Diffserv體系結構中路由器的實現

2019-11-05 00:37:54

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供稿：網友

　　服務提供商和企業一般建造并維護不同的網絡來承載語音、視頻、要害任務和非要害任務通信，然而現在越來越趨向于將所有這些網絡融合為單一的基于分組的ip網絡。
　　
　　最大的IP網絡當然是Internet，它的使用和基于Internet的應用的數量在過去幾年里呈指數級增長。由于Internet和企業內部網的持續發展，人們提出了非傳統數據應用，例如IP語音( VoIP) 以及視頻會議。天天都有越來越多的用戶和應用出現在Internet上，所以Internet需要能夠同時支持已有的和新出現的應用和服務。然而，當前的Internet只能夠提供盡力而為的服務，而盡力而為的服務并不提供關于數據分組何時或是否被傳送給接收方的服務保證。
　　
　　1994年，IETF成立了Intserv (集成服務) 工作組，擴展Internet服務模型，以更好地滿足新出現的各種語音/視頻應用程序的需要。它的目標是清楚地定義新的增強型Internet服務模型，并為應用程序提供使用路由器支持機制和子網技術表達端到端資源要求的手段，旨在分別治理需要特定QoS的流。但Intserv模型要求在Internet上保證每個流的QoS，由于現在的Internet上有成千上萬的流，因此路由器需要的狀態信息量非凡大。隨著流數目的增加，狀態信息量也將增加，這將導致擴展性問題，從而使得Interserv難以在Internet上部署。 1998年，IETF成立了Diffserv（區分服務）工作組。Diffserv是聯系Intserv的保證QoS要求和目前Internet所提供的盡力而為服務的橋梁，通過將通信分成幾類并為之提供相關的服務優先級來區分通信。
　　
　　　　一、Diffserv體系結構原理
　　
　　區分服務（Diffserv）模型的提出源于集成服務模型暴露出的種種缺陷，IETF為此制定這個相對擴展性較強的方案來保證IP網絡的服務質量QoS。
　　
　　Diffserv體系模型的核心思想是：在網絡邊界將數據流按QoS要求進行簡單分類，不同的類別在內部節點的每次轉發中實現不同的轉發特性。Diffserv體系使得ISP能夠提供給每個用戶不同等級和質量的服務。用戶（或網絡邊界節點）通過設置每個數據包的DS字段（IPv4首標中的服務類型（ToS）字段或Ipv6首標中的通信類（Traffic Class）字段）的值要求特定的服務等級。其中，被設置的DS字段被稱為區分服務碼點（DSCP）。在每個支持Diffserv的網絡節點中，這個DS值將數據報映射到一類轉發行為PHB(Per-Hop Behavior)中去，從而在轉發中區別對待。用戶和ISP之間有一個協定，此協定規定了該用戶在每個服務等級上所能發送的最大數據率。超過此最大速率的數據包或被丟棄，或無法享受到它所要求的服務。Diffserv網絡最大的特征是其可擴容性。此體系將許多復雜的控制移到了網絡邊界，使內部節點能對疊加之后的數據流進行處理，而不必對每個數據流分別處理，從而大大減小了網絡內部應該記錄的狀態，簡化了網絡內部節點的操作。
　　
　　在Diffserv體系中定義了三種服務質量,分別為盡力而為服務（BE）、獎賞服務（EF）和保證服務（AF），其中獎賞服務是指將網絡帶寬中的一小部分帶寬分配給獎賞服務用戶使用，主要用于實時服務；而保證服務是提供比盡力而為服務盡可能好的服務質量，其與盡力而為服務的區別在于當網絡擁塞時先丟棄盡力而為分組。
　　
　　二、 Diffserv體系結構中路由器的實現
　　
　　邊緣路由器的實現機制。分組由輸入接口進入路由器進行處理，最后通過輸出接口對分組進行轉發。
　　
　　首先，分組從輸入接口進入路由器，路由器中的分類器將對分組的IP報頭中的DS字段的數值進行檢查，對分組進行分類。分組分類后進入標記模塊，標記器的工作過程，在標記器中對AF分組使用RIO算法（該算法將在下一章具體介紹），而AF和Best Effort分組直接輸出。AF分組進入標記器后，標記器檢查是否有足夠的令牌轉發該分組，若有足夠的令牌，則該分組直接進入輸出接口轉發；若沒有足夠的令牌，則標記器將該分組標記為Best Effort(Out)分組后，再輸出該分組。分組標記后，假如分組為EF分組，則分組將送到測量器模塊，若分組為Best-Effort或AF分組，則該分組將被直接送到轉發模塊。測量器模塊使用令牌桶機制，令牌桶包括兩個參數：令牌產生速率和令牌桶容量。令牌桶以指定速率產生，當令牌桶滿時，產生的令牌將全部丟棄。當分組到達測量器時，測量器檢查是否有足夠的令牌。若沒有足夠的令牌，則分組將被丟棄；若有足夠的令牌，則分組將進入轉發模塊。轉發模塊的功能是查找路由器，找出轉發分組的輸出接口。整形器的實現與測量器相似，其與測量器的不同之處在于測量器當沒有令牌時丟棄分組，而整形器卻將分組首先放到緩沖區內，當令牌桶有足夠令牌時再將分組轉發，只有當緩沖區滿時才會丟棄分組。
　　
　　測量器的工作過程。分組經過分類器處理后，Best Effort和AF分組直接進入轉發模塊而不進入測量器進行處理，而EF分組進入測量器。在測量器中，令牌的產生速率為r bit/s，該速率應該與分配給EF服務的最大傳輸速率相同。當EF分組進入測量器時，若令牌桶中有令牌，則該分組進入轉發模塊；若令牌桶中沒有足夠的令牌，說明EF分組的速率超出了分配給EF服務的最大傳輸速率，所以丟棄該分組。
　　
　　整形器的工作過程。整形器檢查是否有足夠的令牌轉發該分組，若有足夠的令牌，則該分組直接進入輸出接口轉發；或沒有足夠的分組和足夠的令牌，則將該分組放入緩沖區中，當整形器有足夠的令牌時，再將該分組發送到輸出接口，只有當緩沖器區滿時才丟棄該分組。在輸出接口使用CBQ算法對AF、EF、Best Effort分組流分配帶寬。
　　
　　在路由器輸出接口，采用CBQ（Class Based Queuing for Bandwidth）機制進行帶寬分配。它包括加權公平排隊(WFQ)、公平排隊（FQ）等功能。CBQ可以控制所有的信息類型，包括非IP和非TCP通信，如語音信息。它支持精確的全速率帶寬分配，并可同步執行優先級和帶寬治理。在該區分服務體系結構中CBQ機制的帶寬分配體系結構中有三種服務等級：EF、AF和Best Effort，其中，EF可動態分配最高到x％的輸出接口帶寬并擁有比AF、Best Effort更高的優先級；而AF和Best Effort共享剩余的帶寬，即在最壞的情況下，AF和Best Effort可共享到（100-x）的輸出接口帶寬。
　　
　　核心路由器與邊緣路由器的區別在于它沒有標記器、測量器和整形器。
　　
　　 三、性能分析
　　
　　為了測試該體系結構并分析該體系結構的性能，使用ns2對該體系結構進行了仿真，由于BE和AF原理相同，只是網絡擁塞時丟棄概率不同，所以該仿真只對BE和EF進行仿真。該拓撲包括三個主機和一個路由器，其中B為路由器，C和D是發送主機，A為接收主機，C主機發送EF通信流，而D主機發送BE通信流。C主機和D主機都按8Mbit/s的恒定速率發送分組，而系統為C主機提供4Mbit/s的EF服務。每條鏈路的帶寬都為10Mbit/s，對于B路由器其測量器的令牌桶參數為[4Mbit/s，20000byte]，其整形器的令牌桶參數為[10Mbit/s，20000byte]。
　　
　　在t＝800s時只有主機D的EF通信流在網絡中傳輸。可以看出，雖然主機D以8Mbit/s的速率發送分組，但路由器B只為其提供4Mbit/s的EF服務，所以經過路由器B的測量器處理后該通信流按4Mbit/s的速率轉發。在t＝810s時主機C開始發送BE通信流。可以看出，EF通信流并未受到影響。由于在路由器的輸出接口對通信流進行整形，所以BE通信流在路由器B的輸出接口得到6Mbit/s的輸出接口帶寬。在t＝850s主機D停止EF通信流的發送，這時BE通信流馬上占用整個帶寬。可以看出該結構實現了Diffserv體系結構資源的動態分布，在EF服務得到保證的同時最大可能的傳輸BE分組。　　
　　
　　在未來的Internet支持一定的QoS保證將成為發展必然趨勢，而Diffserv體系結構正是針對這個問題而提出的一種解決方案。路由器是Diffserv體系結構的核心器件，是實現Diffserv體系結構的最要害技術。
　　
　　本文對Diffserv體系結構的路由器進行了較為深入的分析并進行了仿真，從仿真結果可以看出：該路由器實現了資源的動態分布，在EF服務得到保證的同時最大可能地傳輸BE分組。

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