互联网中的服务质量保证

【摘要】：TCP的拥塞控制极大地促进了互联网的发展，它成功地满足了 FTP， WWW Email等以 数据传输为主的应用对服务质量的需要，随着网络设备处理能力的增强，公平队列、随机 早期检测等队列调度算法进一步提供了网络资源共享的公平性和高效性。目前，IP电话、 远程教育等实时多媒体应用己成为未来互联网发展的方向，为实时应用提供服务质量保证 的相关网络技术也逐步走向成熟。本文研究了如下领域： 1 传统业务的拥塞控制和队列调度。本文介绍了基于端系统的TCP拥塞控制的发展 历程，延迟确认和UDP业务等对TCP的影响，公平队列、随机公平队列等多队列调度算 法，并对RED单队列调度算法作了详细的分析，阐述了RED的参数设置原则及其复杂性。 本文提出了一种估计和设置RED参数的方法，使之能动态适应当前网络流量的要求，研究 了在严重拥塞环境下，RED实际丢包率变化引起的网络流量震荡问题，给出了相应的改进 算法，并通过动态仿真，证明该改进算法提高了RED的适应性，降低了网络时延，减小了 时延抖动。 2 多媒体业务的队列调度。实时多媒体业务需要严格的服务质量保证，如带宽、时 延和时延抖动等，一旦服务质量低于应用的需要，业务将难以继续。GPS调度算法可以提 供零服务等待和绝对的公平性，但 GPS只是一种理想的队列调度算法，在实际网络中是无 法实现的。在分组交换网络中，GPS的离散形式WFQ也具有很好的延迟和较好的公平特 性，但由于其计算复杂度为O（N），难以被广泛使用；目前的最新研究成果是SPFQ算法， 它的计算复杂度为O(log_2N），并且可以提供与WFQ相似的服务质量。本文分析了 SPFQ的公平和延迟抖动特性，发现它们的会话间依赖性较强，并提出了它的一种改进算 法SPJFQ，它在SPFQ算法的基础上，添加了允许控制，即只有数据包的启动势大于等 于当前系统势，该数据包才能发送，SPJRQ的计算复杂度仍为O（log_2N）, 却具有更好 的公平和延迟抖动特性，它们都不依赖于其它会话的资源预留特性。 3 集成服务的实现与改进。集成服务 IntServ［RFC1633］是由 IETF的 IntServ 工作组 于1994年提出的实现规范，其目的在干建立一个能同时为实时和非实时业务提供服务的分 组交换网络。集成服务采用资源预留协议（RSVP）作为其接入控制手段，通常采用WFQ 等队列调度机制保证数据传输的带宽和时延。我们采用基于 CBQ的队列调度算法，在 Linux 下实现了资源预留协议，它可以提供负载受控的服务和保证质量的服务，通过测试我们发 现在会话建立过程中，底层链路操作占用的处理器开销最大。本文还进一步比较了YESSIR 和RSVP的差异，分析了它们各自的合理因素，并提出了RSVP的改进方案。它不仅保留 且 ＼ 了接收者预留、软状态和支持组插等特性，还具有更小的刷新处理开销，并避免了资源建 立过程中频繁的链路操作。 4 区分服务的研究与改进。区分服务是 IETF定义的另一种 QOS机制，它不象集成 服务那样为每个数据流预留资源，而是把数据流聚类到不同的服务等级，对每个等级的数 据包提供相应的服务。核心网络由于会话量大，链路速度快，集成服务的队列调度和接入 控制都难以满足实际的需要。区分服务是公认的、适宜于核心网络的服务模型，但目前它 只定义了一些数据传输的处理行为，尚未规范接入控制的策略。我们比较了带宽分配（BB） 和资源预留汇聚两种接人控制方案的差异，带宽分配方案可能会有较小的空间复杂度，而 资源预留汇聚却更能适应组播通信的需要。资源预留汇聚虽然可以解决组播通信环境的接 人控制问题，但由于区分服务流量控制能力较弱，仍难以满足组播通信环境下高优先级数 据传输的需要。为此，我们提出了基于路由表的流量控制策略，它有效地解决了组播环境 下，服务质量保证的难题。