互聯(lián)網(wǎng)新型服務質(zhì)量保障技術(shù)研究*

孟 飛，蘭巨龍，胡宇翔

（國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 鄭州 450002）

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴大及各種新業(yè)務、新應用的不斷涌現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)的QoS保障能力日益捉襟見肘[1]。思科公司預測，2012-2017年，互聯(lián)網(wǎng)流量綜合年增長率（compound annual growth rate，CAGR）為 23%，總體規(guī)模將增加 3倍，其中時延敏感視頻類業(yè)務流量是增長的主要來源且占網(wǎng)絡(luò)流量很大比重，P2P技術(shù)的應用更加劇了這種現(xiàn)狀[2]。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，視頻類流量將占據(jù)更大比重。另外還有許多對實時性要求較高的應用，如IP電話、視頻聊天等，對數(shù)據(jù)傳送在時間域上提出了較高的時延和時延抖動保障要求。網(wǎng)絡(luò)的QoS保障能力是網(wǎng)絡(luò)使用者的應用需求。

現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)僵化嚴重，網(wǎng)絡(luò)控制平面與數(shù)據(jù)平面緊耦合，阻礙了網(wǎng)絡(luò)參與者的有效溝通，使得網(wǎng)絡(luò)各功能實體無法實現(xiàn)按需的資源調(diào)度。究其原因是現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)在設(shè)計之初為了實現(xiàn)簡潔、高效的數(shù)據(jù)傳輸及廣泛的異構(gòu)接入，形成了分層協(xié)作、端到端傳輸?shù)脑O(shè)計原則。由于各層級之間的相對獨立性，有利于上下層獨立發(fā)展，促進了IP網(wǎng)絡(luò)的成功，但各層之間的協(xié)調(diào)處理變得比較困難，使得傳統(tǒng)QoS體系架構(gòu)的實際部署困難重重。

相關(guān)研究機構(gòu)對QoS的定義 “異曲同工”[3]：QoS是對各種服務性能參數(shù)，如業(yè)務可靠性、時延、抖動、吞吐量和可靠性等的描述，是服務效果的綜合體現(xiàn)，這種服務效果決定了網(wǎng)絡(luò)在多大程度上滿足業(yè)務用戶的要求，反映了用戶對服務的滿意程度。QoS的研究目標是提供一系列性能保障機制，有效地保障各業(yè)務的端到端傳輸性能，這要求系統(tǒng)具有端到端的接納控制和資源預留過程以及QoS在系統(tǒng)范圍內(nèi)可配置、可維護。

由于互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計初期并未考慮QoS的問題，隨著其日益成為社會的信息基礎(chǔ)設(shè)施及商業(yè)利益的驅(qū)使，提高網(wǎng)絡(luò)的QoS保障能力刻不容緩。相關(guān)研究者已經(jīng)提出了許多解決方案，總結(jié)來看，主要有“改良式（incremental）”和“革命式（clean slate）”兩種。前者主要以現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，在不改變其體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上進行 “打補丁”式改進，繼承和兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，通過在各層插入新功能，在一定程度上提高網(wǎng)絡(luò)QoS保障能力；后者著眼于對現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)進行全新設(shè)計，從而實現(xiàn)QoS質(zhì)的提升，目前，研究者已提出了很多新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。

近年來，國內(nèi)外已相繼提出了許多相關(guān)研究計劃，從不同側(cè)面對新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)QoS保障能力進行了積極的研究與探索。美國科學基金會（NSF）開展的FIND[4]從路由機制和網(wǎng)絡(luò)虛擬化等方面對網(wǎng)絡(luò)多樣化業(yè)務的QoS保障問題提出了解決方案，并開展了大量工作。GENI[5]則旨在構(gòu)建大規(guī)模的試驗床框架，用于對未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的QoS保障能力進行試驗驗證。歐盟在FP7框架下開展了Challenge One[6]項目和FIRE[7]計劃，前者研究網(wǎng)絡(luò)虛擬化并提出全新的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，包括4WORD[8]和AUTOI[9]兩個子項目，對網(wǎng)絡(luò)QoS保障方面的不足進行了研究；后者建立了PII和OneLab兩個實驗床，用于為新提出的QoS保障技術(shù)提供大規(guī)模實驗環(huán)境。日本的AKARI[10]利用網(wǎng)絡(luò)虛擬化支持多樣化的數(shù)據(jù)接入和網(wǎng)絡(luò)功能擴展的特點，針對新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)對異構(gòu)、復雜的多樣化應用的QoS保障機制進行了深入研究。國家“973”計劃“可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)研究”[11]、“新一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)理論研究”[12]、“智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)理論基礎(chǔ)研究”[13]等項目采用體系結(jié)構(gòu)虛擬化、身份位置分離等機制構(gòu)建支持多樣化業(yè)務的QoS保障。

“改良式”和“革命式”兩種思路是研究者從不同角度提出的QoS解決方案，目前這兩種觀點逐漸趨于一致，“創(chuàng)新”并不意味著一個全新互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，“改良”也可能導致協(xié)議和層次的改變。一種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的QoS保障能力是由其整體功能結(jié)構(gòu)形態(tài)所決定的，涉及網(wǎng)絡(luò)的各個方面，只要是對網(wǎng)絡(luò)應用有利的措施都可以認為提高了網(wǎng)絡(luò)的QoS保障能力。對于解決未來網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)QoS能力問題的研究還處于摸索階段，還存在很多重大技術(shù)挑戰(zhàn)。

2 改良式QoS保障技術(shù)研究

互聯(lián)網(wǎng)在設(shè)計早期的主要目標是實現(xiàn)廣泛的異構(gòu)互聯(lián)和有效的端到端傳輸，因此，形成了“核心簡單，邊緣智能”的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀?，F(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)以IP技術(shù)為核心，采用了基于無連接的分組交換結(jié)構(gòu)、存儲轉(zhuǎn)發(fā)的路由機制和“盡力而為”的服務模式，保證了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互連互通。Internet創(chuàng)始人之一Clark D將這種模式總結(jié)為 “邊緣論（end to end argument）”[14]?！斑吘壵摗痹O(shè)計模式保證了網(wǎng)絡(luò)良好的可擴展性，促進了Internet的飛速發(fā)展，但由于其體系結(jié)構(gòu)的封閉設(shè)計，控制平面與數(shù)據(jù)平面緊耦合，多樣的業(yè)務資源需求無法得到按需滿足。為了提升QoS，互聯(lián)網(wǎng)服務提供商（internet service provider，ISP）盲目地升級網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，為骨干網(wǎng)提供超量帶寬，使得鏈路利用率僅為30%～40%[15]。網(wǎng)絡(luò)資源浪費嚴重，因此盲目地增加網(wǎng)絡(luò)資源并不能從根本上解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)QoS能力不足的問題。

改良式的互聯(lián)網(wǎng)QoS保障能力提升方案中采用了“打補丁”方法，對現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)運行體制進行相應的修改和增補，增強現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的QoS保障能力，包括 IntServ/RSVP、DiffServ、基于約束路由、MPLS與流量工程等。

2.1 IntServ/RSVP技術(shù)

傳輸層的綜合服務/資源預留協(xié)議 （integrated service/resource reservation protocol，IntServ[16]/RSVP[17]）模型是在流傳輸之前，在傳輸路徑上通過協(xié)商進行資源預留，對每一個流的需求和狀態(tài)進行維護，是基于流的QoS保障。IntServ可以分別向需要固定時延上界應用的保證型服務（guaranteed service）[18]和可靠性要求較高應用的可控負載型服務（controlled-load service）[19]，提供無分組丟失保證和最小分組傳送時延。RSVP是面向接收端的資源預留協(xié)議，其工作流程如圖1所示。

圖1 RSVP信令過程

IntServ模型由4個組件構(gòu)成：信令協(xié)議（如RSVP）、準入控制流程、分類器和分組調(diào)度器。信令協(xié)議用于在數(shù)據(jù)傳輸之前建立好路徑并預留資源；準入控制流程是在預留資源請求時，用于判斷被請求的資源是否能保證；分類器用于對數(shù)據(jù)分組進行分類，并根據(jù)分類結(jié)果把數(shù)據(jù)分組放到相應的隊列中；調(diào)度器用于根據(jù)QoS需求對分組進行調(diào)度。

基于流量峰值預留資源具有很好的QoS保障效果，但卻造成了資源的浪費。參考文獻[20]通過分析多服務器多服務排隊模型，為每個服務按照峰值預留部分資源，剩余的資源由所有服務共享，保證一定的QoS，提高資源利用率。通過對建立的多速率流量排隊模型進行分析，得到了每個服務有QoS保障的最小帶寬資源。

為了增強IntServ QoS保障的可擴展性，參考文獻[21]提出了一個可擴展IntServ架構(gòu)，它將網(wǎng)絡(luò)分為兩層，每個域的邊界節(jié)點保存本域內(nèi)及域外相連節(jié)點間流的狀態(tài)信息，減少保存的流狀態(tài)信息量，在提供細粒度每流QoS保障的同時，解決了可擴展性問題。實際上，網(wǎng)絡(luò)可以繼續(xù)分為多層。

IntServ架構(gòu)存在幾個缺陷：流狀態(tài)信息量與流個數(shù)成正比，會耗費路由器大量的存儲和計算資源，可擴展性很差；每個節(jié)點都要實現(xiàn)綜合服務的4個組件，對于單個路由器節(jié)點的部署代價較高；保證型服務需要在整個域中部署，而經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)瓶頸節(jié)點的可控負載型服務則需要增量部署。

2.2 DiffServ技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)層的區(qū)分服務（differentiated service，DiffServ）[22]的核心思想是“邊緣分類，內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)”。它重新定義了IPv4報文頭部的服務類型 （type of service，ToS）域，稱為DS域（differentiated service field）[23]，同時定義了一個分組轉(zhuǎn)發(fā)的基本操作集合，稱為每跳行為（per-hop behavior，PHB）。DS域可以將數(shù)據(jù)分組劃分為多個區(qū)分服務類，從而進行相應的分組處理。DS域與原IPv4分組頭的ToS字節(jié)關(guān)系如圖2所示。其中DS域的前6 bit存儲著流聚集的相關(guān)信息，被稱為 DS 標記（differentiated service code point，DSCP）。不同的DSCP與不同的PHB相對應，這樣才能提供區(qū)分服務。因此，PHB實際上是一個DS節(jié)點調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)處理分組頭標有特定DSCP的IP分組流的外部行為特征。

圖2 ToS與DiffServ域的關(guān)系

用戶為了從ISP處獲取區(qū)分服務，需要與ISP簽訂服務等級協(xié)議（service level agreement，SLA）。數(shù)據(jù)分組在ISP網(wǎng)絡(luò)中的分類、監(jiān)管和整形規(guī)則以及這些操作占用的存儲資源都由SLA規(guī)定。

根據(jù)不同的分類、監(jiān)管、整形和調(diào)度操作，數(shù)據(jù)分組接收的服務可以有很多種。典型的服務有獎賞服務（premium service）、保證服務（assured service）、奧林匹克服務（Olympic service）等。獎賞服務適用于需要低時延、低抖動的應用；保證服務適用于需要高可靠性的應用；奧林匹克服務提供了金、銀、銅三層等級服務，其服務質(zhì)量也是依次遞減。

DiffServ是一種基于資源共享策略的QoS保障技術(shù)，與基于資源分隔策略的絕對QoS保障技術(shù)——IntServ是兩種截然相反的QoS保障技術(shù)，二者各有千秋。參考文獻[24]通過理論推導，證明了IntServ對最壞狀況流的QoS保障效果較好，而DiffServ對全部流的平均QoS保障效果較好。

tsSDM[25]是一個在DiffServ中融入IntServ的兩階段區(qū)分服務模型，如圖3所示。第一階段根據(jù)分組頭是否包含RSVP enabled DSCP進行分類，若是，則數(shù)據(jù)分組被放入RSVP的動態(tài)隊列中，否則按普通DiffServ程序處理；第二階段，連接兩隊列池的優(yōu)先級調(diào)度器分別給予RSVP隊列、DiffServ隊列高優(yōu)先級和低優(yōu)先級，前者按IntServ模型進行細粒度預留資源保障。

圖3 tsSDM分類過程

DiffServ架構(gòu)中主動隊列管理（AQM）是一個有效的控制機制，可實現(xiàn)分組丟失率與吞吐量之間的權(quán)衡，但它不能提供低復雜度且成本效益高的區(qū)分帶寬分配。CHOKeR[26]采用多優(yōu)先級比例帶寬分配策略，能提供TCP保護，確保TCP連接的帶寬占用。CHOKeR實現(xiàn)了不同優(yōu)先級流的比例帶寬分配及同等優(yōu)先級流的公平分配，且只需保存優(yōu)先級水平而不是每流狀態(tài)信息，復雜度低。

實時帶寬分配由于時延的存在不一定合理，且開銷大，參考文獻[27]基于馬爾科夫鏈理論預測下一時隙帶寬需求，進行提前帶寬分配，有效減小了開銷和連接阻塞概率。

可以看出，目前的研究都是從結(jié)合IntServ和DiffServ二者的優(yōu)點著手，在提供一定程度的細粒度QoS保障的同時，保證了體系的可擴展性?；陬A測進行資源分配指明了一個新的研究方向，預測模型的準確性、復雜性是關(guān)鍵所在，未來還可以探討實時分配與提前分配相結(jié)合的策略，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況，擁塞時基于預測提前分配，時延較小時實時分配。

DiffServ架構(gòu)存在幾個缺陷：數(shù)據(jù)流根據(jù)QoS類別的不同而得到不同的處理，面向粗粒度匯聚流提供保障，QoS保障效果不及基于每流的細粒度保障機制，靈活性差；由于DiffServ結(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)和端系統(tǒng)之間缺乏信令通信，不能提供端到端的QoS保證；DiffServ每跳處理，各轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點獨立配置策略，缺乏全局網(wǎng)絡(luò)視圖，無法做出最優(yōu)QoS決策；只能提供相對的QoS承諾，不能向用戶提供絕對的QoS保證。

2.3 基于約束的QoS路由技術(shù)

基于約束的路由（constraint-based routing，CBR）[28]根據(jù)QoS參數(shù)的要求和策略選擇路由。由QoS路由發(fā)展而來，QoS路由在給定流或流聚集的QoS請求時，查找出最符合QoS需求的路由項。CBR擴展了QoS路由，它不僅考慮流或流聚集的QoS需求，同時考慮網(wǎng)絡(luò)的其他約束，如路由策略等。CBR的目標包括兩條：一是選出滿足特定QoS需求的路由；二是提高網(wǎng)絡(luò)的利用率。CBR在選擇路由時，不僅考慮網(wǎng)絡(luò)拓撲，還考慮流的傳輸需求、鏈路資源可用性以及一些由網(wǎng)絡(luò)管理員指定的策略，因此CBR選出的路徑可能不是最短，但是負載較輕，該路徑要優(yōu)于最短但負載很重的路徑，網(wǎng)絡(luò)流量的分布也因此更加均衡。

在鏈路狀態(tài)更新的頻率與路由開銷之間需要做出權(quán)衡，參考文獻[29]使用模糊路由算法，通過在鏈路開銷更新過程中使用模糊邏輯關(guān)系函數(shù)修改Dijkstra算法，基于網(wǎng)絡(luò)全局負載均衡限制計算新路徑，以達到減小鏈路請求失敗率和增加網(wǎng)絡(luò)資源利用率的目的。CBR路徑計算有離線和在線兩種[30]，在線路徑計算對于網(wǎng)絡(luò)簡單、快速的路徑計算，細致的資源分配及負載均衡等需求來說是必需的，可減小請求堵塞的可能性，在提高流的QoS保障效果的同時提高資源利用率。

CBR的缺陷在于：較大的計算和通信開銷；面向匯聚流而非微流，是粗粒度的QoS保障；路由表的存儲開銷大；CBR選擇的長路徑路由帶來資源開銷和不穩(wěn)定性。

2.4 MPLS與流量工程

多協(xié)議標簽交換（multi-protocollabelswitching，MPLS）[31]是一種基于短標簽的快速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式，MPLS標簽處于數(shù)據(jù)鏈路層（L2）和網(wǎng)絡(luò)層（L3）之間。MPLS數(shù)據(jù)分組頭結(jié)構(gòu)以及其與數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀頭和網(wǎng)絡(luò)層分組頭的關(guān)系如圖4所示。利用該標簽，MPLS將第二層交換的速度、性能和第三層路由選擇的可擴展性、靈活性結(jié)合在一起，提供了一種高速高效的面向連接的傳輸技術(shù)。

圖4 MPLS頭部結(jié)構(gòu)及其與鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層間的關(guān)系

一個支持MPLS的路由器稱為標簽交換路由器（LSR），LSR在處理數(shù)據(jù)分組時僅考慮標簽值。MPLS通過標簽分發(fā)協(xié)議來建立標簽交換路徑（LSP）。LSP的建立可以采用控制驅(qū)動，即由控制流量（如路由更新）觸發(fā)，也可以采用數(shù)據(jù)驅(qū)動，即由流或流量干線（traffic trunk）的請求觸發(fā)。流量干線是具有相同服務類別的流的聚集。兩個節(jié)點間的LSP可以與網(wǎng)絡(luò)層逐跳路由相同，也可以是顯式路由（explicit route）。在標簽分發(fā)之后，LSR會建立一個由標簽索引的轉(zhuǎn)發(fā)表，轉(zhuǎn)發(fā)表中的表項指明了對應標簽的數(shù)據(jù)分組該如何處理。

數(shù)據(jù)分組在MPLS域的入口處根據(jù)分組頭和一些其他信息，例如此數(shù)據(jù)分組到達的接口，確定其歸屬的轉(zhuǎn)發(fā)等價類（forwarding equivalence class，F(xiàn)EC）。FEC 會根據(jù)設(shè)置時考慮的信息，提供一個粗糙的或者精細的轉(zhuǎn)發(fā)粒度，然后將一個與該FEC相關(guān)聯(lián)的標簽加在數(shù)據(jù)分組頭。后面的LSR通過查看到達數(shù)據(jù)分組的標簽并為其替換新標簽，決定其轉(zhuǎn)發(fā)出口，轉(zhuǎn)發(fā)到下一個LSR。在數(shù)據(jù)分組離開MPLS域時，標簽會被刪除。

MPLS中LSP可以作為隧道使用，一旦LSP建立起來，數(shù)據(jù)分組的路徑就完全取決于入口LSR分配給數(shù)據(jù)分組的標簽?；贛PLS的QoS可行性體現(xiàn)在兩個方面：一是它提供了更快的分組分類和轉(zhuǎn)發(fā)機制；二是它提供了高效的隧道機制，由此MPLS在流量工程中也起了很大的作用。

流量工程[32]是一種通過避免擁塞而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量QoS保障的機制，通過合理安排數(shù)據(jù)流流經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，避免由于網(wǎng)絡(luò)負載不均衡而導致的網(wǎng)絡(luò)擁塞。基于MPLS實現(xiàn)流量工程的主要思想是將MPLS流量干線安排到合適的LSP中[33]。目前，基于限制路由的標簽分發(fā)協(xié)議（constraint-based routing label distributions protocol,CR-LDP）[34]和隧道擴展的資源預留協(xié)議（RSVP-TE）[35]是MPLS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)流量工程的信令協(xié)議。

MPLS網(wǎng)絡(luò)在進行流量工程擴展之后，可以對流量干線按照顯示路由的方式指定LSP，在避免擁塞的同時，也保證了傳輸?shù)目煽啃?。雖然MPLS可以將數(shù)據(jù)流按照類型聚集成為流量干線，但是并不提供區(qū)分服務。MPLS-TE對LSP上的所有類型流量均采取相同的處理，不區(qū)分業(yè)務類型，在資源短缺時，無法提供對高優(yōu)先級業(yè)務的QoS保障。區(qū)分服務感知的流量工程（DiffServ-aware traffic engineering，DS-TE）[36]結(jié)合了MPLS高效的路由策略和DiffServ的區(qū)分服務特性，能夠?qū)崿F(xiàn)多類型業(yè)務QoS保障，同時提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。DS-TE的實現(xiàn)需要將6 bit DSCP字段映射到3 bit exp字段，目前有 E-LSP（exp-infered-PSC LSP）和L-LSP（label-infered-PSC LSP）兩種方案，前者表示的 PHB太少，后者標簽和PHB之間的映射管理過于復雜。參考文獻[37]提出使用exp承載部分DSCP字段，把其余DSCP值編碼到標簽字段，經(jīng)過解碼之后便可恢復原始標簽值和DSCP值，而且通過使用IPv6標簽信令協(xié)議動態(tài)地在DiffServ域建立標簽，在可用標簽空間和區(qū)分服務的類別數(shù)量之間取得最優(yōu)權(quán)衡。

備份路徑通常提前部署在應用MPLS技術(shù)的核心網(wǎng)中，以避免單點鏈路失敗造成的重大損失，提高對數(shù)據(jù)流服務的可靠性。Francois F[38]等人提出了一個在線分布式的流量工程設(shè)計方案GBP，每個路由器周期性監(jiān)測其本地流量狀況并共同決定如何重路由流量，通過對長備份鏈路的限制使用，減少了傳輸時延，并且可以通過在線的休眠重配置來滿足時延需求，提供QoS保障。

多限制條件最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)負載均衡是一個NP難問題，且是MPLS-TE的重要組成部分，解決NP難問題通常使用智能算法。參考文獻[39]提出了一個優(yōu)化MPLS負載均衡問題的靈活基因算法（FGA），在解決流量均衡部署的同時，最小化了路由開銷。

MPLS提供了簡潔高效的面向連接轉(zhuǎn)發(fā)策略，可對多樣化業(yè)務流提供有效QoS保障。但在QoS保障方面仍然存在如下缺陷：MPLS的流分類基于特定長度標簽，分類空間有限，是一種面向匯聚流的粗粒度QoS保障；缺乏動態(tài)自適應性，無法進行最優(yōu)的服務配置；轉(zhuǎn)發(fā)路徑的選擇仍基于分布式路由協(xié)議，沒有對底層資源進行抽象，缺乏全部網(wǎng)絡(luò)視圖，無法進行全局的資源優(yōu)化配置。

2.5 改良式QoS保障技術(shù)缺陷

現(xiàn)有的QoS保障技術(shù)能夠滿足網(wǎng)絡(luò)業(yè)務流量在可靠性和區(qū)分服務方面的需求，且不同技術(shù)有其自身的優(yōu)勢。然而，綜合上述分析，現(xiàn)有技術(shù)仍存在如下缺陷。

·缺乏支持新型業(yè)務的可擴展機制?，F(xiàn)有技術(shù)在部署期間需要指定接受QoS保障的業(yè)務類型，在運行期間僅對這些指定的業(yè)務提供QoS保障服務，無法適應新業(yè)務的發(fā)展需求。

·缺乏基于同類業(yè)務聚合的資源預留機制。由于現(xiàn)有技術(shù)在保障特定業(yè)務QoS需求時，并不考慮不同業(yè)務QoS需求的關(guān)系，無法將QoS需求相近的業(yè)務進行聚合，也無法對同類業(yè)務統(tǒng)一進行資源預留，導致網(wǎng)絡(luò)在提供QoS保障服務時浪費資源且效率低下。

·缺乏網(wǎng)絡(luò)自適應性。由于網(wǎng)絡(luò)中各類業(yè)務的流量以及流量的業(yè)務類型都在不斷變化，而現(xiàn)有技術(shù)無法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的流量變化做出調(diào)整，使得網(wǎng)絡(luò)不能合理分配資源，無法滿足網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務流量的QoS需求。

·缺乏面向連接特性?，F(xiàn)有QoS保障機制大都著眼于尋找最優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑、合理布局流量等，以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源利用率。但由于其無連接性，數(shù)據(jù)分組在傳輸過程中仍會存在亂序、分組丟失等問題，且數(shù)據(jù)分組本身的開銷也大。

·缺乏根本有效性?，F(xiàn)有QoS保障技術(shù)均是對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)進行功能性修補，如圖5所示，沒有從根本上改變控制平面與數(shù)據(jù)平面、業(yè)務與服務之間復雜的緊耦合關(guān)系及數(shù)據(jù)的非連接交換方式。對各層添加一些輔助性措施，雖然一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)的QoS保障能力，但是過多“額外”功能的加入使得網(wǎng)絡(luò)承載的功能不斷擴展，顯得臃腫不堪，網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)變得十分復雜，管控功能日趨減弱。

圖5 QoS保障技術(shù)位置

當前互聯(lián)網(wǎng)無法滿足多樣傳輸QoS需求的問題，體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中存在兩個方面的矛盾：一是網(wǎng)絡(luò)服務模式的單一性與網(wǎng)絡(luò)業(yè)務的多樣性之間的矛盾；二是網(wǎng)絡(luò)功能與體系結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務需求的不確定性之間的矛盾。網(wǎng)絡(luò)QoS難以保證在體系結(jié)構(gòu)上存在深層次的原因，僅僅依靠更加先進的網(wǎng)絡(luò)管理工具不能從根本上解決問題。一方面，互聯(lián)網(wǎng)“邊緣論”和面向非連接的設(shè)計思想保障了高效的互通及廣泛的接入，但控制手段薄弱，難以滿足QoS保證的需要；另一方面，互聯(lián)網(wǎng)控制邏輯和轉(zhuǎn)發(fā)邏輯緊耦合在一起，各種新功能的加入使得互聯(lián)網(wǎng)已成為一個龐大的非線性復雜系統(tǒng)，不利于新協(xié)議、新技術(shù)的部署。

3 革命式QoS保障技術(shù)研究

當今信息網(wǎng)絡(luò)依賴的基礎(chǔ)互聯(lián)傳輸能力是制約整個信息網(wǎng)絡(luò)總體功能的瓶頸，另一方面，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)在的能力與結(jié)構(gòu)對業(yè)務需求的適應性差，導致網(wǎng)絡(luò)的QoS保障能力低下，使得業(yè)務需求與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能力之間的差距愈發(fā)顯著。而改良方案依然存在諸如網(wǎng)絡(luò)層功能單一、業(yè)務與網(wǎng)絡(luò)過度耦合、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同不力等問題，這些缺陷導致網(wǎng)絡(luò)的QoS保障能力不足。

為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝oS保障，應該在宏觀的全網(wǎng)范圍和局部的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點兩個層次上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的按需轉(zhuǎn)發(fā)。傳統(tǒng)QoS體系架構(gòu)是對IP網(wǎng)絡(luò)的“修修補補”，沒有從根本上改變網(wǎng)絡(luò)層的“細腰”結(jié)構(gòu)以增強網(wǎng)絡(luò)的QoS保障能力?？删幊叹W(wǎng)絡(luò)的提出可以彌補現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)的缺陷，它在頂層強調(diào)控制面與數(shù)據(jù)面的分離，底層強調(diào)控制面和數(shù)據(jù)面內(nèi)的模塊化和標準化。其思想為網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務解耦合，使網(wǎng)絡(luò)服務具有普適性。國內(nèi)外相關(guān)研究包括IEEE P1520、IETF GSMP、MSF、IETF ForCES、NPF、SoftRouter、Intel提出的IXA、Stanford提出的 SDN/OpenFlow、可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等。

3.1 基于ForCES的QoS保障技術(shù)

ForCES[40]（forwarding and control element separation，轉(zhuǎn)發(fā)控制分離）將路由器控制件（controlelement，CE）和轉(zhuǎn)發(fā)件（forwarding element，F(xiàn)E）分離 ，使其 解耦為 多個 FE、CE及連接它們的ForCES協(xié)議[41]。ForCES網(wǎng)絡(luò)件（network element，NE）由一個或多個CE與一個或多個FE構(gòu)成，是對外隱藏內(nèi)部細節(jié)的執(zhí)行實體。NE內(nèi)FE與CE通過定義的標準化ForCES接口進行信息交互。CE負責路由計算，執(zhí)行控制和信令協(xié)議，并配置和管理FE；FE根據(jù)來自CE的控制命令對數(shù)據(jù)面分組進行轉(zhuǎn)發(fā)，并通過上報機制產(chǎn)生事件消息。ForCES整體架構(gòu)[42]如圖6所示。

圖6 ForCES整體架構(gòu)

圖6 中，F(xiàn)p（ForCES protocol，轉(zhuǎn)發(fā)控制分析協(xié)議）為CE和FE之間通信的協(xié)議。Fi表示FE之間的接口，F(xiàn)r表示CE之間的接口，F(xiàn)i/f表示FE的外部接口，F(xiàn)1為CE管理器與FE管理器之間的接口，F(xiàn)c為CE管理器與CE之間的接口，F(xiàn)f為FE管理器與FE之間的接口。

FE邏輯上由多個細粒度定義的邏輯功能塊（logical function block，LFB）組成，CE對FE的控制操作本質(zhì)上是對相關(guān)LFB的控制操作。細粒度定義的功能單一的LFB包括分類器、整形器、標記器、調(diào)度器和轉(zhuǎn)發(fā)器等，多個LFB以一定的規(guī)則組合排序便可構(gòu)成相應的復雜功能實現(xiàn)，如IntServ、DiffServ等，可實現(xiàn)控制平面要求的各種與QoS相關(guān)的流量處理。CE對每個分組的處理實際上是其數(shù)據(jù)路徑上一系列LFB對分組的操作，如圖7所示。

圖7 ForCES FE基本結(jié)構(gòu)

CE通過Fp參考點和ForCES協(xié)議接口，可間接地對LFB的輸入、輸出和屬性進行詢問和操作。圖7中，水平方向描述了一個FE內(nèi)部整個轉(zhuǎn)發(fā)平面各個LFB之間的輸入和輸出關(guān)系。垂直方向表示CE與FE之間通過Fp參考點形成的雙向交互通道：CE對FE執(zhí)行一些配置、查詢和控制工作，或向FE發(fā)送數(shù)據(jù)分組；FE對CE的通信主要是向CE發(fā)送狀態(tài)信息，如重定向數(shù)據(jù)分組、報錯信息、監(jiān)控或統(tǒng)計信息等。

[43]基于網(wǎng)絡(luò)演算理論推導了網(wǎng)絡(luò)的端到端時延確定上界，對ForCES路由器系統(tǒng)的端到端通信性能進行了研究，為QoS保障提供了理論指導。參考文獻[44]提出了一種提供QoS的ForCES路由器模型，通過在一個網(wǎng)絡(luò)處理器上加入一系列支持QoS的可動態(tài)調(diào)整的LFB，各LFB分別用來實現(xiàn)DSCP分類、六元分類、DSCP標記、流量測量等，實現(xiàn)了一個轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離的QoS路由器。

ForCES是可編程網(wǎng)絡(luò)思想的一個實現(xiàn)，實現(xiàn)了控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面的分離，有利于QoS保障的實現(xiàn)，但仍有些許缺陷，具體介紹如下。

·ForCES框架協(xié)議還沒有完善，許多標準正在制訂中，如動態(tài)LFB的研究、ForCES通道傳輸方案的研究及除Fp參考點外的其他參考點的細節(jié)問題和實現(xiàn)問題等。因此，其沒有進行大規(guī)模的實際部署。

·ForCES本質(zhì)上沒有改變網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，僅在NE內(nèi)實現(xiàn)了控制轉(zhuǎn)發(fā)分離，對外仍表現(xiàn)為一個控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面耦合在一起的單個網(wǎng)絡(luò)元素。

·數(shù)據(jù)分組的傳輸仍為基于無連接的分組交換，數(shù)據(jù)傳輸QoS保障效果受限。

3.2 基于SDN的QoS保障技術(shù)

SDN（software defined networking，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）[45]是可編程網(wǎng)絡(luò)的一種實現(xiàn)方法，它把網(wǎng)絡(luò)的控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面解耦合，控制器把轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則下發(fā)到轉(zhuǎn)發(fā)平面，這樣交換節(jié)點就可以去智能化，成為“啞的”簡單的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。這樣做一方面減輕了網(wǎng)絡(luò)的復雜、冗余，另一方面把網(wǎng)絡(luò)的復雜性由對硬件設(shè)備的依賴轉(zhuǎn)移至軟控制器。

SDN體系架構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)進行兩次抽象，使網(wǎng)絡(luò)分為基礎(chǔ)設(shè)施層、控制層和應用層3層，如圖8所示，其中，流抽象屏蔽了轉(zhuǎn)發(fā)層具體的傳輸數(shù)據(jù)細節(jié)，使各種轉(zhuǎn)發(fā)方式表現(xiàn)為流表的形式，為控制平面提供統(tǒng)一靈活的轉(zhuǎn)發(fā)操作。網(wǎng)絡(luò)視圖抽象能使應用層掌握全局網(wǎng)絡(luò)細節(jié)描述，屏蔽網(wǎng)絡(luò)應用狀態(tài)分發(fā)細節(jié)，共同地、全局地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)功能?？刂茖又锌刂栖浖c基礎(chǔ)設(shè)施層的底層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備經(jīng)由控制數(shù)據(jù)面接口（南向接口，如OpenFlow）交互，并通過可擴展北向接口與應用層交互。OpenFlow交換機由流表、安全通道和OpenFlow協(xié)議3部分組成，是整個OpenFlow網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)平面。轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則以流表項的形式存在流表中，到達的數(shù)據(jù)分組通過匹配流表進行相應的操作處理，過程為：OpenFlow交換機接收到數(shù)據(jù)報文后，首先進行流表匹配，并執(zhí)行相關(guān)動作；若找不到匹配表項，則根據(jù)此table-miss表項的配置，把報文上交給控制層并由控制器決定轉(zhuǎn)發(fā)行為——丟棄或轉(zhuǎn)發(fā)至下一個流表?？刂破魍ㄟ^安全通道按照OpenFlow標準協(xié)議更新OpenFlow交換機中的流表，從而實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)流量的集中統(tǒng)一管控。

圖8 SDN體系架構(gòu)

由于SDN可以通過控制器對全網(wǎng)流量進行統(tǒng)一操作，對全網(wǎng)QoS部署自然有先天優(yōu)勢，基于SDN解耦控制與轉(zhuǎn)發(fā)和對網(wǎng)絡(luò)集中式管控的思想提供QoS保障已得到廣泛關(guān)注并取得很多研究成果。為了有效地部署QoS策略，需要實時獲取網(wǎng)絡(luò)時延，參考文獻 [46]描述了一種OpenFlow/SDN環(huán)境中測量時延的機制，一個控制器監(jiān)測全網(wǎng)所有交換機，通過控制器與交換機之間按照OpenFlow協(xié)議設(shè)計的數(shù)據(jù)分組的交互，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時延的精確測量，比ping更精確且不需額外的硬件等網(wǎng)絡(luò)資源消耗。OpenFlow支持的QoS能力有限，在最新的OpenFlow 1.3.0版本中，僅設(shè)計了每流的最大最小速率限制機制，可在網(wǎng)絡(luò)邊緣用于流量整形，但不能提供電信級QoS支持。參考文獻[47]設(shè)計了OpenFlow-MPLS聯(lián)合架構(gòu)，實現(xiàn)了具有相同QoS等級的多虛擬網(wǎng)隔離，OpenFlow作為MPLS網(wǎng)絡(luò)的接納控制模塊，使得MPLS的全部功能得以利用，從而支持電信級QoS保障。OpenFlow控制器保存各虛擬網(wǎng)預留信息，當來自某個虛擬網(wǎng)的具有特定QoS等級流量所需的網(wǎng)絡(luò)資源可用時，此流量便可進入網(wǎng)絡(luò)，本設(shè)計沒有對OpenFlow協(xié)議和MPLS做任何修改，實現(xiàn)了對每個虛擬網(wǎng)的QoS保障。為了對多媒體流量提供端到端QoS保障，OpenQoS[48]首先把進入網(wǎng)絡(luò)的流量分為數(shù)據(jù)流和多媒體流，前者使用傳統(tǒng)的最短路徑轉(zhuǎn)發(fā)，后者動態(tài)分布于具有QoS保障能力的路徑上，這是一個約束最短路徑（constrained shortest path，CSP）的 NP-complete（NP 完全）問題，路徑管理功能更新QoS參數(shù)，拓撲管理功能監(jiān)測拓撲變化，路徑計算功能使用基于匯聚成本的拉格朗日松弛（lagrangian relaxation based aggregated cost，LARAC）算法解決上述 CSP問題，控制器相應地更新交換機流表實現(xiàn)動態(tài)QoS路由。利用SDN控制器具有全局網(wǎng)絡(luò)視圖的優(yōu)勢，VSDN[49]為視頻流動態(tài)選擇最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)路徑并沿途預留資源，從而提供端到端的QoS保障。

SDN集中式的管控架構(gòu)有利于流量的管理與操作，控制、轉(zhuǎn)發(fā)分離架構(gòu)增強了QoS策略部署的可擴展性，對QoS保障具有天然的體系架構(gòu)優(yōu)勢。但OpenFlow仍在不斷發(fā)展完善中，尚存在一些缺陷，具體介紹如下。

·目前，OpenFlow協(xié)議支持的QoS特征有限，只能設(shè)置隊列最大最小速率，不能進行隊列策略配置，無法進行更細粒度的流量管理。現(xiàn)有基于OpenFlow/SDN的QoS保障方案均是利用其體系架構(gòu)優(yōu)勢，通過在應用層部署相應應用來實現(xiàn)的。

·面向應用的可擴展北向接口仍處于需求討論階段，尚未實現(xiàn)標準化。

·底層資源的抽象粒度與管理開銷之間要進行必要的權(quán)衡，隨著OpenFlow版本的不斷升級，匹配字段長度不斷增加，匹配時延及管理開銷逐漸增大。

·支持QoS的可擴展性問題。首先，由于控制器存在性能瓶頸，同時處理多個流時，會導致流傳輸?shù)亩说蕉藭r延增加甚至無法及時應對，造成鏈路擁塞。再者，在流添加速度上存在硬件性能限制。

MPLS具有電信級的QoS保障能力，但是由于其被封閉在僵化的體系結(jié)構(gòu)中，創(chuàng)新型部署困難?；贠penFlow的SDN為網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新提供了必需的可編程性和靈活性，目前，已經(jīng)支持MPLS的全部特性并可與現(xiàn)有MPLS設(shè)備共存，如Sharafat[50]等人將OpenFlow、MPLS分別位于控制平面、數(shù)據(jù)平面，執(zhí)行MPLS-TE及MPLS-VPN，實驗證明了其部署的易行性，可在提供高質(zhì)量傳輸效果的同時減少傳統(tǒng)分布式控制的開銷。對OpenFlow與MPLS結(jié)合的研究將是一個有價值的研究點。

3.3 可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的QoS保障技術(shù)

可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是一種通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及功能的自調(diào)整來動態(tài)匹配業(yè)務，從而構(gòu)建一個可以提供多樣化和全方位的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務、滿足多樣性的業(yè)務要求、具備高質(zhì)量通信效果的新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)[11]，其功能參考模型如圖9所示。其主要理論有元能力理論、認知與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)機理及多態(tài)尋址路由機制。其本質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)資源及其組合、使用方式等的動態(tài)改變，以匹配時變的業(yè)務應用要求和特征，是一種以“以變應變”方式進行網(wǎng)絡(luò)服務，提供高可靠QoS的結(jié)構(gòu)形態(tài)。

可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)所提出的“業(yè)務—元服務—元能力”模型[51]是一種細粒度組合服務思想的體現(xiàn)，如圖10所示，通過網(wǎng)絡(luò)的可分最小功能單元邏輯上的有機排列與組合，形成的具有對應功能要素的實體，可對特定業(yè)務實施有較強針對性和普適性的QoS保障。改變了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)服務與業(yè)務需求“一對一”的緊耦合關(guān)系，使由抽象與聚類得來的基本業(yè)務需求特征元素—元服務與網(wǎng)絡(luò)基本承載功能組件—元能力進行動態(tài)匹配，使用普適的網(wǎng)絡(luò)服務能力滿足用戶業(yè)務QoS保障需求。

圖9 可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)體系功能參考模型

圖10 “業(yè)務—元服務—元能力”功能模型

在數(shù)據(jù)平面，有一個增強的網(wǎng)際互聯(lián)傳輸層——可重構(gòu)多態(tài)網(wǎng)絡(luò)層，其功能設(shè)計目標是增強網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)互聯(lián)傳輸能力，分為基態(tài)和多態(tài)兩個子層。數(shù)據(jù)的傳輸模式有傳統(tǒng)的具有網(wǎng)際互聯(lián)傳輸能力的分組交換和宏電路兩種，二者的內(nèi)在邏輯關(guān)系如圖11所示。宏電路是網(wǎng)絡(luò)為一組具有共同傳輸路徑的同類業(yè)務流動態(tài)建立的自適應型虛電路，是一種基于流的端到端的數(shù)據(jù)傳輸交換方式，增強和擴展了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)互聯(lián)傳輸能力，對應于不同的數(shù)據(jù)流傳輸要求，宏電路有多種模態(tài)。

圖11 可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳遞模式

宏電路中流的類別劃分是根據(jù)特定QoS指標，如時延、抖動、分組丟失率等，將流量抽象聚合而成[52]。借鑒了ITU-T對流量分類的方法，采用時延、抖動和分組丟失率這3個指標作為分類依據(jù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)認知功能獲取網(wǎng)絡(luò)的實時狀況，動態(tài)調(diào)整流的分類粒度，以在保證流QoS保障的同時提高成功率。該方法的基本思想是將時延、抖動和分組丟失率劃分成若干區(qū)間，即將QoS需求向量空間劃分成若干子空間，每個子空間對應于一個類別。一條流的類別即該流QoS需求向量所處子空間對應的流量類別。根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑的鏈路帶寬、節(jié)點CPU等資源利用狀況及路徑擁塞狀況，實時調(diào)整流量類別劃分粒度。

根據(jù)認知功能獲得的底層流量視圖，并由建立的流量預測模型，對多時間尺度上的流量行為進行預先估計和推斷。據(jù)此，宏電路控制器控制底層轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點動態(tài)地做出相應的構(gòu)建動作，如建立、刪除、規(guī)格調(diào)整。宏電路在邊緣網(wǎng)絡(luò)及不符合宏電路建立條件的鏈路上通過分組交換實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在骨干網(wǎng)，按照網(wǎng)絡(luò)業(yè)務流的性能要求，建立相應模態(tài)的宏電路。宏電路運行機制如圖12所示。

可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的核心特征是其內(nèi)在結(jié)構(gòu)的時變性，即由時變的結(jié)構(gòu)驅(qū)動時變的服務能力，最終實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務對應用要求和特征的動態(tài)匹配[53]。由于可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)解耦了控制平面與數(shù)據(jù)平面，確保了可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時變的可行性與易行性。

圖12 宏電路運行機制

可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在QoS保障方面具有先天的體系結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，轉(zhuǎn)發(fā)控制分離架構(gòu)增強了網(wǎng)絡(luò)的可擴展性，網(wǎng)絡(luò)元能力理論彌補了多樣多變的業(yè)務特征需求與有限的網(wǎng)絡(luò)服務能力之間的差異性，適應未來業(yè)務發(fā)展的延續(xù)性，面向連接的宏電路傳輸方式使得業(yè)務流可獲得天然優(yōu)秀的傳輸服務。集中式的控制架構(gòu)使得流傳輸可在全網(wǎng)范圍內(nèi)進行優(yōu)化，多級流表的配置使得流傳輸可在節(jié)點處進行調(diào)度，即可在宏觀、微觀兩個層次上部署策略，實現(xiàn)按需的精確轉(zhuǎn)發(fā)、傳輸。

4 可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中宏電路的實驗網(wǎng)部署研究

可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)以其柔性可變的結(jié)構(gòu)形態(tài)和動態(tài)的功能組合，支持業(yè)務服務的靈活擴展、可管可控，對現(xiàn)有及未來業(yè)務具有優(yōu)秀的QoS保障能力，獲得了廣泛的關(guān)注與研究，目前可重構(gòu)實驗網(wǎng)已搭建完畢[11]，由5個可重構(gòu)路由交換平臺和5個可重構(gòu)光交換設(shè)備組成。宏電路控制平面位于可重構(gòu)綜合管理平臺，控制服務器位于Linux系統(tǒng)上，基于新增宏電路功能模塊而擴展的Floodlight實現(xiàn)，宏電路的一切功能都運行于控制服務器之上。底層轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點基于NetFPGA實現(xiàn)。

整個系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)分組處理模塊、資源監(jiān)測與分配模塊、流量監(jiān)測與預測模塊、路由選擇模塊、流表處理與下發(fā)模塊。數(shù)據(jù)流在宏電路邊節(jié)點處由數(shù)據(jù)分組處理模塊首先判斷是否為宏電路報文，并根據(jù)QoS參數(shù)分類，在鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層之間添加、刪除標簽；資源監(jiān)測與分配模塊實時監(jiān)測底層資源使用狀況，形成資源狀態(tài)圖，并在路徑選擇后沿途分配資源；流量監(jiān)測與預測模塊實時監(jiān)測底層流量狀況，并根據(jù)預測模型推測、估計未來一定時間內(nèi)的流量行為趨勢，生成流視圖；路由選擇模塊根據(jù)流類別、資源狀態(tài)圖和流視圖優(yōu)化計算得到轉(zhuǎn)發(fā)路徑；流表處理與下發(fā)模塊根據(jù)之前各個模塊的處理結(jié)果生成或修改宏電路流表并下發(fā)至底層交換機。數(shù)據(jù)報文匹配流表并執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)動作。系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 宏電路系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語

結(jié)構(gòu)決定功能，可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)改變了傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)分層協(xié)作、端到端分組傳輸?shù)脑O(shè)計原則，實現(xiàn)了控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面解耦合，使得復雜的控制邏輯加入不影響標準化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)流的傳輸使用宏電路與分組交換，在要求的路徑使用宏電路可直接增強網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)傳輸能力，實現(xiàn)業(yè)務傳輸QoS保障。因此，可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及宏電路是一種未來網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)QoS自適應匹配、新型業(yè)務可擴展的有效解決方案。

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