專利名稱：測定ip話音網(wǎng)絡的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在IP話音網(wǎng)絡中測定節(jié)點輸出線的帶寬的方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今的計算機網(wǎng)絡最初被設計用于支持單一類型的服務，將各種業(yè)務都視為屬于一個業(yè)務等級。然而，隨著信息技術(shù)和電信的不斷交叉滲透，新的應用不斷發(fā)展，其產(chǎn)生出具有各種特性的業(yè)務并還要求不同的服務質(zhì)量(QoS)標準。因此，現(xiàn)有的IP(因特網(wǎng)協(xié)議)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)需要被升級以用于支持多種服務，從非實時的業(yè)務，例如ftp和email，到實時的業(yè)務，如交互式話音和視頻。
在過去幾年中，多種技術(shù)和機制得到了發(fā)展，其使得啟用QoS的多服務網(wǎng)絡得以實現(xiàn)。這些類型的網(wǎng)絡的一個基本先決條件是在不同業(yè)務流的分組之間進行區(qū)分、以及正確轉(zhuǎn)發(fā)分組的能力，每個都具有所期望的服務質(zhì)量。這需要針對各種業(yè)務流，在網(wǎng)絡節(jié)點中建立不同的隊列，隨后這些隊列依照特定的調(diào)度方案被服務。這樣操作，每個業(yè)務流接收到可獲得帶寬中的特定份額，如果該份額不足會引起質(zhì)量退化。由IETF(因特網(wǎng)工程任務組)所規(guī)定的兩個最重要的服務質(zhì)量框架-“綜合服務”(IntServ)和“區(qū)分服務”(DiffServ)-依賴于分組區(qū)分的能力。在“集成服務”中，業(yè)務區(qū)分是在每個流(per-flow)的基礎(chǔ)上提出的(也就是說，在很精細的基礎(chǔ)上)，而“區(qū)分服務”建議僅有幾個業(yè)務等級被定義，其被不同地對待(也就是說，在業(yè)務集合的基礎(chǔ)上的區(qū)分)。但是，所提出的機制僅能在提供了充足的帶寬下獲得良好的服務質(zhì)量。
由IP話音(VoIP)源發(fā)送的業(yè)務流的特性由編碼器的類型所決定，其用于將話音樣本轉(zhuǎn)換為IP分組。最常用的話音編碼器為恒定比特率(CBR)編碼器，其在每個恒定的時間間隔傳送固定大小的IP分組。例如，G.711編碼器可每20ms產(chǎn)生200字節(jié)的分組，導致80kbps的數(shù)據(jù)速率。
為使IP話音能夠被廣泛接受，必須提供與傳統(tǒng)電話系統(tǒng)相當?shù)馁|(zhì)量水平。對于話音通信的感知質(zhì)量，一個至關(guān)重要的因素是說話者和收聽者之間話音樣本的端到端延遲。在IP話音系統(tǒng)中，這一延遲主要包括編碼和解碼的延遲，還包括發(fā)送器和接收器之間的分組傳送時間。此外，為了平衡網(wǎng)絡中業(yè)務變化而引起的延遲抖動，在接收器中使用了重放緩沖器。輸入的分組其到達的時間間隔可能會發(fā)生變化，這些分組被臨時存儲并按照等距的時間間隔播放，就像其由原始發(fā)送器發(fā)送的一樣。該重放緩沖器的時間也計入到總延遲預算中?？偠灾瑢τ诮换ナ皆捯敉ㄐ?，單向的端到端延遲的值應小于150ms。
具有了相當恒定的編碼器和重放緩沖器，就能夠得出對于網(wǎng)絡延遲的確定的最大閾值。因此，為使IP網(wǎng)絡能夠適宜地支持IP話音服務，網(wǎng)絡等待時間必須保持小于該閾值。由于IP網(wǎng)絡中等待時間的主要成份為排隊延遲，其在擁塞階段期間產(chǎn)生于網(wǎng)絡節(jié)點上，該延遲成份隨每個節(jié)點增長。因此，通過網(wǎng)絡中最大節(jié)點數(shù)目的總延遲低于給定的閾值，我們能夠得出確定的每節(jié)點延遲極限?；诿抗?jié)點的延遲極限，網(wǎng)絡的鏈路可被測定。

發(fā)明內(nèi)容
所以，本發(fā)明涉及一種方法，用于測定網(wǎng)絡節(jié)點的輸出線的所需帶寬。
一般說來，本方法包含下列步驟(a)計算對應于節(jié)點上不同最壞情況的最大等待時間，由此不同最壞情況的情形依賴于多個有效話音連接的分組到達的群集，(b)針對最大等待時間定義延遲閾值，(c)定義概率，以及(d)測定網(wǎng)絡節(jié)點的輸出線的帶寬，以便除了發(fā)生像所定義的概率一樣罕見的情況外，均不超過延遲閾值。
使用該測定概念，在大多數(shù)情況下(一直到所定義的概率)沒有任何分組需要等待超過預先定義的延遲閾值。僅在少數(shù)“不幸”的情況下，閾值被超過，其發(fā)生當在網(wǎng)絡節(jié)點緩沖器中存在的分組多于測定時所考慮的情況下。這樣的不幸情況發(fā)生的概率可基于模擬來估算。作為本發(fā)明測定概念的結(jié)果，如果所有時段上所有連接中僅有很少的百分比受到負面影響，則所需帶寬的總量可被極大地減小(相比于很難保證的服務質(zhì)量所需的帶寬總量)。
簡而言之，為應付罕見的情況，由于需要很高的帶寬速率，因而為話音服務提供硬性能保證的代價是十分高昂的。通過忽略這些罕見的情況，所需的帶寬總量可被顯著減小。因此，基于該創(chuàng)造性測定策略的幾乎可以保證的服務質(zhì)量可以以非常低的代價獲得。除IP網(wǎng)絡的容量設計外，此測定策略可用于呼叫許可控制，以及計算在一個時刻可以由給定的服務質(zhì)量支持的連接的總數(shù)目。
根據(jù)本發(fā)明的實施方案，針對不同的調(diào)度算法，不同的測定算法被定義，例如占先式和非占先式優(yōu)先級隊列(PQ)或基于等級的加權(quán)公平隊列(CB-WFQ)。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，在話音專用網(wǎng)絡或使用占先式優(yōu)先級隊列的網(wǎng)絡中，帶寬位于L/D(根據(jù)最好情況測定策略)和K·L/D(根據(jù)最壞情況測定策略)之間，其中L為IP話音分組的分組長度，D為延遲閾值，K為有效話音連接的數(shù)目。
通過下文的發(fā)明詳述和附圖，將描述本發(fā)明的其他的特征和優(yōu)勢，其并將變得更加顯而易見。


圖1用于示意性說明IP話音網(wǎng)絡的基礎(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)圖；圖2用于兩種測定方法，即“最壞情況測定”和“最好情況測定”的所需鏈路容量的圖表；圖3假定“(K-i)分組最壞情況測定”的所需鏈路容量的圖表；以及圖4用于計算鏈路容量的公式表格，針對不同的調(diào)度算法使用(K-i)分組最壞情況測定，其需要滿足確定的每節(jié)點的延遲極限。
具體實施例方式
圖1顯示了具有數(shù)個節(jié)點N1，...，N4的網(wǎng)絡IP-N，通過在每個輸出端口上執(zhí)行各自的隊列Q1，Q2，Q3，每個節(jié)點支持一組業(yè)務等級。在本發(fā)明中，我們考慮所有的話音業(yè)務都被視為一個等級，賦予其一個單獨的隊列Q1而其他的隊列Q2、Q3可包含其他任意類型的業(yè)務。為了說明具有各種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的通用網(wǎng)絡模型，每個節(jié)點N1，...，N4上的業(yè)務被假設獨立于其它的節(jié)點N1，...，N4。
在本發(fā)明的該實例中，我們關(guān)注節(jié)點N1并分析多個輸入線I1，...，IK到一個輸出線O的多路復用過程。我們假設K個話音連接是有效的，并假設相應的VoIP分組需要被轉(zhuǎn)發(fā)到具有容量C的相同輸出線O。每個話音連接1，...，K的業(yè)務通過CBR編碼器生成，且不進行靜音抑制，也就是說，長度為L的分組以T秒的周期發(fā)送，使得平均速率為r＝L/T。為簡便起見，我們假設K個業(yè)務流經(jīng)由不同的輸入線I1，...，IK到達節(jié)點N1。因此，有可能K個輸入的VoIP分組在幾乎同一時刻到達節(jié)點N1，并立即被置入輸出緩沖器。在任何情況下，每個節(jié)點N1，...，N4上的隊列延遲的閾值D不應當被任何話音分組超出。穿過該路由器的其它業(yè)務等級的最大分組大小假設等于輸出線O的最大傳輸單位(MTU)。
在節(jié)點N1，...，N4上所使用的調(diào)度算法為優(yōu)先級隊列(PQ)和基于等級的加權(quán)公平隊列(CB-WFQ)。優(yōu)先級隊列為不同的隊列Q1、Q2、Q3分配優(yōu)先級級別。直到較高優(yōu)先級隊列Q1、Q2、Q3中的所有分組被服務且相應的輸出緩沖器為空時，較低優(yōu)先級隊列Q1、Q2、Q3中的分組才被處理。占先型優(yōu)先級隊列在較高優(yōu)先級的分組到達時中止較低優(yōu)先級分組的傳送，而非占先型優(yōu)先級隊列允許完成傳送并首先結(jié)束對較低優(yōu)先級分組的服務。優(yōu)先級隊列是作為加速轉(zhuǎn)發(fā)每跳行為(EF-PHB)的適當調(diào)度算法被提出的，其對于在“區(qū)分服務”模型中定義的業(yè)務集合確保了優(yōu)質(zhì)的服務，并被引入用以支持實時的臨界業(yè)務，例如話音。如同本發(fā)明所假設的，話音業(yè)務通常被給予最高的優(yōu)先級。采用優(yōu)先級隊列時，有可能具有最高優(yōu)先級的業(yè)務等級占據(jù)了全部帶寬并將較低優(yōu)先級的業(yè)務擠出。相對于優(yōu)先級隊列調(diào)度，另一種選擇是基于等級的加權(quán)公平隊列，其為每個等級或隊列Q1、Q2、Q3分配權(quán)重，在忙的隊列Q1、Q2、Q3中依照為其分配的權(quán)重按正比例共享鏈路容量。這樣，沒有任何業(yè)務等級能夠在擁塞時段占有全部鏈路。
假設最多K個VoIP連接被轉(zhuǎn)發(fā)至一個輸出線O，我們需要找出輸出線O所需要的能提供某種服務質(zhì)量的帶寬。在本發(fā)明中，服務質(zhì)量直接涉及每個節(jié)點N1，...，N4上某個隊列延遲閾值D。此外，假設所有的VoIP源執(zhí)行相同的編碼器，K個分組(屬于K個連接)將在任意時間間隔T內(nèi)到達。在網(wǎng)絡運行期間，呼叫許可控制方案必須確保不超過K個連接在輸出線O上被允許。否則，所要求的服務質(zhì)量不能被提供。
第一種測定方法基于最壞情況考慮，其提供硬服務質(zhì)量保證，也就是說，K個話音連接的所有分組在延遲閾值D之內(nèi)得到明確的服務，而不考慮負載狀況。在分組交換網(wǎng)絡中確定性的隊列延遲的上限對應于這種情況，即K個IP分組剛好在同一時刻全部到達。然后必須確保恰好被最后置入緩沖器且其等待時間最長的分組也能在時間D內(nèi)被發(fā)送出去。因此，K·L個字節(jié)必須在D內(nèi)被發(fā)送，要求速率為K·L/D。這一測定概念被稱為最壞情況測定或硬保證測定。
作為確定性延遲界限的替換，可以考慮統(tǒng)計延遲值?？紤]K個分組通常以分散在時間周期T內(nèi)的方式到達，較小的帶寬似乎是足夠的。由此，給出了較軟服務質(zhì)量保證，測定策略被稱為平均情況測定或統(tǒng)計保證測定。然而，必須明確在某些情況下，如果使用統(tǒng)計保證測定，不是所有的分組都能在時間閾值D內(nèi)得到處理。
相對于最壞情況測定的極端為最好情況測定。這種方法對應這樣一種情況，其中每個分組在前一分組剛被發(fā)送出去的時刻到達。基于這一情況，所需容量至少為L/D。在任何情況下，所需容量的最小值為K個連接的平均速率。
圖2圖示了兩個極端，即最好情況測定和最壞情況測定之間的帶寬范圍，其中L＝200字節(jié)，T＝20ms，D＝5ms。針對每種極端的期望值，假設網(wǎng)絡僅支持話音服務或使用占先式優(yōu)先級隊列，示出了所需的鏈路容量。隨著連接或有效用戶的數(shù)目K的增加，此范圍變得更寬。圖中還顯示了最壞情況測定需要的速率大大高于有效用戶的平均速率，引起鏈路的利用率值非常低，例如，對于K＝10，鏈路利用率為10·80/3200＝0.25＝25％。與之相反，最好情況測定開始稍稍高于平均速率，然后在K＝4重合，導致100％的鏈路利用率。
盡管最好情況測定在大多數(shù)情況下顯然不能獲得滿意的服務質(zhì)量(過多的有效連接將超出其延遲預算)，但最壞情況測定被認為是過于悲觀的假設。由此產(chǎn)生一個問題，根據(jù)最壞情況情形的測定有多么必要，以及此種情況出現(xiàn)有多么頻繁。
對于最壞情況情形，我們假設一時隙式時間間隔T，其中每個時隙與一個分組的服務時間相等。分組的到達發(fā)生在時隙的起始時刻，且在時間間隔T內(nèi)均勻分布在所有可獲得的時隙上。具有了周期性源，每個有效的連接僅有一個分組出現(xiàn)每個間隔T上。如果鏈路利用率為100％，也就是說，用戶的數(shù)目K等于T內(nèi)時隙的數(shù)目，最壞情況的概率是 顯而易見，對于較低的鏈路利用率，P最壞情況更低。設K＝10個用戶，P最壞情況≤10-9。因此我們將浪費75％的鏈路容量(參看圖2)，僅僅為了應對每109次中才發(fā)生一次的情況。比較而言，最好情況情形的概率以100％利用率計算為 對于高的K值，其估算的大大高于P最壞情況。此外，對于較低的鏈路利用率，P最好情況甚至更高。設K＝10，P最好情況≥3.6·10-4。然而，如果測定是依據(jù)最好情況完成的，則所需的服務質(zhì)量在至多(1-3.6·10-4)的所有情況下不能獲得。顯然依據(jù)任一極端進行測定是不現(xiàn)實的。一種方法會浪費大量的帶寬，而另一種方法會引起大多數(shù)話音連接服務的退化。實用的符合要求的測定策略應介于上述兩者之間。
我們定義了(K-i)分組最壞情況，其中在周期T中，對于K個有效的話音連接，緩沖器中分組的最大數(shù)目為K-i，其中i＝0，1，...，K-1。換言之，所有分組上的最大等待時間是單個服務時間的K-i倍。除了第i個分組本身的服務時間以外，最后一個分組一直等待到其前面的(K-i-1)個分組的服務完成。因此，最壞情況對應于i＝0，而最好情況對應于i＝K-1。
圖3圖示了在話音專用網(wǎng)絡或假設所使用的調(diào)度算法為占先式優(yōu)先級隊列的網(wǎng)絡IP-N中，對于(K-i)分組最壞情況所需的鏈路速度。如果測定是依據(jù)(K-2)分組最壞情況執(zhí)行的，則相比最壞情況測定可節(jié)約20％的帶寬，僅在(K-0)和(K-1)分組最壞情況下引起服務的退化，這些情況出現(xiàn)的概率非常低。在支持數(shù)個業(yè)務級別的網(wǎng)絡IP-N中，(K-i)分組最壞情況測定依賴于所使用的調(diào)度方案。
圖4顯示了分別用于計算鏈路容量和帶寬共享的公式表格，對于優(yōu)先級隊列(PQ)和基于等級的加權(quán)公平隊列(CB-WFQ)，使用(K-i)分組最壞情況測定，其需要滿足某個確定的每個節(jié)點的延遲閾值D。K為有效話音連接的數(shù)目，L為分組的長度，MTU為最大傳輸單位，r為因特網(wǎng)協(xié)議層上話音編碼器的速率，C為輸出線的容量。
例如如果占先式優(yōu)先級隊列被用作調(diào)度算法，則所需帶寬為 其中i＝0，...，K-1如果非占先式優(yōu)先級隊列被用作調(diào)度算法，則所需帶寬為 其中i＝0，...，K-1如果基于等級的加權(quán)公平隊列被用作調(diào)度算法，則所需帶寬為 其中i＝0，...，K-1由此，依據(jù)最好情況測定策略，所需帶寬為max(LD,Kxr)]]>其中i＝0，...，K-權(quán)利要求
1.在IP話音網(wǎng)絡(IP-N)中測定節(jié)點的輸出線(O)的帶寬的方法，包括下列步驟(a)計算對應于節(jié)點(N1，...，N4)上不同最壞情況的最大等待時間，由此不同最壞情況的情形依賴于多個(K)有效話音連接的分組到達的群集，(b)針對最大等待時間定義延遲閾值(D)，(c)定義概率(P)，以及(d)以這種方式測定網(wǎng)絡節(jié)點的輸出線(O)的帶寬，即，不超過延遲閾值(D)，除了發(fā)生像所定義的概率(P)一樣罕見的情況之外。
2.依據(jù)權(quán)利要求1的方法，由此對于不同的調(diào)度算法(PQ，CB-WFQ)，定義不同的測定算法。
3.依據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，由此帶寬位于下列之間-如果使用占先式優(yōu)先級隊列，則max(L/D，K×r)和K×L/D，-如果使用非占先式優(yōu)先級隊列，則max(L/D，K×r)和(K×L+MTU)/D，-如果使用基于等級的加權(quán)公平隊列，則max(L/D，K×r)和min(C，K×L/(D-MTU/C))其中-L為IP話音分組的分組長度，-r為因特網(wǎng)協(xié)議層上話音編碼器速率，-C為IP網(wǎng)絡(IP-N)的鏈路速度容量，以及-MTU為輸出線(O)的最大傳輸單位。
4.依據(jù)權(quán)利要求1、2或3的方法，由此計算所得的帶寬被用于呼叫許可控制。
全文摘要
在第一步中，計算在節(jié)點(N1，...，N4)上對應不同的最壞情況的最大等待時間，而不同的最壞情況的情形依賴于多個(K)的有效話音連接的分組到達的群集。在下一步中，對于最大等待時間的延遲閾值(D)和概率(P)被定義。在最后一步中，網(wǎng)絡節(jié)點輸出線(0)的帶寬被測定，以便不超過延遲閾值(D)，除了發(fā)生像所定義的概率(P)一樣罕見的情況外。使用該測定概念，在大多數(shù)情況下沒有任何分組需要等待大于預先定義的延遲閾值(D)。僅在少數(shù)“不幸”的情況下，此閾值(D)被超出，這以定義的概率(P)發(fā)生，并且是在網(wǎng)絡節(jié)點(N1，...，N4)的緩沖器中存在的分組多于測定時所考慮的情況。
文檔編號H04L12/54GK1551581SQ20041003843
公開日2004年12月1日 申請日期2004年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月25日
發(fā)明者A·里德爾, A 里德爾, S·謝拉夫丁, 蚨, J·托茨克, 目 申請人:西門子公司