层次交换网络体系结构及其服务质量实现机制研究

层次交换网络体系结构及其服务质量实现机制研究 摘 要 本文讨论了Internet体系结构及其服务质量的实现机制，提出了一种新的Internet体系结构：层次交换网络（HNET）体系结构，并在这个体系结构的基础上讨论了服务质量的实现机制。 Internet从诞生到成为目前全球最大的数据网络仅经过了数十年的时间。但是随着Internet规模的爆炸性增长以及它朝着提供多服务，商业化发展的趋势，Internet遇到了许多在设计初期根本无法预料的困难。这些困难主要表现当前Internet缺乏持续扩展的能力和不能提供满意的服务质量，因此不能满足Internet进一步发展的要求。而目前提出的许多基于现有Internet的解决方案都只能部分解决问题，而且通常增加了实现的复杂性。本文的分析表明，唯有对Internet进行根本的革新才能解决这些问题并满足Internet未来发展的要求。 HNET是一种基于IPv6的地址和包格式的新一代Internet体系结构，它采用和层次地址结构一致的层次拓扑结构。HNET利用地址和拓扑的一致性使用地址计算的交换方式完成选路，从而从根本上取消了路由表和路由协议，不但解决了路由的扩展性问题，还有效的降低了网络设备设计和实现的复杂性。HNET的体系结构的固定路径和层次拓扑还为服务质量的实现提供了有力的支持，使得多服务，保证的服务质量成为可能。 本文首先讨论了HNET的体系结构，包括它的层次地址和树形拓扑结构，本文提出了用逻辑节点域的方式实现层次树形拓扑的可靠性，并讨论了其路由计算的方法。我们还分析了逻辑节点域的实现，HNET和现有网络的互操作性和部署等问题。 在HNET体系结构的基础上，本文着重分析了基于HNET体系结构的服务质量实现机制。本文首先提出了HNET服务质量的基本框架模型。通过充分利用HNET拓扑结构的优点，同时结合当前Internet服务质量实现的一些方法，HNET服务质量框架模型能够支持良好的扩展性和对网络资源的优化利用。具体地说，HNET支持三种服务等级：保证服务，公平共享服务和尽力服务。对于保证服务，我们支持延迟保证服务和吞吐率保证服务两种类型。公平共享服务的主要目的是实现网络资源的公平利用，而尽力服务主要是为了兼容现有的Internet服务模型，它不作任何控制。本文详细讨论了每种服务的具体方法： 1）本文分析了在层次树形结构下实现延迟保证的三种基于汇聚的方法：边界汇聚，逐层汇聚和任意汇聚。对于边界汇聚，本文主要分析了边界汇聚调度和每流调度的延迟性能，提出并证明了边界汇聚调度的延迟性能优于每流调度的条件。对于任意汇聚，本文提出了保证任意汇聚性能的公平汇聚算法：双层抢占式汇聚，并分析了其汇聚性能。对于任意汇聚，本文分析了在一定的网络利用率条件下任意汇聚的最坏延迟约束，并提出了基于跳数区分的任意汇聚方法。除了调度方法，本文还讨论了基于汇聚的资源管理方法。基于汇聚的方法不仅保证了延迟保证的性能，还具有良好的扩展性，本文提出的三种汇聚方法是在扩展性，性能方法的不同折中，可以应用在HNET不同的服务质量和实现要求下。 2）本文还提出了一种基于边界汇聚每节点整形的算法来实现吞吐率保证，我们证明了该算法可以在有限的缓冲区下实现吞吐率保证，并分析了实现吞吐率保证的缓冲区大小约束，以及为了提高扩展性而进行的改进方法。 3）本文提出了应用协作的拥塞控制（AC-FCC）方法实现公平共享服务。这种方法基于对流量层次速率编码，通过网络层的层次丢弃控制和应用层的层次标记和流量控制实现对网络资源的公平共享。本文提出了基于共享速率空间的层次标记算法，基于最大层次丢弃的缓冲区管理方法和基于层次标记反馈的应用层流量控制算法。并讨论了用加权的公平共享服务实现VPN吞吐率保证的问题。 本文提出的服务质量方法在HNET拓扑结构的支持下，实现了不同等级的性能保证，并支持良好的扩展性。其中的一些方法，例如公平共享服务也可以用在现有的Internet体系结构中。 关键词：互联网，网络体系结构，服务质量，包调度，缓冲区管理，拥塞控制