基于細粒度標簽的校園無線網(wǎng)彈性QoS 優(yōu)化

馬帥營，魏金良，阿古達木

(大連民族大學 網(wǎng)絡與信息技術(shù)中心，遼寧 大連116605)

作為管理者及研究人員，校園無線網(wǎng)是一個非常典型的復雜無線網(wǎng)絡研究場景，如何解決校園無線網(wǎng)中的網(wǎng)絡服務公平性、無線帶寬合理分配等問題，極具研究價值和現(xiàn)實意義，并能夠為無線網(wǎng)絡的共性研究提供借鑒。

文獻［1］分析某建筑物內(nèi)的無線局域網(wǎng)12 周數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)用戶使用網(wǎng)頁瀏覽、面向會話的活動以及面向聊天活動;流量高峰通常是由于某個單一的用戶或者應用而引起的。文獻［2］發(fā)現(xiàn)以前的網(wǎng)絡應用大多是基本的網(wǎng)絡通信，而現(xiàn)在已經(jīng)改變?yōu)镻2P(Peer-to-Peer network)、多媒體流和VoIP(Voice over Internet Protocol)通信量，校園內(nèi)的通信量已經(jīng)超過了校園外的通信量。文獻［3］分析了用戶訪問行為的統(tǒng)計特性對網(wǎng)絡性能可靠性帶來的影響，結(jié)果顯示用戶訪問行為的集聚特性中突發(fā)性訪問的強度、頻率和持續(xù)時間在一定程度上影響著網(wǎng)絡性能可靠性的相變行為。文獻［4］針對該校校園網(wǎng)的用戶訪問日志分析用戶的上網(wǎng)行為及規(guī)律，采用聚類將有著不同上網(wǎng)時段喜好的用戶進行分組，從而針對在上網(wǎng)時間上有不同習慣的用戶群組進行區(qū)別管理。

接入控制方法和資源分配策略常用于保證業(yè)務的服務質(zhì)量要求。文獻［5］指出無線通信中QoS 和QoE 的優(yōu)化管理，可以在有限的資源條件下，以最少的資源最優(yōu)化網(wǎng)絡性能及最大程度提高用戶的滿意度。文獻［6］對具有彈性QoS 的可靠實時通信進行性能評價。文獻［7］基于馬爾科夫決策過程對視頻點播系統(tǒng)進行建模，同時考慮了彈性QoS 這一機制，性能分析發(fā)現(xiàn)所采用的方法相對于一般的完全接入策略具有較優(yōu)的性能。文獻［8］研究了同類型業(yè)務服務請求按差異化的服務等級進行接入控制的策略，根據(jù)服務等級采用服務優(yōu)先級，通過考慮服務效用函數(shù)，使異構(gòu)網(wǎng)絡中整體效用最大化和負載均衡來進行接入控制。

1 校園無線網(wǎng)中細粒度標簽

隨著無線網(wǎng)絡用戶規(guī)模的不斷增加，精細化管理的難度日益增大，同時也暴露出一些問題。在這種情況下，為了更好的理解無線網(wǎng)絡中用戶的行為特征，對一個實際的無線網(wǎng)絡中用戶行為進行收集和分析，從而建立用戶的行為模型意義重大。

上述文獻從不同角度對無線網(wǎng)的用戶行為進行了分析，但針對網(wǎng)絡帶寬及QoS 優(yōu)化而開展的針對性的用戶行為特征研究尚屬空白。另一方面，在網(wǎng)絡帶寬有限的環(huán)境中，現(xiàn)有的網(wǎng)絡帶寬及QoS 優(yōu)化方案，絕大數(shù)仍屬于粗放式的帶寬控制策略，而較少考慮到細粒度的用戶行為模式與帶寬分配的關(guān)系。因此，本文提出以網(wǎng)絡帶寬及QoS 優(yōu)化為目標，在深入理解用戶行為的基礎(chǔ)上建立細粒度標簽，主要涉及:

(1)用戶優(yōu)先級:高優(yōu)先級和一般優(yōu)先級;

(2)網(wǎng)絡業(yè)務的優(yōu)先級，依據(jù)不同網(wǎng)絡業(yè)務的QoS 特性區(qū)分;

2 彈性QoS 分析

當前，在網(wǎng)絡帶寬有限的情況下，通過QoS 機制進行網(wǎng)絡帶寬優(yōu)化是必要的手段。但是，傳統(tǒng)的QoS 優(yōu)化方案仍屬于粗放式的一刀切策略，而彈性QoS 機制使得精細化管理成為可能。

通常，當一個客戶端請求一個網(wǎng)絡業(yè)務時，如果這個連接需要過多的網(wǎng)絡資源或者非常高的QoS，那么網(wǎng)絡服務提供者可以拒絕該請求，在這種情況下，只有少數(shù)的連接能夠被接入;另一方面，如果客戶端害怕服務提供方的拒絕，它請求一個最小的QoS 水平，它能夠接受非常低的服務，即使網(wǎng)絡中有大量資源可以使用。因此，為了使資源達到最有效的利用，需要設(shè)計一種彈性QoS 機制，它可以根據(jù)網(wǎng)絡資源的可用性進行服務、最優(yōu)化網(wǎng)絡資源和用戶需求。

3 彈性QoS 模型

在可變速率語音、圖像與視頻編碼等技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對校園無線網(wǎng)中具有彈性QoS 要求的業(yè)務，進行彈性QoS 建模并研究該模型下的網(wǎng)絡帶寬及QoS 優(yōu)化問題。本文的目標在于結(jié)合用戶細粒度標簽、網(wǎng)絡服務公平性、無線帶寬合理分配等，提出彈性QoS 優(yōu)化策略，該方法的本質(zhì)是建立靈活的反饋控制系統(tǒng)，從而對該系統(tǒng)達到優(yōu)化的目的。該模型及方法不僅適用于單AP 帶寬優(yōu)化，也適用于網(wǎng)絡出口總帶寬優(yōu)化。

設(shè)某AP(Access Point 接入點)的總帶寬為C個信道時間單位(CTU:Channel Time Unit)，C≥0。無線網(wǎng)絡中總共有K 類具有彈性QoS 要求的業(yè)務請求，第k 類業(yè)務(1≤k≤K)請求的帶寬資源需求為一個彈性范圍 [ bk，min，bk，des]，這里bk，min表示維持第k 類業(yè)務請求正常進行需要的最小資源，bk，des表示第k 類業(yè)務請求所希望占用的資源，它們均設(shè)為正整數(shù)且bk，min≥bk，des。

4 彈性QoS 優(yōu)化策略

無論是AP 的接入帶寬亦或是校園網(wǎng)的總出口帶寬，都無法滿足日益增長的用戶帶寬需求，所以經(jīng)常造成網(wǎng)絡擁塞、丟包現(xiàn)象嚴重。因此，在無線校園網(wǎng)中用戶密度較大的區(qū)域如宿舍，如果不對網(wǎng)絡流量進行控制，將會造成一些關(guān)鍵業(yè)務的不到QoS 保障、網(wǎng)絡服務公平性得不到保障。為了改變傳統(tǒng)粗放式、一刀切式的帶寬管理及QoS優(yōu)化方案，設(shè)計彈性QoS 優(yōu)化策略使得精細化管理成為可能。

針對校園無線網(wǎng)中彈性QoS 業(yè)務，考慮用戶標簽中的帶寬需求和實際占用帶寬特性，設(shè)計網(wǎng)絡帶寬及彈性QoS 優(yōu)化策略，降低自私行為對網(wǎng)絡帶寬的占用，提高網(wǎng)絡服務的公平性，優(yōu)化校園無線網(wǎng)的用戶體驗。其中，包括如下優(yōu)化原則:

(1)設(shè)置最大接入用戶數(shù)量;

(2)優(yōu)先保障高優(yōu)先級用戶的QoS 需求;

(3)優(yōu)先保障低吞吐量、低時延的網(wǎng)絡業(yè)務，如網(wǎng)頁瀏覽、即時通訊等;

(4)當AP 帶寬未達到飽和(如不大于70%)時，確保每個用戶的QoS 需求;

(5)當AP 帶寬達到飽和(如大于70%)時，調(diào)整低優(yōu)先級的存在自私行為的網(wǎng)絡業(yè)務(如P2P 和在線視頻)的帶寬為bk，min＜b ＜bk，des，優(yōu)先保障網(wǎng)絡服務的公平性;

(6)當AP 帶寬達到過飽和(如大于85%)時，調(diào)整所有用戶的存在自私行為的網(wǎng)絡業(yè)務(如P2P 和在線視頻)的帶寬為bk，min＜b ＜bk，des，保障在高峰時段的網(wǎng)絡服務的公平性。

以上策略依據(jù)用戶的細粒度標簽，從用戶的帶寬需求和實際占用帶寬特性入手設(shè)計網(wǎng)絡帶寬及彈性QoS 優(yōu)化策略。與傳統(tǒng)的固定帶寬相比，彈性QoS 機制的運用使得業(yè)務對服務質(zhì)量的要求不再是一個固定值，而是一個可以調(diào)整的范圍，因而這類業(yè)務對網(wǎng)絡資源的要求也具有一定的彈性，可根據(jù)網(wǎng)絡的負荷、AP 的帶載等情況，在一定的范圍內(nèi)調(diào)整其要求，從而可實現(xiàn)網(wǎng)絡帶寬和QoS 的優(yōu)化。

5 仿真實驗及分析

5.1 仿真實驗環(huán)境

NS2(Network Simulator，version 2)是一款開放源代碼的網(wǎng)絡模擬軟件，通過易用的Tcl/Otcl腳本寫出模擬代碼，對網(wǎng)絡拓撲，結(jié)點和鏈路等各種參數(shù)進行配置，設(shè)置拓撲結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡組件［9］。為了對本文提出的細粒度標簽及彈性QoS 優(yōu)化策略進行仿真實驗，以NS2 搭建模擬環(huán)境，其中包含AP 節(jié)點n0;用戶節(jié)點n1，n2，……，n15;外網(wǎng)節(jié)點n16，如圖1 所示。用戶節(jié)點和AP 節(jié)點之間的網(wǎng)絡帶寬是10Mbps;AP 節(jié)點和外網(wǎng)節(jié)點之間的網(wǎng)絡帶寬是100 Mbps，以此來模擬AP 的最大接入帶寬;最大接入用戶數(shù)15 人。

實驗中假定網(wǎng)絡用戶的接入目的是訪問外網(wǎng)節(jié)點的資源，相互之間不訪問。在用戶節(jié)點經(jīng)AP節(jié)點到外網(wǎng)節(jié)點之間均建立固定傳輸速率的聯(lián)機(Constant Bit Rate，CBR)，以不大于3Mbps 的速率代表高優(yōu)先級的網(wǎng)絡業(yè)務;以大于3Mbps 的速率作為自私行為度量的速率閾值，并開始計算該網(wǎng)絡業(yè)務的自私度量，以判斷該網(wǎng)絡業(yè)務是否存大于自私行為。實驗中，對該類業(yè)務k 請求的帶寬資源 [ bk，min，bk，des]，若判定存在自私行為，則調(diào)用彈性QoS 策略，對該網(wǎng)絡業(yè)務進行帶寬控制，調(diào)整值設(shè)定為Max{bk，min，0.5* bk，des}。

圖1 仿真實驗的拓撲結(jié)構(gòu)

5.2 實驗結(jié)果分析

針對文中提出的彈性QoS 策略，對各主要情況的實驗結(jié)果分析如下:

首先給出無帶寬控制的情況如圖2。當前網(wǎng)絡帶寬70Mbps，依次有k1、k2 和k3 三個新增網(wǎng)絡網(wǎng)絡業(yè)務，帶寬需求 [ bk，min，bk，des]分別是［3，8］、［5，10］和［4，8］單位均為Mbps，計算自私度量分別為80、100 和80(取tj-ti=10)均大于預設(shè)值MaxSelfish=70，可判斷為存在自私行為的網(wǎng)絡業(yè)務，并最終導致網(wǎng)絡帶寬達到96Mbps，新的網(wǎng)絡業(yè)務無法正常得到服務。

圖2 無帶寬控制的情況

其次是帶寬占用不大于70%的情況如圖3。當前網(wǎng)絡帶寬50Mbps，依次有k1、k2 和k3 三個新增網(wǎng)絡網(wǎng)絡業(yè)務，帶寬需求分別是3、［3，8］和2;k1 和k3 帶寬需求不大于3Mbps，代表高優(yōu)先級的網(wǎng)絡業(yè)務;k2 自私度量為80 大于預設(shè)值70，存在自私行為，但此時AP 的帶寬利用率不大于70%，各網(wǎng)絡業(yè)務都可正常得到服務，滿足按需服務條件，不進行帶寬控制。

圖3 帶寬占用小于70%的情況

再次是帶寬占用大于70%并啟用彈性QoS 優(yōu)化策略的情況如圖4。當前網(wǎng)絡帶寬73Mbps，依次有k1 和k2 新增網(wǎng)絡網(wǎng)絡業(yè)務，帶寬需求分別是2和［3，8］和2;k1 造成帶寬增至75，雖然滿足AP 的帶寬利用率大于70%的條件，但k1 是高優(yōu)先級的網(wǎng)絡業(yè)務，得到服務保障;隨后k2 造成帶寬增至83，而k2 帶寬自私度量為80(大于預設(shè)值70)，存在自私行為，因此對該網(wǎng)絡業(yè)務進行帶寬控制，調(diào)整值為4 即Max{3，0.5* 8=4}，調(diào)整后記為k2＇，使得總帶寬由83 降為79，避免了自私行為的發(fā)生，保障了新增高優(yōu)先用戶及業(yè)務接入的可能性。

圖4 帶寬占用大于70%的情況

最后是帶寬占用大于85% 的情況，如圖5。網(wǎng)絡處于高峰，當前網(wǎng)絡帶寬80Mbps，新增高優(yōu)先級用戶的網(wǎng)絡業(yè)務k1，帶寬需求［3，16］，此時AP 的帶寬利用率增至96(大于85%的條件)，且k1 帶寬自私度量為160(大于預設(shè)值70)，存在自私行為，因此對該高優(yōu)先級用戶的網(wǎng)絡業(yè)務進行帶寬控制，調(diào)整值為8 即Max{3，0.5* 16=8}，調(diào)整后記為k1＇，使得總帶寬降為88，避免了高優(yōu)先級用戶在網(wǎng)絡高峰時段的自私行為，保障了新增的高優(yōu)先級網(wǎng)絡業(yè)務k2 等的接入可能性。

6 結(jié) 語

本文在細粒度標簽分析的基礎(chǔ)上，建立校園無線網(wǎng)的彈性QoS 優(yōu)化模型，設(shè)計合理無線帶寬合理分配策略，在保障網(wǎng)絡服務公平性的同時，實現(xiàn)最優(yōu)化的校園無線網(wǎng)的用戶體驗以及最大化利用網(wǎng)絡資源提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。研究成果對于一般規(guī)模的無線校園網(wǎng)可以實現(xiàn)有效的服務質(zhì)量優(yōu)化，對于無線網(wǎng)絡運營商開展更大規(guī)模的城市級無線網(wǎng)絡優(yōu)化也有著現(xiàn)實意義和經(jīng)濟效益。

圖5 帶寬占用大于85%的情況

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