（计算机应用技术专业论文）基于带宽代理的端到端网络qos研究及仿真.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 下一代网络取代传统网络已经成为了必然的发展趋势，它通过与基于 i p 的核心网络融合，为用户提供包括多媒体业务在内的多种需要严格q o s 保证的业务支持。然而，采用尽力服务模型的现有i p 网络因缺乏q o s 保证 而不能满足下一代网络的要求，端到端网络q o s 保证机制的完善已经成为 了下一代网络发展的当务之急。 本文中深入研究了q o s 的体系结构，包括i e t f 提出的最著名的综合服 务体系结构( i n t s e r v ) 和区分服务体系结构( o i f f s e r v ) ，以及其他国际组织和团 体提出的m p l s - t e 技术。为了避免现有网络路由器因缺乏统一资源管理而 造成的服务质量下降，本文基于上述研究，从集中管理域内路由器的带宽资 源入手，提出一种基于带宽代理的端到端网络o o s 体系架构，该架构基于网 络分层的思想，将下一代承载网分成由路由器组成的数据传输层和由带宽代 理组成的资源管理层，由带宽代理来集中管理域内路由器的带宽资源。本文 在带宽代理的设计实现上作了深入研究，并在仿真工具o p n e t 上编程实现 了带宽代理的各项功能。另外，针对现有d i f f s e r v 网络路由器加以改造，使 之能够接受带宽代理的统一管理。本文在流的呼叫请求信令和带宽代理与路 由器之间的配簧协议方面都做了实质性的研究，将i e t f 提出的仍处于雏形 的o o s 信令在仿真系统中给以具体的实现，探索性的选用c o p s p r 协议作 为带宽代理和路由器间的配置协议。 本文在仿真平台o p n e t 上完整实现了基于带宽代理的i pq o s 网络模 型，并与现有的d i f f s e r v 网络做对比仿真实验。仿真结果表明，没有接纳控 制的现有d i f f s e r v 模型无法避免网络拥塞，在高优先级的流量过多时同样会 使网络性能急剧恶化；而带宽代理的引入将对域内带宽资源作统一的管理， 通过接纳控制手段避免网络拥塞的出现，使网络延迟和抖动始终保持在较小 的范围内，严格保证被接纳流的服务质量，显著提高网络整体性能。 关键词：服务质量；带宽代理；接入控制；下一代网络 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee v e l u t i o nf r o mt r a d i t i o n a ln e t w o r kt on g ni st h ei n e v i t a b l e c o u r s e t r o u g ht h ec o n v e r g e n c ew i t h i p - b a s e dc o r en e t w o r k ，n g np r o v i d e s m u l t i s e r v i c e si n c l u d em u l t i m e d i as e r v i c et ou s e l s ，w h i c hr e q u i r es t r i c t q o s w h i l ei pn e t w o r k sw h i c hp r o v i d eb e s te f f o r ts e r v i c ec a n te n s u r eq u s ，s o c a l l tm e e tt h en g nb e a r e rn e t w o r k sr e q u i r e m e n t t oe n s u r et h ee n d t o e n dq o s i sa nu r g e n ta f f a i rf o rn g n t h i st h e s i sd e e p l yr e s e a r c h e st h ea r c h i t e c t u r eo fq o s ，i n c l u d i n gi n t s e r v 、 d i f f s e r v , a n dm p l sn e t w o r kp u tf o r w a r db yi e t fa n do t h e ro r g n i z a t i o n s a i m sa t t h ep r o b l e mt h a tc u r r e n ti pn e t w o r k sr e u t e r sd o n th a v ea n yp o l i c yt om a n a g et h e b a n d w i d t hr e s o u r c et h u sl e a d st op o o rq u s ，t l l i st h e s i ss t a r t sw i t ht h e m a n a g e m e n to fr o u t e r s b a n d w i d t ha n dp r o v i d sa l le n d t o - e n dn e t w o r kq o s a r c h i t e c t u r eb a s e d0 i ib a n d w i d t hb r o k e r i td i v i d st h en g nb e a r e rn e t w o r ki n t o t w ol a y e r sb a s e do nt h ei d e ao fl a y e r e dn e t w o r k o n ei sd a t at r a n s p o r tl a y e r c o n s t i t u t e dw i t hr e u t e r sa n da n o t h e ri ss o u r c em a n a g el a y e r ，b b ，w h i c hm a n a g e b a n d w i d t hr e s o u r c e so fr o u t c r si nd o m a i n t h i st h e s i sd e s c r i b st h ed e s i g no ft h e b ba n dr e a l i z e sa l lt h ef u n c t i o nm o d u l e so fb bo no p n e t i na d d i t i o n ，s o m e c h a n g e sa r ed o n et ot h ee d g er o u t e r ss ot h e yc a nb em a n a g e db yb b m a t e r i a l s i u d yi sm a d ei nt h ea s p e c to fc a l ls i g n a l i n ga n dt h ec o n f i g u r ep r o t o c o lu s e di nt h e c o m m u n i c a t i o no fb ba n de d g er e u t e r s t h i st h e s i sg i v e sar e a l i z a t i o no fo o s s i g n a l i n ga d v o c a t e db yi e t f , a n da l s oe x p l o r e st oc h o o s et h ec o p s p ra st h e c o n f i g u r a t i o np r o t o c o lb e t w e e nb ba n dr o u t e r t h i st h e s i sg i v e sw h o l er e a l i z a t i o no fi po o sa r c h i t e c t u r eb a s e do nb bi n o p n e t , a n dm a k e sac o n t r a s te x p e r i m e n tw i t ht h ep u r ed i f f s e r vn e t w o r k t h e r e s u l t si n d i c a t et h a td i f f s e r vn e t w o r kw i t h o u tt h ef u n c t i o no fa d m i s s i o nc o n t r o l c a n ta v o i dc o n g e s t i o nw h e nt h eh i g hp r i o rf l o w sf l o o d ，a n dw i l lw o r s e nt h e p e r f o r m a n c eo ft h e n e t w o r kr a p i d l y w h i l e b yt h eu s eo fb b ，b a n d w i d t hi s m a n a g e da n da d m i s s i o nc o n t r o li si n t r o d u c e d ，t h es y s t e mc a na v o i dc o n g e s t i o n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a n de n s u r et h ea c c e p t e df l o w s o o s n ed e l a ya n dt h ej i t t e rw i l lb ek e p tw i t h i na l i t t l er a n g e ，a n dt h en e t w o r k sp e r f o r m a n c ew i l lb ed e v e l o p e do b s e r v a b l y k e yw o r d s ：q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) ；b b ( b a n d w i d t hb r o k e 0 ；a d m i s s i o n c o n t r o l ；n g n ( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指 导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据 和文献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除 文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经公开发表的作品成果。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结果由本人承担。 作者( 签字) ：量l 殛蓊 日期：一。口哆年麒月巧日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着网络多媒体技术迅猛发展，多媒体应用层出不穷，多媒体信息的数 量与日俱增，如i p 电话、远程视频会议、视频点播、网络游戏等等。 i n t e r n e t 已逐步由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。但i n t e m e t 中现有的传输模式仍为单一的尽力而为服务，无 法满足这些层出不穷的多媒体应用对服务质量的需求。在高速网络中按照用 户的要求提供q o s 控制是一个普通的要求，也是i n t e m e t 发展的重要挑战。 自从计算机系统诞生开始，就一直存在提高系统的服务性能和服务质量 的问题。而对于计算机网络q o s 的研究可以追溯到2 0 世纪8 0 年代初期。 那时，尽管网络的性能还比较低，提供的服务种类也比较少，但一些有远见 的研究者已经认识到服务质量的重要性。s e i t z 和w o r t e n d y k e 等人在研究 a r p a n e t 中的x 2 5 通信时已提出基于用户的性能评价问题，这是关于计 算机网络q o s 研究的最早文献。在早期的o s i 协议制定中，也为服务质量 的一些参数留有相应的表示手段，但一直空缺未用。很长的一段时间，由于 计算机网络的性能所限，人们对o o s 的关注只停留在数据流传输中的正确 率、吞吐量和延迟等单一服务质量的评价和控制上。直到2 0 世纪8 0 年代术 期，随着b i s d n 技术以及a t m 交换网的出现和分布式多媒体应用的急剧 增加，人们才开始系统的对q o s 管理和控制进行较为深入的研究。一些实 验性系统也应运而生，代表性的有英国兰统、国际合作项目t i n a - c 工程、 美国加州伯克利大学的t e n e t 工程、i b m 公司黑森伯格欧洲网络中心的 h e i p r o j e c t 工程等等。 随着i n t e m e t 商业化的巨大成功，网上传输的多媒体信息迅速增多，网 络拥塞现象日益严重，i n t e m e t 的q o s 问题研究也随之开始深入。i e t f 于 1 9 9 7 年9 月开始制定了有关q o s 定义与服务的一系列r f c 标准，典型的工 作是提出了两种不同的i n t e m e tq o s 体系结构：综合服务和区分服务。到目 前为止，q o s 控制技术的研究和开发都进展的非常迅速，并且已经取得了许 哈尔滨工程大学硕士学位论文 多基本的成果，国内也于近些年开始了有关q o s 控制方面的研究。 i pq o s 在可预测、可测量性方面比传统i p 有了很大提高，基本解决了 商业用户的需求，因而势必可以吸引更多的商业用户，形成一个新的利润增 长点，带来可增值的业务种类。有了i pq o s ，服务提供商就可以通过吸引 更多的商业用户、更高价位的业务级别以及更高效的带宽使用等来获得更大 的收益。因此可以说i pq o s 将是今后一段时间促进i p 网络增长的关键技 术。 尽管i pq o s 的研究工作已经进行了很长一段时间，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。但无论 怎样，计算机网络的q o s 问题已经成为国际网络研究领域公认的最重要、 最富有魅力的研究领域之一。 1 2 国内外研究现状 i pq o s 是一个非常活跃的网络研究分支，已有不少研究进展和技术标 准，尽管尚未实用，但确实已为进一步研究打下了良好的技术基础。国际上 研究i p 网络q o s 技术的主要组织有i e t f 、r r u t 、e ui s t 、e t s i 和 i e e e 。 1 2 1i e t f e t f 工作组定义了两种i n t e r a c tq o s 体系结构： 综合服务体系结构( i n t s e r v ) 资源预留协议( r s v p ) 区分服务体系结构( d i f f s e r v ) t w o t i e r 控制结构( 即b b 控制模型) 1 2 2lt u - t 1 9 9 9 年，r r u t 将网络研究重点转向i p ，确定以i p 为核心的电信网演 进方向。y 1 3 1 0 建议选用m p l s 作为公众网的i p 传送技术，并采用 d i f f s e r v 作为网络q o s 的保障技术。在2 0 0 1 年开始的新的研究周期中， r r u - ts g l 6 设立了m e d i a c o m 2 0 0 4 专题研究计划，和s g l 3g i i 研究课题 密切合作，研究下一代多媒体网络框架结构和技术。i t u t 提出了q o s 分 哈尔滨工程人学硕士学位论文 层模型：它分为业务层、呼叫控制层、传送资源控制层和传送层，相关研究 组( s g l 3 、1 2 、1 6 、1 1 ) 按此分工进行标准化研究。 1 2 3e uls t e ui s t 的t e q u i l a 项目组致力于在d i f f s e r v 网络中提供端到端的 q o s ，提出了管理控制综合模型和相关技术。t e q u i l a 同时考虑业务管理和 资源管理，以及两者的相互联系。另外，基于m p l s 和i p 技术的流量工程 ( r i e ) 也进行了研究。 1 2 4e t s e t s i 的t i p h o n 研究小组专注于电信网和口网的融合研究，它的研究 方法是提出技术要求和网络结构，选用已有协议和技术，自身并不制订具体 的协议或标准。t i p h o n 关于i pq o s 的研究主要反映为分层结构方案，此 思路已提交r r u - t s g l 6 ，对于m e d i a c o m 一2 0 0 4 的研究有相当的影响。 1 2 5ie e e i e e e 8 0 2 工作组专注于研究局域网中的q o s 问题，所制订的8 0 2 1 p 标 准就是局域网中实时业务流和动态组播的过滤规范，支持在链路层对不同的 业务流类型进行区分并提供不同等级的服务。与此相应，i e t f 提出了在接 入带宽有限的情况下，如何将多种业务从宽带用户驻地网接入广域网的研究 课题，解决接入带宽瓶颈的问题。由此提出了带宽管理器的概念，形成了信 息性r f c 。 一些i p 设备制造厂商，尤其是路由器制造厂商积极进行i po o s 的技术 研究工作，以c i s c o 为代表的工业界积极推行m p l s 以及d i f f s e r v 技术，不 少厂商的设备已支持基于d i f f s e r v 的业务分类和转发功能。 1 3 本文工作及安排 本课题是中兴通讯股份有限公司技术中心研究部一个预言项目下一 代网络q o s 的研究及仿真。课题主要任务是进行o o s 研究，提出有效的解 3 哈尔滨_ l 程火学硕士学位论文 决方案，并通过o p n e t 进行仿真。 在o o s 仿真研究方面，现阶段主要集中在对某一模型或设备作局部的 性能仿真，很少有针对整个体系架构的仿真，而且基本没有对o o s 信令的 仿真。本文在综合现有的各种服务质量保证措施的基础上，提出了一种端到 端的服务质量保证体系架构，该架构基于网络分层的思想，将下一代承载网 分为以d i f f s e r v 路由器为代表的数据传输层和以带宽代理为代表的资源管理 层。在所提出的o o s 体系架构的指导下，文章在o p n e t 上实现了整个网络 模型并仿真其性能。具体所做的实现方面的工作有： 在网元设备方面： n ) 编程实现了核心设备带宽代理。文章详细设计了带宽代理的各模块 功能及其与路由器的通信机制，并用c 语言在o p n e t 上具体实现了带宽代 理设备，该设备由三个主要模块组成：信令处理模块、接纳控制模块和 c o p s p r 配置模块。 f 在路由器方面，改进了d i f f s e r v 边缘路由器，以使其与带宽代理通 信。因o p n e t 模型库中有普通d i f f s e r v 路由器的模型，所以我们直接改造 现有路由器，主要是在d i f f s e r v 边缘路由器上增加c o p s p r 配置模块和信 令模块。 在通信协议方面： ( 1 ) q o s 信令，q o s 信令是i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，互联 网工程任务组) 新的研究重点，意在希望能通过下一代q o s 信令在网络服 务质量和安全方面有所突破，但是q o s 信令毕竟是不成熟的技术，迄今还 停留在草案的阶段，我们根据q o s 信令的层次划分、消息功能等，与带宽 代理的功能相结合，在仿真设备上实现了该协议。 ( 2 ) c o p s p r 配置协议，带宽代理与路由器的通信没有既定的标准，如 今有多种协议可以选择，该课题中，我们尝试采用了在策略配置领域比较看 好的c o p s p r 协议，根据协议的描述将其具体应用于我们的设备，在n g n q o s 领域是一个新的实践探索。 本文章节安排如下： 第1 章介绍本课题的背景和来源，并对国内外研究状况进行简述，并给 出本文的内容及结构安排。 4 哈尔滨_ _ l = 程大学硕士学位论文 第2 章介绍了目前q o s 体系结构模型及其优缺点，对课题中使用到的 d i f f s e r v 模型、带宽代理技术等作了较为详细的描述。 第3 章提出了三种创新性的i po o s 体系架构，并对架构的整体均作了 介绍。其中在仿真系统中实现的是具有代表性的第一种架构，而后两种方案 在前面的工作基础上可以较容易的扩展深入，是后续工作的重点。 第4 、5 章是本文的重点，是端到端o o s 架构的具体实现部分，详细设 计实现了基于带宽代理的i pq o s 体系架构，主要介绍了带宽代理的三个模 块：信令处理模块、接纳控制模块和c o p s p r 配置模块的建模与实现，描 述了两个通信协议中的主要消息的功能和格式，并给出了该架构的仿真结果 与分析。 结论部分归纳总结了全文，并对下一步的工作作了展望。 堕筌鎏：；堡盔主堡圭兰垡鎏塞 第2 章o o s 现有技术及问题 2 1o o s 基本概念 2 1 1o o s 的概念 q o s 是指用户要求网络传输系统所必须保证的关于信息传输的质和量的 特征集，它反映了服务提供者( 网络) 和服务使用者( 用户) 之间的能力和 需求的相互关系，是用来描述网络性能的。网络系统通过q o s 体系来支持 多媒体应用，提供服务质量保证，以获得实时交互的效果。 从应用的角度来看，q o s 与特定的应用相关，不同的应用有不同的q o s 需求，q o s 是服务性能的聚集效应，它决定用户对特定服务的满意程度；从 网络的角度来看，可以通过控制一些具体的、可度量的、可量化的参数来提 供服务质量，如业务可用性、传输延迟、延迟抖动、吞吐量和丢包率等指 标。 ( 1 ) 业务可用性：用户到i p 业务之间连接的可靠性。 ( 2 ) 传输延迟：也称为时延，指两个参照点之间发送和接收数据包的时 间间隔。 ( 3 ) 延迟抖动：指在同一条路径上发送的一组数据流中数据包之间的传 输时间差异。 ( 4 ) 吞吐量：网络中发送数据包的速率，可用平均速率或峰值速率表 不a ( 5 ) 丢包率：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。 2 1 2o o s 的层次 i t u t 将q o s 研究框架分为三个平面，包括控制平面、数据平面和管 理平面，如图1 - 1 所示。 堕：| ：鎏王堡盔兰堡圭兰笙鲨兰 一 图1 - 1q o s 层次结构图 其中控制平面主要完成资源预留、接纳控制、o o s 路由等功能；数据平 面主要完成数据包的转发、数据包分类、流量整形和拥塞避免等功能。管理 平面跨越了两个平面，与两个平瓶均有交互，它既负责检测和监视业务流的 情况，同时又与控制平面进行服务等级规约的协商和管理f 1 】。这里我们的研 究重点是控制平面，与管理平面有少量交互。 2 2 综合服务体系结构及其对0 0 s 的支持 为了满足i n t e r a c t 多媒体应用实时传输的要求，i e t f 定义了综合服务模 型i n t s e r v 。r f c l 6 3 3 给出了i n t s e r v 2 j 的框架。 i n t s e r v 借用传统电路交换思想，发送端在发送数据之前，先通过q o s 信令在发送端和接收端之间建立一条虚连接通路，并在此通路上事先预留了 资源，然后才开始在此通路上传递数据包，这样就可以达到保证传输质量的 目的。i n t s e r v 基本思想在于以资源预留的方式实现q o s 保障。 资源预留协议( r s v p ) 是i n t s e r v 模型主要的q o s 信令协议。r s v p 不 是路由协议，但它与路由协议结合使用。r s v p 运行在口层之上，跟 t c p 、u d p 处于同一个层次。r s v p 支持两种基本的消息类型：p a t h 消息 和r e s v 诮息，其工作原理如图2 1 所示。 7 ：立玺鎏三堡盔主耍圭兰堡鎏銮 图2 1r s v p 工作原理 发送端首先给接收端发送p a t h 消息，该消息在每个所经节点上安装路 径状态，但这并没有做真正的资源预留。该状态包含前一跳节点的单播i p 地址，引导r e s v 消息正确沿逆向路径传输。除了前一跳i p 地址外，p a t h 消息还包含数据流的业务特性、发送端的地址和数据流的目的地址。p a t h 消息是作为数据来发送的，因此其中含有源和目的地址，它们可以正确地被 路由。接收端收到p a t h 消息后向上游发送r e s v 消息，r e s v 消息描述了 数据流的q o s 参数，该消息的传送路径为p a t h 消息所用路径的逆向路 径，它们是按逐跳方式转发的，该消息在每一个所经节点上创建并维护一个 r e s v 状态，实现资源的预留。 对于预留资源状态，r s v p 采用软状态的方法管理，r s v p 软状态是对 p a t h 和r e s v 信息保存的一种形式，这些信息要做周期性的刷新，如果在 规定的时间内没有收到刷新消息，那么保存的消息将被删除。保存的状态也 可以由拆卸消息删除。软状态的一个重要特点是它允许r s v p 网络的动态的 变化以及可能由此导致的路由变化。 当预留资源使用完以后，接收主机应该发送一个拆卸消息( 包括p a t h 拆卸和r e s v 拆卸两种) ，以释放资源。 i n t s e r v 试图全盘照搬电路交换思想，为每一路呼叫都建立一条虚通 路。相应地，网上的路由器需要为每条数据流维护一个状态。当网络规模大 到一定程度时，维护数据流状态的工作将使核心路由器不堪重负。这种方式 使i p 网络良好的可扩展性优点大打折扣。i n t s e r v 的一个最大优点就是能够 提供绝对的o o s 保证。因此，i n t s o t v 可以应用在小型的网络上，但是在下 一代骨干网中几乎不可能实现。 堕0 j 鋈三垄盔兰堡圭兰簋鲨苎 2 3 区分服务体系结构及其对0 0 s 的支持 区分服务d i f f s e r v 3 l 模型是i e t f 为克服i n t s e r v 模型的可扩展性问题而 提出的，它能够在i p 骨干网上提供基于汇聚流的区分式服务，目前已被广 泛认可。它的核心思想是对汇聚流进行转发，提高网络的可扩展性。 d i f f s e r v 将网络的复杂度推到网络边缘，提高网络的可扩展性。 2 3 1 区分服务d i f f s e r v 模型 经过近几年的发展，d i f f s e r v 中的一些重要概念，如d s c p 的定义、 p h b 服务的定义等已经比较完善，区分服务体系结构也比较明确。区分服 务体系结构如图2 2 所示。 s o t ：s e r v i c el e v e l 口e n t 图2 2 区分服务体系结构 其中的d i f f s e r v 区域包含一组连续的d i f f s e r v 结点，这些结点按照通用 的服务配景策略进行工作，且在每个结点上实现了一系列的p h b 组。每个 d i f f s e r v 区域通过边界节点与其它d i f f s e r v 区域或者非d i f f s e r v 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。 当有数据流进入d i f f s e r v 区域时，入口节点对其进行分类、整形，保存 流的状态信息，根据事先和用户约定的流规格( t r a f f i cp r o f i l e ) 对流进行计 量、标记、整形、丢弃等，以使输入流符合服务等级规约( s e r v i c el e v e l a g r e e m e n t ，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合 体( b e h a v i o ra g g ( e g a t e ，b a ) 。出1 3 节点也可能需要对输出流进行调节，以 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 保证其与下游d i f f s e r v 区域的流量调节约定( 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 ， t c a ) 相符。 下面介绍d i f f s e r v 体系结构中几个重要的概念： ( 1 ) d s 字段和d s c p i p v 4 中的t o s ( 服务类型) 和i p v 6 中的流类型字段已被重新定义为 d s ( d i f f s e r v ) 字段。d s 字段定义了6 个比特作为d s c p ，还有2 比特当前 未定义，如图2 3 所示。d s c p 指示了分组在网络中转发时应接受的服务。 不同的d s c p 对应着不同的p h b 。 o56 7 d s c pc u i p v 4t o s 字节或者i p v 6 流类型字节 d s c p ：区分服务代码点 c u ：保留 图2 - 3 i p 包头的d s 字段 ( 2 ) p h b 【4 】和b a 每跳行为( p e rh o pb e h a v i o r , p h b ) 定义了分组在网络中转发时接受的 外部可见的服务。在每个转发路由器中，按照某种方式将分组的d s c p 映射 为某个p h b ，并为之选择适当的转发行为。b a 是带有相同d s c p 的一组分 组，在网络内部，p h b 作用于行为聚合体。i e t f 已经定义了三种p h b ： e f 、a f 、b e 。 1 ) 快速转发( e x p e d i t e df o r w a r d i n g , e f ) p h b 5 l e f 可以用来在d i f f s e r v 域中建立一个低丢失、低时延、低抖动、保证 带宽的服务。它提供的服务是最高级别的q o s 服务，e f 推荐的d s c p 是 1 0 1 1 1 0 。 2 ) 保证转发( a s s u r e df o r w a r d i n g a f ) p h b 保证转发p h b 组为i p 包的转发提供了4 个独立的保证转发类。每一个 保证转发类中，一个i p 包可以被分配到3 个不同的丢包优先级。图2 - 4 总 结了推荐的保证转发d s c p 的取值f 6 】口 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 类1类2 类3类4 低丢弃优先级 中丢弃优先绂 岛丢弃优先缴 0 0 1 0 1 00 1 0 0 1 01 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 01 ) 1 0 1 ( 1 01 0 0 1 0 0 0 0 1 l j 00 1 0 1 1 01 0 0 1 1 0 图2 4 a f 的d s c p 取值 3 ) 尽力而为转发( b e s te f f o r t ，b e ) p h b 相当于传统的尽力而为调度转发行为的p h b 。 ( 3 ) s l a 和t c a 为了保证用户能从i n t e m e t 服务提供商( i s p ) 那里获得所需要的服务质 量，用户必须和i s p 之间签订有s l a ，而i s p 之间也必须建立t c a 。在 s l a 中规定了客户应享受的转发服务。用户可能位于不同的d i f f s e r v 域 中，因此s l a 应该包括充分的流量调节规则，这些规则可用来形成全局或 局部的流量调节约定。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。t c a 规定分类器的规则和相关的流量特征描述以及应用于分类器所选 流的计量、标记、丢弃和或摧形的规则。t c a 既强调所有在s l a 中显式规 定的规则，也强调那些隐式地包含在相关的服务需求和或d s 域的服务配备 策略中的规则。 2 3 2 区分服务d i f f s e r v 优缺点 d i f f s e r v 模型的主要优点是： ( 1 ) 良好的可扩展性 d i f f s e r v 针对不同业务提供的是一种简单粗糙的分类服务。这种分类 般是根据五元组( 源i p 地址、目的i p 地址、源端口、目的端口、协议号) 进行分类的，而这些分类都是在边缘路由器上进行的。因此，d i f f s e r v 的服 务粒度不再是每个流，而是流的聚合体，这个特点大大地缓解了可扩展性问 题。还有，复杂的标记、整形等工作也是由网络边缘路由器完成的。这就使 得中间节点的高性能核一t l , 路由器能以极高的速度转发分组。因此，d i f f s e n r 具有良好的扩展性。 1 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 实现简单 d i f f s e r v 将复杂度转移到网络的边缘上，而在网络核心只需实现最简单 的服务保证机制。更为重要的一点是d i f f s e r v 模型通过约定的d s c p 值来表 示不同的服务等级，从而只需在网络边缘进行用户服务请求到d s c p 的映 射，免去了在网络的核心结点上采用显式资源预留信令的要求，从而降低了 其实现复杂度。 d i f f s e r v 模型的的缺点有： ( 1 ) 不能保证每个流的绝对的服务质量 在d i f f s e r v 模型中，边缘路由器对分组做适当的分类和标识；内部路由 器仅仅需要根据其标识作简单的处理。这意味着内部路由器不认识单个流， 而是处理聚合的类，当网络中高优先级的流量过多时同样会出现拥塞和丢包 现象，因此，d i f f s e r v 不能保证每个流的绝对的服务质量。 ( 2 ) 不能保证端到端的q o s q o s 是个全网的概念，是个端到端的概念。在i p 网上传送业务时，业 务的q o s 保证不是单靠路径上某一个路由器就能单独完成的，它是路径上 所有节点倾力合作的结果。 d i f f s e r v 无法完全依靠自己来提供端到端的q o s 结构，它需要大量网络 单元的协同运作，才能向用户提供端到端的服务质量。鉴于这些组件高度分 散的特点和对它们进行集中管理的需要，必须有一个全局的带宽管理器对全 局资源进行动态管理。目前有两种解决方案：一是用功能强大的全局资源管 理器带宽代理( b r o k e rb a n d w i d t h ，b b ) 来完成这一任务；另外一种就 是利用m p l s 将第三层的q o s 转换为第二层的q o s ，通过m p l s 的第二层 交换来实现端到端的服务质量保证。 2 4m p l s & m p l s t e 技术及其对o o s 的支持 2 4 1m p l s 技术 m p l s 7 1 将面向非连接的i p 业务移植到面向连接的标记交换业务之上， 实现上将路由选择与数据转发分离。m p l s 网络由核心部分的标签交换路由 堕笙鎏：堡盔兰鎏圭兰堡鲨銮 器( l s r ) 、边缘部分的标签边缘路由器( l e r ) 组成。在入口l s r 处分组 按照不同转发要求划分成不同转发等价类( f e c ) ，并将每个特定f e c 映射 到下一跳，即进入网络的每一特定分组都被指定到某个特定的f e c 中。每 一特定f e c 都被编码为一个短而定长的值，称为标签，标签加在分组前成 为标记分组，再转发到下一跳。在后续的每一跳上，不再需要分析i p 包 头，而是用标签作为指针，指向下一跳的输出端口和一个新的标签，分组用 新标签替代旧标签后经指定的输出端口转发。在出口l s r 上，去除标签使 用i p 路由机制将分组向目的地转发。图2 5 显示了m p l s 的操作流程1 8 j 。 ；辩嚣i ：“ 图2 5 m p l s 的操作 选择下一跳的工作可分为两部分：将分组分成f e c 和将f e c 映射到下 一跳。m p l s 可以利用标签来支持c o s ，此时标签用来代表f e c 和c o s 的 结合。m p l s 的转发模式和传统网络层转发相比，除相对地简化转发、提高 转发速度外，并且易于实现显式路由、流量工程、q o s 和v p n 等功能。 m p l s 本身并不能解决q o s 问题，但是可以协助解决q o s 问题。i e t f 规定了m p l s 对d i f f s e r v 的支持，可以把d i f f s e r v 的多个b a 映射到m p l s 的一条l s p 上，根据b a 的p h b 转发l s p 上的流量。l s p 与b a 的映射有 两种方式：e l s p 和l - l s p 。 ( 1 ) e l s p l e r 将d s c p 字段映射到m p l s 标签的e x p 字段，通过e x p 向l s r 监玺鎏三堡盔兰璧圭兰簦鎏銮 ： 表示分组的q o s 要求，这样一条l s p 最多可支持8 个服务等级；l s r 根据 标签值和e x p 对分组进行队列调度，根据e x p 进行报文丢弃处理，同一 l s p 中的分组可能被分到不同的队列：e l s p 是通过标签分发协议( l d p ) 建立的普通的l s p 。 ( 2 ) l l s p l e r 将d s c p 字节映射为一条l s p ，通过标签值和e x p 字段向l s r 表 示分组的q o s 要求；l s r 根据标签值对分组进行队列调度，根据e x p 进行 报文丢弃，同一l s p 中的分组被分到同一个队列；l - l s p 需要通过c r l d p ( 约束路由标签分发协议) 或r s v p t e ( r s v p 流量工程扩展) 建立，有一 定的q o s 能力。 m p l s 与d i f f s e r v 的结合是目前公认的理想的解决方案，目前很多方案 都是基于m p l s 与d i f f s e r v 的结合的。但是m p l s 与d i f f s e r v 的结合也只 是在数据平面的处理方式，并不能保证进入网络的数据流的q o s l 9 j 。 2 4 2m p l s - t e 技术及约束路由的0 0 s 控制 m p l s - t e 1 0 1 ( m p l s 流量工程扩展1 重要的一项应用是流量工程，以流量 工程为基础的约束路由技术将在管理网络资源、优化性能、提高总体效率、 降低拥塞方面发挥重要的作用。当前用来确定转发路径的简单路由算法是基 于单一度量优化，这种算法不考虑链路的使用状况，往往容易导致部分链路 的过载而其它链路未得到充分利用。约束路由不仅仅考虑网络的拓扑结构， 还要考虑数据流的需求、网络资源的可用性，以及网络管理员指定的其它规 则。通过对这些因素的全面考虑，约束路由可能发现一条负载很轻但较长的 路径要比一条负载狠重的最短路径好，因而可以对网络业务进行更加平均的 分配f 1 1 l 。 在无连接网络中，o s p f ( 开发最短路径优先) 和r i p ( 路由信息协 议) 是现在应用比较广泛的域内动态路由协议。这些协议在计算路径时既不 考虑网络资源的使用情况也不考虑业务的q o s 需求。它们考虑的只是最小 跳数或者是到指定目的地址的延迟，不能满足多样的o o s 需求。为了给 q o s 路由提供支持，i e t f 对o s p f 进行了扩展，参见【1 2 】。扩展后的o s p f 能够交互多种本地链路状态信息。这些信息用于构建t e d ( t r a f f i c 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 e n g i n e e d n gd a t a b a s e ) ，为约束路由计算提供了必各的信息。流量工程数据 库t e d 保存的是网络资源信息、网络流量信息和网络拓扑信息等。 在实际网络中，要求约束路由算法效率高、复杂度低、扩展性强，并且 能够灵活地适应变化的网络环境。然而，满足多个相互独立的参数限制的约 束路由问题是非多项式完全( n p c ) 问题。完全精确的路由在实际中是不可 行的，约束只能是向着精确路由的一种逼近，逼近程度越高，算法的复杂度 就要明显增加，其效率就相应下降，更多的有关约束路由的算法研究参见 【1 3 t 1 4 ，1s 1 2 5 带宽代理明及其对q o s 的保证 d i f f s e r v 只是在数据平面的处理，缺乏对全网资源的掌握和接纳控制功 能，光靠d i f f s e r v 机制无法保证端到端的q o s 。因而，在d i f f s e r v 网络中， 引入了带宽代理的概念。它既负责内部的资源管理和策略管理，对每个应用 或用户的q o s 请求根据域内的资源情况及其使用策略来分配资源。对于外 部的资源管理主要体现在建立和维护与邻域带宽代理间的双边服务协议，保 证域间数据流的q o s 。 带宽代理【1 6 l 是逻辑上整个d i f f s e r v 域的控制中心，可蛆把带宽代理映 射为一个或者多个设备。如果带宽代理接纳某个q o s 请求。它将设置边缘 路由器，甚至可能会设置核心路由器。带宽代理与这些路由器进行交互的方 式是采用c o p s 框架，本文采用的是c o p s p r ，它是c o p s 的一种扩展。 从策略控制的角度来看，带宽代理是一个策略决定点( p o l i c yd e c i s m np o i n t ， p d p ) ，而边缘或核心路由器则是策略执行点( p o l i c ye x e c u t i o np o i n t ， p e p ) 。目前，域间带宽代理之间的通信协议有： ( 1 ) s i b b s ( s i m p l ei n t e r - d o m a i nb bs i g n a l i n 酚，它是i n t e r n e t 2q o s 工作 组提出的用于n n i 的开放式协议； ( 2 ) n s i s ，它是i e t f 提出来的，n s i s 研究刚刚起步，目前只有一些草 案，还没有正式的r f c 。本文采用的是n s i s 。图2 6 是域间带宽代理通信 模型。 堕玺鎏士堡盔堂堡圭：兰垡鎏苎 er z 边缘路由器 + 一卜 域问岫的通信 i 一卜主机与b b 的通信 c r ：核心路由器