基于区分服务模型的IP+QoS技术研究.pdf

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1、南京邮电大学硕士研究生学位论文 中文摘要 I 摘摘 要要 随着 Internet 规模的不断扩大及其承载业务的不断发展， 传统网络无法提供服务质量保证 的问题也逐渐的暴露出来，在这种情况下，IP QoS 的概念应运而生。区分服务(DiffServ)模型 凭借着其实现简单及易扩展等良好的特性成为解决 QoS 问题的首选方案，由于相对区分在网 络管理部署等方面较为简单已是 DiffServ 模型发展的主流，比例区分服务模型便是其中的一 种。DiffServ 模型下，队列调度算法一直是实现 QoS 控制的热点问题。 本文首先介绍了 DiffServ 体系的基本原理，引入一个能够实现可预测及可控性的比

2、例时 延区分服务(PDD)模型， 并分析总结了 DiffServ 模型下常用队列调度算法的优缺点； 然后结合 比例时延区分服务模型，在 DWRR 算法的基础上提出了一个动态权值变化的队列调度算法 PDDRR，该算法通过监测各队列的平均分组到达率动态的调整各队列的权值，从而保证在 无业务流突发时任意两个队列的平均排队时延保持在恒定的比例，在监测到突发流时忽略队 列时延的比例公平原则并线性的增加所有队列的服务权值； 最后通过NS2仿真平台对PDDRR 算法及其相关算法进行仿真比较，结果表明本算法不仅能够在合适的参数配置下实现队列间 的比例时延区分，而且改善了应对突发流的能力，在时延、平均丢包率等方

3、面都体现了较强 的可靠性。 关键词关键词：区分服务，队列调度，比例时延，服务质量，突发流 南京邮电大学硕士研究生学位论文 Abstract II ABSTRACT With the rapid expansion of the Internet scale and the growing number of services, the problem that traditional network lacks guaranteed QoS(quality of service) exposed gradually, IP QoS was born in that case. Aimed at

4、 the QoS problem, DiffServ model becomes the first choice depending on its simplicity and expandability, and relative differentiation is the direction of the DiffServ model with the simplicity of deployment and management, proportional differentiated services is one of them. In the DiffServ, queue s

5、cheduling algorithms is still a hot topic to achieve QoS. At the beginning, the basic principle of DiffServ and the proportional delay differentiated model which is predictable and controllable are introduced in this thesis, familiar queue scheduling algorithms in DiffServ are discussed in detail, a

6、nd then summarize the merits and the demerits of these algorithms. Next, a dynamically queue scheduling algorithm based DWRR is proposed, which combines the proportional delay differentiated modelPDDRR, the algorithm adjusts each queues weight according to the average packet arrival rate to guarante

7、e that the ratio of the average queuing delay keeping in the constant proportion when there is no burst traffic, neglect the proportion fairness principle and increase all the queues weights linearly under burst traffic environment. At last, PDDRR and its associated algorithms are tested on NS2 simu

8、lation platform, the results demonstrate that this strategy not only merely realize the proportion delay differentiated under proper parameters, but also improve the capabilities to handle the burst traffic, and reflect high reliability in delay and average loss rate. Key words: DiffServ, Queue sche

9、duling, Proportional delay, Quality of Service, Burst traffic 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 III 目目 录录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第一章 绪论 1 1.1 IP QoS 的提出及意义 1 1.2 IP QoS 的内容及研究现状 1 1.3 队列调度算法 . 3 1.4 论文的研究内容及结构 . 4 第二章 DiffServ 网络模型 . 5 2.1 DiffServ 体系概述 5 2.2 DiffServ 体系基本原理 5 2.2.1 基本概念 . 5 2.2.2 基本原理 . 6 2.3 Diff

10、Serv 体系结构 6 2.3.1 网络结构模型 . 6 2.3.2 DiffServ 模型中的网络节点结构 . 7 2.3.3 每跳行为 PHB 8 2.4 DiffServ 的研究方向 9 2.4.1 三种相对区分模型 . 9 2.4.2 比例区分模型 . 10 2.5 DiffServ 体系小结 11 第三章 队列调度算法原理 12 3.1 队列调度算法 12 3.2 队列调度的性能指标 . 13 3.3 典型的队列调度算法 . 14 3.3.1 简单的队列调度算法 . 14 3.3.2 基于 GPS 模型的队列调度算法 . 16 3.3.3 基于轮询的队列调度算法 . 17 3.3.4

11、 针对 PDD 模型的队列调度算法 . 19 3.4 本章小结 . 21 第四章 基于比例区分模型的动态队列调度算法 . 22 4.1 PDDRR 算法 22 4.1.1 PDDRR 算法的设计目标 22 4.1.2 PDDRR 算法的基本思想 23 4.2 PDDRR 算法结构 24 4.2.1 比例时延区分控制 . 24 4.2.2 自适应权值调整机制 . 27 4.3 PDDRR 算法实现的具体流程 32 4.4 本章小结 . 33 第五章 PDDRR 算法仿真及结果分析 34 5.1 NS2 仿真软件 34 5.1.1 NS2 的特点 34 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 IV

12、5.1.2 NS2 仿真的一般流程 34 5.1.3 NS2 相关工具 35 5.2 实验及性能分析 . 36 5.2.1 仿真拓扑结构 . 36 5.2.2 实验目的 . 37 5.2.3 实验过程及分析 . 37 5.3 本章小结 50 第六章 总结与展望 51 6.1 论文成果及研究意义 . 51 6.2 未来工作展望 . 52 致 谢 53 参考文献 54 在校期间发表的学术论文 58 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论第一章 绪论 1.1 IP QoS 的提出及意义的提出及意义 随着 Internet 网络规模和用户数目的不断发展，网络上的业务种类也在呈爆

13、炸式的增长， 人们对网络的需求已经不再局限于电子邮件、文件传输等数字传输应用，而是渴望具有优越 性能的诸如 IP 电话、视频会议、远程教学等多媒体应用。传统 IP 网络中“尽力而为”的传 输模式已经不能应对这些实时应用及用户对网络服务质量的要求，所有这些都要求网络有非 常完善的服务能力1，但 Internet 网络的机制及体系结构庞大且复杂，进行重建会带来巨大的 资源浪费和损失，所以人们试图在现有的体系结构下提出新的方法来支持多媒体应用。在这 种情况下，QoS(Quality of Service)的概念应时而生，其出发点就是在 IP 网络的结构上为一些 实时性高的业务提供一种有效的传输手段来

14、满足低延迟、低抖动、低丢包等要求2。 在现有的网络环境中，QoS 是一组服务要求，不同的应用要求有不同的服务需求，那么 就要将这些需求具体参数化，ISO 定义了 QoS 的一组参数，使得不同的业务能够使用同一种 服务。QoS 的控制技术已经成为下一代网络的核心技术之一，QoS 的实施可以保证各类实时 业务更有效的共享网络资源，确保每个服务等级的业务有足够的带宽，提高网络的资源利用 率，降低网络成本3。 1.2 IP QoS 的内容及研究现状的内容及研究现状 在研究 IP 网络服务质量的过程中，有必要对 QoS 有个较为确切的定义。一般认为网络 QoS 是在网络带宽一定的条件下，通过一定的策略来

15、保证不同业务的服务需求，同时 IP 网络 中使用的是 IP 协议，在数据传输的过程中传送的是 IP 包，因此将 IP QoS 具体描述为：当 IP 数据包流经一个或多个网络时所体现的性能属性， 表现的是 IP 网络为指定业务提供特殊服务 的能力。IP QoS 参数集具体可以量化为延迟、抖动、吞吐量、丢包率等性能指标4： 传输延迟：指在两个网络节点间发送与接收分组的时间间隔； 延迟抖动：也称延迟变化，在同一条路由上发送的一组数据流中连续数据包在传输中延 迟的差异，用表达式可简单表示为： | )()( | ijij ddaaJitter= （1-1） 式中 j a、 i a 表示相邻数据包到达路由

16、器的时间， j d 、 i d 表示相邻包的离开时间 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 2 吞吐量：网络中接收并转发IP包的速率，可用来衡量网络服务数据流的能力； 丢包率：网络中丢失的数据包占全部传输的数据包的最高比率，数据包的丢失一般是由 网络的拥塞引起的5。 对IP QoS进行研究主要是为用户保证端到端的服务质量控制，为了获得所需的网络指 标，需要在网络环境中实施一定的控制策略，而IP QoS技术的核心便是一整套通用的QoS 控制机制。但如果没有一个具体模型来承载这些要素，不能把实现机制搭在一个网络模型中 去讨论就没有实际意义了。目前，国际上许多相关的研究组织都在着手设计所需的

17、IP QoS网 络模型，如ITU-T（国际电信联盟） 、IETF（工程任务组） 、ETSI（欧洲标准化组织） 、 TIPHON/TISPAN（传输平台功能体） 、MSF（多业务交换论坛）等。 IETF组织首次在IP QoS领域做了尝试，并于1994年在RFC1633文档中提出了基于 RSVP(Resource Reservation Protocol)协议的IntServ综合业务服务模型，出发点是在现存的传 统网络中提供端到端的传输服务，便于应对一些新的交互式及多媒体应用。该模型使用的是 资源预留协议，能够在网络中提供端到端的QoS保证6。IntServ体系突出的缺点是需要在网 络节点为每个流

18、建立相应的状态及网络资源，在数据流量过大时对网络设备的存储和处理能 力都有较大的考验。因此，其扩展性不够理想且在核心网络难以实施。 DiffServ体系结构是IETF为了弥补IntServ模型扩展性差等缺点在1998年推出的基于 DSCP(Differentiated Services Code Point)的解决方案，主要应用于骨干网7。在该模型中，流 的状态信息只保存在网络的边缘节点中，并根据用户的流规格和资源预留信息对进入的分组 进行相应的分类、整形、聚合操作，并将处理结果保存在IP包头的服务类型(ToS)字段中，即 区分服务代码点(DSCP)，每个DSCP都对应着一种逐跳行为PHB(P

19、er-Hop Behavior)8，用于 指示分组在网络转发过程中中间节点应该采取的处理方式，骨干网中的核心路由器不需要维 护流的信息，具有理想的扩展性。目前DiffServ的发展方向有两种：绝对区分服务(Absolute Differentiated Services)和相对区分服务(Relative Differentiated Services)。绝对区分服务需要严 格接纳控制及资源预留机制，限制了该模型的扩展性，而相对区分服务的网络管理部署等方 面都较为简单，在一些服务流间提供相对的区分服务，虽然不能保证绝对的端到端时延及吞 吐量等指标，但网络会确保高等级业务比低等级业务获得更好的Qo

20、S。提供相对服务区分的 方法有很多，如严格优先级、价格区分、容量区分等，Dovrolis等人于1999年提出的比例区 分(Proportional Differentiation)模型是当前相对区分中研究的热点。 近来出现的多协议标签交换MPLS(Multi-Protocol Label Switching)技术能够采用显示的 路由功能有效的增强在IP网络中使用流量工程TE(Traffic Engineering)的能力，而TE的主要 目的是通过合理的分配网络中数据流的路径，避免网络使用不均而产生的拥塞问题。常用的 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3 动态路由协议由于总是选择网络

21、中的最短路径转发包，从而使得网络节点之间最短路径上发 生拥塞，而长路径上的网络节点及链路却空闲。MPLS可以提供保证带宽的隧道，但在隧道 中同时传送DiffServ模型中定义的业务类型时就会产生干扰，那也就是说明MPLS无法感知 业务类型，2002年业界提出的MPLS DS-Aware解决QoS方案，可以充分利用DiffServ模型 的可扩展性及MPLS的显示路由能力9，虽然MPLS DS-Aware技术的相关RFC草案已经提 交IETF，但尚未形成标准。 为了保证端到端的QoS，数据包在传输过程中经过某子网时要保证高级别的数据帧得到 更高质量的服务。异步传输模式ATM等链路层技术可以支持Qo

22、S，但更多其它的LAN技术 并非是为支持QoS设计， 因此IETF的ISSLL小组提出了子网带宽管理SBM(Subnet Bandwidth Management)方案10，主要包括请求模块、带宽分配器及通信协议三个构件，适用于以太网、 令牌网等。 上面讨论的QoS模型有些可以相互补充， 在众多可以整合的技术中DiffServ与MPLS的 组合技术会有可能成为解决QoS的首选方案，但是发展到现在仍然缺乏一个可以像PSTN网 络那样整网实施的、端到端的QoS机制，这要考虑到网络中出现的各种IP业务类型、设备 等因素。 所以要想深入解决QoS问题不仅要分析网络结构的每个环节，充分结合QoS控制机

23、制，还需着手于业务终端、管理程序、用户等各方面。 1.3 队列调度算法队列调度算法 众所周知，在现有网络中为用户提供各自所需求的服务质量是相当困难的，所以在改善 传统网络服务质量这一问题中也出现了许多实现机制，如链路技术、协议等，其中队列调度 技术也是一种有效且广被人们接受的解决方法。 简单的说，队列调度主要是对链路带宽进行管理，由路由器依照某个原则从队列中选择 要转发的分组，使得所有的输入业务流能够按照预先约定的方式共享输出链路资源，该策略 主要应用在网络中发生冲突需排队等待调度的节点之处11。目前已经有多种分组调度算法， 遵从着不同的服务规则、实现目标与复杂度，如D.Clark等人提出的公

24、平类调度算法 WFQ(Weighted Fair Queuing)12在有效保证各业务流间公平性的同时增加了运算复杂度； M.Shreedhar等人提出的轮询类调度算法DWRR(Deficit Weighted Round Robin)13虽然实现简 单，但是其公平性及时延等性能指标不如WFQ算法；另外还有一些针对某些特定网络模型 设计的调度算法， 如C.Dovrolis 等人提出的PAD(Proportional Average Delay)及WTP(Wait Time Priority)14算法便是针对比例时延区分模型而提出的， 意在保证业务流间平均排队时延的比例 南京邮电大学硕士研究生学

25、位论文 第一章 绪论 4 公平性。综合这些算法实现过程的共同点都是通过提供的系统信息来控制各个队列使用网络 资源的频率，从而影响到分组排队时延、吞吐量等指标。 队列调度算法是DiffServ保证实时业务服务质量的核心技术，同时也是高速网络技术研 究中的重要发展问题。目前通信网络正在朝着宽带高速化和应用多样化的方向发展，这就要 求网络节点能够对业务进行快速、有效并合理的调度，所以针对队列调度算法的研究要结合 网络的发展趋势，并考虑算法的简单性和易实现性，使综合性能达到最佳。 1.4 论文的研究内容及结构论文的研究内容及结构 本文在分析IP QoS基本概念的基础上，研究了实现IP QoS的服务模型

26、，在总结出两种 服务模型的优缺点后选择DiffServ网络模型作为研究的重点，同时引入一个能够实现可预测 及可控性的比例时延区分服务(PDD)模型。 随后对DiffServ模型下常用的队列调度算法进行分 析比较，最后以DWRR算法为核心并结合PDD模型，提出了一种权值动态调整的队列调度 算法PDDRR，利用NS2网络仿真平台对该算法及其相关算法进行功能验证，通过仿真结果 的对比分析可以明显的看出PDDRR算法在平均排队时延的比例区分控制及应对突发流方面 的优越性。本文的大致结构如下： 第一章：绪论部分，介绍课题研究的背景，指出了队列调度算法的意义。 第二章：主要介绍DiffServ网络模型的实

27、现机制。在分析了DiffServ的基本原理、体系 结构后重点介绍了相对区分服务模型的实现机制，并引入了比例区分服务模型，为接下来的 研究提供背景基础。 第三章：介绍了队列调度算法的基本概念及实现原理，对简单的队列调度、基于GPS模 型的队列调度、基于轮询的队列调度和针对PDD模型的队列调度算法进行系统的分析比较， 总结出各自的优缺点。 第四章：在上文的基础上结合比例时延区分服务模型，提出了一种以DWRR算法为基础 的动态权值变化的队列调度算法-PDDRR，并详细介绍了该算法的设计思想、算法结构及实 现流程。 第五章：在简单介绍了NS仿真环境的情况下，对PDDRR及相关算法进行仿真，通过实 验来

28、验证PDDRR算法在比例时延区分及应对突发流这两方面的性能。 第六章：总结全文的工作并对未来队列调度算法的研究进行了展望。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 DiffServ 网络模型 5 第二章 第二章 DiffServ 网络模型网络模型 DiffServ网络模型是在IntServ模型发展遇到巨大问题的情况下应时而生的。为了解决 IntServ体系结构出现的问题，IETF在总结了各种意见的基础上于1997年推出了区分服务模 型，意图能够定义一种提供QoS保障能力且易于扩展的服务体系。 2.1 DiffServ 体系概述体系概述 区分服务体系结构是由许多在网络节点上的功能实体组成的，包括

29、数据包的分类、业务 量的调节和每一跳的转发行为集合。在该体系结构中，复杂的分类、标记及调节功能仅在边 缘节点上实现，在核心的网络节点中只执行简单的分组转发操作，将业务量调节和服务提供 功能同转发行为相隔离，同时允许核心节点执行简单的数据包分类操作15，流状态及一些监 控信息仅保存在边界节点；同时简化网络内部节点的处理对象，并不是对单一的流进行转发 处理，采用聚集传输控制，单流信息只在边缘节点保持和处理16。 由于DiffServ体系是针对IntServ体系结构的缺点而提出的， 所以我们对DiffServ的发展 也提出了诸多的要求，主要集中在服务质量保证、扩展性和兼容性这几个方面。由于在短期 实

30、现整个IP网络的服务质量是不可能的，在全网推广区分服务模型实现服务质量的过程中， DiffServ并不是唯一的方案，所以要能够与其他的网络及服务模型相兼容，并与已有的应用 程序相共存。 2.2 DiffServ 体系基本原理体系基本原理 2.2.1 基本概念 DS域(DS Domain)：一个连续能够实现区分服务的节点集合，且所有节点提供相同的服 务策略和每一跳行为，DSCP到PHB的映射关系也相同； DS区域(DS Region)：能够通过一系列连续的DS域提供区分服务的区域； DS节点(DS Node)：能够支持区分服务的网络节点； DS段(DS Field)：在IPv4中指TOS字节，在

31、IPv6中指业务类型字节，其中的DSCP段 用于编码DS编码点，其他比特未用； DS编码点(DS CodePoint)：DS段中的具体值，指定数据包归属的汇聚流及经过DS节点 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 DiffServ 网络模型 6 时用于选择相应的PHB； 逐跳行为(Per-Hop-Behavior, PHB)： 在DiffServ中， 一个网络节点对一个数据流的聚类 （具 有相同的DSCP）所采取的转发行为17。 2.2.2 基本原理 DiffServ网络模型在试图保持现有网络结构的基础上在网络节点中增加区分服务的功能。 主要通过改写IPv4包头的TOS字节或IPv6包头的流

32、类型字节为DS字段，利用其中的前六 位给出具有不同服务优先级的区分服务代码点， 即DSCP，CU(2 bit)在本服务模型中没有用到， IETF已经将它定义为显示拥塞指示(Explicit Congestion Notification, ECN)使用18。 如图2-1所 示，利用DS字段中不同的DSCP值来提供不同的服务质量保证。 图 2-1 IP 包头的 DS 段 DiffServ体系结构提供了一种流聚合的功能，将若干个流根据其流规定和资源预留信息 聚合为不同的流聚集，用DSCP值来标识。所以区分服务边缘节点将进入DS域的业务流分 类、整形、聚合、标记后，再根据其DSCP具体值选择对应的P

33、HB，而核心路由器是状态无 关的，只进行简单的调度转发，路由器中的调度器根据DSCP的值进行不同服务质量保证的 转发行为。因此，网络内部节点中服务提供和业务量调节被有效的同分组转发行为相隔离， 为接下来的扩展提供广泛的空间。 区分服务实际上就是给业务分级，同一个等级的业务在DS域中被聚合统一发送，保证 相同的延时、抖动、传送速率等服务质量参数，所以总的设计思想就是希望使用一种与目前 IP网络协议相结合的策略来实现业务服务质量。 2.3 DiffServ 体系结构体系结构 2.3.1 网络结构模型 DiffServ网络被划分为多个DS域，一个DS域在一个管理体制下执行统一的区分服务策 略，支持相

34、同的PHB组和编码点的映射关系。一个DS域中的网络节点可以分为边缘节点和 内部节点， 边缘节点用于连接其他DS域或非DS域，而内部节点只用来连接其他内部节点或 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 DiffServ 网络模型 7 边缘节点。区分服务网络结构如图2-2所示，图中明确标出了DS域、边缘节点和内部节点。 图 2-2 区分服务网络结构框图 2.3.2 DiffServ 模型中的网络节点结构 传统的IP网络结构只实现对数据包尽力而为的转发行为， 所以在保证现有网络基础结构 的情况下实现DiffServ模型需要在网络节点上增加区分服务的功能。区分服务边缘路由器的 功能示意图如图2-3所示

35、。 图 2-3 边缘路由器功能组成示意图 在RFC2475文档中有定义了业务量分类功能，在区分业务模型中， 分类器的任务是根 据数据包头部某些字段的值选出符合某种规则的数据包，然后引导它们进入业务量调节模块 进行下一步的处理，分类的结果实际上就是将QoS要求不同的分组分为不同的种类，各个种 类对应不同的服务。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 DiffServ 网络模型 8 业务量调节器通常是由标记器、测量器、整形器这几个部件组成：标记器的主要工作是 将包头DS字段的值设定为具体的编码点值，并将标记过的数据包划入某个行为聚集；测量 器是为了测量业务流的瞬间特性，并与在TCA中约定的数据流

36、轮廓进行比较，然后将测量状 态信息送给整形器和丢包器，从而引发对那些符合或不符合数据流轮廓的业务进行处理；整 形器中有一个有限大小的缓冲区，负责把一个业务流中的部分或全部数据包进行延迟在再传 输，使数据能够以较为平滑的方式输出，符合业务流描述规则，当缓冲区没有更多的空间去 容纳需要延迟的数据包时，这些数据包就会被丢弃。 2.3.3 每跳行为 PHB 区分服务网络模型允许网络供应商为用户提供不同等级的网络服务，各种服务等级将 对应于相应的每跳行为PHB，可以用一些聚集流的特性参数（如延迟、丢包率）来描述， 每个PHB描述了DS域中网络节点施加于某类数据包的策略，如拥塞时的丢弃策略、排队 策略、路

37、由规则以及资源管理策略，从而控制该类分组的转发行为，所以PHB仅是一种外 特性描述，并不涉及具体的实现机制，目前 IETF 已经为区分服务定义了三种PHB，即 BE(Best Effort)、EF(Expedited Forwarding)、AF(Assured Forwarding)19。 （1）尽力而为PHB BE PHB是针对尽力而为转发行为的PHB，在RFC2474中规定，尽力而为PHB中DSCP 字段的值全为0即编码点为“000000” 。BE PHB所对应的分组只有当其他分组处理完之后才 能被处理，由于具有最低的优先级，所有只能尽可能保证多的资源及尽可能快的转发速率。 （2）加速转

38、发PHB RFC3246文档为EF PHB下了明确的定义，对应数据包的DSCP值为“101110” 。 EF为 用户提供低延时、低抖动、低丢包率的服务质量，保证带宽的端到端的传输服务，是目前所 定义的服务级别最高的策略。 “三低一保证”的服务承诺可以让用户享受到类似虚拟专线的服 务，所以又称为“虚拟专线”服务。 （3）确保转发PHB 在RFC2597文档中提到AF实际上是一个根据相对带宽的可用性和多种丢弃机制定义的 边到边的PHB组。AF PHB所对应的数据包的DSCP值为“xyzab0” ，xyz 为001/010/011/100， 代表了四个等级AF1、AF2、AF3和AF4，ab 为10

39、1/10/11，代表三种丢弃优先级。AF PHB 通过设置不同的丢弃优先级来区分丢包敏感和不敏感的业务，以满足要求可靠传输的用户。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 DiffServ 网络模型 9 2.4 DiffServ 的研究方向的研究方向 区分服务已经成为Internet网络中实时传输的主要服务形式， 但关于DiffServ架构的研究 却向两个不同的方向发展：绝对区分服务(Absolute Differentiated Services)和相对区分服务 (Relative Differentiated Services)，这两种区分在服务目标及实现机制上都有明显的差异。 绝对区分服

40、务试图在核心路由器不保持每个流状态的情况下达到和IntServ模型一样的 服务目标，且用半静态的资源预留机制去代替动态的RSVP协议，同样也需要严格的接入控 制，为用户提供一个绝对的服务轮廓(Absolute Service Profile), 保证一些非弹性应用和实时应 用绝对的性能参数如最小服务速率及最大端到端延时等。所以在绝对服务模型中，用户要求 的服务等级都能得到保证，但如果应用所需的网络资源达不到要求时，那么用户就会被拒绝。 绝对区分服务的关键问题在于若要在高服务质量、粗划分粒度(coarse spatial granularity)及高 网络利用率之间进行折中，一些形式的路由探针(

41、route pinning)是必要的，而路由探针本身就 限制了该模型的扩展性。 相对区分服务模型中，网络流量被顺序的组成 N 类业务类，目的是控制各业务类之间的 相对服务质量顺序，即对于任意的1)(ji 。但容量区分机制在短期的效果较差，主要是因为因特网业务的突发性，短期 内出现高等级业务类的突发，使得高等级业务对于该时间段内的分组到达率得到的网络资源 要少于低等级业务，从而出现在短期内高等级业务服务质量更差的现象。 在上述三种机制中，价格区分和容量区分都不能适应网络流量的突发特性去提供始终如 一的业务区分，严格优先权机制虽然不依附于负载分布的变化保持持续的区分，但是却导致 网络管理员失去了对

42、网络的调控能力。基于上述三种相对区分模型的缺点，Dovrolis等人提 出了一个能够实现可预测性及可控性的新型相对区分模型：比例区分服务模型(Proportional Differentiated Services)。 2.4.2 比例区分模型 比例区分服务模型目前已经得到许多学者的关注，该模型在为各用户提供服务质量区分 的同时更多的给网络管理者控制各等级业务服务质量差异的能力，实现目标是使得分组转发 过程中每跳的性能量值之比等价于网络管理者所选择的区分参数之比， 若 i q ， j q 代表队列i和 队列j的性能量值， i c， j c ),.,2 , 1,(Nji=表示网络管理者设定的Qo

43、S区分参数，N是网络 提供的业务类总数21，那么有式（2-1）成立。 jiji ccqq= Nji,.,2 , 1,= （2-1） 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 DiffServ 网络模型 11 比例区分服务模型在很小的时间段内也能有好的服务质量比例关系，假设),(+ttqi， ),(+ttqj)0（为业务类i，j在),(+tt内的性能量值，同样有式（2-2）成立。 j i j i c c ttq ttq = + + ),( ),( Nji,.,2 , 1,= （2-2） 尽管每个业务类实际的服务质量会随着负载发生变化，但各类之间的质量比值却是固定 及可控的。另外，由于在短的时间间隔

44、内也能实现业务类的区分，所以从用户的角度来说业 务类的相对顺序是始终不变和可预测的。若式（2-2）中性能量值),(+ttqi用一个时延参数 ),(+ttdi来代替，那么比例区分模型便是一个比例时延区分(PDD,Proportional Delay Differentiation)模型，PDD 模型规定对于业务类 i，j),.,2 , 1,Nji=（在任意的时间间隔 ),(+tt)0( 内都应该满足： j i j i ttd ttd = + + ),( ),( Nji,.,2 , 1,= （2-3） 式中),(+ttdi),.,2 , 1(Ni =为业务类 i 在时间间隔),(+tt内离开分组的

45、平均队列时延， Ni i ,.,2 , 1, =是网络管理者选择的时延区分参数(DDPs，Delay Differentiation Parameters)， 因为要为高等级业务（队列 N 具有最高优先级）提供更好的服务如低排队时延，所以规定 0. 21 N 。 2.5 DiffServ 体系小结体系小结 DiffServ 网络模型采用了边缘、核心的网络结构，将网络节点分为边缘节点和核心节点 两种，按照“将复杂推向边缘，保持主干简单性”的原则，在边缘节点执行分类和业务调节 的功能，在内部节点仅实现简单的面向少量流聚集的调度算法。在讨论了 DiffServ 模型中两 个不同的研究方向后，以相对区

46、分服务中的比例时延区分 PDD 模型作为分析重点。为了保证 不同业务的需要， 满足各用户的时延、 抖动、 丢包率等参数要求， 在 DiffServ 模型上实现 QoS 机制需要充分利用各调度策略，所以我们要对 DiffServ 体系下的队列调度算法做重点研究。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章 队列调度算法原理 12 第三章 队列调度算法原理第三章 队列调度算法原理 众所周知，网络服务质量实现机制的本质在于网络资源的管理，如节点缓存、链路带宽 的合理分配问题。队列调度在管理网络资源上发挥着重要的作用，是网络 QoS 控制的核心技 术之一，也是解决多个数据流竞争共享资源的有效手段，主要作用

47、在网络节点中产生拥塞需 要排队等待之处，按照一定的规则选择服务下一个输出的业务流，使得所有等待的业务流都 能以预定的方式共享网络资源。所以在保证 QoS 的网络环境中要求每个路由器要有一个调度 器，且在各调度器中设有多个队列，并且多个队列共享链路带宽。 3.1 队列调度算法 3.1 队列调度算法 网络中分组的动态特性容易造成网络持续或短暂的拥塞，而当拥塞发生时多个业务流就 会竞争网络资源，那些得不到资源的业务就会被丢弃，不能保证某些关键业务的时延、带宽 等 QoS 指标，而在网络节点中最重要的资源是输出链路带宽，如何在到达的业务流之间合理 的分配带宽资源，决定业务转发的处理顺序，保证实时业务的

48、传输服务质量是我们研究队列 调度算法要解决的问题22。 调度算法通过一系列规则对节点中等待传输的输入流进行调度，保证用户业务流能够以 一定的方式共享输出网络资源， 并规定了每个业务流离开队列的瞬时特性。 假设有 N 个队列， 当分组到达时，不同的调度算法会根据分组的上下文规定其所属的队列，此时调度器则需要 从这 N 个队列中选出下一个要服务的分组出队并转发，某个队列的分组被传输时其它的队列 只能处于等待状态，队列调度的基本原理如图 3-1 所示，所以调度器是相对优先级及不同业 务流之间带宽分配的最后监控程序。 图 3-1 队列调度基本原理 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章 队列调度算法原理