IP QoS性能分析仿真研究.doc

1、 毕业论文 IP QoS 性能分析仿真研究 学生姓名： 张少芳 学号： 0705074113 学 院： 信息与通信工程学院 专 业： 通信工程 指导教师： 韩慧莲 2011 年 6 月中文摘要 IP QoS 性能分析仿真研究 摘要： QoS(Quality of Service)即服务质量是一个综合指标 ,用于衡量使用一个服务的满意程度。随着网络技术的飞速发展 ,互联网应用的普及 ,网络服务类型 也呈现出多样化特点 ,由传统的单一数据传输服务发展到视频、音频等多媒体服务。网络服务类型差异 ,对网络资源提出的需求也就不同。而 IP 网络的初衷仅仅是提供一种称之为“尽力而为” (Best-Effo

2、rt)的服务 ,对 IP 包传递的可靠性和时延等不提供任何保证 ,这对于只要求准确率而对时延没有严格要求的数据业务来说是合适的 ,而对于话音、视频等各种实时性新型业务 ,其服务质量 (Quality of Service,QoS)是难以保证的。如何实现端到端的 QoS 已经成为一个棘手的课题摆在人们面前。 IP 网络不能保证业务特定的 QoS 要 求已经成为 IP 网络向宽带综合服务网络发展的巨大障碍。如何解决 IP网络的 QoS 要求 ,以使网络能够灵活地根据业务的具体特点提供给客户满意的服务 ,是 IP 业界亟待解决的问题。本课题介绍了在 IP 网上实现多媒体数据传输时服务质量 (QoS)

3、 的服务标准和服务种类 ,并介绍了 IP QoS 的主要参数和 IP QoS 需要实现的功能。分析了 IP QoS 的体系结构 : IntServ 体系结构、 DiffServ 体系结构、 MPLS 体系结构。在 IntServ 结构中重点分析了其核心协议 RSVP ,同时在 DiffServ 结构中着重分 析了系统结构、核心路由器的服务质量和 PHB。最后，在学习网络仿真软件 OPNET 的基础上，对 RSVP 进行了仿真实现。 关键词： 服务质量 (QoS)；区分服务 (DiffServ)；综合服务 ( IntServ )； MPLS（多协议标记交换）； OPNET 英文摘要 Perfor

4、mance Analysis and Simulation of IP QOS Abstract： Quality of Service is a Composite Indicator,which is used to measure the satisfaction of a service.Along with the rapid development of network technology and the wider application of Internet,the network service also presents the characteristics of d

5、iversification,from traditional data transferring business to multi-media business such as video,audio and so on.Different network services result in different network resource requests.However,the original intension of IP is just to supply a kind of “Best Effort“ service without guarantee of the re

6、liability and time delay of the IP passage.It is suitable for those data operation that demands accuracy,but not time delay;while for those real-time operations,such as voice and video,the quality of the service can not be guaranteed.How to deal with QoS (Quality of Service) from peer to peer? With

7、present IP Routing Technology and Network structure,it is not easy to expand the whole network and to provide various services.Not undertaking QoS requirement has become the obstacle of the IP Network s development.How to resolve the problem and provide the satisfied service according to the special

8、 proceeding flexibly needs instant answers.Discussed in the paper are the standards of service quality and kinds of multimedia data tranfission realized on IP network , And describes the main parameters of IP QoS and IP QoS features needed to achieve， and analyze the system structures of IP QoS , In

9、tServ ， DiffServ , MPLS。 In InteServ structure ,forcus is made on its kernel prolocol RSVP and in DiffServ structure ,system structure ,the service quality of kernel Router and PHB. Finally, learn OPNET network simulation software and a simulation implementation of RSVP based on it. Key word： qualit

10、y of service (QoS);differentiated service (DiffServ) ;integrated service ( IntServ);MPLS;OPNET 中北大学 2011 届 毕业论文 目录 1 引言 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.3 研究意义 . 3 1.4 研究内容 . 4 2 IP QOS 技术 . 1 2.1 IP QOS 基本概念 . 1 2.1.1 IP QoS 的定义 . 1 2.1.2 IP QoS 的参数 . 1 2.2 IP QOS 的三种主要服务模型 . 2 2.2.1 IntServ/RSVP

11、（综合服务 /资源预留） . 2 2.2.2 DiffServ（区分服务） . 4 2.2.3 WPLS（多协议标记交换） . 6 2.3 IP QOS 实现功能 . 9 3 OPNET 仿真软件 . 10 3.1 OPNET 简介 . 10 3.2 OPNET 网络仿真软件的使用 . 10 3.2.1 仿真过程 . 10 3.2.2 结果分析 . 11 4 IP QoS 仿真 . 20 4.1 FIFO， PQ ， WFQ 三种队列的仿真比较 . 20 4.1.1 仿真过程 . 20 4.1.2 结果分析 . 26 4.2 RSVP 仿真实现 . 29 4.2.1 仿真过程 . 29 4.2

12、.2 结果分析 . 36 5 结论 . 1 参考文献 . 39 致谢 . 40 中北大学 2011 届 毕业论文 1 引言 随着网络技术的飞速发展 ,互联网应用的普及 ,网络服务类型也呈现出多样化特点 ,由传统的单一数据传输服务发展到视 频、音频等多媒体服务。网络服务类型差异 ,对网络资源提出的需求也就不同。 QoS(Quality of Service)即服务质量是一个综合指标 ,用于衡量使用一个服务的满意程度。而 IP 网络的初衷仅仅是提供一种称之为“尽力而为” (Best-Effort)的服务 ,对 IP 包传递的可靠性和时延等不提供任何保证 ,这对于只要求准确率而对时延没有严格要求的数

13、据业务来说是合适的 ,而对于话音、视频等各种实时性新型业务 ,其服务质量 (Quality of Service,QoS)是难以保证的。如何实现端到端的 QoS 已经成为一个棘手的 课题摆在人们面前。 IP 网络不能保证业务特定的 QoS 要求已经成为 IP 网络向宽带综合服务网络发展的巨大障碍。如何解决 IP网络的 QoS 要求 ,以使网络能够灵活地根据业务的具体特点提供给客户满意的服务 ,是 IP 业界亟待解决的问题。 1.1 研究背景 目前，多数运营商对于电信业务网的承载主要采用 IP 专网的方法，如专门的 VoIP网和专门的视频会议网，其主要思路是将 IP专网架构在 SDH 或 ATM

14、 网之上。这是非常浪费资源的方式，还加大了运维成本，不利于新业务的推出。另一种常用的方法是加大IP 层之下 SDH 和 ATM 的传送能力，即“ 过带宽解决方式”，这种方式也是以牺牲运营商巨大投资为代价的。为此，电信运营商一直致力于采用 IP 网技术来作为下一代网络技术的统一平台，但随时间的推移，人们设想中的基于 IP 和 MPLS 的多业务网并未真正实施， QoS 和流量的管理都没有得到很好的解决，多播业务几乎没用应用。这些问题导致简单的将 Internet 技术用于电信网是行不通的，其根本原因是现有的因特网只适合传送非实时的数据类业务，如 WWW、 FTP、 E mail 等。而今，宽带接

15、入的迅速增长已导致了运营商的 IP 网架构得以膨胀式地扩张。几年前， VoIP 业务首先被引入 到 IP 网络中来，但其服务质量未得到解决，更进一步的是，运营商为增加盈利空间、扩展用户群，也正在尝试在此当一而庞大的 IP 网络上能够提供越来越多的新型增值服务，尤其是交互式的个人媒体通信，因此如何合理利用 IP 网络的有限带宽，保证网络的服务质量（ QoS），就成了 IP 网络继续向实时应用和宽带应用领域扩展，进而成为支撑所有业务的统一平台的关键。 1.2 国内外研究现状 IP QoS 的研究范围十分广泛，不仅包含路由和业务流量控制，还涉及到网络管理、计费和网络测量。当前 有 主要的 IP Qo

16、S 技术， QoS 管理和测量技术 。 IP QoS 技术有集成服务（ IntServ），区分服务（ DiffServ）， MPLS。 综合 服务（ IntServ） ： 基本思想是在传送数据之前，根据业务的 QoS 需求进行网络资源预留，从而为该数据流提供端到端的 QoS 保证。资源预留协议 RSVP 是集成服务的核心 ， 是一种信令协议，用来通知网络节点预留资源。如果资源预留失败， RSVP 协议会向主机发回拒绝消息。集成服务能够在 IP 网上提供端到端的 QoS 保证 ， 但是集成服务对路由器的要求很高，当网络中的数据流数量很大时，路由器的存储和处理能力会遇到很大的压力。因此，集成服务可

17、扩 展性很差，难以在 Internet 核心网络实施，目前业界普遍认为集成服务有可能会应用在网络的边缘上。区分服务（ DiffServ） ： 基本思想是将用户的数据流按照服务质量要求来划分等级，任何用户的数据流都可以自由进入网络，但是当网络出现拥塞时，级别高的数据流在排队和占用资源时比级别低的数据流有更高的优先权。区分服 务 只承诺相对的服务质量，而不对任何用户承诺具体的服务质量指标 。 在区分服务机制下，用户和网络管理部门之间需要预先商定服务等级合约（ SLA），根据 SLA,用户的数据流被赋予一个特定的优先等级，当数据流通过网络 时，路由器会采用相应的方式（称为每跳行为 PHB）来处理流内

18、的分组 。 区分服务只包含有限数量的业务级别，状态信息的数量少，因此实现简单，扩展性较好 ， 它的不足之处是很难提供基于流的端到端的质量保证。目前，区分服务是业界认同的 IP 骨干网的 QoS 解决方案，但是由于标准还不够详尽，不同运营商的 DiffServ 网络之间的互通还存在困难。多协议标签交换 （ MPLS）： MPLS 并不是主要的 QoS 机制，也不是 QoS 的体系结构，但 MPLS 的显式路由功能大大增强了在 IP 网络中实施流量工程的能力。对于骨干网业务提供者来说，这是目前使用 最普遍，可实现性最强的一种 QoS 机制。以上 三 种 QoS 技术可以结合使用。例如 IntSer

19、v 和 Diffserv 结合，在核心网采用 Diffserv，在接入网采用 IntServ。又如 MPLS 和 Diffserv 结合，或 MPLS 和 QoS 路由结合。目前 MPLS+DiffServ 技术最有可能成为 IP 网络运营商首选的 QoS 方案。 目前 IP 网没有标准的 IP QoS 管理模型，只有两个很好的参考模型。一个是电信管理论坛 TMF 提出的 TOM（ Telecom Operations Map）模型 。 TOM 在电信管理网（ TMN）的四层结构基 础上，对每个管理层面的功能和操作进行了具体的描述，使其适合 IP 网络中北大学 2011 届毕业论文 的管理。在

20、这个模型中， IP QoS 管理主要在业务管理层实现。 TOM 还将业务的生命周期分为三个阶段：业务开通，业务保障和业务计费。业务开通将用户的 QoS 要求传送到网络中，并进行相应的配置；业务保障维护协商好的 QoS，是 IP QoS 管理的主要阶段；业务计费进行公平合理的计费。 TOM 模型最有可能成为运营商和设备制造商提供 QoS 业务的参考标准。另一个模型是 IETF 提出的基于策略的管理框架。这个框架将网络中的一些操作和管理抽象出来，称为策略（ Policy）。网络管理者事先定义好一些管理策略，存放到策略信息库中，网络设备根据这些策略自动地进行网络操作。由于策略由网络管理者统一制定，因

21、此采用不同 QoS 技术的异构网能够实现统一的 QoS 管理。 QoS 资源管理 ： 在 QoS 管理过程中，需要对用户的业务进行接纳控制。 InterServ 可以通过资源预留来达到这一目标，但 DiffServ 还不能实现端到端的资源预留和接纳控制。为了解决这个问题，出现了带宽代理 BB（ Bandwidth Broker）。 BB 实际上就是一个资源管理器，它收集网络的拓扑和节点及链路状态信息，管理网络资源 ，并结合策略服务器规定的策略进行接纳控制。 DiffServ 域之间通过 BB 进行 SLA 协商 ,使 DiffServ 能够实现端到端的接纳控制和 QoS 保障。当前， BB 的

22、研究是实现 QoS 管理的又一个重要环节。 QoS 测量 的 目的是用测量手段取得网络的性能和服务质量指标。显然，网络的 QoS控制、维护、管理和计费都需要 QoS 测量的支持。 QoS 测量有不同的分类方法，按照测量过程中测试设备是否主动发送探测包可分为主动测量和被动测量两类；按照测试设备所处的位置，又可分为基于路由器的测量，端到端测量，以及路由器协助的测量。 QoS测量的 内容很广泛，包括网络拓扑发现，时延、丢包率、带宽测量，网络距离测量，路由器调度策略和瓶颈缓冲器容量测量，以及路由器流量监测。 QoS 测量需要复杂的技术 ，特别是端到端 QoS 测量，在没有路由器参与，两端设备时钟又不同

23、步的情况下，利用信号处理技术和数学分析方法，可以推测网络拓扑，端到端的单向传输时延、链路时延，链路带宽、路径上的瓶颈带宽及可用带宽，甚至还可以推测网络中路由器的调度策略和缓冲器容量。端到端 QoS 测量具有特别重要的意义，它可以测出网络的整体性能指标，而且不需要对路由器进行改造，也不需要网络运营商公开内部 资料（如网络拓扑、设备配置、传输容量等）。目前 QoS 测量技术还不成熟，国外有一些研究成果报道，国内在此领域的研究则刚刚开始 。 目前 QoS 控制研究已有不少成果，需要解决的主要问题是算法复杂性和 QoS 控制效果之间的权衡。 QoS 管理、计费和 QoS 测量的研究则还处于起步阶段，研

24、究成果较少，标准尚未形成，是 IP QoS 研究的新热点。 QoS 研究的另一发展趋势是多种技术的结合，即多层次（应用层、传输层、网络层、链路层、物理层），多平面（数据平面、控制平面和管理平面）的 QoS 研究相结合，研究各层、各面之间的交互作用，将各种 QoS 机制综合起来，改善 IP 网的服务质量。 1.3 研究意义 Internet 正在向一个多业务数据网络演进，实现统一的支持 IP QoS 能力的电信级多业务 IP 网络是发展的趋势。通过 IP QoS，运营商或用户能够对网络上传输的视频 /音频流等对实时性要求较高的数据提供优先服务，从而保证较低的延迟。在传统的 IP 网络中，对所有的

25、报文都无区别地等同对待，每个路由器对所有报文都采用先入先出的策略（ FIFO）处理，也就是说：它尽力而为（ Best effort）地将报文送到目的地，但是对报文的吞吐量、延迟、延迟抖动、丢包 率等都不能预期，可能很好，也可能很差，一切都要视网络状况而定。随着计算机网络的高速发展，对带宽、延迟、抖动敏感的且实时性强的语音、图像、重要数据同时在网上传输，使得网络资源极大的丰富，但是同时人们对网络传输数据质量的要求越来越高，人们期待报文在吞度量、延迟、延迟抖动、丢包率等方面获得一定程度上的服务保证，期望可以根据客户类型提供有差别的服务，解决这些问题的一个途径是增加网络的带宽，但带宽的增加毕竟是有限

26、的，且代价昂贵，它只能在一定程度上缓解这个问题，提供 IP QoS 将是人们对未来网络的基本要求。 1.4 研究内容 IP QoS 技术有集成服务（ IntServ），区分服务（ DiffServ）， MPLS。综合服务（ IntServ）：基本思想是在传送数据之前，根据业务的 QoS 需求进行网络资源预留，从而为该数据流提供端到端的 QoS 保证。资源预留协议 RSVP 是集成服务的核心，是一种信令协议，用来通知网络节点预留资源。区分服务（ DiffServ）：基本思想是将用户的数据流按照服务质量要求来划分等级，任何用户的数据流都可以自由进入网络，但是当网络出现拥塞时，级别高的数据流在排队和

27、占用资源时比级别低的数据流有更高的优先权。区 分服务只承诺相对的服务质量，而不对任何用户承诺具体的服务质量指标。多协议标签交换（ MPLS）： MPLS 并不是主要的 QoS 机制，也不是 QoS 的体系结构，但 MPLS的显式路由功能大大增强了在 IP 网络中实施流量工程的能力。本文主要是研究这三种技术的主要实现过程，并在学习网络仿真软件 OPNET 的基础上，对网络三种队列处理先进先出（ FIFO）、优先权队列（ PQ）、 加权公平 队列（ WFQ）进行了仿真，对丢包率，延中北大学 2011 届毕业论文 迟、延迟抖动进行了仿真比较，在此基础上，对 RSVP 进行了仿真，与无 RSVP 进行

28、了比较。通过具体的仿真实例，来看 出 RSVP 保证 IP QoS。 2 IP QoS 技术 2.1 IP Qos 基本概念 2.1.1 IP QoS 定义 IP QoS 即 IP 服务质量，是指 IP 数据流通过网络时的性能，它的目的就是向用户提供端到端的 QoS 保证。 IP QoS 网络在传输数据时要满足的一系列服务要求，具体可以量化为传输延迟、抖动、丢失率、宽带要求、吞吐量等指标。 QoS 是网络的一种安全机制 , 是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术 。 IP 网络的 QoS 是指某个主机上的应用向其它主机上的应用发出一系列数据分组流时的平均速度、最大速度、数据分组的延迟时 间、

29、抖动、数据分组的丢失率等。 2.1.2 IP QoS 的参数 可用性 ： 是当用户需要时网络即能工作的时间百分比。可用性主要是设备可靠性和网络存活性相结合的结果。对它起作用的还有一些其他因素，包括软件稳定性以及网络演进或升级时不中断服务的能力。 吞吐量： 是在一定时间段内对网上流量 (或带宽 )的度量 。 根据应用和服务类型，服务水平协议 (SLA)可以规定承诺信息速率 (CIR)、突发信息速率 (BIR)和最大突发信号长度。承诺信息速率是应该予以严格保证的，对突发信息速率可以有所限定，以在容纳预定长度突发信号的同时容纳从话音到视像以 及一般数据的各种服务。一般讲，吞吐量越大越好。 时延 ： 指一项服务从网络入口到出口的平均经过时间。许多服务，特别是话音和视像等实时服务都是高度不能容忍时延的。当时延超过 200-250 毫秒时，交互式会话是非常麻烦的。为了提供高质量话音和会议电视，网络设备必须能保证低的时延。 时延变化 ： 是指同一业务流中不同分组所呈现的时延不同。高频率的时延变化称作抖动，而低频率的时延变化称作漂移。抖动主要是由于业务流中相继分组的排队等候时间不同引起的，是对服务质量影响最大的一个问题。某些业务类型，特别是话音和视像等实时业务是 极不容忍抖动的。分组到达时间的差异将在话音或视像中造成断续。所有传送系统都有抖动，只要抖动落在规定容差之内就不会影响服务质量 。