网络虚拟教学系统端到端QoS控制技术研究

邱春荣

（长沙民政职业技术学院，湖南长沙 410004）

网络虚拟教学系统端到端QoS控制技术研究

邱春荣

（长沙民政职业技术学院，湖南长沙 410004）

网络虚拟教学系统的QoS控制是当前教育信息化建设的热点研究课题。文中分析了网络端到端QoS控制技术，研究了网络虚拟教学系统的典型网络运行环境，并设计了网络虚拟教学系统端到端QoS架构，最后进行了系统的QoS性能分析。

网络虚拟教学系统；端到端；QoS

1.引言

随着计算机网络技术和教育事业的发展，网络虚拟教学系统以其在时空上的灵活性和良好的可扩展性受到了广泛的关注。网络虚拟教学系统用户所处环境的网络状况较为复杂，可能是园区局域网，也可能是家庭的拨号网络；可能是有线接入，也可能是无线接入方式，同时网络带宽和可靠性等性能参数也差异很大。另一方面，网络虚拟教学系统特别是带有多媒体和3D动画元素的虚拟教学系统的响应时间、数据传输速率、延迟、延迟抖动等性能是用户直接关心的问题。因此，端到端的系统QoS控制技术是一个非常值得研究的课题。

2.网络端到端QoS控制技术分析

2.1 网络QoS分层控制模型

网络QoS控制模型［1-3］如图1所示。通常情况下，网络QoS控制技术的实现主要集中在OSI/RM模型中从网络层到应用层的4个层次，每层都有相对独立的QoS控制和维护功能。

物理层中按照业务量分配固定带宽的TDM（时分复用），能够严格地保证QoS；在ATM网络中，各种业务流可以分成四种不同的业务类型，终端在通信前首先要建立连接，网络根据用户所申请的带宽等参数对业务量进行QoS控制。

数据链路层和网络层实现QoS是通过对帧或分组进行优先级的划分和处理来保证服务质量的，也就是说，按优先级把各个帧或分组分成多个队列，减少特定业务量的时延并吸收时延抖动；有时还像帧中继的报片化（fragment）那样,将长数据作截短处理，以降低转发处理所带来的延时。

传输层以上的QoS控制与网络层以下的技术不同，它与网络设备无关。传输层只在用户终端对发送速率进行适当的控制，以防止拥塞和数据丢失；而系统平台位于网络的端系统中，对QoS的支持和实现有着相当重要的意义。

在应用层，QoS的实现主要是通过各种数据压缩技术减少待传输的数据量，同时对实时业务实施适当的控制和管理，从而保证实时多媒体业务的服务质量。

2.2 端到端QoS控制技术分析

端到端QoS的关键技术主要有报文分类、队列管理、拥塞避免、流量整形、QoS路由和Web QoS控制技术等［1-3］。

（1）报文分类（PacketClassification）

简单地说，把报文映射到不同的服务类的过程就称为报文分类。报文分类使用一个通信描述符来对某特定分组中的数据包进行分类，以便规定这个数据包，并且使其适合网上服务质量处理。利用数据包分类，可以将网络通信流量划分为多个优先级层次或服务等级。当使用通信描述符进行通信分类时，信源将同意遵照约定的条款，并且网络将承诺提供一个QoS。通信管制特性（速率限制功能）、通信流量规定特性和普通通信流量规定（Generic Traffic Shaping简称为GTS）就是分类的依据。

（2）队列管理（QueueManagement）

队列管理是指以队列为依托、对到达的数据分组、数据流进行传输控制的多种机制，主要涵盖缓冲管理和分组调度两个方面的内容。缓冲管理机制从分组的角度看其实就是分组丢弃机制，包括尾部丢弃、头部丢弃、阈值丢弃、随机丢弃、非参数控制丢弃和选择性丢弃等。常见的分组调度算法有：先进先出队列（FIFO）、优先级队列（PQ）、公平队列（FQ）、权值公平队列（WFQ）、权值循环轮转（WRR）、基于类的队列（CBQ）等。

（3）拥塞避免（Congestion Avoidance）

拥塞避免技术通过监视网络流量负荷，可预测和避免公共网络瓶颈处发生的拥塞。这与在拥塞出现时对其进行管理的拥塞管理技术不同。QoS解决方案避免拥塞的主要工具是加权随机早期检测（WRED），它为较高优先级信息分组提供优先流量处理。当接口开始出现拥塞时，它将有选择地丢弃较低优先级的流量，并为不同服务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）技术，可管理网络中的流量和拥塞，在特定接口上控制信息流。通过限制指定流量的速率（也称为令牌存储桶法），可减少输出流，避免拥塞，同时对特定突发流量进行排队。这样，遵守特定标准的流量就可得到整形，以满足下行流量的要求，消除数据速率不匹配产生的网络拓扑瓶颈。

（5）QoS路由（QoSRouting）

QoS路由的基本任务是为一次连接寻找一条有足够资源、能满足QoS要求的可行路径。QoS路由不同于尽力而为（best-effort）路由，因为QoS路由通常是面向连接、有资源预留功能，并且能够提供有质量保证的服务；而后者有可能是面向连接，也可能是无连接的，根据当前可获得的资源的不同，服务质量方面也有所不同。

（6）Web QoS技术

Web QoS控制技术属于应用层的QoS，衡量的是用户在与Web站点进行交互时所感知的服务性能，如资源下载时间、服务器的可用性、故障出现概率和恢复的时间等参数。由于Web基础设施的复杂性，影响Web QoS的因素有很多，如网络构建技术和网络协议、Web服务器的硬件性能、服务器操作系统的性能、应用软件和中间件的处理能力等。目前，Web QoS的系统解决方案大体有以下三类：

一是区分的Web服务机制与策略。该方案的主要做法是定义用户或服务请求的类别，确定优先级，利用基于优先级的请求分配策略和资源监控与调度机制来保证不同的SLA。

二是Web服务器系统服务策略。其主要思想是从体系结构的角度设计Web用户服务SLA保证协议。主要处理方法是：增加内存和CPU以提高服务器的处理能力；在局部范围内复制服务器内容，建立服务器集群，增强本地处理能力；在广域网范围内建立服务器集群扩大全局处理能力。

三是软件QoS服务策略。在应用层软件QoS控制技术中可以通过用户服务区分和优先调度、接纳控制、资源分配、网络层QoS支持机制等方法实现各种不同的服务策略。应用软件的灵活性给该层的QoS控制带来很多用户和服务商个性化的服务机制组合。

3.网络虚拟教学系统网络运行环境设计

图2所示为典型的网络虚拟教学系统的用户使用网络环境［4］。图中示意了两类用户：第一类为局域网内网络虚拟教学系统用户，该类用户的特点是用户与服务器系统在同一局域网内。对于这类用户，由于带宽保证较好，并且网络服务可靠性较高，因此网络QoS较好。第二类用户与网络虚拟教学系统服务器不在同一局域网内。这类用户的服务在传输链路中可能存在的性能瓶颈较多，网络可靠性无法得到较好的保障。

图2 网络虚拟教学系统运行环境示意图

4.网络虚拟教学系统端到端QoS架构设计

网络虚拟教学系统端到端QoS架构如图3所示，主要由三个模块组成：网络链路性能探测器、网络QoS决策单元和网络服务管理数据库。

图3 网络虚拟教学系统QoS控制架构设计

网络链路性能探测器定义了服务请求（Service_Request）、丢包率（Packet_Loss） 和链路带宽（Link_Bandwidth）等属性。当接收到用户的服务请求后，就启动链路探测进程。在某一固定的时隙T内以固定速率R发送探测数据消息，通过反馈的确认数据消息P来计算丢包率L，计算式为：L=（TR－P）/T*100%，该参数赋给Packet_Loss属性。而网络链路带宽B的计算方法为：B=P/T，并赋给Link_Bandwidth。该模块将这些计算结果传输给网络QoS决策单元。

网络QoS决策单元模块接收网络链路性能探测器传输来的Packet_Loss和Link_Bandwidth属性值，并根据多媒体数据流的参数界值Multimedia_Loss和Multimedia_Rate来决定是否接纳该用户的服务请求，具体判定为：如果Multimedia_Loss－Packet_Loss≥0且Link_Bandwidth－Multimedia_Rate≥0成立，则服务请求接纳，反之服务请求接纳将被否决。网络QoS决策单元模块将把决策结果以服务应答（Service_Response）的形式反馈给用户端，并把判定结果和服务状态（Service_Status）记录到网络服务管理数据库模块中。

网络服务管理数据库记录了网络虚拟教学系统的服务状态和过程。主要包括：用户名（Username）、用户ID号（User_ID）、链路状态（Service_Status）、服务启动时间 （Service_Start_Time）、服务结束时间（Service_Stop_Time）。其中的链路状态（Service_Status）记录了由网络QoS决策单元模块中传输来的计算结果。

5.结束语

从数据丢包率来看，由于在网络链路性能探测时，用模拟多媒体服务数据消息进行了预探测和计算，并由网络QoS决策单元模块进行了服务丢包率接纳判断，因此，在进行系统多媒体服务时候，丢包率将控制在系统可接受范围内。

从时延和时延抖动来看，时延和时延抖动与系统端到端链路的数据传输速率有着直接关系。系统中设定了Link_Bandwidth属性值，对系统服务链路进行了测量，并根据虚拟教学系统中的多媒体数据流Multimedia_Rate值和Link_Bandwidth值进行了比对。所以，该网络虚拟教学系统多媒体数据流的时延和时延抖动性能参数是有保障的。

但本系统在网络虚拟教学系统QoS控制模块软件实现和网络虚拟教学系统QoS控制模块与系统其它模块的联合调试等方面还不完善，这是下一步的研究任务。

［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,李仁发.基于协作的虚拟实验室的网络支撑环境研究.Proceedings of the 3rd World Congress on Intelligent Controland Automation，July 2000.

TP393 < class="emphasis_bold">［文章标识码］ A

A

1671-5136（2011） 03-0124-03

2011-09-20

邱春荣（1975-），男，江西宁都人，长沙民政职业技术学院软件学院副教授、系统分析师、硕士。研究方向：计算机网络服务、多媒体技术。