DE69829515T2

DE69829515T2 - Dynamische Netzbandbreitenzuweisung für Multimedia-Anwendungen mit weichen Dienstqualitätsanforderungen

Info

Publication number: DE69829515T2
Application number: DE69829515T
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: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2018-04-21
Also published as: DE69832582T2; DE69829425D1; DE69830625D1; EP0932280B1; DE69829515D1; DE69838493D1; EP0932280A2; DE69832582D1; DE69830625T2; DE69829425T2; EP0932280A3; DE69838493T2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
SACHGEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Qualität eines Dienstes (Quality of Service – QoS) für eine Netzwerkkommunikation. Insbesondere wird eine neue Form einer QoS, bezeichnet als Soft-QoS, eingeführt, um den Raum, der derzeit zwischen einer effizienten Bereitstellung einer Netzwerk-Niveau-QoS und den Erfordernissen von Multimedia-Anwendungen existiert, zu überbrücken. Diese Erfindung wird in einem Netzwerksystem, das eine Soft-QoS verwendet, in einem Verfahren zum Verwenden einer Soft-QoS und in einem Computer-Programmprodukt, das einem Netzwerk ermöglicht, eine Soft-QoS zu verwenden, ausgeführt.
HINTERGRUND
Derzeit ist eine Kommunikation über ein Netzwerk weit verbreitet. Verbindungen, die ein solches Netzwerk verwenden, erfordern eine Garantie einer bestimmten Qualität eines Dienstes. Eine Qualität eines Dienstes (Quality of Service – QoS), die durch eine Netzwerkverbindung geboten wird, wird in Angaben von QoS-Parametern gemessen. QoS-Parameter werden in herkömmlichen Systemen in statistischen Termen, wie beispielsweise Zellenverlustrate, Verzögerungsschwankung und Zellenübertragungsverzögerung, ausgedrückt.
Um eine Garantie einer bestimmten QoS zu erzielen, muss ein Netzwerk Langzeit-Annahmen in Bezug auf die statistischen Charakteristika seines Verkehrs vornehmen. Allerdings ist dann ein Netzwerkverkehr aus verschiedenen Verbindungen mit deren eigenen, jeweiligen Charakteristika zusammengesetzt. Zusätzliche Annahmen, die durch ein Netzwerk, das sich auf eine spezifische Verbindung bezieht, vorgenommen werden, müssen für deren gesamte Dauer gültig sein. Wie vorstehend erwähnt ist, werden statistische Charakteristika in herkömmlichen Systemen unter Verwendung von Verfahren, umfassend stochastische Modellierungs- oder statistische Analysen von empirischen Daten, erhalten.
Allerdings sind dann Verkehrsprofile von interaktiven Multimediaverbindungen allgemein nicht bekannt, wenn sie eingestellt werden. Deshalb sind die vorstehend erwähnten, statistischen Langzeit-Darstellungen nicht für solche interaktiven Multimediaverbindungen geeignet. Spezifische Parameter, verwendet in statistischen Langzeit-Darstellungen, stellen nicht die spezifischen QoS-Erfordernisse von Multimedia-Anwendungen dar. Es wird allgemein akzeptiert, dass verteilte Multimedia-Anwendungen einen Netzwerkdienst erfordern, der die dynamischen und heterogenen Bandbreiten-Erfordernisse, die für solche Anwendungen typisch sind, anpasst.
Weiterhin muss ein Netzwerk auf konservativen Verkehrsannahmen beruhen, um eine bestimmte QoS zu garantieren. Ein solches Vertrauen auf konservative Annahmen führt zu einer Reservierung einer Netzwerk-Kapazität weit über dasjenige hinaus, was erforderlich ist. Demzufolge ist dabei eine schlechte Netzwerkausnutzung vorhanden.
Es sollte angemerkt werden, dass sich dem Problem einer schlechten Netzwerkausnutzung aufgrund einer Kapazitätsüberreservierung durch Praktiker auf diesem Feld zugewandt worden ist, unter Verwendung von VBR⁺. Siehe D. Reininger, G. Ramamurthy und D. Raychaudhuri, „VBR MPEG Video Coding with Dynamic Bandwidth Renegotiation", Proceedings of ECC (Juni 1995). VBR ist eine Netzwerk-Service-Klasse, die ausnutzt, welche Verbindung ihre Bandbreite, während die Verbindung gerade besteht, neu verhandeln kann.
Unter Verwendung dieser Methodologie wird die gesamte Nutzung eines Netzwerks verbessert, da eine Bandbreite dynamisch während einer Verbindung zugeordnet und neu zugeordnet werden kann. Siehe D. Reininger, W. Luo, „Statistical Multiplexing of VBR video", Proceedings of SPIE International Symposium on Voice, Video & Data Communications, Dallas, Texas (Nov. 1997).
T. F. Abdelzaher et al: „QoS negotiation in real-time systems and its application to automated flight control", Proceedings Real-time Technology and Applications Symposium, Montreal, Quebec, Canada, 9.–11. Juni 1997, (XP-10232482) beschreibt ein Modell für QoS-Neuverhandlungen. Zum Aufnehmen eines neuen Klienten wird ein Satz von QoS-Niveaus von zugelassenen Klienten erneut unter Verwendung eines Optimierungsmodells basierend auf Vergütungswerten, die zu dem normalerweise höheren QoS als die minimal erforderliche QoS zugeordnet sind, berechnet.
N. Venkatasubramanian, K. Nahrstedt: „An Integrated Metric for Video QoS", Proceedings ACM Multimedia, Seattle, 9.–13. November 1997 (XP-857 162), offenbart eine Art und Weise, um eine Ende-zu-Ende-Messung einer QoS von einem Videoserver zu einem Endbenutzer (Endbenutzern) als ein gewichtetes Verhältnis einer Benutzer-Zufriedenstellung über einen Ressource-Verbrauch zu bestimmen, um einen Neuverhandlungs-Mechanismus für Preis/Qualitätsverhandlungen zu entwickeln.
Allerdings setzen dann Formeln, die in Verbindung mit einer Bandbreitenberechnung verwendet werden, QoS-Parameter ähnlich einer äquivalenten Bandbreite ein. Demzufolge ändert eine Neuzuteilung einer Bandbreite die QoS einer Verbindung. In einem solchen Fall müssen Vorgänge, verwendet für eine Bandbreiten-Neuzuteilung, wie in VBR^*, sicherstellen, dass neue QoS-Parameter die ursprünglichen QoS-Erfordernisse einer Verbindung erfüllen. Um diese Aufgabe zu realisieren, verwenden die Autoren ein Konzept einer „QoS-Zufriedenstellung" („QoS satisfaction").
Verfahren, die herkömmlich bekannt sind, basieren auf einer darstellenden QoS-Erfüllung als ein „harter" (hard"), binärer („ja/nein") Parameter. Falls, zum Beispiel, das gelieferte (oder abgeschätzte) Zellenverlustverhältnis größer als ein erforderliches Zellenverlustverhältnis ist, wird die Verbindung als nicht erfüllt behandelt. Dieses Ergebnis ist allerdings so klein wie die Diskrepanz zwischen dem erforderlichen und dem gelieferten Zellenverlustverhältnis.
Unter Berücksichtigung des Vorstehenden ist es demzufolge klar, dass ein Verwenden von binären Parametern zu einer Überverallgemeinerung einer QoS-Erfüllung führt. Dies ist teilweise in herkömmlichen Systemen unter Verwendung von zwei Sätzen von QoS-Parametern in der Einstellphase richtiggestellt worden, ob sie nun ein erwünschtes QoS oder ein akzeptierbares QoS sind.
Eine Benutzerverbindung und ein Netzwerk greifen in eine Sequenz von QoS-Verhandlungen unter Verwendung der vorstehend erwähnten zwei Parameter ein. In einem solchen Fall ist die Benutzerverbindung akzeptierbaren QoS-Parametern zugeordnet, die unterschiedlich gegenüber der erwünschten QoS sein können, die ursprünglich von ihm gefordert ist. Obwohl diese Methodologie eine Verbesserung gegenüber der früher erwähnten, binären Charakterisierung einer QoS-Erfüllung darstellt, führt ein Bereitstellen einer erwünschten und akzeptierbaren QoS nicht zu einem adäquaten Mechanismus, um eine QoS zu handhaben, die zwischen die zwei fällt. Es ist ausreichend klar, dass der Be reich zwischen den QoS-Grenzen, erwünscht und akzeptierbar, nicht effektiv verwendet wird.
Auch besitzen herkömmliche Systeme kein QoS-Erfüllungs-Schema, das eingesetzt werden kann, während eine Verbindung in Bearbeitung ist. Daneben ist es nicht für ein Netzwerk möglich, eine hohe Nutzung zu erreichen, während Hard-Bound Long-Term QoS-Garantien unter den Erfordernissen beibehalten werden, die durch verteilte Multimedia-Anwendungen auferlegt werden.
Deshalb existieren zumindest die folgenden Probleme in herkömmlichen Netzwerksystemen.

• „Hard" QoS ist nicht ausreichend für einen Multimedia-Verkehr.
• „Hard" QoS führt zu einer nicht zufriedenstellenden Nutzung von Netzwerken.
• herkömmliche QoS-Erfüllungs-Schemata können nicht modifiziert werden, während eine Verbindung in Arbeit ist.
• herkömmliche QoS-Erfüllungs-Schemata liefern keine Quality-Fair-Ressource-Zuteilung, da sie eine gleiche Bandbreiten-Zuteilung verwenden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, die vorstehend angegebenen Probleme in Netzwerksystemen gemäß den beigefügten Ansprüchen 1–3 zu lösen. Insbesondere ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Soft-QoS für eine ausbalancierte Netzwerknutzung und eine QoS auf einem Anwendungsniveau in verteilten Multimediasystemen zu schaffen.
Es ist eine andere Aufgabe dieser Erfindung, während einer Staubildung eine Soft-QoS zur Nutzung der Toleranz einer Anwendung bei einer Netzwerk-Bandbreiten-Verkürzung zu verwenden. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Soft-QoS durch einen Zufriedenheitsindex und ein Weichheitsprofil darzustellen.
In dem Fall einer Videoübertragung ist ein Zufriedenheitsindex eine Anzeige einer wahrnehmbaren Qualität. Für unterschiedliche Multimedia-Anwendungen korreliert das Weichheitsprofil den Zufriedenheitsindex zu der sich ergebenden Bandbreiten-Zuteilung während einer Netzwerkblockierung. Zum Beispiel zeigen Videoanwendungen ein nichtlineares Qualitäts-Ansprechverhalten auf Bitraten-Änderungen. Ein Skalieren einer Videoquelle verringert deren Bitrate, beeinflusst allerdings die wahrnehmbare Qualität. Während „Soff" Anwendungen (wie beispielsweise eine Telekonferenz oder ein Multimedia-On- Demand Browsing) relativ große Verringerungen in der Bitrate tolerieren können, können „harte" Anwendungen (wie beispielsweise Video-On-Demand oder medizinische Anwendungen) keine Bitraten-Skalierung ohne wesentliches Verschlechtern der Anwendungs-Niveau-QoS tolerieren. Weichere Anwendungen sind robuster für eine Netzwerkblockierung, da sie einen langsameren Abfall in einem Zufriedenheitsindex ohne Erhöhen eines Bandbreiten-Mangels zeigen.
Ein Aspekt dieser Erfindung ist ein Neuzuweisungsverfahren für eine Neuzuweisung einer Bandbreite in einem Netzwerk, wobei das Netzwerk Geberverbindungen und Empfängerverbindungen aufweist, wobei die Empfängerverbindungen und die Geberverbindungen jeweils einem Zufriedenheitsprofil zugeordnet sind, wobei jedes der Zufriedenheitsprofile einen minimalen Zufriedenheitsindex so maximiert, dass der Zufriedenheitsindex innerhalb eines akzeptierbaren Bereichs liegt.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Neuzuweisungsverfahren, um eine Bandbreite unter einer Vielzahl einer Geberverbindung und einer Empfängerverbindung, ein Identifizieren von Geberverbindungen mit einem höheren Zufriedenheitsindex, ein Identifizieren von Geberverbindungen mit einer höheren, zugeordneten Bandbreite, ein Berechnen eines Betrags einer Bandbreite, der unter Verwendung von Weichheitsprofilen neu zugeordnet werden würde, neu zuzuweisen, wobei ein Betrag einer freigegebenen Bandbreite so ausgewählt wird, dass die verbleibende Bandbreite den Zufriedenheitsindex durch eine Einheit einer Körnigkeit (Granularität) G verringert, unter Anhalten, wenn ein Zufriedenheitsindex der Empfängerverbindung innerhalb eines Schwellwerts liegt, unter Wiederholen der vorstehenden Schritte, bis der Zufriedenheitsindex der Empfängerverbindung in einem akzeptierbaren Bereich liegt, oder der Zufriedenheitsindex irgendeine Verbindung, eine andere als der Empfänger, eine minimale Zufriedenheit erreicht, und unter Anfordern einer größeren Bandbreite von der Netzwerkschicht, wenn eine minimale Zufriedenheit erreicht ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Geberverbindungen unter Verwendung eines Verfahrens, das ein Bestimmen einer Beschneideschwelle aufweist und eine Verbindung in einer Liste von Geberverbindungen umfasst, falls die Beschneideschwelle multipliziert mit der im Moment zugewiesenen Bandbreite größer ist als die erforderliche Bandbreite, identifiziert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt ein Beispiel eines Zufriedenheitsprofils dar.
2 stellt eine Tabelle dar, die das kritische Bandbreitenverhältnis für unterschiedliche MPEG-2 Videoanwendungs-Szenarien darstellt.
3 stellt eine QoS API dar.
4 stellt ein Systemmodell für ein verteiltes Multimediasystem mit einer Soft-QoS-Unterstützung dar.
5 stellt eine QoS-Neuzuweisung über ein Netzwerk dar, das eine ATM-Signalisierung verwendet.
6 stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar, die IP verwendet und RSVP-Verbindungen bereitstellt.
7 stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar, die Soft-QoS-Steuereinheiten über Netzwerke verwendet, die eine IP-Umschaltung über ATM verwenden.
8 stellt ein Modell eines adaptiven Bandbreiten-Zuweisungs-Systems dar.
9 stellt eine detaillierte Beschreibung einer algorithmischen Ausführung für eine Soft-QoS-Steuereinheit dar.
10 stellt einen Bandbreiten-Neuzuweisungs-Algorithmus gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
11 stellt Beispiele der verschiedenen Schritte in einem Kern-Bandbreiten-Zuweisungs-Vorgang dar.
12 stellt einen Zulassungs-Steueralgorithmus dar.
13 zeigt eine Tabelle, die die Funktionsweise der Soft-QoS-Steuereinheit in Tennen von vorab ausgewählten Metriken darstellt.
14 stellt den Effekt einer Netzwerknutzung bei einer niedrigen Zufriedenheitsrate (Low Satisfaction Rate – LSR) dar.
15 stellt den Effekt einer Netzwerknutzung bei einer niedrigen Zufriedenheits-Durchschnitts-Dauer (Low Satisfaction Mean Duration – LSMD) dar.
16 stellt den Effekt einer Netzwerknutzung bei der Neuzuweisungsrate (Reallocation Rate – RR) dar.
17 stellt den Effekt einer Beschneideschwelle bei einer Neuzuweisung eines Signalisierungs-Overheads ( Reallocation Signalling Overhead – RSO) dar.
18 stellt eine Tabelle dar, die den Effekt einer Beschneideschwelle auf eine Neuzuweisungs-Funktion zeigt.
19 stellt eine Abwägung zwischen einem Neuzuweisungs-Signalisierungs-Overhead (RSO) und einer niedrigen Zufriedenheitsrate (LSR) dar.
20 stellt den Effekt einer Neuzuweisung bei einem minimalen Zufriedenheitsindex dar.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN:
Unter Bezugnahme auf die Figuren werden die Prinzipien der vorliegenden Erfindung beschrieben. Hier werden verschiedene Merkmale, Vorzüge und verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung für ein besseres Verständnis dieser Erfindung beschrieben. Experimente, die quantitativ die ausgezeichneten Vorteile der vorliegenden Erfindung darstellen, werden auch mit einer Analyse deren Ergebnisse angegeben.
Prinzip der Erfindung:
Definition von Soft Quality of Service (QoS)
Die vorliegende Erfindung wird durch das Konzept einer Soft-QoS ausgeführt, die eine passende und flexible QoS liefert und die gegenüber dem Konzept einer gewöhnlichen Hart-QoS, geliefert durch eine fixierte QoS, unterschiedlich ist. Genauer gesagt ist die Soft-QoS für das Bereitstellen ausreichender Netzwerkressourcen, wie beispielsweise einer Bandbreite, um eine akzeptierbare Anwendungsfunktionsweise zu erreichen, repräsentativ.
Ein Softness- bzw. Weichheitsprofil ist einer der Parameter, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um Soft-QoS zu spezifizieren. Ein klares Verständnis des Schutzumfangs dieser Erfindung kann man nur mit einer Definition eines Weichheitsprofils erhalten. Ein Weichheitsprofil ist unter Verwendung von zwei Parametern definiert: Zufriedenheitsindex und Bandbreitenverhältnis. Zufriedenheitsindex ist ein Maß für die Wahrnehmung einer Qualität durch den Benutzer. Ein Bandbreitenverhältnis ist als ein Verhältnis der Netzwerkbandbreite, die tatsächlich der Bandbreite, die durch die Anwendung angefordert ist, zugeordnet ist, definiert. Ein Weichheitsprofil ist eine Funktion, die zu dem Zufriedenheitsindex einer Anwendung zu deren angeforderten und zugeordneten Netzwerkbandbreiten korreliert.
Hier werden verschiedene Arten und Weisen, um Weichheitsprofile zu erhalten, betrachtet. Multimedia-Anwendungen zeigen allgemein eine nicht-lineare Beziehung zwischen einer Bitrate und einer Qualität, die als eine der Arten und Weisen verwendet wer den kann, um Weichheitsprofile zu spezifizieren. Dieses nicht-lineare Ansprechverhalten wird manchmal empirisch durch wahrnehmbare Evaluierungs-Tests charakterisiert.
In dem Fall von Videoanwendungen sind Studien durchgeführt worden, um die Qualität von verschiedenen Ausführungen digitaler Videodienste, ähnlich High Definition Television (HDTV) und Direct Broadcasting Services (DBS) abzuschätzen. Eine solche Studie eines MPEG-2 Videos für Fernsehdienste ist 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 Colloquium on Digitally Compressed TN by Satellite, 1995, angegeben. Diese Studie zeigt umfangreiche Grafiken, die eine subjektive Bildqualitätabschätzung zu verschiedenen Kompressions-Bitraten in Korrelation setzt. Sie betrachtet auch eine Aktivität und Komplexität des Videomaterials. Aus den Korrelationen, die unter Verwendung des vorstehend angegebenen Ansatzes erhalten werden, können Weichheitsprofile für ein Video, verwendet in verschiedenen Anwendungs-Szenarien, abgeleitet werden.
Das Weichheitsprofil wird durch eine stückweise, lineare „S-förmige" Funktion angenähert, die aus drei linearen Segmenten besteht. 1 zeigt diese Funktion in der Form einer Grafik eines Zufriedenheitsindex gegenüber einem Bandbreitenverhältnis. Ein Zufriedenheitsindex ist so dargestellt, dass er von 0–5 variiert, während das Bandbreitenverhältnis von 0–1 variiert. Dabei sind drei lineare Segmente vorhanden, die dargestellt sind; C-B, B-A und A-1. Die Steigung jedes linearen Segments stellt die Rate dar, unter der sich eine Videoqualität verschlechtert (der Zufriedenheitsindex nimmt ab), wenn das Netzwerk nur einen Teil der angeforderten Bandbreite zuweist: je steiler die Steigung ist, desto „härter" ist das entsprechende Profil.
Der Zufriedenheitsindex wird von 2 bis 5 mit einer Granularität bzw. Körnigkeit G abgestuft. Zwei Arbeitsbereiche werden in der bevorzugten Ausführungsform identifiziert: der Bereich zwischen 3 bis 5 wird als ein akzeptierbarer Zufriedenheitsbereich angesehen, während unterhalb von 3 ein niedriger Zufriedenheitsbereich vorhanden ist.
Weiterhin wird das Bandbreitenverhältnis von 0 bis 1 abgestuft. Der Punkt, angegeben mit B in 1, wird als das kritische Bandbreitenverhältnis bezeichnet, da er den akzeptierbaren und niedrigen Zufriedenheitsbereich -r trennt.
Die Weichheitsprofilfunktion S(r) (wobei r das Bandbreitenverhältnis ist) wird vollständig durch drei Zahlen A, B, C bestimmt, wobei
1 ≥ A > B > C ≥ 0
gilt und
wobei S(1) = 5 (ausgezeichnet), S(A) = 4 (sehr gut), S(B) = 3 (gut), S(C) = 2 (schlecht), S(0) = 0 gilt.
Für ein Bandbreitenverhältnis r zwischen 0 und 1 wird der entsprechende Zufriedenheitsindex S(r) durch die Formeln berechnet:
Ein Weichheitsprofil wird auch zur Berechnung des Umfangs einer Bandbreite (Bandbreitenverhältnis r), erforderlich dazu, den erwünschten Zufriedenheitsindex s zu erhalten, verwendet:
Die vorliegende Erfindung kann auch unter Verwendung einer weiteren Quantifizierung eines Weichheitsprofils für unterschiedliche Videoanwendungen praktiziert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Weichheitsprofil-Charakterisierung, abgeleitet von Studien, die im Detail 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 Colloquium on Digitally Compressed TN by Satellite (1995), verwendet. In der vorstehend angegebenen Studie stellt ein statistisches Modell, abgeleitet von empirischen Ergebnissen, erhalten für MPEG-2 Fernsehanwendun gen, dar, dass A = 1,067 – B, C = 0,667 – B, gilt. 2 stellt einen anwendungsabhängigen Bereich für das kritische Bandbreitenverhältnis B, dar.
Soft-QoS Steuereinheit für Multmedia-Anwendungen
3 stellt eine QoS-Anforderung durch eine Anwendung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung dar. Eine Anwendung 500 sucht eine zusätzliche Bandbreite. Ein Pfeil 505 stellt eine Anwendungs-Niveau-QoS-Anforderung dar. Das Format dieser Anforderung variiert mit Aktionen, die für die Anwendung typisch sind. Die Anforderung wird durch eine Netzwerk-Schnittstellen-Karte 510 empfangen, die auch eine QoS-Steuerung durchführt. 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 auch anzumerken, dass 515 als eine dynamische Verbindung beibehalten wird und nicht nur als ein einmaliges Einstellungsereignis. Das Netzwerk 520 spricht durch Bereitstellen einer verfügbaren Netzwerk-QoS in 525 an, die dann zu der Anwendung in 535 zugeführt wird.
4 stellt ein Beispiel eines Systemmodells für ein verteiltes Multimediasystem mit einer Soft-QoS-Unterstützung dar. Eine Video-Zuführungs-Anwendung, wo ein Client-Terminal einen Videotitel von einem entfernten Server über eine Breitband-Hauptleitung 610 anfordert, wird als ein Beispiel betrachtet. Bei einer Verbindungseinstellung fordert eine Anwendung 660 die erwünschte QoS von einem Server und einem Netzwerk an. Für ein Video wird die Qualität, die von dem Server angefordert ist, in Termen einer Frame-Rate und einem Frame-Detail (angegeben durch eine Kombination von einer räumlichen und Frequenzauflösung) beschrieben. Die Qualität, die von dem Netzwerk angefordert ist, ist eine Soft-QoS-Spezifikation, charakterisiert als ein Zufriedenheitsindex und ein Weichheitsprofil. Während eine Verbindung in Arbeit ist, kann diese Anwendung ihre QoS-Erfordernisse neu zuweisen.
An dem Server berechnet die Terminal-QoS-Steuereinheit 650 die Bitrate, die notwendig ist, um eine erwünschte Sollqualität beizubehalten, und weist sie neu zu. Die Neuzuweisungs-Anforderungen werden zu Soft-QoS-Steuereinheiten 625 und 635 an den Umschaltungen des Netzwerks über Zugangsnetzwerke unter Verwendung von Zugangs- und Abgangs-Software-Komponenten 630 und 620 geschickt.
Während Neuzuweisungen bearbeitet werden, und während einem Netzwerkstau, verwendet eine Quelle mit variabler Bitrate (VBR) 640 eine Ratensteuerung, um deren Bitrate und Qualität so zu skalieren, um sicherzustellen, dass der erzeugte Verkehr mit der zugewiesenen Bandbreite übereinstimmt.
Die 5–7 stellen eine konzeptmäßige Umsetzung von Systemen dar, die verschiedene Netzwerkmechanismen für eine dynamische QoS-Unterstützung im Detail angeben.
5 zeigt eine Anwendungs-QoS-Neuzuweisung über ein Netzwerk, das eine ATM-Signalisierung verwendet. Ein Client 710 ist mit einem Server 720 über ein ATM-Netzwerk über ATM-Schalter 730 und 740 verbunden. Soft-QoS-Steuereinheiten 735 und 745 sind mit den ATM-Schaltern verbunden. Einstellungs- 722 und Modfizierungs-Anforderungen 721 werden durch den Server zu dem Netzwerk hin vorgenommen. Neu eingerichtete Verbindungen 724 und eine Modifikations-Verfügbarkeit 723 werden durch den Server empfangen.
6 stellt ein Beispiel dar, das IP anstelle von ATM verwendet und RSVP-Verbindungen bereitstellt. RSVP ist ein Signalisierungs-Mechanismus-Protokoll für die Vorsehung der Qualität eines Dienstes. Dies folgt der IETF-Standard-Qualität einer Dienstbereitstellung. In diesem Fall sind Soft-QoS-Steuereinheiten 815 und 825 mit IP-Routern 810 und 820 verbunden.
7 stellt ein Beispiel dar, das Soft-QoS-Steuereinheiten über die relativ neue Technologie einer IP-Umschaltung über ATM verwendet. In diesem Fall sind QoS-Steuereinheiten 910 und 940 mit sowohl IP-Routern 920 und 930 als auch mit ATM-Schaltern 730 und 740 verbunden.
Jede QoS-Steuereinheit, dargestellt in den 5 bis 7, kann in einer Soft-QoS-Steuereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut werden. In diesem Fall kann eine solche Soft-QoS-Steuereinheit eine Soft-QoS-Steueroperation entsprechend der vorliegenden Erfindung durchführen.
Struktur der Soft-QoS-Steuereinheit
Unter Bezugnahme auf 8 wird eine Beschreibung über die Struktur der Soft-QoS-Steuereinheit vorgenommen, die an jedem Knoten des Kommunikationsnetzwerkes verwendet wird. Die dargestellte Soft-QoS-Steuereinheit ist so betreibbar, um adaptiv eine Bandbreite zuzuweisen, und weist eine Zufriedenheits-Abschätzeinrichtung 1010, ein Soft-QoS-Steuermodul 1020 und ein Soft-CAC-Modul 1030 auf. Das dargestellte Soft-QoS-Modul 1030 wird entsprechend einem Verbindungs-Zulassungs-Steueralgorithmus (der später beschrieben werden wird) betrieben und das Soft-QoS-Steuermodul 1020 arbeitet mit der Zufriedenheits-Abschätzeinrichtung 1010 entsprechend einem Soft-QoS-Steueralgorithmus zusammen.
In 8 basiert eine Verbindungszulassung, die in dem Soft-CAC-Modul 1030 durchgeführt wird, auf der verfügbaren Kapazität (Rqst), Weichheit) 1001, dem Referenzprofil 1002 und dem abgeschätzten Grad eines Dienstes (Grade-of-service GoS). Die neue Verbindung wird dann akzeptiert, wenn der Soll-GoS (GoS*) 1004 erhalten werden kann.
Akzeptierte Verbindungen können deren Bandbreiten-Erfordernisse und eine Weichheit während der Sitzung neu zuweisen. Für Neuzuweisungen prüft das Soft-CAC-Modul 1030, dass die angeforderte Bandbreite innerhalb der Grenzen des erklärten Referenz-Profils liegt, und informiert die Zufriedenheits-Abschätzeinrichtung 1010 über die Verbindungen, die eine Bandbreite außerhalb deren Referenz-Profil anfordern. Das Soft-QoS-Steuermodul 1020 ordnet eine Bandbreite zu Neuzuweisungs-Anforderungen basierend auf der Zufriedenheit, bereitgestellt durch die Zufriedenheits-Abschätzeinrichtung 1010, zu. Hierbei werden die Verbindungen, von denen die Bandbreite zurückgefordert werden soll, als Geber bezeichnet, während die Verbindung, die von der Neuzuweisung profitiert, als der Empfänger bezeichnet wird.
In diesem Fall kann eine durch ein Netzwerk initiierte Neuzuweisung dazu verwendet werden, eine Bandbreite von Geberverbindungen neu zuzuweisen. Aus Stabilitätsgründen kann die Zufriedenheits-Abschätzeinrichtung 1010 von dem Soft-CAC-Modul 1030 anfordern, temporär neue Verbindungen zurückzuweisen (1012).
Algorithmus für eine Soft-QoS-Steuereinheit
Die Soft-QoS-Steuereinheit, dargestellt in 8, wird entsprechend dem Soft-QoS-Steueralgorithmus betrieben, der in der vorliegenden Erfindung wichtig ist. Die Soft-QoS-Steuereinheit, vorgesehen durch diese Erfindung, empfängt Soft-QoS-Anforderungen. Sie verarbeitet dann QoS-Neuzuweisungen basierend auf der angeforderten Bandbreite und zugeordneten Weichheitsprofilen, die eine Soft-QoS charakterisieren. Neuzuweisungen, die eine Abnahme einer zugeordneten Bandbreite anfordern, werden vollständig erteilt, während Anforderungen, die eine Erhöhung der Bandbreite anfordern, nur dann erteilt werden, wenn Kapazität verfügbar ist.
Falls eine Neuzuweisungsanforderung zur Erhöhung einer Bandbreite vorhanden ist, wird eine vorbereitende Zuweisung basierend auf der verfügbaren Kapazität an einem Ausgangsport des Schalters, wo die Verbindung weitergeführt werden soll, vorgenommen. Wenn eine solche vorbereitende Zuweisung zu einem Zufriedenheitsindex innerhalb eines vorab ausgewählten, niedrigen Zufriedenheitsbereichs führen wird, wird ein Neuzuweisungsalgorithmus verwendet, um eine zusätzliche Bandbreite von zuvor existierenden Verbindungen, die in einem akzeptierbaren Zufriedenheitsbereich arbeiten, zurückzufordern. Die Verbindungen, von denen die Bandbreite zurückgefordert werden soll, werden als Geber bezeichnet. Die Verbindung, die von der Neuzuweisung profitiert, wird als der Empfänger bezeichnet. Der Neuzuweisungsalgorithmus verwendet die Zufriedenheitsprofile der Verbindungen, um den minimalen Zufriedenheitsindex aller Verbindungen, die Gegenstand einer Aufrechterhaltung der Zufriedenheit aller Geber innerhalb des akzeptierbaren Zufriedenheitsbereichs sind, zu maximieren.
Die Optimierungskriterien führen zu einer rationalen Zuweisung, die alle QoS-Erfordernisse der Verbindungen berücksichtigt. Die Funktionsweise des erfidungsgemäßen Algorithmus im Hinblick auf die Wahrscheinlichkeit eines Betriebs unter einer akzeptierbaren Zufriedenheit für unterschiedliche Netzwerkbelastungen sind der Hauptpunkt der experimentellen Ergebnisse, die als Teil dieser Beschreibung angegeben werden. Diese Wahrscheinlichkeit erhöht sich, wenn die Zuweisungspolice relativ große Neuzuweisungs-Anforderungen vermeidet, die eine minimale Zuordnung erfordern, die einen Kompromiss für die Zufriedenheit der gerade ablaufenden Verbindungen darstellt.
Eine detaillierte Beschreibung einer algorithmischen Umsetzung für eine Soft-QoS-Steuereinheit folgt. Die Beschreibung folgt dem Flussdiagramm in 9.
Schritt 2050 prüft, ob die angeforderte Bandbreite kleiner als die momentan zugeordnete Bandbreite für die Verbindung ist (Neuzuweisung nach unten). Falls dies der Fall ist, wird die Anforderung vollständig erteilt. Auch fordert die Verbindung eine Bandbreitenerhöhung (Neuzuweisung nach oben) an. Dann unterliegt im Schritt 2020 jede neue Anforderung für eine Neuzuweisung einem Zulassungstest. Der Test schätzt heuristisch ab, ob mindestens die minimale Zufriedenheit für alle aktiven Verbindungen erreicht werden kann, wenn einmal die Anforderung akzeptiert ist, unter Verwendung der zugeordneten Kapazität und der Weichheitsprofile von aktiven Verbindungen. Verbindungen fahren fort, mit deren zuvor zugeordneter Kapazität zu arbeiten, falls deren Anforderung im Schritt 2060 durch den Zulassungsvorgang zurückgewiesen ist.
Wenn einmal eine Anforderung im Schritt 2030 erteilt ist, wird eine vorbereitende Zuordnung im Schritt 2031 basierend auf der verfügbaren Kapazität vorgenommen. Diese Zuweisung ist mindestens so groß wie die momentan zugewiesene Bandbreite für die Verbindung. Schritt 2032 prüft, ob der Zufriedenheitsindex, erhalten von der vorbereitenden Zuordnung, oberhalb eines minimalen Zufriedenheits-Niveaus liegt. Falls dies der Fall ist, prüft Schritt 2041, ob die Verbindung eine maximale Zufriedenheit mit einer vorbereitenden Zuordnung erreicht. Falls die Verbindung eine maximale Zufriedenheit erreicht, wird die Anforderung vollständig im Schritt 2043 erteilt; ansonsten wird die Anforderung teilweise im Schritt 2042 erteilt. Wenn die vorbereitende Zuweisung zu einem Zufriedenheitsindex unterhalb der minimalen Zufriedenheit führt, wird der Neuzuweisungsalgorithmus im Schritt 2040 verwendet, um eine Bandbreite von Verbindungen, die oberhalb einer minimalen Zufriedenheit arbeiten, unter Verwendung von Zufriedenheitsprofilen der Verbindung zurückzufordern.
Der Bandbreiten-Neuzuweisungs-Algorithmus wird aufgerufen, wenn eine Verbindung V mehr Bandbreite anfordert, als sie verfügbar ist, um deren minimales Zufriedenheits-Niveau zu erreichen.
Der Bandbreiten-Neuzuweisungs-Algorithmus, dargestellt in 10, hält das Zufriedenheitsniveau aller Verbindungen so hoch wie möglich aufrecht. Genauer gesagt muss der minimale Zufriedenheitsindex aller Verbindungen größer als ein für das Netzwerk auswählbarer Schwellwertindex, min.satisfaction, sein. Als nächstes wird die Betriebsweise des Kern-Bandbreiten-Neuzuweisungsalgorithmus beschrieben. Da zu einem gegebenen Zeitpunkt Verbindungen unterschiedliche Zufriedenheitsindizes haben, identifiziert der Neuzuweisungsalgorithmus solche Verbindungen, die den höchsten Zufriedenheitsindex und die höchste, zugewiesene Bandbreite haben. Ein Auswählen von Verbindungen mit dem höchsten Zufriedenheitsindex als primäre Kandidaten für eine Neuzuweisung (Geberverbindungen) behält den minimalen Zufriedenheitsindex aller aktiven Verbindungen so hoch wie möglich aufrecht.
Weiterhin ermöglicht eine Beschneidung der Liste von Geberverbindungen durch Auswählen nur von Verbindungen mit der höchsten, zugewiesenen Bandbreite als primäre Kandidaten für eine Neuzuweisung dem Netzwerk, die Zahl von Neuzuweisungen (Signa lisierungsbelastung) zu steuern. Diese Auswahl wird durch eine Beschneideschwelle (p) bestimmt. Eine Verbindung ist in der Liste von Gebern enthalten, falls die momentane, zugeordnete Bandbreite mal der Beschneideschwelle größer als die Bandbreite ist, die für den Empfänger benötigt ist. Je kleiner die Beschneideschwelle ist, desto geringer sind die Verbindungen, die in der Geberliste umfasst sind (falls p = 0 gilt, werden keine Verbindungen umfasst sein), und vice versa.
Unter Verwendung der Formeln für das Weichheitsprofil, die zuvor beschrieben sind, berechnet der Neuzuweisungsalgorithmus den Umfang einer Bandbreite, die von den Geberverbindungen zu V neu zugewiesen werden könnte. In diesen Berechnungen ist der Umfang der freigegebenen Bandbreite so, dass die verbleibende Bandbreite den Zufriedenheitsindex der Geberverbindungen durch eine Einheit einer Körnigkeit bzw. Granularität, G, verringert.
Im Schritt 2110 wird eine Neuzuweisung für eine Sollverbindung angefordert. Im Schritt 2120 wird eine Auswahl von Geberverbindungen initialisiert. Im Schritt 2130 wird eine Soft-QoS-Verbindung ausgewählt. Falls die Bandbreite der ausgewählten Verbindung oberhalb eines bestimmten Schwellwerts liegt, wird die Verbindung zu einer Liste von Geberverbindungen im Schritt 2141 hinzugefügt. Dies wird in den Schritten 2140–2142 wiederholt, bis alle QoS-Verbindungen erschöpft sind. Eine bestimmte Bandbreite wird von der Geberliste im Schritt 2150 neu zugewiesen. Im Schritt 2160 bestimmt der Algorithmus, ob der Zufriedenheitsindex der Sollverbindung oberhalb eines minimalen Zufriedenheitsindex liegt. Falls dies der Fall ist, werden die Geberverbindungen über die Neuzuweisung im Schritt 2180 informiert. Falls dies nicht der Fall ist, wird eine zweite Bestimmung im Schritt 2170 vorgenommen, um zu sehen, ob der Zufriedenheitsindex alle anderen Verbindungen oberhalb einer minimalen Zufriedenheit liegt. Falls dies der Fall ist, geht der Algorithmus zurück zu Schritt 2120 und der Vorgang wird wiederholt. Falls dies nicht der Fall ist, fordert der Algorithmus das Netzwerk nach einer zusätzlichen Bandbreite im Schritt 2190 auf.
Als ein Ergebnis des Kern-Bandbreiten-Neuzuweisungs-Vorgangs verringert sich der Zufriedenheitsindex von Geberverbindungen um G, während sich der Zufriedenheitsindex der Empfängerverbindungen (V) erhöht. Der Neuzuweisungsalgorithmus hält an, wenn der Zufriedenheitsindex der Empfängerverbindung innerhalb des akzeptierbaren Bereichs liegt.
Ansonsten wird das Kern-Neuzuweisungsverfahren wiederholt, bis entweder der Zufriedenheitsindex von V in dem akzeptierbaren Bereich liegt oder der Zufriedenheitsindex von anderen, aktiven Verbindungen min.satisfaction erreicht, die Grenze zwischen akzeptierbaren und niedrigen Zufriedenheitsbereichen. In dem letzteren Fall ruft das System eine Anforderung nach mehr Bandbreite von der Netzwerkschicht auf.
Die Ergebnisse des Kern-Bandbreiten-Neuzuweisungsverfahrens sind in 11 dargestellt, wo 10 aktive Verbindungen (bezeichnet als A, B, .. J) als Punkte auf deren jeweiligen Weichheitsprofilen angezeigt sind. Zum Beispiel hat das Zufriedenheitsniveau einer Verbindung A den Wert 5 (maximal), das Zufriedenheitsniveau von Verbindungen 1 und J ist 3,5, was oberhalb des min.satisfaction Niveaus 3 liegt, und das Zufriedenheitsniveau einer Verbindung V liegt unterhalb von min.satisfaction. Der Algorithmus weist sequenziell eine Bandbreite zu einer Verbindung V neu zu, um das Zufriedenheitsniveau oberhalb von min.satisfaction zu bringen.
Am Schritt 0 (11(a)) wird eine Verbindung A als Geberverbindung identifiziert, und ein Teil seiner Bandbreite wird neu zu V zugewiesen. Dies verringert das Zufriedenheitsniveau von A durch die Körnigkeit G, die 0,25 in diesem Beispiel ist. Dies erhöht auch das Zufriedenheitsniveau von V. Das Ergebnis ist am Schritt 1 (11(b)) dargestellt. In diesem Schritt stellt der Algorithmus die neue Liste von Geberverbindungen zusammen, die A und C umfasst. Die Verbindung B ist nicht in der Liste der Geberverbindungen umfasst, da deren Bandbreite als zu klein für V angesehen wird. Das Ergebnis ist am Schritt 2 (11(c)) dargestellt. In diesem Schritt umfasst die Liste von Geberverbindungen A, C und D (E ist nicht aus denselben Gründen wie B an dem vorherigen Schritt umfasst), wobei das Endergebnis einer Neuzuweisung im Schritt 3 dargestellt ist (11(d)), wo der Zufriedenheitsindex von V oberhalb von min.satisfaction liegt. Der Algorithmus stellt nun die Bandbreiten von A, C, D und V ein und informiert diese Verbindungen über deren neue Zuweisungen.
Zulassungs-Steueralgorithmus
Um Soft-QoS-Garantien von dem Netzwerk zu empfangen, wird von Benutzern gefordert, ein Referenz-Nutzungs-Profil zu spezifizieren, wenn sie eine Verbindung initiieren.
Es wird angenommen, dass R(t) das Aggregat einer Langzeit-Kapazitäts-Anforderung der Verbindungen ist. Das Ziel von dem Soft-CAC-Algorithmus hier ist dasjenige, zu garantieren, dass LSR = Pr[R(t) > C] ≤ δN = LSRmax gilt, wobei δ_N die maximale, niedrige Zufriedenheitsrate, LSR_max, erklärt in dem Benutzer-Netzwerk-Vertrag, ist, und C die Verbindungsbandbreite ist.
Der Soft-CAC-Algorithmus, gezeigt in 12, arbeitet in der folgenden Art und Weise. Die Verbindung zeigt deren Referenz-Profil im Schritt (1) unter Verwendung der Parameter:
{R_B, Δ_max, S_H ^–1 (sat_min)}
wobei R_B die Basislinienrate ist, Δ_max die maximal erwartete Exkursion von R_B ist und S_H ^–1 (sat_min) das härteste Profil ist, das während der Sitzung verwendet werden soll. Die Parameter des Referenz-Profils können aus Heuristiken, basierend auf vergangenen Nutzungsmustern und/oder Hardware-Einschränkungen, abgeschätzt werden.
Das Referenz-Profil wird im Schritt (2) in Soft-UPC-Parameter
durch die Formeln umgewandelt:
wobei T_on die Ein-Periode des „Ein-Aus"-Raten-Prozesses ist, der die Bitrate der Quelle moduliert.
Die Soft-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) jeweils auftreten, wobei
gilt, wobei C und B die Verbindungsbandbreite und der Pufferraum für VBR⁺ Verbindungen sind und das Basiszeitintervall TN = B/(2C) ist.
An dem nächsten Schritt (4) berechnet der Algorithmus die Erhöhung (m_i, s 2 / i) durch die Formeln
wobei

i: sich auf eine Verbindung bezieht,
R_B(i): eine Basislinienrate für die Verbindung ist,
s –1 / H(i)(sat_min): ein Bandbreitenverhältnis entsprechend zu sat_min ist,
λ S / H und λ S / L: hohe und niedrige Raten sind,
Δ_max: eine maximale, erwartete Exkursion von R_B(i) ist und
P_on: eine Wahrscheinlichkeit ist, dass λ S / H auftritt.

Falls die Anforderung ein Zellenverlassen ist (was im Schritt (5) getestet wird), gibt der Algorithmus im Schritt (6) die Bandbreite des Rufs frei und subtrahiert die Parameter im Schritt (7) (m_i, s 2 / i zu den jeweiligen Summen:
wobei

M new / R und s 2new / R: der neue Durchschnitt und die Varianz sind
M old / R und s 2old / R: der alte Durchschnitt und die Varianz sind
ϕ: eine Gauss'sche Verteilungsfunktion ist
δ_N: ein maximaler, niedriger Zufriedenheitsindex ist und
C: eine Verbindungsbandbreite ist.

Hiernach werden die Informationen, die sich auf die Ruf-Freigabe beziehen, im Schritt (8) zu dem Ruf-Initiierer geschickt.
Ansonsten addiert, falls die Anforderung eine Ruf-Ankunft ist, der Algorithmus den Durchschnitt und die Varianz im Schritt (9) zu den jeweiligen Summen wie folgt:
und die Entscheidungsfunktion L wird im Schritt (10) durch die Formel berechnet:
wobei

M new / R und s 2new / R: neuer Durchschnitt und Varianz sind
M old / R und s 2old / R: alter Durchschnitt und 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 Schlüsselentscheidungsschritt (11) des CAC-Algorithmus verwendet: falls L = 0 gilt, wird der Ruf akzeptiert, und er wird ansonsten zurückgewiesen. Falls der Ruf akzeptiert ist, wird die Bandbreite im Schritt (12) reserviert und die Quelle wird im Schritt (8) informiert. Ansonsten werden die Parameter (M₂, S 2 / R)neu im Schritt (7) eingestellt und die Quelle wird im Schritt (8) informiert, dass deren Anforderung abgewiesen ist.
Das Netzwerk verwendet das Referenz-Profil für eine Ruf-Zulassungs-Steuerung. Zugelassene Benutzer können deren Bandbreiten-Erfordernisse und Weichheitsprofile neu zuweisen. Das Netzwerk stimmt zu, eine Software-QoS bereitzustellen, um Anforderungen innerhalb des Referenzprofils neu zuzuweisen. Eine Anforderung wird als innerhalb des Referenz-Profils dann angesehen, wenn die äquivalente Bandbreite, die zugeordnet ist, minimal erfüllt, dass die Anforderung innerhalb der Grenzen, spezifiziert in dem Referenz-Profil, liegt.
Eine Soft-QoS-Vorsehung bringt die Zuordnung einer Bandbreite mit sich, um oberhalb einer minimalen Zufriedenheit auf dem Weichheitsprofil zu liegen, was Gegenstand von Beschränkungen in Bezug auf globale (klassenweise) Dienst-Parameter ist, wie beispielsweise: LSR ≤ LSR_max und Ausfalldauer und Blockierwahrscheinlichkeit höchstens P_b ≤ P_b ^max.
Experimentelle Ergebnisse
In diesem Abschnitt wird die Funktionsweise der vorgeschlagenen Soft-QoS-Steuereinheit mit einem VBR⁺ interaktiven Videoverkehr bei variablen Netzwerkbelastungen evaluiert. Zuerst werden die experimentellen Methodologie- und Funktionsmetriken, die verwendet sind, angegeben, gefolgt durch Simulationsergebnisse der Steuereinheit an einer ATM-Zugangsumschaltung.
Methodologie
Ein realistisches Videoverkehrs-Modell, das für vollständig interaktive, verteilte Multimedia-Anwendungen repräsentativ ist, wurde entwickelt. Ein MPEG-2 komprimiertes, digitales Video wurde unter Verwendung von kommerziell erhältlichen Video-Arbeits-Produkten erhalten. Vier 20 Minuten lange Sequenzen von gut bekannten Action-Filmen wurden verwendet. Jede Sequenz wurde auf fünf Qualitätsniveaus durch Ändern des Quantisierungsmaßstabs von 4 bis 12 in Erhöhungen von 2 codiert. Die sich ergebenden MPEG-2-Einzelbild-Niveau-Bit-Zählungen wurden von Bitfolgen extrahiert. Bei einer Verbindungseinstellzeit wählt jede VBR⁺ Quelle zufällig einen der vier Filme aus. Während eine Sitzung stattfand, wurden die originalen Einzelbild-Bit-Zählungen dynamisch skaliert, um die Verkehrs-Charakteristika eines Videoservers wiederzugeben, der interaktive Multimedia-On-Demand-(MoD)-Clients unterstützt. Das Modell wählte interaktive Moden unter einem Zufall von einer gleichförmigen Verteilung möglicher Moden aus, wie beispielsweise schnell vorwärts, Rückspulen, Abspielen unter unterschiedlichen Einzelbildraten, Hintergrund- und Vordergrundansicht, usw.. Eine exponentielle Verteilung mit durchschnittlichen Haltezeiten, annehmbar für den ausgewählten Modus, wurde dazu verwendet, die Aufenthalt-Zeit unter interaktiven Moden zu modulieren.
Ein Beispiel eines Multimediasystems mit mehreren Interaktivitäts-Moden ist in D. Reininger, M. Ott, G. Michelitsch und G. Welling, „Scalable QoS Control für VBR Video Servers", Proc. First IEEE Conference on Multimedia Signal Processing, Princeton University, Princeton, NJ, Juni 1997, und M. Ott, G. Michelitsch, G. Welling „Adaptive QoS in Multimedia Systems", Proc. Fifth JFIP International Workshop on Quality of Service, 1 WQOS'97, Columbia University, New York, Mai 1997, beschrieben. In diesem System können Video-Anzeige-Fenster zu dem Vordergrund oder dem Hintergrund einer Benutzer-Schnittstellen-Ansicht bewegt werden; siehe M. Ott, G. Michelitsch, D. Reininger, G. Welling „An Architecture for Adaptive QoS and its Application to Multimedia Systems Design", erschienen in Computers and Communications, Special Issue on QoS.
Wenn sich ein Videofenster an der Front befindet, wählt es ein weicheres Profil als dann aus, wenn es sich an dem Hintergrund befindet. Zusätzlich kann ein Hintergrundvideo von einer niedrigeren, räumlichen Auflösung als ein Vordergrund sein. Eine Qualitäts- Grafik (Widget) kann an ein Videofenster angehängt werden, um eine explizite Steuerung einer Einzelbild-Anzeigerate, und eines Details (gegeben als eine Kombination eines Quantisierungs-Niveaus und einer räumlichen Auflösung), zu ermöglichen. Ein entferntes Steuer-Trick-Fenster ermöglicht „Trick" Moden, wie beispielsweise schnell Vorwärts, Rückspulen, Springen zu dem letzten Einzelbild, Springen zu dem ersten Einzelbild, usw..
Eine auf Java basierende, verteilte Softwaresimulation wurde verwendet, um eine variable Zahl von VBR⁺ interaktiven MPEG-Videoquellen in den Port einer ATM-Umschaltung hinein zu multiplexieren, deren Bandbreiten-Zuordnung durch die Soft-QoS-Steuereinheit verwaltet wird. Jede der VBR⁺ Verbindungen wurde als ein separates Java-Thread, während eine synchrone Neuzuweisung deren Software-QoS ausgeführt. Neuzuweisungs-Nachrichten zwischen den Verbindungen und der Soft-QoS-Steuereinheit bestanden aus einer Bandbreiten-Anforderung (gegeben in Termen eines UPC-Verkehrs-Deskriptors) und dem Index eines Weichheitsprofils.
Die nachfolgenden Funktions-Metriken wurden verwendet:

• ATM-Umschaltungs-Port-Nutzung (U), gemessen als das Verhältnis einer durchschnittlichen, aggregierten Bandbreite, zugeordnet zu den VBR⁺-Verbindungen zu der OC-3 Verbindungskapazität.
• Geringe Erfüllungsrate (Low Satisfaction Rate – LSR) ist das Verhältnis der Zeit (in Video-Einzelbild-Intervallen von 33 msec.) in Bezug auf eine durchschnittliche Verbindung, die an dem niedrigen Erfüllungsbereich deren Weichheitsprofils verbraucht wird, zu der Dauer der Verbindung.
• Niedrige Zufriedenheits-Durchschnittsdauer (Low Satisfaction Mean Duration LSMD) ist die Zahl (in Video-Einzelbild-Intervallen von 33 msec.) in Bezug auf eine durchschnittliche Verbindung, die aufeinanderfolgend in dem niedrigen Zufriedenheitsbereich deren Weichheitsprofils verbraucht wird.
• Niedrige Zufriedenheits-Standard-Abweichung (Low Satisfaction Standard Eviation – LSSD) ist die Standardabweichung der LSMD.
• Neuzuweisungsrate (Reallocation Rate – RR) ist die Rate von Neuzuweisungs-Anforderungen, empfangen durch die Soft-QoS-Steuereinheit, die eine Neuzuweisung erfordert.
• Neuzuweisungs-Signalisierungs-Overhead (Reallocation Signalling Overhead – RSO) misst das Verhältnis von Signalen, erzeugt, um Geber über eine neue Zuweisung zu informieren, die aus dem Neuzuweisungsalgorithmus resultiert, zu der Zahl von Signalen, erzeugt durch die Neuzuweisungen der Verbindungen.

Simulationsergebnisse
13 zeigt eine Tabelle, die die Funktionsweise der Soft-QoS-Steuereinheit in Tennen der Metriken, die vorstehend beschrieben sind, darstellt. Die Simulation wurde für ungefähr 20 Realzeit-Minuten (ungefähr 85.000 Einzelbilder) laufengelassen. Wenn die Zahl von interaktiven Videodatenfolgen von 20 bis 32 variiert, variiert die Port-Nutzung von 65% bis 95%. Jede Videodatenfolge fordert QoS-Neuzuweisungen ungefähr einmal alle 3 Sekunden im Durchschnitt an. Demzufolge verarbeitet die Soft-QoS-Steuereinheit in der Größenordnung von 10 Soft-QoS-Anforderungen pro Sekunde (Requests-per-second – r. p. s.). Von diesen Anforderungen erfordern weniger als 5% eine Bandbreiten-Neuzuweisung, um ein Abfallen unterhalb von min.satisfaction (siehe RR in der Tabelle) zu vermeiden. Wie in 14 dargestellt ist, kann die Soft-QoS-Steuereinheit eine akzeptierbare Qualität mit einer hohen Wahrscheinlichkeit (oberhalb von 0,95) sogar bei sehr hohen Nutzungsordnungen beibehalten. Insbesondere ist anzumerken, dass eine Neuzuweisung LSR mit ungefähr einer Größenordnung in dem Nutzungssystem von 80–85% verbessert. Auch stellt 15 dar, dass der Neuzuweisungsalgorithmus wesentlich die Zeit verringert, die eine durchschnittliche Verbindung in dem Bereich mit niedriger Zufriedenheit verbraucht. Genauer gesagt werden keine Neuzuweisung und eine Neuzuweisung durch eine reale Linie und eine unterbrochene Linie, in 15, jeweils, angegeben. Zusätzlich stellt 16 eine Beziehung zwischen der Port-Nutzung und der Neuzuweisungsrate (RR) dar. Die Neuzuweisungsrate (RR) wird hoch mit einer Erhöhung der Port-Nutzung.
Jede Neuzuweisung erfordert, dass mehrere Signalisierungsnachrichten den Geberverbindungen mitgeteilt werden, umfasst in der neuen Zuweisung. 17 stellt dar, dass der Neuzuweisungs-Signalisierungs-Overhead (Reallocation Signalling Overhead – RSO), hinzugefügt für diesen Zweck, oberhalb von 40% liegen kann. Die Signalisierungsbelastung ist eine Funktion der Zahl von Gebern, umfasst in der Neuzuweisung. Wie früher beschrieben ist, kann die Größe der Verbindungsgeberliste mit der Beschneideschwelle, p, gesteuert werden. Allerdings sind, je kleiner die Anrahl von potenziellen Gebern ist, desto kleiner die Änderungen der Neuzweisung, um damit fortzufahren, die Empfängerverbindung innerhalb des akzeptierbaren Zufriedenheitsbereichs zu bringen.
Die Empfindlichkeit der Abwägung unter einer Signalisierungsbelastung, einem Zufriedenheitsindex und den Werten der Beschneideschwelle werden als nächstes studiert. In diesen Simulationen wurde die Zahl von multiplexierten Datenfolgen konstant (bei 24 Folgen), und die Beschneideschwellen variiert, gehalten. Die Ergebnisse sind in 18 dargestellt.
Wenn sich die Beschneideschwelle (p) erhöht, erhöht sich die Anzahl der Verbindungen, umfasst in der Gebergruppe (und entsprechend die Anzahl von Signalen, die sie erzeugen). Unter der Annahme, dass die Bandbreitenzuweisungen zufällig sind und gleichförmig über denselben Bereich verteilt sind, ist die Abhängigkeit zwischen p und der durchschnittlichen Größe der Gebergruppe linear (aufgrund einer Linearität der Verteilungsfunktion). Die Zahlen in 17 und 18 unterstützen diese Vermutung: wenn sich p erhöht, erhöht sich die durchschnittliche Signalisierungsbelastung, gegeben durch RSO, auf ungefähr linear bis zu einem Sättigungspunkt. Der Sättigungspunkt entspricht dem Fall, bei dem alle Verbindungen in der Liste des Gebers umfasst sind.
Wie in 19 dargestellt ist, verbessern sich, während ein Erhöhen von p die Signalisierungsbelastung erhöht, die Soft-QoS-Parameter: LSR verringert sich, zusammen mit LSMD und LSSD. Diese Verringerung fährt fort, bis ein Sättigungspunkt für eine Signalisierungsbelastung erreicht ist; nach dem Sättigungspunkt beginnt der Wert der Soft-QoS-Parameter damit, sich zu erhöhen. Der Grund ist derjenige, dass, nach dem Sättigungspunkt, zu viele Geberverbindungen bei einer Neuzuweisung umfasst sind, was die gesamte Soft-QoS nach unten bringt. Diese Analyse und die Ergebnisse von Simulationen zeigen, dass die Beschneideschwelle, p, ermöglicht, die Signalisierungsbelastung und die QoS von Verbindungen auszubalancieren, indem geeignete Abwägungs-Entscheidungen vorgenommen werden.
Um visuell zu verifizieren, dass der Neuzuweisungsalgorithmus tatsächlich den minimalen Zufriedenheitsindex maximiert, wurde der minimale Zufriedenheitsindex S aller multiplexierten Datenfolgen berechnet und gegenüber von fünf ausgedruckt (gemessen in Video-Einzelbild-Perioden von 33 ms). 20 stellt einen 500-Einzelbild-Schnappschuss des Verhaltens des minimalen Zufriedenheitsindex S in dem hohen Nutzungsbereich (28 Datenfolgen) dar. Die Figur stellt deutlich zwei Hauptvorteile von Soft-QoS-Neuzuweisungen dar:

• die minimale Zufriedenheit verbraucht wesentlich mehr Zeit an dem höchsten Niveau (5);
• die minimale Zufriedenheit verbraucht wesentlich weniger Zeit in dem niedrigen Zufriedenheitsbereich.

Die Bearbeitungserfordernisse der vorgeschlagenen Soft-QoS-Steuereinheit erzeugten Ergebnisse wie folgt. Es wurde beobachtet, dass ungefähr 160 Neuzuweisungen pro Sekunde dann erzeugt werden, wenn der Port einer Umschaltung mit ungefähr 80% einer Nutzung mit interaktiven MPEG-2 Videodatenfolgen belastet ist. In einer Standardkonfiguration benötigt die Steuereinheit weniger als 5 msec., um eine Neuzuweisungsanforderung zu bearbeiten. Demzufolge kann die derzeitige auf Java basierende Ausführung der Steuereinheit mehr als 200 r. p. s. verarbeiten. Unter Berücksichtigung, dass die Neuzuweisungs-Verarbeitungs-Kapazität der Umschalt-Steuereinheit wesentlich unter Verwendung eines Just-in-Time-Compilers, von nativen Verfahren oder einer Multiprozessor-Steuereinheit, verbessert werden kann, kann geschlossen werden, dass die Soft-QoS-Steuereinheit innerhalb der Fähigkeiten von derzeit verfügbaren, externen Umschalt-Steuereinheiten ausgeführt werden kann.
Allerdings berücksichtigen diese Evaluierungen nur die Verarbeitungserfordernisse, um eine Zuweisung zu berechnen, wenn einmal eine Absprache-Anforderung die Soft-QoS-Steuereinheit erreicht.
Schlussfolgerung
Die derzeitige Erfindung führt eine Soft-Quality-of-Service (Soft-QoS) ein, ein neuartiges Konzept, das den Raum zwischen der effizienten Vorsehung einer Netzwerk-Niveau-QoS und den Erfordernissen von Multimedia-Anwendungen überbrückt. Das Konzept der Soft-QoS führt zu der Umsetzung eines flexiblen und effizienten Bandbreiten-Zuordnungs-Schemas für adaptive Multimedia-Anwendungen. Die Bandbreiten-Zuordnung wird innerhalb einer Soft-QoS-Steuereinheit für die VBR⁺ ATM Netzwerk-Dienst-Klasse ausgeführt. Die Funktionsweise der Soft-QoS-Steuereinheit für MPEG-2 eines interaktiven Videos über ATM mit heterogenen Soft-QoS-Erfordernissen.
Die Steuereinheit verwendet das Weichheitsprofil der Verbindungen, um eine Bandbreiten-Zuordnung zu berechnen, die den minimalen Zufriedenheitsindex von aktiven Verbindungen maximiert.
Simulationsergebnisse zeigen, dass der Zufriedenheitsindex von aktiven Verbindungen in dem akzeptierbaren Bereich, mit einer sehr hohen Wahrscheinlichkeit, unter hohen Nutzungsordnungen (80–90%), gehalten wird, während Verarbeitungsertordernisse innerhalb der Fähigkeiten der derzeitigen, auf einem PC basierenden, externen Umschalt-Steuereinheit beibehalten wird. Zusätzlich kann die zusätzliche Signalisierung, erzeugt durch Neuzuweisungen einer Bandbreite während eines Staus, linear durch die Beschneideschwelle des Algorithmus gesteuert werden.
Obwohl die Ergebnisse, die angegeben sind, auf Weichheitsprofilen für ein Video basieren, ist die Definition von Soft-QoS allgemein für adaptive Multimedia-Anwendungen geeignet. Die Simulationen verwenden einen Basislinien-Satz von Weichheitsprofilen. Genauer gesagt können Weichheitsprofile definiert werden und durch die Erfahrung des Benutzers neu definiert werden, wenn verteilte Multimedia-Anwendungen anwachsen. Neue Profile können einfach dann, wenn sie verfügbar werden, eingesetzt werden.
Andere Modifikationen und Variationen in Bezug auf die Erfindung werden für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet aus der vorstehenden Offenbarung und den Lehren ersichtlich werden. Demzufolge wird, während nur bestimmte Ausführungsformen der Erfindung spezifisch hier beschrieben worden sind, ersichtlich werden, dass zahlreiche Modifikationen dabei vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Neuzuweisung von Bandbreite in einem Netzwerk, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzwerk Folgendes aufweist: – eine Vielzahl von Geberverbindungen, von denen Bandbreite zurückgefordert werden soll, und eine Empfängerverbindung, die von der Neuzuweisung profitiert, – wobei die Empfängerverbindung und jede der Geberverbindungen jeweils mit einem jeweiligen Zufriedenheitsprofil in Zusammenhang stehen, wobei das Zufriedenheitsprofil durch ein Weichheitsprofil spezifiziert ist, bestimmt durch ein Bandbreitenverhältnis und einen Zufriedenheitsindex, wobei das Bandbreitenverhältnis als ein Verhältnis einer tatsächlich zugeteilten Bandbreite und einer angeforderten Bandbreite definiert ist, während der Zufriedenheitsindex ein Maß der Wahrnehmung der Qualität durch einen Benutzer ist, wobei das Verfahren weiter durch folgenden Schritt gekennzeichnet ist: – Maximieren eines Zufriedenheitsindex jedes Weichheitsprofils, wobei jeder Zufriedenheitsindex nach der Neuzuweisung innerhalb eines im Voraus gewählten zulässigen Bereichs oberhalb eines im Voraus gewählten Minimalzufriedenheitsindex gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, welches weiter folgende Schritte aufweist: a) Identifizieren der Geberverbindungen mit höherem Zufriedenheitsindex; b) Identifizieren einer Teilmenge der Geberverbindungen mit einer zugeordneten Bandbreite, die höher ist als ein im Voraus gewählter Wert; c) Berechnen einer Menge an Bandbreite, die durch jede aus der Teilmenge der Geberverbindungen durch Verwendung von Weichheitsprofilen freizugeben ist, so dass die verbleibende Bandbreite für jede aus der Teilmenge von Geberverbindungen den im Voraus gewählten Zufriedenheitsindex um eine Einheit von Körnigkeit (G) reduziert; d) Wiederholen der Schritte a) bis c), bis der Zufriedenheitsindex der Empfängerverbindung innerhalb des im Voraus gewählten zulässigen Bereichs liegt oder bis der Zufriedenheitsindex von mindestens einer aus der Teilmenge von Geberverbindungen die im Voraus gewählte Mindestzufriedenheit erreicht; und (f) Anfordern von mehr Bandbreite von dem Netzwerk, falls mindestens eine aus der Teilmenge von Geberverbindungen die im Voraus gewählte Mindestzufriedenheit erreicht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b) folgende Schritte aufweist: b1) Bestimmen einer Beschneideschwelle; und b2) Einschließen einer Geberverbindung in der Teilmenge von Geberverbindungen, falls die Beschneideschwelle multipliziert mit der Geberverbindung im Moment zugewiesener Bandbreite größer ist als eine erforderliche Bandbreite.