增强网络服务质量的一种覆盖网络 - 免费论文 - 计算机论文

1、增强网络服务质量的一种覆盖网络 - 免费论文 - 计算机论文发表 - 职称论文发表网|职称论文网|建筑论文发表|教育教学论文发表|计算机论文发表|医学论文发表|代理论文发表|发表论文|论文代写代发表|论文发表服务网站    摘要:针对现有网络的服务质量(Quality of Service,QoS)解决方案,如集成服务( InterServ/RSVP)、区分服务(DiffServ) 及MPLS 模型等,存在的适用性差及需要协议和硬件支持等不足,提出了一种新的可以支持分布式应用的自适应QoS控制网络传输模型,该模型是在覆盖网络的基础上应用FEC编码技术,并

2、利用网络的QoS自适应地进行编码。实验结果表明:本方案具有更高的传输质量和良好的扩展性,对IP网的路由和交换没有任何依赖等特点。 关键词:覆盖网络;前向纠错;服务质量。 引言: 随着网络技术的发展,人们对于网络的服务质量提出了越来越多的要求。传统的网络基础设施只能提供尽力而为的链路服务,不能很好的保证网络的服务质量。目前,有关QoS问题的主要解决方案有以下几种:集成服务(InterServ/ RSVP)模型14、区分服务DiffServ模型、MPLS模型以及流量工程等等,这些模型为QoS问题的解决起到了积极的推动作用。但是,这些方案的一个共同点是需要网络底层协议给上层应用提供服务质量保证,即对

3、路由器、交换机等网络交换设备有一定的要求。由于目前IP网一般不提供资源预留、区分服务和带宽划分等服务8,9,因此上述方案有很大的局限性。鉴此,我们提出了一种利用覆盖网络架构来增强网络的服务质量。 一、覆盖网络 覆盖网络(OveriyaNetwokr)是建立在现有网络基础上的虚拟网络,由一系列分布于(见下图1)Internet各自治系统内部的覆盖服务节点以及连接它们的逻辑链路所组成,它能有效地利用Internet给终端用户提供更为可靠的服务。覆盖节点通常具有路由、数据处理和数据保存等功能,而逻辑链路(即覆盖链路)通常对应底层的一条或多条物理路径,对数据进行传输。利用覆盖网络技术,不需要大规模改变

4、现有网络架构就能提供更为可靠、容错性更好的服务,可以方便地通过针对特定应用的覆盖网络提供在现有网络层基础结构中难以提供的新业务,通过采用能更好地利用网络资源信息的算法来提高现有Internet已有的业务性能。 和现有网络相比较,覆盖网络技术具有很大优势。它不需要大规模改变现有网络架构就能提供更为可靠、容错性更好的服务。有了覆盖网络,即使网络层出现错误,应用系统也可以凭借覆盖网络快速找到替代路由,并且可以根据应用服务的不同服务质量要求寻找相应的最优路径。同时,覆盖网络只是重叠在现有网络之上的虚拟网络,并不需要改变现有网络架构,实现起来也方便。 二、重传机制和前向纠错技术 我们将描述一种混合的解决

5、方法,使用FEC(Forward Error Correction,前向纠错)和ARQ(Automatic Repeat Quest,自动请求重发)相结合建立一个虚拟链路。 虚拟链路传输的两个节点之间的通信是不可预期的;定义q为这条链路的平均丢失率,它统计一段时间t(t较大)内的平均丢失率。 前向纠错与ARQ的权衡:FEC和ARQ协议的主要区别是在权衡链路之间的带宽开销和数据包恢复时间。前向纠错可以在有包的丢失的情况下恢复数据包,带宽开销很高,尤其是虚拟的链路遇到突发性的损失的时候。另一方面,一个以ARQ协议为基础的解决方案,在两个覆盖节点之间有很高的往返时延时将具有很高的数据包恢复时间。我们

6、目前采用这两种机制相混合的方法,以期达到最佳平衡。 以ARQ协议为基础的虚拟链路:纯粹的以ARQ协议为基础的解决方案,这样的虚拟链路很容易构建。在一个可靠的传输(q=0)中,数据包经过多次转发,直到发送端收到接收端发来的信息。同样,在一个在损失率不为零的情况下,为了达到一个目标丢失率(q),需要任何丢失的数据包发送次,其中 代表两个覆盖节点之间的平均丢失率:不过,如果L>1,纯基于ARQ的虚拟链路吸引力将降低,因为它使用多个往返时延以达到目标丢失率q。 以FEC为基础虚拟链路:在一个以前向纠错为基础的方案中,我们最关心的是编码和解码的时间。在这里,采用的是里德所罗门编码解码方式(Reed

7、-Solomon code),其特点是:对于一组数据(n,k),其中k是到达入口节点的数据包数量,(n-k)项所代表的是多余的包。设r是指冗余因素,其中r=(n-k)/n。该FEC的问题降低成为实现这样的目标损失率q,以确定最低冗余因素r。当冗余度r增大时,它的解码时间是呈指数增长的,纯FEC的虚拟链路在特别大是,并不适合。FEC+ARQ为基于的虚拟链路:经一次重传之后的丢失率已经很低,这里只讨论重传次数为1的情况。由于时延约束的损失恢复,我们限制重传次数不大于1。数据包到发送窗口,并添加一个FEC的冗余度r1。在重传中,要重传的数据包的冗余度为r2。 经过一次FEC解码之后的丢失率为: 因此

8、,假设链路中的丢失率在两轮传输中是相等的,则经过一次重传之后的丢失率为L(r1,r2)=G(r1)×G(r2)。由于要实现目标丢失率q,我们要求:L(r1,r2)q 对于给定的窗口,r1的是FEC的在第一轮的开销,则G(r1)是预期的重传数据包数目;G(r1)×R2为预期在第二轮的开销。预期的带宽开销: O(r1,r2)=R1+G(r1)(1+r2) 这个问题成为下列优化问题:鉴于目标丢失率的Q,确定冗余因素r1和r2的最小预期的开销,O(r1,r2)受丢失的目标约束:L(r1,r2)q. 对于发生在实践中的许多损失分布,最优解这个问题时, r1=0。这个解决方案意味着最好

9、不要在第一次发送时使用前向纠错,前向纠错仅用在重传数据时。当r1=0和r2 =0,前向纠错+ARQ的虚拟链路成为一个纯粹基于ARQ的虚拟链路。 三、带宽的确定 有许多衡量网络传输性能的参数,例如路径长度,时延,抖动,吞吐量,丢失率,可靠性,公平性,动态性,稳定性,带宽等,其中,带宽是其中重要成员中的一个,许多应用都受益于网络路径带宽,例如,P2P应用利用peers之间的可用带宽动态形成用户层,覆盖网络利用虚拟链路带宽配置他们的路由列表,网络提供商租赁他们的链路往往都是以可用带宽为基准进行交易,服务提供商和用户之间的服务协议都是以可用带宽作为网络连接的关键点。带宽同样是分布式网络,智能路由系统,

10、端到端接入控制和音频/视频流应用的关键概念。 评价网络路径带宽有两个度量标准:一是路径带宽能力,一是路径的可用带宽。其中,路径带宽能力是指在没有交通流量的情况下,由各段链路的瓶颈带宽所决定的路径最大带宽;而路径的可用带宽是指除去目前的链路交通流量,由各段链路的最小可用带宽瓶颈决定的路径最大可用带宽。传统的Internet网络主要优化对象是接入率与网络吞吐量,它主要为数据业务提供尽力而为的服务,并不能提供很高的服务质量保证。随着Internet的发展,出现了越来越多的数字音视频多媒体应用等对服务质量有更多样化、更严格要求的业务。为了为这些业务提供所需的服务质量保证,网络必须进行合理的资源预留并实

11、现对网络的有效控制。有用带宽测量技术就是在这种背景下被提出的。可用带宽测量的主要目标有两个:一是基于网络状态为网络业务选择一条或多条能满足服务质量要求的传输路径,二是在满足QoS要求基础上尽量均衡各种网络资源,使得网络资源的利用率达到最大。可用带宽测量主要分两步,第一步是获取、分析数据,进行可用带宽估计,并在网络上传递可用带宽和其他一些必要的网络状态信息;二是利用所获取的网络状态信息进行最佳路径选择和合理资源分配。前一步集中于对探测数据的发送和估计所用数据的收集以及由此给网络引起的额外处理负担等问题的研究,后一步则主要考虑选路算法的实现和资源的合理分配。 本章首先系统的研究了可用带宽测量技术的

12、现状,然后在此基础上我们提出针对Spines逐跳可用带宽测量算法BELR (Bandwidth Estimation Linear Regression),为Spines虚拟链路资源管理和路由提供信息资源。 发送带宽的确定 发送带宽有两部分组成,分别是数据传输带宽和重传带宽。这里,我们取所有虚拟链路传输带宽最小的数据传输带宽作为发送带宽。 通过网络节点的测量,可以统计从发送端到接收端的所有虚拟链路的可用带宽b1、b2、bn。每一条虚拟链路的可用带宽b就是这条链路的传输带宽,传输带宽除了要进行链路信息的维护带宽bi,还有数据传输的带宽bt和重传的带宽br bi=bi+bt+br 重传带宽br是重

13、传数据经过前向纠错控制之后的数据。数据经过一次重传之后的丢失率q*要远远地下于丢失率q,要重传的带宽br=bt*q*f(q),带入式中,可以得出: bt=bi/(1+qf(q) 所有链路bti中最小的带宽就是发送端可发送的最大带宽bb。其中,所有链路中的最小可用带宽已可能不再是瓶颈带宽,而最小数据传输带宽则做为衡量链路的一个重要标准。当发送端的请求带宽大于bb时,发送端以带宽bb向接收端发送数据,当bb大于发送端的请求带宽时,发送端以请求带宽发送数据。 四、覆盖节点的结构: 4、1覆盖网络节点结构 覆盖网络的节点结构如图2所示,它主要有虚拟链路控制、路由控制和数据发送、接收三部分组成。 虚拟链

14、路控制器:主要是统计链路的状态,包括链路带宽、剩余带宽、丢失率、时延等信息。由后一节点向前一节点发送两个节点之间的链路信息,包括链路带宽、剩余带宽等,前一节点收到这些信息后,作为链路状态控制链路传输。 路由控制器:由流分流器和Qos高度器组成,主要是把到达到的聚集流进行区分,再根据目的节点的不同进行聚集。 数据发送、接收器:它是数据的发送和接收部分,在发送端和接收端分别有数据编码器和解码器。编码器根据链路状态,把要重传的数据进行编码;接收端在收到数据后,也根据链路状态和编码的冗余度进行解码,把解码之后的数据传给路由控制器。 4、2链路传输方式 如图2所示:节点a经发送器Q向节点b发送数据,节点

15、b将丢失的数据包信息发回节点a,节点a将要重传的数据包进行编码,经发送器M向节点b的接收器N进行发送。接收器N接到数据后 根据相应的规则进行解码。再将数据送到数据缓存区。 对于数据缓存区内的数据,路由控制器负责对每个聚集流的数据进行分拆,再根据目的节点的不同进行聚集。发往发送数据区。 发送数据区根据链路状态,分别选择合适的带宽发送数据和进行编码。 五、模拟实验和分析 运用NS2模拟软件,对覆盖网络上的两个节点之间的传输进行了模拟。模拟环境为LINUX9.0操作系统,并对取得的数据用Matlab进行画图。当网络中的丢失率为1%时,对三个数据传输进行测试,测试结果如(下页的图3和图4。) 分析:经

16、模拟实验,基本到达了预期效果。经一次重传,网络丢失率可以控制在0.1%以内,经两次重传,丢失率减少为0.0001%。 六、总结、展望 覆盖网络已经成为一种解决网络服务质量问题的重要手段,本文的方案,可以提高远距离数据传输的质量和效率;但是,也可能增加网络拥塞状况的出现,如何避免网络拥塞将是进一部研究工作的重要内容。 参考文献: RFC-1994, Integrated service in the Internet architecture: an overviewS. Priggouris G, Hadjiefthymiades S,Merakos L. GPRS IntServ/RSVP:

17、 an integrated architectureJ.Computer Networks,2007,37(5):617629. IETF/RFC1889,RTP: a transport protocol for real2time application S . 罗万明、林闯、阎保平:TCP/IP拥塞控制机制J.计算机学报,2001,24(1):118. FuruniM,Towslay D F. Real2time traffic transmissionsover the Internet J. IEEE Trans Multimedia, 2006,3 (3):3340. 郑庆华,李

18、人厚.基于Agent的多层次多群体协同工作的建模J.西安交通大学学报,2006,35(2):128132. Hunt R. A review of quality of service mechanisms in IP2based networks2integrated and differentiated services,multi2layer switching, MPLS and traffic engineering J.Computer Communications,2007,25(1):100108.吴翔、奉余莽:IP网中提供QoS支持的方案综述J . 计算机应用研究,2006,

19、17(4):1113. 9Xiao Li,Liu Yunhao,Ni L M. Improving Unstructured Peer- to-Peer Systems by Adaptive Connection EstablishmentJ. IEEE Trans on Computers,2005,54(9):1091-1103. 10Liu Yunhao, Xiao Li, Esfahanian A H, et al. Approaching Optimal Peer-to-Peer OverlaysC/Proc of the 13th Annual Meeting of IEEE M

20、ASCOTS,2005. 11Liu Yunhao, Xiao Li, Liu Xiaomei, et al. Location Awareness in Unstruetured Peer-to-Peer SystemsJ.IEEE Trans on Parallel ancl Distributed Systems,2005,16(2):163-174. 12Padmanabhan V N, Subramanian L. An Investigation of Geographic Mapping Techniques for Intemet HostsC/Proc of ACM SIGCOMM01,2001, 13Zhang Guoqiang, Zhang Guoqing. Agent Selection and P2P Overla