（通信与信息系统专业论文）基于ns的实时仿真平台.pdf

基于n s 的实时网络仿真平台 摘要 随着宽带网络技术以及实时多媒体应用技术( 如流媒体、视频会 议等) 的发展，p 宽带业务多样化和快速增长已成为一个不争的事实， 这对网络性能提出了更高的要求，同时对于网络性能和q o s 技术的 研究也不断深入。多媒体数据( 如视频数据) 业务不仅占用带宽大，而 且具有实时性。由于传统的“尽力而为”( b e s t e f f o r t ) 网络缺乏服务质 量( q o s ) 机制的保障，在当前i n t e m e t 网上支持实时媒体应用日益 成为网络研究的一个重点，为了能在尽力而为的网络上支持多媒体应 用，需要深入的了解网络特征，从而有效的对网络进行预测、控制和 使用。 本文首先简要介绍了流媒体控制机制( m a c o m ) 仿真系统。 m a c o m 以保证音、视频应用的服务质量为目的，以可用带宽的测量 算法、接纳控制机制与质量控制机制为措施，形成为媒体通信业务提 供保证传输质量的监测控制机制平台。在m a c o m 中引入了一类特 殊端机，该类端机被部署在核心网周围，采用持续性的主动探测和被 动监测的方式，对网络性能指标分层进行测量，具体包括系统层指标、 传输层指标和应用层指标，由此m a c o m 可以更为准确和全面地了 解网络能力及其负载的特点。其中，重点介绍了m a c o m 系统对网 络可用带宽指标的测量方法面向负载的测量算法( l o m a ) ，该 算法能够根据网络负载的具体状况，采用最为合理的可用带宽的测量 手段，进而最大限度地消除主动测量对媒体传输质量所能造成的负面 影响。基于对网络特征的深入了解，m a c o m 不仅可以优化各个媒体 终端所实施的应用层控制措施，而且能够使其相互协调以达到更为良 好的总体效果，进而完成对音、视频应用服务质量的有效维护。 为了进一步研究m a c o m 系统网络特性，验证网络协议算法的 有效性，网络仿真成为重要手段之一。但是，目前的网络模拟平台主 要面向非实时系统( 即：模拟系统时问与物理时间不同步) ，而且很 难与实际的网络应用程序相兼容，不便于对实际系统的测试、调试过 程，存在较大的局限性。因此，本文通过对n s 仿真软件内部结构的 深入研究，提出了一种基于n s 的实时网络仿真平台。该平台既具有 一般网络仿真可信度高，预测性强，适用范围广和成本较低的特点， 又能够与实际系统兼容，实时性好，配置简单并且系统开销小。该平 台能够很好实现将原有仿真阶段的m a c o m 系统与实际系统互联。 最后，本文利用试验完成了对实时仿真平台各项性能指标的测试 工作。通过测试，可以看出该系统完成了最初的设计目标，网络吞吐， 系统开销均符合要求，具有很强的实用价值。 关键词：网络性能可用带宽主动测量实时仿真平台性能监测 ar e a i j i m en e t w o r ks i m u l a t i o np l a t f o r m b a s e d o n n s a b s t r a c t w i t l lt h ea d v a n c e si nt h eb r o a d b a n dn e t w o r k i n gt e c h n o l o g y , r e a l t i m ea u d i o v i s u a lc o m m u n i c a t i o n s ( t e r m e da sm e d i ac o m m u n i c a t i o n s f o rs i m p l i c i t y ) a r ep o s s i b l ee v e ni nt h ec u r r e n tb e s t e f f o r ti pn e t w o r k s h o w e v e r , t h e i rr e q u i r e m e n t s o ne n d - t o e n d t h r o u g h p u t ，d e l a y , d e l a y v a r i a t i o n s p a c k e t sl o s sr a t ea n de t c c a n n o tb ef u l f i l l e d i nac o n s t a n t m x l n e r ，t h e r e f o r et h eq u a l i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o n si sn o ts t a b l ea n d c o u l d b ee a s i l yi m p a i r e d i no r d e rt os u p p o r tr e a l - t i m ea u d i o v i s u a l c o m m u n i c a t i o n s ，c l e a r l yc h a r a c t e r i z i n gn e t w o r kp e r f o r m a n c ei sv e r y e s s e n t i a l a n dt h ep e r f o r m a n c em e t r i c sa r ea b l et od i r e c t l yr e f l e c tt h eq o s o ft h en e t w o r k i ti sp o s s i b l et op r e d i c t ，c o n t r o la n da s s i g nt h en e t w o r k r e s o u r c eb ym e a s u r i n g ，a n a l y z i n ga n dm o d e l i n gc o m m u n i c a t i o n s f i r s t l y , am e d i ac o n t r o lm e c h a n i s mn a m e da sm a c o m w h i c hi s w i t ht h ei n t r o d u c t i o no fas p e c i a lt y p eo fh o s t s ( t e r m e da sm a ) im e d i a d e v i c e sa n dr e l a t e da l cm e c h a n i s m si si n t r o d u c e di nt h i sp a d e r m ai sa p e r s i s t e n tc o m p o n e n t t h eb a s i ct a s k so fm ai n c l u d em e a s u r e m e n t sa n d q o se v a l u m i o n s ，b a s e d o nw h i c ha d m i s s i o nc o n t r o l sa n dh a r m o n y c o n t r o l sa r ec o n d u c t e d d u et oi t sp e r s i s t e n c y , m ac a np r o v i d em o r e a c c u r a t ei n f o r m a t i o nr e g a r d i n gn e t w o r kf e a t u r e sf o rt h ei n i t i a l i z a t i o na n d e l a b o r a t i o no ft h ea l cm e c h a n i s m sb e i n gm a n a g e d i no r d e rt om e a s u r e t h ea v a i l a b l eb a n d w i d t ho ft h en e t w o r k ，a na d a p t i v ep r o b i n gm e c h a n i s m ( l o m a ) w a sd e v e l o p e d w i t ht h ea b i l i t yt oa d a p ta u t o m a t i c a l l yt h ew a y s o fm e a s u r e m e n tt on e t w o r kc o n d i t i o n s ，l o m ar e s t r a i n st h ep r o b i n g s t r e a m ss u m c i e n t l ya n dm a i n t a i n sm i n i m u mt h ep o t e n t i a li m p a i r m e n t s o w i n g t ot h e s ef e a t u r e s ，b e i n gan e t w o r ko fm a s ，t h em a c o m s y s t e m c a nb eu s e dt op r o v i d es o f tg u a r a n t e e so nt h eq u a l i t yo ft h em e d i a c o m m u n i c a t i o n si nt h ec u r r e n tb e s t e 娲r ti pn e t w o r k s f o rt h es a k eo ft h er l r t h e rr e s e a r c ho nm a c o m s y s t e m ，a n d v e i l f y i n gt h eu s e f u l n e s so ft h en e t w o r kp r o t o c o l ，t h en e t w o r ks i m u l a t i o n b e c o m e so n eo ft h ei m p o r t a n tm e a n s b u t ，t h ec u r r e n ts i m u l a t i o n p l a t f o r m sm a i n l yf a c et ou n r e a l - t i m es y s t e m s ，w h i c hi sd i f f i c u l tt ob e c o m p a t i b l e 州t 1 1a c t u a ln e t w o r ka p p l i c a t i o n s t h e r e f o r e w ed e v e l o p e da r e a l t i m en e t w o r ks i m u l a t i o np l a t f o r mb a s e do nn s t h ep l a t f o r mn o t o n l yh a st h ef e a t u r eo fh i 曲r e l i a b i l i t y ，e a s yp r e d i c t i o n ，w i d ea v a i l a b l e r a n g ea n dl o wc o s ta st h ec o m m o nn e t w o r ks i m u l a t i o n s ，b u ta l s oc a nb e c o m p a t i b l e w i t hr e a l s y s t e m ，f u r t h e r m o r ei ti s r e a l t i m e ，e a s y c o n f i g u r a t i o na n dl o ws y s t e mc o s t a tl a s t ，t h ep l a t f o r mp a s s e da l lt h ee x p e r i m e n t a lt e s t s ，a n dm e tt h e e n t i r ed e s i g nr e q u e s t i nc o n c l u s i o n ，t h er e a l - t i m en e t w o r ks i m u l a t i o n p l a t f o r l ni sv e r yp r a c t i c a li nu s e k e yw o r d s ：n e t w o r kp e r f o r m a n c e ，a v a i l a b l e b a n d w i d t h ，a c t i v e m e a s u r e m e n t ，r e a l - t i m es i m u l a t i o np l a t f o r m ，p e r f o r m a n c em o n i t o r i n g 基于n s 的实时仿真平台 1 1 m a c o m 系统介绍 第一章概述 图卜1m a c o m 同i p 网络间的关系及其构成 i p 网络可分为核心网与按入网，假设接入网能够满足媒体流通信要求的服 务质量，即核心网的资源紧张是造成端到端的媒体流通信质量不理想的主要原 因。如图1 - 1 所示，m a c o m 被部署在i p 核心网边缘，包括三层功能实体： h a s h s e r v e r 、m a 和m t ，分别属于系统层、传输层和终端层。h a s h s e r v e r 为m a 和m t 的正常工作提供了一系列的支撑功能：m a 是m a c o m 的核心部件，位 于核心网与接入网之间，主要完成对核心网性能和流量的监测，进而实现接纳控 制并协调各个m t 的工作；m t 具体实施基于测量的应用层质量控制措施。 1 1 1h a s h s e r v e r 为m a 和m t 的正常工作提供了一系列的支撑功能。系统层的h a s h s e r v e r 为m a 和m t 的正常工作提供了一系列的支撑功能，其中常用的服务是在已知 m t 通信地址的条件下查找对应的m a 。例如，在发送端m t 与接收端m t 建立 通信连接前，源m a ( 发送端m t 隶属的m a ) 通过h a s h s e r v e r 提供的上述服务 能准确的得到目的m a ( 接收端m t 隶属的m a ) 的信息，相应的源m a 与目的 m a 构成了一组m a 对，如图1 中所示，与端到端的链路对应，核心网中，连接 源m a 与目的m a 的通信链路定义为v i a 到m a 的链路，该链路上的通信数据 为多条媒体流的复合流，即图1 - 1 中的m e d i ar i v e r 。 1 1 2m a m a 实现的控制层的基本功能是整个m a c o m 系统的核心，部署在核心网 基于n s 的实时仿真平台 周围的m a 可持续监测网络的服务质量，并由此获得清晰的网络特性描述，例如 m a 对之间可进行相互的主动测量获得该m a 到m a 链路的可用带宽信息。在此 基础上，m a 实现了接纳控制功能并综合m t 反馈来的媒体流服务质量信息，实 现了控制音视频应用服务质量的机制。其具体模块结构及功能如下： 姒h 阱期h t 通信状况分析模块 f 流媒体传输质量分析模块l 因岖奎晤 图1 - 2m a 组件功能模块示意图 如图1 2 所示： 夺m a 接口、h s ( h a s , s e r v e r ) 接口与m t 接口是m a 与m a c o m 系统中其它功 能实体通信的模块。 m a 接口负责实现接收m a r i v e r 间的测量与质量评估的结果。 h s 接口负责实现根据目的端m t 定位目的m a 的功能，为查询源m a 与目 的m a 之间混合媒体流的状态提供服务。 m t 接口负责实现m a 与m t 之间可靠的数据及信令的交换功能。 夺测量接口、通信状况分析、流媒体传输质量以及综合分析模块负载实现指标 体系测量、接纳控制及q o s 评估的功能。 测量接口模块采用主动发包或被动监测的方式，通过设置一系列的过滤条 件，测量m a c o m 的基础层指标，并将测量结果提供给通信状况分析与流 媒体传输质量分析两个模块。 通信状况分析模块用于刻画m a 到m a 的链路的特性，具体过程为：源m a 采用主动方式向该链路注入一条已知特性的测试数据流，同时在目的m a 观 察该测试数据流的变化，并将测量分析结果反馈给源m a 。 流媒体传输质量分析模块负责监测通信中媒体流的传输质量，简单而言： m a 采用抓包技术设置媒体流数据过滤条件，完成混合媒体流的流量描述， 从而实现流媒体传输质量分析的功能。 由于主动测量方法需要向目标链路注入测试数据流，不可避免的会给网络的 服务质量带来一定的负面影响，当网络处于重负载状态时，这种影响更为严重， 7 。 2 基于n s 的实时仿真平台 甚至引起网络拥塞。因此，m a 在一定条件下将媒体流作为测试流来测量网络特 性。具体而言，当网络通路上媒体流或网络处于轻负载状态下应用主动测量方法， 当网络因媒体流的增多处于重负载状态时，停止测试数据流的发送，将媒体流作 为测试数据流进行测量。在重负载测量过程中，m t 完成过滤发送与接收的任务， 而综合分析模块取代通信状况分析模块完成刻画m a 到m a 的网络通路的性能。 夺接纳控制与平滑控制模块分别完成接纳控制机制和对媒体应用服务质量平 滑控制的功能，并且综合分析模块是否能得出准确、合理结果在很大程度上 影响着上述控制机制效果的好坏。 在m a c o m 系统的指标体系中，m t 负责传输层与应用层指标的测量，在应 用层指标中，m t 对客观的评估其媒体流的服务质量，并将评估结果反馈到 m a 中的综合分析模块。在这些由m t 反馈上来的评估结果基础上，应用统 计学的理论对其进行分析，可获得混合媒体流的服务质量等级，综合混合媒 体流的流量描述及m a 到m a 的链路的特性，综合分析模块判断出当前混合 媒体流性能质量是否满足要求，并通过平滑控制模块控制管理m t 的性能， 从而将混合媒体流维持在稳定且服务质量较高的水平上。平滑控制具体完 成： ( 1 ) 当m a 到m a 的链路上可用带宽变化较大时，平滑控制模块通过适当 的控制m t 会话的数量来管理混合媒体流的服务质量。此时，m t 通过自身 的应用层控制机制来维护各自的服务质量水平，而没有必要严格执行平滑控 制模块做出的决策。 ( 2 ) 当m a 到m a 的链路上可用带宽比较稳定，如果综合分析模块监测到 由于混合媒体流的突发性较高导致其服务质量降低时，平滑控制模块通过 m t 接口通知m t 应用各自的应用层控制机制对媒体流进行平滑处理，从而 维护混合媒体流的服务质量水平。 m a 中的接纳控制模块完成依据m a 到m a 的通路性能提供安全保障，将混 合媒体流的服务质量维护在一定的水平上的功能。 另外，在应用实时控制协议( r 1 p ) 的系统中，每个参加会话的终端都产 生一条反馈流，并发送给会话中的其它成员。结果造成反馈流量与会话的成员个 数成正比，在测量与分析都正确的基础上，将反馈流的数据量维持在一个较低的 水平是一件较困难的问题，事实证明，规模越大的多媒体会议系统，其性能维护 的问题越复杂，实现困难也越大。 然而在m a c o m 系统中，所有反馈流均由m t 产生，并汇总到各自隶属的 3 基于n s 的实时仿真平台 m a ，m a 在必要的时候将控制信息反馈给特定的m t ，且m a 所产生的反馈流 量与m t 的数量是不相关的。虽然m a 与m t 之间的反馈流量会随着m t 的数量 增加而增长，但是我们由前面提到的假设条件可知，这样的流量在接入网中是非 常有限的，或者只占很小的一部分。换言之，在m a c o m 系统中，能够很好的 支持反馈流量进行控制机制的实现，并且不会对网络测量及服务质量分析产生影 响。 1 1 0m t 终端层为媒体设备定义了一系列功能接口，即如果媒体设备希望加入到 m a c o m 系统控制机制中，只需实现m t 定义的接口功能即可。m t 则是终端层 的模块之一，包括初始注册、接纳控制申请和质量控制等基本功能： 注册实现m t 与隶属m a 绑定的功能，即m t 知道自己属于哪一个m a ，在 建立业务连接前，向谁发送接纳控制申请。同时，m a 汇总自己所辖范围内m t 的信息，目的是为了能汇总端到端的网络性能测量结果。 接纳控制申请实现m a c o m 系统的接纳控制机制的控制模块，主要完成向 m a 发送接纳申请，并根据返回结果做出正确反映，具体而言，若源端m t 接纳 申请被接受，责开始发送业务流数据；否则，过一段随机时间继续发送申请。 质量控制涉及应用层速率调整、同步控制等机制，需要应用网络性能测量结 果，与本文内容相关性不大，故不做详细介绍。 图1 - 3 m t 功能模块不恿图 m t 在m a c o m 系统中承担终端层接口的功能，如图1 3 所示： m a 接口模块与数据包发送模块实现m t 与网络中其它功能实体信息交换的 功能。m a 接口用于m t 与m a 之间交换m a 到m t 的控制信令、配置参数以、 m t 到m a 的媒体流监测报告及应用层质量评估等信息，协助测量，控制机制的 实现。数据包发送模块实现将媒体流应用数据按照需要的方式发送，简单来说， 媒体流即可按照一定速率发送，也可以将数据包按照一定模式发送，例如将视频 7 4 基于n s 的实时仿真平台 流i 帧的前两个数据包一起发送，其余数据包按照正常模式发送。 m t 初始注册模块实现m t 向m a 的注册功能，通过m a 接口将m t 自身的 信息上传到其隶属的m a ，为m a c o m 系统中接纳控制机制服务。同时，当媒 体流会话结束前，该模块通过m a 接口发送通知其隶属的m a 注销其m t 的信 令。 信原类型，特征分析模块实现媒体流流量特性分析功能，主要应用实测模型 算法获得媒体流的流量描述，包括均值速率、峰值速率等信息。 数据流监测模块实现m t 之间端到端的网络指标测量，得到的测量结果在 层次上属于端到端的测量结果。当该模块测量统计的数据包达到一定数量时，将 测量结果通过i d a 接口上传到其隶属的m a 中。 1 2n s 仿真平台概述 1 2 1 通信网结模拟概述 顾名思义，通信网络模拟“1 ，就是用计算机程序对通信网络进行模型化，通 过程序的运行模仿通信网络的运行过程。 在网络迅速膨胀的今天，网络研究人员一方面要不断思考新的网络协议和算 法，为网络发展做前瞻性的基础研究；另一方面也要研究如何利用和整合现有的 网络资源，使网络达到最高效能。无论是哪方面都需要对新的网络方案进行验 证和分析。进行网络技术的研究大概有以下3 种手段： - ，( 1 )分析方法，就是对所研究的对象和所依存的网络系统进行初步分 析，根据一定的限定条件和合理假设，对研究对象和系统进行描 述，抽象出研究对象的数学分析模型，利用数学分析模型对问题 进行求解。 ( 2 ) 实验方法，就是设计出研究所需要的合理硬件和软件配置环境， 建立测试床和实验室，在现实的网络上实现对网络协议、网络行 为和网络性能的研究。 ( 3 ) 模拟方法，应用网络模拟软件( 自己开发或选用一个通用的网络 模拟软件) ，建立所研究的网络系统的模拟模型，在计算机上运行 这个模型，并分析运行的输出结果。 然而，前两种方法都存在很大的局限性。分析方法的有效性和精确性受假设 限制很大。当一个系统很复杂的时，就无法用一些限制性假设来对系统进行详细 描述。实验方法的局限在于成本很高，重新配置或共享资源很难，运用起来不灵 活，实验床的规模很难做到很大，不能实现网络中的多种通信流量和拓扑的融合。 而模拟方法在很大程度上可以弥补前两种方法的不足。模拟方法可以根据需要设 计所需的网络模型，用相对很少的时间和费用了角翠：_ 网络在不同条件下的各种特 基于n s 的实时仿真平台 性，获取网络研究的丰富有效的数据。网络模拟无疑提供了一个方便、高效的验 证和分析方法，因此网络模拟技术在现代通信网络设计和研究中的作用正变得越 来越大。 1 2 2n s 原理概述 n s 的原理主要有以下几点： 1 离散事件模拟器 n s 是一个离散时间模拟器。离散时间模拟，是几种常用的系统模拟模型之 一。简单的说，事件规定了系统状态的改变，状态的修改仅在时间发生时进行。 在一个网络模拟器中，典型的事件包括分组到达、时钟超时等。模拟时钟的推进 由事件发生的事件量确定。模拟处理过程的速率不直接对应着实际时问。一个事 件的处理可能又会产生后续的事件，例如对一个接收到的分组的处理触发了更多 的分组的发送。模拟器所做的就是不停地处理一个个事件，直到所有的事件都被 处理完或者某一特定的事件发生为止。 n s 的核心部分是一个离散事件模拟引擎。n s 中有一个“调度器”( s c h e d u l e r ) 类，负责记录当前时间，调度网络事件队列中的事件，并提供函数产生新事件， 指定事件发生的时间。n s 的事件调度机制是实现仿真时间与物理时间同步的关 键。该同步技术将在后面的章节做详细介绍。 2 丰富的构件库 有了离散事件模拟引擎，原则上用户可以对任何系统进行模拟，而不限于通 信网络系统。用户可以自己完成对所要研究的系统的建模工作，编写各种事件的 处理代码，然后利用这个离散事件模拟器来完成这个模型的模拟。然而，这样做 不能发挥n s 的优势，不符合n s 设计者的本意。针对网络模拟，n s 已经预先做 了大量的模型化工作。n s 对网络系统中一些通用的实体已经进行了建模，例如 链路、队列、分组、节点等，并利用对象来实现了这些实体的特性和功能，这就 是n s 的构件库。相对于一般的离散事件模拟器来说，n s 的优势就在于它有非 常丰富的构件库，而且这些对象易于组合，易于扩展。用户可以充分利用这些已 有的对象，进行少量的扩展，组合出所要研究的网络系统模型，然后进行模拟。 这样就大大减轻了进行网络模拟研究的工作量，提高了效率。图1 4 中给出了 n s 构件库的部分类层次结构。实时仿真平台的各组件，也是基于这个层次结构 扩展而来的。 基于n s 的实时仿真平台 图1 - 4 n s 构件库( 部分) n s 的构件库所支持的网络类型包括广域网、局域网、移动通信网、卫星通 信网等，所支持的路由方式包括层次路由、动态路由、多播路由等。n s 还提供 了跟踪和监测的对象，可以把网络系统中的状态和事件记录下来以便分析。另外， n s 的构件库中还提供了大量的数学方面的支持，包括随机数产生、随机变量、 积分等。 。 3 分裂对象模型 n s 的构件库是用两种面向对象的语言编写的：c + + 和o t c l 。n s 中的构件通 常都作为一个c + + 类来实现，同时有一个o t d 类与之对应。用户通过编写o t c l 脚本来对这些对象进行配置、组合，描述模拟过程，最后调用n s 完成模拟。这 种方式被称为分裂对象模型。 n s 使用这种分裂对象模型，是出于兼顾模型性能和灵活性两方面的考虑。 一方面c 年+ 是高效的编译执行语言，使用c + + 实现功能的模拟，可使模拟过程的 执行获得比较好的性能。另一方面，o t c l 是解释执行的，用o t c l 进行模拟配置， 可以在不必重新编译的情况下随意修改模拟参数和模拟过程，提高了模拟的效 率。同时，这种分裂对象模型增强了构件库德可扩展性和可组合性，用户通常只 需要编写o t c l 脚本就可以把些构件组合起来，成为一个“宏对象”。用户通过 o t c l 进行模拟配置，很多情况下只需要了解构件的使用和配置接口就可以了，而 不需要了解这些构件的功能是如何实现的。 4 开放的源码 n s 中所体现的这些先进的设计思想使得n s 成为了一种实用的网络模拟器。 同时，n s 是免费的，开放源码的。这使得利用n s 进行网络模拟的研究者可以 很方便地扩展n s 的功能，也可以很方便地共享和交流彼此的研究成果。 基于n s 的实时仿真平台 1 3 论文结构安排 论文的第二章简要介绍了m a c o m 系统中主动测量算法的基本原理；第三章分 两个主要模块详细介绍了基于n s 的实时仿真平台的结构以及实现原理；在第四 章中，本文通过多个试验测试了该仿真平台的各方面性能指标，验证了平台的实 用价值；第五章总结全文，并说明实时仿真平台的适用范围以及进一步改进的方 向。 基于n s 的实时仿真平台 第二章面向负载的可用带宽测量算法 在m a c o m 系统中，m a 实现的控制层的基本功能是整个m a c o m 系统的 核心，部署在核心网周围的m a 可持续监测网络的服务质量，并由此获得清晰的 网络特性描述，这些性能指标参量是整个系统进行接纳控制，拥塞控制等q o s 保障措施的依据。在众多性能指标参量中，m a 与m a 之间的可用带宽是最为基 础并重要的，故有必要对该指标进行测量。 当前，测量常以主动探测的方式进行，典型算法包括p a t h l o a d l 2 1 ，t o p p 3 以及i g i p t r 4 j 等，其实质在于源端( 一端m a 的可用带宽测量模块) 发送具有 一定特征( 如速率等) 的测试数据流，而目的端( 另一端m a 的可用带宽测量模 块) 通过观察与分析特征所发生的变化来推算出两端间的可用带宽。由于可依照 具体的网络状况设定测试数据流所应具有的特征，并且可以对网络中的不同路径 进行有选择的探测，因此该类方法具有较大的灵活性和较高的准确程度。但是， 因测试数据流将占用网络资源，所以主动测量会在一定程度上干扰数据传输质量 吼特别地，当网络处于重负载状态时，这种干扰尤为明显。 为此，提出了媒体流测试法，该方法利用现存的媒体数据流完成对可用带宽 的主动探测。由于无需额外地占用网络资源就可以获得测量结果，所以该方法有 效地降低了主动测量对数据传输质量所带来的负面影响。但在轻负载条件下，由 于难以获得足够多的有效测量数据，因而媒体流测量结果中会存在着较大的偏 差。针对这一问题进一步提出了一种综合性的可用带宽测量方法，称之为面向负 载的可用带宽测量算法( l o a d o r i e n t e dm e a s u r e m e n ta l g o r i t h m 。以下简称l o m a ) 1 6 】，该方法在网络处于轻负载状态时采用改进的p a t h l o a d 算法完成探测，在处于 重负载状态时则自动切换为媒体流测量，从而能够最大限度地消除了测试数据流 对媒体数据传输质量的影响，并且具备了较快的探测速度和较高的探测精度。 2 1面向负载的可用带宽测量算法( l 0 眦) 首先我们先对网络的可用带宽做如下定义： 设传输通路p 由n 条链路构成，链路k ( i = 1 ，2 ，n ) 的最大传输能力为c j ， 则p 的最大传输能力可定义为e 。一。= m i i l ( c 1 ，c 2 ，e ) ，若c i = c , 。一。一。，则 称链路k 为该通路p 的瓶颈链路( b o t t l e n e c kl i n k ) 。 基于n s 的实时仿真平台 若令* 表示链路厶在时间段t 内的资源利用率，则该链路的可用带宽可定 义为a i = c i ( 1 肫) 。相应地，时间段t 内通路p 的可用带宽可定义为 4 。一。= m i n ( a 。，4 ，4 1 ) ，若a i = 以。一。，则称链路k 为通路尸的紧张链 路( t i g h tl i n k ) 。 如前所述，l o m a 的主要特点在于可根据网络负载状况的变化，采用不同 的测量方法以最大程度的减小数据流对媒体传输质量的负面影响，其基本流程可 分为轻负载测量算法和重负载测量算法两个状态。如图2 - i 所示。 图2 1l o m a 算法原理 在轻负载条件下，为了确保q o s 机制的性能，有必要对可用带宽进行周期 性的多次测量。由于原始的p a t h l o a d 算法存在着两个问题：其一、测试数据流 的突发性高；其二、收敛时间长。因此如果在可用带宽的多次测量过程中直接采 用该算法的话，其问题将变得更加突出，往往会大大降低媒体数据的传输质量以 及测量结果的及时性。所毗，当网络处于轻负载状态时，l o m a 将改进的p a t h l o a d 作为可用带宽的测量方法。 输出 测量 结果 图2 - 2p a t h l o a d 算法的优化 对于p a t h l o a d 算法的优化主要分为两个部分。由于原p a t h l o a d 算法的起始 发送速率较大，突发性较强，因此，在起始优化部分，l o m a 连续发送2 0 个大 小为1 5 0 0 字节的数据包( 数据包的发送间隔为零) ，之后按公式( 2 1 ) 计算出 该序列的接收速率v ，并将该速率作为p a t h l o a d 算法的初始值。 嘉 l r，it 基于i q s 的实时仿真平台 v ；( n - 1 ) x l( 2 1 ) 巧一互 可见，通过起始优化，测试流的突发性会得到较好的抑制并能随网络负载的 提高而降低。需要进一步说明的是，起始优化的目的在于对厶。一。进行粗略的 估计，因而无需获取多个采样，所以同p a t h l o a d 算法的初始阶段相比，l o m a 所生成的数据量都要小得多【6 】。 在短时间内，网络负载发生大幅度变化的概率通常较小，这意味着t 。一。一。 会具备较为明显的短时相关性。因此，在对4 。一。进行持续性的监测过程中， l o m a 根据以往的测量结果完成对下一时段内以d - t o - 。的估计并设置p a t h l o a d 的初始速率，从而实现对p a t h l o a d 的改进，称此作法为过程优化。过程优化因 其回避了对钆。的主动探测，所以由过程优化取代起始优化能够迸一步减少 数据量，这于媒体数据传输质量的维护而言，无疑是更为有利的。 在重负载状况下，改进后的p a t h l o a d 也会对媒体传输质量产生较大的影响。 因此，l o m a 转而采用媒体流测试法问，即利用现存的音视频码流完成对可用带 宽的主动探测。此时，媒体流测试法不额外地生成和发送任何测试数据流，所以 在无需消耗网络资源的前提条件下该方法就可以达到测量目的，而这就意味着媒 体流测试法不会在延时、延时抖动、丢包率等方面对音视频码流的传输造成带来 任何的负面影响，换言之，该方法可以从根本上消除可用带宽的主动探测对媒体 传输质量的干扰。 2 2 l o m a 算法的仿真测试 为了验证l o m a 算法的可行性，在n s 仿真软件上进行了仿真。具体配置 如图2 3 所示。图中，s 为媒体流的发送端，r 为媒体流的接收端，各条链路缓 冲区的大小均为1 0 0 0 个数据包。因当前口网络的流量呈现较为明显的自相似性 ( s e l f - s i m i l a r ) ，而多条符合p a r e t o 模型( 形状参数a 2 ) 的数据流的统计复用 结果可以较好地具备这一特征 7 1 ，所以在仿真实验中，网络负载由符合p a r e t o 模 型( a = 1 9 ) 的数据流复合而成( 每个节点1 6 条) 。 9p9 罕 e 互 5 5 _ e 蔓 舡e 至3 - 6 阻 琏一程j 冀 0 0 0。0 0 ( 3 0 0 图2 - 3 仿真实验的拓扑结构 在紧张链路处于节点3 、4 之间的情- 况下，实验结果由图2 - 4 给出。其中， r l l 基于n s 的实时仿真平台 图2 4 ( a ) 反映了网络负载的变化过程，具体而言：1 、在区域1 ( 0 - 3 0 0 秒) ，链 路处于轻负载状态，平均利用率为2 0 ；2 、在区域2 ( 3 0 0 6 0 0 秒) ，由于新生 成的数据流进入该段链路，链路的平均利用率被提升至9 0 ，链路状态由轻负载 转变为重负载；3 、在区域3 ( 6 0 0 秒后) ，因某些数据流消失，链路的通信状况 开始好转，媒体流丢包率降至0 ，链路由重负载状态恢复为轻负载状态。 图2 - 4 仿真试验结果 图2 - 4 ( b ) 给出了由l o m a 算法所得到的可用带宽测量结果，其中，在区域1 时，l o m a 采用改进的p a t h l o a d 算法；进入区域2 后，因负载加重，自动切换 为媒体流测量；处于区域3 时，通信条件恢复，l o m a 重新开启p a t h l o a d 进行 可用带宽的测量。从中可以看出，相应于网络负载状态的变化，l o m a 能够较 为快速地自动选取最为恰当的测量方法从而最大程度地减少了测试数据流对媒 体质量所能造成的负面影响，而且无论网络处于何种负载状态，l o m a 都能较 为准确和及时地得出当前可用带宽的水平。 1 2 基于l q s 的宴时仿真平台 第三章实时仿真平台模块介绍 3 1 基于n s 的实时仿真平台简介 为了进步验证m a c o m 系统，以及l o m a 算法的可行性和有效性，需要 将系统平台与实际系统相连。但目前的n s 仿真平台无法支持实时仿真，完全放 弃先前的仿真代码又必然浪费了大量的研究时间，因此，将原n s 仿真平台改造 为与实际系统相兼容的实时仿真系统是十分必要的。 匾! 一：进程模块 一s 仿真拓扑k 么令 3 7 专”fi 匦s y n d 早r o p t 四a il i f “n a g e n ill g w 进程模块与n s 进程模块接口 ： 网关路由模块 圈圃ec w 进程模块 图3 一l 实时仿真平台整体框架 基于n s 的实时仿真平台整体框架如图3 - 1 所示。仿真平台主要由两大模块 组成。网关进程模块( g w 进程模块) 主要完成了对实际网络数据包的捕获、路 由和再封装发送的功能，实现了数据包在不同网络间的转发。n s 进程模块包含 物理时钟同步模块，保证了n s 仿真时间与实际物理时间的一致性，同时完成接 收来自g w 进程模块的消息、实现网络仿真和仿真结果的反馈功能。两进程之 间的信息交互和转换功能由接口模块完成。 仿真平台整体实现环境为l i n u xr e d h a t9 0r e e a s e ，开发语言为c + + 【8 】1 9 】。 各模块详细介绍和实现原理将在后续章节逐一介绍。 基于n s 的实时仿真平台 3 2实现实时仿真平台的关键技术 3 2 1 多线程技术 为了保证平台运行的实时性，不受网络情况等外部因素的干扰，平台的多个 模块必须保证相对独立但同步运行，因此，程序中大量采用了多线程技术“。多 线程技术相对多进程而言，尤其自身的优势。根据操作系统的定义，进程是系统 资源管理的最小单位，线程是程序执行的最小单位。线程和进程十分相似，不同 的只是线程比进程小。首先，线程采用了多个线程可共享资源的设计思想。例如， 它们的操作大部分都是在同一地址空间进行的。其次，从一个线程切换到另一线 程所花费的代价比进程低。再次，进程本身的信息在内存中占用的空间比线程大。 因此，线程更能允分地利用内存。线程可以看作是在进程内部执行的指定序列。 线程和进程的最大区别在于线程完全共享相同的地址空间，运行在同一地址上。 使用多线程的理由之二是线程间方便的通信机制。对不同进程来说，它们具 有独立的数据空间，要进行数据的传递只能通过通信的方式进行，这种方式不仅 费时，而且很不方便。线程则不然，由于同一进程下的线程之间共享数据空间， 所以一个线程的数据可以直接为其它线程所用，这不仅快捷，而且方便。 除了以上所说的优点外，不和进程比较，多线程程序作为一种多任务、并发 的工作方式，当然有以下的优点： 1 ) 提高应用程序响应。这对图形界面的程序尤其有意义，当一个操作耗时 很长时，整个系统都会等待这个操作，此时程序不会响应键盘、鼠标、菜单的操 作，而使用多线程技术，将耗时长的操作( t i m ec o n s u m i n g ) 置于一个新的线程， 可以避免这种尴尬的情况。一 2 ) 使多c p u 系统更加有效。操作系统会保证当线程数不大于c p u 数目时， 不同的线程运行于不同的c p u 上。 3 ) 改善程序结构。一个既长又复杂的进程可以考虑分为多个线程，成为几 个独立或半独立的运行部分，这样的程序会利于理解和修改。 当然，由于多线程是运行在同一地址空间上，共享内存也带来了问题，如果 不采取适当的措施，其他线程往往会在线程处理任务结束前就去访问处理结果， 这就很有可能得到有关处理结果的错误了解。例如，多个线程同时访问同一个全 局变量，如果都是读取操作，则不会出现问题。如果一个线程负责改变此变量的 值，而其他线程负责同时读取变量内容，则不能保证读取到的数据是经过写线程 修改后的。因此线程间的同步显得尤为重要。 为了确保读线程读取到的是经过修改的变量，就必须在向变量写入数据时禁 止其他线程对其的任何访问，直至赋值过程结束后再解除对其他线程的访问限 制。象这种保证线程能了解其他线程任务处理结束后的处理结果而采取的保护措 施即为线程同步。 】4 r j ， 基于n s 的实时仿真平台 仿真平台中主要采用的线程同步技术主要包含以下几种方法 互斥对象( m u t e xo b j e c t s ) 互斥对象是最基本的同步形式。互斥对象用于保护临界区( c r i t i c a l s e c t i o n ) ，以保证任何时刻只有一个线程在执行其中的代码( 假设互斥对象由多 个线程共享) ，或者任何时刻只有一个进程在执行其中的代码( 假设互斥对象由 多个进程共享) 。保护一个l | 缶界区的代码的通常轮廓太体t n - f ： l o c kt h em u t e x ( ) 临界区 u n l o c kt h er o u t e x ( ) 当某一运行线程a 运行到临界区代码时，首先运行l o c kt h em u t c x ( 1 ，取 得了临界区代码的运行权。当另一线程b 运行至此时，为保护临界区数据，将 被l o c kt h em u t e x ( ) 阻塞。直到线程a 结束临界