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VBR流令牌桶流量整形的研究.doc

VBR流令牌桶流量整形的研究.doc

上传者: Sophia亚萌 2017-12-22 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《VBR流令牌桶流量整形的研究doc》,可适用于综合领域,主题内容包含VBR流令牌桶流量整形的研究流令牌桶流量整形的研究VBR陈彪,姚庆栋()浙江大学信息与电子工程学系,浙江杭州():对于可变比特率令牌桶流量整形问题,符等。

VBR流令牌桶流量整形的研究流令牌桶流量整形的研究VBR陈彪,姚庆栋()浙江大学信息与电子工程学系,浙江杭州():对于可变比特率令牌桶流量整形问题,示出令牌桶等待队列长度与丢包率的关系曲线,推导出在保要摘VBR()证截止期条件下如何确定令牌桶参数的关系式Λ针对活动图像工作组视频流模型进行了仿真,仿真结果MPEG与理论结果吻合Λ关键词:流量整形令牌桶可变比特流服务质量()TN文献标识码:文章编号:中图分类号:AXResearchonVBRtrafficshapingwithtokenbucketfilter,CHENBiaoYAOQingdong(),,,DepartmentofInformationandElectronicEngineeringZhejiangUniversityHangzhouChina()():,AbstractOnvariablebitrateVBRtrafficshapingwithatokenbucketfilterTBFthecurveofrelation,betweenqueuelengthofTBFandpacketlosswasdevelopedandtherelationsforhowtodimensionTBFparameterstoguaranteethedeadlineindexwasderivedSimulationwithamovingpictureexpertsgroup()MPEGvideosequencemodelyieldedresultsaccordingwiththeoreticalresults:KeywordstrafficshapingTokenBucketFilterVBRQoS本文涉及通过有保障的网络实现多媒体的流的流量整形实时多媒体流用作QoSVBRMPEG数据包传输端对端保证英特网工程任务组IPQoS()()有固定比特率和可变比特流二种类CBRVBR()已定义有保证服务和控制负载服务,前IETF型,前者常用于语音通信,后者常用于活动图像通者带宽、时延有保证,后者虽无保证,但是个轻载网信在网络传送上,也可看成是的特例,CBRVBR服务,所以前者可用于硬实时通信,后者用于软实时它们都呈周期性,CBR每周期传送的字节数不变,()通信通信终端产生的多媒体通信流不一定flow而每周期传送的字节数可变前人已提出了VBR()适配网络提供的服务指标如速率,如超出指标,业()针对某种特定的流如的分析模VBRMPEG务流就可能得不到应有的保证通常业务流的QoS突发速率远高于平均速率,服务指标按突发速率额型,对于给定的平均时延要求,可以根据这个模型定太浪费,所以在进入网络之前要进行流量整形设计令牌桶的参数本文深入探讨周期性的VBR(),流量整形用于控制突发速率和限trafficshaping流的令牌桶流量整形,找出了有关分析模型,该模型制平均速率但也可能引起额外的延时令牌桶具有根据实时系统常常使用的截止期,即最大延时要求限制流的突发量和平均速率的特点,且简便易于来设计令牌桶的参数可以把这个分析模型应用到实现,广泛用于流量整形,不但用于非实时流的流量流上MPEG,整形,也用于实时流的流量整形,例如把令牌桶()本文在仿真实验中,采用实时传送协议RTP打包的视频流模型,更接近实用情况ƒMPEG()收稿日期:浙江大学学报工学版网址:ƒwwwjournalszjueducneng()作者简介:陈彪,男,浙江临海人,高级工程师,从事下一代通信网研究:EmailchenbiaohzcnChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreserved变数据分组的大小和产生比特差错,但分组有可能()丢失主要关心丢包率、延时、延时抖动PLRdi流模型令牌桶及VBR()()=等指标djmaxdidj()令牌桶,模型如图,tokenbucketfilterTBFNp时间段里流出令牌桶的等待队列比特数rNN以恒定的速率产生令牌,用一个容量为的队列rb()()为soi,流入比特数为sii,因此,等待队列保存令牌输入数据进入令牌桶,并取得足够令牌数i=i=长度为后流出令牌桶,如果没有得到足够令牌就在队列内NN等待令牌的积累设数据传送服务、调度的单位为字()()()()lN=siisoii=i=()节,则每一个令牌能够传送一个字节,数据流byteN出桶后相应的令牌就消失了这样通过控制令牌产()Nrp时间段里流出令牌队列字节数为soi,流i=生的速率,就可以控制流出队列的数据的平均速率N控制其中保存令牌的队列的容量可以限制突发数据入字节数为rp,因此,令牌队列的长度为i=输出当此队列满时,突发数据字节数最高数据离NN开令牌桶的瞬时速率为,>RRr()()mN=rpsoii=i=N()()()wimi=)(()式中:i为ip到ip时间段里令牌队列溢出的()()()比特数,m为令牌队列的初始长度由式、可得NN()()lN=rpsiii=i=N()()()()mNmwii=图令牌桶模型()()设sii是平稳随机序列,且均值E{si}=Λ,FigTokenbucketmodel()()siΛ}=Ρ,即对于不同i,si是方差为E{ii()分组网中,数据传送调度单位为包,所packet不相关的非实时流的流量整形时,令牌速率r通常以不是每一个令牌能够传送一个字节,而是令牌积设为满载的平均速率Λƒp,对VBR流也先设Λ=累到等待队列中的首个包长度时数据才能以速R率调离令牌桶本文设定µRrrp,此时r最低,带宽利用率最高根据概率论的中NN()设流模型为序列{},其中为整数,VBRsii()心极限定理知siirp近似服从正态分布,i=i=ƒ()()是到时间段里产生的字节数,是siipipp其均值为,标准差为Ρ=NΡ,所以N()常数即周期xtΡ)(P{NLTx}=edt,N当然,采用高于流的每周期最大速率作VBRΠΡN为令牌速率肯定能保证不产生延时,但是,令牌速率即对应服务信道的平均带宽,而且支持流的有xVBR()tLT)(Ρ()P{Nx}=dteN保证服务网带宽成本比普通服务高得多,因QoSΠΡN此,在保证差错率、延迟、抖动的指标前提下,要求的式中:P{}表示概率,LTr()()=mNmN令牌速率越低越好()wi当队列长度超过L时发生溢出,所以队列i=长度超过L的概率等于比特的丢失率丢包率PLR业务流的令牌桶整形VBR近似等于比特的丢失率,包越短,近似程度越好队到达及服务过程的假设下,可以用在Markov列长度不发生溢出,即不发生丢包的概率为ƒƒ排队系统模型来分析,但本文设到达过程))((MMP{N}=P{N}=PLRLL是周期性的,还没有现成的分析模型设令牌桶输入()由式及正态分布特性知ƒ()()()()序列为{()sii},输出序列为{soi}流量整形并不改L=ΡNP{NL}LTChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreserved()()式中:为标准正态分布函数,为它的反个周期之内,只需rrMM)(函数仅考虑丢包率较小的情况,即P{NL}()()rpsiib>较大,此N个包有丢包的可能性很小,所以一般有i=i=()PLRNN而且LT意味着Np时ƒƒr()根据概率论的中心极限定理,式左边服从()间内si未能获得的令牌数,也就是即将丢失的比i(均值为Mrpb这里,r=rΛƒp,即令牌速率Nƒ)增加值,标准差为MΡ的正态分布则类似上面(),LT=PLR特数()PLRNΛΛ,因此,sii的推导可知:当i=ƒƒ()L依概率PLR为()()MrpbMΡPƒ()()L=ΡP{NL}PLR,Λ())(的概率成立P为概率值,例时,式依不低于P即()()如当P=时P式说明:增ƒ(())P{NL}加的令牌速率的M倍加上令牌桶最大允许突发速率()PLR=()LΛΡƒƒ()的M要大于Ρp的P倍这里,M为随机整ƒ()一般LµΛ,由式及查正态分布表可取得图()()数,如对任意M>的整数式都成立,而式依的波形从图中看出,当LƒΡ小于时,PLR急不低于P的概率成立此时丢包率与等待队列长度L剧下降当LƒΡ大于后趋于饱和L大,延时和延()有关,当L不低于maxsii时,丢包率不大于时抖动也大要保证实时性,L要小,所以只能d小,()P式左边对M有最小值,所以让M取使左边为d趋于对应CBR流,可见令牌桶对CBR流整形可最小的一个值即可可求得这个M值为以做到实时且不丢包对VBR流整形要保证实时性()()且丢包率低,只有提高令牌速率r如果对任何N,M=bƒrp()()()ltN都大于maxsi,包在令牌桶里无需等待,当式结果不是整数时,M取最接近结果的i()直接被服务,这时延时、延时抖动最小,分别为两个整数当bµrp时,M取式的值不会有大()()的误差,把式代入式得()()()di=siiR,ƒ()()brpΡPr()()d=maxdidj=j()()()maxsisjƒRi()当bνrp时,M=,式成为()()()如果令si=si且对任何N,mN都大于oi()()rpbΡP()(),说明si=si可以成立,则包在令牌桶里等待oi(()())时间在一个周期之内否则sisi,且不丢oi仿真实验结果包,对延时、延时抖动也是有严格限制的,符合一般的实时性要求设令牌队列溢出时间间隔近似为为结合应用,这里利用MPEG视频源有关数()()MpM为整数且m=b,如对任何M>,r提供了两种网络传据,用C语言编程仿真文献()()mN都大于比b小的某个值,则对任何N,mN输的MPEG视频源模型,两者都比较好地反映了实都大于这个值,这是因为任何N都可分为多个溢出际视频源的统计特征,本文采用不考虑帧间相关性时间间隔或落在一个溢出时间间隔内因此,由式MPEG视频源模型要网络传输时,原始视频流数()知,要使包的等待时间不大于p,即截止期在一据经过按标准进行数据分割以后,再加上负载分组包头,如果分组是在容易发生错误的网络上传输,那么还必须加上视频负载分组扩展包头然后再在其前面加上实时传送协议RTP头标进行UDP打包,最后调用sock类函数发送在MPEG视频流中每个()图像组groupofpictures,GOP由I帧开始,后跟若干个P帧和B帧首先抽出每一帧中的每一条()()slice然后对不同类型的帧I、P、B帧的条的大小进行统计,找到其平均值,根据平均值的大小选定一个目标RTP负载包大小从影片“星球大战”中抽取图像作为实验视频源进行RTP打包,绝大多数图PLR与LΡ的理论关系曲线ƒRTP包大小在字节左右RTP包加上FigTheoreticcurveoftherelationbetweenPLRandLƒΡChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedUDPIPEthernet附加字节形成MAC包才送令牌ƒƒ桶整形器,所以相应MAC包大小绝大多数在字节左右视频源采用MPEG编码方法,每秒帧()frame图像,每一个GOP内有帧图像,每帧折算的MAC包的数量服从Gamma分布,不同类型的帧Gamma分布密度函数参数有所不同参照本文的VBR模型,可以有两种流模型:一种以一个GOP为()周期p=ƒs另一种以一个帧为周期()p’=s,见图本文以前一种流模型为例,考ƒ察理论的正确性和实用性这时Λ=字节,()图理论计算与仿真结果对比bµrpΡ=字节FigComparationbetweentheoreticcurveandsimulationresultwhenbµrp图网络视频流模型FigModelofavideoflowovernetwork()现假设要求每个GOP的所有分组packet在GOP周期p内调出令牌桶的概率P不低于,()()()()可以根据式、或式、设计令牌桶()理论计算与仿真结果对比ν图brp()参数r和b,这时,P设链路速率R远()Comparationbetweentheoreticcurveand大于令牌速率这符合许多应用情况图的曲线Figsimulationresultwhenbνrp()A是理论计算结果,曲线的上方坐标点b,r的取值符合设计要求曲线B是针对一般VBR流模型结语的仿真结果,以Λ=字节,Ρ=字节,()()p=ƒs的序列{sii},且sii服从正态分布本文对流的令牌桶流量整形规律进行了VBR()理论允许任意分布仿真时,先给定一个b值,然探讨,推导出在平均速率设置下令牌桶的等待队列后i从增加到,统计超出GOP周期p内调出的长度与丢包率的关系要同时保证丢包率、延时及抖分组个数k,从小到大增加r值直至k为,记录这动指标,令牌速率须设置适当高于流平均速率本文时的r值接着改变b值,重复实验,可以得出一组推导出保证指标下令牌桶的主要参数的关系QoS数据曲线C是针对上述MPEG视频流模型的仿真结果曲线D是针对上述MPEG视频流模型,但假式,可以给设计适当的令牌桶流量整形器提供理论定GOP周期内分组不会停顿地到达令牌桶,这样在参考仿真结果显示出理论的可用性目前理论还只GOP分组调出之前令牌不会因溢出而浪费从图能适应截止期为一个周期的应用情况,不能适应任可看出曲线A、B、C、D很接近,从而给本文理论的正意截止期应用情况,另外,还没有考虑分组间的相关确性和实用性提供了证明性,这些有待于更深入的探讨图是µ的情况在实用时网络可能不允brp许几十到几百的突发量,图是µ的情kBytebrp()参考文献:References况,要小得多图中曲线、、较接近,曲线bABDC相差很大针对曲线的视频流模型的帧内CMPEGIETFRFC,Specificationofguaranteedqualityof分组连续,帧间可能断续,当较小时在分组bGOP,:,serviceSRestonUSATheInternetSociety调出之前令牌会因溢出而浪费,不符合理论的情况,IETFRFCSpecificationofthecontrolledload这时应该以为周期来进行分析,本文不加讨论p’,:networkelementserviceSRestonUSATheIn,ternetSociety()下转第页ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreserved表ΛCSimm和EP上嵌入式Linux的运行测试数据TabRuntimeevaluationofembeddedLinuxonΛCSimmandEPEPΛCSimm频率MHzMHzCPUCPUbogoMIPS内存占用总内存容量ƒ字节ƒ字节字节字节ƒ占用ƒ总占用FlashFlash字节字节ƒ运行的网络服务,,HTTP,PPP,TelnetServersHTTPPPPTelnetServersPOSIUMONIntegratedCircuitsandSystemsDesign由此看来,使用往嵌入式方向改造的作LinuxCManaus,Brazil:IEEEComputerSocietyPress,为嵌入式系统软件部分,并且配合相关固件的开发,:是嵌入式系统实现的一条有效途径这使得嵌入式WOLFWHHardwaresoftwarecodesignofembed软件开发更为容易便捷,从而减少进入市场的时间,,,dedsystemsJProceedingsoftheIEEE增强产品竞争力():,BARABANOVMYODAIKENVIntroducingreal()参考文献:References,,:timeLinuxJLinuxJournal(systemdesignissuestheKOOPMANPEmbeddedCLOUTIERPDIAPMRTAIpositionpaperR)RestoftheStoryAProceedingsofInterna,,:LakeBuenaVistnFloridaUSAPoseidonControlstionalConferenceonComputerDesignCAustin:,,IncRTSS,:IEEEComputerSocietyWEINBERGBEmbeddedLinuxreadyforrealtime,ENGELSDWDEVADASSAnewapproachtosolv,,:,RSunngvaleCAUSAMontaVistaWhitePaperingthehardwaresoftwarepartitioningprobleminembeddedsystemdesignAProceedingsofXIIISYM()上接第页,LEONGARCIAAWIDJAJAICommunicationnetAQUILA:AdaptiveresourcecontrolforQoSusingan:worksFundamentalconceptsandkeyarchitecturesIPbasedlayeredachitectureJIEEECommunications():,,:,:MColumbusMcGrawHillCompaniesIncMagazineCHANGRI,CHENMC,HOJM,etalSchedulable,,ALAMMFATIQUZZAMANMKARIMMATregionforVBRmediatransmissionwithoptimalrerafficshapingforMPEGvideotransmissionoverthesourceallocationandutilizationJInformationScinextgenerationInternetJComputerCommunica(),,:ences(),,:tions陶蒙华,黄孝建,沈树群视频源的两种基于MPEG,,,BECHLERMRITTERHSCHAFERGetalTraf的建模及其比较RTPJ北京邮电大学学报,,()ficshapinginendsystemsattachedtoQoSsupporting::networksAIEEEComputerSocietyIEEESympo,,TAOMenghuaHUANGXiaojianSHENShuqunsiumonComputersandCommunicationsCWashingTwoRTPbasedmodelsofMPEGvideosourceand:theircomparisonJJournalofBeijingUniversityofton:IEEEComputerSociety,()PostsandTelecommunications,,:ENGELT,GRANZERH,KOCHBF,etalChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreserved

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