（计算机应用技术专业论文）自适应qos的研究与应用.pdf

自适应o o s 的研究和应用 计算机应用技术专业 研究生黄锐指导教师卢苇教授 ，一3 2 6 h 随着广泛应用的多媒体业务对网络带宽的需求越来越大，网络带宽瓶颈显得 越来越突出。于是，人们使用q o s 来解决这一问题。传统的q o s 实现方案是使 用静态分配的方法来优化网络资源的使用效率，但是，由于网络流量和网络需求 本身是动态变化的，所以，显然这样的是解决方案并不能最有效的利用网络资源。 并且，由于目日u 业界对于q o s 尚未达成统一的标准，不同厂商在具体的q o s 解 决方案中使用一些自有的协议和标准，这使得在网络设备较为复杂的网络系统中 ， 实施q o s 尤为困难。 。 文中。笔者讨论使用应用层软件控制的方法。消除底层传输协议的差异来实 现q o s 。并通过在网络资源的分配过程中，废除策略控制q o s 中静态分配的思 想，动态的根据网络资源的实际利用情况分配资源从而实现自适应q o s 。自适 应q o s 的难点在于如何获得网络资源实时使用情况，文中，笔者设计了资源管理 器一客户代理模型，使用s n m p 提供丰富的网络实时状态参数，构建一套指标来 评估网络系统资源使用情况。 本文首先介绍q o s 的基本原理和策略控制q o s 的完整模型与解决方案，在 此基础上提出自适应q o s 基本原理和实现思想：然后介绍自适应q o s 的实现模 型，并分析该模型的可行性；接着，提出自适应q o s 的实现技术细节，讨论实现 方案中将使用到的技术，这种介绍方案中的关键协议一一s n m p ：最后介绍在局 域网环境中，该方案的实现情况，并通过试验数据对比，证明白适应q o s 的可行 性和有效性，并提出本方案的技术展望。 关键词：服务质量自适应简单网络管理协议 r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n s o n a d a p t i v eq o s s p e c i a l l yo f c o m p u t e r s c i e n c e p o s t g r a d u a t e ：h u a n g r u j s u p e r v i s o r ：p r o f l uw e i w i t h w i d e l ya p p l i c a t i o no fm u l t i m e d i a ，t h en e e df o rn e t w o r kb a n d w i d t h i sb e c o m i n gm o r ea n dm e r e t h e r e f o r e ，t h ep r o b l e mo fb a n d w i d t hb o t t l e n e c k a p p e a r s t h e nq o si su s e dt or e l e a s et h ep r o b l e m t h e t r a d i t i o n a lq o s o p t i m i z e st h en e t w o r kb ym e a n so fa l l o t t i n g r e s o u r c es t a t i c a l l y ，h o w e v e r t h ed a t af l o wo nt h en e t w o r ka n dn e e df o rn e t w o r k r e s o u r c ev a r y t h e r e f o r e t h et r a d i t i o n a l w a y i sn o tt h eb e s ts o l u t i o n f u r t h e r m o r e ，t h eq o s s t a n d a r d sh a v en o tr e a c h e d ，d i f f e r e n tc o m p a n i e su s es e l f p r o t o c o la n d s e l f - s t a n d a r d si nt h e i ro w nq o ss o l u t i o n t h e r e f o r e ，i ti sv e r yd i f f i c u l t t oi m p l e m e n tq o si nac o m p l e xe n v i r o n m e n t i nt h i sp a p e r ，a u t h o rd i s c u s st h ew a yo fu s i n ga p p l i c a t i o nc o n t r o l t or e m o v et h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nl o w e rl a y e rt r a n s p o r tp r o t o c o l sa n d r e a l i z ea d a p t i v eq o sb yw a yo fr e p l a c i n gt h ei d e ao fa l l o t t i n gr e s o u r c e s t a t i c a l l yi np o l i c e c o n t r o lq o sw i t ha l l o t t i n gr e s o u r c eo nb a s eo ft h e c u r r e n tu s a g e t h eh e a dp o i n to fa d a p t i v ei sh o wt ok n o wt h ec u r r e n tu s a g e o ft h en e t w o r k t h ea u t h o rs o l v e dt h ep r o b l e mb yd e s i g n i n gt h er e s o u r c e m a n a g e r c l i e n ta g e n tm o d e la n du s i n gt h er e a l 。t i m e n e t w o r kp a r a m e t e r p r o v i d e db yt h es n m p i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o r ，f i r s t l y ，i n t r o d u c e st h ep r i n c i p a lg r o u n d o ft h eo o sa n dt h em o d e lo fp o l l c y c o n t r o lq o s ；s e c o n d l y ，a u t h o rp u t f o r w a r d st h ep r i n c i p a lg r o u n da n dr e a l i z i n gi d e ao fa d a p t i v eq o s ：t h i r d l y a u t h o ri n t r o d u c e st h em o d e lo fa d a p t i v eq o sa n dd i s c u s st h er e a l i z i n g f e a s i b i l i t yo ft h em o d e l ：f o u r t h l y ，a u t h o ra n a l y s e st h et e c h n o l o g yt h a t w i l lb eu s e di nt h em o d e la n de m p h a s i so dd i s c u s s i n gt h ek e yp r o t o c o l - - s n m p f i f t h l y ，t h ea u t h o rp r o v e st h ef e a s i b i l i t yo ft h ea d a p t i v eq o sb yr e a l i z i n g t h em o d e li nt h el a na n dt h ea f f e c t i v i t yo ft h ea d a p t i v eq o sb ya n a l y z i n g t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ；a tl a s t ，t h ea u t h o rp u tf o r w a r d st h e d e v e l o p m e n t o ft h es y s t e m k e y w o r d s ：q o s ，a d a p t i v e ，s n m p 1 引言 t c p i p 作为i n t e r n e t 的中心协议只能为用户提供“b e s te f f o r t ”的服 务。它的设计思想是网络不会拒绝用户的服务请求，用户之间采取争用的方 式使用网络资源，用户的服务质量根据当前网络的使用情况而定。也就是说， 网络并不保证向应用数据漉提供所需的带宽，也不保证数据流的传送时延和 丢失率等质量指标。对于w w 等非实时业务，“b e s te f f o r t ”这种争用的方 式能够满足要求，但是对于音频或视频等实时通信应用、多媒体应用以及紧 急业务方面 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 。7 ，它就显得力不从心。于是，人们开始使 用q o s 来解决这些问题。 q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 在c c i t te 8 0 0 中是这样描述的一一t h e c o l l e c t i v ee f f e c to fs e r v i c ep e r f o r m a n c e ，w h i c hd e t e r m i n e st h ed e g r e e o fs a t i s f a c t i o no fau s e ro ft h es e r v i c e 。可见q o s 的定义非常主观， 是站在使用者的角度来评价的。在通常的q o s 解决方案中，是在婀络设备上 或者主机上定制o o s 策略，然后把这些策略应用到网络的运行之中。文献 8 ， 9 讨论了s 策略定制的方案。文献 1 0 比较了i n t s e r v 和d i f f s e r v 的区别， 着重讨论了d i f f s e r v 网络中多播和带宽分配公平性的问题。文献 1 1 ，1 2 研 究了q o s 路出的闯题。通过根据q o s 约束，来选择可行的路径，从而满足应 用所需要的延迟，带宽，丢包率等问题。然而，既然o o s 最终是由使用者来 评价的，但是在网络的实际运行之中。网络的状态以及使用者对网络的要求 都是在不停的变化所以，使用定制q o s 策略的方法最终是得不到使用者的 满意的。 于是，研究人员开始探讨使用自适应q o s 解决这个问题。自适应o o s 本 质就是让q o s 策略定制随着使用者的需求以及网络的状况的变化而变化，以 此提高服务质量文献 1 3 1 提出了i p 网络自适应的管理方案，引入了优先级 和节的概念。目前，对自适应q o s 的研究主要集中于a t m 网络以及具有优 先级概念的i p 协议( 比如i p v 6 ) ，通过网络协议的改进来提供自适应的o o s 。 但是，在这样的协议没有得到广泛的推广以前，自适应q o s 就失去用武之地。 本文探讨通过软件方法，为i p 园区网提供自适应q o s 解决方案，通过对 3 于自适应q o s 体系结构的软件实现。来探讨自适应q o s 的实现可能蛀以及完 善自适应o o s 的一些技术细节。主要开展了以下的工作： 深入分析q o s 的基本原理，研究策略控制q o s 的实现途径。提出自适 应q o s 的基本概念和应该实现的功能，为自适应o o s 的研究做好理论 方面支持。 分析自适应g o s 的实现思想，设计了资源管理器一客户代理模型，提 出实现自适应q o s 的方法，研究在实现自适应q o s 中关键协议一一简 单网络管理协议，详细研究s n m p 的框架与实现细节，分析怎样剥用 s n i p 提供的网络实时参数反映网络资源便用状态。 在局域网环境里实现自适应q o $ ，并通过比较使用自适应q o s 前后网 络性能的差异束分析自适应o o s 实施的可行性以有效性。 通过分析在试验中发现的本方案的不足提出改方案的改进思路与发 展的设想。 2 自适应o o s 的基本原理 q o s 是指网络在不同的技术环境下( 比如：帧中继，a t m 。以太网，s o n e t 等) 为某些网络数据流提供更好服务的能力。q o s 的主要目的是提供带宽、阻 塞控制、延迟控制以及降低丢包率在内的优先级。并在确保一个或者些数 据流获得较高优先级的同时，不能中断其它数据流“”。自适应o o s 是在q o s 茎础上对q o s 的发展与改进，目的是为了提高q o s 效率。 本节辖介绍q o s 的些基本原理，这种分析策略控制q o s 的模型然后 引出自适应q o s 的概念 2 1o o s 的基本原理 2 ，o o s 的一些基本摄念 2 1 1 1 q o s 的分类 描述q o s 的途径很多。依照网络应用对q o s 需求的紧迫程度来划分，q o s 可以分为以下两种： 综合业务服务结构( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ) ：网络资源依照应用程序的 q o s 请求来分配，并受制予带宽管理策略。 区分业务服务结构( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) ：网络流量被分类，而 且网络资源是依照带宽管理策略进行分配。并且对带宽需求较多的分类优先 处理， 同时q o s 也可以根据单独流和聚合流分为以下两类： 每流结构( p e rf l o w ) ：一个流是指两个应用程序( 接收方和发送方) 之 闻单独的并且单向的数据流，它能够被一个五元组( 传输协议、源地址、源 端口号、目标地址、目标端口号) 标识。 每聚集结构( p e ra g g r e g a t e ) ：一个聚集是两个或者多个流的集合。一 般来说，这些聚集的流有一定的共同性( 比如：相同的优先级或者相同的认 证信息) 。 在实际的网络环境中。q o s 类型的选取是依照该网络中的应用、网络拓扑 结构以及网络策略来决定。针对以上o o s 的不同分类，常用的q o s 协议和算 法有如下四种： 资源预留协议( r e s e r v a t i o np r o t o c o l ，r s v p 。也被称作为综合服务) ： 通过信令使得网络资源预留，一般使用在p e rf l o w 的环境中但是在p e r a g g r e g a t e 环境中也有使用“。 区分殿务( 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 ) ；提供一种简单并且 租糙的分类方法，采用聚合数据流优先的原则o 。 多协议标记交换( m u l t ip r o t o c o ll a b e l i n gs w i t c h i n g ，m p l s ) ：依照 s 数据报报头的标记，通过路由控制来为聚集的数据流提供带宽的管理。 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 ) ：在共享或者交换 的i e e e s 0 2 的网络中，在第二层( 即o s i 模型中的数据链路层) 进行分类和 优先级设定。 广义的讲，路由器上的排队算法和压缩也是一种提供q o s 的方式，常用 的如等权排队( w e i g h t e df a i rq u e u i n g ，w f q ) ，优先排队( p r i o r i t yq u e u i n g ， f q ) 以及定制排队( c u s t o mq u e u i n g c q ) 等。 2 1 1 2q o s 组成部件 实际上，q o s 的一些规范并没有标准化，一些国际机构和许多厂商定义了 许多o o s 体系结构，这些体系提供了可能的端到端q o s 服务。一般来说，q o s 体系结构都包台了三个组成部分： 端到端q o s 对等实体之间的网络设备的认证和标记技术； 一在一个单独的网络元素中的o o s ( 比如：排队技术、时序安排、流量整形 工具等) ： 为了管理端到端的流量通过网络的o o s 策略、管理以及记帐的功能。 2 1 2 策略控制o o s 的模型 2 1 2 1 q o s 粜略控制基本实现思想 q o s 能对不同网络流量提供不同服务，这就意味着有的网络流量的服务质 量被提升，而有的被降低。很自然的，每个人都希望自己的网络流量的服务 质量被提升然而t 这又是不可能实现的，所以就需要有有一种策略来控制 o o s ，用它来决定那种流量获得那种服务等级，并且要求使用一种认证方法来 确认用户 策略控制o o s 通过一个策略访问控制器和策略控制器来完成这一功能， 6 它们根据一定的策略( 这些策略可能是由网络管理员手动添加的也可能是 根据网络流量的统计自动产生的) 分别确定哪些用户可以访问资源以及网络 资源是否足够满足用户需求。同时，策略控制器还应该能够对数据流进行分 组和标记数据流的能力，从而达到区分不同数据流的目的。并且，这些策略 可以通过某种网络通信协议传送到各个受控的网络设备，让它们根据策略完 成自身资源的分配和使用。 2 1 2 2q o s 策略控制结构模型 策略控制q o s 系统一般由四个部分组成：策略管理工具“”( p o l i c y m a n a g e m e n tt o o l ，p m t ) 目录服务器“”( d i r e c t o r ys e r v e r ，d s ) ，策略决 策者“”( p o l i c yd e c i s i o np o i n t 。p d p ) 以及策略执行者“1 ( p o l i c ye n f o r c e m e n t p o i n t ，p e p ) 。 p m t 提供一个图象化管理界面。网络管理员通过p m t 对策略进行增加、修 改以及删除操作。p m t 把管理员定义的策略转换为高度抽象的策略对象，同时 也要将这些对象存储在d s 上，并在需要的时候把策略对象传送给p d p 。 d s 是策略信息的中心存储数据库。 p o p 迸一步把策略对象转换成受控设备的配簧并将之传送给p e p 。在事 件的触发下，p o p 可以重新从d s 中获取相同的策略对象。同时p o p 还要对 綮略进行有效性判定冲突检测，更正等操作。 p e p 根据p o p 提供的信息重新配簧受控网络设备。 图1 策略控制系统示意图 图1 涉及了两个协议一- - l d a p 和c o p s l d a p ( l i g h t w e i g h td i r e c t o r ya c c e s sp r o t o c o l ，简版目录存取协议) ： 它遵循x 5 0 0 协议的数掘模式，实现p m t 和p d p 对d s 中策略数据的存取。 c o p s c o m m o no p e np o l i c ys e r v i c e ，公共开放策略服务) ：它在p d p 和p e p 之问采用t c p 连接，交换策略请求和决定。 一般说震，p m t 和p d p 是运行在一台专用的服务器上，面p e p 作为一个策 略服务代理运行在网络设备( 如交换机、路由器) 上，它接受来自于p d p 的 策略规则，并把这些规则转换为网络设备的配冠( 通常是s n m p 中的s e t 命令) 。 较早的q o s 策略控制。主要是对网络设备( 如交换机、路由器，没有包 括服务器) 进行策略控制这样产生的后果是服务器逐渐成为网络的瓶颈。 比如，一个w e b 服务器需要产生动态网页，当大量的数据量较小h t t p 请求到 来的时候，它就没有能力响应( 网络本生是有足够的带宽满足传送h t t p 请求) 。 新的策略控制模型不但要控制网络设备还要控制服务器。在这种结构下，当 服务器过载，p d p 根据一定的算法采取一定的策略( 比如，调整当前优先级 别、改变捧队算法等) 缓解服务器的负担，从而为客户提供有保障的服务。 8 2 1 2 3q o s 策略控制解决方案 在策略控制q o s 的环境中当数据报到达网络设备，策略控制机制先分 类数据报。然后标记和记录数据报，接着进行流量整形，最后把数据报加入 排队队列，在数据报调度器的调度下发送。 2 1 2 3 1 数据报分类器( p a c k e tc l a s s i f i c a t i o n ) 数据报分类器通过将数据报报头与过滤器( f i l t e r ) 比较来确认数据报。 过滤器由六元组组成( 源和目的i p 地址，源和目的端口号，网络协议以及t o s 域) 。过滤器也描述对数据报的处理方法。一旦数据报与过滤器中的某条记录 匹配，它彳。在策略配鬟文件的监控下进入记录器和标记器，进行下一步的处 理。因此，匹配数据报与过滤器记录的算法很重要，它对整个系统的性能影 响很大。比较常见的算法有d a g ( d i r e c t e da c y c l i cg r a p h ) 以及啥希法。 2 1 2 3 2 记录器( m e t e r ) ；己录器豹作用是比较实际的流量和策略控制定义的流量，它起到了控制 网络传输速度的作用。比如，策略控制定义了l o o k b y t e s s e c 的处理速度和 一个2 0 0k b y t e s 的缓冲区，当数据报的流入速度在i 0 0k b y t e s s e c 或者 l o o k b y t e s s e c 以下时。系统能正确处理，但是当出现一个尖锋速度2 0 0 k b y t e s s e c 时经过1 秒。缓冲区就被填满，这时就要进行控制，限制流入 的速度。 2 1 2 3 3t 6 - i 己器( r k e r ) 标记器是和记录器结合起来使用的。它使用t r t c m ( t w or a t et r e ec o l o r h l g o r i t h m ) 描述流入速度，从而决定数据报是应该披丢弃、整形还是在一个 优先级较低的队列中排队。 9 2 1 2 3 4 策略整形器( p o l i c e r s h a p e r ) 策略器的功能是使用记录器的信息决定流入的数据报是应该被缓冲还是 整形。整形是指通过缓冲的方法保持恒定的流出速度。常用令牌漏桶算法 ( t o k e nb u c k e ta l g o r i t h m ) 整形流入的数据报。 2 1 2 3 5 排v - i i 皿塞控帑j ( q u e u i n g c o n g e s t i o nc o n t r 0 1 ) 不同的数据报有不同的优先级别，因此需要建立不同优先级别的队列。 设备的内存和缓冲区总是有限的，于是始终会出现队列满的情况。这时就需 要有选择绝对数据报丢弃。最简单的丢弃算法是尾端丢弃( t a i ld r o p ) ，它 采用丢弃新束的数据报的策略。这种方法对u d p 数据报比较适用，但是对t c p 数据报来说就很不利。因为一旦使用这种算法，所有已经建立的t c p 连接 就将进入阻塞的状念，从而导致t c p 数掘报突然减少，当阻塞消赊时，t c p 数据报又突然增多的现象( 这种现象被称为“全局同步”) 。而r e d ”3 ( r a n d o m e a r l yd e t e c t i o n ) 和w r e d ”1 ( 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 ) 算法在 队列满之i i i 采取随机的策略丢弃数据报这样就解决了“全局同步”的问题。 2 i 2 3 6 数据报调度器( p a c k e ts c h e d u l e r ) 数撂报调度器是策赂控制中很重要的一个部件。它从队列中有选择的取 出数据报，然后输出。常见的调度算法有w r r ( w e i g h t e dr o u n dr o b i n ) 、w f q ( w e i g h tf a i rq u e u i n g ) 、c b q ( c l a s sb a s e dq u e u i n g ) 。w r r 循环搜索队列， 搜索的频率与该队列的权值有关，这是种比较简单的算法。w f q 计算数据报 从到达队列到从队列输出的时f i l j ，最优化的选择数据报。c b q 对较高优先级别 的队列赋予服务时间，很多商业产品中使用这种算法。 l o 图2 策略控制系统数据报流程示意图 策略控制o o s 的关键是策略的控制。网络管理员通过设置图2 中的“策 略控制配置文件”来统一管理数据流的优先级。 2 ，2 自适应o o s 的基本原理 策略控制o o s 最根本的实现方法是通过预先预定的网络资源分配策略来 分配网络资源。这就要求在制定策略之前，必须对网络资源的使用情况有很 细致而准确的了解然而，这往往是很难做到的。并且，由于网络资源的使 用情况是一个动态变化的过程所以，通过定制策略的方式来实现q o s 也不 是最佳的方案。而自适应口0 s 通过一定手段获得当前网络的状态并据此分配 资源，从而使得资源利用得到最大化“。 2 2 1 自适应o o s 基本概念和函数 节( s e s s i o n ) 节是连续数据流在网络环境中操作的时间段。一个节包括连续数据流传 输必须顺序访问的资源：c p u 、缓冲区、i 0 带宽和网络带宽。在自适应q o s 管理方案中，节是q o s 管理和协商的最小单位。 典型的节形式化定义如下： 节s = ( v ，t ，b ，d ，g ，q ) 。其中v 为数据流速率，定义为数据单元s ，t 为一组处理线程：b 为一组分配给s 的缓冲区，d 定义为完成s 的i o 处理：g 是完成s 的一组网络处理：q 是数据流的q o s 请求。 优先级节 以上关于节的定义表示了数据流及其顺序访问的资源，如c p u 、缓冲区、 i 0 和网络带宽等。但没有研究优先级特征的数据流。数据流具有优先级的特 点。优先级代表了数据流的重要程度。通常，在q o s 管理中，数据流的优先 级被划分为几个等级，高优先级的流在q o s 管理中优先满足其q o s 请求。所 以带有优先级别的节的定义如下： 优先级节s = ( v t 。8 d ，g ，q ，c ) ，其中c 代表数据流的优先级别，其 它参数与节的定义一样。 适应性函数 在许多非自适应提供q o s 服务的场合，当无法维持预定的q o s 对，只是 简单将信息反馈给用户。由用户来决定是降低q o s 还是终止服务。而在自适 应q o s 管理方案中，适应性函数根据用户提供的一些信息，如q o s 指标是否 可以降低等，与资源管理函数协商，将q o s 调整到一个合适的值运行。当资 源状态变化时。如有用户释放了资源。适应性函数也可以调整q o s 指标，提 供更好的服务质量。 适应性函数定义为a = a ( u ，g ，q ，c ) 。其中u 为一组用户提供的信息，g 为一组网络资源状态的信息，q 为一组数据流的q o s 指标，c 为多数据流的优 先级。 用户满意函数 用户满意函数体现用户对数据流服务质量的满意程度。该函数定义为 u = u ( u ，q ) 。参数u ，q 的定义与适应性函数中的定义一样。 接入许可函数“” f 2 接入许可函数返回的结果表示网络是否能提供应用提出的q o s 请求或经 过协商后是否能达到一个致的结果。如果网络有足够的资源保证用户的q o s 请求，接入许可函数返回组具体的o o s 指标，表示该应用可以以所请求的 q o s 投入运行：如果网络缺少一部分资源保证数据应用的o o s 请求，客户端可 以启动适应性函数与资源管理函数协商，看是否可以以较低的q o s 使应用能 为网络所接入，一旦达成个一致的协商结果，接入许可函数也返回组具 体的如s 指标，数据流可以以较低的o o s 投入运行：如果协商后仍然不能达成 一个一致的结果，则说明日前必要的系统资源已被其它进程占用。表示当前 数据流无法投入运行。 接入许可函数定义为p = p ( q ，g ，u ，c ) ，q ，g 。u 和c 的定义同上。 资源管理函数 q o s 保证总是离不丌资源管理，资源的管理和预留是保证q o s 的前提条 件。资源管理函数应该能自动监控系统资源包括网络状态的变化，实时地更 新资源分配表和可用资源列表，还应该能根据数据应用的o o s 请求( 包括适应 性函数协商的结果) 和数据流的优先级将资源分配给数据流使用。 该函数定义为m = 5 j f ( q 。g ，c ) ，q 。g 和c 的定义同上。 服务级别 服务级别反映不同的q o s 质量，服务级别按照以下定义： ( 1 ) 确定性保证给定一个q o s 范围，在整个服务过程中不能够超出这 个范围。 ( 2 ) 统计性保证。服务过程中可以在某种程度内超出给定的q o s 范围。 ( 3 ) 最好满足性。没有用户需求，根据当前状况尽可能提供服务。 上述概念和函数主要上是引用文献 1 3 ，2 提出的概念和函数，这也是一 个完整的自适应q o s 实现方案中需要具备的部分。 2 2 2 自适应0 0 s 的警理模型 一个优先缀节在白适应q o s 的网络的管理模型过程如下： l优先级节请求 上 i优先级调度 上 iq o s 映身；j ( 通过用户满意函数描述) 上 i fo o s 协商( 通过自适应函数描述) 上 iq 。s 接入( 通过接入许可函数描述) 工 i i传输过程中的q o s 调度 图3 自适应d o s 管理模型 ( 1 ) 优先级节请求 优先级节请求指用户提出数据传输的请求，并在请求中对将要使用的网 络资源有一个带优先毁的摧述。 ( 2 ) 优先级调度 优先级调度基于优先级节保证优先级高的任务优先得到系统提供的服 务，这对实时音频、视频及一些抢占式任务是必须的。网络节点上应该同时 存储有可用资源列表和已分配资源列表，如果一个较高优先级的任务没有足 够资源，则降低优先级比它低的任务的q o s 指标，为高优先级任务提供足够 的资源接入，这个过程叫作q o s 收缩。 ( 3 ) s 映射 用户提出的q o s 请求只是一些简略的描述，如较差、一般、较好、最好 等然后把这些请求映射到q o s 中。 ( 4 ) o o s 协商 o o s 协商沿着路由选择路径发送资源保留消息并解释这些消息，直到到达 接收方为止。如果q o s 协商成功返回，则表明该传输的服务质量参数已经被 网络所接受：否则，表明网络资源不足。在这种情况下，启动自适应函数，根 1 4 据用户给出的自适应条件，降低q o s 请求重试或者直接放弃q o s 请求。 ( 5 ) q o s 接入( 许可控制) 如果q o s 协商成功返回，表明已经沿着路由选择路径建立了资源保留， 并通过资源管理函数确保有足够的资源预留为业务服务则可接入：否则，不 能接入。所谓接入，即进入网络传输。 ( 6 ) 传输过程的自适应q o s 控制和自适应缓冲区控制 、 在传输过程中，出于网络状态或网络拥塞可能会发生变化，传输过程采 用q o s 自适应控制算法。当网络变得拥塞时，降低q o s 请求：当网络带宽变得 可用耐，提高q o $ 请求。另外。缓冲区用于平滑话音播放效果，但缓冲区长 度设鬣得太大，会浪费过多系统资源( 特别是业务流比较多的时候) ，增大时 延。因此，当时延抖动较小时，减少缓冲区长度：时延抖动较大时，增加缓冲 区长度。 3 自适应o o s 的实现 3 1 自适应q o s 的实现方案 3 ，1 自适应q o s 实现框架 自适应s 的本质是获得网络当前的资源使用状况和资源可用状况，然 后在此基础上，应用一些资源分配策略实现网络资源的合理利用。所以，获 得当前网络资源的状况是实现自适应q o s 的关键部分 笔者设计了客户代理一资源管理器模型( 如图4 所示) ，图4 中资源服务 器接入 聚层交换机，用来收集整个网络的使用资源状况和未用资源状况， 并实现优先级调度q o s 映射，q o s 协商和q o s 接入许可。客户端的主机装有 客户代理。客户代理是一个后台进程，它根据预先制定好的策略，判定当前 用户的请求的级别，比如，视频流就规定较高的级别，或者经理级别的主机 上的任何应用设定较高的级别。并根据服务级别向资源服务器申请资源。 1 5 图4 自适应o o s 实现模型 3 1 2 自适应o o s 框架可行性分析 在自适应q o s 实现方案中i 最关键的技术是获得当前网络资源的使用状 况和可用状况。在笔者的方案中使用s n m p ，利用在 1 8 一i i 中的i n t e r f a c e 组详细记录接口的资源状况来解决这个技术难题。表l 列举使用到的对象。 资源服务器的管理进程通过if o u t q l e n 对象获得端口的队列情况，通过x 时刻和y 时刻的i f l n o c t e t s 、i f o u t o c t e t s 和i f s p e e d 。并经过公式：接口剥 用率= ( ( i f l n o c t e t s y i f i n o c t e t s x ) + ( i f o u r o c t e t s y i f o u t o c t e t s x ) ) 8 ( y - x ) x i f s p e e d ，获褥接口利用率。但是。客户代理发给资源服务器的 信息中没有包含其对应的交换机端口号。所以，在资源服务器的一端通过网 络扫描工具，比如m a c s c a n ，获得全网的m a c 地址与i p 地址的对应表再通 过m a c 地址和交换机a r p 表的对应关系得到i p 地址与端口号的对应关系表。 所以当客户代理向资源服务器发出资源申请请求的时候。必须有客户i p 的字 段假如客户要访问的目标机在另外一个网段( 既它们之间的通讯需要经过 路由嚣) ，那么就要通过i p 组的i p r o u t e n e x t h o p 获得下一跳路由器的接口i p 。 也可以获得该接口的队列情况和接口利用率。 1 6 对象说明 i f i n o c t e t s接口收到的字节数 i f o u t o c t e t s 接口发送的字节数 i f s p e e d接口速度 i f o u t q l e n 接口输出队列中的包数 表1 ：使用的i n t e r f a c e 组对象 客户代理通过应用进程的端口号决定其优先级别。比如：f t p 使用2 1 端 口t 俐使用8 0 端口。应用进程需要预定的速度可以由用户设定，也可以取 一个缺省值( 设定一个缺省值的目的是为了解决一些对速度不太敏感的应用 进程的的o o s 管理的问题，同时也简化网络管理员的工作) 。所以，客户申请 资源使用如图5 所示的数据包： 匝亟丑巫互区亟玉困 围5 客户代理申请资源数据报格式 资源服务器返回给客户代理如图6 所示数据包。 圈6 资源服务器返回数据报格式 客户代理一旦收到资源服务器返回的数据包，应用进程就按照资源服务 器的规定的速度发送数据如果遇到o o s 协商，应用进程就按照新数据包规 定的速度发送。 上述的规定，仅仅限制发送数据，对于接收数据不作限制，因为假如发 送的数据都是可控的话，接受数据也是可控的。 通过上述框架，能够基本上实现2 2 2 节中所述自适应q d s 的需求。能 够做到按照网络资源的可用状况，依照优先级别有效的分配网络资源。而且， 由于对于网络资源的分配控制很严格。把网络的阻塞控制在客户代理，所以 避免了在汇聚层或者核心层交换机的阻塞，从而提高了网络资源的使用效率。 3 2 自适应o o s 实现细节 笔者在w i n d o w s 2 0 0 0 平台下，使用v i s u a lc + + 6 0 。c + + b u i l d e r 5 0 和s n m p 协议在实验室环境实现了自适应q o s 。 3 2 1 客户代理 客户代理最主要的功能是将客户请求发送到资源服务器和在资源服务器 的控制下控制客户的网络流量。 一个优秀的客户代理应该是一后台服务的进程的形式驻留在客户的p c 上，并通过网卡的接口函数，直接控制网卡的数据包的发送与接受。 在笔者的实现方案中，资源服务器是设计的重点。所以在设计客户代理 的时候，直接建立客户代理与客户一些特定应用的关联( 在测试资源服务器 的时候就使用f t p 和h t t p 这两种特定的应用作为特定的网络应用) 。这样 做的好处是简化客户代理的设计。 客户端的设计使用w i n d o w s 平台下的c + + b u i l d e r5 0 。客户端设计了两 个网络应用一一孵p 和h 1 v r p 。这两种应用在c + + b u i l d e r 中自带的控件一一 t n m f t p 和 r n m h t t p 。通过设定这两个控件的一些属性值就实现f t p 和h t t p 的 功能。 1 8 3 2 2 资源服务器 这是部分是整个系统的核心，也是难点。笔者利用s n 冲实现。 3 2 2 1s n m p 介绍 s n m p ( s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c o l 简单网络管理协议) 是1 9 8 8 年诞生的，当时人们只是把它作为t c p i p 网络的临时解决方案。其原始的计 划是，待o s i 框架广泛应用以后就向o s i 管理办法过渡，用o s i 网络管理标 准中的c m i p ( c o m m o nm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o np r o t o c o l 公共管理信息协议) 来替换s n m p 。从现实情况看，由于简单实用而被业界广泛接受，s n m p 已经是 应用最广泛的t c p i p 网络管理框架，跟t c p i p 一样成为了事实上的计算机 网络管理国际性标准。 目静。s n m p 共有4 个版本。s n m p v l ( 一般简称为s n m p ) 本身有一个致命 的弱点一一不提供安全设施这一缺陷限制了它的进一步应用。特别的，它 即不能认证管理报文的来源，也没有办法防止报文被窃听。而且，由于缺少 认证的能力。s n m p 很容易被恶意攻击，比如修改网络配置。所以很多厂商在 实现s n m p 的时候，不提供配置命令，使得s n m p 只有网络监视的功能。安全 s 嘲p ( 即s - s n m p ) 主要目的就是增强s n m p 的安全性，在s n m p 的报文传输中 引入与安全相关的m d 5 报文摘要算法。但是s - s n m p 与s n m p 不兼容，所以 s - s n m p 并没有得到广泛的支持。s n m p v 2 对s n m p 的增强一方面主要体现在安 全性上，另一方面体现在管理体系结构上，s n m p v 2 不但支持s n m p v l 的集中管 理方式，还支持分稚式分层式的网络管理。s n m p v 3 则提供更好的安全性和其 它一些相关的特性n ”。 3 2 2 2s 嗍p 组成部分 s n m p 由三个部分组成一- - s m i ( 管理信息结构) 。m i b ( 管理信息库) 和 1 9 s n m p 协议“。 3 2 2 2 。1 管理信息结构( s m i ) 网络管理系统的实现主要依赖于它收集到的分布在不同地方的网络数 据。通过对这些数据的采集、加工和分析，实现网管系统的配置、性能、故 障、计费和安全等功能。因此，网络数据是网络管理的核心，它被称为网络 数据库。“。与其它的数据库不同。网络数据库是一个虚拟的抽象概念。它是 网络上所有同管理相关的数据在逻辑上的总和。这表现在，首先，网络数据 库是分布式的，这是由网络本身的分布式特点决定。网络中各处的设备维护 各自的管理信息，这些信息作为网络设备信息的子集。其次，网络数据库的 数据类型是多种多样的，主要包括：网络设备信息、线路信息、拓扑信息和 网络事件记录。而管理信息结构就要做到整合分散的信息，统一信息的格式： 信息的组织和命名方式：将网络信息数据合理地组织在一起，并提供 有效的统一命名方法以实现数据快速、准确的定位。 信息的定义格式：不同设备对信息的定义不一样。比如同是整数，有 的可能是1 6 位，有的是3 2 位。同样。报文的格式也存在同样的问题。所有 这些都需要统一起来。 信息的传输格式：规定网络数据传输的编码格式。用统一的格式把数 据报转化为字节流在网络中传输，这样。双方彳能理解通信的内容。 其实，网络数据只是个笼统的称呼，更确切的说法是管理对象。管理 对象描述网络上被管理、监控和控制的资源，是这些资源提供管理功能的一 种抽象。 管理应用( 策略、算法模型等)网络用户( 如q o s 等)服务提供者 通信协议制造商网络设备 图7 不同形式的管理对象 管理对象是从面向对象的观点出发，对管理对象的划分，一般应该包含 如下部分： 名字：对象标识符。 属性：数据类型、对象当前的状态、关于对象的文本描述。 操作：允许对对象进行的有效操作，如读写。 同一般的对象一样，管