（计算机应用技术专业论文）基于多业务qos的网络拥塞控制算法研究.pdf

江苏大 学 硕士 学 位论文 摘要 拥塞控制和服务质量是两个紧密相关的研究课题，对网络进行有 效的拥塞控制是提供有保证的网络服务质量的基础。由于传统的基于 端到端的t c p 拥塞控制算法无法利用网络中的传输信息进行更有效 的拥塞控制，所以近年来研究者逐渐将拥塞控制的研究重点转移到网 络的核心节点路由器上，特别是对其主动队列管理算法的研究。本文 研究拥塞控制算法的目的是实现网络中多种业务的q o s 要求。随着 网络应用的迅速增长，网络除了要保证实时需求外，也应尽可能满足 非实时需求，相应的q o s 所要解决的问题就是如何在网络上i j 4 时支 持多种业务类型，以使每项服务都能达到性能要求。 本文的研究工作主要是对基于d i f f s e r v 模型的随机早期检测算法 r i o c 进行了系统的分析与研究，通过分析与仿真实验得出该算法存 在较明显的服务不公平性，在此基础上，提出了一种改进的主动队列 管理算法一一优化平均队列长度计算的r i o c 算法o p r i o 。o p r i o 算法通过设置一个动态调节因子，并根据低丢弃优先级分组在整个队 列中占有的比重，来实时调整低丢弃优先级分组队列长度参与高丢弃 优先级平均队列长度计算的比例，由此缓解高丢弃优先级分组长期“饥 饿“现象。仿真实验表明o p r i o 算法在实现优先级区分的基础上，减 小了对高丢弃优先级分组的“歧视”，实现了各优先级分组相对公平性， 同时有效地增加了网络吞吐量，提高了链路利用率，网络资源能够得 到充分利用。 江苏大 学 硕士 学 位论文 o p r i o 算法解决了d i f f s e r v 中a fp h b 组内的不同优先级分组 公平服务的问题。实际上在a f 模型中，还应考虑p h b 分组间数据 流的公平服务。为此本文还提出了增强的o p r i o 算法- - e o p r i o 算 法，由分析得出，该算法通过对各p h b 组所占的缓冲区容量进行控 制，保证了p h b 组间数据流的公平性，并且提高了系统的容忍度和 网络的q o s 。 关键词：拥塞控制算法，q o s ，多业务，主动队列管理，随机早期检 测算法，区分服务 l i 江苏大 学 硕 士 学 位论文 a bs t r a c t t h ec o n g e s t i o nc o n t r o la n dq u a l i t yo fs e r v i c ea r et w oc l o s e l yr e l a t e dr e s e a r c h s u b j e c t s i t i st h eb a s i so fs u p p l y i n gt h eq o st oc a r r yo u te f f e c t i v ec o n g e s t i o n c o n t r 0 1 t h et r a d i t i o n a lt c p c o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mw h i c hi sb a s e do ne n dt o e n di su n a b l et oi m p l e m e n te f f e c t i v ec o n g e s t i o nc o n t r o lt ou s et h et r a n s m i t t e d i n f o r m a t i o no ft h ei n t e m e t ，s or e s e a r c h e r sg r a d u a l l yt r a n s f e rt h er e s e a r c hf o c a lp o i n t o fc o n g e s t i o nc o n t r o lt oc o r en o d er o u t e r ，e s p e c i a l l y ，i n c r e a s et h er e s e a r c ht ot h e a c t i v e q u e u em a n a g e m e n ta l g o r i t h m t h eo b j e c t i v e o ft h e p a p e rt o r e s e a r c h c o n g e s t i o nc o n t r o la l g o r i t h mi st oa c h i e v et h eq o sr e q u i r e m e n to fm u l t i p l es e r v i c e so f t h ei n t e r n e t w i t ht h ea p p l i c a t i o no fi n t e m e tm u s h r o o m i n g ，t h ei n t e m e ti st om e e tt h e n e e do fr e a l - t i m er e q u i r e m e n ta l s ot h en o n - r e a l t i m er e q u i r e m e n t t h ec o r r e s p o n d i n g q o st os o l v ei st os i m u l t a n e o u s l ys u p p o r tm u l t i p l et y p e so fs e r v i c ea n dg u a r a n t e e e v e r ys e r v i c et or e a c hi t sp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n ti nt h ei n t e r a c t t h ep a p e r a n a l y z e sa n dr e s e a r c h e ss y s t e m a t i c a l l yr i o ca l g o r i t h m ，a n d r e a c h e sac o n c l u s i o no fh a v i n gd e f i c i e n c yo fu n f a i ri nr i o cb ya n a l y s i sa n d e m u l a t i o n ，t h e np r o p o s e so n ei m p r o v e dd i f f s e r v a c t i v eq u e u em a n a g e m e n t a l g o r i t h mw h i c hi sn a m e do p r i o o p r i oo p t i m i z e st h ec o m p u t e ro ft h ea v e r a g e q u e u el e n g t h o p r i oa l g o r i t h ma d j u s t st h ep r o p o r t i o nw h i c hl o wd r o pp r i o r i t yg r o u p q u e u el e n g t ht op a r t i c i p a t ei nt h ec o m p u t eo fh i g hd r o pp r i o r i t yg r o u pq u e u el e n g t h ， b ys e t t i n gad y n a m i cf a c t o ra n da c c o r d i n gt ot h ep r o p o r t i o no ft h el o wd r o pp r i o r i t y g r o u pi nt h ew h o l eq u e u e t h e nr e l i e v e st h e “h u n g e r a p p e a r a n c eo ft h eh i g hd r o p p r i o r i t yg r o u p t h ee m u l a t i o ni n d i c a t e so p r i om i n i s h e st h ed i s c r i m i n a t i o nt ot h eh i g h d r o pp r i o r i t yg r o u po na c h i e v i n gt h ed i s t i n c t i o no fd i s t i n c t i o n sg r o u n d ，a n dm a k et h e d i f f e r e n td r o pp r i o r i t yg r o u p se n j o ym o r ej u s t i f i c a t i o n a tt h es a m et i m eo p r i o a l g o r i t h mr a i s e sa v a i l a b l yt h eo u t p u to ft h ei n t e m e ta n dt h el i n ku t i l i z a t i o nr a t i o ， m a k e st h ei n t e m e tr e s o u r c ef u l lu s e o p r i oa l g o r i t h mt or e s o l v ei si m p a r t i a ls e r v i c ep r o b l e mo fd i f f e r e n tp r i o r i t y 1 1 1 江 苏 大 学 硕士 学位 论文 g r o u pi np e rh o s tb e h a v eo fa s s u r ef o r w a r d i n go fd i f f s e r v i nf a c t ，i na fm o d e lo f d i f f s e r v ，f a i ro fd a t as t r e a ma m o n gp h bi sc o n s i d e r e d t h ep a p e ra l s op r o p o s e s e n h a n c e do p r i o a l g o r i t h mw h i c hi sn a m e de o p r i oa l g o r i t h m ，w h i c hg u a r a n t e e st h e j u s t i f i c a t i o no fd a t as t r e a ma m o n gp h bb yc o n t r o l l i n gt h eb u f f e rc a p a c i t yo fd i f f e r e n t p h b ，a n ds t r e n g t h e n sf l e x i b i l i t yo fs y s t e ma n dt h eq o s k e yw o r d s ：c o n g e s t i o nc o n t r o la l g o r i t h m ，q u a l i t yo fs e r v i c e ，m u l t i s e r v i c e ， a c t i v eq u e u em a n a g e m e n t ，r a n d o me a r l yd e t e c t i o na l g o r i t h m ， d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大 学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囹。 学盘论文作者签名：劐莩孝 指导教师签名：、a 双 2 0 0 9 年6 月ile l2 0 0 9 年6 月日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用 的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本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。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：剖孝孝 厂月 ，1 日 江 苏 大 学 硕 士 学 位论文 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论弟一早三否t 匕 随着网络的普及，网络同人们的工作和生活已经息息相关。特别是信息技术 的快速发展，使各个领域的网络应用大量增加，原来已经存在的庞大的数据传输 量也成倍地增长。而网络硬件资源的增长速度远远跟不上传输需求的增长速度， 这样就出现了网络的捐j 塞。而互联网的拥塞控制机制和服务质量是两个密切相关 的研究课题，也是当前的研究热点。如果对互联网中的拥塞不加以控制，拥塞的 发生会严重降低网络的性能，那么网络的q o s 也就得不到保证，所以在互联网 中进行拥塞控制对于网络服务质量的保证是至关重要的。 目前互联网的拥塞控制主要是依靠基于端到端的t c p 拥塞控制机制l lj ，但是 由于近年来互联网的爆炸式增长，特别是多媒体业务的广泛应用，使得互联网已 经不可能再仅仅依靠基于源端的t c p 拥塞控制机制，中间节点路由器1 2 本身也必 须参与到拥塞控制中来，才能更加有效地控制网络拥塞。这是因为路由器直接掌 握着互联网上的各种传输信息，能够更好地掌握的信息来控制拥塞。主动队列管 理机制a q m ( a c t i v eq u e u em a n a g e m e n t ) 是路由器参与拥塞控制的方法之一， 是i e t f 推出的基于f i f o 调度策略的队列管理机制，它使路由器能够控制什么 时候丢弃多少包，从而有效地管理队列长度，来支持t c p 端到端的拥塞控制以 更好地控制网络拥塞。a q m 的本质就是在队列溢出之前检测出早期的拥塞，并 且以一定的概率丢弃或者标记数据包，从而向源端发出拥塞指示，以缓解网络拥 塞。 一些研究学者认为在具有充足资源的尽力而为的网络中，拥塞问题就会消 除。但是充足的网络资源的成本很高，而且网络资源永远满足不了不断增长的应 用需求。大多数的研究者们则认为比较合理的控制机制会更加有利于提高网络的 q o s 3 1 。而q o s 的i n t s e r v 、d i f f s e r v 等业务模型，都是结合应用的需要和技术的 发展提出来的，无论哪一种业务体系模型，都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 江 苏 大 学硕 士 学位 论文 诸多方面，而最基本和最核心的依然是要进行拥塞控制，如果一个网络经常出现 严重的拥塞，并且不能及时的解决，那么网络很难保证能实现良好的q o s 保证。 实施拥塞控制应该是其它机制正常工作的必要前提。因此，研究拥塞控制的意义 在于如何实现网络利用率、吞吐量和传输延迟等综合性能指标的平衡和最优化， 提高网络整体性能，保证网络系统的稳定性、鲁棒性和公平性。核心路由器的队 列管理机制是实现q o s 核心技术之一，本文将在这一方面展开着重的研究。 1 2 国内外研究现状 随着各种各样的应用需求的出现，人们开始研究通过增强路由器等中间节点 设备的功能来更加有效地控制网络拥塞，以更好地满足用户的不同应用需求。主 动队列管理机制a q m ( a c t i v eq u e u em a n a g e m e n t ) 是路由器参与拥塞控制的方 法之一。最有代表性的a q m 算法是随机早期检测r e d l 4 j ( r a n d o me a r l y d e t e c t i o n ) 算法。r e d 的基本思想是路由器通过监控队列的平均长度来探测拥 塞，提前预测拥塞，以避免拥塞的发生。但是，r e d 算法也存在一些缺陷，比 如r e d 算法对参数设置以及网络的状况十分敏感，以至于r e d 算法至今还没有 在互联网中得到广泛的使用，因此许多r e d 衍生算法不断被提出来，其中比较 有代表性的有：s r e d 、s e l f - c o n f i g u r a t i o nr e d 、a r e d 、f r e d 等，但是以上改进 的算法也有它们各自的不足之处。 近年来，非线性规划理论和系统控制理论被引入到拥塞控制的研究中来，一 些研究者尝试使用严格的数学模型来描述由端系统和网关共同组成的系统，这对 拥塞控制的研究有很大的推动作用。为了更好地满足网络的多业务q o s 要求， 基于区分服务的各种r e d 的改进算法也越来越多被研究和应用，但是这些算法 在公平性方面还存在一些问题，需要进一步的研究。本文的研究重点是在区分服 务d i f f s e r v 模型下研究路由器主动队列的管理策略，以更好地避免网络拥塞，满 足多业务q o s 。 1 3 论文主要研究内容 目前网络拥塞研究的热点是基于中心节点路由器的。进行队列管理是实现基 于路由器的拥塞控制的主要手段之一，目前的队列管理研究热点是主动式队列管 2 江苏大 学 硕士 学 位论文 理a q m 算法，r e d 算法是a q m 中最有代表性的一种技术。核心路由器的a q m 队列管理机制是实现q o s 和服务区分的核心技术之一。 本文在分析基于q o s 区分服务d i f f s e r v 5 】的队列管理算法r i o c 的基础上， 提出了一种改进的d i f t s e r v 主动队列管理算法一一优化平均队列长度的 r i o c 算法o p r i o ( o p t i m i z eq u e u el e n g t hr i o ) ，o p r i o 算法在实现优先级区分 的基础上减小了对高丢弃优先级分组的“歧视”，增加了网络吞吐量，提高了链 路利用率，使得网络资源能够得到充分利用。 o p r i o 算法解决的是d i f l s e r v 中a fp h b 组内的各优先级分组公平性服务 问题，实际上在d i f f s e r v 体系的确保服务模型中，还应考虑p h b 分组问数据流 的公平服务。针对这个问题本文提出了增强的o p r i o 算法- - e o p r i o 算法，该 算法通过对不同的p h b 所占的缓冲区容量进行控制，保证了p h b 组问数据流的 公平性。 1 4 论文结构安排 文章的安排： 第一章绪论介绍了课题研究的背景及意义，国内外的研究现状。网络拥塞控 制的研究概况及研究背景，最后对本文的研究内容进行了概述。 第二章网络技术基础理论研究了网络服务质量的两种体系结构：综合服务体 系结构和区分服务体系结构及其原理，并对两种结构的优缺点进行了分析。 第三章网络拥塞控制机制介绍了网络拥塞的概念，产生网络拥塞的原因及拥 塞控制的基本机制，并对主动式队列管理进行了详细研究。主动式队列管理是为 了解决 l j 塞控制机制存在的问题而提出的一种队列管理技术。本章介绍了几种典 型的基于区分服务的主动式队列管理算法的基本原理，分析了算法的优点以及存 在的问题，包括公平性问题等。 第四章着重分析了基于区分服务的r i o c 算法。本章主要对一种基于区分 服务的r e d 改进算法r i o c 进行了分析研究，最后通过仿真实验对它的性能进 行了分析验证，并总结得出r i o c 算法的区分性和存在的不足。 第五章针对分析得出的r i o c 不足进行了改进，提出一种基于刚0 c 的区 分服务队列管理算法o p r i o 。o p r i o 算法在实现优先级区分的基础上避免了高 江苏大 学 硕士 学位 论文 丢弃优先级分组的长期“饥饿 ，使得各丢弃优先级分组能够享有更好的公平性。 o p r i o 算法解决的是d i f f s e r v 的a fp h b 组内的各优先级分组的公平性问 题，另外在d i f f s e r v 体系的确保转发a f 模型中，同时应该考虑到各个p h b 分 组间数据流的公平性。所以针对这个问题本文提出了增强的o p r i o 算法一 w o p r i o 算法。通过理论分析得出，该算法能使a f 中4 个不同p h b 组数据流 享有较公平的待遇，并且增强了系统的“弹性”。 第六章结论与展望总结了本文进行的研究工作，并提出进一步深入研究的方 向。 4 江 苏大学 硕士 学位论文 第二章网络o o s 技术基础 2 1q o s 定义及性日- - , 匕b 丁- i - 目匕- - , 标 2 1 1q o s 定义 网络服务质量q o s ，是应用业务对刚络传输服务提出的一组可度量的要求， 主要包括代价、带宽、端到端时延、包丢失率、时延抖动等。网络在传输相应的 数据业务时，必须满足这组要求。目前在计算机网络上为用户提供高质量的服务 需要解决以下问题： ( 1 ) q o s 的分类与定义。进行分类和定义的目的是使网络可以根据不同类型 进行管理和分配资源。例如，可以给实时服务分配较大的带宽和较高c p u 的处 理时间；另外，对q o s 进行分类定义也方便用户根据不同的应用提出不同的需 求。 ( 2 ) 准入控制和协商。即根据网络中资源的使用情况，允许用户进入网络进 行多媒体信息传输并协商其q o s 。 ( 3 ) 资源预约。为了给用户提供满意的q o s ，必须对端系统、路由器以及传 输带宽等相应的资源进行预约，以确保这些资源不被其他应用所强用。 ( 4 ) 资源调度与管理。对资源进行预约之后，是否能得到这些资源，还依赖 于相应的资源调度与管理系统。 2 1 2q o s 性能指标 q o s 是用来衡量网络传输各种业务时的性能，用来定性和定量描述各种应用 对服务质量的要求。由于不同的应用对网络的性能要求不同，所以各种具体应用 对网络的q o s 要求也不同。而q o s 的关键指标1 6 1 7 】主要包括可用性、吞吐量、时 延和丢失率。 ( 1 ) 可用性是当用户需要使用网络时网络即能工作的时间百分比。可用性主 要是设备可靠性和网络存活性相结合的结果。对可用性起作用的还有一些其他因 素，包括软件稳定性以及网络升级时不中断服务的能力。 5 江 苏 大 学硕 士 学位 论文 ( 2 ) 吞吐量是在一定时间段内对网上流量或带宽的度量。吞吐量是对网络容 量的度量，表示单位时问内有多少数据进入网络中。网络吞吐量就是它的有效带 宽。发送分组的速率可用平均速率或峰值速率表示。承诺信息速率是应该予以严 格保证的，对突发信息速率可以有所限定，以在容纳预定长度突发信号的同时容 纳从话音到视频以及一般数据的各种服务。一般情况下，吞吐量越大越好。 ( 3 ) 时延是分组从发送端通过网络到达接收端的时间。时延主要是由分组在 路由器中的等待时间和服务时间引起的。产生时延的因素很多，包括分组时延、 排队时延、交换时延和传播时延。为了提供高质量话音和会议电视，网络设备必 须能保证低的时延。 ( 4 ) 丢包率指在从源端到目的端的传输过程中，由于出错或者网络拥塞丢失 的分组数与源端发送的分组数之比。在通话期问，丢失一个比特或一个分组的信 息往往用户注意不到；在图像广播期间，这在屏幕上可能造成瞬间的波形干扰， 然后视像很快恢复如初。即便是用传输控制协议传送数据也能处理丢失，因为传 输控制协议允许丢失的信息重发。事实上，一种叫做随机早期丢弃的拥塞控制机 制可以有效地为用户提供端到端的服务质量控制或保证。 近些年研究者们在确保网络服务质量方面做了大量的工作，先后提出了两种 不同的体系模型综合服务和区分服务刚9 1 。 2 2 综合服务i n t s e r v 模型 尽力而为型服务无法为多媒体通信提供有力q o s 保证。为了满足i n t e r n e t 多 媒体应用实时传输的要求，综合服务模型1 0 】【1 1 1 ( i n t s e r v ) 应需而生。 2 2 1i n t s e r v 模型 i n t s e r v 实质上是一个从端到端行为开始，到网络中每个元素如何控制和实 现这些行为，为用户提供满意的q o s 的总称。 在服务层次上，i n t s e r v 提供了3 种类型的服务： ( 1 ) 端到端质量保证型服务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) ：保证带宽、减小延迟、无 丢包。 ( 2 ) 可控负载型服务( c o n t r o l l e d l o a ds e r v i c e ) ：类似于在当前的一个负载较 6 江 苏大学硕 士 学位论文 轻网络中实施尽力而为服务。 ( 3 ) 尽力而为服务b s ( b e s te f f o r ts e r v i c e ) ：类似当前互联网提供的尽力而为 的服务。 在结构层次上，i n t s e r v 服务模型主要由四部分构成：信令协议r s v p ，介入 控制器，分类器以及调度器。 i n t s e r v 中定义r s v p 1 2 1 ( 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 ) 为其q o s 协议， r s v p 是一个重要的网络控制协议，r s v p 的引入使得i p 网络为应用提供所要求 的端到端的q o s 保证成为可能。对于实时应用，在数据开始传输之前，应用必 须先设定路由和资源预留，但为了支持这种能力，数据包所经过的每一个网络元 素( 子网和路由器) 都必须能够支持r s v p 。也就足说，网络元素在收到r s v p 预留资源请求后，需要为业务流保留所需的“软状态”( 包括有关该业务流的起 始地址、路由信息和需占用该路由器的资源信息等) 。 使用r s v p 协议建立数据发送路径以及为业务流预留资源的过程如图2 1 。 图2 1r s v p 协议建立数据发送路径以及为业务流预留资源过程图 信源端向信宿端发送一个路径消，窟, ( p a t hm e s s a g e ) ，路径消息中包含有描述 业务流的传输属性和路由的信息。所有途径的中间节点都对路径消息进行传统的 转发，并将自身的地址写入路径消息以便路径的回溯。当信宿端接收到路径消息 后，回送一个预留消。皂, ( r e s vm e s s a g e ) ，要求沿途的各中间节点进行资源预留。 各个中间节点如果拒绝资源预留请求，则向信宿端返回错误信息，r s v p 会晤结 7 江苏大 学 硕 士 学 位论文 束；如果接受资源预留请求，则必须为业务流保持所需的链路带宽和必要的缓冲 区等“软状态”，这种预约的软状态不需要明确的删除请求，而由r s v p 控制信 息周期性地刷新。在无刷新信息情况下，“软状态”会超时并删除。r s v p 可以 看做足配置业务处理的机制，而综合服务是在r s v p 协议基础上提供端到端q o s 保证的体系结构。 2 2 2i n t s e r v 的不足 尽管i n t s e r v 模型从理论上讲是完全可以保证网络的q o s 的，但并没有得到 广泛的应用。主要原囚是它要求核心路由器必须保持经过它的每一个数据流的状 态，这在实现上还存在许多技术上的困难，除此之外，i n t s e r v 还有以下不足： ( 1 ) 网络的可扩展性差。路由器中预留的状态信息足与业务流的个数成j 下比 的。由于网络的规模以及其用户数量一直在快速增加，使得路由器的负担不断加 重，因此扩展性不好。 ( 2 ) 对路由器的要求很高。网络中的每个路由器都要支持r s v p 信令协议， 接入控制程序，分类器以及调度器。 ( 3 ) 资源预留不适用于短时流，如w r e b 流，但因特网中w e b 流量超过了5 0 。 ( 4 ) 网络升级改造困难。为保证网络服务，只有网络中的所有路由器都一次 性升级，采用相同的配置才能提供很好的q o s 保证，因此不能以一种渐进的方 式实现网络的升级改造，这显然需要很大投入。 因此要实现i n t s e r v eq o s 是很困难的。由于i n t s e r v 体系存在着诸多问题， 一种新的体系结构便应需而生，这就是区分服务体系模型 d i f f s e r v 1 3 ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ) 。 2 3 区分服务d i f f s e r v 模型 d i f f s e r v t l 4 1 的最大有点就是简单有效、扩展性强。它的特点是采用聚合的机 制将具有相同特性的若干业务流聚合起来，为整个聚集流提供服务，而不再面向 单个业务流。也就是说在网络边界路由器上保持每个流状态，核心路由器只负责 分组的转发而不保持状态信息。这种核心无状态结构有很强的扩展性。 8 江 苏 大 学 硕士 学位 论文 2 3 1d i f f s e r v 模型 2 3 1 1d i f f s e r v 标记域与区分服务标记d s c p i p 包头的区分服务标记域【1 5 】【1 6 】( d sf i e l d ) 是d s 区域的边界节点与内部节点 问传递流聚集信息的媒介，是连接边界的传输分类和调节机制与内部的桥梁。 0567 i p v 4t o s 字节或i p v 6 流类型字节 d s c p ： 区分服务标记 c v ： 保留给e c n 图2 2i p 包头的区分服务标记 d s 标记域定义i p v 4 头部的t o s ( t y p e o fs e r v i c e ) 字节或i p v 6 头部的流类型 字节的前六位，如图2 2 所示。c u ( 2 b i t ) 没有在区分服务体系中定义，已将它定 义为显式拥塞指示( e c n ) 使用。对于不支持c u 域的路由器，当决定所收到的包 的逐跳行为p h b 时，将忽略c u 的值，对于不支持该域的主机，在发送数据包 时，将该域的值置为零。下行节点则通过识别这个字段获取信息来处理到达输入 端口的数据包，并将它们正确的转发给下一跳的路由器。实际上d i f f s e r v 就是按 照d s 域的标记，以相应提供不同质量的数据包转发服务。 2 3 1 2d i f f s e r v 中的分类和调节机制 一个分组到达d i f f s e r v 网络的边缘，边缘路由器对来自用户或其它网络的非 d i f f s e r v 业务流进行分类，并为每一类i p 分组填入新的d s c p 值，同时对业务建 立并应用服务等级防议s l a 和逐跳行为p h b ( 与d s c p 相对应) ，而对来自用户 或其它网络的d i f f s e r v 业务流，则依据分组的d s c p 值，为相应的业务选择特定 的p h b 。根据p h b 的种类，将属于不同类别的业务导入不同的队列进行处理。 在转发过程中，边缘路由器将对收到的业务流进行测量，检验业务流是否遵守 s l a ，边界节点通过业务量调整单元对其进行分类和调节，因而边界节点从功能 上可以分为两个模块分类器和调节器，如图2 3 所示。 9 江 苏大 学 硕 士 学 位 论文 图2 3 边界节点对分组进行分类和调节示意图 ( 1 ) 分类器遵照流量调节约定t c a 中的特定规则，根据包头的某些域( 如 d s c p 值或m f 五元组) 将包划归某一类别，然后交给相应的调节模块进一步处 理。 ( 2 ) 调节器在逻辑上又分为计量器、标记器、整形器和丢包器。 计量器t c a 依据流规格计量流的某些实时属性( 如速率等) ，并将统计信 息传给标记器、整形器和丢包器。 标记器在包头的d s 标记域中标记适当的d s c p 值，即将分组划入某个行 为聚集。标记器可以将经过分类器分类后交给它处理的所有分组标记同一d s c p 值，也可以根据计量器的统计信息将其标为同一p h b 组内不同的p h b 值( 如确 保服务) 。 整形器、丢包器通过延迟、丢弃等手段强制入流或出流以符合t c a 流的 规范。 通过合理设置参数，通用调节器可以实现奖赏服务p s ( p r e m i u ms e r v i c e ) ， 确保服务a s ( a s s u r e ds e r v i c e ) 等服务需要的调节器。当然，某种服务所需要的特 定调节器也可以单独实现，其优点在于简单有效。 2 3 1 3d i f f s e r v 中的逐跳行为( p h b ) 逐跳行为p h b l l 7 1 【1 8 1 是一个d s 节点调度转发特定流聚集行为的外特性描述。 实际上，p h b 描述的是单个节点为特定流聚集分配资源的方式。i e t f 目前已经 定义的p h b 有：缺省型b e ( b e s te f f o r t ) 、加速转发e f ( e x p e d i t e df o r w a r d i n g ) 、确 保型a f ( a s s u r e df o r w a r d i n g ) 以及兼容i p 优先级的类选择型4 种。此外，准尽量 做好型l b e ( l o w e rt h a nb e s te f f o r t ) 、允许丢失的加速型e f d ( e x p e d i t e df o r w a r d i n g w i t hd r o p p i n g ) 以及协同p h b 组p h b - i ( i n t e r o p e r a b i l i t yp h bg r o u p ) 工e 在探讨发展 中。 l o 江 苏大 学 硕 士 学 位论 文 2 3 1 4d i f f s e r v 体系结构 与i n t s e r v 类似，d i f f s e r v 也有三种服务类型： 1 ) 尽力而为的服务b s ( b e s ts e r v i c e se f f o r t ) ：为用户提供尽力的服务。 2 ) 奖赏服务p s ( p r e m i u ms e r v i c e s ) ：为用户提供低时延、低抖动、低丢包率 和保证带宽的端到端或者网络边界到边界的传输服务。p s 是目前区分服务模型 中定义的级别最高的服务类型。 3 ) 确保服务a s 1 9 1 ( a s s u r e ds e r v i c e s ) ：a s 是从统计上保证用户的带宽，a s 的初衷是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，使用户摆脱 无法把握自己实际占有带宽量的困扰。a s 是依靠a f 的p h b 实现的。a s 的主 要优点就是实现机制简单，只需采用简单的标记和丢弃机制就能实现q o s 。在发 生拥塞时，a s 通过控制丢包优先级，提供了比“尽力而为”服务更好的服务。 虽然d i f f s e r v 仍在不断的发展，一些标准仍在制定和完善中，但是经过几年 的发展，d i f f s e r v 的体系结构2 0 1 已经比较成熟了。d i f f s e r v 的体系结构如图2 4 所 示。 区域出口路由嚣对出域 区域边界路由嚣执区域内藩路由嚣透过霄蠢进行嗣* 使托符合下 r 特耸分羹 曩节宵霜埋冲卧蒋辟它照辩恤域的协 什苷l i 图2 4d i f f s e r v 体系结构示意图 在d i f f s e r v 体系模型中，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d s 标记；内部节点在调度转发i p 包时根据包头的d 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 h b 。网络边界对 单流做分类聚合与网络内部对聚集流提供特定质量的调度转发服务，这两个过程 是通过i p 包头内的d s c p 协同起来的。 江苏大 学 硕士 学 位论 文 内部节点上实现一组或若干组p g l b 。处理i p 包时根据包头的d s c p 值选择 特定的调度转发行为。这一过程是多对一的映射( 函数) ，即每个d s c p 值只能 对应一个p h b ，多个d s c p 可能对应同一p h b 。这种映射关系在一个区域d s 内应保持一致。内部节点的处理对象是流聚集，数量有限，因而处理的时问与空 间复杂度低。内部节点也可能部分或全部实现分类和调节功能以增强网络的鲁棒 性。 2 3 2d i f f s e r v 的优点 o d i f f s e r v 模型中的d s 域最多有6 4 种不同的值，所对应的每一跳行为的数 目也有限，与流的数目无关。所以区分服务的可扩展性【2 1 】更好。 d i f f s e r v 将复杂的分类、标记、监控和整形处理只在网络的边缘进行。核 心路由器的实现相对简单，这使得区分业务的实现和配置比较容易。另外由于核 心路由器所需进行的操作相对简单，使核心路由器可以以极高的速度转发分组。 2 4 本章小结 本章主要介绍了q o s 技术的理论知识，着重探讨了两种q o s 服务模型一综 合服务和区分服务i z 2 j 。目前综合服务表现出了种种的不足，区分服务d i f f s e r v 模 型应需而生。d i f f s e r v 的最大优点就是简单有效、扩展性强。它实施特点是采用 聚合的机制将具有相同特性的若干业务流聚合起来，为整个聚集流提供服务，而 不再面向单个业务流。也就是说在网络边界路由器上保持每个流状态，核心路由 器只负责分组的转发而不保持状态信息。这种核心无状态结构有很强的扩展性。 区分服务通过把复杂转移到边界，使核心简单化以更好地满足各种q o s 需要。 d i f f s e r v 模型的应用提高了网络的整体q o s ，这也是本章研究的理论基础。 1 2 江 苏 大 学 硕士 学 位论文 第三章网络拥塞控制算法研究 3 1 拥塞和拥塞控制 拥塞f 2 3 1 现象产生原因是网络资源远远跟不上用户的应用需求，其中的网络资 源包括缓存空间、链路带宽容量和中间节点的处理能力。由于互联网的设计机制 导致其缺乏“接纳控制”能力，因此在网络资源不足时不能限制用户数量，而只 能靠降低服务质量来继续为用户服务，也就是“尽力而为”的服务。拥塞现象会 导致数据传递时间的延迟，继而出现的分组丢弃会使资源大量被浪费，结果导致 资源利用率下降，甚至可能导致整个网络的崩溃，使得整个通信网络停止。 拥塞虽然是由于网络资源不足引起的，但是如果只是单纯的增加网络资源并 不能真i f 的解决网络拥塞，例如增加缓存空间到一定程度时，只会加重拥塞，而 不是减轻搁塞，这是因为当数据包经过长时间排队完成转发时，它们很可能早已 超时，从而引发源端超时重发，而这些数据包还会继续传输到下一路由器，从而 浪费网络资源，加重网络拥塞。单纯的增加网络资源之所以不能解决网络拥塞问 题，是因为拥塞本身是一个动态问题，它不能只靠静态的方案来解决，而需要动 态控制策略在网络出现拥塞时保护网络的讵常运行。目前对网络进行的网络拥塞 控制主要是依靠在源端执行的基于窗口的t c p 捐j 塞控制机制，而基于路由器的拥 塞控制现在也成为研究的热点。 l i b p s 3 1 1 拥塞控制基本思想 图3 1资源不足发生拥塞的网络拓扑图 拥塞控制至少包含两个方面：一是源算法能响应路径中的拥塞，动态的调节 江苏大 学 硕士 学位 论文 数据发送速率；二是要有一个中间节点管理机制能有效的预测、监控路径中的拥 塞程度，通过显示或者隐式的方法在拥塞发生前及时通知源端，在拥塞发生后抑 制发送源端以超出中间结点转发速率的速度发送报文分组。通过进行拥塞控制可 以提供有保证的q o s 。 3 1 2 拥塞与q o s 技术 基于端到端的拥塞控制机制对i n t e m e t 上大批量文件传输等尽量而为服务具 有较好的适应性，但对有实时服务质量q o s 要求的多媒体数据流却并不适应，由 于出现拥塞情况而使发送数据鼍的突然减半会导致接收者感觉到服务质量显著 下降。t c p 拥塞控制时发送数据量的突然改变已经成为多媒体通信等一些应用 q o s 的主要障碍。 i e t f 区分服务工作组为支持多媒体数据流服务质量q o s ，定义了逐点行为 p h b 。目前已标准化的有p h b 有尽量作好型b e 、加速型e f 、确保型a f 以及兼容 i p 优先级的类选择型c s 等口q 种。 3 2 拥塞控制算法 根据算法的实现位置，可以将拥塞控制算法分为两大类：源算法和链路算法。 源算法在主机和网络边缘设备中执行，作用是根据获得的反馈信息调整发送速 率。链路算法在网络设备如路由器和交换机中执行，作用是检测网络拥塞的发生， 产生拥塞反馈信息。 3 2 1 源算法 源算法中使用最广泛的是t c p 拥塞控制算法【2 4 1 。近年来，t c p 采用了很多 新的拥塞控制算法，大大提高了网络传输的性能。t c p 中使用的拥塞控制算法己 经成为保证网络稳定性的重要机制。 目前的拥塞控制源算法基本拥塞控制机制主要就是由“慢启动”、“拥塞避 免”、“快速重传”、虬陕速恢复”【2 5 1 这四个算法组合而成。不同算法对某些初 始值的操作及拥塞产生后的反应均有所不同。 1 ) 慢启动阶段 1 4 江 苏 大 学 硕士 学位 论 文 ie j 的t c p 在启动一个连接时会向网络中发送许多分组，由于一些路由器必须 对分组排队，这样就有可能耗尽存储空间，从而导致t c p 连接的吞吐量下降。避 免这种情况发生的算法就是慢启动。当建立新的t c p 连接时，源端将拥塞窗口 ( c w n d ) 初始化为一个分组大小( 通常一个分组缺省为5 1 2 b y t e s ) ，i i p c w n d = 1 个t c p 分组。每收到一个来自接收端的a c k ( a c