（计算机系统结构专业论文）分布式并行流量控制技术的研究与实现.pdf

摘要 摘要 随着i n t e r n e t 应用需求的快速增长，用户对带宽的需求不断增加，同时对网络 可靠性的要求也愈来愈强。然而i s p 提供的单一网络出口可能在带宽及可靠性方 面不能满足用户需求；同时为了满足更多用户对于高稳定性、高可靠性、高性能 低成本路由器的需求，分布式并行多出口路由器( d i s t f i b u t c d p a r a l l e lm u l t ip o r t r o u t e r , d p m p r ) 系统应运而生。 分布式并行多出口路由器结合了分布式并行技术和广域网多出口技术，分布 式并行技术使本系统具有高稳定性、高扩展性、高可靠性：多出口技术的应用不 仅增加了内部网络的出口带宽，更增强了内部网络的可靠性，提高了服务质量水 平。 本文首先介绍了分布式并行路由器系统的开发背景，项目的研究内容和本文 的主要工作内容。 然后讨论了系统涉及到的相关技术、概念和原理。介绍了分布式并行技术的 相关概念，分布式系统的发展过程、研究现状。分析研究了t c p f l p 协议的层次结 构和l i n u x 系统对t c p i p 协议的具体实现，q o s 技术的相关概念以及l i n u x 系统 为保证服务质量采用的q o s 技术，详细描述了n e t f i l t e r l p t a b l e s 的原理及其实现过 程。 其次提出了分布式并行路由器系统的流量控制方案。该方案采用分布式并行 技术，在系统范围内实现对用户流量的动态控制。具体策略如下：( 一) 基于用户 i p 带宽的流量控制，该策略可以精确控制所有用户的网络流量；( 二) 对所有用户 设置优先级，周期性统计系统当前活动用户的优先级总数，根据系统出口带宽值 计算出i p 对应可用的带宽值，此方案可充分利用网络出口的带宽，在线用户数量 较少的时候可以获得较大的可用带宽，用户较多的时候也可以保证所有用户都得 到一定的服务质量保证：( 三) 综合策略一、二，对用户分配权值和带宽值，然后 根据系统总流量情况分别执行不同策略：当系统流量小于4 0 时，对所有l p 不设 流量限制，转发所有数据包；当系统流量小于6 0 时，按照策略一执行，当系统 流量大于6 0 时，按照策略二执行。该方案针对性强，可以给用户提供更好的服 务质量。 最后验证了流量控制模块功能的正确性、稳定性和可靠性。 关键词：分布式并行，多出口路由器，q o s ，流量控制 儿 a b s n m c t w i t ht h er a p i dg r o w t ho fi n t e m e ta p p l i c a t i o n r e q u i r e m e n t ，u s e r sh a v em o r e d e m a n d sf o r b a n d w i d t ha n dt h er e l i a b i l i t yo fn e t w o r k b u tt h eo n l yo n en e t w o r k i n t e r f a c ep r o v i d e db yai s pi su n l i k e l yt om e e tu s e r s b a n d w i d t ha n dr e l i a b i l i t yn e e d s a t t h es a m et i m e ，i no r d e rt os e r v em o r eu s e r s n e e d sf o rr o u t e rw i t hh i g hs t a b i l i t y , h i g h r e l i a b i l i t y , h i g hp e r f o r m a n c e a n dl o w p r i c e , d i s t r i b u t e d & p a r a l l e lm u l t i p o r t r o u t e r ( d p m p r ) h a sb e e nd e v e l o p e d d p m p rc o m b i n e sd i s t r i b u t e d & p a r a l l e lt e c h n o l o g ya n dw i d ea r e an e t w o r km u l t i p o r tt e c h n o l o g y d i s t r i b u t e d & p a r a l l e lt e c h n o l o g ym a k e st h ed p m p rs y s t e mh a v e c h a r a c t e r i s t i c so fh i g l is t a b i l i t y , h i g he x p a n s i b i l i t ya n dh i g hr e l i a b i l i t y t h eu s eo fm u l t i p o r tt e c h n o l o g y n o to n l yi n c r e a s e st h e e x p o r tb a n d w i d t h ，b u ta l s oe n h a n c e st h e r e l i a b i l i t yo fi n t e r n a ln e t w o r ka n dr a i s e sl e v e lo fq u a l i t yo fs e r v i c e t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n tb a c k g r o u n do fd p m p rs y s t e m ， r e s e a r c hc o n t e n ta n dt h em a i nc o n t e n t a n dt h e ni td i s c u s s e st h er e l a t e dt e c h n o l o g y , c o n c e p ta n dp r i n c i p l e i ta l s o i n t r o d u c e st h er e l a t e dc o n c e p t sa b o u td i s t r i b u t e dp a r a l l e lt e c h n o l o g y , t h ed e v e l o p i n g p r o c e s sa n dt h ep r e s e n tc o n d i t i o no fr e s e a r c h i n g b e s i d e s ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h el e v e l f r a m e w o r ko ft c p 1 pp r o t o c o l ，t h er e a l i z a t i o no ft c p i pp r o t o c o li nl i n u xs y s t e m ，t h e r e l e v a n tc o n c e p to fo o s ，a n dq o sm e c h a n i s mi nl i n u xo s ，a n dg i v e sm o r ed e t a i l sa b o u t t h ep r i n c i p l eo f n e t f i l t e r l p t a b l e sa n di t sa c c o m p l i s h m e n tp r o c e d u r e n e x t ，i tp u t sf o r w a r dt h et r a f f i cc o n t r o ls c h e m eo fd m m p r t h es c h e m ea d o p t s d i s t r i b u t e dp a r a l l e lt e c h n o l o g y , w h i c hr e a l i z e sd y n a m i cc o n t r o lo fu s e r s f l o w t h e c o n c r e t et a c t i c sa s ： f i r s t l y ，i tc a l la c c u r a t e l yc o n t r o la l lu s e r s n e t w o r kf l o wb a s eo nt r a f f i cc o n t r o lb y u s e rb a n d w i d t h s e c o n d l y , s e t t i n gp r i o r i t yf o ra l lu s e l s ，k e e p i n ga c c o u n to fa l ll i v eu s e r s p r i o r i t y p e r i o d i c a l l y , w o r k i n go u tt h ea v a i l a b l eb a n d w i d t hf o re v e r yu s e rb yt h et o t a le x p o r t b a n d w i d t h ，t h es c h e m ec a nm a k ef u l lu s eo fi n t e r i o rn e t w o r ke x p o r tb a n d w i d t h t h i r d l y , s y n t h e s i z i n gt h ea b o v et w ot a c t i c s ，t h et h i r dt a c t i cs e t sp r i o r i t ya n d 1 1 1 b a n d w i d t h ，a n dm n sd i f f e r e n ts c h e m ea c c o r d i n gt ot h et o t a lf l o wo fd p m p rs y s t e m i f t h ec u r r e n ts y s t e mf l o wi sl e s st h a no re q u a l4 0 t o t a lf l o w , i tw i l ln o tl i m i ta n y o n e s f l o w , f o r w a r da l lp a c k e t s ；e l s ei fi ti sl e s st h a no re q u a l6 0 t o t a lf l o w , i tw i l lm nb yt h e f i r s tc l a s st a c t i c ；o t h e r w i s ei tw i l lm nt h es e c o n dt a c t i c t h i ss c h e m ec a np r o v i d eb e t t e r q u a l i t yo f s e r v i c ef o ri n t e 6 0 rn e t w o r ku s e k a tl a s t ，i tp r o v e st h ec o r r e c t n e s s ，s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ff l o wc o n t r o lm o d u l eb y t e s t k e yw o r d s ：d i s t m b i t e d & p a r a l l e l ，m u l t i p o r tr o u t e r , q o s ，t r a f f i cc o n t r o l 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。 日期：切厂年5 彤j 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，t 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：墨垒盏导师签名： 、 佴o 仁 日期：力即7 年j 月弓f 日 第一章g i 言 1 1 项目开发背景 第一章引言 随着i n t e m e t 应用需求的快速增长，用户对带宽的需求也不断增加，同时对网 络可靠性的要求也愈来愈强。然而仅由单一运营商提供的宽带接入可能在速率、 可靠性、价格方面不一定能完全满足需要。由于现在的市场竞争关系，不同i s p ( i n e m e ts e r v i c ep r o v i d e r ，i n t e r n e t 服务提供商) 均有针对竞争对手的优惠政策， 合理的利用这种竞争关系，申请多个i s p 的接入线路，就可以较低的成本获得更 多的可用带宽，也可以避免由于i s p 故障导致用户网络的瘫痪，保证用户的网络 能够提供不问断的服务。 由于用户网络规模的发展、变化，对路由器的性能需求也会发生变化。如果 采用传统的硬件路由器，当机器性能不能满足用户需求的时候，就只能更换硬件 设备，这就可能会造成用户投资的损失。为了有效保护用户投资，避免设各闲置 浪费，在用户已有设备的基础上，增加新的设备，通过新旧设备的结合，以满足 用户不断增长的应用需求，这就可以使用户以较低的成本获得更大的效益。同时 用户关键业务对网络可靠性、稳定性的需求也日益提高，如何保证向用户提供“永 不停顿”的服务也成为路由器的一个重要性能评价指标。 8 0 1 0 研究室从上世纪八十年代开始研究分布式并行技术，对d o s 、o s 2 、 w i n d o w s 和l i n u x 等流行的操作系统进行过全面的分析，无论在集中式操作系统结 构还是在早期的分布式并行操作系统结构的研究方面都积累了大量的知识和经 验。对分布式并行操作系统体系结构的产生背景和演变过程，以及各种流行分布 式并行操作系统的结构和优缺点都进行过深入的观察和研究，获得了宝贵的研究 资料。2 0 0 3 年7 月，分布式并行操作系统正式版推出并在多个地方试用，获得良 好效果。 分布式并行多出口路由器( d i s t r i b u t e d & p a r a l l e lm u l t i p o r tr o u t e r d p m p r ) 的开发正是8 0 1 0 研究室在多年研究分布式技术、并行技术的基础上，成功研制分 布式并行操作系统的前提下，为满足市场对高可靠性、高性价比路由器的需求而 研发的基于x 8 6 体系结构、l i n u x 系统的宽带接入路由器。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 本项目研发初期国内外没有相同或类似的产品，使我们的研究抢占了先机， 于0 3 年推出了分布式并行防火墙( d i s t r i b u t e d & p a r a l l e lf i r e w a l l ，d p f w ) 系统， 随后进入了d p m p r 的研发阶段。由于在此过程中出现了一些人为因素，导致项目 的研发时间延长。此间市场上出现了多种多出口路由器，但是技术上仍然与我们 有较大的差距，主要体现在以下方面：大部分产品的多出口之间只是简单的端口 备份，没有充分利用各个端口的通信带宽增加内部网络的出口容量，只起到了增 加可靠性的目的：多出口之间的负载均衡仅采用简单的按比例分配或者简单轮转， 没有有效的解决负载均衡的问题；最关键的一点是市场上所有的产品均没有运用 分布式并行技术，没有解决路由器系统单节点的可靠性问题，也没有解决路由器 性能瓶颈的问题。 1 3 研究内容及本人工作 分布式并行多出口路由器主要研究内容包括：l i n u x 内核路由机制：q o s 技术： 节点的负载均衡技术；数据接收策略；节点检测、通信技术( 节点之问的发现、 状态检测、通信) ；数据包多出口选择策略；流量控制技术。q o s 的研究内容主要 包括数据类型的识别、优先级划分，排队模型的建立，用户流量控制等。 本人工作主要包括以下内容： ( - - ) 研究l i n u x 系统的网络体系结构及t c p i p 协议的实现机制； ( 二) 研究q o s 相关技术及其在l i n u x 系统的具体实现； ( 三) 实现分布式并行路由器的流量控制机制，是本文的重要工作内容。本 文提出了三种流量控制策略：第一种策略是根据给用户分配的带宽限制用户流量； 第二种方法是根据用户优先级别的高低分配不同的权值，然后用户以该权值享用 系统提供的可用服务，由于系统的活动用户在随时变化，单位权值所获取的带宽 值也相应的发生变化，用户获得的可用带宽也就跟着变化，这样当系统活动用户 较少的时候，用户就可以分配较多的可用带宽，用户增加后仍可以保证所有用户 都能获取一定的带宽值，当然也就获得了一定的服务质量；最后一种策略是根据 系统流量的变化情况，分别采用不同的管理方法，d o s f s 把系统流量分为三个区 间，当系统总流量小于4 0 的出口带宽时，表明活动用户较少，此时允许用户不 受限制的发送所有数据包，充分的利用出口带宽，当系统总流量在4 0 6 0 的 第一章引言 出口带宽时，此时采用策略一的方法，当系统总流量大于6 0 的出口带宽时，需 要严格的控制用户流量，以免发生拥塞影响系统的可用性，此时采用策略二的方 法，把用户的流量控制在系统可用的带宽范围内，避免少数用户恶意的滥用网络 出口带宽资源，影响其他用户的服务质量。 1 4 论文组织结构 本文共分六章。 第一章为引言，主要介绍了分布式并行路由器项目的开发背景，以及该项目 的主要研究方向和本人的主要工作内容。 第二章首先介绍了分布式系统、并行技术的相关概念及国内外研究现状，分 析了l i n u x 系统网络协议栈对于t c p f l p 协议的具体实现过程，然后引入q o s 的概 念，介绍了q o s 的性能指标、服务模型，研究了l i n u x 系统q o s 的实现机制。 第三章详细介绍了并行节点通信模块的设计与实现。 第四章详细介绍了流量控制模块的设计与实现，在此过程中介绍了用户空间 和内核通信三种方法，以及n e t f i l t e r 的具体实现。 第五章对流量控制模块的性能进行了测试，并对测试结果进行分析。 第六章总结全文，展望了未来的工作。 1 5 本章小结 本章主要简述了项目的开发背景、研究现状，对项目的研究方向进行了阐述， 并介绍了本人的主要工作内容和论文章节安排。 3 a 子科技大学硕士学位论文 第二章相关技术 分布式并行多出口路由器是在l i n u x 系统的基础上，结合分布式并行技术研发 而成，该系统涉及到分布式并行技术，q o s 技术以及l i n u x 网络技术。以下逐一介 绍相关概念、原理。 2 1 分布式并行技术 2 1 1 分布式系统的分类 一般分布式系统可分为紧耦合型和松耦合型。在紧耦合的系统中，一台计算 机向另一台计算机发送信息的时间很短、数据传输速率高，也就是说它每秒钟所 能够传送的比特数大。而在松耦合的系统中则正好相反：计算机问信息传送延迟 大，数据传输速率低。 紧耦合的系统侧重于并行系统( 共同处理一个问题) ，而松耦合系统多侧重于 分布式系统( 处理一些不相关的问题) 。总的来说，多处理机的耦合程度要比多计 算机高，因为它们能以存储速率交换数据，但一些基于光纤的多计算机也能以存 储速率交换：在松耦合系统中，允许分布式系统的机器和用户基本上各自独立， 但是也在必要的情况下进行一定程度的相互作用。例如，在一组个人计算机中， 每台机器都有它自己的c p u 、存储器、硬盘和操作系统，但是它们通过i a n 共 享一些资源，例如打印机、数据库等。因为每一台计算机都能够明显地同其它计 算机区别开来，每一台也都有自己的任务，这个系统是松耦合的。如果网络因某 种原因而崩溃，各个计算机虽然会失去一些功能( 例如，打印功能) ，但是它们在 很大程度上仍能继续工作。 而在一个紧耦合系统中，例如一个并行运行下棋程序的多处理机。每个c p u 都被指定一个棋局进行推演，它分析盘面和所有可能从中产生的盘面。当推演完 毕后，c p u 汇报其结果，同时又被指定一个新的盘面进行推演。这个系统的软件， 包括它的应用程序以及支持它的操作系统，与前面给出的例子相比很明显是紧耦 合的。 常见的网络操作系统是运行在松耦合硬件上的松耦合软件。除了共享文件系 4 第= 章相关技术 统外，对用户可见的是这个系统包含了许多计算机。每台计算机都运行它自己的 操作系统，而且按它所有者的要求工作。除了通信必须遵守的协议之外，计算机 之间基本上没有什么合作。这种系统下一步发展方向就是在同样的松耦合硬件上 的紧耦合软件。它的目标是使用户认为整个计算机网络是一个分时系统，而不是 一个互不相同的进程的集合。这样的性质可以称为单系统映像( s i n g l e s y s t e m i m a g e ) 。 2 1 2 分布式系统的优点 随着微处理器技术的发展1 ”，c p u 的速度不断提高而价格日益降低。研究发 现，微处理机的集合不仅具有比单个大型主机更好的性价比，而且还能实现单个 大型主机无论如何都不能达到的绝对性能。 一个分布式系统【2 11 3 就是由若干独立节点组成的集合，但对这个系统的用户来 说，系统就像一台计算机一样。从硬件角度讲，每个节点都是自主的：但从软件 角度来讲，用户将整个系统看作一台主机，进行统一的编程。 同集中式系统相比，分布式系统的另一个潜在优势在于它的高可靠性。通过 把工作负载分散到众多的机器上，单个芯片故障最多只会使一台机器停机，而其 它计算机不会受任何影响。理想条件下，某一时刻如果有1 0 的计算机出现故障， 系统仍能继续工作，只不过损失1 0 的性能。对于关键性的应用，采用分布式系 统实现主要是考虑到它可以获得很高的可靠性。另外良好的可扩展性也是分布式 系统优于集中式系统的一个潜在的重要原因。 渐进的增长方式也是分布式系统优于集中式系统的一个方面。通常，一个公 司会购买一台大型主机来完成所有的工作。而当公司业务增加到一定程度时，这 个主机就不再胜任。原有的解决办法是要么用更高性能的机器代替现有的大型主 机，要么再增加一台大型主机。这两种作法都会引起公司运转混乱。相比之下， 如果采用分布式系统，仅给系统增加一些处理机就可以解决这个问题，而且也允 许系统规模在需求减小的时候进行紧缩。 从长远的角度来看，随着大量个人计算机的使用和人们共同工作与信息共享 的需要，这种信息共享必须是以一种方便的形式进行，而不受地理、人员、数据 以及机器的物理分布的影响，而这正符合分布式系统的特征。 2 1 3 并行技术 5 电子科技大学硕士学位论文 过去人们普遍认为计算机性能的提高主要得益于更高性能处理器的出现，现 在这种观念受到了并行处理概念的挑战。并行技术使得分布式计算系统能够实现 惊人的计算能力，近年来造价昂贵的并行超级计算机向分布式并行系统转换的趋 势越来越强，而高性能工作站标准化组件和网络部件的快速发展成为促成这种转 换的驱动因素。 现代计算机的一个公共特点是并行性，不论是从计算机的体系结构还是微处 理器的发展方向来看，并行性逐渐体现在每一个方面。x 8 6 体系微处理器的发展就 是并行技术发展的一个很好的体现：多线程、超标量设计都是提高c p u 的并行能 力的关键。而在分布式体系结构中，更是充分利用了并行性这一特点。创建和使 用分布式并行计算机系统主要是为了解决单处理器的速度瓶颈，利用并行技术来 提高应用性能( 通过优化串行程序) 。 从另一个角度来看，并行技术的发展，不仅大大促进了计算机系统的可扩展 性，同时在单位成本控制上也有了可喜的进步，使得基于分布式的并行计算系统 的性价比明显优于独立的计算机系统，如小型机和一般的大型主机。 2 1 4 分布式并行计算机系统的特点 分布式并行计算机系统具有以下功能特征： ( 1 ) 高性能 分布式系统能够有效提高系统的吞吐量、缩短系统响应时间，这主要是因 为多个任务在多个节点上并行执行；此外，还可以通过负载分配技术来缩短系 统的响应时问。在负载分配过程中，过载节点的某些任务将被转移到轻载节点 执行，从而减少了任务等待执行的时间。 ( 2 ) 高可靠性 由于系统的部分组件失效不会影响到整体的运行，同时通过数据冗余或服 务备份，又使该系统具备很好的容错性，因此分布式并行系统是一种具备高可 靠性的系统。 ( 3 ) 高伸缩性 由于新的硬件和软件可以很方便的加入到系统中而不影响已经存在的系 统；同时在用户需求减小的时候也可以减少机器数量，缩小系统规模。因此分 布式并行系统本质上就具备良好的可伸缩性。 2 2q o s 相关技术 6 第二章相关技术 2 2 1q o s 及其功能 在传统的l p 网络中，所有的报文都被无区别的等同对待，每个路由器对所有 的报文均采用先入先出( f 1 f o ) 的策略进行处理，它尽最大的努力( b e s t e f f o r t ) 将报文送到目的地，但对报文传送的可靠性、传送延迟等性能不提供任何保证。 随着网络多媒体技术的飞速发展，i n t e r n e t 上的多媒体应用层出不穷，如i p 电 话( v o l p ) 、视频会议、视频点播( v o o ) 、远程教育等多媒体实时业务。i n t e m e t 已 逐步从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。 传统i p 网络的尽力服务不能识别和区分出网络中的各种通信类别，而具备通信类 别的区分能力正是为不同的通信提供不同服务的前提，所以说传统网络的尽力服 务模式已不能满足应用的需要。 可以通过增加网络带宽来缓解网络拥塞，但这样做并不能消除拥塞。当两条 容量极高的光缆汇聚到第三条光缆上时，仍会造成拥塞。此外由于交换机和路由 器的接口速率与网络的带宽相比仍很低，当数据到达接口的速率超过接口转发的 速率时，拥塞也会发生。并且需要大带宽的新业务不断涌现，当这些业务量猛增 的时候，拥塞将是难以避免的。甚至在一个负载相对较轻的i p 网络上，传输迟延 也能累积到影响实时应用的程度。为了在i n t e r n e t 上提供有质量保证的服务，必须 制订有关服务数量和服务质量水平的规定。规定中需要在网络方面增加一些协议， 对具有严格时延要求的业务和能够容忍迟延、抖动和分组丢失的业务进行分类， 同时采用多种分组调度机制和算法对这些业务进行处理，这就是o o s 机制的职责。 o o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ，服务质量) 技术的出现便致力于解决以上问题【4 “。 q o s 是网元( 如主机，路由器，应用服务) 在一定程度上满足流量及其业务 需求的能力。为了确保q o s ，需要网络各层以及端到端的网元的协作。o o s 并不 能增加网络带宽，而是通过最优化的使用和管理网络资源使其尽可能满足多种业 务的需求。 q o s 旨在针对各种应用的不同需求，为其提供不同的服务质量，如提供专用 带宽、减少报文丢失率、降低报文传送时延及时延抖动等。为实现上述目的，q o s 提供了下述功能： ( 1 ) 报文分类和标注 ( 2 ) 网络拥塞避免和管理 ( 3 ) 流量监管和流量整形 ( 4 ) q o s 信令协议 7 电子科技大学硕士学位论文 o o s 的关键指标包括：可用性、吞吐量、时延、时延变化和数据丢失。 ( 1 ) 可用性 是当用户需要时网络即能工作的时间百分比。可用性主要是设备可靠性和 网络存活性相结合的结果。对它起作用的还有一些其他因素，包括软件稳定性 以及网络演进或升级时不中断服务的能力。 ( 2 ) 吞吐量 是在一定时间段内对网上流量( 或带宽) 的度量。对i p 网而言可以从帧中继 网借用一些概念。根据应用和服务类型，服务水平协议( s 可以规定承诺信 息速- 率( c i r ) 、突发信息速率( b 】r ) 和最大突发信号长度。承诺信息速率是应该 予以严格保证的，对突发信息速率可以有所限定，以在容纳预定长度突发信号 的同时容纳从话音到视像以及一般数据的各种服务。一般讲，吞吐量越大越好。 ( 3 ) 时延 指一项服务从网络入口到出1 3 的平均经过时间。许多服务，特别是话音和 视像等实时服务都是不能容忍大时延的。当时延超过2 0 0 - 2 5 0 毫秒时，交互式 会话就变得非常困难。为了提供高质量话音和会议电视，网络设备必须保证较 低的时延。 产生时延的因素很多，包括分组时延、排队时延、交换时延和传播时延。 传播时延是信息通过铜线、光纤或无线链路所需的时间，它是光速的函数。在 任何系统中，包括同步数字系列( s d h ) 、异步传输模式( a t m ) 和弹性分组环 路( r p r ) ，传播时延总是存在的。 7 ( 4 ) 时延变化 是指同一业务流中不同分组所呈现的时延不同。高频率的时延变化称作抖 动，而低频率的时延变化称作漂移。 抖动主要是由于业务流中相继分组的排队等候时问不同引起的，是对服务 质量影响最大的一个问题。某些业务类型，特别是话音和视像等实时业务极不 容忍抖动。分组到达时间的差异将在话音或视像中造成断续。所有传送系统都 有抖动，只要抖动落在规定容差之内就不会影响服务质量。利用缓存可以克服 过量的抖动，但这将增加时延，造成其他问题。 漂移是任何同步传输系统都有的一个问题。在s d h 系统中是通过严格的 全网分级定时来克服漂移的。在异步系统中，漂移一般不是问题。漂移会造成 基群失帧，使服务质量的要求不能满足。 ( 5 ) 数据丢失 8 第二章相关技术 不管是比特丢失还是分组丢失，对分组数据业务的影响比对实时业务的影 响都大。在通话期间，丢失一个比特或一个分组的信息往往用户注意不到，在 视像广播期间，这在屏幕上可能造成瞬间的波形干扰，然后视像很快恢复如初。 即使用传输控制协议( t c p ) 传送数据也可能处理丢失，因为传输控制协议允许 丢失的信息重发。事实上，随机早期丢弃丢( r e d ) 的拥塞控制机制故意丢失分 组，其目的是在流量达到设定门限时抑制t c p 传输速率，减少拥塞，同时还 使t c p 流失去同步，以防止因速率窗口的闭合引起吞吐量摆动。但分组丢失 多了，会影响传输质量。所以，要保持统计数字，当超过预定门限时就向网络 管理人员告警。 下例对比在网络发生拥塞时，报文在无q o s 保证和有q o s 保证网络中的不同 处理过程。图2 一l 所示为在发生拥塞时，网络设备接口在不支持o o s 的情况下， 报文发送情况。 队列出队调度 曩口一+ 回十o + _ 口一 。一一l _ j - 一- 待发送报丈出队报文 ! 一ir 1r 一1 备注：紧急报文次紧急报文非紧急报文 图2 - - 1 先进先出队列示意图 所有要从该接口输出的报文，按照到达的先后顺序进入接口的f i f o 队列尾部， 而接口在发送报文时，从f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ，先入先出) 队列的头部丌始，依 次发送报文，所有的报文在发送过程中，没有任何区别，也不对报文传送的质量 提供任何保证。图2 2 表示网络设备接1 ：2 在支持q o s 情况，采用p q ( p r i o r i t y q u e u e i n g ，优先队列) 队列报文发送情况。 ；二1 口1 i 护 ：一一? ； ，一7 i 一j _ 1 j 一 备注： 紧急报文次紧急报文1 1 紧急报文 图2 2p o 队列示意图 9 一基 一| 一 令 o翻 嚣回 i t 子科技大学硕士学位论文 在报文到达接口后，首先对报文进行分类，然后按照报文所属的类别让报文 进入所属队列的尾部，在报文发送时，按照优先级，总是在所有优先级较高的队 列中的报文发送完毕后，再发送低优先级队列中的报文。这样在每次发送报文时， 总是将优先级高的报文先发出去，保证了属于较高优先级队列的报文有较低的时 延，报文的丢失率和时延这两个性能指标在网络拥塞时也可以有一定的保障。 q o s 可以控制各种网络应用和满足多种网络应用要求，如： 控制资源：可以限制骨干网上f t p 使用的带宽，也可赋予数据库访问以较高 优先级。 可裁剪的服务；用户可能传送语音、视频或其他实时业务，q o s 使i s p 能区 分这些不同的报文，并提供不同服务。 多种需求并存：可以为时问敏感的多媒体业务提供带宽和低时延保证，而其 他业务在使用网络时，也不会影响这些时间敏感的业务。 在一个网络中，需要以下的三个部分来完成端到端的q o s ： 各网络元件( 路由器、以太网交换机等) 支持q o s ，提供队列调度、流量整 形等功能。 信令技术来协调端到端之闻的网络元件，为报文提供q o s 。 q o s 技术控制和管理端到端之间的报文在一个网络上的发送。 每个网络元件提供如下功能： 报文分类，对不同类别的报文提供不同的处理。 队列管理和调度来满足不同应用要求的不同服务质量。 流量监管和流量整形限制和调整报文输出的速度。 接入控制来确定是否允许用户信息流使用网络资源。 2 2 3q o s 服务模型 服务模型，是指一组端到端的q o s 功能，通常q o s 提供以下三种服务模型： ( 1 ) b e s t e f f o r ts e r v i c e ( 尽力丽为服务模型) ( 2 ) i n t e g r a t e ds e r v i c e ( 综合服务模型，简称i n t s e r v ) ( 3 ) d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ( 区分服务模型，简称d i f f s e r v ) 2 2 。2 1b e s t - e f f o r t 服务模型 b e s t e f f o r t 是一个单一的服务模型，也是最简单的服务模型。应用程序可以在 任何时候，发出任意数量的报文，而且不需要事先获得批准，也不需要通知网络。 1 0 第二章相关技术 对b e s t e f f o r t 服务，网络尽最大的可能性来发送报文，但对时延、可靠性等性能 参数不提供任何保证。b e s t e f f o r t 服务是现在i n t e r n e t 的缺省服务模型，它适用于 绝大多数网络应用，如f r p 、e - m a i l 等，它通过先进先出( f i f 0 ) 队列来实现。 2 2 2 2i n t s e r v 服务模型 i n t s e r v 是一个综合服务模型1 9 l i l o l ，它可以满足多种q o s 需求。这种服务模型 在发送报文前，需要向网络申请特定的服务。这个请求是通过信令( s i g n a l ) 来完 成的。应用程序首先通知网络它自己的流量参数和需要的特定服务质量请求，包 括带宽、时延等，应用程序一般在收到网络的确认信息，即确认网络已经为这个 应用程序的报文预留了资源后，才开始发送报文。同时应用程序发出的报文应该 控制在流量参数描述的范围以内。 网络在收到应用程序的资源请求后，执行资源分配检查( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) ， 即基于应用程序的资源申请和网络现有的资源情况，判断是否为应用程序分配资 源。一旦网络确认为应用程序的报文分配了资源，则只要应用程序的报文控制在 流量参数描述的范围内，网络将承诺满足应用程序的o o s 需求。而网络将为每个 流( f l o w ，由两端的l p 地址、端口号、协议号确定) 维护一个状态，并基于这个 状态执行报文的分类、流量监管( p o l i c i n g ) 、排队及其调度，来实现对应用程序的 承诺。 在i n t s e r v 服务模型中，负责传送o o s 请求的信令是r s v p ( r e s o u r c e r e s e r v a t i o np r o t o c o l ，资源预留协议) ，它通知路由器应用程序的q o s 需求。r s v p 是在应用程序开始发送报文之前来为该应用申请网络资源的，所以是带外信令 ( o u t b i n d ) 。 i n t s e r v 可以提供以下两种服务： ( 1 ) 保证服务( g u a r a n t e e ds e r v i c e )它提供保证的带宽和时延限制来满足应 用程序的要求。如v o l p 应用可以预留i o m 带宽和要求不超过1 秒的时延。 ( 刁负载控制服务( c o n t r o l l e d l o a ds e m i t e )它保证即使在网络过载 ( o v e r l o a d ) 的情况下，能对报文提供近似于网络未过载类似的服务，即 在网络拥塞的情况下，保证某些应用程序的报文低时延和高通过。 2 2 2 3d i f f s e r v 服务模型 d i f f s e r v 是一个多服务模型1 1 1 1 1 1 2 1 ，它可以满足不同的o o s 需求。与i n t s e r v 不 同，它不需要使用r s v p ，即应用程序在发出报文前，不需要通知路由器为其预留 l l 电子科技大学硕士学位论文 资源。对d i f f s e r v 服务模型，网络不需要为每个流维护状态，它根据每个报文指 定的q o s ，来提供特定的服务。可以用不同的方法来指定报文的q o s ，如i p 报文 的优先级位( i pp r e c e d e n c e ) ，报文的源地址和目的地址等。网络通过这些信息来 进行报文的分类、流量整形、流量监管和队列调度。 d i f f s e r v 一般用来为一些重要应用提供端到端的o o s ，它通过以下技术实现： ( 1 ) c a r ( c o m m i t t e d a c c e s sr a t e ，c a r 约定访问速率) 它根据报文的 l o s 或c o s 值( 对于i p 报文是指i p 优先级或者d s c p ，对于 m p l s ( m u l t ip r o t o c o ll a b l es w i t c h ，多协议标签交换) 报文是指e x p 域等等) 、 i p 报文的五元组等信息进行报文分类，完成报文的标记和流量监管。 ( 2 ) 队列技术 w r e d ( w e i g h t e dr a n d o me a r l yd e t e c t i o n ，加权随机早期丢弃) 、p q 、c q ( c u s t i o nq u e u e i n g ，定制队列) 、w f q ( w e i g h t e df a i rq u e u e i n g ，加权公平队 列) 、c b w f q ( c l a s sb a s e dw e i g h t e df a i rq u e u e i n g ，基于类的加权公平队列) 等队列技术对拥塞的报文进行缓存和调度，实现拥塞管理。 通常在配置d i f t s e r v 时，边界路由器通过报文的源地址和目的地址等对报文 进行分类，对不同的报文设置不同的c o s 值，而其他路由器只需要用c o s 值来进 行报文的分类。 m p 峪上应用。d i f f s e n ，用以下两种方法来解决j ( 1 ) 在以太网等网络中，m p l s 报文在二层链路层和三层网络层之间有一个垫 片( s h i m ) ，扩展该层中未用的字段：e x p ( 包含三个位) ，由这几个位来 决定报文的队列调度及丢弃的优先级。 ( 2 ) 在a r m ，f r 等网络中，其m p l s 报文没有垫片( s h i m ) ，可针对f e c ( f o r w a r d i n ge q u i v a l a n c ec l a s s 转发等价类) 和q o s 请求的组合来分配标 签，而不同于以前仅针对f e c 分配标签( 1 a b l e ) 。这样在收到一个m p l s 报文后，根据收到报文的标签，就可以确定发出报文的标签及报文所要求 的服务。 2 2 2 4 服务模型的发展过程 随着人们认识问题的逐步深入，q o s 技术的发展经历了一个漫长、曲折的过 程，如图2 3 所示： 1 2 第：章相关技术 1 9 9 4 1 9 9 8 2 0 0 2 无q o s 基于袭的q o s基于聚合流的q o s基于流的q 0 s 时同 图2 - - 3 q o s 发展过程 ( 1 ) 2 0 世纪8 0 年代，当时的i n t c m e t 主要承载数据业务，网络采用尽力而为的 服务、无q o s 保障。 ( 2 ) 到了2 0 世纪9 0 年代初期，由于受到v o l p 等实时业务的驱动，i e t f 组织 在1 po o s 领域做了第一次尝试，在1 9 9 4 年推出了基于r s v p 的i n t s e r v 解决方案， 这是一种端到端基于流的q o s 技术。 i n t s c r v 主要借鉴了窄带p s t n 领域的成功经验，通信前先通过信令协议建立 端到端的通信路径、解决q o s 问题，但同样的思想在i p 领域却没有获得成功，其 中一个重要的原因在于i p 网络与p s t n 网络的流量模型和业务模型是不同的，参 见表2 1 。 表2 1i p 网络和p s t n 网络流量模型和业务模型的比较 流量模型业务模型 p s i n