徐永華,陳清華
(1.金陵科技學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京211169;2.江蘇省信息分析工程實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京211169;3.南京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京210094)
近年來,流媒體傳輸在網(wǎng)絡(luò)傳輸領(lǐng)域中占據(jù)了越來越重要的地位,如何根據(jù)流媒體的性質(zhì)或改進(jìn)交換機(jī)的調(diào)度策略[1-2]是提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的有效途徑。目 前,VOQ[3]交 換 機(jī) 使 用 的 調(diào) 度 算 法 有PIM[4](Parallel Iterative Matching)、RRM[5](Round-Robin Matching)和iSLIP 算法[6-7],其中,iSLIP 算法因?yàn)槠鋵?shí)現(xiàn)簡單和并行性得到了廣泛的應(yīng)用,但為保證網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量(QOS)[8]同時(shí)也保證吞吐量。學(xué)者們提出了基于輸入排隊(duì)[9]的支持優(yōu)先級機(jī)制的交換機(jī)調(diào)度算法,即Prioritized iSLIP(P-iSLIP)算法[10],進(jìn)行基于優(yōu)先級的調(diào)度,這樣才能使重要性高的分組得到更好的服務(wù),但該算法是各個(gè)輸入隊(duì)列按照嚴(yán)格優(yōu)先級來執(zhí)行的,在實(shí)際的傳輸過程中將會(huì)導(dǎo)致普通數(shù)據(jù)隊(duì)列的丟失及對增強(qiáng)層造成很大的延時(shí)和延時(shí)抖動(dòng),不能更好地滿足網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量保證及網(wǎng)絡(luò)吞吐量。
因此,本文提出改進(jìn)支持嚴(yán)格優(yōu)先級的交換機(jī)調(diào)度算法,采用動(dòng)態(tài)優(yōu)先級算法實(shí)現(xiàn),其中設(shè)計(jì)了一個(gè)動(dòng)態(tài)的線性優(yōu)先級計(jì)算函數(shù),該函數(shù)的輸入?yún)?shù)是每個(gè)隊(duì)列的優(yōu)先級和在每一隊(duì)列中待發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù),傳輸?shù)膬?yōu)先級隨之動(dòng)態(tài)改變。該算法使交換機(jī)能夠更好地支持MPEG-4 流的傳輸,提高M(jìn)PEG-4 流傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量。
基于VOQ 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示,它主要由輸入端口、輸出端口、交換結(jié)構(gòu)和調(diào)度器[11-12]組成。假設(shè)輸入和輸出端口的數(shù)量都是N 且數(shù)據(jù)傳輸速率相同。輸入端口采用VOQ,共有N ×N =N2個(gè)隊(duì)列。分組在進(jìn)入交換結(jié)構(gòu)前已被分成定長信元,時(shí)間被分成等長的時(shí)間片。
圖1 VOQ 交換機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
輸入端i 的信元到達(dá)是一個(gè)離散的隨機(jī)過程,用Ai(t)表示,1≤i≤N,表示在一個(gè)時(shí)間片t 內(nèi)最多有一個(gè)信元到達(dá)一個(gè)輸入端口。到達(dá)的信元根據(jù)目的端口存放相應(yīng)地輸入FIFO 隊(duì)列Q(i,j)中,隊(duì)列Q(i,j)的占用率用Li,j(t)表示。各隊(duì)列的信元到達(dá)過程用Ai,j(t)表示,平均到達(dá)率為λi,j。到達(dá)過程的集合記為
在MPEG-4 中將層次劃分為基本層、增強(qiáng)層1 ~4,由此得出VOQ 隊(duì)列為基本層、增強(qiáng)層分組和普通數(shù)據(jù)分組的6 組,各自的重要性不同,在支持L 個(gè)優(yōu)先級的P-iSLIP 算法中,每一個(gè)輸入端口對每個(gè)單獨(dú)的優(yōu)先權(quán)等級和輸出都保持一個(gè)單獨(dú)的FIFO 隊(duì)列,在每個(gè)VOQ 中設(shè)置P 個(gè)子隊(duì)列,P 個(gè)子隊(duì)列表示為Ql(i,j),其中i 表示輸入端口;j 表示輸出端口,l 表示優(yōu)先級,則1≤i,j≤N,1≤l≤P,這樣每個(gè)輸入端口保持了FIFO 隊(duì)列數(shù)為P ×N 個(gè)。該算法在每個(gè)信元時(shí)間內(nèi)規(guī)定了嚴(yán)格的優(yōu)先權(quán)。
Ql(i,j)只有在Qm( i,j ),l <m≤P 的所有隊(duì)列被服務(wù)完成之后才能接受服務(wù),算法在迭代收斂時(shí)或迭代次數(shù)達(dá)到n 次后停止。其中,迭代收斂是指在新一輪的迭代中沒有匹配出任何新連接。每次迭代的3 個(gè)步驟分別為請求、授權(quán)、接受。
在P-iSLIP 算法中,各個(gè)優(yōu)先級隊(duì)列是按照嚴(yán)格優(yōu)先級來執(zhí)行的,即高優(yōu)先級的隊(duì)列中有分組的話,低優(yōu)先級隊(duì)列不會(huì)被發(fā)送,在實(shí)際的傳輸過程中將會(huì)導(dǎo)致:①普通數(shù)據(jù)隊(duì)列丟失,當(dāng)基本層和增強(qiáng)層待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量增加時(shí),普通數(shù)據(jù)包的阻塞將加大,一旦普通數(shù)據(jù)包的隊(duì)列達(dá)到滿的情況下,就會(huì)丟失;②MPEG-4 增強(qiáng)層數(shù)據(jù)包丟失,因?yàn)閷PEG-4 流分成基本層和增強(qiáng)層時(shí),由于MPEG-4 增強(qiáng)層是不能單獨(dú)解碼的,必須和其對應(yīng)的基本層一起解碼,如果在MPEG-4 基本層隊(duì)列和增強(qiáng)層隊(duì)列中依然采用嚴(yán)格優(yōu)先級策略的話,對于MPEG-4 增強(qiáng)層將造成很大的延時(shí)和延時(shí)抖動(dòng),很可能當(dāng)MPEG-4 增強(qiáng)層傳送到解碼器時(shí),與其對應(yīng)的基本層幀已經(jīng)解碼播出了。這樣MPEG-4 增強(qiáng)層就錯(cuò)過其播發(fā)時(shí)間,導(dǎo)致的結(jié)果是雖然MPEG-4 增強(qiáng)層傳輸?shù)搅私K端,但對于視頻質(zhì)量并沒有幫助,相當(dāng)于MPEG-4 增強(qiáng)層數(shù)據(jù)包丟失了。因此,在考慮盡量滿足MPEG-4 基本層的傳輸下,適當(dāng)考慮提高增強(qiáng)層和普通數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級,使得數(shù)據(jù)傳輸更加完整。因此,提出了在面向MPEG-4 流的匹配調(diào)度算法設(shè)計(jì)中,綜合考慮實(shí)際發(fā)送數(shù)據(jù)隊(duì)列的情況,改進(jìn)面向MPEG-4流的調(diào)度算法,使之更加適合數(shù)據(jù)傳輸。
首先將數(shù)據(jù)隊(duì)列分為3 組,如表1 所示。
表1 數(shù)據(jù)隊(duì)列分組
因此,每個(gè)輸入端口的每一個(gè)VOQ 設(shè)置6 個(gè)子隊(duì)列,分別是MPEG-4 基本層隊(duì)列、MPEG-4 增強(qiáng)層1 隊(duì)列、MPEG-4 增強(qiáng)層2 隊(duì)列、MPEG-4 增強(qiáng)層3 隊(duì)列、MPEG-4 增強(qiáng)層4 隊(duì)列和普通的Best Effort 隊(duì)列。
基于嚴(yán)格的優(yōu)先級考慮是對于每一組設(shè)置一個(gè)固定的優(yōu)先級,不考慮系統(tǒng)的狀態(tài)和隊(duì)列中的數(shù)據(jù)多少。本文提出采用一種動(dòng)態(tài)考慮優(yōu)先級的辦法,即在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中,優(yōu)先級動(dòng)態(tài)改變,設(shè)計(jì)一個(gè)動(dòng)態(tài)的線性優(yōu)先級計(jì)算函數(shù)F(i),該函數(shù)的輸入?yún)?shù)是每個(gè)隊(duì)列的優(yōu)先級和在每一隊(duì)列中的待發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù),該函數(shù)定義為
式中:l(p)是對列p 的優(yōu)先級,0≤l(p)≤1,本文實(shí)驗(yàn)仿真中定義為{0.7,0.4,0.2};r(p)是隊(duì)列中的待發(fā)送的數(shù)據(jù)比,即待發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)/隊(duì)列的長度;w(p)是一個(gè)權(quán)重因子,在此,定義為{0.6,0.7,0.8}。公式中體現(xiàn)出如果一個(gè)數(shù)據(jù)包具有較高的l(p),同時(shí)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)也較多則具有較高的優(yōu)先級,會(huì)被首先考慮發(fā)送。設(shè)置MPEG-4 的基本層隊(duì)列的優(yōu)先級l(p)最高,普通數(shù)據(jù)隊(duì)列的l(p)最低,而r(p)的值取決于目前隊(duì)列的狀態(tài)和隊(duì)列可利用的長度。如圖3 所示,經(jīng)過優(yōu)先級函數(shù)計(jì)算后具有最高取值的隊(duì)列優(yōu)先被發(fā)送。但是,當(dāng)一個(gè)隊(duì)列中待發(fā)送的數(shù)據(jù)較多,即r(p)接近于1 時(shí),首先考慮發(fā)送該隊(duì)列中的數(shù)據(jù),以免數(shù)據(jù)被丟失。然而,如果沒有一個(gè)隊(duì)列中待發(fā)送的數(shù)據(jù)處于占滿隊(duì)列的情況,l(i)是發(fā)送數(shù)據(jù)優(yōu)先級的決定因素,也就是隊(duì)列優(yōu)先級較高的先被發(fā)送。如果f(p)>1,則取整。
圖3 動(dòng)態(tài)優(yōu)先級結(jié)構(gòu)模型
因?yàn)樵撍惴ㄖ幸С? 個(gè)優(yōu)先級隊(duì)列,所以,每個(gè)輸出端口需要6 個(gè)授權(quán)指針gjp(j),1≤j≤6;每個(gè)輸入端口也需要6 個(gè)接受指針aip(i),1≤i≤6。
改進(jìn)后的算法同樣分為3 個(gè)步驟:
(1) 請求。如果任意一個(gè)輸入端口i 有分組需要發(fā)送,那么在輸入端口i 的所有非空VOQ 中,每個(gè)VOQ 選出發(fā)送配額Ck不為0 的,且根據(jù)測算出具有最高優(yōu)先級的分組,判斷如果是增強(qiáng)層組,則固定優(yōu)先級考慮輪轉(zhuǎn)該組的所有隊(duì)列,并為相應(yīng)隊(duì)列發(fā)送請求;否則不是增強(qiáng)層組,發(fā)送最高優(yōu)先級的分組隊(duì)列,在請求中包含該隊(duì)列的優(yōu)先級fij(p)信息。如果MPEG-4基本層組隊(duì)列和增強(qiáng)層組中所有隊(duì)列均為空,則發(fā)送普通隊(duì)列的請求。
(2) 授權(quán)。輸出端口j 接收到請求之后,它需要找到這些請求當(dāng)中具有最高優(yōu)先級的所有請求f(j)=max fij。然后輸出端口就在滿足優(yōu)先級為f(j)的輸入端口中選擇一個(gè)輸入端口。輸出仲裁器需要對每一個(gè)優(yōu)先級等級保持一個(gè)指針gjp。在所有具有最高優(yōu)先級為f(j)的輸入選擇過程中,仲裁器使用指針gjp(j)并且選擇使用與經(jīng)典SLIP 算法相同的輪轉(zhuǎn)方案。輸出端口要告訴每個(gè)輸入端口它的請求是否被授權(quán)了。當(dāng)且僅當(dāng)在第3 步中輸入端口i 接受輸出端口j 時(shí),指針gjp(j)在授權(quán)的輸入端口位置之后模N+1。
(3) 接受。假如輸入端口i 接收到輸出端口來的授權(quán),輸入端口i 將確定最高級別的授權(quán),即確定f'(i)=max fij。輸入端口在具有優(yōu)先級為fij=f'(i)的輸出端口中選擇一個(gè)。輸入仲裁器對每個(gè)優(yōu)先級保持一個(gè)單獨(dú)的指針aip。在所有具有最高優(yōu)先級為f'(i)的輸出端口中進(jìn)行選擇時(shí),仲裁器就使用指針a'ip(i)按照經(jīng)典SLIP 算法一樣的輪轉(zhuǎn)方案來進(jìn)行選擇。每個(gè)輸入端口應(yīng)該對每個(gè)輸出端口的授權(quán)是否被接受做出指示。指針a'ip(i)在被接受的輸出端口之后模N +1。輸出端口i 在完成匹配后將該端口的VOQij中建立匹配的隊(duì)列的發(fā)送配額Ck-1。
圖4 給出了一個(gè)算法實(shí)例。圖中為一個(gè)4 ×4 的交換結(jié)構(gòu)。在圖4(a)中,設(shè)VOQ11的基本層和增強(qiáng)層隊(duì)列都不空,且Ck>0,所以VOQ11的基本層隊(duì)列發(fā)送請求,請求優(yōu)先級為f1,即requset(f1);設(shè)VOQ12中,基本層隊(duì)列不空,但基本層隊(duì)列的Ck=0,無法發(fā)送請求,所以增強(qiáng)層發(fā)送請求requset(f2);而VOQ32中基本層和增強(qiáng)層都為空,則普通隊(duì)列發(fā)送請求requset(f3)。由于輸出端口1 收到的2 個(gè)請求的優(yōu)先級相同,需要查看授權(quán)指針gjp(j)來確定授權(quán)哪個(gè)輸入端口的請求,而gjp(j)所指的輸入端口為1,所以輸出端口1 授權(quán)輸入端口1 的請求;輸出端口2 收到的2 個(gè)請求優(yōu)先級不同,授權(quán)優(yōu)先級高的請求。在圖4(b)中,可以看到授權(quán)的結(jié)果。如圖4(c)所示,輸入端口1 收到了2 個(gè)授權(quán),但優(yōu)先級不同,所以輸入端口1 接受優(yōu)先級高的授權(quán),在接受之后,相應(yīng)的授權(quán)和接受指針都進(jìn)行更新,這樣就完成了一次迭代。多重迭代執(zhí)行算法的步驟(1)~(3),每次迭代都在以前迭代建立匹配的基礎(chǔ)上增加匹配的數(shù)目。如果在迭代過程中,當(dāng)某一VOQ 的子隊(duì)列中的MPEG-4 基本層和增強(qiáng)層隊(duì)列的發(fā)送配額Ck=0,則將它們的發(fā)送配額Ck各自設(shè)為初始時(shí)的發(fā)送配額。通過上述的改進(jìn),使得MPEG-4 基本層和增強(qiáng)層有選擇的發(fā)送,首先保證基本層分組的發(fā)送,同時(shí)也盡力發(fā)送增強(qiáng)層分組。
圖4 算法實(shí)例
該發(fā)生器的開發(fā)采用VC + + 6.0、Matlab 6.5 的開發(fā)環(huán)境,Windows XP 操作系統(tǒng)。仿真的交換結(jié)構(gòu)采用8 ×8 的crossbar[13-14]交換結(jié)構(gòu),并且所有鏈路具有相同的信元傳輸速率,流量模型采用ON/OFF 模型[15-16]。設(shè)定輸入端口速率為1 Gb/s,交換結(jié)構(gòu)采用VOQ 存儲(chǔ)組織方式,改進(jìn)后的算法采用4 次迭代,信元長度為64 Byte,延遲時(shí)間的單位為時(shí)隙(slot),即傳輸一個(gè)信元用的時(shí)間。
(1) 包丟失率。設(shè)Npli表示第i 時(shí)間間隙丟失的包數(shù);Npai表示第i 時(shí)間間隙到達(dá)的包數(shù);t 為某個(gè)時(shí)間片,則包丟失率:
(2) 平均延遲。設(shè)Tpdi表示第i 時(shí)間間隙包的延遲時(shí)間;Tpai表示第i 時(shí)間間隙包的到達(dá)時(shí)間;t 為某個(gè)時(shí)間片,則平均延遲Ad:
由于在改進(jìn)的算法中為MPEG-4 基本層隊(duì)列和4個(gè)MPEG-4 增強(qiáng)子層隊(duì)列分別設(shè)置了發(fā)送配額Ck。設(shè)MPEG-4 基本層隊(duì)列、MPEG-4 增強(qiáng)層1 隊(duì)列、MPEG-4 增強(qiáng)層2 隊(duì)列、MPEG-4 增強(qiáng)層3 隊(duì)列和MPEG-4 增強(qiáng)層4 隊(duì)列的發(fā)送配額分別為C1,C2,…,C5,令rate = C1∶C2∶C3∶C4∶C5,則rate 值表示MPEG-4 基本層和4 個(gè)增強(qiáng)子層隊(duì)列的發(fā)送比,假設(shè)rate=2 ∶1 ∶1 ∶1 ∶1,給出增強(qiáng)層的4 個(gè)隊(duì)列同一個(gè)發(fā)送配額,而每發(fā)送2 個(gè)MPEG-4 基本層隊(duì)列就發(fā)送1個(gè)MPEG-4 增強(qiáng)層組中每一個(gè)隊(duì)列,其中增強(qiáng)層的隊(duì)列是輪轉(zhuǎn)發(fā)送。
如表2 所示,在80%的負(fù)載下,不同的流量和不同的rate 值,MPEG-4 基本層和MPEG-4 增強(qiáng)層1 隊(duì)列、2 隊(duì)列、3 隊(duì)列和4 隊(duì)列的平均延遲大小。rate 值從3 增大到10。
表2 配額對延遲的影響
從表2 中可以看出,基本層的延遲同比增強(qiáng)層的較少,說明首先保證基本層傳輸,此外,當(dāng)rate 從3 增大到6 時(shí),MPEG-4 基本層分組的延遲明顯減小;rate從6 增大到10 時(shí)MPEG-4 基本層的延時(shí)略有減小,趨于穩(wěn)定;rate 從3 增大到7 時(shí),MPEG-4 增強(qiáng)層的延時(shí)緩慢增大;當(dāng)rate 從7 ~10 時(shí),MPEG-4 增強(qiáng)層分組平均延時(shí)增大較快。
通過上述分析,可以得到這樣的結(jié)論:rate 值為7左右時(shí),改進(jìn)的算法能夠獲得較好的性能,既能使MPEG-4 基本層的分組平均延遲減少到最低,又能保證MPEG-4 增強(qiáng)層的分組平均延遲不至于過大。故本文將MPEG-4 基本層分組和MPEG-4 增強(qiáng)層分組的Ck值比例設(shè)為7 ∶1。
普通數(shù)據(jù)隊(duì)列的延遲比較如圖5 所示。由圖可以看出,普通數(shù)據(jù)隊(duì)列在負(fù)載為10% ~50%時(shí),兩種算法下的延遲基本一樣,當(dāng)負(fù)載大于50%時(shí),動(dòng)態(tài)優(yōu)先級下的平均延遲較小,隨著負(fù)載的加重,平均延遲變化比較平穩(wěn)。
普通數(shù)據(jù)隊(duì)列的包丟失率如圖6 所示,由圖可以看出,當(dāng)負(fù)載大于50%時(shí),隨著負(fù)載的加重,兩種算法下的包丟失率變化都比較快,其中P-iSLIP 算法下的包丟失率較大;動(dòng)態(tài)優(yōu)先級下的包丟失率較小。
增強(qiáng)層1 隊(duì)列的延遲比較和丟包率如圖7、8 所示。由圖可以看出,與普通隊(duì)列的基本相似,但是在60% ~70%和80% ~90%之間兩種算法有很大的區(qū)別。
圖5 普通數(shù)據(jù)隊(duì)列的延遲
圖6 普通數(shù)據(jù)隊(duì)列的包丟失率
圖7 增強(qiáng)層1 隊(duì)列的延遲
圖8 增強(qiáng)層1 隊(duì)列的包丟失率
圖9 基本層隊(duì)列的延遲
圖10 基本層隊(duì)列的包丟失率
基本層隊(duì)列的延遲和包丟失率比較如圖9、10 所示。由圖可以看出,基本層隊(duì)列在負(fù)載為10% ~50%時(shí),兩種算法下的延遲基本一樣,當(dāng)負(fù)載大于50%時(shí),動(dòng)態(tài)優(yōu)先級下的平均延遲較小,在負(fù)載為50% ~60%之間隨著負(fù)載的加重,平均延遲變化較快,但是丟包率有著明顯的改善,較為平穩(wěn)。
縱觀以上結(jié)果可以看出,動(dòng)態(tài)優(yōu)先級算法具有較低的平均延遲和包丟失率,對于MPEG-4 基本層隊(duì)列、增強(qiáng)層1 隊(duì)列以及普通數(shù)據(jù)隊(duì)列具有很好的分類調(diào)度作用,當(dāng)負(fù)載為90%時(shí),MPEG-4 基本層隊(duì)列的延遲為18 個(gè)時(shí)隙,增強(qiáng)層1 隊(duì)列的延遲為340 個(gè)時(shí)隙,普通數(shù)據(jù)隊(duì)列的延遲為2 400 個(gè)時(shí)隙;MPEG-4 基本層隊(duì)列的包丟失率為0.019,增強(qiáng)層1 隊(duì)列的包丟失率為0.21,普通數(shù)據(jù)隊(duì)列的包丟失率為0.96,說明首先保證了基本層的通過,而且縱向比較各圖,犧牲了較小的基本層的延遲和丟包率,換得了其他各層數(shù)據(jù)的延遲和丟包率的大幅度減少,即以較小的代價(jià)換得了更多的數(shù)據(jù)通過。綜上所述,DP-iSLIP 算法在有限的空間下,盡量考慮了滿足MPEG-4 基本層的傳輸下,適當(dāng)考慮提高增強(qiáng)層和普通數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級,使得數(shù)據(jù)傳輸更加完整。
本文改進(jìn)了面向MPEG-4 分級編碼流的交換機(jī)調(diào)度算法,實(shí)驗(yàn)首先對算法中rate 參數(shù)取值進(jìn)行了討論,然后在普通數(shù)據(jù)隊(duì)列、基本層隊(duì)列、增強(qiáng)層1 數(shù)據(jù)隊(duì)列中分別采用嚴(yán)格優(yōu)先級的P-iSLIP 算法和DP-iSLIP 算法完成了不同負(fù)載情況下的延遲和丟包率比較。說明在有限的資源下,首先保證基本層數(shù)據(jù)隊(duì)列的通過,其次是增強(qiáng)層1 隊(duì)列,最后是普通數(shù)據(jù)隊(duì)列,對于普通數(shù)據(jù)隊(duì)列和增強(qiáng)層的隊(duì)列都在原有的P-iSLIP 算法基礎(chǔ)上有了較大的提高,當(dāng)然是以犧牲了較少的基本層的數(shù)據(jù)傳輸為代價(jià)的。仿真結(jié)果表明,本文提出的面向MPEG-4 流的交換機(jī)調(diào)度算法能夠保證MPEG-4 基本層的優(yōu)先發(fā)送,保證其延時(shí)性能,保證其具有較少的丟包率,同時(shí)也能將考慮到MPEG-4 增強(qiáng)層和普通數(shù)據(jù)得到一定的服務(wù),能夠?yàn)镸PEG-4 流的傳輸提供更好的質(zhì)量保證。
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