一种基于Internet的远程控制系统QOS研究

何雄伟 曾云兵

摘要：在利用I n t e r n e t 实现远程控制的网络环境下，通过对远程控制系统中数据对服务质量的需求分析，基于区分服务实现了服务质量，并建立了QOS队列调度模型。用排队论的方法给出了数据包的丢失率的数学期望值，根据数据包队列调度模型讨论了最坏延迟时间，为QOS模型中的队列设计和缓冲区的配置提供了重要的依据。

关键词：实时数据；QOS；延迟保证；尽力服务；队列调度

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）08-0013-02

在一个远程控制系统中，需要采集被控制现场的实时信息，主要包括现场状况信息，视频防盗信息和火灾报警信息，这些信息常常是周期性地传送到现场控制室进行控制。如果企业已经安装了相关设备，如监控系统，视频防盗系统和火灾报警系统，为实现远程控制，重新布置网络和设置相关设备，成本较高。同时，控制现场又可能有上网的需求。因此利用交换机把现有的系统和I nt e r ne t互联在一起，利用互联网实现远程控制可以有效地减少安装和维护成本。对于这样一个网络系统，其中的有些数据必须及时传输，如火灾信息等。这些数据对QOS有很高的要求。有些数据如现场上网数据则相对要求较低。本文对这种网络的QOS进行了分析，提出了QOS模型并讨论了交换设备中队列调度的问题。

1 QOS分析和调度算法的提出

1.1 QOS分析

在利用I n t e r n e t 实现远程控制的网络环境，现场的状况信息、视频防盗系统信息、和火灾报警系统信息为实时数据，要求延迟保证。上网数据可归为非实时数据，这部分数据对QOS的要求较低。为了提供服务质量保证和支持实时应用，传统IP网络的服务模型已经被扩展，区分服务模型是其中重要的一种。

区分服务的基本思想是在网络边缘将进入的流分成各种不同的类型，将同种类型的流合并起来进行集束传输，并对每一种类型在网络中分别进行处理。分类的工作在网络的入口处进行，分类通过检查包的一个或多个字段的内容来完成。包被标识为一定的服务类型，并记录在包头字段里，随后将包按一定的流量控制策略送入网络。网络中转发包的核心路由器通过检查包头来确定对包进行何种处理。每种服务类型都要给予不同的处理方式，以获得相应的服务质量。

根据以上分析，可以用区分服务来提供QOS，对于实时数据，提供延迟保证服务，非实时数据提供尽力服务。

1.2 队列调度

队列调度算法是实现网络QoS控制的核心机制之一， 不同的队列调度算法用来解决不同的问题，并产生不同的效果。为保证关键业务，优先级算法是必要的。同时要保证实时数据的实时性。这里采用类似RTP（Real-time Transport Protocol）优先队列技术，RTP优先队列是一种保证实时业务服务质量的简单的队列技术。其原理就是将承载语音或视频的RTP报文送入高优先级队列，使其得到优先发送，保证时延和抖动降低为最低限度，从而保证了语音或视频这种对时延敏感业务的服务质量。

针对本文的研究背景，基于实时数据的来源不同，将RTP队列根据设备的不同分成三个实时队列，非实时数据形成一个尽力服务队列。系统的实时队列采用先进先出（FIFO）和轮转法（Round Robin）相结合的方式进行调度以达到公平分享的目的。尽力服务队列采取FIFO调度策略，因此，对于本系统中的实时队列采用轮转策略，而尽力服务只有当所有实时队列为空时才得以服务。

1.3 调度性能分析

1.3.1 丢包率

由于本文研究对象具有周期性的特点，为讨论简单，由于尽力服务队列优先级最低，暂不考虑尽力服务队列的影响。

设每个队列的数据包的到达符合泊松流，调度器的服务时间服从指数分布，λ为数据包的到达率，?为调度器调度数据包的服务率，在单调度器的情况下，这是一个M/M/1模型的排队系统。

令ρ=?/λ ?和λ均取平均值，在稳定条件下，ρ<1，否则，队列将无限增长。

设缓冲区容量为K，定义状态函数S（t）表示在t时刻，缓冲区中拥有的数据包数。状态概率Pn（t）表示缓冲区在t时刻有个数据包的概率。即

Pn（t）=P[S（t）=n]

根据M/M/1模型状态转移图可得：

P0=1-ρ Pn=ρn（1-ρ） ρ<1，n=1，2，3...

因此，当系统处于K+1，K+2，…状态时，产生溢出，数据包丢失，缓冲区溢出的概率Pr=Pk+1+Pk+2+...

=ρk+1（1-ρ）+ ρk+2（1-ρ）+...

=ρk+1

可以看到，合理的設置缓冲区的大小可以控制数据包的丢失率。

1.3.2 最坏延迟时间

设B队列为尽力服务队列，R为实时队列。在本文研究背景下，根据前面的分析，假定缓冲区足够大，不考虑实时队列的溢出问题。为讨论最坏延迟时间，建立数据包调度队列模型如下：

相关定义如下：

Si： 实时队列中一个周期内对应的数据包的数量。

WR：R中的数据包等待时间，对一个数据包，从其最后一位进入队列时起.到第一位开始从队列送出时止的时间段称为R包等待时间。

Li： 队列i中一个数据包的传送时间。

设3个R队列中一个周期内数据包数按递增顺序排列分别为Smin 、Smid 和Smax，队列中的数据包大小一致，由以上分析可知，当交换设备刚刚开始发送一个B包。且3个 R队列均有一个新周期数据连续到来时。其中一个 R队列的数据包便会被最大限度地延迟。

则最坏延迟时间Wmax=[Smin LR+ Smid LR+（Smax-1） LR+ LB]- （Smax-1） LR = Smin LR+ Smid LR+ LB

虽然单周期数据包数可能各有差别，但这一最大延迟即最坏延迟时间（Wmax）用上面的公式来表示，作为QOS的设计和配置提供一个重要依据。

1.4 结束语

在基于Internet 实现远程控制的网络环境下，队列调度的设计是实现QOS的重要环节，对于实时数据，延迟保证性能是最主要的服务质量。本文分析出的有关延迟和缓冲区几个指标为指定环境下QOS的队列设计和缓冲区配置提供了重要的依据。

参考文献：

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