（计算机软件与理论专业论文）ip网络下端对端的qos测量研究.pdf

摘要 在传统的i p 网络中，采用的是b e s t e f f o r t 服务，每个转发节点对所有的报文同等对 待，采用先入先出的策略将报文送到目的地，不能对报文传送的可靠性、传输时延 等性能提供任何保证。同时，由于实时业务对网络传输时延、延时抖动等特性较为 敏感，当网络上有突发性高的f t p 或者含有图像文件的h t t p 等业务时，实时业务就 会受到很大影响；另一方面，多媒体业务占去了大量的带宽，这样，现有网络要保 证的关键业务就难以得到可靠的传输。因此在现有的i n t e m e t 中引入服务质量( q o s ) 就显得尤为必要，而事实上服务质量已经成为为计算机网络中的一个重要研究领域。 在服务质量研究领域中，q o s 控制( 包括信令) 、管理、计费和测量是相互关联 的整体。其中，q o s 的测量对于许多i n t e m e t j 立用和协议，特别是涉及大量数据传输 和具有时延限制媒体流的应用至关重要。目前q o s 测量技术还不成熟，q o s 测量的 研究则还处于起步阶段研究成果较少，标准尚未形成。是t pq o s 技术研究的一个 新热点。 综上所述，针对q o s 钡u 量技术、测量体系结构及性能评估方法，进行系统的研 究，是十分重要的。本文主要研究解决了i p 网络下端到端的o o s 主要性能参数指标的 测量问题。现有的网络测量系统大多数是针对非q o s 网络，通过s n m p 协议访问网络元 素的m i b 库来获取网络的拓扑结构、流量、利用率等性能，并不针对支持q o s 网络的 服务质量，而且这种测量方式对于整个网络的管辖权限要求非常高，此外将大量网 络元素统计的性能数据传递给中心网管系统需消耗大量带宽，增加了额外的网络负 荷。这些原因使得在许多场合下不适合采用这种传统的被动测量方式。针对现有网 络测量存在的不足和问题，本文从i p q o s 技术，q o s 性能参数体系，q o s 参数到网络 性能参数映射，网络测量的关键技术等多个方面分析论证，提出了主动测量方法， 将其运用到了端对端的o o s n 量当中，并开发实现了综合服务模型下的q o s m e t e r 系 统。q o s m e t e r 系统只需要边缘主机参与，无需控制路由器或交换机的i s p 或运营商 授予特别的权限，通过主动测量方法获取网络的q o s 性能参数，并且尽可能减小对 网络造成的负荷。本文详细讨论t q o s m e t e r 系统的体系结构、系统流程和系统的实 现，给出了系统的逻辑图和实验的结果。 西北大学计算机系硕士研究生论文 q o s m e t e r 系统的测量结果，不仅为q o s 计费并1 1 q o s 管理提供了根据，对t q o s 网络的性能评价也提供了有效的参考。q o s m e t e r 系统结构清晰，灵活，开销小，有 很好的可扩展性和移植性，对于q o s 网络的测量研究具有重要的意义。 关键词：q o s ，综合业务模型，区分业务模型，主动测量 西北大学计算机系硕士研究生论文 a b s t r a c t i nt h et r a d i t i o n a li pn e t w o r k s ，t h es e r v i c e “b e s te f f o r t i su s e dt od e l i v e r ya l lp a c k e t s t h es a m e w a y a te a c hn o d ea n dt h ep o l i c y f i f o ”i sa p p l i e dt ot r a n s m i tt od e s t i n a t i o n 。i t i sn o tg u a r a n t e e da n yr e l i a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c e ( e g d e l a y ) w h e np a c k e tt r a n s m i s s i n g r e a l t i m et r a n s a c t i o n sw i l lb ea f f e c t e dw h e nf t pt r a n s a c t i o no c c u r r i n gf r e q u e n t l ya n d h t t pt r a n s a c t i o nw h i c hi n c l u d e si m a g ef i l e sa r ei nn e t w o r k s ；o nt h eo t h e rh a n d ，m u c h b a n d w i d t hw a sc o n s u m e db ym u l t i m e d i at r a n s a c t i o n ，t h ek e yt r a n s a c t i o nc a nn o tg e t r e l i a b l et r a n s m i s s i o nb yp r e s e n tn e t w o r k i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，t h en o t i o nq o s w a si n t r o d u c e dt oi n t e r n e tw h i c hh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l di nc o m p u t e r n e t w o r ki nf a c t i nt h eq o sr e s e a r c hf i e l d ，q o sc o n t r o l l i n g ，m a n a g e m e n t ，b i l l i n ga n dm e a s u r e m e n ta r e r e l a t e dt oe a c ho t h e ra n dc a nn o tb ed i v i d e d t h e r e i n t o ，q o sm e t r i ci sv e r yi m p o r t a n tt o m a n yi n t e m e ta p p l i c a t i o na n dp r o t o c o l s ( e s p e c i a l l yt h ea p p l i c a t i o nr e f e r e dt ob u l kd a t a t r a n s m i s s i o na n dm u l t i m e d i af l o wl i m i t e db yd e l a y ) a tt h ep r e s e n t ，t h et e c h n o l o g yo f q o sm e t r i ci ss t i l ln o tm a t u r e ，t h es t u d yo fq o s m e t r i ci si np r o g r e s sa tt h es t a r t ，a n dt h e r e s u l to fq o sm e t r i cr e s e a r c hi sl e s sa n dt h es t a n d a r dh a sn o tb e e nm a d e ，i ti san e wh o t p o i n ti ni pq o st e c h n o l o g ys t u d y s u mu p ，i ti s v e r yi m p o r t a n t t oh a v eas y s t e m a t i cr e a s e a c ho nq o sm e t r i c t e c h n o l o g ya n dm e a s u r e m e n ti n f r a s t r u c t u r e ，p e r f o r m a n c ee v a l u a t i n gm e t h o d o l o g y t h i s t h e s i sm a i n l ys o l v e st h ee n d - t o e n dq o sm e t r i cp r o b l e mu n d e ri pn e t w o r k n o w a d a y s m a n ym e a s u r e m e n ts y s t e m sa r ef o rn e t w o r kw h i c h d o e s n tn o ts u p p o r tq o s ，a n di t g e t s t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r ss u c ha st o p o l o g y , t r a f f i c ，a v a i l a b i l i t yt h r o u g ha c c e s s i n gm i b b ys n m pp r o t o c o l s ，t h i ss y s t e mi sn o tf o rq o s e n a b l e dn e t w o r ka n dd e m a n d s o i lv e r y h i g hr i g h t so n t h em a n a g e dn e t w o r k ，m e a n w h i l e ，a d d i t i o n a lo v e r l o a di sc r e a t e da n dm u c h b a n d w i d t hi sc o m s u m e dw h e nb u l km e a s u r e dp e r f o r m a n c ed a t aa r et r a n s f o r m e dt ot h e c e n t r a ln e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m i nm a n yp o s i t i o n s ，s u c ht r a d i t i o n a lp a s s i v em e t r i c m e t h o d o l o g yc a l l n o tb e e na p p l i e db e c a u s eo fs u c hr e a s o n s i no r d e rt om a k eu pt h e d i s a d v a n t a g e s ，t h i s t h e s i sd e m o n s t r a t e sf r o mi p q o st e c h n o l o g y , q o sp e r f o r m a n c e p a r a m e t e rs y s t e m ，q o sp a r a m e t e rm a p p i n gt o n e t w o r kp a r a m e t e rm e t r i ct ot h e k e y t e c h n o l o g yi nn e t w o r km e t r i c ，a n da c t i v em e t r i cm e t h o d o l o g y i sp u tf o r w a r da n da p p l i e d 西北大学计算机系硕士研究生论文 t oe n d - t o - e n dq o sm e t r i c ，a tt h el a s t ，q o s m e t e rs y s t e mw a sd e v e l o p e da n di m p l e m e n t e d u n d e ri n t s e r vm o d e l q o s m e t e rs y s t e mo n l yn e e d st h ee d g eh o s t sa n dn oe s p e c i a lr i g h t s a w a r d e d b y i s po rn s pw h oc o n t r o l l e dr o u t e r sa n ds w i t c h e s t h eq o s m e t e rg e t s p e r f o r m a n c ep a r a m e t e rb ya c t i v em e a s u r e m e n ta n dd e c r e a s e st h eo v e r l o a da t t h eb e s t t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ei n f r a s t r u c t u r e ，s y s t e mf l o wa n di m p l e m e n t a t i o no fq o s m e t e ri n d e t a i l ，m e a n w h i l e ，t h el o g i cf i g u r ea n dr e s u l t so f e x p e r i m e n t a r e p r o v i d e dt o o t h em e a s u r e dr e s u l to fq o s m e t e rn o to n l yp r o v i d e st h eb a s i st oq o sb i l l i n ga n d q o sm a n a g e m e n t ，b u t a l s o g i v e s e f f e c t i v er e f e r e n c et o q o s e n a b l e d n e t w o r k p e r f o r m a n c e q o s m e t e rs y s t e mh a sac l e a rs t r u c t u r e ，f l e x i b i l i t 3 ；s m a l lo v e r h e a d ，g o o d e x t e n s i b i l i t ya n dp o r t a b i l i t y , i th a si m p o r t a n tm e a n i n g t oq o sm e t r i cr e s e a r c h k e yw o r d s ：q o s ，i n t s e r vm o d e l ，d i f l s e r vm o d e l ，a c t i v em e a s u r e m e n t 西北大学计算机系硕士研究生论文 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 为获得酉j 匕太堂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己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 一虢彳嬲p 嘲泐嘶萝日 第一章引言 随着网络地发展，i p 网络的服务质量( i pq o s ) 不论是对i s p 而言，还是对用户 而言，都极为重要。i pq o s 的研究范围十分广泛，不仅包含路由和业务流量控制， 还涉及到网络测量和网络管理，计费等重要领域。由于i p 协议的无连接特性和i p 网 络松散的控制管理方式，使i pq o s 方面的研究面临很大的挑战。宽带网络的关键在 很大程度上依赖于其对各种类型业务( 如语音、视频和数据) 的统计的复用性能。由 于不同类型的业务具有不同的业务特性和服务质量( q o s ) 要求，这就要求网络能够 提供相应的机制，以便在高效地提高资源利用率的同时确保不同类型业务的q o s ， 而如何精确地测量出q o s 参数来评价网络的质量和评笋f l s l a 是否满足用户的要求 则是其中一个十分重要的课题。 q o s 参数测量是一个新的研究课题，它的目的是用测量手段取得网络的性能和 服务质量指标。网络的q o s 管理、维护、控制和计费都需要q o s 参数测量的支持， 相互的关系见图一。 图1q o s 测量是q o s 控制、计费、管理的基础 q o s 参数测量有多种分类方法。按照测量过程中是否向网络注入探测包，测量 可分为主动测量和被动测量两类；根据测量技术获得网络节点( 路由器朋务器) 支 持的多少以及测量点的位置，测量可分为基于路由器的测量( r o u t e r - b a s e d m e a s u r e m e n t ) 、端到端测量( e n d - t o - e n dm e a s u r e m e n t ) 和路由器协作测量 ( r o u t e r - a i d e dm e a s u r e m e n t ) 。基于路由器的测量主要由路由器中的管理软件来完 成测量。i s p ( i n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e r ) 通常采用基于路由器的测量来监测其内部网 络的拓扑、流量、时延、丢包率等性能。由于各i s p 之间的非协作性，这些数据对 外保密：另外，将大量路由器统计的性能数据传递给中心网管系统，本身就需消耗 大量带宽，增加网络负荷；这些原因使缛在许多场合下不可能采用基于路由器的测 西北大学计算机系硕士研究生论文 量。端到端测量的目标是在只有边缘主机参与下，无需路由器的配合，获取网络的 性能统计，并且尽可能减小对网络造成的负荷。路由器协作测量在边缘主机上执行 测量，但需要路由器的配合，这方面近来提出了一些新协议。由于i n t e m e t 不同i s p 之间不协作的特点，依赖于路由器配合的测量方法的能力将受限，因此，路由器协 作的测量需要获得标准化和工业界的支持。q o s 测量的内容很广泛，包括网络拓扑 发现，时延、丢包率、带宽测量，网络距离测量，路由器调度策略和瓶颈缓冲器容 量测量，以及路由器流量监测。 由于q o s 框架结构的复杂性，导致q o s 测量特别是端到端q o s 测量也较为复杂，如 图2 ，在没有路由器参与，两端设备时钟又不同步的情况下，利用信号处理技术和数 学分析方法，可以推测网络拓扑，端到端的单向传输时延、链路时延，链路带宽、 路径上的瓶颈带宽及可用带宽，甚至还可以推测网络中路由器的调度策略利缓冲器 容量。端到端q o s 测量具有特别重要的意义，它可以测出网络的整体性能指标，而且 不需要对路由器进行改造，也不需要网络运营商公开内部资料( 如网络拓扑、设备 配置、传输容量等) 。 端剥端糕能溅垂l l i lil l 畦钟嚼费z 攀l | l | i | = | i 避 螨剿藕藕替善i 牲瓤 醐峨i 豢蠢测藏 卤南曛忐羽 图2 端到端性能测量的研究工作及其联系 目前q o s 钡l j 量技术还不成熟，国外有一些研究成果报道，国内在此领域的研究 则刚刚开始。q o s 测量的研究则还处于起步阶段，研究成果较少，标准尚未形成， 是i pq o s 研究的新热点。 综上所述，针对q o s 澳l j i 技术、测量体系结构及性能评估方法，进行系统的研 究，十分重要。本文主要研究解决i p 网络下端到端的q o s _ j e 要性能参数的测量和评 估中的关键问题。本文采用主动测量方法实3 现t q o s m e t e r 系统，提供了服务质量参 数，对i s p 及用户之间的服务协商提供了依据，对于q o s 网络的性能评价也提供了有 效的参考。 西北大学计算机系硕士研究生论文 本文共分六章。第二章描述t q o s 的定义和q o s 的基本框架，并且对i e t f i 作 组提出的综合业务模型和区分业务模型进行了分析和比较，得出了这两种模型的优 缺点，同时论证分析了m p l s 和s b m 的体系结构，对i pq o s 技术的研究现状进行了研究。 第三章对q o s 参数系统作了详细的论述，分析了i t u 和i e t f 这种组织对q o s 参数系统 的论述。第四章引入q o s 参数和网络测量的映射问题，将q o s 钡t 量问题映射为网络 测量问题，并详细论述了网络测量中的关键技术和问题，分析了q o s 参数测量的研 究现状及q o s 钡o 量方法。第五章介绍了服务质量测量系统q o s m e t e r 的设计和实现。 第六章为总结和展望。 西北大学计算机系硕士研究生论文 2 1i pq o s 框架体系 第二章i pq o s 技术研究 随着网络视频，音频，数据应用的急剧增加，对网络的带宽要求也越来越高。 但由于缺乏一些重要技术的支撑使网络的实时应用因排队延迟和冲突丢包而无法正 常运行。i n t e m e t 最初设计的是很简单的q o s ，点对点的尽力而为的数据传输。但在 实时应用( 如远端视频，多媒体会议，可视化应用，虚拟现实) 广泛应用之前，i n t e m e t 的下层基础构造需要修改来适应实时的q o s ，以便对端对端的包延迟进行控制。 i p 网络如何提供服务质量q o s 支持这一问题现已成为业界关注的焦点。q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 的最初定义由c c i t t ( 现称i t u t ) 给出：”q o s 是一个综合指标， 用于衡量使用一个服务的满意程度”。q o s 的进一步定义可在r a c e ( r e s e a c hi n t o a d v a n v e dc o m m u n i c a t i o n f o r e u r o p e ) e 0 找到：“q o s 描述了关于一个服务的某些性能 特点。这些性能特点是用户可见的，它以用户可理解的语言表示为一组参数。这些 参数具有客观值或者主观值”。客观值刻画了系统的行为性能( 如失败概率、吞吐量) ， 主观值刻画了系统的其它服务性能( 如安全性、优先级) 。i pq o s 是指i p 数据流通 过网络时表现出来的性能特性，它的目的就是向用户提供端到端的服务质量保证。 这种特性可以用以下的参数集合来表示： 1 ) 传输服务的可靠性( s e r v i c e a v a i l a b i l i t y ) 指端到端网络连接的可靠性： 2 ) 延时( d e l a y ) 亦称滞后时间( l a t e n c y ) 指两个参考点之间的传输延时 3 ) 延时抖动( d e l a y j i t t e r ) 指采用相同路由的数据流在经过相同测量间隔时表现出来 的延时差异； 4 ) 吞吐量( t h r o u g h p u t ) 指数据在网络中的传输速率，可用平均速率或峰值速率表达； 5 ) 丢包率( p a c k e t l o s s r a t e ) 指在传输过程中数据丢失的最大比率。 现有的网络已经不能满足网络发展的需要，为了适应网络应用的进一步发展， i n t e m e t 2 工作组提出了i n t e m e t 2 的草案。i n t e m e t 2 的草案对q o s 的要求如下： 1 ) 支持高级应用，如：双向交互音视频，远程设备控制，虚拟的协同工作环境等。 2 ) 良好的可扩展性。 西北大学计算机系硕士研究生论文 3 ) 可管理性。 4 ) 提供可计量的服务。 5 ) 能与端用户操作系统和中间件协同工作。 业界的不同组织或单位己提出了一些q o s 的体系结构，这包括i b m 公司的 h e i d e l b e r g q o s 模型、美国哥伦比亚大学c o m e t 研究组提出的x r m 模型、美国宾 夕法尼亚大学的o m e g a 体系结构、加利福尼亚大学伯克利分校的t e n e t 模型。以 上这些模型由于一些原因未能获的业界的统一认同。为业界普遍接受的是i e t f 规 范定义的i pq o s 的四大体系结构【1 = i n t s e r v ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) 集成服 务模型( 或称作综合服务) ：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 s a r c h i t e c t u r e ) 区分服务模 型：m p l s ( 多协议标签转换) ；s b m ( 予网带宽管理协议) 。以下部分对于这四大体 系结构进行了深入的探讨和研究。 2 2i n t s e r v 综合服务模型 i n t s e r v 由i e t f 的i n t s e r v 工作组于1 9 9 4 年在r f c l 6 3 3 中提出实现i p q o s 的一 种方法【2 】。综合服务模型以i p 协议为其网络层的统一平台。将有q o s 要求的实时 应用和传统的b e s t - - e f f o r t 服务集成于i n t e m e t 网上。在综合业务模型中的实时应用 看成一个个流( f i o w ) 。所谓流是指源于某一用户的特定行为的一串彼此相关的i p 数据包，这些数据包具有相同的q o s 要求，且可能有多个接受者。流的引入使得一 个个流可以被理解为一条条逻辑上的i p 连接。 综合服务的基本思想是：首先对网络所用的共享链路进行一定的资源控制，同 时考虑将网络应用按其要求分成不同的种类，并将它们统一实现在对上层应用的服 务接口中。这使得路由器或者其它网络元素不必考虑该数据流对应的应用是什么， 实现了对应用的透明性。只要数据流经过的路由器都支持这些服务类别，那么就能 为该数据流提供一定的端到端q o s 保证。 2 2 1 i n t s e r v 服务类别 目前，i e t f 定义的i n t s e r v 中服务类别有可保证服务( g u a n r a n t e e d 西北大学计算机系硕士研究生论文 s e r v i c e s ) 、负载可控服务( c o n t r o l l e d 1 0 a ds e r v i c e s ) $ 口传统的尽力传送服务( b e s t - - e f f o r t s e r v i c e s ) 。 1 ) 可保证服务( g u a n r a n t e e ds e r v i c e ) 可保证服务要求提供一定的带宽和端到端延迟保证，即所有的端到端延迟均小 干某个固定值，且保证数据流中合法的数据的包无排队丢失。 2 ) 负载可控服务( c o n t r o l l e d l o a ds e r v i c e s ) 负载可控服务能保证在网络负载较重时，提供与负载较轻时相同的q o s 。如果 数据流被当作负载可控服务接纳时，那么路由器至少应该提供与负载较轻时的尽力 传送( b e s t - e f f o r t ) 流相同的q o s 保证。负载可控服务一般用于可容忍一定的数据 包丢失和延迟，只需保证大批量数据的正确传输的应用。 3 ) 尽力传送服务( b e s te f f o r ts e r v i c e s ) 尽力传送服务不保证q o s ，当网络负载较熏的时候，数据包被丢弃。当网络负 载较轻的时候，数据包可以被正确传输。 2 2 2r s v p 综合业务模型主要引入了一个重要的网络控制协议r s v p 。作为一种在i p 网络 中实现资源保留与控制的协议，r s v p 提供了一套完整的信令机n t3 1 。该机制可被用 于在网络中为数据流建立一条具有足够带宽的单向通道，从而实现对数据流的可预 测性传输。r s v p 的引入使得i p 网络为应用提供所要求的端到端的q o s 保证成为可 能。该协议假定从接收方到发送方之间沿途的每个路由器都要为每一个要求伽s 的 数据流预留资源。r s v p 的信息跨越整个网络，请求预留资源。首先，发送方应 该向接收方发送一个r s v p 信息。r s v p 信息同其他i p 包一样通过各个路由器到达 目的站点；接收端接收到发送端发送的路径信息之后，由接收端逆向开始资源预留 的过程；资源预留信息沿着原来信息包相反的方向对沿途的路由器逐个进行资源预 留。路径沿途的各路由器( 包括核心路由器) 必须为每个要求服务质量保证的数据 流维护一个软状态( p e r - - f l o ws o f ts t a t ) 。所谓的“软状态”，就是一种临时性状态， 由资源预留定期失效来控制，因此无需申请拆除显式路径。软状态被定期的r s v p 信息更新。通过r s v p 信息的预留，各路由器可以判断是否有足够的资源可以预留。 西北大学计算机系硕士研究生论文6 只有所有的路由器都给r s v p 提供了足够的资源，“路径”方可建立：否则，将返回 并拒绝信息。 r s v p 资源预留方式于异步转移模式( a t m ) 中的资源预留方式有两个不同： ( 1 ) r s v p 时一种面向信宿端的协议，由信宿端未描述资源请求，而a t m 是由信源端 来要求资源预留的。 ( 2 ) r s v p 中保留的是“软状态”，需要周期性的更新，而a t m 保留的是“硬状态”， 通信期间不改变。 2 2 3i n t s e r v 优点 i n t s e r v 模型的优点是：( i ) 能够提供绝对有保证的q o s 。详细的设计使r s v p 用 户能够仔细地规定业务种类。因力r s v p 运行在从源端到目的端的每个路由器k ，因 此可以监视每个流，以防上其消耗比它请求、预留和预先购买的要多的资源。( 2 ) r s v p 在源和目的地间可以使用现有的路由协议决定流的通路。r s v p 使用i p 包承载， 使用“软状态”的慨念，通过周期性的重传p a t h 和r e s v 消息，协议能够对网络拓 扑的变化做出反映。正如p a t h 和r e s v 刷新用来更改该预留的流的通路那样，没有 了这些消息时，r s v p 协议释放与之关联的资源。( 3 ) 设计综合模型开始的目的之一 就是使得q o s 能够工作在从个源到一个目的地( u n i c a s t ) 和从一个源到多个目 的地( m u l t i c a s t ) 。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 v p 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“1 。 2 2 4 i n t s e r v 缺点 i n t s e r v 模型的缺点：i n t s e r v 方案在实际应用中有一定的缺陷：( 1 ) 沿着p a t h 路径上的每个设备都要支持r s v p ，并能够提供信令中所要求的q o s ；( 2 ) 由于p a t h 路径上的每一个设备的资源预留采用软状态机制，资源预留需要定期地刷新。这就增 加了网络的流量，如果刷新报文丢失，有可能使资源预留超时：( 3 ) 由于要维持路由器 中的软状态，并且在p a t h 路径上的每一跳都要进行接纳控制，这就增加了位于p a t h 路径上的每个节点的复杂性，为了支持大量的资源预留，还要相应增加内存；( 4 ) 由于 西北大学计算机系硕士研究生论文 p a t h 路径上的每个路由器需要维持每次资源预留的状态信息，使得r s v p 应用于大型 网络比较困难，它的扩展性比较差。i n t s e r v 尽管提供q o s 保证，但其扩展性差。因 为其工作方式是基于每个流的，这就需要保存大量的与分组队列数成正比的状态信 息。此外，r s v p 的有效实施必须依赖于分组所经过路径上的每个路由器。在骨干网 上，业务流的数目可能很大，因此要求路由器的转发速率很高，这使得i n t s e r v 难于 在骨干网上得到实施“。 2 3d i f f s e r v 区分服务模型 为了解决i n t s e r v 的一些缺点，i e t p 在r f c 2 4 7 5 ( 2 ) 中提出d i f f s e r v 体系结构， 旨在定义一种能实施i pq o s 且更易扩展的方式，以解决i n t s e r v 扩展性差的缺点“1 。 d i f f s e r v 简化了信令。对业务流的分类颗粒度更粗。d i f f s e r v 通过汇聚( a g g r e g a t e ) 和p h b 的方式提供q o s 。汇聚是指路由器可把q o s 需求相近的各业务流看成一个大 类，以减少调度算法所处理的队列数。p h b 是指逐跳的转发方式，每个p h b 对应一种 转发方式或q o s 要求。由于d i f f s e r v 采用对数据流分类聚集后提供差别服务的方法 实现对数据流的可预测性传输，所以对q o s 的支持粒度取决于传输服务的分级层次， 各网络节点中存储的状态信息数量仅正比于服务级别的数量而不是数据流的数量， 由此d i f f s e r v 获得了良好的扩展性。另一方面，由于d i f f s e r v 对数据包的分类、标 记、重整都在边界路由器中完成，网络核心节点只执行对数据流的聚合传输功能，所 以现有网络系统也能够以较小的代价实现对d i f f s e r v 的支持。 2 3 i 区分服务简介 d i f f s e r v 的最大特点就是简单有效、扩展性强。其实施特点是采用聚合的机制 将具有相同特性的若干业务流聚合起来，为整个聚合流提供服务，而不再面向单个 业务流。也就是说在d i f f s e r v 网络边界路由器上保持每流状态，核心路由器只负责 数据包的转发而不保持状态信息。这种c o r e s t a t e l e s s 结构有很强的扩展性。其基 本实现方法是： 简化网络内部节点的服务机制。在网络内部的核心路由器中只保存简单的d s c p 两北大学计算机系硕士研究生论文 ( d i f f s e r vc o d e p o i n t ) 与p h b 的对应机制，在数据流进入核心路由器时只根据数 据包头部d s ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 域中的d s c p 进行转发，而业务流状态 信息的保存与流监控机制的实现等都在网络边界节点进行，内部节点是状态无关的。 聚合网络内部核心路由器的服务对象。采用流聚集的方式进行传输控制，具有 相同d s c p 的业务流组成一个宏流( m a c r o - f l o w ) ，核心路由器的服务对象即是宏流 而不是单流( m i c r o f l o w ) ，单流信息只在网络边界节点保存和处理。 d i f f s e r v 大大降低了信令的工作，而将重点放在流聚集以及适用于全网业务等 级的一套”逐跳行为”上。我们可以根据预先确定的规则对数据流进行分类，从而将 多种应用数据流聚集为有限的几种数据流等级。具体而言，边界节点根据用户的流 规格( p r o f i l e ) 和资源预留信息对业务流进行分类、整形、标记、聚合为不同的流 聚集，流聚集信息包含在报文i p 头部的d s c p 标记域中。核心路由器在调度转发i p 包时以流聚集为服务对象，根据i p 包头不同的d s c p 提供不同的转发服务质量，这 种对不同类型的数据报进行转发的方式”，称为”逐跳行为”( p e r h o p b e h a v i o r ， p h b ) ，实际上是一种相对优先级机制。 实际上，按照d s 域的标记，以相应方式提供不同质量的数据包转发服务，也正 是区分服务名字的由来。美国正在开展的下一代互联网计划i n t e r n e t 2 便是选择 d i f f s e r v 作为其o o s 策略。 2 3 2 区分服务的体系结构 虽然d i f f s e r v 仍在不断的发展，一些标准仍在制定、完善之中，但经过几年的 发展，d i f f s e r v 的相关概念及模型已经比较成熟了，d i f f s e r v 体系结构也已经比较 明确了。在此基础上，与服务提供有关的问题，如d s c p 的定义、p h b 服务的定义等 等已逐步完善。区分服务体系结构如图3 所示。 其中的d i f f s e r v 区域是由一些相连的d i f f s e r v 节点构成的集合，它们有统一 的服务提供策略，且实现一致的p h b 组，比如某个i s p 的网络或者内部网。每个d s 区域通过边界节点( b o u n d a r yn o d e ) 与非d s 区域相连，根据不同的数据流传输方 向。边界节点可以分为入口节点和出口节点。 为了保证用户能从i s p 那里获得所需要的服务质量，用户必须和i s p 之间签订 西北大学计算机系硕士研究生论文 有服务等级协定( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ，s l a ) 。1 ，而i s p 之间也必须建立业 务流调节协定( t r a f f i cc o n d i t i o na g r e e m e n t ，t c a ) ，s l a 规范了i s p 对客户端网 络所支持的业务类别以及每种类别的业务流数量，t c a 则规范了i s p 之间的数据流 应该满足的一些约定。 这样，当有数据流进入d s 区域时，入口节点对其进行分类( c l a s s i f i e r ) 、调 节( c o n d i t i o n ) ，保存流( 单流或聚流) 的状态信息，根据事先和用户约定的流规 格对流进行计量( m e t e r i n g ) 、标记( m a r k i n g ) 、整形( s h a r p i n g ) 、丢弃( d r o p p i n g ) 等，以使输入流符合s l a ，同时在包头标记d s c p 值，并将其加入相应的行为聚集b a ( b e h a v i o ra g g r e g a t e ) 。出口节点也可能需要对输出流迸行调节，以保证其与下游 d s 区域的t c a 相符。 d i f f s e r v 区( r e g i o n ) 则是由连续的d s 区域构成。一个d s 区内的d s 区域可以 支持不同的p h b 组，并且各自区域的d s c p 到p h b 的映射函数也可能不相同。在不同 的d s 区域之间，必须对s l a 和t c a 进行调节，以协调彼此之间的服务语义。这样， 通过在上游d s 区域和下游d s 区域之间建立s l a 或t c a ，区分服务可以扩展到多个 d s 区域。 西北大学计算机系硕士研究生论文 图3 区分服务体系结构示意图 在图3 中，我们假设客户端网络已经和i s p 建立了相应的s l a ，i s p 之间也建立 了t c a 。如果客户端网络中的主机a 向另一客户端网络的主机b 发送数据流，则数 据包在客户端网络中路由到达与它直接相连的i s p 的网络n 1 ，边界路由器e 1 根据 用户与i s p 之间的s l a 通过查看数据包的头部信息对它进行分类、监控、标记以及 整形，以使它符合s l a 。被标记了d s c p 的数据包在n 1 中传输，直到到达n 1 的出口 节点。在n 1 的出口节点，边界路由器根据n 1 与n 2 之间的t c a 对业务流进行整形， 使它符合n 1 与n 2 网络之间的t c a 。业务流依次通过中间的每个i s p ，最后到达接收 端所在的客户端网络。 2 3 3 区分服务标记域与区分服务标记d s c p i p 包头部的区分服务标记域( d sf i e l d ) 是d s 区域边界节点和内部节点传输 流聚集信息的媒介，是内部核心路由器转发报文的依据，是连接报文与转发服务 ( p h b ) 的桥梁，也是边界节点与其它d s 区域根据t c a 进行调节的依据。 d s 标记域定义为i p v 4 头部的t o s ( t y p eo fs e r v i c e ) 字节或i p v 6 头部的流类 型( t r a f f i cc l a s s ) 字节“。如图4 所示。其中d s c p ( 6 b i t ) 即为区分服务标记， c u ( 2 b i t ) 在本体系中没有使用，i e t f 已将它定义为e c n ( e x p l i c i tc o n g e s t i o n n o t i f i c a t i o n ，显式拥塞指示) 使用。对于不支持c u 域的路由器，当决定所收到的 报文的p h b 时，将忽略c u 的值；对于不支持该域的主机，在发送数据包的时候，将 该域的值置零。下行节点则通过识别这个字段，获取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。 二亘二日 职诎s 宇节或着口硫粪型字节 d s c p ： c u ： 冒4i p 包饕盼区分服务标记域 2 3 4 区分服务中的分类和调节机制 西北大学计算机系硕士研究生论文 为了使用户数据流符合s l a 和t c a ，边界节点要对其进行分类和调节，因而从 功能上可以分为两个模块：分类器( c l a s s i f i e r ) 和调节器( c o n d i t i o n e r ) ，如图 5 所示。 分类器根据数据包头部的某些域( 如d s c p 或m f 五元组) 对数据包进行分类。 目前定义了两种类型的分类器：行为聚集( b e h a v i o ra g g r e g a t e ，b a ) 分类器：根 据包头的d s c p 来对包进行分类。多域( m u l t i f i e l d ，m f ) 分类器：根据包头部中 多个域内容的组合来进行分类，如源地址、目标地址、d s 域、协议