（计算机系统结构专业论文）基于运营商网络的ip+qos技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着i n t e m e t 规模的不断扩大及承载业务的多样性，p 技术飞速发展，i n t e r a c t 正在由单纯的数据传输提供“尽力而为”服务的网络，逐步向具有q o s 服务保证的 网络发展。因此，有必要对q o s 技术进行研究，以在无连接的i n t e m e t 网络上提供 一定的服务质量保证。目前i pq o s 问题已经成为口技术一个极大的问题，也是至 今口网中最不好解决的问题，使得q o s 成为p 融合的技术瓶颈、i s p 提供商铺设 p 运营网络的心腹大患，以及走向n g n 道路的拦路虎。 在对q o s 的研究背景、q o s 技术发展进行分析的基础上，对i n t s e r v r s v p 综 合服务、d i f f s e r v 区分服务、m p l s 多协议标记交换、s b m 子网带宽管理等几种协 议模型的服务质量进行了研究和分析，结果表明，在各种模型单独应用时，它们提 供的服务质量不能满足实际网络的需求。并在此基础上，研究了解决网络拥塞、保 证i pq o s 的资源控制及管理机制，以及流量工程能力。研究得出一个综合q o s 模 型，其中，在网络边缘采用基于r s v p 的i n t s e r v 体系结构；在用户子网采用支持 r s v p 的s b m ；在骨干核心网络使用d i f f s e r v 和m p l s ，辅以流量工程，共同实现 运营商网络端到端的q o s 。并设计实现了一个运营商网络的q o s 保证，对于一般的 数据业务，采用m p l s 和d i f f s e r v ；对于视频、语音等实时性要求较高的业务，利 用m p l sv p n 技术，提供更加有保证的q o s 。 关键词：服务质量，多协议标记交换，区分服务，流量工程 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t h 功t e m e tc o n s t a n t l y e x p a n d i n ga n d t h e v a r i e t y o fs e r v i c e s 口t e c h n o l o g y d e v e l o p e sa tv e r yf a s ts p e e d i n t e r n e ti st u r n i n gs t e p sf r o mt h en e t w o r kw i t hs u p p o r t i n g b e s te f f o r to f p u r ed a t at r a n s m i s s i o nt oh a v i n gq o sa b i l i t y ，t h e r e f o r e ，i t sn e c e s s a r yt o r e s e a r c ho n q o st e c h n o l o g y ，i no r d e r t o s u p p l y ac e r t a i n q u a l i t y o fs e r v i c eo n c o n n e c t i o n l e s si n t e m e t n o w a d a y s q o sb e c o m e sa ne x t r e m es t u b b o r np r o b l e mo f 口 t e c h n o l o g ya n db o t t l e n e c ko f i pt e c h n o l o g yc o n v e r g i n g i t st h es e r i o u st r o u b l ea n dd a n g e r o f i s p ，a n da l s ol i k eal i o ni nt h ew a yo f n g n q o sm o d e l so fi n t s e r v r s v p ，d i f f s e r v ，m p l s ，s b m ，e t c a r ew o r k e do v e rb a s e do i l a n a l y z i n gt h eb a c k g r o t m da n dt e c h n o l o g yp r o g r e s so fq o s t h er e s u l ti n d i c a t e st h a te a c h q o sm o d e la p p l i e di s o l a t e l yc a n ts a t i s f yt h ea c t u a ln e t w o r k t h et h e s i ss t u d i e sr e s o u r c e c o n t r o la n dm a n a n g e m e n t p o l i c y ，i n c l u d i n gt r a f f i ce n g i n e e r i n gt os o l v et h ec o n g e s t i o ni n o r d e rt op r o v i d eq o s i tr e s u l t sac o m b i n e dq o sm o d e l a tt h ee d g eo f n e t w o r k ，i n t s e r v m o d e lb a s e do nr s v pi su s e d ，a n ds b mw h i c h s u p p o r t sr s v p i sa p p l i e da ts u b n e t w o r k d u r i n gc o r en e t w o r k ，d i f f s e r vp l u sm p l s ，a s s i s t a n t i n gt r a f f i ce n g i n e e r i n ga r ea p p l i e d a l lt h e s em a k e t o g e t h e r t or e a l i z et h ee n dt oe n dq o si na ni s p sn e t w o r k i ta l s od e s i g n s q o s s t r u c t u r eo fa ni s p sn e t w o r k d i f f s e r v p l u sm p l s a r eu s e dt on o r m a ld a t as e r v i c e s ， a n dm p l sv p ni su s e dt ov i d e oa n dv o i c es e r v i c e sw h i c hn e e d h i g h e rr e a l t i m e r e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：q o s ，m p l s ，d i f f s e r v ，t e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 良 日期：加一f 年牛月z f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密回。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名觑1 才l 日期：己一毕年够月，f t 指导教师签名：磊舭 b 期：加4 斗年婶月2 6 吕 ， 华中科技大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1绪论 i n t e m e t 之所以成为目前应用最多、业务最广泛、用户增长最快的重要理念就是 因为它所使用i p 协议的简单性，它在近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怀疑。口网结构的基本设计原理是将“智能”尽可能地放到 网络边缘节点( 源和目的网络中的主机) ，而使核心网络尽可能地“傻”。核心网 络节点( 路由器) 的主要作用就是根据礤分组的目的地址查找路由表，确定下一 跳并转发。如果排队等候转发的分组过多，分组不能及时转发时，则会产生延迟。 若排队缓冲区满或不可用，则会丢弃分组。这就是i p ( i p v 4 ) 网提供的“尽力而 为”服务。这虽然对于w e b 浏览、电子邮件、文件传送等i n t e m e t 应用影响不大， 但对于如v o l p 、视频会议等实时性较强的i n t e m e t 应用，其质量很有可能是无法接 受的。 口网提供服务质量有多种方法。最简单，也晟容易的方法就是增加网络资源， 如用“无限带宽”来解决q o s 阃题，或增加内存、c p u 处理能力等【2 l 。但是，增加 网络资源并不能解决全部问题，同时，网络资源是有成本的。另一个重要的原因， i n t e r a c t 流量不仅与用户和应用的增加有着重要关系，同时，流量的特点也在发生的 巨大变化。如，现在很多出现在i p 网上的实时应用，越来越要求巨大的带宽，或 严格的延迟保证，或一点到多点、多点到多点的通信能力。因此，简单地增加网络 资源并不能完全解决q o s 问题，口网络本身的结构也需要改变，引入能够支持 q o s 的机制p j 。 解决碑网的q o s 服务质量的问题，就是如何在保持p 网固有的无连接传输的 优势下，合理利用现有的有限带宽等资源，保证网内传输的各种业务的q o s ，同时 提供较低的操作和管理开销，从而保证实现口网耨业务的发展。 华中科技大学硕士学位论文 1 2i pq o s 的技术发展 口q o s 并不是最近才产生的想法。i n t e r n e t 的创建者们很早就预见到了这种需 要，在i p 分组报头中就预留了t o s 服务类型字节，从而使最初的口规范就包括了 q o s 。 2 0 世纪8 0 年代，q o s 机制主要部署在i n t e r n e t 主机等终端系统中，如拥塞避 免机制、快速重传和快速恢复机制等1 4 j 。而i n t e r n e t 网络采用是尽力而为，无q o s 保证的服务。在1 9 9 0 年左右，q o s 的重点逐步发展到路由器上，出现了分组调度 算法的改进，如由f i f o 先进先出的调度算法改进到w f q 加权公平队列调度算法 和w r e d 加权随机早期侦测队列管理算法。 1 1 7 q o s 继续致力于口网上端到端的q o s 标准化。目前i e t f 已经建议了很多 服务模型和机制，以满足q o s 的需求。其中主要有：综合服务i n t s e r v ( i n t g r a t e d s e r v i c e ) r s v p 模型，区分服务d i f f s e r v ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ) 模型，多协议标 记交换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 ) ，流量工程和约束路由、子网带宽管 理等技术。i n t s e r v 模型于1 9 9 4 年推出，这是一种端到端基于流的q o s 技术。综合 服务的特点是资源预留，实时应用在传输数据前必须首先建立通道和预留资源， r s v p 是用来建立通道和预留资源的协议。在1 9 9 8 年，i e t f 推出了d i f f s e r v 模 型，这是一种基于类的q o s 技术。在区分型业务中，把分组加以标记，产生不同的 级别，每个级别的分组得到不同的服务级别。m p l s 是一种前向转发策略，在进入 m p l s 作用域时给分组赋予一定的标记，随后分组的分类、转发和服务都将基于标 记完成。子网带宽管理在共享交换的i e e e8 0 2 网络上，在第二层实现分类和定义 优先级。流量工程是一种安排通信流量如何通过网络的过程。约束路由在寻径路由 时会受到一定的约束，如带宽或时延的要求。以上各种i pq o s 技术随着技术的发 展和业务的多样性不断在发展及完善p 1 。 1 3 研究工作 随着i pq o s 技术的发展，i e t f 建立的各种模型及机制在各自独立运用时都有 2 华中科技大学硕士学位论文 其优缺点及各自的局限性。i pq o s 的目的是提供端到端的服务质量，这不是某一种 技术，或一个层面就可以解决的。真正要解决服务质量问题，需要从应用层到网络 层等多层联合起来，还需要拥塞控制、排队调度、流量均衡等多种技术结合起来。 本文的研究原则是仍然保持p 网络的相对简单性及灵活性，不增加i pq o s 的复杂 性，建立端到端q o s 模型，并对其中的关键技术进行研究。 一一 3 华中科技大学硕士学位论文 2i pq o s 模型及对比分析 2 1i pq o s 概念模型 图2 - 1 所示为i pq o s 概念模型，自顶向下可分解为用户层、应用层和系统层。 r i i i i i 1 0 s 图2 1i p q o s 缀念模型 任何系统的服务质量都是针对用户而言的，服务的优劣最终都是以用户的满意 程度为衡量标准的 6 】。因此，口q o s 的性能要求首先源于用户的需求，表现为用户 层的主观感觉q o s ，例如用户认为应该达到的音频质量、图像质量、视频连续度、 音视同步程度等。这些感观q o s 将映射为应用层相应的业务应用q o s ，例如音频 采样速率和采样比特数、像素分辨率和像素色调、视频帧速率、唇同步等。进一 步，这些特定的业务应用q o s 又将映射为系统层的系统q o s 。在口网络环境下， 系统由网络设备和终端设备构成，相应地，系统q o s 又可细分为网络层q o s 和设 备层q o s 。典型的口网络层q o s 指标包括时延、抖动和丢包率，设备q o s 则可包 括所采用的编解码器性能、所设置的抖动缓冲器性能等。上述自顶向下的映射原则 为业务q o s 和网络q o s 提供了分类准则，而底层网络q o s 和设备q o s 则为上层业 4 华中科技大学硕士学位论文 务和用户的q o s 提供保证【”。 2 2i pq o s 定义及度量 本研究中的口q o s 指i p 网络的服务质量，也是指i p 数据流通过网络时的性 能，它的目的就是向用户提供端到端的服务质量保证【8 【9 1 。碑q o s 有套度量指 标包括业务可用性、延迟、抖动、吞吐量和丢包率】。 1 业务可用性：用户业务在网络传输的可靠性。 2 延迟：也称为时延，指两个端点之间发送和接收数据分组的时间间隔。 3 抖动：分组延迟的变化程度称为抖动，指在同一条路径上发送的一组数据流 中数据分组之间的时间差异。 4 吞吐量：网络中发送数据分组的数量。用来插述给定介质、协议或连接的额 定吞吐量，实际上是指应用程序在网络上通信所需要的“管道大小”，即带宽。 5 丢包率：在网络中传输数据分组时丢弃数据分组的最高比率。数据分组丢失 一般是由网络拥塞引起的。 因此，i pq o s 主要处理可分配带宽、等待时间控制、抖动控制和包丢失等。 2 3q o s 服务等级 i p 网络中的流量是由各种应用的流组成。这些应用对网络服务和性能的要求各 不相同。通常可以将球网络提供q o s 的服务能力分为三个等级，这些能力是在某 种程度上控制性能度量( 如带宽、延迟抖动和丢包率) 的网络应用所需要的： 1 尽力而为服务 该服务只提供基本连接，对于口数据包何时以及是否被传送到目的地没有任 何保证。当路由器的输入输出缓冲区队列满时，将不区分地将所有的后续数据丢 弃。尽力而为服务实际上没有提供任何q o s 的功能。大多数数据应用( 如f t p ) 都 使用这种尽力而为服务。所以如果用户需要在仅提供尽力而为服务的网络上传输有 特定要求的数据时( 如视频数据) ，只有依赖于远高于实际使用需要的带宽、高性 能的设备等条件来获取一定的带宽、抖动、延迟等保证。 5 华中科技大学硕士学位论文 2 区分服务 在区分服务中，根据服务要求对通信流量进行分类。网络根据预先配置好的 q o s 规则来区分每一类通信，并为之服务。这种提供q o s 的方案常称作c o s ( c l a s so fs e r v i c e ) 。区分服务并不提供对服务质量的保证，它只是优先处理指定 的数据量，所以有时又称为“软q o s ”。这种区分服务较适用于带宽密集型数据。 3 保证服务 这类服务需要预留连接路径的网络资源，确保网络能够满足通信流的特定服务 要求。保证服务又被称为“硬q o s ”，因为它提供带宽、延时、抖动等方面的严格 保证。需要这种服务的应用包括多媒体应用( 如音频和视频) 。如碑电话要求至 少8 k b s 带宽、往返延迟不超过1 0 0 m s 。对于大量的多媒体应用，这种延迟也是可 以接收的。因此，网络需要预留资源，以满足这些保证服务的要求。 表2 。l 是三类服务等级在网络第2 层和3 层上主要使用的q o s 技术： 表2 1 服务等级及其使用的q l os 技术 l 服务等级 使用的第三层( i p 层) 技术 使用的第二层技术 a t m ：u b r 尽力而为服务基本连接 帧中继： c 1 r = 0 承诺接入速率c a r 、 区分服务 加权公平队列w f q 、加权随 i e e e8 0 2 1 p 机早侦测w r e d 以太网： s b m 保证服务资源预留协议r s v p a t m ：c b r 帧中继：c i r 2 4i pq o s 的协议模型研究 目前i e t f 已经建议了很多q o s 服务模型，以满足q o s 的需求。其中主要有： 综合服务i n t s e r v r s v p 模型，区分服务d i f t s e r v 模型【1 2 】；以及m p l s 多协议标记 交换、s b m 子网带宽管理等，下面将对各类模型进行研究及比较分析。 2 4 1 i n t s e r v 模型 6 华中科技大学硕士学位论文 2 4 1 1 工作过程 在网络中，通常根据流来区分分组，流是由源计算机的应用程序到目的计算机 应用程序的分组组成，使用的是i p 分组报头中的5 个字段：源p 地址、目的d 地 址、口协议字段、源端口及目的端口。属于同一个流的分组报头中的上述5 个字段 的值相同。 i n t s e r v 模型是一种端到端基于流的q o s 技术。该模型的基本原理是对每一个 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。资源预留可能要预留缓冲区或带宽的大 小，而且在传输数据前必须首先建立通道和资源预留，r s v p 是用来建立通道和预 留资源的协议 1 3 】。其工作过程如下： 发送端给接收端发送一个p a t h 信息，信息中含有流量特性用以指定业务的特 性。沿途的每个中间路由器通过路由协议确定的路径，逐跳转发p a t h 信息到接收 端。收到此p a t h 信息的接收端通过发送一个含有请求类别的的r e s v 信息为该流 请求资源，如带宽、时延等。然后，沿途的每个中间路由器可以拒绝或接受r e s v 信息请求。如果请求不符合s l a ( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ) 用户与i s p 的服务等级 协议要求，路由器将发送一个差错信息给接收端，并且中断信令的处理过程。如果 请求被接受，就按照事先的约定，为该流分配链路带宽和缓冲区空间，并且把相关 的流状态信息装入路由器中。i n t s e r v r s v p 综合服务模型工作过程如图2 2 。 图2 2i n t s e ，r s v p 模型工作过程 2 4 1 2 服务类型 目前，i n t s e r v 模型有三种服务类型，并适用于不同的业务： 1 尽力而为服务b e ：类似当前i n t e m e t 在多种负载环境( 由轻到重) 下提供 7 华中科技大学硕士学位论文 的尽力而为的业务，没有任何可以控制的质量保证。 2 受控负载服务：提供无负载或轻载情况下的尽力而为服务。即在网络轻载 时，提供工作情况良好的服务：在网络重载的情况下，性能急剧下降，能提供近似 于没有过载时的服务。受控负载服务比尽力而为服务更好，但是不能提供“保证服 务”所承诺的、具有严格固定队列延迟的服务。 受控负载服务提供在分配一定带宽的条件下，分组不会被长时间地缓存，而可 快速传递到接收端。这种服务适用于那些允许延迟变化比较大的应用。在这些应用 中，允许网络带宽是可变的，当分配较多的网络资源时，用户可以获得满意的服务 质量。否则用户满意度降低，但是仍旧可以接收，如自适应的实时业务编解码应用 就是属这种应用。 3 保证服务：该服务对时延、带宽与丢包率提供定量的要求和质量保证措施。 需要注意的是，保证服务保证的是队列延迟，不能保证端到端的延迟，因为整个延 迟的其他部分，如固定延迟( 传播延迟和传输延迟) 完全取决于通信路径。保证服 务一般适用于实时业务，如v o l p 等有延迟限制的业务。 2 , 41 3 功能部件的实现 为了实现上面的几种服务，i n t s e r v 包含有4 个功能部件，网络中的每个路由器 皆需要实现这4 个部件。 1 r s v p ：通过r s v p 资源预留协议，用户可以给每个业务流( 或连接) 申请 资源预留，要预留的资源可能包括缓冲区及带宽的大小。这种预留需要在路径上的 每一跳都要进行，这样才能提供端到端的q o s 保证。r s v p 是单向的预留，适用于 点到点以及点到多点的通信环境。 2 许可控制：许可控制基于用户和i s p 达成的s l a 。用户会事先与他的i s p 签定一个s l a ，明确所支持的业务级别以及在每个业务级别中所允许的业务量。许 可控制对用户的访问进行一定的监视和控制，有利于保证双方的共同利益h ) 。 3 分类器：根据预置的一些规则，它对进入路由器的每个分组根据所属的 流进行分类。这需要查看p 分组里的某些字段：源d 地址、目的i p 地址、口协议 字段、发送端口号、目的端口号。分组经过分类后被放到不同的队列中等待接收服 8 华中科技大学硕士学位论文 务。 4 队列调度器：主要是基于一定的调度算法对分类后的分组队列进行调度服 务。 因此，综合服务模型通过r s v p 、许可控制机制、分类器、队列调度器4 个部 件实现。例如，要求保证服务的应用在传送数据前必须使用r s v p ，建立传送路由 来预留资源i 由许可控制机制来决定是否批准一个应用申请预留资源的请求；当请 求被批准，相应的分组进入路由器后，分类器将根据相应的位域进行分组分类，归 为同一类的分组具有同样的q o s 要求；然后分类器根据分类结果，把分组放入相应 的排队队列中；最后由分组调度器根据相应的策略对不同队列中的分组进行调度， 从而提供满足应用的q o s 要求。 2 4 14 模型优缺点分析 1 根据上述的i n t s e r v r s v p 模型工作过程的研究，我们可看出，该模型的主 要优点有： ( 1 ) r s v p 能够提供有保证的q o s 。因为r s v p 运行在从发送端到目的地端的每 个路由器上，因此用户可以预先购买需要的资源，由i s p 负责监视每一个业务流的 运行并随时在当前网络节点终止非法的资源占用。 ( 2 ) r s v p 在源和目的地之间可以使用现有的路由协议决定流的通路。因为 r s v p 使用p 包承载，使用“软状态”的概念，通过周期性的重传p a t h 和r e s v 信息并分析，对网络拓扑的变化做出反应：因此，对原有路由协议没有影响。 ( 3 ) 支持一个源到一个目的地和一个源到多个目的地的q o s 服务。r s v p 协议 能够让p a t h 消息识别多播流的所有端点，并发送p a t h 消息给它们。它同样可以 把自每个接收端的r e s v 消息合并到一个网络请求点上，该点可以让一个多播流在 分开的连接上发送同样的流。 2 然而，由于r s v p 本身的特点，使得i n t s e r v r s v p 模型有以下缺点： ( 1 ) 可扩展性差。由于i n t s e 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。同时，资源预留本身就与口网络的最大特点“无连接”相 冲突。 9 华中科技大学硕士学位论文 f 2 ) 伸缩性差。i n t s e r v 是针对单个流而言的，在p 网中有成千上万的流，对流 的建立、拆除和维护需要占用大量的路由器存储空间和处理开销，当骨干网的 r s v p 流达到1 0 万以上，骨干网的处理能力将面临巨大的考验。另外，在i n t s e r v 中，r s v p 进行的资源预留是单向的，因此必须对其规定两个方向的资源预留，从 而增加了网络开销。 ( 3 ) 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 端到目的地端之间所有路由器都支持r s v p 和许可控制等协议，同时每个路由器还 要花费大量的资源来维护和更新数据库( 如链路状态数据库) 15 1 。 ( 4 ) 对保证服务，需要网络全部使用综合服务。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，已经无法实现真正意义 上的资源预留，所希望达到的q o s 保证也就打了折扣。 ( 5 ) 该模型不适合于短生存期的流。因为短生存期包预留资源的开销很可能大 于处理流中所有包的开销。但i n t e m e t 流量绝大多数是由短生存期的流构成的，在 短生存期的流需要一定程度的q o s 保证时，综合服务模型就显得得不偿失了。 3 小结 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。在任何情况下，r s v p 在广域网和i n t e r n e t 中的适用性都受到质疑。尽 管这样，i n t s e r v 仍然有它的优势，从本质上讲，综合服务是一个组织管理严密的方 法，每一流具有严格的q o s 保证，是目前在小规模范围内较易实现的一种解决方 案。因此，l n t s e r v 模型般应用在企业网边缘，企业网中的用户数据流可在桌面用 户一级进行管理。其中，推动i n t s e r v 在桌面附近应用的一个很重要因素就是 m i c r o s o f t 在w i n d o w s9 8 及以上、n t 5 0 中提供了r s v p 和q o s 功能。 2 4 2d i f f s e r v 模型 2 4 2 1 工作过程 d i f f s e r v 是一个起源于i n t s e r v ，但相对简单、粗划分的控制系统。它是一种基 于类的q o s 技术，主要用于骨干网。d i f f s e r v 将服务类型t o s 字段改名为d s 字 段，如图2 - 3 所示，并用它承载口分组服务所要求的信息，是严格意义上的三层技 1 0 华中科技大学硕士学位论文 术，不涉及低层的传输技术。 版本号 头部陡度t 0 8 服务类到分组头的其他域等数据 t b l t 4 b i t 1 b 卉 优先级 其他未用t o s 域 d s c p未用 区分服务的d s 域 圈2 - 3d s 字节 i p 分组 一般情况，用户与i s p 签定的服务等级协议s l a ，就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流量。s l a 可以是静态的，也可以是动态的。静态 s l a 需要定期协商，动态s l a 的客户用某种信令协议( 如r s v p ) 请求所要求的服 务( 此处r s v p 并非是d i f f s e r v 中的一部分，只是二者可以结合使用) 。用户可以 标记自己的d s c p ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sc o d ep o i n t ) 区分服务码点的值，以指定 q o s 的服务等级，也可以让边缘路由器根据多字段m f 分类来标记。 d i f f s e r v 的基本机制是在网络的边缘路由器上根据某一业务的服务质量要求将 该业务映射到定的业务类别之中，随后利用i p 分组中的d s 字段唯一地标志这一 业务所需的服务类别，网络中的各个节点将依据该字段对各种业务类别采取预先设 定好的服务策略，保证相应的延迟、传送速率、抖动等服务质量参数。 区分服务主要通过两个机制来完成不同q o s 业务要求的服务：d s 标记和个 分组转发处理库的集合p h b ( p e r h o p b e h a v i o r ) 单跳行为。每一种d s c p 对应 种p h b 方式。d s 标记可以按照预先确定好的规则加以定义，使下行节点通过识 别这个字段，获取足够的信息来处理到达输入端口的数据包，并将它们正确地转发 给下一跳的路由器，即p h b 单跳行为( 也称分组转发行为) 。d i f f s e r v 模型具体的 工作流程如下：在i s p 的入口，分组被分类、标记，也可能被整形等边界流量调 1 1 华中科技大学硕士学位论文 节。在边缘路由器，所有的分类和整形规则均依据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d s 域核心网络时，路由器会采用相应 的方式( 单跳行为p h b ) 来处理流内的分组。d i f f s e r v 工作简图见图2 - 4 。 e f 快速转发 a f ：保证转发 b b ：尽力而为 t o s ：服务类型 图2 4d i f f s e r v 工作简图 2 4 2 2 服务类型 与i n t s e r v 模型类似，d i f f s e r v 也定义了三种服务类型： 1 尽力而为服务：类似目前i n t e m e t 中尽力而为的服务。 2 分等级服务：从严格上讲，这一类的服务不仅仅是一种业务，而是一个大的 类别，可以根据发展的需要定制不同的服务等级。 3 最优服务：类似于运营商提供的专线或租用线业务。 2 4 2 3 功能部件的实现 d i f t s e r v 降低了信令的工作，而其重点部件是汇聚数据流和单跳行为。实际 上，除去单跳行为外，一个完整的d i f f s e r v 结构还包含边界功能和带宽管理两个基 本部件f 1 7 】。 1 边界功能：数据分组进入网络边缘时采取的一系列行为： ( 1 ) 通过分类器对入局接1 1 3 的业务进行分类( 可以根据球地址、协议类型以及 t c p 端口号区分不同服务级别) ，并对d s 字段加以标记。 ( 2 ) 对每个级别的业务加以监测，通过流量监管来监测每个级别的业务，以确 保符合s l a 。 2 单跳行为：数据分组经过沿途路由器所采取的行为： 1 2 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 依据数据分组的d s 标记，将它插入合适出口的相应级别队列中。 ( 2 1 业务管理机制根据各队列情况对输出队列的业务进行调节，以建立一种定 义明确的等级行为。主要功能有分配输出带宽、针对网络中发生拥塞时如何丢弃数 据分组等制定规则。 目前i e t f 已经定义了三种类别的单跳转发行为，即b f 一一缺省转发，提供传 统的尽力而为的业务、a f 一一保证转发，基于三级丢弃优先级，以及e f 一陕速 转发，基于优先级队列的行为。 3 带宽管理：d i f f s e r v 需要大量网络单元的协同运作，鉴于这些部件高度分散 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资源管理器( 也称 带宽管理) 来完成这一任务。资源管理器配置了管理规则，为客户分配资源，它可 以通过s l a 与客户进行相互协调以分享规定的带宽。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 实现，这种方法是目前最切实可行的方法。 2 4 2 4 模型优缺点分析 1 d i f f s e r v 模型完全不同于i n t s e r v ，与i n t s e r v 相比，d i f f s e r v 的优点主要表 现在： ( 1 ) 可扩展性、可用性强。d i f f s e r v 除去单个网络域的定义外，d i f f s e r v 还描述 了一个更大框架的结构原理，旨在i s p 之间提供协议框架，这样可以使单个网络域 向外扩展，进一步增加了d i f f s e n r 在运营商环境中的可用性。 ( 2 ) 层次简单，伸缩性较好。d i f f s e r v 工作范围分为两个层次：d s 域和d s 字 段。d s 标记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。 ( 3 ) 不影响路由。d i f f s e r v 的节点提供服务的手段只限于队列调度和缓冲管 理，并不涉及路由选择。 ( 4 ) 便于实现。由于d i f f s e r v 充分考虑了网络本身网络灵活、可扩展性强的 特点，将复杂的服务质量保证通过d s 字段转换为先进的单跳行为，从而大大减少 了信令的工作。核心路由器只需要实现行为聚集b a 的分类( 行为聚集是路由器可 华中科技大学硕士学位论文 以把q o s 需求相近的各业务流看成一个大类) 0 9 1 ；只在网络的边界上刁需要复杂 的分类、标记、管制和整形操作。因此q o s 的分类、分级的实现和部署都比较容 易。 ( 5 ) 适合短生存期的流：由于信令的简化，对于一次会话中特定的数据流，在 每次连接的过程中，将无须传递各种q o s 信息，也使得这种技术具有较好的反应灵 敏度，特别适合于i n t e r n e t 中大量存在的短时间流的连接。 2 基于d i f f s e r v 可扩展性、可用性强，伸缩性好的优点，区分服务不但适合运 营商网络使用，而且也大大加快了口q o s 在实际网络中应用的进程。虽然如此， d i f f s e r v 仍然还有许多问题亟待解决。比如，d i f f s e r v 体系中是否能够实现“微公 平性”就是一个值得重点讨论的问题。所谓“微公平性”是指在d i f f s e r v 域中，属 于同一个流聚集中的每一个分流是否能享受相同的待遇。这种微公平性不仅在资源 充足时能够表现出来，更重要的是，能否在有额外资源或者资源总量不足时，各个 微流是否能够按照事先约定的等级获得相应的按比例升级或者降级的服务2 0 1 。 另外，d i f f s e r v 没有完全依靠自己来提供端到端的q o s 结构。d i t x 3 e r v 需要大 量网络单元的协同动作，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。因而，d i f f s e r v 在网络中的实际部署较困难。 2 4 3 多协议标记交换m p i _ s 基于口互联的无连接网络，并不能提供严格的q o s 保证。区分服务d i f f s e r v 体系结构仅提供对多种流聚合的普通方式。综合服务i n t s e r v 体系结构采用r s v p 资源预留，提供了面向连接的一种方式，但它的灵活性及扩展性仍然有限。例如话 音及视频业务，需要一个高可预见性的网络，d i f f s e r v 及i n t s e r v 模型本身就体现了 他们在一个重负载网络中的不足。相反的，一个面向连接的网络需要有一个强有力 的流量管理能力及q o s 能力。而m 2 l s 是一种在开放的d 网上利用标记引导数据 高速、高效传输的技术。它结合第二层交换和第三层路由的特点，引入了基于标记 的机制，它把路由选择和数据转发分开，由标记来规定一个分组通过网络的路径 口”。m p l s 的价值在于能够在无连接的口网络中引入连接模式将第三层的q o s 通 1 4 华中科技大学硕士学位论文 过m p l s 机制转换到第二层的q o s ，是提供混合的、可靠的q o s 流量约定的基础 f 2 2 1 。 2 4 3 1m p l s 标记封装 m p l s 用m p l s 包头来携带标记信息。m p l s 包头是插入在传统的第二层数据 链路层包头和第三层p 包头之间的一个3 2 位字段的垫层，如图2 - 5 所示： 7、 ，、 ，7 、 、 。1 。一3 2b i t s 。+ 1 。- 标记：2 0 b i t s ： c o s ：服务分类，3 b i t s ； s ：堆栈底( s t a c k ) 标志，1 b i t ： t t l 字段：生存周期，8 b 他。 图2 5m p l s 包头结构 这个头包括一个2 0 b i t s 的标记，一个3 b i t s 的服务等级c o s 字段，一个l b i t 的 堆栈标志和一个8 b i t s 的t t l 字段。m p l s 头的封装是指对标记或堆栈标记及其它 用于标记交换时的附加信息进行编码，使之可以附加在分组上进行传送，封装进去 的标记及及其他附加信息都按m p l s 规定的形式星于分组的指定部分。一个具有 m p l s 能力的路由器( 标记交换路由器l s r ) ，在转发包时只检查标记。网络协议 可以是或其他类型的，这也是叫多协议标记交换的原因。 2 4 32m p l s 网络组成及工作过程 在无连接的口环境里，传统的d 分组转发是逐跳式的。通路上的每个路由器 在转发分组时都要检查每个i p 分组头，根据分组头将分组映射到等效前传类f e c 上，再将f e c 映射到下一跳，由此来判断路由传输路径。 在引入m p l s 后，这个处理过程得到了简化，并且使得处理效率大大提高。使 用m p l s 只需要在网络入口l e r 处做一次p 分组到f e c 的映射，并将f e c 分配1 华中科技大学硕士学位论文 个相应的标记( 将一个标记指派给一个f e c ，称标记绑定) 。代表f e c 的标记将 插入到i p 分组头中，沿着标记交换路径l s p 的蜃继节点不再对整个i p 分组头进行 分析，直接根据标记进行处理。通常各节点通过对标记的替换操作实现分组的逐跳 式转发。当一个带有标记的分组到达l s r 时，l s r 提取入局标记，圊时以它作为 索引在标记信息库l i b 中查找出局的标记，并由出局标记替代入局标记，从标记信 息库中所描述的下一跳接口送出数据分组，这样直至l s p 标记交换路径的出口。一 般来说，由下游节点向上游节点分发标记，连成串的标记就构成了l s p 。标记只 具有局部本地意义，但它却完全代表了分组在m p l s 域中的转发行为2 ”。 m p l s 网络由标记边缘路由器l e r 和标记交换路由器l s r 组成。l e r 位于骨 干网的边缘并作为m p l s 的入口出口路由器。l e r 连到网络内部的l s r 。m p l s 的工作过程如图2 - 6 所示，可归纳为以下3 个步骤： 1 由传统路由协议( o s p f 、i s i s 等) 一起建立到目的地的连接，标记分配协 议l d p 在l s r 中建立路由表和标记映射表； 2 入口l e r 接收i p 分组，完成第三层功能，并给i p 分组加上标记；在 m p l s 出口的l e r 上，将分组中的标记去掉后继续进行转发； 3 l s r 对分组不再进行任何第三层处理，只是依据分组上的标记通过交换单 元对其进行标记交换、转发分组。 图2 - 6m p l s 工作过程 值得注意的是，l d p 信令以及标记绑定信息只在m p l s 相邻节点间传递。l s r 1 6 华中科技大学硕士学位论文 之间或l 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。 2 4 ，3 3 服务分类 为了能够在网络中提供服务质量保证，m p l s 将所承载的业务分为三类，也就 是划分了三个主要的服务等级：增强的尽力而为服务、区别服务、保证业务。 传统的尽力而为服务至今仍在延用，因为这是一种为用户提供最优价格的业务 类型，它可以最大限度地利用带宽。所谓“增强的尽力而为服务”就是在业务的可 控制性和可管理性方面作出了很大改善。它增加了业务的拥塞控制，允许携带拥塞 指示。虽然拥塞指示不能使端用户作出降速的响应( 在用户端设备不升级的情况 下) ，但可以在能够处理该指示的网络端提前丢弃超出的数据，以达到节约带宽资 源的目的。 由于传统的i n t e m e t 端用户无法指示应用的业务类别，m p l s 希望通过网络的 接入设备对业务进行分类。m p l s 按业务的优先权限和对延迟敏感程度将业务划分 为若干优先等级或延迟等级，并将该信息标识在i p v 4 的t o s 字段。在口包中携带 优先级信息可以省略用信令预约服务质量的过程。但对于区别服务，网络只能提供 优先级的处理，无法给予业务合同的保证，也就是不能提供延迟、抖动、数据丢失 率等指标的严格保证。 保证服务为用户提供明确的、严格的、端到端的质量保证。质量保证用带宽、 时延等不同的参数定义，服务合同的传递和标记的分配由信令完成。目前i e t f 定 义了两种保证业务：控制负载业务和保证质量业务。 2 4 3 4m p l sq o s 实现 q o