支持概率性端到端时延保证的资源管理系统及其方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及分组交换网络QoS保证方法，具体地说是一种概率性保证业务端到端时延的方法，它依据路由器实时统计的“分配带宽-分组时延分布”映射关系能够动态分配各段链路的带宽资源，为传输业务提供概率性端到端时延保证，提高链路带宽资源的使用效率，可用于军事通信网络和IP交换网等分组交换网络。
背景技术
当今因特网状况日趋复杂，业务的多样性导致网络资源需求的差异很大，如何在IP网络上保证用户信息传输的质量成为一个不容忽视的重要问题。为解决这一问题，网络服务质量(QoS，Quality of Service)便应运而生。
如今，随着下一代网络(NGN，Next Generation Network)网络架构的逐步完善，为应用业务提供了统一的平台，新业务可通过开放的接口平滑地加入到网络中，IP网络如何提供QoS支持这一问题现已成为业界关注的焦点。然而，在宽带接入网络中，由于语音、可视通信、视频等实时业务的实时性的特点决定其与Email、FTP等传统数据业务有着不同的QoS要求，即语音、可视通信、视频等实时业务对承载网络的带宽保证、时延、抖动、包丢失率等关键QoS指标有着较高的要求。Kartik Gopalan在论文“Effcient Network Resource Allocation With QoS Guarantees”中明确指出：在传统QoS保证机制中，为了在峰值速率这种最差情况下确定性地满足分组的端到端QoS指标，网络需要预留过多的网络资源，导致资源使用效率较低。传统的确定性QoS保证方法没有充分考虑业务的动态特性，即各个业务同时处于峰值速率的概率是非常低的，同时忽略了业务自身对于QoS指标的弹性，导致网络资源的浪费。在未来的网络环境中，新型业务不断产生，网络状态更加复杂，如何在这种动态的网络环境下提供QoS保证，实现网络资源的高效实用，是网络资源管理系统而对的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术所存在的问题，提供一种支持概率性端到端时延保证的资源管理系统及其方法，依据路由器实时计算的“分配带宽-分组时延分布”映射关系，由策略资源管理器PRM根据业务传输路径上各段链路的负载状态分配较少的带宽资源来概率性地保证业务的端到端时延要求，以在不降低用户业务质量的条件下，避免确定性服务质量保证的过度资源占用，大幅度地提高链路带宽资源的使用效率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一、术语说明
QoS：Quality of Service，服务质量
PRM：Policy Resource Manager，策略资源管理器
二、本发明提出的支持概率性端到端时延保证的资源管理系统，包括：
策略资源管理器PRM模块，用于侦听并提取业务请求信息、从路由器模块中获取实时“分配带宽-分组时延分布”映射关系和链路实时负载状态信息，计算业务传输路径端到端的各段链路的带宽资源分配参数，并将计算结果回复给业务请求信息以及传递给业务传输路径上相应的路由器模块；
路由器模块，用于提取网络实时运行状态信息，并将运行状态信息中的链路实时负载状态信息以及实时计算的“分配带宽-分组时延分布”映射关系传递给策略资源管理器PRM模块，并按照策略资源管理器PRM模块计算得到的业务传输路径端到端的各段链路的带宽资源分配参数执行带宽资源的分配，并在各段链路上按照分配的带宽资源分配参数份额处理和传送业务数据包。
三、实现本发明支持概率性端到端时延保证的资源管理方法，包括如下步骤：
(1)网络中各路由器计算各自的“分配带宽-分组时延分布”映射关系；
(2)PRM监测链路实时负载状态信息，侦听业务请求信息，若侦听到业务请求信息，则执行步骤3；否则，继续侦听；
(3)从业务请求信息中提取业务分组时延要求和路径信息；
(4)依据从业务传输路径端到端的各段链路上的路由器得到的“分配带宽-分组时延分布”映射关系，及链路实时负载状态信息和业务分组时延要求，对业务传输路径端到端的各段链路，按如下公式计算带宽资源分配参数：
Pgi(B‾i|dK)=1-(1-Pg)L·(1+Σj=1j≠iLpipj),i=1,2,...,L]]>
式中，dK为比较分组时延要求Dr与“分配带宽-分组时延分布”映射关系中各分组时延保证概率曲线Pg(B|dk)，k＝1，2，…，N的dk，k＝1，2，…，N，满足min|Dr-dk|时的dk；Pgi(Bi|dK)为业务传输路径的链路i上业务分组时延为dK时的分组时延保证概率函数；Pg为降低后的分组时延保证概率；pi和pj分别为业务传输路径上的链路i和链路j的链路负载；L为业务传输路径端到端的链路数；Bi为所求的业务传输路径上链路i的带宽资源分配参数；
(5)依据业务传输路径端到端的各段链路的带宽资源分配参数，路由器执行带宽资源的分配，并在各段链路上按照分配的带宽资源分配参数份额处理和传送业务数据包；
(6)依据路由器分配的带宽资源，将业务接入网络，路由器按步骤1更新各自的“分配带宽-分组时延分布”映射关系，更新之后完成对该业务的带宽资源管理，再转回步骤2继续侦听下一个业务请求信息。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明采用的支持概率性端到端时延保证的资源管理系统，通过在业务传输路径的各段链路上分配较少的带宽资源来保证业务端到端时延要求，避免了确定性服务质量保证的过度资源占用，显著地提高链路带宽资源的使用效率。
(2)本发明采用的支持概率性端到端时延保证的资源管理系统，依据路由器实时计算的“分配带宽-分组时延分布”映射关系，结合链路的负载状态信息进行带宽资源的分配，可以有效避免网络中的某条链路成为网络瓶颈，实现网络的负载均衡，从而在有限网络资源条件下为更多用户提供满足其QoS的服务。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1是本发明的资源管理系统框图；
图2是本发明资源管理系统中策略资源管理器PRM模块的结构框图；
图3是本发明资源管理系统中路由器模块的结构框图；
图4是本发明的资源管理方法流程图；
图5是本发明资源管理方法中计算“分配带宽-分组时延分布”映射关系的子流程图。
具体实施方式：
下面将参考附图并结合实施例，对本发明进行详细描述：
参照图1，本发明的支持概率性端到端时延保证的资源管理系统包括：策略资源管理器PRM模块11和路由器模块12，其中，策略资源管理器PRM模块11和各个路由器模块12双向连接。
所述的策略资源管理器PRM模块11，从侦听到的业务请求信息中提取分组时延要求和路径信息，从路由器模块12获取实时“分配带宽-分组时延分布”映射关系和链路实时负载状态信息，计算业务传输路径端到端的各段链路的带宽资源分配参数，并将计算结果回复给业务请求信息以及传递给业务传输路径上相应的路由器模块12。该模块的具体结构如图2所示，它包括信息提取子模块111、资源分配计算子模块112、映射关系提取子模块113、网络负载状态监测子模块114和资源分配结果输出子模块115。其中，信息提取子模块111从侦听到的业务请求信息中提取分组时延要求和路径信息，并将其传输给资源分配计算子模块112；资源分配计算子模块112根据信息提取子模块111提取的分组时延要求和路径信息、映射关系提取子模块113提取的“分配带宽-分组时延分布”映射关系和网络负载状态监测子模块114获得的链路实时负载状态信息，计算业务传输路径端到端的各段链路的带宽资源分配参数，并将计算结果传输给资源分配结果输出子模块115；资源分配结果输出子模块115将从资源分配计算子模块112得到的带宽资源分配参数回复给业务请求信息及传输到业务传输路径上相应的路由器模块12。
所述的路由器模块12，提取网络实时运行状态信息，并将运行状态信息中的链路实时负载状态信息传递给网络负载状态监测子模块114，将实时计算的“分配带宽-分组时延分布”映射关系传递给映射关系提取子模块113，并按照从策略资源管理器PRM模块11中的资源分配结果输出子模块115获得的业务传输路径端到端的各段链路的带宽资源分配参数执行带宽资源的分配，并在各段链路上按照分配的带宽资源分配参数份额处理和传送业务数据包。该模块的具体结构如图3所示，它包括网络信息提取子模块121、分配带宽和分组时延信息表122、映射关系计算子模块123和资源分配执行子模块124。其中，网络信息提取子模块121从路由器中提取网络实时运行状态信息，包括分配带宽、分组时延和链路实时负载状态信息，并将分配带宽和分组时延信息传输给分配带宽和分组时延信息表122，将链路实时负载状态信息传输到策略资源管理器PRM模块11中的网络负载状态监测子模块114；分配带宽和分组时延信息表122统计带宽分配信息和分组时延信息，并将统计信息传输到映射关系计算子模块123；映射关系计算子模块123根据分配带宽和分组时延信息表122中的分配带宽和分组时延信息，实时计算，得到“分配带宽-分组时延分布”映射关系，并将其传输到策略资源管理器PRM模块11中的映射关系提取子模块113；资源分配执行子模块124按照从策略资源管理器PRM模块11中资源分配结果输出子模块115获得的业务传输路径端到端的各段链路的带宽资源分配参数执行带宽资源的分配，将分配结果传输给分配带宽和分组时延信息表122，并在各段链路上按照分配的带宽资源分配参数份额处理和传送业务数据包。
参照图4，本发明支持概率性端到端时延保证的资源管理方法，包括步骤如下：
步骤1，网络中各路由器计算各自的“分配带宽-分组时延分布”映射关系；
参照图5，本步骤的具体实施如下：
1.1)路由器采集分配带宽和分组时延信息；
对链路上的业务j，Bj为其分配的带宽资源，dt，t＝1，2，…，N为其分组时延的采样值，定义一个二元组(B，d)，其中，B表示链路上该业务的分配带宽，d表示链路上该业务分组时延的采样值，路由器对业务的分配带宽和分组时延进行采集；
1.2)将采集的分配带宽和分组时延采样数据存入并实时更新分配带宽和分组时延信息表，以备对数据进一步处理；
1.3)对分配带宽和分组时延信息表中的数据，进行如下处理得到不同归一化分配带宽情况下对应的分组时延概率密度函数：
定义归一化分配带宽![]()
其中，B表示同类业务的分配带宽(bps)，R表示业务平均速率(bps)；
在归一化分配带宽为Bj时，若{dt；t＝1，2，…，N}为其分组时延D的观测样本序列，确定样本的取值范围，并在该取值区间按照间距Δd对分组时延观测样本序列进行分割，统计落入区间(dk，dk+Δd)中的分组时延观测样本点数并记为Nk，dk表示该分割区间的起点，再利用式1)得到样本概率密度近似估计：
p[dk<D<dk+Δd|B‾j]=limN→∞NkN---1)]]>
当Δd→0时，利用式2)得到归一化分配带宽为Bj时的分组时延概率密度函数：
P(D|B‾j)=limΔd→0p[dk<D<dk+Δd|B‾j]Δd]]>
=limΔd→01Δd[limN→∞NkN]]]>
=limΔd→0N→∞1Δd·NkN---2)]]>
实际应用中由于观测样本序列长度总是有限的，因此在对观测样本序列的取值区间进行分割时不能使Δd→0，此时采用经验公式K＝1.87(N-1)0.4确定区间的数目；
对归一化分配带宽观测样本{Bt；t＝1，2，…，M}中的最小样本值Bmin，最大样本值Bmax，利用式3)确定其进行分组时延概率密度估计的归一化带宽为：
B‾j=B‾min+(j-1)·ΔB‾]]>
=B‾min+(j-1)·B‾max-B‾minK]]>
=B‾min+(j-1)·B‾max-B‾min1.87(M-1)0.4,j=1,2,...,M---3)]]>
依此，可以得到归一化分配带宽分别为B1，B2…，BM时的分组时延概率密度函数P(D|Bj)，j＝1，2，…，M；
1.4)依据不同归一化分配带宽所对应的分组时延概率密度函数，利用式4)计算分组时延为dk时的分组时延保证概率分布值：
F(dk|B‾j)=Pg(D≤dk|B‾j)=∫0dkP(D|B‾j)dD,j=1,2,...,M---4)]]>
式中，Pg(D≤dk|Bj)为在归一化分配带宽Bj的情况下分组时延为dk的分组时延保证概率分布值；
1.5)由得到的分组时延为dk的分组时延保证概率分布值，拟和得到分组时延为dk的分组时延保证概率曲线Pg(B|dk)，依此，得到分组时延分别为d1，d2…，dN时的分组时延保证概率曲线Pg(B|dk)，k＝1，2，…，N，该组曲线为“分配带宽-分组时延分布”映射关系。
步骤2，PRM监测链路实时负载状态信息，侦听业务请求信息，判断是否侦听到业务请求信息。
PRM监测链路实时负载状态信息，侦听是否有业务请求信息到达，若侦听到业务请求信息，则转至步骤3进行业务请求信息的提取；若未侦听到业务请求信息，则继续侦听，直到侦听到业务请求信息。
步骤3，提取业务分组时延要求和路径信息。
PRM侦听到业务请求信息后，先提取出业务的分组时延要求和路径信息，然后转至步骤4进行业务传输路径端到端的各段链路的带宽资源分配参数的计算。
步骤4，依据从业务传输路径端到端的各段链路上的路由器得到的“分配带宽-分组时延分布”映射关系，及链路实时负载状态信息和业务分组时延要求，对业务传输路径端到端的各段链路，计算带宽资源分配参数：
从提取的分组时延要求和路径信息中，得到进行请求的业务的分组时延要求为Dr，传输路径端到端的链路数为L，再结合链路实时负载状态信息，利用式5)计算各段链路的加权因子ωi，i＝1，2，…，L：
Σi=1Lωi=1ωipi=ωjpj,i≠j,i,j=1,2,...,L---5)]]>
得到
ωi=11+Σj=1j≠iLpipj,i=1,2,...,L---6)]]>
其中，p1，p2，…，pL分别为业务传输路径上的各段链路的链路负载；
再根据式7)计算分组时延保证概率由100％降低至Pg时业务传输路径端到端的各段链路的分组时延保证概率值Pgi，i＝1，2，…，L：
Σi=1Lωi(1-Pgi)=1-Pgωi(1-Pgi)=ωj(1-Pgj),i≠j,i,j=1,2,...,L---7)]]>
得到
Pgi=1-1-PgL·ωi]]>
=1-(1-Pg)L·(1+Σj=1j≠iLpipj),i=1,2,...,L---8)]]>
然后比较分组时延要求Dr与“分配带宽-分组时延分布”映射关系中各分组时延保证概率曲线Pg(B|dk)，k＝1，2，…，N的dk，k＝1，2，…，N，得到min|Dr-dk|时的dK，根据式9)计算得到各段链路的带宽资源分配参数Bi，i＝1，2，…，L：
Pgi(B‾i|dK)=Pgi=1-(1-Pg)L·(1+Σj=1j≠iLpipj),i=1,2,...,L---9)]]>
其中，Pgi(Bi|dK)为业务传输路径上链路i的业务分组时延为dK时的分组时延保证概率曲线。
步骤5，依据业务传输路径端到端的各段链路的带宽资源分配参数，路由器执行带宽资源的分配，并在各段链路上按照分配的带宽资源分配参数份额处理和传送业务数据包。
步骤6，依据路由器分配的带宽资源，将业务接入网络，路由器按步骤1更新各自的“分配带宽-分组时延分布”映射关系，更新之后完成对该业务的带宽资源管理，再转回步骤2继续侦听下一个业务请求信息。
以上即为支持概率性业务端到端时延保证的资源管理系统及其方法，使用本发明的资源管理系统及其方法，不仅考虑了链路实时负载状态信息，有效地避免了网络中的某条链路成为网络瓶颈，实现了网络的负载均衡，而且通过对宽带接入网中的传输业务提供概率性的端到端时延保证，避免了确定性服务质量保证的过度资源占用，显著地提高网络带宽资源的使用效率。