基于網絡演算的網絡資源預留方法研究

摘要：研究了IntServ資源預留的實現方法，給出了網絡有效帶寬的計算方法。深入研究了網絡演算在網絡資源預留中的應用方法，推導出了基于端到端時延約束的有效帶寬和基于緩沖區長度約束的等效容量計算公式，分析了給定到達曲線和服務曲線條件下網絡性能的計算方法。通過具體的應用實例，驗證了分析結果的正確性和有效性。

關鍵詞:服務質量； 網絡性能分析； 資源預留； 有效帶寬； 網絡演算

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)11-0260-04

隨著網絡的發展，Internet正逐漸演變為一個通用的網絡平臺，各種各樣的應用均通過Internet來傳輸。因此其服務質量變得越來越重要。如何在Internet這樣的分組交換網絡中為應用數據流提供服務質量保證一直是重要的網絡研究方向之一。許多應用，如視頻會議、遠程過程控制等對網絡傳輸有嚴格的實時性要求，要求提供嚴格（確定）的服務質量保證。為此，IETF在集成服務[1]（IntServ）模型下提出了確保服務（gua￣rantee service）的服務方式，以提供嚴格的時延和帶寬保證。

目前研究網絡服務質量的文章很多[1~3]，但這些文章大多是對網絡服務質量的基本原理與概念作一般性的介紹，涉及具體實現方法的文章很

少。具體到IntServ和確保服務方面，大多數文章，特別是中文文章，基本上都只是介紹IntServ的基本原理及資源預留協議RSVP的原理和工作方式，很少涉及到具體的實現方法。如何計算網絡的有效帶寬，如何有效地實現資源預留，如何計算給定資源條件下的網絡性能等問題是制約網絡應用發展的關鍵技術問題。對此，本文進行了深入的研究，分析了網絡有效帶寬的計算方法。

1IntServ與資源預留

為了適應下一代Internet的應用需求，IETF提出了IntServ應用構架[1]，其中包括負載受控服務和確保服務。只要數據流遵守約定的流量參數限制并確保服務就能保證數據包在確定的傳送時間內到達，且不會發生由于緩沖區溢出而丟失的事故，從而能夠為實時應用提供較高的服務質量。IETF提出結合確保服務和RSVP（reservation protocol）信令協議[4，5]。

RSVP用于確保服務的會話連接建立過程包括兩個階段：通告階段和資源預留階段。

在通告階段，會話發起方向目的節點發送PATH報文，PATH報文中包含流量說明信息TSpec和通告說明信息ADSpec。TSpec定義一個特殊的流量包絡函數E(t)=min(M+pt，b+rt)。其中：b表示能夠容忍的最大突發長度；r 表示平均流量速率；p為峰值速率；M為最大報文長度。ADSpec中包含由源節點和各個中間路由器產生或更新的路徑時延信息[1]。ADSpec報文包含路徑上各網絡節點的排隊時延偏差信息，主要包括Ctot、Dtot、Csum、Dsum四個參數[1]。這些參數在ADSpec報文由源節點向目的節點傳輸過程中被各個路由器更新，每傳輸經過一個路由器，就加上該路由器的時延偏差項C和D。其中C和D分別表示路由器相對于理想流體模型的速率相關和速率無關時延偏差，由路由器采用的調度策略決定。

PATH報文到達目的節點后，開始進入資源預留階段。目的節點解析收到的TSpec和ADSpec中的信息，使用這些數據來指導選擇資源預留參數，如確定最大分組長度PATH_MTU。根據到達的確保服務C和D參數計算需要預留的速率界，并根據應用的具體情況確定可能的延遲滯后項（slack term）Ｓ。然后從目的節點向源節點發送RESV報文。RESV報文主要包含R和S兩個域。其中：R表示預留的鏈路速率；S表示時延滯后。延遲滯后項S用來指示希望的時延與由預留速率R計算出來的時延之間的差異，路由器可利用延遲滯后項S來降低給流預留的資源。

2網絡演算方法簡介

由R. L. Cruz[6，7]開創并由C. S. Chang 和J. Y. Le Bou￣dec等人[8，9]和G. Urvoy等人[10]發展起來的網絡演算是一種網絡隊列系統性能定量分析重要而有效的新型數學工具，是基于最小加代數(min－plus algebra)的一組結論。網絡演算被廣泛應用于網絡QoS 研究的建模和理論分析中。例如利用網絡演算建立的確保速率服務和延遲速率服務的關系模型[7]；基于網絡演算的參數區分網絡服務的接納控制模型[9]；將網絡演算作為數學工具，研究漏桶模型下的接納控制模型[10]。網絡演算的主要概念包括到達曲線、服務曲線以及最小加代數下的卷積和反卷積運算。

6結束語

網絡演算是最近十多年才發展起來的一項網絡分析計算，具有廣闊的應用前景。本文結合IETF的確保服務應用，深入研究了網絡演算在確保服務接納控制中的應用方法、網絡有效帶寬的概念及其計算方法；推導出了基于端到端時延約束的有效帶寬和基于緩沖區長度約束的等效容量計算公式，兩者均可用來計算接入控制中所需要的網絡帶寬；分析了給定到達曲線和服務曲線條件下網絡性能的計算方法；通過具體的應用實例，驗證了本文分析結果的正確性和有效性。

本文的分析結果耦合了時延和有效帶寬，給有效帶寬的計算帶來了一定的困難，這將在今后的進一步研究中解決。

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