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在职人员同等学力研究生硕士论文 摘要 传统的网络采用尽力而为模式处理到达业务流，无法对要求服务质量的业务 提供有效支持。一些研究者和服务提供者一直在寻求解决这一缺陷的途径，其中 集成服务和区分服务这两类服务被广泛作为q o s 需求解决方案。区别于集成服 务，区分服务在网络边界上汇聚业务流，执行包分类，而每个网络核心节点则支 持不同的每类服务保证。典型地，区分服务又可分为加速服务和确保服务两类， 加速服务实现在奖赏业务与非奖赏业务之间提供严格的区别对待；确保服务则提 供各聚集类不同的每跳向前机制和丢包对待，尽管它们共享相同的网络资源。区 分服务作为一种可扩展性较好的q o s 体系结构在网络设计中逐渐得到广泛认可。 在资源共享环境中，一定会有各共享者之间的公平性问题，具体到d i f 舔e r v ， 其竞争存在于聚集流间也同时存在于同一聚集流内各微流间。就后者而言，分析 表明占当今主要业务的w e b 流公平性得不到有效保障，提升区分服务环境中聚 集流内w e b 流的性能具有一定的现实意义。 本文的工作主要集中在以下几个方面：第一、阐述了网络服务质量的定义和 存在的问题。第二、详细剖析了区分服务的体系结构，给出了区分服务路由器的 实现机制。第三、深入研究了区分服务中各种分组标记策略的优劣，得出各标记 机制引起带宽分配不公平的原因，结合w e b 业务竞争劣势的本身原因，提出了 w e b 流友好的移动速率阈值标记机制。第四、介绍了0 p n e t 仿真工具的仿真原 理和特点，分析了区分服务机制在o p n e t 中的实现细节，给出了在o p n e t 中 进行o o s 仿真的步骤，并在o p n e t 中实现了新机制。通过比较已有算法肯定了 新机制能更好地提供w e b 业务公平性保证。最后，文章总结了课题的研究成果， 概述了将来的研究方向。 关键词：服务质量；区分服务；w e b 业务；标记机制；移动速率阈值；公平性 区分服务环境下标记公平性研究 a b s t r a c t ln et r a d l t l o n a l i n t e r n e tu s e s b e s t - e f f o r t m e c h a n i s mt os e r v e rr e c e i v e dt r a 仿c a n dc a n n o ts u p p o r tt h et r a m ct h a tn e e d sq u a l i t yo fs e r v i c ee f f e c t i v e l y i np r e s e n t ， r e s e a r c h e r sa n ds e r v i c e p r o v i d e r sh a v eb e e n s e a r c h i n gw a y st oo v e r c o m et h e s n o r t c o 蛐n g so ft h ei n t e m e tb e s te f f o r ts e r v i c e t w oa p p r o a c h e sh a v eb e e nw i d e l v o u t e da st h es 0 1 u t i o nt oq o sr e q u i r e m e n t s ：i n t s e r va n dd i f f s e u n l i k e i n t s e r v d i f f s e r vh a n d l e sf l o wa g g r e g a t e s ，p e r f o 肋sp a c k e tc l a s s i 6 c a t i o ni n t oc l a s s e s a tt h e n e t w o r kl n g r e s sa n ds u p p o r t s d i f f e r e n tp e r c l a s s g u a r a n t e e sa te v e r yh o pi nt h e n e t w o r kc o r e t r a d i t i o n a l ly d i 璐e r vc o m e si nt w o n a v o r s ：e x p e d i t e df o r w a r d i n g le f ) a n da s s u r e df o r w a r d i n g ( a f ) t h ef o m e rp r o v i d e sa na l m o s ta i r t i g h t s e p a r a t l o nb e t w e e np r e m i u ma n dn o n p r e m i u m t r a m c ； t h e1 a t t e r ， w h e r ed i f f e r e n t c i a s s e sa r eg i v e nd i f f e r e n tf o r w a r d i n go rd r o p p i n gt r e a t m e n t s ，a l t h o u g h t h e ys h a r e t n es a m en e t w o r k r e 8 0 u r c e s d i f f s e r vi s w i d e l yr e c o g n i z e df o ri t se x c e l l e n t s c a l a b i l i t yp r o p e r t i e s 1n e 士_ a i r n e s s p r o b l e m se x is ti nt h en o w sw h e ns h a r i n gt h en e t w o r k r e s o u r c e s fo rd 1 f t s e r v n o to n l yt h ea g g r e g a t ec l a s s e sb u t a l s oe v e r ym i c r o - n o wo ft h es a m e a g g r e g a t ef l o wc a n ts h a r et h er e s o u r c e sf a i r l y t h er e s e a r c hw o r k ss h o wt h a tt h e w e bt r a f 她w h i c ht a k e sm o s tp r o p o r t i o ni nr e c e n t n e t w o r k ，c o u l d n ，tg e te f f e c t i v e p r o t e c t l o n t h e r e f o r e ，t op r o m o t et h ep e r f o m a n c eo ft h ew e bt r a m c a m o n gt h e a g g r e g a t ef l o wi so fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r ，m a n yw o r k sh a v eb e e nd o n ei nt h e f o l l o w i n gf i e l d s f i r s t ly w e p r e s e n tt h ed e f i n i t i o n sa n dt h ee x i s t i n gp r o b l e m so ft h ei n t e r n e t s e r v i c eo u a l i t v s e c o n d ly w em a k ea n e x p o s i t i o no ft 粤ed i 脑e r vp r o t o c 0 1a n ds t u d yt h er e a l i z i n g s c h e m eo ft h ed i 鹧e r v r o u t e r s t h i r d l y b a s eo nt h ea n a l y s i so ft h ee x i s t i n gp a c k e t s m a r k i n ga l g o r i t h m ，w ee x p l a i nt h er e a s o n s c o n s i d e rt h es h o r t c o m i n g so ft h ew e b t r a m c ， w e bt r a f f i c f r i e n d l ym o v i n gr a t e t h r e s h o l d p r i n c i p l ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fo p n e t w h yt h em a r k e r sb r i n gu n f a i m e s s w ep r o p o s ean e wm e c h a n i s mn a m e d s c h e m e f o u r t h l y ，w ei n t r o d u c et h e s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ， a n a l y z et h e r e a l i z i n gd e t a i l s 。fd i f 陪e r vm e c h a n i s m 。no p n e t ，t h e s i m u l a t i 。ns t e p s 。fq 。si s g i v e nt 。i n 。r d e r t 。p r 。v et h ep e r f o m a n c e 。f 。u rn e w s c h e m e ，w ea d dt h en e w a l g 。r i t h mt 。o p n e t m 。d e l e r s c 。m p a r ew i t h 。t h e rm a r k e r s ，。u rr e s u l t ss h o wt h a t t h en e ws c h e m ec a n p r 。v i d eb e t t e rf a i m e s sg u a r a n t e et 。w e bt r a f h c a tl a s tt h e p a p e r l i 在职人员同等学力研究生硕士论文 s u m m a r i z e st h er e s u l t so fo u rs t u d ya n dp u t sf o r 、) i ，a r dt h er e s e a r c hd i r e c t i o ni nm t u r e k e yw o r d s ：q o s ； d i f 俗e r v ；w e bt r a m c ；m a r k e rs c h e m e ；m o v i n gr a t e t h r e s h o l d ；f a i r n e s s i i i 区分服务环境下标记公平性研究 插图索引 1 1 集成服务模型图3 2 1 区分服务体系结构7 2 2r f c l 3 4 9 规定的t o s 字节8 2 3d i f f s e r v 路由器功能图1 0 2 4 边界路由器1 1 2 5d i f 俗e r v 核心路由器中i pq o s 的实现1 2 2 6 队列调度算法的原理一1 3 2 7 支持优先级服务地队列机制1 3 2 8r e d 分组丢弃率1 4 2 9r i o 算法丢包概率1 5 3 1t s w 2 c m ( 两色) 算法2 2 3 2t s w t c m ( 三色) 算法2 2 3 3t s w t c m 标记概率图2 3 3 4i t s w t c m 算法2 3 3 5i t s w t c m 标记概率图2 4 3 6 大、小c w n d 标记概率对比一2 8 4 1o p n e t 中离散事件仿真机制3 0 4 20 p n e t 的层次化建模3 1 4 3 仿真工作流程：3 2 4 4o p n e t 中d i f 晤e r v 模块属性表3 3 4 5 双令牌桶标记流程图3 4 4 6w f q 机制的参数设置3 5 4 70 p n e t 中w r e d 属性设置3 6 4 1 0 路由器的节点模型( 局部) 3 7 4 1 1 模拟环境3 8 4 1 2 不同机制的w e b 业务完成时间3 9 4 1 3 不同机制的公平因子4 0 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 在职人员同等学力研究生硕士论文 附表索引 表1 1i n t s e r v 模型与d i f f s e r v 模型的比较4 表2 1d s c p 的分配及相应的p h b ：1 0 表3 1 各类标记策略的参数1 8 表4 1o p n e t 中区分服务功能模块3 4 表4 2 平均流长及包数目3 9 v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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后果由本人承担。 作者签名： 奶秃 日期：硼石年，z ，月i 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，同意学校保 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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 基铀壳 童l 圭叶 日期：珈6 年，乙月，z ，日 日期：压，易年l 乙月l 龃 在职人员同等学力硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 服务质量 1 1 1 服务质量概述 服务质量( q u a li t yo fs e r v ic e ，q o s ) 是网络与用户之间以及网络上互 相通信的用户之间关于信息传输与共享的质量的约定，i pq o s 心1 是指i p 的服 务质量，也是指i p 数据流通过网络时的性能，q o s 的目的就是向用户提供端到端 的服务质量保证，不同的通信网络对于服务质量的定义也各不相同。通常网络的 服务质量可用业务传送的延迟、延迟变化、吞吐量和包丢失率等参数来衡量，不 同的业务对于每个参数的敏感程度是不同的： 网络延迟一一信息流从源端到目的端的延迟； 延迟变化一一也称为“抖动”，指信息流在从源到目的地的传递过程中延迟 的相对变化； 吞吐量一一信息流在网络中的传递速率，也可用平均速率和峰值速率表示； 包丢失率一一信息流( 在i p 网络中以i p 包为单位传递) 在网络中丢失的 包与总信息量的比率。 1 1 2 服务质量待解决问题 目前，由于i n t e r n e t 带宽的不足和t c p i p 技术本身的局限性制约了网络自 身的发展。传统网络的最初设计目的是进行高效的数据传输，因此所使用的 t c p i p 协议族是一种无连接的、基于数据报的传输模式。i p 所提供的“尽力而 为”服务，无法保证吞吐量和传送时延等服务质量要求。t c p 使用的重传和滑动 窗口机制给实时数据的传输带来难以预料的时间延迟以及抖动。因此，最迫切需 要解决的问题是如何保障i n t e r n e t 的服务质量，以及对不同的业务提供相应的 服务。 当网络上主机数量不断增多，网络服务质量要求不断增加，网络服务的需求 将超过网络提供的能力，引起链路带宽分享的不公平甚至导致网络拥塞，造成传 输时延变化( 抖动) 、传输时延过大甚至引起分组丢失等现象，因此拥塞控制成 为i pq o s 待解决的一个重要问题，引起网络拥塞的几个主要原因是： 首先，局域网与广域网接合部吞吐容量的巨大落差是造成网络拥塞的主要原 因之一。今天局域网所普遍采用的局域以太网技术有1 0 m 、1 0 0 m 、1 0 0 0 m 和全、 半双工之分；广域网采用s d h 、d d n 、帧中继、i s d n 、或卫星等传输技术，在局 域网与广域网接合部上吞吐量的如此巨大差异，形成了网络瓶颈； 区分服务环境下标记公平性研究 第二，由于信息源发放数据的随机性，信息量和发放时间的不可预见性等原 因导致网络形成拥塞； 第三，由于采用滑动窗口协议而导致数据传输过程中的重传而出现的t c p 的突发行为。 1 1 3 服务质量方法 为了解决网络中存在的问题，可以采取以下方法来保证网络中业务的质量需 要。 首先，改造通信线路和升级交换设备，以增加网络带宽； 其次，依靠路由器和交换机能够提供的技术：局域网中的i pq o s 主要是对 第二层的以太网帧头加入了优先级字段，以区分不同的优先级，解决局域网中只 能简单地区分业务的优先级，不能像a t mq o s 那样有精确的定义和详细的参数 指标来衡量的先天性弊病； 第三，结合各种技术，采用端到端的q o s 技术。 目前i p 网络出现的所有服务质量问题，归根到底是由带宽不足带来的。 因此充分增加网络的带宽以使其达到用户需求，是解决i n t e r n e t 服务质量问题 最直接、最有效的办法。然而增加带宽要受到各种因素制约，事实上，新应用 的不断出现决定了i p 网络带宽的增长几乎无法完全满足业务发展的需求。因此 如何合理利用i p 网络的有限带宽，使其尽量能够满足各种业务对q o s 要求才是 解决问题的关键。为此，i e t f 提出了多种q o s 策略，如集成服务和区分服务两 种q o s 技术。 1 2 区分服务与集成服务 目前i n t e r n e t 上q o s 技术的研究主要有两种研究方向：集成服务 ( i n t e g r a t e ds e r v ic e s ，以下简称i n t s e r v ) 5 1 和区分服务( d i f f e r e n t ia t e d s e r v i c e s ，以 ：简称d i f f s e r v ) 6 1 7 j 。 1 2 1i n t s e r v 针对i pq o s 的问题，i e t f 在早期提出了i n t s e r v ( i n t e g r a t e ds e r v ic e s ) 模型。i n t s e r v 基本思想是在传送数据之前，根据业务的q o s 需求进行网络资源 预留，从而为该数据流提供端到端的q o s 保证。为此，集成服务通常采用面向流 的资源预留协议( r s v p ) ，在流传输路径上的每个节点为流预留并维护资源，主 机利用r s v p 向网络应用流提出q o s 请求；路由器利用r s v p 将q o s 请求信息传给 流路径中的其他路由器，并建立和保存该服务的信息；r s v p 请求将会使得沿着 2 在职人员同等学力硕士学位论文 数据路径的资源在路由器处预留。集成业务具体模型如图1 1 所示。 主机路由器 应用 -珊处理r s v pr s v p 处：理略由协议 ，传 模块模块放据库 ，- 策略控制i l - 1 分类器l 一调度器i ： p 数据流14 盖墨i 1 胡言墨l r i 、。i1 一i 图1 1 集成服务模型图 集成服务模型的优点是能提供端到端的绝对的q o s 保证，但由于这种模型在 实现上是非常困难的，主要体现在： ( 1 ) 由于预留是基于每个流而进行的，因此使得节点中要保留每个流的状 态信息，导致核心路由器负担太重，因此可扩展性很差。 ( 2 ) 网络中每个节点都要维护各类数据库，并实现复杂的功能模块( 如资 源预留、路由、接纳控制等) ，造成了极大的复杂性。 1 2 2d i f f s e r v 由于i n t s e r v 的局限性，i e t f 又提出了d i f f s e r v 区分服务模型，d i f f s e r v 的基本思想是在网络的入口处为每个数据包分类，并在数据包中标记相应的区分 服务代码点( d i f f s e r vc o d e p o in t ，以下简称d s c p ) ，用于指示数据包在网络转 发路径的中间节点上被处理的方式。在网络内部的核心路由器中只保存简单的 d s c p 值与每跳行为( p e r h o pb e h a v i o r ，以下简称p h b ) 的对应机制，根据数据 包头部中的d s c p 值对数据包进行相应的优先级转发，而业务流状态信息的保存 与流量控制机制的实现等都在网络边界节点进行，内部节点是与状态无关的。 区分服务具有实现简单、扩展性好的特点。目前在i p 网中区分服务得到了 绝大部分厂家的支持，其具体实现技术包括分类、重标记、速率限制、流量整形、 拥塞避免、队列调度等。但区分服务也有自己的局限性，主要体现在： ( 1 ) 区分服务只承诺相对的服务质量，因而不能对用户提供绝对的服务质 量保证。 ( 2 ) 在拥塞发生时，区分服务模型只能采取丢弃报文的方式，而不能采用 例如旁路的方式使部分流量通过其他路径到达终点。 ( 3 ) 对相同优先级的业务而言，设备在拥塞时对报文的丢弃是非智能化的， 也就是说，设备只能随机地丢弃报文，其结果是所有业务的服务质量都受到影响。 而此时希望的结果是只丢弃少部分业务流的报文，从而避免剩下的大多数的业务 流的服务质量受到影响。 3 区分服务环境下标记公平性研究 由于区分服务符合目前i p 网络的发展方向，并且具有可扩展、便于实现等 特点，因而近年来引起人们的极大兴趣和关注。 表1 1 列出了集成服务与区分服务实现机制的比较哺1 。 表1 1 i n t s e r v 模型与d i f f s e r v 模型的比较 项目i n t s e r vd i f f s e r v 区别业务的粒度单个流流的聚合 路由器需要保存的状态信 单个流 流的聚合 息( 如调度、缓冲管理等) 对流进行分类的依据i p 头甚至传输层协议的多个字段d s 字段 加速转发( e f ) 所提供的业务类型保证型业务受控负载 确保转发( a f ) 不一定需要( 提供有绝 是否需要许可控制机制需要 对保证q o s 时需要) 信令协议 r s v p 无 提供方式端到端逐跳( h o pb yh o p ) 可扩展性受流数量的限制受流类型的限制 管理方式类似于电路交换网类似于i p 网 跨运营商部署时的协议多边协议 双边协议 应用范围网络边缘( 如l a n 、接入网)骨干网 本论文主要基于区分服务的基本思想，研究由机制本身( 特别是标记机制) 所引起的聚集业务间、聚集业务内业务流的带宽公平分配问题，尤其是w e b 业务 单流的带宽公平分配问题。 1 3 研究现状与方向 区分服务的研究是当前1p 网络服务质量研究的热点。其基本概念最早由 c is c o 公司提出，并由i e t f 组织设立专门讨论组，己有相关的几十篇研究论文发 表。在1 9 9 8 年1 0 月起草的i e t f 标准草案r f c 2 4 3 0 中，描述了区分服务和传输工程 提供者的体系结构，在1 9 9 8 年12 月起草的i e t f 标准草案r f c 2 4 7 4 中，描述了在t p v 4 和1 p v 6 头部的区分服务标记域，在1 9 9 8 年1 2 月起草的i e t f 标准草案r f c 2 4 7 5 中， 描述了区分服务的体系结构，并在其它的草案文件中提出了解决区分服务问题的 两种模型：确保服务( a s s u r e ds e r v i c e ，a s ) 模型和奖赏服务( p r e m i u m s e r v i c e ，p s ) 模型。 目前对区分服务的研究正方兴未艾，同时有c 工s c 0 、i b m 等几家大公司的支持， c e r n 、t nc e n t 、u n i v e r s i t yo fu t r e c h t 、u n i v e r s i t yo fk a n s a n 等都参与了有 4 在职人员同等学力硕士学位论文 关的研究项目，最大的研究计划是由美国的1 7 0 所大学、4 0 家公司和3 0 家其他组 织参加的i n t e r n e t 2p r o j e c t ，2 0 0 1 年6 月在b a r c e l o n a 就召开了有关d i f f s e r v 的 会议：国内有微软中国研究院、西安交大、电子科大等都在进行相关研究。目前 国内对d i f f s e r v 的仍存在许多问题值得深入研究。 另一方面，由于计算机网络和多媒体技术的迅猛发展，i n t e r n e t 上的w e b 应用一直呈现爆炸性增长趋势阳1 。目前，w e b 流量在i n t e r n e t 总流量中所占的 比例已经超过了6 0 ，成为i n t e r n e t 上信息传输的主流。由于h t t p 请求的指数 性增长，i n t e r n e t 上的许多热门站点都经常面临着服务器超载问题。通常，人 们期望的w e b 站点的理想响应时间为1 秒，这与人类的响应时间大体相当，研究 表明，普通的w e b 用户通常不会忍受超过8 1 0 秒的等待时间，根据z o n a 研究 中心的统计，一个电子商务网站必须保证其w e b 用户在7 秒内得到响应，否则将 损失3 0 或者更多的客户。 具体而言，w e b 服务请求的响应时间主要由两个因素决定：网络传输的质量 和w e b 服务器的处理性能。其中d i f f s e r v 能否为w e b 流提供有效服务将影响其 商业用途，但是事实是传输层的w e b 流在区分服务环境中传输受到了自身特性的 严重影响n 引。提高w e b 流的竞争实力，对区分服务环境下聚合流中w e b 流公平 性的研究对w w w 应用有特别重要的作用。 本论文基于区分服务的基本思想的研究，分析了当前采用区分服务机制带来 的带宽公平性竞争问题，主要聚焦区分服务聚集类内部公平竞争问题，针对w e b 流在传输中的歧视问题进入了深入的分析研究，并提出了改进的机制。本论文中 主要研究如何通过改进标记机制使得w e b 业务能获得更高优先级别的保护，公平 享用带宽，并应用先进的调度策略使w e b 应用的数据流优先通过网络。 从上面信息可以看出，区分服务是网络q o s 的研究热点，w e bq o s 也具有非 常重要的现实意义，因此对于区分服务聚集流中单流特别是w e b 流传输性能的研 究无论在现在、将来、理论上、应用上都具有十分重要的研究价值和意义。 本论文的研究主要包括以下几方面的内容： 基于区分服务的模型研究与建立 标记机制的研究 微流业务特性的研究 改善微流传输性能的标记机制的研究 区分服务中相关机制的研究与仿真 1 4 本文结构概述 第一章( 即本章) 介绍i p 网络服务质量的两个研究方向及其优缺点，课题 的研究动机和主要研究内容，国内外研究现状，以及本课题的研究方向。 区分服务环境下标记公平性研究 第二章重点介绍区分服务的基本思想及其实现方法，分析r f c 中建议的区分 服务体系结构的设计方法，介绍区分服务的一些基本概念，以及r f c 中关于定义 区分服务中的类，定义p h b 行为，实现流量调节的建议。 第三章是本论文的重点，共分两部分： 第一部分分析网络边界路由器中的流量调节器的工作机制，重点介绍了两 种类型的标记器，分析每类标记器的组成部分、目前存在的主要算法机制及各自 的优缺点。 第二部分分析w e b 流在聚集类中的公平性问题，提出在边界路由器上改进标 记机制，设计了一种基于移动阈值调整的友好的w e b 业务标记机制，分析了该机 制的优势其算法细节。 第四章介绍在0 p n e t 仿真环境中进行网络模拟研究的过程，首先介绍0 p n e t 的仿真原理和仿真过程，然后分析了区分服务在o p n e t 中的实现框架及仿真配置 过程，最后介绍了新机制在o p n e t 中的实现细节，并通过仿真结果比较新机制的 性能优势。 最后总结此论文的研究，提出对此项研究的未来展望。 6 在职人员同等学力硕士学位论文 第2 章区分服务体系结构分析 2 1 区分服务体系结构 2 1 1d i f f s e r v 基本原理 区分服务模型采用“保持主干网的简单性，将复杂性推到网络边界”的设 计思想，其实现途径是：简化网络内部节点的服务机制，在内部节点只进行简单 的调度转发，而流状态信息的保存与流监控机制的实现等，只在边界节点进行， 内部节点是状态无关的。具体来说，在边界节点上，d i f f s e r v 体系将基于单个 流或聚集流的管理工作分布到区分服务域( d i f f s e r vd o m a i n ，d s 域) 边缘的入 口及出口结点，由边缘结点根据一定的策略对流入流出分组进行计量、监控和标 记。当d s 域的内部路由器发生( 或可能发生) 拥塞时，内部路由器根据分组中 的标记域内容选择优先丢弃哪些分组。因此，d s 域的内部路由器无须维护基于 每流的各种状态，保持了其实现的简单性，在维持较高吞吐率的同时又能提供不 同类别的服务保证。 2 1 2d i f f s e r v 体系结构 区分业务相关的很多概念、机制和方案都处于不断发展之中，到目前为止， 区分业务体系结构框图可如图2 1 所示。 图2 1 区分服务体系结构 区分服务上整个网络由多个d s 域( d sd o m a i n )和非d s 域( n o n d s d o m a i n )组成，多个相连的d s 域形成d s 区( d sr e g i o n ) 。d s 域由一些相邻 的支持d i f f s e r v 的节点构成，这些d s 节点遵循公共的服务提供策略和一组在每 7 区分服务环境下标记公平性研究 个节点实现的p h b 。每个d s 域中的节点可分为边缘节点和内部节点。边缘节点 连接其他的d s 域或者非d s 域，可包括主机、防火墙、路由器或者其他可能的 边缘设备；内部节点包括核心交换机或路由器，连接本d s 域的边缘节点或者其 他内部节点。 区分服务中通过服务等级协议s l a ( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ) 规定用户 应该获得的转发服务，描述了所支持的服务类别、业务流调节规则等信息。业务 流调节协议t c a ( t r a f f i cc o n d i t i o n i n ga g r e e m e n t ) 则包含了s l a 规定的分类 和调节规则，以及相应的服务要求和服务提供策略所包含的规则。d s 域的边界 节点根据t c a 对经过的i p 分组进行业务流分类和调节，包括简单的重新标记d s 字段( r e m a r k i n g ) 和丢弃( d r o p p i n g ) 到复杂的整形( s h a p i n g ) 和监控( p o l i c i n g ) 等操作。同一条链路相同传输方向上具有相同的d s 字段的分组形成一个业务流 聚集( a g g r e g a t e dt r a f f i c ) ，或者称为行为聚集( b e h a v i o ra g g r e g a t e ，b a ) 。 它是p h b 调度转发的基本单元。 2 2 区分服务中的相关定义 2 2 1t o s 字段定义 d i f f s e r v 重新定义了i p v 4 中的服务类型( t y p eo fs e r v i c e ，t o s ) 字节和 i p v 6 中的通信类( t r a f f i cc l a s s ，t c ) 字节的前6 位，标准化为区分服务码 点d s c p ，如图2 2 所示。 p 2 一p 口：i p 优先级宇段 d ：d 一常规时延，l 一低时延 t ：0 一常规吞吐量，1 一高吞吐量 凡0 一常规可靠性，l 一高可靠性 c u ：未用。置成口 图2 2r f c l 3 4 9 规定的t o s 字节 默认情况下，该d s c p 值为0 ，对应尽力而为服务。 d i f f s e r v 通过标记不同的d s c p 值来选择相应的转发处理行为p h b 。i e t f 标准化了一部分p h b ，包括尽力而为型b e ( b e s te f f o r t ) 、加速型e f ( e x p e d i t e d f o r w a r d i n g ) 、确保型a f ( a s s u r e df o r w a r d ) 及兼容i p 优先级的类选择型c s ( c 1 a s ss e l e c t o r ) 。其中，a fp h b 总共定义了4 个a f 类：a f l x 、a f 2 x 、a f 3 x 和a f 4 x ( x = 1 ，2 ，3 ) ，以提供不同级别的转发保证。 2 2 2p h b 每跳行为定义 p h b ( p e r h o pb e h a v i o r ) 是d s 节点作用于数据流的行为。网络管理员可 在职人员同等学力硕士学位论文 以配置d s c p 到p h b 的映射关系。如果d s 节点接收到一个报文，检查其d s c p 值， 发现未定义到p h b 的映射，则d s 节点将选择采用缺省p h b ( 即b e s t e f f o r t ， d s c p = 0 0 0 0 0 0 ) 进行转发处理。每个d s 节点必须支持该缺省p h b 。目前，i e t f 定义了三种标准的p h b ：确保转发( a s s u r e df o r w a r d i n g ，以下简称a f ) n 、 加速转发( e x p e d i t e df o r w a r d i n g ，以下简称e f ) n 2 1 和尽力而为( b e s t e f f o r t ， 以下简称b e ) ，b e 是缺省的p h b 。 1 e fp h b 加速转发被定义为这样的一种转发处理：从任何d s 节点发出的信息流速率 在任何情况下必须获得等于或大于设定的速率。e fp h b 在d s 域内不能被重新标 记，仅允许在边界节点重新标记e fp h b ，并且要求新的d s c p 满足e fp h b 的特 性定义e fp h b 的目标是在d s 域内模拟一种虚拟租用线( v i r t u a ll e a s e dl in e ) 的转发效果，提供一种低丢包率、低延迟、高带宽的转发服务。 2 a fp h b 确保转发的推出是为了满足这样的需求：用户在与i s p 订购带宽服务时，允 许业务量超出所订购的规格。对不超出所订购规格的流量要求确保转发的质量， 对超出规格的流量将降低服务待遇继续转发，而不只是简单地被丢弃。 当前定义了四类a f ，即a f l 、a f 2 、a f 3 、a f 4 。每一类a f 业务的分组又可 以细分为三种不同的丢弃优先级。a f 编码点a f i j 表示a f 类为i ( 1 = i = 4 ) ， 丢弃优先级为j ( 1 = j = 3 ) 。运营商在提供a f 服务时，为每类a f 分配不同的带 宽资源。对a fp h b 的一个特别要求是：流量控制不能改变同一信息流中分组的 顺序。比如，某一业务流中的不同分组归属同一a f 类，但在流量监管时被标记 了的不同的丢弃优先级，此时，虽然不同分组的丢包概率不同，但是他们之间的 相互顺序不能改变。这种机制特别适合于多媒体业务的传输。 3 b ep h b 即传统的i p 分组投递服务，只关注可达性，其他方面不做任何要求。任何 路由器必须支持b ep h b 。 2 2 3p h b 的d s c p 分配 p h b 描述了d s 节点调度转发特定b a 时的外部特性，而具体的实现机制可以 是严格的优先级排队、w f q ，w r r 等。在特定的网络区域内，d s c p 到p h b 的映射 可以是局部定义的，而标准化的p h b 推荐的d s c p 映射可以更改。d s c p 的分配和 相应的p h b 如表2 1 所示： 9 区分服务环境下标记公平性研究 表2 1d s c p 的分配及相应的p h b 池( p 0 0 1 )d s c p 推荐值分配策略及p h b 1x x x x x 00 0 0 0 0 0 标准化行为一缺省型p h b x x x 0 0 0 标准化行为一类选择型p h b 其他 标准化行为一加速型或者确保型p h b 2x x x x l l试验或本地 3x x x x 0 1试验或本地( 可用作将来的标准化行为) 2 3d i f f s e r v 中路由器实现分析 2 3 1d i f f s e r v 路由器 如图2 3 所示，区分服务结构有三个主要部件： ( 1 ) q o s 策略资源管理器 ( 2 ) 边缘器件功能块 ( 3 ) 核心路由器功能块 图2 3d i f f s e r v 路由器功能图 其中，q o s 策略资源管理器允许网络运营商确定q o s 策略：哪些业务接受网 络的哪一类服务，这些高级的策略被翻译成器件级策略并被下载到路由器【13 1 。 最初，策略资源管理器只包括一些简单的资源管理，理想情况下策略管理器应 支持动态q o s 请求和业务分配，然而动态网络资源分配领域仍有许多问题急待 研究和解决。 边缘器件如路由器根据网络运营商确定的策略执行复杂的基于每流的分类， 还执行计量、业务整形或管制、标记等功能一一又称为边界业务量调节。核心路 由器将标记的聚集类再按p h b 转发。提供给特定分组流的服务是通过边缘路由器 ( 入口或出口) 的业务量调节和核心路由器的一些p h b 来共同实现的。不同的 p h b 和不同的业务量调节机制，区分服务将提供不同业务以区分的服务。由于将 l o 在职人员同等学力硕士学位论文 复杂的分类和业务量调节推到边缘而维持核心路由器的简单性，使得d i f f s e r v 比i n t s e r v 更具扩展性。 2 3 2d i 髑e r v 中的边界路由器 边界路由器根据t c a 对流进行分类和调节，并将其归入某个行为聚集，标记 相应的d s c p 值，其逻辑结构如图2 4 所示。i p 数据包首先通过分类器进行分类， 而后测量器对包的速率进行测量，并根据测量的结果控制标记器对数据包头进行 d s c p 重标记。不满足流量要求的数据包将被丢弃，之后数据包将通过队列调度 机制及整形器发送给下一个节点。 图2 4 边界路由器 ( 1 ) 业务的分类 在采用d i f f s e r v 模型实施q o s 时，需要路由器识别各种流，因此需要对报 文进行流分类。有两种流分类的方法，即复杂流分类和简单流分类。 复杂流分类是根据i p 协议域、i p 源地址范围、i p 目的地址范围、d s c p 、i p 优先级、源端口范围、目的端口范围、i c m p 协议的类型和代码和i g m p 协议的类 型进行的。 简单流分类是根据报文所携带的i pp r e c e d e n c e 、d s c p 、m p l se x p 、8 0 2 来 进行的。i p 优先级识别出各种报文流，属于同一流分类的报文聚集即为b a 。通 常，在d if f s e r v 域的核心路由器上仅需进行简单流分类。 ( 2 ) 计量 计量( m e t e r ) 用来测量流量，判断信息流是否遵循t c s 中的流量规格的定 义。路由器根据流量测量的结果，实施m a r k e r 、s h a p e r 和d r o p p e r 等动作。例 如发现业务流中存在应用违反预置的业务调节原则，就通知其他业务调节功能实 体或者重新标记或丢包。 ( 3 ) 标记 标记器( m a r k e r ) 负责重新标记( r e m a r k i n g )