1、增強網絡服務質量的一種覆蓋網絡 - 免費論文 - 計算機論文發表 - 職稱論文發表網|職稱論文網|建筑論文發表|教育教學論文發表|計算機論文發表|醫學論文發表|代理論文發表|發表論文|論文代寫代發表|論文發表服務網站    摘要:針對現有網絡的服務質量(Quality of Service,QoS)解決方案,如集成服務( InterServ/RSVP)、區分服務(DiffServ) 及MPLS 模型等,存在的適用性差及需要協議和硬件支持等不足,提出了一種新的可以支持分布式應用的自適應QoS控制網絡傳輸模型,該模型是在覆蓋網絡的基礎上應用FEC編碼技術,并

2、利用網絡的QoS自適應地進行編碼。實驗結果表明:本方案具有更高的傳輸質量和良好的擴展性,對IP網的路由和交換沒有任何依賴等特點。 關鍵詞:覆蓋網絡;前向糾錯;服務質量。 引言: 隨著網絡技術的發展,人們對于網絡的服務質量提出了越來越多的要求。傳統的網絡基礎設施只能提供盡力而為的鏈路服務,不能很好的保證網絡的服務質量。目前,有關QoS問題的主要解決方案有以下幾種:集成服務(InterServ/ RSVP)模型14、區分服務DiffServ模型、MPLS模型以及流量工程等等,這些模型為QoS問題的解決起到了積極的推動作用。但是,這些方案的一個共同點是需要網絡底層協議給上層應用提供服務質量保證,即對

3、路由器、交換機等網絡交換設備有一定的要求。由于目前IP網一般不提供資源預留、區分服務和帶寬劃分等服務8,9,因此上述方案有很大的局限性。鑒此,我們提出了一種利用覆蓋網絡架構來增強網絡的服務質量。 一、覆蓋網絡 覆蓋網絡(OveriyaNetwokr)是建立在現有網絡基礎上的虛擬網絡,由一系列分布于(見下圖1)Internet各自治系統內部的覆蓋服務節點以及連接它們的邏輯鏈路所組成,它能有效地利用Internet給終端用戶提供更為可靠的服務。覆蓋節點通常具有路由、數據處理和數據保存等功能,而邏輯鏈路(即覆蓋鏈路)通常對應底層的一條或多條物理路徑,對數據進行傳輸。利用覆蓋網絡技術,不需要大規模改變

4、現有網絡架構就能提供更為可靠、容錯性更好的服務,可以方便地通過針對特定應用的覆蓋網絡提供在現有網絡層基礎結構中難以提供的新業務,通過采用能更好地利用網絡資源信息的算法來提高現有Internet已有的業務性能。 和現有網絡相比較,覆蓋網絡技術具有很大優勢。它不需要大規模改變現有網絡架構就能提供更為可靠、容錯性更好的服務。有了覆蓋網絡,即使網絡層出現錯誤,應用系統也可以憑借覆蓋網絡快速找到替代路由,并且可以根據應用服務的不同服務質量要求尋找相應的最優路徑。同時,覆蓋網絡只是重疊在現有網絡之上的虛擬網絡,并不需要改變現有網絡架構,實現起來也方便。 二、重傳機制和前向糾錯技術 我們將描述一種混合的解決

5、方法,使用FEC(Forward Error Correction,前向糾錯)和ARQ(Automatic Repeat Quest,自動請求重發)相結合建立一個虛擬鏈路。 虛擬鏈路傳輸的兩個節點之間的通信是不可預期的;定義q為這條鏈路的平均丟失率,它統計一段時間t(t較大)內的平均丟失率。 前向糾錯與ARQ的權衡:FEC和ARQ協議的主要區別是在權衡鏈路之間的帶寬開銷和數據包恢復時間。前向糾錯可以在有包的丟失的情況下恢復數據包,帶寬開銷很高,尤其是虛擬的鏈路遇到突發性的損失的時候。另一方面,一個以ARQ協議為基礎的解決方案,在兩個覆蓋節點之間有很高的往返時延時將具有很高的數據包恢復時間。我們

6、目前采用這兩種機制相混合的方法,以期達到最佳平衡。 以ARQ協議為基礎的虛擬鏈路:純粹的以ARQ協議為基礎的解決方案,這樣的虛擬鏈路很容易構建。在一個可靠的傳輸(q=0)中,數據包經過多次轉發,直到發送端收到接收端發來的信息。同樣,在一個在損失率不為零的情況下,為了達到一個目標丟失率(q),需要任何丟失的數據包發送次,其中 代表兩個覆蓋節點之間的平均丟失率:不過,如果L>1,純基于ARQ的虛擬鏈路吸引力將降低,因為它使用多個往返時延以達到目標丟失率q。 以FEC為基礎虛擬鏈路:在一個以前向糾錯為基礎的方案中,我們最關心的是編碼和解碼的時間。在這里,采用的是里德所羅門編碼解碼方式(Reed

7、-Solomon code),其特點是:對于一組數據(n,k),其中k是到達入口節點的數據包數量,(n-k)項所代表的是多余的包。設r是指冗余因素,其中r=(n-k)/n。該FEC的問題降低成為實現這樣的目標損失率q,以確定最低冗余因素r。當冗余度r增大時,它的解碼時間是呈指數增長的,純FEC的虛擬鏈路在特別大是,并不適合。FEC+ARQ為基于的虛擬鏈路:經一次重傳之后的丟失率已經很低,這里只討論重傳次數為1的情況。由于時延約束的損失恢復,我們限制重傳次數不大于1。數據包到發送窗口,并添加一個FEC的冗余度r1。在重傳中,要重傳的數據包的冗余度為r2。 經過一次FEC解碼之后的丟失率為: 因此

8、,假設鏈路中的丟失率在兩輪傳輸中是相等的,則經過一次重傳之后的丟失率為L(r1,r2)=G(r1)×G(r2)。由于要實現目標丟失率q,我們要求:L(r1,r2)q 對于給定的窗口,r1的是FEC的在第一輪的開銷,則G(r1)是預期的重傳數據包數目;G(r1)×R2為預期在第二輪的開銷。預期的帶寬開銷: O(r1,r2)=R1+G(r1)(1+r2) 這個問題成為下列優化問題:鑒于目標丟失率的Q,確定冗余因素r1和r2的最小預期的開銷,O(r1,r2)受丟失的目標約束:L(r1,r2)q. 對于發生在實踐中的許多損失分布,最優解這個問題時, r1=0。這個解決方案意味著最好

9、不要在第一次發送時使用前向糾錯,前向糾錯僅用在重傳數據時。當r1=0和r2 =0,前向糾錯+ARQ的虛擬鏈路成為一個純粹基于ARQ的虛擬鏈路。 三、帶寬的確定 有許多衡量網絡傳輸性能的參數,例如路徑長度,時延,抖動,吞吐量,丟失率,可靠性,公平性,動態性,穩定性,帶寬等,其中,帶寬是其中重要成員中的一個,許多應用都受益于網絡路徑帶寬,例如,P2P應用利用peers之間的可用帶寬動態形成用戶層,覆蓋網絡利用虛擬鏈路帶寬配置他們的路由列表,網絡提供商租賃他們的鏈路往往都是以可用帶寬為基準進行交易,服務提供商和用戶之間的服務協議都是以可用帶寬作為網絡連接的關鍵點。帶寬同樣是分布式網絡,智能路由系統,

10、端到端接入控制和音頻/視頻流應用的關鍵概念。 評價網絡路徑帶寬有兩個度量標準:一是路徑帶寬能力,一是路徑的可用帶寬。其中,路徑帶寬能力是指在沒有交通流量的情況下,由各段鏈路的瓶頸帶寬所決定的路徑最大帶寬;而路徑的可用帶寬是指除去目前的鏈路交通流量,由各段鏈路的最小可用帶寬瓶頸決定的路徑最大可用帶寬。傳統的Internet網絡主要優化對象是接入率與網絡吞吐量,它主要為數據業務提供盡力而為的服務,并不能提供很高的服務質量保證。隨著Internet的發展,出現了越來越多的數字音視頻多媒體應用等對服務質量有更多樣化、更嚴格要求的業務。為了為這些業務提供所需的服務質量保證,網絡必須進行合理的資源預留并實

11、現對網絡的有效控制。有用帶寬測量技術就是在這種背景下被提出的。可用帶寬測量的主要目標有兩個:一是基于網絡狀態為網絡業務選擇一條或多條能滿足服務質量要求的傳輸路徑,二是在滿足QoS要求基礎上盡量均衡各種網絡資源,使得網絡資源的利用率達到最大。可用帶寬測量主要分兩步,第一步是獲取、分析數據,進行可用帶寬估計,并在網絡上傳遞可用帶寬和其他一些必要的網絡狀態信息;二是利用所獲取的網絡狀態信息進行最佳路徑選擇和合理資源分配。前一步集中于對探測數據的發送和估計所用數據的收集以及由此給網絡引起的額外處理負擔等問題的研究,后一步則主要考慮選路算法的實現和資源的合理分配。 本章首先系統的研究了可用帶寬測量技術的

12、現狀,然后在此基礎上我們提出針對Spines逐跳可用帶寬測量算法BELR (Bandwidth Estimation Linear Regression),為Spines虛擬鏈路資源管理和路由提供信息資源。 發送帶寬的確定 發送帶寬有兩部分組成,分別是數據傳輸帶寬和重傳帶寬。這里,我們取所有虛擬鏈路傳輸帶寬最小的數據傳輸帶寬作為發送帶寬。 通過網絡節點的測量,可以統計從發送端到接收端的所有虛擬鏈路的可用帶寬b1、b2、bn。每一條虛擬鏈路的可用帶寬b就是這條鏈路的傳輸帶寬,傳輸帶寬除了要進行鏈路信息的維護帶寬bi,還有數據傳輸的帶寬bt和重傳的帶寬br bi=bi+bt+br 重傳帶寬br是重

13、傳數據經過前向糾錯控制之后的數據。數據經過一次重傳之后的丟失率q*要遠遠地下于丟失率q,要重傳的帶寬br=bt*q*f(q),帶入式中,可以得出: bt=bi/(1+qf(q) 所有鏈路bti中最小的帶寬就是發送端可發送的最大帶寬bb。其中,所有鏈路中的最小可用帶寬已可能不再是瓶頸帶寬,而最小數據傳輸帶寬則做為衡量鏈路的一個重要標準。當發送端的請求帶寬大于bb時,發送端以帶寬bb向接收端發送數據,當bb大于發送端的請求帶寬時,發送端以請求帶寬發送數據。 四、覆蓋節點的結構: 4、1覆蓋網絡節點結構 覆蓋網絡的節點結構如圖2所示,它主要有虛擬鏈路控制、路由控制和數據發送、接收三部分組成。 虛擬鏈

14、路控制器:主要是統計鏈路的狀態,包括鏈路帶寬、剩余帶寬、丟失率、時延等信息。由后一節點向前一節點發送兩個節點之間的鏈路信息,包括鏈路帶寬、剩余帶寬等,前一節點收到這些信息后,作為鏈路狀態控制鏈路傳輸。 路由控制器:由流分流器和Qos高度器組成,主要是把到達到的聚集流進行區分,再根據目的節點的不同進行聚集。 數據發送、接收器:它是數據的發送和接收部分,在發送端和接收端分別有數據編碼器和解碼器。編碼器根據鏈路狀態,把要重傳的數據進行編碼;接收端在收到數據后,也根據鏈路狀態和編碼的冗余度進行解碼,把解碼之后的數據傳給路由控制器。 4、2鏈路傳輸方式 如圖2所示:節點a經發送器Q向節點b發送數據,節點

15、b將丟失的數據包信息發回節點a,節點a將要重傳的數據包進行編碼,經發送器M向節點b的接收器N進行發送。接收器N接到數據后 根據相應的規則進行解碼。再將數據送到數據緩存區。 對于數據緩存區內的數據,路由控制器負責對每個聚集流的數據進行分拆,再根據目的節點的不同進行聚集。發往發送數據區。 發送數據區根據鏈路狀態,分別選擇合適的帶寬發送數據和進行編碼。 五、模擬實驗和分析 運用NS2模擬軟件,對覆蓋網絡上的兩個節點之間的傳輸進行了模擬。模擬環境為LINUX9.0操作系統,并對取得的數據用Matlab進行畫圖。當網絡中的丟失率為1%時,對三個數據傳輸進行測試,測試結果如(下頁的圖3和圖4。) 分析:經

16、模擬實驗,基本到達了預期效果。經一次重傳,網絡丟失率可以控制在0.1%以內,經兩次重傳,丟失率減少為0.0001%。 六、總結、展望 覆蓋網絡已經成為一種解決網絡服務質量問題的重要手段,本文的方案,可以提高遠距離數據傳輸的質量和效率;但是,也可能增加網絡擁塞狀況的出現,如何避免網絡擁塞將是進一部研究工作的重要內容。 參考文獻: RFC-1994, Integrated service in the Internet architecture: an overviewS. Priggouris G, Hadjiefthymiades S,Merakos L. GPRS IntServ/RSVP:

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