網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)端到端QoS控制技術(shù)研究

邱春榮

（長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410004）

網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)端到端QoS控制技術(shù)研究

邱春榮

（長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410004）

網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)的QoS控制是當(dāng)前教育信息化建設(shè)的熱點(diǎn)研究課題。文中分析了網(wǎng)絡(luò)端到端QoS控制技術(shù)，研究了網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)的典型網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境，并設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)端到端QoS架構(gòu)，最后進(jìn)行了系統(tǒng)的QoS性能分析。

網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)；端到端；QoS

1.引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和教育事業(yè)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)以其在時(shí)空上的靈活性和良好的可擴(kuò)展性受到了廣泛的關(guān)注。網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)用戶所處環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)狀況較為復(fù)雜，可能是園區(qū)局域網(wǎng)，也可能是家庭的撥號網(wǎng)絡(luò)；可能是有線接入，也可能是無線接入方式，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)帶寬和可靠性等性能參數(shù)也差異很大。另一方面，網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)特別是帶有多媒體和3D動畫元素的虛擬教學(xué)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、數(shù)據(jù)傳輸速率、延遲、延遲抖動等性能是用戶直接關(guān)心的問題。因此，端到端的系統(tǒng)QoS控制技術(shù)是一個(gè)非常值得研究的課題。

2.網(wǎng)絡(luò)端到端QoS控制技術(shù)分析

2.1 網(wǎng)絡(luò)QoS分層控制模型

網(wǎng)絡(luò)QoS控制模型［1-3］如圖1所示。通常情況下，網(wǎng)絡(luò)QoS控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要集中在OSI/RM模型中從網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層的4個(gè)層次，每層都有相對獨(dú)立的QoS控制和維護(hù)功能。

物理層中按照業(yè)務(wù)量分配固定帶寬的TDM（時(shí)分復(fù)用），能夠嚴(yán)格地保證QoS；在ATM網(wǎng)絡(luò)中，各種業(yè)務(wù)流可以分成四種不同的業(yè)務(wù)類型，終端在通信前首先要建立連接，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)用戶所申請的帶寬等參數(shù)對業(yè)務(wù)量進(jìn)行QoS控制。

數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)QoS是通過對幀或分組進(jìn)行優(yōu)先級的劃分和處理來保證服務(wù)質(zhì)量的，也就是說，按優(yōu)先級把各個(gè)幀或分組分成多個(gè)隊(duì)列，減少特定業(yè)務(wù)量的時(shí)延并吸收時(shí)延抖動；有時(shí)還像幀中繼的報(bào)片化（fragment）那樣,將長數(shù)據(jù)作截短處理，以降低轉(zhuǎn)發(fā)處理所帶來的延時(shí)。

傳輸層以上的QoS控制與網(wǎng)絡(luò)層以下的技術(shù)不同，它與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備無關(guān)。傳輸層只在用戶終端對發(fā)送速率進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲苑乐箵砣蛿?shù)據(jù)丟失；而系統(tǒng)平臺位于網(wǎng)絡(luò)的端系統(tǒng)中，對QoS的支持和實(shí)現(xiàn)有著相當(dāng)重要的意義。

在應(yīng)用層，QoS的實(shí)現(xiàn)主要是通過各種數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)減少待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，同時(shí)對實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)實(shí)施適當(dāng)?shù)目刂坪凸芾?，從而保證實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

2.2 端到端QoS控制技術(shù)分析

端到端QoS的關(guān)鍵技術(shù)主要有報(bào)文分類、隊(duì)列管理、擁塞避免、流量整形、QoS路由和Web QoS控制技術(shù)等［1-3］。

（1）報(bào)文分類（PacketClassification）

簡單地說，把報(bào)文映射到不同的服務(wù)類的過程就稱為報(bào)文分類。報(bào)文分類使用一個(gè)通信描述符來對某特定分組中的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類，以便規(guī)定這個(gè)數(shù)據(jù)包，并且使其適合網(wǎng)上服務(wù)質(zhì)量處理。利用數(shù)據(jù)包分類，可以將網(wǎng)絡(luò)通信流量劃分為多個(gè)優(yōu)先級層次或服務(wù)等級。當(dāng)使用通信描述符進(jìn)行通信分類時(shí)，信源將同意遵照約定的條款，并且網(wǎng)絡(luò)將承諾提供一個(gè)QoS。通信管制特性（速率限制功能）、通信流量規(guī)定特性和普通通信流量規(guī)定（Generic Traffic Shaping簡稱為GTS）就是分類的依據(jù)。

（2）隊(duì)列管理（QueueManagement）

隊(duì)列管理是指以隊(duì)列為依托、對到達(dá)的數(shù)據(jù)分組、數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸控制的多種機(jī)制，主要涵蓋緩沖管理和分組調(diào)度兩個(gè)方面的內(nèi)容。緩沖管理機(jī)制從分組的角度看其實(shí)就是分組丟棄機(jī)制，包括尾部丟棄、頭部丟棄、閾值丟棄、隨機(jī)丟棄、非參數(shù)控制丟棄和選擇性丟棄等。常見的分組調(diào)度算法有：先進(jìn)先出隊(duì)列（FIFO）、優(yōu)先級隊(duì)列（PQ）、公平隊(duì)列（FQ）、權(quán)值公平隊(duì)列（WFQ）、權(quán)值循環(huán)輪轉(zhuǎn)（WRR）、基于類的隊(duì)列（CBQ）等。

（3）擁塞避免（Congestion Avoidance）

擁塞避免技術(shù)通過監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)荷，可預(yù)測和避免公共網(wǎng)絡(luò)瓶頸處發(fā)生的擁塞。這與在擁塞出現(xiàn)時(shí)對其進(jìn)行管理的擁塞管理技術(shù)不同。QoS解決方案避免擁塞的主要工具是加權(quán)隨機(jī)早期檢測（WRED），它為較高優(yōu)先級信息分組提供優(yōu)先流量處理。當(dāng)接口開始出現(xiàn)擁塞時(shí)，它將有選擇地丟棄較低優(yōu)先級的流量，并為不同服務(wù)水平提供不同的性能特性。

（4）流量整形（Traffic Shaping）

通用流量整形（GTS）技術(shù)，可管理網(wǎng)絡(luò)中的流量和擁塞，在特定接口上控制信息流。通過限制指定流量的速率（也稱為令牌存儲桶法），可減少輸出流，避免擁塞，同時(shí)對特定突發(fā)流量進(jìn)行排隊(duì)。這樣，遵守特定標(biāo)準(zhǔn)的流量就可得到整形，以滿足下行流量的要求，消除數(shù)據(jù)速率不匹配產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淦款i。

（5）QoS路由（QoSRouting）

QoS路由的基本任務(wù)是為一次連接尋找一條有足夠資源、能滿足QoS要求的可行路徑。QoS路由不同于盡力而為（best-effort）路由，因?yàn)镼oS路由通常是面向連接、有資源預(yù)留功能，并且能夠提供有質(zhì)量保證的服務(wù)；而后者有可能是面向連接，也可能是無連接的，根據(jù)當(dāng)前可獲得的資源的不同，服務(wù)質(zhì)量方面也有所不同。

（6）Web QoS技術(shù)

Web QoS控制技術(shù)屬于應(yīng)用層的QoS，衡量的是用戶在與Web站點(diǎn)進(jìn)行交互時(shí)所感知的服務(wù)性能，如資源下載時(shí)間、服務(wù)器的可用性、故障出現(xiàn)概率和恢復(fù)的時(shí)間等參數(shù)。由于Web基礎(chǔ)設(shè)施的復(fù)雜性，影響Web QoS的因素有很多，如網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、Web服務(wù)器的硬件性能、服務(wù)器操作系統(tǒng)的性能、應(yīng)用軟件和中間件的處理能力等。目前，Web QoS的系統(tǒng)解決方案大體有以下三類：

一是區(qū)分的Web服務(wù)機(jī)制與策略。該方案的主要做法是定義用戶或服務(wù)請求的類別，確定優(yōu)先級，利用基于優(yōu)先級的請求分配策略和資源監(jiān)控與調(diào)度機(jī)制來保證不同的SLA。

二是Web服務(wù)器系統(tǒng)服務(wù)策略。其主要思想是從體系結(jié)構(gòu)的角度設(shè)計(jì)Web用戶服務(wù)SLA保證協(xié)議。主要處理方法是：增加內(nèi)存和CPU以提高服務(wù)器的處理能力；在局部范圍內(nèi)復(fù)制服務(wù)器內(nèi)容，建立服務(wù)器集群，增強(qiáng)本地處理能力；在廣域網(wǎng)范圍內(nèi)建立服務(wù)器集群擴(kuò)大全局處理能力。

三是軟件QoS服務(wù)策略。在應(yīng)用層軟件QoS控制技術(shù)中可以通過用戶服務(wù)區(qū)分和優(yōu)先調(diào)度、接納控制、資源分配、網(wǎng)絡(luò)層QoS支持機(jī)制等方法實(shí)現(xiàn)各種不同的服務(wù)策略。應(yīng)用軟件的靈活性給該層的QoS控制帶來很多用戶和服務(wù)商個(gè)性化的服務(wù)機(jī)制組合。

3.網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境設(shè)計(jì)

圖2所示為典型的網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)的用戶使用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境［4］。圖中示意了兩類用戶：第一類為局域網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)用戶，該類用戶的特點(diǎn)是用戶與服務(wù)器系統(tǒng)在同一局域網(wǎng)內(nèi)。對于這類用戶，由于帶寬保證較好，并且網(wǎng)絡(luò)服務(wù)可靠性較高，因此網(wǎng)絡(luò)QoS較好。第二類用戶與網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)服務(wù)器不在同一局域網(wǎng)內(nèi)。這類用戶的服務(wù)在傳輸鏈路中可能存在的性能瓶頸較多，網(wǎng)絡(luò)可靠性無法得到較好的保障。

圖2 網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境示意圖

4.網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)端到端QoS架構(gòu)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)端到端QoS架構(gòu)如圖3所示，主要由三個(gè)模塊組成：網(wǎng)絡(luò)鏈路性能探測器、網(wǎng)絡(luò)QoS決策單元和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)管理數(shù)據(jù)庫。

圖3 網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)QoS控制架構(gòu)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)鏈路性能探測器定義了服務(wù)請求（Service_Request）、丟包率（Packet_Loss） 和鏈路帶寬（Link_Bandwidth）等屬性。當(dāng)接收到用戶的服務(wù)請求后，就啟動鏈路探測進(jìn)程。在某一固定的時(shí)隙T內(nèi)以固定速率R發(fā)送探測數(shù)據(jù)消息，通過反饋的確認(rèn)數(shù)據(jù)消息P來計(jì)算丟包率L，計(jì)算式為：L=（TR－P）/T*100%，該參數(shù)賦給Packet_Loss屬性。而網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬B的計(jì)算方法為：B=P/T，并賦給Link_Bandwidth。該模塊將這些計(jì)算結(jié)果傳輸給網(wǎng)絡(luò)QoS決策單元。

網(wǎng)絡(luò)QoS決策單元模塊接收網(wǎng)絡(luò)鏈路性能探測器傳輸來的Packet_Loss和Link_Bandwidth屬性值，并根據(jù)多媒體數(shù)據(jù)流的參數(shù)界值Multimedia_Loss和Multimedia_Rate來決定是否接納該用戶的服務(wù)請求，具體判定為：如果Multimedia_Loss－Packet_Loss≥0且Link_Bandwidth－Multimedia_Rate≥0成立，則服務(wù)請求接納，反之服務(wù)請求接納將被否決。網(wǎng)絡(luò)QoS決策單元模塊將把決策結(jié)果以服務(wù)應(yīng)答（Service_Response）的形式反饋給用戶端，并把判定結(jié)果和服務(wù)狀態(tài)（Service_Status）記錄到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)管理數(shù)據(jù)庫模塊中。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)管理數(shù)據(jù)庫記錄了網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)的服務(wù)狀態(tài)和過程。主要包括：用戶名（Username）、用戶ID號（User_ID）、鏈路狀態(tài)（Service_Status）、服務(wù)啟動時(shí)間 （Service_Start_Time）、服務(wù)結(jié)束時(shí)間（Service_Stop_Time）。其中的鏈路狀態(tài)（Service_Status）記錄了由網(wǎng)絡(luò)QoS決策單元模塊中傳輸來的計(jì)算結(jié)果。

5.結(jié)束語

從數(shù)據(jù)丟包率來看，由于在網(wǎng)絡(luò)鏈路性能探測時(shí)，用模擬多媒體服務(wù)數(shù)據(jù)消息進(jìn)行了預(yù)探測和計(jì)算，并由網(wǎng)絡(luò)QoS決策單元模塊進(jìn)行了服務(wù)丟包率接納判斷，因此，在進(jìn)行系統(tǒng)多媒體服務(wù)時(shí)候，丟包率將控制在系統(tǒng)可接受范圍內(nèi)。

從時(shí)延和時(shí)延抖動來看，時(shí)延和時(shí)延抖動與系統(tǒng)端到端鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率有著直接關(guān)系。系統(tǒng)中設(shè)定了Link_Bandwidth屬性值，對系統(tǒng)服務(wù)鏈路進(jìn)行了測量，并根據(jù)虛擬教學(xué)系統(tǒng)中的多媒體數(shù)據(jù)流Multimedia_Rate值和Link_Bandwidth值進(jìn)行了比對。所以，該網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)多媒體數(shù)據(jù)流的時(shí)延和時(shí)延抖動性能參數(shù)是有保障的。

但本系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)QoS控制模塊軟件實(shí)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)QoS控制模塊與系統(tǒng)其它模塊的聯(lián)合調(diào)試等方面還不完善，這是下一步的研究任務(wù)。

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［4］李方敏,李仁發(fā).基于協(xié)作的虛擬實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)支撐環(huán)境研究.Proceedings of the 3rd World Congress on Intelligent Controland Automation，July 2000.

TP393 < class="emphasis_bold">［文章標(biāo)識碼］ A

A

1671-5136（2011） 03-0124-03

2011-09-20

邱春榮（1975-），男，江西寧都人，長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件學(xué)院副教授、系統(tǒng)分析師、碩士。研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、多媒體技術(shù)。