接纳控制研究.doc

接纳控制(admission control)研究
2004-4-26
一、接纳控制(admission control)的必要性
在TCP/IP 协议为主干协议的网络中, 一个最大的特点是这种网络仅提供一种“尽力而为”(best effort)服务,其主要思想是当有用户提出服务请求时, 网络不会拒绝用户的服务请求, 但是服务的质量要依据当时网络的状况而定,报文的丢失率、出错率和延迟是不能保证的。 这种服务对传统的数据传输非常合适, 因为象telnet、FTP、e_mail 和文件传输等应用是同步非时间紧要应用或异步传输应用, 它们对延迟的忍受能力很强, 只要求传输服务可以维持, 因此并不需要任何的接入控制和服务质量保证机制.但是在这种网络中传输实时应用数据, 特别是音频和视频这些应用时, 就会造成两个问题:
1. 实时应用得不到充分的执行, 因为在该网络中报文传输延迟不稳定, 可能过长, 报文丢失率太高, 这是实时应用所不容许的;
2. 一方面, 非实时应用的不期出现会严重影响实时应用的执行效果, 而另一方面, 由于无法保证实时应用数据在一定条件下的正确传输而造成数据重传, 也会严重干扰非实时应用数据的正常传输, 特别是在网络发生拥塞时,这种相互不良影响会急剧加剧。
从以上的分析可以看到, TCP/IP 网络的“尽量”服务不能满足实时应用需求, 而实时应用的飞速发展, 尤其是多媒体实时应用的普及, 使得这一对需求和服务之间的矛盾日益突出。 为了解决这种不适应性, 无论是在网络本身,或者在应用中, 添加适当的修改都是必要的。
接纳控制(admission control)的定义：指根据应用QOS 需求对当前系统资源作出是否可用的判定过程。
QOS 接入控制的目标是: 在新应用提出QOS 服务请求时, 判定系统如果接受它后, 是否会对当前已接受应用的服务产生灾难性后果, 从而可以有效地避免系统总用户满意函数值的异常降低。在TCP/IP 网络系统中, 由于TCP/IP 协议没有足够的能力根据用户提出的不同的QOS请求进行接入控制, 没有灵活的机制保证实时应用的执行, 因此适当修改TCP/IP 协议, 引入QOS接入控制功能, 以适应实时应用通信需求是非常必要的。
QOS 接入控制是拥塞控制的一个组成部分。对于拥塞控制, 可以按照算法操作于ISO/O S I 参考模型上的层次进行分类, 例如有链路层、路由层、传输层和应用层拥塞控制. 一般来说, 完整的拥塞控制是各层拥塞控制的一个组合。接入控制可以出现在各个控制层次上. 控制层次越接近于物理通信过程, 接入控制的精细程度就越高。
一般地, 在TCP/IP 网络中可以有两种选择。一是在应用层, 二是在TCP/IP 层次上. 在应用层, 意味着应用要根据应用执行的情况自动地调整其所要求的服务质量, 这种方法虽然不对网络产生任何影响, 不要求网络增加额外负担, 但是不同的应用很难会采用同一种应用自适应方法, 造成应用通信间的困难, 需要解决异构问题或者规范问题. 在TCP/IP 层次上则可以提供规范的服务模型,但是要对现有结构和控制进行修改。较好的方法是将这种修改作用于TCP 层之上, 因此对TCP/IP 网络不产生影响, 可以看作是添加的附加控制模块。
二、IP QOS接纳控制
IP QOS接纳控制主要有三种：Measurement_Based Admission Control(MBAC)、
Endpoint Admission Control(EAC)、Policy_Based Admission Control(PBAC)。
1. Measurement_Based Admission Control(MBAC)
传统的接纳控制算法(如：PBAC—Parameter_Based Admission Control)主要依靠
确定流统计模型(如：M/M/1、M/D/1、M/M/n等)，因此首先必需确定能描述流特征的参数。网络就根据参数来确定是否有足够的网络资源满足这些时延敏感流的需求，从而决定是接纳还是拒绝它们。PBAC的问题在于常常难以用模型或参数来准确描述流特征，为了获取充足的网络资源，时延敏感流经常提供的是用来估计最坏(worst_case)情况的Priori参数，这样就使得网络资源的利用率下降。
MBAC是PBAC的替代方案，其接纳决定所根据的传输参数是由对现有流的测量而来的。每个MBAC包括两个组成部分：
(1)测量模块 用于估测现有的网络负载；
(2)接纳算法 根据现有的网络负载作出接纳决定。
测量模块 包括时间窗口和EA模块
(1)时间窗口(Time_windows) 把时间分成大小为T的窗口，每个窗口又划分成若干
个采样区间S，并测出S的平均负载。前一窗口中采样区间所测出的最大的平均负载被认为是下一窗口的负载。如果新的估测值比当前的负载大，则负载值立即被新的估测值所代替。

(2)EA(Exponential Averaging)模块 假设在某个采样区间S内流的分组到达率
为R，则流的平均到达率可用下面的函数计算得出：
AvgR¢ = (1 – w)*AvgR + w*R
式中的w是用户定义的权。
接纳算法 包括测量和(Measured Sum)算法和Hoeffding边界算法
(1)测量和(Measured Sum)算法 假设m是链接带宽，ra是a流申请的带宽，û是当前传输的估测负载，则测量和(Measured Sum)算法接纳a流的充要条件是当且仅当
û + ra < c m
式中的c满足0 < c < 1，c是用户定义的利用率。
(2)Hoeffding边界算法 本算法是基于Hoeffding边界，用以计算链接中流的相应带宽C。

式中p峰值到达率，e是带宽的边界值， v是当前传输平均到达率的测量值。a流的接纳条件是

需要注意的是本算法仅适用于使用信号协议(如：RSVP等)的传输流。
2. Policy_Based Admission Control(PBAC)
传统的接纳控制仅仅根据剩余的网络资源以决定是否允许新的传输流接入。而PBAC则
不同。PBAC不仅延续了传统接纳控制的基本思想，而且确定了网络接纳策略。该接纳策略充分考虑了各方面的因素，包括：申请接入的时间段，申请接入的用户和应用类型，接入安全等等。
在RFC2753中，IETF工作组提出了PBAC架构的需求，包括：
(1) 抢占机制 允许新的接入请求抢占其他接入请求的资源；
(2) 多类型策略 允许网络管理者和服务提供者决定网络策略；
(3) 错误恢复 当某个节点或链接中断时，PBAC能够处理网络结构性变化；
(4) 策略性忽略节点(PINs) 如果在网络中有某些节点不支持PBAC的协议，则协议忽略这些节点，在其他节点继续施行。
(5) 可靠性 PBAC协议允许多流和多节点并行处理；
(6) 安全性 提供一些安全性保障；
(7) 监视用户信息 如策略状态、资源使用率等。
Common Open Policy Protocol(COPS)是基于PBAC开发的范例。
3. Endpoint Admission Control(EAC)
类似于IntServ等传统的接纳控制方案要求路由器保持单流状态信息并进行资源预留
处理，因此在可靠性方面具有较大的局限性。而DiffServ架构不需要单流接纳控制信息，也无须路由器保持单流状态，只需根据包头的DS域进行优先调度和缓冲机制从而实现QOS保障。DiffServ接纳控制的缺乏意味着当某个服务类超载时，其中的所有流都将面临服务质量的下降。为了结合IntServ良好的服务质量和DiffServ优异的可靠性，一些研究人员提出了EAC
(Endpoint Admission Control)。在EAC的设计中，端主机根据预期的数据传输率发出探测分组用以实现网络探测，然后记录分组的丢包率(或ECN拥塞标志)，仅当丢包率(或ECN标志)低于所确定的阈值时，主机才允许该流的接入。
三、IP QOS接纳控制与基于Overlay的接纳控制比较
比较点
基于Overlay的接纳控制
基于IP的接纳控制
接纳决策者及其依据
根据资源的剩余量及其他因素，决策依据灵活，由主机决策
根据资源的有效性或其他综合因素，由路由器决策
测量方式
由主机设置，灵活
由路由器决定，不易变化
分组调度
由网络的结构具体情况而定
由单个路由器决定
预先信息
不考虑
一般情况下都要考虑
流设置时延
时延较长
可以没有时延
路由支持
不需要
一般情况下都需要
部署能力
强
有限