（模式识别与智能系统专业论文）软交换网络中多媒体流自适应qos研究.pdf

硕十学付论文摘要 摘要 随着网络发生的深刻变化，实时音频、视频等多媒体流飞速发展。 由于当前的网络只提供“b e s t - e f f o r t ”级别的服务，对q o s 支持很 少，这种级别的服务容易导致延迟抖动、分组丢失率高，从而极大地 影响多媒体流运行的效果，因此，必须研究可行的、高效的多媒体流 的q o s 控制机制，能依据网络的当前状态自适应地调整多媒体流的 o o s 。作为下一代网络的核心，软交换网络足一个支持话音、数据和 视频的多媒体网络。如何保障软交换网络多媒体流q o s 是一个重要的 研究课题。 国内外的研究学者在该领域进行了广泛而深入的研究。但大多是 基于i p 网络或只关于q o s 管理方面的研究，基于软交换网络的自适 应q o s 问题目前还没有完全解决。基于这种情况，本文主要研究了两 个关键技术，它们足：其一，针对多媒体流应用的实时性、抢占性及 公平性，提出一种带权值及公平性的优先级调度算法w n f p ，该策略 能同时反映多个o o s 目标，确保多媒体任务优先得到服务；其二，由 于数据帧长度的突变容易导致发送过程中的误包率，为提高数据传输 的可靠性，采用m m d 调节技术调节数据帧的长度，从而提高信道的 吞吐量，减少时延。为保证多媒体流o o s ，系统必须分配足够的c p u 、 i o 、网络带宽资源，在多媒体流传输过程中，这些资源足动态变化 的，为适应这种状况，本文提出一种新的自适应节调节机制，该机制 通过带权值及公平性的优先级调度和a i m d 调节数据帧长度的调节技 术，来自适应调节系统的资源，以保证多媒体流的o o s 。通过可行性 分析及实验证明，该方法明显改善了软交换网络多媒体流的q o s ，也 使得网络资源得到充分利用。 关键词软交换网络，多媒体流，q o s ，优先级，自适应节 硕十学伊论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so ft h en e t w o r k , m u l t i m e d i at e c h n o l o g i e ss u c ha s t h er e a lt i m ea u d i of r e q u e n c ya n dv i d e of r e q u e n c yh a v ed e v e l o p e di n f l o u r i s h p r e s e n t l y , t h en e t w o r ko n l yp r o v i d e ss o c a l l e d “b e s t - e 肪n ， s e r v i c e s w h i c hs u p p o r tq o sl i t t l e b u tt h e s ek i n d so fs e r v i c e ss o m e t i m e s c a u s ep r o b l e m ss u c ha sj i t t e rd e l a ya n dh i 幽p a c k a g ei o s i n gr a t e ，w h i c h b a d l ya f f e c tt h ee 髓c to ft h er e a lt i m ea p p l i c a t i o n t h u s i ti sn e c e s s a r yt o w o r ko u taf e a s i b l ea n de f f e c t i v es o l u t i o nt og u a r a n t e et h eq o so ft h e m u l t i m e d i as t r e a m u s i i l gt h es o l u t i o n w ec a na d j u s tt h eq o so ft h e m u l t i m e d i as t r e a mb a s e do nt h es t a t u so ft h en e t w o r k a st h ec o r eo ft h e n g n s o f f s w i t c hn e t w o r ki sak i n do fm u l t i m e d i an e t w o r ks u p p o r t i n g s p e e c h ，d a t aa n dv i d e of r e q u e n c yt r a n s m i s s i o n h o wt og u a r a n t e et h e q o so ft h e s o f t s w i t c hm u l t i m e d i as t r e a mi sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l y i m p o r t a n t t h eq o sp r o b l e m sh a v ed r a w nm a n yr e s e a r c h e r s a t t e n t i o n si nt h e p a s tt w od e c a d e s m a n yo u t s t a n d i n ga c h i e v e m e n t sh a v eb e e na t t a i n e di n m i sa r e a b u tt h er e s e a r c ho fq o se i t h e rb a s e so ni pn e t w o r ko rr e l a t e st o t h em a n a g e m e n to fq o so n l y ；t h e r es t i l la r el o t so fu n s o l v e dp r o b l e m si n t h ea d a p t i v eq o so fs o f t s w i t c hn e t w o r ka r e a t h i sp a d e rm a i n l ya i m st o s o l v et w op r o b l e m s f i r s t l y , t ot h er e a l t i m e 。p r e e m p t i o na n df a i m e s so f t h em u l t i m e d i as t r e a m ，t h ep a p e rp r o p o s e sas c h e d u l i n ga l g o r i t h mn a m e d w n f p , w h i c hc a nr e f l e c ts e v e r a lq o sp a r a m e t e r sa tt h es a m et i m ea n d g u a r a n t e et h ep r e f e r e n t i a ls e v e rt ot h em u l t i m e d i as t r e a m t h ew n f p a l g o r i t h mm e a n s i th a sw e i g h t ，f a i r n e s sa n dp r i o r i t y s e c o n d l y , s i n c et h e c h o po fd a t af l a m e sl e n g t hw i l lc a u s eg r e a te r r o rp a c k a g er a t e i no r d e rt o g a i nah i g hr e l i a b i l i t yo ft h ed a t at r a n s p o r t a t i o n ，t h ep 印e ra d o p t sa i m d a d j u s t i n gt e c h n o l o g yt oa d j u s td a t af r a m e sl e n g t h t h et e c h n o l o g yc a n i m p r o v et h et h r o u g h p u to ft h ec h a n n e la n dr e d u c et h et i m ed e l a y t o i n s u r et h eq o so ft h em u l t i m e d i as t r e a m 。t h es y s t e mm u s tb ea s s i g n e d w i t he n o u g hr e s o u r c e ss u c ha sc p u i 0a n dn e t w o r kb a n d w i d t h m o r e o v e r t h e s er e s o u r c e sw i l lc h a n g ed y n a m i c a l l yd u r i n gt h e t r a n s m i s s i o no fm u l t i m e d i as t r e a m t h i sp a d e rp r o p o s e san e wa d a p t i v e s e s s i o na d j u s t i n gm e t h o db ys c h e d u l i n gw i t hw e i g h t ，f a i m e s sa n dp r i o r i t y a n ds oc a l l e da i ) a d j u s t i n gt e c h n o l o g yt h a ta d j u s t i n gd a t af r a m e s l e n g t h w h i c hc a na d a p t i v e l ya d j u s tt h es y s t e mr e s o u r c ea n dg u a r a n t e et h e q o so fm u l t i m e d i as t r e a m a n a l y z i n go ft h ef e a s i b i l i t ya n dt h e e x p e r i m e n t s ，i ti sr e v e a l e dt h a tt h em e t h o di no u rp a p e rn o to n l yi m p r o v e s g o o dq o so ft h es o f i s w i t c hm u l t i m e d i as t r e a mb u ta l s om a k e st h eb e s t u s eo f t h en e t w o r kr e s o u r c e s k e yw o r d ss o f t s w i t c hn e t w o r k , m u l t i m e d i a s t r e a m s q o s 。 p r i o r i t y , a d a p t i v es e s s i o n u 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导帅指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学 位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 作者躲鼻翠牟_ 日期： 一年多月专口日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位 论文，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部 门规定送交学位论文。 作者签名：蠲瘁导师签名 日期：加( ，年乡月如1 7 t 硕士学付论文 第一章绪论 1 1 研究背景及研究意义 第一章绪论 随着我国通信事业的发展，对下一代网络n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k s ( n g n ) 的 研究越来越广泛深入。作为下一代网络的核心机构，软交换网络( s o l , s w i t c h ) 是一 个能够支持话音、数据和视频的多业务开放网络，而其承载网i p 网络，只提供所 谓“b e s t - e f f o r t ”的服务，它只保证尽力发送好分组，但如果发送的分组在路由 器之间或路由器内部由于某种原因丢失，i p 网络将不负责分组的恢复工作。这对 于传统的数据传输是足够了，但实时音频、视频等多媒体流应用，由于其有不同 于传统的数据通信的特点1 6 1 ，如：交互性、实时性、突发性、数据量大等， “b e s t - e f f o r t ”服务容易导致实时应用出现延迟抖动、分组丢失率高，从而极大 地影响了实时应用的运行效果，因此，仅依靠“b e s t e f f o r t ”远不能满足用户对 q o s ( j 艮务质量) 的需求。同时，随着网上实时业务量的不断增长，i p v 4 本身的缺 点变得日益明显起来，其中最为突出的是i p v 4 对于实时性要求颇高的数据包( 如 视频、音频数据包1 和一般性的数据包( 如文件传送、电子邮件等数据包) 的处 理并不加以区分。这种等同对待的处理方式所导致的后果不仅仅是使通道阻塞， 还使数据丢失，出现较大的延时以及抖动，这是实时多媒体流业务所无法接受的。 q o s 的考虑能够在一定程度上解决这个难题。q o s i 拘考虑可以对数据包进行合理 排队，对含有内容标识的数据包进行优化，并对其中特定的数据包赋予较高的优 先级，从而加速传输的进程，并实现实时交互。 q o s 是一抽象概念，用于说明用户和服务者之间、发送者和接收者之间有关 信息传递的约定。从用户角度来说，是用户对网络提供服务的满意程度；而从业 务角度来说，则是网络向业务所提供的带宽、延时和丢失率等参数。q o s 被定 义为一个综合指标，通常用一组参数( 如带宽，延迟和抖动等) 来表示。q o s 是未 来i p 网络发展的关键技术之一，也是未来网络运营商竞争的一个焦点。在网络上 传递多媒体流音频和视频，除了提供足够的带宽外，更重要的足提供服务质量的 保证。在目前的多媒体网络通信应用中，如何实现网络的q o s ，从而提高多媒 体网络的传递质量，是当前多媒体网络通信最重要最紧迫的闯题之一。为保证多 媒体网络系统端到端的服务质量，实现用户的“无缝”通信，是未来网络的发展 方向。 以软交换为核心技术的下一代网络是电信网络变革的必然方向。由于它描述 的足面向分组、面向带宽、面向业务的未来信息交换网络的分离架构，全球各大 电信运营商、设备提供商、标准组织以及业务应用开发商都投身于以软交换为核 硕十学位论文第一章绪论 心的下一代网络技术的研究和网络发展之中。但随着n g n 试验与商用网络规模 的不断扩大，对软交换所提供综合业务的q o s 需求将会越柬越突出。而且从软 交换网络的一般模型可以看出，当执行一个会话时，呼叫信令将经过多个控制域， 分组流将经过多个传输域，而不同的域可能会采用不同的策略要求、不同的传输 方式、不同的网络协议等。在这样的背景下，软交换的q o s 研究具有重要的理 论价值和实用意义。 人们试图通过提供多种可选的服务响应来改进或增强i p 网络原有的“尽力 而为”的服务能力。现存的解决方案包括r s v p 、i n t s e r v 、d i f f s e r v 、m p l s 、t e 、 策略管理、q o s 信令等，但这些方法均有各自的特点和缺陷，有的只适合某个特 定网络环境或部分网络，并不能根本解决q o s 的问题。 作为下一代网络的核心网络，软交换网路将在电信发展中起主导作用，而 多媒体流又是电信网络的一大核心，所以，为满足用户需求，研究软交换网络中 多媒体流q o s 势在必行。研究软交换网络多媒体流q o s 的价值在于它能使有限 的网络资源得到最有效的利用。它的目标是，能够为n g n 用户提供高价值的增 值服务类别，使用户能更有效地利用带宽，获得端到端的业务服务品质。 另外，随着政策的开放和大量新技术的出现，电信业已经由“自然垄断”状 态转变为较为充分的竞争状态。竞争的内容已经由简单的网络规模竞争、价格竞 争发展成为高层次的业务竞争、网络服务竞争和商业模式竞争。电信运营商必将 战略重点转移到业务开发、信息服务和新的运营模式上来。传统的网络架构不再 适应新的竞争需求，网络转型成为必然的趋势。软交换网络以其灵活的业务提供 方式、强大的业务提供能力满足了运营商这一方面的要求。另一方面，软交换技 术以i p 网络作为其承载网络，并通过完善的网络架构保证了对带宽业务的控制 与管理；同时，软交换网络依托于分组网，通过各种网关设备纳入各种网络，它 的核心设备是软交换设备，是下一代语音网络交换的核心，也是网络实现融合的 枢纽。，。 综上所述，如何在软交换网络中引入和实现q o s ，从而满足不断增长的多媒 体流服务需求，为不同类型的用户和请求提供区分服务和性能保证，这是目前网 络迫切需要解决的问题。同时，尽管目前网络基础设施的建设情况在不断提高， 但网络可提供带宽对于近似于无限的用户带宽需求总是不够用的：因此必须研究 可行的、高效的q o s 保证方案，能依据网络当前状态动态地调整多媒体流实时 应用的o o s 需求。 2 硕十学竹论文第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 软交换网络0 0 8 研究现状 国内外对软交换q o s 的研究很多，范围也很广泛，综合起来研究现状大体 如下： 严格来说，q o s 本不是软交换所能完成的，但考虑到网络的现实情况( 如i p 网带宽不足、i p v 4 地址空间有限等因素) ，作为网络节点的软交换设备，必须具 有一定的q o s 解决措施【1 9 j 。首先，软交换网络以i p 作为其承载网络，因此，i p 网络的q o s 保证技术是软交换网络q o s 保证的基础：其次，融合各种异构网络 将引入复杂的端到端q o s 保证问题；再次，业务开放和多样性必然要求q o s 具 有业务和用户适应性，能够满足不同用户和业务的q o s 需求，需要从用户和业 务视角对q o s 进行研究；最后，软交换网络是一个多层次的网络体系结构，因 此要求在每个层次上都考虑q o s 问题，同时要求各个层次的q o s 机制能够具有 协同性和适应性。 欧盟第五框架( f p 5 ) 的n g n i ( n g ni n i t i a t i v e ) 、第六框架( f p 6 ) 的n g n 2 0 1 0 、 i n t e m e t 2 、m s f ( 多业务交换论坛1 、i s c 、e u r e s c o m 、e t s it i p h o n 、i t u t 等组织目前都在大力研究基于软交换的下一代网路的q o s 机制f ，而荚国有线 电视工业的标准组织c a b l el a b 、p a c k e t c a b l e 也在为有线运营商研究制定q o s 机 制，3 g p p 3 g p p 2 则在为下一代无线核心网络研究制订q o s 机制。 欧盟n g n 2 0 1 0 项目把q o s 分成网络q o s ( 包括延时、抖动、分组丢失、 吞吐量) 、应用q o s ( 包括m o s 、用户感觉) 、建模与监视q o s ( 包括e m o d e l 和s l a ) 、 控制q o s c o s 、s l a s l s 、流量工程。其中的一个课题“在多提供商因特网中 的端到端q o s ”的目标是“保证未来因特网发展成为能够支持信息的产生收入的 质优的i p 业务”。 。e t s it i p h o n 的q o s 架构中，在承载层引入了t r m ( 传输资源管理) 来动 态管理承载网的资源调度，实现实时的流量工程能力。t r m 接收业务控制层的 业务资源申请，为业务分配和管理承载网的资源和转发路径，并控制边缘或网关 路由器，让用户的业务按照其分配的路由和资源转发。 m s f 的q o s 架构与e t s i 类似，在承载层引入b a n d w i d t hm a n a g e r ( 带宽管 理器) 来动态管理承载层的资源调度。 丌u t e 8 0 0 把q o s 定义为“决定用户满意程度的服务性能综合效果”。i t u g 1 0 0 0 对e 8 0 0 做了扩展，把服务性能( 或服务质量) 分成不同的功能部分，然后 又提出了一种可满足以端用户为中心的应用要求的框架结构。m 1 0 7 9 定义了端 到端的语爵和数据质量以及i m t - 2 0 0 0 接入网的性能要求，g 1 1 4 定义了跨接数 硕十学伊论文第一章绪论 据网的范围。 i e t f 在i p 骨干网上使用i n t s e r v 、d i f f s e r v 、m p l s 等，并引入b a n d w i d t h b r o k e r ( 带宽代理，b b ) 收集网络的拓扑和链路状态信息，管理网络资源并结合策 略服务器规定的策略以进行接纳控制。d i f f s e r v 域之间通过b b 进行s l a 协商， 实现s l a 配置信息、路由器配置信息和策略信息，同时还要记录路由信息，以 确立用户的业务流路径和跨域的下游带宽管理器位置。 1 、i p 网络的q o s 保证： i p 网络的q o s 保证主要有综合业务模型i n t s e r v 、区分业务模型d i f f s e r v 和 多协议标签交换m p l s 。 综合业务模型i n t s e r v ! g j ： i e t f l 9 9 4 年和1 9 9 7 年提出，它通过端到端的资源预约协商，在发送方到接 收方之间建立起一条保证满足q o s 需求的路径。在i n t s e r v 网络中，每一个节点 都需要保留资源如何分配、路由如何维护、路由如何更新的相关信息和状态，同 时，必须保留一张分组类别状态表，用来判断如何将收到的数据分组正确划分到 不同的服务类别，从而确保相应的数据流得到可靠的服务响应。i n t s e r v 网络通 过r s v p 来完成q o s 的协商、网络资源的预留以及策略管理。 由于在端到端路径中的每一个节点中，部需要保留和刷新r s v p 的信息，这 样会产生大量的信令处理和存储资源丌销，从而引起扩展性差的问题。并且， i n t s e r v 要求从发送者到接收者之间的所有路由器都支持诸如r s v p 的信令协议， 它要一个一个地探索下一个路由器能否为某个流预留资源，只有当这个流所经过 的所有的路由器都能预留资源时才能实现相应的q o s 控制，显然这种方式在大 网中成功的概率是较小的，不是一种组大型网络的技术。 区分业务模型d i f f s e r v l 8 j ： i e t f l 9 9 7 年酝酿，1 9 9 8 年提出的d i f f s e r v 不是针对每一个数据流进行资源 预留分配，而是根据服务等级协议( s l a ) ，将具有相似q o s 要求的数据流划归为 一类，对同一类数据流采取一致的传输处理。它在网络层和传输层对数掘流进行 汇聚分类，给予级别高的数据流以优先的处理，从而为不同q o s 需求的数据流 提供不同的服务质量保证。 d i f f s e r v 网络中的网元并不保留资源分配的相关信息和状态，也不记录每一 个数据流的相关状态。因此在d i f f s e r v 网络中，节点存储的状念信息数量与服务 级别的多少成正比，而不是数据流的数量。但是，d i f f s e r v 对数据流的分类和优 先级简化，会降低它提供服务质量的灵活性和准确性，使得q o s 的支持粒度“变 粗”。该类技术会导致i p 网络复杂性大大增加。 另外使用比较频繁的还有多协议枷签交换m p l s 。 4 硕士学伊论文 第一章绪论 多协议标签交换m p l s l l o l ： 其基本思想是将第三层的i p 路由技术与第二层的快速交换转发技术相结 合，给每个分组打上定长的标记，作为分组在传输时需要处理的唯一标志，通过 简化协议堆栈来提高处理性能，为各种高层业务提供一个简单而高效的传输交换 平台。它兼具有i p 技术的灵活性、可伸缩性，以及a r m 等硬件交换的高速处理 性能、q o s 、流量控制，不仅可以解决当前存在的许多重大问题，包括n 平方问 题、带宽瓶颈、多播控制以及v p n 管理等；还能够实现流量工程、显示路由、 q o s 保证等目前i p 网络尚不具备的功能。 m p l s 好象是一种众望所归的解决q o s 问题的技术，但是它存在三大问题： 如果它的下层( 链路层) 不能对每个l s p ( 标记交换通路) 提供从m p l s 入口 到出口的网络资源，它的q o s 保证也实现不了。 m p l s 只是在骨干网、城域网发挥作用，不是一种端到端的q o s 机制。 m p l s 的l e r ( 标记边缘路由器) 要对每个业务( 直至每个用户) 根据口 包头的相关信息将不同q o s 要求的i p 数据流划分成不同的f e c ( 转发等效类) ， 并打上相应的标记。这种划分需要网络管理人员做配置，它的工作量相当大，这 对开展业务和创建新业务都是不利的，运行成本太大。 2 、融合各种业务，分层考虑q o s 3 4 1 2 0 0 1 年，1 1 1 j t 成立了n g n 2 0 0 4 项目，负责研究下一代网络的各种关键技术。 目前，i t u t s g l 3 组已经制定了软交换网络q o s 参考体系结构的建议草案，它认 为软交换网络的q o s 保证需要由业务控制层、承载控制层和网络承载层三个层次 协作完成。承载层是由边界路由器、核心路由器组成的i p 骨干网络，用来传送各 种业务流。承载层与具体的网络技术相关，可以采用多种网络技术。承载控制层 由承载资源管理器组成，负责管理承载层的网络资源( 如带宽等) 和拓扑结构， 完成承载层的路由选择、资源分配和接纳控制以及策略控制等任务。业务控制层 由业务控制器组成，用于处理用户的业务请求。， 另外，t i p h o n 将f 一代网络q o s 构架分为两个平面：应用平面和传输平面， 应用平面指与业务控制相关的功能；传输平面指与传输相关的功能。然后在各平 面引入一序列的策略，从而为业务分配资源等。 目| j ，各个组织对软交换q o s 的研究存在如下不足1 3 4 j ： 目前主要考虑核心传输层的q o s 机制，对接入层、控制层和应用层的q o s 机制考虑甚少。由于接入层主要处理的是不同接入网络的媒体类型转换( 包括信 令转换) ，控制层的处理对象是会话流，应用层的处理对象是业务流，因此只有 这三层的q o s 机制与传输层基于m 分组的q o s 机制相结合才能很好地提供业务 q o s 。 ， 5 硕十学伊论文第一章绪论 应用层对控制层、控制层对传输层的q o s 控制以及这些层次之日j 的q o s 映 射是研究较少的领域。 没有涉及q o s 监控、评估和计费手段，软交换网络的部署需要这些机制 的完善和成熟。 以上是软交换网络q o s 的发展现状，目前的网络带宽和系统使用资源是有 限的，要满足不断增长的用户对网路的需要，特别是多媒体流信息的传输，必须 有一些其他的考虑方案，业界的不同组织或单位已提出了一些q o s 的体系结构， 除了前面提出的i n t e r s e r v 、d i f l s e r v 、m p l s 等外，还有如i b m 公司的h e i d e l b e r g q o s 模型、美国哥伦比亚大学c o m e t 研究组提出的x r m 模型、美国宾夕法尼 亚大学的o m e g a 体系结构、加利福尼亚大学伯克利分校的t e n e t 模型。但对于 以i p 网络作为承载网络的软交换网络来说则主要是i e t f 的两个工作组提出的两 种体系结构。 1 2 2 多媒体流o o s 研究现状 随着i n t e r n e t 的飞速发展，对计算机通信网络承载的业务已越来越多的由原 来的数据业务转成实时通信业务。基于分组的数据和语音传输有很大的区别：如 数据肘丢失敏感而对时延不很敏感，而语音业务恰恰相反。传统的i p 网络只提 供“b e s t - e f f o r t ”一种业务，它对任何业务都等同对待，对某些像语音、图像等 对时延敏感的多媒体流业务便显得无能为力。所以，研究多媒体流业务的q o s 也非常的必要。 文献 1 1 b u s s e 提出了基于高速网络多媒体文件流的传输中的q o s 控制，使 用r t p 统计传输错误率动态调整网络带宽的需求。文献 1 3 t o m s l e y 讨论了在包 交换网上提供q o s 保证的问题，提出了网络的三类应用：确定型( d e t e r m i n i s t i c ) 、 统计型( s t a t i s t i c a d 和尽力而为型( b e s t - e f f o r t ) ，分剐讨论了惺汪这些应用包延 迟和包丢失的理论目题。文献 1 4 h e i j e n k 提出了在b i s d n 上多媒体多用户的传 输协议，集中讨论了多媒体呼叫建立、修改和释放过程。文献 1 5 q i a n 提出了保 证q o s 的呼叫允许控制算法c a c ，能保证在变速位多媒体流时根据统计规律进 行呼叫允许控制。文献 i s l k a d u r 提出了多媒体应用在网络和应用层保证延迟和 抖动问题，根据历史统计数据平滑突发数据传输。文献 9 1 y a v a k a r 提出的q m t p 新型广播式传输协议，通过对q o s 控制调整单向通信速率保证服务质量。对 i n t e m e t 传输多媒体保证q o s 提出了资源预留协议( r s v p ) 【2 0 1 【2 1 1 1 2 2 1 。文献【2 6 】基于 实时的分白式系统，讨论了动态保证应用q o s 的系统结构设计和q o s 管理算法。 文献 2 9 n a h r s t e d t 提出网络多媒体q o s 管理的三层结构：应用层、系统层和网络 6 硕十学伊论文第一章绪论 层或设备层，两个相继层之日jq o s 要映射和反映射。文献 3 0 a l f a n o 给出了多媒 体协调环境( c m e ) 的q o s 层次管理，包括q o s 层次管理、q o s 映射、q o s 控 制，支持要求协同的多媒体应用。文献【3 1 】l a k s h m a n 提出了在终端系统中综合 c p u 和网络i o 的自适应的q o s 管理结构a q u a ，它能根据当l j 系统c p u 和网 络的最大可利用和应用的q o s 请求，动态调整应用的q o s 。文献 3 2 l i 给出了在 i n t e m e t 上保证端到端q o s 方法，他使用控制理论在任务控制模块自适应调整 q o s 。文献 3 3 m a h r s t e d t 提出了保证端到端q o s 保证的o m e g a 结构，依靠一 个q o sb r o k e r 进行应用和系统、系统和网络之间的q o s 协商、q o s 监视和q o s 重协商。 目前国内对多媒体流q o s 进行研究的主要有清华大学在以太局域网上基于 动态优先级调度的令牌传递策略实现的多媒体流传输，避免了碰撞的发生，但是 没有考虑多媒体流传输q o s 的保证问题。还有东北大学在文献 4 8 1 中提出了分布 式多媒体系统q o s 管理分层机制，层次分为应用一平台协议网络；上海交大提 出了多媒体系统的网络管理和数据管理的一些组织方法【5 0 1 ；北京邮电大学无线新 技术研究室在文献1 4 9 1 q b 采用多维马尔可夫过程来分析多媒体业务共存时基于 干扰水平的接入控制策略；北京航空航天大学提出通过建立q o s 到q o p 的模糊 映射，从感知的角度为分布式多媒体提供同步质量的度量工到5 1 1 ；南京邮电学院 采用分布式监铡机制来实现多媒体网络业务q o s 保证p 羽。综上所述，尽管对多 媒体流业务的q o s 进行了许多研究工作，但大多是基于q o s 管理方面的研究， 基于网络环境下资源优化，或者基于软交换网络的自适应q o s 管理方案目前还 没有安全解决，因此希望能提出一种切实可行的、高效的基于软交换网路的自适 应q o s 管理方案并付之实现。 1 3 研究内容 。 在电信网络中，软交换网络是其核心网络，而多媒体流业务又是软交换网 路中的主流业务，用户对它的q o s 要求也将越来越高，因此，必须研究出一种 高效的、端到端的q o s 保证方法来满足用户的需求。l j 面提出了软交换网络及 多媒体流应用都存在着各种问题，当前对软交换网络中多媒体流应用的研究虽然 很多，但真正让用户满意的不多，本文的目的就是要尽可能的满足网络用户的需 求。 本文的研究内容主要包含三个方面其一，主要介绍软交换网络的定义、 特性、通信机制、承载网络，指出了当i i 网络存在的问题等。其二，介绍多媒体 流q o s 、多媒体流对网络的要求及多媒体流q o s 存在的问题。其三，研究软交 硕士学伊论文第一章绪论 换网络的发展，将软交换网络、多媒体流和自适应q o s 这三者的相互结合，在 软交换网络的基础下，提出一种自适应的q o s 保证方案，以提高多媒体流应用 的q o s 。当前主要的研究是在q o s 管理控制基础上，进行自适应调节。以往的 自适应调节没有考虑到多媒体流业务的实时性，不能给多媒体流业务进行优先处 理。本文在此基础上，参考当前的优先级调度机制，提出一种新的优先级调度机 制，在确保多媒体流得到q o s 保证的基础上保证多媒体流业务调度的公平性。 同时，网络资源的合理调配是确保应用q o s 的重要手段，因此，合理的分配网 络资源，使多媒体流应用能按照网络资源的占用情况自适应的使用资源。在调节 过程中，采用a i m d 调节数据帧的长度，通过调节数据帧长度和发送速率，来 调节网络的资源，保证多媒体流业务的q o s 。 综合上面的阐述，本文的主要研究内容为分析前人的自适应调节机制，根 据当前软交换网络的现状，在自适应节中加入优先级参数，给多媒体任务分配不 同的优先级；同时按照数据帧长度和速率变化来改变系统资源的分配，提出采用 a i m d 机制调节数据帧长度，以合理分配网络资源。 1 4 内容组织与安排 本论文分为六大部分。第一部分为绪论，主要介绍研究背景和困内外研究现 状。第二章将详细介绍软交换网络及其相关技术。第三章将介绍基于q o s 管理 控制框架的自适应调节。在介绍了以往自适应调节的基础上，提出本文的带优先 级的自适应调节。第四章介绍多媒体流w n f p 优先级调度算法，q o s 协商及q o s 接入。第五章介绍多媒体流自适应q o s 具体的调节过程，调节算法。最后足本 文的工作总结以及研究展望。 8 硕十学付论文 第二章软交换网络及相j 技术 2 1 引言 第二章软交换网络及相关技术 随着网络的发展和人们对通信业务需求的不断提升，话音、传真、文本、图 像、视频等多媒体网络承载业务得到迅猛的发展。现代网络业务具有实时性和多 媒体流的特征，这些应用对网络的服务质量q o s 提出了很高的要求，即对带宽、 延迟、抖动以及丢包率等网络参数的要求越来越高。但是现有的网络并不能很好 的适应这种需求，当前的网络不能保证语音和视频信号的实时性要求和服务质 量。因此，开放的体系结构、业务配置灵活并易于扩充的，以软交换网络为核心 的下一代网络成为实现高q o s 多媒体通信网络的发展方向。 2 2 软交换网络概述 2 2 1 软交换网络的定义、功能及结构 l 、软交换网络的定义 软交换【3 5 1 又称为呼叫代i 哩( a g e n t ) 、呼叫服务器或媒体网关控制。其基本 含义就是把呼叫控制功能从媒体网关中分离出来，通过服务器上的软件实现基本 呼叫控制功能，包含呼叫选路、管理控制、连接控制( 建立会话、拆除会话) 、 信令互通( 如从s s 7 信令到m 的s i g t r a n 协议族) ，其结果就是把呼叫传输与呼 叫控制分离开，为控制、交换和软件可编程功能建立分离的平面，使业务提供者 可以自由地将传输业务与控制协议结合起来，实现业务转移。软交换为下一代网 络提供具有实时性要求的业务的呼叫控制和连接控制功能，是下一代网络呼叫与 控制的核心。 。 2 、软交换网络的功能p 卅。 。 软交换具有十大功能，功能结构如图2 1 所示。 媒体网关接入功能。连接各种媒体网关，完成h 2 4 8 协议功能。 呼叫控制功能。为基本呼叫的建立、维持和释放提供控制功能，包括呼叫 处理、连接控制、智能呼叫触发检出和资源控制等。 业务提供功能。能够实现p s t n i s d n 交换机提供的全部业务。 互连互通功能。 网管与计费功能。实现维护、配置、业务统计、告警以及计费信息的采集 等功能。 9 硕十学伊论文 第二章软交换网络及相芙技术 h 2 4 8 协议。应用在媒体网关和软交换之间、软交换与h 2 4 8 m e g a c o 终 端之间。 图2 - 1 软交换功能结构示意图 资源管理功能。对系统中的各种资源进行集中管理，如资源的分配、释放、 配置和控制，资源状态的检测，资源使用情况统计，设置资源的使用门限等。 认证与授权功能。 地址解析功能。 语音处理功能。 3 、软交换网络的结构 基于软交换的网络系统结构1 2 3 1 如图2 2 所示。软交换在未柬网络中的位置将 被分成媒体接入层、承载层、控制层和业务层，即把控制和业务的提供从媒体层 中分离出来。各层的功能如下： 媒体接入层。将用户连接到网络，并将业务量集中后传送到目的地址。 承载层。将要通过网络传送的业务转换成正确的格式，例如将话音业务打 包成a t m 信元或i p 包。此外，媒体层还可将业务选路到目的地址。 控制层。包含呼叫智能。该层决定用户应该接收那些业务，还控制其他的 在较低层的网络单元进行业务流的处理。 业务应用层。在纯呼叫建立之上提供附加的业务。 i o 硕士学位论文第二章软交换网络及相关技术 业务，应用层 控制层 承载层 媒体接入层 叵回 一：= = 7 一_ = 7 一 7 一一一一一回 图2 - 2 软交换系统结构示意图 2 2 2 软交换通信机制及其存在的问题 1 、软交换网络的通信机制 软交换是一种开放和多协议实体，采用标准协议与各种媒体网关、终端和网 络进行通信，软交换设备必须要支持的协议 3 6 1 1 4 3 1 包括h 2 4 8 m g c p 、s i g t r a n 协议( 含高层的i s u p 删p ) 、s i p s i p - t 或b i c c 协议。根据不同的接入方式软 交换还可能需要处理以下协议，包括i n a p 、h 3 2 3 、r a d i u s 、p i l l 和b r i 等。 h 2 4 8 m e g a c m 协议是i t u t 制定的媒体网关控制协议，它是用在软交换设 备和媒体网关之间的通信控制协议。它提供控制媒体的建立、修改和释放机制， 同时也可携带某些随路呼叫信令，支持传统网络终端的呼叫。它强调了业务和控 制分离，控制和承载分离，这样就可以使业务、控制和承载可独立发展。 s i g t r a n 是由i e t f 的s i g t r a n 工作组制定的，它用来在口网上传送s c n 的信令协议，这个协议主要用在软交换设备和信令网关之间。 s i p ：i e t f 制定的会话启动协议，多媒体通信系统框架协议之一。该协议主 要应用在软交换设备之间，以及软交换与终端之间，用于建立、修改和终止m 网上的双方或多方多媒体会话。 b i c c ：b i c c 协议是i t u t 制定的承载无关的呼叫控制协议，这个协议只能 应用在软交换设备之间。在它的协议模型中，将承载控制和呼叫控制两种功能进 行分开，呼叫控制只负责业务流程的实现，和具体的承载类型无关。 硕十学侍论文第二章软交换网络及相关技术 2 、软交换网络存在的问题 目前虽然不少组织推出了软交换的解决方案，各运营商也在积极进行相关的 试验，但新技术的应用需要相当长的时间来完善。目自u 存在的主要问题1 4 2 1 如下： 国际上尚无大型网络的组网和运营经验。传统电信网经过长期的运营积 累，在网络组织方面已经具有相当成熟的经验；而基于软交换的n g n 网络组织 目i ；i 国内外尚无成熟的经验，在技术和实践方面都有待进一步的探索。 协议尚未做到兼容性，标准还在发展之中。不同厂家的软交换在技术杯准 的选用及协议的兼容性方面还难以做到相互兼容。b i c c 协议、s i p t 协议和h 2 4 8 协议也在发展之中，协议的选项需要运营商根据业务的需要来进一步确定。 a p i 没有成熟的产品。基于开放的业务平台，采用标准的a p i 接口为网络 运营商提供新业务开创了未来美好的前景，但是相应的产品仍在探索和研发之 中。 业务开发问题。标准、开放的a p i 接口能够快速、灵活地提供丰富的业务， 这是软交换体系的一个优势所在，但目前厂家能够提供的业务多集中为基本语音 业务及补充业务、i n 类业务、p i n t 业务、多媒体终端之间的同步浏览、统一消 息、多媒体会议等，究竟什么业务才是运营商手中的主要业务，才能真正带来收 益，是目前运营商和设备商在共同苦思冥想的问题，目前并未出现使人眼前为之 一亮的业务。 网络安全和网络q o