CN100536434C - 一种ip dslam中基于qos要求的自适应调度方法 - Google Patents
一种ip dslam中基于qos要求的自适应调度方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种IP DSLAM(数字用户线接入复用器)中基于QOS(服务质量)要求的自适应调度方法，在IP DSLAM(数字用户线接入复用器)中引入了QOS(服务质量)管理平台的概念，使用它来管理用户的QOS(服务质量)要求，调度和收费模块根据用户的QOS(服务质量)来进行资源调度和收费。DSLAM(数字用户线接入复用器)还会根据网络的链路状况和用户级别进行实时的网络监控，当网络资源紧张时，它会调低用户的服务级别，反之，当资源较多时，它会调高用户的服务级别。当高优先级的用户接入时，DSLAM(数字用户线接入复用器)会为它进行优先插入，它会调低别的低优先级的用户的服务级别，从而为它挪出足够的资源来为它实现优先服务。
Description
技术领域
本发明涉及一种IP DSLAM(数字用户线接入复用器)中基于QOS(服务质量)要求的自适应调度方法，涉及ADSL(非对称数字用户线路)网络技术以及QOS(服务质量)管理技术，属于计算机网络技术领域。
背景技术
现在网络向着宽带化，综合化方向发展，网络需要多业务承载能力，视频、图像、话音数据同时需要先进的流量处理能力，并由此提供基于差分服务的运营模式。宽带网的业务商业模式会进一步向按质论价，优质优价的电信主流运行模式发展而不是今天的粗放运营模式。它应能提供有区别的业务服务能力，为不同群体提供不同的服务，DSLAM(数字用户线接入复用器)承载层可提供不同服务质量和不同的承载能力。这对IP DSLAM(数字用户线接入复用器)的设备，特别是QOS(服务质量)管理提出了前所未有的技术挑战和市场机遇。
DSLAM(数字用户线接入复用器)发展过程，历经了3代DSLAM(数字用户线接入复用器)，分别为ATM DSLAM(异步传送模式数字用户线接入复用器)，ATM(异步传送模式)内核的IP DSLAM(数字用户线接入复用器)，IP DSLAM(数字用户线接入复用器)。ATM DSLAM(异步传送模式数字用户线接入复用器)提供ATM(异步传送模式)流量汇聚、通过ATM(异步传送模式)的QOS(服务质量)技术来实现业务的服务质量及流量管理，但是具有成本高，难与IP骨干网互通等缺点。ATM(异步传送模式)内核的IP DSLAM(数字用户线接入复用器)的特点是ATM承载层的终结集中在以太网上行接口，缺点是在数据流量较大时设备上行端口易拥塞；网络扩容困难；只能支持很少量的VLAN(虚拟局域网)，难保障专线用户的QOS(服务质量)；很难支持日渐成型的组播业务。
现在的IP DSLAM(数字用户线接入复用器)利用了IP的丰富的业务特性，可以开展多如Internet互联、语音、视频等多种业务，但是由于IP QOS(服务质量)的研究尚未成熟，而且TCP/IP网络只提供所“尽力而为”的服务，它并不能提供良好的QOS(服务质量)支持。
综上所述，看到了IP DSLAM(数字用户线接入复用器)中QOS(服务质量)管理平台的必要性，所以对IP DSLAM(数字用户线接入复用器)中的QOS(服务质量)问题进行了研究，提出了建立一套QOS(服务质量)管理平台的方案。的目标是能够根据用户的服务要求和业务类型，以及网络状况提出一种自适应的QOS(服务质量)管理方案。
现有的IP DSLAM(数字用户线接入复用器)中的调度和收费方法，现在的IPDSLAM(数字用户线接入复用器)中并不提供差分服务，并不区分不同级别的用户，在调度方法中，它仅仅提供最简单的简单轮循调度，也就是简单的将Bandwidth在所有流件进行平均分配，不考虑流的优先级。这样的结果，运营商是非常不愿意看到的，它希望能够根据用户的要求，用户的交费情况，而提供有差别的服务，这样就迫切要求在资源调度方面能够根据用户的要求和交费情况进行有差别的自适应的调度，因此本文提出了基于QOS(服务质量)的自适应调度方法。
同时，在现在的DSLAM(数字用户线接入复用器)中，都是进行统一的无差别的交费，这样并不能反映服务质量和收费之间的关系。因此，收费也必须是基于QOS(服务质量)的，因为如果不能提供有差别的收费，所有人都将选择最高质量的服务，差分服务将无从实现。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种IP DSLAM(数字用户线接入复用器)中基于QOS(服务质量)要求的自适应调度方法。
宽带网的业务商业模式会进一步向按质论价，优质优价的电信主流运行模式发展而不是今天的粗放运营模式。从电信运营商的角度来讲，它希望能够提供等级服务，要求接入网能够区分不同的服务类型，不同的服务级别。举例来说，在DSLAM(数字用户线接入复用器)中，普通用户和VIP用户由于交费不同，不该享有同等的服务，因此，这就要求IP DSLAM(数字用户线接入复用器)必须能够将用户的QOS(服务质量)要求和服务质量与收费结合起来，提供按质论价，优质优价的差分服务。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种IP DSLAM(数字用户线接入复用器)中基于QOS(服务质量)要求的自适应调度方法，包括以下步骤：
步骤1；在PPP链路建立后，用户和DSLAM(数字用户线接入复用器)将进行QOS(服务质量)协商，商定相应的服务级别且服务级别中包括收费内容；
步骤2；进行QOS(服务质量)接入，DSLAM(数字用户线接入复用器)开始为用户提供有QOS(服务质量)保证的服务；
步骤3；QOS(服务质量)管理平台将用户相应的服务级别传递给调度模块，调度模块根据用户的服务级别为用户调度资源，传递数据；
步骤4；QOS(服务质量)管理平台将用户相应的服务级别传递给收费模块，收费模块根据用户的服务级别收费；
步骤5；QOS(服务质量)管理平台进行实时的QOS(服务质量)控制，按照链路状况调整用户的服务质量；
QOS协商主要由适应性函数和资源管理函数完成，客户端第一次提出QOS请求，资源管理函数接到请求后，查看可用资源列表，如果有足够的资源满足QOS请求，则返回一组最后的QOS指标；如果当前没有足够资源满足QOS请求，那么用户启动适应性函数，由适应性函数根据用户给出的适应性条件，调整QOS指标，再次提出QOS请求，这个过程直到双方达成一个一致的结果，也就是最后协商的一组QOS指标；如果发现资源无法满足最低的QOS需求，返回FALSE值。
将路由器中的QOS(服务质量)管理平台的概念引入到IP DSLAM(数字用户线接入复用器)中，用它来指导资源调度和收费，从而实现基于QOS(服务质量)要求的自适应调度和收费方法。具体的说，将根据用户的QOS(服务质量)优先级进行调度和收费，从而实现基于QOS(服务质量)的调度和收费方法。并且，该调度方法是自适应的，例如，当高优先级的用户到来时，网络已经没有资源分配给该用户，平台是否拒绝该用户的请求呢？不是，平台将对现在运行的低优先级的用户进行的QOS(服务质量)质量进行调整，降低它们的QOS(服务质量)，从而为高优先级的用户挪出所需的资源，优先满足高优先级的用户的服务需求。
本发明的有益效果；提出的技术方案不仅有效的反映了用户的QOS(服务质量)要求，使得IP DSLAM(数字用户线接入复用器)能够根据用户的QOS(服务质量)要求为其提供相应的服务，同时，也方便了网络管理者，使其能够根据用户的服务要求进行收费，方便了网络的管理。同时，该方案是自适应的，可以根据网络的状况做出调整，既方便了用户的使用，又解决了流量管理等问题，防止了网络拥塞，从而提高网络的整体运行质量。本发明将对ADSL(非对称数字用户线路)网络奠定重要的技术基础，对推动自主知识产权信息技术的研究将有重要的意义，必将产生良好的经济和社会效益。
本发明的特点是；
1.普通IP DSLAM(数字用户线接入复用器)中并不提供QOS(服务质量)管理，不提供差分服务，本发明将QOS(服务质量)管理平台引入到IP DSLAM(数字用户线接入复用器)中，来实现IP DSLAM(数字用户线接入复用器)的QOS(服务质量)管理。
2.在调度方法方面，普通DSLAM(数字用户线接入复用器)仅仅提供无差别的轮循调度，本发明将QOS(服务质量)管理平台网络层的调度结合起来，使用它来指导网络资源分配，从而实现差分服务。
3.在收费方面，本发明将QOS(服务质量)管理与收费结合起来，可以按质收费，优质优价。
附图说明
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。
图1带有QOS(服务质量)控制的IP DSLAM(数字用户线接入复用器)工作流程图
图2为QOS(服务质量)协商流程图；
图3.自适应调度流程图
图4.基于IXP2350的IP DSLAM(数字用户线接入复用器)架构图
图5.数据面模块构成图
具体实施方式
实施例1：QOS(服务质量)协商过程：
用户将通过Portal页面方式进行QOS(服务质量)请求，为方便用户操作，用户将只需要简单的选择服务质量要求，如服务质量较差、差、一般、良、优、最优，对应的相关的QOS(服务质量)参数存储在服务器QOS(服务质量)管理平台中，由QOS(服务质量)管理平台将其映射为网络QOS(服务质量)参数，参数可以包括用户服务等级、用户所需带宽、时长及对端IP地址等。在下面给出了一些关键的QOS(服务质量)指标，用户可以根据具体需要进行扩展：
承诺的信息速率v：是指正常情况下网络对用户承诺的用户数据传送速率v，单位为数据单元/s。
承诺的信息帧传送时延t指网络承诺用户终端之间通过网络传送一帧信息所需的时间t＝t2-t1，其中t1为帧的第一个比特由用户终端进入网络的时刻，t2为帧的最后一个比特由网络进入用户终端的时刻。
承诺的帧丢失率P＝Pl/(Pl+Ps+Pe)，指网络承诺丢失的用户信息帧占所有发送帧的比率其中，Pl为丢失的用户信息帧总数，Ps为成功传送的用户信息帧的总数，Pe为残余错误帧总数，所谓残余错误帧指校验正确但接收到的用户信息帧内有一个或几个比特错误的帧。
帧优先级数(C)在IPv6中，已经设置了优先级字节，因此可以设置帧的优先级别，具体对应的QOS(服务质量)参数由QOS(服务质量)映射来完成。
QOS(服务质量)协商主要由适应性函数和资源管理函数完，其基本思路是客户端第一次提出QOS(服务质量)请求，资源管理函数接到请求后，查看可用资源列表，如果有足够的资源满足该节的QOS(服务质量)请求，则返回一组最后的QOS(服务质量)指标；如果当前没有足够资源满足节的QOS(服务质量)请求，那么用户启动适应性函数，由适应性函数根据用户给出的适应性条件，如QOS(服务质量)是否可以降低，降低的下限等，调整QOS(服务质量)指标，再次提出QOS(服务质量)请求，这个过程直到双方达成一个一致的结果，也就是最后协商的一组QOS(服务质量)指标；如果发现资源无法满足节最低的QOS(服务质量)需求，返回FALSE值，示意图如图2所视。
QOS(服务质量)管理平台如图3(QOS(服务质量)协商流程图)所示，QOS(服务质量)管理平台主要有以上几个工作过程。当收到用户的QOS(服务质量)请求时，平台将进行QOS(服务质量)映射，将用户的不精确的QOS(服务质量)等级细化为具体的QOS(服务质量)要求；然后平台将和用户进行QOS(服务质量)协商，当网络不能满足用户QOS(服务质量)要求时，将进行QOS(服务质量)收缩；如果QOS(服务质量)协商通过，将进行QOS(服务质量)接入，即开始为用户提供有QOS(服务质量)保证的网络服务；最后，在传输过程中，平台将根据网络状况进行调整，如果网络变的拥塞，平台将调低QOS(服务质量)，如果网络情况变好，平台将调高QOS(服务质量)。QOS(服务质量)管理平台的函数具体实现如下：
(1)适应性函数
在许多非自适应提供QOS(服务质量)服务的场合，当无法维持预定的QOS(服务质量)时，只是简单将信息反馈给用户，由用户来决定是降低QOS(服务质量)还是终止服务。而在的自适应QOS(服务质量)管理方案中，适应性函数根据用户提供的一些信息，如QOS(服务质量)指标是否可以降低等，与资源管理函数协商，将QOS(服务质量)调整到一个合适的值运行。当资源状态变化时，如有用户释放了资源，适应性函数也可以调整QOS(服务质量)指标，提供更好的服务质量。适应性函数定义为A＝A(u，g，q，C)，其中u为一组用户提供的信息，g为一组网络资源状态的信息，q为一组多媒体流的QOS(服务质量)指标，C为多媒体流的优先级。
(2)接入许可函数
接入许可函数返回的结果表示网络是否能提供应用提出的QOS(服务质量)请求，或经过协商后是否能达到一个一致的结果QOS(服务质量)。如果网络有足够的资源保证多媒体应用的QOS(服务质量)请求，接入许可函数返回一组具体的QOS(服务质量)指标，表示该应用可以以所请求的QOS(服务质量)投入运行；如果网络缺少一部分资源保证多媒体应用的QOS(服务质量)请求，客户端可以启动适应性函数与资源管理函数协商，看是否可以以较低的QOS(服务质量)使应用能为网络所接入，一旦达成一个一致的协商结果，接入许可函数也返回一组具体的QOS(服务质量)指标，多媒体流可以以较低的QOS(服务质量)投入运行；如果协商后仍然不能达成一个一致的结果，则说明目前必要的系统资源已被其它进程占用，接入许可函数返回FALSE值，表示当前多媒体流无法投入运行)，接入许可函数定义为P＝P(q，g，u，C)，q，g，u，c定义同上。
(3)资源管理函数
QOS(服务质量)保证总是离不开资源管理，资源的管理和预留是保证QOS(服务质量)的前提条件，资源管理函数应该能自动监控系统资源包括网络状态的变化，实时地更新资源分配表和可用资源列表，还应该能根据多媒体应用的QOS(服务质量)请求(包括适应性函数协商的结果)和多媒体流的优先级将资源分配给多媒体流使用，该函数定义为M＝M(q，g，C)，q，g，C的定义同上，
网络层调度模块：QOS(服务质量)管理平台将向网络层传递用户优先级参数，网络层调度模块将利用该参数，执行优先级调度，保证优先级高的多媒体流优先得到系统提供的服务，IPv4中并不提供分组优先级别设置的支持，但在TPv6中已经有了优先级字段，可以设置分组不同的优先级别。下面是根据用户级别所分配的优先级数：
| 用户级别 | 优先级数 |
| VIP用户 | 4 |
| 白金用户 | 3 |
| 白银用户 | 2 |
| 普通用户 | 1 |
表1.优先权分配表
在本自适应管理方案中，根据优先级数(C)对多媒体流进行调度，将多媒体应用按其优先级排队，新的多媒体应用到来时按其优先级数插入队列中的恰当位置，当前队列中具有最高优先级数的任务取出提供服务，看是否能满足其QOS(服务质量)请求，是否能接入运行。为方便实现，在此仅提供一种最简单的调度方法，根据用户的优先级数(C)来选择轮循速率v＝k*C。例如上图中，按照此公式，普通用户的轮循速率只有VIP用户的1/4，这样，VIP用户就获得了较高的传输速度，获得了较高的传输质量。
同时，高优先级用户还具有优先插入的权利，例如当前加入的多媒体任务具有较高优先级数，而当前系统资源又不足以接入该多媒体任务，那么是否要拒绝该任务呢？将减少具有较低优先级数的任务所占用的资源，即减低其它较低优先级数任务的QOS(服务质量)指标，这个过程称为QOS(服务质量)收缩(由于该任务已经投入运行，因此在的方案中并不打算将其终止)，从而挪出足够的资源可以向高优先级的任务提供服务。
自适应调度：
PPP计费模块：用户的计费必须反映用户的服务质量要求，否则，用户将都选择最高优先级的服务，QOS(服务质量)分级将失去意义。当PPP计费模块收到QOS(服务质量)管理平台发来的优先级信息时，PPP模块将根据此优先级进行计费，收费价格P＝k*C(k＞0)。这样，电信管理者可以根据用户的服务质量进行收费，从而将用户的服务质量和服务等级联系起来，可以实现按质论价，优质优价。
实施例2：
下面是一个利用该自适应调度方法的实例，是基于IXP2350来实现IPDSLAM(数字用户线接入复用器)，以此作为实际应用的一个参考。
如图“基于IXP2350的IP DSLAM(数字用户线接入复用器)模块图”所示，该IP-DSLAM(数字用户线接入复用器)系统从硬件结构上分为IXP2350和PMC专用芯片两部分。PMC专用芯片主要信号的调制/解调、复用/解复用。IXP2350主要是完成对线路侧和骨干网侧不同数据包进行格式转换功能，而且还能完成线路管理、BAS(宽带远端接入服务器)等功能。
从软件上分又可分为管理面和数据面，管理面主要完成对每个用户的线路进行认证、计费、管理等功能，将在管理面上建立QOS(服务质量)管理平台，通过QOS(服务质量)管理平台来管理QOS(服务质量)，并在管理面的PPP收费系统中反映用户的QOS(服务质量)对应的收费状况；数据面主要完成对正常数据包的快速处理和转发，将在数据面上实现自适应调度，来反映用户的优先级。管理面运行在XSCALE处理器上，数据面运行在ME上。系统的各个部分之间需要相互协调合作，PMC专用芯片和IXP2350之间是通过UTOPIA接口来实现数据的快速交互的；IXP2350和上行端口间通过千兆以太网口进行连接；数据面和管理面之间是通过共享内存的方式来进行通信的。
从DSLAM(数字用户线接入复用器)中数据的流向来看，系统又可分为上行数据处理部分和下行处理部分。上行数据处理主要完成将ADSL(非对称数字用户线路)线路侧信号解调、复用然后将IPoE over ATM形式的数据包转化为以太网包的形式并转发到IP骨干网中；下行数据处理主要完成将以太网帧转化为IPOEOA形式的数据报并进行解复用以及调制最后发送到各个ADSL(非对称数字用户线路)线路上。
上图所示为数据面的数据处理流程，在4个ME上并行运行各部分代码。上行数据处理部分主要是由ATM(异步传送模式)接收模块、逻辑链路解封装/分类、点对点协议解封装、IP转发、以太封装、数据包调度、数据包队列管理、数据包发送几个模块来组成的。其中ATM(异步传送模式)接收模块主要完成接收ADSL(非对称数字用户线路)线路上的ATM(异步传送模式)信元，然后虚拟通道号相同的信元重组成IPoE信元；逻辑链路解封装/分类，点对点协议解封装主要是完成将IPoE包解封装成IP包；IPv4模块负责对IP数据报根据IP地址进行转发，以太封装模块负责对数据报进行以太封装，数据包队列模块接收来自点对点解封装模块的数据包，对其执行Enqueue(入队)操作，将其加入到相应的队列中，等待发送。调度负责执行调度算法，得出调度结果，数据包队列管理执行Dequeue(出队)操作，从指定的队列中取出数据包，交给数据包发送模块进行发送处理。数据包发送模块接收来自数据包队列管理模块的数据包，将其发送到IP网络。
下行数据处理部分主要是由数据包接收、以太解封装、IPv4转发，点对点协议封装、逻辑链路封装、传输管理4.1成形、异步传输模式队列管理、传输管理4.1调度、异步传输模式发送几个模块组成。其中数据包接收模块接收来自以太网的数据包分片并将其重组为完整的数据包；以太解封装模块负责对数据包进行解封装，点对点协议封装，逻辑链路封装模块对数据包进行逻辑链路封装；传输管理4.1成形模块、异步传输模式队列管理和传输管理4.1调度模块共同完成发送队列的Dequeue(出队)、Enqueue(入队)以及队列调度操作；异步传输发送模块接收来自异步传输队列管理模块的数据包，并将其发送到ADSL(非对称数字用户线路)线路上。将在调度模块中使用新的调度方法，从而达到更好的调度效果。
Claims (3)
1.一种IP DSLAM数字用户线接入复用器中基于QOS服务质量要求的自适应调度方法，其特征是：包括以下步骤：步骤1；在PPP链路建立后，用户和DSLAM将进行QOS协商，商定相应的服务级别且服务级别中包括收费内容；
步骤2；进行QOS接入，DSLAM开始为用户提供有QOS保证的服务；
步骤3；QOS管理平台将用户相应的服务级别传递给调度模块，调度模块根据用户的服务级别为用户调度资源，传递数据；
步骤4；QOS管理平台将用户相应的服务级别传递给收费模块，收费模块根据用户的服务级别收费；
步骤5；QOS管理平台进行实时的QOS控制，按照链路状况调整用户的服务质量；
QOS协商主要由适应性函数和资源管理函数完成，客户端第一次提出QOS请求，资源管理函数接到请求后，查看可用资源列表，如果有足够的资源满足QOS请求，则返回一组最后的QOS指标；如果当前没有足够资源满足QOS请求，那么用户启动适应性函数，由适应性函数根据用户给出的适应性条件，调整QOS指标，再次提出QOS请求，这个过程直到双方达成一个一致的结果，也就是最后协商的一组QOS指标；如果发现资源无法满足最低的QOS需求，返回FALSE值。
2.根据权利要求1所述的一种IP DSLAM中基于QOS要求的自适应调度方法，其特征是：在资源全部分配完毕后，当高优先级的用户到来时，将调低低优先级用户的QOS级别，为高优先级用户进行优先服务。
3.根据权利要求1所述的一种IP DSLAM中基于QOS要求的自适应调度方法，其特征是：用户给出的适应性条件为QOS是否可以降低，降低的下限。
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| 基于IP DSLAM系统QoS转发处理模型的研究. 刘莉，魏智，周箴.电信技术，第2005年卷第02期. 2005 |
| 基于IP DSLAM系统QoS转发处理模型的研究. 刘莉，魏智，周箴.电信技术，第2005年卷第02期. 2005 * |
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