多媒体服务的QoS是多媒体服务提供商和用户共同关注的问题。一方面,服务提供商希望尽量满足更多用户的服务请求,并尽可能地提高网络资源的利用率;另一方面,多媒体用户要求得到符合自身感官体验需求,并与接入网络带宽资源相匹配的服务质量。用户的服务请求被服务系统接纳后,如果网络带宽无法满足多媒体流的传输需求,将必然会出现因网络满负载或拥塞而引起的大量流媒体数据包丢失的现象,从而白白浪费网络资源。现提出了一种基于QoS的多媒体服务系统设计方案,其核心思想为: (1)多媒体数据源向用户提供高清晰度多媒体服务(High DefinitionMulti2mediaService, HDMS) 和普通多媒体服务( Plain Multi2media Service, PMS)两种服务类型,多媒体服务系统将根据网络资源状况向用户提供相应的服务; ( 2)利用网络测量技术获得用户网络链路带宽的数据,为多媒体系统为用户提供QoS保障型服务奠定基础; (3)根据用户网络带宽状况和多媒体服务需求而设计了多媒体服务系统的QoS软件架构。
1 多媒体数据源
视频和音频多媒体数据流利用编码技术形成两种多媒体数据曲线, 分别为:φ1 ( t) = r1 t + b1 和φ2 ( t) = ( r1 + r2 ) t + b2 ( b2 ≥b1 ) 。两种数据曲线分别对应了两种类型的多媒体服务类型,φ1 ( t) = r1 t +b1 对应普通多媒体服务( Plain Multi2media Service,PMS) ,φ2 ( t) = ( r1 + r2 ) t + b2 曲线对应于高清晰度多媒体服务( High Definition Multi2media Service,HDMS) 。高清晰度多媒体服务(HDMS)是在普通多媒体服务( PMS)数据流的基础上增加了增强层的数据编码,因此用户在感官效果上, HDMS比PMS图像更加清晰。为了保证多媒体流的播放效果,系统还规定了丢包率的上限值。HDMS对应上限值δH , PMS服务对应上限值δP 。
2 系统控制单元设计
多媒体服务系统控制单元主要由四个模块组成,分别为决策单元、链路性能探测器、服务协商和服务管理数据库, 如图1所示。下面具体阐述各组成单元的主要功能和工作过程。211 链路性能探测器链路性能探测器主要用于探测多媒体用户与图1 多媒体服务系统控制单元设计服务器之间的端到端链路容量。它首先负责接收各个用户的服务请求( Service_Request)或服务更新请求(Re2Service _Request) 。前者是用户获得多媒体服务之前发出的请求信号,后者是用户正在接受多媒体数据流,但希望获得不同等级的服务类型时所发出的更新服务请求信号。Service _Request和Re2Service_Request信号中不仅包含了服务请求的类型,即初始化服务Initial_Service或更新服务Re2fresh_Service,还含有User_ ID等信息。链路性能探测器收到Service _Request或Re2Service_Request信号后,立即开始端到端的链路容量探测工作。具体过程为: ( 1)服务器在探测时间段t所包含的时隙ti 内以固定速率ri 发送数据包,并通过用户发回的Ack信号确定对方有没有收到该数据包,假设收到数据包总量为p,则丢包率δ=[ ( Σi ri ti - p) / t ] ×100%; ( 2 ) 计算网络链路带宽B = p / t。链路性能探测器计算出端到端链路的丢包率δ和链路带宽B 值后,将δ和B 值及Service_Request或Re2Service_Request请求信号一起传递给决策单元,由决策单元决定下一步的动作。2. 2 服务管理数据库服务管理数据库负责维护和管理服务器的网络资源、用户的链路信息、服务起始和结束时间、服务类型等信息,具体字段定义及其含义见表1所示。服务管理数据库中的L ink _Status (Bandwidth,Loss_Rate)值由链路性能探测器测量和计算得出的B 和δ值确定,并由决策单元转发; Service_Type包括普通多媒体服务( PMS)和高清晰度多媒体服务(HDMS)两种; Service_Time由Stop _Time和Start_Time的差值计算得出;而Service_Status字段取值包括三个,即Initial、Refresh和Refuse, Initial表示正在接收的服务为初始化服务, Refresh表示服务状态为经过服务类型更新后的服务,而Refuse则表示服务请求被拒绝。服务管理数据库与决策单元之间通过这些字段传递网络状态和服务信息,为决策单元的接纳控制算法提供运算参数,同时存储、维护和管理由决策单元传递来的服务信息。表1 服务管理数据库字段定义字段定义字段描述字段定义字段描述Server _ Total _Band2width服务器的总带宽资源Start_Time服务起始时间Server _ Remaining_Bandwidth服务器剩余带宽资源Stop_Time服务结束时间User_ ID 用户ID号Service_Time服务时间长度Link _ Status ( Band2width,Loss_Rate)链路状态(链路带宽,丢包率)Service_Status服务状态信息Service_Type 服务类型2. 3 决策单元系统决策单元根据一定的接纳控制算法来决定如何响应用户的请求信号。该功能模块接收到链路性能探测器传来的接纳控制驱动信号( Service_Request (Re2Service _Request) , B ,δ后,立即处理该信号: (1)将驱动信号中的相关参数传递给服务管理数据库; (2)接收由服务管理数据库传来的Server_Remaining_Bandwidth信息; (3)启动接纳控制算法进行接纳判定。接纳控制算法具体描述如下:第1步 判定条件(B ≥ ( r1 + r2 ) ) & ( Server_Remaining_Bandwidth≥( r1 + r2 ) ) & (δ≤δH )是否成立。如果成立则接纳该服务请求, 服务类型为HDMS;如条件不成立,则继续第2步;第2步 判定(B ≥ r1 ) & ( Server_Remaining_Bandwidth≥r1 ) &δ≤δP 是否成立。假如该条件判定为真,则转入服务协商模块处理; 如表达式值为假,则拒绝服务请求。接纳控制算法完成后,决策单元根据判定结果8期邱春荣:基于QoS的多媒体服务系统设计22 33及服务协商模块的判定结果决定服务请求的响应Service_Response (Admission_Control_Ressult, Service_Type, Start_Time) ,并将接纳控制结果的相应字段值传递给服务管理数据库。参数Admission_Control_Ressult可能的结果有: ( 1)当接纳控制条件成立,用户的服务请求被接纳,则Admission _Control_Re2sult的值为Received; ( 2)反之,如果接纳控制条件不成立,用户服务请求被拒绝,则Admission_Control_Result的值为Refused,同时,参数Service_Type和Start_Time的值均为Null。2. 4 服务协商当系统无法为用户满足最优质的多媒体服务时,决策单元就将处理流程转向服务协商模块。服务协商功能模块向多媒体服务用户发出协商消息Negotiating( Service _ Type ) , 同时启动一个计时器(Timer) 用户端如果同意, 则返回Ack ( Service _Type) ,否则向服务器发出Refuse ( Service_Type)消息;如果超过计时器参数导致服务协商超时( Time2out) ,服务器则认为用户端拒绝该服务协商消息。协商过程结束后,服务协商单元将结果返回决策单元,由决策单元作出下一步的处置决定。
3 系统仿真结果分析
为了验证本多媒体服务系统的基本性能,本文采用了网络仿真工具NS2 - 2. 1b9a对该系统进行了系统仿真。仿真拓扑如图2所示,其中包含了一个多媒体服务器,若干个多媒体客户端主机。仿真过程中的主要参数为:分组大小为100个字节;队列长度3 000个字节,丢弃机制采用尾部丢弃( drop _tail) ,多媒体源为64 ×[ 1 + (m + 1) ×0. 5 ] kb / s (m= 0, 1)VBR数据流;服务器至WAN的链路带宽为1Mb / s,时延为30 ms;主机和WAN之间的链路为0. 125 ×nMb / s ( n为1或2) ,时延为30 ms。仿真结果将采用了接纳控制单元的系统(Admission Con2trolMulti_media Service System, ACMSS)和普通“尽力而为”的多媒体系统(Best2effortMulti_media Serv2ice System, BMSS) 进行了比较。图3 为丢包率对比,横坐标代表服务器接入链路利用率,纵坐标表示丢包率;图4是时延仿真结果对比,横坐标为服务器接入链路的利用率,纵坐标表示时延。从仿真结果来看,在链路利用率低于40%时,ACMSS和BMSS系统在丢包率和时延等方面区别不大,但随着链路利用率的提高, ACMSS系统体现出了明显的优势。当链路利用率超过60%时,BMSS系统的丢包率和时延呈现迅速的上升趋势,其原因是该系统传送的多媒体数
