（计算机科学与技术专业论文）上下文感知自治网络中队列管理机制的研究与仿真.pdf

独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，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，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：螽整 日期： 丝i 旦：主：! 导师签名： 箜妇 日期： 纠2 ：! ! 12 参 ， 北京邮电大学硕士学位论文上下文感知自治网络中队列管理机制的研究与仿真 上下文感知自治网络中队列管理机制的研究与仿真 摘要 随着i p 网络承载的业务逐渐增加、规模日益增大，i p 网络架构 的弊端也逐渐突现，迫切需要对其进行改进。越来越多的学者试图展 开对新型网络体系架构的研究。自治网络作为新型网络研究的方向之 一，正在受到越来越多的关注。 网络中新出现的应用对服务质量的要求越来越高，因而在网络中 采用拥塞控制机制显得越来越重要。主动队列管理作为在路由器上支 持拥塞控制的主要机制，得到了广泛的研究。但是已有的大部分队列 管理机制只是针对t c p 协议进行设计，不适用于使用u d p 协议的应 用。网络拥塞造成的丢包对使用u d p 协议传输的多媒体应用影响严 重。因为在网络层，u d p 没有拥塞控制机制，发送端不能获知网络 拥塞的发生，依然以原速率发送数据，造成了大量数据的丢失。 目前，很少有研究试图使用路由器的队列管理机制来支持多媒体 应用的服务质量。而且多媒体业务所需带宽较大，这对资源受限易丢 失分组的无线环境构成了挑战。为了向无线环境下的多媒体应用提供 更好的服务质量，我们研究并提出了一个上下文感知自治网络的队列 管理机制一一自治主动队列管理机制( a u t o n o m i ca c t i v eq u e u e m a n a g e m e n t ，a a q m ) 。通过使用感知到的业务上下文和网络上下文 信息，来自适应地进行缓存队列的分配和丢包操作，为接收端用户提 供更好的感知视频质量。 关键词自治网络服务质量队列管理拥塞控制 第1 页 第1 i 页 r e s e a r c ha n ds i m u l a t i o n o fq u e u em a n a g e m e n t m e c h a n i s m i nc o n t e x t - a w a r ea u t o n o m i cn e t w o r k a b s t r a c t w h i l et h eq u i c k l yi n c r e a s e m e n to fn e t w o r ks e r v i c e sa n dr a p i d l ye x p a n s i o no f n e 帆f ks c a l e ，t h ed r a w b a c k so fn e t w o r ka r c h i t e c t u r ea r ea l s ob e c o m i n go b v i o u s s o t h e r ei sa nu r g e n tn e e dt oi m p r o v ei t m o r ea n dm o r er e s e a r c h e r sh a v et r i e dt oc a r r y o u tr e s e a r c ho nn e wn e t w o r ka r c h i t e c t u r e a so n er e s e a r c hd i r e c t i o no f n e wn e t w o r k 砌i t e d i l r e ，a u t o n o m i cn e t w o r kh a sb e e nr e c e i v i n gm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n e m e r g i n gn e t w o r ka p p l i c a t i o n s r e q u i r e m e n t s o fq u a l i t yo fs e t v l c e a r e i n c r e a s i n g l yh i g h ，s oi ti si n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tt ou s ec o n g e s t i o nc o n t r o lm n e t w o r k a sam a i nm e c h a n i s ms u p p o r t i n gc o n g e s t i o n c o n t r o la tr o u t c r s ，a c t i v eq u e u e m a n a g e m e n to b t a i n e d r e s e a r c hw i d e l y h o w e v e r , t h em a j o r i t y o fa c t i v eq u e u e m a n a g e m e n tm e c h a n i s mh a sb e e no n l yd e s i g n e df o rt c p , a n d d o e sn o ta p p l yt ot h e u s eo fu d ep a c k e tl o s sc a u s e db yn e t w o r kc o n g e s t i o nh a s s e v e r ea f f e c to nt h e m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n su s i n gu d pp r o t o c 0 1 u d pd o e s n th a v ec o n g e s t i o nc o n t r o l m e c h a n i s ma tt h en e t w o r kl a y e r , t h et r a n s m i t t e rc a nn o tb ei n f o r m e do f t h eo c c u r r e n c e o fc o n g e s t i o na n ds t i l ls e n dd a t aw i t ht h eo r i g i n a lr a t e ，r e s u l t i n gi nal a r g en u m b e ro f d a t al o s s t h e r e f o r e ，t h ec u r r e n tq u e u em a n a g e m e n tm e c h a n i s mc a nn o te f f e c t i v e l y s u p p o r tt h eq u a l i t yo fm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s a tp r e s e n t ，f e wr e s e a r c h e r ss t u d yt h eq u e u em a n a g e m e n tm e c h a n i s mt os u p p o r t m u l t i m e d i as t r e a m i n g sq u a l i t yo fs e r v i c e t h eb a n d w i d t hr e q u i r e df o rm u l t i m e d i a 第n 页 北京邮电大学硕士学位论文上下文感知自治网络中队列管理机制的研究与仿真 s t r e a m i n gi sw i d e ，i ti sac h a l l e n g ef o rt h ew i r e l e s se n v i r o n m e n tt os u p p o r tm u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n s ，w h e r et h ep a c k e ti se a s yt ol o s sa n dt h er e s o u r c ei sc o n s t r a i n e d i no r d e r t op r o v i d eq u a l i t yo fs e r v i c ef o rm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n si nw i r e l e s se n v i r o n m e n t ，w e s t u d ya n dp r o p o s eaq u e u em a n a g e m e n tm e c h a n i s mb a s e do nc o n t e x ta w a r e ，n a m e d a a q m ( a u t o n o m i c a c t i v eq u e u em a n a g e m e n t ) i ti sc a p a b l eo fa d a p t i v e l ya d j u s tt h e p a c k e tl o s so p e r a t i o nb yt h ep e r c e i v e dn e t w o r ka n ds e r v i c ec o n t e x ti n f o r m a t i o n ，t o p r o v i d eb e t t e rp e r c e i v e dv i d e oq u a l i t y k e yw o r d s ：a u t o n o m i cn e t w o r k q o s a c t i v eq u e u em a n a g e m e n t c o n g e s t i o nc o n t r o l 第1 i i 页 北京邮电大学硕士学位论文 自配置自调整：根据网络上下文和业务上下文信息，自动配置机制中所 使用的参数。例如自适应地调整队列管理算法中的丢包率的值。当链路 带宽的使用和队列缓存的占用较大，网络拥塞程度较严重时，所计算出 的丢包率的值应相应增大；反之，链路带宽和队列缓存资源较充足，网 络轻载时，丢包率的值减小。而且，根据视频应用中分组对视频质量的 重要性的不同，对每个到达节点的分组所对应的丢包率也应根据其重要 性配置调整成不同的值。 自治网络实体的各种自治属性都是以自治控制环的形式来实现的。控制环在 结构上分为收集、分析、决策和执行四个步骤。自治控制环的结构如图3 1 所示： 图3 1 自治控制环 第1 1 页 北京邮电大学硕士学位论文上下文感知自治网络中队列管理机制的研究与仿真 3 3a a q m 的概要设计 在c a a n m 项目的研究中将网络中的控制平面划分为四个等级，从高到低 分别为网络级、节点级、功能级和协议级，由属于控制平面中各个级别的不同的 决策实体( d e c i s i o ne l e m e n t ，d e ) 来分别实现不同范围内的控制功能。 网络级决策实体主要实现对全网范围内或是部分网络范围内的性能调 节和控制，根据网络的上下文信息做出一个网络范围的控制策略之后， 将决策发送给相应的节点级决策实体执行； 节点级决策实体的控制范围小于网络级决策实体，其主要管理本节点内 部的控制策略的决定和执行，根据网络级决策实体传递过来的策略信 息，结合当前节点的上下文信息，执行适合于本节点当前情况的策略信 息，并将其向下传送给下一级的功能级决策实体； 功能级决策实体的管理范围则更加受限，通常是针对节点内部的某一功 能进行调节，如根据上下文信息选择最适用于当前情况的实现该决策实 体所管理的功能的协议，以及制定这些协议的调整策略； 最后，协议级决策实体会根据上层决策实体发送过来的策略信息，将其 转换成针对协议的具体的参数信息，并对协议进行相应的调整。 当网络的范围进行扩张或者是需要添加新的网络功能、网络协议的时候，只 需要添加相应的决策实体或是对网络架构中少量已有的决策实体进行修改即可 完成，而不需要大量的重构已有的决策实体，通过这种方式为网络的可扩展性提 供了支持。 对于自治网络中的每个节点，q o s 机制的自治属性主要集中体现在功能级和 协议级上。因此，本课题的服务质量研究重点关注在功能级和协议级上。其中， 功能级q o s 机制的实现是根据网络节点所在的网络上下文环境变化，来执行不 同的q o s 策略，从而保证整个自治网络的q o s 。协议级q o s 机制的实现则是对 具体的q o s 机制参数进行动态配置和调整，以适应不同的网络状况。 在网络的协议层，根据d i f f s e r v 网络架构所需要的基本功能，将需要实现的 协议策略划分为分类、标记、队列管理和队列调度四类。在网络的功能层，设计 一个q o sd e ，用于管理下层协议级相关决策实体的协作调度。其中，每个d e 中含有一个自治控制环，控制环分为收集、分析、决策和执行四个步骤。上级决 策实体作出的决策结果用于指导下级决策实体的决策，下级决策实体的执行结果 也可向上级决策实体进行反馈，来影响上级决策实体的决策的制定，同级的决策 第1 2 页 北京邮电大学硕士学位论文上下文感知自治网络中队列管理机制的研究与仿真 实体之间也可进行信息的交互协作，用以优化决策。下面图中给出自治节点内部 的q o s 框架设计，如图3 - - 2 所示。 fi j 弼 静：畔。灞 氇玩缓兹勰教瓣獭测 图3 2 自治节点内部q o s 框架 上图q o s 框架中的上下文信息，包括网络和业务相关的信息。依照d i f f s e r v 框架的组成，将q o s 协议级策略分成分组分类、分组标记、队列管理和队列调 度四部分。每一部分部署多种相关的机制算法。o o s 功能的决策实体将依据上下 文信息和上层的决策决定调用执行其中的一种下层策略。我们向队列管理策略中 扩展了a a q m 模块。 自治网络原型的协议级部署了多种协议级q o s 机制。本文设计的自治网络 队列管理机制是在网络原型中添加了一个新的协议级机制，我们将用a a q m _ d e 和a a q m 算法表示。a a q md e 即一种协议级自治队列管理决策实体，属于控 制平面，而a a q m 算法是属于数据平面的实现算法。这个协议级q o s 机制能够 根据网络上下文和业务上下文信息对协议参数进行自适应地配置和调整，来优化 网络的性能。 上下文感知操作的目标是让系统能够根据感知到的上下文信息，来自动适应 环境和业务需求的变化。在c a a n m 项目的研究中，将上下文分为业务上下文 和网络上下文两大类。其中，业务上下文指客户需求、业务状态、业务特征等与 业务相关的信息。网络上下文指网络状态、网络特征等信息。 自治队列管理机制的决策实体( a a q md e ) 和a a q m 算法的结构如图3 3 所示： 第1 3 页 北京邮电大学硕士学位论文上下文感知自治网络中队列管理机制的研究与仿真 图3 - 3 a a q md e 内邢视图 a a q m 作为协议级，使用上层的的自治行为和感知到的上d e d e q o sd e 下文信息作为输入。如果上层的自治环决定即用自治队列管理( a a q m ) 协议级 机制，则使a a q md e 处于激活状态，然后根据上下文接口输入的感知的网络 上下文和业务上下文，判断网络的拥塞程度和到达分组的优先级和重要程度，自 适应地调整和配置机制中的参数，最后调用协议算法执行相应的操作。 我们向队列管理中引入了自治机制。自治机制是通过自治反馈控制环的形式 来实现的。而这个控制环建立在上下文感知的基础之上。我们所使用的上下文信 息包括网络上下文和业务上下文信息。综合分析这些信息来动态配置和调整队列 管理的丢包操作。 自治特性的实现是以自治反馈控制环为基础的。自治队列管理机制决策实体 ( a a q md e ) 内部运行着自治反馈控制环。控制环分为收集、分析、决策和执 行四个步骤。自治队列管理协议级控制环中各步骤定义如下： 收集：获取实时网络的拥塞状态信息和分组包含的业务特征信息，分别 被称作网络上下文和业务上下文信息； 分析：分析网络的拥塞程度和分组的优先级和重要程度； 决策：决定机制中参数应配置的值； 执行：执行相应的机制参数配置、分组入队列、出队列和丢包操作； 自治环的执行结果，改变了网络的状态信息。新的网络状态信息，又作为之 后的网络上下文信息，影响着下一轮的控制环的操作。 自治的队列管理机制以这个自治反馈控制环为基础，通过感知的网络上下文 和业务上下文信息，自适应地调整和配置自身的操作，自动适应环境和业务需求 的变化，优化网络提供的服务。 第1 4 页 北京邮电大学硕士学位论文 上下文感知自治网络中队列管理机制的研究与仿真 3 4 自治网络系统 我们首先描述一下上下文感知自治网络中各节点针对业务流进行的操作色。 视频特征信息 图3 - 4 自治网络系统 在图3 4 所示的上下文感知自治网络系统中，先由业务源端对视频流区分分 组优先级，确切的说是语义优先级，并在网络层封装时进行预标记处理；当视频 分组到达区分服务d i f f s e r v 网络入口时，由入口边缘路由器将预标记的语义优先 级映射成网络优先级：当其它分组到达d i f i s e r v 网络入口时，由入口边缘路由器 使用标记算法来标记出分组的丢弃优先级；队列管理机制根据分组业务类型映射 到不同的出口队列中。如果是视频分组，按照网络优先级将其对应到不同丢弃优 先级的逻辑子队列中；根据感知到的业务上下文信息和网络上下文信息对队列进 行操作管理，保证业务流中具有高优先级、较重要的分组能够顺利传输。 业务流分组经过网络中各节点时经历的操作如下： ( 1 ) 视频业务的源端主机采用跨层的设计方法，对需要传输的视频流分组 进行预标记处理。预标记将记录视频流的业务上下文信息，包括业务类型、语义 优先级和视频编码产生的各种特征信息。业务类型和语义优先级信息记入d s c p 字段，而视频编码产生的各种特征信息在i p v 4 分组的“选项 字段或i p v 6 分组 的“逐跳选项分组头”定义若干字段来分别记录，以使分组路径上的所有节点都 能获取这些业务上下文信息；如果不是视频业务，只需将业务类型记录到d s c p 的c s 值中； 第1 5 页 北京邮电大学硕士学位论文 上下文感知自治网络中队列管理机制的研究与仿真 ( 2 ) 当视频流分组到达区分服务d i f f s e r v 网络边缘时，入口边缘路由器先 将预标记的d s c p 中的语义优先级映射到网络优先级，使用标记操作重置d s c p 字段的后三位，即d s c p 的后三位的网络优先级决定了视频分组的丢弃优先级； 如果不是视频流分组，则使用普通标记算法标记其丢弃优先级，标记使用d s c p 的第4 位和第5 位，d s c p 的第6 位为o ； ( 3 ) 入口边缘路由器根据分组头中相应的网络优先级字段将分组对应到该 业务队列的相应丢弃优先级中。针对d i f f s e r v 网络的核心路由器的队列管理同样 使用网络优先级来将分组映射到不同的丢弃优先级中。 ( 4 ) 路由器节点依据分组业务上下文( 业务类型、网络优先级和视频编码 特征信息) 和网络上下文信息进行队列管理操作；整个队列管理机制运行过程是 通过队列管理自治控制环的自治运行实现的。 我们的队列管理机制中引入了自治机制。自治机制是通过自治反馈控制环的 形式来实现的。而这个控制环是建立在上下文感知的基础上的。我们所使用的上 下文信息包括网络上下文和业务上下文信息。利用这些信息来动态配置和调整队 列管理的丢包操作。 3 4 1 源端的预标记操作 在m p e g 4 格式编码的视频流中，一个g o p 内各个帧由于编码方式不同而 造成其对解码端图像恢复质量的影响不同。m p e g 4 将视频序列编码成三种类型 的压缩帧，分别为i 帧、p 帧和b 帧。i 帧使用帧内编码，能够独立解码。而p 帧和b 帧使用帧间编码方式，解码依赖其它的帧。在接收端，一个帧能够解码 要求其所依赖的所有帧都能够成功解码。每个g o p 内帧数据的重要性比较如下： i 帧是g o p 内所有帧解码的参考帧，i 帧分组的丢失将对整个g o p 有影响，因 此l 帧重要级别最高；p 帧采用前向预测编码，g o p 内越早编码的p 帧被依赖的 越多，因此g o p 内靠前p 帧比靠后p 帧重要；b 帧只影响本帧内容，不会对其 它帧造成影响。然而，b 帧采用预测编码，该帧数据量的大小基本反映了它与前 后预测帧的近似程度。数据量小说明该帧和预测帧比较相似，反之则说明该帧和 预测帧之间差别较大。因此可以近似认为数据量大的b 帧比数据量小的b 帧具 有更高的重要性。所以，每个g o p 内各帧重要性程度由大到小排序，依次为：i 帧，靠前p 帧，靠后p 帧，数据量大的b 帧，最后是数据量小的b 帧。 视频业务流的源端主机执行的预标记过程包括下列操作内容： 对需要传输的视频业务流数据进行分析，将业务流中包含的不同应用类型、 不同重要性的分组区分出来。充分考虑m p e g 4 压缩视频分组帧类型、重要性、 第1 6 页 北京邮电大学硕士学位论文上下文感知自治网络中队列管理机制的研究与仿真 帧之间的依赖性关系，划分视频分组的语义优先级。 在网络层对业务流数据进行封装时，需要将不同业务流类型、视频流分组语 义优先级和视频编码的各种特征信息分别进行预标记。 使用d s c p 字段的前三位来表示业务类别。则最多能够表示8 种业务类别。 i p v 4 分组中使用t o s 字段的前三位，用于表示i p 优先级；i p v 6 分组中使用t r a f f i c c l a s s ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c ef i e l d ，d s ) 字段的前三位称作c s ( c l a s ss e l e c t o r c o d e p o i n t s ，类别选择代码) 的字段。c s 字段( i p 优先级) 的定义参照表格3 1 ： 表格3 i ：c s 字段的定义 c s 字段值 业务类型 1 1 1 网络控制数据，比如路由 1 1 0 网间控制数据 1 0 1语音数据，如v o i p 1 0 0视频流 0 1 1 语音控制数据 0 1 0 数据业务 0 0 l 数据业务 0 0 0 尽力转发服务 其中c s 0 为b e 业务，c s l c s 4 为a f 业务，c s 5 为e f 业务。在路由器 上为每种业务流分别部署出口队列。即为c s 值为5 的语音流部署一个e f 队列； 为视频流部署一个a f 4 队列；为语音控制数据部署a f 3 队列；为数据业务部署 a f 2 和a f l 队列，为尽力转发服务部署一个b e 队列。针对每个到达路由器的分 组，将依据其c s 值表示的业务类型进入相应的出口队列中。而且a f l a f 4 的 分组，将根据d s c p 的后三位来决定丢弃优先级。a f l 一a f 3 分组中d s c p 的后 三位，确切地说第6 比特为0 ，第4 比特和第五比特两位由边界路由器标记设置 丢弃优先级；a f 4 视频分组d s c p 的后三位，由源节点预标记出语义优先级，然 后由入口边界路由器标记映射成网络优先级，来决定对应的丢弃优先级。 a f 业务的丢弃优先级决定了分组在网络拥塞时被丢弃的可能性。为了向视 频流业务提供更好的服务质量，我们为a f 4 视频流业务在源端进行预标记，将 分组的业务类型、语义优先级和视频特征信息标记到分组头的相应字段中。更进 一步准确地区分了视频流内部分组的重要性差别。 参照表格3 2 ，源端根据视频流分组的特征信息，将分组划分为5 个语义优 先级，记为1 ，2 ，5 ，并且将语义优先级索引( p i ，p r i o r i t yi n d e x ) 标记到 分组头d s c p 字段的后三位中。从语义优先级c l a s s1 到c l a s s5 ，视频流分组的 重要性递减。 第1 7 页 北京邮电大学硕士学位论文上下文感知自治网络中队列管理机制的研究与仿真 d s c p 字段 爹 膦 ， i ： l 爹，匀 l y j l _ 一 c sp i视频分组：使用3 b i t 表示语义 网络优先级； 其它分组：使用2 b i t ，x x o 来表 示网络优先级 图3 5d s c p 字段的定义 表格3 2 ：分组优先级映射表 优先级类包含分组 语义优先级索引( p i ) c l a s sl 承载i 帧的分组 o o l c l a s s 2承载g o p 内前部p 帧的分组0 1 0 c l a s s3承载g o p 内后部p 帧的分组0 1 1 c l a s s 4承载g o p 内较大b 帧的分组1 0 0 c l a s s5 承载g o p 内较小b 帧的分组 1 0 1 源端进行预标记处理中，d s c p 标明所封装分组的业务类型( 和视频流语义 优先级) ，例如g o p 内后部p 帧分组对应的预标记d s c p 值为1 0 0 0 1 1 。因为d s c p 共占6 位，业务类型占前三位，所以语义优先级最多可以设置2 3 1 种，即7 种。 在这里，我们将视频流的语义优先级分成5 个级别。 预标记视频分组的语义上下文信息，我们使用分组头中的可用字节来定义业 务流编码产生的特征信息。我们使用口v 4 分组的“选项 ( o p t i o n ) 字段或i p v 6 分组的“逐跳选项头”( h o p b y - h o po p t i o nh e a d e r ) 来定义若干字段，分别承载 视频流业务的特征信息。通过这种方式，分组所经路径上的节点都能够获取视频 分组的语义上下文信息。 视频流业务中的业务特征信息，包括分组承载的帧类型、帧大小、帧序号等 信息，使用f r a m et y p e 、f r a m es i z e 、f r a m es e q 等字段分别记录，我们可以参考 图3 - 6 的预标记视频编码特征信息。 第1 8 页 北京邮电大学硕上学位论文 上下文感知自治网络中队列管理机制的研究与仿真 3 4 2 边界入口节点的标记操作 d i f f s e r v 网络入口边缘路由器对业务源端做的预标记值根据映射关系重置， 具体映射方法参照表格3 ，网络优先级等级可以与语义优先级等级相同，也可以 不同，将值保存到d s c p 的后三位中。将语义优先级索引重置为网络优先级索引。 表格3 3 ：视频分组语义优先级到网络优先级映射表 优先级类语义优先级网络优先级 c l a s sl 语义优先级为1 分组网络优先级m l c l a s s2 语义优先级为2 分组网络优先级m 2 c l a s s3语义优先级为3 分组网络优先级m 3 c l a s sn 语义优先级为n 分组网络优先级i n n 在语义优先级到网络优先级的映射中，m n 队列管理操作的基本思想： 当网络出现拥塞需要丢弃分组时，除视频业务外的其它业务使用传统网络中 的队列管理方法。而对于视频业务，在本发明中选择视频队列中已有的最高丢弃 第2 0 页 北京邮电大学硕士学位论文 上下文感知自治网络中队列管理机制的研究与仿真 优先级队列的最前部的视频分组进行丢弃，而使当前到达的较重要的视频分组进 入自身对应丢弃优先级的队列中，以获得更好的图像恢复质量。选择现有视频队 列中最高丢弃优先级逻辑队列中头部的视频分组作为丢弃目标进行丢弃。 充分使用视频分组携带的业务上下文信息，根据视频分组的重要性来对最大 丢包率进行调整，更好保护重要的视频分组，减少重要视频分组的丢失。 机制参数的自适应调整： 初始设置的针对网络优先级1 ，2 ，n 的分组的最大丢包率分别设为 m a x p1 、m a x p2 、m a x pn ，而且数值依次增大；针对到来的视频分组的业 务上下文对其最大丢包率m a x px 进行调整。网络优先级为l 的视频分组，其对 应的最大丢包率m a x p1 是固定不变的；网络优先级为2 的视频分组，将根据其 业务上下文信息调整最大丢包率m a x p _ 2 的值，调整结果为m a x p _ 2 , 则 m a x pl 自治队列管理操作的具体过程如下： 当视频队列a f 4 的平均队列长度q a 小于t hm i n 时，使当前视频分组进入相 应的丢弃优先级队列，不用选择丢弃目标视频分组。 当视频队列a f 4 平均队列长度q a 大于t hm a x 或实际a f 4 队列长q c 超过队 列最大容量值时，丢弃当前最高丢弃优先级队列中已有的队头分组，而使当前视 频分组按照网络优先级进入相应丢弃优先级队列。 当视频队列a f 4 的平均队列长度在两个门限之间时，根据到达视频分组的 业务上下文信息调整其网络优先级的最大丢包率参数，然后计算丢包率，根据丢 包率丢弃当前最高丢弃优先级队列的队头视频分组，使当前视频分组进入相应丢 弃优先级队列。其中计算所得的丢包率，实际上不是当前视频分组的丢失率，而 是视频队列中已有的最高丢弃优先级第一个分组的丢失率。 3 4 4 队列管理机制的自治控制环 自治队列管理机制的自治控制环包括以下几个阶段： ( 1 ) 收集 收集网络上下文信息( 各业务平均队列长度和实时队列长度等拥塞状况信 息) 收集业务上下文信息( 业务类型、网络优先级、帧类型、帧位置，帧大小 等编码特征信息) ( 2 ) 分析、决策 由业务上下文决定相应配置和调整 根据网络优先级映射到相应丢弃优先级逻辑队列 使用视频编码特征信息调整算法参数m a x pn ( 3 ) 执行 根据调整的算法参数计算丢包率，丢弃目标分组，使当前分组入相应虚拟队 第2 2 页 北京邮电大学硕士学位论文 上下文感知自治网络中队列管理机制的研究与仿真 列 a a q m 算法的自治控制环中的感知、分析、决策和执行等环节如图3 - 7 所 刁： 图3 - 7 队列管理机制的自治控制环 a a q m 机制的伪代码如表格3 - 4 所示，这里的算法部分只说明了a f 4 的视 频队列： 第2 3 页 3 5 无线环境网络系统 在无线环境下，不区分边界与核心节点，操作更加简单。由源节点预标记出 视频分组的业务上下文。直接使用其中的语义优先级决定网络丢弃优先级，不需 要有线网络下边界入口节点的标记操作。无线网络中的业务流程如图3 8 所示： 第2 4 页 北京邮电大学硕士学位论文上下文感知自治网络中队列管理机制的研究与仿真 s o u r c ev i d e o s e q u e n c e 图3 8 无线网络的视频流处理过程 3 6 自治队列管理机制小结 上下文感知的目标是让系统能够根据感知到的上下文，来自动适应环境和业 务需求的变化。在c a a n m 项目的研究中，将上下文分为业务上下文和网络上 下文两类。其中，业务上下文指客户需求、业务状态、业务特征等信息。在自治 队列管理机制中我们使用的业务上下文信息包括，业务类型、语义上下文和视频 编码特征信息。网络上下文指网络状态、网络特征等信息。我们使用的网络上下 文是队列的长度，它在一定程度上反映了网络的拥塞状况。 此次研究的队列管理算法使用业务上下文来决定分组重要程度。业务上下文 信息由源端的预标记操作来记录的分组头中。所使用的视频流编码特征信息包括 视频帧类型、帧相对位置以及帧大小等业务信息。根据这些业务特征信息，能够 为视频分组划分语义优先级，并记录到d s c p 字段中。分组在经过d i f f s e r v 边界 路由器时，由入口边界路由器将视频分组的语义优先级映射成网络优先级。入口 边界路由器可以为其它应用的分组标记出丢弃优先级，同样使用d s c p 字段。在 路由器进行队列管理时，将使用这些感知的业务上下文信息，自适应地调整机制 参数。减少视频流中重要分组的丢失，有效保护视频流的服务质量。 3 7 机制优点 本文研究的基于上下文感知的自治队列管理机制，该机制与现有技术比较有 第2 5 页 第2 6 页 北京邮电大学硕士学位论文上下文感知自治网络中队列管理机制的研究与仿真 4 1 仿真工具 第四章仿真验证 我们使用虚拟机v m w a r e 6 0 安装f e d o r a1 0 版本的l i n u x 操作系统，在l i n u x 操作系统下安装2 3 3 版本的n s 2 仿真工具。并且安装c y g w i n 来进行视频文件的 处理和分析。 4 2 仿真方法 仿真使用网址 3 0 】提供的视频序列，各视频均为4 ：2 ：0 的y u v 格式。操 作参照c h i l l h e n gk e 2 8 】【2 9 】提出的方法，进行m p e g 4 格式编码后将数据置于n s 2 中进行传输，将传输后得到的视频文件与原视频文件进行比较，计算p s n r 值， 并且能够分析其它相关参数。 首先需要扩展n s 2 的代码来支持视频文件的传输。将网址 2 8 】中提供的各代 码文件添加到n s 2 中，而且需要向分组、代理等文件中添加并设置帧类型和帧 号等字段。在c y g w i n 下将源视频文件压缩并封装成分组。将产生的视频分析文 件放入n s 2 中，并运行仿真脚本。接着，在使用c y g w i n 下的命令得到接收端视 频文件，分析丢失错误情况并解码出视频，最后将接收端视频与源端视频比较， 计算出p s n r 值。 4 3 视频性能评价标准 队列管理机制的性能度量有两种，分别为应用层性能和网络层性能。由于网 络层面的指标并不能完全反应用户感知的效果，所以从用户感知的角度对业务质 量的衡量显得越来越重要。网络层性能是从网络的观点评价的，与应用层性能和 用户的感知效果是独立的。网络性能常使用i s o 的标准，例如分组丢失率、可 用带宽、吞吐量和时延等等。然而，应用层的绝度需要的参数就不同了。应用层 性能度量可以描述成主观和客观的参数。客观度量使用的参数，比如p s n r ( p e a k t o p e a ks i g n a l t o - n o i s er a t i o ) ，它与网络层性能参数间不是简单的映射关 系。而主观质量，有由i t u 设置的人们观察跟踪的视频分数等等。 i p 网络中队列管理机制的设计，从质量控制角度出发的需求增加了，而不 第2 7 页 北京邮电大学硕士学位论文 上下文感知自治网络中队列管理机制的研究与仿真 是传统的网络测量的角度。换句话说，人们更希望队列管理能够提高用户感知的 视频质量【1 8 】。因此，有必要从质量控制的角度进行面向视频应用的设计。然而， 当前网络中队列管理机制不能有效支持多媒体应用的质量，还没有对这部分工作 进行设计。 4 3 1p s n r 一个常用的评价视频质量的度量参数是p s n r ( p e a k - t o p e a ks i g n a l t o n o i s e r a t i o ) 。p s n r 是使用最广泛的评价图像质量的客观量测法。p s n r 是将原图像 与解码后的图像逐个像素地进行比较，使用单位是d b 。较高的p s n r 值表示解 码图像与原图像相似度更高。 4 3 2m d i m d i ( m e d i ad e l i v e r yi n d e x ) 是2 0 0 6 年4 月正式发布的r f c4 4 4 5 规范，对i p 视频流的传输质量标识为d f ：m l r ( d e l a yf a c t o r ：m e d i al o s sr a t e ) 。 ( 1 ) d e l a yf a c t o r ( 延迟因素，简称d f ) ：该数值表明被测试视频流的延迟 和抖动状况。d f 的单位是毫秒。d f 将视频流抖动的变化换算为对视频传输和解 码设备缓冲的需求。被测试视频流抖动越大，则d f 值越大。在采样周期中，d f 首先计算在测量点每个口视频数据包到达时间变化。然后与预期的视频流速度 对比得出。采样周期默认为l s 。d f 的数值在每次周期完成后更新。 与一般的网络二、三层抖动( i n t e r a r r i v a lt i m e ) 计算相比，d f 指标是专门 针对媒体流的，他的计算因子是媒体流速率，而不是一般的物理传输速率。因此 它可以很好地被用来评估视频的传输和播放质量。 ( 2 ) m e d i al o s sr a t e ( 媒体丢包速率，简称m l r ) ：m l r 的单位是每秒的 媒体数据包丢失数量。该数值表明被测试视频的传输丢包速率。由于视频信息的 数据包丢失将直接影响视频播放质量，理想情况下的i p 视频流传输要求m l r 的 数值为零。因为具体的视频播放设备对丢包可以通过视频解码中进行补偿或者丢 包重传，在实际测试中m l r 的阈值可以相应调整。m l r = 媒体数据包丢失总数 采样周期，默认采样周期为l s 。由于m d i 指标是正式的r f c 标准，所以被标准 评测机构、运营商和t v 设备制造商普遍认可，是目前应用最广泛的视频质量 评定指标之一。 第2 8 页 与仿真 本项目研究提出的一种基于上下文感知的提高多媒体视频流传输质量的队 列管理算法a a q m ，能够根据多媒体流中视频分组的业务上下文信息划分优先 级，并进一步判断分组在影响整体视频质量方面的重要性，减少对较高优先级、 较重要的分组的丢弃。使用n s 2 仿真并比较了此改进队列管理算法a a q m 、 w r e d 和r e d 算法在传输m p e g 4 视频流时的性能。由于a a q m 增强了对重要 视频分组的保护，我们预期在同样的场景下，a a q m 算法能够得到比w r e d 和 r e d 算法更好的p s n r 值。 4 5 仿真场景 我们使用n s 2 在m a n e t s 场景下进行仿真，分析比较a a q m 、w r e d 和 r e d 算法的性能。队列管理算法部署在无线节点的接口队列上。仿真拓扑中的 5 0 个无线节点在规定的1 0 0 0 x 1 0 0 0 区域内随机移动。我们使用n s 2 提供的随机 路点移动模型( r a n d o mw a y p o i n tm o b i l i t ym o d e ，r w p ) 。 无线节点的接收半径设置为3 0 0 m ，带宽设置为ll m b 。路由使用d s d v 协 议。接口队列最大长度设置为1 0 0 个分组。 仿真中a a q m 、w r e d 和r e d 算法在相同的仿真场景下使用相同的参数设 置。w r e d 使用文献 5 中的方法，将视频分组按照视频帧类型映射到三个优先 级上。 i 固q u e u e r o u t i n g m e s s a g e v i d e o p a c k e t o t h e r d a t a 图4 - 1 多队列的结构及调度 第2 9 页 j j 北京邮电大学硕士学位论文 上下文感知自治