（通信与信息系统专业论文）基于mpls的ip+qos及自适应rsvpte的研究与实现.pdf

摘要 随着各裳实时应用和多媒体的普及，i p 网络渐渐黎露出固有的两个缺陷： 怒i p 路由技术的羲吐量不高；二是健统i p 不具有服务质量保证。这两个缺 戆邑藏为楚褥 p 疆终发鼹黪严重障碍。多蛰议标记交矮m p l s 懿滋魂，程纛会 第三层的灵洒性，也保持了a t m 的二魇快速交换特性以及对q o s 的良好支持， 被认为是下代运营商网络的核心技术。r s v p t e 汝议作为支持流量工程钧 m p l s 绩令揍议，它的磷究秘发展，日麓成为各赢校、企业、研究陵的磷究热点。 本文烹癸工 乍分为两个方瑟：一凳r s v p t e 秘议瓣研究与实潍，二罨 苣蠹 掇出的自适威资源预留方黎的设计与实现。 作者在班究i pq o s 娩制、m p l s 协议及其控制信令r s v p t e 的基础匕，使 攥蘸 醛r s v p - t e 来实繇q o s 镶簿，努褥莠实褒了r s v p - t e 耱议，漤遽了r s v p - t e 协议的设计与实现方法，以及协议设计过程中的一些关键问题和设计流糕等。 簇予前面协议实现的基础上，作者分擀了现有r s v p t e 协议中资源预留二灵活 镶鞠稳定性铃方覆豹块酸，潮述了对协议黪改进思路翻设计，弓 入了资浮预蜜 瓣离适应橇镥l p b a a r s v p t e ( 基于德先缀藤自运应r s v p - t e ) ，描述了方案 的详细设计，并对方案从功能和性能两个方面进行了测试，测试结果表明，新 的方案万仅嶷有萎大虢灵滤魅纛稳定瞧，雨且茭接绒能力和鲎务器萱都褥到了 旋离。最蜃，俸为p b a a - r s v p - t e 熬一个獒垄应塌，穆游绘密了其在蟊透应分瑟 缀援中的应溺方案设计。 荚键词：多协议标记交换栋记分发协议基于流量工稷扩震的资源鞭留协议基 予傀先爨麓馥邋应r s v p - t e a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no fi n t e r o e tr e a l t i m ea p p l i c a t i o n s i p n e t w o r kg r a d u a l l ys h o w si t st w oi n h e r e n td e f e c t s ：o n ef o ri t sl o w t h r o u g h p u t ，t h eo t h e rf o ri t sl a c ko fg u a r a n t e et o w a r d sq o s t h et w o d e f e c t sh a v eb e c o m ef a t a lh a r r i e rt oi pd e v e o p m e n t m p l s ( m u l t ip r o t o c o l l a b e ls w i t c h ) ，c o m b i n i n gt h ef l e x i b i l i t yf r o mi pn e t w o r k s ，a n dt h ef a s t s w i t c h i n ga b il i t ya n dw e l 卜s u p p o r tf o rq o sf r o ma t m ，i sc o n s i d e r e dt o b et h ec o r et e c h n o l o g yf o rn e x t g e n e r a ti o ni s pn e t w o r k s r s ￥p 呵e a s i a n a l i n gp r o t o c o lf o rm p l sw i t ht r a f f i ce n g i n e e r i n gs u p p o r t ，g e t sm o r e a n dm o r ec o n c e r n sb yu n i v e r s i t i e s ，c o r p o r a t i o n sa n dr e s e a r c hc e n t e r s t w om a i np a r t sa r ep r e s e n t e di nt h i st h e s i s ：o n ei st h er e s e a r c ha n d m p l e m e n t a t i o n m p l e m e n t a t i o n h ea u t h o r o f r s v p t e ， w h i l et h eo t h e ri st h ed e s i g n o fa u t oa d a p tr e s o u r c er e s e r v a t i o nm e c h a n is mp r o p o s e a n d db y i nt h i st h e s i s ，w ef o c u so nt h er e s e a r c ho f i pq o s ，m p l sa n di t s s i g n a li n gp r o t o c o l - - r s v p t e ，a n d u s em p i 。sr s v p t et oa c h i e v eq o s g u a r a n t e e w ea n a l y z ea n di m p l e m e n tr s v p ep r o t o c 0 1 d e s c r i b e i t s p r o t o c o ld e s i g n e sa n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d s ，t o g e t h e rw i t hs o m ek e y p r o b l e m sa n df l o wc h a r t s 。b e s i d e s ，b a s e do nt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e p r o t o c o l ，t h ea u t h o rp o i n t so u tt h ed e f e c t so fr e s o u r c er e s e r v a t i o ni n i t sf l e x i b i l i t ya n ds t a h i l i t y ，d e s c r i b et h ep l a n sa n dd e s i g n sf o r i m p r o v e m e n t ap r i o r it y b a s e d a u t o a d a p tr s v p t e ( p b a a r s v p t e ) m e c h a n i s mw a sp r o p o s e d ，w i t hi t sd e t a i l so fd e s i g n t h et e s tr e s u l to f t h es c h e m es h o w si t sb e t t e ra d m i t t i n ga b i l i t ya n ds e s s i o nc a p a c i t y a t t h ee n do ft h et h e s i s ，a sat y p i c a a p p l i c a t i o no fp b a a r s v p t e ，t h e a u t h o rp r e s e n t sad e s i g no fi t su s a g es c e n a r i oi na u t o a d a p tl a y e r e d m 1 l l t i - c a s t k e y w o r d s ：m p l s ，l d p ，r s v p t e ，p b m r s v p t e i i i 基于m p l s 的i p q o s 及自适应r s v p - t e 的研究与实现 第一章绪论 1 1 技术背景 伴随着i n t e r n e t 的蓬勃发展以及使用人数的增加，网络拥塞的情况也日益 严重，若不加以改善和发展，网络质量最终将恶化到无法接受的地步。同时由 于i n t e r n e t 和企业内部网的持续发展，人们提出了非传统数据应用，例如i p 语音以及视频点播等实时应用，这些应用对于网络服务质量有着较高的要求。 然而，当前的i n t e r n e t 只能提供尽力而为( b e s te f f o r t ) 的服务，而尽力而为 的服务并不能提供端到端的服务质量保证。 于是，i p 网络技术在发展的过程中渐渐的暴露出固有的两个缺陷：一是i p 路由技术的吞吐量不高；二是传统i p 不具有服务质量( q o s ) 保证。这两个缺 陷已成为阻碍i p 网络发展的主要障碍。 为了更好的解决i p 网络存在的这两个问题，各种新的i n t e r n e t 解决方案 层出不穷。其中，异步传输模式a t m 技术由于可以提供很大的带宽以及各种不 同媒体的服务，而且具有端到端的服务质量保证，很快受到业界的重视。另一 方面，当前的网络中，i p 已经是最流行的网络层协议，垄断了9 0 以上的应用 市场，因此i p 与a t m 的结合，就成为一个重要的课题。 多协议标记交换技术m p l s ，既融合第三层的灵活性，也保持了a t m 的二层 快速交换特性以及对q o s 的良好支持，所以一经出台，便得到了所有运营商和 厂家的青睐，被认为是下一代运营商网络的核心技术，并得到了迅速的发展。 在支持流量工程的m p l s 信令协议中，主要有c r l d p ( c o n s t r a i n e d b a s e d l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c 0 1 ) 和r s v p - t e ( r s v pw i t ht r a f f i ce n g i n e e r i n g e x t e n s i o n s ) 两种，他们可以实现同样的功能，但是两种协议分别由l d p 和r s v p 这两个截然不同的协议发展而来，故而在很多方面表现出不同的特性，并且难 以实现互联互通。以c i s c o 为代表的多家设备产商经过艰难的选择，最终大多 选择了r s v p - t e 协议，因而，如何使r s v p t e 协议能够更好更有效的工作，成 了高校、企业、研究院研究和关注的重点。 1 2 论文作者的工作 本文的工作主要包括两个方面：一是r s v p - t e 协议的研究与实现，二是作 复旦大学硕士学位论文 甚于m p l s 的i p q o s 及自适应r s v p t e 的研究与实现 者提出的自适应资源预留方案的设计与实现。 首先，作者在对i pq o s 研究的基础上，对i p 网络的q o s 技术以及实现机 制作了详细的介绍，并阐述了具有q o s 保障的综合业务模型i n t s e r v 、具有较 好可扩展性的d 1 _ f f s e r v 技术，以及q o s 体系结构下的流量工程机制和约束路由 思想，回顾了m p l s 协议机制及其对q o s 的支持，阐述了m p l s 流量工程思想以 及实现方式，并对c r l d p 和r s v p t e 在协议机制、流量工程等方面进行了详细 的对比分析。 在r s v p t e 协议的研究与实现方面，作者参照自己的实际工作，给出了基 于m p l s t e 的软件构架，并阐述了协议实现中各模块的模块功能、设计思想和 实现流程。最后给出了协议的测试方法和测试结果。我们实现的r s v p _ t e 协议 包括邻节点发现，软状态维护，l s p 建立、l s p 拆除、l s p 修改、l s p 维护等； 还包括标签的分发与管理，显式路由的建立，s r e f r e s h 刷新机制等。 在协议实现的基础上，作者分析了现有r s v p - t e 协议中资源预留上灵活性 和稳定陛等方面的缺陷，阐述了对协议的改进思路和设计，引入了资源预留的 自适应机制p b a a r s v p - t e ( 基于优先级的自适应r s v p - t e ) ，描述了方案 的详细设计，并对方案从功能和性能两个方面进行了测试，测试结果显示了其 可行性和有效性。最后，作为p b a a r s v p t e 的一个典型应用，作者给出了其在 自适应分层组播中的应用方案设计。 1 3 论文结构 本论文总共分为六章。第二、三章主要从理论层面上阐述i p q o s m p l s r s v p t e 协议。第四章结合实际工作介绍r s v p - t e 协议的设计与实现 过程。第五章设计并实现了作者提出的一种基于优先级的自适应资源预留方案。 第二章介绍了q o s 的定义和产生背景，对i p 网络的q o s 技术以及实现机制 作了详细的介绍，在此基础上引入了具有q o s 保障的综合业务模型i n t s e r v 以 及具有较好可扩展畦的d l f f s e r v 技术。作为q o s 技术的重点，作者介绍了q o s 体系结构下的流量工程机制和约束路由思想，并引出了对q o s 有良好支持性的 多协议标记交换协议m p l s 。 第三章介绍了m p l s 协议的产生背景，从设计思想、网络结构、转发机制等 方面1 芋细介绍了m p l s 协议的工作方式和特点，详细分析了m p l s 网络提供o o s 保障的技术流量工程技术，阐述m p l s 流量工程思想与实现方式，在支持流 量工程的m p l s 控制信令方面，作者分析了c r l d p 协议的协议思想、消息类型 以及工作流程，同时详细阐述了r s v p t e 协议为支持m p l s 所提供的信令扩展， 以及为了增加可扩展眭而引入的各种机制，并对c r l d p 与r s v p - t e 协议机制进 复日人学坝i 学位论义 基于m p l s 的i p q o s 及自适应r s v p - t e 的研究与实现 行了对比分析。 第四章顺承了第三章的分析，给出了m p l s - t e 的软件平台架构，并根据作 者的实际工作，讲述r s v p t e 协议的设计与实现方法，以及协议设计过程中的 一些关键问题和设计流程。章节的最后，给出了系统的测试方案以及测试结果。 第五章，作者指出现有的r s v p - t e 协议在资源预留上的不足，提出了一种 基于优先级的自适应资源预留方案p b a a r s v p t e ，从消息信令、接纳和控制策 略、优先级抢占方案、以及详细的协议过程等方面对方案进行了阐述，在此基 础上，作者搭建了简单的测试网络对方案的功能和性能进行了测试，测试结果 表明，新的方案不仅具有更大的灵活性和稳定性，而且其接纳能力和业务容量 都得到了提高。在章节的最后，作为p b 从一r s v p - t e 的一种典型应用，作者提出 了其在自适应分层组播种的应用方案，并详细描述了方案的设计细节。 第六章是论文的总结，概述了本论文的主要工作以及对下一步工作的展望。 复日人学坝i 学位论卫 一 j 基于m p l s 的i p q o s 及自适应r s v p t e 的研究与实现 第二章i p 网络的q o s 技术分析 2 1q o s 问题的提出 2 1 1q o s 的定义 i p 服务质量( q o s ) 是指i p 包在网络的传输过程中所表现的各种性能，是对 各种性能参数的具体描述，在r f c 2 3 8 6 中，它定义为：用带宽、分组延迟和分组 丢失率等参数描述的关于分组传输的质量。 q o s 的定义体现为一系列的性能指标，目前通用的性能指标主要有带宽、延 迟、抖动、丢包率、业务可用性五个方面： ( 1 ) 带宽( b a n d w i d t h ) ，或称为吞吐量( t h r o u g h p u t ) ，指网络提供的传输容量。 ( 2 ) 延迟( 1 a t e n c y ) ，指分组穿越网络所需要的时间。 ( 3 ) 抖动( j i t t e r ) ，指不同分组穿越网络的延迟的变化，也就是在同一条路 径上发送的一组数据流中数据包之间的时间差异。 ( 4 ) 丢包率( 1 0 s sr a t e ) ，指分组穿越网络过程中被网络节点丢弃的几率。数 据包丢失一般是由网络拥塞引起的。 ( 5 ) 业务可用性，指业务是否为用户可用。 目前这5 个参数也是划分o o s 级别的主要依据值。 2 1 2q o s 产生背景 随着i n t e r n e t 规模的不断扩大，i n t e r n e t 上的新的业务应用也在不断拓展， i p 网上出现了大量的实时业务。由于实时业务对网络带宽，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。这些实时业务的出现 暴露了i p 网络技术的两个重要缺陷：一是传统i p 路由技术的吞吐量不高；二个 是传统i p 不具有服务质量o o s 保证，这与计算机网络产生之初只是为传输简单 的数据业务，因而采用面向无连接的服务有关。i p 网络的这两个缺陷已经成为 它向下一代网络发展的巨大障碍。 因此如何解决i p 网络的o o s 要求，以使网络能够灵活地根据业务的具体特 复旦大学硕士学位论文4 ， 基于m p l s 的i p q o s 及自适应r s v p 一 r e 的研究与实现 点提供给客户满意的服务，是i p 业界急待解决的问题。在这种情况下，各个研 究团体纷纷开始组织大规模的q o s 研究，一些大的通信厂商也联合成立了q o s 论 坛，协商各种q o s 技术标准的实施方案。 i po o s 研究的目标是有效的为用户提供端到端的服务质量控制或保证。由 于i po o s 可以提供更高收益的增值服务，可以有效利用用户的使用带宽，可以 提供更好的端到端服务质量，已成为目前和未来i p 网络的重要技术。同提供b e s t e f f o r t 服务的传统i p 网络相比，支持o o s 的网络的特点就在于可以提供更好的 服务保证。而服务保证的具体形式由网络服务提供者( i n t e r n e ts e r v i c e p r o v i d e r ，i s p ) 和客户之间的服务标准协议机制决定“1 。 2 2i pq o s 的主要技术 i p 的q o s 技术可分为两大类：尽力型q o s 技术和保证型q o s 技术。 尽力型q o s 技术：常用在非连接型通信中。常见的情况是使用i p 包头中的 t 0 8 域中的优先级位，供网络中的交换机或路由器进行优先级控制，根据优先级 采取不同的存储转发策略。这种方式资源利用率高，因为路由器不需要保留每个 流的信息，或者只需保留很少一部分流的信息。但是由于无带宽保证，所以这种 方式效果难以预料。 保证型q o s 技术：在终端双方通信前先建立连接，一旦连接建立起来，带宽、 时延等参数要求均能得到满足，若网络资源不能满足业务要求，网络会拒绝建立 连接。这种方式的质量保证效果较好，但资源利用率较低。网络规模的可扩展性 也经常受到限制。 2 2 1i p v 4 对q o s 的支持 i p v 4 的数据报首部格式中有一个字节的服务类型t o s ( t y p eo fs e r v i c e ) 域， 规定了本数据报的处理方式，t o s 域格式如下： 0i234 567 图2 1i p v 4t o s 域格式 其中，三个比特的优先级字段表明本数据报的优先级，优先级的值从0 ( 最低) 到7 ( 最高) 。三个比特d t r 表示本数据报所希望的传输类型，d 代表低时延 ( d e l a y ) ，t 代表要求高吞吐量( t h r o u g h p u t ) ，r 要求代表高可靠性( r e l i a b i l i t y ) 。 需注意的是不能同时设置d ， t ，r ，三者只能取其一。 可见，i p v 4 的设计中，已经加入了对o o s 的简单支持，然而，一方面，大部 复旦大学硕士学位论文 - 5 - 基于m p l s 的i p q o s 及自适应r s v p - r e 的研究与实现 分的应用程序并不对t o s 进行设置，一般的路由器，也没有对t o s 作区分，另一方 面，i p v 4 仍不是基于流的网络，无法提供用户满意的q o s 需求。 - 2 2 2i p v 6 对q o s 的支持 i p v 6 在保i 正q o s 方面提供了更多的机制，更适合于多媒体和实时通信的需求。 i p v 6 主要是通过使用包头q ，2 4 b l t 的流标记域和4 b i t 的优先级域进行q o s 控 制的。i p v 6 头格式如图2 2 n 示。 版本优先缓藐标记 负载长度下一头揶 夫髋箍 簿地址( o 嘲b l t ) 目的地址( 1 2 9 h i t ) 图2 2i p v 6 头格式 i p v 6 中引入了流的概念，所谓一个流是指由特定源地址发往单个地址或多 点地址的一系列数据包。这个特定源地址要求中间的一系列路由器对这些数据包 做特殊处理。 i p v 6 在q o s 方面做了较多的改进，但是从i p v 4 到i p v 6 的过渡，仍需要很 长的时间，因为大规模的使用i p v 6 ，必须替换现有的大部分路由器。基于此， i p v 6 目前大部分还只是停留在试验床阶段。 2 2 3i pq o s 的实现机制 在i pq o s 的实现中，普遍分为包分类、队列管理、流量整形、拥塞控制或 拥塞避免四个步骤： 2 2 3 1 包分类 包分类是q o s 的基础，只有区分了不同的业务类别，才能进行分别处理及保 障相应业务的服务质量。包分类一般在网络边界处处理。分类规则通常根据物理 接口、源地址、目的地址、协议号、传输层协议类型以及应用程序的端口号等对 数据包进行分类。 复旦大学硕士学位论文 基于m p l s 的i p q o s 及自适应r s v p - t e 的研究与实现 2 2 3 2 队列管理 包分类是将这些数据包进行分类，送入不同的队列；而队列管理对不同类别 的数据包进行分别处理。不同的队列算法用来解决不同的问题，并产生不同的效 果。常用的队列有f i f 0 ，p q ，s f q ，w f q 等，下面简单介绍各种队列技术的特性。 1 ) 先进先出队列f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ) 先进先出队列( 简称f i f o ) 不对报文进行分类，按报文到达接口的先后顺序让 报文进入队列，在队列的出口处报文按进队的顺序出队。 2 ) 优先级队列p q ( p r i o r i t yq u e u i n g ) p q 算法给每个队列赋予不同的优先级，每次需要调度时，具有最高优先级的 非空队列中的分组最先被选择服务。如果最高优先级的队列为空，则服务具有次 优先级的队列。如此类推。这样，最重要的分组可以得到最好的服务，获取最小 的时延。 3 ) 随机公平队列s f q ( s t o c h a s t i cf a i r n e s sq u e u i n g ) 是公平队列算法中的一个简单实现。它的精确性不如其它的方法，但是它在 实现高度公平的同时，需要的计算量很少。s f q 的流量被分成相当多数量的f i f o 队列中，每个队列对应一个会话。数据按照简单轮转的方式发送，每个会话都按 顺序得到发送机会。 4 ) 加权公平队列w f q ( w e i g h t e df a i rq u e u i n g ) 加权公平队列( 简称w f q ) 对报文按流进行分类，每个流被分配到一个队列。 在出队发送的时候，w p q 根据报文分类时设置的流的优先级来分配每个流应占有 出口的带宽。优先级的数值越小，所得的带宽越少。优先级的数值越大，所得的 带宽越多。 2 2 3 3 流量整形 所谓整形是调整数据传输的平均速率，是数据按照传输模式规定的速率进行 传输，尽量避免突发性流量导致的拥塞问题。流量整形主要采用两种基本算法： 漏桶( 1 e a k yb u c k e t ) 算法和令牌桶( t o k e nb u c k e t ) 算法。 2 2 3 4 拥塞避免 由于网络资源有限，当拥塞发生时。按照传统的队尾丢弃处理方式，对于t c p 报文，会引发t c p 的慢启动和拥塞避免机制，使t c p 减少报文的发送。当同时丢弃 复旦大学硕士学位论文 基于m p l s 的i p q o s 及自适应r s v p - t e 的研究与实现 多个t c p 连接的报文时，将造成多个t c p 连接同时进入慢启动和拥塞避免，称为t c p 全局同步。这将造成网络利用率的大幅度降低。 t c p i p 的拥塞控制可以简单描述为：慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢 复四个算法，控制终端数据流量将根据网络拥塞状况的动态变化，调整自我的流 量策略，避免网络因载荷过重影响服务质量甚至产生崩溃。 为了避免拥塞情况的发生，可以采用随机早期检测( r e o ) 或加权随机早期检 测( w r e d ) 的丢弃策略。丢弃策略对网络中t c p 方式的应用有比较好的效果，但对 网络c p u d p 数据产生的拥塞则不会有很大的改善。 2 3i n t s e r v 与r s v p 一 2 3 1 综合服务模型i n t s e r v i p 网络q o s 问题的研究促进了i n t s e r v ( i n t e g r a t e ds e r v i c e ) 体系结构和 r s v p 信令协议的发展。r s v p 协议是为支持集成服务模型而设计的，它解决了应用 的o o s 需求问题，承诺对每个流的服务，使应用能够将每个流的请求信号发送给 网络。在进行接纳控制时，使用集成服务参数( 如流参数t s p e c 和r s p e c ) 来量化这 些服务请求。i n t s e r v 是基于每个流的( p e r f l o w ) 、状态相关( s t a t e f u l ) 的体系结 构。与状态无关的体系结构( 如传统的i p 网络和最新的d i f f s e r v 的体系结构) 相 比，i n t s e r v 的优势在于它提供的服务具有更高的灵活性和更好的q o s 保证0 1 。 i n t s e r v 模型实质上是一个从端到端行为开始，到网络中各元素如何控制和 实现这些行为，为用户提供满意的q o s 的总称。i f t f 考虑综合服务模型时的主要 出发点是网络的延迟因素，即在i n t e r n e t 中，被转发的分组实际上究竟具有多大 延迟和只能允许它具有多大延迟。事实上，分组的传输延迟在当前是衡量q o s 好 坏的主要标准，而其他各个q o s 参数，也可以以一定的方式换算成分组延迟。 2 3 1 1i n t s e r v 的q o s 控制参数 支持质量保证型服务与可控负载型服务的主要o o s 控制参数有f l o w s p e c ， a d s p e c 和s e n d e r - t s p e c 。这些参数由r s v p 协议用来传送认证o o s 要求以及调度策 略等信息。r s v p 协议中把这些参数统称为对象。 对象f l o w s p e c 传输信息接收端所要求的流量( t s p e c ) 和调用这些服务的参数 ( r s p e c ) 。由数据接收者产生，并发送给数据传输路径沿途的网络元素与数据源 端。f l o w s p e c 主要包括了资源预留所需要的信息。 复旦大学硕士学位论文 基于m p l s 的i pq o s 及自适应r s v p - t e 的研究与实现 对象s e n d e r - t s p e c 描述信息发送端的数据流量，由数据源端产生和发送给 网络元素与数据接收者。 对象a d s p e c 则用于由网络中的各个网络元素向接收端发送关于延迟、估计带 宽、q o s 控制服务操作的参数以及支持的q o s 控制服务等信息。一般来说，a d s p e c 传送给接收端的信息是计算和综合了它所通过的各个节点的有关参数之后形成 的例。 2 3 1 2i n t s e r v 的业务类型 i n t s e r v 定义了三种业务类型： ( 1 ) 确保服务g s ( g u a r a n t e e d s e r v i c e ) ：g s 服务保证用户所要求的最小延迟 时间，从而保证会话( s e s s i o n ) 过程中每个分组确定的延迟界限( b o u n d ) 。并且当 网络负载过重时，不会被丢弃。常用于需要严格保证无丢失，准确达到的实时传 输应用上。 ( 2 ) 可控负载服务c s ( c o n t r o l l e d l o a ds e r v x c e ) ：与b e s t e f f o r t 的主要 区别在于当网络负载加重时，c s 数据流不会明显的恶化。相比之下b e s t e f f o r t 流数据会有很大的延迟或丢失的可能。 ( 3 ) 尽力而为服务( b e s t - e f f o r ts e r v i c e ) ：即传统的i n t e r n e t 所提供的业 务。在三种业务类型中属于最不具有保证的业务。 2 3 2r s v p 协议 i n t s e r v 体系的核心是资源预留协议r s v p 。r s v p 传送数据之前，r s v p 要由 发送者和接收者共同协商q o s ，进行资源预留，以保证用户的q o s 要求。r s v p 是信令协议，其预留建立在流的基础上，流由i p v 4 的地址字段协议字段或i p v 6 的流标识来指定，路由器根据各个流分配的资源来决定分组的转发。 r s v p 本身是为支持i n t e r n e t 的集成服务而提出来的，因此支持i p v 6 和多 播业务。其本身没有路由功能，必须依赖于现有的单播或多播路由协议。 2 3 2 1r s v p 功能模块 资源预留协议的主要功能模块如图2 3 所示。主要包括策略和接纳控制、分 类器和调度器，以及r s v p 信令模块。 复旦大学硕士学位论文 基于m p l s 的i p q o s 及自适应r s v p - t e 的研究与实现 用户端网络端 i m “i | 1 1l ii 令交与 一e ：= 习 k s v h 百令交互 嚣!女据嫠- a o y v l 2 娄 一 ：据一 l 一一r r r “”i “”i7 r “”i 图2 3 ：资源预留协议功能模块 策略控制( p o l i c yc o n t r 0 1 ) ：决定用户是否有足够的权限申请资源预留。它 基于用户和网络达成的服务协议，对用户的访问进行一定的监控。 接纳控制( a c c e s sc o n t r 0 1 ) ：决定是否有足够的资源来满足资源预留的请 求。 分类器( c l a s s i f i e r ) ：根据资源预留来决定每个分组对应的q o s 类型，用于 实现由f i l t e r - s p e c 指定的分组过滤方式。 调度器( s c h e d u l e r ) ：根据特定的服务模型来实现每个分组的q o sf l o w s p e c 指定的资源配置，并基于一定的调度算法对分类后的分组队列进行调度服务。 r s v p 协议模块：负责各个节点之间的信令交互，以及控制本节点的资源预留 行为。它是i n t e r n e t 上的信令协议。通过r s v p ，用户可以给每个业务流( 或连接) 申请资源预留，要预留的资源可能包括缓冲区及带宽的大小，以及其他q o s 参数 等。 2 。3 2 2r s v p 协议特点 1 ) 软状态特性。为能根据终端和应用调整资源预约，r s v p 协议在各节点中 采用软状态维护预留信息。软状态的优点是使预留具有更强的容错性和稳健性。 软状态还使r s v p 协议具有支持动态成员变化和适应路由改变的能力。同时，软状 态也在很大程度上限制了r s v p 协议的可扩展性。 2 ) r s v p 采用单方向预留方式，即由数据流的接收端向数据源沿路径进行预 留。这里，数据流是指从数据传输源到所有目的地的有方向的树状路线，其中， 接收数据流的接收端称为数据流的下游，发送数据流的源端称为上游。并且，r s v p 能够根据用户对数据源的访问需要提供不同的预留方式。这种面向接收端的方式 使得r s v p 协议对组播具有良好的支持。 3 ) r s v p 提供三种分组过滤方式。分组过滤由f i l t e r s p e c 指定了能够使用预 留资源的数据分组的格式，资源预留则由f l o w s p e c 指定了通信所需资源的特性。 复旦大学硕士学位论文 基于l u f i a l s 的i pq o s 及自适应p s v p - t e 的研究与实现 分组过滤与资源预留相分离的设计原则是r s v p 协议的重要特点，此原则使r s v p 协议能够支持如下几种过滤方式： 通配过滤方式( w f ：w i l d c a r df i l t e r ) ：为通用类型的流预留资源。所有流 共享预留资源，指定会话的流不需经任何过滤。通配过滤方式适用于多媒体会议 中语音媒体等用户都能收发数据的多对多组通信。 固定过滤方式( f f ：f i x e df i l t e r ) ：为单个特定流预留资源，并不能被同 一会话的其它发送者共享。此时在一段链路上预留的资源为各接收端预留资源之 和。固定过滤方式适用于多媒体会议中视频媒体。 共享过滤方式( s f ：s h a r e df i l t e r ) ：为多个指定流预留资源。预留的资源 可在一组发送者之间共享，这组发送者由接收者在申请预留资源时指定。 2 3 2 3r s v pq o s 协商过程 r s v p 的o o s 协商过程如图2 4 所示。 图2 4 r s v p q o s 协商过程 o o s 协商过程分为以下几个步骤： 需要建立会话的发送方向接收方发出p a t h 消息。p a t h 消息按路由器确定 的数据路由传送，在经过的路由器中建立“p a t h 状态”，并转发p a t h 消息。 p a t h 消息到达接收方后，接收终端根据自己的需要向发送方发回r e s v 消 息，r e s v 消息确定了资源的预留方式和对应的发送方式，同时也定义了流规范 ( f l o w s p e c ) 。 r e s v 消息经过的每个路由器对r s v p 的资源预留请求进行接纳控制 ( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 和策略控制( p o l i c yc o n t r 0 1 ) 。资源预留请求通过以上两 种控制机制才能被路由器接受，此时r e s v 消息在路由器中建立资源预留状态， 并根据p a t h 状态中包含的上游地址将r e s v 消息转发出去。 r e s v 消息沿着数据流传送的逆向路径返回发送方，最终由发送方确认此 会话的资源预留成功，等待用户发送数据流。 2 3 3i n t s e r v 的优缺点 i n t s e r v 的优点是它实现了绝对的服务质量保证，同时使用r s v p 的软状态 复旦大学硕士学位论文 囊 基于m p l s 的i p q o s 及自适应r s v p t e 的研究与实现 特性可以支持网络状态的动态改变与组播业务中组员的动态加入，并实现网络 资源的有效分配。 i n t s e r v 存在的问题是网络的扩展性不好。一方面，由于i n t s e r v 下的预 留状态往往是与业务流的个数成正比，这使得路由器的负担会随着网络的扩大、 业务流的增加而加重。另一方面，资源预留协议还要求沿途的每个路由器为每 一个数据流都维持一个软状态，这无疑也限制了这种结构的可扩展性。 基于此，i n t s e r v 模型更适用于网络规模较小、业务质量要求较高的边缘 网络，如企业网、园区网、城区网等。 2 4 区分业务模型d i f f s e r v 为了解决骨干网络上的q o s 问题，i e t f 提出了区分业务模型( d i f f s e r v ) 。 这一模型与i n t s e r v 的本质不同在于它不是针对每一个业务流进行网络资源的 分配与o o s 参数的配置，而是将具有相似要求的一组业务归为一类，随后对这一 类业务采取一致的处理方式。 2 4 1d i f f s e r v 设计思想 d i f f s e r v 的目标在于简单有效，以满足实际应用对可扩展性的要求，这主 要通过简化网络内部的服务机制和服务对象来实现： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 简化网络内部节点的服务对象。采用聚集传输控制，服务对象是流聚集 而非单流，单流信息只在网络边界保存和处理。 具体而言，边界节点根据用户的流规定和资源预留信息将进入网络的单流分 类、整形、聚合为不同的流聚集，这种聚集信息存储在每个i p 包头的d s 标记域 中，称为区分业务代码点( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sc o d e p o i n t ，d s c p ) 。 内部节点在调度转发i p 包时根据包头的o s c p 选择提供特定质量的调度转发 服务，其外特性称为逐点行为( p e r h o p b e h a v i o r ，p h b ) 。其中最主要的就是对 每个队列的带宽分配、队列调度以及拥塞处理等，这些资源的分配规则都是预先 设定好的。 复旦大学硕士学位论文 基于m p l s 的i pq o s 及自适应r s v p - t e 的研究与实现 2 4 2d i f f s e r v 关键技术 实现d 1 f f s e r v 的关键技术主要包括d s c p 、s l a 和p h b 。 ( 1 ) 区分业务码点d s c p ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sc o d e p o i n t ) 。 i p v 4 报头中定义了一个8 b i t 的t o s 域字段，其中包括一个3 b i t 的优先级 字段、4 b i t 的t o s 子字段。t o s 子字段分别代表最小时延、最大吞吐量、最高可 靠性和最小开销。 由于t o s 域定义的这些服务选择非常有限，i e t fd i f f s e r v 工作组重新定义 了t o s 字节( 称为d s 字段) 来标记分组的区分服务码点( d s c p ) ，并定义了一套基 本的数据包转发方式。通过在数据包d s 字段中的不同标识，以及对基于d s 字段 数据包的处理，可以建立几种不同的服务类别。 ( 2 ) 服务级别协议s l a ( s e r v ic el e v eia g r e e m e n t ) 。 用户与服务提供者之间达成的协议，用于规定所支持的服务类别，以及在每 个类别中所允许的业务量，其中的用户方可以是一普通用户，也可是服务提供 者。 ( 3 ) 每跳行为p h b ( p e r h o pb e h a v io r s ) 。 在d 1 f f s e r v 域的路由器中，将对属于某一服务类别的业务流进行一致的处 理，这种处理包括队列选择、排队、丢弃等。目前定义了四种p h b ，分别是尽力 而为p h b 、加速转发p h b 、可靠转发p h b 和类别选择p h b ”1 。 尽力而为p h b ( 默认级别p h b ，b ep h b ) 。这种p h b 对应的服务级别是尽力 而为服务，与传统i p 所提供的业务相同。r f c 2 4 7 4 中规定，其d s c p 为全零。 类别选择p h b ( c sp h b ) 。c s ( c l a s ss e l e c t o r ) p h b 组的任何实现要保证 对应d s c p 较大的流聚集处理优先级要高于d s c p 较小的流聚集，即d s c p 值较大 的流在延迟、丢失率等参数上都要优于d s c p 较小的流。 加速转发p h b ( e fp h b ) 。e f ( e x p e d l t e df o r w a r d l n g ) p h b 所描述的是一组 用于实现低丢包率、低延迟、低抖动、具有带宽保证的，以及在d s 域中具有端 到端服务质量的业务的服务策略。使用这一p h b 组的业务流将获得d i f f s e r v 网 络中最高的服务质量，具有最高的优先级。 可靠转发p h b ( a fp h b ) 。a f ( a s s u r e df o r w a r d i n g ) p h b 主要是对相同业务 中不同分组的丢弃优先级进行一定的分级。 另外对于每种不同类别的a f ，还分别规定了3 种不同的丢弃优先级，优先 级越高，分组丢弃的机率就越大”。 复旦大学硕士学位论文 基于m p l s 的i pq o s 及自适应r s v p t e 的研究与实现 2 4 3d i f f s e r v 的优缺点 d i f f s e r v 最主要的优势在于它弱化了对信令的依赖，中间节点只需