家庭网关中分层服务质量管理功能的设计与实现

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1、华中科技大学 硕士学位论文 家庭网关中分层服务质量管理功能的设计与实现 姓名:肖恒杰 申请学位级别:硕士 专业:软件工程 指导教师:黄立群 2010-11-01 I 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 摘摘 要要 随着网络时代的来临,家庭中有上网需求的设备越来越多,如:PC、IP 电话、 电视、游戏机等。家庭网关作为家庭内部网络与外部广域网之间的接口,给人们的 带来便利的同时,也带来了很多娱乐。欲使更多的电信业务渗透到家庭中,那么必 须要有集成更多功能的家庭网关产品的出现。可以说,家庭业务的多元化发展,推 动了家庭网关产品功能的不断丰富。最重要的一点是,为了

2、提高家庭用户对网络业 务的满意度,家庭网关的服务质量保证是个尤为重要的热点问题。因此,才有了本 文对家庭网关服务质量的研究。 通过对服务质量的研究,设计并实现了基于家庭网关上的分层服务质量管理功 能,采用区分服务模型来实现服务质量。分析和研究了 QoS 基本系统设计模型,为 QoS 功能设计做铺垫。由于网关系统基于 Linux 操作系统实现,因此探讨了 Linux 的流量控制工具的机理。针对 QoS 的新需求,采用了分层 QoS 的技术。它与传统的 QoS 存在一些区别。传统的 QoS 是基于端口进行流量调度。单个端口只能区分业务 优先级,无法区分用户和不同用户的业务。而 HQoS 不仅可以区

3、分物理端口的业务 优先级,还可以实现对物理端口的逻辑用户的区分,并实现基于逻辑用户分别提供 不同的 QoS 策略。网关系统中分层 QoS 的设计分为 3 级,各级分别针对端口和流类 别对报文进行处理。分层服务质量管理功能的实现也涉及到一些算法,因此探讨了 流量整形算法、拥塞避免算法、队列调度算法以及多优先级数据报文分类和转发的 实现。最终通过对 QoS 性能的测试,得出了 QoS 功能有效的结论。 关键词:关键词:服务质量 家庭网关 区分服务 流量管理 II 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 Abstract With the advent of the

4、Internet age, the needs of households with Internet access more and more devices, such as: PC, IP telephone, television, game consoles. Home gateway as a family internal network and external WAN interface between the peoples convenience, but also brought a lot of entertainment. Purports to more pene

5、tration of telecom services to the family, then there must be integration of more features of the home gateway products to appear. Can be said that the family business, diversification, and promote a home gateway product features are continuously enriched. The most important point is that home users

6、 of the network to improve service satisfaction, quality of service home gateway is particularly important to ensure that the hot issue. Therefore, only the paper on service quality of the home gateway. Through researching on QoS, design and implementation of the tiered home gateway based on the qua

7、lity of service management functions, with differentiated service model to achieve service quality. QoS analysis and study of the basic system design model, laying the groundwork for the design of QoS features. Because the gateway system based on Linux operating system implementation, so Linux discu

8、ssed the mechanism of the flow control tool. New demands for QoS, using a hierarchical QoS technology. With the traditional QoS, there are some differences. The traditional port-based QoS traffic scheduling. A single port can only distinguish between business priorities, can not distinguish between

9、business users and different users. The HQoS physical port can not only distinguish between business priorities, the physical port can be achieved for the distinction between the logic of the user, and user-based logic to provide different QoS strategies, respectively. Hierarchical QoS gateway syste

10、m design is divided into three, respectively, for the port at all levels and types of message flow for processing. Implementation of hierarchical quality of service also involves some algorithms, the traffic shaping algorithm discussed, congestion avoidance algorithm, and multi-queue scheduling prio

11、rity data packet classification and forwarding implementation. By the end QoS performance testing, draw valid conclusions of the QoS features. Key words:QoS Home gatewy Diffrentiate service Traffic management 1 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪论绪论 如今,互联网的飞速发展极大地丰富了网络业务,互联网不再只是承载单一的 数据业务,而是成为了承

12、载多种业务、服务于多类用户群体的公共信息传输平台。 目前,网络发展越来越快,网络上的新应用也在以很快的速度出现,人们对网络服 务质量的要求也越来越高。不同的业务对服务延迟、抖动、带宽的需求都不同。例 如语音等实时性的业务就具有低延迟的特性,如果它的延时过长,将会导致语音不 清,断断续续,这种效果将是用户所无法接受的,而HTTP、E-mail以及FTP等数据 传输业务就对延迟不是很敏感。为了把不同的业务成功区分,然后分别为它们提供 不同的服务质量, 这样就触发了QoS的出现。 论文首先从家庭网关对QoS的需求入手, 阐述了一套家庭网关实现QoS保证的解决方案, 研究家庭网关如何进行流量分类以及

13、流量控制1。 1.1 课题的研究背景课题的研究背景 在互联网发展初期,人们没有考虑到服务质量的需要。因此,当时的互联网络 只是提供一种“尽力而为”行为2。随着网络发展的日新月异以及众多新业务的出现, 使互联网承载了更多的业务。但是由于 IP 协议固有的无连接特性和传统 IP 网络“尽 力而为”的服务原则,传统互联网无法向用户提供有效的服务质量保障,也不能实现 网络资源的有效监控和管理。这种状况严重阻碍了互联网向纵深方向发展。近十年 来,国内外专家学者对 IP 服务质量(IP QoS)开展了坚持不懈的研究,提出了一系列 理论和解决方案3。但是由于 IP QoS 问题的复杂性,至今还没有一个服务质

14、量(QoS) 方案能在大型商用网络中全面推行。当前,“IP 电信网”已经成为各国电信主管部门 和网络运营商追求 的目标,为了提供电信级的业务(如 VoIP、视频和多媒体流传播、 3G 的无线应用、可视电话等),解决 IP 服务质量问题已经刻不容缓4。人们必须继 续深化 IP 服务质量研究,特别是实用技术的研究,使互联网能够改头换面,成为信 息基础设施中的主流传输平台5。 2 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1.2 当前主要技术当前主要技术 IP QoS 近几年一直是研究的热点,经过多年的研究,业界也已经提出了很多的 服务模型。分别有以下几种: (1)集成

15、服务模型:该模型是 IETF 早期提出的,基本思想是在传送数据前, 根据业务的 QoS 需求来进行网络资源预留,进而为数据流提供端到端的 QoS 服务。 这种模型采用的是资源预留协议(RSVP)6。该协议在流经过路径的每个节点都为 流预留和维护资源。优点是:通过这种预留资源的方式能提供端到端的 QoS 能力。 缺点是:由于在网络路径的每个节点都要预留资源和保存流的状态信息,导致核心 路由器负担很大,扩展性很差;另外,这种模型实现起来很复杂。 (2)区分服务模型7:由于集成服务模型的众多缺点,IETF 有提出了区分服务 模型。基本思想是在网络在入口点对报文进行分类,且打上标记,也就是 DSCP(

16、Differentiated Services Code Point,区分服务代码点),然后根据 DSCP 把报文 投进不同的优先级队列进行调度。优点:该模型实现简单、扩展性好,且具有对流 分类、标记、拥塞管理、拥塞避免和流量限制以及流量整形等特性。由于区分服务 模型的这些优点,目前这种模型使用最为普遍。但它也有缺点,那就是:只保证相 对的服务质量,不能承诺绝对的服务质量8;在拥塞发生时,该模型只能通过丢弃报 文的方式来进行处理,不能通过其他旁路让报文到达目的地;对相同优先级的业务, 在发生拥塞时,报文丢弃是随机的,这样就导致所有的业务都会受到影响9。 (3)集成服务模型和区分服务模型结合10:集成服务模型的优点是提供端到端 的 QoS,而区分服务模型的优点是扩展性好,结合两种模型的优点,业界又提出了 一种两种模型结合的新模型。在用户网络使用集成服务模型,提供端到端的 QoS, 而在运

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