IP QoS体系结构综述

1、计算机系统与网络QoS体系结构综述*樊秀梅林闯(清华大学计算机科学与技术系,北京,100084摘要:随着计算机网络规模、用户数量的迅猛增长,以及多媒体应用的不断发展,近年来发展的几种新型分布式应用、多媒体实时应用和综合分布式控制等,已从单纯的数据向语音、图像、动画、视音频等多媒体信息扩展,它们对服务质量(QoS:Quality of Service保证是较为敏感的,迫切要求计算机系统与计算机网络能够提供应用所需求的服务质量。QoS问题成了网络发展的重要瓶颈和研究热点。在应用的推动下,国内外同行对各种应用环境下的QoS问题进行了大量的研究与论证,已取得了一些基本的阶段性成果。本文综述了这一领域的

2、相关工作和存在的问题,并提出了一种基于网边缘控制的可扩展Internet QoS体系结构,该体系结构的实现可以更好地适应应用和下一代网络的需求。关键词:QoS体系结构,资源分配,可扩展性。中图法分类法:TP393 文献标识码:AComputer System and Network QoS Architecture OverviewFan Xiumei Lin Chuang(Department of Computer Science and Technology, Tsinghua University, Beijing, 100084 Abstract: Along with the in

3、creasing of computer network size and user number, some new distributed applications and media real-time application have a new need from data transmission to media information transmission. These applications is sensitive for network QoS, and they require imminently that computer system and compute

4、r network can provide the QoS of application need. The QoS problem become an importance bottleneck and research hotspot of network. Driven by application, the international researchers have done many researches and argumentations, and have gained some basal productions. In this paper, we summarize t

5、he correlative works and problems of this domain. In the last ,we provide a sort of Internet QoS Architecture based network edge controlling. The realization of this architecture can adapt the need of application and NGI.Keywords: QoS Architecture, resource distribution, scalable1 引言今天的Internet提供一个基

6、本的服务模式,即“best-effort的数据报传递。在这种模式下,网络使用的是FIFO排队策略,这就导致某些源可以抢占大量带宽,而剥夺了其他源的权利,例如一个人可以运行多个WEB浏览器或开始多个FTP连接,从而占用充足的带宽,这就影响了“best-effort模式下的其他用户的使用。尽管Internet的无状态性(即路由器不需保持任何流的状态信息使得Internet是高度可扩展的和健壮的,但是,随着Internet逐渐发展成为一个全球性的商业基础结构,人们期待着Internet可以提供更多的新的应用,如IP电话、VOD、电子商务、远程医疗、视频会议等,这就对现行的“best-effort网络

7、提出了挑战,急迫需要网络能够提供应用所需求的服务质量(QoS。不同应用领域的快速增长和共存对QoS的提供提出了重大的挑战,如多媒体和电子商务等。在不同的领域都有对QoS的考虑,例如分布式系统平台、操作系统、传输系统和多媒体网络等,QoS保证已成为分布式多媒体系统和互联网络的一个基本的端到端问题。*本课题得到国家重点基础研究发展规划(973计划项目(No.G1999032707、国家高技术研究发展计划(863计划课题(No. 2001AA112080资助。作者简介: 樊秀梅 (1967-,女, 博士后,副教授,主要研究领域为计算机网络,QoS路由,网络体系结构,系统性能评价等; E_mail:x

8、mfan ;林闯(1948-,男,博士,教授,博士生导师,主要研究领域为系统性能评价,计算机网络,随机Petri网,逻辑推理模型等。在过去的十多年中,QoS问题成了研究的热点和难点。在这个领域中已经有很多的研究组提出了一些研究成果,他们分别侧重在不同的结构层进行研究,诸如分布式系统平台、操作系统、传输子系统和网络层等。本文中,我们对Internet QoS进行了一个新的探索,提出了基于网边缘控制的可扩展Internet QoS体系结构,简称为SQAE。我们的QoS构架和已有的QoS构架的不同在于如下三点:(1该体系结构中的QoS 控制决断将主要由边缘路由器做出,核心路由器的任务将简化为通报网络

9、信息和协调边缘决断这两个较为简单的功能,而大量复杂的、较为慢速的计算工作将被推到网络边缘去完成。(2该体系结构是一种互动式自组织自适应结构。(3本体系结构保持了核心无状态的特性,具有较强的可扩展性。在本文第二部分,简单介绍了一些背景知识;在第三部分中,评价了几种已经被电信、计算机通信和标准化组织发展的QoS体系结构;在第四部分,我们提出了一种新的QoS体系结构;在第五部分,对这些QoS体系结构进行了比较和讨论;在第六部分,提出了目前QoS体系结构存在的问题和今后的研究方向。2 背景知识介绍在多媒体通信系统,用户/应用要求被映射成满足一定要求的通信业务。不同的应用有不同的要求,所以必须将需求参数

10、化,避免新的应用需要新的业务实现。这就要将用户/应用需求的QoS描述使用统一的参数描述,QoS描述是和应用层QoS要求和管理政策有关的。QoS描述在每个系统层都是不同的。因此,QoS描述只表明应用要求什么,而不是如何去实现这种QoS机制。下面是一些常用的QoS描述参数,但也不仅仅局限于这些:分组延迟(packet delay:描述了分组从源到目的地传输中所花费的最大时间。延迟抖动(delay jitter:描述了连续分组之间延迟的最大变化。延迟抖动的限制对多媒体实时应用是非常有用的,因为大多数多媒体实时应用希望提供给用户一个稳定的帧速率。带宽(bandwidth:指的是每时间单位发送到网络上的

11、总的数据量。分组丢失率(packet loss rate:指的是每时间单位丢失的最大分组数。吞吐量(application throughput:指系统有效的处理信息量。服务代价(cost of service:它表明用户为得到需要服务级别所付出的代价。服务代价是一个非常重要的要素,因为如果没有服务代价问题,那么用户就没有理由不去选择最大级别的服务,如保证服务等。复杂度(complexity:通常指有效完成信息传输的难易程度的一个量化级数。在任何时间、任何地点、并通过任何计算设备的多媒体服务提供正逐渐变为事实。应用层多媒体服务变得比以前更加普及、更加复杂、亦更具有动态性,例如媒体点播、数子图书

12、馆、在线教育和实时监视等应用。所有这些应用都对网络提出了各种不同类型的服务质量要求。QoS研究已成为目前学术界和工业界的一个热点问题,已有许多这方面的工作与成果报告,但已有的研究也存在着一些问题,主要问题可以总结如下26:服务的不完全性(incompleteness in service:目前的服务界面通常不是QoS可配置的,并且只提供连续媒体的控制和管理工具。缺乏支持QoS保证的机制(lack of mechanisms to support QoS guarantees:研究需要在分布式控制、监控和维持QoS机制,以使得服务的定制标准是可预言的和可确定的。缺乏连续性(lack of con

13、tinuity:目前的QoS出发点是基于网络的,并没有将其扩展到端系统,即QoS是从提供者的角度来考虑并分析网络性能的,而没有从应用需求的质量来考虑研究。缺乏全面的构架(lack of an overall framework:缺乏一个全面的体系结构构架去建造不同系统级别和不同网络体系结构间的现有的QoS概念。3 研究进展近年来,许多研究机构和研究者都对QoS问题进行了深入的研究,已取得了一些有意义的研究成果,本节将对不同环境下的几种QoS体系结构进行简单的介绍和分析。3.1 OMEGAOMEGA 3, 4是一个体系结构,它是由Pennsylvania大学开发的,它的目标是在网络多媒体系统提供

14、端到端QoS保证。OMEGA是一个各学科研究的综合成果,它研究了应用QoS要求和局域、全球资源管理去满足应用到应用的实时保证。OMEGA的构建者认识到,端到端QoS不仅仅是要求网络QoS,并且也要求CPU 和存储QoS,以确保网络QoS是有效的。OMEGA体系结构的关键部分称为QoS Broker,QoS Broker的作用是和所有的系统成员协商资源处理。为了简化QoS请求,用户不必和下面的预留系统交互,只需和QoS Broker5进行交互,其结构如下图所示: 图1: The OMEGA QoS Broker( This figure is copied from 4QoS broker(经纪

15、人可以提供三个重要的功能:QoS broker将高层的QoS请求(如“我想发送视频流,它是120×60,以每秒20帧的速率”转化为适当的下层QoS需求(如带宽和丢失率。为了用户的利益,QoS broker需要和下面的不同的预留系统通信,以此减少用户和不同的预留系统交互的复杂性。QoS broker提供本地均衡(local balance和全网均衡(global balance。OMEGA系统也存在有一些不足点,可概括如下:OMEGA系统综合不同类型的QoS仅仅是为了提供网络QoS,不能更加灵活地帮助应用去使用他们想要的无论什么类型的QoS。OMEGA系统主要是提供多媒体应用,因此对转

16、化应用QoS需求到低层QoS需求的QoS broker可以进行合并。OMEGA系统要求用户在网络通信时使用一个特殊的库,而不是标准的接口。这对系统是有益的,因为OMEGA可以确保通信处理使用了CPU预留,但是它却增加了程序员的额外负担。而程序员为了接收QoS,希望尽可能少的修改他们的程序,并且他们希望当QoS机制不可用时,他们的程序也可以不需修改的进行运行。OMEGA体系结构的本质是资源预留和端到端的资源管理。其体系结构可分成通信模型和端点的资源模型。通信系统是一个如图2所示的两层系统。传输子系统是基于性能原理的。应用子系统包含应用层和会话层功能。资源保证是在呼叫建立其间由QoS Broker

17、 protocol来进行协商6。 图2:OMEGA通信模型(copy from 63.2 QoS-A(QoS ArchitectureQoS-A7是一个提供端到端QoS的通常的体系结构,它是由Andrew Campbell研究开发的。因为单独的网络保证常常是不够的,QoS-A是一个完全的体系结构(虽然只有部分被实现,它论证了使用不同QoS类型的综合如何去实现端到端的QoS保证。QoS-A给出了一个构架,它指定和实现了通过A TM(asynchronous transfer mode的连续媒体应用的性能要求。文献8指出,在端到端基础上,QoS是可配置的、可预言的和可维持的。图3是一个媒体流通常的

18、端到端QoS控制和管理流程。 图3:媒体流的End-to-End QoS(Copy from 7随着多媒体信息交换的出现,对通信提供提出了更强烈的要求。多媒体被连续媒体流所刻划(例如,声音、视频、高质量音频和图形动画(graphical animation。连续媒体流在通信时比静态媒体流(如文本、图片和图表等有更高的要求。不同类型的连续媒体流要求不同标准的延迟、带宽和延迟抖动,同时也要求这种标准的业务被维持的保证。例如,视频通信要求高吞吐量保证,而电话音频只要求适度的带宽。误码控制也应当是可配置的。QoS-A的结构和资源管理结构如图4、图5所示: 图4:QoS-A结构(copy from 7

19、图5:QoS-A 资源管理树(copy from 7除best-effort传输外,QoS-A也提供两种端到端保证,即hard保证和soft保证。hard保证有严格的性能要求,如保证业务;soft保证对服务质量的小的变化是可适应的,如统计业务。在保证承诺和统计承诺之间的一个主要区别是:保证承诺是基于固定的资源分配,这里是没有资源增加是有效的;统计承诺是基于共享资源分配的,它鼓励高度的资源利用9。QoS-A也提供线程调度、端系统的流整型、缓存管理和抖动修正去确保服务保证被实现。QoS-A的主要应用领域是网络多媒体应用,它也可以被应用在非多媒体程序,但是它对不要求网络QoS,而希望其它QoS类型,

20、像CPU 和磁盘QoS的应用是并不明显适用的。3.3 2K Q2K Q10,23是2K系统的一部分,它为2K系统提供一个QoS管理构架。它是一个统一标准的QoS构架,作为一个CORBA业务被实现。它提供一些方法去转换端用户QoS参数、选择的资源和制造预留等变成为端到端的QoS参数。2K Q接受应用输入的功能图、转换QoS说明为特殊参数的规则和可使用资源的描述,然后编辑这三个用户输入成为特定资源的特定QoS参数。对这样的一个系统,我们可以大致将QoS需要转换为任意的特殊应用。2K Q也可以提供一个好的联合预留机制,开发者称之为多资源预留(multi-resource reservation 11

21、。用户提供描述他们程序构成之间的连接图。2K Q使用一个算法去选择资源,它将使得用户的请求在对系统有最少影响的情况下得到最大量的完成。当然,这就需要有多个可用资源去完成用户的请求。2K Q的框架图见图6示。 图6:2K Q Framework ( copied from 23 2K Q构架的本质特点是将端到端的QoS处理划分成分布式的QoS编辑。2K Q构架用两步建立QoS契约: (1分布式QoS编辑阶段;(2运行阶段;3.4 QuO(QoS for CORBA ObjectsQuO (Quality of Service for CORBAObjects 12与先前描述的QoS方法不同。Qu

22、O的开发者有一个研究分布式面向对象应用的背景。他们发现在本地系统和局域网(LANs开发的应用在广域网(WANs工作的并不好。QuO是一个基于CORBA的QoS系统,它提供三个重要的特性:QuO在客户和他们使用的对象之间提供连接。当质量不同时,对象可以指定质量的区域,并提供不同的实现。例如,一个方法可能在高带宽环境下与低带宽环境下使用不同的算法。这就允许应用在运行时间内很容易地适应多种多样的环境。QuO决定一个外在对象的规划决定,以便于可以得到较好的适应性。例如,结构描述语言描述了一个对象要求的资源。用户指定高层的QoS需要。例如,一个程序员请求每秒1000个远程目标激活(invocation来

23、代替一个5Mb/s的请求。应用不需要担心低层QoS执行QuO uses,诸如RSVP或DiffServ业务的网络QoS。QuO是一个对高层程序员提供有用QoS的一个极好例子,这里高层程序员需要QoS但不希望负担所有低层细节,且希望开发在不同环境下都可以灵活运行的程序。无论如何,QuO的确要求应用使用面向对象的程序和CORBA。3.5 GARA(General-purpose Architecture for Reservation and AllocationGARA13是一种提供预留和分配系统的通用目的而设计的QoS体系结构。GARA给程序员和用户提供计算机应用的端到端QoS的便利接入。GA

24、RA为不同类型的QoS资源预留提供统一的机制,包括计算机、网络和磁盘。GARA仅仅使用明确的预留。GARA是一个简单系统,它为高端应用提供端到端QoS保证。为了确保应用得到他们所需要的性能,端到端QoS保证不仅包括传统的网络QoS,并且也包括其它类型的QoS,诸如CPU和磁盘QoS。GARA 为不同类型的QoS提供统一的形式,它的具体工作流程可以表示如图8所示: 图8:GARA的具体工作流程图一个程序向GARA仲裁人提出请求,仲裁人调和接入到资源管理员。如果一个预留可以被制造,GARA 仲裁人返回一个预留句柄描述预留。通过修改、取消或询问,预留句柄可以被用来操作预留。GARA也可以对程序提供异

25、步反馈。也就是说,当预留有一个改变时,程序可以被马上通知这个改变。GARA体系结构有四个主要的特征:GARA对预先的和即时的不同类型的资源的明确预留提供一个单一的接口。注:其它可比较的系统不提供预先预留,或不提供统一接口,或两者都不提供。因为GARA对不同类型的QoS提供一个统一的接口,所以在GARA上建立高层应用是容易的。分层GARA体系结构允许扩展新的资源类型变得可用。GARA使用一个安全的基础结构,以便所有的预留请求被安全地鉴别和审定。对一个允许预留的系统来讲,安全是一个重要的方面,但是,许多QoS系统不提供安全保障。GARA体系结构可以描述如图9所示:CORBA (The Common

26、 Object Request Broker Architecture 图9:GARA体系结构描述(copy from 13从图上可以看出,GARA是由三层组成:高层业务层、仲裁层、管理层。仲裁层提供统一的预留机制访问,高层业务层在仲裁层之上建立一个有用的业务。为了简单起见,用户可以选择和高层业务层进行交互,或为了灵活直接和仲裁层进行交互。3.6 ATM QoS:Cell switching-based QoS support异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode ATM最初的设计是用来支持宽带综合业务数字网(B-ISDN的。这是解决业务区分问题的其中一个最早的技术

27、标准。在ATM构架中,可以根据流的类型选择五种不同的业务类,分别为:CBR (Constant Bit Rate, ABR (Available Bit Rate, VBR-rt (Variable Bit Rate real time, VBR-nrt (VBR non real time and UBR (Unspecified Bit Rate 业务14。ATM对单流提供一个QoS支持机制,即如果被接受,则满足要求业务特性的专门端到端虚电路被建立。ATM连接可以被静态地和动态地建立或释放,并且仅仅通过可实现统计资源复用的动态连接来获得更有效的带宽。3.7 IntServ(Integrat

28、ed ServiceIETF的IntServ(Integrated Services组的工作是对多媒体应用提供QoS保证的重要贡献。IntServ组定义了一个全面的综合服务模式15和指定互连网系统成分功能的QoS构架16,17。IntServ的本质是为每一个特定的流预留资源(带宽和缓存空间,以使得在需要时,服务质量可以得到保证。除了目前的best-effort业务,IntServ也提供如下的业务17:controlled delay,该业务试着提供几个延迟标准,应用可以在其中进行选择。predicted delay,该业务提供一个统计的延迟界限。guaranteed delay,该业务提供一个

29、完全保证的延迟界。IntServ 的提供是由四部分组成的:分组调度器,它使用一组排队和计时器来传递分组,基于一定的调度算法对分类后的分组队列进行调度服务。常见的算法有WFQ、WF2Q、SCFQ等。分类器:映射每一个输入分组成一组QoS类,即根据预置的一些规则,它对路由器的每个分组进行分类。分组经过分类后被放到不同的队列中进行等待服务。这方面技术很不成熟,有待研究。接入控制器:它执行接入控制算法来决定是否一个新流被同意接收或拒绝。IntServ需要接入控制来限制网络接受的流量,从而为已有流的QoS提供足够的资源。各节点处理预约请求时,应判断能否在不给已有流造成不良影响的情况下,接受新的预约。预留

30、协议(如RSVP:在沿着流路径的路由器上产生和保持指定的流状态是必需的。RSVP是Internet上的信令协议。通过RSVP,用户可以给每个流申请资源预留,这种预留需要在路径上的每个点都要进行。RSVP是IntServ的核心。RSVP是一种由路由器进行源业务广播和预留建立的信令协议,它支持每流QoS。RSVP产生每流业务说明,所以它提供一个较精确的QoS。在使用中,RSVP是完全独立于数据链路技术的,所以它也可以被配置在广域ATM网络。RSVP的信令建立如图10所示: 图10:RSVP 信令建立过程IntServ的工作是在每流基础上提供上保证QoS保证的一个有意义的贡献。IntServ主要的不

31、足有:其工作方式是基于流的,需要复杂的资源预留、接纳控制、QoS路由和调度机制。在大规模网络中,链路的状态是不确定的,带宽的有效预留是一件困难的工作。 RSVP的有效实施必须依赖于分组所经过路径上的路由器。但是许多现有路由器和交换机不支持RSVP,无法实施真正意义上的资源预留。在经过路由器中需保留每流状态,可扩展性较差。iv 提供较好QoS保证的IntServ具有某种面向连接的特性,而IP网络本身是不具有面向连接特性的,故在具体实施中,如何与现有网络互连也是一个困难。3.8 DiffServ(Differentiated Service为了克服IntServ的不足,IETF在RFC2475中提

32、出了DiffServ(Differentiated Service18体系结构。DiffServ 比IntServ简化了信令,将业务分成不同的业务类。每种业务类定义一组单向的分组传输特征,由区分服务码(DSCP标识。DiffServ通过汇聚和PHB方式提供一定程度上的QoS保证。DiffServ27的本质是划分流成不同的类,并且给予他们不同的对待,特别是当有资源短缺时。DiffServ主要提供两种服务:奖赏服务(Permium Service,PS:为用户提供低延迟、低抖动、低丢失率、保证带宽的网络边界传输服务,是目前DiffServ定义的最高级别服务类型,又称虚拟专线;每个用户和其ISP之间

33、协商一个SLA(Service Level Agreement,SLA中明确说明特定流或是特定集成流所需的峰值速率;用户负责不超出SLA中说明的峰值速率,ISP保证合同协商好的带宽总是可用的。SLA可以是静态的,也可以是动态的。PS 服务主要被用到实时应用或命令流,诸如网络控制等。确保型服务(Assured Service,AS:提供比Best-Effort尽量好的QoS;提供一种机制来保证先丢弃不符合服务描述的分组;AS服务的用户与其ISP之间的SLA指定分配给用户的带宽总量,客户负责如何共享带宽;这些AS服务在网络拥塞的情况下仍能保证用户拥有一定量的预约带宽;当网络负载有空闲资源时,用户也

34、可以拥有更多的资源。AS服务可以用来提供非实时交互式应用,像Web浏览。AS服务也可以细分为两个子类:Gold 和Silver. AS服务中的SLA一般是静态的,用户可以不通知他们的ISP就可以开始数据的传输。DiffServ模型可粗分为四部分组成:服务描述(Service Profiles:指哪个流量应做什么处理以及请求何种服务。分组分类(Packet Classification:DS域的边界路由器必须检查所有接收分组是否符合其服务描述,并作出相应处理;对不满足描述的分组,既可丢弃,也可以高丢弃优先权发送到网络中。对分组作标记(Packet Marking:在分组进入网络时,边界路由器还必

35、须标识分组,给她们赋予适当的值,使核心路由器可以有区别地对分组作出处理。区分式排队(Differenertial Queuing:核心路由器必须对不同的分组做不同的处理,为此,核心路由器需有多个队列,并采用某种排队规则。DiffServ的体系结构可以表示如图11所示: 图11:DiffServ的体系结构(copy from 28DiffServ模型与IntServ模型有很大的不同,其特点可以描述为四点:增强边界功能,简化核心功能: DiffServ中引入了DS域(DiffServ Domain概念。DS域可与一个或多个DS域或非DS域相连;DS域分为边界节点和核心节点;边界节点实现分类、调节、

36、保存流状态、标记、整型、丢弃等行为;核心节点仅需根据其标记作简单的PHB转发操作即可;较粗的区分粒度:DiffServ不按每个流作区分,而是根据延迟等指标预先定义少数的类,为不同的类提供不同的服务。这样,无论流的数目如何增加,DiffServ只提供有限的几类服务,因而具有良好的可扩展性。服务的提供相对集中。没有绝对的服务保证:内部路由器只处理聚合流,对单个流不区分,所以无法优先处理一个特定的流请求。DiffServ的实现简单、扩展性好,但也存在如下一些不足:不能提供端到端的QoS保证,而端到端的QoS保证一直是IP QoS 研究的基本目标。DiffServ只能使类型不同的业务享受不同的处理速度

37、、平均带宽和平均丢失率。仅是一种统计上的有限处理,所以仍不能很好地保证业务流的QoS。DiffServ的有关细节IETF没有给出具体明确的规定,如业务类别的具体划分、每类业务性能的量化描述、IP业务类别与ATM QoS的映射等。3.9 SCORE(Stateless CoreSCORE19体系结构是近来由Carnegie Mellon大学的Ion Stoica等研究者提出的核心无状态体系结构。SCORE的关键技术是DPS(Dynamic Packet State,DPS的关键思想是用分组携带状态信息来代替路由器保持每流状态。用这样的方法就可使路由器不保持每流状态,但仍可以在每流基础上处理分组。

38、SCORE体系结构将网络分为边缘节点和核心节点。网络边缘节点为每个流保留状态信息,并由边缘节点将部分状态信息记录在其每个数据包的头部,头部信息随数据包在网络节点间的转发而不断更新。核心网络节点不保持任何流状态,而是根据包头的状态信息和网络的现有状态信息进行处理。SCORE体系结构的模型与有状态网络的模型比较如图12所示: 图12: (a 有状态网络的参考模型(b 无状态核网络模型(Copied from 19SCORE的特点是核心无状态,明显的不足在于:对现有的网络协议进行了一些改动,在分组头上加入了一些流状态信息。为了保持同步,加入一些空分组,浪费了带宽。需区分边缘节点与核心节点,增加了复杂

39、性与可操作性。仍存在着健壮性和可扩展性问题。3.10 MPLS(Multi-Protocol Label SwitchingMPLS 20修改了传统的IP 路由机制:每个路由表进程被分配一个唯一的标签,代替了每分组路由表查找。MPLS 综合了2层交换和3层路由。它在一个单一的基础结构里融合了A TM 性能和IP 路由的有效性。MPLS Network 的基本模型及其具体传输见图13、14所示: 图13:MPLS Network 的基本模型(copy from 24 图14: MPLS 的具体传输其中,LSR(label switching router为标签交换路由器;LER ( Label

40、Edge Router为标签交换边路由器;LSP( label switched paths为标签交换路径;3.11 Traffic Engineering流量工程是网络规划和网络优化的一个迭代处理21。网络规划是用系统的方法去改善网络体系结构(拓扑和链路容量,以使得网络是易于操作的、健壮的和可适应的。网络优化是在现有网络基础构造下控制业务的映射和分配,以利于避免和/或减轻拥塞,因此优化了资源利用。基于约束的路由、多协议标签交换、加强的链路状态IGP 以及路径信令协议都是有用的流量工程工具22。流量工程的使用可以避免由不均匀流量分配引起的拥塞,所以流量工程对提供QoS 是有用的。 4 基于网边

41、缘控制的可扩展Internet QoS 体系结构(SQAE 4.1 SQAE 的主要思想为了更好适应网络发展与应用需求,本文提出了一种网边缘控制的可扩展Internet QoS 体系结构。本体系结构中采用了探测分组、染色分组和信息分组三类分组,并通过智能控制系统来控制三类分组的比例关系,有效地提供用户所需求的QoS 。本体系结构克服了现有机制的流状态保持,并通过用户的自组织行为来加强网络的自适应性与可扩展性。在用户端,用户提出一个QoS 需求,然后发送带有QoS 需求的信息(information ,信息分组到达边缘路由器时,边缘路由器使用人工智能的技术同时也产生一定比例的探测(probe 分

42、组。探测分组到达目的地时,目的地根据用户的QoS 需求产生一个或几个染色(chromosome 分组。染色分组到达边缘路由器时,边缘路由器根据一定的规则修改染色分组所携带的信息,然后让其原路返回用户端,并在返回途中调整经过路由器的行为规范。而信息分组则按照路由表信息进行传输。这样，在网边缘控制的 IP QoS 体系结 构中，边缘可根据用户的要求与行为来调整网络的服务提供。同时，在边缘路由器可记录每个流所得到的 服务质量，并依此计费。这样可以避免用户端盲目扩大自己的要求，同时也避免了恶意用户的恶意攻击； 而在核心路由器不保持任何流状态， 具有较强的可扩展性。 网边缘可控的 Internet Qo

43、S 体系结构有效地提高 了端到端的服务保证（QoS） 。 4.2 SQAE 的分组处理流程图 在 SQAE 中，网络分为网络边缘与网络核心，它们遵从不同的分组处理流程，如图 15、图 16 所示。 检测分组类型 到达目的地？ 分类排队 N Y 传递分组 存储探测分组 检测分组类型 多队列调度 Y 分类排队 N 探测分组？ 来自同一源的分 组达到固定数？ 多队列调度 N 染色分组？ N 染色分组？ 按路由表 传递分组 Y 比较这些存储的探测分组， Y 触发路由器更新，传递分组 Y 触发路由表更新 产生染色分组，原路返回 图 15 网络边缘路由器的处理流程 4.3 SQAE 的特点分析 i 图 1

44、6 网络核心路由器的处理流程 该体系中的 QoS 控制决断将主要由边缘路由器做出，核心路由器的任务将简化为通报网络信息和 协调边缘决断这两个较为简单的功能，而大量复杂的、较为慢速的计算工作将被推到网络边缘去完成。这 样，既充分利用了未来网络中边缘的剩余处理能力来构成强大的网络计算实体，又大大减少了网络本身实 施同样计算规模所必须花费的成本。 ii 由网络边缘做出控制决断将更有效地把用户和网络提供的服务质量结合起来，最大限度地满足用 该体系是一种互动式自组织结构，每个网络边缘的工作不仅有利于自己，更多的是使其它边缘受 保持了核心无状态的特性， 即在核心路由器无需为每个流保持流状态， 这与传统的

45、IP 风格相吻合。 网边缘作出的决定是综合了网络的当时状态和用户的实际需求，故具有较强的自适应性。 户的各种应用需求。 iii 惠。经过一段时间的自组织、互动行为，网络对每个用户提供他需要的最佳服务，亦能充分利用网络资源。 iv 具有较强的可扩展性。 v 综上所述，本研究适应当前计算机网络发展的需要，提供一种简单、有效、经济、可靠的 IP QoS 解决 方案，既可以充实这一研究领域，又可以解决目前 Internet 上存在的问题，同时也保护了目前网络的资金投 入，具有有效的经济效益和社会效益。 5 各种 QoS 体系结构的比较 上面简单介绍了一些计算机系统与网络的 QoS 体系结构，它们在应用

46、领域、技术特点等方面都有一些 差异，下面我们通过表格的形式对它们进行比较。 11 表 1：几种 QoS 体系结构的比较 比较特性 QoS 体系结构 应用背景 在网络多媒体系统提供端到端 关键技术 QoS Broker （QoS 经纪人） 扩 展 性 较 差 本质特性 资源预留和端到端 的资源管理 主要不足 要求使用特殊的 网络通信库，而 不是标准接口。 OMEGA QoS 保证， 包括网络 QoS、 CPU QoS、存储 QoS 等。 使用不同环节 QoS 的综合去实 TQM （传输 QoS 管理 、METSP(管理工 器） 程组协议 分层提供一些硬保 较 差 证与软保证。 需要使用特殊的 通

47、信协议和信令 协议。 QoS-A 主要用 现端到端的 QoS 保证， 于网络多媒体应用中。 提供一个将不同领域的应用配 将端到端 QoS 处理 多资源预留 一 般 划分成分布式的 QoS 编辑。 面向对象 一 般 使 用 GARA 在不同的环境下使 用不同的算法。 需要同时有多个 资源可用。 2K Q 置成分布式环境下的统一标准 的 QoS 构架和设计环境。 适用于多个应用环境下的广域 要求面向对象的 程序和 CORBA。 一个应用要求只 允许预留一种资 QuO GARA 网。 为不同类型的资源预留提供统 一机制，包括计算机、网络、 磁盘等。 Arbitrator 来和资源 管理器通信。 较

48、强 源；要求给出明 确的预留参数。 为 Internet 上的多媒体应用提 通过在经过路径上 RSVP （资源预留） 较 差 预留资源来保证 QoS。 RSVP 依赖于路 径上的路由器,需 要保持流状态， 可扩展性较差。 IntServ 供有效的 QoS 保证。 为 Internet 上的多媒体应用提 汇聚和 PHB (PerHop Behave 较 强 划分流成不同的类， 不能提供端到端 并给予不同的对待。 的 QoS 保证；仅 是一种统计意义 上的有限处理。 DiffServ 供有效的 QoS 保证。 SCORE 网络中的 QoS 提供。 DPS (动态分组状态 一 般 在网络边缘和核心

49、需对现有的分组 实行不同处理方法。 结构进行变动， 增加了复杂性。 MPLS Traffic Engineering SQAE 标签交换 较 差 综合了二层交换技 术和三层路由技术。 拥塞控制 所有的网络环境下。 为 Internet 上的多媒体应用提 供有效的 QoS 保证。 边缘控制 一 般 避免由不均匀流量 分配引起的拥塞。 较 强 网络的 QoS 控制在 网边缘完成 探测分组的控制 问题需要加强 6 进一步的研究方向 本文介绍了一些已有的QoS体系结构，它们在不同的环境下提供了不同的QoS服务，但是，所有这些 QoS体系结构都存在着一些缺陷与问题，需要得到进一步的改进与提高，这就为我们

50、今后的工作提出了新 的研究方向。我们可以将其概括为如下几点： (1 QoS参数的新类型。 (2 资源预留的新策略。 12 (3 实时情况下的新QoS体系结构机制。 (4 建立一个统一的QoS体系结构。 (5 从应用的QoS需求角度来考虑IP QoS体系结构。 (6 提供完整的QoS体系结构中的各部分的具体实现机制。 参考文献： 参考文献： 1. S. Ranjan, J. Rolia, H. Fu, and E. Knightly，QoS-Driven Server Migration for Internet Data Centers, In Proceedings of IWQoS 200

51、2. 2. Ying Xu and Roch Guerin, Individual QoS versus Aggregate QoS:A Loss Performance Study, IEEE Infocom 2002. 3. 4. K. Nahrstedt and J. M. Smith. The QoS Broker. IEEE Multimedia, 2(1:5367, Spring，1995. K.Nahrstedt and J. M. Smith. Design, implementation and experiences of the OMEGA end-point archi

52、tecture. IEEE JSAC, Special Issue on Distributed Multimedia Systems and Technology, 14(7:12631279, September 1996. 5. 6. OMG, “The Common Object Request Broker: Architecture & Specification, Rev 1.3., December 1993. Nahrstedt, K., and R. Steinmetz, “Resource Management in Networked Multimedia Sy

53、stems”, K. Nahrstedt and R. Steinmetz, IEEE Computer Magazine, May, 1995. 7. Andrew T. Campbell. A Quality of Service Architecture. PhD thesis, Lancaster University,England, January 1996. 8. Anderson, M., Tzou, S.Y., Wahbe, R., Govidan, R. and Andrews, M.,"Support for Continuous Media in the DA

54、SH System", Proc of the 10th International Conference on Distributed Computing Systems, Paris, May 1990. 9. Campbell, A., Coulson, G., García, F., Hutchison, D., and H .Leopold, “Integrated Quality of Service for Multimedia Communications”, Proc. IEEE Infocom93, Hotel Nikko, San Francisco,

55、 CA, March 1993. 10. K. Nahrstedt, D. Wichadakul, and D. Xu. Distributed QoS compilation and runtime instantiation. In Proceedings of the IEEE/IFIP International Workshop on QoS(IWQoS2000, Pittsburgh, June 2000. 11. D. Xu, K. Nahrstedt, and A. Viswanathan D. Wichadakul. QoS and contention-aware mult

56、i-resource reservation. In Proceedings of the 9th IEEE International Symposium on High Performance Distributed Computing (HPDC-9, Pittsburgh, August 2000. 12. J. Zinky, D. Bakken, and R. Schantz. Architectural support for quality of service for CORBA objects. Theory and Practice of Object Systems, 3

57、(1:5573, January 1997. 13. ALAIN ROY, End-to-end Quality of Service for High-End Applications, Ph.D thesis, The University of Chicogo, August 2001. 14. 15. ATM Forum; Shenker, S., Clark, D., and L. Zhang, “A Scheduling Service Model and a Scheduling Architecture for an Integrated Service Packet Network”, Working Draft available via anonymous ftp from parc : /tr