網絡虛擬教學系統端到端QoS控制技術研究

邱春榮

（長沙民政職業技術學院，湖南長沙 410004）

網絡虛擬教學系統端到端QoS控制技術研究

邱春榮

（長沙民政職業技術學院，湖南長沙 410004）

網絡虛擬教學系統的QoS控制是當前教育信息化建設的熱點研究課題。文中分析了網絡端到端QoS控制技術，研究了網絡虛擬教學系統的典型網絡運行環境，并設計了網絡虛擬教學系統端到端QoS架構，最后進行了系統的QoS性能分析。

網絡虛擬教學系統；端到端；QoS

1.引言

隨著計算機網絡技術和教育事業的發展，網絡虛擬教學系統以其在時空上的靈活性和良好的可擴展性受到了廣泛的關注。網絡虛擬教學系統用戶所處環境的網絡狀況較為復雜，可能是園區局域網，也可能是家庭的撥號網絡；可能是有線接入，也可能是無線接入方式，同時網絡帶寬和可靠性等性能參數也差異很大。另一方面，網絡虛擬教學系統特別是帶有多媒體和3D動畫元素的虛擬教學系統的響應時間、數據傳輸速率、延遲、延遲抖動等性能是用戶直接關心的問題。因此，端到端的系統QoS控制技術是一個非常值得研究的課題。

2.網絡端到端QoS控制技術分析

2.1 網絡QoS分層控制模型

網絡QoS控制模型［1-3］如圖1所示。通常情況下，網絡QoS控制技術的實現主要集中在OSI/RM模型中從網絡層到應用層的4個層次，每層都有相對獨立的QoS控制和維護功能。

物理層中按照業務量分配固定帶寬的TDM（時分復用），能夠嚴格地保證QoS；在ATM網絡中，各種業務流可以分成四種不同的業務類型，終端在通信前首先要建立連接，網絡根據用戶所申請的帶寬等參數對業務量進行QoS控制。

數據鏈路層和網絡層實現QoS是通過對幀或分組進行優先級的劃分和處理來保證服務質量的，也就是說，按優先級把各個幀或分組分成多個隊列，減少特定業務量的時延并吸收時延抖動；有時還像幀中繼的報片化（fragment）那樣,將長數據作截短處理，以降低轉發處理所帶來的延時。

傳輸層以上的QoS控制與網絡層以下的技術不同，它與網絡設備無關。傳輸層只在用戶終端對發送速率進行適當的控制，以防止擁塞和數據丟失；而系統平臺位于網絡的端系統中，對QoS的支持和實現有著相當重要的意義。

在應用層，QoS的實現主要是通過各種數據壓縮技術減少待傳輸的數據量，同時對實時業務實施適當的控制和管理，從而保證實時多媒體業務的服務質量。

2.2 端到端QoS控制技術分析

端到端QoS的關鍵技術主要有報文分類、隊列管理、擁塞避免、流量整形、QoS路由和Web QoS控制技術等［1-3］。

（1）報文分類（PacketClassification）

簡單地說，把報文映射到不同的服務類的過程就稱為報文分類。報文分類使用一個通信描述符來對某特定分組中的數據包進行分類，以便規定這個數據包，并且使其適合網上服務質量處理。利用數據包分類，可以將網絡通信流量劃分為多個優先級層次或服務等級。當使用通信描述符進行通信分類時，信源將同意遵照約定的條款，并且網絡將承諾提供一個QoS。通信管制特性（速率限制功能）、通信流量規定特性和普通通信流量規定（Generic Traffic Shaping簡稱為GTS）就是分類的依據。

（2）隊列管理（QueueManagement）

隊列管理是指以隊列為依托、對到達的數據分組、數據流進行傳輸控制的多種機制，主要涵蓋緩沖管理和分組調度兩個方面的內容。緩沖管理機制從分組的角度看其實就是分組丟棄機制，包括尾部丟棄、頭部丟棄、閾值丟棄、隨機丟棄、非參數控制丟棄和選擇性丟棄等。常見的分組調度算法有：先進先出隊列（FIFO）、優先級隊列（PQ）、公平隊列（FQ）、權值公平隊列（WFQ）、權值循環輪轉（WRR）、基于類的隊列（CBQ）等。

（3）擁塞避免（Congestion Avoidance）

擁塞避免技術通過監視網絡流量負荷，可預測和避免公共網絡瓶頸處發生的擁塞。這與在擁塞出現時對其進行管理的擁塞管理技術不同。QoS解決方案避免擁塞的主要工具是加權隨機早期檢測（WRED），它為較高優先級信息分組提供優先流量處理。當接口開始出現擁塞時，它將有選擇地丟棄較低優先級的流量，并為不同服務水平提供不同的性能特性。

（4）流量整形（Traffic Shaping）

通用流量整形（GTS）技術，可管理網絡中的流量和擁塞，在特定接口上控制信息流。通過限制指定流量的速率（也稱為令牌存儲桶法），可減少輸出流，避免擁塞，同時對特定突發流量進行排隊。這樣，遵守特定標準的流量就可得到整形，以滿足下行流量的要求，消除數據速率不匹配產生的網絡拓撲瓶頸。

（5）QoS路由（QoSRouting）

QoS路由的基本任務是為一次連接尋找一條有足夠資源、能滿足QoS要求的可行路徑。QoS路由不同于盡力而為（best-effort）路由，因為QoS路由通常是面向連接、有資源預留功能，并且能夠提供有質量保證的服務；而后者有可能是面向連接，也可能是無連接的，根據當前可獲得的資源的不同，服務質量方面也有所不同。

（6）Web QoS技術

Web QoS控制技術屬于應用層的QoS，衡量的是用戶在與Web站點進行交互時所感知的服務性能，如資源下載時間、服務器的可用性、故障出現概率和恢復的時間等參數。由于Web基礎設施的復雜性，影響Web QoS的因素有很多，如網絡構建技術和網絡協議、Web服務器的硬件性能、服務器操作系統的性能、應用軟件和中間件的處理能力等。目前，Web QoS的系統解決方案大體有以下三類：

一是區分的Web服務機制與策略。該方案的主要做法是定義用戶或服務請求的類別，確定優先級，利用基于優先級的請求分配策略和資源監控與調度機制來保證不同的SLA。

二是Web服務器系統服務策略。其主要思想是從體系結構的角度設計Web用戶服務SLA保證協議。主要處理方法是：增加內存和CPU以提高服務器的處理能力；在局部范圍內復制服務器內容，建立服務器集群，增強本地處理能力；在廣域網范圍內建立服務器集群擴大全局處理能力。

三是軟件QoS服務策略。在應用層軟件QoS控制技術中可以通過用戶服務區分和優先調度、接納控制、資源分配、網絡層QoS支持機制等方法實現各種不同的服務策略。應用軟件的靈活性給該層的QoS控制帶來很多用戶和服務商個性化的服務機制組合。

3.網絡虛擬教學系統網絡運行環境設計

圖2所示為典型的網絡虛擬教學系統的用戶使用網絡環境［4］。圖中示意了兩類用戶：第一類為局域網內網絡虛擬教學系統用戶，該類用戶的特點是用戶與服務器系統在同一局域網內。對于這類用戶，由于帶寬保證較好，并且網絡服務可靠性較高，因此網絡QoS較好。第二類用戶與網絡虛擬教學系統服務器不在同一局域網內。這類用戶的服務在傳輸鏈路中可能存在的性能瓶頸較多，網絡可靠性無法得到較好的保障。

圖2 網絡虛擬教學系統運行環境示意圖

4.網絡虛擬教學系統端到端QoS架構設計

網絡虛擬教學系統端到端QoS架構如圖3所示，主要由三個模塊組成：網絡鏈路性能探測器、網絡QoS決策單元和網絡服務管理數據庫。

圖3 網絡虛擬教學系統QoS控制架構設計

網絡鏈路性能探測器定義了服務請求（Service_Request）、丟包率（Packet_Loss） 和鏈路帶寬（Link_Bandwidth）等屬性。當接收到用戶的服務請求后，就啟動鏈路探測進程。在某一固定的時隙T內以固定速率R發送探測數據消息，通過反饋的確認數據消息P來計算丟包率L，計算式為：L=（TR－P）/T*100%，該參數賦給Packet_Loss屬性。而網絡鏈路帶寬B的計算方法為：B=P/T，并賦給Link_Bandwidth。該模塊將這些計算結果傳輸給網絡QoS決策單元。

網絡QoS決策單元模塊接收網絡鏈路性能探測器傳輸來的Packet_Loss和Link_Bandwidth屬性值，并根據多媒體數據流的參數界值Multimedia_Loss和Multimedia_Rate來決定是否接納該用戶的服務請求，具體判定為：如果Multimedia_Loss－Packet_Loss≥0且Link_Bandwidth－Multimedia_Rate≥0成立，則服務請求接納，反之服務請求接納將被否決。網絡QoS決策單元模塊將把決策結果以服務應答（Service_Response）的形式反饋給用戶端，并把判定結果和服務狀態（Service_Status）記錄到網絡服務管理數據庫模塊中。

網絡服務管理數據庫記錄了網絡虛擬教學系統的服務狀態和過程。主要包括：用戶名（Username）、用戶ID號（User_ID）、鏈路狀態（Service_Status）、服務啟動時間 （Service_Start_Time）、服務結束時間（Service_Stop_Time）。其中的鏈路狀態（Service_Status）記錄了由網絡QoS決策單元模塊中傳輸來的計算結果。

5.結束語

從數據丟包率來看，由于在網絡鏈路性能探測時，用模擬多媒體服務數據消息進行了預探測和計算，并由網絡QoS決策單元模塊進行了服務丟包率接納判斷，因此，在進行系統多媒體服務時候，丟包率將控制在系統可接受范圍內。

從時延和時延抖動來看，時延和時延抖動與系統端到端鏈路的數據傳輸速率有著直接關系。系統中設定了Link_Bandwidth屬性值，對系統服務鏈路進行了測量，并根據虛擬教學系統中的多媒體數據流Multimedia_Rate值和Link_Bandwidth值進行了比對。所以，該網絡虛擬教學系統多媒體數據流的時延和時延抖動性能參數是有保障的。

但本系統在網絡虛擬教學系統QoS控制模塊軟件實現和網絡虛擬教學系統QoS控制模塊與系統其它模塊的聯合調試等方面還不完善，這是下一步的研究任務。

［1］Terzis A,Krawcayk J,Wroclawski,et al.RSVP operation over IP tunnels.IETF InternetDraft-ietf-rsvp-tunnel-04,May1999

［2］Fred Baker,Carol Iturralde,Francois Le Faucheur,et al.Aggregation of RSVP for Ipv4 and Ipv6 Reservations.IETF InternetDraft-baker-rsvp-aggregation-01,June1999.

［3］Litter TDC,Ghafoor A.Synchronization properties and storage models formultimedia objects［J］.IEEE JournalofSelected Areason Communications,1990,8（3）:229-238.

［4］李方敏,李仁發.基于協作的虛擬實驗室的網絡支撐環境研究.Proceedings of the 3rd World Congress on Intelligent Controland Automation，July 2000.

TP393 < class="emphasis_bold">［文章標識碼］ A

A

1671-5136（2011） 03-0124-03

2011-09-20

邱春榮（1975-），男，江西寧都人，長沙民政職業技術學院軟件學院副教授、系統分析師、碩士。研究方向：計算機網絡服務、多媒體技術。