CN101827027A - 一种基于层间协作的家庭网络QoS保障方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于层间协作的家庭网络QoS保障方法，具体步骤包含：首先，通过业务层参数化Qos的提取业务的QoS需求参数集，映射为家庭网络所需的QoS控制参数集；然后，资源管理机制结合MAC层的队列调度和介质访问控制机制根据业务层得到的QoS控制参数集或者反馈数据指导MAC和业务层面协作进行QoS保障；其中，所述的资源管理机制的流量监控层提供的最大可用带宽数据为控制依据，依据该最大可用带宽数据接纳控制层与业务层的QoS协商配合控制进入网络的业务及流量，接纳该业务请求后资源分配层分配的带宽信息将指导MAC层的队列调度和混合介质访问控制机制。本发明使网络中业务的Qos得到实时、有效的保障。

Description

一种基于层间协作的家庭网络QoS保障方法

技术领域

本发明涉及家庭网络系统，特别涉及一种基于层间协作的家庭网络QoS保障方法和系统。

背景技术

随着宽带网络的普及和家居设备的数字化发展，人们对通信服务的需求已不再是简单的话音和单向的视频，而是更快速、更丰富、交互式的宽带多媒体业务。家庭网络的业务正在向着融合性、交互性、丰富性、个性化的方向发展。目前，家庭网络中以音视频为主要的业务，尤其是个性化的高清音视频业务(如高清IPTV、视频点播VOD、DVR等)，具有高带宽、较为严格的延迟及误码等服务质量(QoS)需求。因而，服务质量(QoS，Quality of Service)成为以交互性媒体业务为主的家庭网络研究中的关键问题。

现有的家庭网络QoS机制大体可以分为资源预留、优先级控制和参数化QoS几种。资源预留机制采用预先保留一部分网络资源的办法来保证对用户的服务质量，例如IEEE1394、Bluetooth、HomeRF。IEEE1394提供同步和异步两种信道类型，其中同步(isochronous)信道通过资源预留的机制来提供可保证的通信带宽。Bluetooth也定义了同步和异步两种类型的传输信道，其中同步信道用于语音数据的传输。HomeRF为语音和数据提供两种不同的介质访问协议，语音使用带宽可保证的TDMA/TDD协议，TDD保证了全双工通信，TDMA为每路话音连接提供每帧一次的访问接入保证数据使用带优先级的信道竞争协议(CSMA/CA)。资源预留机制主要缺点是，用户对资源的确切需求往往无法预先得知，导致对资源的预留不够精准，同时对资源需求的变化尚不能及时处理，这使得网络资源的利用率较低。

优先级控制为通信量提供不同的传送优先级来提供可区分的服务质量，典型的例子有HomePlug、IEEE802.1D、IEEE 802.11e(EDCF)等。HomePlug电力线联盟定义的HomePlug介质访问接口规范，也采用带优先级的CSMA/CA算法，支持4种优先级。在优先级解决周期(Priority Resolution Period)中，设备发送之前先通知优先级信号，发生竞争时仅允许最高优先级的设备继续发送。

HomePNA采用了ITU-T定义的G.989.1指定的家庭电话线网络收发器的规范DFPQ(Distributed Fair Priority Queuing)，它采用带8个优先级的竞争访问机制(CSMA/CD)访问共享信道，访问信道时采用了绝对的优先级，提供一定的QoS支持。

IEEE802.1工作组针对802系列网络定义了一系列基于优先级的QoS规范，主要包括IEEE802.1D/p/Q。IEEE802.1D(MAC Bridges)是一种具有优先级机制的用于桥接局域网的链路层协议标准，IEEE802.1p是IEEE802.1D标准的一部分，802.1p主要用于定义MAC层网桥的通信量类别和动态多播过滤器，它还定义了优先级控制机制，包括用户优先级访问优先级和通信量类别。802.1D所提供的QoS机制比较简单，虽然提供了关于局域网QoS的标准，但它仅仅依靠优先级来区分通信量，没有提供严格意义上的QoS特性；此外它没有准入控制机制，这导致网络比较容易出现拥塞。802.1Q主要用于定义虚拟桥接局域网(Virtual Bridged LANs)及其所提供的服务。RFC2814-SBM(Subnet Bandwidth Manager)定义了基于RSVP的IEEE802网络准入控制机制。另外RFC2815定义了Internet综合服务(Integrated Service)到IEEE802网络上的映射。

优先级方式的主要优点是结构简单、易于实现，缺点是无法严格控制高优先级通信量的带宽消耗及实现较为精确的资源分配。

参数化QoS采用一定的参数对通信量特征进行定量描述，可以提供更为细化的服务质量，但一般实现起来较为复杂。典型的例子有IEEE802.11e的HCF(HybridCoordinator Function，混杂协调功能)，可用于竞争周期和无竞争周期。混杂协调器(Hybrid Coordinator HC)采用轮询的方式分配传输时机(Transmission Opportunity，TXOP)，即一个站点有权发起通信会话的一段时间间隔，从而提供细化的QoS参数控制。

HomeMAC是一种基于参数化QoS控制的家庭网络MAC协议，其将数据流(traffic)分为三种：硬实时流(Hard real-time)、软实时流(Soft real-time)和非实时流(Non real-time)，该协议重点保障软实时流的性能，针对实时业务用令牌方式保障其带宽分配，允许每一实时信息流去获取带宽和QoS保障，根据用户需求、媒体特性、网络状况动态分配带宽，可以为包括音视频等媒体(不单纯面向数据和语音)提供优先服务。但其仅对音视频业务提供实时性支持，并且在带宽估算方面仍有局限性，没有对业务的资源需求做出动态预测；在网络状态下降时对非实时业务停止服务，并同等程度降低了所有实时业务的QoS，没有对实时业务的具体需求做出相应调整。

随着新型网络业务应用的日益丰富，资源预留和优先级控制机制无法提供更加细化的服务区分，从而难以满足众多应用细化的QoS需求；参数化QoS通过采用一定参数对业务特征进行定量描述，可以提供更为细化的服务质量。但网络中某一层根据参数提供QoS保障的技术仅能对本层的性能进行优化，对于业务的性能需要网络中各个层次的配合，从整体上提供良好的性能。尤其是家庭网络环境下多业务共存，更需要从网络各层的整体配合来保障各业务QoS需求。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有家庭网络机制采用的优先级方式或参数化Qos各层独立的控制方式带来的资源分配不合理、及时等缺点，从而提出一种基于层间协作的家庭网络QoS保障方法。

为此本发明提出的一种基于层间协作的家庭网络QoS保障方法，所述的方法采用MAC层和业务层跨层的QoS控制策略，该策略结合控制节点的资源管理机制中的流量监控层、接纳控制层和资源分配层之间的跨层协作控制策略，具体步骤包含：

首先，通过业务层参数化Qos的提取业务的QoS需求参数集，映射为家庭网络所需的QoS控制参数集；然后，资源管理机制结合MAC层的队列调度和介质访问控制机制根据业务层得到的QoS控制参数集或者反馈数据指导MAC和业务层面协作进行QoS保障；

其中，所述的资源管理机制的流量监控层提供的最大可用带宽数据为控制依据，依据该最大可用带宽数据接纳控制层与业务层的QoS协商配合控制进入网络的业务及流量，接纳该业务请求后资源分配层分配的带宽信息将指导MAC层的队列调度和混合介质访问控制机制。

上述技术方案，所述的参数化Qos的通过流量分类机制实现，该流量分类机制具体包含如下子步骤：

首先，根据流量类型和相应的参数描述流量，并用QoS需求参数集A进行描述；

然后，根据Qos需求参数集A运算后得到Qos控制参数B，所述的Qos控制参数B用于层间协作QoS控制的运行和调整的控制参数。所述的QoS需求参数集A，包括以下参数：带宽需求BW、延迟Delay、抖动Jitter、丢包率Lr、数据重要性Importance、文件大小FileSize或业务类型ServiceType；所述的QoS控制参数集B，包括以下参数：数据优先级Prio，带宽变化范围BW_max～BW_min，延迟Delay或抖动Jitter。

作为本发明的一个改进，所述的资源管理机制通过流量监控模块、接纳控制模块和资源分配子模块协作实现，包括：带宽分配步骤、基于反馈的分配动态优化步骤和QoS调整的步骤；所述的带宽分配步骤，根据业务的需求参数及网络的当前状态，为各个业务分配初始带宽，并与MAC机制配合完成共享信道中的多个设备访问信道的策略控制；所述的基于反馈的分配动态优化步骤，基于反馈的分配动态优化结合业务站点的反馈调整带宽，达到带宽分配的动态调整；所述的QoS调整步骤，当网络的资源不足以满足业务的当前需求时，降低业务QoS需求参数，用于保证高优先级业务的需求。

所述的队列调度步骤具体包含如下子步骤：

首先，MAC层队列调度机制为每一个数据优先级Prio维护一个队列，业务数据根据优先级Prio进入相应队列被调度；

然后，优先级Prio高的队列数据优先使用信道，同一优先级队列中，如果有即将达到最大延迟Delay的分组，即T_queue为满足T_queue+T_serve≤Delay的最大值，则优先选择这样的分组进行传输，其中T_queue为分组进入队列的时长，T_serve为家庭网络为数据服务时间的估计值；

最后，高优先级队列被数据填满时，如果低优先级队列有空间，则新到达的高优先级数据进入低优先级队列，此时对于低优先级队列，优先处理高优先级的数据；对于实时性要求高的业务类型，当所分配到的带宽有限，导致出现T_queue+T_serve＞Delay的分组时，应对这样的分组进行丢包处理。

所述的业务数据，根据分配的信道使用时间在规定的发送时间内发送数据，业务站点在发送完毕后，各个优先级队列的已用空间SendBuff_used被更新到传输令牌帧中并反馈给资源管理机制的流量监控模块。

所述的介质访问控制机制，采用基于业务区分及预测机制的混合MAC协议，该协议用于根据各个业务的优先级或带宽分配参数提供底层的支撑及保证。

本技术方案针对一次完整的业务发起及执行所述的层间协作的家庭网络QoS保障方法步骤如下：

1)有新业务发起时，流量分类模块提取业务的QoS需求参数，对流量划分优先级，并输出携带优先级分类、带宽、延迟、丢包率等QoS参数的数据，从而启动基于业务分类的层间协作的QoS机制；如果是来自家庭网络外部的业务，则是通过QoS映射机制，提取外部网络中定义的QoS参数，映射为家庭网络中所需要的优先级分类、带宽范围等参数，从而在家庭网络中也为其提供相应的QoS保障；

2)在MAC层，每个优先级都有一个单独的队列，各优先级数据进入对应的队列内，并由队列调度模块根据数据的延迟、丢包率的参数需求进行调度，排在队首的业务数据才能申请使用信道传输；

3)MAC队列中的队首业务申请信道需遵循介质访问控制(MAC)机制，在允许新业务争用信道的周期内发送业务申请帧，其中包含如下参数：业务的优先级、带宽、延迟、丢包；

4)申请到信道的业务站点成功发送业务申请帧后，控制节点根据介质访问控制(MAC)机制解析出业务的QoS参数并提交给资源管理机制模块；

5)资源管理机制模块管理并定时更新着一个带宽管理表(BMT)，并包括接纳控制、流量监控和资源分配子模块；根据流量监控子模块估计出的网络最大可用带宽，结合网络中已有业务的需求，判断当前网络能否满足业务的QoS需求参数，从而做出裁决是否接纳新申请业务；

6)资源管理机制的资源分配子模块结合终端处理能力为新业务分配初始带宽，基于已有业务站点的反馈动态优化带宽分配，并根据需要启动QoS调整策略；结合MAC机制的需求，为各个业务分配下一MAC周期中的业务发送时间，并结合业务优先级指定发送顺序，从而与MAC机制配合完成共享信道中的多个设备访问信道的控制；

7)网络中已被接纳的业务根据控制节点分配的业务发送时间，在收到令牌帧后的规定时间内，按队列调度策略传输数据；时间到或者提前传输完，则在令牌帧中提交队列调度的参数，并继续传递令牌；如果出现无法满足延迟需求的数据，队列调度模块则依据一定的策略进行丢包处理；

8)最后一个站点将令牌传给控制节点，控制节点收回令牌后，资源管理机制模块的资源分配子模块解析各个业务的队列调度参数，更新带宽管理表(BMT)，并预测下一时刻各个业务的带宽需求情况，根据预测结果判断是否需要启动QoS降级策略，并分配相应业务带宽。

其中，所述的步骤5)具体包含如下子步骤：

5-1)如果控制节点的接纳控制层预测当前网络最大可用带宽能够满足业务的最低QoS需求，则接纳新业务的加入同时向对应站点发送一个响应帧ACK；

接纳控制层将新业务的参数添加到带宽管理表中后，流量监控层更新带宽管理表中的网络状态参数，资源分配层将为新业务分配初始带宽；

5-2)如果接纳控制层预测当前网络最大可用带宽无法满足业务的最低QoS需求时，接纳控制层拒绝接纳新业务，发送拒绝服务消息NACK，并在消息中告知网络的最大可用带宽；

业务站点收到NACK后，提交给QoS协商模块来相应调节业务的QoS参数，所述的参数包含数据产生速率、编码方式或丢包率，如果调节成功，则可以继续申请信道，流程同步骤5-1)。

本发明所述的介质访问控制机制，采用基于业务区分及预测机制的混合MAC协议，该协议用于根据各个业务的优先级或带宽分配参数提供底层的支撑及保证。

本发明针对家庭网络环境中多属性业务共存情况下的QoS保障需求，采用网络多层配合协作的方法，结合优先级和参数化QoS的优点，提出一种基于网络层间协作的QoS保障技术。层间协作的QoS技术以业务QoS需求为驱动，采用跨层协作的QoS控制策略，通过流量分类、QoS映射机制、资源管理机制来提取业务需求参数进行分类，对网络资源进行统一调度，并指导业务层、MAC层协作配合调度；业务层面上由QoS协商模块调整业务需求，MAC层面上由队列调度和基于业务特性的混合介质访问控制(MAC)机制根据业务需求完成相应调度。结合网络及终端的处理能力，实现整体上的QoS保障，为业务提供有效资源分配。并在此技术基础上构建了由控制节点(家庭网关设备)和普通节点(多种业务终端设备)构成的QoS保障系统。

本发明所提出的家庭网络QoS控制结构包括两种类型的设备：普通节点(业务终端)和控制节点(同时也可以作为业务终端)。能够管理家庭网络QoS的控制节点一般由家庭网关来担任。为了提供QoS支持，普通节点和控制节点的QoS架构都应包含QoS机制及相应模块。普通节点和控制节点均由流量分类、QoS协商、队列调度和介质访问控制(MAC)机制组成。另外，控制节点还包括QoS映射机制、资源管理机制，如图1所示。图中资源管理机制模块为层间协作的QoS控制策略控制的核心部分，其中包括流量监控、接纳控制、资源分配子模块。层间协作的QoS控制策略提取业务的QoS需求参数集，映射为家庭网络所需的QoS控制参数集，指导网络的MAC及业务层面协作进行QoS保障；并根据网络各层的反馈状态，对QoS控制参数集进行动态调整，使网络中业务的整体QoS得到实时、有效的保障。

层间协作的QoS控制策略由业务的QoS需求启动，根据流量分类提取业务的QoS需求及划分的QoS优先级，以提供区分性服务、尽可能地保障高优先级业务的QoS为调节目标。对于家庭网络外部业务，由QoS映射机制实现家庭网络与外部网络之间QoS参数的映射。层间协作的QoS控制策略的核心控制部分为资源管理机制，主要分配、动态调整网络带宽资源，通过与其它各模块的协调实现资源的监管、合理调度和分配，由控制节点完成。资源管理机制模块中的流量监控子模块估算当前网络状态，接纳控制子模块根据当前网络状态判断能否接纳申请加入网络的新业务，并对拒绝服务的新业务告知网络状态，作为业务层的QoS协商模块的调节依据，业务的QoS参数调节成功后可继续申请。资源管理机制的资源分配子模块结合终端处理能力为新业务分配初始带宽，基于已有业务站点的MAC层的队列调度反馈动态优化带宽分配，并根据需要启动QoS调整策略，结合业务节点的接收参数统计应答反馈，尽可能地保障高优先级业务的QoS。结合MAC机制的需求，为各个业务分配下一个MAC周期中的业务发送时间，并结合业务优先级指定发送顺序，从而与MAC机制配合完成共享信道中的多个设备访问信道的策略控制。通过MAC层、业务层及层间模块的协作，层间协作的QoS控制策略合理分配网络资源，保障开展中的各个业务的QoS并提供区分行服务，从整体上提高网络的服务性能。

本系统中所述的普通节点是QoS保障系统中的受控设备，为配合实现端到端QoS保障，其内部具有QoS保障机制和相应模块，包括：流量分类、QoS协商、队列调度和介质访问控制(MAC)机制。

本系统中所述的控制节点，为QoS保障系统的核心控制设备，统一规划、控制家庭中的QoS，其具有普通节点的全部模块，此外还有如下功能模块：

站点维护：处理网络站点加入、退出申请，维护网络的站点列表。

控制节点动态选择：检测网络中是否存在运行的主机，在需要时争当并承担网络主机角色。

QoS映射：与Internet等接入网的对接时，实现家庭网络内外之间业务QoS的延续。

业务接纳控制：管理业务的接纳，要求对业务区分性保证QoS，维护网络的整体性能。

资源管理：维护带宽管理表BMT，为各业务站点分配相应的传输时间，并生成传输控制令牌；动态调整QoS策略并进行传输调度，在资源有限的情况下采用QoS降级策略，首先降低较低优先级业务的带宽需求，尽可能地保证高优先级业务的需求。

MAC机制中控制MAC周期内站点申请加入周期、争用周期、传输周期的切换。

控制节点一般由家庭网关来担任。当家庭网关出现故障时，网络中没有控制节点，层间协作的QoS控制、资源管理、MAC机制收发控制帧等功能将受到影响。当网络中出现一定长时间T_free的信道空闲，应该由控制节点发出广播帧维护状态。如果各个节点检测到此时信道上没有数据，并且经过阈值T_free0后，仍然没有控制节点的广播帧时，具有控制节点功能的设备将广播声明担任控制节点。声明成功后，发送节点申请加入及退出周期开始帧，网络中其他设备发送申请加入帧。

本发明的优点在于，使网络中业务的Qos得到实时、有效的保障；同时合理分配网络资源，保障开展中的各个业务的Qos并提供区分服务，从整体上提高网络的服务性能。通过基于业务区分及预测机制的混合MAC协议将业务对QoS的需求与MAC介质接入控制有机结合在一起，通过针对性应用业务特征分析提取技术、数据传输方式切换技术、共享信道的分配协议及动态自适应调整技术，直接从网络的底层保证QoS需求高的业务所需带宽资源，相比传统的资源预留的MAC机制，更加灵活，并随时保持带宽在多种QoS需求的业务中得到合理的分配及高效的利用。

附图说明

图1是本发明所提出的层间协作的QoS保障系统构成图；

图2是本发明所提出的层间协作的QoS保障系统业务接入流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

本发明所述系统的流量分类模块采用了流量分类机制，包括业务流量描述机制和流量分类机制，用来区分具有不同QoS需求的网络流量。流量描述机制根据流量类型和相应的参数(如带宽、延时、延时抖动、丢包率、峰值速率等)来描述流量。流量分类机制根据流量的描述，用业务的QoS优先级及带宽变化范围参数对流量进行分类标识。QoS优先级高的业务，能够得到带宽等性能的优先保证(即在网络不能满足所有业务的理想QoS要求或性能降低时，其QoS优先得到保证)，并且该业务的数据能够优先访问信道。流量描述机制定义了业务的QoS需求参数集A，由业务依照本机制在发起时描述，并提供给流量分类模块。QoS需求参数集A包括以下参数：带宽需求BW、延迟Delay、抖动(延迟变化)Jitter、丢包率Lr、数据重要性Importance、文件大小FileSize、业务类型ServiceType。流量分类机制定义了QoS控制参数集B，包括以下参数：数据优先级Prio，带宽变化范围BW_max、BW_min，延迟Delay，抖动(延迟变化)Jitter。参数集B根据流量描述机制定义的业务的QoS需求参数集A运算后获得，并作为层间协作QoS控制技术的运行、调整的控制参数。

资源管理机制主要分配、动态调整网络带宽资源，通过与其它各模块的协调实现资源的监管、合理调度和分配。并且随着业务加入及信道状态的变化，需要对带宽动态分配及调整。资源管理机制模块为层间协作的QoS控制策略控制的核心部分，其中包括流量监控、接纳控制、资源分配子模块。资源管理机制模块的流量监控子模块为本模块的基础及控制依据，接纳控制子模块与业务层的QoS协商模块配合控制进入网络的业务及流量，资源分配子模块分配的带宽信息将指导MAC层的队列调度和混合介质访问控制机制。其中资源分配策略是资源管理机制的核心模块，包括带宽分配策略、基于反馈的分配动态优化和QoS调整策略。带宽分配策略根据业务的需求参数及网络的当前状态，为各个业务分配初始带宽，并与MAC机制配合完成共享信道中的多个设备访问信道的策略控制。基于反馈的分配动态优化结合业务站点的反馈调整带宽，达到带宽分配的动态调整，尽可能保证QoS的情况下节省带宽。QoS调整策略在网络的资源不足以满足业务的当前需求时，降低业务QoS，尽可能地保证高优先级业务的需求。

QoS协商机制的功能为，当网络可用资源不足以接纳某一业务的QoS要求时，QoS协商机制用来相应调节业务的QoS参数，以此来满足用户需要。目前已有多种QoS协商机制的研究，例如：业务发送方调整数据产生速率、编码方式、丢包率等参数，业务接收方通过TCP等传输协议、控制信息等影响发送方的数据发送速率、编码方式等。

队列调度机制用于从多个优先级Prio类别的等待传输队列中，依照一定的调度规则选择合适的数据包进行传送。本文的业务站点MAC层发送队列调度的原则为：

MAC层队列调度机制为每一个数据优先级Prio维护一个队列，业务数据根据优先级Prio进入相应队列被调度。优先级Prio高的队列数据优先使用信道。同一优先级队列中，如果有即将达到最大延迟Delay的分组，即T_queue为满足T_queue+T_serve≤Delay的最大值，则优先选择这样的分组进行传输。其中T_queue为分组进入队列的时长，T_serve为家庭网络为数据服务时间的估计值。高优先级队列被数据填满时，如果低优先级队列有空间，则新到达的高优先级数据进入低优先级队列。此时对于低优先级队列，优先处理高优先级的数据。对于实时性要求高的业务类型，当所分配到的带宽有限，导致出现T_queue+T_serve＞Delay的分组时，应对这样的分组进行丢包处理。各个业务根据分配的信道使用时间，在规定的发送时间内发送数据。如果还未到达发送时间就已经完成了本次发送，则下一个业务开始发送。业务站点在发送完毕后，各个优先级队列的已用空间SendBuff_used被更新到传输令牌帧中并反馈给控制节点的资源管理模块。

介质访问控制(MAC)机制用于控制多个节点对共享信道的访问，包括竞争和仲裁机制、信道资源分配。针对业务的不同数据传输特性，MAC层面上应能根据各个业务的优先级、带宽分配等参数，控制业务按照策略顺利开展，为策略提供底层的支撑及保证，为此需在MAC层采用基于业务区分及预测机制的混合MAC协议，从而保证各种业务数据的高效传输，为业务QoS提供底层的保障。

结合以上所述系统构成及模块核心功能，本发明所提出的层间协作QoS保障机制的业务发起及执行流程如下：

1.有新业务发起时，流量分类模块提取业务的QoS需求参数(包括带宽、延迟、延迟抖动、丢包率等)，对流量划分优先级，并输出携带优先级分类、带宽、延迟、丢包率等QoS参数的数据，从而启动基于业务分类的层间协作的QoS机制。如果是来自家庭网络外部的业务，则是通过QoS映射机制，提取外部网络中定义的QoS参数，映射为家庭网络中所需要的优先级分类、带宽范围等参数，从而在家庭网络中也为其提供相应的QoS保障。

2.在MAC层，每个优先级都有一个单独的队列，各优先级数据进入对应的队列内，并由队列调度模块根据数据的延迟、丢包率的参数需求进行调度，排在队首的业务数据才能申请使用信道传输。

3.MAC队列中的队首业务申请信道需遵循介质访问控制(MAC)机制，在允许新业务争用信道的周期内发送业务申请帧，其中包含了业务的优先级、带宽、延迟、丢包等需求参数。

4.申请到信道的业务站点成功发送业务申请帧后，控制节点根据介质访问控制(MAC)机制解析出业务的QoS参数并提交给资源管理机制模块。

5.资源管理机制模块管理并定时更新着一个带宽管理表(BMT)(包含各个业务的限制带宽、缓冲情况及QoS级等信息)，并包括接纳控制、流量监控、资源分配子模块。根据流量监控子模块估计出的网络最大可用带宽，结合网络中已有业务的需求，判断当前网络能否满足业务的QoS需求参数，从而做出裁决是否接纳新申请业务。

a.如果控制节点的接纳控制子模块预测当前网络最大可用带宽能够满足业务的最低QoS需求，则接纳新业务的加入，向对应站点发送一个响应帧ACK。

接纳子模块将新业务的参数添加到带宽管理表中后，流量监控子模块更新表中的网络状态参数，资源分配子模块将在下一步骤为新业务分配带宽。

b.反之，如果接纳控制子模块预测当前网络最大可用带宽无法满足业务的最低QoS需求时，接纳控制子模块拒绝接纳新业务，发送拒绝服务消息NACK，并在消息中告知网络的最大可用带宽。

业务站点收到NACK后，提交给QoS协商模块来相应调节业务的QoS参数(如调整数据产生速率、编码方式、丢包率等参数)，如果调节成功，则可以继续申请信道，流程同a；反之，业务被拒绝服务。

6.资源管理机制的资源分配子模块结合终端处理能力为新业务分配初始带宽，基于已有业务站点的反馈动态优化带宽分配，并根据需要启动QoS调整策略。结合MAC机制的需求，为各个业务分配下一MAC周期中的业务发送时间，并结合业务优先级指定发送顺序，从而与MAC机制配合完成共享信道中的多个设备访问信道的策略控制。

7.网络中已被接纳的业务根据控制节点分配的业务发送时间，在收到令牌帧后的规定时间内，按队列调度策略传输数据。时间到或者提前传输完，则在令牌帧中提交队列调度的参数(已用发送缓存大小)，并继续传递令牌。如果出现无法满足延迟需求的数据，队列调度模块则依据一定的策略进行丢包处理。

8.最后一个站点将令牌传给控制节点。控制节点收回令牌后，资源管理机制模块的资源分配子模块解析各个业务的队列调度参数(已用发送缓存大小)，更新带宽管理表(BMT)，并预测下一时刻各个业务的带宽需求情况，根据预测结果判断是否需要启动QoS降级策略，并分配相应业务带宽。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于层间协作的家庭网络QoS保障方法，所述的方法采用MAC层和业务层跨层的QoS控制策略，该策略结合控制节点的资源管理机制中的流量监控层、接纳控制层和资源分配层之间的跨层协作控制策略，具体步骤包含：

首先，通过业务层参数化Qos提取业务的QoS需求参数集，映射为家庭网络所需的QoS控制参数集；然后，资源管理机制结合MAC层的队列调度和介质访问控制机制根据业务层得到的QoS控制参数集或者反馈数据指导MAC和业务层面协作进行QoS保障；

其中，所述的资源管理机制的流量监控层提供的最大可用带宽数据为控制依据，依据该最大可用带宽数据接纳控制层与业务层的QoS协商配合控制进入网络的业务及流量，接纳该业务请求后资源分配层分配的带宽信息将指导MAC层的队列调度和混合介质访问控制机制。

2.根据权利要求1所述的基于层间协作的家庭网络QoS保障方法，其特征在于，所述的参数化Qos的通过流量分类机制实现，该流量分类机制具体包含如下子步骤：

首先，根据流量类型和相应的参数描述流量，并用QoS需求参数集A进行描述；

然后，根据Qos需求参数集A运算后得到Qos控制参数B，所述的Qos控制参数B用于层间协作QoS控制的运行和调整的控制参数。

3.根据权利要求2所述的基于层间协作的家庭网络QoS保障方法，其特征在于，所述的QoS需求参数集A，包括以下参数：带宽需求BW、延迟Delay、抖动Jitter、丢包率Lr、数据重要性Importance、文件大小FileSize或业务类型ServiceType；

所述的QoS控制参数集B，包括以下参数：数据优先级Prio，带宽变化范围BW_max～BW_min，延迟Delay或抖动Jitter。

4.根据权利根据权利要求1所述的基于层间协作的家庭网络QoS保障方法，其特征在于，所述的资源管理机制通过流量监控模块、接纳控制模块和资源分配子模块协作实现，包括：带宽分配步骤、基于反馈的分配动态优化步骤和QoS调整的步骤；

所述的带宽分配步骤，根据业务的需求参数及网络的当前状态，为各个业务分配初始带宽，并与MAC机制配合完成共享信道中的多个设备访问信道的策略控制；

所述的基于反馈的分配动态优化步骤，基于反馈的分配动态优化结合业务站点的反馈调整带宽，达到带宽分配的动态调整；

所述的QoS调整步骤，当网络的资源不足以满足业务的当前需求时，降低业务QoS需求参数，用于保证高优先级业务的需求。

5.根据权利根据权利要求1所述的基于层间协作的家庭网络QoS保障方法，其特征在于，所述的队列调度步骤具体包含如下子步骤：

首先，MAC层队列调度机制为每一个数据优先级Prio维护一个队列，业务数据根据优先级Prio进入相应队列被调度；

然后，优先级Prio高的队列数据优先使用信道，同一优先级队列中，如果有即将达到最大延迟Delay的分组，即T_queue为满足T_queue+T_serve≤Delay的最大值，则优先选择这样的分组进行传输，其中T_queue为分组进入队列的时长，T_serve为家庭网络为数据服务时间的估计值；

最后，高优先级队列被数据填满时，如果低优先级队列有空间，则新到达的高优先级数据进入低优先级队列，此时对于低优先级队列，优先处理高优先级的数据；对于实时性要求高的业务类型，当所分配到的带宽有限，导致出现T_queue+T_serve＞Delay的分组时，应对这样的分组进行丢包处理。

6.根据权利根据权利要求1或5所述的基于层间协作的家庭网络QoS保障方法，其特征在于，所述的业务数据，根据分配的信道使用时间在规定的发送时间内发送数据，业务站点在发送完毕后，各个优先级队列的已用空间SendBuff_used被更新到传输令牌帧中并反馈给资源管理机制的流量监控模块。

7.根据权利根据权利要求1所述的基于层间协作的家庭网络QoS保障方法，其特征在于，所述的介质访问控制机制，采用基于业务区分及预测机制的混合MAC协议，该协议用于根据各个业务的优先级或带宽分配参数提供底层的支撑及保证。

8.根据权利要求1、2、3、4、5或7所述的基于层间协作的家庭网络QoS保障方法，其特征在于，针对一次完整的业务发起及执行所述的层间协作的家庭网络QoS保障方法步骤如下：

1)有新业务发起时，流量分类模块提取业务的QoS需求参数，对流量划分优先级，并输出携带优先级分类、带宽、延迟、丢包率等QoS参数的数据，从而启动基于业务分类的层间协作的QoS机制；如果是来自家庭网络外部的业务，则是通过QoS映射机制，提取外部网络中定义的QoS参数，映射为家庭网络中所需要的优先级分类、带宽范围等参数，从而在家庭网络中也为其提供相应的QoS保障；

2)在MAC层，每个优先级都有一个单独的队列，各优先级数据进入对应的队列内，并由队列调度模块根据数据的延迟、丢包率的参数需求进行调度，排在队首的业务数据才能申请使用信道传输；

3)MAC队列中的队首业务申请信道需遵循介质访问控制MAC机制，在允许新业务争用信道的周期内发送业务申请帧，其中包含如下参数：业务的优先级、带宽、延迟、丢包；

4)申请到信道的业务站点成功发送业务申请帧后，控制节点根据介质访问控制MAC机制解析出业务的QoS参数并提交给资源管理机制模块；

5)资源管理机制模块管理并定时更新着一个带宽管理表BMT，并包括接纳控制、流量监控和资源分配子模块；根据流量监控子模块估计出的网络最大可用带宽，结合网络中已有业务的需求，判断当前网络能否满足业务的QoS需求参数，从而做出裁决是否接纳新申请业务；

6)资源管理机制的资源分配子模块结合终端处理能力为新业务分配初始带宽，基于已有业务站点的反馈动态优化带宽分配，并根据需要启动QoS调整策略；结合MAC机制的需求，为各个业务分配下一MAC周期中的业务发送时间，并结合业务优先级指定发送顺序，从而与MAC机制配合完成共享信道中的多个设备访问信道的控制；

7)网络中已被接纳的业务根据控制节点分配的业务发送时间，在收到令牌帧后的规定时间内，按队列调度策略传输数据；时间到或者提前传输完，则在令牌帧中提交队列调度的参数，并继续传递令牌；如果出现无法满足延迟需求的数据，队列调度模块则依据一定的策略进行丢包处理；

8)最后一个站点将令牌传给控制节点，控制节点收回令牌后，资源管理机制模块的资源分配子模块解析各个业务的队列调度参数，更新带宽管理表BMT，并预测下一时刻各个业务的带宽需求情况，根据预测结果判断是否需要启动QoS降级策略，并分配相应业务带宽。

9.根据权利根据权利要求8所述的基于层间协作的家庭网络QoS保障方法，其特征在于，所述的步骤5)具体包含如下子步骤：

5-1)如果控制节点的接纳控制层预测当前网络最大可用带宽能够满足业务的最低QoS需求，则接纳新业务的加入同时向对应站点发送一个响应帧ACK；

接纳控制层将新业务的参数添加到带宽管理表中后，流量监控层更新带宽管理表中的网络状态参数，资源分配层将为新业务分配初始带宽；

5-2)如果接纳控制层预测当前网络最大可用带宽无法满足业务的最低QoS需求时，接纳控制层拒绝接纳新业务，发送拒绝服务消息NACK，并在消息中告知网络的最大可用带宽；

业务站点收到NACK后，提交给QoS协商模块来相应调节业务的QoS参数，所述的参数包含数据产生速率、编码方式或丢包率，如果调节成功，则可以继续申请信道，流程同步骤5-1)。

Images