王再見，李志鵬

(安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖241000)

0 引言

為了保證異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)端到端QoS，很多組織(IEEE,ITU-T,IETF,3GPP,3GPP2等)和學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，提出了許多解決方案，其中QoS映射是研究熱點(diǎn)之一。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)跨域QoS類映射存在以下特點(diǎn)：① 存在大量QoS需求相近業(yè)務(wù)，需要采取有效的方法降低執(zhí)行QoS映射等相關(guān)操作的時(shí)間開銷；② 用戶本身具有很強(qiáng)的主觀性，業(yè)務(wù)內(nèi)容、環(huán)境及心情等都會(huì)對(duì)用戶的感知質(zhì)量有影響，因此映射方案要有較大的靈活性，這同樣要求識(shí)別方案具有自學(xué)習(xí)的能力、能根據(jù)環(huán)境自動(dòng)調(diào)整識(shí)別要求，這是本文重點(diǎn)解決的另一個(gè)問題；③ 網(wǎng)絡(luò)資源處于動(dòng)態(tài)變化之中，而很多業(yè)務(wù)過程時(shí)間很短，這需要識(shí)別方案具有較高的實(shí)時(shí)性。

對(duì)于沒有標(biāo)注業(yè)務(wù)類別或沒有提出明確QoS要求的多媒體業(yè)務(wù)，典型方案是按背景流處理，忽略了業(yè)務(wù)本身QoS的差異性，不利于多媒體業(yè)務(wù)的開展和網(wǎng)絡(luò)資源的利用。而對(duì)于用戶明確提出QoS要求的多媒體業(yè)務(wù)，由于網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特性導(dǎo)致資源相對(duì)不足，簡(jiǎn)單的拒絕和允許，都會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)單位效能的降低。鑒于此，向多媒體業(yè)務(wù)提供高效的端到端QoS保證，需要網(wǎng)絡(luò)能自動(dòng)辨別業(yè)務(wù)流的QoS類別。典型的業(yè)務(wù)流識(shí)別方法選取特定的特征區(qū)分協(xié)議或業(yè)務(wù)類型，區(qū)分粒度較細(xì)，其識(shí)別準(zhǔn)確率依賴于選取的特征，很難同時(shí)兼顧降低識(shí)別復(fù)雜性和提高識(shí)別準(zhǔn)確率的需求?，F(xiàn)有的業(yè)務(wù)流識(shí)別算法很少考慮QoS類區(qū)分，選取特征時(shí)對(duì)QoS特征考慮不足，導(dǎo)致存在以下問題：① 特定業(yè)務(wù)類型之間存在的較高誤識(shí)率，影響QoS類劃分準(zhǔn)確性；② 相對(duì)于QoS類較粗的區(qū)分粒度，目前業(yè)務(wù)流識(shí)別算法區(qū)分粒度過細(xì)，導(dǎo)致較高的復(fù)雜性，不利于滿足多媒體業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性需求。因此，需要結(jié)合多媒體QoS特點(diǎn)，選取區(qū)分特征，并結(jié)合用戶感知質(zhì)量，提供高效靈活的端到端QoS保證。

1 相關(guān)工作

準(zhǔn)確識(shí)別網(wǎng)絡(luò)多媒體業(yè)務(wù)并提供靈活的端到端QoS保證，對(duì)多媒體業(yè)務(wù)順利開展具有重要意義，受到眾多研究人員的關(guān)注。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了一個(gè)開源的業(yè)務(wù)識(shí)別系統(tǒng)，但側(cè)重于不同識(shí)別技術(shù)的評(píng)估、對(duì)比和合作；文獻(xiàn)[2]面向物聯(lián)網(wǎng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)3層的QoS分配模型;文獻(xiàn)[3]提出了一個(gè)新的跨層監(jiān)視架構(gòu)，該架構(gòu)中業(yè)務(wù)需求由服務(wù)等級(jí)協(xié)議(Service Level Agreement，SLA)和服務(wù)等級(jí)規(guī)范(Service Level Specification，SLS)描述；文獻(xiàn)[4]提出基于代理的QoS控制框架為預(yù)定客戶分發(fā)滿意的內(nèi)容提供實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

針對(duì)無線鏈路動(dòng)態(tài)性給QoS保證所帶來的嚴(yán)重問題，文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一個(gè)網(wǎng)間架構(gòu)，該架構(gòu)由IEEE 802.16和IEEE 802.11組成，通過定義一個(gè)新的混合單元集合，用于支持QoS管理和切換決策，允許映射QoS類，降低切換阻塞率，在覆蓋相同區(qū)域的不同接入網(wǎng)之間，保證用戶公平；文獻(xiàn)[6]針對(duì)無線多媒體傳感網(wǎng)，提出了一個(gè)用于QoS保證的DiffServ架構(gòu)，該架構(gòu)依據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸行為，定義了6個(gè)業(yè)務(wù)類，通過業(yè)務(wù)類將重要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)從實(shí)時(shí)多媒體數(shù)據(jù)中區(qū)分出來，分配的主要資源是帶寬；文獻(xiàn)[7]為移動(dòng)WiMAX系統(tǒng)，定義了一個(gè)端到端QoS功能模型；文獻(xiàn)[8]提出一種用協(xié)調(diào)方式實(shí)現(xiàn)CoS/QoS映射的方法和一種針對(duì)LTE的資源管理架構(gòu)，重點(diǎn)解決LTE接口帶寬類型和監(jiān)視類型;文獻(xiàn)[9]針對(duì)4G無線網(wǎng)絡(luò)，提出一種新的機(jī)制，該機(jī)制借助在不同接入網(wǎng)映射QoS 參數(shù)的轉(zhuǎn)換矩陣，通過SLA參數(shù)協(xié)商，得到服務(wù)的連續(xù)，該文基于G/M/1隊(duì)列系統(tǒng)，對(duì)SLA矩陣組成進(jìn)行分析建模；文獻(xiàn)[10]為大型網(wǎng)絡(luò)中流層次的業(yè)務(wù)分類，提出一種標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)；文獻(xiàn)[11]提出一種架構(gòu)，為IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)提供端到端QoS控制，它定義了IP和802.16接口層次的映射規(guī)則，并為不同的服務(wù)類定義了分配機(jī)制；針對(duì)無處不在的多媒體計(jì)算，文獻(xiàn)[12]為內(nèi)容滿意度提出一種QoS控制架構(gòu)，通過內(nèi)容調(diào)整和選擇，提供一種機(jī)制以分發(fā)滿意的內(nèi)容給訂購用戶。

盡管有不少較好的單個(gè)解決方案，但缺乏在端到端QoS保證領(lǐng)域，對(duì)業(yè)務(wù)流識(shí)別和QoS類映射進(jìn)行有效整合的方案設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)一種泛在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)多媒體業(yè)務(wù)流識(shí)別和映射方案。該方案基于QoS特征選取業(yè)務(wù)區(qū)分特征以滿足QoS類區(qū)分的需要，并通過有機(jī)組合離線分析、在線分析和歷史信息，兼顧多媒體業(yè)務(wù)識(shí)別在實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性上的需要，并基于用戶體驗(yàn)的差異性，通過靈活調(diào)整映射結(jié)果，以提高多媒體業(yè)務(wù)的端到端QoS保證。

2 改進(jìn)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流識(shí)別和映射方法

2.1 業(yè)務(wù)群定義

2.2 框架設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流識(shí)別和映射方法，其框架如圖1所示。

由圖1可見，本方案主要包括以下模塊：

① 特征生成模塊數(shù)據(jù)庫。借助Netflow等數(shù)據(jù)包捕獲工具抓獲網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)流，獲得包到達(dá)時(shí)間間隔等QoS特征的統(tǒng)計(jì)信息[1]，預(yù)處理原始數(shù)據(jù)后獲得特征序列集合，生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。

圖1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流識(shí)別和映射框架

② 在線區(qū)分模塊。該模塊綜合特征數(shù)據(jù)庫、離線分析服務(wù)器和校正數(shù)據(jù)庫的信息快速分類業(yè)務(wù)，對(duì)算法的實(shí)時(shí)性要求高。

③ 線下處理模塊。對(duì)采用的算法區(qū)分準(zhǔn)確度要求較高(如采用深度包檢測(cè)等)，在線下對(duì)各種業(yè)務(wù)進(jìn)行離線分析，分析結(jié)果一方面用于更新校正數(shù)據(jù)庫，另一方面提供給在線區(qū)分模塊用于誤差修正。

④ 校正數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的是用戶行為分析等歷史數(shù)據(jù)?？紤]到目前算法識(shí)別和預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性都存在不足，此外考慮到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性(包括體系架構(gòu)的復(fù)雜性、服務(wù)模式的復(fù)雜性)，為了具有更好的實(shí)用性，引入歷史信息表，暫存最有可能成為業(yè)務(wù)流的候選數(shù)據(jù)流。利用用戶行為模式和業(yè)務(wù)模式的歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)的預(yù)測(cè)，主要用于前面的幾個(gè)包，適合用時(shí)很短的業(yè)務(wù)，解決實(shí)時(shí)性問題，其數(shù)據(jù)來源由線下處理模塊提供的用戶歷史信息，為業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)提供依據(jù)，主要是解決實(shí)時(shí)性問題。

在業(yè)務(wù)被正確識(shí)別以前，在線區(qū)分模塊利用該數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)該業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)類型，并基于該預(yù)測(cè)結(jié)果，將初期的預(yù)測(cè)結(jié)果提交給跨域映射代理。隨著當(dāng)前業(yè)務(wù)被獲取的信息增多，在線識(shí)別模塊擁有足夠的信息對(duì)業(yè)務(wù)識(shí)別和判斷，如果識(shí)別結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果一致，則在線區(qū)分模塊繼續(xù)檢測(cè)該業(yè)務(wù)，不再提交識(shí)別結(jié)果給跨域映射代理；如果識(shí)別結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果不一致，則在線區(qū)分模塊將識(shí)別結(jié)果提交給跨域映射代理。線下處理模塊對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行全面分析，并將分析后的結(jié)果添加到校正數(shù)據(jù)庫。

⑤ 跨域映射代理。依據(jù)區(qū)分結(jié)果和當(dāng)前QoS域信息，完成映射相關(guān)操作。本方案僅需布置在網(wǎng)絡(luò)邊界的路由/網(wǎng)關(guān)上，便于新接入技術(shù)的使用，有較好的可擴(kuò)展性。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流程識(shí)別和映射流如圖2所示。當(dāng)未知多媒體業(yè)務(wù)流進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，Netflow將抓獲該業(yè)務(wù)流特征的統(tǒng)計(jì)信息，通過歸一化處理相關(guān)流特征，確定業(yè)務(wù)類別分類數(shù)目，提供給訓(xùn)練集訓(xùn)練識(shí)別算法(這里選擇比較簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的HMM，Hidden Markov Model)使用。通過最短矢量距離判斷，將業(yè)務(wù)流按當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)缺省設(shè)置傳輸至下一QoS域，否則，進(jìn)行HMM分類映射。集合映射結(jié)果并調(diào)整QoS類匹配結(jié)果，若網(wǎng)絡(luò)資源滿足則傳輸該業(yè)務(wù)群。如果不滿足則判斷等待條件是否滿足，如果滿足則繼續(xù)等待，否則該業(yè)務(wù)群取消。

圖2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流識(shí)別和映射流

2.3 基于改進(jìn)HMM的多媒體業(yè)務(wù)識(shí)別算法

為了保證網(wǎng)絡(luò)多媒體業(yè)務(wù)端到端QoS，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基于QoS/業(yè)務(wù)類，提供區(qū)分服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)屬于同一類別QoS/業(yè)務(wù)類的網(wǎng)絡(luò)多媒體業(yè)務(wù)，提供一致的網(wǎng)絡(luò)操作，以保證其QoS需求。提供QoS保證的網(wǎng)絡(luò)操作過程可使用有限狀態(tài)機(jī)描述，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)隱藏了其狀態(tài)及狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移特征，僅多媒體業(yè)務(wù)流傳輸過程中的QoS特征可被外部觀察到。

HMM建模過程的描述如下：

① 初始化模型。對(duì)每一類視頻業(yè)務(wù)在不同時(shí)間進(jìn)行采集，共獲得10組視頻流特征序列作為訓(xùn)練樣本，此時(shí)HMM觀測(cè)值序列長(zhǎng)度參數(shù)T=10。

② 應(yīng)用聚類。采用向量空間中的方法聚類分析，設(shè)定視頻業(yè)務(wù)類型的數(shù)目為N。

③ 應(yīng)用模式的HMM建模。應(yīng)用分析的目的是希望獲得視頻業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中QoS特征，并據(jù)此分類或預(yù)測(cè)未知的目標(biāo)行為。在聚類分析應(yīng)用后，為每一類應(yīng)用所表示的目標(biāo)行為展開建模。采用Baum-welch[13]算法為其重新擬合一個(gè)HMM作為該類的分析模型，并以該模型為依據(jù)來對(duì)未知的目標(biāo)進(jìn)行分類等處理。

④ 觀測(cè)值序列發(fā)生概率計(jì)算。依據(jù)設(shè)置的觀測(cè)值數(shù)目值M，將每個(gè)尺度下的特征向量聚為M類，從而獲得觀測(cè)值序列O。若要辨識(shí)觀測(cè)序列O是多個(gè)模型中哪個(gè)模型產(chǎn)生，需要分別計(jì)算各個(gè)模型產(chǎn)生該觀測(cè)序列的概率，然后選擇概率最大的模型作為最合適該觀測(cè)序列的模型。

2.4 靈活的跨域QoS類映射算法

如圖3所示，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中多媒體業(yè)務(wù)跨域的QoS類映射算法具體步驟如下：

① 將映射代理安置在邊界路由/網(wǎng)關(guān)，處理業(yè)務(wù)群及流的相關(guān)操作由映射執(zhí)行模塊執(zhí)行，如輸入業(yè)務(wù)群判斷、輸入流聚合判別及對(duì)業(yè)務(wù)群進(jìn)行分離等操作。

② 映射代理獲取相應(yīng)QoS屬性特征，構(gòu)成高維QoS特征空間。

③ 映射代理基于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)要求，采用矢量距離最短法則判斷相應(yīng)業(yè)務(wù)群QoS類別，具體如下：

(1)

權(quán)值W=[w1,w2,...,wMα]反映應(yīng)用特征，M為業(yè)務(wù)類別數(shù)目。

④ 通過網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)器感知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境后，映射代理判斷可用網(wǎng)絡(luò)資源，通過QoS等級(jí)逐級(jí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)靈活映射。

⑤ 當(dāng)前傳輸條件判斷，決定該業(yè)務(wù)群傳輸/取消。

圖3 靈活的跨域QoS類映射算法流程圖

3 仿真實(shí)驗(yàn)

基于可實(shí)現(xiàn)性和典型性的考慮，依據(jù)從實(shí)際校園網(wǎng)中所采集到的網(wǎng)絡(luò)多媒體業(yè)務(wù)流QoS特征，以典型的E-Learning業(yè)務(wù)為對(duì)象[14]，定義了13種多媒體業(yè)務(wù)，并假設(shè)構(gòu)建8種“業(yè)務(wù)群”，如表1所示，在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，其中1%的業(yè)務(wù)在傳輸時(shí)不標(biāo)注優(yōu)先級(jí)。

表1 各種“業(yè)務(wù)群”業(yè)務(wù)相關(guān)參數(shù)

根據(jù)表1，以強(qiáng)度λ2=100的泊松分布產(chǎn)生業(yè)務(wù)群進(jìn)入圖4所示的場(chǎng)景中傳輸。在上述場(chǎng)景中，QoS類映射方法部署于網(wǎng)間路由器/網(wǎng)關(guān)1和2。用戶1經(jīng)過UMTS(網(wǎng)絡(luò)1)，與WiMAX2中的用戶9(網(wǎng)絡(luò)3)進(jìn)行多媒體業(yè)務(wù)時(shí)，業(yè)務(wù)將經(jīng)過3個(gè)不同的QoS域，其分類數(shù)目和要求也不相同。此時(shí)，部署新映射方法的網(wǎng)間路由器/網(wǎng)關(guān)1處理UMTS與DiffServ(網(wǎng)絡(luò)2)之間的QoS/業(yè)務(wù)類映射，部署新映射方法的網(wǎng)間路由器/網(wǎng)關(guān)2處理基于DiffServ的Internet和WiMAX2網(wǎng)絡(luò)之間的QoS/業(yè)務(wù)類映射。圖4中，分別對(duì)本文方法、HMM、映射表方法[15]+ QCM-ASM[16]+HMM在端到端帶寬利用率和實(shí)時(shí)視頻業(yè)務(wù)延時(shí)上進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4 異構(gòu)典型場(chǎng)景

如圖5所示，“業(yè)務(wù)群”由較高的優(yōu)先權(quán)的實(shí)時(shí)視頻業(yè)務(wù)組成。如圖4所示，依次經(jīng)由3個(gè)網(wǎng)絡(luò)后，3種映射方法在端到端延遲分布上差異明顯。

圖5 實(shí)時(shí)視頻業(yè)務(wù)在3種映射方案下端到端平均延遲分布

由于映射誤差的存在，采用映射表方法時(shí)業(yè)務(wù)延遲最大。QCM-ASM方法雖然沒有映射誤差問題，但靈活性不足。此外，典型的采用映射表方法的QoS類映射方案和采用QCM-ASM的QoS類映射方案，是基于業(yè)務(wù)進(jìn)行映射，不涉及聚集操作，具有較高的實(shí)時(shí)性。本文方法QMT-FA由于使用了歷史信息，在聚集操作過程中，依然可以提供實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流傳輸，規(guī)避了聚集多帶來的時(shí)間開銷，在歷史信息完備、準(zhǔn)確的前提下，本文方法在實(shí)時(shí)性方面與前2種方案類似。

如圖6所示，由于本文方法可以更充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，所以在端到端網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率指標(biāo)上優(yōu)于其他2種方法。由于網(wǎng)絡(luò)類粒度不一致，部分業(yè)務(wù)群在沒有獲得足夠資源時(shí)被丟棄，使得網(wǎng)絡(luò)帶寬資源沒有得到充分利用，這對(duì)基于映射表的方案最不利?；赒CM-ASM的映射策略由于缺乏彈性，不能充分利用網(wǎng)絡(luò)資源。上述2種方法存在的問題在本文方法策略中得到較好的解決。由圖6可見，3種QoS映射方法的優(yōu)越性次序是：本文方法 > QCM-ASM +HMM >映射表方法+HMM。

圖6 端到端帶寬利用率在3種策略下的統(tǒng)計(jì)對(duì)比

4 結(jié)束語

針對(duì)當(dāng)前業(yè)務(wù)流識(shí)別用于QoS類映射存在的不足，以及典型QoS類映射方法存在靈活性不足問題，設(shè)計(jì)一種泛在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)多媒體業(yè)務(wù)流識(shí)別和映射方案，考慮了未明確標(biāo)注QoS類別的多媒體流區(qū)分問題，同時(shí)考慮到用戶體驗(yàn)多樣性和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的動(dòng)態(tài)本質(zhì)，QoS/業(yè)務(wù)類映射結(jié)果可調(diào)，能提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，得到較高性能的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)端到端QoS保證；將具有相同/相近QoS需求的業(yè)務(wù)流集合為業(yè)務(wù)群，獨(dú)立于具體的應(yīng)用，既對(duì)網(wǎng)絡(luò)新業(yè)務(wù)具有很好的伸縮性，又降低執(zhí)行QoS映射等相關(guān)操作的時(shí)間開銷。同時(shí)，由于流是各種QoS架構(gòu)控制目標(biāo)，所以對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也有很好的可擴(kuò)展性。