一種基于Internet的遠程控制系統QOS研究

何雄偉 曾云兵

摘要：在利用I n t e r n e t 實現遠程控制的網絡環境下，通過對遠程控制系統中數據對服務質量的需求分析，基于區分服務實現了服務質量，并建立了QOS隊列調度模型。用排隊論的方法給出了數據包的丟失率的數學期望值，根據數據包隊列調度模型討論了最壞延遲時間，為QOS模型中的隊列設計和緩沖區的配置提供了重要的依據。

關鍵詞：實時數據；QOS；延遲保證；盡力服務；隊列調度

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）08-0013-02

在一個遠程控制系統中，需要采集被控制現場的實時信息，主要包括現場狀況信息，視頻防盜信息和火災報警信息，這些信息常常是周期性地傳送到現場控制室進行控制。如果企業已經安裝了相關設備，如監控系統，視頻防盜系統和火災報警系統，為實現遠程控制，重新布置網絡和設置相關設備，成本較高。同時，控制現場又可能有上網的需求。因此利用交換機把現有的系統和I nt e r ne t互聯在一起，利用互聯網實現遠程控制可以有效地減少安裝和維護成本。對于這樣一個網絡系統，其中的有些數據必須及時傳輸，如火災信息等。這些數據對QOS有很高的要求。有些數據如現場上網數據則相對要求較低。本文對這種網絡的QOS進行了分析，提出了QOS模型并討論了交換設備中隊列調度的問題。

1 QOS分析和調度算法的提出

1.1 QOS分析

在利用I n t e r n e t 實現遠程控制的網絡環境，現場的狀況信息、視頻防盜系統信息、和火災報警系統信息為實時數據，要求延遲保證。上網數據可歸為非實時數據，這部分數據對QOS的要求較低。為了提供服務質量保證和支持實時應用，傳統IP網絡的服務模型已經被擴展，區分服務模型是其中重要的一種。

區分服務的基本思想是在網絡邊緣將進入的流分成各種不同的類型，將同種類型的流合并起來進行集束傳輸，并對每一種類型在網絡中分別進行處理。分類的工作在網絡的入口處進行，分類通過檢查包的一個或多個字段的內容來完成。包被標識為一定的服務類型，并記錄在包頭字段里，隨后將包按一定的流量控制策略送入網絡。網絡中轉發包的核心路由器通過檢查包頭來確定對包進行何種處理。每種服務類型都要給予不同的處理方式，以獲得相應的服務質量。

根據以上分析，可以用區分服務來提供QOS，對于實時數據，提供延遲保證服務，非實時數據提供盡力服務。

1.2 隊列調度

隊列調度算法是實現網絡QoS控制的核心機制之一， 不同的隊列調度算法用來解決不同的問題，并產生不同的效果。為保證關鍵業務，優先級算法是必要的。同時要保證實時數據的實時性。這里采用類似RTP（Real-time Transport Protocol）優先隊列技術，RTP優先隊列是一種保證實時業務服務質量的簡單的隊列技術。其原理就是將承載語音或視頻的RTP報文送入高優先級隊列，使其得到優先發送，保證時延和抖動降低為最低限度，從而保證了語音或視頻這種對時延敏感業務的服務質量。

針對本文的研究背景，基于實時數據的來源不同，將RTP隊列根據設備的不同分成三個實時隊列，非實時數據形成一個盡力服務隊列。系統的實時隊列采用先進先出（FIFO）和輪轉法（Round Robin）相結合的方式進行調度以達到公平分享的目的。盡力服務隊列采取FIFO調度策略，因此，對于本系統中的實時隊列采用輪轉策略，而盡力服務只有當所有實時隊列為空時才得以服務。

1.3 調度性能分析

1.3.1 丟包率

由于本文研究對象具有周期性的特點，為討論簡單，由于盡力服務隊列優先級最低，暫不考慮盡力服務隊列的影響。

設每個隊列的數據包的到達符合泊松流，調度器的服務時間服從指數分布，λ為數據包的到達率，?為調度器調度數據包的服務率，在單調度器的情況下，這是一個M/M/1模型的排隊系統。

令ρ=?/λ ?和λ均取平均值，在穩定條件下，ρ<1，否則，隊列將無限增長。

設緩沖區容量為K，定義狀態函數S（t）表示在t時刻，緩沖區中擁有的數據包數。狀態概率Pn（t）表示緩沖區在t時刻有個數據包的概率。即

Pn（t）=P[S（t）=n]

根據M/M/1模型狀態轉移圖可得：

P0=1-ρ Pn=ρn（1-ρ） ρ<1，n=1，2，3...

因此，當系統處于K+1，K+2，…狀態時，產生溢出，數據包丟失，緩沖區溢出的概率Pr=Pk+1+Pk+2+...

=ρk+1（1-ρ）+ ρk+2（1-ρ）+...

=ρk+1

可以看到，合理的設置緩沖區的大小可以控制數據包的丟失率。

1.3.2 最壞延遲時間

設B隊列為盡力服務隊列，R為實時隊列。在本文研究背景下，根據前面的分析，假定緩沖區足夠大，不考慮實時隊列的溢出問題。為討論最壞延遲時間，建立數據包調度隊列模型如下：

相關定義如下：

Si： 實時隊列中一個周期內對應的數據包的數量。

WR：R中的數據包等待時間，對一個數據包，從其最后一位進入隊列時起.到第一位開始從隊列送出時止的時間段稱為R包等待時間。

Li： 隊列i中一個數據包的傳送時間。

設3個R隊列中一個周期內數據包數按遞增順序排列分別為Smin 、Smid 和Smax，隊列中的數據包大小一致，由以上分析可知，當交換設備剛剛開始發送一個B包。且3個 R隊列均有一個新周期數據連續到來時。其中一個 R隊列的數據包便會被最大限度地延遲。

則最壞延遲時間Wmax=[Smin LR+ Smid LR+（Smax-1） LR+ LB]- （Smax-1） LR = Smin LR+ Smid LR+ LB

雖然單周期數據包數可能各有差別，但這一最大延遲即最壞延遲時間（Wmax）用上面的公式來表示，作為QOS的設計和配置提供一個重要依據。

1.4 結束語

在基于Internet 實現遠程控制的網絡環境下，隊列調度的設計是實現QOS的重要環節，對于實時數據，延遲保證性能是最主要的服務質量。本文分析出的有關延遲和緩沖區幾個指標為指定環境下QOS的隊列設計和緩沖區配置提供了重要的依據。

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