宽带IP网络.ppt
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1、宽带网络技术宽带网络技术专题专题6 6 宽带宽带IPIP网络网络宽带宽带宽带宽带IPIPIPIP网络的关键问题网络的关键问题网络的关键问题网络的关键问题6.16.1综合业务模型综合业务模型综合业务模型综合业务模型6.26.2区分业务模型区分业务模型区分业务模型区分业务模型标签交换与标签交换与标签交换与标签交换与MPLSMPLSMPLSMPLS6.46.4宽带宽带宽带宽带IPIPIPIP网络中的高速路由器网络中的高速路由器网络中的高速路由器网络中的高速路由器6.56.56.36.36.1.1 6.1.1 网络综合的历史与现状网络综合的历史与现状n问题:问题:什么要采用宽带什么要采用宽带IP技术技
2、术?6.1.1 6.1.1 网络综合的历史与现状网络综合的历史与现状n基于基于PSTN。干线数字化和市话中继数字化技术已经成熟,。干线数字化和市话中继数字化技术已经成熟,只要解决接入数字化,就可实现端到端的数字化通信,只要解决接入数字化,就可实现端到端的数字化通信,进行业务综合。进行业务综合。n通信能力较模拟话路没有数量级的提高,支持业务的能通信能力较模拟话路没有数量级的提高,支持业务的能力也没有显著改善,同时终端成本较高。力也没有显著改善,同时终端成本较高。n随着互联网的发展,随着互联网的发展,ADSL、以太网等技术在接入网中的、以太网等技术在接入网中的广泛应用,广泛应用,ISDN还没有来得
3、及辉煌就退出了舞台。还没有来得及辉煌就退出了舞台。早期的业务综合早期的业务综合6.1.1 6.1.1 网络综合的历史与现状网络综合的历史与现状nATM作为一种快速分组交换技术,具有电路交换和分作为一种快速分组交换技术,具有电路交换和分组交换的优势,曾一度认为是一种处处适用的技术。组交换的优势,曾一度认为是一种处处适用的技术。基于基于ATM的综合的综合n纯纯ATM网络的实现过于复杂,导致应用价格高,难以网络的实现过于复杂,导致应用价格高,难以为大众接收。为大众接收。n在网络发展的同时相应的业务开发没有跟上。在网络发展的同时相应的业务开发没有跟上。n虽然虽然ATM交换机作为网络的骨干节点已经被广泛
4、使用,交换机作为网络的骨干节点已经被广泛使用,但但ATM到桌面的业务发展却十分缓慢。到桌面的业务发展却十分缓慢。ATM与与IP的竞争的竞争6.1.1 6.1.1 网络综合的历史与现状网络综合的历史与现状6.1.1 6.1.1 网络综合的历史与现状网络综合的历史与现状nInternet的广泛应用引发多业务需求p如IP语音(VoIP)、在线游戏、音乐下载、视频点播(VoD)和音频流等。p以其廉价、开放的特点,冲击着以商业经营为目的的电信网。p迫使电信界在电信网中引入基于Internet理念设计的IP网,并将部分电信业务加载到IP网上。nTCP/IP体系结构已广泛应用p广泛的用户p保护已有投资。选择
5、IP并非它足够理想,而是因为它已经无处不在。基于基于IP网络的综合网络的综合6.1.2 6.1.2 宽带宽带IPIP网络的网络的QoSQoS保证保证n宽带p传输p交换n提供可靠的服务质量1.实现宽带实现宽带IP网络需要解决的问题网络需要解决的问题6.1.2 6.1.2 宽带宽带IPIP网络的网络的QoSQoS保证保证n综合业务需要宽带传输综合业务需要宽带传输p传统电话业务传统电话业务 64Kbit/sp视频业务视频业务 1.5-130Mbit/sn传输系统已不是网络发展的瓶颈传输系统已不是网络发展的瓶颈p光纤传输技术发展迅速光纤传输技术发展迅速p传输能力可以满足综合业务的需要传输能力可以满足综
6、合业务的需要p传输成本在系统中比重下降传输成本在系统中比重下降pIP网络上的业务发展相对较慢,从而使得网络上的业务发展相对较慢,从而使得IP网络相对网络相对处于轻载状态。处于轻载状态。传输技术的飞速发展使宽带传输成为可能传输技术的飞速发展使宽带传输成为可能6.1.2 6.1.2 宽带宽带IPIP网络的网络的QoSQoS保证保证n路由器已从传统基于总线(背板)交换、软件包转发路由器已从传统基于总线(背板)交换、软件包转发和集中式处理结构改为矩阵交换、硬件包转发和分布和集中式处理结构改为矩阵交换、硬件包转发和分布式处理结构,处理能力和吞吐量已大大提高。式处理结构,处理能力和吞吐量已大大提高。n高端
7、路由器包转发时延甚至与高端路由器包转发时延甚至与ATM交换机一样好。交换机一样好。高端路由器高端路由器6.1.2 6.1.2 宽带宽带IPIP网络的网络的QoSQoS保证保证n路由器性能划分随技术发展而变化。路由器性能划分随技术发展而变化。n当当前前高高端端路路由由器器一一般般是是指指支支持持 2.5Gbit/s以以上上接接口口、交交换能力大于换能力大于40Gbit/s、吞吐量、吞吐量20Mpps的路由器。的路由器。n典典型型产产品品有有思思科科网网络络的的12000系系列列、Juniper公公司司的的M 系系列、华为公司的列、华为公司的NE80等。等。n通常交换容量在通常交换容量在40Gbi
8、t/s到到320Gbit/s。n市市场场上上已已出出现现交交换换能能力力超超过过1000Gbit/s的的T比比特特路路由由器器 。高端路由器高端路由器6.1.2 6.1.2 宽带宽带IPIP网络的网络的QoSQoS保证保证n最大可能(最大可能(Best Effort)服务是无保障的服务)服务是无保障的服务n没有点到点传输资源的保障没有点到点传输资源的保障p资源保障是保证点到点传输性能的关键资源保障是保证点到点传输性能的关键p时延、时延抖动、分组丢失率时延、时延抖动、分组丢失率n分组时延不确定,到达无序分组时延不确定,到达无序n无法实现资源按需分配无法实现资源按需分配2.现有现有IP体系结构无法
9、保证服务质量体系结构无法保证服务质量6.1.2 6.1.2 宽带宽带IPIP网络的网络的QoSQoS保证保证n服务质量服务质量 QoS 是服务性能的总效果,此效果决定了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。因此在最简单的意义一个用户对服务的满意程度。因此在最简单的意义上,有服务质量的服务就是能够满足用户的应用需上,有服务质量的服务就是能够满足用户的应用需求的服务。求的服务。n服务质量可用若干基本的性能指标来描述,包括可服务质量可用若干基本的性能指标来描述,包括可用性、差错率、响应时间、吞吐量、分组丢失率、用性、差错率、响应时间、吞吐量、分组丢失率、连接建立时间、故障检测和改
10、正时间等。连接建立时间、故障检测和改正时间等。什么是什么是QoS?6.1.2 6.1.2 宽带宽带IPIP网络的网络的QoSQoS保证保证n无连接服务与有连接的无连接服务与有连接的QoS保证矛盾保证矛盾n不同的应用具有不同的不同的应用具有不同的QoS要求要求p时延、时延抖动、丢失率、带宽时延、时延抖动、丢失率、带宽p多约束条件使得路由问题计算上不可行多约束条件使得路由问题计算上不可行n同时具有同时具有QoS和尽力而为路由使得性能优化问题更复杂和尽力而为路由使得性能优化问题更复杂n网络状态动态变化,状态信息收集困难网络状态动态变化,状态信息收集困难p信息的不精确导致路由算法的性能恶化信息的不精确
11、导致路由算法的性能恶化IP QoSIP QoS保证的困难性保证的困难性6.1.2 6.1.2 宽带宽带IPIP网络的网络的QoSQoS保证保证n大大量量使使用用光光缆缆和和高高速速路路由由器器,网网络络的的时时延延和和时时延延抖抖动动就就可以足够小,在因特网上传送实时数据就不会有问题。可以足够小,在因特网上传送实时数据就不会有问题。n把把 因因 特特 网网 改改 造造 为为 能能 够够 对对 端端 到到 端端 的的 带带 宽宽 实实 现现 预预 留留(reservation)(reservation),把把使使用用无无连连接接协协议议的的因因特特网网转转变变为为面面向向连接的网络。连接的网络。
12、n部部分分改改动动因因特特网网的的协协议议栈栈,使使多多媒媒体体信信息息在在因因特特网网上上的的传输质量得到改进。传输质量得到改进。3.实现宽带实现宽带IP的思路的思路-改造现有的因特网改造现有的因特网6.1.2 6.1.2 宽带宽带IPIP网络的网络的QoSQoS保证保证n使因特网向其用户提供保证某一种等级的服务质量。使因特网向其用户提供保证某一种等级的服务质量。改进改进“最大可能最大可能”的服务的服务主机主机 H H1 1 和和 H H2 2 分别向主机分别向主机 H H3 3 和和 H H4 4 发送数据发送数据 1.5 Mb/s 链路H1H2H3H4R2R1H1H21.5 Mb/s 链
13、路输出队列1 Mb/s的实时音频数据 FTP 文件数据 需要给不同性质的分组打上不同的标记。当 H1 和 H2 的分组进入 R1 时,R1 应能识别实时数据分组,并使这些分组以高优先级进入输出队列,而仅在队列有多余空间时才准许低优先级的 FTP 数据分组进入。主机主机 H H1 1 和和 H H2 2 分别向主机分别向主机 H H3 3 和和 H H4 4 发送数据发送数据 1.5 Mb/s 链路H1H2H3H4R2R1H1H21.5 Mb/s 链路输出队列1 Mb/s的实时音频数据 高优先级的 FTP 文件数据 应当使路由器增加分类(classification)机制,即路由器根据某些准则(
14、例如,根据发送数据的地址)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。主机主机 H H1 1 和和 H H2 2 分别向主机分别向主机 H H3 3 和和 H H4 4 发送数据发送数据 1.5 Mb/s 链路H1H2H3H4R2R1H1H21.5 Mb/s 链路输出队列数据率异常的实时音频数据 FTP 文件数据 路由器应能将对数据流进行通信量的管制(policing),使该数据流不影响其他正常数据流在网络中通过。例如,可将 H1 的数据率限定为 1 Mb/s。R1 不停地监视 H1 的数据率。只要其数据率超过规定的 1 Mb/s,R1 就将其中的某些分组丢弃。主机主机 H H
15、1 1 和和 H H2 2 分别向主机分别向主机 H H3 3 和和 H H4 4 发送数据发送数据 1.5 Mb/s 链路H1H2H3H4R2R1H1H21.5 Mb/s 链路输出队列数据率异常的实时音频数据 FTP 文件数据 应在路由器中再增加调度(scheduling)机制。利用调度功能给实时音频分配 1.0 Mb/s 的带宽,给文件传送分配 0.5 Mb/s 的带宽(相当于在带宽为 1.5 Mb/s 的链路中划分出两个逻辑链路),因而对这两种应用都有相应的服务质量保证。主机主机 H H1 1 和和 H H2 2 分别向主机分别向主机 H H3 3 和和 H H4 4 发送数据发送数据
16、1.5 Mb/s 链路H1H2H3H4R2R1H1H21.5 Mb/s 链路输出队列1 Mb/s 的实时数据 总数据率已超过了 1.5 Mb/s 链路的带宽。比较合理的做法是让一个数据流通过 1.5 Mb/s 的链路,而阻止另一个数据流的通过。这就需要呼叫接纳(call admission)机制。数据流要预先声明所需的服务质量,然后或者被准许进入网络,或者被拒绝进入网络。6.1.2 6.1.2 宽带宽带IPIP网络的网络的QoSQoS保证保证n“调度调度”就是指排队的规则。就是指排队的规则。n如不采用专门的调度机制,则默认排队规则就是如不采用专门的调度机制,则默认排队规则就是先进先进先出先出
17、FIFO(First In First Out)。当队列已满时,后到达。当队列已满时,后到达的分组就被丢弃。的分组就被丢弃。n先进先出的最大缺点就是不能区分时间敏感分组和一先进先出的最大缺点就是不能区分时间敏感分组和一般数据分组,并且也不公平。般数据分组,并且也不公平。n在先进先出的基础上增加按优先级排队,就能使优先在先进先出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。级高的分组优先得到服务。(1)调度机制)调度机制高优先级队列低优先级队列分组到达路由器调度分组离开路由器分类器(服务员)路由器低低低低高高高高高高t分组到达路由器分组离开路由器路由器高 高 高高低 低 低 低按优
18、先级排队的例子按优先级排队的例子6.1.2 6.1.2 宽带宽带IPIP网络的网络的QoSQoS保证保证分组到达路由器调度分组离开路由器分类器w1w2w3123路由器加权公平排队加权公平排队 WFQ(Weighted Fair Queuing)6.1.2 6.1.2 宽带宽带IPIP网络的网络的QoSQoS保证保证6.1.2 6.1.2 宽带宽带IPIP网络的网络的QoSQoS保证保证n分组到达后就将分组进行分类,然后送交与其类别对分组到达后就将分组进行分类,然后送交与其类别对应的队列。队列按顺序依次将队首的分组发送到链路。应的队列。队列按顺序依次将队首的分组发送到链路。遇到队列空就跳过去。遇
19、到队列空就跳过去。n给队列给队列 i 指派一个权重指派一个权重 wi。队列。队列 i 得到的平均服务时得到的平均服务时间为间为 wi/(wj),这里,这里 wj 是对所有的非空队列的权重求是对所有的非空队列的权重求和。和。n队列队列 i 将得到的有保证的带宽将得到的有保证的带宽 Ri 应为应为 加权公平排队加权公平排队 WFQ11111111111211123456789 10 11 1111111111123456789 10 11 1111111111分组流 1分组流 2分组流 11FIFOWFQ(a)分组流 1 的分组连续输入tttttWFQ 与与 FIFO 的比较的比较6.1.2 6.
20、1.2 宽带宽带IPIP网络的网络的QoSQoS保证保证11111111111211123456789 10 11 11111111111234567891011 1111111111分组流 1分组流 2分组流 11FIFOWFQttttt(b)分组流 1 的分组断续输入WFQ 与与 FIFO 的比较的比较6.1.2 6.1.2 宽带宽带IPIP网络的网络的QoSQoS保证保证6.1.2 6.1.2 宽带宽带IPIP网络的网络的QoSQoS保证保证n平均速率平均速率 p网网络络需需要要控控制制一一个个数数据据流流的的平平均均速速率率。这这里里的的平平均均速速率率是指在一定的时间间隔内通过的分组
21、数。是指在一定的时间间隔内通过的分组数。n峰值速率峰值速率 p峰值速率限制了数据流在非常短的时间间隔内的流量。峰值速率限制了数据流在非常短的时间间隔内的流量。n突发长度突发长度 p网网络络也也限限制制在在非非常常短短的的时时间间间间隔隔内内连连续续注注入入到到网网络络中中的的分组数。分组数。(2)管制机制)管制机制分组到达漏桶中最多装入 b 个权标拿走权标准许分组进入网络等待权标在任何时间间隔 t 内准许进入网络的分组数=r t+b标记注入漏桶的速率为每秒 r 个权标漏桶管制器漏桶管制器6.1.2 6.1.2 宽带宽带IPIP网络的网络的QoSQoS保证保证6.1.2 6.1.2 宽带宽带IP
22、IP网络的网络的QoSQoS保证保证n综合业务模型n区分服务模型n多协议标签交换(MPLS)n流量工程和约束路由提供提供QoS的方案的方案宽带宽带宽带宽带IPIPIPIP网络的关键问题网络的关键问题网络的关键问题网络的关键问题综合业务模型综合业务模型综合业务模型综合业务模型6.26.2区分业务模型区分业务模型区分业务模型区分业务模型标签交换与标签交换与标签交换与标签交换与MPLSMPLSMPLSMPLS6.46.4宽带宽带宽带宽带IPIPIPIP网络中的高速路由器网络中的高速路由器网络中的高速路由器网络中的高速路由器6.56.56.36.36.16.16.2.1 6.2.1 基本概念基本概念n
23、IntServ(Integrated Services)可对单个的应用会话提供可对单个的应用会话提供服务质量的保证,其主要特点有二,即:服务质量的保证,其主要特点有二,即:n资源预留。路由器需要知道不断出现的会话已预留了资源预留。路由器需要知道不断出现的会话已预留了多少资源(即链路带宽和缓存空间)。多少资源(即链路带宽和缓存空间)。n呼叫建立。需要服务质量保证的会话必须首先在源站呼叫建立。需要服务质量保证的会话必须首先在源站到目的站的路径上的每个路由器预留足够的资源,以到目的站的路径上的每个路由器预留足够的资源,以保证其端到端的服务质量要求。保证其端到端的服务质量要求。综合服务综合服务 Int
24、Serv与资源预留协议与资源预留协议 RSVP6.2.1 6.2.1 基本概念基本概念n有保证的服务有保证的服务(guaranteed service),可保证一个分组在,可保证一个分组在通过路由器时的排队时延有一个严格的上限。通过路由器时的排队时延有一个严格的上限。n受控负载的服务受控负载的服务(controlled-load service),可以使应用,可以使应用程序得到比通常的程序得到比通常的“尽最大努力尽最大努力”更加可靠的服务。更加可靠的服务。IntServ 定义了两类服务定义了两类服务6.2.2 6.2.2 综合业务模型的构成综合业务模型的构成资源预留协议资源预留协议 RSVP,
25、它是,它是 IntServ 的信令协议。的信令协议。接接纳纳控控制制(admission control),用用来来决决定定是是否否同同意意对对某某一一资源的请求。资源的请求。分分类类器器(classifier),用用来来将将进进入入路路由由器器的的分分组组进进行行分分类类,并根据分类的结果将不同类别的分组放入特定的队列。并根据分类的结果将不同类别的分组放入特定的队列。调调度度器器(scheduler),根根据据服服务务质质量量要要求求决决定定分分组组发发送送的的前后顺序。前后顺序。IntServ 由四个组成部分由四个组成部分6.2.2 6.2.2 综合业务模型的构成综合业务模型的构成n“流流
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