第三十五讲 集成服务与区分服务ppt课件.ppt

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1、数据通信与计算机网络（第二版）电子教案,笫三十五讲集成服务与区分服务,本讲内容,第12章 服务质量控制QoS12.4 集成服务12.4.1 体系结构12.4.2 服务类型12.4.3 RSVP12.5 区分服务12.5.1 区分服务概述12.5.2 负载调节12.5.3 PHB,12.4.1 体系结构,基本概念集成服务IntServ（Integrated Services Architecture）模型是一种基于流的体系结构。所谓流指的是为了同一个应用而产生的具有相同的QoS要求的分组的集合。流是单向的，如果需要双向的数据传输，则通过两个方向的流来进行。 服务质量保证 IntServ为每个流提

2、供相应的服务质量保证。,12.4.1 体系结构（续）,网络通过一个资源预留协议RSVP来把希望的QoS要求传递给途中的路由器。支持集成服务的路由器体系结构路由器包括控制平面和数据平面。控制平面 控制平面用于传递信令消息，从而对数据平面中相应的模块进行设置。RSVP代理是控制平面的核心部分，它负责与相邻的RSVP路由器交换流的服务质量要求，然后通过准入控制模块来决定是否接受该资源预约请求。,12.4.1 体系结构（续）,集成服务路由器模型,12.4.1 体系结构（续）,路由代理执行普通路由器的路由选择功能，决定怎样把分组从源传输到目的地，或者在组播时决定如何把分组从源传输到组播组的成员中。数据平

3、面 数据平面负责决定收到一个分组之后怎样保证该分组的流的服务质量要求。 分组分类器模块把分组与对应的流绑定起来，这一般是通过一个五元组来进行。通过分类器筛选出来的分组进一步通过相应的通信量控制模块来检查是否满足预先协商的QoS要求，或者映射为相应的队列，然后通过调度器来保证该流的QoS。,12.4.1 体系结构（续）,通信量控制模块设置在路由器的输入端口处，检查分组是否满足其对应的流的特性，确保那些满足对应的流的特性的分组经过。大多数多媒体应用中的负载是通过一个编码器来产生的，这些负载的QoS参数一般可以通过定量的描述。对于非实时负载来说，一般不能提供定量的描述，而是希望带宽越多越好，因此通信

4、量控制可能是相对于多个汇集的非实时负载来进行的。 IP转发模块根据分组头部的目的地址和路由表，选择相应的输出端口，并把分组转发到输出端口。,12.4.1 体系结构（续）,调度器负责从输出端口的多个队列中选择一个分组进行传输，使得每个流满足其被指定的特性，一般采取WFQ、优先级队列等调度算法。服务等级协议（Service Level Agreement，SLA）用户在进行实际的数据传输之前，必须首先和网络提供者就其要求提供的服务进行协商，协商后的结果称为服务等级协议。 SLA包括服务要求、负载说明、使用费、用户或者网络提供者没有履行合同时的惩罚条例等。,12.4.1 体系结构（续）,和技术相关的

5、部分被称作服务等级规范（Service Level Specification，SLS），其中两个主要的部分分别是描述用户发送的负载流的TSpec（Traffic Specification）和描述流期待的服务质量的RSpec（Reservation Specification）。RSpec 描述了用户期望的网络提供的服务质量，它与用户希望的服务相关。 TSpec用于描述流的特性，最直观的想法是通过指定使用的带宽来描述。要说明流的特性，首先是峰值速率和平均速率；为了说明突发性，一般采用前面介绍的漏桶算法或者令牌桶算法。,12.4.1 体系结构（续）,集成服务采用令牌桶算法来描述负载流的特性，令

6、牌桶有两个参数，分别是令牌产生的速率r和桶的容量b。 分组要想通过令牌桶必须有足够的令牌，令牌按照速率r生成并且放在令牌桶中，如果超过桶的容量b，则令牌将溢出丢掉。令牌桶制约的流限定了平均速率r及最大队列长度b。 为了描述流的特性，令牌桶过滤器通常包括了5个参数：平均速率r、桶的深度b、最大速率p、最大分组长度M、最小分组长度m。,12.4.2 服务类型,问题的提出为了支持那些具有不同QoS要求的应用，集成服务除了支持传统的尽力递交服务外，还引入了两种新的服务类型：确保服务和控制负载服务。确保服务（Guaranteed Service） 设计目的确保服务是为了不容错的实时应用设计的，为提供限制

7、端到端的分组延迟小于某个固定值，这样应用可以设置相应的播放点，使得分组不会在其对应的播放点到来之后才到达接收者。,12.4.2 服务类型（续）,工作机制限制端到端的延迟的上限 理想的情况下，属于某个流的负载通过一个参数为（令牌生成速率r字节/秒,令牌桶容量b字节）的令牌桶来描述，而请求的服务要求保证流获得至少为R字节/秒的带宽。,在间隔T内，经过令牌桶的负载最多为brT，负载进 一步通过两个流服务速率都为R字节/秒的采用流体公 平排队调度FFQ的复用器（路由器），其中 ，复 用器的缓冲区初始为空,12.4.2 服务类型（续）,第一个复用器，在时刻t=0时，令牌桶允许b字节的分组流出，复用器的队

8、列长度为b字节，然后令牌桶允许流出的分组速率为r字节/秒，而复用器的服务速率为R字节/秒，因此队列为空的时间为 ，这是第一个复用器处的排队延迟。其上限为 。,令牌桶整形后分组的延迟,12.4.2 服务类型（续）,为了能够提供确保服务，途中的路由器必须知道流的特性和要求的服务，流的特性TSpec用令牌桶的5个参数来描述。要求的服务RSpec则用服务速率R字节/秒和以毫秒为单位的延迟冗余或者放松条件（Slack Term）两个参数来描述。,结论：经过一个令牌桶的负载经历的延迟小于等于 。,在采用PGPS调度机制下，经过一个(b,r)令牌桶的分组在 经历H个跳段后的最大延迟为：,其中m为该流的最小分

9、组长度，M为最大分组长度，H为 跳段数， 为链路j的数据速率， 。,12.4.2 服务类型（续）,R是途中的路由器应该提供给这个流的理想服务速率。S反映了端到端的最大延迟允许偏离理想情况下的延迟的程度，S越小，对延迟的要求就越严格。 控制负载服务（Controlled-Load Service） 设计目的控制负载服务是为目前Internet上的容错型的自适应实时多媒体应用设计的。采用控制负载服务的应用假设如下两点：,12.4.2 服务类型（续）,用户发送的负载的绝大部分被成功地递交给接收者，没有递交的分组的比率应该和传输媒体的基本丢失率相当。大部分到达接收者的分组经历的延迟不会大大超过任何成功

10、递交的分组的最小延迟。即大部分分组经历的排队延迟接近于0。 请求控制负载服务的应用期望的是低延迟和低丢失率。用要请求控制负载服务，必须通过采用令牌桶算法的TSpec来说明流的特性，同时说明要求采用控制负载服务。,12.4.2 服务类型（续）,路由器根据TSpec来决定是否有足够的资源。控制负载服务是尽力递交服务的扩展，输入流并不一定要求严格按照TSpec来产生，这些不符合流特性的分组通过降级来传递。 为了提供低延迟和低丢失率，路由器一般采用WFQ等调度算法来把控制负载与其他类型的负载分隔开来，同时通过准入控制来限制链路上的控制负载的总量。,12.4.3 RSVP,设计目的为了能够给每个流提供相

11、应的QoS服务，集成服务模型要求通过相应的协议进行资源预留，目前采用的标准协议是资源预留协议RSVP（Resource Reservation Protocol）。 RSVP的特性RSVP的资源预留是单向的。RSVP也支持组播，由于组播成员的异构性，RSVP采用了面向接收方的预留机制。,12.4.3 RSVP（续）,集成服务是对原有Internet的扩展以支持多种类型的服务，这就要求RSVP能够动态地适应组播成员和路由的动态变化，为此RSVP的设计采用了软状态（soft-state）的思想。RSVP仅仅是一个信令协议，同时RSVP不是一个路由协议。RSVP并不要求途中的所有路由器都支持RSVP

12、。RSVP支持多种预留资源的方式，并且支持预留汇集。,12.4.3 RSVP（续）,接收者发起的资源预留ST-II ST-II采用硬状态（hard-state）和发送方发起的预留。所谓硬状态，指的是网络负责维护相应的状态信息，而软状态则是由端系统通过定期刷新来防止途中路由器的状态超时。 RSVP不采取发送方发起预留机制的原因RSVP要求能够单播和组播应用，组播组中的成员的处理能力可能各不相同，从发送者到各个成员的链路的带宽、延迟也可能会各不相同。,12.4.3 RSVP（续）,上图中，视频服务器在进行网上广播，通过向组播地址发送分组把视频信号传递给所有成员，其中一个成员通过10Mbps的以太网

13、接入，另一个成员通过1Mbps的ADSL接入。如果采用发送方发起的预留机制，视频服务器到底需要预留多少带宽呢？,接受方发起的RSVP示例,12.4.3 RSVP（续）,一种方法是按照所有接收者的最低要求的资源来进行预留，但这要牺牲那些具有足够带宽的接受者的接收质量。 另一方法是让所有接收者把自己的能力告诉发送者，然后由发送者分别为到每个接收者的路经预留资源，但这在接收者很多的时候会带来巨大开销。RSVP采用的设计 RSVP采用接收者发起的资源预留设计，接收者对于自己的能力最为了解，而且它也最为关心自己收到的分组的服务质量。,12.4.3 RSVP（续）,采用接收者发起的资源预留需要解决的问题，

14、即接收者怎么知道需要预留资源和接收者怎么知道在哪条路径上预留资源。PATH消息设计目的为了保证资源的预留沿着正确的路经进行，RSVP引入了一个路径（PATH）消息，PATH消息由发送者定期发送给与流相同的目的地址，这样保证PATH消息沿着和数据流相同的路经到达接收者。 PATH消息包括的信息：,12.4.3 RSVP（续）,Phop：转发该PATH消息的前一跳段的RSVP节点的单播地址。Sender Template：发送者的IP地址加上可选的发送者端口号。Sender TSpec：发送者发送的流的负载特性。AdSpec：用于记录到接收者的路经的有关信息。单路径通告OPWA（One Path

15、With Advertising） AdSpec字段记录了从发送者到接收者的端到端路径的信息。,12.4.3 RSVP（续）,途中的路由器在收到PATH消息后会根据当前路由器的处理能力等来更新AdSpec字段以收集路径上的信息。接收者收到PATH信息后根据流的特性、自身的能力和希望的QoS服务、AdSpec记录的路径信息来决定如何预留资源。这种允许发送者通过PATH消息中携带AdSpec信息以帮助接收者进行资源预留的方法经常被称为单路径通告。 接受者对RESV消息的处理接收者在收到PATH信息后就知道了到发送者的路径，通过沿着这条路径的反方向发送RESV消息。路径中的RSVP路由器在收到该RE

16、SV消息，通过准入控制模块检测是否有足够的资源。,12.4.3 RSVP（续）,RESV消息的传递和PATH消息不同：PATH要求采用和流相同的路径，其目的地址和端口号与流的相同，而RESV消息则是采用逐跳传递的，即其目的地址为前一个RSVP节点的地址。 多种预留方式RSVP支持多种预留方式，包括固定预留、通配预留和共享预留等。RSVP通过FilterSpec和FlowSpec两者结合在一起来说明如何进行预留。FilterSpec指明了预留是相对于谁来进行的。,12.4.3 RSVP（续）,FlowSpec则给出了需要预留的资源描述。 固定预留FF（Fixed-filter style）接收者

17、对于每个发送者指定了从该发送者到接收者的路径应该预留的资源，此时FilterSpec指定了唯一一个发送者。如果在一个应用中有很多个发送者，则接收者必须为每个发送者预留相应的带宽。相对于所有发送者来预留资源的方式称为通配预留方式WF（Wildcard-filter style）。显式指定相对于哪些发送者来预留资源的方式称为共享显式预留方式SE（Shared-explicit style）。,12.4.3 RSVP（续）,上图中接收者C1分别为发送者S1和S2预留资源，因此接收者C1的预留可以表示为FF(S11B，S22B)，C1在那个接口预留的资源总数为3B。,音频会议：可以采用多种预留方式,1

18、2.4.3 RSVP（续）,预留合并当一个流有多个接收者时，不同的接收者可能预留不同的资源，当多个接收者到发送者的路径汇集在一起时，可以把这些接收者的资源预留合并起来。 具体实列（图见教材）考虑一下几个方面：采用固定预留方式；通配预留如何进行合并；共享显式预留如何进行合并。,12.4.3 RSVP（续）,软状态问题的提出Internet提供的是一种无连接方式的服务，原来通过PATH消息了解到的路径可能会动态变化，而且组播组中的成员也可能动态加入或者退出。原来预留的资源由于接收者退出或途中某个节点出故障就无法继续使用了。RSVP通过采用软状态的设计来支持网络的动态变化。路由器保存的路径状态和预留

19、状态具有一定的生命周期。,12.4.3 RSVP（续）,如果路由没有变化，定期发送的PATH消息仅仅用于保证原有的路径状态信息一直有效。如果采用了一条新的路由，接收者就可以了解到一条新的路径，接收者可以通过发送RESV请求来在这条新的路径处预留资源。软状态的策略提供了相当的鲁棒性，当路径变化或者网络暂时的故障时只不过导致资源的暂时预留失败。通过停止发送RESV消息使得途中预留的资源超时而释放资源。 PATH消息和RESV消息发送的时间间隔。,12.4.3 RSVP（续）,间隔设置需要在协议的开销和响应时间之间作一个权衡，RSVP缺省的间隔时间R为30秒。PATH消息和RESV消息传输过程中出错

20、时通过相应的消息来报告错误。PathError消息用于向发送者报告Path消息的传输错误。ResvError用于向接收者报告其发送的Resv消息的错误。杀手预留问题（killer-reservation）一个接收者可能不停地预留相当大的资源，这个资源预留请求在往前转发时会和别的资源预留请求合并，从而导致路由器在拒绝合并预留的时候，也会同时使得别的合法的资源预留请求也无法得到满足。,12.5.1 区分服务概述,问题的提出为了能够提供更加简单、更加灵活的、伸缩性更好的服务质量保证，IETF成立了相应的工作组，提出了一种和集成服务不同的新的QoS模型，这就是区分服务DS（Differentiated

21、 Services）。 区分服务的特性区分服务为由多个流汇集在一起的负载类提供服务质量保证。区分服务路由器（DS Router）仅仅根据分组头部携带的标记字段。区分服务用术语PHB（Per-Hop Behaviors）说明所定义的是某个路由器的行为而不是端到端的服务。,12.5.1 区分服务概述（续）,区分服务的内部路由器根据分组头部携带的负载类来实现简单的转发功能，把复杂功能留给网络边缘。用户在使用网络进行实际的数据传输之前，必须首先签订服务等级协议SLA来说明所期望的服务质量。 区分服务的体系结构 DS域（DiffServ Domain）被定义为在一组管理策略控制下的Internet的一部

22、分。,12.5.1 区分服务概述（续）,区分服务体系结构,12.5.1 区分服务概述（续）,DS域的用户要使用DS域提供的服务，一般通过和DS域的服务提供者达成相应的服务等级协议SLA（Service Level Agreement）。一旦协商好了SLA，为了给不同分组提供不同类型服务，必须为用户发送的分组打上相应标记。如果客户发送分组的目的地位于同一个DS域，则该域将提供相应服务，否则本DS域将通过请求相应的服务把分组转发到另外的DS域。 一个SLA包括了负载调节协议TCA（Traffic Conditioning Agreement）、收费以及合同违约责任等信息。,12.5.1 区分服务概

23、述（续）,SLA可以是静态的，也可以动态的。带宽代理维护目前已经分配给不同的服务类型的带宽情况，同时维护了一个策略库。 DS节点的逻辑结构 DS节点由分类器（Classifier）、度量器（Meter）和负责完成PHB分组转发模块组成。,DS节点的逻辑结构,12.5.2 负载调节,度量器测量用户发送的负载来检查其是否符合预先协商的包括数据速率、突发程度等在内的负载特性。标记器 如果经度量器检测相符，则用标记器打上相应标记。,负载调节机制,基本结构,12.5.2 负载调节（续）,整形器 通过延迟发送分组以使得该分组符合预先协商的特性。丢失器 在分组不符合预先协商的特性时丢弃该分组，一个丢失器也可

24、以看成是一个缓冲区大小为0的整形器。,12.5.3 PHB,采用PHB的原因 DS字段结构包括了6个比特的区分服务码字DSCP，DSCP决定了分组在转发时应该采用的PHB。 为了支持更多的服务类型，IETF定义了一些其他的PHB。加速转发EF（Expedited Forwarding）PHB提供了在DS域内的低延迟、低丢失、低抖动、确保带宽的端到端服务，对于端系统来说提供了类似于点到点连接或者虚拟专线服务。,12.5.3 PHB（续）,低延迟和带宽保证 要求每个节点的所有EF PHB分组的汇集到达速率应小于允许的汇集服务速率，以防止EF负载占用节点的全部带宽。,其中dj为第j个EF分组的最后一

25、个比特的离开时间，fj 是第j个EF分组的理想服务时间，Ea为差错因子，它 给出了EF分组的实际离开时间和理想离开时间的最大 差值。 理想服务时间是按照下式递归定义的：,12.5.3 PHB（续）,其中aj为第j个EF分组的最后一个比特的到达时间，lj为第j个EF分组长度，R为EF分组的服务速率。 EF PHB 需配置DS域节点使得EF分组汇集后有一个已知的与节点其他负载无关的最小汇集服务速率。要求对EF分组通过通信量控制和整形等机制进行调节使得DS节点的到达率小于节点配置的最小服务速率。 DS节点通过相应的排队调度机制来保证EF分组的低延迟。,12.5.3 PHB（续）,确保转发AF（Ass

26、ured Forwarding）PHB AF PHB是对前面介绍的RIO算法的一般化，AF PHB总共支持12种不同等级的服务。 AF PHB用于提供比尽力递交更好的服务。AF支持的4种负载类型是完全独立的。对于每个AF类的分组，DS域的边缘节点会通过Meter来检测来自于用户的分组的特性。,EF PHB,12.5.3 PHB（续）,DS域根据分组携带的DS字段来进行处理，每个AF类被映射到不同的队列。每个AF类的优先级的概率也使由网络管理人员进行设置，不同AF类的优先级的设置可以各不相同。一个属于AF类i的具有丢弃优先级j的分组的DSCP字段为Aij。,AF PHB,练习题,12.16 考虑RSVP中的资源汇集支持，假设只有一个发送者，该发送者到 个接收者的组播树为一个深度为n的二叉树，即该二叉树的每个叶子路由器节点连接了一个接收者。请问为了为到每个接收者的路径预留资源，总的预约请求为多少？12.18 请问下列应用应该最合适采用哪种RSVP的预留方式？并请说明原因。a. 一个多用户应用，其中每个成员的视频流都要递交给所有其他成员。b. 一个音频会议，同一个时刻最多只有两个成员同时发言。12.21 请说明为什么DS域的边缘出口路由器也需要整形的功能。12.22 考虑EF PHB，请问EF分组一定比普通的分组经历更短的延迟吗？为什么？,