（通信与信息系统专业论文）ip通信网qos控制结构及关键算法研究.pdf

南京邮电大学博士学位论文 摘要 以i p 为核一t l , 的分组通信已无可争议地成为下一代网络( n g n ) 演进的必然 趋势，与此相应，多业务i p 网络服务质量( q o s ) 控制技术已成为n g n 领域一 项极其重要而又富有挑战性的研究内容。 论文首先提出了一种基于重叠模型的端到端q o s 控制结构，给出了包括服 务等级规范( s l s ) 定义、业务流分类和控制结构三个层次的端到端q o s 处理流 程。论文从控制论的角度出发，将q o s 控制结构划分为三个控制环：服务控制 环、资源控制环和接纳控制环，并重点研究接纳控制环技术。 控制对象属性的研究是接纳控制环实现的基础。论文深入分析了网络流量的 长程相关性，采用分形布朗运动模型进行流量长程相关性建模，提出了一种改进 的基于小波分析的h u r s t 参数检测算法，并得出结论；汇聚流的h u r s t 参数应取 决于各成分流的h u r s t 参数及其所占的份额。 多业务呼叫接纳控制是接纳控制环的核心。论文提出了种由参数模型和测 量模型相结合的接纳控制模型和算法。重点研究并提出了长程相关流量等效带宽 的模糊化控制算法。并根据对影响接纳控制的四个因素的分析，提出了接纳决策 的三项策略：资源策略、请求优先级策略和预留函数策略，给出了决策策略表。 论文突破了以往接纳控制简单的接纳拒绝二元决策模式，采用基于追加资源的 二次接纳控制的思想，在一定条件下，可由资源代理( r a ) 向上级资源管理器 ( r m ) 请求增加资源。 根据二次接纳控制思想，论文提出了由r a 和r m 实现的两级带宽管理器 ( b b ) q o s 控制结构通过分布式控制和集中式控制相结合的方式支持网络资 源的动态调整，构成接纳控制环与资源控制环的交互控制。论文提出了r a 侧触 发资源追加回收的滑动窗口和滑动指针算法以及r m 侧确定追n 回收资源块大 小的模糊逻辑算法，可根据网络负荷状态自适应地调节资源的分配，在不显著增 加处理丌销的前提下，有效地提高了网络资源利用率和呼叫接纳率。 论文采用n s 2 和m a t l a b 对所提出的模型和算法进行了详尽的仿真分析， 仿真结果表明论文研究结果正确合理，具有满意的效果。 南京邮电大学博士学位论文 a b s t r a c t i p b a s e dp a c k e tc o m m u n i c a t i o nh a sb e e nt h ei n e v i t a b l ee v o l u t i o nd i r e c t i o no f n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k sf n g n ) a c c o r d i n g l yt h er e s e a r c ho nq u a l i t yo fs e r v i c eo f m u l t i - s e r v i c e sn e t w o r k si so fg r e a ti m p o r t a n c ea n dac h a l l e n g i n gt o p i ci nt h ef i e l do f n g n f i r s to fa l l ，an o v e lo v e r l a ym o d e lb a s e de n d - t o e n dq o sc o n t r o l l i n gs t r u c t u r ei s p r o p o s e dt o g e t h e rw i t ht h eo p e r a t i o np r o c e d u r e si n c l u d i n gt h es l st e m p l a t e ，t h e t r a f f i cc l a s sd e f i n i t i o na n dt h r e el a y e rc o n t r o lm e c h a n i s mf r o mt h es t a n d p o i n to f c y b e r n e t i c s ，t h ee n d t o e n dq o sc o n t r o la r c h i t e c t u r e c a r lb ep a r t i t i o n e di n t ot h r e e c o n t r o ll o o p s ：s e r v i c ec o n t r o ll o o p ，r e s o u r c ec o n t r o ll o o pa n da d m i s s i o nc o n t r o ll o o p a n dt h er e s e a r c hi sf o c u s e do nt h ea d m i s s i o nc o n t r o ll o o p t h es t u d yo nt h ep r o p e r t i e so ft h ec o n t r o l l e do b j e c ti st h eb a s i sf o r t h e i m p l e m e n t a t i o no fa d m i s s i o nc o n t r o ll o o p t h el o n gr a n g ed e p e n d e n c e ( l r d ) n a t u r eo fn e t w o r kt r a f f i ci sd e e p l ya n a l y z e da n di sc h a r a c t e r i z e dt h r o u g hf r a c t i o n a l b r o w n i a nm o t i o n ( f b m ) m o d e l i n ga ni m p r o v e dw a v e l e tb a s e de s t i m a t o r ( e w b e ) i s p r o p o s e dt oc a l c u l a t et h eh u r s tp a r a m e t e ro ft h el r d t r a f f i c ac o n c l u s i o ni sd e r i v e d t h a tt h eh u r s tp a r a m e t e ro ft h ea g g r e g a t e df l o w si sd e t e r m i n e db yt h eh u r s t p a r a m e t e r so f c o m p o n e n tf l o w sa n d t h e i rs h a r e s m u l t i s e r v i c e sc a l la d m i s s i o nc o n t r o l ( c a c ) i st h ec o r eo ft h ea d m i s s i o nc o n t r o l l o o pa na d m i s s i o nc o n t r o lm o d e la n dc o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h m sa r ep r o p o s e db yw a y o f t h ei n t e g r a t i o no f p a r a m e t e rb a s e dm o d e la n dm e a s u r e m e n tb a s e dm o d e l e m p h a s i s i sp l a c e do nt h ee v a l u a t i o no fl r dt r a f f i ce q u i v a l e n tc a p a c i t ya n daf u z z yl o g i c c o n t r o la l g o r i t h mi sp r o p o s e db a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ef o u rf a c t o r sa f f e c t i n gc a c t h r e ea d m i s s i o nc o n t r o lp o l i c i e sa r ei n t r o d u c e d t h e ya r et h er e s o u r c ep o l i c y , t h e r e q u e s tp r i o r i t yp o l i c ya n dt h er e s e r v a t i o np o l i c y t h ed e c i s i o nm a k i n gp o l i c yt a b l e s a r et h e nd e d u c e d f u r t h e r m o r eat w o - s t e pa d m i s s i o nc o n t r o ls c h e m ew i t ha d d i t i o n a i a l l o c a t e dr e s o u r c e si sw o r k e do u t ，w h i c hg e t sr i do f t h et r a d i t i o n a la c c e p f f r e j e c tb i n a r y l i 南京邮电大学博士学位论文 c o n t r o lm o d eu n d e rc e r t a i nc i r c u m s t a n c e s ，t h er e s o u r c ea g e n t ( r a ) c a ns e n da r e q u e s tt ot h eu p p e r l a y e rr e s o u r c em a n a g e r ( r m ) f o ra d d i t i o n a lr e s o u r c e s a c c o r d i n gt ot h ea b o v et w o s t e pc o n t r o ls h e m e ，at w ol e v e lb a n d w i d t hb r o k e r ( b b ) i n v o l v e dq o sc o n t r o la r c h i t e c t u r ei sp r o p o s e d ，w h e r et h eb b sa r ei m p l e m e n t e d u s i n gr aa n dr m t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h er e s o u r c ec o n t r o ll o o pa n dt h e a d m i s s i o nc o n t r o ll o o pi sa c h i e v e dt h r o u g ht h ei n t e g r a t i o no fd i s t r i b u t e dc o n t r o la n d c e n t r a l i z e dc o n t r o li nt h i sw a yt h ed y n a m i cn e t w o r kr e s o u r c ea d j u s t m e n ti ss u p p o r t e d as l i d i n gw i n d o wa n ds l i d i n gp o i n t e rb a s e da l g o r i t h mi s p r o p o s e dt ot r i g g e rt h e a d d i t i o n a lr e s o u r c er e q u e s to rw i t h d r a w a la n daf u z z yl o g i ca l g o r i t h mi sp r o p o s e dt o c a l c u l a t et h es i z eo fr e q u e s t e do rw i t h d r a w e dr e s o u r c eb l o c kt h ea l g o r i t h m sc a r l a d j u s tt h er e s o u r c ea l l o c a t i o na d a p t i v e l ya c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tn e t w o r kl o a ds t a t u s ， t h er e s o u r c eu t i l i z a t i o nr a t i oa n dc a l l a c c e p t i o nr a t ec a nb es i g n i f i c a n t l ye n h a n c e d w i t hl i m i t e dp r o c e s s i n go v e r h e a di n c r e a s e t h em o d e l sa n da l g o r i t h m sp r o p o s e di nt h i sp a p e ra r ce m u l a t e du s i n gn s 2a n d m a t l a bt h es i m u l m i o nr e s u l t sh a v es h o w nt h a tt 1 1 er e s r e a c hr e s u l t sa r ev a l i d r e a s o n a b l ea n dw i t hs a t i s f a c t o r yp e r f o r m a n c e u l 南京邮电大学博士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 传统i p 网络的设计思想是为所有人、所有应用提供平等的服务，因此它只 能提供单一的b e s t e f f o r t 服务，无法保证时延、时延抖动、分组丢失率等对于 电信级业务来说至关重要的服务质量。九十年代前期占主导地位的a t m 虽然有一 整套完整的q o s 机制，但是它基于的是面向连接的控制技术，尽管可以借鉴，却 无法简单地移植到无连接的i p 网络中。因此，如何在i p 网络中提供多业务q o s 的问题己成为信息业界的热点研究课题。 另一方面，通信网以v o l p 为突破口正加速向i p 分组化方向演进特别是一 些新兴运营商，随着电信市场的开放，更是将主要力量放在以i p 为基础的网络 建设上。但是，无论是什么网络，当前盈利的主要来源仍然来自于话音业务，用 户对于话音通信具有很高的质量要求，因此要使i p 技术在通信网应用中获得成 功，其关键在于能否提供令用户满意的服务质量。目前，我国正在大力研究软交 换技术，试图以此作为下一代通信网演进的基础控制技术，并已开始在全国范围 内进行试验，其试验力度和计划部署的规模是任何一个国家所没有的。从技术上 来说，软交换组网能否成功的个关键也在于i p 网络的q o s 问题能否得到解决。 任何通信业务都是端到端的，因此通信网络的q 0 s 自然也具有端到端的性质 其最终性能将由端到端通路上服务质量最低韵部分所决定。对于通信网来说，按 水平分割可分为接入网和核心网两大部分，核心网和接入部分都可能限制q o s 的提高。因此，i pq 0 5 应该综合考虑接入段和核心段，提出整体解决方案。目 前大部分的o o s 技术侧重于考虑核心网，忽略边缘接入控制和用户驻地网的资 源分配，所以有必要将接入和核心部分结合起来深入研究q o s 技术。 不同类型的业务有不同的o o s 指标要求，相应要求采用不同的编码技术和预 留不同容量的资源，从而映射到传送层要求有不同的承载特性。由此可知，一个 实际可用的q o s 解决方案应该综合考虑从业务层、会话层到传送层各层的相互作 用和映射。目前的q o s 技术大多是针对传送层提出的，所以，有必要按照多层结 构模型深入研究o o s 技术。 i 南京邮电大学博士学位论文 目前广为应用的d i f f s e r v 技术，实际上只是一种基于相对优先级的分组传 送技术，其最大的优势是具有良好的可扩展性，但是单独采用此项技术并不能保 证业务确定的o o s 指标，其前提是必须根据业务量预测预留合理数量的资源。 因此，一个行之有效的q o s 解决方案必须综合考虑管理平面的资源配置、控制平 面的资源动态分配和用户平面的分组分类传送。所以，有必要综合各个平面的功 能深入研究q o s 技术。 另外一个十分重要的问题是，即使所提出的o o s 方案考虑十分周全，由于网 络业务流量变化的不可预测性，总是会出现局部拥塞的可能性。因此，一个健壮 的q o s 技术必须具有检测拥塞，并在出现拥塞或将要出现拥塞时采取规避措施。 目前m p l s 技术从原理上来说，可以支持话务量工程，但是支持话务工程的实际 产品部署还不多，也少见文献报道技术实现方案。此问题的解决不可能有标准规 定，必须由各厂商自行研究，形成自己的技术。所以，有必要对此进行深入的研 究。 综上所述，尽管i pq o s 问题已有众多学者进行研究，也已提出不少方法和 技术标准，但是尚无完善的整体解决方案，离实际应用的要求还有相当的距离。 因此，非常有必要对此课题进行深入的研究，提出自己的解决方案。此研究不但 有理论意义，而且有现实的实用价值。 1 2 研究目标 本研究课题来源于二期中兴基金项目：“i p 通信网q o s 控制结构与算法研究” 和“q o s 的框架研究与仿真”。课题研究的目标是综合考虑i p 接入网和核心网， 提出多业务i p 通信网络端到端的o o s 网络结构和控制算法，为我国部署以i p 为核心的下一代网络( n g n ) 提供技术基础。 1 3 研究内容 课题研究涉及的技术面比较广。经过前期研究，作者所在项目组确定在传送 层将采用m p l s 作为基础网络，综合i e t f 的i pq o s 技术、n g n 的网络结构和i t u t 的信令控制技术提出解决方案。项目组的具体研究内容包括： 基于i d p l s 的流量工程技术； i 南京邮电大学博士学位论文 基于r s v p 和c o p s 的信令机制； 基于w f q 和p q 结合的分级调度策略及实现技术； r e d 队列参数配置： 基于测量与参数模型结合的接纳控制技术； 基于分布式船( b a n d w i d t hb r o k e r ) 和集中式明相结合的控制技术： 排队网络的时延计算； 网络传输性能评价模型。 本文将着重突破以下几个业界尚未解决的关键问题： 提出端到端q o s 的分层控制网络结构，该结构将充分考虑与基于软交换 的的结合； 业务流的长程相关性及其参数检测： 基于模型和基于测量相结合的接纳控制技术； 分布式b b ( b a n d w i d t h b r o k e r ) 控制结构和技术。 ，1 4 研究方法 本文的研究采取研发结合、技术综合和仿真评价相结合的策略。 研发结合：由于本文具有明确的应用前景，因此必须十分重视理论研究 与技术开发的密切结合，并积极寻求和国内信息业界的合作，保证课题研究的学 术水平和实用价值。 技术综合：充分借鉴和结合已有的网络模型、控制协议和分布式控制技 术，提出高效、灵活、可靠的多业务q o s 网络控制结构、实现技术及其关键算法。 仿真评价：仿真是一种重要的研究手段，它可以预演网络系统的运行过 程，进而进行仿真试验研究，验证模型和算法的有效性，从而可节省大量的资源 和费用。 本研究的步骤及流程如图1 1 所示。 墨 南京邮电大学博士学位论文 图1 i ：研究流程图 1 5 论文研究的创新点 论文研究的创新点主要有以下四个方面： ( i ) 提出了一种基于重叠模型的端到端q o s 控制结构，给出了包括服务 等级规范( s l s ) 定义、业务流分类和控制结构三个层次的端到端q o s 处理流程。 从控制论的角度出发，将q o s 控制结构划分为三个控制环：服务控制环、资源 控制环和接纳控制环。 如前所述，i pq o s 问题涉及多个层次和多个平面，必须采用多层次技术的 综合才能有满意的解决方案。目前已有研究大多局限于网络资源层的配置和控 4 南京邮电大学博士学位论文 固1 一i ：研究流程图 1 5 论文研究的创新点 论文研究的创新点主要有以下四个方厩： ( 1 ) 提出了一种基于重叠模型的端4 端q o s 控制结构，给出了包括服务 等级规范( s l s ) 定义、业务流分类和控制结构三个层次的端到端q o s 处理流程。 从控制论的角度出发，将q o s 控制结构划分为三个控制环：服务控制环、资源 控制环和接纳控制环。 如前所述，i pq o s 问题涉及多个层次和多个平面。必须采用多层次技术的 综合才能有满意的解决方案。目前已有研究大多局限于网络资源层的配置和控 综合才能有满意的解决方案。目前已有研究大多局限于网络资源层的配置和控 南京郎电大学博士学位论文 制，只考虑水平方向的控制关系，未考虑资源层与网络其他层次垂直方向的相互 关系。作为一个完整的解决方案，q o s 必需考虑各个层次之间的有机联系，从会 话通信的全过程出发，提出一个分层控制的网络结构。根据论文提出的模型，可 以得出层次之间交互的垂直控制结构，包括垂直接口、信令和控制过程，同时可 清晰地给出q o s 控制和呼叫控制以及边缘接入控制的关系。 ( 2 ) 在深入分析网络流量长程相关性的基础上，采用分形布朗运动模型进 行流量长程相关性建模，提出了一种改进的基于小波分析的h u r s t 参数检测算法， 并由此得出结论：汇聚流的h u r s t 参数应取决于各成分流的h u r s t 参数及其所占 的份额。 ( 3 ) 提出了一种由参数模型和测量模型相结合的接纳控制模型和算法，重 点研究并提出了长程相关流量等效带宽的模糊化控制算法，并根据对影响接纳控 制的四个因素的分析，提出了接纳决策的三项策略：资源策略、请求优先级策略 和预留函数策略，给出了决策策略表。论文研究突破了以往接纳控制简单的接纳 拒绝二元决策模式，采用基于追加资源的二次接纳控制的思想，在一定条件下， 可由资源代理( r a ) 向上级资源管理器( r m ) 请求增加资源。 接纳控制是q o s 控制的关键技术，它的难点在于既要确保允许进入网络的业 务流的服务质量，又要获得较高的网络资源利用率。这两个目标实际上是相互制 约的，尤其在网络流量较大时，必须按照一定的策略作出合理的决策控制。接纳 控制的目的就是根据先验的配置和策略以及实际的网络资源利用度，在两者之间 作出优化判决，其控制的优劣将直接关系到网络q o s 服务的性能。目前，业界提 出的接纳控制算法可以归结为两大类：一类是基于参数模型的接纳控制算法，该 类方法的优势是便于建立各类业务的数学模型，从而对网络资源的使用进行优化 控制，但是由于模型的复杂性，作出的决策往往比较保守，限制了网络资源利用 率的提高。另一类是基于测量的接纳控制算法，该类方法的优势在于其实现简单， 且能根据网络的实际情况作出决策，但是由于网络测量颗粒度和测量反馈及时性 的限制，作出的决策精度往往受限。论文研究将上述两种技术结合起来，提出一 种新的更为有效的接纳控制器结构，并提出相应的接纳算法，在确保所需业务 q o s 的前提下，获得较高的网络资源利用率，并且能自适应地根据网络业务流量 的动态变化调整控制决策。 南京邮电大学博士学位论文 ( 4 ) 提出了由r a 和r m 实现的两级带宽管理器( b b ) q o s 控制结构，通 过分布式控制和集中式控制相结合的方式支持网络资源的动态调整，构成接纳控 制环与资源控制环的交互控制。提出了r a 侧触发资源追n 回收的滑动窗口和 滑动指针算法以及r m 侧确定追加回收资源块大小的模糊逻辑算法，在不显著 增加处理开销的前提下，有效地提高了网络资源利用率和呼叫接纳率。 在d i f f s e r v 域引入b b 管理控制本域资源是一种有效的控制结构，但是目前 业界讨论的b b 都是一个集中的网络控制点，i e t f 建议标准也只是把它作为一个 单一的网络实体定义其功能和过程，并未讨论其实现。在实际网络中，特别是 大规模网络中，若所有的处理都在集中式的b b 中进行，势必增加处理延时，造 成新的网络资源瓶颈。为此，有必要考虑将b b 的一部分功能在边缘路由器实现， 即分布式的明。论文研究提出了分布式髓控制的结构及其实现技术。该结构既 能有效地进行网络资源管理和业务流接纳控制，又具有支持大规模网络应用的良 好的可扩展性。 6 南京邮电大学博士学位论文 2 1 引言 第二章i p 网络q o s 技术概述 随着互联网的飞速发展和网络业务的极大丰富，i p 网络将成为承载多种业 务、服务于多类用户群体的公共信息传输平台。但是由于i p 协议固有的无连接 特性和传统互联网“尽力而为”的服务原则，现有i p 网络无法向用户提供有效 的服务质量保证，也不能实现网络资源的有效监控和利用。近年来，国内外专家 学者和研究机构对i p 服务质量( i pq 0 8 ) 开展了坚持不懈的研究，提出了一系 列的理论和解决方案，但由于i pq o s 的系统性和高度复杂性，目前还没有一个 完善的解决方案。 国际上研究i p 网络0 0 8 技术的主要组织和研究计划有i n t e r n e t 2 、i e t f “1 、 e t s i “、3 g p p qi t u t 5 】、i e e e “和e ui s t “。 2 2o o s 体系结构 当前的i p 服务质量体系结构主要有i e t f 建议的综合服务( i n t s e r v ) 体系“” ”1 和区分服务( d i f f s e r v ) 体系“”“。 1 9 9 4 年，i e t f 提出了“综合服务体系结构”( i n t s e r v ) ，其控制协议为著名 的r s v p “”1 ，其基本思想源于a t m ，控制颗粒度是单个会话流，本质上属于面向 连接的信令技术。虽然r s v p 定义比较完备，并有不少厂商开发了基于r s v p 的产 品，但是出于其控制粒度过细，可扩展性能差，因此没有在核心网络中得到实际 应用。与此同时，i e t f 也定义了i n t s e r v 模型至a t m q o s 的映射规则( r s v po v e f a t m ) 但是此技术只解决了端到端通路中a t m 予网部分的q o s 。而且由于i po v e f a t m 重迭模型本身有许多缺陷，因此该项技术的应用价值十分有限。 1 9 9 8 年i e t f 又提出了新的“区分服务体系结构”( d i f f s e r v ) ，其控制粒度 只是少数几类聚合业务流，无需专门的控制协议，业务流分类工作在网络边缘完 成。基于其良好的可扩展性，该项技术受到业界的普遍认可。现已成为i p 网络 q o s 的主要技术： 南京邮电大学博士学位论文 d i f f s e r v 和i n t s e r v 作为两种主要的q o s 体系结构，得到广大运营商的支持。 i n t s e r v 由于存在可扩展性问题，可以应用于网络边缘的接入网部分；d i f f s e r v 由 于基于业务类，可扩展性好，可以应用于核心网。i n t s e r v 和d i f f s e r v 网络的互 通【“。7 i n _ 供了从接入网到核心网的q o s 保障。 m p l s 技术”。2 铡用显式路由功能大大增强了在i p 网络中实施流量工程的 能力，m p l s 流量工程【4 3 。”可以根据流的服务质量需求选择优化的路由，也能 在m p l s 域内进行负荷均衡，因而在宏观上提供了保障服务质量的基础。 m p l s 提出后，由于m p l s 关于业务流聚合、边缘路由器核心路由器划分等概 念和d i f f s e r v 完全一致，因此在m p l s 网络中部署d i f f s e r v 将是核心i p 网络的 主流技术”“1 。 1 9 9 9 年，i t u t 将网络研究重点转向i p ，确定以i p 为核心的电信网演进方 向。y 1 3 1 0 建议选用m p l s 作为公众网的i p 传送技术，并采用d i f f s e r v 作为网 络q o s 的保障技术。在2 0 0 1 年开始的新的研究周期中，i t u ts g l 6 设立了 m e d i a c o m2 0 0 4 专题研究计划，和s g l 3g i i 研究课题密切合作，研究下一代多 媒体网络框架结构和技术，其中个重要的课题就是多媒体网络的q o s 。但至今 为止尚无实质性研究进展。日前主要的研究结果是i t u ts g l 3 于2 0 0 37 提 出讨论的i p 网络q o s 框架的草案文件。 e t s i 的t i p h o n 研究小组专注于电信阋和i p 网的融合研究，它的研究方法是 提出技术要求和网络结构，选用已有协议和技术，自身并不制订具体的协议或标 准。t i p h o n 关于i pq o s 的研究主要反映为分层结构方案，此思路已提交i t u l 5 6 1 6 ，对于m e d i a c o m - 2 0 0 4 的研究有相当的影响。 i e e e 8 0 2 工作组专注于研究局域网中的印s 问趣，所制订的8 0 2 1 p 标准就是 局域网中实时业务流和动态组播的过滤规范，支持在链路层对不同的业务流类型 进行区分并提供不同等级的服务。与此裙应，i e t f 提出了在接入带宽有限的情 况下，如何将多种业务从宽带用户驻地网接入广域网的研究课题，解决接入带宽 瓶颈的问题。由此提出了带宽管理器的概念，形成了信息性r f c 。 e u i s t 研究计划的t e q u i l a 项目组致力于在d i f f s e r v 网络中提供端到端的 q o s ，提出了管理控制综合模型和相关技术。t e q u i l a 周对考虑业务管理和资源 管理，以及两者的相互联系。另外，对基于m p l s 和i p 技术的流量工程( t e l 嵩 南京邮电大学博士学位论文 也进行了研究。c a d e n u s 项目组则从接入网部分给出了较为清晰的q o s 解决方案。 a q u i l a 从流量处理的角度提出了数据和控制平面的q o s 机制。m e s c a l 则侧重于 考虑多域之间的协同以提供端到端的q o s 。 在此基础上，国内外的研究人员提出了一些q o s 体系结构和控制模型。”“， 但是这些体系结构和控制模型都只是从某个方面( 如数据平面的处理技术、核心 网单域的控制模型) 对如何在网络中提供q o s 进行了探讨，没有将q o s 的提供作 为一个复杂的、动态的、随机的系统性工程，从水平方向和垂直方向予以综合考 虑。 2 3 流量模型及其参数检测 要通过网络向用户提供q o s 保障，理解网络流量特性，建立较为准确的流 量模型是一个必要的前提。传统的基于泊松分布和马尔可夫链的数学模型不足以 描述现在的网络流量特性1 6 q 。近几年来，随着人们对网络流量检测分析发现， 实际的网络流量具有与传统模型所不能表达的统计特性。从1 9 8 9 年到t 9 9 2 年， b e l l c o r e 实验室对其网络上的流量进行了大量的收集和分析，认为实际叠加 的网络流量具有自相似特性和长程相关性【6 “”，网络业务在不同的时间尺度上 具有突发性。同时，从i s d n 网络、广域网、澳大利亚高速数据网f a s t p a c 、 洛桑e p f l 实验室的以太网收集的大量数据以及a t m 网络中传输的视频会议业 务和v b r 视频业务的数据，都显示网络流量自相似特性的存在。这使得对网络 流量进行新的建模和研究这种突发业务对网络的影响成为必要。 自相似业务的突发性使得数据源同时以峰值速率发送数据的概率不可忽视， 这将对网络排队分析、网络设备的设计、流量工程的若干问题( 如接纳控制、带 宽分配、速率控制和复用增益等) 和网络的性能等造成很大的影响。 于是，研究者们提出了一些流量模型以取代原来的泊松分布假设的模型【“ ”j ，其中基于分形布朗运动的流量模型得到了较多的认可。但是这个模型有两个 问题： 模型中包含的参数物理意义不明晰，难以确定其参数取值： 模型中包含过多的时间变量。 流量的属性一般可以用到达过程的三个参数m , c r ，h 来描述。其中m ，口( 平 9 南京邮电大学博士学位论文 均速率和方差) 可以通过测量和统计的方法得到。自相似指数何的估计有多种 方法【7 6 7 ”，如v a r i a n c e t i m ep l o t ，r sp l o t ，w e l c he s t i m a t o r ，周期图法和小 波分析估计法。其中，v a r i a n c e - t i m ep l o t 和r sp l o t 是在l o g - l o g 图上作线性拟 合，h 参数的值通过计算斜率得到，这不仅有拟合的最小方差，而且有由于引 入对数而带来的非线性误差，所以这类估计法的估计方差比较大，并且当被估计 过程存在非平稳性时会得到奇异的估计值。基于f f t 的w e l c h 估计和周期图 法，算法简单，便于计算，但是它必须记录较长的数据，同时由于加窗必然存在 功率泄漏和频率混叠而使弱信号相互被掩盖，分辨率低，不适合处理短数据。基 于小波分析的检测算法 w 通过小波分解弱化数据序列的相关性，可以相对准确 实时地测量序列的自相似指数，但是其算法复杂，执行效率较低。 2 4 呼叫接纳控制 呼口q 接纳控制的基本目的是在确保接纳业务q o s 的前提下，通过动态资源共 享，达到尽可能高的网络资源利用率。其基本思路是实时计算可用网络资源，判 断新流加入后其o o s 指标能否满足，而且先前入网业务流的o o s 是否不受影响， 据此作出接纳决策。接纳控制算法还要尽可能地提高网络资源的利用率。 呼叫接纳控制一般有三种方式：基于申明参数的接纳控制( d b a c ， d e c l a r a t i o n b a s e d a d m i s s i o n c o n t r 0 1 ) ，基于测量的接纳控钼j ( m b a c ，m e a s u r e m e n t b a s e da d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 和端点接纳控制( e a c 。e n d p o i n ta d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 。 对于d b a c l 8 0 , 9 4 , g t ，它是基于控制算法能获知精确的流量特性的基础上，如果实 际流量与申明的流量参数不符合则会大大降低控制算法的性能，从而破坏对业 务的q o s 保证。m b a c 8 “8 5 1 事实上将由用户完成的流量描述功能转交给了网络。 网络的控制模块实时探测网络的负荷状况。这样，用户的流量描述可以更简单， 也不会造成资源的过量分配。但是这会带来测量误差、系统动态性和测量开销等 方面的问题。e a c 8 6 8 9 l 是由端点主机或应用程序发送探测包来获知网络状况。 并据此作出接纳决策，这种方法是基于一种不精确的测量，不能提供严格的端到 端的q o s 保证，此外，大量的探测包还可能会导致网络崩溃，e a c 不是一种有 效的接纳控制算法。 对于算法d b a c ，它存在以下问题： 南京邮电大学博士学位论文 难以用参数或模型准确描述业务数据流的特性； 即便对业务数据流进行有限的模型表达，为了确保业务的q o s ，c a c 算法 只能按最差情况来分配资源，因而降低了网络资源利用率； 由于业务数据流在网络内可能被整形、管制或排队等，业务漉特性可能 与初始参数不相符合： 作为丌环控制，不可避免地会存在稳定性问题。 对于m b a c ，它也存在如下一些问题： 监测要占用网络资源，为此必须合理确定监测统计量，以降低网络开销； 测量过程存在误差； 测量过程存在时延滞后； 测量窗口参数难以确定。 于是很自然地，学者们又想到了将m b a c 和d b a c 两种方式结合起来 9 1 , 9 2 ， 但是在这种结合中，测量值与模型参数值各自的角色没有得到清晰的说明，测量 所具有的特殊功能也没有能充分体现出来。测量结果不仅是一个数值，更反映了 一种网络状态。此外，对于多业务网络的接纳控制，仅仅考虑模型参数和瞬时的 测量结果是不够的。 对呼叫请求进行接纳控制是保证业务服务质量( q o s ) 的重要手段之。为 此，接纳控制算法至少需要获知三个参数：请求的资源、当前的负荷状态和可控 制的资源总量。请求的资源可以用令牌桶参数、峰值速率和q o s 性能参数来描 述，可控制的资源总量由链路物理容量和网络配置算法确定。等效带宽是描述当 前负荷状态的有效方法i 硎。 最近的研究表明f 6 0 ”，网络流量往往星现出自相似，其中部分流量( 如v b r 、 w e b 、f t p ) 还在很大的时间尺度上具有长程相关性( l r d ，l o n gr a n g e d e p e n d e n c e ) 。传统的等效带宽计算8 型m 3 ”】太都没有考虑流量的长程相关特性， 往往低估了在突发时期的流量，从而恶化网络传输性能。i n o r r o s t 9 5 9 ”提出了基 于分形布朗运动的等效带宽计算模型。该模型能较为准确地描述网络资源需求， 但是该模型有如下两个缺陷： 该模型是经历多次近似处理的结果，不能精确反映资源需求： f 的取值反映了等效带宽计算的精细程度，而现有算法对g 的取值均带 南京邮电大学博士学位论文 有很大的随意性和试验性。 2 5 分布式资源控制模式 为了满足端到端的性能要求，d i f f s e r v 域必须控制网络带宽资源的分配和网 络流量的分布。这种控制可以通过两种方式实现：( 1 ) 由个体独立完成；( 2 ) 通 过代理完成。由个体独立完成控制功能易于实施，但难以实现全网同步，因而引 入了带宽代理( b b ) 。”“，以集中管理和控制d i f f s e r v 域的带宽资源。 引入的b b 负责域内和域间的资源管理和流量控制。对域内控制而言，b b 接受q o s 请求，并根据资源容量和资源使用策略分配域内资源；在域问，b b 负 责建立和维护与邻域的s l a ，以保证对域间流量的处理符合q o s 要求。 但是这种每个域配置一个b b 的控制模式仍然没有解决提供q o s 保障的问 题。这种控制模式必须面对两个问题： 对于大量的资源请求，若边缘路由器都将资源请求转交给集中式的b b 进行处理，势必增加了网络处理开销： 即便不考虑这种开销，对于每次呼叫，b b 都进行一系列的查询、计算， 很难满足业务流的实时性要求。 因此，研究人员提出了一种分布式的控制模式”。，其基本思想是集中式 b b ( c b b ) 维持全域的链路信息，分布式b b ( e b b ) 维持相关路径信息，对于 到达的资源请求，改由相应的分布式b b 进行处理，当e b b 资源不够时，再向 c b b 请求追加资源，c b b 对全域资源进行动态优化控制。一种比较好的思路是叫 ”“，对于e b b 向c b b 提交的每次追加资源请求，c b b 根据计算分配一块资源给 e b b ，而不是请求多少分配多少。这样就避免额外的处理开销。但是这种控制模 式还有以下两个问题没有解决： 每次由e b b 分配给e b b 的一块资源应该是多少，是否应该与当前的网络 资源状态相关： 分配的资源应该何时收回? 2 6 综合评析 如何提供q o s 保障，前人已经做了大量的卓有成效的工作。笔者认为，在 1 2 南京邮电大学博士学位论文 今后的研究和产业化进程中，可继承以下成果： 在接入网部分，采纳i n t s e r v r s v p 的模式提供该部分的q o s ； 在网络核心，采用d i f f s e r vo v e r m p l s 的模式提供核心网络的q o s ： 在端到端的路径上，将网络按照某种规则划分成若干个域，每个域有一 个集中式的控制实体和若干分布式的控制实体： 对呼叫进行接纳控制是保证业务流q o s 的重要手段： 基于分形布朗运动的流量模型能比较准确地反映流量实际运行状态。 当然，q o s 的提供是一个系统性的工程，目前而言，还有很多工作要做，本 文将着重解决以下几个问题： q o s 控制模型； 流量模型的建立及其参数检测； 多业务接纳控制模型和算法的建立( 包括等效带宽的计算) ； 动态资源控制算法。 南京邮电大学博士学位论文 第三章基于重叠模型的q o s 控制结构 3 1 引言 网络运行只有工作于受控状态，才能按照期望的服务质量提供所需的服务。 现有的网络基本上处于一种无序的竞争使用状态，本章将研究如何让网络运行于 受控状态，它包括控制结构和摸型的建立、控制信令与控制沆摇等。 3 2 端到端q o s 控制结构 端到端的q o s 体系结构是垂直方向上的分层控制与水乎方向的多域控制相 互协调和配合的结果。n g n 根据业务和传输分离的思想将网络分为业务层和传 输层，如图3 一i 所示。业务层和传输层又分为管理平面、控制平面和用户平面。 圈3 - i 网络分屡和功能平面分层示意图 端到端的q o s 控制系统是由许多独立的管理域组成，如图3 2 所示。由于 这些管理域是分别在端用户、业务提供商和网络运营商的控制之下，于是域可以 分为： 端用户域( e n d - - u s r e r d