馬帥營(yíng)，魏金良，阿古達(dá)木

(大連民族大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)中心，遼寧 大連116605)

作為管理者及研究人員，校園無(wú)線網(wǎng)是一個(gè)非常典型的復(fù)雜無(wú)線網(wǎng)絡(luò)研究場(chǎng)景，如何解決校園無(wú)線網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)公平性、無(wú)線帶寬合理分配等問(wèn)題，極具研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義，并能夠?yàn)闊o(wú)線網(wǎng)絡(luò)的共性研究提供借鑒。

文獻(xiàn)［1］分析某建筑物內(nèi)的無(wú)線局域網(wǎng)12 周數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)用戶使用網(wǎng)頁(yè)瀏覽、面向會(huì)話的活動(dòng)以及面向聊天活動(dòng);流量高峰通常是由于某個(gè)單一的用戶或者應(yīng)用而引起的。文獻(xiàn)［2］發(fā)現(xiàn)以前的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用大多是基本的網(wǎng)絡(luò)通信，而現(xiàn)在已經(jīng)改變?yōu)镻2P(Peer-to-Peer network)、多媒體流和VoIP(Voice over Internet Protocol)通信量，校園內(nèi)的通信量已經(jīng)超過(guò)了校園外的通信量。文獻(xiàn)［3］分析了用戶訪問(wèn)行為的統(tǒng)計(jì)特性對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能可靠性帶來(lái)的影響，結(jié)果顯示用戶訪問(wèn)行為的集聚特性中突發(fā)性訪問(wèn)的強(qiáng)度、頻率和持續(xù)時(shí)間在一定程度上影響著網(wǎng)絡(luò)性能可靠性的相變行為。文獻(xiàn)［4］針對(duì)該校校園網(wǎng)的用戶訪問(wèn)日志分析用戶的上網(wǎng)行為及規(guī)律，采用聚類(lèi)將有著不同上網(wǎng)時(shí)段喜好的用戶進(jìn)行分組，從而針對(duì)在上網(wǎng)時(shí)間上有不同習(xí)慣的用戶群組進(jìn)行區(qū)別管理。

接入控制方法和資源分配策略常用于保證業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求。文獻(xiàn)［5］指出無(wú)線通信中QoS 和QoE 的優(yōu)化管理，可以在有限的資源條件下，以最少的資源最優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能及最大程度提高用戶的滿意度。文獻(xiàn)［6］對(duì)具有彈性QoS 的可靠實(shí)時(shí)通信進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)［7］基于馬爾科夫決策過(guò)程對(duì)視頻點(diǎn)播系統(tǒng)進(jìn)行建模，同時(shí)考慮了彈性QoS 這一機(jī)制，性能分析發(fā)現(xiàn)所采用的方法相對(duì)于一般的完全接入策略具有較優(yōu)的性能。文獻(xiàn)［8］研究了同類(lèi)型業(yè)務(wù)服務(wù)請(qǐng)求按差異化的服務(wù)等級(jí)進(jìn)行接入控制的策略，根據(jù)服務(wù)等級(jí)采用服務(wù)優(yōu)先級(jí)，通過(guò)考慮服務(wù)效用函數(shù)，使異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中整體效用最大化和負(fù)載均衡來(lái)進(jìn)行接入控制。

1 校園無(wú)線網(wǎng)中細(xì)粒度標(biāo)簽

隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)用戶規(guī)模的不斷增加，精細(xì)化管理的難度日益增大，同時(shí)也暴露出一些問(wèn)題。在這種情況下，為了更好的理解無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中用戶的行為特征，對(duì)一個(gè)實(shí)際的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中用戶行為進(jìn)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(xiàn)從不同角度對(duì)無(wú)線網(wǎng)的用戶行為進(jìn)行了分析，但針對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬及QoS 優(yōu)化而開(kāi)展的針對(duì)性的用戶行為特征研究尚屬空白。另一方面，在網(wǎng)絡(luò)帶寬有限的環(huán)境中，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)帶寬及QoS 優(yōu)化方案，絕大數(shù)仍屬于粗放式的帶寬控制策略，而較少考慮到細(xì)粒度的用戶行為模式與帶寬分配的關(guān)系。因此，本文提出以網(wǎng)絡(luò)帶寬及QoS 優(yōu)化為目標(biāo)，在深入理解用戶行為的基礎(chǔ)上建立細(xì)粒度標(biāo)簽，主要涉及:

(1)用戶優(yōu)先級(jí):高優(yōu)先級(jí)和一般優(yōu)先級(jí);

(2)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)，依據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的QoS 特性區(qū)分;

2 彈性QoS 分析

當(dāng)前，在網(wǎng)絡(luò)帶寬有限的情況下，通過(guò)QoS 機(jī)制進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)帶寬優(yōu)化是必要的手段。但是，傳統(tǒng)的QoS 優(yōu)化方案仍屬于粗放式的一刀切策略，而彈性QoS 機(jī)制使得精細(xì)化管理成為可能。

通常，當(dāng)一個(gè)客戶端請(qǐng)求一個(gè)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)時(shí)，如果這個(gè)連接需要過(guò)多的網(wǎng)絡(luò)資源或者非常高的QoS，那么網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供者可以拒絕該請(qǐng)求，在這種情況下，只有少數(shù)的連接能夠被接入;另一方面，如果客戶端害怕服務(wù)提供方的拒絕，它請(qǐng)求一個(gè)最小的QoS 水平，它能夠接受非常低的服務(wù)，即使網(wǎng)絡(luò)中有大量資源可以使用。因此，為了使資源達(dá)到最有效的利用，需要設(shè)計(jì)一種彈性QoS 機(jī)制，它可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源的可用性進(jìn)行服務(wù)、最優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源和用戶需求。

3 彈性QoS 模型

在可變速率語(yǔ)音、圖像與視頻編碼等技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)校園無(wú)線網(wǎng)中具有彈性QoS 要求的業(yè)務(wù)，進(jìn)行彈性QoS 建模并研究該模型下的網(wǎng)絡(luò)帶寬及QoS 優(yōu)化問(wèn)題。本文的目標(biāo)在于結(jié)合用戶細(xì)粒度標(biāo)簽、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)公平性、無(wú)線帶寬合理分配等，提出彈性QoS 優(yōu)化策略，該方法的本質(zhì)是建立靈活的反饋控制系統(tǒng)，從而對(duì)該系統(tǒng)達(dá)到優(yōu)化的目的。該模型及方法不僅適用于單AP 帶寬優(yōu)化，也適用于網(wǎng)絡(luò)出口總帶寬優(yōu)化。

設(shè)某AP(Access Point 接入點(diǎn))的總帶寬為C個(gè)信道時(shí)間單位(CTU:Channel Time Unit)，C≥0。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中總共有K 類(lèi)具有彈性QoS 要求的業(yè)務(wù)請(qǐng)求，第k 類(lèi)業(yè)務(wù)(1≤k≤K)請(qǐng)求的帶寬資源需求為一個(gè)彈性范圍 [ bk，min，bk，des]，這里bk，min表示維持第k 類(lèi)業(yè)務(wù)請(qǐng)求正常進(jìn)行需要的最小資源，bk，des表示第k 類(lèi)業(yè)務(wù)請(qǐng)求所希望占用的資源，它們均設(shè)為正整數(shù)且bk，min≥bk，des。

4 彈性QoS 優(yōu)化策略

無(wú)論是AP 的接入帶寬亦或是校園網(wǎng)的總出口帶寬，都無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的用戶帶寬需求，所以經(jīng)常造成網(wǎng)絡(luò)擁塞、丟包現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，在無(wú)線校園網(wǎng)中用戶密度較大的區(qū)域如宿舍，如果不對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行控制，將會(huì)造成一些關(guān)鍵業(yè)務(wù)的不到QoS 保障、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)公平性得不到保障。為了改變傳統(tǒng)粗放式、一刀切式的帶寬管理及QoS優(yōu)化方案，設(shè)計(jì)彈性QoS 優(yōu)化策略使得精細(xì)化管理成為可能。

針對(duì)校園無(wú)線網(wǎng)中彈性QoS 業(yè)務(wù)，考慮用戶標(biāo)簽中的帶寬需求和實(shí)際占用帶寬特性，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)帶寬及彈性QoS 優(yōu)化策略，降低自私行為對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的公平性，優(yōu)化校園無(wú)線網(wǎng)的用戶體驗(yàn)。其中，包括如下優(yōu)化原則:

(1)設(shè)置最大接入用戶數(shù)量;

(2)優(yōu)先保障高優(yōu)先級(jí)用戶的QoS 需求;

(3)優(yōu)先保障低吞吐量、低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，如網(wǎng)頁(yè)瀏覽、即時(shí)通訊等;

(4)當(dāng)AP 帶寬未達(dá)到飽和(如不大于70%)時(shí)，確保每個(gè)用戶的QoS 需求;

(5)當(dāng)AP 帶寬達(dá)到飽和(如大于70%)時(shí)，調(diào)整低優(yōu)先級(jí)的存在自私行為的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)(如P2P 和在線視頻)的帶寬為bk，min＜b ＜bk，des，優(yōu)先保障網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的公平性;

(6)當(dāng)AP 帶寬達(dá)到過(guò)飽和(如大于85%)時(shí)，調(diào)整所有用戶的存在自私行為的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)(如P2P 和在線視頻)的帶寬為bk，min＜b ＜bk，des，保障在高峰時(shí)段的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的公平性。

以上策略依據(jù)用戶的細(xì)粒度標(biāo)簽，從用戶的帶寬需求和實(shí)際占用帶寬特性入手設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)帶寬及彈性QoS 優(yōu)化策略。與傳統(tǒng)的固定帶寬相比，彈性QoS 機(jī)制的運(yùn)用使得業(yè)務(wù)對(duì)服務(wù)質(zhì)量的要求不再是一個(gè)固定值，而是一個(gè)可以調(diào)整的范圍，因而這類(lèi)業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的要求也具有一定的彈性，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷、AP 的帶載等情況，在一定的范圍內(nèi)調(diào)整其要求，從而可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬和QoS 的優(yōu)化。

5 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

5.1 仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境

NS2(Network Simulator，version 2)是一款開(kāi)放源代碼的網(wǎng)絡(luò)模擬軟件，通過(guò)易用的Tcl/Otcl腳本寫(xiě)出模擬代碼，對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，結(jié)點(diǎn)和鏈路等各種參數(shù)進(jìn)行配置，設(shè)置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)組件［9］。為了對(duì)本文提出的細(xì)粒度標(biāo)簽及彈性QoS 優(yōu)化策略進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以NS2 搭建模擬環(huán)境，其中包含AP 節(jié)點(diǎn)n0;用戶節(jié)點(diǎn)n1，n2，……，n15;外網(wǎng)節(jié)點(diǎn)n16，如圖1 所示。用戶節(jié)點(diǎn)和AP 節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)帶寬是10Mbps;AP 節(jié)點(diǎn)和外網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)帶寬是100 Mbps，以此來(lái)模擬AP 的最大接入帶寬;最大接入用戶數(shù)15 人。

實(shí)驗(yàn)中假定網(wǎng)絡(luò)用戶的接入目的是訪問(wèn)外網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的資源，相互之間不訪問(wèn)。在用戶節(jié)點(diǎn)經(jīng)AP節(jié)點(diǎn)到外網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間均建立固定傳輸速率的聯(lián)機(jī)(Constant Bit Rate，CBR)，以不大于3Mbps 的速率代表高優(yōu)先級(jí)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù);以大于3Mbps 的速率作為自私行為度量的速率閾值，并開(kāi)始計(jì)算該網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的自私度量，以判斷該網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)是否存大于自私行為。實(shí)驗(yàn)中，對(duì)該類(lèi)業(yè)務(wù)k 請(qǐng)求的帶寬資源 [ bk，min，bk，des]，若判定存在自私行為，則調(diào)用彈性QoS 策略，對(duì)該網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行帶寬控制，調(diào)整值設(shè)定為Max{bk，min，0.5* bk，des}。

圖1 仿真實(shí)驗(yàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

針對(duì)文中提出的彈性QoS 策略，對(duì)各主要情況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下:

首先給出無(wú)帶寬控制的情況如圖2。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)帶寬70Mbps，依次有k1、k2 和k3 三個(gè)新增網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，帶寬需求 [ bk，min，bk，des]分別是［3，8］、［5，10］和［4，8］單位均為Mbps，計(jì)算自私度量分別為80、100 和80(取tj-ti=10)均大于預(yù)設(shè)值MaxSelfish=70，可判斷為存在自私行為的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，并最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)帶寬達(dá)到96Mbps，新的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)無(wú)法正常得到服務(wù)。

圖2 無(wú)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(dāng)前網(wǎng)絡(luò)帶寬50Mbps，依次有k1、k2 和k3 三個(gè)新增網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，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(yōu)先級(jí)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù);k2 自私度量為80 大于預(yù)設(shè)值70，存在自私行為，但此時(shí)AP 的帶寬利用率不大于70%，各網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)都可正常得到服務(wù)，滿足按需服務(wù)條件，不進(jìn)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(yōu)化策略的情況如圖4。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)帶寬73Mbps，依次有k1 和k2 新增網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，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(yōu)先級(jí)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，得到服務(wù)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(yù)設(shè)值70)，存在自私行為，因此對(duì)該網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行帶寬控制，調(diào)整值為4 即Max{3，0.5* 8=4}，調(diào)整后記為k2＇，使得總帶寬由83 降為79，避免了自私行為的發(fā)生，保障了新增高優(yōu)先用戶及業(yè)務(wù)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(wǎng)絡(luò)處于高峰，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)帶寬80Mbps，新增高優(yōu)先級(jí)用戶的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)k1，帶寬需求［3，16］，此時(shí)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(yù)設(shè)值70)，存在自私行為，因此對(duì)該高優(yōu)先級(jí)用戶的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行帶寬控制，調(diào)整值為8 即Max{3，0.5* 16=8}，調(diào)整后記為k1＇，使得總帶寬降為88，避免了高優(yōu)先級(jí)用戶在網(wǎng)絡(luò)高峰時(shí)段的自私行為，保障了新增的高優(yōu)先級(jí)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)k2 等的接入可能性。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文在細(xì)粒度標(biāo)簽分析的基礎(chǔ)上，建立校園無(wú)線網(wǎng)的彈性QoS 優(yōu)化模型，設(shè)計(jì)合理無(wú)線帶寬合理分配策略，在保障網(wǎng)絡(luò)服務(wù)公平性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的校園無(wú)線網(wǎng)的用戶體驗(yàn)以及最大化利用網(wǎng)絡(luò)資源提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。研究成果對(duì)于一般規(guī)模的無(wú)線校園網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)有效的服務(wù)質(zhì)量?jī)?yōu)化，對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商開(kāi)展更大規(guī)模的城市級(jí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化也有著現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 帶寬占用大于85%的情況

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