一种多节点业务的分布式时延调整机制

一种多节点业务的分布式时延调整机制

高质量网络运营服务是指为用户提供完整的信息传输服务，从源到目的（端到端）。服务质量(QoS)实际体现的是一种网络能力,即网络针对应用需求的不同,提供各按所需的服务。对连续的实时媒体应用而言,时延和时延抖动是QoS的重要指标理想情况下,分组包的传输应是严格均匀的周期模式,但实际上,即使信源发出的是均匀数据流,由于网络中队列的非一致性和传播时延的不同,会不可避免地引入时延抖动和分组包到达目的端间隔的非均匀性。网络链路中交换和转发节点引起时延抖动的因素是多种多样的,如竞争相同路径的分组包碰撞、链路层非确定性传播时延等。时延抖动可定义为任意两个分组包经由某链路的最大延迟差值。链路时延抖动是指该链路可能的最大和最小传输时延之差。节点时延抖动是指该节点可能的最大和最小处理时延之差。与时延的限制不同,时延抖动的限制是指保证时延抖动的界限很小(即同时保证最大和最小时延)。一种简单的时延抖动消除方法,是目的端进行缓冲(设足够大的缓存空间)。但如果网络本身能提供某种程度的时延抖动保证,目的端的缓冲空间就会减小,尤其对高速宽带通信,这种减小的幅度会很大1分布式时延与时延摆动控制虽然实际链路的时延与抖动是复杂的,但从根本上讲,两个终端之间的实际时延以及该实际时延与端到端时延需求之间的关系是简单的。理想情况下,源节点的发送和目的节点的到达过程之间应该有一个固定延迟,形成一个“准平行四边形”的到达与发送曲线关系。当源和目的之间存在多个交换或路由节点时,由于各节点间不具有相关性,因此其队列或调度会产生不同“形状”的本地发送过程。图1给出了一个传输流到达和离开源节点、到达和离开下一(或目的)节点的全过程图。因此端到端的时延控制,实际上就是对这些本地发送过程的控制,使源和目的端达到理想或期望的“平行四边”端到端时延要求。分布式时延抖动控制的目标是通过在通道沿途各节点中引入时延调整的方法,最终在目的端实现输出时延抖动的控制和消除。如果本地发送过程的定时是受控的,则从源节点到本地节点的分组时延也是受控并可预知的。通常一个交换节点的本地发送过程只需要上限,因为早发送分组包是无害的。而在目的节点,定时下限也是不可缺少的,因为涉及到时延抖动问题。当定时的方法用于端到端时延控制时,其实现方法是将总的端到端时延划分为一系列本地发送最终期限,由本地分组调度保证和实现这些最终期限。这正是分布式时延与时延抖动控制的基本思想。分布式链路节点除了将本节点输入时延抖动进行有效的弱化或消除以外,还必须保持数据流原本的(进入本网络时的)分组到达格局和顺序,或对分组的到达格局和顺序进行某种规则的重构或再恢复,以保证分组的可靠和无失真传输以及下端相邻节点能够很好地保持或恢复原始分组的发送图案。因此每个链路节点必须包括以下逻辑功能:(1)时延调整逻辑。每通道一个,负责重构和保持各通道分组包的到达格局和顺序。(2)时延定时服务逻辑。所有通道共用的,用于保证分组包的到达格局和顺序。(3)调度服务逻辑。对到达分组按类型和优先级以及特定的规则进行调度服务。节点模型如图2所示。本方案的时延抖动控制机制会使数据传输的群时延有所增加(起始时间延迟),这是克服媒体数据传输时延抖动的代价之一。但对于纯数据业务却无须以时延代价换取抖动指标的改善。因此为同时保证多媒体业务的QoS和数据业务的时延特性,各节点必须对到达业务按业务类型和优先级进行区分服务和调度2idr输出反馈因素起始时延调整器(InitialDelayRegulator,IDR)包括一个队列和一个计时输出服务器。另外为保证在IDR队列瞬间充满时新到达分组不会立即丢失,设有一个临时接收缓冲区。时延的起始调整是指当一个分组包到达节点时,起始时延调整器IDR先设定一个时延t(1)当节点收到一次服务的第1分组时,先进行一个固定周期延迟t(2)如果定时发送时刻已到,输出队列非空,则发送一个队首分组。这种发送称为常规发送。如果在本次服务期间IDR输出队列已满,而另一个分组包在t时刻到达,则IDR必须至晚在t+Δ(3)如果一个强制发送在t时刻发生,而一个常规发送预定在t+ε时刻(ε<Δ(4)如果常规发送先启动,或与强制发送同时,则强制发送不再启动,因为常规发送同样会腾出缓冲空间。从IDR的结构和原理看出,IDR可以明显地减弱或消除由到达序列的非均匀性引起的输出时延抖动。但同时有两个因素可能引发新的输出抖动:一是强制发送,二是缓冲区下溢出所谓缓冲区下溢出是指常规发送时刻已到,IDR队列有零个分组,而整个文件传输尚未结束的情形(缓冲区为空,但常规发送时刻未到的情形,不构成缓冲区下溢出)。影响强制发送和缓冲区下溢出主要因素有两种:起始延时周期IDP和IDR的队列容量。IDP越长,缓冲区下溢出的可能性越小(IDR需要的缓冲空间越大),IDR的队列容量越大,发生强制发送的几率越小。另外,在时延调整器的实现中都假定IDR服务器在相应的常规发送和强制发送时刻能够发送分组包。这一假定是合理的,因为IDR服务器发送一个分组包,实际上是将该分组包从IDR输出缓存队列移至相应的与物理链路相连的输出服务器队列,该输出队列与所采用的服务规则有关。比如在FIFO规则中,来自所有数据流的分组包都汇聚到一个队列中,然后先进先出。而WFQ规则2基于时延摆动控制的扩大性分析为检验时延抖动控制的效果,对网络的几种不同的拓扑结构和不同的通信量配置情况进行仿真对比。图4是一个4节点交叉业务网络,对其中的3条通道(A、B、C)的时延性能进行试验测试:·通道A,对高优先级的实时业务未采用速率控制方案;·通道B,对高优先级业务采用速率控制方案,但无时延抖动分布控制;·通道C,对高优先级业务采用速率控制方案,同时引入分布式时延抖动控制技术。3条通道特征相同,服务时间t和分组包长度L都选一个单位,分组发送最小间隔δ图5给出了3个通道分组的时延及时延抖动分布情况:通道A的时延离散范围较大,说明其时延抖动大(但时延值比通道B和C小得多),接收端必须对早到的分组包进行较长时间的缓冲,以消除抖动效应,因此需要较大的接收缓冲空间(即使发生大的时延的分组包数量很少,接收端也必须预留足够的空间)。通道B引入了速率控制机制,其时延抖动的量已有了较大的改善。通道C在应用速率控制的基础上同时进行了时延抖动上限的分布式控制,其时延抖动得到了大幅度减小。但注意到通道B和C的时延分布离散性减小的同时,其代价是加大了网络时延。由通道A的讨论可知,通过简单地在系统目的端引入时延抖动缓冲吸收方法,就可能达到较为满意的时延抖动控制效果,这种方法可在多个层面上得到应用,比如在网络层甚至可在链路层的最后节点或网关上对数据进行缓冲(缓冲区和目的地之间也须做到抖动控制),这是实现端到端时延抖动控制最简便的方法。但由于系统结构的固定性、传输流的复杂性、用户需求的多样性等原因4基于时延摆动控制的网络模型仿真结果表明,分布式时延抖动控制方案在减小时延抖动方面非常有效,尤其对时延抖动敏感的实时多媒体应用。与集中式方案相比,分布式方案具有以下明显的优势:(1)可通过运用系统提供的服务,大大弱化对诸如时间标签、时钟读取、失步恢复等软件操作的依赖性。并且可通过对上层协议和操作系统支持机制的优化设计,使基于分布式方案的时延抖动控制更加精准和有效。(2)可大大减小时延受限实时通道的缓冲空间需求总量,并使链路节点的缓冲空间分布趋于均衡且具有一致性。(3)对网络而言,由于空间的节省和设备一致性增强,可大大降低成本并增加实用性。(4)为实时通道提供的时延抖动控制与链路长度是无关的,因此各节点的缓冲容量无须随着离源点距离的增加而增加。分布式方案的主要缺点是增加了网络交换节点和交换操作的复杂性(这在高速网络中应尽可能地简化)。但这种增加的复杂性并不足以影响到方案的可行性,因为与有效、可用、易实现等特性相比,这一缺点并不是至关重要的。况且,这种基于分布式的时延抖动控制服务是可以提供给网络用户的,用户可以据此满足抖动界限的要求,而无须要其它进一步的端到端的抖动限制。分布式时延抖动控制方案的另一个缺点是其在减小时延抖动的同时,还会使数据流的群时延有所增加(起始时间延迟),这也是换取时延抖动指标改善的另一个代价。但只要综合考虑QoS指标,使总体时延满足要求,这种代价就是合理的(ITU-G.114标准规定媒体业务End-to-End时延≤150ms。图5所示的结果符合该标