基于細粒度標簽的校園無線網彈性QoS 優化

馬帥營，魏金良，阿古達木

(大連民族大學 網絡與信息技術中心，遼寧 大連116605)

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

文獻［1］分析某建筑物內的無線局域網12 周數據，發現大多數用戶使用網頁瀏覽、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］發現以前的網絡應用大多是基本的網絡通信，而現在已經改變為P2P(Peer-to-Peer network)、多媒體流和VoIP(Voice over Internet Protocol)通信量，校園內的通信量已經超過了校園外的通信量。文獻［3］分析了用戶訪問行為的統計特性對網絡性能可靠性帶來的影響，結果顯示用戶訪問行為的集聚特性中突發性訪問的強度、頻率和持續時間在一定程度上影響著網絡性能可靠性的相變行為。文獻［4］針對該校校園網的用戶訪問日志分析用戶的上網行為及規律，采用聚類將有著不同上網時段喜好的用戶進行分組，從而針對在上網時間上有不同習慣的用戶群組進行區別管理。

接入控制方法和資源分配策略常用于保證業務的服務質量要求。文獻［5］指出無線通信中QoS 和QoE 的優化管理，可以在有限的資源條件下，以最少的資源最優化網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進行建模，同時考慮了彈性QoS 這一機制，性能分析發現所采用的方法相對于一般的完全接入策略具有較優的性能。文獻［8］研究了同類型業務服務請求按差異化的服務等級進行接入控制的策略，根據服務等級采用服務優先級，通過考慮服務效用函數，使異構網絡中整體效用最大化和負載均衡來進行接入控制。

1 校園無線網中細粒度標簽

隨著無線網絡用戶規模的不斷增加，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絡中用戶的行為特征，對一個實際的無線網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的用戶行為進行了分析，但針對網絡帶寬及QoS 優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，在網絡帶寬有限的環境中，現有的網絡帶寬及QoS 優化方案，絕大數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系。因此，本文提出以網絡帶寬及QoS 優化為目標，在深入理解用戶行為的基礎上建立細粒度標簽，主要涉及:

(1)用戶優先級:高優先級和一般優先級;

(2)網絡業務的優先級，依據不同網絡業務的QoS 特性區分;

2 彈性QoS 分析

當前，在網絡帶寬有限的情況下，通過QoS 機制進行網絡帶寬優化是必要的手段。但是，傳統的QoS 優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絡業務時，如果這個連接需要過多的網絡資源或者非常高的QoS，那么網絡服務提供者可以拒絕該請求，在這種情況下，只有少數的連接能夠被接入;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，需要設計一種彈性QoS 機制，它可以根據網絡資源的可用性進行服務、最優化網絡資源和用戶需求。

3 彈性QoS 模型

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

設某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。無線網絡中總共有K 類具有彈性QoS 要求的業務請求，第k 類業務(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 類業務請求正常進行需要的最小資源，bk，des表示第k 類業務請求所希望占用的資源，它們均設為正整數且bk，min≥bk，des。

4 彈性QoS 優化策略

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

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

(1)設置最大接入用戶數量;

(2)優先保障高優先級用戶的QoS 需求;

(3)優先保障低吞吐量、低時延的網絡業務，如網頁瀏覽、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，調整低優先級的存在自私行為的網絡業務(如P2P 和在線視頻)的帶寬為bk，min＜b ＜bk，des，優先保障網絡服務的公平性;

(6)當AP 帶寬達到過飽和(如大于85%)時，調整所有用戶的存在自私行為的網絡業務(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絡服務的公平性。

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

5 仿真實驗及分析

5.1 仿真實驗環境

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

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

圖1 仿真實驗的拓撲結構

5.2 實驗結果分析

針對文中提出的彈性QoS 策略，對各主要情況的實驗結果分析如下:

首先給出無帶寬控制的情況如圖2。當前網絡帶寬70Mbps，依次有k1、k2 和k3 三個新增網絡網絡業務，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)均大于預設值MaxSelfish=70，可判斷為存在自私行為的網絡業務，并最終導致網絡帶寬達到96Mbps，新的網絡業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。當前網絡帶寬50Mbps，依次有k1、k2 和k3 三個新增網絡網絡業務，帶寬需求分別是3、［3，8］和2;k1 和k3 帶寬需求不大于3Mbps，代表高優先級的網絡業務;k2 自私度量為80 大于預設值70，存在自私行為，但此時AP 的帶寬利用率不大于70%，各網絡業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 優化策略的情況如圖4。當前網絡帶寬73Mbps，依次有k1 和k2 新增網絡網絡業務，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 是高優先級的網絡業務，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(大于預設值70)，存在自私行為，因此對該網絡業務進行帶寬控制，調整值為4 即Max{3，0.5* 8=4}，調整后記為k2＇，使得總帶寬由83 降為79，避免了自私行為的發生，保障了新增高優先用戶及業務接入的可能性。

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。網絡處于高峰，當前網絡帶寬80Mbps，新增高優先級用戶的網絡業務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(大于預設值70)，存在自私行為，因此對該高優先級用戶的網絡業務進行帶寬控制，調整值為8 即Max{3，0.5* 16=8}，調整后記為k1＇，使得總帶寬降為88，避免了高優先級用戶在網絡高峰時段的自私行為，保障了新增的高優先級網絡業務k2 等的接入可能性。

6 結 語

本文在細粒度標簽分析的基礎上，建立校園無線網的彈性QoS 優化模型，設計合理無線帶寬合理分配策略，在保障網絡服務公平性的同時，實現最優化的校園無線網的用戶體驗以及最大化利用網絡資源提供理論基礎和技術支撐。研究成果對于一般規模的無線校園網可以實現有效的服務質量優化，對于無線網絡運營商開展更大規模的城市級無線網絡優化也有著現實意義和經濟效益。

圖5 帶寬占用大于85%的情況

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