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1、DiffServ网络中病态流的控制奇兰涛天津大学计算机系研2000一 课题研究背景1. QoS及DiffServInternet近年来以惊人的速度蓬勃发展,同时伴随多媒体技术的飞速发展，Internet上多媒体应用层出不穷，且多媒体信息的数量与日俱增。Internet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Internet中现有的传输模式仍为单一的尽量做好（best-effort）服务，无法满足多媒体应用和各种用户对网络应用服务质量的不同要求。所以关于如何提供满意的网络应用服务质量(QoS)，已经成为Internet发展的重要方向。所谓服务质量QoS，是指服务

2、性能的聚集效应，它决定用户对特定服务的满意程度。服务质量不单单是网络的事情，而是应用程序、用户终端、网络、服务器各部分的综合效应。从网络提供的角度来说, 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，如传输延迟、抖动、丢失率、带宽要求、吞吐量等指标。不同应用、不同用户对网络服务质量（QoS）要求不同。因此近年来，人们进行了大量的关于在互联网中提供多等级服务的体系结构的研究。提供多等级服务及QoS有两种基本方法：InterServ 及DiffServ。由于InterServ需要路由器维护每个流的状态，其扩展性成为一个难以解决的问题。随后人们提出了DiffServ的方法。DiffS

3、erv的目标在于以一种可扩展的体系结构在IP网络中实现多等级服务1。DiffServ基于以下基本模型：业务进入网络后在边缘路由器处被分类并进行适当的调节，并被分到不同的行为集合，同一行为集合中的分组在网络中受到相同的对待，每个行为集合有唯一的DSCP (Differentiated Services Code Point) ，而网络核心路由器根据与DSCP相关的PHB( Per-Hop Behavior)来转发分组。至今为止，已有两类PHB族有了正式的说明，它们分别是：Assured Forwarding 及 Expedited Forwarding。在Assured Forwarding （

4、AF）中2，共有四个业务类，在每个业务类中，又分为三个丢包等级（分别用绿，黄，红代表）。在发生拥塞时，在采用AF的DiffServ节点，低等级分组（红）将先于高等级分组（绿，黄）被丢掉。AF通过在拥塞时丢弃低等级分组多于高等级分组来实现多等级服务。由于队列管理机制涉及在队列满时选取丢弃的分组的问题，因而队列管理机制成为影响AF性能的重要因素。尽管在AF机制中并未明确要求缓存区队列类型，但显然RED更符合要求3。针对多个丢包等级提出了RED的一些变形如RIO 、WRED等。2. DiffServ中存在的问题在IETF中，一些工作组通过仿真实验研究了DiffServ体系结构的不同方面。近来通过对A

5、F PHB 的研究发现了一些影响各业务类间带宽公平分配的因素。这些因素导致了高负载网络中带宽的不公平分配。其中一个关键的因素是UDP等不响应的流的存在。而当这些不响应流与TCP等响应流同属一个AF类时，不公平性更加严重。其中响应流是指有与TCP拥塞控制机制相兼容的机制的流。而不响应流大量恶意发送时，我们称其为病态流。以上所谓不公平性是指病态流侵占响应流应占的带宽。我们通过以下的仿真实验证明这种不公平性的存在。图1所示为仿真网络拓扑。我们使用了三对源(S0, S1, S2)，目地(D0, D1, D2)节点。它们之间由DiffServ网络连接。DiffServ网络由两个边缘节点（E1, E2）和

6、一个核心节点(C)构成。这些源、目的对间有足够量的交互业务。在S0与D0和S2与D2 间各有10个TCP流，其上层业务为ftp。此外，我们在S1与D1间用一个使用UDP协议的CBR流来代表不响应病态流。在核心路由器处，S0、D0间流为第一服务类的业务，其服务约定的发送速率为7Mbps, S1、D1间及S2、D2间流为第二服务类的业务, S2、D2间流的服务约定的发送速率为1.5Mbps, S1、D1间流的服务约定的发送速率为1.5Mbps。核心是用WRR调度机制，第一服务类的业务与第二服务类的业务的权重比为7：3，以实现两类业务间的服务差别。S1、D1间CBR流的发送速率分别取服务约定的发送速

7、率的1、2、4、6、8、10倍重复进行仿真实验。每次仿真时间均为200秒。图 1. 仿真网络的拓扑结构图7。同级别响应流与病态流所占带宽的比值变化图6。高级别响应流与病态流所占带宽的比值变化 图5。高级别响应流的吞吐量与病态流吞吐量变化图4。高级别响应流的吞吐量与病态流吞吐量变化情况图3。同级别响应流的吞吐量变化情况图2。高级别响应流的吞吐量变化情况仿真结果如图2-7所示。从图中我们可以发现随着病态流的发送速率的增长，响应流吞吐量都大幅度下降，特别是与病态流属于同一服务类的响应流的吞吐量下降很大。当病态流速率变为目标速率的10倍时，高级别响应流的吞吐量下降10.35%，同级别响应流的吞吐量下降

8、12.33%，而不响应流的吞吐量上升了71.66%。按服务约定，带宽在两个服务类间的分配比例为7：3，当病态流速率变为目标速率的10倍时，带宽在两个服务类间的分配比例为3：2。这样就无法满足高服务等级业务对带宽的需求，无法达到QoS的要求，无法实现DiffServ的目标。有人提出通过将不响应流分组与响应流分组分到一个PHB不同的丢包等级中来保护响应流分组。在5和6中就研究了通过设置2个或3个丢包等级来解决这个问题。此外，在7中讨论了将不响应的UDP及响应的TCP业务分配到三个丢包优先权中几个分配方案，并对其公平性进行了评估。但我们认为这种方法存在以下足：首先，要想将不响应流分组与响应流分组分到

9、一个PHB不同的丢包等级，则路由器必须能鉴别出不响应流的分组，而不响应流所使用的协议除了为我们所熟知的UDP外，还有其他一些存在，而且随着多媒体，实时应用的发展，又有人提出了一些全新的协议，这些协议中很大一部分就是不响应的，如果使用上述方法，就需要每出现一种新的不响应协议，就对所有路由器上的策略进行修改。而这是不可能的。此外，如果一些病态流的UDP分组被伪装成TCP分组，边缘路由器将无法鉴别它们，这样上述方法将无法发挥作用。其次，将不响应流分组与响应流分组分到一个PHB不同的丢包等级来保护响应流分组的方法，就意味着通过增加不响应流分组的丢包概率来保护响应流分组，而不考虑不响应流发送速率是否超过

10、其目标速率成为病态流，以及网络中负载情况。这就对不响应流分组的存在着偏见， 对不响应流存在不公平性。而这里我们应注意到我们的真正目的是控制病态流，而非不响应流。而上述方法是一种控制不响应流的方法。最后，当不响应流大量发送，成为病态流时，使用这种方法只能将病态流的吞吐量降到正常值，而不能对病态流进行惩罚，而不惩罚则是对病态流的纵容和鼓励，会导致恶意发送的用户、应用的增多。综上所述，我们认为以上方法并不能到达有效控制DiffServ网络中病态流，实现公平性的目的，为此我们提出一种新的方法解决这个问题。这种方法是一种新的主动队列管理机制，它能够克服以上方法的不足，对DiffServ网络中病态流进行控

11、制。DiffServ网络中，业务的分组被边缘路由器分为OUT、IN两类丢包等级，这样发生拥塞的网络，其核心路由器处OUT虚队列中占高带宽的流可以被看作病态流 。因此可根据OUT虚队列的丢包历史来鉴别病态流，并通过提高这些病态流各虚队列的丢包率进一步来惩罚这些流，这就是这种新的队列管理机制的基本思路。3. 基本队列管理机制FIFO队列机制易于实现，且它不要求路径上各路由器使用统一的排队、丢包及调度机制，因此它适应互联网异构，分布式的特性的要求。但由于它对网络拥塞没有相应的处理措施，因此人们提出了RED机制。RED (Random Early Detection)是一种在路由器处实现的拥塞避免算法

12、。由于持续的长队列是拥塞发生的信号，所以RED通过计算加权平均队长在拥塞发生初期检测到拥塞的发生。每当有分组到达路由器，RED计算加权平均队长并将它与指定的最大、最小阈值比较。如果发生拥塞，它通过丢包或在分组头部置位来发出通知。RED对减少网络拥塞的发生起到了重要作用，但RED在算法中没有采取明确的措施来保证公平性，只是采用概率丢包，到达分组多的流，被丢包的可能性也就大，但实验证明这种方法的公平性的方法并不好16，它不能阻止病态流占用其他流的带宽。而在发生拥塞时控制高带宽流，提高其他流的吞吐量是非常重要的。为此，Floyd Sally提出了RED-PD9等队列管理机制。RED-PD的思想是找出

13、高带宽流然后增加该流的丢包率。这使得高带宽流的丢包绝对增加，而保证了公平性。4. 新的主动队列管理机制为控制DiffServ网络中的病态流，保证DiffServ网络中带宽分配的公平性，我们提出了一种新的主动队列管理机制。a) DiffServ网络中的队列结构通过丢包等级来实现服务等级差别时，属于同一应用数据流的分组可能被赋予不同的丢包等级，这是由它是否符合服务约定决定的。在AF中，要求同一数据流中的有不同丢包等级的分组不会被路由器乱序，而乱序会导致TCP及使用UDP的实时应用的性能下降。图 8.AF服务的队列结构在AF服务中，队列由四个物理队列构成，每个物理队列与一类业务响应。每个物理队列又由

14、三个虚拟RED队列构成，每个虚队列与一个丢包等级对应，如图8所示。每个业务类与丢包等级的组合与一个代码点DSCP (Differentiated Services Code Point)相应，这个代码点指示一定的服务级别。之所以采用四个物理队列，每个物理队列又分为三个虚队列的结构是采纳了2中的思想。用户也可根据实际情况进行配置，而不是用全部队列。调度算法可采用wrr，wirr，Priority等。队列管理机制可以采用RED的各种变形，如RIO，WRED等。b) 新的主动队列管理机制的基本思想 Floyd Sally 10及其他研究者发现占网络中绝大多数的比特是由占网络中总流数极少比例的流发送的

15、。图9所示为2000年8月对UCB DMZ 作1小时跟踪的结果。它显示了在给定时间间隔中占给定比例的比特所对应的流在总流中所占的比例。我们可以看到网络中80%的比特是由占网络中总流数不到1%的流发送的，同时我们可以发现这个特性在时间间隔长短变化时都是成立的。这就说明网络中的病态流在总流数中占的比例很小，找出病态流，并控制病态流所需保留的流状态很少（与保留所有流状态相比），这一方案不会破坏DiffServ网络的可扩展性。因此这个特性为鉴别高带宽流的想法提供了理论支持。在DiffServ网络中，符合服务约定的分组加“in”的标记，并进入“IN”虚队列，不符合服务约定的分组加“out”的标记，进入“

16、OUT”虚队列。显然，当链路拥塞时，“OUT”中的高带宽流可被认为是病态流。我们的新的主动队列管理机制就是基于这种假设。路由器可通过直接计算到达速率和“OUT”队列处每个流在给定时间间隔中的丢包率来检测病态流。然而，在路由器处维护每个流到达速率及分组丢包率的复杂信息是不必要的，也是不可能的。由于在路由器处到达速率高的流丢包数多。如果路由器检查其“OUT”虚队列的丢包历史记录，它可以通过找到那些丢包多的流而鉴别出病态流。Floyd Sally 13曾证明RED的丢包历史记录可用于有效的估计流的到达速率。丢包历史记录可给出流的丢包率并可粗略估计流的到达速率。因此，RED的“OUT”虚队列的丢包历史

17、记录可用于检测病态流。这里所用到的理论基础是丢包是到达流的无偏取样。在“OUT”，“IN”队列前设置滤波器。滤波器只在网络除险拥塞征兆的时候发挥作用 ，从而保证了较高的网络利用率。所有被检测出的病态流都经过这些滤波器，以一定的概率丢包，然后放入输出队列。未被检测出的流被直接放入输出队列。通过提高这些病态流虚队列的丢包率来减少病态流对带宽的占有量，甚至可以通过提高其丢包率来进一步惩罚那些恶意流。从而解决了DiffServ网络高负载情况下带宽的不公平分配问题。图10形象的描述了这种机制实现公平性的基本方法。二 研究目标及意义1. 通过仿真试验的方法，研究DiffServ网络高负载情况下带宽的不公平

18、分配问题，研究UDP等不响应的流的存在，特别是当这些流与TCP流同属一个AF类时，不响应流恶意发送对其他流的影响。2. 研究相关机制的思想及具体实现，并在此基础上提出新的主动队列管理机制实现的具体方法。3. 在ns的DiffServ模块中实现这种主动队列管理机制，并通过仿真实验验证其可行性，有效性，强壮性。4. 尝试这种主动队列管理机制在linux内核中的实现，并验证其可行性，有效性，强壮性。三 完成课题条件1. 所在课题组配备有SUN工作站，IBM小型机，及大量的pc机，为进行细致，精确的仿真，提供了有利的硬件条件。2. 仿真工具NS（Network Simulator）17是由LBNL (

19、 Lawrence Berkeley National Laboratory ) 的网络研究小组开发的网络仿真工具。NS是一种可扩展、易配置、可编程的事件驱动的网络仿真软件。NS支持许多基本的协议，如TCP协议，路由协议等。使用包含DiffServ模块的ns来实现仿真实验14，15。DiffServ结构体系主要由三部分组成。首先是策略和资源管理部分，这一部分进行网络策略的创建并将策略发送给DiffServ的路由器。其次是边缘路由器部分和核心路由器部分。为在ns 中设计实现DiffServ结构，在类的层次结构中增加了五个模块：一个用于基本的DiffServ路由器的功能（dsRED），一个用于基于

20、RED的排队机制，一个用于与策略有关的功能，两个分别用于边缘路由器及核心路由器。每个模块定义了一个单一的类。使用上述模块，可实现细致，精确的仿真。我在以前的课题研究中曾使用过ns仿真软件，对其结构、实现有一定了解。这为对RIO-SD的研究提供了有利的软件工具。3. 所在课题组有理论、实践经验丰富的老师和同学，其中有些人在相关方向的研究上有较深的造诣，可以为本课题的研究提供指导和帮助。4. 在以前的课题研究中曾研究过RED，CSFQ等队列管理机制。这为新的主动队列管理机制的研究提供了一定的理论基础和经验。四 课题进展计划2001.12-2002.2 进行仿真试验，研究DiffServ网络高负载情

21、况下带宽的不公平分配问题。2002.3-2002.5 查阅相关论文，研究相关机制的的思想及具体实现，并在此基础上提出新的主动队列管理机制实现的具体方法。2002.6-2002.9 在ns的DiffServ模块中实现这种队列管理机制，并通过仿真实验验证其可行性，有效性，强壮性。2002.10-2003.1尝试这种队列管理机制在linux内核中的实现，并验证其可行性，有效性，强壮性。2003.2-2003.5 撰写毕业论文，准备答辩。五 参考文献1 Blake, S., Black, D., Carlson, M., Davies, E., Wang, Z. and W. Weiss, “An A

22、rchitecture for Differentiated Services”, IETF RFC 2475, December 1998.2 Heinanen J. et. Al., “Assured Forwarding PHB Group”, IETF RFC 2597, June 1999.3 Sally Floyd and Van Jacobson. Random Early Detection gateways for Congestion Avoidance. IEEE/ACM Transactions on Networking, Vol.1(4):pp. 397413, A

23、ugust 1993.4 Seddigh N, Nandy B, and Pieda P, Bandwidth Assurance Issues for TCP flows in a Differentiated Services Network, to be presented at GLOBECOM 99, Rio De Janeiro, December 19995 Jain R., Liu C., Goyal M. and Durresi A., “Performance Analysis of Assured Forwarding”, IETF DRAFT, February 200

24、06 Elloumi O., De Cnodder S. and Paurwels K., “Usefullness of three drop precedences in Assured Forwarding service”, IETF DRAFT, July 1999.7 Seddigh N., Nandy B. and Pieda P., “Study of TCP and UDP Interaction for the AF PHB”, IETF DRAFT, September 1999.8 Goyal M, Durresi A and Jain R, Effect of Num

25、ber of Drop Precedences in Assured Forwarding, Internet Draft, , June 19999 Ratul Mahajan, Sally Floyd, and David Wetherall, “Controlling High Bandwidth Flows at the Congested Router”, 9th International Conference on Network Protocols (ICNP), November 2001.10 Ratul Mahajan, Sally Floyd, and Vern Paxson, “A Measurement Study of Traffic on a Wide-area Link”, 2000. Work in progr