支持区分服务带服务质量扩展的IP转发方法

摘要

支持区分服务带服务质量扩展的IP转发方法属于IP转发技术领域，其特征在于：它在网络入口路由器端采用在IP分组头中插入共用8个字节表示的约束编码及约束类别的方法进行IP头扩展，根据管理员设置的分组IP分类规则表再向该分组头的TOS域标志其服务类别，而在节点的输出队列中使用绝对优先级的调度策略；在转发路径的中间路由器中修改各约束条件值，构成带修正后的服务质量约束标志的IP分组头向下一跳转发；在网络出口路由器上删除上述服务质量扩展字段，构成普通IP分组头向接收端发出。它具有同时支持区分服务和支持服务质量路由，易于实现，无需修改终端软件的优点。

说明书

技术领域

支持区分服务带服务质量扩展的IP转发方法属于互联网IP转发技术领域。

背景技术

本发明中的IP转发方法是一种使用在互联网路由器中支持区分服务和服务质量路由的IP转发方法，能够为用户提供较强的服务质量保证。

现有互联网仅支持尽力而为的IP转发服务，而对于一些特殊应用来说，需要有一些传输参数的限制，如丢失率、带宽、端到端延迟和延迟抖动等。为了实现支持服务质量QoS，国际互联网工程任务组定义了区分服务框架，通过在网络边界节点根据用户的流规定和资源预留信息将进入网络的每流分类、整形、聚合为不同的流聚集，实现基于优先级的网络传输服务质量控制。

由于区分服务仅能够通过优先级控制不同业务流，而不能对业务流分组的具体QoS参数进行控制，研究者们基于数据流服务质量请求和网络可用资源进行路由的机制提出了服务质量路由。它是一种动态路由协议，在其路径选择标准里可以包含可用带宽、链路和端到端路径利用率、资源消费量、延迟、跳数以及抖动等服务质量参数。本发明将区分服务和服务质量路由结合起来，在提供奖赏服务PS、确保服务AS和尽力而为BE服务的同时还能支持服务质量路由使用户提出的服务质量需求得到较大程度上的满足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在支持区分服务的条件下兼具服务质量扩展即服务质量约束标志的IP转发方法。

支持区分服务带服务质量扩展的IP转发方法，其特征在于：它是一种支持区分服务和服务质量扩展的IP分组转发方法，既在网络入口路由器中对分组IP头进行扩展，根据管理员设置的分组IP分类规则向分组头内的TOS域标志该分组应该享受的服务类别，同时将分组IP头扩展8个字节用以支持服务质量路由，所述的IP转发方法依次含有以下步骤：

(1)入口路由器根据管理员设置的分类规则表对普通的数据分组进行扩展，即通过顺序查找分类规则表，并根据查找结果设置分组IP头内的服务类型即TOS域并填充服务质量约束字段，这一步骤依次按以下顺序执行：

(1.1)如果分类结果表明该分组属于奖赏服务PS，将服务类型TOS域中的第6位置“1”；

(1.2)如果分类结果表明该分组属于确保服务AS，将服务类型TOS域中的第5位置“1”；

(1.3)如果分类结果表明该分组属于尽力而为BE，将服务类型TOS域中的第5、6位置“0”；

(1.4)向IP分组头插入共计8个字节的8个服务质量扩展字段，每个服务质量扩展字段为1个字节长度，形成图3所示的IP头结构，具体的方法依次含有以下步骤：

(1.4.1)编码Code作为扩展服务质量约束的标志编码，将其定义为184，对于二进制也就是10111000；

(1.4.2)长度Length表示扩展服务质量约束的长度，实际使用中设为8；

(1.4.3)映射QoSMap表示路由器转发分组时需要关心的服务质量约束，缺省情况下设定为00001111，表明路由器在转发分组时需要同时考虑四个服务质量约束；

(1.4.4)保留Reserve是为了以后进一步扩展所预留的1个字节；

(1.4.5)带宽Bandwidth约束表示用户对可用带宽提出的要求，单位为KB，取值范围[1，1e6/8]，取log_1.05^Bandwidth；

(1.4.6)延迟Delay约束表示用户对延迟提出的要求，单位为ms，取值范围[0，100×10e3]，取log_1.05^Delay；

(1.4.7)丢失率LossRate约束表示用户对丢失率提出的要求，取值范围[0，100％]，取百分数的数值；

(1.4.8)花费Cost约束表示用户对花费提出的要求，取值范围[0，100×10e3]，取log_1.05^Cost；

(1.4.9)对于带宽Bandwidth约束、丢失率LossRate约束、延迟Delay约束和花费Cost约束字段保留了三个数值，其中255为不考虑该约束，而254表示在确定转发路径时需要最优的结果，253表示该约束条件不满足；

(1.4.10)重新计算整个IP分组头的校验和；

(2)在节点的输出队列中使用绝对优先级的调度策略，具体的方法依次含有以下步骤：

(2.1)所有的奖赏服务PS分组进入高优先级队列；

(2.2)所有的确保服务AS分组和尽力而为BE分组进入低优先级的队列，当输出队列长度超过管理员设定的阈值后，尽力而为BE分组将以50％的概率被丢弃；

(2.3)两个队列调度时采取绝对优先级调度算法，即在高优先级的队列未空前，不会转发低优先级队列中的分组；

(2.4)同一队列中分组采用先进先出FIFO策略；

(3)收到IP扩展分组的路由器根据本地测量的结果修改服务质量约束，这一步骤依次按以下顺序执行：

(3.1)修改带宽Bandwidth约束，当本地测量获得的可用带宽小于带宽Bandwidth约束中要求的带宽时，将在带宽约束的字段标志253，表示不能满足需求的带宽；

(3.2)修改丢失率LossRate约束，由于丢失率在转发路径上是相乘的关系，设在转发路径上有N跳，那么设转发路径上每个路由器入口所连接的路径上分组丢失率为L_i(0＜i≤N)，易知0≤L_i≤1，则整个路径的丢失率 $>>1>->>>\Pi >>>>i>=>1>>N>>>(>1>->>L>i>>)>>,>$>设数据分组到达第n个路由器时，分组扩展IP头中携带丢失率LossRate约束为QoS(L)_n，表示在从路由器n到路由器N之间的路径丢失率约束为QoS(L)_n，可知1-QoS(L)_n＝(1-QoS(L)_n+1)(1-L_n)， $>>QoS>>>(>L>)>>>n>+>1>>>=>1>->>>1>->QoS>(>L>>)>n>>>>1>->>L>n>>>>,>$>依据此公式计算结果修改丢失率LossRate约束；

(3.3)修改延迟Delay约束，由于延迟Delay约束是可加性的约束条件，所以只需在每跳路由器中减去本地测量获得的链路延迟，就可以完成对延迟Delay约束进行修改，如果修改后的延迟Delay约束小于0，表示该链路不能满足端到端延迟约束，将在延迟约束字段标志253。

(3.4)修改花费Cost约束，由于花费约束是可加性的约束条件，所以只需在每跳路由器中减去管理员设置的入口链路花费，就可以对花费Cost约束进行修改，如果修改后的花费服务质量约束小于0时，表示该链路不能满足端到端花费约束，将在花费约束字段标志253。

(3.5)重新计算IP分组头的校验和；

(4)网络出口路由器根据管理员的设置删除IP扩展分组中的服务质量扩展字段，形成图4所示的IP头结构，向接收端转发。

实验证明：和已有方法比较，本发明方法为用户提供了可控的服务质量，用户可以根据需要选择适当的服务类型和服务质量约束条件，并获得较优的IP转发支持。

附图说明

图1.本发明所述方法实现示意图。

图2.本发明所述方法中分类规则表结构图。

图3.本发明所述方法中带服务质量约束的IP头结构

图4.本发明所述方法中删除服务质量约束的IP头结构

图5.本发明实验模拟时用的拓扑结构。

图6.验证区分服务时所采用的流量模型

图7.验证服务质量路由时所采用的流量模型

图8.本发明所述方法的程序流程框图

具体实施方式

我们通过图3所示的IP头结构中使用支持区分服务带服务质量扩展的IP转发方法实现对服务质量QoS的支持，如图1所示。其中服务器Server运行realServer 8.01提供流媒体服务，并使用3台PC作为客户机1-客户机3，访问服务器Server上的流媒体文件，并使用RealPlayer 8.0 Plus观察图像传输结果，从而比较不同的服务类型和服务质量约束条件对传输性能的影响。测试服务器Tester Server为整个网络提供背景流量来模拟网络链路拥塞的情况。在实现中所使用的设备配置如下：

服务器Server和客户Client的PC配置：

■  CPUP42.2GHZ

■  主板intelD845

■  内存256DDR

■  显卡Geforce2MX400

■  硬盘西捷80G

■  网卡realtek 8139

为了防止各客户Client对同一个文件访问时产生相互影响，我们将视频文件复制为3个，每个客户Client访问其中一个。测试使用的视频文件361M，播放时间为33分31秒，视频文件所需带宽为1.5Mbps。

路由器都是用PC构成，运行VxWorks系统：

R1：CPU：P3 450MHz

  内存：256M

  网卡4块：realtek 8139，100M

R2：CPU：P4 1.8GHz

  内存：256M

  网卡4块：realtek 8139，100M

P3：CPU：P3 933MHz

  内存：64M

  网卡2块：realtek 8139，100M

测试服务器：

  CPU：P42.2G

  内存：256M

网卡4块：realtek 8139，100M

在实验时我们向被网络中注入了24Mb的背景流以使相关链路上产生较高的负载。

本发明所述方法具体由以下步骤依次组成：

(1)网络入口路由器根据管理员设置的如图2所示的分类规则表对普通的数据分组进行扩展，即通过顺序查找分类规则表，并根据查找结果设置分组IP头内的服务类型TOS域并填充服务质量约束字段，这一步骤依次按以下顺序执行：

(1.1)如果分类结果表明该分组属于奖赏服务PS，将服务类型TOS域中的第6位置“1”；

(1.2)如果分类结果表明该分组属于确保服务AS，将服务类型TOS域中的第5位置“1”；

(1.3)如果分类结果表明该分组属于尽力而为BE，将服务类型TOS域中的第5、6位置“0”；

(1.4)向IP分组头插入8个字节，具体的方法依次含有以下步骤：

(1.4.1)编码Code作为扩展服务质量约束的标志编码，将其定义为184，对于二进制也就是10111000；

(1.4.2)长度Length表示扩展服务质量约束的长度，实际使用中设为8；

(1.4.3)映射QoSMap表示路由器转发分组时需要关心的服务质量约束，缺省情况下设定为00001111，表明路由器在转发分组时需要同时考虑四个服务质量约束；

(1.4.4)保留Reserve是为了以后进一步扩展所预留的1个字节；

(1.4.5)带宽Bandwidth约束表示用户对可用带宽提出的要求，单位为KB，取值范围[1，1e6/8]，取log_1.05^Bandwidth；

(1.4.6)延迟Delay约束表示用户对延迟提出的要求，单位为ms，取值范围[0，100×10e3]，取log_1.05^Delay；

(1.4.7)丢失率LossRate约束表示用户对丢失率提出的要求，取值范围[0，100％]，取百分数的数值；

(1.4.8)花费Cost约束表示对用户花费提出的要求，取值范围[0，100×10e3]，取log_1.05^Cost；

(1.4.9)对于带宽Bandwidth约束、丢失率LossRate约束、延迟Delay约束和花费Cost约束字段保留了三个数值，其中255为不考虑该约束，而254表示在确定转发路径时需要最优的结果，253表示该约束条件不满足，带服务质量扩展的IP头如图4所示；

(1.4.10)重新计算整个IP分组头的校验和；

TOS域：  1         2        3        4        5         6         7       8

 A-bit P-bit

(2)在节点的输出队列中使用绝对优先级的调度策略，具体的方法依次含有以下步骤：

(2.1)所有的奖赏服务PS分组进入高优先级队列；

(2.2)所有的确保服务AS分组和尽力而为BE分组进入低优先级的队列，当输出队列长度超过管理员设定的阈值后，尽力而为BE分组将以50％的概率被丢弃；

(2.3)两个队列调度时采取绝对优先级调度算法，即在高优先级的队列未空前，不会转发低优先级队列中的分组；

(2.4)同一队列中分组采用先进先出FIFO策略；

(3)收到IP扩展分组的路由器根据本地测量的结果修改服务质量约束，这一步骤依次按以下顺序执行：

(3.1)修改带宽Bandwidth约束，当本地测量获得的可用带宽小于带宽Bandwidth约束中要求的带宽时，将在带宽约束的字段标志253，表示不能满足需求的带宽；

(3.2)修改丢失率LossRate约束，设数据分组到达第n个路由器时，分组扩展IP头中携带丢失率LossRate约束为QoS(L)_n，表示在从路由器n到路由器N之间的路径丢失率约束为QoS(L)_n，可知1-QoS(L)_n＝(1-QoS(L)_n+1)(1-L_n)， $>>QoS>>>(>L>)>>>n>+>1>>>=>1>->>>1>->QoS>(>L>>)>n>>>>1>->>L>n>>>>,>$>依据此公式计算结果修改丢失率LossRate约束；

(3.3)修改延迟Delay约束，由于延迟Delay约束是可加性的约束条件，所以只需在每跳路由器中减去本地测量获得的链路延迟，就可以完成对延迟Delay约束进行修改，如果修改后的延迟Delay约束小于0，表示该链路不能满足端到端延迟约束，将在延迟约束字段标志253。

(3.4)修改花费Cost约束，由于花费约束是可加性的约束条件，所以只需在每跳路由器中减去已设置好的相邻路由器之间的链路花费，就可以对花费Cost约束进行修改，如果修改后的花费服务质量约束小于0时，表示该链路不能满足端到端花费约束，将在花费约束字段标志253；

(3.5)重新计算IP分组头的校验和；

(4)出口路由器根据管理员的设置删除IP扩展分组中的服务质量扩展字段，即将IP扩展分组转换为普通数据分组，向接收端转发，普通数据分组头部如图4所示；

支持区分服务带服务质量扩展的IP转发方法对硬件的要求不是很高，可以在各种路由器的设计中得到应用。这种IP转发方法有以下优势：

支持区分服务，为不同需要的用户提供不同质量的服务；

支持服务质量路由，用户可以针对可用带宽、延迟、丢失率和花费提出特殊的要求，网络运营商可以提供增值服务；

易于实现，无需修改终端上的软件；

支持区分服务带服务质量扩展的IP转发方法通过向IP分组头插入服务质量扩展字段以及标志服务类型TOS域，向用户提供了区分服务和服务质量路由的增值服务，从而较好地满足了用户的需求。这种对IP分组头的服务质量扩展是本发明的一个关键点。

实验时采用的模型如图5所示。

实验1.如图6所示，我们根据以下原则配置路由器中的初始化参数。

分类规则表配置

(1)将目的为Client1的UDP分组设定为PS流；

(2)将目的为Client2和Client3的UDP分组设定为BE流；

(3)在场景I中将目的为Tester的背景流分组设置为BE流；

对于PS流，我们设置预留带宽为2.4Mbps，而在wsap算法进行丢弃时，我们设置发生概率丢弃的队列长度阈值为4，也就是说，当低优先级的队列长度超过4时，将使用wsap算法进行概率丢弃操作。每个输出端口对应的两个队列都是长度为40。

路由配置

(1)目的地址为Client1、Client3的UDP分组的服务质量路由策略配置为要求最小花费。假设pOPt为指向插入分组IP头的服务质量约束的指针，则插入分组IP头的OPTION域的内容如下：

         pOPt-＞code＝184；

         pOPt-＞length＝8；

         pOPt-＞qosMap＝0x0F；

         pOPt-＞reserve＝0；

         pOPt-＞bandWidth＝(UINT8)0xFF；

         pOPt-＞lossRate＝(UINT8)0xFF；

         pOPt-＞delay＝(UINT8)0xFF；

         pOPt-＞cost＝(UINT8)0xFE；

(2)目标为Client2的UDP分组的服务质量路由策略为要求最大可用带宽。插入分组IP头的OPTION域的内容如下：

         pOPt-＞code＝184；

         pOPt-＞length＝8；

         pOPt-＞qosMap＝0x0F；

         pOPt-＞reserve＝0；

         pOPt-＞bandWidth＝(UINT8)0xFE；

          pOPt-＞lossRate＝(UINT8)0xFF；

          pOPt-＞delay＝(UINT8)0xFF；

          pOPt-＞cost＝(UINT8)0xFF；

在实验中，我们可以明显地看出Client1上的PS流视频效果稳定，realone统计的丢失率为0，Recover分组数量0％；Client2上BE视频流效果较好，图象上偶尔出现马赛克，realone统计的丢失率约为0.43％，Recover分组数量1.45％，Client3上BE的视频效果较差，图象中经常出现马赛克，realone统计的丢失率约为1.45％，Recover分组数量4.34％。

Client1和Client2的视频效果近似，对于Client1虽然也经过了负载较大的链路，由于对Client1预留相应的带宽，Client1获得很好的传输质量；而client2上的视频流，尽管区分服务设置的优先级相同，但是服务质量路由根据不同的参数选择了不同的路径，Client2选择了负载较轻的链路，使得Client2具有较好的效果，也是说明了服务质量路由的效果。Client3也同Client1一样经过了负载较重的链路，导致有较大的丢失率，从而传输质量下降明显。

实验2.如图7所示，在播放15分钟时，在测试仪上停止BE背景流，并使用命令start flow2生成AS背景流，并注入到被测网络中。其它设置同测试环境I中路由器中的初始化设置。同时在R2上使用OAM命令

rtm＞cost 2 10.0.8.2 10

此命令将目的地址为10.0.8.2的链路上AS流的cost设为10。

在本演示环境中，我们可以明显地看出Client1上的PS流视频效果稳定，realone统计的丢失率为0，Recover分组数量0％；Client2上BE视频流效果也稳定，realone统计的丢失率约为0％，Recover分组数量0％，Client3上BE的视频效果也变得稳定，realone统计的丢失率约为0％，Recover分组数量0％。

Client1上的视频依然保持稳定，而Client2和Client3上的视频效果也变得很稳定。主要是由于设置的改变，使得背景流通过R3路由器来转发，Client1、Client2和Client3的所有视频流量都将通过R2向R1转发，但是此链路的总体负载还是较轻，致使这三个视频流都具有较好的效果。这表明服务质量路由能够支持多种服务质量参数，同时根据网络负载的变化，自动调整转发路径，可以获得较好的传输效果。