一種基于Internet的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)QOS研究

何雄偉 曾云兵

摘要：在利用I n t e r n e t 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)對(duì)服務(wù)質(zhì)量的需求分析，基于區(qū)分服務(wù)實(shí)現(xiàn)了服務(wù)質(zhì)量，并建立了QOS隊(duì)列調(diào)度模型。用排隊(duì)論的方法給出了數(shù)據(jù)包的丟失率的數(shù)學(xué)期望值，根據(jù)數(shù)據(jù)包隊(duì)列調(diào)度模型討論了最壞延遲時(shí)間，為QOS模型中的隊(duì)列設(shè)計(jì)和緩沖區(qū)的配置提供了重要的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；QOS；延遲保證；盡力服務(wù)；隊(duì)列調(diào)度

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）08-0013-02

在一個(gè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，需要采集被控制現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)信息，主要包括現(xiàn)場(chǎng)狀況信息，視頻防盜信息和火災(zāi)報(bào)警信息，這些信息常常是周期性地傳送到現(xiàn)場(chǎng)控制室進(jìn)行控制。如果企業(yè)已經(jīng)安裝了相關(guān)設(shè)備，如監(jiān)控系統(tǒng)，視頻防盜系統(tǒng)和火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，重新布置網(wǎng)絡(luò)和設(shè)置相關(guān)設(shè)備，成本較高。同時(shí)，控制現(xiàn)場(chǎng)又可能有上網(wǎng)的需求。因此利用交換機(jī)把現(xiàn)有的系統(tǒng)和I nt e r ne t互聯(lián)在一起，利用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制可以有效地減少安裝和維護(hù)成本。對(duì)于這樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中的有些數(shù)據(jù)必須及時(shí)傳輸，如火災(zāi)信息等。這些數(shù)據(jù)對(duì)QOS有很高的要求。有些數(shù)據(jù)如現(xiàn)場(chǎng)上網(wǎng)數(shù)據(jù)則相對(duì)要求較低。本文對(duì)這種網(wǎng)絡(luò)的QOS進(jìn)行了分析，提出了QOS模型并討論了交換設(shè)備中隊(duì)列調(diào)度的問題。

1 QOS分析和調(diào)度算法的提出

1.1 QOS分析

在利用I n t e r n e t 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，現(xiàn)場(chǎng)的狀況信息、視頻防盜系統(tǒng)信息、和火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)信息為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，要求延遲保證。上網(wǎng)數(shù)據(jù)可歸為非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)QOS的要求較低。為了提供服務(wù)質(zhì)量保證和支持實(shí)時(shí)應(yīng)用，傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)模型已經(jīng)被擴(kuò)展，區(qū)分服務(wù)模型是其中重要的一種。

區(qū)分服務(wù)的基本思想是在網(wǎng)絡(luò)邊緣將進(jìn)入的流分成各種不同的類型，將同種類型的流合并起來(lái)進(jìn)行集束傳輸，并對(duì)每一種類型在網(wǎng)絡(luò)中分別進(jìn)行處理。分類的工作在網(wǎng)絡(luò)的入口處進(jìn)行，分類通過(guò)檢查包的一個(gè)或多個(gè)字段的內(nèi)容來(lái)完成。包被標(biāo)識(shí)為一定的服務(wù)類型，并記錄在包頭字段里，隨后將包按一定的流量控制策略送入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)包的核心路由器通過(guò)檢查包頭來(lái)確定對(duì)包進(jìn)行何種處理。每種服務(wù)類型都要給予不同的處理方式，以獲得相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量。

根據(jù)以上分析，可以用區(qū)分服務(wù)來(lái)提供QOS，對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提供延遲保證服務(wù)，非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供盡力服務(wù)。

1.2 隊(duì)列調(diào)度

隊(duì)列調(diào)度算法是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)QoS控制的核心機(jī)制之一， 不同的隊(duì)列調(diào)度算法用來(lái)解決不同的問題，并產(chǎn)生不同的效果。為保證關(guān)鍵業(yè)務(wù)，優(yōu)先級(jí)算法是必要的。同時(shí)要保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。這里采用類似RTP（Real-time Transport Protocol）優(yōu)先隊(duì)列技術(shù)，RTP優(yōu)先隊(duì)列是一種保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的簡(jiǎn)單的隊(duì)列技術(shù)。其原理就是將承載語(yǔ)音或視頻的RTP報(bào)文送入高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，使其得到優(yōu)先發(fā)送，保證時(shí)延和抖動(dòng)降低為最低限度，從而保證了語(yǔ)音或視頻這種對(duì)時(shí)延敏感業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

針對(duì)本文的研究背景，基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的來(lái)源不同，將RTP隊(duì)列根據(jù)設(shè)備的不同分成三個(gè)實(shí)時(shí)隊(duì)列，非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)形成一個(gè)盡力服務(wù)隊(duì)列。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)隊(duì)列采用先進(jìn)先出（FIFO）和輪轉(zhuǎn)法（Round Robin）相結(jié)合的方式進(jìn)行調(diào)度以達(dá)到公平分享的目的。盡力服務(wù)隊(duì)列采取FIFO調(diào)度策略，因此，對(duì)于本系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)隊(duì)列采用輪轉(zhuǎn)策略，而盡力服務(wù)只有當(dāng)所有實(shí)時(shí)隊(duì)列為空時(shí)才得以服務(wù)。

1.3 調(diào)度性能分析

1.3.1 丟包率

由于本文研究對(duì)象具有周期性的特點(diǎn)，為討論簡(jiǎn)單，由于盡力服務(wù)隊(duì)列優(yōu)先級(jí)最低，暫不考慮盡力服務(wù)隊(duì)列的影響。

設(shè)每個(gè)隊(duì)列的數(shù)據(jù)包的到達(dá)符合泊松流，調(diào)度器的服務(wù)時(shí)間服從指數(shù)分布，λ為數(shù)據(jù)包的到達(dá)率，?為調(diào)度器調(diào)度數(shù)據(jù)包的服務(wù)率，在單調(diào)度器的情況下，這是一個(gè)M/M/1模型的排隊(duì)系統(tǒng)。

令ρ=?/λ ?和λ均取平均值，在穩(wěn)定條件下，ρ<1，否則，隊(duì)列將無(wú)限增長(zhǎng)。

設(shè)緩沖區(qū)容量為K，定義狀態(tài)函數(shù)S（t）表示在t時(shí)刻，緩沖區(qū)中擁有的數(shù)據(jù)包數(shù)。狀態(tài)概率Pn（t）表示緩沖區(qū)在t時(shí)刻有個(gè)數(shù)據(jù)包的概率。即

Pn（t）=P[S（t）=n]

根據(jù)M/M/1模型狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖可得：

P0=1-ρ Pn=ρn（1-ρ） ρ<1，n=1，2，3...

因此，當(dāng)系統(tǒng)處于K+1，K+2，…狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生溢出，數(shù)據(jù)包丟失，緩沖區(qū)溢出的概率Pr=Pk+1+Pk+2+...

=ρk+1（1-ρ）+ ρk+2（1-ρ）+...

=ρk+1

可以看到，合理的設(shè)置緩沖區(qū)的大小可以控制數(shù)據(jù)包的丟失率。

1.3.2 最壞延遲時(shí)間

設(shè)B隊(duì)列為盡力服務(wù)隊(duì)列，R為實(shí)時(shí)隊(duì)列。在本文研究背景下，根據(jù)前面的分析，假定緩沖區(qū)足夠大，不考慮實(shí)時(shí)隊(duì)列的溢出問題。為討論最壞延遲時(shí)間，建立數(shù)據(jù)包調(diào)度隊(duì)列模型如下：

相關(guān)定義如下：

Si： 實(shí)時(shí)隊(duì)列中一個(gè)周期內(nèi)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包的數(shù)量。

WR：R中的數(shù)據(jù)包等待時(shí)間，對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)包，從其最后一位進(jìn)入隊(duì)列時(shí)起.到第一位開始從隊(duì)列送出時(shí)止的時(shí)間段稱為R包等待時(shí)間。

Li： 隊(duì)列i中一個(gè)數(shù)據(jù)包的傳送時(shí)間。

設(shè)3個(gè)R隊(duì)列中一個(gè)周期內(nèi)數(shù)據(jù)包數(shù)按遞增順序排列分別為Smin 、Smid 和Smax，隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包大小一致，由以上分析可知，當(dāng)交換設(shè)備剛剛開始發(fā)送一個(gè)B包。且3個(gè) R隊(duì)列均有一個(gè)新周期數(shù)據(jù)連續(xù)到來(lái)時(shí)。其中一個(gè) R隊(duì)列的數(shù)據(jù)包便會(huì)被最大限度地延遲。

則最壞延遲時(shí)間Wmax=[Smin LR+ Smid LR+（Smax-1） LR+ LB]- （Smax-1） LR = Smin LR+ Smid LR+ LB

雖然單周期數(shù)據(jù)包數(shù)可能各有差別，但這一最大延遲即最壞延遲時(shí)間（Wmax）用上面的公式來(lái)表示，作為QOS的設(shè)計(jì)和配置提供一個(gè)重要依據(jù)。

1.4 結(jié)束語(yǔ)

在基于Internet 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，隊(duì)列調(diào)度的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)QOS的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，延遲保證性能是最主要的服務(wù)質(zhì)量。本文分析出的有關(guān)延遲和緩沖區(qū)幾個(gè)指標(biāo)為指定環(huán)境下QOS的隊(duì)列設(shè)計(jì)和緩沖區(qū)配置提供了重要的依據(jù)。

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