陜西煤礦瓦斯監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡ＱｏＳ保障策略實現(xiàn)研究

楊　洋　盧建軍　郭　佳

摘 要：以陜西煤礦瓦斯監(jiān)測遠程聯(lián)網(wǎng)為背景，研究其聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的QoS保障策略實現(xiàn)。由于現(xiàn)有的各種QoS實現(xiàn)機制無法單獨為陜西煤礦瓦斯監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的QoS提供保障，因此在實際應用中必須結(jié)合多種機制才能得到較好的QoS保障效果。比較了傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡的QoS結(jié)構(gòu)體系，通過分析IntServ和DiffServ兩種模型的基本原理、工作方式，并指出其各自的優(yōu)缺點和網(wǎng)絡應用環(huán)境，設計了將RSVP協(xié)議與DiffServ模型相結(jié)合來滿足瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸實時性的要求；針對陜西煤礦瓦斯聯(lián)網(wǎng)的特性，提出了將TCP擁塞控制算法與IP層擁塞控制算法相結(jié)合的算法模型，并且該模型的應用可以在原有單一擁塞控制的基礎上有效地提升跨地區(qū)網(wǎng)絡的QoS特性。

關鍵詞：服務質(zhì)量；綜合服務模型；區(qū)分服務模型；擁塞控制

中圖分類號：TN919文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2009)05-098-04

Research on QoS Guarantee Strategic Realization of Shaanxi Coalmine

Gas Monitor System Network

YANG Yang1,LU Jianjun2,GUO Jia3

(1.Xi′an Communication Institute of PLA,Xi′an,710106,China;2.Xi′an University of Science and Technology,Xi′an,710054,China;

3.Xi′an Research Institute,Huawei Technologies Co.Ltd.,Xi′an,710075,China)

Abstract：This paper makes the gas remote monitor network as background to do some research on the QoS guarantee of the network.QoS is a synthesis guide line which can be used to estimate the degree to satisfy with some server,which is a technology to solve the problem of delay and congestion in network.It must integrate multi-QoS mechanism to get good QoS guarantee in the practical application.Three QoS models in the IP net application and homologized affective factors are demonstrated.Meanwhile,the field of QoS protection strategy arrangement in Shaanxi coal mine gas network has been picked up as the example.For this situation,the comparison to the different QoS models is doing strictly.By combining the TCP congestion control arithmetic with IP congestion control arithmetic,the paper also emphatically describes the corresponded arithmetic model for that.Stimulatingly,it is promoted the QoS characteristic over-area effectively,which it is based on the original single congestion control.

Keywords：QoS;integrated-service model;differentiated-service model;congestion control

0 引 言

陜西煤礦瓦斯監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)是針對目前礦井瓦斯災害嚴重的狀況，采用具有標準性和通用性的信息通信方式，將煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)的工業(yè)網(wǎng)絡接入到IP網(wǎng)絡平臺上，形成信息化網(wǎng)絡數(shù)據(jù)資源傳輸體系，該體系建成后能夠充分提高數(shù)據(jù)的利用率和共享度。同時，也對聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的QoS(服務質(zhì)量)提出了更加嚴格的要求。QoS是一個用于衡量服務滿意程度的綜合指標，是用來解決網(wǎng)絡延遲和擁塞問題的技術(shù)。作為研究使網(wǎng)絡能夠靈活地根據(jù)業(yè)務的具體特點保障瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)等工業(yè)信息在IP網(wǎng)絡平臺上傳輸?shù)姆召|(zhì)量，是具有重大意義的。

陜西煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡基礎平臺，將集銅川市耀州區(qū)、韓城市、陜西煤業(yè)化工集團公司三節(jié)點與省煤炭工業(yè)局形成省局瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。陜西煤礦整個地區(qū)骨干網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)后，其網(wǎng)絡應用應包含大量的音頻、工業(yè)視頻、IP電話等需要QoS保障的實時業(yè)務流，同時由于網(wǎng)絡的規(guī)模擴大，傳輸?shù)奈募饕搽S之擴大。所以，如何提高網(wǎng)絡資源的使用效率，提高網(wǎng)絡

的整體性能，是本文要研究和探討的問題。

1 QoS模型及優(yōu)劣分析

QoS模型主要分為以下三類：Best Effort,Integrated Service和Differentiated Service。由于Best Effort是屬于“盡力而為”型，必然導致它對所有數(shù)據(jù)包實施公平對待的原則，對傳輸資源不做任何預留。它的使用結(jié)果就是在網(wǎng)絡帶寬使用中，對屬于QoS的時延、抖動和丟包都不可預測，嚴格地說并未提供QoS保障［1,2］，Best-Effort服務是現(xiàn)在Internet的缺省服務模型。所以，目前應用比較廣泛的是綜合服務Integrated Service(IntServ)模型和區(qū)分服務Differentiated Service(DiffServ)模型。

IntServ綜合服務依靠資源預留協(xié)議(RSVP)，逐節(jié)點建立或拆除每個流的資源預留軟狀態(tài)［3,4］。依靠接納控制決定鏈路或網(wǎng)絡節(jié)點是否有足夠的資源滿足QoS請求；依靠傳輸控制將IP分組分類成傳輸流，并根據(jù)每個流的狀態(tài)對分組傳輸實施QoS路由、傳輸調(diào)度等控制。其缺點是可擴展性差，因為資源預留需要對大量的狀態(tài)信息進行刷新與存儲，復雜了網(wǎng)絡核心路由器的功能。因此，當網(wǎng)絡規(guī)模擴大時，綜合服務模型將無法實現(xiàn)。綜合服務模型通常應用于網(wǎng)絡規(guī)模較小，業(yè)務質(zhì)量要求較高的邊緣網(wǎng)絡，如企業(yè)網(wǎng)、園區(qū)網(wǎng)等。

DiffServ區(qū)分服務網(wǎng)絡模型［5,6］，提供了一種具有良好可擴展性的QoS解決方案，很大程度上源于其“邊緣分類，內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)”的設計思想。最大的特點是區(qū)分了網(wǎng)絡中節(jié)點的行為，使得網(wǎng)絡的內(nèi)部節(jié)點不需要維護單個數(shù)據(jù)流的信息。該模型是將用戶的數(shù)據(jù)流按照服務質(zhì)量要求劃分等級，任何用戶的數(shù)據(jù)流都可以自由進入網(wǎng)絡，但是當網(wǎng)絡出現(xiàn)擁塞時，級別高的數(shù)據(jù)流在排隊和占用資源時比級別低的數(shù)據(jù)流擁有更高的優(yōu)先權(quán)。但是，區(qū)分服務只承諾相對的服務質(zhì)量，而不對任何用戶承諾具體的服務質(zhì)量指標。目前運營商IP網(wǎng)絡的QoS部署主要基于DiffServ模型。

通過以上比較［7］可以知道，由于IntServ模型需要沿途的路由器要為每個數(shù)據(jù)流都維持一個“軟狀態(tài)”，必然占用大量的路由器存儲空間，資源預留的網(wǎng)絡開銷也大于處理正常數(shù)據(jù)流的開銷，所以對于一個大型運營商網(wǎng)絡不建議使用該模型；Differv模型是針對IntServ模型的以上不足而提出來的，其“邊緣分類，內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)”的設計思想，使其在大規(guī)模網(wǎng)絡的QoS保障中占據(jù)主導地位。針對本課題的研究特性，采用以Differv模型為主的QoS技術(shù)來實現(xiàn)陜西瓦斯監(jiān)測遠程聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡QoS策略部署。

2 瓦斯監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡QoS策略方案設計與實現(xiàn)

2.1 QoS策略方案實現(xiàn)概述

由以上需求分析可以看出，陜西煤礦的瓦斯聯(lián)網(wǎng)對實時性要求較高。在此采用基于擴展RSVP協(xié)議的區(qū)分服務模型來保障整體網(wǎng)絡的QoS。RSVP的最初設計目標是為單流提供資源預留，擴展后的RSVP可以為流聚集提供資源預留［8］。以RSVP和DiffServ結(jié)構(gòu)相結(jié)合，將提供更為靈活的端對端QoS。在這種端對端的QoS模型中，由RSVP為流聚集提供資源，而DiffServ只是簡單地對數(shù)據(jù)包進行標記、分類(區(qū)分不同的優(yōu)先級)以及調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)。

在監(jiān)測網(wǎng)絡底層，即數(shù)據(jù)采集與傳輸層的IP骨干網(wǎng)建設中，可采用IP與DWDM(密集型光波復用)相結(jié)合的技術(shù)，由于DWDM的特性即它能夠在同一根光纖中，以不同速度傳輸不同類型的數(shù)據(jù)流量，并且它的協(xié)議和傳輸速度是不相關的。從QoS的觀點看，基于DWDM的網(wǎng)絡以低成本的方式來快速響應客戶的帶寬需求和協(xié)議改變。這樣，對于整個底層骨干網(wǎng)的匯聚層來說，基本不會引起網(wǎng)路擁塞。同時，在Diffserv域核心設備上定義隊列調(diào)度的資源分配策略，并部署擁塞控制算法策略，實現(xiàn)不同QoS等級區(qū)分化服務。

2.2 算法分析

在網(wǎng)絡QoS保障中，網(wǎng)絡擁塞管理是其中的關鍵部分，當網(wǎng)絡發(fā)生擁塞時，擁塞避免算法的選取是提高網(wǎng)絡運行質(zhì)量和效率的關鍵。陜西煤礦瓦斯聯(lián)網(wǎng)規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復雜，對網(wǎng)絡性能的要求也相應地提高。TCP 擁塞控制本質(zhì)上是一種基于信源的擁塞控制方法，實現(xiàn)在端系統(tǒng)中，僅僅依靠TCP 端到端的擁塞控制是不夠的，網(wǎng)絡也應該參加資源的控制工作。本質(zhì)上說，IP層的擁塞控制就是通過對路由器緩沖區(qū)隊列中的分組實施調(diào)度和管理來影響TCP 擁塞控制的動態(tài)性能，以其達到目的。要實現(xiàn)骨干網(wǎng)絡的QoS，必須要結(jié)合以上多種技術(shù)，根據(jù)業(yè)務要求選擇隊列技術(shù)和擁塞避免技術(shù)。現(xiàn)通過將源端、中間節(jié)點和接收端結(jié)合起來共同協(xié)作來完成擁塞控制，如圖1所示為瓦斯監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡擁塞控制的算法模型。

由陜西煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡的特性可以知道網(wǎng)絡包含有大量的工業(yè)監(jiān)測視頻、音頻、網(wǎng)絡IP電話和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)等，對實時性要求是比較高的。提出的方法就是在這種多用戶、多業(yè)務、多服務等級中間平均分配帶寬來保障整個網(wǎng)絡的QoS。

如果把TCP阻塞窗口調(diào)整算法和每一個等級的業(yè)務隊列相結(jié)合，就可以為不同等級的業(yè)務提供QoS保證。TCP阻塞窗口調(diào)整算法可以應用在任意一個等級的業(yè)務隊列中。這個算法允許路由器通過控制終端系統(tǒng)的通信速率降低阻塞。當發(fā)生路由器阻塞的情況，根據(jù)發(fā)送速率和分配速率(目標速率)的比值，計算出估計的阻塞窗口大小，發(fā)送包含估計的阻塞窗口值的早期明確阻塞標記數(shù)據(jù)報返回發(fā)送終端，從而降低發(fā)送數(shù)據(jù)源的發(fā)送速率。

通過以上分析，在TCP層采用反饋式擁塞控制算法和IP層的WFQ控制算法相結(jié)合的方法，為瓦斯監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡提供QoS保障，如圖2所示。

2.2.1 IP層擁塞控制算法的實現(xiàn)

在提出的擁塞控制算法模型中［9］，屬于IP層的路由器緩沖區(qū)隊列采用加權(quán)公平排隊(WFQ)的IP擁塞控制算法，如圖3所示。

圖3 加權(quán)公平排隊(WFQ)

加權(quán)公平隊列(WFQ)對報文按流進行分類，分類標準是源和目的地址、端口號、協(xié)議號等，并在合適的等待區(qū)域排隊，WFQ調(diào)度器以循環(huán)方式按優(yōu)先級順序為各個類提供服務。WFQ的優(yōu)點是在保證公平(即相同帶寬、延遲)的基礎上，體現(xiàn)權(quán)值(依賴于IP報文頭中攜帶的IP優(yōu)先級)。每個類在固定的時間間隔內(nèi)都可能收到一定數(shù)量的服務。具體而言，在WFQ下,對于分配到權(quán)值w璱的類i，在有分組要傳送的一定時間間隔中，可保證類i得到等于w璱/(∑w璱) 的服務，式中∑w璱為所有類別權(quán)值之和。對于傳輸速率為R的鏈路，第i類可獲得R ×w璱 / (∑w璱 ) 的吞吐量。

2.2.2 基于反饋式TCP擁塞控制算法的實現(xiàn)

在擁塞控制算法模型的TCP層，采用基于反饋式的擁塞控制算法，即在每一個固定的采樣［(n-1)Δt,nΔt］期間，可以獲得緩沖區(qū)隊列的輸入字節(jié)數(shù)S(n)以及隊列的目標輸出字節(jié)數(shù)T(n)，那么在離散時間點n，新路由器阻塞控制窗口的值可根據(jù)式(1)得到，其中β是正值的調(diào)整因子。

cwnd(n+1)=cwnd(n)*［β*T(n)/S(n)］

(1)

由于該算法是遞歸式的，因此初始值的設定不影響算法的效果，可以根據(jù)網(wǎng)絡設備的能力以及具體的服務對象情況設定，例如可設cwnd(0)為路由器能夠為所有業(yè)務提供初始化阻塞控制窗口的值。圖4給出了算法的框圖。

圖4 TCP阻塞窗口調(diào)整的反饋控制算法框圖

根據(jù)該算法進行了仿真試驗。由得出的試驗結(jié)果可知，該算法的采用可有效地降低和減少數(shù)據(jù)報的丟失，同時在鏈路帶寬公平分配的基礎上，能有效地保障優(yōu)先等級高的數(shù)據(jù)流傳輸。

3 仿真測試

本文對擁塞控制的仿真測試所采用的軟件是NS 2(Network Simulator,Version 2)。NS 2是由美國加州Lawrence Berkeley國家實驗室等單位共同開發(fā)的一種面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡仿真軟件，可以仿真各種IP網(wǎng)絡環(huán)境［10］。

對TCP層的擁塞控制算法的仿真，主要是驗證采用該算法后能否確實降低數(shù)據(jù)包的丟棄率，并保證數(shù)據(jù)流在鏈路帶寬平均分配的基礎上有效地進行擁塞避免。在利用NS 2仿真軟件進行網(wǎng)絡仿真時，首先設計網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)圖。這里采用星型的拓撲結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

設計的拓撲圖中有10個節(jié)點,其中數(shù)據(jù)源1~4號節(jié)點是發(fā)送節(jié)點;接收方1~4號節(jié)點是接收節(jié)點;中間2個路由器是中繼節(jié)點。中間路由器采用直接丟棄數(shù)據(jù)報的策略，同時緩沖區(qū)的大小設定為2倍網(wǎng)絡帶寬延遲容量，緩沖區(qū)數(shù)據(jù)服務速率設定為T1(1.544 Mb/s)。數(shù)據(jù)源連接采用TCP-Reno版本的協(xié)議，這個協(xié)議包括慢啟動、阻塞避免、快速重傳和快速恢復4個階段。TCP 連接數(shù)據(jù)源采用FTP協(xié)議，TCP連接的最大傳送字段(MSS)大小設定為536 B。通過仿真,比較中間路由器采用本文提出的算法和沒有采用這個算法的結(jié)果。

圖5 擁塞控制算法仿真拓撲圖

仿真結(jié)果說明，在瓦斯監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的TCP層采用該算法，可以通過調(diào)整阻塞窗口的大小迅速改變TCP 數(shù)據(jù)源的發(fā)送速率，降低路由器中發(fā)生因緩沖區(qū)的溢出而造成的數(shù)據(jù)報的丟失。由于降低了緩沖區(qū)隊列的長度同時減少數(shù)據(jù)報的丟失率就能夠降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延，從而提高鏈路的利用率。其次，由于該算法能夠通過反饋早期明確阻塞標記數(shù)據(jù)報，根據(jù)目前路由器緩沖區(qū)的狀態(tài)為所有的TCP 數(shù)據(jù)源提供比較合適的阻塞控制窗口，因此基本上能達到鏈路帶寬的公平分配。

4 結(jié) 語

針對陜西煤礦瓦斯聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的特性，就聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡上實現(xiàn)QoS部署的方案進行了描述，提出了將IP層和TCP層擁塞控制算法相結(jié)合的方法，并給出了算法模型，即采用基于擴展RSVP協(xié)議的Diffserv區(qū)分服務的QoS技術(shù)，并在Diffserv域核心設備上定義WFQ隊列的調(diào)度機制來實現(xiàn)不同QoS等級化區(qū)分服務。這樣，通過在Diffserv域核心路由器上的轉(zhuǎn)發(fā)資源分配，真正保證重點用戶的重點業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡蜁r延，低抖動，并分配其有保障的帶寬，實現(xiàn)其全方位的QoS保證。最后對QoS部署中的擁塞控制算法進行了測試。試驗

結(jié)果證明，本文提出的改進算法相對原先單一的控制

算

法來說，當TCP流與非響應的UDP流競爭帶寬時，公平性有了顯著的改進，可確定其在現(xiàn)有陜西煤礦瓦斯監(jiān)測網(wǎng)絡實施的可行性、有效性及必要性。同時，本文也還有許多需要進一步研究和改進的地方，例如，如何通過Diffserv域核心路由器來合理分配轉(zhuǎn)發(fā)資源，并使其在不超出設備承受能力的前提下，保證聚集流之間的公平性以及聚集流內(nèi)各單流之間的公平性等。

參考文獻

［1］Van Moorsel Aad.On Best-effort and Dependability,Service-orientation and Panacea.Lecture Notes in Computer Science,2005:99-101.

［2］Sakurai Akihiko.Achieving Integrated IT Service Management.Fujitsu Scientific and Technical Journal,2007,43(3):345-353.

［3］Griem Torsten,Ayyagari Arun,Kim Jae H.RSVP over IPsec Tunnel Mode Using RFC 3175.Proceedings-IEEE Military Communications Conference MILCOM,v 2005,MILCOM 2005:Military Communications Conference 2005,2005,5:3 246-3 250.

［4］Oshlag Benjamin L,Pecelli Dylan,Pizzi Steven V.An RSVP Surrogate for Guaranteed Bandwidth for Tactical Communications.Proceedings-IEEE Military Communications Conference MILCOM,2006:1-6.

［5］Galatchi Dan,Zoican Roxana.IntServ Operation over DiffServ Networks.International Symposium on Signals,Circuits and Systems-Proceedings.2005:525-528.

［6］ Tong Sheau-Ru,Chang Chun-Cheng.Harmonic DiffServ:Scalable Support of IP Multicast with QoS Heterogeneity in DiffServ Backbone Networks.Computer Communications,2006,29(10):1 780-1 797.

［7］Harju Jarmo,Kivimaki Perttu.Co-operation and Comparison of DiffServ and IntServ:Performance Measurement.Conference on Local Computer Networks.2000:177-186.

［8］Grenville Armitage.IP 網(wǎng)絡的服務質(zhì)量——多業(yè)務互聯(lián)網(wǎng)的基礎［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2001.

［9］武航星,慕德俊，潘文平,等.網(wǎng)絡擁塞控制算法綜述.計算機科學,2007,34(12):12-14.

［10］徐雷鳴.NS2與網(wǎng)絡模擬［M］.北京：人民郵電出版社,2003.

作者簡介 楊 洋 男，1980年出生，碩士，解放軍西安通信學院講師。從事網(wǎng)絡工程專業(yè)網(wǎng)絡應用方面的研究。