（通信与信息系统专业论文）ip网qos技术的研究及在宽带接入网关中的硬件实现.pdf

p 川( 1 h 拙求晌f j | 。，e ，j 土北窀带接入m 关中的i j l i ! 件凄脱 独创性( 或剑新性) 声明 在人声j = | 所壁宪的沦文建本人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研宄成 粱尽我所知，除了艾中特别加以际；t 和致驸- | 丁所罗执 的内容以外，沦艾中4 ：世冀 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也吓包含为获得北京邮f 乜大学或其他敦肯帆 翰的学位或征书而使用过的材$ ： 。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡t 戢均 已往沦文中作了明确的晚明并表示了驸意。 申请学位论文与瓷料若有不实之处 本人签名：纽殓i 本人承担一切相关贵任。 阿期：哩姜：芝曼：f 2 关于论文使用授权的蜕明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知1 _ 产权单位属北京邮电大学。学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅： 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手 段保存、汇编学位沦文。( 保密的学位沦文在解密后遵守此舰定) 保密论文注释：本学位沦文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文 注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 荔遇缝 f 1 期：丞哩五：! 圭! 丝! 导师签名： 量老违 阿期：2 丝。主。z 翌 p 网o o s 技术的研究及在宽带接入网关中的硬件实现 摘要 传统i p 网络只提供“尽力而为”的数据传输能力。而目前i n t e r n e t 已逐渐从单一的数据传送网向数据、语音、图象等多媒体信息的综合传 输网演化。这些不同的应用需要有不同的q o s 要求，各种应用对q o s 的 需求在迅速增长。因此，自然而然地计算机网络的服务质量q o s 就成为 讨论的热点，是当今国际上网络研究领域最重要、最富有魅力的研究方 向之一，被称为新一代计算机网络的核心问题之一。 网络q o s 的研究大致包括体系结构、协议标准和机制算法这三方面 的内容。因此，本文的前二章首先从i p 网q o s 的体系结构入手，介绍 了i e t f 为了满足互联网上各种业务对q o s 的需求而提出的两种服务模 型：综合业务模型( i n t s e r v ) 和区分业务模型( d i f f s e r v ) ，并指出将两者 结合起来实现端到端的服务质量保障是i pq o s 体系结构发展的趋势。 而关于防议标准的研究不是本文的重点所在。接着对q o s 的实现机 制一一流量控制和拥塞控制技术进行了探讨，重点介绍了停一等协议、 滑动窗口协议、漏桶算法和令牌桶算法。同时对流分类算法进行了一定 的研究。 本文的后二章主要介绍流量控制和拥塞控制技术在宽带接入网关 中的硬件实现。第三章介绍了b a g 产品的应用范围和主要功能，并介绍 了其硬件系统的构成，包括主电路板和接口子板两部分内容。接着介绍 了在本人参与的b a g 项目中用令牌桶算法实现流量控制技术，并分析了 用固定时间窗口算法在b a g 系统中实现流量控制技术的不可行之处。第 四章，介绍了在8 x l o o m 以太网接口板项目中用f i f o 、循环调度策略实 现了拥塞控制技术。在本人完成8 x l o o m 以太网接口板项目的芯片设计、 代码编写、时序仿真、p c b 设计并制成板后经过实际的运行证明这样的 设计和实现是稳定、有效的。文章的最后总结了f p g a 芯片设计经验。 关键词：q o s 综合业务模型区分业务模型令牌桶流量控制拥塞控制 p 川q o s 技拧n 刨仆究艘n 傀带接入州* 中的碰件螭啦 t h er e s e a r c ho fi pq o s & h a r d a r e i m p l e m e n l f a t i o ni nb r o a d b a n da c c e s sg a t e ，a y a b s t r a c t t r a d i t i o n a li pn e t w o r kc a no n l yp r o v i d eb e s t - e f f o r ta b i l i t yt ot r a n s f e r d a t a b u tn o wi n t e m e te v o l v ef r o ms i n g l en e t w o r kf o rd a t at r a n s p o r tt o i n t e g r a t e dn e t w o r kf o rd a t a v o i c e i m a g e d i f f e r e n ta p p l i c a t i o nh a v ed i f f e r e n t g u a r a n t e e dq o s ，t h ed e m a n df o rq o si n c r e a s eq u i c k l y s ot h e r e s e a r c ho f q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) i ni pn e t w o r ki sc u r r e n t l yah o t s p o ta n da l s oo n eo f t h em o s ti m p o r t a n ta n dg l a m o r o u sr e s e a r c hd i r e c t i o n ，i ti sac o r ei s s u ei n c o m p u t e rn e t w o r k t h er e s e a r c ho fi pq o si n c l u d es y s t e ms t r u c t u r e ，p r o t o c o lc r i t e r i o na n d i m p l e m e n t a t i o na l g o r i t h m s ois t a r tm y r e s e a r c hf r o ms y s t e ms t r u c t u r eo fi p q o s ，t h i sp a p e rf i r s t l yr e v i e wt w ok i n d s o fs e r v i c em o d e l ：i n t e g r a t e d s e r v i c e s ( i n t s e r v ) a n d d 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 ) ，w h i c hb e e n b r o u g h tf o r w a r db yi e f ti no r d e rt og i v es o l u t i o n st oq o sp r o b l e m t h e n l p o i n to u tt h a ta ne n d t o e n dq o s m e c h a n i s mu s i n gs u c ht w om o d e l sw o u l d b et h en e x tw o r t h yr e s e a r c h id i d n tp u te m p h a s i su p o nt h er e s e a r c ho f p r o t o c o lc r i t e r i o n s e c o n d l yw ef o c u so u rd i s c u s s i o no nq o si m p l e m e n t a t i o n m e c h a n i s m t r a f f i cc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dc o n g e s t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y , i n t r o d u c es t o pa n dw a i tp r o t o c o l ，l e a k y b u c k e ta l g o r i t h m ，t o k e nb u c k e t 缸2i ；i # 6 7 i i 列q 技术的聊 究发n ：宽带接入删戈中的i 世件站蛙 a l g o r i t h ma n ds l i d d i n gw i n d o wp r o t o c o li n d e t a i l ，a n da l s ow ed os o m e r e s e a r c ho nf l o wc l a s s i f i c a t i o na l g o r i t h m t h em a i na s p e c ti nt h el a s tt w oc h a p t e r si st h a th a r d w a r ei m p l e m e n to f t r a f f i cc o n t r o l t e c h n o l o g y a n d c o n g e s t i o n c o n t r o l t e c h n o l o g y i n b a g ( b r o a d b a n da c c e s sg a t e w a y ) i nc h a p t e r3f i r s t l yw ei n t r o d u c et h e a p p li c a t i o nr a n g ea n d m a i nf u n c t i o n s o fb a gp r o d u c t ，a n da l s oi t s a r c h i t e c t u r eo fh a r d w a r es y s t e m ，w h i c hi n c l u d i n gm o t h e rb o a r da n di n t e r f a c e b o a r d s e c o n d l y ，ii n t r o d u c et h em e t h o dt h a tt r a f f i cc o n t r o lt e c h n o l o g yc a r r y o u ti nb a g s y s t e mb yu s i n gt o k e nb u c k e ta l g o r i t h ma n dt h ew e a kp o i n to f f i x e dt i m ew i n d o wa l g o r i t h m i nc h a p t e r4ii n t r o d u c et h em o t h o dt h a t c o n g e s t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yc a r r yo u ti n8 x 1 0 0 mi n t e r f a c eb o a r db yu s i n g f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ) a n dr r ( r o u n dr o b i n ) i tw a sp r o v e dt h a ts u c hm e t h o d i ss t e a d ya n de f f e c t i v e f i n a l l y ，is u m m a r i z et h ee x p e r i e n c eo ff p g ac h i p d e s i g n k e yw o r d s ：q o s ，i n t s e r v ，d i f f s e r v , t o k e nb u c k e t , t r a f f i cc o n t r o l ，c o n g e s t i o nc o n t r o l p1 4q 堪技术的聊f 究搜m 宽带揍人m 关中的6 坐件唼j 弛 1 1 绪论 第一章i p 网q o s 的综合业务和区分业务模型 1 1 1 论文背景介绍 i n t e r n e t 在过去几年所取得的巨大成就和未来所蕴涵的巨大发展潜力几乎没 有人怀疑，基于因特网的新业务层出不穷，且出于价格因素的影响使它们具有很强 的市场潜力。因特网正在从当初单纯传送数据向可传送数据、语音、活动静止图像 的多媒体网络转变。当人们在思考未来i n t e r n e t 的发展时，如何在i p 网络上保证 用户信息传输的质量就成为一个不察忽视的重要问题。为解决这一问题，i pq o s ( 服 务质量) 便应运而生。 因特网最初的设计目的是进行高效的数据传输，因此所使用的t c p i p 协议族 是一种无连接的、基于数据报的传输模式。i p ( _ p v 4 ) 所提供的是一种“尽力而为 ( b e s t e f f o r t ) ”的服务，无法保证吞吐量和传送时延等服务质量( q o s ) 。t c p 使 用的重传和滑动窗口机制给实时数据的传输带来无法预料的时问延迟以及时延变化 ( 即抖动) pq o s 已成为网络基础研究的一个重点，也是未来i p 网络发展的关键技术， 因为i pq o s 是i p 网络增加服务内容、提高服务质量的关键技术，也是未来网络运 营商竞争的一个焦点。而q o s 技术的核心是需要在恰当的层次和粒度上对流量进行 必要的管理，其中包括接纳控制、流量成形、队列管理、调度和拥塞控制等诸多方 面，但最基本和最核心的应该是流量控制和拥塞控制，因为很难想象一个时常有可 能出现严重拥塞且无法及时恢复的网络能够实现良好的q o s 保证。实施流量控制和 拥塞控制应该是其他q o s 机制正常工作的必要前提。 因此，本文就从i pq o s 的实现机制一一流量控制、拥塞控制、流分类算法等方 面入手，来研究如何更好的控制进出网络的流量，预防和控制拥塞的发生，提高网 络的运行质量。并在宽带接入网关b a g 系统上实现流量控制技术，在8 x 1 0 0 m 以太网 接口板中实现拥塞控制技术。 1 1 2 论文结构介绍 第一章i p 网q o s 的综合业务和区分业务模型，第一节关于论文背景介绍和论 文结构介绍，接着介绍i p 网o s 问题的产生背景以及q o s 的定义，接 下来详细介绍了i e t f 两种有名的q o s 解决方案：综合业务模型 第6 “共6 7 虹 f p | 卅c j 【蜗技术的研究灶以：窗带接八h 关中的艇件蚶她 ( i n c s e r v ) 和区分业务模型( d if f s e r v ) 。最后对i pq o s 发展日矿景提 出自己的看法。 第二章i p 网络的q o s 实现机制，首先从q o s 控制的层次看，对最底层的数据 包缴的控制一一流分类算法的产生背景、基本概念和r f c 算法进行了 详细的介绍，接着对流量控制的一些主要技术( 停一等协议、活动窗口 海议、漏桶算法、令牌捅算法) 进行研究，并说明了流量控制的层次。 最后研究了拥塞控制技术。 第三章宽带接入网关b a g 系统豹流量控制及实现，先介绍b a g 的应用范围和 主要功能，接着介绍了各种接口子板一一l o o m 以太网接口、1 0 0 0 m 以 太网接口、8 x l o o m 以太网接口；接着介绍了b a g 芯片的内部功能模块 划分，对流量控制模块的功能进行了描述，接下来对两种流量控制算 法一一固定时间窗口算法和令牌桶算法进行了分析比较，最后选定令 牌桶算法作为b a g 系统的流量控制算法 第四章8 x l o o m 以太网接口板拥塞控制技术的研究及实现，先介绍了o c t a d 芯片的功能，接着说明为什么采用循坏调度算法和f i f o 作为8 x i o o m 设计的基本棚塞控制策略，并详细介绍了循环调度算法和f i f o 在 8 x l o o m 设计中的实现方式，最后介绍了f p g a 芯片设计经验。 1 2 综述 1 2 1o o s 问题的产生背景 随着i n t e r n e t 规模的不断增大，各种各样的网络服务争帽涌现，先进的多媒体 系统层出不穷。由于实时业务对网络传输时延、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。 解决这些问题的最简单的办法当然是增大带宽，但是，由于这种方法代价高昂 所以并不十分可行。这就要求网络管理者对不同的服务区别管理，而不能对所有的 数据包一视同仁。于是，各种o o s 技术应运而生。 最简单地说，q o s 能够对数据包进行合理的排队对含有内容标识的数据包进 行优化，并对其中特定的数据包赋以较高的优先级，从而加速传输的进程，并实现 实时交互。出于每种应用系统对网络的要求有所不同，这使得带宽本身并不能解决 网络拥塞的问题。q o s 所追求的传输质量在于：数据包不仅要到达其欲传输的目的 地址，而且要保证数据包的顺序性、完整- 陡和实时性。通过q o s ，网络可以按照业 铸7 l 三共6 7 瓤 p 叫 u s 技术的f f ，c 心m 奄带摇入时关中的碰件实m 务量的类型或绂别加以区分，并能够依次对各级别进行处理。优秀的q o s 可以提供 创建业务量绒别的方法，把应用系统或用户的邮件分配到某绂别中作系统管理。 0 12 ，2o o s 的定义 pq o s 是指i p 的服务质量，u 三是指i p 数据流通过网络时的性能。它的目的就 是向用户提供端到端的服务质量保证。它有一套度量指标，包括业务可用性、延迟、 可变延迟、吞吐量和丢包率： 业务可用性：用户到i p 业务之问连接的可靠性。 延迟：也称为时延( l a t e n c y ) ，指两个参照点之间发送和接收数据包的时闻间隔。 可变延迟：也称为抖动( j i t t e r ) ，指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。 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示。 丢包率：在网络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率。数据包丢失一般是出网 络拥塞引起的。 1 2 3q o s 的解决方案 i e t f 已经建议了很多服务模型和机制，以满足q o s 的需求。其中比较有名的有： 综合业务模型( i n t s e r v ) ，区分业务模型( d i f f s e r v ) ，多协议标记交换( m p l s ) ， 流量工程和约束路由。 综合业务的特点是资源预留实时应用在传输数据前必须首先建立通道和预留 资源。r s v p 是用来建立通道和预留资源的协议。 在区别型业务中，把包加以标注，产生不同的级别，每个级别的包得到不扁的 服务级别。 m p l s 是一种前向转发策略，在进入m p l s 作用域时给包赋予一定的标签随后 包的分类、转发和服务都将基于标签完成。 流量工程是一种安排通信流量如何通过网络的过程。 约束路出在寻径路由时会受到一定的约束，如带宽或时延的要求。 下面详细介绍综合业务模型和区分业务模型。 蝌8 呱共6 7 虹 i pi 卅瞄技术的研，缓在窀j 番楼入埘凳中册艇件窑埋 1 3 综合业务模型 l3 1 基本概念 综合业务模型( i n t s e r v ：i n t e g r a t e ds e r v i c e ) 的基本思想是“所有的流柑 关状惫信息应浚是在端系统上”，它基于每个流( 单个的或是汇聚的) 提供端到端的 保证或是受控负载的服务( c o n t r o l l e d l o a ds e r v i c e ) 。i n t - s e r v 框架使i p 网能 够提供具有q o s 的传输，以用于对q o s 要求较为严格的实时业务( 声音视频) 。 i n t s e r v 使用一种类似a t m 的s v c 的方法，它在发送方和接牧方之间用r s v p 作为每 个流的信令。r s v p 信息跨越整个网络，假定从接收方到发送方之问沿途的每个路由 器都要为每一个要求q o s 的数据流预留资源。路径沿途的各路由器包括核心路 由器必须为r s v p 数据流维护软状态。 在i n t s e r v 流中，定义了三种类型的业务，即： 保证业务( g u a r a n t e e d s e r v i c e 。g s ) ：对于g s 业务流的最大时延是受到控制 的，路由上的任何时延都会影响最大排队时延。 受控负载业务( c o n t r o l l e d l o a d s e r v i c e ，c l s ) ：c l s 没有固定的时延保证， 僵业务流要与在网络轻载情况下的流质量相当，实际上c l s 要求有长期的带 宽保证。 尽力而为的业务( b e s t - e f f o r t ) ：类似当村i n t e r n e t 在多种负载环境( 由轻到 重) 下提供的尽力而为的业务。 1 3 2 综合业务模型的构成 为了实现上面的服务，i n t - s e r v 定义了4 个功能部件，网络中的每个路由器皆 需要实现这4 个部件。 r s v p ( r f c 2 2 0 5 ) ：r s v p 即资源预留协议，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。这种预留需要在路径上的每一跳都要进行。这样才能提供端到端 的q o s 保证。r s v p 是单向的预留，适用于点到点以及点到多点的通信环境。 访问控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) ：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视和控制，有利于保证双方的共同利益。 鸽9 斑共6 7 贝 i p 叫塔技术的研，c 发九奄带接入州关中的碰件实现 分类器( c l a s s l f i e f ) ：根据预簧的一些规则，它对进入路由器的每一个分组 进行分类。这可能需要查看i p 分组里的某些域：【p 源地址、i p 目的地址、上层脚 泌类型、源端口号：目的端口号：分组经过分类以后被放到不同的队列中等待接收 服务。这方面的技术还不很成熟，是一个育待研究的领域。 队伍调度器( s c h e d u l e r ) ：它主要是基于一定的调度算法对分类后的分组队列 进行调度服务。这方面的技术目前已比较成熟常见的调度算法有w f q 、w f 2 q 、s c f q 、 v c 、m d s c f q 、w r r 等。 上机 图1 1综合业务模型的工作流程 1 ，3 3 综合业务模型的优缺点 路由器 综合业务模型的优点是： 能够提供绝对有保证的q o s 。详细的设计使r s v p 用户能够仔细地规定业务种 类。因为r s v p 运行在从源端到目的端的每个路由器上，因此可以监视每个流，以防 止其消耗比它请求、预留和预先购买的要多的资源。 r s v p 在源和目的地阃可以使用现有的路由协议决定流的通路。r s v p 使用i p 包承载，使用“软状态”的概念，通过周期性的重传p a t h 和r e s v 消息，协议能够 对网络拓扑的变化做出反映。正如p a t h 和r e s v 刷新用来更改该预留的流的通路那 样，没有了这些消息时，r s v p 协议释放与之关联的资源。 设计综合模型开始的目的之一就是使得q o s 能够工作在u n i c a s t 和 m u l t i c a s t 下。r s v p 协议能够让p a t h 清息识别多播流的所有端点，并发送p a t h 消 息给它们。它同样可以把自每个接收端的r e v p 消息合并到一个网络请求点上，该点 可以让一个多播流在分开的连接上发送同样的流。 笫1 01 j i 共6 7 虹 pm s 技术的研fr ，e 及n ：宽榭娄入旧关中酌菇 ：i 二蜜舰 综合业务模型的缺点是： 可扩展性是i n t s e r v 结构最致命的一个问题，因为j u t s e r v 要求端到端的信 t 令，这在一个实际运行的运营商网络中几乎无法实现。单纯从i n t s e r v 结构的实质 来看，资源预留本身就与i p 网络的最大特点”无连接”相冲突。另外，对保障型业务 需要网络全部使用综合业务，如果中问育不支持的节点网络存在，虽然信令可以 透明通过，但实际上对于应用来说，已经无法实现真正意义上的资源预留，所希望 达到的q o s 保证电就打了折扣。 对路由器的要求较高。由于需要进行端到端的资源预留，必须要求从发送者 到接收者之间的所有路由器都支持所实施的信令协议。因此所有路由器必须实现 r s v p 、许可控制。m f ( m u l t i - - f i e l d ) 分类和包调度。 该模型不适合于短生存期的流。因为为短生存期包预留资源的开销很可能大 于处理流中所有包的歼销。但因特网流量绝大多数是出短生存期的流构成的。在短 生存期的流需要一定程度的q o s 保证时，综合业务模型就显得得不偿失了。 此外，如何为资源预留申请授权并确定优先权也是 a t s e r v 结构本身很难克服 的问题。集成服务由于可扩展性差，鲁棒性差，实现难度大等缺点，其发展逐渐受 阻。鉴于此，人们希望能够出现一种新的解决方案，自e 够在传统互联网这种“尽力 而为”的服务与集成服务提供的针对每个业务流的复杂机制之间寻找一种折衷方案， 那便是区分服务。 1 4 区分业务模型 1 4 1 基本概念 出于对综合业务模型利用全程信令将原本面向无连接的因特网，勉为其难地改 为向面向连接的网络这种方式的可实施性已经产生了怀疑。因而希冀能够出现一种 新的解决问题的思想，既考虑已有网络的现状，又能达到实现服务质量的目的，这 就出现了区分业务( d i f f s e r v ) 模型。 d if f - s e r vi e t f 组织制订了i p 网络的q o s 标准区分服务( d i f f s e r v ) ，为 在i p 网络上提供服务质量保证奠定了基础。在d i f f s e r v 标准以静，a t m 技术还是 唯一能提供q o s 的网络技术，i e t f 正是借用了a t m 的q o s 概念，将q o s 引入i p 所 l l ! ；： 共6 7 艇 i p 网0 0 s 技术的研究及在宽带接入网关中的硬件实现 有业务，这些业务不但可以在租用线、帧中继和a t m 上传输，而且也可以在s d h 、 d w d m 链路上传输。d i f f s e r v 还定义了a t m 和帧中继所不能提供的动态o o s 服务， 并增加了新的拥塞管理机制。 区分服务是由综合服务( i n t s e r v ) 发展而来的，它采用了i e t f 的基于r s v p 的服务分类标准，抛弃了分组流沿路节点上的资源预留。区分服务将会有效地取代 跨越大范围的r s v p 的使用。区分服务区域的主要成员有：核心路由器、边缘路由器、 资源控制器( b b ，b a n d w i d t hb r o k e r ) 。在区分服务中，网络的边缘设备对每个分组 进行分类、标记d s 域，用d s 域来携带i p 分组对服务的需求信息。在网络的核心节 点上，路由器根据分组头上的d s 码点( c o d ep o i n t ) 选择码点所对应的转发处理。 资源控制器b b 配置了管理规则，为客户分配资源，它可以通过服务级别协定s l a ( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ) 与客户进行相互协调以分享规定的带宽。 与i n t s e r v 类似，d i f f s e r v 也定义了三种业务类型： 最优的业务( p r e m i u m ) ：类似于传统运营商网络的专线业务。 分等级的业务( t i e r e d ) ：这不仅仅是一种业务，而是一个大的类别，可以根 据发展的需要定制不同的业务等级。 尽力而为的业务( b e s t e f f o r t ) ；类似于i n t e r n e t 中尽力而为的业务。 i pq o s 较之a t m 的优越性还在于它能够提供更灵活的服务，如d i f f s e r v 支 持基于日期的应用与动态o o s ，因此，可以给予某一特定的用户，如基于w 髓 的电子商务，较高级别的o o s 服务，而对于不那么重要的应用，如e - m a i l 则给以”尽力服务”。 第1 2 页共6 7 页 i p 蹰q 0 s 技术的研究及在宽带接入网关中的硬件实现 图卜2 区分业务模型的框架示意图 d i f f s e r v 比i n t s e r v 更具可扩展性，如图卜2 所示，它可用于企业的广域网 中，并在运营商网络中发挥重要的作用，因为它可以根据应用或业务类型排出不同的 优先级别。i pq o s 的业务区分结构使用i p v 4 报头中的业务类型( t o s ) 字段，并将 8 位t o s 字段重新命名，作为d s 字段，其中6 位可供目前使用，其余2 位以备将来 使用。该字段可以按照预先确定好的规则加以定义，使下行节点通过识别这个字段， 获取足够的信息来处理到达输入端口的数据包并将他们正确地转发给下一跳的路由 器。这里需要注意的是在i p v 4 网中所定义的t o s 字段与在d i f f 一$ e r v 中的d s 字段 不同。t o s 字段的定义如图卜3 所示。图i p v 4 报头中t 0 $ 字段定义d i f f s e r v 充分 考虑了i p 网络本身灵活，可扩展性强的特点，将复杂的服务质量保证通过d s 字段 转换为先进的单跳行为，从而大大减少了信令的工作。 匝二臣圈o 5 12 p h b - p e r h o pbe h 弧o v 单跳行为 i n 4 n - o r 。1 ：l ；0 f - p r o l i l e , 标示包是进入l 丕是退出网络 g u 渊刚v 嘶删，现在酪姻 版本号头长 t 。s 一盆磐头的其他域等 数据 一鹤锻( 3 嘴) 其他 | 懈域 图卜3 1 4 20 i f f s e r v 优先级排列 区分服务的d s 域 差分服务提供一种简单粗略的方法对各种服务加以分类。不过用其它方法也可 以，目前有两个每跳( p h b s ) 的标准，其中对两个最有代表性的服务等级( 业务类别) 作了规定： 快速转发( e f ) ：有一个单独的码点( d if f s e r v 值) 。e f 可以把延迟和抖动减到最 小，因而能提供总合服务质量的最高等级。任何超过服务范围( 由本地服务策略决定) 的业务被删除 第1 3 页共6 7 页 phc 硒投术的研，及曲：宽带搂入州盖中的碰件实现 保证转发( a f ) ：有四个等级，每个等级有三个下降过程( 总共有1 2 个码点) 。超 过a f 范围的业务不会象业务范围内的业务那样以尽可能高的概率传送出去。这意 味着业务量有可能卞降，但不是绝对的。 根据预定策略的标准，p h b s 适用于网络入口的业务。业务在这点加以标记，然 后根据这个标记进行路由指向，没有作标记的业务就放到了网络的出口。 143d l f f s e r v 的相关算法 d if f s e r v 路由器使用与a t m 交换机组类似的输入管理器与输出调度器的原理， 来实现p h b 功能，同时也增加了拥塞管理机制用以处理i p 网络交通拥塞问题，为此 d i f f s e r v 使用了两种算法，分别为随机早期检测( r e d ) 与加权随机早期检测( w r e d ) 算法，通过使用这两种算法达到在发生拥塞之前随机丢包以避免路由器过载的目的， 这种丢包策略也能使传输控制协议( t c p ) 减慢发送端数据发送的速度。 1 4 ，4 区分业务模型的优缺点 区别型业务模型完全不同于综合型业务模型，它的优点是： 伸缩性较好。d s 字段只是规定了有限数量的业务级别，状态信息的数量正比 于业务级别，而不是流的数量。 便于实现。只在网络的边界上爿需要复杂的分类、标记、管制和整形操作。 i s p 核心路由器只需要实现行为聚集( b a ) 的分类，因此实现和部署区别型业务都 比较容易。 缺点： d i f f s e r v 为i pq o s 奠定了宝贵的基础，但还是没有办法完全依靠自己来提供 端到端的q o s 结构。d f f f - s e r v 需要大量网络单元的协同动作，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动态管理。 解决这一闯题的方法有两个：一是用功能强大的全局策略管理器来完成这一任 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 ，通过运营网中第 二层的交换机来实现端到端的服务质量保证。 旃1 41 ； ：共6 7 “ mhq o s 技术的彤f 彳擞扯宽 仔接入州关中的碰件实鼬 1 5i pq 0 8 的发展前景 今后很有可能酌情况是，综合业务模型因为扩展性等问题而无法在w a n 上使 用，但是它可以在企业网中很好地运行；而区分业务模型在w a n 上很可能占有主导 地位。也就是说，我们可以采用在w a n 上使用d i f f s e r v ，而在l a n 上使用i n t s e r v 的混合模形来提供端到端的q o s 保证，浚方案的基本思想即是在网络边缘使用综合 服务，而在网络核心使用区分服务。终端主机可以采用高量化程度( 如带宽、抖动 门限等) 的r s v p 请求，然悟由骨干网入口路由器将此r s v p 预留的资源映射到相应 的服务级别上去。但这需要涉及两种模型的互通问题，目前i e t f 针对这个问题主要 提出了两种互操作方法：一种方法是将综合业务覆盖在区分业务网上，同时r s v p 信令可以完全透明地通过区分业务网进行传递。而由位于两种网络边缘的设备来处 理r s v p 信令，并且根据区分业务网络中的资源可用性来提供许可控制。另一种方法 是进行简单的并行处理。区分业务网中的每个节点可以具有r s v p 功能，同时采取一 些策略来决定哪些数据包由r s v p 处理，哪些数据包由d i f f s e r v 处理。但是这种模 型通常只适用于小型网络。 综含模型和区分模型相结合的端到端q o s 服务机制的框架还未完善，一些问题 有待进一步的研究，比如综合服务模型业务到区分业务模型业务的映射，区分业务 模型通过综合模型实现对组播的o o s 服务等问题。 可以预见，综合业务模型和区分业务模型两者优势互补，将两者结合起来实现 端到端的服务质量保障是i pq o s 体系结构发展的趋势。 鹅1 5 页共6 7 贝 i p 删s 技术的研究成n ：宜带接入州关中的碰件蜒观 第二章i p 网络的q o s 实现机制 从对i pq o s 的研究层次上看，根据第一章的描述我们知道i n t s e r v 、d i f f s e r v 等 体系结构都基本上属于概念性框架，即它们所规定的是为了承载多种多样的网络业 务，各种网络元素( 网元) 应具备何种功能组件，应对数据包实现何种处理行为。但 具体如何实现这些功能规范，则是q o s 实现机制或实现算法所要关注的问题。 从q o s 控制的层次来看，所采取的机制包括如下三个层次：最底层的是数据 包级( p a c k e tl e v e l ) 的控制，主要研究体现在对传统的边缘和核心路由器加以改造， 使之支持q o s ( q o s c a p a b l e 或q o s a w a r e ) 。已经提出的主要算法包括流分类算法、 流标记算法、流速测量算法、流整形算法、行为评估算法、惩罚与解禁策略、缓冲 保护算法、队列调度算法等；中间一级是数据流级( f l o wl e v e l ) ，其关注的层次不 仅仅是单个的路由器，而是整个端到端的传输路径。通过o o s 路由或约束路由寻找 条满足各种服务质量要求的合理路径。另外，资源预留协议r s v p 用于网络内动态 资源分配与控制，是一种比较独立的可扩展的信令协议。除此之外，最上层的控制 从网络整体出发，属于网络级( n e t w o r kl e v e l ) 。这个级别所考虑的因素具有全局性， 主要是在自治域如校园网或i s p 内部执行基于策略的网络管理( p o l i c y b a s e d n e t w o r km a n a g e m e n t ) ，采用流量工程均衡网络负载，以及在网络出现故障时的快速 恢复。另外，内容缓存( c a c h e ) 与负载均衡等技术属于应用层q o s 技术。 因此在接下来的章节中，分别对流分类算法、i p 网络的流量控制和拥塞控制技 术这三种q o s 实现机制进行研究探讨。 2 1 流分类算法研究 2 1 1 硬件分类技术出现背景 基于尽力服务架构的因特网无法有效满足同益增长的语音、数据、多媒体业务， 这就会导致越来越多的网络设备逐渐采用基于流的报文处理方法：首先对到达的报 文进行分类，然后根据分类的结果进行相应的调度、处理、统计、流控，从而保证 不同用户、不同业务的报文可以得到预约的服务质量( q o s ) 。 数据包分类的依据视具体应用可以非常灵活，如可以根据“源i p + 目的i p ”对 报文进行分类，也可以根据“源i p + 源端口+ 目的i p + 目的端口+ 协议类型”对报 第1 6 虹共6 7 虹 i p1 4g v s 技术的讲究驶神：宽带揍入蚪笑中曲艇件妥脱 文进行分类，甚至可以包含h t t p 请求部分内容。我们将上述报文分类字段组合称为 流标识( f l o wi d ) ，具有相同流标识的报文序列称为流。判断到达数据包属于何种 流的过程，称作报丈分类( p a c k e tc l a s s i f i c a t i o n ) 。在基于流的报文处理中，不 同流标识对应不同的处理参数，如流量管理参数、统计参数、优先级参数等等，这 些参数通常是事先申请好的，或者是通过信令建立的，保存在设备的流表( f i o w f a b l e ) 当中。此时的报文处理过程如下所述：报文到达后，首先对报文进行分类， 即根据报文的流标识在流表中查找该报文所属的流，取出流表内保存的该流对应的 处理参数，然后根据这些处理参数对报文进行相应的处理。报文分类可以通过软件 实现，但是网络速度的提高，很难达到线速处理的要求。硬件分类器技术成为研究 热点。 2 1 2 分类的基本概念 从数学上看，报文分类问题与计算几何中的一些问题根相似。在计算几何中有 一个多维空间的点定位问题：给定多维空阔中的一些互不耀交的区域，找出包含指 定点的区域。一般浣来，报文分类问题比多维空间的点定位问题复杂。假定不同区 域互不相交时，对n 条过滤规则和k ( k 3 ) 个分类域的情形，计算几何的结果给出的 最好结果是：在空间复杂度为0 ( n k ) 时，时间复杂度为o ( 1 0 9 n ) ；或者是在空间复杂 度为o ( n ) 时，时间复杂度为o ( ( 1 0 9 n ) “) 。也就是说，n 1 0 0 条过滤规则，每条舰 n 4 个域的情况，空闭大橛为i o o m b ，时浏大约是访存3 5 0 次。这种效率显然是不可 接受的。 但是数据流的分布和特定数据库中过滤规则的分布都有一定的规律性，或者躐 有内在的结构。所以很多好的报文分类问题的解决方案都是考察到它们分布的某一 点规律性提出的。此外，= 维的i p 分类问题( 即针对目的i p 一源i p 对的分类) 相对 简单，而且二维的报文分类在m u l t i c a s t 和v p n 中都有广泛的应用，具有实际的意义， 因此对二维的i p 分类问题的研究较成熟。有一些优秀的算法作为基础。所以，报文 分类问题的解决的一个重要的思想，就是降维，将高维问题转化为二维乃至一维的 问题。在下一部分中，我们将介绍报文分类问题的一个典型的算法一- - r f c 算法，此 算法很清楚地体现了这些思想。 2 1 3 解决方案评价原则 报文分类问题的核心是高效的查找算法。一般来说，一个好的查找算法，必须 满足以下三个条件： 籀1 7 “共6 7 “ ph ( i h 他术的掰 肢f ，| ! 窿带接八州* 中的地件实脱 夺速度快：这是评价一个报文分类算法中最重要的标准。通常要求i p 查找能 够以线速进行，报文分类速度至少达到t ( ；b p s 。网络上相当一部分都充斥荇 短包，这很大程度是因为大量的数据都与w w w 服务有关，因此，通常部是考 虑最短包长( 如4 0 字节) 的情况下，折算成报文分类处理的比特率。在算洼 的时间复杂度上有三种评价指标：( 1 ) 最坏情况：对一个包进行报文分类的 查找时州的最坏可能情况：( 2 ) 平均情况：在随机情况下，对一个包进行报 文分类的查找时问的平均值：( 3 ) 统计情况：在符合某种预先指定包或过滤 规则匹配率的分布下，对一个包进行报文分类的查找时间的平均值。考虑刮 计算机c p u 的计算速度比访问内存的速度快得多，因此当计算量大小在可接 受的范围内时，也可以使用查找中的访存次数来衡量一个查找算法的速度； 夺占用内存少：在查找过程中，一个算法所需要占用的内存大小电是需要考虑 的重要因素。这个占用的内存不仅仅指容纳过滤规则数据库本身所需要的， 还指算法为了保证高速度的查找建立的各种数据结构所消耗的内存： 夺易于更新：共有三种可能的更新：( 1 ) 完全更新：是指初始化过程中从过滤 规则数据库中建立查找数据结构，或者是以后的重新建立全部查找数据结构 的过程；( 2 ) 增量更新：在查找数据结构中增加或