支持QoS的多鏈路最少變換動態(tài)帶寬分配算法

梁根，俞鶴偉，孫立民，秦勇

（1.廣東石油化工學院 理學院，廣東 茂名 525000；2.廣東省石化裝備故障診斷重點實驗室，廣東 茂名 525000；3.華南理工大學 計算機科學與工程學院，廣東 廣州 510641；4.東莞理工學院 計算機學院，廣東 東莞 523808）

1 引言

多鏈路寬帶接入網(wǎng)由于網(wǎng)絡結構靈活、擴展能力強、建網(wǎng)成本低和故障率低等特性使之成為業(yè)界組網(wǎng)的首選方案[1]。網(wǎng)絡應用的發(fā)展使數(shù)據(jù)傳輸己逐步由單一的數(shù)據(jù)傳輸過渡到數(shù)據(jù)、語音、圖像等綜合信息的傳輸，因此，新一代寬帶接入網(wǎng)必須能夠同時提供高速的包括實時業(yè)務在內的多種業(yè)務傳輸。然而，實時業(yè)務的傳輸不同于普通的數(shù)據(jù)傳輸，這些實時業(yè)務往往對服務質量（QoS，quality of service）指標如帶寬、時延、抖動等有較高的要求[2]。因此，為了保證實時業(yè)務端到端的QoS，多鏈路寬帶接入網(wǎng)作為端到端網(wǎng)絡中的一段，必須要具備相應的 QoS保障能力。如何進一步優(yōu)化組合資源、提供更好的帶寬控制和更多樣的寬帶接入業(yè)務支持是多鏈路寬帶接入網(wǎng)中熱門的研究內容之一。

QoS是指數(shù)據(jù)分組在網(wǎng)絡傳輸中的各種性能參數(shù)滿足某業(yè)務的需求[3]，這些性能參數(shù)可以用傳輸時延、分組丟失率、時延抖動、吞吐率和帶寬利用率等指標來度量[4]，其主要目的就是為各種業(yè)務提供可靠的端到端的QoS保證。為了達到一定的QoS保證，通常會在網(wǎng)絡內采用某種帶寬分配算法，通過對不同的業(yè)務分配不同的帶寬來控制其QoS等級。

在帶寬分配算法的研究中，不少學者和專家己經(jīng)做了很多研究工作，目前來看，主要分為2類：靜態(tài)帶寬分配（SBA,static bandwidth allocation）算法和動態(tài)帶寬分配（DBA,dynamic bandwidth allocation）算法[5]。

靜態(tài)帶寬分配算法SBA在一個輪詢周期內為每個接入點AP（access point）分配固定大小的帶寬，SBA算法不需要帶寬協(xié)商過程，因此很簡單，容易實現(xiàn)。但是，由于網(wǎng)絡流量的突發(fā)性，會造成有的接入點負載較小，而有的接入點負載較大。負載較小的接入點不能充分利用帶寬，其他負載大的接入點時延增大，系統(tǒng)吞吐量減小，造成帶寬浪費。好的帶寬分配算法應當能夠根據(jù)系統(tǒng)的整體情況實時動態(tài)地調整各接入點的帶寬分配[6]，SBA雖然簡單，但在多鏈路寬帶接入網(wǎng)中不是理想的方案。

因此，必須在系統(tǒng)內執(zhí)行動態(tài)帶寬分配算法DBA，也就是說，中央控制點根據(jù)每個接入點實時的帶寬需求分配不同的帶寬給每個接入點，這樣才能提高帶寬的利用率，降低分組時延，增加系統(tǒng)吞吐量[7]。

目前，國內外對DBA算法的研究有很多，在這里把這些DBA算法劃分為兩大類：一類不支持QoS的DBA算法；一類支持QoS的DBA算法。

不支持QoS的經(jīng)典DBA算法有自適應交織輪詢IPACT(interleaved polling with adaptive cycle time)算法[8]，該算法通過交叉輪詢并且輪詢周期長度隨著帶寬請求動態(tài)變化的方法來降低數(shù)據(jù)時延，從而提高系統(tǒng)帶寬利用率。IPACT算法和SBA算法相比較，大大提高了帶寬利用率，但它仍然存在以下缺點：一個是存在輕負載懲罰問題，因為IPACT算法輪詢周期是不固定的，這樣當系統(tǒng)的負載比較輕時，分配給每個接入點的時隙很短，輪詢周期也相應變得很短，浪費了大量的帶寬；另一個是IPACT算法是一種交織輪詢算法，不足之處在于只是基于當前獲取的接入點帶寬請求信息來確定下一個接入點上行信道的帶寬，而不能從全局的角度出發(fā)，考慮所有接入點的上行帶寬請求來進行更合理的帶寬分配；另外更重要的一點是，IPACT算法不支持QoS。

對于IPACT算法，國內外很多文獻對其進行了改進。文獻中提出了預估授權協(xié)議IPACT-GE(IPACT with grant estimation)[9]，IPACT-GE 對加速轉發(fā)流(EF)的抖動性能進行了改進，對EF數(shù)據(jù)流采用報告前授權，對于EF流，抖動時延是完全確定的。IPACT-GE允許在收到反饋消息之前分配帶寬，在前一周期的消息中，局端設備包含了EF數(shù)據(jù)的帶寬分配信息。但是，IPACT-GE同樣可能在DBA計算和授權信息往返之間存在空閑信道。文獻采用多線程輪詢的方式改進了IPACT算法，降低了數(shù)據(jù)時延，但是由于數(shù)據(jù)分組的時延抖動比較大，因此不適合語音業(yè)務。

支持QoS的DBA算法有增強突發(fā)輪詢EBDBA(enhanced burst-polling DBA)算法[10,11]。在 EBDBA算法中，根據(jù)最小保證帶寬，確定是立即給相關的接入點授權帶寬，還是等待最后一個接入節(jié)點的反饋消息，進行DBA計算之后，再授權分配帶寬。這種方法可以減少信道空閑時間，但如果所有接入節(jié)點終端都是重負載狀態(tài)，那么這時候EBDBA算法失效，完全退化為IPACT。

國內有學者在支持QoS的EBDBA算法的基礎上進行改進，提出了自適應動態(tài)帶寬早期分配(ADBEA，adaptivedynamicbandwidthearly allocation)算法[12,13]，ADBEA算法不是根據(jù)最小帶寬而是根據(jù)一個動態(tài)變化的門限值，對接入終端進行授權，對于超過門限值的帶寬，下一個周期進行分配，當系統(tǒng)負載較低時，輪詢周期較短，可以改進系統(tǒng)的時延性能，當系統(tǒng)負載較高時，輪詢周期會相應加長，減少了終端間的保證時隙，提高系統(tǒng)的利用率，而門限值的確定，依據(jù)業(yè)務的最大時延需求確定，從而保證在系統(tǒng)負載較高時，仍能滿足業(yè)務的時延需求。

上述算法解決了帶寬分配的QoS支持問題，但是，上述算法均存在著若干缺陷，有待改進。首先，鏈路的帶寬利用率有所下降，當系統(tǒng)帶寬在滿足各接入終端的請求后還有剩余帶寬時無法繼續(xù)使用；其次，由于授權的集中進行，局端必須在收到本輪所有請求后才能進行下一輪的授權，這樣會導致在局端引入一部分等待延時；另外，更重要的是這些算法沒有考慮到實際網(wǎng)絡使用環(huán)境中帶寬分配的變化對系統(tǒng)造成的負載和時延增加問題。

針對動態(tài)帶寬分配問題，同時考慮到QoS的支持，為了適當?shù)販p少因帶寬切換造成的實際影響，提出了一種支持QoS的多鏈路最小變換動態(tài)帶寬分配方法MCDBA，該方法的主要思想是根據(jù)不同的優(yōu)先級為不同QoS需求的業(yè)務分配帶寬，為提高系統(tǒng)整體的帶寬利用率，將剩余帶寬進行重分配，同時加入時延及帶寬利用率QoS限制，減少帶寬切換對系統(tǒng)造成的不穩(wěn)定性。

2 帶寬分配問題描述

支持QoS的DBA算法在帶寬分配架構上通常是基于節(jié)點型的[14]，首先為每個接入點分配一塊帶寬，再在接入點帶寬內根據(jù)各業(yè)務的需求為各業(yè)務分配帶寬。

2.1 帶寬分配體系結構

如圖1所示，在基于節(jié)點型的DBA中，中央控制節(jié)點根據(jù)接入點上報的請求帶寬，按照某種分配原則為每個接入點分配一定數(shù)量的帶寬，在每個接入點內，再由調度器負責把所獲得的帶寬分配給各類業(yè)務，在這種帶寬分配方式中，中央控制節(jié)點僅僅分配給每個接入點總的帶寬，接入點自行決定如何把分到的帶寬在各個業(yè)務優(yōu)先級隊列之間進行二次分配。

圖1 基于節(jié)點型的DBA

基于節(jié)點型的DBA中的隊列調度算法，其實質就是基于Diffserv模型的隊列調度算法。國內外對這方面的研究經(jīng)歷了相當長的時間，涌現(xiàn)出了很多成熟的調度算法，比如先到先服務、通用處理機共享、優(yōu)先級調度、循環(huán)調度以及隨機調度等[15]。但是，該架構下的動態(tài)帶寬分配存在帶寬利用率不高、不能對全網(wǎng)進行統(tǒng)一控制等問題。

由于在實際的網(wǎng)絡使用環(huán)境中QoS類別相對較少和中央控制節(jié)點有較高的處理能力，因此設計了如圖2所示的基于業(yè)務型的DBA架構，該架構由中央控制節(jié)點集中控制整個系統(tǒng)，各終端通過邏輯鏈路連接到某接入點，首先，在系統(tǒng)中計算某業(yè)務所能獲得的總帶寬，然后在該業(yè)務帶寬內對每個接入點分配帶寬，接入點通過反饋幀向中央控制節(jié)點報告它所有優(yōu)先級隊列的隊列長度，該架構便于對全局進行統(tǒng)一控制，適用于核心交換機。

圖2 基于業(yè)務型的DBA

2.2 動態(tài)帶寬分配方法

在實際的網(wǎng)絡使用環(huán)境中，業(yè)務的帶寬需求是不斷變化的，往往會造成網(wǎng)絡流量的突發(fā)，如圖3所示，在帶寬充足的環(huán)境下記錄的某業(yè)務在某段時間內的流量情況，即帶寬需求。圖4和圖5表示的靜態(tài)帶寬分配算法SBA，在圖4所示的最大靜態(tài)帶寬分配方法下，雖然數(shù)據(jù)分組的時延會較小，但是會導致系統(tǒng)總帶寬利用率下降，若采用圖5所示的平均靜態(tài)帶寬分配方法，系統(tǒng)總帶寬利用率會提高，但是數(shù)據(jù)分組的時延會明顯增大。

圖6所示的是大部分常用的動態(tài)帶寬分配方法，這些方法主要是根據(jù)帶寬請求動態(tài)地分配帶寬，但是，在實際的網(wǎng)絡環(huán)境中，改變帶寬的分配會花費系統(tǒng)更多的時間去完成，反而導致數(shù)據(jù)分組時延的增大[16]，過多的帶寬分配變換會成為系統(tǒng)的一個重要負擔。如圖7所示，本文算法的主要目的就是在保證一定QoS限制的前提下，減少帶寬分配的切換，達到盡量降低對系統(tǒng)的影響。

圖3～圖6中的細線代表帶寬需求，粗線代表分配的帶寬。

圖3 某業(yè)務帶寬需求

圖4 最大SBA

圖5 平均SBA

圖6 基于帶寬請求的DBA

圖7 最小變換DBA

3 支持QoS的動態(tài)帶寬分配理論分析

3.1 符號約定

設多鏈路接入系統(tǒng)內共有i個終端接入點，φi為接入點i的權重，由于本文側重研究算法對QoS的支持，所以在這里假設每個接入點的權重相等，并且φi滿足

實際的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)中包含語音、視頻、數(shù)據(jù)等各種業(yè)務流，某些業(yè)務可能用于低時延，需要一定的穩(wěn)定帶寬保證，因此被分配較高權重；某些普通數(shù)據(jù)業(yè)務對時延、分組丟失不敏感，無特殊QoS要求，因此，可能被分配較低權重。假設系統(tǒng)支持m類業(yè)務，ωj為j類業(yè)務所能獲得的保證權重，并且ωj滿足條件

為了便于討論，各符號定義如表1所示。

表1 符號定義

3.2 問題描述

QoS的支持通常希望端到端的時延最小，系統(tǒng)帶寬利用率最高，數(shù)據(jù)分組丟失率最小，系統(tǒng)負載最輕，但這些目標的最優(yōu)值往往不能同時達到。因此，帶寬分配優(yōu)化問題可以從其中的一個或部分參數(shù)去處理。

定義1系統(tǒng)總帶寬容量為所有接入點分配到的帶寬之和，即所有接入點中各類業(yè)務已分配帶寬和可用剩余帶寬之和，可得

定義2接入點初始帶寬為系統(tǒng)的總帶寬與接入點權重的乘積，即

定義3重負載接入點集合為接入點中各業(yè)務帶寬需求總和大于該接入點的初始帶寬的接入點集合，即滿足

定義4輕負載接入點集合為接入點中各業(yè)務帶寬需求總和小于或等于該接入點的初始帶寬的接入點集合，即滿足

3.3 支持QoS的動態(tài)帶寬分配計算

假設j類業(yè)務所能獲得的保證權重大于j+1類業(yè)務，因此，對于j+1類業(yè)務來說，要先完成j類業(yè)務的帶寬分配，然后才能再對j+1類業(yè)務進行帶寬分配。

假設系統(tǒng)在第T個輪詢周期，在這個周期里，首先為j類(j=1)業(yè)務分配帶寬。對于某接入點APi的j類業(yè)務，在該輪詢周期開始時所分配的帶寬為

對于j類業(yè)務未獲得全部需求帶寬的接入點，將剩余帶寬按照以下方法重新進行分配。

1)當系統(tǒng)內的剩余的帶寬大于或者等于不足帶寬即Bresidual≥Black時，說明此時系統(tǒng)能滿足j類業(yè)務的帶寬需求，因此，剩余的系統(tǒng)帶寬將被分別分配到各個接入點，由接入點將帶寬分配給各自的j類業(yè)務，即

2)若系統(tǒng)內的剩余的帶寬小于不足帶寬即Bresidual＜Black時，則說明此時系統(tǒng)帶寬不能滿足j類業(yè)務的帶寬需求，系統(tǒng)剩余帶寬Bresidual將按一定比例分配給重負載的接入點。

這樣，在該周期中，完成對j類業(yè)務的帶寬分配。

對于j+1類業(yè)務的帶寬分配，首先要計算已經(jīng)分配到帶寬的1到j類業(yè)務的總和，然后在分配j+ 1 類業(yè)務帶寬之前重新初始化，因此可得

4 MCDBA算法

由2.2節(jié)的說明可知，在實際的網(wǎng)絡環(huán)境中，帶寬分配的改變往往會使系統(tǒng)花費更多的時間去完成，不但沒有降低數(shù)據(jù)分組的時延，反而會導致數(shù)據(jù)分組時延的增大，過多的帶寬切換會成為系統(tǒng)的一個重要負擔，因此在本節(jié)設計一個算法，該算法控制帶寬分配的切換次數(shù)。

4.1 MCDBA算法設計

為了說明MCDBA算法，新定義2個QoS變量Qd和Qu，其中Qd為QoS限制的時延上限，它表示系統(tǒng)內所有數(shù)據(jù)分組的平均時延不能超過該值；Qu為QoS限制的系統(tǒng)總帶寬利用率下限，它表示系統(tǒng)的總帶寬利用率不能低于該值。顯然，Qd由業(yè)務數(shù)據(jù)分組的平均時延確定，當Qd變小時，數(shù)據(jù)分組的時延會減少；Qu由系統(tǒng)帶寬利用率限制確定，當Qu變高時，會使系統(tǒng)整體帶寬利用率上升。

4.2 MCDBA算法描述及步驟

在MCDBA算法中，通過Qd和Qu這2個參數(shù)控制帶寬分配的變換。設在周期T中，按照3.3節(jié)的計算方法對各接入點和各業(yè)務進行帶寬分配，若在該周期內，能夠滿足Qd和Qu，那么在下一個周期T+1中，將不進行帶寬分配變換，避免因帶寬分配變換造成的隊列調整和系統(tǒng)負載，否則在下一個周期T+1中，在等待前一周期的數(shù)據(jù)全部發(fā)送完畢后，啟用CONVERSION操作。在CONVERSION操作過程中等被重新設置，MCDBA算法描述及步驟具體如下。

算法說明：

1)QoS限制參數(shù)Qd和Qu可以在實際使用過程中根據(jù)系統(tǒng)狀況動態(tài)調整；

3)先處理所有接入點中的高優(yōu)先級業(yè)務帶寬請求，通過判斷不足帶寬和剩余帶寬計算需分配帶寬的大??；

4)帶寬分配變換可以是部分接入點。

5 實驗及性能分析

5.1 實驗環(huán)境、參數(shù)和方法

在實驗測試中，采用OPNET Modeler仿真工具搭建了網(wǎng)絡測試環(huán)境，并進行仿真測試。仿真實驗環(huán)境包括一個中央控制節(jié)點，100個接入點，由此產(chǎn)生100條鏈路，并且假設鏈路的長度為5 km，各鏈路的固定傳輸時延均為3 ms，鏈路的最大帶寬為100 Mbit/s，系統(tǒng)可供分配的總帶寬為1 Gbit/s，具體的仿真實驗參數(shù)如表2所示。

表2 仿真實驗參數(shù)

假設系統(tǒng)產(chǎn)生的流量包含3種業(yè)務流量，其中最高優(yōu)先級的EF數(shù)據(jù)流對應語音業(yè)務，是固定比特速率的數(shù)據(jù)流，該類業(yè)務流必須保證有較小的時延和時延抖動；中等優(yōu)先級的AF數(shù)據(jù)流對應視頻業(yè)務是可變比特速率的，該類業(yè)務需要有一定帶寬保證；最低優(yōu)先級的BE數(shù)據(jù)流對應數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務對時延和抖動沒有要求，需要提供盡力而為的服務。在實驗中假設以上業(yè)務流數(shù)據(jù)分組的大小為64～1 518 byte之間平均分布，并且分別被隨機分配到各條鏈路。

為評估MCDBA算法的性能，本文對比的算法為平均靜態(tài)帶寬分配算法SBA、不支持QoS的周期自適應交叉輪詢算法IPACT、支持QoS的EBDBA和ADBEA算法，對以上算法的不同業(yè)務分組時延和帶寬利用率進行對比測試。

5.2 實驗結果分析

實驗中鏈路的端到端時延主要由兩部分組成：從中央控制節(jié)點到接入點的固定傳輸時延和數(shù)據(jù)分組在接入點緩沖隊列中的排隊時延，其中傳輸時延由鏈路的長度確定，它是一個固定值，在本實驗中假設其為3 ms；排隊時延的大小則主要由調度算法來確定，它反映了算法的性能。圖8～圖10所示為各種業(yè)務分組在5種帶寬分配算法控制下的平均時延變化情況。

由于在開始階段系統(tǒng)負載較小，并且存在足夠的可用帶寬，接入點的各種業(yè)務能得到足夠的帶寬分配，因此，各業(yè)務分組的平均時延相差不大；由圖8可以看出，隨著系統(tǒng)負載的增加，EF業(yè)務分組的時延開始出現(xiàn)較大不同。對于SBA，由于不能借用其他低優(yōu)先級業(yè)務的帶寬，當負載超過60%的時候，EF業(yè)務的時延超過了50 ms，并且時延出現(xiàn)增長趨勢；IPACT的交叉輪詢策略對于降低業(yè)務的時延有一定的作用，但是在處理EF業(yè)務上，分組的平均時延相比EBDBA與ADBEA，仍然高出約23%和34%；由于MCDBA先處理高優(yōu)先級的業(yè)務，所以EF業(yè)務平均分組時延較其他4種算法有較大的降低。圖9表示的是各算法的AF業(yè)務平均分組時延，由該圖明顯可以看出，SBA的時延最大，但是對于AF業(yè)務，IPACT、EBDBA、ADBEA與MCDBA的平均時延則相差不大。圖10表示的是各算法的BE業(yè)務平均分組時延，SBA的BE業(yè)務時延最大時延達到約70 ms，與EF、AF業(yè)務基本相同；由于ADBEA的門限值可以動態(tài)變化，對于低優(yōu)先級BE業(yè)務，在這5種算法中ADBEA顯示出最好的性能；由于MCDBA算法的優(yōu)先級順序原因，對于BE業(yè)務，MCDBA和IPACT的性能差不多，但是時延分別比EBDBA與ADBEA高出約45%和26%，的MCDBA算法在處理低優(yōu)先級業(yè)務的性能仍有待改善。

圖8 EF業(yè)務平均分組時延

圖9 AF業(yè)務平均分組時延

圖10 BE業(yè)務平均分組時延

在測試各算法隊列長度和分組丟失率的實驗中，設定各接入點隊列緩沖區(qū)的大小為1×106byte，超過緩沖區(qū)大小的分組將被丟棄。圖11和圖12反映的是接入點分組隊列長度和分組丟失率的情況?？梢钥闯觯S著系統(tǒng)負載的增加，接入點隊列緩沖區(qū)最先填滿的是SBA，開始出現(xiàn)大量分組丟失的情況；當系統(tǒng)負載達到約60%的時候，IPACT和EBDBA出現(xiàn)分組丟失，并且最高分組丟失率達到約40%；由于在系統(tǒng)負載較高時，ADBEA輪詢周期可以相應加長，MCDBA的剩余帶寬可以重新分配，因此，重負載情況下，ADBEA和MCDBA的性能表現(xiàn)較好，直到系統(tǒng)負載超過了約75%才出現(xiàn)隊列緩沖滿和分組丟失的情況，并且最大分組丟失率不超過25%。

圖11 接入點分組隊列長度

圖12 接入點分組丟失率

5種算法控制下系統(tǒng)帶寬利用率如圖13所示，由圖13可以看出，隨著系統(tǒng)負載的增加，各算法的系統(tǒng)帶寬利用率都有持續(xù)的上升。由于IPACT算法輪詢周期是不固定，在系統(tǒng)負載較輕時，浪費了不少的帶寬，導致輕負載時其性能與SBA差不多，但是隨著系統(tǒng)負載的增加，IPACT的系統(tǒng)帶寬利用率比SBA有較大的提高；ADBEA比EBDBA在系統(tǒng)帶寬利用率方面約有8%的提高，并且在重負載時最高帶寬利用率比MCDBA高約6%；但是，該圖也反映出在系統(tǒng)輕負載時，MCDBA較其他4種算法有較大優(yōu)勢的系統(tǒng)帶寬利用率。

圖13 系統(tǒng)平均帶寬利用率

6 結束語

本文研究了帶寬分配方法和帶寬分配體系結構，提出一種支持QoS的最少變換動態(tài)帶寬分配算法MCDBA，該算法支持多業(yè)務，利用剩余帶寬重新分配提高了系統(tǒng)帶寬利用率，并且通過QoS參數(shù)限制減少了帶寬變換頻率，解決了實際網(wǎng)絡使用中因帶寬變換造成的時延和系統(tǒng)負載增加，仿真實驗證明該算法對于系統(tǒng)性能有一定的提高。

此外，對于大規(guī)模網(wǎng)絡鏈路環(huán)境，下一步的研究工作重點是對提出的MCDBA算法進行接入點分區(qū)策略，對于主要承載不同業(yè)務的接入點，為了減少系統(tǒng)負載，對接入點進行分區(qū)，每個分區(qū)分別計算自己分區(qū)內主要承載業(yè)務的綜合性能最優(yōu)QoS限制，從而獲得更佳的全網(wǎng)帶寬分配。

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