（通信与信息系统专业论文）通信网络qos关键技术的研究.pdf

北京邮电大学博i ：学位论文 摘要 摘要 随着a t m 技术和i p 技术的进一步发展，电信网和计算机网将更好地融合形 成下一代通信网，通信网络的服务质量成为目前的热点课题，研究的目的是如何 真正地提供端到端的服务质量保证。本文就电信网络和计算机网络服务质量中的 两项关键技术进行了研究：针对a t m 呼叫接纳控制算法和i p 流量工程算法的难 点问题，进行了较为深入的分析研究，给出可行的解决方案。 本论文的内容安排如下 第一章 对q o s 研究的内容、q o s 基本机制及技术和q o s 研究的现状进 行系统地介绍和分析； 第二章在对现有a t m 呼叫接纳控制算法进行比较论述的基础上，提出 “随机接入呼叫接纳控制”算法。详细分析了算法的设计思想，并通过o p n e t 仿真验证了算法的可行性和相对于传统呼叫接纳控制算法的有效性； 第三章对流量工程的基本概念、流量工程研究的内容和关键技术进行归 纳，针对流量工程动态实现中的难点问题，提出一套新型流量工程算法。包括基 于时延、跳数和链路优先级的动态路由算法一“轻载路径优先( l i g h t p a t hf i r s t ) ” 算法和相应的负载均衡算法一“逐步逼近均衡”算法。相对于其它算法，这套新 型算法具有收敛速度快、简单高效的特点。详尽说明了算法的设计思想和相对于 现有算法的有效性。 北京邮电人学博f 学位论文 a b s t r a c t t h ep r i m a r yn e t w o r k i n gt e c h n o l o g i e s ，a t ma n di ph a v eg o n ei n t ot h 、s l a g eo l m e r g e n c e t of o t i nt h en e x tg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k 1 ) a r i n gi h e “o l u t i o n 、 q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) h a sb e c o m et h eh o ts p o ti nr e s e a r c h ，t h eob j e c t i 、l o t t h e r e s e a r c hi st o p r o v i d e e n d - t o e n d q o s t h i sd i s s e r t a t i o n f o c u s e so nt w o k e y t e c h n o l o g i e so f t e l e c o m m u n i c a t i o na n d c o m p u t e rn e t w o r k s ：c a l la d m i s s i o n c o n t r o li n a t ma n dt r a f f i c e n g i n e e r i n g i ni p b a s e do ni n - d e p t ha n a l y s i so fd i f f i c t d t i e si n a l g o r i t h m sd e s i g n ，t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sf e a s i b l en e wa l g o r i t h m s t h e o r g a n i z a t i o no f t h ed i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e da sf o l l o w s c h a p t e r1 t e c h n o l o g i e s ，c o n t e n t s a n ds t a t u so f q o s r e s e a r c ha r ed i s c u s s e d c h a p t e r 2 a f t e rd i s c u s s i o no n e x i s t i n ga l g o r i t h m so fa t mc a c ，an e wa l g o l i t t u n n a m e d c a l la d m i s s i o nc o n t r o lw i t h p r o b a b i l i t y ”i sp r o p o s e d f b e i d e ai s e x p l a i n e d i nd e t a i l s i m u l a t i o ni su s e dt od e m o n s t r a t et h e p e r f o r m a n c e o ft h e a l g o r i t h m c h a p t e r3 m a j o ri s s u e sr e l a t e d t ot r a f f i c e n g i n e e r i n ga r e d i s c u s s e d f os o l v e d i f f i c u l t i e si nd y n a m i ct r a f f i ce n g i n e e r i n g ，an e wt r a f f i ce n g i n e e r i n ga l g o r i t h m i sp r o p o s e d ，w h i c hc o n s i s t so fad y n a m i cr o u t i n ga l g o r i t h mb a s e do v id e l a y , h o p sa n dl i n kp r i o r i t ya n da t r a f f i cl o a db a l a n c i n ga l g o r i t h m f h ea l g o r i t h m c a n c o n v e r g e m o r e q u i c k l y , c o m p a r e d w i t hc u r r e n tt r a f l c e n g i n e e r i n g a l g o r i t h m s d e s i g ng u i d e l i n e s a n d a d v a n t a g e s o v e ro t h e r a l g o r i t l j m sa r e e x p l a i n e d i nd e t a i l 北京邮电大学博士学位论文一通信网络q o s 关键技术的研究 1 1 引言 第一章绪论：q o s 研究综述 服务质量q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 是一个抽象的概念，用于说明用户和服务 者之间、发送和接收之间有关信息传递的约定。从用户的角度来说，是用户对网 络提供的服务的满意程度，而从服务者的角度来说，是网络向用户业务所提供的 带宽、时延和丢失率等参数。根据国际电联i t ue 8 0 0 建议的定义，q o s 是业务 性能的总体效果，它客观地反映了用户对特定业务的满意程度。该定义还提出了 衡量用户对服务质量满意程度的定量方法。 这里，服务( s e r v i c e ) 主要指网络提供给终端用户的各种业务，包括端到端 通信( e n d t o e n dc o m m u n i c a t i o n ) 和客户端一服务器应用( c l i e n t s e r v e r a p p l i c a t i o n ) ，如p s t n 、i p 电话、电子邮件、f t p 等。质量( q u a l i t y ) 通常指以 可靠方式提供服务，传送数据，保证数据无丢失( 或少丢失) ，尽可能少地引入 时延，及保证时延一致性( 即提供小的时延抖动) ，并且以最有效的方式分配和 使用网络资源。业务质量保证指按照用户网络之间商定的服务等级协定s l a ( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ) ，保障网络可用性的同时，传送的业务流量无分组丢 失，网络性能达到一致性，即业务分组经历的时延是可预知的。而在保证业务质 量的同时，如何提高网络资源利用率，最有效地分配资源，是目前研究的热点问 题。 在对q o s 的支持和解决方案这个问题上，电信网和计算机网有着不同的历史 和解决思路。电信网以面向连接的方式提供服务，利用呼叫接纳控制c a c ( c a l l a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 功能根据网络资源使用情况和呼叫可能占用的资源决定是否 接纳呼叫。其中，传统的电路交换可以说能够提供最可靠的q o s 保证，因为对 于已建立的各连接来说，资源是以独占的方式被使用，既然不存在资源竞争抢占 的情况，各连接就能够得到连接接入时网络许诺的服务。然而这种情况下网络资 源的利用率很低，网络运营成本高，对于网络运营商和用户来说都是不利的，网 络资源闲置的同时又无法接纳进更多的用户为他们提供服务。引入分组交换技术 后，由于采用存储转发的方式，需要进行队列的管理和调度，与电路交换方式相 比，业务流量经历的时延增加了，并且出现了时延抖动，但是分组交换极大地提 高了网络资源的利用率。通过选用适当的队列管理和调度模型，可以把业务分组 经历的时延和时延抖动控制在各种业务( 包括实时业务) 可以接受的范围之内， 目前队列管理和调度模型的研究也是一个热点问题。异步传递模式a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 1 4 】作为一种分组交换技术，定义了一系列解决 q o s 问题的功能 5 7 】，例如呼叫接纳控制、用法参数控制u p c ( u s a g e p a r a m e t e r c o n t r 0 1 ) 、业务成形( t r a f f i cs h a p i n g ) 等，提供五种q o s 等级的服务。但是a t m 不仅在协议标准化过程上耗费了大量时间，而且在技术实现上过于复杂，限制了 自身的发展。综上所述，电信网一直能够提供很好的q o s 支持，而需要着眼于 提高资源利用率，朝着降低运营成本方向发展。 计算机网( i n t e r n e t ) 在其发展的头二十年时间里，q o s 问题几乎没引起网络 设计者和使用者的注意。i n t e r n e t 采用无连接的数据报传送方式，只提供一种业 务一尽力传送( b e s te f f o r t ) 服务，对于用户的请求，网络总是尽力而为地接收传送 每一个数据包，不做接纳控制，在发生拥塞时，只是简单地丢弃数据包。1 p 技 术【8 在路由选择方面开销过大，而在流量控制、带宽控制、差错控制、服务等 级等方面的技术非常薄弱。然而事实证明，即使在这种情况下i n t e m e t 也能够良 好地运行，并且取得较高的资源利用率。i n t e r n e t 与电信网的差异如此之大，主 要是由于i n t e r n e t 起初用于科研目的，网络设计者致力于使具有不同硬件和软件 的各种计算机互联互通，而且业务流量以电子邮件和文件传送为主，没有音频和 视频实时业务，用户的要求是连接到i n t e m e t 的计算机能够正常地收发数据就可 以了。随着i n t e m e t 技术日臻成熟，i n t e r a c t 已经成为人们日常生活的一部分。用 户数目急剧增加，以及实时业务越来越成为业务流量的主体， t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 协议所提供的基本q o s 机 i 刘 9 】，如差错控制、窗口流量控制已无法满足q o s 的要求。q o s 问题已经成为 i n t e r a c t 发展必须要解决的问题。同时i n t e r n e t 的商业化使一部分用户愿意支付额 外的费用以得到优于b e s te f f o r t 业务的q o s ，这其中有实时多媒体新业务驱动的 因素，也有企业用户出于提高工作效率的需求 1 0 1 。 i n t e r n e t 的快速发展使网络设计者越来越清楚地认识到应该融合电信网和计 算机网两者的优势，按照i n t e r a c t 灵活简单高效的设计思路，以i n t e m e t 网络结 构为基础，借鉴电信网的q o s 技术和功能，以i n t e m e t 的价格优势。实现电信级 的q o s 保证。 早期的i n t e m e tq o s 技术研究集中在对综合服务i n t s e r v ( i n t e g r a t e ds e r v i c e ) 1 1 1 的研究，由于在现有网络条件下，实现综合服务是很困难的。又提出了区分服务 d i f f s e r v ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ) 1 2 的概念。在a t m 与i p 融合的多协议标记交换 m p l s ( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 【1 3 1 上支持区分服务 1 4 1 6 ，是网络发展 的一个方向。 如果把提高网络的资源利用率也作为q o s 研究的一部分，那么目前最新的 q o s 研究主要集中在流量工程t e ( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 【1 7 1 领域。如果说以往的 q o s 技术着眼于提供节点或端到端的q o s 性能，那流量工程则是从整个网络的 2 北京邮电大学博士学位论文一通信网络q o 苎茎键技爿塑 型丝 角度，在满足业务流量q o s 要求的同时，使网络资源尽可能均匀使用，避免资 源利用处于不均衡状态，从而能够接入更多的业务，提高全网利用率，降低网络 运营成本。另外，由于m p l s 技术的特点，如支持显示路由等，m p l s 可以作为 实现流量工程的一个较为理想的平台 1 8 】。 1 2q o s 研究的意义 q o s 的研究无论对用户、网络运营商都有重要意义。如果把用户粗略地分为 普通个人用户和企业用户，对普通用户来说，q o s 技术的研究应用在改善服务质 量的同时降低服务成本，利用i p 网传送多媒体应用，其相对低廉的价格对他们 来说具有很实际的意义。而对于企业用户来说，在通信费用降低的同时，通过网 络的连接使企业遍布各地的子公司之间能够更加方便可靠地通信，对提高企业的 生产效率意义重大。 对于网络运营商来讲，改善服务质量、降低运营成本、并且推出更多新应用， 能够提高运营商的竞争力，占领更多用户、更大的市场份额。 另外有必要针对不同用户群体的需求，提供可配置q o s 的功能，使用户可以 根据自身需求配置所需的q o s 功能，无需为不必要的q o s 功能付费。当然，因 此应该增加q o s 配置的控制管理功能，防止用户滥用配置功能，并避免出现用 户随意提高q o s 优先级的情况1 1 0 】。 1 3q o s 研究的内容和关键技术 1 3 1q o s 研究的发展过程 q o s 本质( 或最初) 的含义是指为每个连接提供端到端的业务质量保证。a t m 能够提供严格的端到端q o s 保证，采用了一些节点级( 即网元层) 和连接级的 措施；i p 网可以通过资源预留协议r s v p ( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 1 9 , 2 0 1 提供严格的q o s 保证。然而，一方面。应用能够适应分组丢失，用户也能接受 偶尔的时延上升，大多数应用并不要求严格的q o s 保证，只要能够提供优先级 服务就满足要求了；另一方面，严格保证型的q o s 技术在实现上的复杂性与网 络发展的方向不相符合，由于必须为每条连接维护状态信息，使得这种q o s 技 术在网络扩展性方面存在缺欠，而不适合应用于骨干网。 3 北京邮电大学i s - i ：学位论文通信刚络q o s 关键技术的研究 因此，提出区分业务等级c o s ( d i f f e r e n t i a t e d c l a s so f s e r v i c e ) 的概念代替绝对 q o s ，作为目前q o s 研究的内容。c o s 是对q o s 的简化，按照一定的分类规则， 把用户数据分组分为若干类别( c a t e g o r y ) ，属于同一类别的分组在网络中得到相 同的处理，得到相同的服务质量。网络管理者定义各类别业务应得到的处理和服 务质量，并负责把用户数据分组映射到所属类别上。 c o s 的提出j 降优先级的概念引入q o s 中，使q o s 由绝对意义的质量保证问 题转化成相对意义的优先等级服务问题。因为网络资源是有限的，在资源存在竞 争的情况下，必须对资源进行管理，以得到有效的利用。利用优先级把用户分组 划分成不同的优先级，使网络资源优先为高优先级分组服务，高优先级分组相对 于低优先级分组能够得到优先处理，从而得到优于低优先级分组的q o s 性能指 标。 优先级的引入带来优先级管理的问题。既然优先级是具有相对意义的，那么 如果所有用户都把自己设为高优先级的结果等于没有优先级。因此提出基于策略 的网络( p o l i c y b a s e dn e t w o r k i n g ) ，利用策略服务器( p o l i c ys e r v e r ) 管理控制优 先级， 1 3 2q o s 研究的内容和关键技术 q o s 研究的主要内容包括q o s 参数定义、保证q o s 的系列基本机制和技 术，以及如何将多种q o s 机制和技术综合在一起提供端到端的服务质量。q o s 研究涉及到用户终端和通信网络两个系统。q o s 参数的定义是定量地研究q o s 的基础。q o s 机制和技术贯穿了i s o 定义的o s i 七层网络协议模型的应用层到 物理层，在各个协议层次上提供q o s 保证。q o s 机制的有效结合能够全面地保 证端到端的网络服务质量的实现，并追求更充分有效地利用网络资源，优化网络 资源的分配。 各种q o s 研究往往采用将q o s 机制按所处协议层次进行分类介绍的方法。 文献【5 】给出b i s d n 流量与拥塞控制各功能的相应时间粒度如图l l 所示。受此 启发，本文将b i s d n 的流量与拥塞控制引申为涵盖电信网和i n t e r n e t 的广义网 络的q o s 控制，将时间粒度引串为控制力度，研究q o s 的控制力度。控制力度 反映了q o s 综合性能的改善和提高。 由此，本文引入一种新的分类方式：按照q o s 机制控制的力度，将其分为节 点级别、连接级别和网络级别的q o s 机制。这种分类方式更为贴近实际通信系 统中q o s 的实现方案，q o s 研究的根本目的就是真正地保证端到端的服务质量， 一条端到端的连接由若干节点组成，而一条业务连接服务质量的提高与网络资源 4 北京邮l 乜大学博l 二学泣论文一通信嗍络q o s 关键技术的 i 】f 究 整体利用情况又有着必然联系。 1 h 伍伽r t i d a e o n g b l i e e 0 州f t a 础o m s p 断t e 凹f 叫墨 哺一c d l p d c d t y c a r e d , 埘豫) 0 且盯 m a x b ，则做 拒绝本次建链请求 否则 若m i n b 岛 m a x b ，则 若吃。 皿，则 b 。= b c 乳一。 以概率m 接纳本次建链请求 若岛 m a x 6 ，则 拒绝本次建链请求 否则 接纳本次建链请求 更新资源表 常量： m 甜6 ：已分配带宽的最大门限 其他参数： 院：连接所需带宽 b ，：连接所属的q o s 等级的已分配带宽 b 2 ：接纳本次建链请求后连接所属的q o s 等级的己分配 带宽 图2 - 8 传统c a c 算法流程 盯的取值：假设系统内占用链路带宽次最少的已接入呼叫的带宽值为b 。， 仃的取值范围为o 仃 p m m 一或。) ( 吃。一圯。) 。为简化实现，使盯为一个远小 于1 的正常量。 2 3 3 仿真工作和结果分析 本节详细描述采用o p n e t 仿真工具对p - c a c 算法进行的验证。 针对多种类型网络拓扑结构和源模型进行了仿真，仿真结果都表明p c a c 算法相对于传统c a c 算法在网络收益方面具有明显的优势，本文选取了其中几 种有代表性的仿真配置来说明。下面先说明仿真目的，然后分别介绍仿真中使用 的源模型、拓扑结构、参数设置，以及相应的仿真结果和对仿真结果的说明与分 北京i 船电大学博士学位论文通信网络q o s 关键技术自钽重堡壅 析。 2 3 3 1 仿真目的 仿真内容分为两大部分： 第一部分用仿真i 表示，验证p c a c 算法在混合不周带宽请求的普通业务 源( 指不具有长相关性的业务源) 情况下，缓解窄带业务对宽带业务的阻塞作用 方面相对于传统c a c 算法具有的优势；另外为验证p c a c 算法的可行性，考察 了两种算法的呼叫建立时间。 第二部分用仿真i i 表示，验证p - c a c 算法对长相关业务源的适应性。在业 务源为长相关源的情况下，考察p c a c 算法在已接纳连接业务质量的保证、网 络利用率方面相对于传统c a c 算法具有的优势。 研究 3 6 1 表明网络流量通常都具有长相关性，业务流量的特点是突发时间长， 这时如果网络中发送数据的连接个数有少量增加都会导致大量数据包丢失 3 7 】 和数据包端到端时延增加。因此需要增加长相关业务源，考察p c a c 算法在具 有长相关性的自相似业务源情况下的性能。由于随机接入呼叫接纳控制机制适用 于各种特征业务源的呼叫接纳控制，在普通业务源情况下能够在控制策略公平性 和业务质量保证方面取得优于传统c a c 的性能，在长相关业务源情况下也能相 对于传统c a c 取得更大的网络牧益。 2 3 3 2 源模型f 3 8 】 仿真采用两种源，仿真i 采用具有负指数分布的普通源，仿真i i 采用的是具 有长相关特性的自相似源。 这两种源都是o n o f f 过程，用来模拟实际业务源发送数据包的模型，即 o n 期间以一定峰值速率和平均速率发送数据分组，o f f 期间不发送分组， o n o f f 源与实际源模型发送数据包的方式是致的。 自相似业务的产生采用多个o n o f f 源叠加的方式。研究1 3 9 】葫 出用f b m 模 型产生自相似业务流，但是这种方法所需的缓存数量大，对c p u 计算能力要求 高，要占用大量c p u 计算时间，因此完全按f b m 模型产生自相似业务流是不可 行的，可以考虑用近似算法产生自相关业务流，来进行网络性能的测试、仿真和 理论分析。本文用bbm a n d e l b r o t 4 0 提出的多个o n o f f 源叠加的方式产生自 相似业务流。 4 7 普通业务源和自相似源的区另j 体现在o n o f f 持续时间的概率分布不同。普 通源用e x p 模型表示，o n 期和o f f 期持续时间都是负指数分布，o n 期间以 峰值速率口，平均速率s ，平均持续时间托产生分组，o f f 期间平均持续时间 ，；自相似源用p a r e t o 模型表示，o n 期和o f f 期持续时间都是p a r e t o 分布，o n 期间以峰值速率p ，平均速率s ，平均持续时间m ，p a r e t os h a p e 参数产生分组， o f f 期间平均持续时间j ，p a r e t os h a p e 参数y 。 o n o f f 期的p a r e t ol o c a t i o n 参数由下式计算； m x ( s h a p e 一1 ) s h a p e 设p 表示o n 和o f f 分布中拖尾较长的s h a p e 参数，则h 参数由下式计算 【3 6 】： h = r 3 一b ) 2 2 3 3 3 拓扑结构 仿真i 的拓扑结构如图2 - 9 所示。各终端间作为源端和目的端收发数据的配 置情况和相对应的业务类型如表2 - 1 所示。仿真i 中两种业务采用r t - v b r 业务 承载。a t m 交换机之间的链路是传输速率为4 4 7 3 6 m b i f f s 的d s 3 双向瓶颈链路， 通过静态配置使r t v b r 业务占用3 0 的带宽。 图2 - 9 仿真i 拓扑结构 北京邮电大学博士学位论文一通信网络q o s 关键技术的研究 表2 i仿真i 终端间收发数据配置情况 源目的终端目的源终端业务类型 终端1 一终端1 0终端1 1 一终端2 0低速i n t e r a c t i v em u l t i m e d i a 业务 客户端1 一客户端5视频服务器1 一视频服务器5 高速s t r e a m i n gm u l t i m e d i a 业务 由于源的长相关性在多级统计复用后特性可能会发生变化，仿真i i 构造了三 种网络拓扑结构，分别如图2 1 0 、图2 1 1 、图2 1 2 所示，三个拓扑图中子网的 结构图如图2 1 3 。 图2 1 0 仿真i i 拓扑配置1 图2 - 1 1 仿真i i 拓扑配置2 4 9 苎塞坚：! 茎兰堡主兰垡笙苎= 望笙璺垒呈竖叁墼垫垄塑婴茎 图2 1 2 仿真i i 拓扑配置3 图2 1 3 仿真i i 子网结构 表2 2 仿真l i 互发数据的子网对配置 源，目的子网 目的源子网 拓扑配置1子网1 子网1 5子网1 6 一子网3 0 拓扑配置2子网l 一子网1 5予网1 6 一子网3 0 拓扑配置3子网1 子网1 5子网4 4 一子网5 8 子网1 6 一子网2 9子网3 0 一子网4 3 5 0 北京邮电大学博士学位论文一通情网络q o s 关键技术的研究 仿真i i 中a t m 交换机之间的链路是传输速率为4 4 7 3 6 m b i t s 的d s 3 双向瓶 颈链路，通过静态配置使r t - v b r 业务占用2 5 的带宽，并使背景应用占用7 5 的带宽。 图2 1 0 一图2 1 2 中s w l 一s w 5 是具有1 6 个双向端口的a t m 骨干交换机， 分别连接若干个子网。每个子网结构如图2 1 3 所示，由一个a t m 接入交换机和 1 5 个终端构成。每个子网中的终端均以瓶颈链路另一侧的一个子网中的某个终 端为目的地，以o n o f f 方式发送i p 电话语音数据，并且由r t v b r 业务承载， 互相发送数据的子网配置如表2 2 所示。 2 3 3 4 参数设置 仿真i 和仿真i i 中终端的源参数设置如表2 3 和表2 4 所示。仿真i 中高速 业务的发送数据的起始时间服从均值为3 5 秒的负指数分布，低速业务的发送数 据的起始时间服从均值为2 5 秒的负指数分布，高速业务和低速业务到达率的比 值约为1 ：3 ，仿真持续时间为1 0 分钟。仿真i i 发送数据的起始时间服从均值为 6 0 秒的负指数分布，仿真持续时间为1 0 分钟。仃取值为5 。 表2 - 3仿真i 源参数设置 业务源模p smf 型 k b p sk b p s m sm s e x p l2 0 01 6 01 2 4 06 5 0 e x p 2 2 ，2 1 9 1 6 0 08 6 41 0 0 表2 - 4 仿真1 i 源参数设置 业务源模p 占m lo no f f 芦r 型 k b p sk b p s m sm s l o c a t i o nl o c a t i o n p a r e t o 分布 4 2 o3 7 21 2 4 01 9 6 5 01 10 5 8 70 0 5 9 l 5 l 2 3 3 5 仿真结果、说明及分析 仿真i 中接纳的高速业务和低速业务连接情况见表2 5 所示 表2 - 5仿真i 中连接接纳情况 高速业务连接个数低速业务连接个数单向瓶颈链路 c a c 模型 ( 单向) ( 单向) 利用率 p ，c a c41 0 02 5 1 c a c2 1 3 42 6 7 图2 1 4 呼叫建立时间比较结果 仿真i 中两种算法的呼叫建立时间随仿真时间变化的仿真结果如图2 1 4 所 示。对结果进行分析可得出以下结论： 1 表2 5 的比较结果说明p - c a c 相对于c a c 来讲，提高了对宽带高速业务 的接入保证，缓解了窄带业务阻塞宽带业务的情况。由于p c a c 算法剩 余的带宽不足以再接纳一个宽带连接，同时又以定概率拒绝了部分窄 带业务，使得单向链路利用率路低于c a c 算法： 2 p c a c 算法与c a c 算法呼叫建立时间很接近。从2 3 2 节图2 7 和图2 8 两种算法流程可以看出，p c a c 算法比c a c 算法增加的处理在l o 条机 器指令以内，引入的额外处理开销很少。由此推得，p c a c 算法的呼叫 5 2 北京邮屯犬学博士学位论文一通信网络q o 关键技术1 i i f 究 建立时间会略微大于c a c 算法，但由于仿真中c a c 算法接纳的窄带连 接数目较多，c a c 算法接纳的连接总数多于p c a c 算法，使得c a c 算 法的平均呼叫建立时间略大于p c a c 算法。总之，可以看出p c a c 算法 引入的处理时延很小，算法是可行的。需要说明的是盯r 呼叫集小发生番： 仿真实验的头2 4 秒之内，因此图2 1 4 呼叫建立时间随仿真列问变化的船 线取仿真时间0 - - 2 4 秒之间的一段。 在对仿真i i 仿真结果的研究中发现各种拓扑结构情况下p c a c 算法的性能 都要优于普通c a c 算法，由于篇幅的限制，现以拓扑配置l 为例说明两种算法 的仿真比较结果。两种算法的数据包端到端时延、数据包端到端刚延抖动、瓶颈 链路上的单向利用率随仿真时间变化的仿真结果如图2 一】5 、图2 】6 、图2 】7 所 示，仿真结果取1 8 0 秒内数据。可以看出： 1 图2 一1 5 和图2 1 6 的仿真结果表明p - c a c 算法的数据包端到端h 寸延和数 据包端到端时延抖动都要优于c a c 算法，并且对时延和抖动的改善都较 为明显。 2 由图2 一1 7 可知p - c a c 算法与c a c 算法相比利用孛略有 、降。 3 两种算法的数据包丢失率都很小，因此略去了数据包丢失率的比较图。 秒 图2 - l5 数据包端到端时延比较结果 5 3 北京邮电大学博士学位论文一通信网络q o s 关键技术的研究 0 0 0 0 0 0 0 0 1 8 0 0 0 0 1 6 0 0 0 0 1 4 0 0 0 0 1 2 会0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 2 0 图2 - 1 6 数据包端到端时延抖动比较结果 o1 83 65 47 29 01 0 81 2 6 1 4 41 6 21 8 秒 图2 - 1 7 瓶颈链路单向利用率比较结果 o 9 8 7 6 5 4 3 2 1 哆磊僻窿蘖 北京邮电大学博士学位论文一通信网络q o s 关键技术的研究 2 3 4 进一步研究方向 本文提出的随机接入呼叫控制算法在若干方面还需要进行进一步研究。 p c a c 的规则是针对各种业务类别分别实施的，而仿真是以实时可变速率 ( r t v b rj 业务为例设计和进行的。事实上，对各个业务类别的接纳概率的计 算可以是各自独立的，也可能在计算时考虑到业务类别的优先级别这一因素，使 业务的优先级在接纳概率中有所体现。 p - c a c 算法的仿真中针对窄带业务的呼叫到达率高于宽带业务2 倍的情况进 行了验证，窄带业务的呼叫到达率越高，则窄带业务排挤宽带业务的现象越严重， 在今后的研究中，需要进一步考虑接纳概率的计算与业务到达率的相关性。 p c a c 算法的核心思想是通过接纳概率反映网络资源的使用情况，并且可以 利用接纳概率调节不同业务的呼叫接纳率，它给网络管理者提供了根据网络运营 需求制定呼叫接纳策略的可能。但是，下一步研究中需要对网络运营需求进行进 一步的分析，细化各方面的需求，使接纳概率的计算体现网络运营的多方面需求。 在窄带业务对宽带业务的阻塞作用的研究方面需要对不同带宽业务的呼叫 接入公平性有一个明确的定义，在此基础上给出接纳概率的算法，使得在保证宽 带业务呼叫接纳率、缓解窄带业务对宽带业务阻塞的同时，不带来对窄带业务的 歧视，公平地接纳具有各类带宽需求的业务。 p c a c 算法提出的目的是为了保证各类带宽需求业务的公平接入，解决窄带 业务对宽带业务的阻塞作用，因此，p c a c 算法适合工作在网络中宽带业务和 窄带业务同时存在的情况下。一般情况下，网络业务也是以宽带业务窄带业务相 混合的方式出现，本文主要就窄带业务对宽带业务的阻塞作用这个问题进行了论 述。同时也应该考虑p - c a c 算法对单一带宽业务这种特殊情况的扩展，p c a c 算法需要与网络测量技术相配合，当检测到网络业务都为宽带业务或窄带业务 时，p c a c 算法的接纳概率自动设置为l 。 另外在业务源长相关特性的研究方面，需要使接纳概率算法与表现业务源长 相关特性程度的h 参数相关，在业务源表现越强的自相似性( h 值越接近于1 ) ， 并且网络资源使用程度越高时，使得接纳概率相对来说越小。 总之，随机接入的呼叫接纳控制是一种灵活的机制，它采用由网络管理者制 定和配置呼叫接纳控制策略的方式，反映网络资源占用情况、业务源特性、业务 占用带宽和优先级别等多种因素对呼q 接纳控制策略的作用。以上对p c a c 算 法迸一步深入研究的几个方向提出初步设想，主要集中在对其它决定呼叫接纳控 制策略因素的研究和对目前本文已提出的若干因素怎样能够更有效地和呼叫接 纳控制策略相结合这两个方面。 5 5 北京邮电大学博士学位论文一通信网络q o s 关键技术的研究 附：长相关性的数学描述 对业务流量模型特性的研究【4 1 】表明，业务流的突发长度、分组到达时间间 隔、连接持续时间等具有分形特性，对应的概率分布是重尾的，这种性质被称为 n o a h 效应；而当多个业务流叠加时，产生的突发在多个时间尺度上存在，这种 现象被称为j o s e p h 效应。业务流模型的这种特性称为自相似性或长相关性，这 意味着多个业务源同时以峰值速率持续发送数据的可能性是不能忽略的，而这种 情况会使网络性能急剧下降。 实际业务流量的自相似性影响高速数据网络流量管理的多个方面，如缓存的 大小及管理、复用增益的设置、呼叫接纳控制、流量及网络控制。 a t m 是高速分组网的主要支撑技术，c a c 是a t m 流量控制的重要组成部分。 a t m 利用统计复用技术提高网络资源利用率。统计复用的前提是假设所有业务 同时以峰值速率发送流量是小概率事件。基于测量的c a c 更是将统计复用技术 利用到极致，通过实时监测网络资源的空闲情况，接纳尽可能多的连接，而当这 些连接间存在自相似性，大量连接的业务流量同时增减的现象在一个较长的时间 尺度上出现，在叠加流量的波谷期间会接入过多新连接，从而导致在叠加流量达 到波峰时，大量连接q o s 急剧下降，网络性能恶化。为了使c a c 能够稳定的工 作，必须针对业务的自相似性提出有效的解决方案。 1 自相似过程的定义1 3 7 , 4 2 】 考察一个广义平稳过程x = ( ) ( i ；i = l ，2 ，3 ) ，x i 表示第i 个单位时间内到达的 业务流量( 数据包或信元) ，设x 具有恒定均值l a ；e x i 】，方差有限o2 = e i p ) 2 ，自相关函数r ( k ) = e 【( ) ( i u ) ( x i + k ，p ) 】o2 ( 1 ( = o ，l ，2 ) 。假设啦) 满足： r ( k ) k 9 l ) ，当k 一一，0 1 3 o 。 令) p = 1 , n (。“+ ) o 靠= 毓，记。= 讲脚) 砖呻，) i r a =) 表示fx i 的m 阶 叠加过程，对应的自相关函数记为r 佃) 。 定义l 如果r ( m ( k ) = r o 。，v r n , k z + ，则x 是具有自相关系数h ；1 - 1 3 2 的严格 二阶自相似过程。 北京邮电大学博士学位论文一通信网络q o s 关键技术的研究 定义2 如果r “( k ) 一r ( k ) ，当m 寸鸭k = 1 , 2 ，3 ，则x 是具有自相关系数 h = i 一8 2 的渐近二阶自相似过程a 自相似系数h 又称为h u r s t 参数，是描述自相似特性的唯一参数，h 的取值 范围是1 2 h i ，h 越大则过程的自相似程度越高。 2 自相似过程对网络的影响 由第1 节自相似过程的定义可见，自相似过程的自相关函数具有长拖尾的特 性，而自相关函数是描述随机过程任意两样本值相关程度的数字特征。着平稳过 程x 代表一个信源产生的业务量，则自相关函数“k ) 的长拖尾特性反映信源相距 k 个单位时间间隔产生的业务量在k 较大时仍具有很大的相关性，这样信源以峰 值速率在较长时间内持续发送数据的可能性不能忽略，突发将不再存在于短时间 范围内。 考察自相似业务流叠加的情况，研究【4 3 】表明，具有相同h 参数的业务流复 用得到的叠加流的h 参数不变，而具有相同蜂值速率和平均速率而h 参数不同 的业务流复用之后的叠加流的h 参数取其中最大的h 值。h 参数代表自相似业 务流的突发程度，其不减特性表明复用不能减小突发。缓存的使用的确能够平滑 短相关业务流的突发，对长相关业务流，缓存能在一定程度上平滑业务流的突发 现象，但自相似业务流的突发持续时间的多尺度特性要求大量缓存，这势必又会 给业务流带来极大的延时，这对实时业务而言是不能忍受的，因此单纯增加缓存 也不能解决问题。 参考文献 1 】r e c o m m e n d a t i o n1 3 7 1 - 1 9 9 9 ，t r a f f i cc o n t r o la n dc o n g e s t i o nc o n t r o li nb i s d n 【2 】a t mf o r u m 1 9 9 6 ，1 r a m cm a n a g e m e n ts p e c i f i c a t i o nv e r s i o n4 0 【3 】马旭东，梁雄健，吕廷杰，a t m 的接纳控制算法北京邮电大学学报，v 0 1 1 8 n o 3 ，1 9 9 5 ，9 ：4 5 5 1 【4 高宏，a t m 网络流量控制及交换结构的研究博士学位论文，北邮图书馆， 2 0 0 0 。 5 7 j ! 室堂皇盔兰堡主兰丝丝苎= 望篁旦垒g ! ! 差墼垫查塑里! 塞 【5 】陈鑫林，现代通信中的排队论北京：电子工业出版社，1 9 9 9 。 6 】eg e l e n b e ，xm a n g ，ro n v u r a l b a n d w i d t ha l l o c a t i o na n d c a l la d m i s s i o nc o n t r o l i nh i g h s p e e dn e t w o r k s i e e em a g a z i n e ，1 9 9 7 ，5 ：1 2 2 - 1 2 9 7 】ewk n i g h t l y , nbs h r o f f a d m i s s i o nc o n t r o lf o rs t a t i s t i c a lq o s ：t h e o r ya n d p r a c t i c e i e e e n e t w o r k m a g a z i n e ，1 9 9 9 ，3 4 ：2 0 2 9 【8 kmr e g e ，e q u i v a l e n tb a n d w i d t ha n dr e l a t e da d m i s s i o nc o n t r o lc d t e d a f o ra t m s y s t e m s ap e r f o r m a n c es t u d y h l t i j c o m m u n s y s v 0 1 7 1 9 9 4 ：1 8 1 - 9 7 9 9 c c o u r c o u b e t i s ，e ta 1 e f f e c t i v eb a n d w i d t hf o rs t a t i o n a r ys o u r c e s p r o b a b i l i t yi n e n g a n di n f o s c i ，v 0 1 9 ，n o 2 ，1 9 9 5 ：2 8 5 2 9 4 1 0 】ae l w a l i d ，c ta 1 e f f e c t i v eb a n d w i d t ho fg e n e r a lm a r k o v i a nt r a f f i cs o u r c e sa n d a d m i s s i o nc o n t r o lo f h i 【g hs p e e dn e