基于區(qū)分服務(wù)的分組標記及隊列調(diào)度策略研究

摘 要：本文針對區(qū)分服務(wù)技術(shù)的原理和實現(xiàn)，對其體系結(jié)構(gòu)進行分析，包括區(qū)分服務(wù)的基本原理、體系結(jié)構(gòu)及其支持的服務(wù)，研究其實現(xiàn)IPQoS的各種控制策略，通過對分組標記算法的帶寬分配公平性分析，提出相應(yīng)的解決方案，分析SRTCM標記器的工作原理以及標記算法帶寬分配公平性問題，通過仿真測試得到WRR調(diào)度各業(yè)務(wù)時，其帶寬分配公平性問題。

關(guān)鍵詞：區(qū)分服務(wù)；標記策略；隊列調(diào)度；網(wǎng)絡(luò)仿真

中圖分類號：TN915

1 介紹

因特網(wǎng)業(yè)務(wù)的多樣化、信息量迅速增長和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴大，要求因特網(wǎng)能提供一定服務(wù)質(zhì)量的保證。國際工程任務(wù)小組IETF曾經(jīng)針對這個問題，多次提出解決方案。但是只有區(qū)分服務(wù)體系結(jié)構(gòu)能夠在提供一定粒度的QoS保證的同時，還能保證較好的可擴展性和簡單性，因而被認定是下一階段IP骨干網(wǎng)的首選實現(xiàn)方案。

2 區(qū)分服務(wù)的概述

區(qū)分服務(wù)，英文簡寫做DiffServ，定義如下：“各個數(shù)據(jù)流在區(qū)分服務(wù)域的邊界在調(diào)節(jié)和整形之前，被分類，繼而被劃分成各不相同的行為聚流，而在標識這些行為聚流時，是使用不相同的服務(wù)碼點，即DSCP來進行的，之后路由器會按照DSCP標識的情況，針對每個行為聚流的每跳行為進行不同的實施，以此作為依據(jù)，區(qū)分行為聚流服務(wù)的等級。同時，由于數(shù)據(jù)流存在隸屬一個行為聚流的情，這種數(shù)據(jù)流被稱作是微流，各個微流之間共同使用路由器，以使用分配給聚流的寬帶和資源。同時因為微流存在特性和要求之間的不同，這些不同主要表現(xiàn)在回路響應(yīng)時間、包長度、是否有擁塞控制機制問題上，使得在爭用帶寬時會產(chǎn)生不同的競爭能力?！?/p>

DiffServ體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 區(qū)分服務(wù)體系結(jié)構(gòu)框架圖

區(qū)分服務(wù)是按照層次結(jié)構(gòu)的體系進行構(gòu)建的，分為DS區(qū)、DS域。

DiffServ中功能模塊的構(gòu)成情況邊緣路由器和核心路由器的功能組成，邊緣路由器由分類器、業(yè)務(wù)調(diào)節(jié)器、調(diào)度器構(gòu)成。核心路由器的功能較簡單，只包括DSCP分類器和調(diào)度器。

3 系統(tǒng)設(shè)計與完成

3.1 系統(tǒng)設(shè)計

針對在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞的時候，UDP流會占用比TCP流多的帶寬，導(dǎo)致造成帶寬分配不平等的問題，本文提出對標記策略進行修改來解決，在標記丟棄優(yōu)先級時，將UDP流標記為較高的，而將TCP流標記為較低的。

另外，在對DiffServ域的邊緣路由器標記器的標記策略進行修改時，如果是TCP流，則把應(yīng)該標識成黃色和紅色的信息包，全部標記為黃色，如果是綠色的，那么就保持不變；如果是UDP流，則把應(yīng)該標記成綠色的信息包，標記成黃色，而把應(yīng)該標記成紅色或者黃色的信息包，全部標記上紅色。

本文在分析了DiffServ中每個PHB的特點之后，提出并設(shè)計出一類適合DiffServ的兩級多業(yè)務(wù)調(diào)度方案，即PRI/DWRR+。

本文在上述對DiffServ的研究改進中，對改進后的方案仿真測試都是在NS（Network Simulator V2）中進行的，由于在NS2的DiffServ模塊中，并不具備改進方案的測試環(huán)境，因此有必要對NS2進行相應(yīng)的改進與完善。主要對NS2中DiffServ的分組標記、隊列管理、隊列調(diào)度進行改進與擴展：對NS2中區(qū)分服務(wù)dsRED模塊的改進；修改標記算法SRTCM的標記策略模塊；將改進后的標記策略加入到NS2中的DiffServ實現(xiàn)模塊。

目前在NS2中已經(jīng)提供了一些支持區(qū)分服務(wù)的C++類模塊如邊界路由器、核心路由器、調(diào)節(jié)器、RED算法等，通過調(diào)用這些模塊，可以實現(xiàn)區(qū)分服務(wù)的一系列控制策略如分組標記、隊列調(diào)度、擁塞控制機制等來提供QoS保證。

在Linux環(huán)境下安裝ns-allinone-2.26，其中ns-2.26目錄下提供的DiffServ模塊的框架結(jié)構(gòu)。

3.2 系統(tǒng)仿真測試

3.2.1 標記策略的仿真測試

為簡化討論且能夠體現(xiàn)一般情況，本文只對聚流的以下構(gòu)成情況進行仿真，使用的聚流由兩個UDP流和兩個TCP流組成。仿真過程中，使用拓撲結(jié)構(gòu)。其中，邊緣路由器中的標記器采用SRTCM單速率三色標記器。

設(shè)由節(jié)點Si發(fā)送到節(jié)點Di的IP包形成信息流i（i=1，2，3，4），用Fi來表示。并設(shè)各Fi（i=1，2，3，4）在經(jīng)過如圖2-3所示的邊緣路由器E1后，形成同一聚流C，用同一個DSCP碼點來表示。一個Fi流為一個TCP流或一個UDP流，用li和vi分別表示其包長度和發(fā)送速率。當Fi為TCP流時，分別用wndi和rtti來表示其窗口最大值和回路往返時間。并假設(shè)組成TCP流的為長度恒定的FTP包，組成UDP流的為速率和長度均恒定的CBR包。

仿真時間30s，CIR=3Mbps，CBS=2KB，EBS=3KB。隊列管理策略均采用“丟尾”策略。

3.2.2 DWRR+仿真測試

關(guān)于AF業(yè)務(wù)DWRR+算法的仿真拓撲圖如圖2所示。

圖2DWRR+調(diào)度AF流仿真網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

S1、S2、S3和S4為源端主機；D1、D2、D3和D4為對應(yīng)的目的端主機；E1、E2為邊緣路由器，Core為核心路由器。

仿真業(yè)務(wù)類型DSCP值映射如表1所示。

表1 AF調(diào)度具體業(yè)務(wù)類型DSCP值映射

DSCP值 AF1 AF2 AF3 AF4

業(yè)務(wù)類型映射流媒體傳輸 電子商務(wù) Telnet FTP

分組長度 1100B 1300B 1600B 400B

隊列權(quán)值 40% 30% 20% 10%

仿真時間為40秒。S1、S2、S3和S4均為4Mbps的速度生成on/off時間均為10ms、形狀參數(shù)1.5的Pareto流，這些流分別組成四個獨立的物理隊列AF1、AF2、AF3和AF4。它們的分組長度分別為1100B、1300B、1600B和400B，隊列權(quán)值分別為40%、30%、20%、10%。

3.2.3 因特網(wǎng)多業(yè)務(wù)隊列調(diào)度仿真與性能分析

圖3 DiffServ總體仿真網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

圖3里，源端主機是S0、S1、…、S4和S5；對應(yīng)的目的端主機是D0、D1、…、D4和D5；而E1、E2是DS的邊緣節(jié)點，Core是DS的內(nèi)部節(jié)點。

邊緣節(jié)點E1和E2除了要完成與DS內(nèi)部節(jié)點相同的功能以外，還需要具備分類、整形和標記這些作用，將各種輸入信息流歸類到相應(yīng)的聚流，例如：將S0至D0的信息流歸類到EF流中；將Si至Di的信息流歸類到AFi（i=1，2，2，4）流，并且依據(jù)流的瞬時特性，按照一定的概率將分組標記為“綠”、“黃”、“紅”（通過不同的DSCP來標識）；將S5至D5的信息流標記為缺省的BE流。這里，標記器采用的是SRTCM單速率三色標記器。

3.2.4 測試結(jié)果分析

經(jīng)過對聚流內(nèi)各個微流的特性進行研究后，在帶寬分配上的公平性問題上，依據(jù)TCP流和UDP流，改進了SRTCM的分組標記策略，并在NS2上進行相應(yīng)仿真測試。仿真結(jié)果說明，在瓶頸鏈路發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞的時候，在提升不同流特性的帶寬分配上會很有效，可通過改進服務(wù)實現(xiàn)的機制，對各類流特性之間的差異對公平性的影響進行消除，從而達到各種微流的QoS服務(wù)要求。

按照表1中對參數(shù)進行的設(shè)定，在仿真時間為40s的情況下，實驗結(jié)果如圖4和圖5表示的曲線。

圖4 DiffServ中各信息流在Core-E2中的實際帶寬曲線（a）

圖5 DiffServ中各信息流在Core-E2中的實際帶寬曲線（b）

4 結(jié)束語

本文在研究了區(qū)分服務(wù)模型體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對區(qū)分服務(wù)實現(xiàn)端到端的分組標記策略、IP QoS的控制策略以及隊列調(diào)度算法及，還有擁塞時的分組丟棄機制都進行了廣泛的研究。研究結(jié)論主要分為三個方面：（1）針對聚集間在爭奪帶寬時的公平性問題，本文添加了一種改進的隊列調(diào)度算法DWRR模塊，修改了分組標記算法SRTCM的標記策略。（2）改進和完善了Linux下的NS2區(qū)分服務(wù)模塊，并結(jié)合gentle_RED算法，對其RIO模塊中丟棄概率的計算問題進行了平滑設(shè)計，提高了算法在擁塞控制時的穩(wěn)定性。（3）搭建起區(qū)分服務(wù)實現(xiàn)的仿真模擬實驗平臺，并采用TCL語言，對測試腳本進行了編寫，并分別針對隊列調(diào)度和分組標記進行了仿真測試和性能評價，通過仿真結(jié)果，對本文提出的調(diào)度方案進行了肯定，能夠滿足具有不同QoS請求的業(yè)務(wù)流的區(qū)分服務(wù)，提供端到端的QoS保證。由于諸多條件的限制，目前未能對DiffServ實體網(wǎng)絡(luò)進行實際搭建，因此本實驗方案目前尚處在仿真實驗的階段。本文所使用的NS2仿真系統(tǒng)，能夠較為近似的模擬因特網(wǎng)的運行環(huán)境，所以仿真結(jié)果具有足夠的參考價值。因而在接下來的工作中，還需要根據(jù)真實的環(huán)境，對本系統(tǒng)進行實現(xiàn)。

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作者簡介：韓?。?983-），女，教師，講師，本科，學(xué)士學(xué)位，研究方向：計算機網(wǎng)絡(luò)。

作者單位：沈陽現(xiàn)代制造服務(wù)學(xué)校，沈陽 110148