第11章计算机网络课件

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1、第第11章章 因特网的演进因特网的演进11.1 11.1 概述概述概述概述 多媒体信息不仅对传送时延一般都要求较短，而多媒体信息不仅对传送时延一般都要求较短，而多媒体信息不仅对传送时延一般都要求较短，而多媒体信息不仅对传送时延一般都要求较短，而且对时延抖动且对时延抖动且对时延抖动且对时延抖动(即时延的偏差即时延的偏差即时延的偏差即时延的偏差)也有较严格的限制也有较严格的限制也有较严格的限制也有较严格的限制。现在。现在的的IP协议并不能满足这一要求。多媒体信息容许协议并不能满足这一要求。多媒体信息容许(实际实际上是人的眼睛和耳朵容许上是人的眼睛和耳朵容许)在传输过程中出现少量的差在传输过程中出现

2、少量的差在传输过程中出现少量的差在传输过程中出现少量的差错错错错，这样就不必也不能使用，这样就不必也不能使用TCP协议协议(否则因重传造成否则因重传造成的时延会太大的时延会太大)。退出退出对对如如何何改改造造现现有有因因特特网网这这一一问问题题，目目前前有有着着多多种种不同的见解。不同的见解。一一种种极极端端的的意意见见认认为为，因因特特网网主主干干网网已已大大量量使使用用光光纤纤技技术术，其其带带宽宽增增长长的的速速率率非非常常快快，平平均均每每6至至9个个月月就就翻翻一一番番。这这称称为为吉吉吉吉尔尔尔尔德德德德(Gilder)定定律律，比比著著名名的的穆穆穆穆尔定律尔定律尔定律尔定律(M

3、ooreslaw)给出的速率还要快。给出的速率还要快。这种观点认为只要采用光纤技术，特别是密集波这种观点认为只要采用光纤技术，特别是密集波分复用分复用DWDM，就可以极大地提高网络的带宽，因而，就可以极大地提高网络的带宽，因而不会发生网络的拥塞和分组的丢失，因此将来在因特不会发生网络的拥塞和分组的丢失，因此将来在因特网上传送多媒体信息是不成问题的。网上传送多媒体信息是不成问题的。另一种极端的看法认为必须从根本上改造因特网，另一种极端的看法认为必须从根本上改造因特网，使得在因特网上传送多媒体信息之前就要预留足够的带使得在因特网上传送多媒体信息之前就要预留足够的带宽，即从主叫到被叫的整个路径上的每

4、一段链路的带宽宽，即从主叫到被叫的整个路径上的每一段链路的带宽都要预留。都要预留。这就要求对网络进行多方面的改造，从根本上改造这就要求对网络进行多方面的改造，从根本上改造因特网需要付出的代价是很大的。因特网需要付出的代价是很大的。关于多媒体信息在因特网上传送的问题：关于多媒体信息在因特网上传送的问题：（1）多媒体信息的信息量往往很大）多媒体信息的信息量往往很大例如，要传送不压缩的彩色电视信号，则数据率超过了例如，要传送不压缩的彩色电视信号，则数据率超过了250Mbit/s（2）在传输多媒体信息时，对时延和时延抖动均有较高）在传输多媒体信息时，对时延和时延抖动均有较高的要求的要求数据的实时性，分

5、组是等时的数据的实时性，分组是等时的(isochronous)但因特网本身是非等时的但因特网本身是非等时的11.2因特网的多媒体体系结构因特网的多媒体体系结构在因特网上进行多媒体通信，要一些新的协议在因特网上进行多媒体通信，要一些新的协议实实时时传传输输协协议议（RTP）：将将经经压压缩缩的的多多媒媒体体数数据据进进行行封封装后在装后在UDP上传送。上传送。实实时时传传输输控控制制协协议议（RTCP）：服服务务质质量量的的监监视视与与反反馈馈，媒体间的同步，多播组成员的标识媒体间的同步，多播组成员的标识H.323：局局域域网网和和企企业业网网的的多多媒媒体体通通信信标标准准。运运行行在在无无Q

6、oS保保证证的的分分组组网网络络上上。是是一一个个协协议议族族。包包括括系系统统和和构构件件的的描描述述，呼呼叫叫模模型型，呼呼叫叫信信令令过过程程，控控制制报报文文，复用，话音编解码器，视频编解码器等。复用，话音编解码器，视频编解码器等。该协议非常复杂。该协议非常复杂。11.2.1实时传输协议实时传输协议RTPRTP为为实实时时应应用用提提供供端端到到端端的的传传输输，但但不不提提供供任任何何服服务务质质量量的的保保证证。需需要要发发送送的的多多媒媒体体数数据据块块经经过过压压缩缩编编码码处处理理后后，先先送送给给RTP封封装装成成为为RTP分分组组，RTP分分组再装入组再装入UDP用户数据

7、报，然后再向下递交给用户数据报，然后再向下递交给IP层。层。从从应应用用开开发发者者的的角角度度看看，RTP应应当当是是应应用用层层的的一一部部分分。在在应应用用的的发发送送端端，必必须须编编写写用用RTP封封装装分分组组的的程程序代码，然后将序代码，然后将RTP分组交给分组交给UDP插口接口。插口接口。然而然而RTP的名称又隐含地表示它是一个传输层协的名称又隐含地表示它是一个传输层协议，这样划分也是可以的，因为议，这样划分也是可以的，因为RTP封装了多媒体应封装了多媒体应用的数据块，并且由于用的数据块，并且由于RTP向多媒体应用程序提供了向多媒体应用程序提供了服务（如时间戳和序号），因此也可

8、以将服务（如时间戳和序号），因此也可以将RTP看成是看成是在在UDP之上的一个传输层的子层。之上的一个传输层的子层。RTP分组只包含分组只包含RTP数据，而控制是由数据，而控制是由RTCP协议协议提供。提供。RTP在在102565535之间选择一个未使用的偶数之间选择一个未使用的偶数UDP端口号，而在同一次会话中的端口号，而在同一次会话中的RTCP则使用下一则使用下一个奇数个奇数UDP端口号。端口号端口号。端口号5004和和5005则分别是则分别是RTP和和RTCP的默认端口号。的默认端口号。在在RTP分组的首部中，前分组的首部中，前12字节是必须的，而字节是必须的，而12字节后的是可选的。下

9、面介绍各个字段：字节后的是可选的。下面介绍各个字段：（1）载荷类型）载荷类型(payloadtype)：7比特，例如比特，例如律律PCM（0），），GSM（3），），A律律PCM（8），），G.722(9)，G.728(15);JPEG(26)，MPEG1(32)，MPEG2(33)等等（2）序号：）序号：16比特，比特，（3）时间戳：）时间戳：32比特，反映了比特，反映了RTP分组中的数据的第分组中的数据的第一个字节的采样时刻。在一个字节的采样时刻。在RTP协议中没有规定时间戳的协议中没有规定时间戳的粒度粒度(granularity)，这取决于载荷类型。例如，对于，这取决于载荷类型。例如，对

10、于8kHz采样的话音信号，若每隔采样的话音信号，若每隔20ms构成一个数据块，构成一个数据块，则一个数据块中包含则一个数据块中包含160个样本个样本(0.028000=160)。因此。因此发送端每发送一个发送端每发送一个RTP分组，其时间戳的值就增加分组，其时间戳的值就增加160。（4）同步源标识符：）同步源标识符：32比特，比特，SSRC(SynchronousSouRCeidentifier)是一个数，用来标志是一个数，用来标志RTP流流(stream)的来源。的来源。SSRC与与IP地址无关。地址无关。（5）参与源标识符：选项，最多可有）参与源标识符：选项，最多可有15个。个。CSRC(

11、ContributingSouRCeidentifier)也是一个也是一个32比比特的数，但它是用来标志来源于不同地点的特的数，但它是用来标志来源于不同地点的RTP流。流。在多播环境中，可以用中间站将多个发往同一个地点在多播环境中，可以用中间站将多个发往同一个地点的的RTP流混合成一个流。在目的站再根据流混合成一个流。在目的站再根据CSRC的数的数值将不同的值将不同的RTP流分开。流分开。（6）参与源数：）参与源数：4比特比特（7）版本：）版本：2比特比特当前是当前是2（8）填充）填充P：1比特，在某些特殊情况下需要对应用数比特，在某些特殊情况下需要对应用数据块加密，这往往要求每以各数据块有确

12、定的长度。否据块加密，这往往要求每以各数据块有确定的长度。否则就要进行填充，将则就要进行填充，将P置为置为1。在数据部分的最后一个字。在数据部分的最后一个字节用来表示所填充的字节数。节用来表示所填充的字节数。（9）扩展）扩展X：1比特，当比特，当M=1时，则表示在此时，则表示在此RTP首部首部后面还有扩展首部。后面还有扩展首部。（10）标记）标记M：1比特，为比特，为“1时，表时，表RTP分组有特殊意分组有特殊意义。例如，在传送视频流时用来表示每一帧的开始。义。例如，在传送视频流时用来表示每一帧的开始。11.2.2实时传输控制协议实时传输控制协议RTCPRTCP协议的主要功能是：协议的主要功能

13、是：服务质量的监视与反馈、媒体间的同步，以及多播服务质量的监视与反馈、媒体间的同步，以及多播组中成员的组中成员的标识。标识。RTCP有五种分组类型，它们使用同样的格式：有五种分组类型，它们使用同样的格式：结束分组结束分组BYE表示关闭一个数据流。表示关闭一个数据流。特定应用分组特定应用分组APP使应用程序能够定义新的分组类型。使应用程序能够定义新的分组类型。接收端报告分组接收端报告分组RR用来使接收端周期性地向所有的点用用来使接收端周期性地向所有的点用多播方式进行报告。多播方式进行报告。发送发送RR分组有两个目的：分组有两个目的：（1）可以使所有的接收端和发送端了解当前网络）可以使所有的接收端

14、和发送端了解当前网络的状态；（的状态；（2）可以使所有发送）可以使所有发送RTCP分组的站点自适分组的站点自适应地调整自己发送应地调整自己发送RTCP分组的速率（通信量的分组的速率（通信量的5%）发送端报告分组发送端报告分组SR用来使发送端周期性地向所有接收用来使发送端周期性地向所有接收端用多播方式进行报告。端用多播方式进行报告。源点描述分组源点描述分组SDES给出会话中参加者的描述，它包含给出会话中参加者的描述，它包含参加者的规范名（电子邮件地址的字符串）。参加者的规范名（电子邮件地址的字符串）。11.2.3实时流式协议实时流式协议RTSPRTSP以以C/S方式工作，是一个多媒体播放控制协议

15、，方式工作，是一个多媒体播放控制协议，用来使用户在播放从网上下载的实时数据时能够进行控用来使用户在播放从网上下载的实时数据时能够进行控制，如：暂停制，如：暂停/继续，后退，前进等。继续，后退，前进等。要实现控制还要有专门的媒体播放器和媒体服务器。要实现控制还要有专门的媒体播放器和媒体服务器。媒体播放器的主要功能：解压缩、消除时延抖动、媒体播放器的主要功能：解压缩、消除时延抖动、纠正差错以及具有良好的用户界面。纠正差错以及具有良好的用户界面。媒体服务器支持流式音频和视频的传送。媒体服务器支持流式音频和视频的传送。RTSP是一种带外协议，而多媒体流是使用是一种带外协议，而多媒体流是使用RTP在带在

16、带内传送的。可见内传送的。可见RTSP信道有点像信道有点像FTP的控制信道。的控制信道。RTSP的语法和操作与的语法和操作与HTTP协议的相似。协议的相似。RTSP控制分控制分组可以在组可以在TCP/UDP上传送。上传送。11.3IP电话电话11.3.1IP电话概述电话概述IP电电话话（InternetPhone）又又称称为为VoIP(VoiceoverIP)：由由专专门门的的设设备备或或软软件件将将呼呼叫叫方方的的话话音音信信号号采采样样并并数数字字化化，压压缩缩，打打包包，经经过过IP网网络络传传输输到到对对方方，对对方方的的专专门门设设备备或或软软件件接接收收到到话话音音包包后后，解解压

17、压，还还原原成成模模拟信号送给话机。拟信号送给话机。1桌面方式（桌面方式（desktop）PC多多媒媒体体方方式式，在在桌桌面面电电脑脑上上安安装装VoIP软软件件和和硬硬件件，在在因因特特网网上上实实现现端端对对端端的的实实时时通通话话。（双双方方的的软软件件和和硬硬件件应应一一样样）目目前前，这这种种方方式式的的通通话话效效果果比比较较差差，但但只只付付市话费和上网费，打国际长途成本低。市话费和上网费，打国际长途成本低。2VoIP网关方式网关方式它它是是传传统统电电话话与与IP电电话话的的接接口口设设备备，完完成成用用户户话话音音信信号采样并数字化，压缩，打包及其逆变换。号采样并数字化，压

18、缩，打包及其逆变换。有两种类型的有两种类型的VoIP网关网关1）路路由由器器+话话音音板板：局局域域网网端端口口（连连接接本本地地网网），广广域域网网端端口口（连连接接广广域域网网另另一一端端的的路路由由器器，话话音音端端口口（连接电话或程控交换设备）。（连接电话或程控交换设备）。2）单单独独的的VoIP网网关关：局局域域网网端端口口连连接接集集线线器器；话话音音端口连电话或程控交换设备。端口连电话或程控交换设备。比比较较而而言言，1）如如果果直直接接连连广广域域网网则则不不经经本本网网时时延延会会少少一一些些，弱弱点点是是有有单单点点故故障障和和模模数数转转换换负负荷荷较较重重，配置复杂。配

19、置复杂。2）设备安装灵活，且无单点故障。）设备安装灵活，且无单点故障。IP电话网关的作用：电话网关的作用：（1）在电话呼叫阶段和呼叫释放阶段进行电话信令的）在电话呼叫阶段和呼叫释放阶段进行电话信令的转换。转换。（2）在通话期间进行话音编码的转换。）在通话期间进行话音编码的转换。现在现在IP电话有两套标准：电话有两套标准：ITU-T定义的定义的H.323协议协议IETF提出的会话发起协议提出的会话发起协议SIP(SessionInitiationProtocol)11.3.2H.323协议协议名称名称“基于分组的多媒体通信系统基于分组的多媒体通信系统”。基于分组的网。基于分组的网络包括因特网、局

20、域网、企业网、城域网和广域网。络包括因特网、局域网、企业网、城域网和广域网。H.323协议是因特网的端系统之间进行实时声音和协议是因特网的端系统之间进行实时声音和视像会议的标准。视像会议的标准。H.323协议标准指明了协议标准指明了4种构件，使用这些构件连种构件，使用这些构件连网就可以进行点对点或一点对多点的多媒体通信。网就可以进行点对点或一点对多点的多媒体通信。（1）H.323终端：终端：PC机，或运行机，或运行H.323程序的单个设程序的单个设备备（2）网关：网关连接到两种不同的网络，使得）网关：网关连接到两种不同的网络，使得H.323网络可以和非网络可以和非H.323网络（如公用电话网）

21、进行通信。网络（如公用电话网）进行通信。（3）网闸）网闸(gatekeeper)：相当于整个：相当于整个H.323网络的大脑。网络的大脑。所有的呼叫都要通过网闸，因为网闸提供地址转换、所有的呼叫都要通过网闸，因为网闸提供地址转换、授权、带宽管理和计费功能。授权、带宽管理和计费功能。（4）多点控制单元）多点控制单元MCU(MultipointControlUnit)：MCU支持三个或更多的支持三个或更多的H.323终端的音频或视频会终端的音频或视频会议。议。MCU管理会议资源、确定使用的音频或视频编解码管理会议资源、确定使用的音频或视频编解码器。器。网关、网闸和网关、网闸和MCU在逻辑上是分开的

22、构件，但它们在逻辑上是分开的构件，但它们可实现在一个物理设备中。在可实现在一个物理设备中。在H.323标准中将标准中将H.323终端、终端、网关和网关和MCU都称为都称为H.323端点端点(endpoint)。H.323的组成：的组成：（1）音频编解码器：要求至少要支持）音频编解码器：要求至少要支持G.711(64kbit/s的的PCM)。建议支持如。建议支持如G.722,G.723.1,G.728和和G.729等。等。（2）视频编解码器：要求必须支持视频压缩标准）视频编解码器：要求必须支持视频压缩标准H.261（3）H.255.0注册信令：注册注册信令：注册/接纳接纳/状态（状态（RAS）（

23、4）H.255.0呼叫信令：用来在两个呼叫信令：用来在两个H.323端点之间建端点之间建立连接立连接（5）H.245控制信令：用来交换端到端的控制报文控制信令：用来交换端到端的控制报文（6）RTP和和RTCP11.3.3会话发起协议会话发起协议SIPH.323过于复杂过于复杂(736页页)，不便于发展基本于，不便于发展基本于IP的新业的新业务，务，IETF在在1999年制定了年制定了SIP（128页）。只涉及到页）。只涉及到IP电话电话所需的信令和有关服务质量的问题。所需的信令和有关服务质量的问题。SIP使用文本方式的使用文本方式的C/S协议。协议。SIP系统只有两种构件：系统只有两种构件：用

24、户代理：发起呼叫用户代理：发起呼叫网络服务器：代理服务器，重定向服务器网络服务器：代理服务器，重定向服务器代理服务器接受来自主叫用户的呼叫请求转发给被叫。代理服务器接受来自主叫用户的呼叫请求转发给被叫。重定向服务器通过响应告诉客户下一跳代理服务器的地址。重定向服务器通过响应告诉客户下一跳代理服务器的地址。11.3.4IP电话的通话质量电话的通话质量决决定定通通话话质质量量的的两两个个主主要要因因素素：端端到到端端的的时时延延；话音分组的丢失率。这两者是相互关联的。话音分组的丢失率。这两者是相互关联的。正正常常通通话话的的端端到到端端时时延延不不应应超超过过250ms（一一般般是是5070ms）

25、但但IP电话的时延通常超过该值。电话的时延通常超过该值。提高话音质量的关键技术：提高话音质量的关键技术：1）话话音音压压缩缩技技术术：话话音音的的编编码码方方法法对对时时延延有有影影响响，话话音信号的数据率应尽可能低。音信号的数据率应尽可能低。ITU-T的标准有两个：的标准有两个：G.729：8kbit/s的的CS-ACELP(共共轭轭结结构构代代数数码码激激励励线线性预测声码器性预测声码器)，其话音质量与，其话音质量与32kbit/s的的ADPCM相同。相同。G.723.1：5.3/6.3kbit/s的的为为多多媒媒体体通通信信用用的的低低速速率率声声码器码器今今天天的的技技术术已已经经做做

26、到到：每每天天平平均均每每条条话话音音中中继继线线的的通通信信量量仅仅占占1k-2kbit/s,为为64kbit/s广广域域网网带带宽宽的的3%（一一路路传传统统的的话话音音要要占占64kbit/s），这这就就是是为为什什么么IP电电话话省省费费用用的原因。的原因。2）静静噪噪抑抑制制技技术术：指指检检测测到到通通话话过过程程中中的的安安静静时时段段，在在这这些些时时段段停停发发话话音音包包。（全全双双工工话话音音中中，只只有有36%40%是是活活动动态态）大大量量的的网网络络带带宽宽节节省省（用用于于其其他他话话音音或或数据传输）。数据传输）。3）回回声声消消除除技技术术：在在处处理理器器中

27、中有有特特殊殊的的软软件件代代码码监监听听回回声声信信号号，并并将将它它从从听听话话人人的的话话音音信信号号中中消消除除。（10ms以以上的时延就有感觉）上的时延就有感觉）4）话话音音抖抖动动处处理理技技术术：抖抖动动是是指指话话音音分分组组传传输输时时延延的的长长短变化。短变化。超超过过200ms的的时时延延，就就应应采采用用半半双双工工的的通通话话方方式式；严严重重时时会会造造成成分分组组被被丢丢弃弃，在在接接收收方方设设缓缓冲冲池池（大大小小有有一一个个优化问题），优化问题），IP分组到达后缓存。分组到达后缓存。5）话音优先技术）话音优先技术话话音音通通信信实实时时性性要要求求高高，当当

28、WAN的的带带宽宽低低于于512kbit/s时时，将将话话音音分分组组的的优优先先级级定定为为最最高高；采采用用资资源源预留协议（预留协议（RSVP）为话音通信保证带宽。）为话音通信保证带宽。6）话音分组分段技术）话音分组分段技术长长话话音音分分组组在在某某些些情情况况下下会会影影响响话话音音的的质质量量，例例如如，WAN的的速速率率为为64kbit/s时时，话话音音分分组组的的长长度度不不得得超超过过256字字节节；512kbit/s时时，话话音音分分组组的的长长度度不不得得超超过过2048字节字节7）前向纠错技术）前向纠错技术分两级：分两级：Intra-Packet;Extra-Packe

29、t两级两级前者是在同一分组内加冗余数据，以便接收方纠错；前者是在同一分组内加冗余数据，以便接收方纠错；后者是在每个话音分组中存放后续分组的冗余数据，以后者是在每个话音分组中存放后续分组的冗余数据，以便接收方从已经接收到的分组中恢复出错和丢失的话音便接收方从已经接收到的分组中恢复出错和丢失的话音分组。分组。11.4改进改进“尽最大努力交付尽最大努力交付”的服务的服务11.4.1使因特网提供服务质量使因特网提供服务质量服务质量是服务性能的总效果，此效果决定了一服务质量是服务性能的总效果，此效果决定了一个用户对服务的满意程度。个用户对服务的满意程度。服务质量可用一些基本的性能指标来描述，包括服务质量

30、可用一些基本的性能指标来描述，包括可用性、错误率、响应时间、吞吐量、分组丢失率、可用性、错误率、响应时间、吞吐量、分组丢失率、连接建立时间、故障检测和恢复时间等。连接建立时间、故障检测和恢复时间等。要传送多媒体信息，网络必须具有一定的服务质要传送多媒体信息，网络必须具有一定的服务质量。以例说明应从哪些方面入手使因特网有一定的服量。以例说明应从哪些方面入手使因特网有一定的服务质量。务质量。设局域网上的两个主机设局域网上的两个主机H1和和H2通过路由器通过路由器R1和和R2分分别向远地的两个主机别向远地的两个主机H3和和H4发送数据。连接发送数据。连接R1和和R2的链的链路带宽是路带宽是1.5Mb

31、it/s。现在考虑以下四种情况。现在考虑以下四种情况。（1）一个）一个1Mbit/s的实时音频数据和一个的实时音频数据和一个FTP文件数据文件数据假定假定H1向向H3传送实时音频数据，而传送实时音频数据，而H2向向H4传送文件数据。传送文件数据。发送的数据都在发送的数据都在R1的输出队列中排队。若突然有一个很的输出队列中排队。若突然有一个很大的文件数据块来到大的文件数据块来到R1，就会将输出队列占满。后面到，就会将输出队列占满。后面到达的实时音频分组会被丢弃，显然这是不合理的。达的实时音频分组会被丢弃，显然这是不合理的。需要增加一种机制：给不同性质的分组打上不同的标需要增加一种机制：给不同性质

32、的分组打上不同的标记。使优先级高的可优先进入输出队列。记。使优先级高的可优先进入输出队列。（2）一个）一个1Mbit/s的实时音频数据和一个高优先级的的实时音频数据和一个高优先级的FTP文件数据文件数据仅根据分组自己的标记来确定其服务等级还不够合仅根据分组自己的标记来确定其服务等级还不够合理。可见应当使路由器增加一种机制理。可见应当使路由器增加一种机制分类，即根据分类，即根据某些准则对输入分组进行分类，然后对不同类别的通信某些准则对输入分组进行分类，然后对不同类别的通信量给予不同的优先级。量给予不同的优先级。（3）一个数据率异常的实时音频数据和一个）一个数据率异常的实时音频数据和一个FTP文件

33、数文件数据据假定假定H1的数据率不正常地增大到的数据率不正常地增大到1.5Mbit/s或更高，或更高，就会使就会使H2的低优先级数据无法通过的低优先级数据无法通过R1。因此，应当使路。因此，应当使路由器能够将某个数据流进行通信量的管制（由器能够将某个数据流进行通信量的管制（policing)，使，使得这个数据流不要影响其他正常的数据流在网络中通过。得这个数据流不要影响其他正常的数据流在网络中通过。例如，可将例如，可将H1的数据率限定为的数据率限定为1Mbit/s。为了合理地利用网络资源，应在路由器中再增加一为了合理地利用网络资源，应在路由器中再增加一种机制种机制调度调度(scheduling)

34、。用此功能给实时音频和文。用此功能给实时音频和文件传送分别分配件传送分别分配1.0Mbit/s和和0.5Mbit/s的带宽。的带宽。（4）H1和和H2都发送数据率为都发送数据率为1Mbit/s的实时音频数据的实时音频数据到达到达R1的总数据率是的总数据率是2Mbit/s，已超过了链路的带，已超过了链路的带宽。若使两个主机平均共享带宽，则每个数据流将平均丢宽。若使两个主机平均共享带宽，则每个数据流将平均丢失失25%的分组，因而变得没有必要用了。比较合理的做法的分组，因而变得没有必要用了。比较合理的做法是让一个数据流通过链路，而阻止另一个数据流的通过。是让一个数据流通过链路，而阻止另一个数据流的通

35、过。这就需要另一种机制这就需要另一种机制呼叫接纳呼叫接纳(calladmission)。一个。一个数据流要预先声明它所需要的服务质量，然后或者被准许数据流要预先声明它所需要的服务质量，然后或者被准许进入网络，或者被拒绝进入网络。进入网络，或者被拒绝进入网络。11.4.2调度和管制机制调度和管制机制1调度机制调度机制2“调度调度”就是排队的规则。就是排队的规则。FIFO的最大缺点就是的最大缺点就是不能区分时间敏感分组和一般数据分组，并且也不不能区分时间敏感分组和一般数据分组，并且也不公平，因为这使得排在长分组后面的短分组要等很公平，因为这使得排在长分组后面的短分组要等很长的时间。长的时间。3在在

36、FIFO的基础上增加按优先级排队，就能使优的基础上增加按优先级排队，就能使优先级高的分组优先得到服务。先级高的分组优先得到服务。分组到达路由器后就由分类器对其进行优先级分类，分组到达路由器后就由分类器对其进行优先级分类，然后按照类别进入相应的队列。调度器的作用是从队列然后按照类别进入相应的队列。调度器的作用是从队列中取走排在队首的分组，先高后低的原则。中取走排在队首的分组，先高后低的原则。简单地按优先级排队会带来一个问题，这就是在高简单地按优先级排队会带来一个问题，这就是在高优先级队列中总是有分组时，低优先级队列中的分组就优先级队列中总是有分组时，低优先级队列中的分组就长期得不到服务。长期得不

37、到服务。公平队列公平队列FQ(FairQueuing)是对每种类别的分组流是对每种类别的分组流设置一个队列，然后论流使每一个队列一次只能发送一设置一个队列，然后论流使每一个队列一次只能发送一个分组。但有不公平的地方：长分组得到的服务时间长，个分组。但有不公平的地方：长分组得到的服务时间长，有没有区分分组的优先级。有没有区分分组的优先级。加权公平队列加权公平队列WFQ(WeightedFairQueuing)：分组到达后就进行分类，送交到与其类别对应的队分组到达后就进行分类，送交到与其类别对应的队列。各个对列按顺序依次将对首的分组发送到链路。根列。各个对列按顺序依次将对首的分组发送到链路。根据各

38、类别的优先级的不同，每种队列分配到的服务时间据各类别的优先级的不同，每种队列分配到的服务时间也不同。也不同。对每个队列对每个队列i指派一个权重指派一个权重wi，于是队列得到的平均，于是队列得到的平均服务时间为服务时间为wi/(wj)，这里，这里wj是对所有的非空队列的权是对所有的非空队列的权重求和。若路由器的输出链路的数据率为重求和。若路由器的输出链路的数据率为R，则队列，则队列i将将得到的有保证的数据率得到的有保证的数据率Ri为：为：Ri=Rwi/(wj)2管制机制管制机制3对一个数据流可根据以下三方面进行管制：对一个数据流可根据以下三方面进行管制：4（1）平均速率：指在一定的时间间隔内通过

39、的分组）平均速率：指在一定的时间间隔内通过的分组数。数。5时间间隔的选择说明了该指标的严格程度。例：每秒时间间隔的选择说明了该指标的严格程度。例：每秒50个分组与每分个分组与每分3000个分组不是一回事。个分组不是一回事。6（2）峰值速率：限制数据流在非常短的时间间隔内）峰值速率：限制数据流在非常短的时间间隔内的流量。例：限定数据流的平均速率为每分钟的流量。例：限定数据流的平均速率为每分钟3000个个分组，但同时限定其峰值速率不超过每秒分组，但同时限定其峰值速率不超过每秒1000个分组。个分组。（受带宽的限制）（受带宽的限制）（3）突发长度：网络限制在非常短的时间间隔内连续）突发长度：网络限制

40、在非常短的时间间隔内连续进入网络中的分组数。进入网络中的分组数。通常对以上指标进行管制是使用漏桶管制器通常对以上指标进行管制是使用漏桶管制器(leakybucketpolicer)。它是一种抽象的机制。在漏桶中最多。它是一种抽象的机制。在漏桶中最多可装入可装入b个令牌。只要楼桶中的令牌数小于个令牌。只要楼桶中的令牌数小于b个，新的个，新的令牌就以每秒个令牌就以每秒个r令牌的恒定速率加入到楼桶中。在任令牌的恒定速率加入到楼桶中。在任何时间间隔何时间间隔t内准许进入网络的分组数：内准许进入网络的分组数：rt+b控制令牌进入漏桶的速率控制令牌进入漏桶的速率r就可以对分组进入网络的速就可以对分组进入网

41、络的速率进行管制。率进行管制。3漏桶机制与加权公平队列相结合漏桶机制与加权公平队列相结合4可以控制队列中的最大时延。现假定有个可以控制队列中的最大时延。现假定有个n分组分组流输入到一个路由器，复用后从一条链路输出。每流输入到一个路由器，复用后从一条链路输出。每一个分组流使用漏桶机制进行管制，参数为一个分组流使用漏桶机制进行管制，参数为bi和和ri，i=1，2，n。当分组流通过漏桶后等待当分组流通过漏桶后等待WFQ服服务时，一个分组所经受的最大时延是多少？务时，一个分组所经受的最大时延是多少？5对分组流：假定漏桶已经装满了对分组流：假定漏桶已经装满了bi个令牌个令牌,因此因此bi个个分组可以马上

42、从路由器输出。但分组流得到的带宽分组可以马上从路由器输出。但分组流得到的带宽是由前一公式给出。最后一个分组所经受的最大时是由前一公式给出。最后一个分组所经受的最大时延：延：6dmax=bi/Ri11.4.3综合服务综合服务IntServ与资源预留协议与资源预留协议RSVPIETF提提出出的的综综合合服服务务模模型型，可可以以对对单单个个应应用用会会话话保保证证QoS。主要特点：。主要特点：1）资资源源预预留留：端端点点向向路路由由器器提提出出完完成成数数据据传传输输必必须须保保留留的网络资源（带宽，缓冲区）。的网络资源（带宽，缓冲区）。2）呼呼叫叫建建立立：在在每每个个会会话话开开始始前前，有

43、有一一个个呼呼叫叫接接纳纳的的过过程，数据流要经过的每个路由器都参加。程，数据流要经过的每个路由器都参加。IntServ定义了两类服务：定义了两类服务：（1）有保证的服务：排队时延有一个严格的上限；）有保证的服务：排队时延有一个严格的上限；（2）受控负载的服务：比）受控负载的服务：比“尽最大努力尽最大努力”更加可靠服务更加可靠服务综合服务（综合服务（IntServ）的组成：）的组成：（1）资资源源预预留留协协议议（RSVP：ReSource reserVationProtocol）：）：完成需要定义的呼叫接纳控制功能和资源预留。完成需要定义的呼叫接纳控制功能和资源预留。（2）接接纳纳控控制制（

44、AdmissionControl）:确确定定在在端端系系统统和和路路由由器器中中是是否否有有足足够够的的本本地地资资源源来来支支持持请请求求预预留留的的资资源。源。（3）分分类类程程序序（Classifier）:对对进进入入路路由由器器的的分分组组进进行行分类分类（4）调调度度程程序序（Scheduler）:按按不不同同的的数数据据流流及及预预留留的的资源来决定分组的发送顺序。资源来决定分组的发送顺序。综综合合服服务务（IntServ）是是基基于于流流的的，状状态态相相关关的的体体系系结结构构。“流流”（flow）是是有有相相同同的的源源IP地地址址，源源端端口口号号，目目的的IP地址，目的端

45、口号和协议标识符的一系列分组。地址，目的端口号和协议标识符的一系列分组。IntServ/RSVP所基于的概念是端系统中与分组流有所基于的概念是端系统中与分组流有关的状态信息。各路由器中的预留信息只存储有限的时关的状态信息。各路由器中的预留信息只存储有限的时间（这称为软状态），因而各终点对这些预留信息必须间（这称为软状态），因而各终点对这些预留信息必须进行定期更新。进行定期更新。RSVP协议不是传输层协议而是网络层的控制协议。协议不是传输层协议而是网络层的控制协议。RSVP不携带应用数据。不携带应用数据。IntServ体系结构分为前后台两个部分。体系结构分为前后台两个部分。前台部分：两功能块（分

46、类器与分组转发，调度器）前台部分：两功能块（分类器与分组转发，调度器）后台部分：四个功能块（路有选择协议，后台部分：四个功能块（路有选择协议，RSVP协议，协议，接纳控制，管理代理）和两个数据库接纳控制，管理代理）和两个数据库存在的主要问题：存在的主要问题：（1）预预留留的的状状态态信信息息与与流流的的个个数数成成正正比比。路路由由器器需需要要很大的存储空间和处理开销。很大的存储空间和处理开销。（2）体体系系结结构构复复杂杂。对对路路由由器器的的要要求求高高：上上述述四四个个部部分一个也不能少。分一个也不能少。（3）综合服务所定义的服务质量等级太少，不够灵活。）综合服务所定义的服务质量等级太少

47、，不够灵活。11.4.4区分服务区分服务DiffServ1区分服务的基本概念区分服务的基本概念2正正是是由由于于综综合合服服务务（IntServ）上上述述缺缺点点，IETF提提出出了了区区分分服服务务（DiffServ）模模型型来来满满足足应应用用的可扩展性，健壮性和简单性。的可扩展性，健壮性和简单性。3区分服务（区分服务（DiffServ）的要点如下：的要点如下：（1）力图不改变网络的基础结构，但在路由器中增加区）力图不改变网络的基础结构，但在路由器中增加区分服务（分服务（DS）的功能）的功能（2）在在网网络络边边界界（边边沿沿路路由由器器）对对单单流流根根据据不不同同服服务务等等级级进进行

48、行分分类类，管管制制（policing,不不符符合合等等级级的的分分组组丢丢弃弃整整形形），整整形形（调调整整分分组组的的时时延延），聚聚合合为为不不同同的的流流聚聚集集。这这种种流流聚聚集集信信息息在在每每个个分分组组的的标标志志域域称称为为DS代代码码点点（DSCP），它它反反映映了了服服务务类类型型和和每每跳跳行行为为（PHB）。它它实实际际上上是是一一种种相相对对优优先先级级机机制制，根根据据DSCP的的不不同同服服务务类类型，安排传输顺序。型，安排传输顺序。2每跳行为每跳行为PHB3DiffServ定义了在转发分组时体现服务水平定义了在转发分组时体现服务水平的每跳行为的每跳行为PHB

49、(Per-HopBehavior)。所谓的所谓的“行为行为”就是指在转发分组时路由器对分组是怎样处理的。就是指在转发分组时路由器对分组是怎样处理的。“行为行为”的例子可以是，的例子可以是，“首先转发这个分组首先转发这个分组”或或“最最后丢弃这个分组后丢弃这个分组”。“每跳每跳”是强调这里所说的行为只是强调这里所说的行为只涉及到本路由器转发的这一跳的行为，而下一个路涉及到本路由器转发的这一跳的行为，而下一个路由器再怎样处理与本路由器的处理无关。由器再怎样处理与本路由器的处理无关。DiffServ已经定义了两种已经定义了两种PHB，即迅速转发，即迅速转发PHB和确保转发和确保转发PHB。迅速转发迅

50、速转发PHB：指明离开一个路由器的通信量的数据：指明离开一个路由器的通信量的数据率必须等于或大于某一数值。可构造通过率必须等于或大于某一数值。可构造通过DS域的一域的一个低丢弃率、低时延、低时延抖动、确保带宽的端到个低丢弃率、低时延、低时延抖动、确保带宽的端到端服务。端服务。确保转发确保转发PHB：通信量分为四个等级，对每各等级又：通信量分为四个等级，对每各等级又分三个丢弃优先级。分三个丢弃优先级。工作流程：工作流程：边边沿沿路路由由器器：分分类类器器整整形形器器及及管管制制器器标标记记器器队列调度器队列调度器核心路由器：核心路由器：DS字节分类器字节分类器队列管理及调度器队列管理及调度器复杂

51、的工作是由边沿路由器去完成的。复杂的工作是由边沿路由器去完成的。DiffServ与与IntServ的比较：的比较：1）状状态态信信息息的的数数量量正正比比于于服服务务类类别别的的数数目目而而不不是是正正比比于于分组流的数目，可扩展性好。分组流的数目，可扩展性好。2）复复杂杂的的操操作作（分分类类，管管制制，整整形形，聚聚合合等等）在在边边沿沿路路由器，核心路由器进行是行为聚集分类，实现容易。由器，核心路由器进行是行为聚集分类，实现容易。3）不使用）不使用RSVP信令信令4）服务类别定义灵活，能适应新的服务类别。）服务类别定义灵活，能适应新的服务类别。11.5多协议标记交换（多协议标记交换（MP

52、LS）11.5.1MPLS的产生背景的产生背景面向连接的面向连接的ATM技术在传送实时数据时能够保证技术在传送实时数据时能够保证服务质量，但服务质量，但ATM网络未能取代现有的电信网和计算网络未能取代现有的电信网和计算机网络。基于机网络。基于IP的因特网与各种应用已经结合得很好。的因特网与各种应用已经结合得很好。因此，因此，ATM网络必须与网络必须与IO网络相结合才有出路。网络相结合才有出路。覆覆盖盖模模型型（OverlayModel）:把把ATM看看成成数数据据链链路路层并在其上运行层并在其上运行IP协议的方式协议的方式.具体实现时有四种方案：具体实现时有四种方案：（1）局域网仿真（）局域网

53、仿真（LANE：LANEmulation）（2）ATM上上的的传传统统IP（CIPOA:Classical IP OverATM）（3）下下一一跳跳解解析析协协议议(NHRP：NextHopResolutionProtocol)（4）ATM上上的的多多协协议议（MPOA：MultiProtocolOverATM）边沿路由器同时有两种地址边沿路由器同时有两种地址:IP地址和地址和ATM地址地址(20字节字节)优优点点:使使用用标标准准的的ATM论论坛坛/ITU-T的的信信令令,与与标标准准的的ATM网网络络及及业业务务兼兼容容,对对将将来来通通信信网网向向B-ISDN方方向向发发展展比比较较有有

54、利利.缺缺点点:1)不不能能很很好好协协调调IP和和ATM网网络络的的巨巨大大差差异异(IP是是无无连接连接,尽最大努力服务尽最大努力服务;ATM面向连接能保证面向连接能保证QOS);2)存在所谓存在所谓”N2”问题问题:网网络络有有N个个边边沿沿路路由由器器时时需需要要N(N-1)/2条条PVC,消消耗耗大大量量的的网网络络资资源源;每每个个路路由由器器内内部部有有(N-1)个个路路由由对对等等实实体体,路路由由协协议议的的计计算算量量会会呈呈指指数数形形式式增增加加;同同时时大大量量需需要要传传送送的的路路由信息将使路由器过载由信息将使路由器过载,大大降低了路由器的性能大大降低了路由器的性

55、能3)传送传送IP数据报的效率较低数据报的效率较低(信元税信元税:celltax)综合模型（综合模型（IntegratedModel）ATM层层看看做做是是IP层层的的对对等等层层，ATM端端点点（边边沿沿路路由由器器）只只使使用用IP地地址址来来标标识识，在在ATM网网络络内内使使用用现现有有的的网网络络层层协协议议（例例如如IGRP，OSPF等等）来来为为IP数数据据报报选选择择路路由由，在在建建立立连连接接时时也也使使用用非非标标准准的的ATM信信令令协协议议。增增加加了了交交换换机机的的复复杂杂性性，使使ATM交交换换机机看看起起来来更更像像一一个个多多协协议议的的路由器。路由器。11

56、.5.2MPLSIETF在在1997年年成成立立了了MPLS工工作作组组，旨旨在在开开发发出出一一中中将将第第三三层层的的路路由由功功能能和和与与面面向向连连接接的的第第二二层层的的交交换换功功能能综综合合在在一一起起的的新新的的协协议议标标准准，以以便便使使IP和和ATM结结合合得得更更好好些些。在在综综合合了了许许多多公公司司的的技技术术，例例如如Cisco的的标标记记交交换换（TAG Switching），Ipsion的的 IP交交 换换（IP Switching）等等，从从1997年年底底开开始始陆陆续续发发布布了了MPLS的的草草案。案。1MPLS网络的构成网络的构成MPLS网络：网

57、络中的路由器都支持网络：网络中的路由器都支持MPLS技术技术标标记记交交换换路路由由器器（LSR：LabelSwitchingRouter）：支支持持MPLS核心核心LSR：处理分组上的标记，并对分组进行快速转发：处理分组上的标记，并对分组进行快速转发标标记记边边沿沿路路由由器器（LER：LabelEdgeRouter）：对对进进入的分组进行快速分类，然后打上适当的标记。入的分组进行快速分类，然后打上适当的标记。2MPLS的基本概念的基本概念1）标记的含义）标记的含义标标记记是是用用来来简简化化用用户户数数据据传传送送的的一一个个固固定定长长度度的的数数字字。标标记记只只具具有有本本地地意意义

58、义，更更确确切切地地讲讲，标标记记只只在在两两个个相相邻邻路路由由器器之之间间有有意意义义，但但相相邻邻路路由由器器并并不不一一定定是是要要在在物物理理连接，以虚连接相连的两个路由器也可称为相邻。连接，以虚连接相连的两个路由器也可称为相邻。转发等价类（转发等价类（FEC：ForwardingEquivalenceClass）：）：用用来来标标识识一一组组以以相相同同方方法法转转发发的的分分组组。同同常常一一个个FEC对对应应一一个个标标记记，但但有有时时也也会会对对应应多多个个标标记记（在在不不支支持持合合并并的路由器处）。的路由器处）。MPLS在边沿一次完成到在边沿一次完成到FEC的映射。的

59、映射。映映射射的的判判据据可可以以有有多多种种量量度度：主主机机地地址址，CIDR前前缀缀，BGP下一跳下一跳这这个个FEC映映射射判判据据量量度度被被称称为为业业务务流流粒粒度度。以以下下是是几几种粒度：种粒度：（A）单播）单播PQ：相相同同源源IP地地址址和和目目的的IP地地址址，生生命命期期，IP协协议议，TCP/UDP源和目的端口号源和目的端口号PQT：上述，加上相同的：上述，加上相同的IP头中的服务类型字段头中的服务类型字段HP（主机对）：相同的源（主机对）：相同的源IP地址和目的地址和目的IP地址地址NP（网网络络对对）：相相同同的的源源和和目目的的地地址址前前缀缀（地地址址可可变

60、变长）长）DP（目目的的网网络络）：相相同同的的IP目目的的网网络络地地址址前前缀缀（地地址址可变长）可变长）（B）多播）多播SST（特定源的树）：相同的源地址和多播组地址（特定源的树）：相同的源地址和多播组地址2）标记交换路径（）标记交换路径（LSP）允允许许分分组组以以标标记记交交换换的的方方式式从从一一个个LSR转转发发到到另另一一个个LSR的一条路径。与虚电路非常相似。的一条路径。与虚电路非常相似。3）流，上游和下游）流，上游和下游流流（Stream）：沿沿着着同同一一路路径径，属属于于同同一一FEC的的一一组组分分组组。在在不不支支持持流流合合并并的的网网络络中中，一一个个流流将将对

61、对应应一一个个标记标记上上游游（Upstream）和和下下游游（Downstream）：“上上游游”和和“下下游游”是是根根据据“流流（Stream）”的的流流向向而而定定的的。与与电电信信中的双向通信的概念不同。中的双向通信的概念不同。转转发发信信息息库库（FIB）：用用于于存存放放下下一一跳跳的的相相关关信信息息。每每个个输输入入标标记记对对应应一一个个信信息息条条目目，每每个个信信息息条条目目包包含含一一个个或或多多个个子子条条目目，每每个个子子条条目目又又由由一一个个输输出出标标记记，一一个个输输出出端端口口，输输出出链链路路层层信信息息及及下下一一跳跳地地址址等等组组成成。为为了了提

62、提高高转发的效率，转发的效率，FIB的检索通常由硬件完成。的检索通常由硬件完成。4）标记交换的封装）标记交换的封装当标记交换的链路层是：当标记交换的链路层是：FDDI，以太网，以太网，PPP必须加上额外的封装：必须加上额外的封装：shim格式格式链路层头链路层头shim标记头标记头网络层头网络层头网络层数据网络层数据shim标标记记头头：占占32比比特特，其其中中标标记记占占20比比特特，COS（服服务等级）占务等级）占4比特，生命期占比特，生命期占8比特。比特。当标记交换的链路层是：幀中继当标记交换的链路层是：幀中继标记就是数据链路连接标识符（标记就是数据链路连接标识符（DLCI）当标记交换

63、的链路层是：当标记交换的链路层是：ATM网络网络ATM信信元元的的封封装装不不变变，MPLS规规定定了了3种种对对ATM信元头的编码：信元头的编码：ATMSVC编编码码：标标记记是是用用VPI和和VCI字字段段共共同同组组成成的一层标记；的一层标记；ATMSVP编编码码：标标记记是是用用VPI和和VCI字字段段分分别别组组成成的二层标记的二层标记VPI位于栈顶，位于栈顶，VCI位于栈底位于栈底ATMSVP多多点点编编码码：标标记记仍仍是是用用VPI和和VCI字字段段分分别别组组成成的的二二层层标标记记，但但VCI只只使使用用了了原原来来的的一一部部分分字字段段，余下部分用来标识余下部分用来标识

64、LSP的入口。的入口。3MPLS的层次化结构的层次化结构对于提高网络的可扩展性是非常重要的。对于提高网络的可扩展性是非常重要的。要实现要实现MPLS的层次化结构，必须完成以下三项工作：的层次化结构，必须完成以下三项工作：标标记记分分配配协协议议（LDP）必必须须能能够够分分层层传传递递标标记记（不不只只是是在在直直接接相相连连的的LSR间间传传递递，能能透透过过其其他他LSR传传递递标标记记信息；信息；必必须须在在分分组组中中传传递递标标记记栈栈信信息息（分分组组同同时时携携带带多多层层标标记信息）；记信息）；必必须须让让LSR知知道道何何时时使使用用分分层层标标记记（必必须须配配置置路路径径

65、的的两个端结点，以便能完成两个端结点，以便能完成“换层换层”的处理）。的处理）。第第一一项项和和第第三三项项工工作作是是由由LDP完完成成的的（后后面面介介绍绍），第二项是在前面介绍的标记交换的封装已完成。第二项是在前面介绍的标记交换的封装已完成。MPLS的的层层次次化化结结构构技技术术只只适适合合于于以以MPLS特特定定的的硬硬件件且且采采用用通通用用MPLS封封装装的的环环境境。在在通通用用MPLS封封装装格格式式中中，标标记记字字段段是是由由多多个个标标记记组组成成的的标标记记栈栈，而而不不是是FR的的DLCI，或或是是ATM的的VPI/VCI。每每级级标标记记对对应应一一层层的的标标记

66、记交交换换，这这类类似似于于ATM的的VP级级交交换换和和VC级级交交换换。可可以以说说，从从FR到到ATM是是由由一一级级交交换换发发展展为为二二级级交交换换，而而从从ATM到到MPLS，则是从二级交换发展到多级交换。，则是从二级交换发展到多级交换。MPLS采采用用的的是是标标记记栈栈的的方方式式，所所谓谓栈栈和和堆堆栈栈具具有有完完全全相相同同的的特特性性：先先进进后后出出。若若有有一一个个分分组组要要从从R1到到R11，因因为为两两个个结结点点间间没没有有直直达达的的物物理理连连接接，假假定定物物理理连连接接的的结结构构如如下下页页图图所所示示，则则在在R1处处需需要要压压栈栈的的标标记记有有两两级级，LSP1的的标标记记位位于于栈栈底底。在在R2只只进进行行LSP11的的标标记记交交换换，只只有有在在R5和和R8才才进进行行LSP1的的标标记记交交换换，而而它它们们进进行行LSP1的的标标记记交交换换之之前前需需要要先先把把LSP11和和LSP12的标记弹出。的标记弹出。R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11XXXXXXXLSP11LSP12LSP13LSP1从从栈栈