馮光升，王慧強(qiáng)，馬春光，李冰洋，趙倩

(哈爾濱工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

1 引言

現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的顯著問題是不能充分感知終端用戶的服務(wù)需求，不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的內(nèi)外環(huán)境變化而有效、動(dòng)態(tài)地改變終端用戶QoS，尤其是在網(wǎng)絡(luò)阻塞狀態(tài)下用戶的QoS水平會(huì)顯著降低。目前已經(jīng)初步提出了一些解決此類問題的方法，如DiffServ[1,2]，但是這些方法只能在發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求之前確定優(yōu)先級(jí)，而無法根據(jù)內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用戶的整體QoS水平受網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的影響過大。

一些研究認(rèn)為可以通過動(dòng)態(tài)配置策略決定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)的連接方式，從而以最優(yōu)化或次優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來提高終端用戶的QoS水平[3]。這種觀點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，采用特定需求的自配置策略進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)部署，在一定程度上解決了上述問題，然而其最大的缺點(diǎn)是應(yīng)用范圍有限，僅能夠部署于特定網(wǎng)絡(luò)中，例如 peer-to-peer網(wǎng)絡(luò)[4]。而且網(wǎng)絡(luò)自配置策略離不開網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、用戶需求等因素，對(duì)于如何充分利用用戶QoS和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行自配置策略規(guī)劃還有待進(jìn)一步研究。

另外一些研究認(rèn)為路由算法及其動(dòng)態(tài)配置特性是提高用戶QoS的關(guān)鍵技術(shù)之一，相應(yīng)地也提出了許多具有自配置特性的路由算法、自配置方法等[5,6]。這些方法是在當(dāng)前靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的一些重要改進(jìn)，并在現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下獲得了較好的應(yīng)用效果。但是在下一代網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，這些方法存在一定的局限性，缺乏充分考慮下一代網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知特性、網(wǎng)絡(luò)狀況和用戶QoS需求，僅是根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況實(shí)施的一些優(yōu)化調(diào)整等。

還有一些學(xué)者認(rèn)為 QoS動(dòng)態(tài)自配置方法是根據(jù)用戶需求、數(shù)據(jù)流特性等方面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源的合理劃分，是提高終端用戶QoS的有效手段。如文獻(xiàn)[7]提出了具有動(dòng)態(tài)調(diào)整帶寬功能的d-QoS模型，該模型采用中斷機(jī)制，允許高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流優(yōu)先通過指定的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域。這種做法以犧牲其他數(shù)據(jù)流的通過性為代價(jià)，并且在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中如何確定數(shù)據(jù)流和用戶QoS需求的優(yōu)先級(jí)面臨著諸多挑戰(zhàn)[8]。

針對(duì)這些問題，學(xué)術(shù)界已著手研究如何在下一代網(wǎng)絡(luò)中融入認(rèn)知元素以克服當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的固有缺陷，于是提出了認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的概念，其核心思想是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠感知內(nèi)外環(huán)境變化，實(shí)時(shí)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的配置，動(dòng)態(tài)智能地適應(yīng)環(huán)境并能指導(dǎo)未來的自主決策。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是提高網(wǎng)絡(luò)整體及端到端系統(tǒng)的性能、簡化網(wǎng)絡(luò)管理的新途徑，是下一代通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)[9]。本文在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，綜合考慮用戶QoS和網(wǎng)絡(luò)狀況，采用效用函數(shù)表示用戶QoS，進(jìn)而判定QoS優(yōu)先級(jí)并封裝形成認(rèn)識(shí)分組。在認(rèn)識(shí)分組的傳輸過程中，通過認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的中斷管理方式對(duì)用戶QoS優(yōu)先級(jí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，從而使用戶群體感知到較好的服務(wù)質(zhì)量。本文所提出的方法可以部署在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，也可以部署在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有一定程度的認(rèn)知特性，改善網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中對(duì)用戶QoS優(yōu)先級(jí)判定的準(zhǔn)確性，提高用戶的服務(wù)質(zhì)量。

2 面向認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)QoS自配置框架

本文提出了一種面向認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的 QoS動(dòng)態(tài)自配置方法。該方法首先利用經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域和人工智能領(lǐng)域中的效用函數(shù)對(duì)不同級(jí)別的用戶需求及認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行分析，得到用戶QoS的效用函數(shù)，在此基礎(chǔ)上獲得用戶QoS優(yōu)先級(jí)，然后將中斷策略引入到自配置框架中，以便在用戶服務(wù)過程中根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行用戶QoS的動(dòng)態(tài)調(diào)整，如圖1所示。

圖1 QoS動(dòng)態(tài)自配置框架

2.1 用戶QoS的效用函數(shù)表示

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)用戶 QoS管理并優(yōu)化自身行為，但用戶QoS如何表示及如何翻譯為系統(tǒng)行為指令等問題將直接影響到用戶期望服務(wù)水平的實(shí)現(xiàn)與否。當(dāng)前的做法是采用制定目標(biāo)策略來解決這些問題，根據(jù)目標(biāo)策略調(diào)整系統(tǒng)行為，以期將系統(tǒng)置于任何可行和可接受的狀態(tài)。這種調(diào)整目標(biāo)實(shí)際上是一種對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)所形成的集合，卻不能準(zhǔn)確地建立用戶 QoS與系統(tǒng)目標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于效用函數(shù)可對(duì)特定系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行高層次抽象，能夠更加準(zhǔn)確地刻畫系統(tǒng)狀態(tài)，因此本文采用效用函數(shù)表示用戶QoS，以準(zhǔn)確確定不同級(jí)別的用戶QoS，并為達(dá)到該狀態(tài)提供策略指導(dǎo)，包括調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)及范圍和重新分配資源及粒度等。

本文假設(shè)所有的效用函數(shù)都獨(dú)立于應(yīng)用環(huán)境且共享一個(gè)通用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此任何終端用戶均具有一個(gè)用戶QoS效用函數(shù)，根據(jù)效用函數(shù)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的比較，能夠反映出相應(yīng)的收益和懲罰。假設(shè)某用戶在應(yīng)用環(huán)境i下的效用函數(shù)為

同時(shí)，假設(shè) U?(R)是資源等級(jí)效用函數(shù)，指明了應(yīng)用環(huán)境獲取每一種可能等級(jí)R的大小值。U?(R)可以通過來計(jì)算。假設(shè) U?i(Ri)已經(jīng)給出，計(jì)算資源分配Ri*并最大化全局效用如下

其中，R代表所有可用資源。式(4)是一個(gè)NP-HARD離散資源分配問題，可以通過混合整數(shù)規(guī)劃方法來求解[10]。

2.2 用戶QoS的優(yōu)先級(jí)計(jì)算方法

計(jì)算QoS優(yōu)先級(jí)的常用方法是M-LWDF[11]，該方法考慮了用戶的排隊(duì)時(shí)延和平均信道條件（用吞吐量來衡量），較好地滿足用戶對(duì)分組丟失率的要求，但是由超級(jí)用戶產(chǎn)生的中斷率過高，并最終影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用戶群體的滿意度。在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，敏感時(shí)延的媒體業(yè)務(wù)流將占據(jù)80%以上[12]，根據(jù)惠普因特網(wǎng)與存儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室Kelly等人[13]的研究，對(duì)于敏感時(shí)延的媒體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，可以采用時(shí)延（包括排隊(duì)時(shí)延和中斷時(shí)延）來代替吞吐量等指標(biāo)，通過選擇合適的效用函數(shù)以保證網(wǎng)絡(luò)用戶群體的滿意度。鑒于此，本文提出一種新的用戶QoS優(yōu)先級(jí)計(jì)算方法，該方法以時(shí)延單一變量作為系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)，以共享信道資源分配為目的，根據(jù)用戶QoS的效用函數(shù)設(shè)定用戶數(shù)據(jù)分組優(yōu)先權(quán) 'P。

由于沒有考慮網(wǎng)絡(luò)傳輸狀況，該優(yōu)先權(quán)級(jí)不能作為用戶數(shù)據(jù)分組的最終優(yōu)先級(jí)，因此有必要對(duì)用戶優(yōu)先級(jí)進(jìn)行修正。為了防止時(shí)延超出可行的范圍，用障礙函數(shù)來構(gòu)造用戶i的優(yōu)先級(jí)修正因子iδ。

其中，dmax為允許的最大時(shí)延，di(n)為當(dāng)前n時(shí)刻的時(shí)延，φi為可調(diào)節(jié)的懲罰因子。懲罰因子越大，對(duì)即將超時(shí)時(shí)延的補(bǔ)償就越大，優(yōu)先級(jí)就越高。假設(shè)根據(jù)用戶 QoS效用函數(shù)排序所得到的優(yōu)先級(jí)為Pi'，則用戶數(shù)據(jù)流的實(shí)際優(yōu)先級(jí)Pi修正為

為了保證不頻繁地發(fā)生優(yōu)先級(jí)重計(jì)算，在用戶數(shù)據(jù)分組中的數(shù)據(jù)段部分封裝了數(shù)據(jù)流的類型，對(duì)于具有分組丟失優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流采用優(yōu)先級(jí)校正，而其他的數(shù)據(jù)流仍按照用戶QoS的效用函數(shù)計(jì)算其優(yōu)先級(jí)。綜上，數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級(jí)可表示為：i具有分組丟失優(yōu)先級(jí) (7)其他

2.3 數(shù)據(jù)流中斷機(jī)制

根據(jù)2.1節(jié)和2.2節(jié)，在用戶QoS轉(zhuǎn)化為效用函數(shù) U(S,D,δ)并計(jì)算出資源分配 R*之后，如果不考慮網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，那么就很可能達(dá)不到用戶所期望的QoS水平。為解決這個(gè)問題，本文利用認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的主動(dòng)特性，在用戶服務(wù)或者服務(wù)請(qǐng)求數(shù)據(jù)分組中除了包含數(shù)據(jù)分組頭中的基本信息（源/目的IP地址、源/目的端口、協(xié)議等）外，還封裝了特定用戶程序和專有數(shù)據(jù)。當(dāng)這類用戶數(shù)據(jù)分組經(jīng)過認(rèn)知節(jié)點(diǎn)時(shí)，允許在這些節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行用戶或應(yīng)用程序指定的計(jì)算，以達(dá)到用戶期望QoS水平的目的。這些封裝了特定用戶信息的數(shù)據(jù)分組稱為認(rèn)識(shí)分組。同時(shí)在認(rèn)知節(jié)點(diǎn)上也部署一個(gè)公共接口函數(shù)，使認(rèn)識(shí)分組中的相關(guān)代碼能夠被該公共接口函數(shù)執(zhí)行。因此，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的作用也隨之發(fā)生變化，普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被認(rèn)知節(jié)點(diǎn)替代，并允許在這些認(rèn)知節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行認(rèn)識(shí)分組所包含的特定計(jì)算，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)也從被動(dòng)地承載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為主動(dòng)地計(jì)算引擎。為在網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行計(jì)算行為，必須有合適的機(jī)制，保障認(rèn)知節(jié)點(diǎn)能夠從傳輸普通數(shù)據(jù)分組切換到執(zhí)行指定計(jì)算的模式。認(rèn)識(shí)分組的相關(guān)代碼可能對(duì)節(jié)點(diǎn)的安全性構(gòu)成威脅，然而認(rèn)知節(jié)點(diǎn)可采用“沙箱技術(shù)”通過建立虛擬空間運(yùn)行認(rèn)識(shí)分組中的代碼，這樣一來，即使發(fā)生安全攻擊，運(yùn)行結(jié)果也被限制在虛擬空間內(nèi)，不會(huì)對(duì)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)本身構(gòu)成威脅。因此，本文在操作系統(tǒng)中斷機(jī)制的基礎(chǔ)上提出認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的中斷管理思想解決上述問題。

2.2 節(jié)給出了用戶QoS優(yōu)先級(jí)P的計(jì)算方法，

由于終端用戶在請(qǐng)求服務(wù)時(shí)刻就在數(shù)據(jù)分組中封裝了服務(wù)的優(yōu)先級(jí)，因此網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)分組可根據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分類排序，形成具有先后順序的數(shù)據(jù)流，這些認(rèn)識(shí)分組可通過任何正在使用的協(xié)議機(jī)制向前傳輸。當(dāng)一個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)認(rèn)識(shí)分組時(shí)，內(nèi)部中斷就會(huì)產(chǎn)生，認(rèn)識(shí)分組中的程序代碼發(fā)起 QoS重配置請(qǐng)求，重配置動(dòng)作在認(rèn)知節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行，從而使那些具有高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流順利通過網(wǎng)絡(luò)。這種中斷機(jī)制類似于操作系統(tǒng)中超級(jí)用戶進(jìn)程的中斷機(jī)制，其中的資源都是優(yōu)先分配給超級(jí)用戶進(jìn)程，其他的進(jìn)程則被暫停。

在執(zhí)行中斷服務(wù)程序的過程中，當(dāng)一個(gè)路徑被動(dòng)態(tài)路由機(jī)制選中，之前路徑上的數(shù)據(jù)分組在超時(shí)時(shí)刻被移除。這種機(jī)制允許認(rèn)知節(jié)點(diǎn)可與任何路由機(jī)制進(jìn)行協(xié)作，如靜態(tài)路由、動(dòng)態(tài)路由等。具有優(yōu)先級(jí)的認(rèn)識(shí)分組流經(jīng)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)時(shí)，該分組的優(yōu)先級(jí)首先被審查，以確定所申請(qǐng)級(jí)別的可用性。如果該級(jí)別被占用，將用一個(gè)較低的級(jí)別進(jìn)行替代。當(dāng)具有優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)束后，隊(duì)列將從系統(tǒng)中移除。隊(duì)列長度會(huì)因當(dāng)前數(shù)據(jù)流優(yōu)先級(jí)的數(shù)目不同而不同。一旦所有的優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流完成轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)點(diǎn)的工作模式就由中斷模式轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀Ｊ健?/p>

2.4 自配置方法的部署要求

本文所提出的動(dòng)態(tài) QoS自配置方法可以部署在當(dāng)前的IP網(wǎng)絡(luò)中，使其具有認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的特性或者部分特性，以解決當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對(duì)用戶QoS配置支持不足的問題。通常情況下，需要在普通IP網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和瓶頸鏈路上部署認(rèn)知節(jié)點(diǎn)，在終端用戶上部署效用函數(shù)及評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。這樣可以保證關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和瓶頸鏈路對(duì)具有指定 QoS的數(shù)據(jù)分組進(jìn)行處理，包括優(yōu)先級(jí)校正，按順序轉(zhuǎn)發(fā)等。

任何一個(gè)認(rèn)識(shí)分組均含有代碼段和數(shù)據(jù)段，其中網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)能夠識(shí)別認(rèn)識(shí)分組中的代碼段，并觸發(fā)中斷從而執(zhí)行這些代碼。普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)忽略了認(rèn)識(shí)分組中的代碼段，將認(rèn)識(shí)分組認(rèn)為是普通數(shù)據(jù)分組。這種配置要求保證了認(rèn)知節(jié)點(diǎn)能夠與普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)共存和互操作，從而可以在保證用戶QoS的同時(shí)，改善網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)流的主動(dòng)處理能力，提高傳輸性能。

3 QoS動(dòng)態(tài)自配置算法

QoS動(dòng)態(tài)自配置算法包括3部分：第1部分屬于終端用戶數(shù)據(jù)分組的封裝與發(fā)送，是形成認(rèn)識(shí)分組的過程；第2部分為認(rèn)識(shí)分組經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)而觸發(fā)中斷的過程，主要包括：用戶QoS優(yōu)先級(jí)的校正和認(rèn)識(shí)分組的轉(zhuǎn)發(fā)；第3部分是服務(wù)提供者獲得用戶數(shù)據(jù)分組中的效用函數(shù)，并封裝到服務(wù)數(shù)據(jù)分組中以形成新的認(rèn)識(shí)分組。如圖2～4所示。

圖 2 算法 1∶ Configure_User_Package

圖 3 算法 2∶ Dynamic_Configure_QoS

圖 4 算法 3∶ Configure_Service_Package

算法1～3使各個(gè)模塊共同作用，首先對(duì)每一個(gè)服務(wù)水平空間Si和需求空間Di計(jì)算資源分配R*；然后對(duì)R*中每一種資源分配Ri計(jì)算出效用函數(shù)值；然后根據(jù)效用函數(shù)值對(duì)每個(gè)終端用戶的服務(wù)請(qǐng)求分配優(yōu)先權(quán)P；最后根據(jù)優(yōu)先權(quán)級(jí)別對(duì)服務(wù)請(qǐng)求數(shù)據(jù)分組進(jìn)行排序，以此作為在網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)和獲得優(yōu)先服務(wù)的根據(jù)。服務(wù)請(qǐng)求數(shù)據(jù)分組和服務(wù)數(shù)據(jù)分組在轉(zhuǎn)發(fā)過程中，將會(huì)通過中斷機(jī)制對(duì)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行修正，以保證具有低分組丟失、高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流順利通過網(wǎng)絡(luò)。

本文提出的QoS動(dòng)態(tài)自配置算法相對(duì)于已有算法的改進(jìn)在于采用效用函數(shù)計(jì)算用戶QoS的優(yōu)先級(jí)，不僅保證能夠獲得期望的QoS水平，還保證用戶數(shù)據(jù)分組在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上能按優(yōu)先級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)，防止因網(wǎng)絡(luò)堵塞等原因造成的用戶 QoS水平下降。同時(shí)考慮了網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，采用中斷機(jī)制和優(yōu)先級(jí)修正策略保證具有低分組丟失率、高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流順利通過網(wǎng)絡(luò)。

4 仿真結(jié)果與分析

首先結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)上述各式和算法進(jìn)行具體化。一方面，由于應(yīng)用環(huán)境的任務(wù)目標(biāo)具有針對(duì)性和特定性，如認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中實(shí)驗(yàn)敏感型數(shù)據(jù)流占據(jù)80%以上，因此時(shí)延指標(biāo)占有絕對(duì)性的權(quán)重優(yōu)勢(shì)；另一方面，考慮到求解的復(fù)雜性，現(xiàn)有研究內(nèi)容通常采用單值形式對(duì)Ui，Si，Di進(jìn)行描述[14]。本文延用這個(gè)結(jié)論，對(duì)服務(wù)質(zhì)量Ui進(jìn)行化簡：

式(9)中，Ui(Si, δi)由應(yīng)用環(huán)境的水平和優(yōu)先級(jí)修正因子來確定。

因?yàn)?.2節(jié)中以時(shí)延單一變量作為系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)，且 Si中的Ci由系統(tǒng)唯一確定，也可以省略，因此可以把Si用平均響應(yīng)時(shí)間來替代。在只考慮時(shí)延的條件下對(duì)于Ui的選取，可以歸結(jié)為對(duì)函數(shù)族Γ(x)中各參數(shù)的選取[15]，函數(shù)族Γ(x)的表達(dá)式如下：

通過其中參數(shù)的選取，使得在響應(yīng)時(shí)間較短時(shí)具有較高的效用值，而當(dāng)接近某一臨界點(diǎn)時(shí)，效用值劇減，最后接近于0。本文把Ui的值域定義為(0,1)區(qū)間，令β的取值可令Ui能出現(xiàn)在0～1之間變化的條件，γ值使得效用值符合臨界點(diǎn)跳變的現(xiàn)象，α根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)獲得。自變量平均響應(yīng)時(shí)間與因變量Ui的函數(shù)關(guān)系如圖5所示。

圖5 響應(yīng)時(shí)間與效用值的關(guān)系

4.1 仿真環(huán)境及過程

在服務(wù)提供方和接收方處理能力一定的前提下，用戶獲得的服務(wù)水平通常受網(wǎng)絡(luò)傳輸狀態(tài)尤其是瓶頸鏈路的影響。因此本實(shí)驗(yàn)主要考慮瓶頸鏈路的問題而忽略非瓶頸鏈路的影響。本文采用開源網(wǎng)絡(luò)仿真工具NS2搭建如圖6所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中節(jié)點(diǎn)C1和C2是部署在網(wǎng)絡(luò)瓶頸鏈路上的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)，其帶寬是10Mbit/s，其他鏈路帶寬為100Mbit/s；節(jié)點(diǎn)S1、S2、S3和S4是服務(wù)提供方，節(jié)點(diǎn)S是服務(wù)的匯聚節(jié)點(diǎn)和分配節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)U1、U2、…、U20為服務(wù)請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)也是服務(wù)接收方，節(jié)點(diǎn)U為服務(wù)請(qǐng)求的匯聚節(jié)點(diǎn)和分配節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)封裝用戶QoS的優(yōu)先級(jí)與中斷服務(wù)程序；節(jié)點(diǎn) U'、U'子節(jié)點(diǎn)、U''及 U''子節(jié)點(diǎn)均為網(wǎng)絡(luò)上的普通節(jié)點(diǎn)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組也是普通數(shù)據(jù)分組，主要用途是對(duì)具有優(yōu)先級(jí)的服務(wù)請(qǐng)求和服務(wù)進(jìn)行干擾，從而驗(yàn)證本文所提出方法的有效性。

圖6 模擬拓?fù)鋱D

實(shí)驗(yàn)使用高質(zhì)量視頻傳輸?shù)碾娨晹?shù)據(jù)流作為節(jié)點(diǎn)S到U1、U2、…、U20數(shù)據(jù)流樣本。如果忽略服務(wù)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)流，則該電視數(shù)據(jù)流是一種單項(xiàng)的 VBR流，因此將模擬其為time-sensitive類型的流量。實(shí)驗(yàn)中，U '的子節(jié)點(diǎn)為sink節(jié)點(diǎn)，U''的子節(jié)點(diǎn)為FTP source節(jié)點(diǎn)，將其間的數(shù)據(jù)流模擬為non time-sensitive類型的流量，這2種類型的流量均通過數(shù)據(jù)流發(fā)生器產(chǎn)生。節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)初始化為，但是節(jié)點(diǎn)U5和U6不允許分組丟失，且U5的丟失分組優(yōu)先級(jí)低于 U6。也就是在瓶頸鏈路發(fā)生堵塞時(shí)，節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)通過中斷服務(wù)程序校正為：仿真實(shí)驗(yàn)中涉及的其他主要參數(shù)：5～40s時(shí)，節(jié)點(diǎn)服務(wù)請(qǐng)求發(fā)送速率為0.2Mbit/s，節(jié)點(diǎn)的發(fā)送速率為 1Mbit/s；25～40s時(shí)，節(jié)點(diǎn)的發(fā)送速率為 0.23Mbit/s，的發(fā)送速率為0.23Mbit/s。

為了便于結(jié)果的比較，在仿真環(huán)境中部署了 2種類型的隊(duì)列：DiffServ模式下的CBQ (class-based queue)和中斷模式下的 PQ(priority queue)，其中CBQ被用來表示不同DiffServ類別間的帶寬劃分和共享，PQ模式采用本文提出的QoS優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)自配置方法。

4.2 結(jié)果分析

圖7給出了DiffServ和PQ 2種模式下瓶頸鏈路的帶寬占用對(duì)比情況：一種是只有DiffServ模式，沒有中斷機(jī)制，另一種是PQ模式，具有中斷機(jī)制。兩者在整個(gè)模擬過程中占用的帶寬幾乎一致，但本文所提出的方法帶寬占用率略高于DiffServ方法，原因是在用戶的服務(wù)請(qǐng)求分組內(nèi)封裝了少量代碼。其中前5s沒有做任何的連接請(qǐng)求，5～40s發(fā)起服務(wù)請(qǐng)求并獲得服務(wù)，25～40s加入U(xiǎn)'到U''得數(shù)據(jù)傳輸，造成帶寬使用達(dá)到上界，并有丟失分組現(xiàn)象發(fā)生。

圖7 帶寬占用情況對(duì)比

實(shí)驗(yàn)中，采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分組中的8bit區(qū)分服務(wù)標(biāo)志比特來表示是認(rèn)知分組還是普通數(shù)據(jù)分組，并以此代替對(duì)IP數(shù)據(jù)分組結(jié)構(gòu)的修改。考慮到實(shí)際環(huán)境中，數(shù)據(jù)分組所經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是未知的，不能保證所有節(jié)點(diǎn)均能對(duì)包含的代碼進(jìn)行識(shí)別和執(zhí)行，所以，實(shí)驗(yàn)對(duì)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的代碼部分進(jìn)行了簡化處理，其中僅用2byte的數(shù)據(jù)來指明優(yōu)先級(jí)和效用值，而不包括執(zhí)行代碼。為了對(duì)2種模式下帶寬占用情況進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)采用Cpd進(jìn)行帶寬比較計(jì)算，其中Pt代表t時(shí)刻PQ模式所占據(jù)的帶寬大小，Dt代表t時(shí)刻DiffServ模式所占據(jù)的帶寬大小，T表示觀察區(qū)間[0，45]。經(jīng)計(jì)算，PQ模式帶寬占用率比DiffServ約高1.03%。

以式(12)作為衡量用戶滿意度的標(biāo)準(zhǔn)，其中 Ei表示用戶期望獲得服務(wù)的時(shí)間，Ai代表用戶i實(shí)際獲得服務(wù)的時(shí)間，Pi代表用戶 i的優(yōu)先級(jí)。2種模式下的用戶滿意度對(duì)比如圖8所示。

圖8 用戶滿意度對(duì)比情況

由于本文所提出的方法充分考慮了網(wǎng)絡(luò)傳輸情況，當(dāng)發(fā)生堵塞導(dǎo)致數(shù)據(jù)流丟失分組時(shí)，優(yōu)先考慮丟失分組級(jí)別情況。在25～40s時(shí)的認(rèn)知分組引發(fā)中斷，認(rèn)知節(jié)點(diǎn)將重新計(jì)算數(shù)據(jù)流優(yōu)先級(jí)，所以在發(fā)生鏈路堵塞時(shí)能夠有效地保持或小幅度地降低用戶滿意度，但仍比 DiffServ下的用戶滿意度高10%左右，其他時(shí)段兩者的滿意度基本一致。雖然DiffServ模式也可以通過優(yōu)先級(jí)來保證數(shù)據(jù)流的順利轉(zhuǎn)發(fā)，但是DiffServ對(duì)數(shù)據(jù)流的分類模式是靜態(tài)的，不能根據(jù)用戶QoS的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

為了進(jìn)一步測試用戶滿意度情況，實(shí)驗(yàn)中對(duì)以下3種情況進(jìn)行對(duì)比分析。

1) PQ1模式：只有瓶頸鏈路C1和C2為認(rèn)知節(jié)點(diǎn)；

2) PQ2模式：所有非終端網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為認(rèn)知節(jié)點(diǎn)；

3) BE(best efforts)模式：所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為普通節(jié)點(diǎn)，采用最為常見的BE模式提供服務(wù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。PQ1模式下比其他2種模式下的用戶滿意度均有不錯(cuò)的性能提升；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中不存在擁塞現(xiàn)象時(shí)，PQ2模式比BE模式的用戶滿意度略高一些，然而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生擁塞現(xiàn)象時(shí)，PQ2的用戶滿意度下降很快，甚至低于BE模式。在PQ1模式下對(duì)用戶QoS優(yōu)先級(jí)調(diào)整計(jì)算的節(jié)點(diǎn)只是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的瓶頸鏈路節(jié)點(diǎn)，而其他節(jié)點(diǎn)不參與計(jì)算，不會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)惡化；在 PQ2模式下，由于所有非終端節(jié)點(diǎn)均為認(rèn)知節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)都會(huì)以中斷方式參與用戶 QoS優(yōu)先級(jí)的調(diào)整計(jì)算，致使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平均時(shí)延增大，發(fā)生擁塞和丟失分組的概率相應(yīng)增加，網(wǎng)絡(luò)整體性能隨之下降，因而導(dǎo)致用戶滿意度的下降，甚至低于BE模式下的用戶滿意度。

圖9 2種模式下用戶滿意度對(duì)比情況

由以上分析可以得出如下結(jié)論：

1) 所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)參與計(jì)算并不一定能提高用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的滿意度，必須在參與計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)量、位置與系統(tǒng)性能之間取得平衡，也就是效用最大化；

2) 在瓶頸鏈路部署認(rèn)知節(jié)點(diǎn)可以有效提高用戶滿意度。由于PQ是一種基于現(xiàn)有資源的QoS等級(jí)劃分，在實(shí)際的數(shù)據(jù)分組傳輸過程中，網(wǎng)絡(luò)資源是動(dòng)態(tài)變化的，因此需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源狀況對(duì)QoS等級(jí)進(jìn)行調(diào)整。由于數(shù)據(jù)分組在傳輸過程中會(huì)經(jīng)歷大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)鏈路，如果QoS等級(jí)的動(dòng)態(tài)調(diào)整太頻繁，將會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)性能下降，因此在瓶頸鏈路上部署認(rèn)知節(jié)點(diǎn)是合理的。

5 結(jié)束語

本文提出了一種面向認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的用戶 QoS動(dòng)態(tài)自配置方法，充分考慮了下一代網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知特性，通過效用函數(shù)將用戶QoS進(jìn)行表示和優(yōu)先級(jí)區(qū)分，并采用中斷策略對(duì)用戶QoS優(yōu)先級(jí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，從而解決了網(wǎng)絡(luò)阻塞狀態(tài)下對(duì)用戶QoS支持不足的問題，使網(wǎng)絡(luò)用戶群體在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)條件下感知最優(yōu)的服務(wù)質(zhì)量。本文所提出的方法亦可以部署在現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)中，改善對(duì)用戶QoS等級(jí)判定不準(zhǔn)確的問題，從而有效地提高用戶QoS。

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