（计算机应用技术专业论文）基于移动代理的qos管理系统的研究.pdf

南京邮电学院硕士研究生学位论文 摘要 i p 网络中的多媒体应用需要一种动态的，灵活的q o s 管理机制来满足多 媒体通信实时和同步的特性。q o s 管理的主要功能有：q o s 协商，应用的准入 控制，资源的分配，q o s 监视和q o s 调整。准入控制指的是当前的资源是否 支持并接纳某一应用程序。q o s 协商就是通过对应用程序的具体q o s 要求和 当前可用资源的比较来完成准入控制。q o s 监视则是为q o s 协商提供具体依 据。新的一类多媒体应用有一个重要的特性：应用程序q o s 的可调整性 在可利用资源不足的情况下，这类应用可以接受降级服务，当有资源释放使得 资源足够时，就存在着q o s 的再调整问题。 本文提出了一种新型的q o s 管理模型“基于移动代理的q o s 管理系 统”，它的特点在于：1 ) 在q o s 协商的带宽分配算法中使用了储备资源和q o s 可降级服务的思想。2 ) 采用了移动代理技术能够实现部分协议的封装、能 降低网络流量；并能够实时的获得带宽的分配情况，从而动态的进行调整。3 ) 在带宽分配的队列调度机制方面提出了一种改进的分组调度算法。 该模型主要由三个子系统构成：q o s 管理子系统、q o s 监视子系统和带宽 分配子系统。本文重点阐述了该模型中q o s 管理子系统的设计方案、q o s 监 视子系统和带宽分配子系统的设计与实现。 关键词：q o s 管理；移动代理；q o s 协商；q o s 监视：分组调度算法 堕塞塑皇兰堕堡圭墅塞生兰垡堕壅 一 a b s t r a c t m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o l l s 缸i pn e t w o r kd e m a i l dad y n 枷i ca i l dn e x i b l eo o s m a n a g e m e n tm e c h a 正s m t om e e tt h e i rr e a lt i m ea n ds y n c l l r o i l i s m 。t h ef u 玎临t i o n s o fq o sm a n a g e m e mi n c l u d eq o sn e g o t i a t i o n ，a d m i s s i o nc o 曲o lo fa p p l i c a t i o n ， a l l o c a t i o na n ds c h e d 、】l i n go fr e s o l l r c e s ，q o sm o n i t o r i n ga n dq o sa d a p 眦i o n a d m i s s i o nc o n t r 0 1m e a n sw h e m e rm ep r e s e n tr e s o u r c e sc a i ls u p p o r tac e r t a i n a p p l i c a t i o np f o 铲a m w 1 l i l eq o sn e 酬a d o n i st 0r e a c ha i l a g r e e m e n t o n a d m i s s i o nc o n t r o lb ya n a l y z i n gb o m 也eq o sr e q l l i r e m e m so f t h ea p p l i c a t i o na n d t h er e s o l l r c e so ft h es y s t e m a n d l ei n t e l l i g c n c eo f t 1 1 eq o s n e g o t i a t i o n i so 虢r e d b yq o sm o n i t o r i n g an e w k i n do fm u h i m e d i a a p p l i c a t i o n si s c h a r a c t c r i z e db y a l l o w i n gd e g r a d a t i o no ft h ea p p l i c a t i o nq u a l i l yw b e n 、v 主t l l d u te n o u 曲r e s o u r c e s ， w h i c ht h e r e f o r er e s u l t si nq o sa d a p t a t i o nw h e n 也er e s o _ l l r c eo ft h es y s t e mi s e n o u g h i nt h i sp a p e r 也ea u m o r p r e s e n t san e wq o sm a n a g e m e mm o d e l aq o s m a n a g e m e ms y s t e mb a s e do nm o b i l ea g e n t s ，w h j c hh a sm ef o l l o w i n gf e a t u r e s ： a d o p t i n g t 1 1 ei d e ao fs e m i 唱a s i d eap o r t i o no fm er e s o u r c e sa sr c s e r v e sa n d a l l o w i n gd e g r a d a t i o no f t h ea p p l i c a t i o nq o s i nt h eb 趾d 、v i d 血a l l o c a t i o n a l g o r i t l l r n w h e n n e 9 0 t i a t i n g u s i n gt h em o b i l ea g c n t ss ot 1 1 a tp r o t o c o l sc a nb ee n c 印s u l a t e d p a n l ya 1 1 dn e t 、o r kt r a m cc a nb er e d u c e d ，a d a p t i n gb a i l d w i d t hd y n a m i c a l l yb y g e n i n g t h ec o n d m o no ft h cs y s t e mr c s o u r c ei nt i m e ，a i l dp r o p o s i n ga 1 1 锄e l i o r a t e d p a c k e t ss c h e “l i n ga l g 嘲也m o n q u e u 血gd i s c i p l 协ei n 也e b a i l d 谢d ma l l o c a t i o n t h em o d e lc o n s i s t so f t l l r e cs u b s y s t c m s i e q o sm a n a g e m e n ts u b s y s t e m ，q o s m o n i t o r i n gs u b s y s t e ma i l db 姐d 惭d 也a l l o c a t i n gs u b s y s t e m i nt l l i sp a p e rt 1 1 e a u t l l o rm a i n l yd i s c u s s e st l l ed e s i g no ft l l eq o s m a n a g e i r l e n ts u b - s y s t e ma n d 血e d e s i g na n di r n p l e m e n t i n go fb o mt h eq o sm o i l i t o r m gs u b s y s t e ma n dt h c b a l l d 、v i d t ha l l o c a t i n gs u b s y s t e m ， k e y w o r d s ：q u a l i t yo fs e r v i c em a l l a g e m e n t ，m o b i l ea g e m ，q o sn e g o t i a t i o n ， b a n d 、v i d t ha l l o c a t i o n a 1 9 0 r i t h r n ，q o sm o m t o r i n g ，p a c k e t ss c h e d u l i n ga l g o r i t h r n 4 南京邮电学院硕士研究生学位论文 引言 目前视频点播、视频会议等多媒体应用对网络q o s ( q u a l i t y o fs e r v i c e ) 提出了很高的要求：不但要求商带宽，而且要求实时性和同步。而传统的数 据通信网络，如i n t e r n e t 恰恰缺乏动态的q o s 管理机制，因此很难满足人们 对多媒体通信的要求。q o s 管理的主要功能有：q o s 协商，应用的准入控制， 资源的分配，q o s 监视和q o s 调整。 移动代理是一个能在异构网络中自主地从一台主机迁移到另一台主机， 并可与其他代理或资源交互的程序。它具有降低网络流量、封装协议、异步 执行等优点，这些优点正是q o s 管理能够实现动态性的关键。 本文提出了一种新型的q o s 管理模型基于移动代理的q o s 管理系统， 该模型主要由三个子系统构成：q o s 管理子系统、q o s 监视子系统和带宽分配 子系统。本文重点阐述了该模型中q o s 管理子系统的设计方案、q o s 监视子 系统和带宽分配子系统的设计与实现。 本文所涉及的课题主要来源于江苏省高校自然科学研究计划基金资助项 目( 0 2 k j b 5 2 0 0 0 2 ) ：基于移动代理的网络服务质量研究。 全文共分为四个章节，内容组织如下： 第一章分为两个部分：第一部分介绍了i pq o s 的定义、i pq o s 的具体 模型和i pq o s 的实现机制。第二部分介绍了移动代理的基本概念、移动代理 系统参考模型以及移动代理模式的优点。 第二章提出了基于移动代理的q o s 管理系统。该系统的主要结构由三部 分构成：q o s 管理子系统、q o s 监视子系统和带宽分配子系统。本章重点阐述 了其中的核心q o s 管理子系统的设计：该子系统的概念模型以及q o s 协 商的带宽分配策略和过程。最后介绍了本课题的开发环境和工具。 第三章阐述了q o s 监视子系统的设计和实现。重点从实现的原理和u m l 类图说明了q o s 监视移动代理的实现，并通过实验验证了q o s 监视移动代理 的有效性。 第四章论述了带宽分配子系统的设计和实现。首先介绍了带宽分配子系 统的基本框架。然后重点阐述了一种在差额循环( d r r ：d e f i c i tr o u n dr o b i n ) 南京邮电学院硕士研究生学位论文 调度算法的基础上改进的动态差额循环( d d r r ：d y n a i i cd e f i c i tr o u n d r o b i n ) 调度算法，并给出其计算机仿真结果。最后说明了如何将其嵌入到 l i n u xt r a f f i cc o n t r o l 组件中去。 最后总结了本文所做的工作，并说明了本课题下一步工作的重点。 塑塞些皇堂堕堡主堡塞生堂堡望壅一 第一章：i pq o s 和移动代理技术 1 1i pq o s 1 1 1 i p q o s 的定义 i pq o s 是指i p 的服务质量，也是指i p 数据流通过网络时的性能。它的 目的就是向用户提供端到端的服务质量保证。它有一套度量指标，包括业务 可用性、延迟、可变延迟、吞吐量和丢包率。i pq o s 在可预测、可铡量性方 面比传统i p 有了很大的提高，基本解决了商业用户的基本需求：另外，i pq o s 还可提高带宽的使用率。i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 定义了 【日)r 7 两种i pq o s 结构综合业务结构( i n t s e r v ) 和业务区分结构( d i f f s e r v ) 。 1 1 2 q o s 的直接实现技术 i pq o s 的主要模型有子带宽管理( s b m ) 、多协议标签交换( m p l s ) 和综 合业务体系结构( i n t s e r v ) 和分类业务体系结构( d i f f s e r v ) 。其中子带宽 管理包含2 个主要部分：( 1 ) b a n d w i d t ha l l o c a t o r ( b a ) ，即带宽分配模块： ( 2 ) r e q u e s t o r d u l e ( 附) ，即请求方模块，每个终端都需要有r m 模块。 多协议标签交换的主要思想是：将大部分业务从第3 层的转发切换至第2 层 交换，而在第2 层中通常采用a t m 交换机作为高速交换的硬件设备。综台业 务体系结构定义了3 种服务类型：g u a r a n t e e ds e r v i c e s ( r f c 2 2 1 2 ) ， c o n t r o l l e dl o a ds e r v i c e s ( r f c 2 2 11 ) 和b e s te f f o r t 。i n t s e r v 主要是依 靠r s v p 资源预留协议工作，r s v p 主要有两类消息：p a t h 消息( 路径状态) 和r e s v 消息( 预留状态) 。r s v p 可以在数据流所经路径上的网络节点发布 q o s 请求，以建立和维持资源预留状态，为应用程序提供一定的服务质量。 分类业务体系结构( d i f f s e r v ) 在i n t s e r v 之后提出，它将i p v 4 中t o s ( t y p e o fs e r v i c e ) 字段改名为d s 字段，客户用d s 字段为需要q o s 保证的业务选 择一定的优先级。以上几种实施q o s 的机制并不互斥，它们可以相互结合起 来，提供更为完善的机制。 7 南京邮电学院硕士研究生学位论文 1 1 2 1 综合服务模型和资源预留协议 为了给i p 网络提供q o s ，i e t f 给出一种资源预留及q o s 控制流程的模型 ( 综合服务模型，图卜1 ) ，这个模型解释了如何在主机和路由器中进行资源 预留以及对相关的q o s 参数进行控制。 路由嚣 图卜1 综合服务模型 从上图可以看出，主机和路由器中最主要的区别在于路由器中有一个路 由模块协议，这表明资源预留机制依赖于当前和将来的路由协议。各个模块 的功能如下：( 1 ) 策略控制：确定请求预留的应用是否有许可做资源预留， 它需要检查r s v p 包是否满足r s v p 连接请求中的流特性来确定是否禁止该预 留行为。它能提供对数据流进行平滑控制、拥塞控制等；( 2 ) 接纳控制：确 定在端系统和路由器中是否有足够的本地资源来支持请求预留的带宽：( 3 ) 分组分类器：负责确定q o s 的级别，对应用程序送来的每一个分组进行检查， 对属于不同数据流的分组进行分类，并发送到分组调度器；( 4 ) 分组调度器： 按不同数据流事先预留好的资源来调度分组的传送。 由r f c 2 2 0 5 定义的资源预留协议( r s v p ) 用来向网络发送信号，告诉用户 在特定的应用程序下对网络服务的要求，也被路由器用来向沿发送方到接收 方的路径传递q o s 参数，预留并维持提供服务所需的资源。r s v p 的工作过程为： 发送方发送包括业务类别( t s p e c ) 的p a t h 信息到接收方，每个r s v p 路由器存 放p a t h 信息和前一级源地址。接收方发送预留请求( r s v p ) 信息包含t s p e c ，请 求类别( r e s p e c ) 和过滤类别( f i l t e rs p e c ) 。r s v p 路由器按源路由接收r s v p 信息，使用录入控制鉴别请求并分配所需的资源，并进行相应的确认，当发送 者和接收者对话时，将拆除预留。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 1 1 2 2 差分业务模型 差分业务模型使用了分组标记和按类排队的方法，较好地处理了扩展性 问题。现在差分业务模型已成为一个十分活跃的技术研究及标准开发领域。 差分业务模型的基本思想是：首先定义几种较少的服务类型和优先级，如优 先级为低、中、高三种，服务类型分为尽力而为与实时两种。其次，将q o s 保证服务操作尽可能由边缘路由器完成，在边缘路由器中进行业务流的分类， 在分组头加d s 标记，中间节点只是通过d s 标记对业务流进行处理，以优先 级( 如降低优先级( d r o pp r i o r ) ) 及带宽形式提供q o s 保证，差分业务模型 的基本结构见图卜2 。 图1 _ 2 ：差分业务模型基本结构 d i f f s e r v 把每个分组的分类等复杂的工作都放到网络的边缘，由边缘路 由器处理，而让高性能的核心交换机或路由器能更快速、高效地进行交换或 转发，差分业务模型的关键技术在于将业务流进行聚合与分类，这种聚合与 分类都由d s 标记来表征。d s 标记不额外添加字节，而是使用i p 头中的空闲 字节，如i p v 4 头中的服务类型( t o s ；t y p eo fs e r v i c e ) 字节或i p v 6 头中 的业务类( t r a f f i cc l a s s ) 字节。 1 1 2 3 协议标签交换 m p l s 协议实现将第三级的包交换转换成第二级的交换，m p l s 在i p 数据 包前加入固定长度的包头( 标签) ，不对i p 数据包的内容作任何处理，它采 用固定长度的标签，加快了m p l s 交换机查找路由表的速度，减轻交换机的负 担。m p l s 网络的交换机分为边缘交换机( l e r ) 和核心交换机( l s k ) ，通过 9 南京邮电学院颈士研究生学位论文 标记分配协议( l d p 协议) ，预先为m p l s 边缘路由器建立直达的数据连接， 在边缘交换机之间采用a t m 核心交换机进行互联。m p l s 的q o s 实现是由l e r 和l s r 共同完成的，在l e r 上进行i p 包的分类，将i p 包的业务类型映射到 l s p 的服务等级上，在l e r 和l s r 上同时进行带宽管理和业务量控制，从而 保证每种业务的服务质量得到满足。i p 包在进入m p l s 域之前，m p l s 将会根 据i p 包所携带的信息将其分成不同的类别，这个类别就代表网络为其提供的 服务等级。l e r 分类i p 包的依据可以是承载i p 包的d l c i 、v c c 等信息、t o s 字段或d s 字段携带的信息、源目的端口号、源目的i p 地址，上层协议( w d p ， t c p 等) ，l e r 对i p 包进行分类后，将i p q o s 映射成a t m 的q o s 。q o s 的参数 以t r a f f i cp a r a m e t e r 的形式体现在建立l s p 的r e q u e s t 信令消息中，每个 l s r 在收到r e q u e s t 消息后都会根据t r a f f i cp a r 鲫e t e rt l v 中的参数做c a c ( 接纳允许控制c o n n e c t i o na d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) ，为特定的业务预留特 定的资源。 1 1 2 4 子网带宽管理协议 子网带宽管理协议主要由以下三种协议实体构成：带宽分配器( b a ) ，该 分配器维护子网内链路层资源的分配状态，依据可用资源状态及管理策略对 到达的资源请求进行连接许可控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) ；资源请求模块r m 驻留于各终端主机内执行高层q o s 参数与链路层q o s 参数的映射，使用协 议通信机制与b a 协商实现链路层资源保留；协议通信机制实际上是r s v p 在 数据链路层上的映射，作用是为子网内的资源保留操作提供一套完整的信令 机制，以此为基础，s b m 使用扩展的r s v p 协议实现链路层资源保留。 1 1 - 3 i p q o s 的实现机制 1 - 1 3 1 队列管理机制 在网络发生拥塞时，路由器必须丢弃一些分组，这个问题的解决首先必 须实施有效的队列管理机制( 或缓冲区管理策略) 警 目前，已经出现的队列管理机制有：p p d ( p a r t i a lp a c k e td i s c a r d ) 、 1 0 南京邮电学院硕士研究生学位论文 e p d ( e a r l yp a c k e td i s c a r d ) 、r e d ( r a n d o me a r l y d i s c a r d ) 、f r e d ( f 1 0 wr e d ) 、 r i o ( r e dw i t hi na n do u t ) 、b l u e 等算法。比较起来，r e d 算法具有较低的 排队时延、较高的分组通过度( g o o d p u t ) 和较好的公平性，其主要思想是：路 由器计算平均排队长度，当平均排队长度超过某一门限时，路由器按照一丢 弃概率丢弃到达的分组，而这个丢弃概率是与平均排队长度成正比的函数。 r e d 算法允许短时的分组突发，因而可以避免因为网络负荷变化造成的分组 丢弃；r e d 能避免多个t c p 连接同时的超时重传，从而保持高的带宽利用率； 此外，r e d 算法还能较好的支持突发业务，且确定哪些连接使用了更多的带 宽，并可以采取措施予以惩罚。 f r e d 和r 1 0 都是在r e d 上的改进或变种，f r e d 对每一个业务流( 或连接) 都实施单独的一个r e d 算法，这样能保证更好的公平性：r 1 0 在r e d 的基础 上又增加了一个门限值，在对d i f f s e r va f 业务的研究中多采用此算法。 b l u e 算法是i b m 公司的研究人员最近才提出的另一种较新的队列管理 机制，与其他算法不同的是：b l u e 算法以“分组丢失率”和“链路有效利用 率”作为判别拥塞是否发生的标准，而之前的算法都是以路由器中的“平均 分组长度”作为拥塞是否发生的判别标准。 1 1 3 2 队列调度机制 不论在i n t s e r v 还是在d i f f s e r v 里，都涉及到队列调度问题。简言之， 队列调度的功能就是路由器如何从多个( 或一个) 队列中选择下一个待转发 的分组，这与队列管理机制有着本质的区别。根据不同的服务规则，队列调 度算法可以分为以下几种：先到先服务( f c f s ) 、循环调度( r o u n dr o b i n ) 、处 理机共享( p r o c e s s o rs h a r i n g ) 、优先级服务、随机服务等。 目前已出现的队列调度算法主要有：基于循环调度的算法、基于 g p s ( g e n e r a h z e dp r o c e s s o rs h a r i n g ) 的算法两大类。一个有效的队列调度 算法应达到的性能指标主要有：公平性、时延特性、对恶意业务流的隔离能 力、链路带宽的利用率、复杂性等，前4 个指标与q o s 密切相关。基于循环 调度的算法是轮流地对每个队列进行服务，其实现简单，但不能对业务提供 时延保证，目前主要有w e i g h t e dr r 、d e f i c i tr r 等。基于g p s 的调度算法 南京邮电学院硕士研究生学位论文 目前主要有：加权公平排队( w f q ) 、自时钟公平排队( s c f q ) 、v c ( v i r t u a lc 1 0 c k ) 等，它们( 尤其是w f q ) 能提供较好的公平性、时延特性以及对恶意业务流的 隔离能力，但当队列数较多时，其实现复杂度较大。 1 1 3 3 基于约束的路由 基于约束的路由( c b r ：c o n s t r a i n e d b a s e dr o u t i n g ) 源自q o sr o u t i n g ， 只是对q o s 的限制参数进行了一定的扩充。c b r 的有效实现需要各个路由器 之间的相互配合，比如相互通知各自所知道的网络的一些状态信息( 如链路的 剩余带宽) 。c b r 的难点在于：如何在状态信息的精确发布和发布频率之间取 得一个折衷。因为链路的剩余带宽在不断的变化，c b r 既要避免状态信息发 布的滞后性，又要避免不停地频繁发布状态信息。c b r 的有效实现还有待进 一步的研究。 1 1 3 4 业务量工程 业务量工程( t e ：t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 的主要目的在于尽量地避免网 络拥塞的发生，以保证q o s 。网络拥塞发生的原因可能有：网络资源( 比如链 路带宽、缓冲区) 的不足、以及网络中业务的不均匀分布。当业务量不均匀分 布时，则有的链路处于过载状态而有的链路可能处于欠载状态，此时如果我 们能够对网络中的业务流进行适当引导，则不必增加网络资源也可能消除拥 塞。业务量工程的目的就在于：如何有效地引导业务流通过网络以便消除由 于业务量不均匀分布而造成的网络拥塞。多协议标记交换( m p l s ) 和基于受限 的路由都是业务量工程的有用工具，也是目前有待进一步研究的课题。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 1 2 移动代理技术 1 2 1 移动代理的基本概念 1 2 1 1移动代理的定义 移动代理的一般定义是：移动代理是独立的可确认的计算机程序，它可 自主地在异构的网络上按照一定的规程移动，寻找合适的计算资源、信息资 源和软件资源，利用与这些资源同处一台主机的优势处理或使用这些资源， 代表用户完成特定的任务。 移动代理不限于它开始执行的环境，可以在网络各主机间自由移动。在 某个执行环境被创建后，它可以携带自身状态和代码通过移动网络移动到另 一个环境中并恢复执行。其中“状态”是指移动代理在异地目标环境中恢复 执行所需的属性值，而“代码”是移动代理执行的必要条件。移动代理具有 跨地址空间运行的特性，同时，为了与计算机病毒区别，它必须是可以验证 的。 移动代理具有以下三个基本特征，它们是界定移动代理的必要准则：( 1 ) 移动代理必须具有一定的身份，并代表用户的意愿。( 2 ) 移动代理必须能自 主地从一个节点移动到另一个节点，这是它最基本的特征，也是区别于其它 代理的标志。( 3 ) 移动代理必须能在不同的地址空间中连续运行，即保持运 行的连续性，也就是它在下一节点开始运行时的状态必须与在上一节点挂起 时的状态相同。 简而言之，移动代理就是一段代表用户利益的程序代码，它可以转移到 不同的地址空间中执行，在转移过程中保持自身的状态不变。 1 2 1 2 移动代理的技术特征 移动代理能够在异构的网络节点间移动，它需要与服务设施及其它移动 代理协商来提供或获取服务以完成全局目标。因此，移动代理需要具有以下 技术特征： 南京邮电学院硕士研究生学位论文 1 规模中小 移动代理的代码和状态要在网络中传输，因此它的规模必须限制在中小 的范围内，否则会丧失诸如节约网络带宽这样的优势。 2 跨平台的语义一致性 移动代理过程中访问的各主机的软硬件配置可能是大小不相同的，因此， 只有在这些异构平台上具有相同语义的语言才能保证它行为的准确性，j a v a 语言就是独立于平台的。 3 持久化( p e r s i s t e n c e ) 移动代理在转移过程中需要保存代码和当前运行状态，以便在目标节点 继续执行。 4 特殊的安全机制 移动性使移动代理的安全问题显得非常突出，它的安全机制一方面保证 自身不受到攻击，另一方面保证自身是非恶性的。 1 2 1 3 移动代理的生命周期 为了更透彻地分析移动代理，我们将它的生命周期分为创建、准备、传 输、阻塞、执行和结束六个阶段，如图卜3 所示。 创建态标志着一个移动代理正处于创建中，创建者将它放入发送队列后 便转入准备态a 从准备态到传输态的转变决定于创建者为它指定的发送条件 及与下一个发送目标的协商结果。与目的站点协商成功，移动代理便转入了 1 4 南京邮电学院硕士研究生学位论文 传输态。 代理在网络传输过程中处于传输态，成功达到目标站点后，转入阻塞态。 代理在目标站点未获得执行权前始终处于阻塞状态，在此期间目标站点主机 运行环境对其进行身份确认和完整性检查，检查通过则进入执行态；否则重 新转入传输态，返回源站点，执行态是移动代理生命周期中唯一具有活性的 状态，在这个状态中，它自主地运动，与其他代理或服务设施交互完成预定 任务。任务完成后，代理转入传输态或结束态( 如果确认最后一个目标站点 业已访问) 。结束态是移动代理生命周期的结束。由于移动代理是可以重复利 用的组件，因此，它可以被再次放入发送队列，转入准备态。这种循环的生 命周期能够无限次进行，并且在不同周期内获取的知识也能够在下一个生命 周期内使用。 1 2 2 移动代理系统参考模型 a g e n 七、l ra g e n t c o m p u t e r e n v i r o n m e n t 代理迁移 r 、 i通信协议i h o s t a g e n t c o m p u t e r e n v i r o n m e n t h o s t 图卜4 移动代理系统参考模型 一个典型的移动代理系统具有如图卜4 所示的结构。系统由四部分组成， 其中，计算机和操作系统构成主机( h o s t ) ：计算机环境( c o m p u t a t i o n e n v i r o n m e n t ，c e ) 是主机上运行的服务程序( a g e n ts e r v e r ) ，为代理提供 运行环境支持；移动代理可以主动或被动地通过通信子系统迁移到不同的主 机上，然后c e 为此代理创建一个进程或线程。当c e 接受此代理时，它需要 对它进行认证以决定其存取控制权限。代理被创建后，就可以与c e 或主机交 互，也能与本地或异地代理进行通信。任务完成后j 它可以迁移到另一主机， 或结束运行。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 1 2 3 移动代理模式特有的优点 1 能减轻网络负担 使用移动代理技术能明显减少网络中原始数据的流量。分布式系统通常 以来于通信协议，这些协议在完成给顶任务的过程中涉及多次交互行为，这 将导致网络交通拥挤。如图卜5 所示，可以将一个会话过程打包成移动代理， 然后将其派遣到目的主机进行本地交互。此外，当进行远程主机的大批量数 据( 比如位于某个增加了代理的w e b 索引服务器上的w e b 索引) 处理时，这 些数据不应在网络上传来传去，而应在本地完成处理，因为转移计算( 也就 是说代理) 要比传输数据经济的多。 主机a 基于p r c 方式 移动代理技术 图l - 5 移动代理减轻网络负担 2 ，更具动态性 提前在服务器上安装特定的程序并且为特定的服务请求类型作好准备是 没有必要的，客户或服务供应商可以派遣不同类型的代理( 比如说，实现了 新增服务处理的代理) 前往服务器而无需重新配置服务器。 3 移动代理能异步自主运行 通常，移动设备上的计算皆依赖于昂贵而脆弱的网络连接，它要求在移 动设备和固定网络之间建立持续的连接，而这种要求从经济和技术的角度来 讲都不易实现。但是，如图卜6 所示，可以将这种任务嵌入到移动代理中， 然后通过网络将其派遣出去。此后，移动代理就独立于生成它的进程并可异 步自主地操作了，移动设备则可在稍后的时间内再恢复连接将它收回。当代 理代表客户在远程站点执行任务时，客户可以做其它的事，这就增加了客户 机与服务器之间的异步性。 1 6 草国 发送移动代理 一呆二圃 再连接并返回 图1 6 移动代理允许网络断开操作 4 克服网络隐患 对某些重要的实时系统( 如使用大规模网络对从事加工制造的机器人进 行控制的实时系统) 而言，网络控制存在许多隐患( 比如说网络延迟) ，这对 实时系统而言是无法忍受的，因为它需要对环境的变化作出实时的反映。一 个很好的解决方法就是采用移动代理技术，可以把它从中央控制器传送到各 局部点激活，并在当地直接执行控制器的指令。 5 封装协议 当数据在分布式系统中进行交换时，每一台主机都有自己的网络协议， 该协议将对传出数据进行编码，对传入数据进行解释。为了满足新的效率和 安全要求，协议常常需要改进，而实现该协议的代码升级工作要么几乎不可 能，要么相当困难，这样就会产生“遗产”协议。而移动代理能够直接移动 到远程主机，建立起一个基于私有规程的数据传输通道。 1 3 本章小结 本章分为两个部分：第一部分介绍了i pq o s 的定义、i pq o s 的具体模 型和i pq o s 的实现机制。第二部分介绍了移动代理的基本概念、移动代理系 统参考模型以及移动代理模式的优点。下一章中我们提出了一种基于移动代 理的q o s 管理系统。 壹室塑皇堂堕堡主堡壅生兰堡垒兰 一 第二章：基于移动代理的q o s 管理系统的 设计 2 1 基于移动代理的q o s 管理系统的主要结构 【1 刚 在多媒体应用中主要考虑的q o s 参数有：端到端延时，数据包丢失率和 错误率，服务获得的带宽等。图2 1 显示了三种对数据包丢失率有不同容忍 程度的应用( 不可容忍( f r a g i l e ) ，一般容忍( t 0 1 e r a n t ) 和较好容忍 ( p e r f o r m a n c e ) ) 当q o s 参数变化时相应的性能变化，而数据包的丢失率很 大程度上取决于带宽是否足够。从中可以看出带宽是一个与其他q o s 参数有 较大相关的参数，在本课题中q o s 管理主要是带宽管理。 f r a 翊l e 1 b l e 倍n c p 曲m a n c e 图2 1 ：应用与q o s 参数的关系”3 基于移动代理的q o s 管理系统主要结构有三部分( 如图2 2 ) ：( 1 ) q o s 管理子系统：利用移动代理技术，根据应用的具体q o s 要求和系统资源的实 际情况进行q o s 协商制订资源分配方案，使资源的使用最优。( 2 ) q o s 监视 子系统：利用移动代理监视q o s 参数，并给q o s 管理子系统提供其所需的信 息。( 3 ) 带宽分配子系统：执行q o s 管理子系统的资源分配方案，并在队列 调度级做一定改进。 1 8 q o sq o s m o n 蛀0 r 斗 i f l a n a g e m e n t 1 【一 b a n d w i d t l l l i n u x t cf a n o c a c o r 图2 2 ：基于移动代理的q o s 管理系统的主要结构 本课题中q o s 监视子系统主要完成的任务是实时获得具体某一应用的带 宽使用情况和客户端的可用带宽，其具体设计和实现见第三章。带宽分配子 系统使用的是l i n u x 中的流量控制( t c ：t r a f f i cc o n t r 0 1 ) 组件来实现：本 文对通常使用的差额循环( d r r ：d e f i c i tr o u n dr o b i n ) 调度算法做了改进 使之能够动态地根据具体流的需要在一定范围内改变带宽，称之为动态差额 循环( d d r r ；d y n a m i cd e f i c i tr o u n dr o b i n ) 调度算法并把它嵌入到t c 组件中。具体算法和实现见第四章。本章以下内容重点阐述q o s 管理子系统 的设计方案。 2 2 q o s 管理子系统的设计 q o s 管理子系统的主要任务是在q o s 监视子系统的协助下根据用户提出的 q o s 要求和系统的资源使用情况，依据带宽资源分配策略进行q o s 协商，并 将协商结果交由带宽分配子系统实施。带宽资源分配策略的主要思想是留出 一定比例的带宽资源作为储存，并且合理地使用这部分储备资源从而达到带 宽资源使用率的最优化。q o s 协商有带宽的初始化和动态调整两个过程。 2 2 1 q o s 管理子系统的概念模型 q o s 管理子系统由代理集和档案集组成( 如图2 3 中阴影部分所示) 。 1 9 南京邮电学院硕士研究生学位论文 c l i e n 屯 c p r o f i l e ( p r o f i l eo fc l i e n t ) ：客户端档案 s p r o f i l e ( p r o f i l eo fs e r v e r ) ：服务器端档案 i b a ( i n i t i a lb a n d w i d t ha 1 1 0 c a t i o n ) ：带宽初始化分配 d b a ( d y n a m i cb a n “i d t ha l l o c a t i o n ) ：带宽动态调整分配 图2 3 ：q o s 管理子系统 2 2 1 1代理集 1 应用管理代理( a l i a ：a p p l i c a t i o nm a n a g e m e n ta g e n t ) ： a m a 是驻留在客户端的代理。当它收到应用需要服务的请求后，将用户 的应用层q o s 要求翻译成由具体网络层q o s 参数标识的q o s 要求表( t 。) ， 并派出i b a 姒移动到相应的服务器上进行带宽初始化分配的协商。同时还管 理c p r o f i l e 。 q o s 要求表对应着一个应用的不同等级的q o s 要求：它由不同的q o s 提 议( q o 。，) 构成，一个提议对应着相应的q o s 等级、q o s 参数的要求以及满足 这一要求所需的带宽。t 。和q 0 。的数据结构见图2 4 。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 图2 4 ：q o s 要求表的数据结构 2 带宽初始化移动代理( i b a m a ：i n i t i a lb a n d w i d t ha l l o c a t i o nm o b i l e a g e n t ) ： i b a 姒的作用就是与q 姒对应用进行带宽的初始化分配：它由客户端的 a m a 发出，携带应用提交的t 。到服务器，与q m a 进行带宽的初始化协商，最 后将协商结果返回给客户端的a m a 。 3 动态调整带宽移动代理( 础：d y n 锄i cb a n d w i d t ha 1 1 0 c a t i o nm o b i l e a g e n t ) ： d b a i a 的作用是协助q m a 进行带宽的动态调整：它由服务器端的q m a 发 出，首先根据q m a 的指示到相应客户端收集该客户端的实时瓶颈带宽，用于 帮助q m a 选择出最终进行带宽调整的应用。 4 q o s 管理代理( q m a ：q o sm a n a g e 嘴n ta g e n t ) ： q m a 是驻留在服务器端的代理，是进行带宽分配的主要元件：根据与 i b a m a 协商的结果和d b a m a 返回结果作出带宽分配的决定，形成命令交由 l i n u xt c 实旌。 q m a 受三个事件驱动：1 ) s t a r t 事件：有新的应用提出带宽分配请求。 2 ) c l o s e 事件：有应用结束。3 ) a f t e r s o m e p e r i o d - w i t h o u t s t a r t 事件： 在一段时间内没有新的应用要求分配带宽。根据这三个事件，q 姒分别执行 南京雠电学院硕士研究生学往论文 带宽初始化、释放带宽和动态调整带宽。 5 q o s 监视代理( 姒：q o sm o n i t o ra g e n t ) ： 监视客户器端的带宽使用情况，协助q m a 完成q o s 协商。在逻辑上它是 属于q o s 监视子系统，但在实现时是并入d b a 凇的，d b a 鼢收集的客户端可 用带宽就是由它采集的。 2 2 1 2 档案集 1 服务器端档案( s p r o f i l e ) ： 维护所有正在接受服务的应用的数据：连接的身份号( 由该连接的源地 址，源端口号，目的地地址，目的端口号唯一确定) ，该连接应用的q o s 要求 表，该连接获得的q o s 等级和带宽，该连接是否降级服务等。还有服务器端 的带宽统计：总带宽，已使用的带宽，剩余带宽，储备带宽等。 连接的身份号由服务器端的q m a 统一管理，在i b a m a 与q m a 协商后同意 给应用提供带宽后，由q m a 派发并随i b a m a 传回至客户端的a m a 。 2 客户端档案( c p r o f i l e ) ： 包括该客户端正在接受服务的用户的数据：连接的身份号，该连接用户 的q o s 要求表。 档案的数据结构见图2 5 。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 图2 5 ：p r o f i l e 的数据结构 2 2 2 q o s 协商中的带宽分配策略 2 2 2 1初始化分配( i n i t i a la l l o c a t i o n ) 由客户端的a m a 发出的i b a 姒移动到服务器端与q 姒协商，然后q m a 将 协商结果形成带宽分配的指令集交由带宽分配子系统执行。 初始化分配的关键是预留一部分服务器端的带宽作为储备资源( 如用 r _ r e s e r v e = o 3 表示将带宽资源的3 0 用做储备) 。当应用所需