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以太网和向量网的融合网中 QoS 控制机制
的设计与实现
王航，梁满贵**
作者简介：王航（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向：下一代通信网
通信联系人：梁满贵（1958-），男，教授，主要研究方向：下一代通信网
（北京交通大学计算机与信息技术学院，北京 100044） 5
摘要：本文以一种新型的网络体系——向量网为背景，设计了以太网环境的一种按照多优先
级进行提前资源预留的 QoS 控制机制。通过区分数据优先级为网络应用提供差异服务，而
通过资源预留为网络应用提供绝对的服务质量保证。而且交换设备只记录某一级别的所有会
话的总预留信息，避免维护单个会话流的状态信息，减少资源预留开销。同时通过引入预留10
带宽衰减机制，不仅解决了资源预留泄漏问题，而且为提高资源利用率提供了条件。最后通
过内核编程将其成功部署到向量网等效交换机中，实验结果验证了该 QoS 机制的可行性和
有效性。
关键词：计算机网络；向量网；等效交换机；服务质量；资源预留
中图分类号： 15
Design and Implementation of QoS Control Mechanisms in
converged network of Ethernet and Vector Network
WANG Hang, LIANG Mangui
(School of Computer and Information Technology，Beijing Jiaotong University,Beijing 100044) 20
Abstract: Setting in a new network architecture of Vector Network, this paper proposes a
mechanism of QoS control in Ethernet, which reserves resource in advance according to the
multi-priority. This mechanism provides differential services by distinguishing data priority and
guarantees the absolute quality of service by reserving resources. Furthermore, switch facility only
recording the total reservation information of all sessions at a certain level, which avoided 25
maintaining each class's status messages,thereby resource reservation cost can reduced.
Meanwhile, by introducing reserved bandwidth's attenuation scheduling, not only solved the
problem of resource reservation leak, but also provided the conditions for improving resource
efficiency. We have successfully deployed it to Equivalent Vector Switch through kernel
programming and demonstrated the feasibility and validity of this QoS mechanism by 30
experiments.
Key words: computer network; vector network; equivalent switch; QoS; resource reservation
0 引言
随着网络技术的发展，云计算、社交网络等应用接踵而至，使得人们对网络接入带宽的35
更高要求。同时在三网大融合的背景下，IP 网上承载的业务越来越丰富，视频点播、视频
会议等实时流媒体的应用，使得本质上只能提供“尽最大努力交付”服务的 IP 网存在的问题
日益突出，如缺乏集中控制和管理、无法高效地利用有限带宽、无法提供有效的服务质量保
证等。因此，如何提供可靠的服务质量（Quality of service，QoS），满足不同服务需求已成
为了下一代网络技术[1]研究的热点。 40
此背景下，向量网应运而生，作为一种基于“向量地址[2]”和“向量交换[3]”的新型网络体
系，它本身的路由转发机制为可靠 QoS 控制的实施提供了极大的便利。本文以向量网为背
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景，针对用以太网技术构成的向量网等效交换机（Equivalent Vector Switch based on Ethernet,
EVSE），设计了一种有效的 QoS 控制机制，并通过内核编程将其成功部署到 EVSE 中，这45
样通过与向量网中的 QoS 监督机制[4]相配合，就可以为网络中的实时多媒体等业务提供端到
端的绝对 QoS 保证。
1 向量网等效交换机（EVSE）定义
为了更好地发挥向量网优势，同时又不完全破坏现有的网络架构，向量网技术的应用前
期，通过与以太网的融合[5]来实现技术的平缓过渡。融合网将 IP 子网进一步分离成一个个50
以太网局域网，再将这些局域网封装成一个个逻辑上的向量交换机，由于其功能等效于完整
的向量交换机，所以称其为向量网等效交换机（Equivalent Vector Switch based on Ethernet,
EVSE），物理上它包括 LAN 中各终端的网络接口卡（包括部分驱动程序）和物理传送介
质。融合网的网络模型[6]如下图 1 所示:
55
1
1
2
1
1
1
2
2
3
3
向量网
等效交换机
向量包
LAN1
LAN2
LAN3
LAN4
LAN5
图 1 网络融合示意图
Fig. 1 A scheme of network convergence
图中，黑色圆点表示网络边界设备，通常为向量交换机（VS）或网关，用于向量网协
议与 IP 协议的转换。白色圆圈表示以太网交换机（SW），方框表示终端。红色虚线圈可60
看做等效的向量网网络，也称为融合网。
2 融合网的 QoS 控制机制
QoS
[7]是服务性能的总效果，此效果影响用户对服务的满意程度。有服务质量的服务就
是能够满足用户的应用需求的服务，或者说，可提供一致的、可预计的数据交付服务。下面
首先对当前主要的 IP QoS 技术进行介绍，并比较各自优缺点，然后引出融合网的 QoS 控制65
机制。
IP 网 QoS 技术
为了改进 IP 网的服务质量，IETF 先后提出了一些服务模型与机制，下表 1 对这些 IP
网 QoS 技术[8]进行简要分析。
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表 1 IP 网 QoS 技术分析 70
Tab. 1 Analysis of QoS in IP network
类型 主要特点 优点 不足
综合服务 IntServ 资源预留
呼叫建立通信路
径
可以提供绝对的
QoS 保证
可以进行接纳控
制
资源预留开销大
IntServ 体系结构
复杂
区分服务 DiffServ
流量区分优先级
网络总流量控制
每跳行为（PHB）
数据流聚合简化
了路由器的转发
机制
使用灵活、可扩
展性强
不能提供绝对的
QoS 保证
服务质量仅限于
一个 DS 域内
多协议标记交换
MPLS
标记交换路由
设置转发等价类
有实施流量工程
的能力节
路由查表时间、
转发效率高
边缘 QoS 能力不
足
无法获得确定性
的 QoS 指标
融合网 QoS 控制机制特点
通过对现有 IP 网中的几种 QoS 机制进行比较，设计了一种有效的 QoS 控制机制。该机
制将资源预留与接纳控制和流量区分技术相结合，同时又依据端口号转发数据，简化了查表。75
这样既实现了高扩展性又保证了端到端的 QoS。控制机制特点如下：
数据区分优先级
融合网的 QoS 控制机制中对网络业务进行分类以区分优先级，不同级别分配不同比例
的总带宽，不同级别享有不同的服务保证，使网络支持差异服务，具体分类如下表 2。
表 2 融合网数据包级别 80
Tab. 2 Packet priority in amalgamation network
数据级别 意义
级别 0 实时包，时延小，可用于视频、语音等实时业务。
级别 1 带宽保证包，保证带宽，可用于文件传输等服务。
级别 2 尽力而为包，没有保证带宽和延迟的明确要求。
级别 3 紧急包,延迟非常小，一般用于通知网络紧急情况。
通信路径
融合网中的通信是面向连接的，需要 QoS 保证的会话，必须在会话开始前查找从源点
到终点的符合服务要求的通信路径。
资源预留 85
通信路径中的每个资源预留点需要为会话提前预留约定的资源（链路带宽），并且保留
预留软状态信息及维持设施。
流聚合
在融合网中引入资源预留点的含义，资源预留点指数据通信路径中需要 QoS 控制并设
置了相应的 QoS 控制机制的带宽资源有限的参考点。由于资源预留点只保留某一级别的所90
有会话的预留信息，不记录单个会话流的预留统计信息，这样就一定程度上实现了数据流的
聚合，降低预留开销。
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3 QoS 控制体系结构在 EVSE 中的实现
融合网的 QoS 控制机制以资源预留点为基本处理单元，资源预留点保留经过该点的所
有数据流的总带宽预留软状态信息，并依据数据级别对所经过的数据流进行控制管理，下图95
给出了在 QoS 控制体系结构在 EVSE 中的实现[9]。
控制面
数据面
分组入
QoS
请求
QoS
业务
QoS代理 信令接口
资源管理信息库
资源
预留
路径计算
接纳
控制
带宽
管理
端口标号信息库
分类 调度转发 分组出
图 2 QoS 控制体系结构在 EVSE 中的实现
Fig. 2 Implementation of QoS architecture in EVSE
融合网 QoS 控制体系分为控制面和数据面两个部分。控制面画在上面（有灰色阴影的100
部分），控制面包括控制点的资源信息和转发信息等，主要进行资源预留有关的策略执行及
通信路径计算。数据面画在下面，数据面部分主要负责数据分组的分类、转发与输出调度。
组网过程中，可将 EVSE 中的每个节点（端口）入口的和等效交换机总体以及终端的入
口作为资源预留点，每个资源预留点将经过的数据分为表 2 所示的 4 个数据级别（依据数据
包头的 Pri 位进行划分），其中 0 和 1 级别分别作为单独的 QoS 控制对象。每个 QoS 控制105
对象定义有本级别数据最大配置带宽 Bi，本级别当前已分配的总带宽资源预留量 Ri、本级
别数据的实际测量带宽 Mi 和拥塞标记 FlagIni，保留在资源管理信息库中，i=0 表示 0 级别，
i=1 表示 1 级别。
4 融合网 QoS 服务过程
EVSE1
EVSE2
EVSE3
EVSE4
A B
终端 等效交换机EVSE 资源预留点·
0 1
2
0
1
110
图 3 支持 QoS 的 EVSE 组成的融合网示意图
Fig. 3 Amalgamation network diagram consist of EVSE supporting QoS
为了更好地说明 QoS 的服务过程，以上图 3 所示的由 EVSE 和 PC 终端组成的网络模型
为例，详细地阐述 QoS 控制的 3 个阶段：申请、服务和撤销。假如终端系统 A 为客户端，
端系统 B 为服务器端， A 需要申请一条链路 B1—>A1 用于从服务器端 B 向客户端 A 传输115
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视频文件，申请预留会话带宽为 Y，数据级别为 1，则在 A—>B 这条链路上的 QoS 服务过
程如下：
申请阶段
申请阶段主要包含用户寻由、资源预留和预留完成确认三个方面。
用户寻由 120
对于有 QoS 保证的服务，用户寻由的过程[10]也可称为 QoS 选路。A 为主动发出资源预
留的端系统，称为资源预留的主动寻由端，B 为被动寻由端。主动寻由端 A 首先发出路径
探测包（rINVITE 信令），路径探测包中包含会话所需带宽信息 Y，以洪泛的方式传播。呼
叫包到达资源预留点后，接纳控制功能块依据会话所需带宽信息 Y 与资源管理库信息，做
出是否接纳判决。若接纳，则将 rINVITE 信令广播出去，交给网络下一节点；若不接纳，125
则直接删除探测包。接纳控制只进行资源探测，不进行实际的资源预留。
资源预留
被动寻由端 B 收到 rINVITE 信令即表明 QoS 选路 B1—>A1 已完成，此时可能有多条可
用路径，B 从中选择一条最优路径，回应资源预留包（r200 信令），对 B1—>A1 路径中的
资源预留点进行带宽预留。预留包经过资源预留点时，资源预留功能块首先依据 r200 信令130
内 CSeq 字段判断是否为同一会话的重复预留。若是重复预留，则删除预留包；若不是，则
记录 CSeq 值，进行资源预留，将本预留点 1 级别数据的预留带宽值 R1加 Y，然后通知资
源管理信息库进行更新，完成后转发给网络下一节点处理。CSeq 的有效时间大于 r200 信令
重传时间，超过有效时间后， CSeq 记录值将被清除。
资源预留确认 135
资源预留包（r200 信令）到达终端 A 后，A 回应预留完成确认信令（rACK 信令）沿
通信路径传递至 B 端。B 端收到 rACK 预留确认信令后，表明通信路径已建立并完成了资
源预留，此时 B 正式开始传送文件。若 B 端超时收到 rACK 信令，则发送资源撤销包（r200
信令，与预留时的 r200 信令结构相同，但包中操作标记位 X 取 0 时表示撤销，取 1 时表
示预留），撤销通信路径。 140
服务阶段
为了减少网络中的“资源隐藏[11]”问题，融合网中不记录单个会话流的信息，只记录每个
资源点的总预留带宽 R，并且 R 定时进行衰减，单个会话流需要定时发送带宽保持包（rKEEP
信令）维持会话带宽。带宽衰减与带宽保持均由带宽管理功能块实现。
带宽衰减 145
资源预留点带宽衰减定时器，定时器周期地调用带宽管理功能块对本预留点的预留带宽
进行衰减处理。衰减公式为：R(n+1)= λ R(n)+(1-λ ) X(n)，式中 R(n)和 R(n+1)分别表示衰
减前与衰减后的总预留带宽，λ 为衰减系数，X(n)表示衰减周期内收到的总的维持带宽值。
处理完成后，通知资源管理信息库进行更新。通过带宽衰减机制可以有效的解决资源预留泄
露问题，资源预留泄露是指由于应用未在通信结束后撤销预留带宽而导致的带宽浪费问题。 150
带宽保持
被动寻由端 B 需要定时发送带宽保持包（rKEEP 信令）维持通信的占用带宽，保持包
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经过资源预留点时，带宽功能块依据包中的维持带宽值 X，将本预留点 1 级别数据的预留带
宽值加 X，然后通知资源管理信息库进行更新，完成后转发给网络下一节点。带宽衰减和带
宽保持共同作用，相互平衡，使资源预留点的预留带宽值保持在设计的数值。 155
拥塞控制
通信期间，资源预留点定时检测 1 级别数据实际测量速率 M1，并与当前总的带宽预留
值 R1 进行比较。当 M1> R1 则对该级别的拥塞标志 FlagIn1 置位，而且拥塞标志进行单稳态
操作，即延迟一段时间后拥塞标志将自动清零，如果清零之前又进行过置位操作，则重新对
延迟时间计时。当网络中出现拥塞时，会触发 QoS 监督机制对违规通信的会话进行处罚。 160
输出调度
资源预留点设置缓存，对不同级别的数据包进行分类，高级别的数据包优先发送，并且
可以添加控制机制，对不同级别数据的进行限速。
撤销阶段
撤销阶段主要预留资源预留撤销和撤销确认两个方面。 165
预留资源撤销
通信结束后，端系统 A 发出会话撤销会话包（rBYE 信令），传递至端系统 B 后，B 发
送资源撤销包（r200 信令）撤销带宽预留。撤销包到达资源预留点后，资源预留功能块进
行预留资源撤销，然后通知资源管理信息库进行更新，完成后转发给给网络下一节点。
撤销确认 170
A 端收到 B 发送的资源撤销包后，向 B 回应会话撤销确认包（rACK 信令），然后断开
与 B 的会话。撤销确认包返回 B 后，B 挂断与 A 的会话。
5 QoS 控制可行性分析
为了验证QoS控制机制的可行性，本节将搭建由EVSE和 PC终端组成的简单融合网络，
并通过具体的应用对 QoS 机制进行仿真分析。 175
实验环境
SW
终端A 终端B
终端C
1 2
3
以太网交
换机
EVSE
高层应用
向量网QoS控制驱动+EVSE驱动+网卡
软件调用接口API
A B
C
图 4 实验环境
Fig. 4 Experimental environment
实验环境如上图 4 所示，实验网络有 3 台终端与 1 台以太网交换机组成。将 QoS 控制180
驱动程序及等效交换机驱动程序分别加载到终端 A、B、C 内核（linux kernel ）后，
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就可以将网络看做图 4 右半部分所示的有 QoS 控制能力的向量网。
实验时将等效交换机每个端口的最大带宽设置为 10Mb，以 2:2:6 的比例分配给 0、1、
2 三个数据级别。在终端 A、B 之间分别建立不同的会话,具体会话如下。
T1 时刻，终端 A 申请一条数据级别为 0，所需带宽为 的链路 B0—>A0，用于185
从终端 B 获取需要时延保证的数据。
T2 时刻，终端 A 申请一条 1Mb 的 1 级别带宽的链路 C1—>A1 和一条 1Mb 的 0 级别
带宽的链路 C0—>A0，分别用于从终端 C 通知获取对时延敏感和需要带宽保证的数据。
T3 时刻，终端 B 开始向终端 A 传输 2 级别数据，发送速率为 8Mb/s。
实验结果 190
在终端 A、B、C 分别测量不同级别数据的发送或接收速率如下所示：
T1 时刻，B 的 0 级别数据发送速率为 A 的 0 级别数据接收速率也为
T2 时刻，C 的 1 级别数据发送速率为 A 的 1 级别数据接收速率也为
1Mb/s。而由于 1 端口的 0 级别带宽不足，A 的新会话申请 C0—>A0 被拒绝。这说明系统195
可以对满足 QoS 要求的会话进行资源预留，对不能满足 QoS 要求的会话进行拒绝。
T3 时刻，B 的 2 级别数据发送速率为 8Mb/s，但对端 A 的 2 级别数据接收速率却只
有 6Mb/s，同时 0、1 级别数据速率接收速率却保持不变。这说明系统可以在带宽资源不足
时，保证高优先级数据的发送，为会话提供绝对的服务质量保证。
6 结论 200
本文提出了一种按照数据优先级进行资源预留的 QoS 控制机制，并通过内核编程将其
成功部署到以太网和向量网的融合网中，可以为网络的语音、视频等实时业务提供绝对的
QoS 保证，并且利用带宽分配机制极大地减少了网络拥塞的发生，此外，由于资源预留点不
记录具体流信息，这也降低了资源预留的开销。
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[参考文献] (References)
[1] F Baroncelli, B Martini, V (NGN) architecture for
connection-orientedtransport[J].Computer Communications, 2011, 34(9): 1100-1111.
[2] 梁满贵. 一种向量网络地址编码方法[P]. 中国发明专利 ，
[3] 梁满贵. 一种向量包定义及其向量交换实现方法[P]. 中国发明专利 ， 210
[4] 梁满贵. 向量网 QoS 监督机制[Z]. 内部资料待发表
[5] 张若晨. 以太网和向量网的融合方法[D]. 北京：北京交通大学，2012
[6] Liang Mangui, Zhang Jinxin. A New Network Based on Vector Address[J].IET 2nd International Conference
on and Multimedia China. 2008. IET,2008:118-122.
[7] 谢希仁. 计算机网络(第 5 版)[M]. 北京：电子工业出版社， 215
[8] 闫磊. 移动 IP 网络中 QoS 保证机制的研究与实现[D]. 北京：北京邮电大学， 2008
[9] 李伟，高德云，秦雅娟，熊轲 一体化标识网络基于标签转发的 QoS 保证机制[J]. 计算机技术与发展，
2010，20(11):1-3.
[10] 王哲. 用户寻由信令协议[Z] 内部资料待发表
[11] 马宏伟，葛敬国，秦松，袁卫华. 基于速率测量的资源预留速率调整机制[J]. 计算机工程， 2010.，36(13)：220
242-244.
