UDP流對網(wǎng)絡(luò)Qos的影響分析

臨沂職業(yè)學(xué)院 董成武

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是指網(wǎng)絡(luò)上在各網(wǎng)絡(luò)終端間進行通信時要彼此遵循的一系列的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或者約定的集合。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷研究和應(yīng)用，目前，互聯(lián)網(wǎng)上廣泛使用的協(xié)議為TCP協(xié)議。但是，隨著網(wǎng)絡(luò)用戶的增加和所承載的多媒體UDP流的多元化，網(wǎng)絡(luò)Qos面臨著的穩(wěn)定、質(zhì)量等都面臨不同的挑戰(zhàn)。逐漸增多的面向無連接的多媒體UDP流很容易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞和網(wǎng)絡(luò)瓶頸，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)上網(wǎng)Qos。

1.前言

QoS（Quality of Service）即服務(wù)質(zhì)量，是網(wǎng)絡(luò)的一種安全機制，是用來解決網(wǎng)絡(luò)延遲和阻塞等問題的一種技術(shù)。QoS包括網(wǎng)絡(luò)帶寬、網(wǎng)絡(luò)延遲、丟包率等幾個方面。在一般情況下，比如Web應(yīng)用，并不需要QoS，但是對于多媒體應(yīng)用就是必不可少的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)過載或擁塞時，QoS能確保重要業(yè)務(wù)量不受延遲或丟棄，同時保證網(wǎng)絡(luò)的延遲和丟包率在一定范圍之內(nèi)。通過使用QoS（Quality of Service），在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)中，可以對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膸挕魉偷臅r延、數(shù)據(jù)的丟包率等進行管理，以此提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

2.UDP與TCP流

UDP（User Datagram Protocol）是用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議的英文簡寫，在網(wǎng)絡(luò)中，是OSI參考模型中一種基于無連接服務(wù)的傳輸層協(xié)議，用于處理提供面向事務(wù)的簡單、且不可靠信息的UDP數(shù)據(jù)包和完成傳送服務(wù)，處于IP協(xié)議的上一層，其正式規(guī)范是IETF RFC 768。UDP相對于面向連接的TCP服務(wù)，不提供數(shù)據(jù)包分組、數(shù)據(jù)組裝，并且不負責(zé)數(shù)據(jù)包的丟包問題的處理。因此，網(wǎng)絡(luò)對于UDP流就缺少足夠的控制作用，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有大量的UDP流丟失或者阻塞時，而網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接收不到反饋并繼續(xù)不斷的發(fā)送UDP流，這樣就造成了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流的大量丟失，以致于要花費很大的代價才能解決。而TCP（Transmission Control Protocol）是傳輸控制協(xié)議的英文簡稱，是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中最流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在計算機網(wǎng)絡(luò)OSI體系模型中，負責(zé)完成第四層傳輸層所指定的相關(guān)功能。TCP是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的運輸層主要通信協(xié)議，但在局域網(wǎng)中，TCP/IP協(xié)議的通信效率并不高、缺少靈活性。

對于一般情況下進行仿真。仿真網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1，源節(jié)點V1發(fā)送TCP流，窗口最大閾值為10，節(jié)點V2發(fā)送UDP流，數(shù)據(jù)包大小為1000字節(jié)，實驗中不斷改變UDP的發(fā)送速率，接收端為V3、V4。路由器緩沖區(qū)隊列長度為50個包，測試時間為50秒。

如圖2所示，有結(jié)果可得，隨著UDP發(fā)送速率不斷增大，TCP吞吐量明顯不斷減小，同時，整個網(wǎng)絡(luò)中的流量在大幅度減少，證明網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)處于高度擁塞狀態(tài)。所以在不進行任何控制的情況下，隨著UDP發(fā)送速率的不斷增大，網(wǎng)絡(luò)中TCP受到UDP流的排擠，并且UDP發(fā)送速率到了一定程度后UDP流的吞吐量也不會隨著發(fā)送速率的增大而增大。而TCP的吞吐量則是在明顯減少。

3.相應(yīng)對策

本文提出的解決網(wǎng)絡(luò)Qos的解決方法是：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中檢測到大量增加的UDP流時，通過設(shè)置網(wǎng)絡(luò)丟包率持續(xù)增大到一定的值為臨近點，在這一點便開始進行有效的控制UDP流，使得它控制在一定范圍內(nèi)，避免真正出現(xiàn)擁塞而造成更大的資源浪費。這種支持服務(wù)質(zhì)量QSo和控制UDP流的擁塞控制相結(jié)合的擁塞控制機制，能有效處理多媒體數(shù)據(jù)流本質(zhì)上基于速率的特點，并按網(wǎng)絡(luò)擁塞度進行適當(dāng)調(diào)整發(fā)送速率的策略，更適合發(fā)送速率相對穩(wěn)定、時延抖動受限的多媒體UDP流[4]。

圖1 仿真網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

首先，可以進行流量試探，通過逐漸增大UDP的發(fā)送頻率，觀察網(wǎng)絡(luò)吞吐量，當(dāng)吞吐量有比較明顯的減小時，這時就把UDP的發(fā)送速率降低到原來的9/10，在進行觀察，如果吞吐量仍然沒有明顯增大，再把UDP發(fā)送速率降低到之前的9/10，如果這時網(wǎng)絡(luò)吞吐量有提高，那么UDP就按照上面的速率發(fā)送。這樣可以最大限度的利用網(wǎng)絡(luò)鏈路，減少丟包率。提高整個網(wǎng)絡(luò)的Qos。

下面對以上策略進行仿真實驗。拓撲結(jié)構(gòu)如圖1，實驗結(jié)果如圖3。

圖2 UDP對網(wǎng)絡(luò)輸出的影響

圖3 實驗結(jié)果

4.結(jié)論

通過本文的分析，在不斷增大的UDP應(yīng)用中，處理好UDP應(yīng)用對于整個網(wǎng)絡(luò)的影響是至關(guān)重要的。本文通過試探性的發(fā)送UDP速率，并且到檢測到網(wǎng)絡(luò)中有明顯變化的吞吐量時，就對UDP速率進行一定的控制，這樣可以在一定程度上防止網(wǎng)絡(luò)擁塞的出現(xiàn)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中，檢測到大量的UDP應(yīng)用出現(xiàn)時，QoS通過調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膸挕魉偷臅r延、數(shù)據(jù)的丟包率等管理功能，確保重要業(yè)務(wù)量減少延遲或丟棄，同時保證網(wǎng)絡(luò)的延遲和丟包率在一定范圍之內(nèi)，以此提升整個網(wǎng)絡(luò)的Qos。

[1]林闖,單志廣,盛立杰.新一代網(wǎng)絡(luò)傳輸控制的模型與機制[J].計算機世界,2000(5).

[2]Y.Wang,Q.-F.Zhu.“Error Control and Concealment for Video Communication A Review”.Proceedings of the IEEE,Vol.86,No.5,pp.974-997.May 1998.

[3]Srinivas Vegesna.IP服務(wù)質(zhì)量[M].人民郵電出版社,2001.

[4]羅萬明.支持服務(wù)質(zhì)量QSo的擁塞控制及其機制的研究[D].中國科學(xué)院博士學(xué)位研究生學(xué)位論文,2007-02-02:3-40.