基于ＱｏＳ的移動終端ＩＰｖ６視頻網格系統

摘 要：根據分析基于服務的網格中QoS的體系結構G-QoSM，并根據視頻流的特點，給出了實現基于QoS的移動終端IPv6視頻網格系統所需要的主要功能模塊和關鍵技術。

關鍵詞：移動終端； 視頻； 網格QoS； IPv6

中圖法分類號：TP391文獻標識碼：A

文章編號：1001—3695(2007)02—0110—03

隨著Internet技術的蓬勃發展，人們已經不局限在網絡上實現收發郵件、瀏覽網頁等簡單的工作，而是期望Internet可以提供用戶全方位、全自動化高性能的服務，為了實現這個目的，網格技術應運而生。傳統因特網實現了計算機硬件的連通；萬維網實現了網頁的連通；而網格正在試圖實現互聯網上所有資源的全面連通，包括計算資源、存儲資源、軟件資源、信息資源及知識資源等，最終實現基于網格虛擬環境的資源共享和協同工作，逐漸消除信息孤島和資源孤島[1]?；ヂ摼W第三次浪潮的實質，就是要將萬維網（World Wide Web）升華為網格（Great Global Grid)。

美國著名的網格計算項目Globus的主持人之一Ian Foster，對網格的定義中提到的首要條件就是要提供非凡的服務質量[2]。網格服務質量研究是網格研究的一個重要方面，因為構建網格最主要目的就是為用戶提供比現在Internet更高質量的服務，擴展服務范圍，提高服務質量，增加服務規模。隨著網格應用的不斷擴展，能否為用戶提供可靠的、有保障的、具有優先級區分的服務質量（QoS）將成為衡量一個網格應用成功的重要因素。

網格技術出現以來，被廣泛研究用于科學計算、海量數據傳輸等領域，并取得了一定的成果。網格一個新的應用領域是在無線環境下提供多媒體服務，即允許移動用戶向網格系統提出視頻請求的應用。終端的移動性對網格系統提出了新的富有挑戰性的需求，其中提供QoS保障是最關鍵的要求之一。

1 開放網格體系結構下QoS實現架構G-QoSM

1.1 網格QoS體系結構的發展

網格體系結構最初是基于協議的五層沙漏模型，Foster等人在此模型下為網格系統實現QoS提議了一個框架結構，即GARA(Globus Architecture for Reservation and Allocation)。它能夠讓程序或用戶在網格應用中去定制和管理端到端的QoS；也為不同類型的資源進行QoS資源預留提供了統一的機制，如在處理器、網絡層和存儲設備中進行資源預留。GARA主要有如下幾個缺點：①不支持OGSA；②不支持SLA（服務等級協議）協商；③缺少對QoS的監控[3]。

隨著基于服務的開放網格體系結構（Open Grid Service Architecture，OGSA）的出現，英國Cardiff大學的Rashid Al-Ali等人提出了網格QoS的管理框架[4]（Grid QoS Management Architecture，G-QoSM）。

1.2 G-QoSM的工作原理

G-QoSM構造在 OGSA的上面，提供了三個主要功能：①支持基于QoS的資源注冊和服務發現；②支持在應用層、中間件和網絡層提供QoS保證支持，通過SLA協議管理來加強這些QoS參數的實現；③提供基于QoS管理的資源分配。G-QoSM提供三種QoS級別的服務，即確保型QoS、控制負載型QoS和盡力而為型QoS服務。

GQoSM主要由三個部分組成：①應用層QoS管理者（AQoS）。它為每一個應用配置一個AQoS。②中間件資源管理者（RM）。③網絡層資源管理者（NRM）。

AQoS不僅需要與客戶端、RMs、NRMs及鄰居AQoSs交互，而且還要與用戶協商SLAs并將協商的SLA關聯到不同的資源管理者。同時它還要確保在資源分配時SLA上的參數，并且在 SLA違例時要采取相應的措施。

中間件資源管理有多個域，不同的域有不同的RM。域可以通過IP掩碼或者一個Globus中的一個管理域。在Globus中，一個RM被認為是一個GARA和UDDI的聯合。GARA被用于主機服務和為帶有特定QoS屬性要求的任務創建執行環境；UDDI被用于作為注冊服務，服務可以被注冊及發現基于它們的能力和QoS屬性。

NRM相當于網絡帶寬代理者BB，在一個特定的域依據SLA協議上的參數管理QoS資源，并與另一個BB進行協商；NRM也進行域入口的管理，與鄰居域進行交互，在域邊界進行相應SLA參數的調整；NRM也與本地檢測工具進行交流，決定網絡層的狀態和它們當前的配置。

G-QoSM中QoS的管理包括一系列的活動[5]，從資源發現、分配到資源的釋放，每個應用在一個QoS的會話中。一個QoS會話包括三個主要階段：

（1）建立階段。在該階段，一個客戶遞交他期望的服務和相應的QoS參數規定，然后QoS代理商進行基于這些特定QoS參數的服務發現，并且與用戶進行協商，建立SLA。

（2）活動階段。在服務執行階段主要包括服務的執行、QoS監測、QoS自適應調節、計費和可能的重協商等活動。（3）釋放階段。它主要是去終止一個QoS會話，要么是因為資源預留的過期、協議違例或服務完成，以便原來的預留資源可以被其他用戶使用。對于被用的資源，系統應該記下信息，如被用資源的代價、用戶的費用信息等。

2 視頻網格QoS的主要框架結構

視頻是網格一個比較熱門的應用，視頻傳輸數據量大，對網絡和視頻資源性能要求高，需要保證一定的服務質量。G-QoSM是在OGSA下實現網格QoS的一個框架，并不是一個系統的具體實現。本文根據視頻流的特點，按照G-QoSM框架的思想，設計了在Globus Toolkit 3（GT3）上面搭建實現保證QoS的網格視頻系統必需的基本功能模塊。GT3支持OGSA體系結構，以下是每層需要的主要功能模塊。其關系圖如圖1所示。

2.1 應用層

網格服務模塊不僅為用戶提供訪問VOD系統的界面，如節目的瀏覽和查詢，而且為網格VOD提供商提供注冊和發布VOD資源的功能。

2.2 網格安全層

網格安全層主要是安全控制、用戶信息管理。其主要功能模塊：①用戶管理模塊。它主要是記錄用戶的信息，包括VOD點播用戶和VOD資源提供商兩種用戶，為安全模塊和計費模塊提供信息。②安全控制模塊。它采取一些安全措施，進行用戶身份的鑒別、授權訪問特定資源等，并保證網格資源不被非法用戶使用和惡意破壞。

2.3 網格資源代理商（RM）

網格資源信息服務中心記錄網格資源中信息服務節點的信息，包括它們的容量、已經使用的情況、QoS屬性信息，以及網格資源的允許訪問信息，還包括什么時候、怎樣應用、誰可以使用等方面的信息。它主要是從網格資源信息節點模塊與監控模塊來獲取信息。其主要功能模塊如下：

（1）QoS轉換模塊。根據以上的分析，視頻網格是分層的結構，在應用層、中間件層和網絡層中相同的服務級別卻用不同的QoS參數來表示，QoS參數需要在各層之間互相匹配與轉換。

（2）基于QoS的資源發現模塊。RM在接到用戶遞交的帶有QoS要求的任務后，調用此模塊，發現目前網格資源中可以完成用戶要求任務的資源。

（3）SLA協商模塊。發現有滿足用戶需要的資源后，代理商和用戶就有關的資源使用費用和保證的QoS參數與用戶進行協商，簽訂協議。協議也包括了任一方有違約現象所應采取的懲罰措施。

（4）資源調度模塊。按照一定的算法，從服務發現模塊找到的資源中，考慮系統的負載均衡等問題，進行最優資源分配。

（5）資源預留模塊。它與資源調度模塊分配資源的NRM和資源節點交互，將完成資源的聯合配置。

（6）任務執行模塊。如果預留成功，沿著預留的路徑進行視頻傳輸，同時調用計費模塊和監控模塊。

（7）監控模塊。它分為資源監控和任務監控。資源監控負責監視資源的性能，包括監控資源是否在工作，被監控資源容量和資源負載等，并把最新的監控數據通知給資源代理商，用來動態更新資源庫；任務監控是針對某一任務，監視單一視頻流是否滿足用戶QoS的要求，如果沒有則通知資源代理商，由他去調用再協商模塊。

（8）再協商理模塊。當資源預留模塊未能成功預留或者監控模塊發現問題后，由再協商模塊與用戶和資源代理商協商，以決定是降級服務還是退出服務。當降級服務時，與新任務一樣調用資源發現、調度、協商等模塊再次執行任務；退出服務時，調用計費模塊，以便執行違例懲罰。

（9）任務結束模塊。它釋放預留的資源，以便其他用戶去使用資源；同時調用計費模塊進行計費管理。

（10）計費模塊。它主要是決定所用的費用和記錄信息，如被用資源的總的代價和用戶的賬戶信息等，當出現違例情況時，查看SLA協議確定責任，執行懲罰措施。

2.4 網絡層管理（NRM）

（1）網絡層QoS預留模塊。它在用戶和被分配的資源之間進行網絡資源的預留。

（2）域間協調模塊。它在不同的網絡管理域中進行SLA的協調，這對移動終端視頻網格更為重要，因為用戶在使用視頻服務時，可能在不同的域中進行移動，這就要求在不同域中保證對SLA的QoS參數進行協調一致。

2.5 網格資源節點

（1）網格資源節點信息服務模塊。它位于網格資源節點，被用于監測本節點資源的QoS信息，包括提供的服務性能、目前負載；并且提供給資源信息服務中心模塊和資源監視模塊最新的信息。

（2）資源節點預留模塊。它對本節點資源進行預留，如緩沖區、磁盤等資源。

（3）網格資源節點調度模塊。在本節點任務池中，根據QoS的級別，賦予任務不同的優先調度權。通常來說，優先級高的用戶的任務在任務池中比其他級別低的任務優先調度。 

3 實現移動終端QoS視頻網格的關鍵技術

3.1 各層QoS參數的映射

在OGSA中，G-QoSM可以看成是分層的結構。所有的資源均以邏輯資源的形式存在，網格用戶只對邏輯資源提供的服務感興趣，下層服務的實現對用戶來說是透明的。所以在網格中，網格QoS系統應該提供策略和功能，使其能夠在各層中轉換和匹配QoS參數。

圖2是網格QoS的分層結構。最上面一層是用戶層，代表了邏輯服務QoS的需求，當用戶申請網格服務時提出服務質量要求，如視頻連續、音質畫面好等。第二層是網格中間件層，對于本視頻網格系統來說，中間件用的是Globus，這一層敘述網格服務的QoS需求。例如，服務的反映時間和參與服務資源的質量等。第三層是資源層，描述了在滿足網格中間件層需求的QoS參數時對網絡層和資源節點的QoS需求。網絡層QoS參數描述了網絡的性能，如負載能力、延遲、帶寬、抖動等。資源節點QoS描述了對資源節點的需求，包括質化參數和量化參數。量化參數描述資源節點的設備性能，如設備的反映時間、吞吐量、CPU速度等；質化參數包括資源節點的服務性能等，如資源節點的可承載能力、可用時間、網格用戶的中斷率、服務的可靠度、用戶的滿意度等。通過以上分析，我們可以把網格QoS最終落實到網絡層QoS與資源節點的QoS上。各層的QoS參數是由網格系統從上到下或者從下到上逐層匹配過來的。

3.2 網絡層QoS的保證[6]

一個IntServ/DiffServ混合的網絡控制模型被用于保證網絡層的QoS，而且與上面的應用層以及下面的資源節點聯合起來提供網格系統中的QoS保證。

本系統是預計運行在IPv6的校園網視頻點播中。在IPv6中，骨干網有很大的帶寬，擁塞主要發生在邊緣路由器與用戶之間，所以在邊緣路由器上采用IntServ服務，采用RSVP協議來保證端到端的QoS。在骨干網上，如果采用IntServ模型，為每個流預留資源則會加重核心路由器的負擔，反而影響性能，所以采用DiffServ的模型，只是對流進行分類，為不同類的流采取不同的傳遞方式。DiffServ模型可以有三種服務類型，即確保服務型、控制負載型和盡力而為型，正好對應網格中的三種服務模型。

在本系統中，只有終端系統是移動的，所以只需要在網絡層考慮移動情況下QoS的參數保證。

為保證移動網絡的傳輸質量，已有很多較成熟的技術，但仍需要完善。為了避免網絡擁塞，要進一步完善呼叫接納控制機制、用戶協議控制機制；路由選擇應采取并完善QoS路由、動態約束路由方法，要采用動態帶寬分配方法提高帶寬利用率；同時，在出現網絡擁塞或緩沖區溢出必須丟棄數據包時，應采用預測、結構調整的方法盡量集中丟棄少數數據包。

3.3 資源的表示、發現、調度和預留

資源管理是由GRAM(Globus Resource Allocation Manager)和UDDI(Universal Description and Discovery Integration)注冊系統組成的。GRAM用來處理服務和為基于QoS屬性的服務創建執行環境；UDDI用來注冊和發現資源。Rashid Al-Ali等人通過對UDDI注冊和改進發現系統，提出了帶有QoS屬性的注冊和發現系統UDDIe[7]。

UDDIe提供了三個主要擴展：①支持服務提供的有效期——讓服務在UDDI中注冊時帶有有效期，這樣可以克服中斷或不連續的連接；②支持注冊和查找帶有QoS屬性的服務；③擴展了查找方法，使在UDDI上可以進行具有數字和邏輯（AND/OR）范圍的查找。

資源的調度是影響網格系統總體性能的關鍵，傳統的分布式任務分配算法大致可分為三類：基于圖論的分配算法、整數規劃算法和啟發式算法。這三種算法不是互斥的，一類算法往往可以借鑒其他方法中的某些技術。在帶有QoS屬性的資源調度算法中用啟發式算法比較好。啟發式算法采用不同的考慮因素作為啟發信息對任務進行調度，得到一個調度策略，然后選擇負載最大與最小的兩個處理機，在考慮因素的啟發下，通過部分任務的重新調度提高具有最小負載的處理機的負載，同時降低具有較大負載的處理機的負載。目前基于QoS的啟發式算法主要有Max-Min及螞蟻算法等。

網格資源的預留主要是在不同的管理域中進行的。在應用層和網絡層都要充分考慮到域間的協商。對于本視頻系統來說，尤其在網絡層，怎樣在用戶移動到不同域中時可以保持原有的QoS參數，以及域間的SLA協商是重要的研究方面。

3.4 QoS的自適應

由于網格資源的隨時加入和退出，對一個服務的資源預留可能發生改變，服務可能被終斷或者不能按照原來的QoS需求來完成，所以自適應調節是保證段端到端服務質量的關鍵技術之一[8]。

有效地自適應控制需要三個明顯的機制：①激勵者。允許在線控制資源的分配與任務的執行。②監測器。監視資源的分配和任務執行的狀況等。③執行實體?？梢詫ΡO測器信息加以分析，喚醒激勵者采取相應的措施。

這三個部分協同工作，完成自適應調整，如監視器檢測到一個路由器的丟包率不是0，則在這個路由器上應用流的執行器決定是否減少包的發送，或產生一個新的資源預留請求給資源管理者去創造一個新的資源預留給這個流，同時喚醒一個激勵者去進行執行決定。

QoS自適應調節主要的關鍵問題是監控的數據選擇，執行實體作出判斷的準則，以及激勵者怎樣執行措施等。

4 結束語

VOD系統架構在網格上，更有利于視頻資源的共享，減輕以前集中式和分布式下VOD服務器的負載，增加系統的吞吐量，提高服務質量。根據下一代互聯網的發展，IPv6是未來Internet上網絡層傳輸協議，它充分考慮了對移動性和QoS方面的支持。隨著生活水平的提高，人們將越來越多地使用筆記本等移動終端來進行網絡服務的請求，這對服務質量的要求也越來越高，需要在提供的網絡服務中保證服務質量。本文充分考慮到這些特點，設計出了能保證QoS的移動終端IPv6上的視頻網格系統需要的主要功能模塊。其主要目的是對移動IPv6和網格下QoS保證作技術方面的研究。

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