CN1672142B - 网络网关中的服务质量管理的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于确保网络中服务质量的装置。第一流发送器具有一个流量控制参数并发射第一流。接收第一流和第二流的网络互连。第一流是一个非实时TCP流而第二流是一个实时数据流。带宽控制与所述网络互连相关。带宽控制调整流量控制参数，以提供与第二流相关的服务质量参数。

Description

网络网关中的服务质量管理的系统和方法
技术领域
本发明涉及确保网络中的服务质量，尤其涉及确保网络传输和接收实时以及非实时数据流的服务质量。
背景技术
网络用户能够访问来自互联网和其它源的各种类型的信息。网络用户能够访问的信息类型大致可以分成两种类型：实时流(realtime streams)和非实时流(non-realtime streams)。例如，一个典型的用户既可以接收视频或音频的实时数据流，也可以接收诸如电子邮件、网页或文件传送协议(FTP)下载的非实时数据流。一般需要在一些短的时间上限内传输或处理实时数据流，而通常并不需要像实时数据流那样在一定的约束时间内传输或发射非实时数据流。如下所述，实时和非实时数据流具有不同的特性。
实时和非实时数据流相关的主要特性在于它们对提供不同服务质量(QoS)级别分别有不同的带宽需求。QoS基本上是一个给定的网络服务(given a network service)的性能属性组(the set of performance properties)，它通常包括：吞吐量(throughout)、转接(transit)、延迟和优先权。在实时流中，除了这些参数以外，QoS参数还另外包括：带宽可用性、延迟和其它参数的抖动(jitter)。本领域技术人员应该可以理解：任何给定QoS参数的关联和重要性将由在一个特定应用中所使用的实时数据流的特性决定。本发明包括并支持一个给定实时数据流的任何QoS参数组。实时流需要一个可确保的QoS，以提供相对快速并且时间受限的信息传输。通常使用传输控制协议(TCP)/互联网协议(IP)来传输非实时流。相反，非实时流通常不需要与实时流类似的QoS。接下来描述一个处理实时和非实时数据流的典型网络示例。
可以将一个网络配置为能够接收来自外部信源(external source)的实时和非实时数据流。单个传输通路(transmission channel)通常把用户的网络连接到互联网服务提供商(ISP)。该传输通路同时承载实时流和非实时流。这样的传输通路的带宽容量通常保持固定。因此，需要在实时和非实时流产生的带宽需求矛盾之间平衡可用带宽的分配。接下来在一个典型用户环境中说明带宽分配的问题。
网络用户一般通过服务提供商服务提供商而连接到像互联网那样的网络中。服务提供商可以提供互联网访问以及诸如视频点播、IP电话服务、流音频和视频等其它的可能服务。服务提供商通过诸如拨号电话线、xDSL、ISDN等传输信道而连接到网络用户。在服务提供商端的连接设备可以是边缘路由器，而在网络用户端通常是网关。
实时数据流需要几乎固定的带宽分配。如果不牺牲QoS参数，则实时数据流在调整带宽需求方面提供的灵活性很小。相比之下，非实时数据流对带宽的需求相对灵活，因为它们通常不需要相对严格的QoS。在一段给定的时间内，带宽可用性可能会改变。因此，为了确保实时流获得保持QoS所需要的带宽，需要对从服务提供商到网络用户的非实时流业务(traffic)进行控制。接下来考虑控制带宽共享的可能方法。
接下来讨论一种使用分组调速(packet pacing)方法的传统方法。从位于服务提供商处的路由器中发送到网关的非实时业务通常是使用TCP协议发送的互联网通信业务。在互联网站点处的TCP发送器(sender)通过调速非实时分组来控制非实时业务，以确保实时业务获得所要求的带宽。接下来描述分组调速方法及其相关问题。
通常通过对控制分组发送速率进行控制来执行分组调速。实现这样的分组调速方法需要在TCP发送器的运行上进行显著的改变。在典型的网络用户场景(scenario)中，TCP发送器，也就是HTTP服务器，在类似大学、医院或公司等一个外部代理(external agency)的控制之下。可能并不期望ISP使用任何特定的带宽管理技术。典型地，ISP将向大量的用户提供服务，而且每个用户都具有一些同时操作的活动TCP连接(active TCPconnection)。由于与支持大量用户相关的可量测性(scalability)问题，在一个ISP站点处执行这样的分组调速方法是不可行的。因此，需要一种在网络网关侧执行的改进的带宽管理技术。
另一方法涉及到从传统用户网关来控制非实时流的TCP业务。此方法的难点是：用户网关处的TCP接收机(receiver)在TCP发送器上几乎没有操作有效的控制，而典型的TCP发送器是一个超文本传送协议(HTTP)服务器或FTP服务器。因此，需要一种允许在网关端控制非实时业务的设备和方法，并且在用户端没有使用任何特殊设备的TCP环境中，这种设备和方法也是可行的。
如上所述，在实时和非实时业务共同分享信道可用带宽的网络中，上述公知的带宽管理方法有好些缺点。因此，需要一种控制非实时流带宽需求以使实时流能够提供期望QoS的带宽管理解决方案。另外，需要在位于网络用户端的网关上实现这样的解决方案。
发明内容
公开了一种保证网络中服务质量的系统。该网络使用连接到网关的单个通信信道共享实时和非实时发射，例如TCP业务。使用具有流量控制参数(flow control parameters)或窗口(windows)的非实时发送器来发射非实时流。网关进一步连接到一个包括各种网络元件的网络上。网关包括一个带宽控制单元，带宽控制单元通过调整非实时发送器的流量控制参数来控制非实时发射的带宽需求。实时流需要固定带宽来支持类似延迟和抖动那样的服务质量参数。带宽控制调节非实时连接带宽需求，并因此确保实时流所需求的带宽。带宽控制还可以在多个非实时TCP连接之间动态地分配带宽，以使得在一个给定的TCP连接的TCP慢启动期间，能够将可用的未使用带宽分配给其它稳态的(steady state)TCP连接。
从下文提供的详细描述中可以意识到，本发明的其它应用领域将是显而易见的。应该理解：对本发明优选实施例的详细描述和特定示例只是用于说明的目的，而并不是用于对本发明的范围进行限制。
附图说明
根据详细描述和以下附图，可以更好地理解本发明，其中：
图1示出了一种用于说明实施本发明的带宽管理的网络配置；
图2示出了具有单个TCP发送器和实施本发明带宽管理的示范性网络配置；
图3所示为在没有任何带宽管理时实时和非实时流的平均带宽图；
图4示出了VoD流的平均分组间(inter-packet)时间；
图5示出了具有多个TCP连接和实施带宽管理的网络配置；
图6所示为每个流的平均带宽和所有流的总计带宽的曲线图；和
图7所示为动态带宽管理的性能特性曲线图。
具体实施方式
以下对优选实施例的描述实际上只是示例性的，并不用于对本发明、本发明的应用或者使用进行限定。
图1示出了用于说明带宽管理的网络配置10。使用示范性的网络配置10来说明采用了本发明原理的带宽管理机制。因此，接下来详细地描述网络配置10。接下来描述网络配置10的组成元件(constituent element)。VoD服务器12和互联网协议(IP)电话14连接到专用网(private network)16。VoD服务器12向网络用户提供视频点播(video-on-demand)发射而IP电话14通过IP协议向网络用户提供类似电话的通信服务。FTP服务器18和HTTP服务器20连接到互联网服务器22。典型地，VoD服务器12和IP电话14以具有严格时间约束(strict time constraints)的实时方式发射。相比之下，FTP服务器18和HTTP服务器20以具有相对较严格的时间约束(relatively stringent time constraints)的非实时方式发射信息。本领域技术人员应该意识到：对该网络的如下描述仅仅是一个示例，本发明包括任何适当类型的网络配置。
互联网服务器22和专用网16都连接到一个ISP边缘路由器24。访问分段(access segment)26将边缘路由器24连接到网关28。访问分段26是用于发射数据到ISP边缘路由器24和网关28以及从ISP边缘路由器24和网关28接收数据的一个通信信道。访问分段26通常是一个类似xDSL、ISDN或同轴电缆那样的一个宽带连接，但是它还可以是一个拨号(dial-up)电话连接。访问分段26同时传送经由边缘路由器24发射的实时和非实时流。流(streams)是数据流量(data-flow)的逻辑信道(logical channels)。实时流传送类似视频点播等应用的实时数据。在当前情况下，非实时流通常是TCP或使用适当协议的类似逻辑通信交换。本领域技术人员可以意识到：以通常广泛的方式而使用的术语“流”(streams)表示一序列的数据或信息。
由于实时流和非实时TCP业务共享同一访问分段26的带宽，因此需要有在实时和非实时流之间分配可用带宽的带宽管理方法或算法。在这样的带宽管理方法或算法中，对接入的(incoming)TCP业务进行限制，以给具有严格QoS要求的实时流留有除总计带宽之外的足够带宽。接下来描述边缘路由器24的优选特性。
边缘路由器24是网络用户与服务提供商之间通信的一个连接点。边缘路由器24可以是通常具有从互联网主机转发分组(packets)到网关28能力的任何常规用途设备。边缘路由器24必须能够在网关28和互联网服务器22之间发送与接收IP分组。因此，可以将提供此类服务的任何路由器在这里作为边缘路由器24。边缘路由器28可以具有其它附加功能，例如多路复用互联网和其它业务等功能，不过这些附加功能与本发明并不相关。在这里相关的唯一性能是从互联网主机向网关28发送与接收IP分组的能力。接下来，描述在访问分段26上传送的数据流的特征。
可以以IP业务或非IP业务发射实时媒体流。在这里，实时流之间相关的特性之一在于它们都被打包，即以分组的形式发送实时流，并且具有严格的时间约束，而且任何的分组延迟都会对它们的性能特性有害。在访问分段26上传送的实时流具有诸如足够的带宽、最小延迟以及最小或没有抖动等严格的QoS要求。来自VoD服务器12和IP电话14的媒体流只是任意实时流中的示例，本发明并不受实时信息流的数目或类型的限制。由于发射实时流的形式可以通过结构而变化，在这里并不考虑发射实时流的形式。本发明的原理包含具有某些确定带宽要求需要以确保给定QoS参数集的任何类型的实时发射。实施带宽管理方法的优选网络位置是网关28。接下来描述网关28的优选特性。
网关28连接访问分段26和网络30。可以使用诸如IEEE 1394、以太网、802.11无线局域网和输电线网络等多种网络技术构成网络30。网关28可以是传统网关或者作为分离单元(separate unit)而安装的路由器。网关28是网络中把网络30与边缘路由器24连接在一起的互连点(interconnectionpoint)。还可以将网关28集成在诸如数字电视或机顶盒(set-top-box)之类的设备中。网关28的功能是在它的一个接口(interface)上的互联网连接和它的其它接口上连接组件的网络30之间提供连接点。网关28担任网络30到边缘路由器24的连接点。接下来描述网络30和相应网络元件。
通过网络30可以将许多网络元件连接到网关28。诸如电视32、计算机34和IP电话14等各种设备可以连接到网络30。本领域技术人员应该意识到：在这里所示出的网络元件只是用于说明能够连接到网络30的设备类型。上面列出的设备或器只是用于进行说明，还有许多其它设备也可以连接到网络30。
图2示出了具有单个TCP发送器和实施本发明带宽管理的示范性网络配置。通过对具有带宽管理的网络和没有带宽管理的网络进行比较，本领域技术人员可以更好地理解本发明。分两个步骤来描述具有单个TCP发送器的网络的带宽管理。在第一步骤中，假设不执行带宽管理，并模拟和分析网络的性能。这样一个模拟在没有带宽管理和有带宽管理的网络之间提供了进行比较的背景。在第二步骤中，模拟和分析同一网络，但是具有为单个TCP发送器网络而实施本发明原理的带宽管理。因此，如下所述，假设没有带宽控制，首先模拟和分析如图2所示的网络。
如下说明可以确定确实需要带宽控制。假设图2所示的带宽控制不存在，以在下面说明中提供进一步的比较。用这里所描述的网络来模拟没有使用任何带宽管理的典型网络的性能特性。VoD服务器12、HTTP服务器20、互联网服务器22、边缘路由器24和网关28的连接关系和图1所示相同。
在本网络中，访问分段26是一个专用非对称链路(dedicated asymmetriclink)，例如，是一个下行带宽为2.0Mbps而上传带宽为0.7Mbps的ADSL链路。由于通常边缘路由器24和网关28彼此相对接近，访问分段26中的延迟为可以忽略的1ms。
VoD服务器12通过具有20ms延迟的一条全双工VoD链路36连接到边缘路由器24。VoD服务器12以1.0Mbps的速率按照实时的方式发射具有固定码率(CBR)的视频信号。可以将HTTP服务器20配置为互联网服务器22(如图所示)的一个组成部分，也可以将它连接到互联网服务器22的外部(如图1所示)。HTTP服务器20通过具有1.5Mbps带宽和20ms延迟的一条全双工HTTP链路38发射非实时数据分组。
边缘路由器24包括一个先入先出(FIFO)队列40，该队列具有可以保存20分组的容量。来自VoD服务器12的实时流需要访问分段26的总计为2Mbps的下行容量42中的1Mbps带宽。结果，HTTP服务器20可以向网关28传送最大容量为1.0Mbps的非实时业务分组。
图3和图4涉及到没有对非实时流管理带宽需求进行带宽控制的网络模拟。首先，在下面描述关于模拟技术的一些基本信息。
使用网络模拟器来执行模拟，以比较具有带宽管理和没有带宽管理的性能。可以使用如下所述的能够执行模拟的任何传统网络模拟器。例如，可以使用′ns UCB/LBNL/VINT网络模拟器。利用使用用户数据流协议(UDP)来传送分组大小为576字节的数据的CBR源来模拟VoD流。使用HTTP服务器20处的TCP/Reno源和网关28处的TCP信宿(sink)来模拟非实时数据的TCP连接。最大分段大小设置为576字节，并且初始流量控制窗口46的大小设置为32个分组。对于大部分操作系统，TCP流量控制窗口46的大小为16KB或32KB。因此，HTTP服务器20总是发送大小为576字节的TCP分组，并且在传送过程中不具有大于64的未确认(unacknowledged)TCP分段。在此处中，下面所说明中的TCP发送器是指HTTP服务器20，它发射HTTP下载52给网关28。在网络模拟的基本信息之后，下面在适当的图中描述特定的模拟。
图3示出了在没有任何带宽管理时实时和非实时流的平均带宽图。在图形X轴上绘制以秒为单位测量的时间，而在Y轴上绘制以Mbps为单位测量的平均带宽。以0.1秒的周期在网关28处计算平均带宽。这张曲线图清楚地示出了VoD流50不能够接收1Mbps的固定带宽，而1Mbps的固定带宽是实时VoD流50为满足诸如延迟或抖动等QoS参数所需要的带宽。
另外，HTTP下载52还示出了由于在边缘路由器24处的分组丢失而引起的混乱状况(chaotic behavior)。无论HTTP服务器20(参见图2)何时开始激励需要大于1Mbps带宽的HTTP下载52，边缘路由器24开始从实时和非实时流中丢弃分组。此问题出现在1.40秒和3.5秒处，然后周期性地重复出现。
正如HTTP下载52在1.40秒处开始丢失分组那样，TCP拥塞窗口48(参见图2)变得更小以便为拥塞进行调节。这使HTTP服务器20降低了它的分组发射速率。HTTP下载52的这样一个速率降低是VoD流52的积极因素，但是由于降低了的HTTP下载52留下某些未被使用的带宽，访问分段26带宽保持低利用率(under-utilized)。由于降低了的HTTP下载52而导致带宽的低利用率将一直继续到TCP发送器恢复它丢失的分组并提高其发射速率为止。一旦TCP发送器完全恢复并在3.5秒周围开始在1Mbps极限之上发射，边缘路由器24再一次从两个流中丢失分组，引起与如上所述1.4秒处出现的特点相同的状况，并且此循环继续一直持续到模拟结束。
图4示出了VoD流的平均分组间时间50。在图形X轴上绘制以秒为单位测量的时间，并且在Y轴上绘制以Mbps为单位测量的平均分组间时间。
抖动是实时发射中一个不期望的特性。平均分组间时间是抖动的一个优良指示符(indicator)。可变的分组间时间导致更大抖动。当HTTP服务器20把HTTP下载52(参见图3)激励到1Mbps级别之上时，则VoD流52(参见图3)分组就在先进先出队列40(参见图2)中延迟，并因此使分组间时间增加。稍后，当HTTP服务器20检测分组丢失并降低其分组发射速率时，已经在先进先出队列40中排队的分组被快速连续发射，导致分组间时间变小。不希望出现这两种分组间时间增加和减少的情况，每种情况都会在网关28上的另一端引起下溢或上溢。理想情况上，分组间时间将在无抖动线路54示出的电平上保持恒定。抖动区域56示出了在发射期间发生并引起问题的抖动。在上面提到的第二步骤中，下面讨论如图2所示的完整网络，它包括使用本发明原理的单个TCP发送器网络的带宽管理。
在单个发射信道上使用实时和非实时发射的网络配置面临如上所述的带宽分配问题。下面的说明是在单个发射信道的环境中，但是本领域技术人员应该理解到，本发明也能够应用在多路发射信道上。
带宽管理需要与实时流的QoS要求紧密相关。带宽管理也改善了访问分段26的整体信道使用率以及非实时网络业务的吞吐量。带宽管理确保了实时流的QoS标准。带宽管理需要在网络中选择用于实施该带宽控制方法位置。网关28是在用于实现带宽控制的网络中实施本发明的优选位置。
在接下来重新返回参考图2的同时，描述单个TCP发送器的本发明带宽管理技术。在一个典型的网络设置中，如HTTP服务器20那样的TCP发送器将并不预先知道它对TCP接收机的发射路径中的可用带宽。如本实施例中网关28那样的TCP接收机将具有该可用路径带宽的信息。在这里，因为需要保证实时业务能在2.0Mbp的整个访问分段26下行容量中有1Mbp的带宽，网关28预先知道TCP业务将不会超过1Mbp。
网关28根据它所了解的实时和非实时流带宽需求来控制出自HTTP服务器20的非实时(也就是TCP业务)，以使TCP业务不超过非实时流可用的带宽。因此，实时流能够满足所要求的QoS标准。
通过控制来自网关28端的数据流，带宽控制60使得确保实时流的QoS要求成为可能。可以以硬件的形式来实施带宽控制60，也可以以软件模块或者硬件和软件相组合的形式来实施带宽控制60。控制来自网关28端的非实时业务流消除了潜在的可量测性问题，该可量测性问题与对来自互联网服务提供商侧的边缘路由器24的业务进行控制的解决方案相关。
如果在边缘路由器24端采用带宽管理解决方案，那么需要一个独立的协议来为每个实时和非实时业务流而在网关28和边缘路由器24之间调整带宽协商过程。执行带宽控制60而不是网关消除了这种调整问题。接下来描述从网关28管理带宽的细节。
接下来的描述涉及到单个TCP连接，然后稍后考虑多个TCP连接。在每个往返时间(round trip time)(″rtt″)分段内，TCP发送器向TCP接收器发送分组号码′wnd′，在这里TCP发送器是HTTP服务器20，TCP接收器是网关28。每个rtt分段中发送的分组号码′wnd′计算为wnd＝min{cwnd，fwnd}，它是活动窗口大小。TCP发送器总是保持两个称为″cwnd″和″fwnd″的变量或参数。cwnd参数代表一个拥挤控制窗口并且由TCP发送器根据接收到的确认(acknowledgement)和分组丢失来计算。TCP发送器严格地控制cwnd参数。fwnd参数代表流量控制窗口并且由TCP接收器设置。
一个rtt分段内的TCP连接的数据速率(″b″)由给出。考虑在一个给定的TCP连接中的缓慢启动阶段，如果连接启动于由发送器时钟测量的时刻t0，则发送器将在t＞t0的任何时刻发射分组，假设没有分组丢失并且：
f(t)＝min{fwnd(t)，g(t)}，其中
[方程式1]
如果考虑分组丢失，那么通过已知方法可以导出更复杂的吞吐量公式。
在“稳态”连接中，发射的分组数目完全由fwnd参数确定。对于处于稳态中的一个给定连接，参数cwnd值必须大于参数fwnd的值。在稳态中，TCP发送器的输出可以完全由TCP接收机控制，并且可以由上面的方程式1表示。
网关28通过操控流量控制窗口fwndi的大小来控制非实时业务，网关28位于另外一端的TCP发送器内。在本示例中，非实时业务(即TCP业务)不应该超过1Mbps极限。如果最大TCP分段大小是576字节，并且网关28和HTTP服务器20之间的往返时间是47ms(它是通过模拟获得)，那么网关28把流量控制窗口大小(即fwndi的值)设置为：
Figure G03817748XD00112
分组。把fwndi值设置为10分组保证了无论拥塞窗口大小如何，则TCP连接的最大数据速率能不会超过1Mbps。
图5示出了具有多个TCP连接和实施了带宽管理的网络配置。该示出的网络配置在概念上以及在结构上都类似于上面图2所示。图5中的网络包括以FTP服务器18形式存在的一个额外TCP发送器，其需要1.5Mbps带宽来发射信息并且具有20ms的延迟。用带宽控制60来操控来自网关28的流量控制。
图6示出了每个流的平均带宽和所有流(即合并在一起的实时的和非实时流)的总计带宽。在时刻0，VoD服务器12开始以1Mbps的速率激励(pumping)实时CBR视频。在时刻1秒处，一个网络用户开始从FTP服务器18进行一个FTP下载。在3秒附近，该网络用户开始从HTTP服务器20进行一个网页下载。假设下载的该网页具有诸如图像、音频片断(audio-clip)等多个以网页组成部分形式而被下载的项目。web浏览器(未示出)开始四个同步TCP连接，即HTTP下载52a、52b、52c、52d，以下载网页和相关的多个项目。在4.5秒附近，四个HTTP下载52a、52b、52c、52d完成。并且在5秒处终止该模拟。
VoD流50明确地实现了一个持续的1Mbps，而与活动的(active)TCP连接数目无关。当HTTP下载52在2秒左右开始时，带宽控制60降低FTP下载58的数据速率。带宽控制60对数据速率的降低确保了总计的非实时业务不会超过非实时业务所可用的1Mbps带宽。带宽控制60调节个体非实时数据连接，以确保实时流可以获得足以满足它的QoS需求的带宽。因此，带宽控制60通过控在一些TCP发送器上的个体流量控制窗口来调节总计非实时带宽。
接下来描述对于多个TCP连接使用本发明原理的带宽管理技术。为了说明，考虑n个非实时连接的一组N。每个非实时连接典型的是一个HTTP或FTP连接。rtti为一个给定连接i的往返时间的估计值。如下所述计算rtti。
网关28在建立连接的时刻对为了获得确认需要的时间进行初始估计。R为实时流组而Bi是一个给定实时流i∈R所需求的带宽，在此R中的流需要固定的比特率。假设上述参数n、i、rtti、Bi以及组N和R是时间的函数，并且如果有必要将被如此表示。
由于TCP发送器i发送wndi＝min{cwndi，fwndi}，因此目的是使得每个连接的吞吐量
Figure G03817748XD00121
最大化。吞吐量最大化服从下面给出的不等式：
Σ i ∈ N wnd i rtt i ≤ B [方程式2]
其中，
B = B c - Σ i ∈ R B i
并且在此，Bc是访问分段26的总容量。
如果连接都全部同样重要，那么对于每个i的稳态流量控制窗口大小，服从方程式2的稳态流量控制窗口大小由下面方程式给出的守恒界限得出：
fwnd i = B × rtt i n
定义静态调度点为这样的一个时间点：在该时间点处，或者建立一个新的连接或者终止一个现有连接。静态带宽分配程序或算法如下所示：对于每个静态调度点t执行如下：
如果操作是一个非实时连接增加(non-realtime connection-add)，那么
设置n←n+1
否则如果操作是一个非实时连接丢失(non-realtime connection-lose)，那么
设置n←n-1
否则//实时添加或丢失如
B = B c - Σ i ∈ R B i 重新计算B
结束如果
对于i＝1到n(for i＝1 to n)
设置 fwnd i ← B × rtt i n
在发送给连接i的第一确认中设置流控制窗口为fwndi
     endfor
endfor
//结束
图7是示出动态带宽管理的性能特性图。可以对在说明书第10页第4段中描述的算法(以下称为“该算法”)作以下所述的进一步改进。该算法以一种静态的方式工作，并且为了确保实时业务的QoS保证而限制非实时TCP业务的总带宽。该算法相对于非实时连接的数量是不变的。通过使用动态而非静态带宽分配，对非实时连接的性能和总的信道使用率的进一步改善是可能的。接下来用一个示例描述本发明的动态带宽分配技术。
为了示出该改进，可用如下表格作为示例：
  周期   1   2   3   4   5 …
  静态bw分配的TCP-1fwnd   16   8   8   8   8 …
  静态bw分配的TCP-1fwnd   -   1   2   4   8 …
  周期   1   2   3   4   5 …
  额外(未使用的)BW   0   7   6   4   0 …
  动态bw分配的TCP-1fwnd   16   15   14   12   8 …
首先，我们考虑该算法操作。最初，只有一个往返时间为1秒的TCP连接。如果访问分段26的可用容量(参见图5)是16分组/秒，由于只有一个TCP连接，那么该可用容量完全被第一TCP连接使用。在第二周期开始的时候，出现往返时间为1秒的另一个TCP连接。根据这种算法，可用带宽在第一和第二TCP连接之间平分，每个连接获得8分组/秒。然而，由于TCP启动缓慢，第二TCP连接并不是立刻获得它分享的8分组/秒。在到达8分组/秒的稳态速率之前，第二TCP连接在周期2、3和4中分别只发送1、2和4个分组。静态带宽分配并不补偿TCP缓慢启动机制。因此，对于使用该算法实现的静态带宽分配，在周期2、3和4中分别保持7、6和4分组的未使用带宽。
考虑前一示例，在第二TCP连接达到稳态之前，向第一TCP连接分配未使用带宽。因此，第一TCP连接将在周期2、3和4期间分别发送15、14和12个分组。第二TCP连接在周期5中到达稳态，然后使用分配给它的所有8个分组，并由此第一TCP连接也使用分配给它的8个分组。
示出了使用带宽控制60的动态带宽分配模拟。用于模拟该系统的网络和图5所示的相同。因为实时流展现出与静态带宽分配情况下相同的性能，所以只示出了非实时流HTTP下载52和FTP下载58的带宽。无论静态还是动态带宽控制都确保满足实时流的QoS需求。动态带宽分配改良了吞吐量，并因此比静态带宽分配执行得更好。
在示出的模拟中，动态分配只在3秒左右有一个生效(take effect)的机会。当HTTP下载52的四个连接，即HTTP下载52a、52b、52c、52d开始时，具有动态分配的FTP下载58a已处于稳态中。在该算法示出的静态带宽分配的情况下，带宽控制将立刻在所有活动连接之中分配可用带宽。但是在动态分配的情况下，由于最近发出的四个HTTP连接处于缓慢启动模式，将在HTTP下载的缓慢启动期间可用的未使用带宽分配给早已处于稳态的FTP下载。从动态分配的FTP下载58a在3秒周围向右偏移可以看出FTP下载性能获得了改进。这可以与没有动态分配的FTP下载58b进行比较。因此，动态分配提高了总可用带宽的利用率。随着HTTP下载52达到稳态，FTP连接的数据速率逐渐降低到稳态速率。前面是动态带宽管理的描述。下面是对上述谈及的带宽控制60的进一步描述。
可以设计带宽控制60(参见图5)以动态带宽分配算法而工作，而不是以上述算法工作。通过分配未使用带宽给已经处于稳态的TCP连接，动态带宽分配方法可以获得改进的性能。
在家庭网络用户环境中描述了对本发明的一个特定应用。所有上面的图用于提供对本发明在家庭用户环境中应用的描述。家庭网络用户典型地通过家庭网关连接到互联网，家庭网关是一种特定类型的网关28。用户通过相同的家庭网关连接到诸如视频点播和IP电话服务等其它服务。连接到家庭或住宅网关的家庭网络30(参见图1)可以与诸如计算机、电视、电话、收音机等多种设备连接。
由于在互联网服务提供商侧难以实施带宽管理技术，在家庭用户场景中提供上述带宽管理。通常，家庭用户在实现TCP连接的互联网服务提供商机制上没有任何控制。因此，需要在住宅或家庭网关处执行带宽管理。
应用本发明的原理将带宽控制60结合到家庭网关中。上面已经详细地描述了带宽控制操作。上面的描述同样适用于家庭网络用户。特别地，由于家庭用户可能发现对于实时数据流使用专用信道会非常昂贵，所以家庭用户将通常对于实时和非实时TCP业务共享访问分段26的通信信道。因此，本发明有益于使用一个共享信道来接收实时和非实时数据的家庭用户。
对本发明的说明实际上只是示范性的。因此，本发明的范围包括不偏离本发明要点的各种变化，并不认为这些变化偏离了本发明的精神和范围。

Claims (38)

1.一种保证网络中服务质量的系统，所述系统包括：
至少一个第一流发送器，该第一流发送器具有流量控制窗口，并且能够依照该流量控制窗口，可操作地传输来自于该第一流发送器的第一流；
网络互连，适于通过网络接收来自于所述第一流发送器的所述第一流和通过网络传输的来自于第二流发送器的至少一个第二流；和
与所述网络互连相关的带宽控制，该带宽控制可被操作，以调整该第一流发送器的流量控制窗口的大小，满足与该第二流相关的性能参数，
其中所述第一流是非实时流，所述第二流是实时流，并且
其中将所述第一流发送器和所述第二流发送器连接到所述网络互连的至少一个信道具有由所述第一流和所述第二流共享的带宽容量。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
包括所述第一流发送器的第一网络连接；和
包括所述网络互连的第二网络。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述网络互连是一个家庭网关，所述第二网络是一个家庭网络。
4.根据权利要求2所述的系统，进一步包括所述至少一个信道。
5.根据权利要求2所述的系统，其中所述第二流持续需要所述带宽容量的一部分。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述带宽控制调整所述流量控制窗口，以使使用所述带宽容量共享部分的所述第一流小于或者等于所述带宽容量和所述第二流的带宽需求之间的差值。
7.根据权利要求1所述的系统，其中从与所述第二流相关的一组预确定服务质量参数中选择所述性能参数。
8.根据权利要求7所述的系统，其中：所述带宽控制通过调整所述流量控制窗口以及控制所述第一流的带宽需求来保持所述第二流的服务质量参数。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述流量控制窗口调节所述第一流的流量。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述流量控制窗口通过调节所述第一流的流量来调节所述第一流的带宽使用。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一流发送器根据传输控制协议TCP操作，并且所述流量控制窗口包括由TCP定义的流量控制窗口。
12.根据权利要求11所述的系统，其中该带宽控制在第二流和第一流间动态地调整带宽，以便被分配给第一流的带宽不超过该第一流可用的带宽。
13.根据权利要求12所述的系统，其中该带宽控制通过增加给定第一流的流量控制窗口的大小，来动态地调整带宽，该给定第一流在另一第一流的慢启动期间处于稳态。
14.如权利要求13所述的系统，其中当所述另一第一流达到稳态时，该带宽控制通过减小所述给定第一流上的流量控制窗口的大小来动态地调整带宽。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述网络互连是从由路由器、协议转换器和网关所组成的组中选出的设备。
16.一种用于保证网络中服务质量的系统，所述系统包括：
至少两个TCP连接，其中每个TCP连接根据流量控制窗口运行TCP流；
使用具有带宽容量的信道连接到所述TCP连接的网络互连；
通过该信道传输的至少一个实时流，使用所述信道连接到所述网络互连；
与所述网络互连相关的带宽控制，该带宽控制调整各个TCP连接的流量控制窗口的大小，以满足该实时流的性能参数，
其中该信道的带宽容量由所述TCP流和所述至少一个实时流共享。
17.根据权利要求16所述的系统，进一步包括：
包括所述TCP连接的至少一个服务器；和
连接到所述网络互连的至少一个网络元件。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述的网络元件包括在家庭网络中，并且所述网络互连是家庭网关。
19.根据权利要求16所述的系统，其中所述带宽控制通过调整所述流量控制窗口来满足所述实时流的多个服务质量参数。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述带宽控制调整所述流量控制窗口，以使需要所述带宽容量共享部分的所述TCP流小于或者等于所述带宽容量和所述实时流带宽需求之间的差值。
21.一种保证网络中服务质量的系统，所述系统包括：
连接到通信信道的边缘路由器；
连接到所述通信信道的网络互连；
至少一个实时数据流，从所述边缘路由器经由所述通信信道被发射到所述网络互连；
起源自所述边缘路由器的至少一个TCP连接，所述TCP连接具有至少一个流量控制窗口；和
与所述网络互连相关的带宽控制，所述带宽控制调整用于调节所述TCP连接的带宽需求的所述流量控制窗口的大小，以满足实时流参数，
其中所述通信信道具有由所述至少一个实时流和所述至少一个TCP连接所运行的TCP流共享的带宽容量。
22.根据权利要求21所述的系统，进一步包括：
所述带宽控制调整所述TCP连接的所述流量控制窗口，以支持与所述实时数据流相关的至少一个服务质量参数。
23.根据权利要求21所述的系统，其中所述带宽控制通过调整所述流量控制窗口来调节所述TCP连接的带宽需求，以使需要所述带宽容量共享部分的所述TCP流小于或者等于所述带宽容量和所述实时流带宽需求之间的差值。
24.一种通过使用动态带宽分配保证网络中服务质量的系统，所述系统包括：
至少两个第一流发送器，每个所述第一流发送器具有至少一个流量控制窗口；
从所述第一流发送器发射的至少两个第一流；
网络互连，接收来自于第一流发送器的所述第一流和来自于第二流发送器的至少一个第二流；
与所述网络互连相关的带宽控制；和
所述带宽控制动态地调整所述流量控制窗口的大小，以把指定给一个给定第一流的未使用带宽分配给另一第一流，
其中所述第一流是非实时流，所述第二流是实时流，并且
将所述第一流发送器和所述第二流发送器连接到所述网络互连的至少一个信道具有由所述第一流和所述第二流共享的带宽容量。
25.根据权利要求24所述的系统，其中所述第一流是非实时TCP流，所述第二流是实时数据流。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述给定第一流在TCP缓慢启动期间具有未使用带宽。
27.根据权利要求24所述的系统，其中在所述给定第一流达到稳态后，所述带宽控制分配相等的带宽给所述给定第一流和所述另一第一流。
28.一种在网络中提高服务质量的方法，该方法包括：
通过调整与至少一个第一流发送器相关的至少一个流量控制窗口来调节至少一个第一流的带宽需求，所述第一流发送器使用至少一个具有带宽容量的通信信道来发射所述第一流；和
保证使用所述通信信道从至少一个第二流发送器中发射的至少一个第二流的至少一个服务质量参数，所述服务质量参数取决于所述第一流的带宽需求，
其中所述第一流是非实时流，所述第二流是实时流，并且
所述通信信道具有由所述至少一个第一流和所述至少一个第二流共享的带宽容量。
29.根据权利要求28所述的方法，其中调节步骤进一步包括：
使用与连接到所述通信信道的网络互连相关的带宽控制来调整所述第一流的带宽需求。
30.根据权利要求29所述的方法，其中调节步骤进一步包括：
调整所述第一流的带宽需求，以使所述第一流的带宽需求小于或者等于所述通信信道的带宽容量和所述第二流的带宽需求之间的差值。
31.根据权利要求28所述的方法，其中所述流量控制窗口调节所述第一流的带宽需求。
32.权利要求28的方法，其中所述网络互连是从由从路由器、协议转换器和网关所组成的组中选出的设备。
33.根据权利要求28所述的方法，其中所述第一流包括非实时TCP流，所述第二流包括实时数据流。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述非实时流包括TCP流，并且所述第一流发送器是TCP连接。
35.一种通过使用动态带宽分配保证网络中服务质量的方法，该方法包括如下步骤：
依照传输控制协议TCP，通过通信信道传输来自于第一流发送器的第一流；
通过该通信信道传输第二流；
动态地调整与该第一流发送器相关的流量控制窗口的大小，以保证该第二流的服务质量参数，
其中所述第一流是非实时流，所述第二流是实时流，并且
其中所述通信信道具有由所述第一流和所述第二流共享的带宽容量。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述调整步骤进一步包括：
通过使用与连接到所述第一流发送器和用来发送所述第二流的第二流发送器的网络互连相关的带宽控制，将指定给一个给定第一流的未使用带宽分配到另一第一流。
37.根据权利要求36所述的方法，其中在所述给定第一流达到稳态后，所述带宽控制分配相等的带宽给所述给定第一流和所述另一第一流。
38.根据权利要求35所述的方法，其中所述第一流包括非实时TCP流，所述第二流包括实时数据流。
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