基于策略的IP网络的QoS研究毕业设计.docx
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基于策略的IP网络的QoS研究毕业设计
本科生毕业论文
题目:
基于策略的IP网络的QoS研究
摘要
网络服务质量技术为多媒体的应用提供了可靠的保证,近年来已成为网络技术研究领域的一个热点问题。
Diffserv模型和MPLS模型为解决IPQoS问题提供了有效途径,本文研究了基于DiffservoverMPLS模型的流量控制技术。
矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
首先,简要讨论了IPQoS体系结构的发展,分别阐述了支持不同QoS要求的三种网络体系结构:
Intserv模型、Diffserv模型和MPLS模型,比较了三种网络体系结构在扩展性、鲁棒性、服务质量等方面的差异。
为了提高IPQoS,在三种模型的基础之上,研究了DiffservoverMPLS体系结构模型,对该模型的框架及实现进行了讨论,并与其它的体系结构进行了对比,分析了DiffservoverMPLS模型的技术优势。
聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
其次,本文重点研究了流量控制技术的两个重要组成部分:
列队管理和队列调度,从提高网络的扩展性和鲁棒性出发,在详细分析现有算法的基础上,提出了一种动态的列队管理算法,并对DRR调度算法进行了改进,分别比较了改进后的算法在延迟性、抖动性和公平性等方面的优势。
然后,对动态队列管理算法和改进的DRR调度算法进行了实验仿真,实验结果表明,改进后的算法具有良好的鲁棒性,能够提高网络资源的利用率。
残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
最后,对网络服务质量技术进行了总结,并对未来工作的几个方面作出展望,指出虽然目前已经提出了多种解决方案,但基于DiffservoverMPLS模型的流量控制还只是处于研究阶段,其相应的扩展性和鲁棒性仍需不断的改进。
酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
关键字:
网络服务质量集成服务区分服务多协议标签交换
Abstract
QualityofServiceprovidesareliableguaranteefortheapplicationofmultimedia,andbecomesahotspotintheresearchofnetworksrecently.TwomodelsaboutDifferentiatedServiceandMulti-protocolLabelSwitchingsupplyanavailableroutetosesolvethequestionofIPQoS,thetechniqueoftrafficcontrolbasedonDiffservoverMPLSisstudiedinthispaper.彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
Firstly,thedevelopmentofIPQoSarchitectureisbrieflydiscussed,andthreekindsofarchitectures:
Intserv,DiffservandMPLSaredemonstratedrespectively,thenthedifferenceofthemiscomparedinexpandability,robustnessandQoS.InordertoimproveIPQoS,thearchitectureofDiffservoverMPLSisresearchedonthebasisofthreemodels,inaddition,frameworkandimplementationaboutitarediscussed,andincontrasttotheothers,theadvantagesofDiffservoverMPLSareanalyzed.謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
Secondly,afterdeeplyanalyzingcurrentalgorithms,thepaperconcentratesontechniqueoftrafficcontrolwhichincludesqueuemanagementandscheduling,adynamicqueuemanagementalgorithmisproposedtoenhancetheirexpansibilityandrobustness,andtheDRRschedulingalgorithmisalsoimproved.Comparingwithotherexistingalgorithms,theirbenefitinlatency,jitterandfairnessarepresented.Then,thesimulatingexperimentsaboutdynamicqueuemanagementalgorithmsaremorerobustandabletomakemoreuseofnetworkresource.厦礴恳蹒骈時盡继價骚。
Finally,asummaryoftheQoSisdiscussed,andexpectationisdevisedinsomeaspectsaboutfuturetasks.AlthoughmanyschemeshavebeenputforwardtoresolveQoSpresently,thetechniqueoftrafficcontrolbasedonDiffservoverMPLSisstillinexperimentalphase,expansibilityandrobustnessaboutitoughttoimprovefrequently.茕桢广鳓鯡选块网羈泪。
Keywords:
QualityofServiceIntegratedServiceDifferentiatedServiceMulti-protocolLabelSwitching鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。
第一章绪论
1.1引言
随着Internet规模的不断扩大和信息技术的迅猛发展,计算机网络的应用领域呈爆炸式增长,各种各样的网络服务不断涌现,特别是语音、图像、视频等实时多媒体业务得到了迅速发展。
这些实时的多媒体业务对网络传输延迟、延时抖动等特效为敏感,传输状况会在很大程度上受到网络状态的影响:
同时,由于多媒体业务占去了大量的带宽,在现有的网络中保证其他关键业务得到可靠传输就显得很困难。
传统的IP网络在服务质量方面的缺点显现出来,网络负载分配不均匀,业务无法保证及时准确地传输到目的地址。
因此,迫切需要采用新的机制来改善当前的网络环境,以满足人们对网络传输质量的需求。
颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
1.2QoS技术现状
对于IP网络如何提供QoS保证,国内外不同的组织和团体提出了不同的控制机制和策略,而其中比较著名的有:
濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。
(1)ISO/OSI提出了基于ODP分布式环境的QoS控制,但至今仍只保留在只给出了用户层的QoS参数说明和变成接口阶段,具体实现QoS控制策略并未提出;銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
(2)ATM论坛提出了QoS控制的策略和实现,ATM控制是“连接预定”型,它的核心内容是服务建立之前,通过接纳控制和资源预留来提供服务的QoS保证,而在服务交互的过程中,用户进程和网络要严格按照约定的QoS实现服务QoS保证;挤貼綬电麥结鈺贖哓类。
(3)IETF组织也已经提出了多种服务模型和机制来满足对QoS的需求,其中比较典型的有:
RFC2115,RFC2117以及1998、1999年提出的RFC26xx系列中的综合业务模型Insterv、差分业务模型Diffserv、多协议标签交换技术MPLS、流量工程和QoS路由等均用于解决网络的QoS控制和管理。
赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。
对于Internet这样的包交换网络中的服务质量保证的研究,是从二十世纪八十年代后期开始的。
期间,业内人士发表了大量的研究成果,到了九十年代后期,IETF工作组开始制定标准,大量的请求评论也被发布了。
目前,QoS的标准化工作正在以IETF为主进行推进,并取得了很大的进展,可以说主要的标准已准备完备。
另外,其他的与ATM有关的标准化是由ATMForum制定的,还有与无线有关的标准是由WAPForum制定的。
当然今后还有很多的工作要做,当出现新的网络使用方式时,新的QoS问题也会相伴而出,预想今后一个时期Internet会有丰富多彩的应用相继被开发,随之QoS技术也期待取得长足的进步。
塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。
1.3研究意义
进行网络管理QoS技术的研究,可在一下方面对网络发展产生影响:
(1)通过研究网络QoS,可以提高网络资源利用率,避免了网络资源的浪费,降低网络成本。
(2)为用户提高了更高质量的网络服务,避免了用户因为网络服务质量不好而导致的数据延迟甚至丢失等情况的发生。
(3)网络的不断发展是一个公认的规定,NGN作为一个全IP的网络必须能够承载数据、语音、视频等多种业务的网络,对于网络运营商而言,保障端到端的QoS是为用户提供多种业务的一个前提,这就要求必须根据不同业务的要求提供相应的端到端的QoS保证。
裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
(4)网络服务提供商可以通过QoS机制,根据不同用户对QoS的不同要求,提供多种有区别的服务,提供客户满意度,同时提高网络运营商的经营收益。
仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
(5)促进多媒体等应用服务的迅猛发展,一些对QoS有严格要求的服务如视频会议、IP电话、VOD视频点播等会得到更多用户的支持,同时其他的新型业务也会继续出现。
绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
(6)资源预留。
在源端和目的地之间的传送路径上,在传输持续时间内为应用的数据流维持一定的网络资源,使得数据传输过程中不会受到其他业务的影响。
为了给用户提供满意的QoS,经常对传输带宽和时延等相应的资源进行预留,以确保这些资源不被其他应用占用。
骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
第二章QoS概念
2.1QoS概述
2.1.1定义
QoS是网络元素在一定条件和程度上能够保障的网络传输和满足流量及业务服务的能力,是网络与用户之间以及网络上互相通信用户之间关于信息传输与共享的质量的约定。
对于QoS还没有一个标准的定义,有一种描述方法是:
“随着网络上实时业务的逐步增加,在共享网络上要求提供确定的传输服务。
这些确定的传输服务要求应用程序和网络基础设施有能力请求、设置和增加数据的传输。
”QoS是用于衡量使用一个服务的满足程度的综合指标,它的目的就是向用户提供端到端的服务质量保证。
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
QoS要满足的传输质量的重点在于,数据包不仅要到达预期的传输目的地,而且要保证数据包到达目的地的实时性、完整性和正确性。
鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
2.1.2QoS的参数
QoS有一套度量指标,包括业务可靠性、延迟、可变延迟、吞吐量、丢包率等。
(1)可靠性:
用户到IP业务连接的可靠性,包括建立时间、保持时间等;
(2)延迟:
也称为延时,只在发送点和接收点之间发送和接受数据包的时间间隔;
(3)可变延迟:
也称为抖动,指在同一条路径上发送的一个数据流中数据包之间的时延差异;
(4)吞吐量:
网络中数据包的传输速率,可用平均速率或峰值速率表示;
(5)丢包率:
在一定时间范围内,网络中传输数据时丢弃数据包的最高比率,即丢失的分组数/传输的中的分组数。
数据包丢失主要是由网络拥塞引起的。
栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
2.1.3QoS研究内容
QoS本身没有增加宽带的能力,它只能根据应用服务的要求来管理宽带。
为了实现对网络的有效管理,提供高质量的QoS,必须解决如下所述的问题:
辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
(1)准入控制。
根据用户的流量约定、请求的QoS及网络当前的负载情况决定是否接纳该用户,允许用户进入网络进行数据传输。
峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
(2)优先级和调度机制。
在对数据包进行处理和转发的过程中,需要为不同应用的包提供不同的优先级,优先级离的数据包获得优先服务。
同时,也需为不同优先级的包提供不同的丢包率,高优先级的数据包具有较低的丢包率,此外,网络节点也必须有一套相关的调度机制,确保应用能获得保证其QoS的资源,该机制也须提供一种公平的方法来分配空闲的容量。
詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
(3)排队机制。
在数据包到达目的地之前,每个路由器或者交换机必须能根据业务流的QoS要求将数据流的数据分组恰当的排队,并采用适当的调度策略给予相应的调度时间。
一个有效的排队机制对IP网络来说是非常重要的。
传统路由器使用单一队列的先入先出的方法,无法保证以较小的时延转发实时性很高的业务。
优先级排队算法虽能调整数据包的传输顺序,保证对实时业务的服务,却使优先级低的数据流的抖动加大,甚至有可能长时间得不到处理,因此需要其他的调整策略保证低优先级的业务的传输。
则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
(4)拥塞控制。
如果一个时间段内到达网络中某结点的数据量超过了该结点的承载量,就产生了拥塞。
拥塞产生的原因主要是网络资源不足或业务流分配不均匀。
常见的拥塞控制策略有,在端系统上使用的源控制策略,如TCP拥塞控制算法;在网络设备上使用的链路控制策略,如主动对列管理AQM等。
胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
(5)QoS的分类。
对QoS进行分类和定义的目的是使网络可以根据不同类型不同等级的QoS进行管理和分配资源,使用户可以根据不同的服务类型提出相应的QoS请求。
鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
(6)资源预留。
在源端和目的地之间的传送路径上,在传输持续时间内为应用的数据流维持一定的网络资源,使得数据传输过程中不会受到其他业务的影响。
为了给用户提供满意的QoS,经常对传输带宽和时延等相应的资源进行预留,以确保这些资源不被其他应用占用。
稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。
2.2IPQoS的体系结构
传统网络支持的是尽力而为的服务模型,对任何IP数据包都按照FIFO方式进行服务,即网络总是按照数据分组到来的先后顺序处理数据分组,而不进行任何区分,也不提供可靠性、时延性以及吞吐量方面的保证,在传统网络中的网络设备不具备智能管理的能力。
但随着网络用户的不断增加,新业务种类的不断出现,为不同用户、不同业务按用户要求提供不同等级的服务是网络发展过程中必须要解决的问题,为此,在QoS技术领域中出现了Intserv体系结构和Difserv体系结构两种新的服务体系结构。
陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
2.2.1IntServ集成业务体系结构
为了更好的满足各种新出现的语音、视频等数据流量大的新的服务类型的需要,IETF于1949年成立了Intserv工作组,并制定了综合服务的体系结构和参考框架。
综合服务模型以流为单位提供QoS,是一种单纯、自然的服务模式。
流是以单播或多播方式在发送端和接收端间传输的数据码流,它为不同服务提供类似连接的逻辑通道。
IntServ的基本原理是对于每一个需要进行QoS处理的数据流,通过一定的信令机制,在其经由的每一个路由器上进行资源预留,以便实现端到端的QoS业务。
沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。
为了使IP网络能够提供具有QoS的传输,并支持对QoS要求较为严格的语音、视频等实时业务,为各种应用提供端到端的保证,IntServ模型定义了一个作用于整个网络的控制服务质量的机制,整个网络中的每一个网络元素都必须有能力实现这一机制。
随后,通过一定的信令机制,将特定应用的服务等级要求通知其传输路径上的所有网络元素,并在应用服务与各个网络元素之间进行管理信息交换,网络元素将为该应用进行各种资源预留与处理策略的设置。
当整条路径建立起来之后,这一路径上的所有网络元素都已经做好了为相应的数据流提供QoS服务的准备。
钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。
IntServ模型所采用的主要技术包括:
流分类、准入控制、调度、拥塞控制和资源预留等。
流分类根据QoS需求决定数据分组所属的服务等级。
调度技术根据数据分组的不同服务等级进行不同的处理。
每个网络元素都对进入的数据流进行准入控制,并判断是否有足够的资源满足数据流的QoS要求,以及数据流是否有权获得要求的服务等级。
IntServ通过资源预留机制逐个节点的建立或解除每个流的资源预留状况,通过接入控制机制判断网络节点是否能满足QoS请求并接受或拒绝请求,模型中所有的路由器都要支持RSVP机制,即都要有在控制路径上处理每个流的信令消息并维护每个流的路径状态和资源预留状态,执行流的分类、调度和缓冲区的管理的能力。
懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。
IntServ(IntegratedServices)由IETF的IntServ工作组于1994年在RFC1633中提出。
IntServ定义了三种服务类型:
謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。
(1)Guaranteed可以提供虚拟专线业务。
对宽带、时延、分组丢失率提供端到端定量的QoS保证。
(2)ContronlledLoad给用户提供一种类似在网络负载、无阻塞情况下Best–Effort的网络服务。
它是一种定性的指标。
呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。
(3)Best–Effort类似于目前互联网上提供的服务,是一种尽力而为的工作方式,基本上无任何质量保证。
莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。
为了实现上面的三种服务,IntServ定义了一个简化模型,包含4个功能部件,由支持该体系的路由器实现。
其参考模型如图2.1所示。
麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。
納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。
(1)RSVP(ReSerVationProtocol,RFC2205)RSVP即资源预留协议。
它是Interne上的信令协议。
通过RSVP,用户可以给每个业务流(或联接)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QoS保证。
RSVP是单向的预留,适用于点到点以及点到多点的通信环境。
風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。
(2)访问控制(AdmissionControl)它基于用户和网络达成的服务合同,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。
灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。
(3)分类器(Classification)根据预置的一些规则,它对进入路由器的每一个分组进行分类。
这可能需要查看IP分组里的某些域(IP源地址、IP目的地址、上层协议类型、源端口号、目的端口号),还可以查看第4层以上协议,比如URL、SMTP、NNTP等协议中的明文信息。
分组经过分类以后被放到不同的队列中等待接收服务。
铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。
(4)队列调度器(Mapping&Scheduler)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。
常见的调度算法有WFQ、SFQ、PBQ、VC、WRR等。
攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。
IntServ尽管能提供QoS保证,但扩展性较差。
因为其工作方式是基于每个流的,这就需要保存大量的与分组队列数成正比的状态信息;此外,RSVP的有效实施必须依赖于分组所经过的路径上的每个路由器。
在骨干网上,业务流的数目可能会很大,同时它还要求路由器的转发速率很高,这使得IntServ难于在骨干网上得到实施。
目前,比较一致的看法是在网络的边缘实施IntServ,或者对流(Flow)的定义更加粗糙以使业务流的数目降低到可以承受的地步。
趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。
2.2.2IntServ集成业务体系结构
为了了解IntServ的一些缺点,IETF在RFC2475中提出DiffServ(DifferentiatedServices)体系结构,旨在定义一种实施IPQoS且更容易扩展的方式,以解决IntServ扩展性差的缺点。
DiffServ简化了信令,对业务流的分类颗粒度更粗。
它通过汇聚(aggregate)和PHB(PerHopBehavior,每跳行为)的方式来提供一定程度上的QoS保证。
汇聚的含义在于路由器可以把QoS需求相近的各业务流看成一个大类,以减少调度算法所处理的队列数;PHB的含义在于逐跳的转发方式,每个PHB对应一种转发方式或QoS要求。
夹覡闾辁駁档驀迁锬減。
在DiffServ里,引入了DiffServ域(Domain)的概念,一个DiffServ域可以认为是一个能提供DiffServ业务的子网,DiffServ网络模型如图2.2所示。
DiffServ域主要由一些路由器组成,并对这些路由器进行了区分,把位于DiffServ域边界的称为边界路由器(EdgeRouter),而把DiffServ域内部的称为内部路由器(CoreRouter)。
边界路由器需要具有的功能有:
对业务流的分类(基于IP分组中一些字段,与IntServ类似的较细分类或者为基于汇聚的较粗分类)、整形(Shaping)、标记(Marking)和调度(Sheduling)。
内部路由器需要具有的功能有分类(为基于汇聚的较粗的分类)和调度。
DiffServ力图通过对业务流的分类、整形、标记、调度来实现对业务QoS一定程度上的保证。
视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。
目前DiffServ定义了三种PHB来实现业务:
(1)EF(ExpeditedForwarding)提供类似于专线或租用线的服务。
EF只定义了一个DiffServ编码点,实现最小化时延和抖动,为数据流提供最高的传送级别。
超出预置合同的分组将被丢弃偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。
(2)AF(AssuredForwarding)提供不同级别的Best-Effort服务。
包含4个类和3个丢弃优先级(共有12个编码点),当发生拥塞时,高丢弃优先级的分组先被丢弃。
緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。
(3)CS(ClassSelector)提供8个编码点来重定义TOS顺序段(PrecedenceBits),主要用来兼容TOS协议。
騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。
DiffServ利用了IPv4分组头的TOS字段(或IPv6的COS字段),作为DSCP(DiffServ编码点)使用。
每一种DSCP对应一种PHB方式。
路由器在转发分组时只需查看每个分组的DSCP值,从而对此分组提供相应的PHB转发方式。
目前已定义的DSCP值有:
000000为缺省(Best-Effort)、101110为EF、xxx000为CS的8个DSCP、12个AFDSCP。
疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。
DiffServ的扩展性是通过汇聚实现的:
汇聚发生在边界路由器,多个流被归并为一个类别(通过DSCP标记),核心路由器仅需要较粗的分类以及实现调度和丢弃,与MPLS的汇聚模型明显相符合,所以IETF在2000年2月推出了“draft-ietf-mpls-diff-ext–03.txt”,在MPLS上支持DiffServ。
镞锊过润启婭澗骆讕瀘。
2.2.3Intserv与DiffServ的比较
IntServ模型是基于流的体系结构,以通信过程中的最低粒度提供多等级QoS服务,即使在网络严重拥塞时
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