CN102195892A - 一种网络流质量控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于互联网技术领域，具体为一种网络流质量控制系统。该系统框架包括：QoS测量接收、QoS评估、QoS控制和QoS显示共四个模块。QoS测量接收模块负责接收本地各测量点反馈的QoS质量测量信息；QoS评估模块负责根据反馈结果，参考交换机配置信息和工作状态信息，以及QoS评估标准、经验值等策略来评估本地网络的组播QoS的状况，生成QoS控制指令；QoS控制模块负责将QoS指令下发到相关三层交换机，以提高特定组播的QoS性能。本发明可以检测网络中的流数据报文传输效果，调整上级交换机的QoS配置，最大限度确保网络的高效运行。

Description

一种网络流质量控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于互联网技术领域，具体涉及分组交换网络中的流服务质量自动控制系统及控制方法。

背景技术

随着互联网的逐渐普及，基于分组交换网络的应用研究也变得活跃起来。流媒体服务成为互联网中最主要的服务之一，在日益兴起的多媒体业务方面有着广泛的应用。由于多媒体数据具有实时特性，它对网络传输时延、时延抖动等相当敏感，所以这些应用对流通信的网络服务质量提出了更高要求，流质量控制QoS的测量及控制越来越具有实际意义。

服务质量(quality of service，QoS)是指网络在传输数据流时要满足的一系列服务请求，具体可以量化为传输延迟、抖动、丢包率等指标。近几年IETF提出了许多服务模型与机制以期达到有效提供端到端的服务质量控制和保证的目标，典型的有：综合服务/资源预留(integrated service/resource reservation protoco1，IntServ/RSVP)、区分服务(differentiated services，DiffServ)、多协议标签交换协议(multi protoco1 label switching，MPLS)、流量工程(Traffic Engineering)和约束路由(constraint based routing，CBR)、子网带宽管理(subnet bandwidth manager，SBM)等。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有自动了解、发现和反馈网络流质量能力的网络流质量控制系统及控制方法。

本发明提供的网络流质量控制系统，是通过一个多维综合评判模型，计算流传输质量，并根据计算结果对流传播交换机进行质量控制。该系统由QoS管理控制模块和网络运行状态监测模块两个部分组成。其中，QoS管理控制模块部分主要有四个子模块：QoS质量接收模块、QoS评估模块，QoS控制模块和QoS显示模块。QoS质量接收模块负责接收本地各测量点反馈的流质量测量信息；QoS评估模块负责根据反馈结果，并参考网络运行状态监测中的交换机配置信息和工作状态信息，以及一些QoS评估标准、经验值等策略来评估本地网络的流QoS的状况，生成QoS控制指令；QoS控制模块负责将QoS指令下发到相关三层交换机，以期提高特定流的QoS性能。

测量点的质量反馈信息通过QoS质量接收模块报送到MCS，数据被装入数据库。每经过一定间隔，QoS评估模块从数据库中取出质量反馈信息，从基础资源库中取得交换机状态和配置信息，根据QoS评估标准、经验值等策略，将生成的QoS指令发送给QoS控制模块和QoS显示模块，QoS控制模块再将QoS控制指令下发到交换机。

网络运行状态监测模块由信息采集模块和手动维护模块和基础资源数据库组成。管理员通过手动维护模块维护整个受管网络的基础资源信息，所述基础资源信息包括三层交换机和二层交换机基础信息和级联关系。信息采集模块分别对二层交换机和三层交换机通过SNMP协议进行状态信息采集，所述状态信息主要包括三方面的信息：交换机的内存和CPU占用率和流量，二层交换机上的MAC列表，三层交换机上的MAC、IP对照表，三层交换机各端口VLAN和流量信息。

位于流接收者客户端中的QoS测量部分包括3个模块：采集模块、运算模块、反馈模块。采集模块负责采集需要测量的流报文副本；运算模块负责根据所采集到的流报文字段计算出丢包率、单向时延、抖动等QoS参数值；反馈模块负责将本测量点得到的QoS测量结果反馈给本地MCS。为了提高接收信息的效率，质量测量点与接收模块使用UDP协议通信。QoS质量接收模块采用多线程和线程池技术，以提高吞吐效率。

本发明中，QoS评估模块以应用程序的方式工作。主线程通过某一个特定的时间间隔进行轮询，对每个汇聚子网分别新建新线程进行分析。如果需要发出QoS指令的时候，调用QoS控制模块程序发送指令。

本发明中，评估模块中构建了一个多维综合评判模型，将网络运行状态监测模块中发现的路由器和交换机的运行状态、网络带宽占用情况数据、各测量点在特定时间段内提交的流质量测量数据进行综合分析后的流质量参数、QoS标准和经验值等策略，输入该模型后，通过运算得到针对相应交换机的QoS指令，并通过控制器下发这些指令。

根据流质量测量数据和网络设备运行状态等参数，多维综合评判模型设定了两种评估策略：

1、调高策略。定义时延T<=Tmax(40ms)，抖动J<=Jmax(1000ms)，丢包L<=Lmax(1%)，评估值R=T/Tmax+J/Jmax+L/Lmax，R阈值为2。当T、J、L或R任一项超过设定的阈值，即T>40或J>1000或L>1%或R>2时，则认为当前的流服务质量较差，应当调整QoS控制策略，为流服务提供更高的质量保障。

2、调低策略。当网络设备的端口带宽空闲率达到或小于QoS剩余带宽5%时，系统应减少为其预留的带宽，避免对其他服务造成影响。此外，当子网中特定流组的质量报告连续消失两个周期，系统认为该子网中已经没有流用户，不变再为其提供QoS保障，此时应去除相应的QoS策略。

本发明的网络流质量控制系统的具体控制步骤如下：

初始化：在网络中所有路由器/三层交换机上打开QoS，并配置网络拓扑上所有物理端口的QoS信任模式为trust DSCP，但不配置QoS分类和控制策略。

步骤一：监控客户端的流服务质量，直到评估模块判定要进行QoS控制。

步骤二：在流源网关所处的交换机（或边界路由器）上，对流源发往流组的流进行标记，设定其初始DSCP值，若已设定过DSCP值，则提升或降低一个等级。可设定范围如表1所示共4个等级：

表1 QoS等级与DSCP值

Table 1 QoS level and DSCP value

优先级	PHB	ToS值	等级名	DSCP值
					1	AF	4	AF41	100010(34)
2	AF	4	AF42	100100(36)
					3	AF	4	AF43	100110(38)
4	EF	5	EF	101110(46)

；

步骤三：对所有路由节点的出流量，识别“步骤二”标记的数据流，并为其增加或减少预留带宽。转“步骤一”。

本发明网络流质量控制系统可以应用于各种应用场合，例如：

1. 校园网的组播视频直播环境，用于控制组播QoS质量控制。

2. 医疗图像数据、地理遥感数据等高清图像传输环境。

3. 其他带宽需求传输稳定性和质量要求较高的应用场景。

附图说明

图1为QoS管理控制部分模块协作图。

图2为网络状态监控部分模块协作图。

图3为MCS网络部署示例图。

具体实施方式

下面通过举例进一步介绍本发明的内容。

部署方式

本发明的流量控制系统部署在一个称为MCS的服务器上，该服务器可以是一个运行Linux操作系统的PC级服务器。在网络中的部署方式如附图3所示，MCS并联在核心路由器上，以便于向各各交换机发送控制指令和接收客户端传来的测量数据。

每一台网络设备的端口上都配置DSCP信任，防止路由器和交换机对已经标记了DSCP标签的数据包对标签进行修改。交换机的QoS队列管理将标记的数据包映射到相应的优先级队列中，由于测量单向时延等参数时需要测量点与NTP服务器交互，因此需要在交换机与路由上提高NTP数据包的优先级，否则会导致测量的数据产生误差。一般设置NTP数据包的优先级为最高。在楼宇汇聚到下联的接入层的出端口上面对标记DSCP的数据包做WRR（加权循环调度算法）。对标记不同了DSCP的标签值映射到不同的COS值。

在客户端PC机上安装QoS测量客户端，并在使用时开启测量客户端以便需要时向MCS汇报QoS质量数据。

应用场景

1、QoS测量部分

当前正在进行医学实验教学视频会议，使用组播组FF3E::1001进行组播，客户端通过加入此组播组以接收相应的视频数据包。客户端上的QoS测量模块在接收到测量点选定数据包的开始记录收到的数据包，每隔30秒对收到的数据包进行统计，通过比对包上的包序号和时间戳，计算出前一个30秒的时间中收到数据包的丢包率、时间延迟和延迟抖动数据，并把这些数据连同自己的MAC地址，接收的组播组数据一起通过UDP协议发送到MCS服务器的6667端口，数据包格式为：

MAC地址

组播组地址

时间戳

丢包率*10000

时延ms*100

抖动ms*100

假设客户端MAC地址为00-00-10-05-56-A8，丢包率为0.1%，时延1.3ms，抖动421.3ms，则发送的数据为

0000100556A8

FF3E0000000000000000000000001001

634393302497788501

1000

130

42130

2、交换机状态监控部分

网络管理员通过交换机状态监控部分的手动维护界面将当前网络的所有交换机的连接和配置情况输入到基础资源库中，包括交换机的型号、作用、登录用户名、登录口令、超户操作口令、SNMP交互口令、上下级联关系等。例如一台接入交换机型号为CISCO 2950,登录用户为空，登录口令为login，超户操作口令为enpass，SNMP交互口令为public等。

信息采集模块每隔1分钟对基础资源库中的交换机通过SNMP协议获取基本信息，包括交换机的CPU占用率、内存使用率、各接口的状态和流量占用率信息，并将这些信息和当时的时间戳保存到基础资源库中。使用时间戳为634393302497788500时的交换机CPU占用为20%，内存占用31%，FastEnthernet 0/1 为Up带宽占用1%，FastEnternet 0/2 状态为Down带宽占用0%，等。

3、QoS管理控制部分

流质量接收模块用于接收客户端提交的测量信息，它监听MCS服务器的UDP 6667端口，当客户端向MCS发送测量数据的时候，它接收到客户端的数据包，并对数据包进行分析解包，将数据插入到数据库中。例如它可以收到客户端00-00-10-05-56-A8发送来的关于组播组FF3E::1001的组播测量数据包，并解析出该客户端对于该组播组的测量结果为信息丢包率0.1%，延时1.3ms，抖动421.3ms。

QoS评估模块每隔1分钟对接收到的所有的组播组质量进行算术平均数运算，对于不存在的组播组向QoS控制模块发送消除DSCP标记的调用消息，对于存在结果的，进行计算，一旦测量数据超过了阈值，再检查相应的交换机是否有资源剩余，如果存在的话向QoS控制模块发送调整特定组播组（如FF3E::1001）DSCP调整的调用消息。

QoS控制模块在被评估模块调用时向交换机发送DSCP调整指令，它模拟Telnet方式登录交换机，然后向交换发送相关指令。根据基础资源库中不同的交换机类型，向其发送相应的指令。如将FF3E::1001组播组DSCP调整为AF42的CISCO交换机指令为：

Router(config)#policy-map PFF3E::1001  //自取策略名

Router(config-pmap)#class CFF3E::1001   //对以上定义的类

Router(config-pmap-c)#set dscp af42      //设置dscp值

Router(config-pmap-c)#end

Router#

QoS显示模块用于在Web界面提供QoS指令记录和当前各组播组质量情况和相应的DSCP值。

Claims (5)

1.一种网络流质量控制系统，其特征在于通过一个多维综合评判模型，计算流传输质量，并根据计算结果对流传播交换机进行质量控制；该系统由QoS管理控制模块和网络运行状态监测模块两个部分组成；其中，QoS管理控制模块包括四个子模块：QoS质量接收模块、QoS评估模块、QoS控制模块和QoS显示模块；所述QoS质量接收模块负责接收本地各测量点反馈的流质量测量信息；QoS评估模块负责根据反馈结果，并参考网络运行状态监测中的交换机配置信息和工作状态信息，以及一些QoS评估标准、经验值策略来评估本地网络的流QoS的状况，生成QoS控制指令；QoS控制模块负责将QoS指令下发到相关三层交换机，以提高特定流的QoS性能。 

2.根据权利要求1所述的网络流质量控制系统，其特征在于测量点的质量反馈信息通过网络流QoS质量接收模块报送到MCS，数据被装入数据库；每经过一定间隔，QoS评估模块从数据库中取出质量反馈信息，从基础资源库中取得交换机状态和配置信息，根据QoS评估标准、经验值策略，将生成的QoS指令发送给QoS控制模块和QoS显示模块，QoS控制模块再将QoS控制指令下发到交换机。

3.根据权利要求2所述的网络流质量控制系统，其特征在于信息采集模块分别对二层交换机和三层交换机通过SNMP协议进行状态信息采集，所述状态信息包括：交换机的内存和CPU占用率和流量，二层交换机上的MAC列表，三层交换机上的MAC、IP对照表，三层交换机各端口VLAN和流量信息。

4.根据权利要求3所述的网络流质量控制系统，其特征在于评估模块中构建有一个多维综合评判模型，将网络运行状态监测模块中发现的路由器和交换机的运行状态、网络带宽占用情况数据、各测量点在特定时间段内提交的流质量测量数据进行综合分析后的流质量参数、QoS标准和经验值，输入该模型，通过运算得到针对相应交换机的QoS指令，并通过控制器下发这些指令。

5.如权利要求1—4之一所述的网络流质量控制系统的控制方法，其特征在于具体步骤如下：

初始化：在网络中所有路由器/三层交换机上打开QoS，并配置网络拓扑上所有物理端口的QoS信任模式为trust DSCP，但不配置QoS分类和控制策略；

步骤一：监控客户端的流服务质量，直到评估模块判定要进行QoS控制；

步骤二：在流源网关所处的交换机上，对流源发往流组的流进行标记，设定其初始DSCP值，若已设定过DSCP值，则提升或降低一个等级；设定范围如表1所示共4个等级：

Table 1 QoS level and DSCP value

优先级 PHB ToS值 等级名 DSCP值 1 AF 4 AF41 100010(34) 2 AF 4 AF42 100100(36) 3 AF 4 AF43 100110(38) 4 EF 5 EF 101110(46)

；

步骤三：对所有路由节点的出流量，识别“步骤二”标记的数据流，并为其增加或减少预留带宽；转“步骤一”。

Images