1、 本科毕业论文 题 目：基于路由器的 QoS 实现 姓 名： 学 院：软件学院 系：软件工程 专 业：软件工程 年 级： 学 号： 指导教师 (校内 )： 职称： 指导教师 (校外 )： 职称： 年 月 ce23ff59dd2192d09b519c88fb2305f1 第 1 页 基于路由器的 QoS 实现 摘要 随着互联网的飞速发展，越来越多的 信息 业务要求网络提供 QoS 支持。 本文主要介绍了路由器 上 的 QoS 实现。首先 ， 简要介绍了 QoS 的 发展 背景 ， QoS 的定义， 两 种主要的 QoS 模型 ： 集成 服务 模型 (Inter-Serv)和区分 服务 模型 (D
2、iff-Serv)以及当前 主要 的路由器上 QoS 的实现方式。接着 ， 着重 介绍 了区分 服务 模型的基本原理 。 描述 了区分服务模型主要包含的 几个功能元素 ： 分类器、测量器、整形器、标记器 、 排队和调度管理 、 逐 跳行为 (PHB)。 然后 ，介绍了基于该模型的路由器的一种实现方法，主要描述了其几个功能元素的实现。最后 ， 介绍了一个 模拟 演示 系统。 该系统通过捕获网卡上的 IP 报文，分析报文头部的 DSCP 值，模拟了区分服务分类器的功能，对报文进行分类排队，并用两种算法 (优 先级调度算法和加权优先级调度算法 )实现了对队列的调度输出。 关键 词 ： 服务质量 Qo
3、S 区分服务 Diff-Serv 路由器 ce23ff59dd2192d09b519c88fb2305f1 第 2 页 The realization of Qos based on router Abstract With the rapid development of internet, more and more information services need for the support of QoS. This paper mainly introduces the realization of QoS based on the router. First, introduc
4、e the development of QoS, definition of QoS, two QoS model: Integrated Services(Inter-Serv) and Differentiated Services(Diff-Serv) and some popular methods of realization of QoS based on the router. Then, introduce the fundamental of Diff-Serv. Describe its some functional elements, e.g., classifier
5、, meter, sharper, marker, queue and scheduler and per-hop behavior. And then, introduce a method of the router that carries out this model, mainly describing its functional elements realization. Finally, introduce a demo system which captures the packets from the net interface, analysis the packets
6、DS field, simulates the models classifiers function, queues the packets and schedules their output order with two algorithm(priority scheduling algorithm and the weighted priority scheduling algorithm). Key words： quality of service, QoS, Differentiated Services, Diff-Serv, router ce23ff59dd2192d09b
7、519c88fb2305f1 第 3 页 目录 引言 . 7 第一章 QoS 简介 . 8 1.1 QoS 定义 . 8 1.2 QoS 模型 . 8 1.2.1 集成服务模型 (Inter-Serv) . 8 1.2.2 区分服务模型 (Diff-Serv) . 9 1.3 路由器上的 QoS 方法 . 9 第二章 区分服务模型 (Diff-Serv). 11 2.1 区分服务区 . 11 2.1.1 区分服务区 . 11 2.1.2 区分服务标记 DSCP. 12 2.2 分类器和调节器 . 13 2.2.1 分类器 . 13 2.2.2 调节器 . 13 2.3 PHB(per-hop
8、behavior). 15 2.4 队列系统 . 17 2.5 拥塞控制 . 17 2.6 区分服务的基本服务类型 . 18 第三章 Diff-Serv 路由器的实现 . 19 3.1 分类器实现 . 19 3.2 标记器实现 . 19 3.3 测量器实现 . 20 3.4 整形器的实现 . 21 3.5 输出接口的实现 . 21 第四章 演示系统实现 . 22 4.1 发送报文模块 . 22 ce23ff59dd2192d09b519c88fb2305f1 第 4 页 4.2 捕获报文模块 . 24 4.3 模拟分类器模块 . 26 4.4 模拟输出调度模块 . 27 总结 . 30 致谢语
9、 . 30 参考文献 . 31 附录 . 32 ce23ff59dd2192d09b519c88fb2305f1 第 5 页 Content Introduction. 7 Chapter 1 QoS brief introduction. 8 1.1 QoS definition. 8 1.2 QoS model. 8 1.2.1 Integrated Services model (Inter-Serv) . 8 1.2.2 Differentiated Services model (Diff-Serv) . 9 1.3 QoS based on the router. 9 Chapte
10、r 2 Differentiated Services model(Diff-Serv). 11 2.1 Differentiated Services region. 11 2.1.1 Diff-Serv region. 11 2.1.2 Diff-Serv Code Point (DSCP). 12 2.2 Classifier and conditioner. 13 2.2.1 Classifier. 13 2.2.2 Conditioner. 13 2.3 PHB(per-hop behavior). 15 2.4 Queue system. 17 2.5 Congestion con
11、trol. 17 2.6 The basic service types of Diff-Serv. 18 Chapter 3 Realization of Diff-Serv router. 19 3.1 Realization of classifiers. 19 3.2 Realization of markers. 19 3.3 Realization of meters. 20 3.4 Realization of sharpers. 21 3.5 Realization of output interface. 21 Chapter 4 Realization of demo sy
12、stem. 22 4.1 The sending packet module. 22 ce23ff59dd2192d09b519c88fb2305f1 第 6 页 4.2 The capturing packet module. 24 4.3 The classifier module. 26 4.4 Output schedule module. 27 Conclusion. 30 Acknowledgement. 30 References . 31 Attachment . 32 ce23ff59dd2192d09b519c88fb2305f1 第 7 页 引言 现有的互联网 主要是建立
13、在 TCP/IP 协议组的基础上， 所提供的是 “ 尽力而为 ”(best-effort)的服务 ， 在这种服务模型下，所有的业务流被 “ 一视同仁 ” 地公平地竞争网络资源，路由器对 几乎 所有的 IP 包都采用 FCFS(First Come First Service)的工作方式，它尽最大努力将 IP 包送达目的地 。 但对 IP 包传递 的 可靠性 、 延迟等不能提供任何保证。这很适合 Email、 Ftp、 WWW 等业务。 但随着互联网的高速 发展 ， IP 业务也得到了快速 发展并且越来越 多样化。特别是随着多媒体业务的兴起，计算机已经不是单纯的处理数据的工具，而是越来越贴近生活
14、，计算机的交互越来越实时和生动，这对计算机互联网络也就相应地提出了更高 的要求。对那些有带宽、延迟、延迟抖动等特殊要求的应用来说， “ 尽力而为 ” 的服务显然是不够的。尽管由于网络技术的发展，网络带宽以及网络速度都得到了极大的提高，但需要通过网络传输的数据却也几乎以与网络发展速度相同的速度增加，甚至超 过网络发展的速度，这使得网络带宽与网络速度依然是一个瓶颈问题。同时，近年来发展起来的一些新的应用 (如多媒体应用，组播应用等 )不仅增加了网络流量，更因为这些应用改变了以往互联网上的流量性质，因而它们需要全新的服务要求。由于不具备服务质量保障特性，不能预留带宽，不能限定网络时延，因此，“ 尽力
15、而为 ”型 的因特网无法支持许多新的应用如 在线点播、 远程教学、远程手术、远程会议和学术交流等。 一般而言，影响用户感知网络性能的关键参数有三个：时延 (包括源请求建立业务的时间和建立后接受信息的时间 )、抖动 (由单个数据包到达时间的 可变性引起，在传输层尤其明显，通过 buffer 可以消除或减少抖动 )、信息丢失 (除了传输中比特错误率或数据包丢失外，也包括多媒体编码降级引起的丢失 )。这三个参数也是划分 QoS 类别的主要区分值。 为了解决在 互联 网上高质量地传输 那些具有高带宽、低延迟、低抖动的 信息 (如多媒体等 )问题，美国于 1996 年底，开始了以提高网络服务质量研究为核
16、心 的 Internet 以及 NGI(下一代 Internet)等研究项目。 IETF (Internet Engineering Task Force)也成立了专门的工作小组来研究多媒体服 务质量的定义和相关的标准。 为满足 Internet 上多种业务对 QoS 的需求， IETF 先后制定了两种 QoS 服务模型：集成服务 (Inter-Serv)模型和区分服务 (Diff-Serv)模型，用来在不同的场合提供相应的质量保证。 ce23ff59dd2192d09b519c88fb2305f1 第 8 页 第 一 章 QoS 简介 QoS(Quality of Service)即 服务质
17、量 ， 是一个正在发展的因特网标准系列，它为优先处理某些类型的 IP 流量提供了方法。通过沿着路由对 QoS 提供适当的支持，就能改善变量延迟和阻塞的状况。 1.1 QoS 定义 ITU-T E.860 协议中的 QoS 定义为： QoS 是提供商为用户提供的服务与两者间的协定之间的一致性程度，即通过比较 QoS 目标值和 QoS 测量值，得到 QoS 的定量评估，是衡量服务整体水平的量化表示。对于下一代互联网的业务来说，服务质量是某种业务的服务质量 1。从这个意义上讲， QoS 不单是提供商或者单是用户的行为，而是两者协定的结果。 1.2 QoS 模型 目前， IETF 为了实现 IP 上的
18、 QoS 而定义了许多模型和机制，主要的模型有集成 服务 模型 (Inter-Serv)、区分服务 模型 (Diff-Serv)。 1.2.1 集成 服务 模型 (Inter-Serv) 2 其设计思想是在 best-effort 服务模式的基础上定义了一系列的扩展特性，可以为每一个的网络连接提供基于应用的 QoS，并且使用信令协议在网络中的每个路由器中创建和维护特定流的状态，以满足相应网络服务的需求。 这种体系能够明确区分并保证每一个业务流的服务质量，为网络提供最细粒度化的服务质量区分。但是在 IP 核心网络中的实施存在问题，因为 Inter-Serv 的实施要求在每个网络节点为每个流提供相
19、当的计算处理量。这包括端到端的信令和相关信息来区分每个流，跟踪、统计资源占用，策略控制，调度业务流量。随着 Inter-Serv 流数量的增加， Inter-Serv 信令的处理和存储对路由器的资源消耗也在飞速地增加，而且也极大地增加网络管理地复杂性，ce23ff59dd2192d09b519c88fb2305f1 第 9 页 所以这种模型的可扩展性较差。目前采用这种模型的技术有： MPLS-TE(RSVP)，另外较为典型的还有 ATM 和帧中继。 1.2.2 区 分 服务 模型 (Diff-Serv) 3 与作用于每个流的 Inter-Serv 相比，在 Diff-Serv 体系结构中，业务
20、流被划分成不同的区分服务 类 (最多 64 种 )。一个业务流的 区 分服务类由其 IP 报文头部 中的 区分服务 标记字段(Diff-Serv Code Point， DSCP)来标示。在实施 Diff-Serv 的网络中，每一个路由器都会根据数据包的 DSCP 字段进行相应的转发处理，也就是 PHB(Per Hop Behavior)。 虽然 Diff-Serv 不能对每一个业务流都进行不同服务质量保证。但由于采用了业务流分类技术，也就不需要采用信令协议来在每个路由器上建立和维护流的状态，节省了路由器的资源，因此网络的可扩展性要高的多。另外 Diff-Serv 技术不仅能够在纯 IP 的网
21、络中使用，也能通过 DSCP 和 MPLS 标签以及标签头部的 EXP 字段的映射应用在多协议标签交换技术 MPLS的网络中。 本 文主要介绍了这种区分 服务 模型 。 1.3 路由器上的 QoS 方法 路由器上的 QoS 可以通过下面几种手段获得： 1. 通过大带宽 实现 在路由器上除增加接口带宽以外不作任何额外工作来保障 QoS。由于数据通信没有相应公认的数学模型 做 保障，该方法只能粗略地使用经验值 来做 估计。通常认为当带宽利用率到达 50以后就应当扩容，保证接口带宽利用率小于 50。 2. 通过端到端带宽预留实现 该方法通过使用 RSVP 或者类似协议在全网范围内通信的节点间端到端预留带宽。该方法能保证 QoS，但是代价太高，通常只在企业网或者私网上 运行，在大网公网上无法实现。 3. 通过接入控制、拥塞控制和区分服务等方式 实现 该方式主要是对业务流进行 标记 分类 ， 并对分类区分转发对待。 该方式无法完全
