基于细粒度标签的校园无线网弹性QoS 优化

马帅营，魏金良，阿古达木

(大连民族大学 网络与信息技术中心，辽宁 大连116605)

作为管理者及研究人员，校园无线网是一个非常典型的复杂无线网络研究场景，如何解决校园无线网中的网络服务公平性、无线带宽合理分配等问题，极具研究价值和现实意义，并能够为无线网络的共性研究提供借鉴。

文献［1］分析某建筑物内的无线局域网12 周数据，发现大多数用户使用网页浏览、面向会话的活动以及面向聊天活动;流量高峰通常是由于某个单一的用户或者应用而引起的。文献［2］发现以前的网络应用大多是基本的网络通信，而现在已经改变为P2P(Peer-to-Peer network)、多媒体流和VoIP(Voice over Internet Protocol)通信量，校园内的通信量已经超过了校园外的通信量。文献［3］分析了用户访问行为的统计特性对网络性能可靠性带来的影响，结果显示用户访问行为的集聚特性中突发性访问的强度、频率和持续时间在一定程度上影响着网络性能可靠性的相变行为。文献［4］针对该校校园网的用户访问日志分析用户的上网行为及规律，采用聚类将有着不同上网时段喜好的用户进行分组，从而针对在上网时间上有不同习惯的用户群组进行区别管理。

接入控制方法和资源分配策略常用于保证业务的服务质量要求。文献［5］指出无线通信中QoS 和QoE 的优化管理，可以在有限的资源条件下，以最少的资源最优化网络性能及最大程度提高用户的满意度。文献［6］对具有弹性QoS 的可靠实时通信进行性能评价。文献［7］基于马尔科夫决策过程对视频点播系统进行建模，同时考虑了弹性QoS 这一机制，性能分析发现所采用的方法相对于一般的完全接入策略具有较优的性能。文献［8］研究了同类型业务服务请求按差异化的服务等级进行接入控制的策略，根据服务等级采用服务优先级，通过考虑服务效用函数，使异构网络中整体效用最大化和负载均衡来进行接入控制。

1 校园无线网中细粒度标签

随着无线网络用户规模的不断增加，精细化管理的难度日益增大，同时也暴露出一些问题。在这种情况下，为了更好的理解无线网络中用户的行为特征，对一个实际的无线网络中用户行为进行收集和分析，从而建立用户的行为模型意义重大。

上述文献从不同角度对无线网的用户行为进行了分析，但针对网络带宽及QoS 优化而开展的针对性的用户行为特征研究尚属空白。另一方面，在网络带宽有限的环境中，现有的网络带宽及QoS 优化方案，绝大数仍属于粗放式的带宽控制策略，而较少考虑到细粒度的用户行为模式与带宽分配的关系。因此，本文提出以网络带宽及QoS 优化为目标，在深入理解用户行为的基础上建立细粒度标签，主要涉及:

(1)用户优先级:高优先级和一般优先级;

(2)网络业务的优先级，依据不同网络业务的QoS 特性区分;

2 弹性QoS 分析

当前，在网络带宽有限的情况下，通过QoS 机制进行网络带宽优化是必要的手段。但是，传统的QoS 优化方案仍属于粗放式的一刀切策略，而弹性QoS 机制使得精细化管理成为可能。

通常，当一个客户端请求一个网络业务时，如果这个连接需要过多的网络资源或者非常高的QoS，那么网络服务提供者可以拒绝该请求，在这种情况下，只有少数的连接能够被接入;另一方面，如果客户端害怕服务提供方的拒绝，它请求一个最小的QoS 水平，它能够接受非常低的服务，即使网络中有大量资源可以使用。因此，为了使资源达到最有效的利用，需要设计一种弹性QoS 机制，它可以根据网络资源的可用性进行服务、最优化网络资源和用户需求。

3 弹性QoS 模型

在可变速率语音、图像与视频编码等技术的基础上，针对校园无线网中具有弹性QoS 要求的业务，进行弹性QoS 建模并研究该模型下的网络带宽及QoS 优化问题。本文的目标在于结合用户细粒度标签、网络服务公平性、无线带宽合理分配等，提出弹性QoS 优化策略，该方法的本质是建立灵活的反馈控制系统，从而对该系统达到优化的目的。该模型及方法不仅适用于单AP 带宽优化，也适用于网络出口总带宽优化。

设某AP(Access Point 接入点)的总带宽为C个信道时间单位(CTU:Channel Time Unit)，C≥0。无线网络中总共有K 类具有弹性QoS 要求的业务请求，第k 类业务(1≤k≤K)请求的带宽资源需求为一个弹性范围 [ bk，min，bk，des]，这里bk，min表示维持第k 类业务请求正常进行需要的最小资源，bk，des表示第k 类业务请求所希望占用的资源，它们均设为正整数且bk，min≥bk，des。

4 弹性QoS 优化策略

无论是AP 的接入带宽亦或是校园网的总出口带宽，都无法满足日益增长的用户带宽需求，所以经常造成网络拥塞、丢包现象严重。因此，在无线校园网中用户密度较大的区域如宿舍，如果不对网络流量进行控制，将会造成一些关键业务的不到QoS 保障、网络服务公平性得不到保障。为了改变传统粗放式、一刀切式的带宽管理及QoS优化方案，设计弹性QoS 优化策略使得精细化管理成为可能。

针对校园无线网中弹性QoS 业务，考虑用户标签中的带宽需求和实际占用带宽特性，设计网络带宽及弹性QoS 优化策略，降低自私行为对网络带宽的占用，提高网络服务的公平性，优化校园无线网的用户体验。其中，包括如下优化原则:

(1)设置最大接入用户数量;

(2)优先保障高优先级用户的QoS 需求;

(3)优先保障低吞吐量、低时延的网络业务，如网页浏览、即时通讯等;

(4)当AP 带宽未达到饱和(如不大于70%)时，确保每个用户的QoS 需求;

(5)当AP 带宽达到饱和(如大于70%)时，调整低优先级的存在自私行为的网络业务(如P2P 和在线视频)的带宽为bk，min＜b ＜bk，des，优先保障网络服务的公平性;

(6)当AP 带宽达到过饱和(如大于85%)时，调整所有用户的存在自私行为的网络业务(如P2P 和在线视频)的带宽为bk，min＜b ＜bk，des，保障在高峰时段的网络服务的公平性。

以上策略依据用户的细粒度标签，从用户的带宽需求和实际占用带宽特性入手设计网络带宽及弹性QoS 优化策略。与传统的固定带宽相比，弹性QoS 机制的运用使得业务对服务质量的要求不再是一个固定值，而是一个可以调整的范围，因而这类业务对网络资源的要求也具有一定的弹性，可根据网络的负荷、AP 的带载等情况，在一定的范围内调整其要求，从而可实现网络带宽和QoS 的优化。

5 仿真实验及分析

5.1 仿真实验环境

NS2(Network Simulator，version 2)是一款开放源代码的网络模拟软件，通过易用的Tcl/Otcl脚本写出模拟代码，对网络拓扑，结点和链路等各种参数进行配置，设置拓扑结构及网络组件［9］。为了对本文提出的细粒度标签及弹性QoS 优化策略进行仿真实验，以NS2 搭建模拟环境，其中包含AP 节点n0;用户节点n1，n2，……，n15;外网节点n16，如图1 所示。用户节点和AP 节点之间的网络带宽是10Mbps;AP 节点和外网节点之间的网络带宽是100 Mbps，以此来模拟AP 的最大接入带宽;最大接入用户数15 人。

实验中假定网络用户的接入目的是访问外网节点的资源，相互之间不访问。在用户节点经AP节点到外网节点之间均建立固定传输速率的联机(Constant Bit Rate，CBR)，以不大于3Mbps 的速率代表高优先级的网络业务;以大于3Mbps 的速率作为自私行为度量的速率阈值，并开始计算该网络业务的自私度量，以判断该网络业务是否存大于自私行为。实验中，对该类业务k 请求的带宽资源 [ bk，min，bk，des]，若判定存在自私行为，则调用弹性QoS 策略，对该网络业务进行带宽控制，调整值设定为Max{bk，min，0.5* bk，des}。

图1 仿真实验的拓扑结构

5.2 实验结果分析

针对文中提出的弹性QoS 策略，对各主要情况的实验结果分析如下:

首先给出无带宽控制的情况如图2。当前网络带宽70Mbps，依次有k1、k2 和k3 三个新增网络网络业务，带宽需求 [ bk，min，bk，des]分别是［3，8］、［5，10］和［4，8］单位均为Mbps，计算自私度量分别为80、100 和80(取tj-ti=10)均大于预设值MaxSelfish=70，可判断为存在自私行为的网络业务，并最终导致网络带宽达到96Mbps，新的网络业务无法正常得到服务。

图2 无带宽控制的情况

其次是带宽占用不大于70%的情况如图3。当前网络带宽50Mbps，依次有k1、k2 和k3 三个新增网络网络业务，带宽需求分别是3、［3，8］和2;k1 和k3 带宽需求不大于3Mbps，代表高优先级的网络业务;k2 自私度量为80 大于预设值70，存在自私行为，但此时AP 的带宽利用率不大于70%，各网络业务都可正常得到服务，满足按需服务条件，不进行带宽控制。

图3 带宽占用小于70%的情况

再次是带宽占用大于70%并启用弹性QoS 优化策略的情况如图4。当前网络带宽73Mbps，依次有k1 和k2 新增网络网络业务，带宽需求分别是2和［3，8］和2;k1 造成带宽增至75，虽然满足AP 的带宽利用率大于70%的条件，但k1 是高优先级的网络业务，得到服务保障;随后k2 造成带宽增至83，而k2 带宽自私度量为80(大于预设值70)，存在自私行为，因此对该网络业务进行带宽控制，调整值为4 即Max{3，0.5* 8=4}，调整后记为k2＇，使得总带宽由83 降为79，避免了自私行为的发生，保障了新增高优先用户及业务接入的可能性。

图4 带宽占用大于70%的情况

最后是带宽占用大于85% 的情况，如图5。网络处于高峰，当前网络带宽80Mbps，新增高优先级用户的网络业务k1，带宽需求［3，16］，此时AP 的带宽利用率增至96(大于85%的条件)，且k1 带宽自私度量为160(大于预设值70)，存在自私行为，因此对该高优先级用户的网络业务进行带宽控制，调整值为8 即Max{3，0.5* 16=8}，调整后记为k1＇，使得总带宽降为88，避免了高优先级用户在网络高峰时段的自私行为，保障了新增的高优先级网络业务k2 等的接入可能性。

6 结 语

本文在细粒度标签分析的基础上，建立校园无线网的弹性QoS 优化模型，设计合理无线带宽合理分配策略，在保障网络服务公平性的同时，实现最优化的校园无线网的用户体验以及最大化利用网络资源提供理论基础和技术支撑。研究成果对于一般规模的无线校园网可以实现有效的服务质量优化，对于无线网络运营商开展更大规模的城市级无线网络优化也有着现实意义和经济效益。

图5 带宽占用大于85%的情况

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