陕西煤矿瓦斯监测联网网络ＱｏＳ保障策略实现研究

杨　洋　卢建军　郭　佳

摘 要：以陕西煤矿瓦斯监测远程联网为背景，研究其联网网络的QoS保障策略实现。由于现有的各种QoS实现机制无法单独为陕西煤矿瓦斯监测联网网络的QoS提供保障，因此在实际应用中必须结合多种机制才能得到较好的QoS保障效果。比较了传统IP网络的QoS结构体系，通过分析IntServ和DiffServ两种模型的基本原理、工作方式，并指出其各自的优缺点和网络应用环境，设计了将RSVP协议与DiffServ模型相结合来满足瓦斯监测数据传输实时性的要求；针对陕西煤矿瓦斯联网的特性，提出了将TCP拥塞控制算法与IP层拥塞控制算法相结合的算法模型，并且该模型的应用可以在原有单一拥塞控制的基础上有效地提升跨地区网络的QoS特性。

关键词：服务质量；综合服务模型；区分服务模型；拥塞控制

中图分类号：TN919文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2009)05-098-04

Research on QoS Guarantee Strategic Realization of Shaanxi Coalmine

Gas Monitor System Network

YANG Yang1,LU Jianjun2,GUO Jia3

(1.Xi′an Communication Institute of PLA,Xi′an,710106,China;2.Xi′an University of Science and Technology,Xi′an,710054,China;

3.Xi′an Research Institute,Huawei Technologies Co.Ltd.,Xi′an,710075,China)

Abstract：This paper makes the gas remote monitor network as background to do some research on the QoS guarantee of the network.QoS is a synthesis guide line which can be used to estimate the degree to satisfy with some server,which is a technology to solve the problem of delay and congestion in network.It must integrate multi-QoS mechanism to get good QoS guarantee in the practical application.Three QoS models in the IP net application and homologized affective factors are demonstrated.Meanwhile,the field of QoS protection strategy arrangement in Shaanxi coal mine gas network has been picked up as the example.For this situation,the comparison to the different QoS models is doing strictly.By combining the TCP congestion control arithmetic with IP congestion control arithmetic,the paper also emphatically describes the corresponded arithmetic model for that.Stimulatingly,it is promoted the QoS characteristic over-area effectively,which it is based on the original single congestion control.

Keywords：QoS;integrated-service model;differentiated-service model;congestion control

0 引 言

陕西煤矿瓦斯监测联网是针对目前矿井瓦斯灾害严重的状况，采用具有标准性和通用性的信息通信方式，将煤炭企业安全生产的工业网络接入到IP网络平台上，形成信息化网络数据资源传输体系，该体系建成后能够充分提高数据的利用率和共享度。同时，也对联网网络的QoS(服务质量)提出了更加严格的要求。QoS是一个用于衡量服务满意程度的综合指标，是用来解决网络延迟和拥塞问题的技术。作为研究使网络能够灵活地根据业务的具体特点保障瓦斯监测数据等工业信息在IP网络平台上传输的服务质量，是具有重大意义的。

陕西煤矿瓦斯监控系统网络基础平台，将集铜川市耀州区、韩城市、陕西煤业化工集团公司三节点与省煤炭工业局形成省局瓦斯监控系统联网。陕西煤矿整个地区骨干网联网后，其网络应用应包含大量的音频、工业视频、IP电话等需要QoS保障的实时业务流，同时由于网络的规模扩大，传输的文件流也随之扩大。所以，如何提高网络资源的使用效率，提高网络

的整体性能，是本文要研究和探讨的问题。

1 QoS模型及优劣分析

QoS模型主要分为以下三类：Best Effort,Integrated Service和Differentiated Service。由于Best Effort是属于“尽力而为”型，必然导致它对所有数据包实施公平对待的原则，对传输资源不做任何预留。它的使用结果就是在网络带宽使用中，对属于QoS的时延、抖动和丢包都不可预测，严格地说并未提供QoS保障［1,2］，Best-Effort服务是现在Internet的缺省服务模型。所以，目前应用比较广泛的是综合服务Integrated Service(IntServ)模型和区分服务Differentiated Service(DiffServ)模型。

IntServ综合服务依靠资源预留协议(RSVP)，逐节点建立或拆除每个流的资源预留软状态［3,4］。依靠接纳控制决定链路或网络节点是否有足够的资源满足QoS请求；依靠传输控制将IP分组分类成传输流，并根据每个流的状态对分组传输实施QoS路由、传输调度等控制。其缺点是可扩展性差，因为资源预留需要对大量的状态信息进行刷新与存储，复杂了网络核心路由器的功能。因此，当网络规模扩大时，综合服务模型将无法实现。综合服务模型通常应用于网络规模较小，业务质量要求较高的边缘网络，如企业网、园区网等。

DiffServ区分服务网络模型［5,6］，提供了一种具有良好可扩展性的QoS解决方案，很大程度上源于其“边缘分类，内部转发”的设计思想。最大的特点是区分了网络中节点的行为，使得网络的内部节点不需要维护单个数据流的信息。该模型是将用户的数据流按照服务质量要求划分等级，任何用户的数据流都可以自由进入网络，但是当网络出现拥塞时，级别高的数据流在排队和占用资源时比级别低的数据流拥有更高的优先权。但是，区分服务只承诺相对的服务质量，而不对任何用户承诺具体的服务质量指标。目前运营商IP网络的QoS部署主要基于DiffServ模型。

通过以上比较［7］可以知道，由于IntServ模型需要沿途的路由器要为每个数据流都维持一个“软状态”，必然占用大量的路由器存储空间，资源预留的网络开销也大于处理正常数据流的开销，所以对于一个大型运营商网络不建议使用该模型；Differv模型是针对IntServ模型的以上不足而提出来的，其“边缘分类，内部转发”的设计思想，使其在大规模网络的QoS保障中占据主导地位。针对本课题的研究特性，采用以Differv模型为主的QoS技术来实现陕西瓦斯监测远程联网网络QoS策略部署。

2 瓦斯监测联网网络QoS策略方案设计与实现

2.1 QoS策略方案实现概述

由以上需求分析可以看出，陕西煤矿的瓦斯联网对实时性要求较高。在此采用基于扩展RSVP协议的区分服务模型来保障整体网络的QoS。RSVP的最初设计目标是为单流提供资源预留，扩展后的RSVP可以为流聚集提供资源预留［8］。以RSVP和DiffServ结构相结合，将提供更为灵活的端对端QoS。在这种端对端的QoS模型中，由RSVP为流聚集提供资源，而DiffServ只是简单地对数据包进行标记、分类(区分不同的优先级)以及调度转发。

在监测网络底层，即数据采集与传输层的IP骨干网建设中，可采用IP与DWDM(密集型光波复用)相结合的技术，由于DWDM的特性即它能够在同一根光纤中，以不同速度传输不同类型的数据流量，并且它的协议和传输速度是不相关的。从QoS的观点看，基于DWDM的网络以低成本的方式来快速响应客户的带宽需求和协议改变。这样，对于整个底层骨干网的汇聚层来说，基本不会引起网路拥塞。同时，在Diffserv域核心设备上定义队列调度的资源分配策略，并部署拥塞控制算法策略，实现不同QoS等级区分化服务。

2.2 算法分析

在网络QoS保障中，网络拥塞管理是其中的关键部分，当网络发生拥塞时，拥塞避免算法的选取是提高网络运行质量和效率的关键。陕西煤矿瓦斯联网规模大、结构复杂，对网络性能的要求也相应地提高。TCP 拥塞控制本质上是一种基于信源的拥塞控制方法，实现在端系统中，仅仅依靠TCP 端到端的拥塞控制是不够的，网络也应该参加资源的控制工作。本质上说，IP层的拥塞控制就是通过对路由器缓冲区队列中的分组实施调度和管理来影响TCP 拥塞控制的动态性能，以其达到目的。要实现骨干网络的QoS，必须要结合以上多种技术，根据业务要求选择队列技术和拥塞避免技术。现通过将源端、中间节点和接收端结合起来共同协作来完成拥塞控制，如图1所示为瓦斯监测联网网络拥塞控制的算法模型。

由陕西煤矿瓦斯监测系统网络的特性可以知道网络包含有大量的工业监测视频、音频、网络IP电话和实时监测数据等，对实时性要求是比较高的。提出的方法就是在这种多用户、多业务、多服务等级中间平均分配带宽来保障整个网络的QoS。

如果把TCP阻塞窗口调整算法和每一个等级的业务队列相结合，就可以为不同等级的业务提供QoS保证。TCP阻塞窗口调整算法可以应用在任意一个等级的业务队列中。这个算法允许路由器通过控制终端系统的通信速率降低阻塞。当发生路由器阻塞的情况，根据发送速率和分配速率(目标速率)的比值，计算出估计的阻塞窗口大小，发送包含估计的阻塞窗口值的早期明确阻塞标记数据报返回发送终端，从而降低发送数据源的发送速率。

通过以上分析，在TCP层采用反馈式拥塞控制算法和IP层的WFQ控制算法相结合的方法，为瓦斯监测联网网络提供QoS保障，如图2所示。

2.2.1 IP层拥塞控制算法的实现

在提出的拥塞控制算法模型中［9］，属于IP层的路由器缓冲区队列采用加权公平排队(WFQ)的IP拥塞控制算法，如图3所示。

图3 加权公平排队(WFQ)

加权公平队列(WFQ)对报文按流进行分类，分类标准是源和目的地址、端口号、协议号等，并在合适的等待区域排队，WFQ调度器以循环方式按优先级顺序为各个类提供服务。WFQ的优点是在保证公平(即相同带宽、延迟)的基础上，体现权值(依赖于IP报文头中携带的IP优先级)。每个类在固定的时间间隔内都可能收到一定数量的服务。具体而言，在WFQ下,对于分配到权值w璱的类i，在有分组要传送的一定时间间隔中，可保证类i得到等于w璱/(∑w璱) 的服务，式中∑w璱为所有类别权值之和。对于传输速率为R的链路，第i类可获得R ×w璱 / (∑w璱 ) 的吞吐量。

2.2.2 基于反馈式TCP拥塞控制算法的实现

在拥塞控制算法模型的TCP层，采用基于反馈式的拥塞控制算法，即在每一个固定的采样［(n-1)Δt,nΔt］期间，可以获得缓冲区队列的输入字节数S(n)以及队列的目标输出字节数T(n)，那么在离散时间点n，新路由器阻塞控制窗口的值可根据式(1)得到，其中β是正值的调整因子。

cwnd(n+1)=cwnd(n)*［β*T(n)/S(n)］

(1)

由于该算法是递归式的，因此初始值的设定不影响算法的效果，可以根据网络设备的能力以及具体的服务对象情况设定，例如可设cwnd(0)为路由器能够为所有业务提供初始化阻塞控制窗口的值。图4给出了算法的框图。

图4 TCP阻塞窗口调整的反馈控制算法框图

根据该算法进行了仿真试验。由得出的试验结果可知，该算法的采用可有效地降低和减少数据报的丢失，同时在链路带宽公平分配的基础上，能有效地保障优先等级高的数据流传输。

3 仿真测试

本文对拥塞控制的仿真测试所采用的软件是NS 2(Network Simulator,Version 2)。NS 2是由美国加州Lawrence Berkeley国家实验室等单位共同开发的一种面向对象的网络仿真软件，可以仿真各种IP网络环境［10］。

对TCP层的拥塞控制算法的仿真，主要是验证采用该算法后能否确实降低数据包的丢弃率，并保证数据流在链路带宽平均分配的基础上有效地进行拥塞避免。在利用NS 2仿真软件进行网络仿真时，首先设计网络的拓扑结构图。这里采用星型的拓扑结构，如图5所示。

设计的拓扑图中有10个节点,其中数据源1~4号节点是发送节点;接收方1~4号节点是接收节点;中间2个路由器是中继节点。中间路由器采用直接丢弃数据报的策略，同时缓冲区的大小设定为2倍网络带宽延迟容量，缓冲区数据服务速率设定为T1(1.544 Mb/s)。数据源连接采用TCP-Reno版本的协议，这个协议包括慢启动、阻塞避免、快速重传和快速恢复4个阶段。TCP 连接数据源采用FTP协议，TCP连接的最大传送字段(MSS)大小设定为536 B。通过仿真,比较中间路由器采用本文提出的算法和没有采用这个算法的结果。

图5 拥塞控制算法仿真拓扑图

仿真结果说明，在瓦斯监测联网网络的TCP层采用该算法，可以通过调整阻塞窗口的大小迅速改变TCP 数据源的发送速率，降低路由器中发生因缓冲区的溢出而造成的数据报的丢失。由于降低了缓冲区队列的长度同时减少数据报的丢失率就能够降低数据传输的时延，从而提高链路的利用率。其次，由于该算法能够通过反馈早期明确阻塞标记数据报，根据目前路由器缓冲区的状态为所有的TCP 数据源提供比较合适的阻塞控制窗口，因此基本上能达到链路带宽的公平分配。

4 结 语

针对陕西煤矿瓦斯联网网络的特性，就联网网络上实现QoS部署的方案进行了描述，提出了将IP层和TCP层拥塞控制算法相结合的方法，并给出了算法模型，即采用基于扩展RSVP协议的Diffserv区分服务的QoS技术，并在Diffserv域核心设备上定义WFQ队列的调度机制来实现不同QoS等级化区分服务。这样，通过在Diffserv域核心路由器上的转发资源分配，真正保证重点用户的重点业务数据传输的低时延，低抖动，并分配其有保障的带宽，实现其全方位的QoS保证。最后对QoS部署中的拥塞控制算法进行了测试。试验

结果证明，本文提出的改进算法相对原先单一的控制

算

法来说，当TCP流与非响应的UDP流竞争带宽时，公平性有了显著的改进，可确定其在现有陕西煤矿瓦斯监测网络实施的可行性、有效性及必要性。同时，本文也还有许多需要进一步研究和改进的地方，例如，如何通过Diffserv域核心路由器来合理分配转发资源，并使其在不超出设备承受能力的前提下，保证聚集流之间的公平性以及聚集流内各单流之间的公平性等。

参考文献

［1］Van Moorsel Aad.On Best-effort and Dependability,Service-orientation and Panacea.Lecture Notes in Computer Science,2005:99-101.

［2］Sakurai Akihiko.Achieving Integrated IT Service Management.Fujitsu Scientific and Technical Journal,2007,43(3):345-353.

［3］Griem Torsten,Ayyagari Arun,Kim Jae H.RSVP over IPsec Tunnel Mode Using RFC 3175.Proceedings-IEEE Military Communications Conference MILCOM,v 2005,MILCOM 2005:Military Communications Conference 2005,2005,5:3 246-3 250.

［4］Oshlag Benjamin L,Pecelli Dylan,Pizzi Steven V.An RSVP Surrogate for Guaranteed Bandwidth for Tactical Communications.Proceedings-IEEE Military Communications Conference MILCOM,2006:1-6.

［5］Galatchi Dan,Zoican Roxana.IntServ Operation over DiffServ Networks.International Symposium on Signals,Circuits and Systems-Proceedings.2005:525-528.

［6］ Tong Sheau-Ru,Chang Chun-Cheng.Harmonic DiffServ:Scalable Support of IP Multicast with QoS Heterogeneity in DiffServ Backbone Networks.Computer Communications,2006,29(10):1 780-1 797.

［7］Harju Jarmo,Kivimaki Perttu.Co-operation and Comparison of DiffServ and IntServ:Performance Measurement.Conference on Local Computer Networks.2000:177-186.

［8］Grenville Armitage.IP 网络的服务质量——多业务互联网的基础［M］.北京：机械工业出版社，2001.

［9］武航星,慕德俊，潘文平,等.网络拥塞控制算法综述.计算机科学,2007,34(12):12-14.

［10］徐雷鸣.NS2与网络模拟［M］.北京：人民邮电出版社,2003.

作者简介 杨 洋 男，1980年出生，硕士，解放军西安通信学院讲师。从事网络工程专业网络应用方面的研究。