基于带宽保持的资源预留调整机制

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摘要 随着互联网上多媒体业务和实时业务的不断增多，网络服务质量（QoS）正受到越来越广泛的重视，本文提出了一种基于带宽保持的资源预留控制机制。该机制可针对不同的业务数据设置优先级，为网络中的应用提供差异。通过对预留资源进行衰减的方法，较好的解决了网络中资源隐藏的问题，提高了网络资源利用率。最后利用仿真实验验证了该机制的有效性和可行性。

关键词 服务质量；带宽保持；资源预留

中图分类号TP39 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）121-0233-03

1概述

网络发展日新月异，随着互联网上各种新业务的出现，人们对网络服务质量也提出了更高的要求，资源预留为保证网络服务质量提供支持，是网络中必要的机制之一。

然而，目前大多数资源预留机制都存在着“资源隐藏”问题[1]，即网络中存在不再被使用却又未被释放的资源。例如，发起资源预留的应用会由于请求消息的丢失而重新发起资源预留过程，这可能会造成资源的重复预留；对于已经申请了资源预留的应用，可能会由于某些原因（例如数据传输非正常终止等），使应用不能主动发送消息来请求释放已申请的资源，甚至请求释放资源的消息本身也可能丢失，这些情况都会导致已被预留的资源不再被使用却无法被释放。上述现象在移动终端上更容易发生，节点位置的改变可能会引起传输路径发生变化，以致在旧传输路径上预留的资源无法被释放[2]。这些现象会导致网络资源的利用率下降，随着时间的推移问题逐步积累，严重影响网络的服务质量。

针对这种状况，业界提出了一些基于RSVP的扩展机制[3]。总体来说，在现有网络技术中，解决资源隐藏问题的方法有状态刷新和状态校正两种方法[4]。

本文结合以上两种方法，提出了一种基于带宽保持的资源预留调整机制，通过对预留的资源进行定时衰减的方法，提高网络资源的利用率。

2资源预留点

由于网络的带宽资源是有限的，因此在数据通信路径上设置一些参考点（例如交换机的输入或输出端口），在这些参考点设置资源预留机制来保证网络的服务质量，称这些参考点为资源预留点。

每个资源预留点有4个数据级别（见表1），每个数据级别作为单独的资源预留控制对象（简称RCO）。每个RCO定义有本数据级别总带宽预留值D、已预留带宽值R和拥塞标志Flag三个统计量。每条经过资源预留点的数据流，如果要保证网络服务质量，都需要在通信之前申请预留资源，否则网络只提供尽力而为的数据转发服务。申请了资源预留的数据流，在通信期间需定时发送带宽保持包，不断刷新预留带宽值，在通信结束时要撤销之前申请的资源。如果R>D，表明资源预留申请量超过网络可预留资源的值，当前不允许更多的资源预留申请，并置位对应输入缓冲器的拥塞标志Flag=1。Flag设置单稳态操作，即延迟一段时间后将自动清零，若清零前进行了置位操作，则重新计算延迟时间。当数据包经过网络中某个资源预留点时，根据其数据级别选择QoS控制对象，并根据Flag的值选择拥塞控制机制。

3资源预留过程

3.1 申请资源

主动发出资源预留申请的端系统称为资源预留的申请端，对端称为接收端。设终端系统A为资源预留的申请端，终端系统T为接收端，则在链路AT上的资源预留申请过程如下：首先申请端A发出资源探测包，探测包在传递途中，每经过一个资源预留点，都要进行资源探测，查看当前的资源预留值是否满足申请端的预留需求，若不满足则拒绝本次申请；若满足，则探测包被送往下一个资源预留点。如果探测全部通过，探测包最终被传递到T。T收到探测包后，向A发送回应包（rRec）。A收到rRec后，向T发送确认包（rACK）。上述过程中，资源探测包只探测资源，rRec负责进行资源预留工作。T发送rRec后，启动一个定时器，如果在定时器到时后仍未收到A的rACK，则T需要重新发送rRec。

由于在资源预留的申请中，可能由于某种原因（例如rRec丢失或rACK丢失等）导致接收端重复发出rRec。如果之前丢失的包已经在网络链路中的某些资源预留点预留了资源，那么重新发起的申请就会造成重复预留资源，从而浪费网络资源。考虑到上述情况，本资源预留策略进行了针对性设计，在rRec中加入了rSeq计数变量，使网络能够区分出不同的资源预留申请。每个资源预留点都设有一张用于保存rSeq值的表，表项的有效时间大于rRec的重传时间，有效时间到时后，相应的表项会被清空。资源预留点每收到一个rRec，首先搜索表中是否存在该rSeq值，如果不存在，并且当前的资源预留量可以满足这次资源预留申请，则在表中记录下这个rSeq值，并进行资源预留工作，如果可预留资源量不满足资源预留的申请值，则拒绝此次申请；如果rSeq在表中存在记录，则忽略该资源预留信令，从而有效避免了网络中一个资源预留申请重复预留资源情况的出现。

3.2 带宽保持

本文采用对整体资源预留信息进行维护的方法，即在每个资源预留点，不记录单条业务流的资源预留信息，只记录本资源预留点允许分配的资源预留总量D和已经被分配出的资源预留总量R（R不允许大于D），并按周期对R值进行维护和刷新。具体方法如下：资源预留点的R值会按周期进行衰减工作（设衰减周期为J，时间可配置），申请端要想保持链路上申请的资源预留量，就需要定期在这条链路上传输带宽保持包（设传输周期为C，时间可配置）。带宽保持包中含有带宽扩展值x，用来维持用户在链路上申请的资源预留量。资源预留信息的衰减公式为：

其中R（n）和R（n+1）分别为衰减周期前后，资源预留点中已经被分配出的资源预留量；λ∈（0，1），是控制算法衰减速率的参数，可根据时间段和网络中数据流量的使用率进行设置，例如在凌晨或网络中数据流量较小时，可将λ值设置大一些，降低R值的衰减速率，同理，在网络繁忙时可降低λ值，加快R值的衰减速率，以便快速消除网络中的资源隐藏现象；X（n）是资源预留点在周期J内接收到的带宽保持包中x值的总和。

3.3 撤销申请

当某个申请了资源预留的网络应用结束对话时，资源预留的申请端需要发出一条退出包，撤销在其通信链路中各资源预留点上预留的资源量，以便及时释放所占用的资源。

4仿真实验

利用图1所示的网络环境对上述资源预留机制进行了仿真实验，将仿真程序分别配置在各终端，并设置该网络中的最大带宽值为10M，以2：3：5的比例分配给1、2、3三个数据级别。在终端A与D、B与D以及C与D间分别建立数据业务。

实验开始时，终端A申请链路AD间数据级别为1的业务流，申请带宽为1M；此后终端B申请链路BD间数据级别为1的业务流，申请带宽为2M，同时申请链路BD间数据级别为2的业务流，申请带宽为3M；之后终端C申请链路CD间数据级别为3的业务流，申请带宽为10M。

通过观测网络中的各链路业务数据的流量，可发现终端D对终端A发送的级别为1的数据接收速率为1Mb/s，终端D对B发送的级别为1的数据接收速率为0，终端D对B发送的级别为2的数据接收速率为3Mb/s，终端D对C发送的级别为3的数据接收速率为5Mb/s。该实验结果说明，配置在仿真网络中的资源预留机制发挥了作用，满足了A申请的数据级别为1的业务，由于带宽限制拒绝了B申请的数据级别为1的资源预留申请，从而保证了网络的服务质量。

5结论

本文提出了一种利用带宽保持进行资源预留的QoS控制机制，该机制不仅可以消除网络中的资源隐藏现象，提高网络资源的利用率，还可以通过数据优先级的划分为网络提供差异，为网络中的实时业务提供有力的保障，提升网络的服务质量。

参考文献

[1]马宏伟，葛敬国，秦松，袁卫华.基于速率测量的资源预留速率调整机制[J].计算机工程，2010，6（13）：242-244.

[2]李秀芹，兰巨龙.基于标识支持的移动通信技术[J].计算机工程，2008，8：97-99.

[3]戴新发，徐火生，陈鹏，等.基于分布策略的微移动资源预留方案.计算机工程，2008，35（15）：114-116.

[4]Kuo Geng-Sheng， Ko PO-Chang. Dynamic RSVP protocol. IEEE Communications Magazine，2003，5：130-135.