2022年网络QoS调度策略的分析与研究 .pdf

计算机工程与应用引言在传统网络当中， 网络传输体系是尽力而为方式的， 随着的迅猛发展， 特别是多媒体业务的增加， 使这种体系的弊端逐渐暴露出来， 已经无法满足人们对网络的性能和业务多样化的需要。 人们对服务质量（） 的要求日益增加，技术成为当今网络技术的一个新的热点。在技术当中， 包括很多方面 ， 为了保证一定的指标 （ 丢包率 ， 延迟 ， 抖动等等） ，需要进行多方面的技术协作（ 拥塞控制、 拥塞回避、 排队调度等等 ） ，其中调度策略是网络管理当中十分重要的一部分，不同调度策略的应用会产生不同服务质量， 在网络的管理中 ， 常用的调度策略有，等。对这些调度策略的实现机制有很多文献进行了论述， 但是对这些策略的定量分析却相对较少， 本文根据排队论的思想对这些调度策略进行了分析， 说明了它们对网络数据流的性能指标的影响。并对他们进行了仿真研究。 调度策略的分析 调度策略介绍优 先 权 排 队 （） 调 度 策 略 允 许 为 网 络 流 量 定 义 四 个 队列。这些队列的优先权分别为高、中、普通、低。路由器严格按照它们的优先级来处理队列。如果在高优先权队列中有数据包，这个队列将被处理一直到它为空，一旦高优先权队列为空， 路由器转向中级优先权队列， 处理一个包， 接着路由器又检查高优先权队列， 检查它是否为空。如果是 ， 它会继续处理中级优先权排队 ， 依此类推， 然后是普通级， 然后是低级。在一个低优先权队列中的数据包得到服务之前， 所有三个高、 中、普通优先权队列必须完全为空。优先权排队能够对网络流量进行很多的控制。但是 ， 当更高优先级队列里有太多的数据包时， 就会使低优先级队列里的数据包得不到服务， 这就会造成 “队列饥荒” 。为了防止这种现象的发生， 必须仔细地对流量进行分类， 尽量保证在高优先权队列得到高质量服务同时， 使网络服务更加公平。 调度策略的排队分析从上 面 对调 度 策 略 的介 绍 可 以 知 道 ，调 度 符 合 非抢占优先级排队规则。可以设有类不同优先权的输入流， 第（ ，） 类输入流的优先权高于第种， 分别对应高、中 、 普 通 、 低 排 队 。 并 且 假 设 第类 流 数 据 包 的 到 达 过 程 为（） ， ， 其输入符合参数为!的泊松分布， 处理器对每个数据包的处理时间为， 同类流数据包的处理时间具有相同的分布 ，#。则流的强度为$!。设! #!；$!；$#$， ， 且为第类流 数 据 包 的 等 待 时 间 ，为 新 数 据 包 到 达 时 第类 流 的 排 队长。当$时， 系统可以达到稳态。一个第一类流数据包的等待时间由两部分组成： 一部分是系统的剩余服务时间， 当它到网络 调度策略的分析与研究黄敏姚正林刘金刚（ 郑州轻工业学院， 郑州）（ 中国科学院计算技术研究所首都师范大学计算机科学联合研究院， 北京） ：摘要网络服务质量已经成为研究的热点， 为了保证服务质量， 需要对网络中的数据流采用一定的调度策略， 论文根据排队论的思想， 对网络中常用的调度策略进行了分析， 并对其利弊进行了研究， 最后还通过仿真证明了论述的正确性。关键词服务质量调度策略排队论文章编号（）文献标识码中图分类号 （ ，）（ ，）： （） ， ， ：，作者简介 ： 黄敏 （ ） ， 男， 讲师 ， 郑州轻工业学院计算机与通信工程学院， 主要研究方向为网络服务质量研究和网络性能评价； 姚正林 （ ） ，男， 中国科学院计算技术研究所博士研究生， 主要研究方向为 端到端管理 ； 刘金刚 （ ） ， 男， 教授 ， 博士生导师。主要研究方向为智能接口。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 计算机工程与应用达时如果系统中有数据包接受服务则， 否则； 另一部分为它到达时系统中所有第一类的服务时间之和， 即!， 其中是第一类第个数据包的服务时间， 设!为第类流数据包的剩余服务时间， 由剩余寿命极限分布理论可知 ：!， ，（）任意时刻到达的数据包属于第类流的概率为#$， 即系统为第类流服务的概率为 $， 其中为系统的服务时间 ， 所以系统被占用的概率为：$! $! $!?$ %可得 ：%$!%（）! !（&）$（）因此 ， 在第一类数据流到达时， 系统正在服务数据包的剩余服务时间的均值为：% 系统正在服务%!（$&%）（）!$!%!由于!， 由公式得 ：% %（）对第二类流数据包而言：!（）!（）其中 ：!（）为第二类流数据包到达时系统的剩余服务时间，!为系统中第二类流的工作量， 与!类似 ， 相互独立 ，且与同分布。是在第二类流数据包在等待服务期间 ， 系统中又到达的第一类流数据包处理时间。将式 （） 代入 （） 得：（）!因为 ：% %（）!$ $%（%）%所以有 ：（%）%（%） （% %）（）依此类推， 可以证明：（!%） （!%）， ，（）由公式得 ：$（!%） （!%）， ，（）因此 ， 第三类流的平均等待时间和队列长度分别为：（!%） （!%）（）$（!%） （!%）（）第四类流的平均等待时间和队列长度分别为：（!%） （!%）（）$（!%） （!%）（）当在一个队列中数据包为定长时， 各类流数据包中，。根据式 （） 和 （） ， 可得 ：!%!%!$ （）因此 ：!$ （!%） （!%）， ，（）$!$ （!%） （!%）， ，（）为了避免“队列饥荒” ， 可以在队列的数据流分类的过程当中 ， 按照上面提到的算法， 对各个队列的长度和数据包等待时间进行分析计算。得到各队列合理的数据包输入参数， 从而根名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 计算机工程与应用据 这 些 参 数 以 及 各 个 流 的指 标 ， 对 数 据 流 进 行 合 理 的分 配。 调度策略的分析 调度策略介绍加权公平队列（） 首先对数据包按流进行分类， 每一个流被分配到一个队列。在发送数据包时，根据报文分类时设置的流优先级来分配每个流应占有出口的带宽。优先级的数值越小 ， 所得的带宽越少。优先级的数值越大， 所得的带宽越多。在拥塞发生时， 它能保证数据流能够公平地得到一定的带宽占用 ， 减少这个网络的时延， 并当流的数目减少时， 能自动增加现存流可占的带宽。是一个简单的、动态的排队机制，与排队策略不同，可以动态地适应网络里的变化， 因此 ， 它成为给每个用户提供相应级别服务的一个简单有效的方法。 调度策略的排队分析在中数据流按一定规则分类，每一个种类的流被输入不同的队列，系统按照优先级为每个队列分配不同的带宽，设有个不同的队列，每个队列被分配的优先级值为， ， ， 设每种流数据包的输入符合参数为!的分布 ， 系统的总带宽为。在稳态情况下， 系统对各个队列的带宽分配为 ：， ， ，（）假设每个队列过程为模型 ， 根据公式 ， 第类流数据包在系统中的平均逗留时间为：（）（）（）其中 ，!为系统服务强度；为第类流服务的偏离系数， 即如果数据包的服务时间服从的概率分布， 均值为， 方差为， 则偏离系数为。由此可知指数分布的偏离系数为， 均匀分布的偏离系数为；根据公式可知各个队列的平均长度为：!（）（）（）在各个队列的权重设定当中， 可以利用式（） 、 （） 来计算 出 每 个 数 据 流 所 需 要 的 符 合要 求 的 带 宽 ， 再 根 据 式（） 计算出各个队列所需要的权重。调度机制保证了接入流的公平性， 它在低速网络中应用会得到比较好的效果。 和调度策略的分析 调度策略的分析基于类别的加权公平排队策略 （） 是 对的 一个扩展 ，的优点是保证了数据流在网络调度中的公平性，当负载过多时会出现实时性数据包得不到保证。克服了这一缺点， 在这种调度策略当中， 部分数据流被分配了固定的带宽 ， 确保了数据流的实时性， 而剩余部分的数据流则按照规则进行调度。其性能分析基本与的分析方法相同 ， 但首先要把优先级高的数据流所占用的带宽去掉， 用剩余的带宽对剩余的数据流进行方式的分析。这种调度机制的好处是结合了和方法 ， 保证了实时数据流的服务质量， 并且实现起来相对简单。但缺点也是明显的， 分配固定带宽会使网络的利用率降低。 调度策略的分析低延迟排队（） 调度策略是前面所说的和的结合 ， 在调度策略当中， 建立一个严格优先权队列 ， 剩余队列则按照规则进行排队。对的排队分析， 假设具有严格优先权的数据流以参数为的分布输入， 可以首先按照具有两个优先级的调度系统进行分析， 根据式（） 、 （） ， 得出第一类流的队列长度， 等待时间。从而， 可以计算出具有严格优先权的数据流所占用的带宽比例， 再利用剩余带宽按照调度规则对其它流进行分析。调度策略保证了一条绝对优先的链路， 可以使具有绝对实时性要求并对抖动敏感的流得到保证。数值分析和仿真结果在系统中输入四类数据流， 各类流的数据包输入分别服从参数为!、!、!、!的分布 ； 数据包的服务时间分别服从参数为#、$、$、$的负指数分布； 各类流的数量分别为、。第一类流的优先级最高 ， 第四类流优先级最低。在策略中 ， 四类流的优先级分别为、； 在策略中第二、 三、四类流的优先级分别为、。仿真结果如图所示。图中无记号实线为第一类流的队列长度， 虚线为第二类流的队列长度， 第三 类 流 用 带 “” 号 的 实 线 表 示 ， 第 四 类 流 用 带“” 的实线表示。从图中可以看出不同调度策略对数据流传输的影响。在调度策略中各类流的在队列中的平均长度有很大差别， 高优先级队列很短（ 前两类为） ， 低优先级队列很长， 并 且 第 四类流出现了 “队列饥荒” ， 这表明了策略的不公平性。（ 下转页 ）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 计算机工程与应用护 （） ， 还提出了一个率失真优化的信源信道联合编码的码率配置算法， 仿真结果显示出该算法在提高接收端视频质量方面的优势。该算法的特点是： 首先 ， 改变了原文献中搜索步长不能自适应调整的缺点， 使其能够在一定程度上自适应调整 ； 其次 ， 选择最佳的保护粒度使被保护的比特平面和数据包能够正确接收和解码； 其三 ， 在信道码率不够的条件下， 尽可能使更多的比特平面和数据包获得必要的保护； 最后 ， 在信道码率充足的情况下， 前面的比特平面获得比后面的比特平面更好的保护粒度， 实现不平等保护， 使得接收端解码视频质量尽可能高。需要进一步工作的是： 算法的结果还不是全局最优结果，需进一步改进。（ 收稿日期 ：年月）参考文献， ， ，； （ ） ： ， ， ： ， ， ， ， ， ； ： ， ，； ： ， ， ： ， ， ， ； ： ， ， ， ； （ ） ： ， ， ， ； （ ） ： ， ， ， ； （ ） ： （ ） ， ； （ ） ： ， ， ： （ ） ， ； ： ， ， ： ， ， ： （ 上接页）在调度策略中， 四类流都得到了公平的服务， 但是第一类流的队列变长， 损失了一定的实时性。在调度策略中， 第一类流的队列长度为， 保证了它的实时性， 其他各类数据流也得到了相对公平的服务。结论本文利用排队论的知识， 对目前网络中经常用到的几种调度策略进行了分析， 可以利用解析方式对不同的排队方式进行计算， 为了满足网络的服务质量指标， 并且充分利用网络资源 ， 需要在不同的情况下采取适合的调度策略， 如果网络资源充足并且高优先级数据流需要有高的实时性保证， 可以采用调度策略； 而如果网络资源比较紧张， 为了避免 “队列饥荒”， 可以采用调度策略， 保证了所有队列都能够得到公平服务 ； 在有些流要求高实时性， 又要保证其它流得到公平服务时 ， 可以采用或调度策略。（ 收稿日期：年月）参考文献， ， ， ， ， ， ， ： ， 孙荣恒 ， 李建平 排队论基础 科学出版社， 陈鑫林 现代通信中的排队论电子工业出版社， 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -