（计算机科学与技术专业论文）园区网多isp区分服务的研究.pdf

中文摘要 摘要 随着多媒体技术的发展 i n t e r n e t 网络除了要进行数据传输之外 还要进行多 媒体信息传输 i p 网络开始承载着更加丰富的网络应用服务 传统的b e s t e f f o r t 服务方式己经不能满足许多网络业务的要求 对互联网服务质量保证机制和算法 的研究逐渐成为热点 由于区分服务具有简单有效 高可扩展性的特点 已经成 为互联网服务质量保证的主要体系结构之一 本文以提高区分服务模型的 动态选择性 为目标 研究了区分服务网络的 服务质量确保机制 本文的主要工作包括如下几个方面 第一 通过分析当前互联网与国内网络运营商发展格局 以及校园网用户网 络访问流量特征 指出园区网多i s p 对外访问现状的不足之处 同时对园区网多 i s p 链路传统应用方案进行了研究 指出了方案其中管理者网络应用方面或者用户 网络配置方面的复杂性与可操作性问题 第二 对园区网业务应用进行了研究 提出并构建了基于网络出口负载 目 的地址响应时间等因素的网络出口动态选择链路模型 第三 对区分服务理论 模型及队列优先级调度算法进行了研究 改进了一 种基于定制队列的加权公平队列调度算法 设计了基于网络出口队列优先级的区 分服务实验模型 最后 基于网络出口动态选择链路模型与改进的加权公平队列调度算法 构 建了园区网多i s p 区分服务综合模型 并进行相关数据的分析估算 关键词 多i s p 动态选择 区分服务 队列优先级 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i at e c h n i c a l m u l t i m e d i ai n f o r m a t i o ni sa l s o t r a n s p o r t e do nt h ei n t e r n e tb e s i d e st h ed a t a s ot h a tv a r i o u sn e wn e t w o r ks e r v i c e s b e c o m ea v a i l a b l eo v e rt h ep a s td e c a d e t h eb e s t e f f o r ts e r v i c ec a n n o ts a t i s f yt h e r e q u i r e m e n t so fn e wn e t w o r ka p p l i c a t i o n s a n dt h e r e s e a r c ho fc o n t r o lm e c h a n i s m sa n d a l g o r i t h m sf o rq u a l 姆o fs e r v i c e q o s a l et h ef o c u s a sf o r i t sc h a r a c t e r i s t i co f s i m p l i f i c a t i o na n dh i g hs c a l a b i l i t y t h ed i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e d i f f s e r v m o d e lb e c o m e s o n eo f t h ep o p u l a ra r c h i t e c t u r e sf o rt h eq o s t h i st h e s i sr e s e a r c h e st h ec o n t r o lm e c h a n i s m so fd i f f s e r vf o r t h eg o a lo f i m p r o v i n gt h ed y n a m i cc h o i c ea b i l i t yo fd i f f s e r v t h em a i n w o r ka n dc o n t r i b u t i o n sa r e a sf o l l o w s f i r s to fa l l p o i n to u tt h es h o r t a g eo fm u l t i c a m p u sn e t w o r ka c c e s st oi s pt h r o u g h a n a l y z i n gt h ep a t t e r no fd e v e l o p m e n ta b o u tc u r r e n ti n t e r n e ta n dt h e n e t w o r kt r a f f i c c h a r a c t e r i s t i c so fc a m p u sn e t w o r ku s e r s a tt h es a m et i m e t h ep a p e rr e s e a r c h e st h e t r a d i t i o n a la p p l i c a t i o no fm u l t i h o m i n gc a m p u sn e t w o r k s a n dp o i n to u tt h ec o m p l e x i t y a n di n t e r o p e r a b i l i t y p r o b l e m s o nm a n a g e rn e t w o r ka p p l i c a t i o n so ru s e rn e t w o r k c o n f i g u r a t i o n s e c o n d m a d eat h o r o u g hr e s e a r c ht on e t w o r ka p p l i c a t i o n p o i n t i n g o u ta n d c o n s t r u c t i n gam o d e lo fd y n a m i cl i n kc h o i c eb a s e do no u t p u tw o r k l o a d d e s t i n a t i o n m s p o m et i m ea n ds oo n t h i r d m a k eat h o r o u g hr e s e a r c ht od i f f e r e n t i a t e ds e r v i c et h e o r y m o d e la n dp r i o r i t y q u e u es c h e d u l i n ga l g o r i t h m i m p r o v i n gw e i g h t e df a i rq u e u i n gs c h e d u l i n ga l g o r i t h m b a s e do nc u s t o m i z eq u e u e s oa st oc o n s t r u c tam o d e lo fd i f f e r e n t i a t e ds e r v i c eo fo u t p u t q u e u eb a s e do np r i o r i t y f i n a l l y c o n s t r u c ta i li n t e g r a t e dm o d e lo fd i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e o nc a m p u sn e t w o r k s b a s e do nt h em o d e lo fd y n a m i cl i n kc h o i c ea n dt h ei m p r o v e dw e i g h t e df a i rq u e u i n g s c h e d u l i n ga l g o r i t h m a n dd os o m ed a t aa n a l y s i sa b o u t t h i sm o d e l k e yw o r d s m u l t i i s p d y n a m i cc h o i c e d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e q u e u ep r i o r i t y 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明 本论文是在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 撰写成博 硕士学位论文 园匡圆垒 墨里匿筮腿釜的硒究 除论文中已经注明 引用的内容外 对论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 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未 公开发表的成果 本声明的法律责任由本人承担 学位论文作者签名 玉盘陋 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留 使用研究生学 位论文的规定 即 大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 也可采用影印 缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文 同意将本学位论文收录到 中国优秀博硕士 学位论文全文数据库 中国学术期刊 光盘版 电子杂志社 中国学位论文全 文数据库 中国科学技术信息研究所 等数据库中 并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务 保密的论文在解密后遵守此规定 论文作者签名 6 眩导师签名菇么名 日期夕矿净7 月 日 园区网多i s p 区分服务的研究 第1 章绪论 1 1 问题提出 随着近年来互联网络技术的快速发展 许多网络业务应用 如口电话 视频 点播 远程教育等等 已经渗透到人们生活中去 然而 与其密不可分的t c p i p 协议却一直沿用至今 起初 t c p 1 p 协议只是为了实现异种网之间的互联与通信 这种尽力而为 b e s te f f o r t b e 的服务模式 很大程度上满足了电子邮件 网页浏 览 文件传输等网络需求 时至今日 互联网的发展已远远出乎于几十年前互联 网的先驱们制定t c p i p 协议时的意料之外 并且仍在飞速增长 i n t e m e t 已逐步 由单一的文字 静态图片数据传输转向语音 图像等多媒体信息 1 的综合传输 针 对传统i p 网络的 尽力而为 服务无法满足多媒体应用和各种用户对网络传输质 量 2 1 如通信延迟 传输带宽和数据丢失率等性能指标的不同要求的问题 于是提 出了服务质量 q o s q u a l i t yo fs e r v i c e f 3 j 4 的概念 其出发点就是为了能够在现有 的口网络上为不同级别的业务 尤其是语音 视频等实时性要求很高的业务 提 供一种有效的传输手段来满足数据传输提出的低延时 低抖动等要求 按照用户 要求提供q o s 服务已经成为一个迫切而普遍的要求 与此同时 国内网络运营商 i s p 的竞争局面愈演愈烈 构成中国i n t e m e t 骨 干网 也是全球i n t e m e t 重要组成部分的中国电信与网通集团 经历了一系列的重 组与合并 现已成为中国电信与中国联通 不可不提及的还有中国教育和科研计 算机网c e r n e t 是由国家投资建设 教育部负责管理 清华大学等高等学校承 担建设和管理运行的全国性学术计算机互联网络 它主要面向教育和科研单位 是全国最大的公益性互联网络 可提供各种专用的教育资源 图书馆资源和教育 管理资源服务 此外国内还存在铁通等多家i s p 虽然不同i s p 并存的局面 带来 许多喜人的现象 如资源极大丰富 用户网络资费降低等等 然而各i s p 链路之 间的互联互通是一个令人头痛的问题 表现为在相同i s p 范围内的网络访问服务 都很流畅快速 不同i s p 范围内的网络服务质量急剧下降 这些说明不同i s p 之间 的互联互通 也就是跨i s p 链路访问存有瓶颈 给网络用户造成很大的不便 现今园区网作为一种大型的局域网 各高校的互联网用户数大量增加 网络 应用范围不断扩大 使得园区网的出口拥挤不堪 再加上从教育网访问公众网的 第1 章绪论 速度较慢 教育网国际接入按流量计费 使各高校的网络使用费不断增加 为了 控制网络运行的费用 提高网络运行速度 许多高校在继续使用教育网链路的同 时 又通过本地i s p 开辟第二条链路 甚至第三条链路 这种多链路出口方式优 势明显 园区网用户访问教育网与公网的速度都明显加快 减少了流经教育网的 国际流量 节约了网络运行费用 但在使用过程中也出现一些问题 如 各出口 流量不能负载均衡 一条链路出现故障无法自动切换到其他链路 不能动态地进 行链路出口选择等 这时 我们需要一种针对园区网多i s p 对外访问的链路动态 选择的区分服务方式 来合理利用网络带宽和选择综合性能较优的访问出口链路 按照用户要求提供q o s 服务 1 2 论文研究环境及目标 校园网面向的用户群体是广大师生 网络应用具有以下特征 1 大多数流量以w e b 访问为主 源自校园内师生进行资料检索与查询 2 一些诸如q q 等聊天应用 满足校内师生的实时通讯需求 3 小部分网络游戏 在线视频 下载等业务应用 要对这些应用进行带宽控 制 防止抢占过多带宽 6 影响其他应用 大连海事大学校园网有三个网络出口 教育网出口 电信出口和联通出口 由于教育网出口带宽很大 平时带宽利用率较低 负载小 在本课题中不作考虑 而电信与联通出口带宽有限 加上提供了丰富的网络业务 导致带宽利用率一直 居高不下 负载很大 因此本课题把后者作为讨论研究的重点 对其进行链路访 问效果优化 综上 本论文的研究环境是基于校园网的访问应用特征 在大连海事大学网 络中心实验室内搭建而成 选定用户电脑 接入层和汇聚层设备 搜集它们的流 量信息进行分析 此外 还采用l i n u x 服务器置于网络出口 进行区分服务模型搭 建与实验 本论文的研究环境包括3 台用户电脑 2 台接入层设备 l 台汇聚层设备 1 台l i n u x 网关服务器 如图1 1 所示 2 园区同多i s p 区分服务的研究 图11 区分服务模型网络结构图 f i g 11 t h e n e t w o r ks t m c t v c eo f d i f f e r e n t l a t e ds e r v i c e m o d e l r o i l i e r 在目前情况下 i p 网络的主要工作方式仍然是t b e s t e f f o r t 1 7 方式 区分服务 网络在i n t e m e t 上的大规模部署还存在着许多困难 埘 这就意味着 一个系统配置 了区分服务网络 由于中间链路和网络的带宽 链路特性和工作方式的影响 所 获得的服务质量改善远低于预斯目标 此时 我们需要在源系统边界配置 个针 对多出口链路 满足动态选择方式的区分服务网络 13 论文的组织结构 本文共分7 章内容 各章节内容做了如下安排 第1 章对当前互联网以及国内网络运营商发展格局做了背景介绍 指出固区 网多i s p 对外访问现状的不足之处 介绍了论文研究环境 提出论文研究目标 即构建区分服务方式的网络出口模型 同时满足出口链路的动态选择 r谚 一 磷1 d一 念匿 罾 一 釜飞匿鼽固 第1 章绪论 第2 章对园区网多i s p 链路应用方案进行介绍与分析 指出传统方案应用于 园区网的不足之处 型 第3 章对区分服务理论技术做了相关介绍与分析 重点讨论了q o s 实施模 第4 章对队列管理算法做了相关分析 并进行算法改进 满足针对网络业务 分类的区分服务要求 第5 章针对第3 章 第4 章的分析介绍 综合设计了园区网多i s p 区分服务 系统模型 其中包含多i s p 区分服务算法设计与多i s p 出口的动态选择设计 第6 章对多i s p 区分服务系统模型进行实验测试 并根据测试数据进行链路 出口动态选择估测 第7 章对本文工作进行总结 并指出了下一步工作的重点 4 园区网多i s p 区分服务的研究 第2 章园区网多is p 链路技术的现状分析 针对园区网多i s p 出口的需求和存在的问题 各个研究单位有着不尽相同的 网络出口解决方案 传统多i s p 链路应用方案有如下三种 2 1 代理服务器 用户通过设置代理服务器嗍 p r o x ys e r v e r 在网络访问时 本机先向代理服 务器查询是否有访问目的服务的内容资料 如果有的话 代理服务器就直接把内 容传给了用户 如果代理服务器没有 才会直接访问目的服务器 这看似很平常 的网络访问 在网络拥塞时候 可以体现代理服务器的优势 如果网络阻塞 目 的服务器配备不好 专线不够快等不良因素通通加在一起后 你要连接的服务器 就会变的很慢 所以这个时候我们所需要的代理服务器 会把大家常常需要的内 容资料暂存在一个位置 这个位置的机器设备通常会很好 线路带宽会很大 所 以用户读取的速度就会很快 代理服务器的主要功能有 1 设置用户验证和记帐功能 可按用户进行记帐 没有登记的用户无权通过 代理服务器访问i n t e m e t 网 并对用户的访问时间 访问地点 信息流量进行统计 2 对用户进行分级管理 设置不同用户的访问权限 对外界或内部的i n t e m e t 地址进行过滤 设置不同的访问权限 3 增加缓冲器 c a c h e 提高访问速度 对经常访问的地址创建缓冲区 大 大提高热门站点的访问效率 通常代理服务器都设置一个较大的硬盘缓冲区 可 能高达几个g b 或更大 当有外界的信息通过时 同时也将其保存到缓冲区中 当其他用户再访问相同的信息时 则直接由缓冲区中取出信息 传给用户 以提 高访问速度 但是对于用户来说 无论访问教育网资源还是其他i s p 资源 想要达到预想 的效果 代理服务器方案比较复杂 可操作性比较差 一些学校的出口方案曾经 使用过这种方式 但是使用效果并不是太好 如果作为教育网出口故障的临时解 决方案 代理服务器解决方案应该说是不错的方式 随着网络的快速发展 这种 解决方案己经基本不再使用 第2 章同区网多i s p 链路技术的现状分析 2 2 路由选择加n a t 路由选择 1 0 1 r o u t i n g 意味着在计算机网络中发现路径 随着它信息能够被发 送 路由选择直接转发 逻辑地址通过来自它们的源地到达它们的最终目的地 转发通常通过在路由器内的路由表定向 它维持到达各种网络目的地位置最好的 路由记录 然而 路由表的建立是路由选择的最初目标 路由不同于桥接它的构 造地址的设想 因此相似的地址在网络中一起关闭 允许到一组地址的路由表现 有一单个路由选择表入口 路由的选择依赖路由选择协议 通过度量值来决定到达目的地的最佳路径 小度量值代表优选的路径 如果两条或更多路径都有一个相同的小度量值 那么 所有这些路径将被平等地分享 通过多条路径分流数据流量被称为到目的地的负 载均衡 常见路由协议分为以下两类 1 有类别路由选择 c l a s s f u lr o u t i n g 不随各网络地址发送子网掩码信息的 路由选择协议被称为有类别的选择协议 r i p v l i g r p t 1 当采用有类别路由选择 协议时 属于同一主类网络 a 类 b 类和c 类 的所有子网络都必须使用同一子 网掩码 有类别归纳路由的生成是由有类别路由选择协议自动处理的 2 无类别路由选择 c l a s s l e s sr o u t i n g 包括开放最短路径优先 o s p f l 列 e i g r p t l 3 r i p v 2 中间系统到中间系统 i s i s 和边界网关协议版本4 b g p 4 在同一主类网络中使用不同的掩码长度被称为可变长度的子网掩码 v l s m l 卅 无类别路由选择协议支持v l s m 因此可以更为有效的设置子网掩码 以满足不 同子网对不同主机数目的需求 从而可以更充分的利用主机地址 网络地址转换 n a t 是通过将专用网络地址 如企业内部网i n t r a n e t 转换为 公用地址 如互联网i n t e m e t 从而对外隐藏了内部管理的i p 地址 这样 通过 在内部使用非注册的i p 地址 并将它们转换为一小部分外部注册的i p 地址 从 而减少了i p 地址注册的费用以及节省了目前越来越缺乏的地址空间 即i p v 4 同时 这也隐藏了内部网络结构 从而降低了内部网络受到攻击的风险 n a t 功能通常被集成到路由器 防火墙 单独的n a t 设备中 当然 现在比 较流行的操作系统或其他软件 主要是代理软件 如w i n r o u t e 大多也有着 n a t 的功能 n a t 设备维护一个状态表 用来把内部网络的私有i p 地址映射到外 园区网多i s p 区分服务的研究 部网络的合法口地址上去 每个包在n a t 设备中都被翻译成正确的口地址发往 下一级 与普通路由器不同的是 n a t 设备实际上对包头进行修改 将内部网络 的源地址变为n a t 设备自己的外部网络地址 而普通路由器仅在将数据包转发到 目的地前读取源地址和目的地址 n a t 分为三种类型 静态n a t s t a t i cn a t n a t 池 p o o l e dn a t 和端口 n a t n a p t 其中静态n a t 将内部网络中的每个主机都被永久映射成外部网络 中的某个合法的地址 而n a t 池则是在外部网络中定义了一系列的合法地址 采 用动态分配的方法映射到内部网络 端口n a t 则是把内部地址映射到外部网络的 一个p 地址的不同端口上 采用路由选择加n a t 技术 上网的路由选择是与用户无关的 用户的上网方 式不需要进行任何更改 可操作性较好 而且网络管理人员可以根据几个出口的 带宽和流量 适当调控路由指向 所以这种方式被广泛的使用 但这种方式对于 设备的要求较高 配置较繁琐 静态路由表过大 庞大路由表的更新要随着i s p 地址的变化而变化 2 3lin u x 策略路由 策略路由 1 5 0 6 1 p o l i c yr o u t i n g 也叫做基于策略的路由 是一种路由方案 它基于预先配置的策略来转发分组不阿数据 这个策略可能指定从一个特定的网 络发送的通信应该被转发到一个接口 而其它所有的通信应该被转发到另一个接 口 同时策略路由也是一种路由规划 它可以使数据包按照用户指定的策略进行 转发 对于某些管理目的 如q o s 需求或v p n 拓扑结构 要求某些路由必须经过 特定的路径 就可以使用策略路由 例如 一个策略可以指定从某个网络发出的 数据包只能转发到某个特定的接口 每个数据包进入l i n u x 内核后的过程如图2 1 所示 图中由椭圆标记部分实现 策略路由选择功能 第2 章园区网多i s p 链路技术的现状分析 一恒芦一区固一 上苓 图2 1 策略路由数据包流程 f i g 2 1t h ep a c k e t sj o u m e yb yp o l i c er o u t i n g 在l i n u xk e r n e l2 2 之前的路由选择功能是根据i p 包的目的地址 从路由表 中查找到达目的地址的下一跳路由器 从而实现路由选择 在l i n u xk e r n e l2 2 之 后的路由选择功能使用 策略路由数据库 r p d b 1 7 1 实现了基于策略的路由选 择 r p d b 不再使用一个路由表 而是使用了多个路由表 r p d b 不仅根据地址和 路由表来选择路由 而且使用了规则实现路由选择 规则定义了查询哪一个路由 表 其中规则是r p d b 的核心 r p d b 实际上是由规则组成的一个线性表 每个 规则有一个数字 标识其优先级别 数字越小 优先级别越高 每个规则由一个 选择器和动作组成 选择器可以匹配i p 包的源地址 目的地址或其它 l i n u x 系统也提供了很强大的策略路由功能 通过使用策略路由数据库替代传 统的 基于目的地址的路由表来实现 系统中的r p d b 是一个由数字优先级值进 行排序的线性规则列表 r p d b 能匹配数据报源地址 目的地址 t o s 进入接口 和f w m a r k 值等 每个路由策略规则由一个选择器和一个动作指示组成 r p d b 按 照优先级递增的顺序被扫描 r p d b 包含的每条规则的选择器被应用于数据报的源 地址 目的地址 进入接口 t o s 和f w m a r k 值 若数据报匹配该规则对应于该规 则的动作被执行 若动作成功返回 则规则输出将是一个有效的路由或是路由查 找失败指示 否则查找r p d b 的下一条规则 当选择器和一个数据报匹配成功 路由软件的标准动作一般是选择一下一跳地址和输出接口 可以称这种动作为 匹 配 设置 类型动作 然而l i n u x 系统采取了更加灵活的方法 在l i n u x 系统中有 8 星星 园区网多i s p 区分服务的研究 多种动作可供选择 默认的动作是查询特定的基于目的地址的路由表 因此 匹 配 设置 动作就成为l i n u x 系统路由选择的最简单情况 l i n u x 系统支持多个路 由表 每个路由表都包含多条路由信息 也就是l i n u x 系统的每个路由表都相当于 其他操作系统的系统路由表 相比于昂贵的支持策略路由的路由器 利用l i n u x 系统做策略路由成本低了许 多 并且实现上也简单了许多 因此很多学校开始使用l i n u x 系统来配置多出口的 网关 如中国科技大学利用l i n u x 系统的n e t f i l t e r i p t a b l e s 模块配置实现了针对多 出口的网关设备 但是这样的配置往往会很复杂 并且没有实现备份 当其中一 条线路中断而另外的线路正常时 内网用户实际上仍然无法访问部分互联网的资 源 第3 章区分服务相关理论技术的现状分析 第3 章区分服务相关理论技术的现状分析 3 1 网络服务质量定义与度量 3 1 1o o s 概念 q o s q u a l i t yo f s e r v i c e 即服务质量 1 9 r f c 2 3 8 6 中描述为 q o s 是网络在 传输流时要求满足的一系列服务请求 这些服务请求是用户可见的 采用用户可 理解的语言表示的 组参数 具体可以量化为带宽 延迟 延迟抖动 丢失率 吞吐量等性能指标 此处的服务具体是指数据流经过若干网络节点所接受的服务 q o s 反映了网络元素 比如 应用程序 主机 在保证信息传输和满足服务要求 方面的能力 通过进行分组不仅要到达其预传输的目的地 而且要保证分组的顺 序完整性和实时性 因此需要q o s 能够对分组进行合理的排队 对含有内容标识 的分组进行优化 并对其中特定的分组应赋予较高的优先级 从而加速传输过程 以实现实时交互 提供q o s 保证的网络应该能够按照业务量的类型或者级别加以 区分 并能够依次对各级别进行处理 q o s 控制的目标是为i n t e m e t 上的应用提供性能保证和服务区分 性能保证则 要解决诸如带宽 丢失 延迟 延迟抖动等性能指标 2 0 1 的保证问题 服务区分是 指根据不同的应用需求为其提供不同的服务 3 1 2o o s 性能参数 通常把延迟 抖动 丢包率 吞吐量 可用性 出错率等作为q o s 的量化指 标 2 1 1 它们对于网络中各种业务也有着不同的影响 1 延迟口2 1 d e l a y 是指数据包端到端的时间延缓 又可细分为排队延迟 q u e u i n gd e l a y 处理延迟 p r o c e s s i n gd e l a y 传播延迟 p r o p a g a t i o nd e l a y 传送 延迟 t r a n s m i s s i o nd e l a y 排队延迟主要是指数据包在路由器的队列中等待发送出 去的时间 这一时间受不同队列管理和队列调度机制的影响 通常为微秒量级到 毫秒量级之间 处理延迟主要指路由器对数据包进行一致性检测 包头检测以决 定转发目的地时所耗费的时间 通常为微秒量级 传播延迟主要指数据包沿链路 到达下一个中继点或者目的地所使用的时间 在广域网中 通常为毫秒量级 传 播延迟是指数据包从队列中到完全发送到输出链路上所用的时间 通常为微秒量 园区网多i s p 区分服务的研究 级 2 抖动 2 3 1 j i t t e r 是指同一个流中连续数据包的延迟变化 抖动的产生原因 可能是因为排队 也可能是由于不同的数据包走不同的路径 3 丢包率 是指一定时间间隔内 某一业务在网络中传输时 被丢失分组占 传输所有分组总数量的百分比 丢包主要是由网络拥塞引起的 4 吞吐量 其主要指标是应用程序可用的带宽大小 吞吐量决定应用程序可 以在网络传输的流量速率 吞吐量主要取决于网络的传送速度 5 可用性 指当用户需要时 网络即能正常工作的时间占总时间的百分比 可用性主要是由网络存活性与设备可靠性一起决定的 当然对它起作用的还包括 软件稳定性以及网络演迸或升级时不中断服务的能力等其它因素 6 出错率 指数据在传送过程当中发生的变化 包括丢失 变异等情况 以 发生错误的数据包数与总的数据包数的比例来表示 或者用发生错误的位数与总 位数的比例表示 一 表3 1 一些应用的q o s 需求 t a b 3 1q o sr e q u i r e m e n t so fs o m ea p p l i c a t i o n s 应用类型q o s 要求参数范围 f t p 带宽0 2 l o m b p s t e l n e t 相应延迟 8 0 0 m s 宽带1 6 k b p s 端到端延迟 0 1 5 0 m s 电话 端到端抖动 l m s 分组丢失率 1 0 2 1 g b p s 未压缩 带宽5 0 0 m b p s 无损压缩 2 0 m b p s 有损压缩 h d t v 端到端延迟 2 5 0 m s 端到端抖动 l m s 1 0 朱压缩的视频 分组丢失率 1 0 1 压缩视频 表3 1 给出了一些典型应用的q o s 需求晔 由此可见 在当今飞速发展的网 络中 多媒体应用技术对网络提出了不同于数据应用的服务质量要求 需要提供 第3 章区分服务相关理论技术的现状分析 端到端的q o s 控制和保证 目前 按照用户需求提供q o s 控制是一个普遍趋势 也是当前计算机网络中研究与开发的热点 3 20 0 s 实施模型 3 2 1 综合服务模型 综合服务模型 2 6 i n t e g r a t e ds e r v i c e s i n t s e r v 的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 综合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 向网络为应用流提出q o s 的请求 路由器利用r s v p 将q o s 请求信息传给流的路径中的其它路由器 并建立和保存 该服务的信息 r s v p 请求将会使得沿着数据路径的资源在路由器处预留 i e t f 为i n t s e r v 定义了3 种级别的服务 1 尽力而为型服务 这实际上就是传统的因特网所提供的业务 该类型业务 不提供任何q o s 保证 2 质量保证型服务 2 7 g u a r a n t e e ds e r v i c e 质量保证型服务要求网络中各 元素保证用户所要求的最小延迟时间 保证分组在规定的时间内到达 该类型业 务通过协调控制各网络单元的执行参数 为数据流提供类似于虚电路连接的端到 端传输通道 确保严格的端到端传输延迟 并且当网络负载过重时 不会被丢弃 质量保证型服务常用于需要严格保证无丢失 准确达到的实时传输应用上 3 可控负载型服务 2 8 1 c o n t r o l l e d 1 0 a ds e r v i c e i e t f 把可控负载型服务定 义为一种端到端的行为 它使用户感到网络是在一种很轻的负载或具有很大的容 量条件下运行 用户感觉不到不可忍耐的延迟 该类型业务类似于网络轻负载下 的尽最大努力传送服务 它与尽最大努力传送的主要区别在于当网络负载较重时 c s 流不会明显的恶化 其丢包率和延迟大于某一阂值的概率极小 而尽最大努力 传送流在网络重负载时会有很大的延迟或丢包率 c s 常用于延迟敏感型应用 如 网络视频系统 为了实现上述服务 i n t s e r v 必项包括4 个组成部分 网络中的每一个路由器 都需要这4 个部分 1 信令协议r s v p 负责逐点地建立或者拆除每个流的资源预留软状态 也 园区网多i s p 区分服务的研究 就是建立或拆除数据传输路径 2 接入控制器 a d m i s s i o nc o n t r o lr o u t i n e s 决定是否接受一个资源预留请 求 其根据是链路和网络节点的资源使用情况以及q o s 请求的具体要求 3 分类器 c l a s s i f i e r 将传输的数据包按类分成不同的传输流 i n t s e r v 常 用的分类器是多域分类器m f m u l t i f i e l d 当路由器接收到数据包时 它根据数 据包头部的多个域 如5 元组 源i p 地址 目的i p 地址 源端口号 e l 的端口号 传输协议 将数据包放入相应的队列中 4 包调度器 p a c k e ts c h e d u l e r 根据不同的策略对各个队列中的数据包进行 调度转发 i p 网络q o s 问题的研究促进了i n t s e r v 体系结构和r s v p 信令协议的发展 r s v p 协议是为支持综合服务模型而设计的 它解决了应用的q 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 使用综合服务参数来量化这些服务请求 实际上 r s v p 信令协议依靠一种 动态的虚电路连接机制而改变了整个网络的体系结构 i n t s e r v 是基于每个流的 状态相关的体系结构 能提供较好的q o s 保证 i n t s e r v 有很好的q o s 保证 使用r s v p 的软状态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 同时利用p a t h 与r e s v 的刷新 还可以 判断网络中相临节点的产生与退出 并实现网络资源的有效分配 经过多年的研 究 i n t s e r v 已初具规模 但其中的问题也逐步显现出来 i n t s e r v 是基于流的 状 态相关的体系结构 依赖于每个流的状态和对每个流的管理 这种实现机制一方 面使i n t s e r v 比状态无关的体系结构能提供更高的灵活性和更好的服务级别保证的 服务 但同时也导致了i n t s e r v 的可扩展性问题和鲁棒性问题 后果是实现复杂 难于应用 在i n t s e r v 体系结构中 网络中每个节点都要维护各类数据库 如对于使用链 路状态协议的q o s 路由 路由器必须同时维护链路状态数据库和q o s 路由表 网 络中的资源管理器必须维护资源数据库等 还要实现复杂的功能模块 如资源预 留 路由 接纳控制等 r s v p 信令协议提供q o s 协商机制 各网络节点建立和 维护预留信息 根据自身资源状况对用户的预留请求进行接纳控制 数据传输时 各网络节点监控传输流 并提供相应服务 这种完全分布式的控制带来了极大的 第3 章区分服务相关理论技术的现状分析 复杂性 总之 i n t s e r v 在整个i n t e m e t 网络应用中存在如下的局限 2 9 1 基于流的r s v p 资源预留 调度处理 以及缓冲区管理 有利于提供q o s 保证 但使系统开销过高 对于大型网络存在可扩展性的问题 2 目前只有少量的主机产生r s v p 信令 虽然其数量预计会大幅度增长 但 许多应用却从不产生r s v p 信令 因而实现上修改应用程序的阻力较大 3 许多应用需要某种形式的q o s 却无法使用i n t s e r v 模型来表达q o s 请求 4 必要的控制策略和价格机制 如访问控制 鉴别 记账等 目前尚处于发 展阶段 无法付诸应用 因而 i m s e r v r s v p 只适用于网络规模较小 业务质量要求较高的边缘网络 现阶段 i n t s e r v 瓜s v p 极有可能会应用在企业网边缘 校园网以及小型的公司网 络中 3 2 2 区分服务模型 在i n t s e r v 体系的发展遇到巨大困难的时候 d i f f s e r v 3 0 l 3 1 1 d i f f e r e n t i a t d s e r v i c e s 应运而生 d i f 舔e r v 力图提供一种能够在因特网中部署可伸缩的服务区 分框架和构件 其思想模式是将d i f f s e r v 结构分为两大部分 一个是转发路径中 的行为 另一个是用于配置转发路径中参数的后台策略和资源分配部件 转发路 径中的逐跳行为p h b 是指对不同分组施加的各种转发处理 这种处理是基于单个 分组的 而不是基于数据流的 因而可以容易的在传统i n t e m e t 上部署 d i f f s e r v 的重点在于如何使具有各种流量特性的分组获得特别的处理 这牵涉到流量调节 部署策略和资源分配机制等问题 另外 区分服务还通过将大量的复杂性工作放 在边缘设备中完成来达到可伸缩性 边缘设备降低流量的容量并减少流的数目 同时使服务基于汇聚流 3 2 a g g r e g a t e df l o w s 而非基于每个微流 3 3 m i c r o f l o w 的粒度 从而使核心路由器的工作仅限于转发汇聚数据流 d i f f s e r v 模型是网络边缘节点保存流状态信息 并根据用户流的规定和资源预 留信息对流入的分组进行分类 整形 聚合为不同的流聚集 并将处理结果信息 保存在i p 包头的d s 字段中 称为区分服务码点 3 4 1 d s c p 它用于指示分组在网 络转发路径的中间节点上应该被处理的方式 这样对每个分组进行的复杂处理被 推到了网络边缘 网络核心的主要任务是根据分组首部的区分服务码点对其采取 园区网多i s p 区分服务的研究 相应的转发措施 并在网络拥塞时有选择的丢包来进行拥塞控制 从而为业务提 供相应的服务质量 d i f f s e r v 模型采用d s 域 d sd o m a i n 的思想 d s 域通常由边缘路由器 核心 路由器 资源控制器 b a n d w i d t hb r o k e r b b 组成 首先区分服务通过在i p v 4 包 头的t o s 域 3 5 t y p eo fs e r v i c e s 的一个3 位区域来标识此i p 包的优先级 可定 义8 个优先级状态 据此优先级 m 路由器可决定不同i p 包的转发优先顺序 在区分服务网络中 网络的边缘路由器按照预先决定的策略规则 在网络边界入 口处对以上的数据流进行分类 划分优先级 标记d s c p 用d s c p 来携带口分 组的需求信息 策略规则由服务级别协定 s e r v i c el e v e l a c c o r d s l a 来确定 并 制定出流量规划 由s l a 在网络边界出口处对数据流执行策略和进行平滑 网络 的核心路由器根据分组的d s c p 选择相应的转发处理 资源控制器配置了管理规 则 为客户分配资源 通过服务级别协定与客户进行相互协调以分享规定的带宽 d i f f s e r v 模型可以满足不同的q o s 请求 主要支持两种服务类型 分别为确保 服务a s t 3 q a s s u r e ds e r v i c e 和奖赏服务p s f a 7 1 p r e m i u ms e r v i c e 通过网络的边缘 路由器对分组设置d s 字段和接纳控制可以实现一系列的服务 加速转发 e x p e d i t e df o r w a r d i n g e f 服务 确定型转发 a s s u r e df o r w a r d i n g a f 服务等 d i f f s e r v 模型的策略可渐进式逐步实施 是当前较为看好的一种i p 网络q o s 策略 d i f f s e r v 针对不同业务提供了简单的分类服务 而且这些分类都是在边缘路由 器上进行 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低的问题 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必要 从而降低了 其实现的复杂度 同时 d i f f s e r v 模型存有如下缺点 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 边界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 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 第3 章区分服务相关理论技术的现状分析 保证不是单靠链路上某一个路由器就能单独完成的 而是需要链路上所有节点倾 力合作和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 局的带宽管理对全局资源进行管理 目前有两种解决方案 一是用功能大的全局 资源管理器 带宽代理来完成这一任务 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 通过运营网中m p l s 的第二层交换来实现端到端的服 务质量保证 尽管这可能不是一个真j 下意义上的i pq o s 但却是目前可以实现的 方法中比较可行的一个 3 2 3 资源预留协议 资源预留协议 3 8 1 3 9 r s v p r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1