何雄偉 曾云兵

摘要：在利用I n t e r n e t 實現(xiàn)遠程控制的網(wǎng)絡環(huán)境下，通過對遠程控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)對服務質(zhì)量的需求分析，基于區(qū)分服務實現(xiàn)了服務質(zhì)量，并建立了QOS隊列調(diào)度模型。用排隊論的方法給出了數(shù)據(jù)包的丟失率的數(shù)學期望值，根據(jù)數(shù)據(jù)包隊列調(diào)度模型討論了最壞延遲時間，為QOS模型中的隊列設計和緩沖區(qū)的配置提供了重要的依據(jù)。

關鍵詞：實時數(shù)據(jù)；QOS；延遲保證；盡力服務；隊列調(diào)度

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）08-0013-02

在一個遠程控制系統(tǒng)中，需要采集被控制現(xiàn)場的實時信息，主要包括現(xiàn)場狀況信息，視頻防盜信息和火災報警信息，這些信息常常是周期性地傳送到現(xiàn)場控制室進行控制。如果企業(yè)已經(jīng)安裝了相關設備，如監(jiān)控系統(tǒng)，視頻防盜系統(tǒng)和火災報警系統(tǒng)，為實現(xiàn)遠程控制，重新布置網(wǎng)絡和設置相關設備，成本較高。同時，控制現(xiàn)場又可能有上網(wǎng)的需求。因此利用交換機把現(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)實現(xiàn)遠程控制可以有效地減少安裝和維護成本。對于這樣一個網(wǎng)絡系統(tǒng)，其中的有些數(shù)據(jù)必須及時傳輸，如火災信息等。這些數(shù)據(jù)對QOS有很高的要求。有些數(shù)據(jù)如現(xiàn)場上網(wǎng)數(shù)據(jù)則相對要求較低。本文對這種網(wǎng)絡的QOS進行了分析，提出了QOS模型并討論了交換設備中隊列調(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 實現(xiàn)遠程控制的網(wǎng)絡環(huán)境，現(xiàn)場的狀況信息、視頻防盜系統(tǒng)信息、和火災報警系統(tǒng)信息為實時數(shù)據(jù)，要求延遲保證。上網(wǎng)數(shù)據(jù)可歸為非實時數(shù)據(jù)，這部分數(shù)據(jù)對QOS的要求較低。為了提供服務質(zhì)量保證和支持實時應用，傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡的服務模型已經(jīng)被擴展，區(qū)分服務模型是其中重要的一種。

區(qū)分服務的基本思想是在網(wǎng)絡邊緣將進入的流分成各種不同的類型，將同種類型的流合并起來進行集束傳輸，并對每一種類型在網(wǎng)絡中分別進行處理。分類的工作在網(wǎng)絡的入口處進行，分類通過檢查包的一個或多個字段的內(nèi)容來完成。包被標識為一定的服務類型，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。網(wǎng)絡中轉(zhuǎn)發(fā)包的核心路由器通過檢查包頭來確定對包進行何種處理。每種服務類型都要給予不同的處理方式，以獲得相應的服務質(zhì)量。

根據(jù)以上分析，可以用區(qū)分服務來提供QOS，對于實時數(shù)據(jù)，提供延遲保證服務，非實時數(shù)據(jù)提供盡力服務。

1.2 隊列調(diào)度

隊列調(diào)度算法是實現(xiàn)網(wǎng)絡QoS控制的核心機制之一， 不同的隊列調(diào)度算法用來解決不同的問題，并產(chǎn)生不同的效果。為保證關鍵業(yè)務，優(yōu)先級算法是必要的。同時要保證實時數(shù)據(jù)的實時性。這里采用類似RTP（Real-time Transport Protocol）優(yōu)先隊列技術，RTP優(yōu)先隊列是一種保證實時業(yè)務服務質(zhì)量的簡單的隊列技術。其原理就是將承載語音或視頻的RTP報文送入高優(yōu)先級隊列，使其得到優(yōu)先發(fā)送，保證時延和抖動降低為最低限度，從而保證了語音或視頻這種對時延敏感業(yè)務的服務質(zhì)量。

針對本文的研究背景，基于實時數(shù)據(jù)的來源不同，將RTP隊列根據(jù)設備的不同分成三個實時隊列，非實時數(shù)據(jù)形成一個盡力服務隊列。系統(tǒng)的實時隊列采用先進先出（FIFO）和輪轉(zhuǎn)法（Round Robin）相結合的方式進行調(diào)度以達到公平分享的目的。盡力服務隊列采取FIFO調(diào)度策略，因此，對于本系統(tǒng)中的實時隊列采用輪轉(zhuǎn)策略，而盡力服務只有當所有實時隊列為空時才得以服務。

1.3 調(diào)度性能分析

1.3.1 丟包率

由于本文研究對象具有周期性的特點，為討論簡單，由于盡力服務隊列優(yōu)先級最低，暫不考慮盡力服務隊列的影響。

設每個隊列的數(shù)據(jù)包的到達符合泊松流，調(diào)度器的服務時間服從指數(shù)分布，λ為數(shù)據(jù)包的到達率，?為調(diào)度器調(diào)度數(shù)據(jù)包的服務率，在單調(diào)度器的情況下，這是一個M/M/1模型的排隊系統(tǒng)。

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

設緩沖區(qū)容量為K，定義狀態(tài)函數(shù)S（t）表示在t時刻，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時刻有個數(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，當系統(tǒng)處于K+1，K+2，…狀態(tài)時，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 最壞延遲時間

設B隊列為盡力服務隊列，R為實時隊列。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，不考慮實時隊列的溢出問題。為討論最壞延遲時間，建立數(shù)據(jù)包調(diào)度隊列模型如下：

相關定義如下：

Si： 實時隊列中一個周期內(nèi)對應的數(shù)據(jù)包的數(shù)量。

WR：R中的數(shù)據(jù)包等待時間，對一個數(shù)據(jù)包，從其最后一位進入隊列時起.到第一位開始從隊列送出時止的時間段稱為R包等待時間。

Li： 隊列i中一個數(shù)據(jù)包的傳送時間。

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

則最壞延遲時間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間（Wmax）用上面的公式來表示，作為QOS的設計和配置提供一個重要依據(jù)。

1.4 結束語

在基于Internet 實現(xiàn)遠程控制的網(wǎng)絡環(huán)境下，隊列調(diào)度的設計是實現(xiàn)QOS的重要環(huán)節(jié)，對于實時數(shù)據(jù)，延遲保證性能是最主要的服務質(zhì)量。本文分析出的有關延遲和緩沖區(qū)幾個指標為指定環(huán)境下QOS的隊列設計和緩沖區(qū)配置提供了重要的依據(jù)。

參考文獻：

[1] 謝希仁.計算機網(wǎng)絡[M].7版.電子工業(yè)出版社，2017.

[2] 陳智強.淺析計算機網(wǎng)絡技術在電子信息工程中的實踐[J].中國新通信， 2016， 18 （03） ：57.

[3] 韓中庚.數(shù)學建模方法及其應用[M]. 3版.高等教育出版社，2017.

[4] 徐飛 ，劉明雍 .一類面向網(wǎng)絡化控制的QoS策略框架設計與實現(xiàn)[J].西安工業(yè)大學學報 ， 2016 ， 36 （1） ：31-36.

【通聯(lián)編輯：代影】