质量保证型服务界值研究及其在HALM中的应用
质量保证型服务界值研究及其在HALM中的应用
付朝晖1 艾钧华2
（1.长沙民政学院，长沙 410004；2.湖南工业大学，株洲412007）
摘 要 研究质量保证型服务和分层应用级组播的性能界值是很有意义的新课题。基于计算机网络的建模理论——网络演算(Network Calculus)，研究了质量保证型服务单网络节点和多网络节点级联系统的性能界值；接着提出了服务隧道的概念，并应用服务隧道对分层应用级组播进行了QoS优化；最后应用质量保证型服务的性能界值进行了系统性能评价。
关键词 质量保证型服务 网络演算 分层应用级组播 服务界值
The Research of Guaranteed Service Bound
and its Applications in HALM
Fu Zhaohui1 Ai Junhua2
(1.Changsha Social Work College, Changsha 410004; 2.Hunan Polytechnic University, Zhuzhou 412007)
Abstract It is a significant and brand-new topic for the research of Guaranteed Service bound and Hierarchical Application Level Multicast. The performance bound of Guaranteed Service has been researched, including single network node and multiple network elements concatenation, based on Network Calculus. Then it put forward to the conception of Service Tunnel and applied it to optimize the Quality of Service of Hierarchical Application Level Multicast. Finally the system performance is evaluated using the results of performance bound.
Keywords Guaranteed Service, Network Calculus, Hierarchical Application Level Multicast, Service Bound
终端软硬件的不断发展使得很多终端已经能够满足多媒体应用的发展，因此在Internet
上实现类似语音、传真、会议等实时多媒体应用的问题焦点便集中到了因特网络服务提供商(ISP)能否定质、定量传输这些时延敏感型业务上。在许多情况下，多媒体应用的客户希望能够与网络服务提供商达成SLA(Service Level Agreement)，由ISP提供足够的网络资源，使自己的多媒体数据在传输过程中得到质量保证型服务(Guaranteed Service)。质量保证型服务提供确定性的服务保证，包括受限制的报文、无损失的传输以及有上界的端到端延迟，其目标是在分组交换网络上实现电路交换网络所能提供的延迟保证。分层应用级组播[1-2]作为应用级组播协议的重要发展方向，在维护拓扑结构、管理组成员的同时，为了更好地支持多媒体数据传输，当然也需要向各端主机用户提供质量保证型服务。
网络演算(Network Calculus)[3]是近年来在为计算机网络提供确定型QoS保障的研究成果的汇集，到达曲线(Arrival Curve)和服务曲线(Service Curve)是其两个基本工具。网络演算因其流量特性模型的简单性、基于服务曲线调度策略的通用性、资源分配的灵活性以及计算网络性能界值的简洁性而在QoS控制机制分析上得到了广泛的运用。
1．网络演算理论基本概念和运算
[定义1] 广义递增函数 当且仅当时，如果函数满足,则称为广义递增函数。
[定义2] Min_Plus卷积 假定和是广义递增函数且当t≤0时函数值为0，定义为Min_Plus卷积。其中inf表示下限值。
Min_Plus卷积满足结合律和交换律，即有和成立。
[定义3] 到达曲线 假定为广义递增函数，对于，流当且仅当时满足，则称为该流的到达曲线。
假设网络传输整形满足令牌桶(漏桶)模型(为传输率，为令牌桶容量)，数据流符合(表示比特率，为分组长度的最大值)，把两者结合起来，我们就可以得到多媒体流的到达曲线为。
[定义4] 服务曲线 假设网络系统，某数据流流经系统，其输入函数和输出函数分别为、，当且仅当广义递增函数满足
,
(t>0) 。
则称系统为该流提供的服务曲线为。
服务曲线的定义支持网络元素的级联。假设两个网络节点前后连接，服务曲线分别为和，前一节点的输出是后一节点的输入，则根据Min_Plus卷积的结合律，可以将这两个节点视为一个系统，其服务曲线为。
2．质量保证型网络节点的性能界值
2.1 单个服务保证型网络节点
相关的网络演算的性能界值结果都可用于服务保证型系统的性能评估。其证明过程直接利用了网络演算理论中服务曲线和到达曲线的定义。
[定义5] 垂直偏差 设某数据流，其到达曲线为，该流流经一服务曲线为的网络服务系统，则垂直偏差定义为：，其中sup表示上限值。
[定义6] 水平偏差 设某数据流，其到达曲线为，该流流经一服务曲线为的网络服务系统，则水平偏差定义为：
。
[定理1] 时间延迟界值 假设某数据流，其到达曲线为，该流流经一服务曲线为的网络服务系统，则时间延迟界值为：。
[定理2] 数据滞留量界值 设某数据流，其到达曲线为，该流流经一服务曲线为的网络服务系统，则数据滞留量为,且满足
。
[推论1] 假设某流，其到达曲线为，而为该流提供服务的rate_latency型服务曲线为，则由定理1和定理2可得其数据滞留量界值为
。
时间延迟界值为
。
2.2 系统性能界值
某一数据流经过一系列网络节点(=1,2,…,I)，节点的服务曲线为，将这I个网络节点当作一个系统，则其提供的服务曲线为，且。
假设到达曲线满足，则根据推论1可得系统S中数据滞留量和时间延迟可分别表示为:
(1)
(2)
3．分层应用级组播描述及QoS改进
3.1 HALM描述
应用层组播也称重叠组播，组播组成员由重叠网组播树连接在一起，所有的组播功能如成员管理、数据复制等都在端主机上实现。分层应用级组播(Hierarchical Application Layer Multicast, HALM)在组播树中采用层次结构以完成其控制机制和数据转发，并引入了类似Internet的域和代理的概念。各个域内可以采用不同的应用层组播控制协议和数据协议交换消息，其基本逻辑架构如图1所示。
层次结构的形成：某域内的成员根据域内的控制协议完成组播叠置网的构建、维护，再在形成的域内叠置网基础上采用相应的数据协议构建组播树。各个域内代理又可以根据相应的协议构建更高层次的重叠网，并且这一过程可以迭代进行，最终形成具有很好扩展性的层次结构。
域代理(Domain Agent, DA)：在不同层次的重叠网中，成员节点按其所属的网络区域组成一个个的网络域，域的大小和范围可以根据不同的主干网络或具体业务应用而自由设置。每个域都设有唯一的域代理DA（Domain Agent）。域代理之间依赖于主干网的拓扑构成集中控制式的共享树，并采用单播建立域间连接。各个层次上的各个域代理负责管理自己所管辖的网络域内的所有节点。
3.2 HALM的QoS改进
现有的分层应用级组播协议一般只从组播树的组建、维护以及成员的加入等主机和拓扑结构的管理和控制角度出发，就节点连接度、平均伸展度和控制开销等性能参数展开研究，而很少针对数据传输的QoS性能进行分析和讨论。文献[4]根据与网络性能和主机性能相关的DB值得出了端主机的性能参数，但由于其网络资源利用状况是利用监测的方法得到的，在“尽力而为”的网络平台上难以真正保证端到端的服务质量，为此本文对HALM做了如下改进：各域代理和成员主机与底层网络的网络服务提供商达成SLA，由底层网络服务提供商提供一定的带宽和其他网络资源，从而在应用级组播运行的重叠网中建立起连接多媒体数据源和用户端主机的逻辑服务隧道，其描述如下：
服务隧道(Service Tunnel)：设μ和υ为两个端网络元素，ψ1、ψ2 …ψi为网络域，则逻辑链路ι=<μ，υ；ψ1，ψ2 …ψi> 就表示从端网络元素μ经网络域ψ1、ψ2 …ψi到达端网络元素υ的服务隧道。图2中的服务隧道就是从数据源Ο流经ND1、ND2和ND3到端主机A的逻辑链路ι=
3.3 QoS性能界值评估
下面我们利用2.1和2.2节中的有关结论来评价经改进后HALM系统的端到端数据滞留量和时间延迟性能。
改进后的HALM系统端到端模型如图3所示。多媒体数据流由分层数据源始，流经一系列服务隧道STi和域代理主机DAj后，到达目的成员主机。不妨将其中的服务隧道ST视为网络节点，第个服务隧道STi表示为，对应的服务曲线为；将域代理主机DAj当作网络节点，第j个域代理主机DAj为，其对应的服务曲线用。STi和DAj前后交叉级联，因此我们可以把所有网络节点视为一个系统，其服务曲线为，由(1)式和(2)式可得系统的数据滞留量和时间延迟界值分别为：
，
。
4． 结束语
本文研究了基于网络演算的质量保证型服务的QoS界值，深入探讨了单网络节点和多个网络节点级联后系统的数据滞留量和时间延迟性能界值，并把性能界值表达式应用于改进后的分层应用级组播(HALM)协议的性能评价。由于数据滞留量只能间接地反映出系统的QoS性能，因此本文今后的主要任务是研究网络节点的数据缓冲区对系统端到端性能的影响以及质量保证型服务其他的性能参数。
参考文献
1 Pendarakis D，Shi S，Verma D, Waldvogel M. ALMI. An Application Level Multicast Infrastructure. In：Proceedings of 3rd Usenix Symposium on Internet Technologies & Systems, March 2001.
2 Banerjee S, Bhattacharjee B, Kommareddy C. Scalable Application Layer Multicast, In: Proceedings of ACM Sigcomm 2002, Pittsburgh, Pennsylvania, August 2002.
3 Boudec Le J Y, Thiran P. Network Calculus. Springer Verlag Lecture Notes in Computer Science Volume 2050,July 2001: 7—33
4 陆绍飞，杨贯中. SAM:基于主干网信息可扩展的应用层组播. 计算机工程与应用,2005,(27)：134—136
5 Duan Zhenhai, Zhang Zhili, Yiwei T H. Service Overlay Networks: SLA, QoS and Bandwidth Provisioning. In Proceedings of the 10th IEEE International Conference on Network Protocols. Boston: IEEE Computer Society, 2002: 1-5
作者简介：
付朝晖（1972－），男，讲师，中南大学信息科学与工程学院硕士研究生，主要研究方向：计算机网络技术，Web开发；艾钧华（1963－），男，讲师，硕士，主要研究方向：算法，计算机应用。
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