思想是将路由和数据转发功能分开， 从而达到 加快i p 分组传送速度的目的。在m p l s 模型中，每一个路由器也是一个交换机，即交换式路由 器。 己 分配路由的数据包除了通常的第三层i p 数据包包头外， 还将增加一个固定长度的包含特 定信息的标记，并使路由器为不同的业务流预先分配好不同的路径，即不同的标记，以保证 这些业务的服务质量。 标记就意味着路径， 所以，路由器转发数据包时也无需做传统意义上 的路由 判断 ( 如查找路由 表) ， 从而提高了 i p 的发速度。 mp l s 在i p 网上为某一路由建立标记交 -3一 东北大学硕士学 位论文第一章引言 换路径，借助标记号可以 将这一路径变为显式路径，从而监视其流量，同时也可以出现故障 时方便地改变路由， 重新设置路径。另外， mp l s 可以让路由 基于多种准则来建立，如:目 的 i p 地址、 服务级别、 服务策略等， 这样可以 很灵活地进行网络规划和设计。 因此， 对于运营商 尤其是新兴的运营商， m p l s 能 够向 墩终用户提供端到端的 q o s . 相比于传统组网模式，m p l s 的最大优势就是流量工程能力，m p l s 的显式路由功能为流 量工程提供了一种机制。它可以 使一条业务流按照特定的路径传送，通过对多条业务流指定 不同路径，就可以 在一定程度上达到平衡业务量的目 的。 另外，m p l s网 络的显式路由 技术也可作为一种约束路由 技术，根据所要求操作为不同 的 数据流选择不同的路由。 m p l s 在网 络的边缘由边缘路由 器( l e r ) 对所收到的i p 数据包进行 分 类建立起转发等价类( f e c ) ， 然后在m p l s 网 络的中间路由 器( l s r ) 根据m p l s 标记沿标记交 换路径( l s p ) 进行传输。 在l e r 对i p 业务建立转发等价类时， 将不同 类别的业务归为不同的 f e c ，利用显式路由技术找出 最适合的传输路径，然后在m p l s 标记中规定这一路径，这样就 能 保证不同 级别的业务 流在网 络中能得到相应的 q o s 保障。 m p l s 采用c r - l d p al d p - r s v p 等 协议来支持显式路由以建立l s p . 1 .2 拥塞控制 拥塞是一种持续过载的网络状态，此时用户对网络资源 ( 包括链路带宽、存储空间和处 理器能力等) 的需求超过了 其固有的容量。 就i n t e rn e t 的体系结构而言， 拥塞发生是其固有的 属性。因为在事先没有任何协商和请求许可机制的资源共享网 络中，几个i p分组同时到达路 由器，并期望经过同一个输出端口转发的可能性是存在的，显然不是所有的分组都可以同时 接受处理， 必须有一个服务顺序，中间节点上的缓存为等候服务的分组提供一定保护。 然而， 如果此状况一直持续，当缓存空间被耗尽时，路由器只有丢弃分组。表面上，增大缓存总量 可以防止由于拥塞引起的分组丢弃，但随着缓存的增加，端到端的时延也相应增加，因为分 组的 持续时间( l if e t i m e ) 是有限的， 超时的分组同时需要重传。 因 此， 过大的缓存空间 倒有可能 妨碍拥塞的恢夏，因为重传分组白白 浪费了网络的可用带宽3 5 拥塞导致的直接结果是分组丢失率提高，端到端的时延增大，甚至有可能使整个网络系 统发生崩溃。当网络处于拥塞崩溃状态时，微小的负载增量都将是网络的有效吞吐量 ( th r o u g h p u t ) 急剧下降。 1 9 8 4 年， n a g l e 报告了由于t c p 连接中 不必要的重传所引发的 拥塞崩 溃， 1 9 8 6 - 1 9 8 7 年间这种现象曾出现过多次 曾 从3 2 k b p s 下 降 到 了4 0 b p s 9 1 。 除 此 之 外， ， 严重时一度使l b c 与u c b e r k e l e y 之间的吞吐 量 还有其他一些引发拥塞崩溃的原因， 例如，不可达 分组( u n d e l i v e r e d p a c k e ts ) 导致的网 络崩溃， 它与前一 种情况不同， 不是一azv5 1 n 减小时， 拥塞可以自 动恢复。 f lo y d 也 报告了 一 种形式的 拥 塞崩 溃现 象， 即分片 拥塞崩溃 不真一神舀竞许未_毯 负 载 ，网 络传输大量的分组分片，但因为无法在接收端重新组装成为有效的分组而只好将它们丢弃. 网 络传输大量用户不再需要陈ib 分组( s t a b l e p a c k e t s ) 也会导致另一种形式的崩溃现象。图 l 2 显示了负载与吞吐量之间的关系:当网络负载较小时，吞吐量基本上随着负载的增加而增长， 呈线性关系: 到达膝点( k n ee ) 之后， 随着负载的增加， 吞吐量的增量逐渐变缓:a载越过崖 点 ( c l i8 ) 之后， 吞吐量却急剧下降。 通常将k n ee点附 近称为 拥塞 避免区间， k n e e 和d 谊之间是 拥塞恢复区间，而o f 盯之外是拥塞崩溃区间。 -4- 东北大学硕士学 位论文第一章引言 换路径，借助标记号可以 将这一路径变为显式路径，从而监视其流量，同时也可以出现故障 时方便地改变路由， 重新设置路径。另外， mp l s 可以让路由 基于多种准则来建立，如:目 的 i p 地址、 服务级别、 服务策略等， 这样可以 很灵活地进行网络规划和设计。 因此， 对于运营商 尤其是新兴的运营商， m p l s 能 够向 墩终用户提供端到端的 q o s . 相比于传统组网模式，m p l s 的最大优势就是流量工程能力，m p l s 的显式路由功能为流 量工程提供了一种机制。它可以 使一条业务流按照特定的路径传送，通过对多条业务流指定 不同路径，就可以 在一定程度上达到平衡业务量的目 的。 另外，m p l s网 络的显式路由 技术也可作为一种约束路由 技术，根据所要求操作为不同 的 数据流选择不同的路由。 m p l s 在网 络的边缘由边缘路由 器( l e r ) 对所收到的i p 数据包进行 分 类建立起转发等价类( f e c ) ， 然后在m p l s 网 络的中间路由 器( l s r ) 根据m p l s 标记沿标记交 换路径( l s p ) 进行传输。 在l e r 对i p 业务建立转发等价类时， 将不同 类别的业务归为不同的 f e c ，利用显式路由技术找出 最适合的传输路径，然后在m p l s 标记中规定这一路径，这样就 能 保证不同 级别的业务 流在网 络中能得到相应的 q o s 保障。 m p l s 采用c r - l d p al d p - r s v p 等 协议来支持显式路由以建立l s p . 1 .2 拥塞控制 拥塞是一种持续过载的网络状态，此时用户对网络资源 ( 包括链路带宽、存储空间和处 理器能力等) 的需求超过了 其固有的容量。 就i n t e rn e t 的体系结构而言， 拥塞发生是其固有的 属性。因为在事先没有任何协商和请求许可机制的资源共享网 络中，几个i p分组同时到达路 由器，并期望经过同一个输出端口转发的可能性是存在的，显然不是所有的分组都可以同时 接受处理， 必须有一个服务顺序，中间节点上的缓存为等候服务的分组提供一定保护。 然而， 如果此状况一直持续，当缓存空间被耗尽时，路由器只有丢弃分组。表面上，增大缓存总量 可以防止由于拥塞引起的分组丢弃，但随着缓存的增加，端到端的时延也相应增加，因为分 组的 持续时间( l if e t i m e ) 是有限的， 超时的分组同时需要重传。 因 此， 过大的缓存空间 倒有可能 妨碍拥塞的恢夏，因为重传分组白白 浪费了网络的可用带宽3 5 拥塞导致的直接结果是分组丢失率提高，端到端的时延增大，甚至有可能使整个网络系 统发生崩溃。当网络处于拥塞崩溃状态时，微小的负载增量都将是网络的有效吞吐量 ( th r o u g h p u t ) 急剧下降。 1 9 8 4 年， n a g l e 报告了由于t c p 连接中 不必要的重传所引发的 拥塞崩 溃， 1 9 8 6 - 1 9 8 7 年间这种现象曾出现过多次 曾 从3 2 k b p s 下 降 到 了4 0 b p s 9 1 。 除 此 之 外， ， 严重时一度使l b c 与u c b e r k e l e y 之间的吞吐 量 还有其他一些引发拥塞崩溃的原因， 例如，不可达 分组( u n d e l i v e r e d p a c k e ts ) 导致的网 络崩溃， 它与前一 种情况不同， 不是一azv5 1 n 减小时， 拥塞可以自 动恢复。 f lo y d 也 报告了 一 种形式的 拥 塞崩 溃现 象， 即分片 拥塞崩溃 不真一神舀竞许未_毯 负 载 ，网 络传输大量的分组分片，但因为无法在接收端重新组装成为有效的分组而只好将它们丢弃. 网 络传输大量用户不再需要陈ib 分组( s t a b l e p a c k e t s ) 也会导致另一种形式的崩溃现象。图 l 2 显示了负载与吞吐量之间的关系:当网络负载较小时，吞吐量基本上随着负载的增加而增长， 呈线性关系: 到达膝点( k n ee ) 之后， 随着负载的增加， 吞吐量的增量逐渐变缓:a载越过崖 点 ( c l i8 ) 之后， 吞吐量却急剧下降。 通常将k n ee点附 近称为 拥塞 避免区间， k n e e 和d 谊之间是 拥塞恢复区间，而o f 盯之外是拥塞崩溃区间。 -4- 东北大学 硕士学位论文第一章引言 犷夫叭r.，| 缈1才11; 么甲ilr11.iesesl，!1!.ee 吞吐盘 网络负载 图1 .2网络负载与吞吐量的关系 f i g . 1 .2 t h e re l a t i o n s h i p b e t w e e n th e n e tw o r k t h r o u g h p u t a n d l o a d 为了最大限度地利用资源，网络工作在轻度拥塞状态时应该是较为理想的，但这也增加 了滑向 拥塞崩溃的可能性，因此需要一定的拥塞控制机制来加以约束和限制。 可以从两个方面考虑如何解决拥塞问题:一是增加网络资源;二是降低用户的需求。从 表面土来看，增大缓存可以防止由于拥塞引起的分组丢弃，但随着缓存的增加，端到端到时 延也相应增大，因为分组的持续时间 ( l i f e t i m e 是有限的) ， 超时的分组同样需要重传。因此， 过大的缓存空间到有可能妨碍拥塞的恢复，因为有些分组白白浪费了网络的可用带宽。降低 用户需求主要表现在三个方面: 拒绝服务、降低服务质量和调度。 ( 1 )拒绝服务:在拥塞发生时， 拒绝接纳新的用户请求。此方法多用于面向连接网络 ( 2 )降 低服务 质量; 所有用户 ( 包括新用户) 在拥塞时降低其发送速率。 ( 3 调度:合理安排用户对网络资源的使用，保证总需求永远总小于网 络可用资源。 1 .3 基于源端的拥塞控制 基于源端的 拥塞控制策略中，使用最为广泛的是t c p 协议中的拥塞控制策略， t c p 协议 是目前互联网中使用最为广泛的传输协议， 根据mc i 的统计，互联网上总字节数的9 5 % 及总 数据包数的9 4 0/ a 使用t c p 协议传输。 最 初的t c p 协议只有基于窗口 的流控制( fl o w c o n t r o l ) 机制而没 有拥塞控制 机制。 流控制作 为接受方管理发送方发送数据的方式，用来防止接收方可用的数据缓存空间的溢出。流控制 是一种局部控制机制，其参与者仅仅是发送方和接收方，它只考虑了 接收方的接收能力，而 没有考虑到网络的传输能力; 而拥塞控制则注重于整体， 其考虑的是整个网络的传输能力， 是一种全局控制机制。正因为流控制的这种局限性，从而导致了 拥塞崩溃现象的发生， 1 9 8 6 年初， j a c o b s o n 发明了 现在t c p 应用中的拥塞控制机制。 运行在端节点主机中的这 些机制使得t c p 在连接网 络发生 拥塞时回退( b a c k o 田， 也就是说t c p 源端对网 络发出 拥塞指 示( c o n g e s ti o n n o t i fi c a t i o n ) ( 例如丢包， 重复的a c k等) 做出响 应。 1 9 8 8 年j a c o b s o n 针对t c p 在 控制网 络拥塞方面的 不足， 提出了“ 慢启 动” ( s l o w s t a rt ) 和“ 拥塞避免” ( c o n g e s t i o n a v o i d a n c e ) 算法11 01 , 1 9 9 0 年出 现的t c p r e n 。 版本增加了“ 快速 重传” ( f a s t r e tr a n s m it ) , 快速恢复. ( f a s t r e c o v e ry ) 算法，避免了网 络拥塞 不严重时采用 “ 慢启动” 算法而造成过大地减小 发送窗口 尺 寸的现象， 这样t c p 的拥塞控制就由 这4 个核心部分组成。 近几年又出现了t c p 的改进版式 本如n e w r e n o 和选择性应答( s e le c t i v e a c k n o w l e d g e m e n t , s a c k ) 等。 正 是这些拥塞控制机制对 防止网络的拥塞崩溃起了 很大作用12 2 1 -5一 东北大学 硕士学位论文第一章引言 犷夫叭r.，| 缈1才11; 么甲ilr11.iesesl，!1!.ee 吞吐盘 网络负载 图1 .2网络负载与吞吐量的关系 f i g . 1 .2 t h e re l a t i o n s h i p b e t w e e n th e n e tw o r k t h r o u g h p u t a n d l o a d 为了最大限度地利用资源，网络工作在轻度拥塞状态时应该是较为理想的，但这也增加 了滑向 拥塞崩溃的可能性，因此需要一定的拥塞控制机制来加以约束和限制。 可以从两个方面考虑如何解决拥塞问题:一是增加网络资源;二是降低用户的需求。从 表面土来看，增大缓存可以防止由于拥塞引起的分组丢弃，但随着缓存的增加，端到端到时 延也相应增大，因为分组的持续时间 ( l i f e t i m e 是有限的) ， 超时的分组同样需要重传。因此， 过大的缓存空间到有可能妨碍拥塞的恢复，因为有些分组白白浪费了网络的可用带宽。降低 用户需求主要表现在三个方面: 拒绝服务、降低服务质量和调度。 ( 1 )拒绝服务:在拥塞发生时， 拒绝接纳新的用户请求。此方法多用于面向连接网络 ( 2 )降 低服务 质量; 所有用户 ( 包括新用户) 在拥塞时降低其发送速率。 ( 3 调度:合理安排用户对网络资源的使用，保证总需求永远总小于网 络可用资源。 1 .3 基于源端的拥塞控制 基于源端的 拥塞控制策略中，使用最为广泛的是t c p 协议中的拥塞控制策略， t c p 协议 是目前互联网中使用最为广泛的传输协议， 根据mc