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基于流量测量的网络q o s 改善若干关键问题研究 摘要 随着互联网的飞速发展，它所承载的业务也越来越多样化。特别 是随着多媒体业务的兴起，互联网已经从处理以文本( t e x t ) 媒体为主 的网络向综合处理文本、声音( a u d i o ) 、图像( i m a g e ) 、视频( w a e o ) 等 多媒体的网络转变。新兴业务不仅要求可靠的数据传输，还要求传输 过程的实时性和可预见性，这就对互联网提出了更高的服务质量要 求。但是，由于口协议固有的无连接特性和传统i p 网络“尽力而为” ( b e s te f f o r t ) 的服务原则，使得传统互联网无法对那些有带宽 ( b a n d w i d t h ) 、延迟似e n c y ) 、延迟抖动( j i t t e r ) 等特殊要求的用户提供 有效的服务质量保障。同时，迅猛发展的网络应用所产生的大量数据 给网络带来了极大的压力，它要求网络管理者必须有效地利用有限的 网络资源以满足日益增长的带宽需求。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。 为了使现有网络可以提供更高的质量保障，业界开展了大量的研 究工作，在网络的不同层面上，提出了多种方案。而用户获得的服务 质量以及网络供应商可提供的服务能力都必须通过流量数据分析获 得。因此，网络流量特性的研究是改善网络q 0 s 问题的一个关键。 本文致力于基于流量测量的网络o o s 改善方面的研究，主要研究内 容和创新点如下： 1 ) i p 网络流量测量的研究：网络流量测量是研究网络行为的基 础，而理解网络行为对于更好地管理网络资源，保障服务质量有着重 要意义。本文研究了口网络流量测量体系结构及测量系统的实现， 并基于流量监测系统的监测数据对i p 网络的流量特性进行了分析， 在协议分布、报文长度分布及流量流向等方面得到了一些有意义的结 果，为网络规划及技术研究提供了参考。 2 ) b e ( b e s te f f o r t ) 模式下网络q o s 的改善：为保证用户间的带宽 公平性，需要对i 2 p 这类数据流量很大的业务进行带宽限制。为此， 本文将队列管理用于主要以带宽为质量要求的业务上，提出了 b f r e d ( b a n d w i d t h f a i rr e d ) 算法，它能够避免网络带宽被一些数据 流量很大的连接大量占用，使得网络在发生拥塞时能保障各源端公平 地共享带宽，从而保障了网络的q o s 。 3 ) i s ( i n t s e r v ) 模式下网络q o s 的改善：i n t s e r v 模型的核心是 r s v p ，但r s v p 作为一个单向资源预留协议，只能为t c p 单向数据 发送预留资源，而不能保障a c k 确认报文不受反向路径上的网络拥 塞影响。为了改进r s v p 的预留功能，本文提出一种非对称的双向资 源预留协议a b i r s v p ( a s y m m e t r y b i d i f e c t i o n a lr s v p ) ，它通过测算 a c k 报文的长度来确定反向预留的带宽，从而实现改善t c t 性能及 提高网络带宽利用率的目标。 4 ) d s ( d i f f s e r v ) 模式下网络q o s 的改善：在d i f f s e r v 机制中，并 未解决如何将剩余带宽分配给a f 的o u t 数据包和b e 数据包的问 题。通常情况下，a f 的o u t 数据包在与b e 数据包竞争剩余带宽时 会占有优势，使得网络的公平性受到影响。为了解决这个问题，本文 提出一种名为t d & b f ( t r a f f i cd i f f e r e n t i a t i o na n db a n d w i d t hf a i r n e s s ) 的队列管理算法，它能够在保证a f 业务应得服务速率的前提下，将 剩余带宽公平地分配给b e 业务及a f 业务，从而保障了业务服务质 量。 5 ) w e b 2 0 下的流量测量与分析：w e b 2 0 已经成为互联网发展 的新趋势，本文研究了a j 瓠下w e b 2 0 工作的框架及其优势，通过搭 建w e b 2 0 下的网络流量测试平台，比较了传统网站与w e b 2 0 网站在 流量特征方面的差鄹，并对w e b 2 0 典型业务的流量特征进行了分析 关键词：o o $ 口网络流量测量带宽公平性队列管理算法 i n t s c r v 资源预留协议d i f f s e r yw e b 2 0 ar e s e a r c ho ns e v e r a lk e yp r o b l e m si n i m p r o v i n gn e t w o r kq o s b a s e do nt r a f f i cm e a s u r e m e n t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h e i n t e r n e t , aw i d ev a d e t yo f d i f f e r e n tu s e ra p p l i c a t i o n sa r ed e p l o y e d e s p e c i a l l yw i t ht h ea d v e n to f m u l t i m e d i as e r v i c e s ，t o d a y si n t e r a c te v o l v e si n t oag l o b a lc o m m e r c i a l i n f r a s t r u c t u r et h a ti se x p e c t e dt os u p p o r tap l e t h o r ao fn e wa p p l i c a t i o n s s u c ha si pt e l e p h o n y , v i d e o - c o n f e r e n c i n g ，a u d i oa n dv i d e os t r e a m i n g , a n d d i s t r i b u t e dg a m e s u n l i k ep r e v i o u sa p p l i c a t i o n s ( c 辱f i l et r a n s f e o ，t h e s e n e wo n f $ h a v em u c hs t r i c t e rt i m e l i n e s sa n dp r e d i c t a b i l i t yr e q u i r e m e n t s i nc o n s e q u e n c e ，t h e r ei s a n u r g e n t n e e dt o i m p r o v et h e n e t w o r k q o s ( q u a l i t y o fs e r v i c e ) h o w e v e r , t h ec u r r e n ti n t e r a c t a d o p t s t h e “b e s t e f f o r t s e r v i c em o d e l ，w h i c hc a n n o tm a k ea n ye x p l i c i tc o m m i t m e n t a st ob a n d w i d t h ，l a t e n c y , j i t t e ro ra n yo t h e rs e r v i c eq u a l i t y m e a n w h i l e ， t h es h a r pa d v a n c eo fn e t w o r ka p p l i c a t i o n sh a sd r a m a t i c a l l yi n c r e a s e dt h e t r a f f i cf l o wo ft h ei n t e r n e t ，a n db r o u g h th i g h t e rp r e s s u r et ot h en e t w o r k c o n s e q u e n f l y ，t h em a n a g e ro ft h en e t w o r ks h o u l dm a k eg o o du s co ft h e l i m i t e dn e t w o r kr e s o u r c et os a t i s f yt h er a p i d l ym i n gb a n d w i d t hd e m a n d a l t h o u g ht h en e t w o r kb a n d w i d t ha n dt r a n s m i s s i o ns p e e dh a v eg r e a t l y i n c r e a s e d ，t h ed a t at r a f f i ci si n c r e a s e de v f l lf a s t e r a sar e s u l t ，t h e v b a n d w i d t ha n dt h et r a n s m i s s i o ns p e e da r cs t i l lt h eb o t t l e n e c kp r o b l e m si n t h en e t w o r k i no r d e rt om a k et h ec u r r e n ti n t e r n e tp r o v i d eb e t t e ro o sg u a r a n t e e s ， m a n yw o r k sh a v eb e e nr e p o r t e di nt h el i t e r a t u r e , a n dm a n ys c h e m e sa r e p r o p o s e da td i f f e r e n tl a y e r so ft h en e t w o r k s i n c et h eu s e ra c q u i r e dq o s a n dt h es e r v i c ec a p a b i l i t yp r o v i d e db yo p e r a t e r sa r ea l lo b t a i n e df r o mt h e a n a l y s i so ft h en e t w o r kt r a f f i cf l o w , t h er e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h en e t w o r kt r a f f i cf l o wi sak e yp r o b l e mf o ri m p r o v i n gq o s t h u s ，t h e a u t h o ro ft h i sd i s s e r t a t i o nh a sd e d i c a t e dh e r s e l ft ot h i sa r e a , a n dc a r r i e d o u tt h ef o l l o w i n gs t u d y ： 1 1s t u d yo n 口n e t w o r kt r a f f i cm e a s u r e m e n t ：n e t w o r kt r a f f i c m e a s u r e m e n ti sa l le f f e c t i v ew a yt or e s e a r c ho nt h en e t w o r kb e h a v i o r ，a t t h es a m et i m e ，u n d e r s t a n d i n gn e t w o r kb e h a v i o ri sv e r yi m p o r t a n tf o r g a i n i n gab e t t e rm a n a g e m e n to fn e t w o r kr e s o u r c ea n dq u a l i t yg u a r a n t e e o fs e r v i c e s t h ea r c h i t e c t u r ea n dr e a l i z a t i o no ft h et r a f f i cm e a s u r e m e n t s y s t e mf o ri pn e t w o r ki sa n a l y z e di nt h et h e s i s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi p n e t w o r kt r a f f i cf l o wb a s e do nt r a f f i cm o n i t o ra n da n a l y z e rs y s t e ma r e a l s od i s c u s s e d ，m a n yu s e f u lr e s u l t ss u c ha sp r o t o c o ld i s t r i b u t i o n ，p a c k e t l e n g t h d i s t r i b u t i o na n dt r a f f i c q u a n t i t i e sa n dd e r e c t i o n s a r eo b t a i n e d ， w h i c h p r o v i d e am e a n i n g f u lr e f e r e n c ef o rn e t w o r kp l a n n i n ga n d t e c h n i q u er e s e a r c h i m p r o v i n gn e t w o r kq o s i nb e ( b e s te f f o r t ) m o d e l ：i no r d e rt o g u a r a n t e et h eb a n d w i d t hf a i r n e s s ，t h eb a n w i d t ho ft h es e r v i c es u c ha sp 2 e w h i c hh a sh i g ht l u o u g h p u tf l o w s ，n e e d st ob er e s t r i c t e d w ed e p l o y e d q u e u em a n a g e m e n ti nt h e 辩r v i c et h a th a st h eq u a l i t yd e m a n dm a i n l yo n b a n d w i d t h ，a n dp r o p o s e dan e wa l g o r i t h mn a m e db a n d w i d t h - f a i rr e d ( b f - r e d ) t h ea l g o r i t h mc a np r o t e c tf r o mh i g h - b a n d w i d t hf l o w st o c o n s u m eal o to fb a n d w i d t hi ns o m en e t w o r ke n v i r o n m e n t , a n dg u a r a n t e e t h eb a n d w i d t hf a i r n e s sw h e nc o n g e s t i o no a 7 o u r e s ，s ot h a tg u a r a n t e et h e q o so ft h en e t w o r l 3 ) i m p r o v i n gn e t w o r kq o si ni s ( i n t s e r v ) m o d e l ：t h ec o 陀o fi s m o d e li s r s v p ( r e s o u r c e r e s e r v a t i o n p r o t o c 0 1 ) r s v p i s a u n i d i r e c t i o n a lr e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o li tc a no n l yr e s e r v er e s o u r c e s f o rt h et c pd a t af l o wa l o n gt h ef o r w a r dd i r e c t i o np a t h , a n dc a n n o t p r o v i d ea n yp r o t e c t i o nt ot h ea c kp a c k e t sa g a i n s tc o n g e s t i o ni n 豫e r s e d i r e c t i o n i no r d e rt oi m p r o v et c p p e r f o r m a n c eo v e rr s v p , w ep r o p o s e d an e wp r o t o c o lc a l l e da b i r s v p ( a s y m m e t r yb i d i r e c t i o n a lr s v p ) a b i r s v pr e r y e st h eb a c k w a r dr e s o u r c eb yt a l c i n ga c c o u n to ft h ea c k p a c k e t ss i z e , t h e r e f o r ei m p r o v e st h et h r o u g h p u t o ft c pf l o w sa n d e n h a n c e st h ee f f i c i e n c yo ft h en e t w o r k 4 ) i m p r o v i n gn e t w o r kq o s i nd s ( d i f t s e r v ) m o d e l ：t h ed i f f s e r v a r c h i t e c t u r ed o e sn o ts p e c i f ya n yp r i o r i t ys c h e m eb e t w e e na s s u r e d f o r w a r d i n g ( 蛳o u t - o f - p r o f i l ep a c k e t sa n db e s te f f o r t ( b e ) p a c k e t s 。i n g e n e r a l ，t h ea fo u t - o f - p r o f i l ep a c k e t sh a v et h ep r i 耐t yw h e nc o m p e t e w i t hb e p a c k e t s ，a n dc o n s e q u e n t l ya f f e c t e dt h ef a i r n e s so ft h en e t w o r k a i m i n gt os o l v et h i sp r o b l e m , w ep r o p o s e das i m p l ec o r e s t a t e l e s sq u e u e m a n a g e m e n t s c h e m et d & b f ( t r a f f i cd i f f e r e n t i a t i o na n db a n d w i d t h f a i r n e s s ) t d & b fn o to n l yg u a r a n t e e st h ec o m m i t t e dr a t e so fa ff l o w s b u ta l s of a i r l ya l l o c a t e st h ee x t r ab a n d w i d t ha m o n gt h eb ea n da ff l o w s ， s ot h a tg u a r a n t e e st h eq o so ft h en e t w o r k 5 ) w e b 2 0t r a f f i cm e a s u r e m e n ta n da n a l y s i s ：w e b 2 0h a s b e c o m i n gt h en e wt e n d e n c yo ft h ei n t e m e td e v e l o p m e n t w ei n v e s t i g a t e d t h ea r c h i t e c t u r ea n dt h ea d v a n t a g e so fw e b 2 0u n d e ra j 践t e c h n o l o g y , a n d c o m p a r e dt h et r a f f i cc h a r a c t e r i s t i c so fw e b 2 0w i t ht h a to ft h et r a d i t i o n a l o n e f u r t h e r m o r e ，t h et r a f f i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h et y p i c a lw e b 2 0s e r v i c e a r ea n a l y z e d k e yw o r d s ：q o s , i pn e t w o r k , t r a f f i cm e a s u r e m e n t ，b a n d w i d t h f a i r n e s s , q u e u em a n a g e m e n ta l g o r i t h m , i n t s e r v , r s v p , d i f f s e r v , w e b 2 0 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处。 本人签名：j 至兰 本人承担一切相关责任。 日期：型2 ：i ：兰! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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。允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围。适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 栖镌 日期：趔：! ：兰j 日期： 盟：兰： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究网络q o s 改善的意义 随着网络技术的飞速发展，各种基于口网络的新的应用服务越来越多。特 别是随着多媒体业务的兴起，口网络已经从当初单纯传送数据向可传送数据、 语音、图像的多媒体网络转变当前火热的三网融合正是在以口为基础的公共 网络上承载各种数据业务、电信业务以及视频媒体业务。各种业务特性决定了其 在口网络上传输所要求的不同传输质量指标，例如视频点播( r o d ) 、i p 电话、 会议电视、电子商务等实时业务不仅要求可靠的数据传输，还要求传输过程的实 时性和可预见性，这就对口网络提出了更高的服务质量要求 然而现有的口网络所提供的是。尽力而为”( b e s t - e f f o r t 。b e ) 的服务，在这 种服务模型下，所有的业务流平等地竞争网络资源，路由器对所有的口包都尽 最大努力送达目的地，但对m 包传递地的可靠性、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 等传统业务但对那些有带宽、延迟、延迟抖动 等特殊要求的应用来说，无疑是不能满足要求的。 同时，迅猛发展的网络应用( 如多媒体应用，组播应用等) 不仅大大增加了网 络传输的数据量，更改变了网络流量的特性。它要求网络管理者必须有效地利用 有限的网络资源以满足日益增长的带宽需求。尽管由于网络技术的发展，两络带 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。 因此。在口网上实现o o s 的机制已成为目前国际上的研究热点 1 1 1 网络q e s 的定义 o o s 即服务质量，是网络在传输数据流时要求满足的一系列任务请求，具 体可以量化为带宽、延迟、延迟抖动、丢失率吞吐量等性能指标。此处的服务具 体是指数据包( 流) 经若干网络节点所接受的传输服务，强调端对端( e n dt oe n d ) 或网络边界到边界的整体性o 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i 北京邮电大学博 二研究生学位论文 网上应用有较为鲜明的特点：如视频和话音业务虽然对传输时延和时延抖动 都十分敏感，但对数据的丢失却有一定的忍耐度；相反，一般的数据业务虽然对时 延和时延抖动都不十分在意，但对数据本身的丢失和差错却十分敏感。因此，我 们需要根据各自业务的特点采用必要的技术手段来保证业务的安全可靠运行，使 各种业务在逻辑上依然各行其道，在网络带宽资源紧张情况下，确保关键业务的 优先。但也不要使非关键性应用无法得到响应，在网络资源宽松时，使需要占用 高带宽的应用能尽量占用带宽。这就是网络的o o s ( 服务质量) 。 o o s 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然而在像i n t c r n e t 这样的大规模全球网络中提供o o s 并不容易，它需要自顶向下所有的网络元素 的整体协作。 改善网络的q o s 就是要提高口数据流通过网络时的性能。它的目的是向用 户的业务提供端到端的服务质量保证q o s 可以用一系列可度量的参数来描述： 业务可用性( a v a i z a b j l i t y ) ：用户到i n t c r n c t 业务之间连接的可靠性。 延迟：也称为时延( l a t c n c y ) ，指两个参照点之问发送和接收数据包的时 间间隔。 可变延迟：也称为抖动( j i t t e r ) ，指在同一条路由上发送的一组数据流中 数据包之间的时问差异。 吞吐量( t h r o u g h p u t ) ：网络中发送数据包的速率。可用平均速率或峰值 速率表示 丢包率( p a c k e tl o s s ) 在网络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率。 数据包丢失一般是由网络拥塞引起的。 互联网是基于口的网络，它的q 0 s 问题集中反映在不能很好的传输实时媒 体流，主要包括以下几方面内容： ( 1 ) i p 无连接每包路由方式和实时媒体流不适应，实时媒体流需要能够确 保资源的固定路径。 ( 2 ) 口网络尽力而为的服务方式与实时媒体流不适应实时业务对资源的 持续要求必须通过和其他流量的有效区分来保证。 ( 3 ) 口网络松散的管理方式不适应实时业务，因为实时业务需要端到端的 服务保证，而普通的口网络通常以域为单位进行管理，不同的域有不同的管理 2 第一章绪论 策略甚至网络结构。端到端的管理很难实现。 为了使现有网络可以提供更高的质量保障，业界开展了大量的研究工作，在 网络的不同层面上，提出了多种方案，以改善网络的性能。与此同时，人们对于 业务本身的特性也进行了研究，希望通过对业务统计特性的了解。为网络性能的 提高提供理论指导。 尽管对于网络o o s 的研究工作已经进行了一段时问，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1 2 1 。但无论怎样， 在口网络中保证o o s 将会是一个重要的发展方向 1 1 2 网络q o s 研究的现状 实现o o s 保障的一种方法是按照服务水平的要求给每一个数据流分配资源， 通过采用。资源预留”进行带宽分配的方法为数据流提供端到端的服务质量保证 由于带宽资源是有限的，o o s 的设计者引入了优先级概念，使得在资源预留后。尽 力而为服务的数据流的传输也能得到一定的保障。因此，网络o o s 可以分为 两种基本类型： 基于资源预留：网络资源按照某个业务的o o s 要求进行分配，制定资源管 理策略互联网工程任务组i e t f 提出的综合服务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ，i n t s e r v ) 体系结构1 3 1 便是基于这种策略，资源预留协议( r e s o u w , er e s e r v a t i o np r o t o c o l r s v p ) 是其核心部分。 基于优先级：网络边界节点对业务流进行分类、整形、标记。核心节点按照 资源管理策略分配资源，对o o s 要求高的业务给以优先处理。i e i f 提出的区分 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 f f s e r v ) 1 4 1 1 5 1 便是基于这种策略 目前i e t f 已经提出了几种解决坤网络o o s 问题的服务模型和机制，主要 包括： ( 1 ) 综合服务模型( i n t s e r v ，玛) 该模型使用资源预留( r s v p ) 协议它的思想是。为了给特定的客户包流 提供特殊的o o s ，要求路由器必须能够预留资源。反过来要求路由器中有特定流 的状态信息” 综合服务模型的优点是能够提供绝对有保证的( 1 0 s r s v p 运行在从源端到 目的端的每个路由器上，可以监视每个流，以防止其消耗比其请求、预留和预先 3 北京邮电人学博i ：研究生学位论文 购买的更多的资源。该模型的缺点主要有：伸缩性不好、对路由器的要求高、无 法在大网上实施。 ( 2 ) 区分服务模型( d i f f s e r v ，d s ) 区分服务定义了 l o s 字节的格式( 即d s 字段) ，以及一个包转发处理库的 集合p h b ( 即每跳行为) 通过对一个包d s 字段的不同标记，以及基于d s 字 段的处理，能够产生一些不同的服务级别。因此，区分服务本质上是一种相对优 先级策略 区分服务模型的优点是便于实现，只在网络的边界上才需要复杂的分类、标 记，管制和整形操作，i s p 核心路由器只需要实现行为聚集( b a ) 的分类，因此 实现和部署区别型业务都比较容易。由于该模型本质上只是实现了一种相对优先 级策略，因此并不能严格保证业务端到端的q o s 。 ( 3 ) 多协议标记交换( m u l t i p r o t o c o ll a b l es w i t c h ，m p l s ) l e l 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。基于标签的 交换方式允许路由器在作转发决定的时候仅仅以简单的标签为基础，根据分组头 的标记，通过网络路径控制来提供流聚集的带宽管理，而不是基于目标口地址 作复杂的路由查找。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 ( 4 ) 子网带宽管理( s u b n e tb a n d w i d t hm a n a g e m e n t ，s b m ) 负责o s i 第二层( 数据链路层) 的分类和优先级捧列，同i e e e8 0 2 网络进 行共享和交换。由于数据包的发送过程必须经过发送端主机以及接收端主机的所 有o s ! 协议层，甚至可能要经过中间某个网络的子网，就要求在数据链路层上 保证高优先级的数据帧获得高级别的服务子网带宽管理( s u b n e tb a n d w i d t h m a n a g e m e n t ，s b m ) 就是在这种情况下提出的一个信令协议，它允许网络节点 和交换机之间在s b m 框架内进行通信和协调，并实现向高层o o s 的映射。在 s b m 体系结构中，要求所有的数据帧必须通过至少一个s b m 交换机 1 2 网络q o s 的研究框架 q o s 的主要实现机制包括路由、分类、调度、挥队、缓存管理、准入控制和 4 第一章绪论 整形等l t l l s l 。一般认为，q o s 体系结构的构件包括五个部分州： 具有q o s 要求的服务特性：即服务定义； 用户和所需资源的通信方式，即信令和准入控制； 提供者确保用户得到承诺服务的方式，即监管和整形； 提供者建立路由的方式，印基于q 0 s 的路由： 基于转发的q o s ，即缓存分配和丢弃策略，捧队规则和服务策略等。 q o s 网络的主要构成要素一网关的体系结构1 1 0 l 如图1 - 1 所示。 ( 置据平面) 图1 - 1 同关的体系结构 本文对网络o d s 改善的研究框架如图1 2 所示： 图1 - 2 网络o d s 的研究框架 ( 1 ) 测量：主要是对网络数据流的活动进行监测和分析，以掌握网络的流量 5 北京邮电大学博： ：研究生学位论文 特性，如协议的使用情况、应用的使用情况、用户的行为特征等网络测量的目 的是通过获取描述网络状况的数据，进行综合分析，为网络控制提供决策信息。 ( 2 ) 分类：在b e 、璐和d s 三大模式下，它们会各自把报文按照自己的业 务和服务质量标准进行分类，这样就可以通过流量整形和监测来针对不同分类的 流提供不同等级的服务，从而实现不同的q o s 要求。在不同的模式下，不同的 报文分类机制和分类算法直接影响了其q o s 的开销和效果，它是实现q o s 的基 础。 ( 3 ) 控制：包括排队及调度捧队是为了在网络节点中为各种到来的分类流 进行缓冲管理，其作用是在分组到达队列前端时依据一定的策略和信息决定是否 允许该分组进入缓冲队列。从另一个角度看来，实际就是决定分组是否丢弃的决 策，即丢弃控制。分组调度是实现对链路带宽的管理，它决定从等待队列中选择 哪个分组进行发送，使得所有输入业务流能够按照预定的方式分等级的共享链路 带宽。捧队和调度可以统称为队列管理，它是q o s 控制和实现的核心机制。 1 3 口网络流量测量的研究 现代的国际互联网是一个“网络的网络”，它由许许多多异构的局域网、城 域网和广域网组成，这些网络采用了不同的体系结构( e l h e r n e ：t 、f d d i 、a t m 、 无线网络等等) ，面向不同的应用环境( 教育和科研、娱乐和休闲、商务和金融 等等) ，并且实施不同的管理策略( 收费计价的政策、路由交换的调度方式、服 务质量保证和区分服务体制) 同时当前连接网络的网络链路的特性也千差万别： 从极低速的调制解调器接入( 每秒数百字节) 到超高速的光纤链路( 每秒数g 字节) ，从卫星链路的数百毫秒的线路延迟到光纤链路的微秒级的线路延迟，从 点到点的连接方式到多点组播、广播的连接方式等等。 互联网络有着巨大的动态性。通常一条i n t c r n c t 的路由持续时间可以在数秒 到数天之间的范围内变化，但是当路由在更小的时问刻度上发生改变时，对网络 的行为特征的研究就更加困难了i n t c r n c t 上提供的网络应用模式的改变也对网 络行为特性和性能表现有一定的影响，如从最初的电子邮件( e m a i l ) 、文件传输 服务( f 1 甲) 、远程登录服务( t e l n e t ) 到目前席卷全球的v g w 浏览服务，网络 流量的特性发生了明显的改变。如今随着实时网络多媒体应用的推广、口电话 6 第一章绪论 的普及和电子商务应用的成熟，将会逐渐对互联网产生深远的影响 网络流量测量技术是目前唯一能用于分析网络状况、掌握流量特性的有效方 法。流量测量主要是对网络中的。数据流”进行测量和分析，以掌握网络的流量 特性，比如协议的使用情况、应用的使用情况、用户的行为特征等。流量测量的 方法是利用特定的技术手段，记录通过或到达观察点的数据包，并进行统计分析， 最终获取网络流量信息。 1 3 i 漉量测量概况 网络流量状况是网络中的重要信息，利用流量测量获得的数据我们可以实 现负载监测、性能分析、网络纠错、网络优化、业务质量监视，用户流量计费、 入侵检测等目标 目前，对于网络流量的测量均以。数据流”为基本粒度。数据流”被定义 为一系列通过网络中某一观察点的具有相同属性的数据报文的集合。这里所说的 数据报文属性可以指代报文报头的某些域( 如地址、端口、协议类型) 也可以 是数据流的特有属性( 如方向、m p l s 标签) 或者是监测点的环境属性( 如出口 类型) n 1 1 2 1 流量测量工具分为硬件和软件两种。基于硬件的流量测量工具是专门为采集 和分析网络流量而设计生产的设备，知f l u k e 公司的o p t i v i c w 链路分析仪软 件测量工具一般使用普通工作站作为运行平台，通过修改安装于主机上的操作系 统的网络接口模块，使之具有捕获数据包的功能，以实现流量信息的收集和分析， 如t c p d u m p ，s n i f f c r p r o 等 流量测量的方法可以按照测量工具是否向被测网络中发送数据划分为被动 测量和主动测量两种。被动测量只记录可在观测点观察到的数据，而观测点本身 不产生任何数据送入被测网络中被动测量是大多数测量工具采用的方法，例如 t c p d u m p 和s n i f f e r p r o 等工具。主动测量具有响应速度快、适应性强的优点，但 是会增加网络的负载，使用时需要注意测量的频度。主动测量的典型例子是利用 p i n s - r 具测量到达某个特定节点的网络时延。 对测量结果的分析可采用在线分析和离线分析两种方法。在线分析一般用于 传输速率较低的测试对象。测量设备不仅可以实时收集网络流量数据，还可以立 即对收集的数据进行分析，并实时输出分析结果而对于传输速率较高的测试对 7 北京邮f 乜人学博i ：研究生学位论文 象，一般采用离线分析的方法，即测量设备先将收集到的流量数据保存下来，在 需要的时候进行离线分析。这种方式实现比较简单，流量数据的收集和分析工作 相对独立，有利于进行灵活的结果分析。 随着物理传输速率的提高，对测量过程中网络传输的全部报文进行处理变得 越来越困难，测量设备必须通过采样的方式减少数据提取的工作量。常见的采样 机制有系统抽样、分层随机抽样和简单随机抽样三种。研究表明【埘，对于总体 方差小于局部方差的情形，系统抽样的方法优于随机抽样的方法；对于变化趋势 近似线性的采样对象，分层随机抽样方法更为有效 1 3 2 流量测量模型及系统 目前，网络链路的物理传输速率已达到数百兆甚至数g ，在这样的环境下进 行数据流监测对测量技术提出了更高的要求i e t f 专门成立了r t f m 和i p f i x 工作组进行数据流监测相关问题的研究依据r t f m 监测体系架构，我们研制 了网络性能监测设备。本节对r 硎和i p f i x 两个流量监测体系架构及流量监 测管理系统系统进行简要介绍。 l j 0 1 瑚r l m 流量监测体系 r t f i v l ( g e a l t i m et h 历cf l o wm e a s u r e m e n t ) 是i e t f 为建立实时流量测量体 系框架而成立的一个工作组r t f m 定义的流量测量体系框架包括管理器 ( m a n a g e r ) 、计量器( m e t e r ) 、计量阅读器( m e t e rr e a d e r ) 和处理采样数据的 分析应用实体( a n a l y s i sa p p l i c a t i o n ) 1 1 】。在网络管理者的控制下，基于r t f m 框架的多个管理设备可以协同完成工作，并将隶属于不同管理域的计量器所采集 到的信息通过计量阅读器汇总起来，提交分析应用实体。该模型如图1 3 所示。 图1 - 3g r f m 流量监控模型 图中四个模块的含义分别是： 一管理器：管理器是配置计量器及控制计量阅读器实体的应用程序。管理 s 晁 第一章绪论 器向计量器发送配置命令，并监视计量器和计量阅读器的操作是否正确。 一计量器：计量器是根据网络管理需要放置在特定位置的测量应用。每个 计量器可以根据配置采集不同的网络数据，并可以在存储数据之前进行汇集、