DE69829425T2

DE69829425T2 - Dynamische Netzbandbreitenzuweisung für Multimedia-Anwendungen mit weichen Dienstqualitätsanforderungen

Info

Publication number: DE69829425T2
Application number: DE69829425T
Authority: DE
Inventors: Daniel Reininger; Rauf Izmailov
Original assignee: Juniper Networks Inc
Current assignee: Juniper Networks Inc
Priority date: 1998-01-21
Filing date: 1998-04-20
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2018-04-21
Also published as: EP0932280A3; EP0932280A2; DE69830625T2; EP0932280B1; DE69829425D1; DE69830625D1; DE69829515D1; DE69838493T2; DE69829515T2; DE69838493D1; DE69832582T2; DE69832582D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft eine Dienstqualität (QoS – Quality of Service) bzw. Güte für Netzwerkkommunikation. Insbesondere wird eine als genannt Weich-QoS bezeichnete neue Form einer QoS, eingeführt, um den derzeitig bestehenden Abstand zwischen der effizienten Bereitstellung einer Netzwerkpegel-QoS und den Anforderungen von Multimedia-Anwendungen zu überbrücken. Diese Erfindung wird in einem Netzwerksystem, das eine Weich-QoS verwendet, in einem Verfahren zur Nutzung der Weich-QoS und in einem Computerprogrammprodukt, das einem Netzwerk ermöglicht, die Weich-QoS zu verwenden, verkörpert.
VERWANDTE TECHNIK
Gegenwärtig ist die Kommunikation über ein Netzwerk in großem Umfang vorherrschend geworden. Verbindungen, die ein derartiges Netzwerk nutzen, benötigen eine Garantie einer bestimmten Dienstqualität oder Güte. Die von einem Netzwerk gebotene Dienstqualität (QoS) wird in Form von QoS-Parametern gemessen. QoS-Parameter werden in herkömmlichen Systemen als statistische Begriffe, wie z.B. Zellenverlustrate, Verzögerungsjitter, und Zellenübertragungsverzögerung ausgedrückt.
Um eine Garantie für eine bestimmte QoS bereitzustellen, muss ein Netzwerk Langzeitannahmen bezüglich der statistischen Eigenschaften seines Verkehrs treffen. Andererseits besteht jedoch der Netzwerkverkehr aus verschiedenen Verbindungen mit ihren eigenen entsprechenden Eigenschaften. Zusätzlich müssen von einem Netzwerk getroffene Annahmen bezüglich einer spezifischen Verbindung für deren gesamte Dauer gelten.
Die vorstehend erwähnten statistischen Eigenschaften werden in herkömmlichen Systemen unter Anwendung von stochastischer Modellierung oder statistische Analyse empirischer Daten einschließender Verfahren erzielt.
Jedoch sind dann Verkehrsprofile von interaktiven Multimedia-Verbindungen im Allgemeinen unbekannt, wenn sie aufgebaut werden. Daher sind die vorstehend erwähnten statistischen Langzeitdarstellungen für derartige interaktive Multimedia-Verbindungen ungeeignet. Insbesondere repräsentieren in statistischen Langzeitdarstellungen verwendete Parameter nicht die spezifischen QoS-Anforderungen in Multimedia-Anwendungen. Es wird allgemein akzeptiert, dass verteilte Multimedia-Anwendungen einen Netzwerkdienst erfordern, der die dynamischen und heterogenen Bandbreitenanforderungen, die für derartige Anwendungen typisch sind, zur Übereinstimmung bringen kann.
Ferner muss ein Netzwerk auf konservative Verkehrsannahmen zurückgreifen, um eine bestimmte QoS zu garantieren. Ein derartiger Rückgriff auf konservative Annahmen führt zur Reservierung von Netzwerkkapazität weit über das hinausgehend, was erforderlich ist. Demzufolge liegt eine schlechte Netzwerkausnutzung vor.
Es sei angemerkt, dass das Problem einer schlechten Netzwerkausnutzung aufgrund einer Kapazitätsüberreservierung unter Anwendung von VBR* durch Fachleute auf diesem Gebiet bereits angesprochen wurde. Siehe D. Reininger, G. Ramamurthy and D. Raychaudhuri, "VBR MPEG Video Coding with Dynamic Bandwith Renegotiation", Proceedings of ICC (June 1995). VBR* ist eine Netzwerkdienstklasse, unter deren Verwendung eine Verbindung ihre Bandbreite während des Verlaufs der Verbindung neu verhandeln kann.
Unter Anwendung dieses Verfahrens kann die Gesamtnutzung eines Netzwerkes verbessert werden, da Bandbreite während einer Verbindung dynamisch zugewiesen und wieder aufgehoben werden kann. Siehe D. Reiniger, W. Luo, "Statistical Multiplexing of VBR Video", Proceedings of SPIE International Symposium on Voice, Video & Data, Communications, Dallas, Texas (Nov. 1997).
Jedoch beinhalten dann in Verbindung mit der Bandbreitenberechnung verwendete Formeln QoS-Parameter, wie beispielsweise Äquivalente Brandbreite. Demzufolge verändert eine Neuzuweisung von Bandbreite die QoS einer Verbindung. In solchen Fällen müssen zur Bandbreitenneuzuweisung verwendete Prozeduren, wie z.B. in VBR*, sicherstellen, dass neue QoS-Parameter den ursprünglichen QoS-Anforderungen einer Verbindung genügen. Um diese Aufgabe zu realisieren, verwenden die Autoren ein Konzept einer "QoS-Zufriedenheit".
Herkömmliche bekannte Verfahren basieren auf der Darstellung einer QoS-Zufriedenheit als einem "harten" binären ("Ja/Nein")-Parameter. Wenn beispielsweise das gelieferte (oder geschätzte) Zellenverlustverhältnis größer als ein erforderliches Zellenverlustverhältnis ist, wird die Verbindung als nicht zufriedenstellend angesehen. Dieses Ergebnis ergibt sich unabhängig davon, wie klein der Unterschied zwischen dem erforderlichen und gelieferten Zellenverlustverhältnis ist.
Unter Berücksichtigung des Vorstehenden ist es somit deutlich, dass die Verwendung binärer Parameter zu einer Überverallgemeinerung der QoS-Zufriedenheit führt. Dieses wurde teilweise in herkömmlichen Systemen dadurch behoben, indem zwei Sätze von QoS-Parametern in der Aufbauphase verwendet werden, wobei diese eine gewünschte QoS und eine akzeptable QoS sind.
N. Venkatasubramanian, K. Nahrstedt: "An Integrated Metric for Video QoS", Proceedings ACM Multimedia, Seattle, 9–13 November 1997 (XP-857 162) offenbart eine Möglichkeit zum Ermitteln eines Ende/Ende-Wertes der QoS von einem Videoserver zu (einem) Endverbraucher(n), als ein gewichtetes Verhältnis der Nutzerzufriedenheit über dem Ressourcenverbrauch, um einen Verhandlungsmechanismus für Preis/Qualitäts-Ausgleiche zu entwickeln.
Eine Benutzerverbindung und ein Netzwerk stehen in einer Folge von QoS-Verhandlungen unter Verwendung der vorstehend erwähnten zwei Parameter. In einem derartigen Falle werden der Benutzerverbindung akzeptable QoS-Parameter zugewiesen, welche von der von ihr ursprünglich gewünschten QoS abweichen. Obwohl dieses Verfahren eine Verbesserung gegenüber der vorstehend erwähnten binären Charakterisierung einer QoS-Zufriedenheit darstellt, führt die Bereitstellung einer gewünschten und akzep tablen QoS nicht zu einem angemessenen Mechanismus zum Handhaben einer QoS, welche zwischen diese zwei fällt. Es ist ziemlich klar, dass der Bereich zwischen den QoS-Grenzen, gewünscht und akzeptabel, nicht effizient genutzt wird.
Ferner besitzen herkömmliche Systeme kein QoS-Zufriedenheitsschema, das während einer in Betrieb befindlichen Verbindung eingesetzt werden kann. Außerdem ist es für ein Netzwerk nicht möglich, eine hohe Ausnutzung zu erreichen, während gleichzeitig Hartbegrenzungs-Langzeit-QoS-Garantien unter den von verteilten Multimedia-Anwendungen auferlegten Anforderungen aufrechterhalten werden.
Daher liegen wenigstens die nachstehenden Probleme in herkömmlichen Netrwerksystemen vor.

• "Hart"-QoS ist für Multimediaverkehr ungeeignet.
• "Hart"-QoS führt zu einer nicht zufriedenstellenden Nutzung der Netzwerke.
• Herkömmliche QoS-Zufriedenheitsschemata können während eines Verbindungsablaufs nicht modifiziert werden.
• Herkömmliche QoS-Zufriedenheitsschemata erzeugen keine Qualitäts-faire Ressourcenzuteilung, da sie eine gleichmäßige Bandbreitenzuweisung verwenden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, die vorstehend genannten Probleme in Netrwerksystemen gemäß einem in den Ansprüchen 1 bis 4 definierten Verfahren zu lösen. Insbesondere ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Weich-QoS bereitzustellen, um eine Netzwerknutzung und Anwendungsebenen-QoS in verteilten Multimediasystemen ins Gleichgewicht zu bringen.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, während einer Überlastung eine Weich-QoS zu verwenden, um die Toleranz einer Anwendung gegenüber einer Netzwerkband breitenknappheit auszunutzen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Weich-QoS durch einen Zufriedenheitsindex und ein Weichheitsprofil darzustellen.
Im Falle einer Videoübertragung ist der Zufriedenheitsindex eine Anzeige für wahrnehmbare Qualität. Für unterschiedliche Multimedia-Anwendungen korreliert das Weichheitsprofil den Zufriedenheitsindex mit der sich ergebenden Bandbreitenzuteilung während einer Netzwerküberlastung. Beispielsweise zeigen Videoanwendungen eine nicht-lineare Qualitätsreaktion auf Bitratenveränderungen. Skalieren einer Videoquelle reduziert deren Bitrate, beeinflusst jedoch die wahrnehmbare Qualität. Während "weiche" Anwendungen (wie z.B. Telekonferenzen, oder Multimedia-on-Demand-Browsing) relativ große Reduzierungen in der Bitrate tolerieren können, können "harte" Anwendungen, wie z.B. Video-on-Demand oder medizinische Anwendungen) keine Bitratenskalierung ohne signifikante Verschlechterung der Anwendungsebenen QoS tolerieren. Weichere Anwendungen sind robuster gegen eine Netzwerküberlastung, da sie einen geringeren Abfall im Zufriedenheitsindex mit zunehmender Bandbreitenknappheit zeigen.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Weichheitsprofile verschiedener Anwendungen in einem Netzwerk zu verwenden, um die Bandbreitenausnutzung und Benutzerzufriedenheit auszugleichen. Es ist noch eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, zu ermöglichen, dass weichere Anwendungen einen Dienst mit günstigerem Preis für ihre zusätzliche Flexibilität für die Bandbreitenzuordnung erhalten, welche es ermöglicht, dass Netzwerke in den aggressiveren Nutzungsbereichen arbeiten.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, sich mit den Problemen bezüglich der QoS zu befassen und die Vorstellung der QoS-Zufriedenheit über ihren derzeitigen "harten" Binärstatus hinaus auszudehnen.
Insbesondere wird ein Zufriedenheitsindex stufenweise von "nicht zufriedengestellt" bis "zufriedengestellt" skaliert. Der Zufriedenheitsindex stellt die Diskrepanz zwischen der geforderten äquivalenten Bandbreite und der zugeteilten Bandbreite während einer Netzwerküberlastung dar. Die genaue Beziehung zwischen dem Zufriedenheitsindex und der Bandbreite der Verbindung wird durch deren Weichheitsprofil beschrieben. Das Weichheitsprofil spezifiziert, wie der Zufriedenheitsindex abnimmt, wenn nur ein Teil der geforderten Bandbreite tatsächlich durch das Netzwerk zugeteilt werden kann. Wenn ein kleines Bandbreitendefizit eine scharfe Abnahme des Zufriedenheitsindexes bewirkt, wird das entsprechende Weichheitsprofil als "hart" angesehen. "Weichere" Profile entsprechen Fällen, in welchen ein Bandbreitendefizit ein langsameres Abfallen des Zufriedenheitsindexes bewirkt. Weichheitsprofile können während des Aufbaus gewählt werden, und können im Verlauf einer Sitzung verändert werden.
Es ist noch eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, Anwendungen die Wahl eines Weichheitsprofils zu ermöglichen, das am besten ihre Bedürfnisse erfüllt. Beispielsweise tolerieren Video-on-Demand-(VoD)-Anwendungen in allgemeinen Bitratenregulierungen innerhalb eines kleinen dynamischen Bereichs, (da eine Ratensteuerung durch Quantisierersteuerung erreicht wird). Anwendungen, wie z.B. Überwachung oder Telekonferenz können einen größeren dynamischen Bereich für die Bitratensteuerung aufweisen, da Video über einen Bereich von Rahmenraten unter den herkömmlichen 30 und 24 Rahmen pro Sekunde angezeigt werden können. Andere Multimedia-Anwendungen können einen größeren Bereich einer Bitratensteuerung durch Auflösungsskalierung ermöglichen. In diesen Beispielen sind VoD-Anwendungen an ein "härteres" Profil als die anderen adaptiveren Multimedia-Anwendungen angepasst.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Anwendungen die Wahl geeigneter Weichheitsprofile abhängig von der Art der Anwendung zu ermöglichen. Beispielsweise können Benutzer auf drahtlosen mobilen Terminals ein "weicheres" Profil für eine Anwendung wählen, um die Verbindungskosten zu reduzieren, während ein "härteres" Profil gewählt werden kann, wenn dieselbe Anwendung auf einem Festanschluss-Desktopterminal läuft. Somit könnten adaptive Multimedia-Anwendungen, die in der Lage sind, ihre Videoqualität zu skalieren, ihre Weich-QoS-Anforderungen dynamisch spezifizieren, um die Kosten einer Sitzung zu steuern.
Um die vorstehenden Aufgaben zu lösen, wird ein verteiltes Multimediasystem mit einer Unterstützung für eine weiche Dienstqualität bereitgestellt. Zusätzlich wird ein verteiltes Multimediasystem bereitgestellt, das einen Client, einen Server und ein Netzwerk umfasst, wobei der Client ferner eine Anwendungs- und Netzwerkschnittstellenkarte umfasst, der Server ferner eine Terminaldienstqualitäts-Steuerung, eine Datenquelle und eine Server-Netzwerkschnittstellenkarte umfasst.
Das Netzwerk umfasst ferner ein Backbone-Netzwerk, ein Zugriffsnetzwerk, eine Dienstqualitäts-Steuerung, wobei die Dienstqualitäts-Steuerung an dem Zugangsnetzwerk angeschlossen ist.
Die Dienststeuerungen können Personal Computer, Funktionsserver und eingebettete Systeme sein. Die Dienststeuerungen können sich in der Randvermittlung des Backbone-Netzwerkes befinden und/oder über das Backbone-Netzwerk verteilt sein.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Weich-QoS mit einem Weichheitsprofil und einem Zufriedenheitsindex. Verbesserungen umfassen ein Weichheitsprofil, das unter der Verwendung des Weichheitsindex und eines Bandbreitenverhältnisses definiert ist, wobei das Bandbreitenverhältnis ferner als ein Verhältnis zugeteilter Bandbreite zu geforderter Bandbreite definiert ist, der Zufriedenheitsindex von 2 bis 5 mit einer Auflösung von G eingeteilt ist, und das Bandbreitenverhältnis von 0 bis 1 eingeteilt ist. Weitere Verbesserungen beinhalten mathematische Formeln, um das Weichheitsprofil zu berechnen, welche nachstehend unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt ein Beispiel eines Zufriedenheitsprofils dar.
2 zeigt eine Tabelle, die das kritische Bandbreitenverhältnis für unterschiedliche MPEG-2 Videoanwendungsszenarien darstellt.
3 stellt eine QoS API gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
4 stellt ein Modell für ein verteiltes Multimediasystem mit einer Weich-QoS-Unterstützung dar.
5 stellt eine Anwendungs-QoS-Neuverhandlung über ein Netzwerk dar, das eine ATM-Signalisierung verwendet.
6 stellt ein Beispiel dar, das das IP verwendet und RSVP-Verbindungen bereitgestellt.
7 stellt Weich-QoS-Steuerungen über Netzwerke dar, die eine IP-Vermittlung über ATM verwenden.
8 stellt ein adaptives Bandbreitenzuteilungssystemmodell dar.
9 stellt eine detaillierte Beschreibung einer algorithmischen Implementation für eine Weich-QoS-Steuerung dar.
10 stellt einen Bandbreiten-Neuzuteilungsalgorithmus dar.
11 stellt Beispiele der verschiedenen Schritte in der Kernbandbreitenzuteilungsprozedur dar.
12 stellt einen Zulassungssteueralgorithmus dar.
13 stellt eine Tabelle dar, die das Verhalten einer Weich-QoS-Steuerung in Hinblick auf voreingestellte Maße zeigt.
14 stellt den Effekt der Netzwerkausnutzung bezüglich einer niedrigen Zufriedenheitsrate (LSR) dar.
15 stellt den Effekt der Netzwerkausnutzung bezüglich einer mittleren Dauer einer niedrigen Zufriedenheit (LSMD) dar.
16 stellt den Effekt der Netzwerkausnutzung bezüglich einer Neuzuteilungsrate (RR) dar.
17 stellt den Effekt eines Kappungs-Schwellenwertes bezüglich eines Neuzuteilungs-Signalisierungs-Overhead (RSO) dar.
18 zeigt eine Tabelle, die den Effekt des Kappungs-Schwellenwertes bezüglich einer Wiederzuteilungsleistung darstellt.
19 stellt einen Kompromiss zwischen einem Neuzuteilungs-Signalisierungs-Overhead (RSO) und einer niedrigen Zufriedenheitsrate (LSR) dar.
20 zeigt den Effekt der Neuzuteilung bezüglich eines minimalen Zufriedenheitsindexes.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf die Figuren werden die Prinzipien der vorliegenden Erfindung beschrieben. Hierin werden verschiedene Merkmale, Vorteile und verschiedene Ausführungsformen und Beispiele der vorliegenden Erfindung für ein besseres Verständnis dieser Erfindung beschrieben. Experimente, die quantitativ die überlegenen Vorteile der vorliegenden Erfindung zeigen, werden ebenfalls mit einer Analyse ihrer Ergebnisse präsentiert.
Prinzip der Erfindung
Definition der Weich-Dienstqualität (QoS)
Die vorliegende Erfindung ist durch das Konzept einer Weich-QoS gekennzeichnet, welche eine sanfte oder flexible QoS bereitstellt, und welche sich von dem Konzept der üblichen harten QoS unterscheidet, die eine feste QoS erzeugt. Insbesondere ist die Weich-QoS für die Bereitstellung ausreichender Netzwerkressourcen, wie z.B. Bandbreite, um eine akzeptable Anwendungsleistung zu erreichen, repräsentativ.
Das Weichheitsprofil ist einer von den Parametern, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um Weich-QoS zu spezifizieren. Ein klares Verständnis des Umfangs dieser Erfindung kann nur durch eine Definition eines Weichheitsprofils gewonnen werden. Das Weichheitsprofil ist durch zwei Parameter definiert: Zufriedenheitsindex und Bandbreitenverhältnis. Zufriedenheitsindex ist ein Maß der Qualitätswahrnehmung des Benutzers. Bandbreitenverhältnis ist als ein Verhältnis der tatsächlich zugeteilten Netzwerkbandbreite zu der von der Anwendung geforderten Bandbreite. Das Weichheitsprofil ist eine Funktion, die den Zufriedenheitsindex einer Anwendung mit den von ihr geforderten und zugeteilten Netzwerkbandbreiten korreliert.
Hierin werden verschiedene Möglichkeiten zum Erzielen von Weichheitsprofilen betrachtet. Multimedia-Anwendungen zeigen im Allgemeinen eine nicht-lineare Beziehung zwischen der Bitrate und Qualität, die als eine von den Möglichkeiten zum Spezifizieren von Weichheitsprofilen genutzt werden kann. Diese nicht-lineare Reaktion ist manchmal empirisch durch Wahrnehmungsbewertungstests gekennzeichnet.
Im Falle von Videoanwendungen wurden Untersuchungen durchgeführt, um die Qualität verschiedener Implementationen von digitalen Videodiensten, wie z.B. hoch auflösendem Fernsehen (HDTV – High Definition Television) und Direktrundsendediensten (DBS – Direct Broadcasting Services) zu bewerten. Eine derartige Untersuchung für MPEG-2 Video oder Fernsehdienste wird in J. G. Lourens, H. H. Malleson, und C. C. Theron, "Optimisation of bit-rates for digitally compressed television services as a function of acceptable picture quality and picture complexity", IEE Colloqium on Digitally Compressed TN by Satellite, 1995 präsentiert. Diese Untersuchung präsentiert ausführliche grafische Darstellungen, welche eine subjektive Bildqualitätsbewertung mit verschiedenen Kompressionsbitraten korrelieren. Sie berücksichtigt auch die Aktivität und Komplexität des Videomaterials. Aus den unter Anwendung des vorstehend erwähnten Lösungsansatzes erhaltenen Korrelationen können Softwareprofile für in verschiedenen Anwendungsszenarien eingesetztes Video abgeleitet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Weichheitsprofil durch eine stückweise lineare "S-förmige"-Funktion, bestehend aus drei linearen Segmenten angenähert. 1 stellt diese Funktion in der Form eines Graphen des Zufriedenheitsindex gegenüber dem Bandbreitenverhältnis dar. Es ist eine Variation des Zufriedenheitsindex von 0 bis 5 dargestellt, während das Bandbreitenverhältnis von 0 bis 1 variiert. Es sind drei lineare Segmente dargestellt: C-B, B-A und A-1. Die Steigung jedes linearen Segmentes repräsentiert die Rate, mit welcher die Videoqualität abnimmt (der Zufriedenheitsindex abnimmt), wenn das Netzwerk nur einen Teil der geforderten Bandbreite zuteilt: Je steiler die Steigung, desto "härter" ist das entsprechende Profil.
In der bevorzugten Ausführungsform ist der Zufriedenheitsindex zwischen 2 bis 5 mit einer Auflösung von G eingeteilt. Zwei Betriebsbereiche sind in der bevorzugten Ausführungsform identifiziert: Der Bereich zwischen 3 bis 5 wird als ein akzeptabler Zufriedenheitsbereich bezeichnet, während ein Bereich unterhalb 3 ein Bereich mit niedriger Zufriedenheit ist.
Ferner ist in der bevorzugten Ausführungsform das Bandbreitenverhältnis von 0 bis 1 eingeteilt. Der als B bezeichnete Punkt in 1 wird als das kritische Bandbreitenverhältnis bezeichnet, da er die akzeptablen und niedrigen Zufriedenheitsbereiche trennt.
In der bevorzugten Ausführungsform ist die Weichheitsprofilfunktion S(r), wobei r das Bandbreitenverhältnis ist, gemäß der vorliegenden Erfindung vollständig durch drei Zahlen A, B, C bestimmt, wobei 1 ≥ A > B > C ≥ 0und (S(1) = 5 (hervorragend), S(A) = 4 (sehr gut), S(B) = 3 (gut), S(C) = 2 (schlecht), S(0) = 0 ist.
Für ein Bandbreitenverhältnis r zwischen 0 und 1 wird der entsprechende Zufriedenheitsindex (S(r)) durch die Formel berechnet:
Das Weichheitsprofil wird auch zum Berechnen des Betrags der Bandbreite (Bandbreitenverhältnis r) verwendet, das zum Erzielen des gewünschten Zufriedenheitsindex S erforderlich ist:
Die vorliegende Erfindung kann auch unter Verwendung einer weiteren Quantifizierung des Weichheitsprofils für unterschiedliche Videoanwendungen in die Praxis umgesetzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Weichheitsprofilcharakterisierung verwendet, die aus Studien abgeleitet wurde, die in J. G. Lourens, H. H. Malleson, und C. C. Theron, "Optimisation of bit-rates for digitally compressed television services as a function of acceptable picture quality and picture complexity", IEE Colloqium on Digitally Compressed TN by Satellite, 1995 präsentiert. detailliert beschrieben sind. In der vorstehend erwähnten Studie zeigt ein aus empirischen Ergebnissen für MPEG-2 Fernsehanwendungen abgeleitetes statistisches Modell, das A = 1,067 – B, C = 0,667 – B ist. 2 stellt einen anwendungsabhängigen Bereich für das kritische Bandbreitenverhältnis B dar.
Weich-QoS-Steuerung für Multimedia-Anwendungen
3 stellt eine QoS-Anforderung durch eine Anwendung dar. Eine Anwendung 500 fordert zusätzliche Bandbreite an. Der Pfeil 500 stellt eine Anwendungsebenen-QoS-Anforderung dar. Das Format dieser Anforderung variiert mit für die Anwendung typischen Aktionen. Die Anforderung wird über eine Netzwerkschnittstellenkarte 510 empfangen, welche auch die QoS-Steuerung ausführt. Diese Karte interpretiert die Anwendungs-QoS-Anforderung und wandelt sie in eine Netzwerk-QoS-Anforderung unter Verwendung von 515 um. Gemäß einem wichtigen Aspekt dieser Erfindung ist anzumerken, dass 515 als eine dynamische Verbindung aufrechterhalten bleibt, und nicht nur als ein einmaliges Aufbauereignis. Das Netzwerk 520 reagiert durch Bereitstellung einer verfügbaren Netzwerk-QoS in 535, welche dann an die Anwendung 535 geliefert wird.
4 stellt ein Beispiel eines Systemmodells für ein verteiltes Multimediasystem mit Weich-QoS-Unterstützung gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Eine Videolieferanwendung, in welcher ein Client-Terminal einen Videotitel von einem entfernten Server über ein Breitband Backbone-Netzwerk 610 anfordert, wird als ein Beispiel betrachtet. Bei dem Verbindungsaufbau fordert eine Anwendung 660 die gewünschte QoS von einem Server und einem Netzwerk an. Für Video wird die von dem Server geforderte Qualität in Form einer Rahmenrate und Rahmendetail (gegeben durch eine Kombination einer räumlichen und Frequenzauflösung) beschrieben. Die von dem Netzwerk geforderte Qualität ist eine Weich-QoS-Spezifikation, die als ein Zufriedenheitsindex und ein Softwareprofil gekennzeichnet ist. Im Verlauf einer Verbindung kann diese Anwendung ihre QoS-Anforderungen neu verhandeln.
Bei dem Server berechnet und verhandelt die Terminal-QoS-Steuerung 650 die erforderliche Bitrate neu, um eine gewünschte Sollqualität aufrechtzuerhalten. Die Neuverhandlungsanforderungen werden an die Weich-QoS-Steuerungen 625 und 635 bei den Netzwerkvermittlungen über Zugangsnetzwerke unter Verwendung von Zugangs- und Abbruchs-Softwarekomponenten 630 und 620 gesendet.
Während der Ausführung von Neuverhandlungen und während einer Netzwerküberlastung verwendet eine Quelle mit variabler Bitrate (VBR) 640 eine Ratensteuerung, um ihre Bitratenqualität zu skalieren, um sicherzustellen, dass der erzeugte Verkehr der zugeteilten Bandbreite entspricht.
5 bis 7 stellen eine konzeptionelle Implementation von Systemen dar, welche verschiedene Netzwerkmechanismen für eine dynamische QoS-Unterstützung detaillieren.
5 stellt eine Anwendungs-QoS-Neuverhandlung über ein Netzwerk dar, das eine ATM-Signalisierung verwendet. Der Client 710 ist mit dem Server 720 über ein ATM-Netzwerk durch ATM-Vermittlungen 730 und 740 verbunden. Weich-QoS-Steuerungen 735 und 745 sind mit den ATM-Vermittlungen verbunden. Aufbauanforderungen 722 und Modifikationsanforderungen 721 werden von dem Server an das Netzwerk gestellt. Neu aufgebaute Verbindungen 724 und Modifikationsverfügbarkeit 723 werden durch den Server empfangen.
6 stellt ein Beispiel dar, das IP anstelle von ATM verwendet und SVP-Verbindungen bereitstellt. RSVP ist ein Signalisierungsmechanismusprotokoll für eine Dienstqualitätsbereitstellung. Es folgt die IETF-Standard-Dienstqualitätsbereitstellung. In diesem Falle sind die Weich-QoS-Steuerungen 815 und 825 mit den IP-Routern 810 und 820 verbunden.
7 stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar, die Weich-QoS-Steuerungen über die relativ neue Technologie der IP-Vermittlung über ATM verwendet. In diesem Falle sind die QoS-Steuerungen 910 und 940 sowohl mit den IP-Routern 920 und 930 als auch mit den ATM-Vermittlungen 730 und 740 verbunden.
Jede von den in den 5 bis 7 dargestellte QoS-Steuerungen kann zu einer Weich-QoS-Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung gemacht werden. In diesem Falle kann eine Weich-QoS-Steuerung eine Weich-QoS-Steueroperation gemäß der vorliegenden Erfindung durchführen.
Aufbau der Weich-QoS-Steuerung
Unter Bezugnahme auf 8 erfolgt eine Beschreibung der Struktur der Weich-QoS-Steuerung, welche bei jedem Knoten des Kommunikationsnetzwerkes angewendet wird. Die dargestellte Weich-QoS-Steuerung ist so betreibbar, dass sie adaptiv eine Bandbreite zuteilt und eine Zufriedenheits-Schätzeinrichtung 1010, ein Weich-QoS-Steuermodul 1020 und ein Weich-CAC-Modul 1030 umfasst. Das dargestellte Weich-QoS-Modul 1030 wird anhand eines Verbindungszulassungs-Steueralgorithmus (welcher später beschrieben wird) betrieben, und das Weich-QoS-Steuermodul 1020 arbeitet mit der Zufriedenheits-Schätzeinrichtung 1010 gemäß einem Weich-QoS-Steueralgorithmus zusammen.
In 8 basiert die Verbindungszulassung, welche in dem Weich-CAC-Modul 1030 ausgeführt wird, auf der verfügbaren Kapazität (RQST, SOFTNESS) 1001, dem Be zugsprofil 1002 und dem abgeschätzten Dienstgrad (GoS). Die neue Verbindung wird akzeptiert, wenn der Soll-GoS (GoS*) 1004 durchgehalten werden kann.
Akzeptierte Verbindungen können ihre Bandbreitenanforderungen und Weichheit während der Sitzung neu verhandeln. Für Neuverhandlungen prüft das Weich-CAC-Modul 1030, dass die geforderte Bandbreite innerhalb ihrer Begrenzungen des erklärten Bezugsprofils liegt, und informiert die Zufriedenheits-Schätzeinrichtung 1010 über Verbindungen, welche eine Bandbreite außerhalb ihres Bezugsprofils anfordern. Das Weich-QoS-Steuermodul 1020 teilt den Neuverhandlungsanforderungen auf der Basis der von der Zufriedenheits-Schätzeinrichtung 1010 gelieferten Zufriedenheit eine Bandbreite zu. Hier werden die Verbindungen, von welchen die Bandbreite abgefordert wird, als Geber bezeichnet, während die Verbindung, welche von dieser Neuzuteilung profitiert, als Empfänger bezeichnet wird.
In diesem Falle kann eine Netzwerk-initiierte Neuverhandlung dazu genutzt werden, um Bandbreite von Geberverbindungen zuzuteilen. Aus Stabilitätsgründen kann die Zufriedenheits-Schätzeinrichtung 1010 von dem Weich-CAC-Modul 1030 fordern, kurzzeitig neue Verbindungen zurückzuweisen (1012).
Algorithmus für die Weich-QoS-Steuerung
Die in 8 dargestellte Weich-QoS-Steuerung wird gemäß einem Weich-QoS-Steueralgorithmus betrieben, welcher in der vorliegenden Erfindung wichtig ist. Die durch diese Erfindung bereitgestellte Weich-QoS-Steuerung empfängt Weich-QoS-Anforderungen. Sie führt dann QoS-Neuverhandlungen auf der Basis der geforderten Bandbreite und zugeordneter Weichheitsprofile, welche Weich-Qos kennzeichnen, durch. Neuverhandlungen, die eine Verringerung der zugeteilten Bandbreite fordern, werden sofort bewilligt, während Anforderungen, die eine Zunahme der Bandbreite fordern, nur bewilligt werden, wenn Kapazität zur Verfügung steht.
Wenn eine Neuverhandlung eine zunehmende Bandbreite anfordert, wird eine vorläufige Zuteilung auf der Basis der verfügbaren Kapazität an dem Ausgangsport der Vermittlung an die die Verbindung zu leiten ist, ausgeführt. Wenn eine derartige vorläufige Zuteilung zu einem Zufriedenheitsindex innerhalb eines vorgewählten niedrigen Zufrieden heitsbereiches führt, wird ein Neuzuteilungsalgorithmus verwendet, um zusätzliche Bandbreite von bereits existierenden Verbindungen, die in einem akzeptablen Zufriedenheitsbereich arbeiten, anzufordern. Die Verbindungen, von welchen Bandbreite abgefordert wird, werden als Geber bezeichnet. Die Verbindung, die aus der Neuzuteilung profitiert, wird als Empfänger bezeichnet. Der Neuzuteilungsalgorithmus verwendet die Verbindungszufriedenheitsprofile, um den minimalen Zufriedenheitsindex aller Verbindungen unter der Voraussetzung zu maximieren, dass die Zufriedenheit aller Geber innerhalb des akzeptablen Zufriedenheitsbereichs bleibt.
Diese Optimierungskriterien führen zu einer rationalen Zuteilung, die die QoS-Anforderungen aller Verbindungen berücksichtigt. Die Leistung des erfindungsgemäßen Algorithmus in Hinblick auf die Wahrscheinlichkeit bei akzeptabler Zufriedenheit für unterschiedliche Netzwerkbelastungen zu arbeiten, ist der Hauptpunkt der experimentellen Ergebnisse, die als Teil dieser Beschreibung vorliegen. Diese Wahrscheinlichkeit nimmt zu, wenn die Zulassungspolitik relativ große Neuverhandlungsanforderungen vermeidet, die eine minimale Zuteilung anfordern, welche die Zufriedenheit im Betrieb befindlicher Verbindungen beeinträchtigen.
Eine detaillierte Beschreibung einer algorithmischen Implementation für eine Weich-QoS-Steuerung folgt. Die Beschreibung folgt dem Flussdiagramm von 9.
Der Schritt 2050 prüft, ob die geforderte Bandbreite kleiner als die momentan zugeteilte Bandbreite für die Verbindung (Verringerungs-Neuverhandlung) ist. Wenn sie es ist, wird die Anforderung vollständig bewilligt. Andernfalls fordert die Verbindung eine Bandbreitenzunahme (Erhöhungs-Neuverhandlung) an. Dann macht im Schritt 2020 jede neue Anforderung für eine Neuverhandlung einen Zulassungstest durch. Der Test schätzt heuristisch ab, ob wenigstens eine minimale Zufriedenheit für alle Verbindungen erreicht werden kann, sobald die Anforderung unter Verwendung der zugeteilten Kapazität und der Weichheitsprofile aktiver Verbindungen akzeptiert wird. Die Verbindungen arbeiten mit ihrer zuvor zugeteilten Kapazität weiter, wenn deren Anforderung im Schritt 2060 durch die Zulassungsprozedur zurückgewiesen wird.
Sobald eine Anforderung im Schritt 2030 zugelassen wird, wird eine vorläufige Zuteilung im Schritt 2031 auf der Basis der verfügbaren Kapazität ausgeführt. Diese Zuweisung ist wenigstens so groß, wie die derzeit zugeteilte Bandbreite für die Verbindung. Der Schritt 2032 prüft, dass der aus der vorläufigen Zuteilung erzielte Zufriedenheitsindex über einem minimalen Zufriedenheitswert liegt. Wenn dies der Fall ist, prüft der Schritt 2041, ob die Verbindung eine maximale Zufriedenheit mit der vorläufigen Zuteilung erreicht. Wenn die Verbindung eine maximale Zufriedenheit erreicht, wird die Anforderung vollständig im Schritt 2043 bewilligt; andernfalls wird die Anforderung im Schritt 2042 teilweise bewilligt. Wenn die vorläufige Zuteilung zu einem Zufriedenheitsindex unterhalb der minimalen Zufriedenheit führt, wird der Neuzuteilungsalgorithmus im Schritt 2040 verwendet, um Bandbreite von Verbindungen, die über der minimalen Zufriedenheit arbeiten, unter Verwendung der Zufriedenheitsprofile der Verbindungen abzufordern.
Der Bandbreiten-Neuzuteilungsalgorithmus wird aufgerufen, wenn eine Verbindung V mehr Bandbreite anfordert als verfügbar ist, um ihren minimalen Zufriedenheitspegel zu erreichen.
Der in 10 dargestellte Bandbreiten-Neuzuteilungsalgorithmus hält den Zufriedenheitspegel aller Verbindungen so hoch wie möglich. Insbesondere muss der minimale Zufriedenheitsindex aller Verbindungen größer als ein vom Netzwerk wählbarer Schwellenwertindex, min.satisfaction, sein. Anschließend wird der Betrieb des Kernbandbreiten-Neuzuteilungsalgorithmus beschrieben. Da zu einem gegebenen Zeitpunkt Verbindungen unterschiedliche Zufriedenheitsindexe besitzen, identifiziert der Neuzuteilungsalgorithmus diejenigen Verbindungen, die den höchsten Zufriedenheitsindex und die höchste zugeteilte Bandbreite haben. Die Wahl von Verbindungen mit dem höchsten Zufriedenheitsindex als primäre Kandidaten für die Neuzuteilung (Geberverbindungen) hält den minimalen Zufriedenheitsindex aller aktiven Verbindungen so hoch wie möglich.
Ferner ermöglicht es ein Kappen der Liste der Geberverbindungen durch Auswählen nur von Verbindungen mit der höchsten zugeteilten Bandbreite als primären Kandidaten in der Neuzuteilung dem Netzwerk, die Anzahl der Neuzuteilungen (Signalisierungsbelastung) zu steuern. Diese Auswahl wird durch einen Kappungs-Schwellenwert (p) bestimmt. Eine Verbindung ist in der Liste der Geber enthalten, wenn ihre aktuelle zugeteilte Bandbreite mal dem Kappungs-Schwellenwert größer als die für den Empfänger erforderliche Bandbreite ist. Je kleiner der Kappungs-Schwellenwert ist, desto weniger sind die Verbindungen in der Geberliste enthalten (wenn p = 0 ist, sind keine Verbindungen enthalten), und umgekehrt.
Unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Weichheitsprofilformeln berechnet der Neuzuteilungsalgorithmus die Bandbreitenmenge, die von den Geberverbindungen V zugeteilt werden könnten. In diesen Berechnungen ist der Anteil der freigegebenen Bandbreite so, dass die restliche Bandbreite den Zufriedenheitsindex der Geberverbindungen um eine Auflösungseinheit G verringert.
Im Schritt 2110 wird eine Neuzuteilung für eine Sollverbindung gefordert. Im Schritt 2120 wird eine Auswahl von Geberverbindungen initialisiert. Im Schritt 2130 wird eine Weich-QoS-Verbindung ausgewählt. Wenn die Bandbreite der ausgewählten Verbindung über einem vorbestimmten Grenzwert liegt, wird die Verbindung einer Liste von Geberverbindungen im Schritt 2141 hinzugefügt. Dieses wird in den Schritten 2140–2142 wiederholt, bis alle QoS-Verbindungen erschöpft sind. Eine gewisse Bandbreite wird von der Geberliste im Schritt 2150 neu zugeteilt. Im Schritt 2160 ermittelt der Algorithmus, ob der Zufriedenheitsindex der Sollverbindung über einem minimalen Zufriedenheitsindex liegt. Falls ja, werden die Geberverbindungen über die Neuzuteilung im Schritt 2180 informiert. Im Falle von nein, wird eine zweite Ermittlung im Schritt 2170 ausgeführt, um zu sehen, ob der Zufriedenheitsindex aller anderen Verbindungen über einer minimalen Zufriedenheit liegt. Falls ja, geht der Algorithmus zurück zu dem Schritt 2120 und die Prozedur wird wiederholt. Falls nein, fordert der Algorithmus von dem Netzwerk zusätzliche Bandbreite im Schritt 2190.
Als eine Folge der Kernbandbreiten-Neuzuteilungsprozedur nimmt der Zufriedenheitsindex der Geberverbindungen um G ab, während der Zufriedenheitsindex der Empfängerverbindungen (V) zunimmt. Der Neuzuteilungsindex stoppt, wenn der Zufriedenheitsindex der Empfängerverbindung innerhalb des akzeptablen Bereichs liegt.
Andernfalls wird die Kernbandbreiten-Neuzuteilungsprozedur wiederholt, bis entweder der Zufriedenheitsindex von V in dem akzeptablen Bereich liegt, oder der Zufriedenheitsindex anderer aktiver Verbindungen min.satisfaction, den Grenzwert zwischen akzeptablen und niedrigen Zufriedenheitsbereichen, erreicht. In dem letzteren Falle ruft das System eine Anforderung nach mehr Bandbreite aus der Netzwerkschicht auf.
Die Ergebnisse der Kernbandbreiten-Neuzuteilungsprozedur sind in 11 dargestellt, in welchen zehn aktive Verbindungen (bezeichnet mit A, B, .... J) als Punkte auf ihren entsprechenden Weichheitsprofilen dargestellt sind. Beispielsweise ist der Zufriedenheitswert der Verbindung A = 5 (maximal), der Zufriedenheitswert der Verbindungen I und J = 3,5, was über dem minimalen Zufriedenheitswert von 3 liegt, und der Zufriedenheitswert der Verbindung V liegt unterhalb von min.satisfaction. Der Algorithmus teilt sequentiell der Verbindung V Bandbreite zu, um ihren Zufriedenheitswert über den minimalen Zufriedenheitswert zu bringen.
Bei dem Schritt 0 (11(a)) wird die Verbindung A als Geberverbindung identifiziert und ein Teil ihrer Bandbreite V neu zugeteilt. Dieses reduziert den Zufriedenheitswert von A um die Auflösung G, welche in diesem Beispiel 0,25 ist. Es erhöht auch den Zufriedenheitswert von V. Das Ergebnis ist bei dem Schritt 1 (11(b)) dargestellt. In diesem Schritt stellt der Algorithmus die neue Liste der Geberverbindungen zusammen, welche A und C enthält. Die Verbindung B ist nicht in der Liste der Geberverbindungen enthalten, da ihre Bandbreite als zu klein für V betrachtet wird. Das Ergebnis ist im Schritt 2 (11(c)) dargestellt. In diesem Schritt enthält die neue Geberliste A, C und D (E ist aus denselben Gründen wie B in dem vorherigen Schritt nicht enthalten), das Endresultat der Neuzuteilung ist im Schritt 3 (11(d)) dargestellt, in welchem der Zufriedenheitswert von V über der minimalen Zufriedenheit liegt. Der Algorithmus passt nun die Bandbreiten von A, C, D und V an, und informiert diese Verbindungen über ihre neuen Zuteilungen.
Zulassungssteueralgorithmus
Um Weich-QoS-Garantien von dem Netzwerk zu empfangen, müssen Benutzer ein Bezugsnutzungsprofil spezifizieren, wenn sie eine Verbindung initiieren.
R(t) sei die gesamte Langzeitkapazitätsanforderung der Verbindungen. Das Ziel unseres Weich-CAC-Algorithmus besteht in der Garantie, dass LSR = Pr[R)t) > C] ≤ δN = LSRmax ist, wobei δ_N die maximale niedrige Zufriedenheitsrate ist, LSR_max in dem Benutzer/Netzwerk-Vertrag angegeben ist und C die Verbindungsbandbreite ist.
Der in 12 dargestellte Weich-CAC-Algorithmus arbeitet in der nachstehenden Weise. Die Verbindung gibt ihr Bezugsprofil im Schritt (1) unter Verwendung der Parameter:
{R_B, Δ_max, S_H ^–1(Sat_min))}
an, wobei R_b eine Basisleitungsrate ist, Δ_max die maximale erwartete Überschreitung von R_B ist, und S_H ^–1(sat_min) das härteste Profil ist, das während der Sitzung zu verwenden ist. Die Parameter des Bezugsprofils können heuristisch auf der Basis von Nutzungsmustern und/oder Hardwarebeschränkungen abgeschätzt sein.
Das Bezugsprofil wird im Schritt (2) in Weich-UPC-Parameter UPC = λ s / p, λ s / s, λ s / p mittels der Formeln umgewandelt:
wobei T_on die Ein-Periode für den "Ein-Aus-Ratenprozess" ist, der die Quellenbitrate modelliert.
Die Weich-QoS-Parameter werden im Schritt (3) verwendet, um das System in ein Zwei-Zustands-Modell umzuwandeln, wobei die hohen und niedrigen Raten (λ_H und λ_L) mit Wahrscheinlichkeiten P_on und (1 – P_on) auftreten, wobei:
ist, und wobei C und B die Verbindungsbandbreite und der Pufferraum für VBR*-Verbindungen sind, und das Basiszeitintervall T_N = B/(2C) ist.
Bei dem nächsten Schritt (4) berechnet der Algorithmus das Inkrement (m_i, S_j ²) mittels der Formeln
wobei
i sich auf eine Verbindung bezieht,
R_B(i) eine Basisleitungsrate für die Verbindung ist,
S_H ^–1(i)(sat_min) eine Bandbreitenrate entsprechend sat_min ist,
λ_H ^S und λ_L ^S hohe und niedrige Raten sind,
Δ_max eine maximale erwartete Überschreitung von R_B(i) ist, und P_on die Wahrscheinlichkeit des Auftritts von λ_H ^S ist.
Wenn die Anforderung ein abgehender Ruf ist (was im Schritt (5) getestet wird), gibt der Algorithmus im Schritt (6) die Bandbreite frei und subtrahiert die Parameter im Schritt (7) (m_i, s_i ²) auf die entsprechenden Summen:
wobei
M_R ^new und S_R ^2new ein neuer Mittelwert und eine Varianz sind
M_R ^old und S_R ^2old ein alter Mittelwert und eine Varianz sind
ϕ eine Gauss'sche Verteilungsfunktion ist
δ_N ein maximaler niedriger Zufriedenheitsindex ist und
C eine Verbindungsbandbreite ist.
Danach wird die Information bezüglich der Ruffreigabe im Schritt (8) an den Rufauslöser gesendet.
Andernfalls addiert, wenn die Anforderung eine Rufankunft ist, der Algorithmus den Mittelwert und die Varianz im Schritt (9) auf die entsprechenden Summen wie folgt hinzu
und die Entscheidungsfunktion L wird im Schritt (10) durch die Formel berechnet:
wobei
M_R ^new und S_R ^2new ein neuer Mittelwert und eine Varianz sind
M_R ^old und S_R ^2old ein alter Mittelwert und eine Varianz sind
ϕ eine Gauss'sche Verteilungsfunktion ist
δ_N ein maximaler niedriger Zufriedenheitsindex ist und
C eine Verbindungsbandbreite ist.
Die Funktion L wird in dem Hauptentscheidungsschritt (11) des CAC-Algorithmus verwendet: Wenn L = 0 ist, wird der Ruf akzeptiert und wird ansonsten zurückgewiesen. Wenn der Ruf akzeptiert ist, wird Bandbreite in dem Schritt (12) reserviert, und die Quelle wird im Schritt (8) informiert. Andernfalls werden die Parameter (M₂, S_R ²) im Schritt (7) neu angepasst und die Quelle im Schritt (8) informiert, dass die Anforderung zurückgewiesen wird.
Das Netzwerk verwendet das Bezugsprofil für eine Rufzulassungssteuerung. Zugelassene Benutzer können ihre Bandbreitenanforderungen und Weichheitsprofile neu verhandeln. Das Netzwerk stimmt der Bereitstellung von Weich-QoS für Neuverhandlungsanforderungen innerhalb des Bezugsprofils zu. Eine Anforderung wird als innerhalb des Bezugsprofils liegend betrachtet, wenn die zum minimalen Erfüllen der Anforderung zugeordnete äquivalente Bandbreite innerhalb der in dem Bezugsprofil spezifizierten Begrenzungen liegt.
Eine Weich-QoS-Bereitstellung impliziert die Zuteilung von Bandbreite, um die vorgenannte minimale Zufriedenheit auf dem Weichheitsprofil unter der Voraussetzung zu erreichen, dass Beschränkungen bezüglich globaler (klassenweiser) Dienstparameter wie z.B. LSR ≤ LSR_max und Aussetzdauer und Blockierwahrscheinlichkeit P_b ≤ P_b ^max sind.
Experimentelle Ergebnisse
In diesem Abschnitt wird der Gebrauchsnutzen der vorgeschlagenen Weich-QoS-Steuerung mit VBR*-interaktivem Videoverkehr bei variablen Netzwerkbelastungen bewertet. Zuerst werden das experimentelle Verfahren und die verwendeten Gebrauchswertmaße gefolgt von einer Simulation der Ergebnisse der Steuerung auf einer ATM-Zugangsvermittlung angegeben.
Methodik
Ein realistisches Videoverkehrsmodell, das vollständig interaktive verteilte Multimedia-Anwendungen repräsentiert, wurde entwickelt. MPEG-2-komprimiertes digitales Video wurde unter Verwendung eines kommerziell erhältlichen Videoarbeitsproduktes erzielt. Vier 20-Minuten-Folgen von allgemein bekannten Aktionsfilmen wurden verwendet. Jede Folge wurde mit fünf Qualitätspegeln durch Veränderung des Quantisierungsmaßstabes von 4 bis 12 in Inkrementen von 2 codiert. Die sich ergebenden Bitanzahlen auf MPEG-2 Rahmenebene wurden aus Bitströmen extrahiert. Zum Verbindungsaufbau zeitpunkt wählt jede VBR*-Quelle zufällig einen von den vier Filmen aus. Im Verlauf einer Sitzung wurden die originalen Rahmenbitzählwerte dynamisch skaliert, um die Verkehrscharakteristiken eines Video-Servers zu reflektieren, der interaktive Multimedia-on-Demand (MoD) Clients unterstützt. Das Modell wählte interaktive Moden zufällig aus einer gleichmäßigen Verteilung möglicher Moden, wie z.B. schneller Vorlauf, Rückspulen, Abspielen und unterschiedliche Rahmenraten, Hintergrund- und Vordergrundbetrachtung usw. aus. Eine exponentielle Verteilung mit durchschnittlichen Haltezeiten, die für den ausgewählten Modus vernünftig sind, wurde verwendet, um die Aufenthaltszeit unter interaktiven Moden zu modellieren.
Ein Beispiel eines Multimediasystems mit mehreren Interaktivitätsmodi wird in D. Reininger, M. Ott, G. Michelitsch und G. Welling, "Scalable Control for VBR Video Servers" Proc. First IEE Conference on Multimedia Signal Processing, Winston University, Brinston, N. J., June 1997 und in M. Ott, G. Michelitsch, G. Welling, "Adaptive Qos in Multimedia Systems", Proc. First JFIP International Workshop on Quality of Service, 1 WQOS'97, Columbia University, New York, May 1997 beschrieben. In diesem System können Videoanzeigefenster in den Vordergrund oder Hintergrund einer Benutzerschnittstellendarstellung geschoben werden. Siehe M. Ott, G. Welling, "An Architecture for Adaptive Qos and its Application to Multimedia System Design, der in einer Spezialausgabe über QoS in Computers and Communications erscheinen soll.
Wenn sich ein Videofenster im Vordergrund befindet, wählt es ein weicheres Profil als dann, wenn es sich im Hintergrund befindet. Zusätzlich kann Hintergrundvideo eine geringere räumliche Auflösung als eines im Vordergrund aufweisen. Ein Qualitätsanhang kann an ein Videofenster angehängt werden, um eine explizite Steuerung der Rahmenanzeigerate und eines Detail, das als eine Kombination des Quantisierungspegels und der räumlichen Auflösung gegeben ist), zu ermöglichen. Ein Fernsteuerungsanhang ermöglicht "Trick"-Modi, wie z.B. schneller Vorlauf, Rückspulen, Sprung zum letzten Rahmen, Sprung zum ersten Rahmen, usw.
Eine JAVA-basierende verteilte Softwaresimulation wurde verwendet, um eine variable Anzahl von VBR*-interaktiven MPEG-Videoquellen in den Port einer ATM-Vermittlung zu multiplexieren, deren Bandbreitenzuteilung von der Weich-QoS-Steuerung verwaltet wird. Jede von den VBR*-Verbindungen wurde als ein getrennter JAVA-Strang imple mentiert und verhandelt seine Weich-QoS synchron neu. Neuverhandlungsmeldungen zwischen den Verbindungen und der Weich-QoS-Steuerung bestanden aus einer Bandbreitenanforderung (vorliegend in der Form eines UPC-Verkehrsdiskriptors) und dem Index eines Weichheitsprofils.
Die nachstehenden Leistungsmaße wurden verwendet:

• Nutzung des ATM-Vermittlungsports (U), gemessen als das Verhältnis einer mittleren Summenbandbreite, die den VBR*-Verbindungen bis zur OC-3 Verbindungskapazität zugeteilt wurde.
• Niedrige Zufriedenheitsrate (LSR), ist das Verhältnis der Zeit (in Videorahmenintervallen von 33 ms) die eine durchschnittliche Verbindung in dem niedrigen Zufriedenheitsbereich ihres Weichheitsprofils während der Dauer der Verbindung verbringt.
• Mittlere Dauer niedriger Zufriedenheit (LSMD) ist die Zeit (in Videorahmenintervallen von 33 ms), die eine durchschnittliche Verbindung aufeinander folgend in dem niedrigen Zufriedenheitsbereich seines Softwareprofils verbringt.
• Standardabweichung der niedrigen Zufriedenheit (LSSD) ist die Standardabweichung der LSMD.
• Neuzuteilungsrate (RR) ist die Rate von der Weich-QoS-Steuerung empfangener Neuverhandlungsanforderungen, die eine Neuzuteilung fordern.
• Neuzuteilungs-Signalisierungs-Overhead (RSO) misst das Verhältnis der erzeugten Signale, um Geber bezüglich einer Neuzuteilung zu informieren, die sich aus dem Neuzuteilungsalgorithmus ergab, zu der Anzahl von Signalen, die durch die Verbindungsneuverhandlungen erzeugt wurden.

Simulationsergebnisse
13 stellt eine Tabelle dar, die die Leistung der Weich-QoS-Steuerung in Form der vorstehend beschriebenen Maße darstellt. Die Simulation wurde für etwa 20 Echtzeitminuten (angenähert 85000 Rahmen) durchgeführt. Wenn die Anzahl von interaktiven Videoströmen zwischen 20 und 32 variiert, variiert die Portausnutzung zwischen 65% bis 95%. Jeder Videostrom forderte im Mittel etwa einmal alle 3 Sekunden QoS-Neuverhandlungen. Somit verarbeitet die Weich-QoS-Steuerung in der Größenordnung von 10 Weich-QoS-Anforderungen pro Sekunde (r.p.s.). Von diesen Anforderungen erfordern weniger als 5% eine Bandbreitenneuzuteilung, um ein Fallen unter die minimale Zufriedenheit (siehe RR in der Tabelle) zu verhindern. Gemäß Darstellung in 14 kann die Weich-QoS-Steuerung die akzeptable Qualität mit hoher Wahrscheinlichkeit (über 0,95) selbst bei Bereichen mit sehr hoher Nutzung halten. Insbesondere beachte man, dass die Neuzuteilung die LSR um eine Größenordnung in dem 80–85% Nutzungsbereich verbessert. Ferner zeigt 15, dass der Neuzuteilungsalgorithmus signifikant die Zeit reduziert, die eine durchschnittliche Verbindung in dem niedrigen Zufriedenheitsbereich verbringt. Insbesondere werden keine Neuzuteilung bzw. Neuzuteilung durch eine durchgezogene Linie bzw. eine unterbrochene Linie in 15 spezifiziert. Zusätzlich stellt 16 eine Beziehung zwischen der Portausnutzung und der Neuzuteilungsrate (RR) dar. Die Neuzuteilungsrate (RR) wird mit einer Zunahme der Portausnutzung hoch.
Jede Neuzuteilung erfordert mehrere Signalisierungsmeldungen, um die beteiligten Geberverbindungen über die neue Zuteilung zu informieren. 17 stellt dar, dass der Neuzuteilungs-Signalisierungs-Overhead (RSO), der für diesen Zweck hinzugefügt wird, über 40% liegen kann. Die Signalisierungsbelastung ist eine Funktion der Anzahl der in der Neuzuteilung beteiligten Geber. Wie es vorstehend beschrieben wurde, kann die Größe der Verbindungsgeberliste durch den Kappungs-Schwellenwert p gesteuert werden. Jedoch sind, je kleiner die Anzahl potentieller Geber ist, die Chancen, dass die Zuteilung die Empfängerverbindung erfolgreich in den akzeptablen Zufriedenheitsbereich bringt, kleiner.
Die Empfindlichkeit des Kompromisses zwischen Signalisierungsbelastung, Zufriedenheitsindex und den Werten des Kappungs-Schwellenwertes werden anschließend untersucht. In diesen Simulationen wurde die Anzahl der multiplexierten Ströme konstant (bei 24 Strömen) gehalten und die Kappungs-Schwellenwerte verändert. Die Ergebnisse sind in 18 dargestellt.
Wenn der Kappungs-Schwellenwert p zunimmt, nimmt die Anzahl der in der Gebergruppe enthaltenen Verbindungen (und demzufolge die Anzahl der Signale die sie erzeugen) zu. Unter der Annahme, dass die Bandbreitenzuteilungen zufällig und gleichmäßig über denselben Bereich verteilt sind, ist die Abhängigkeit zwischen p und der durchschnittlichen Größe der Gebergruppe linear (aufgrund der Linearität der Verteilungsfunktion). Die Zahlen in 17 und 18 unterstützen diese Vermutung: Wenn p zunimmt, nimmt die durchschnittliche Signalisierungsbelastung, die durch RSO gegeben ist, ebenfalls angenähert linear bis zu einem Sättigungspunkt zu. Der Sättigungspunkt entspricht dem Fall, in welchem alle Verbindungen in der Geberliste enthalten sind.
Gemäß Darstellung in 19 verbessert, obwohl ein zunehmendes p die Signalisierungsbelastung verbessert, dieses die Weich-QoS-Parameter: LSR nimmt zusammen mit LSMD und LSSD ab. Diese Abnahme setzt sich bis zu dem Sättigungspunkt für die Signalisierungsbelastung fort; nach dem Sättigungspunkt beginnt der Wert der Weich-QoS-Parameter wieder zu steigen. Der Grund besteht darin, dass nach dem Sättigungspunkt zu viele Spenderverbindungen in der Neuzuteilung beteiligt sind, was die gesamte Weich-QoS nach unten zieht. Diese Analyse und die Ergebnisse der Simulationen demonstrieren, dass der Kappungs-Schwellenwert p ein Ausgleichen der Signalisierungsbelastung und der QoS der Verbindungen ermöglicht, indem eine geeignete Kompromissentscheidung getroffen wird.
Um visuell zu verifizieren, dass der Neuzuteilungsalgorithmus tatsächlich den minimalen Zufriedenheitsindex maximiert, wurde der minimale Zufriedenheitsindex S aller multiplexierten Ströme berechnet und gegenüber fünf (gemessen in Videorahmenperioden von 33 ms) aufgetragen. 20 stellt einen 500-Rahmen-Schnappschuss des Verhaltens des minimalen Zufriedenheitsindex S in dem hohen Nutzungsbereich (28 Ströme) dar. Die Zeichnung veranschaulicht deutlich drei Hauptvorteile von Weich-QoS-Neuzuteilungen:

• Die minimale Zufriedenheit verbringt deutlich mehr Zeit bei dem höchsten Wert (5);
• die minimale Zufriedenheit verbringt deutlich weniger Zeit in dem niedrigen Zufriedenheitsbereich.

Die Verarbeitungsanforderungen der vorgeschlagenen Weich-QoS-Steuerungen erzeugten Ergebnisse wie folgt. Es wurde beobachtet, dass etwa 160 Neuverhandlungen pro Sekunde erzeugt werden, wenn der Vermittlungsport mit etwa 80% Auslastung mit interaktiven MPEG-2 Videoströmen belastet wird. In einer Standardkonfiguration benötigte die Steuerung weniger als 5 ms, um eine Neuverhandlungsanforderung zu bearbeiten. Die derzeitige JAVA-basierende Implementation der Steuerung kann mehr als 200 r.p.s. verarbeiten. Unter Berücksichtigung, dass die Neuverhandlungs-Verarbeitungskapazität der Vermittlungssteuerung deutlich verbessert werden kann, indem ein Just-in-Time-Compiler, native Verfahren oder eine Multiprozessorsteuerung verwendet werden, kann geschlossen werden, dass die Weich-QoS-Steuerung innerhalb der Fähigkeiten derzeitig verfügbarer externer Vermittlungssteuerungen implementiert werden können.
Diese Bewertungen berücksichtigen jedoch nur die Verarbeitungsanforderungen, um eine Zuteilung zu berechnen, sobald die Verhandlungsanforderung die Weich-QoS-Steuerung erreicht.
Schlussfolgerung
Die vorliegende Erfindung führte eine Weich-Dienstqualität (Weich-QoS) ein, ein neues Konzept, das den Abstand zwischen der effizienten Bereitstellung einer Netzwerkebenen-QoS und den Anforderungen von Multimedia-Anwendungen überbrückt. Das Konzept der Weich-QoS stellt die Implementation für ein flexibles und effizientes Bandbreitenzuteilungsverfahren für adaptive Multimedia-Anwendungen bereit. Die Bandbreitenzuteilung wird innerhalb einer Weich-QoS-Steuerung für die VBR*-ATM Netzwerkdienstklasse implementiert. Die Leistung der Weich-QoS-Steuerung für MPEG-2 interaktives Video liegt über ATM mit heterogenen Weich-QoS-Anforderungen.
Die Steuerung verwendet das Weichheitsprofil der Verbindungen, um eine Bandbreitenzuteilung zu berechnen, die den minimalen Zufriedenheitsindex aktiver Verbindungen maximiert.
Simulationsergebnisse zeigen, dass der Zufriedenheitsindex aktiver Verbindungen in dem akzeptablen Bereich mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit bei hohen Nutzungsbereichen (80 bis 90%) gehalten wird, während gleichzeitig die Verarbeitungsanforderungen in den Fähigkeiten derzeitiger PC-basierender externer Vermittlungssteuerungen bleiben. Zusätzlich kann die durch Neuzuteilungen der Bandbreite während einer Überlastung erzeugte Signalisierung linear durch den Kappungs-Schwellenwert des Algorithmus gesteuert werden.
Obwohl die dargestellten Ergebnisse auf Weichheitsprofilen für Video basieren, ist die Definition von Weich-QoS für adaptive Multimedia-Anwendungen allgemein geeignet. Die Simulationen nutzen einen Basisliniensatz von Weichheitsprofilen. Genauere Weichheitsprofile können definiert und mit der Zunahme an Erfahrung des Benutzers mit verteilten Multimedia-Anwendungen verfeinert werden. Neue Profile können leicht einbezogen werden, sobald sie verfügbar werden.
Weitere Modifikationen und Varianten der Erfindung sind für den Fachmann auf diesem Gebiet aus der vorstehenden Offenbarung und den Lehren ersichtlich. Somit dürfte es, obwohl nur bestimmte Ausführungsformen der Erfindung hierin speziell beschrieben wurden, offensichtlich sein, dass zahlreiche Modifikationen daran ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung durchgeführt werden können.

Claims

Verfahren zur Zuordnung einer Bandbreite zu einer in einem Netzwerk verwendeten Vorrichtung mit Bezug auf einen Parameter, der mit einer Dienstgüte (DG) in Zusammenhang steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter mit Hilfe eines Weichheitsprofils, das durch ein Bandbreitenverhältnis und einen Zufriedenheitsindex bestimmt wird, spezifiziert ist, wobei das Bandbreitenverhältnis als Verhältnis einer tatsächlich zugeteilten Bandbreite zu einer geforderten Bandbreite definiert ist, und wobei der Zufriedenheitsindex eine Maßeinheit der Wahrnehmung der Qualität oder Güte durch den Benutzer ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Approximieren des Weichheitsprofils durch eine stückweise lineare Funktion, welche den Zufriedenheitsindex und das Bandbreitenverhältnis korreliert und welche aus einer Vielzahl von linearen Segmenten besteht, wobei die Steigung eines jeden aus der Vielzahl von linearen Segmenten eine einzigartige Geschwindig keit darstellt, mit der sich die Qualität einer Multimedia-Präsentation verschlechtert; und Zuordnen der Bandbreite auf der Basis der stückweisen linearen Funktion zu der Vorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen eines zulässigen Zufriedenheitsbereichs, bei dem es sich um eine Reihe zulässiger Zufriedenheitsindexwerte handelt, und eines unteren Zufriedenheitsbereichs, welcher eine Reihe von Zufriedenheitsindexwerten aufweist, die niedriger als die des zulässigen Zufriedenheitsbereichs sind; wobei der Zuordnungsschritt die folgenden Schritte aufweist: Bezugnahme auf den zulässigen Bereich und den unteren Bereich, bevor die Bandbreite der Bandbreite zugeordnet wird; und Zuordnung der Bandbreite zu der Vorrichtung, so dass die Bandbreite zum zulässigen Bereich wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuordnungsschritt weiter den folgenden Schritt aufweist: Aufstufung des Bandbreitenverhältnisses von 0 auf 1, wobei ein kritisches Bandbreitenverhältnis, das die zulässigen und unteren Zufriedenheitsbereiche voneinander trennt, zwischen 0 und 1 liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beziehung zwischen dem Zufriedenheitsindex und dem Bandbreitenverhältnis, welche mit s bzw. r bezeichnet sind, durch folgende Gleichung wiedergeben wird:
wobei A, B und C Zahlen kleiner als 1 sind und durch folgende Gleichung wiedergegeben werden: 1 ≥ A > B > C ≥ 0,wenn L durch folgende Gleichung wiedergeben wird: