【文章內容簡介】 制，并返回數(shù)據(jù)流的QoS狀態(tài)信息。UPnP QoS框架中對于QD的定義只包括其需要提供的UPnP參數(shù)、服務和事件信息，并不對提供QD服務的網(wǎng)絡設備具體如何實現(xiàn)QoS功能進行說明和定義，后者依賴于具體QoS設備的實現(xiàn)技術。2．主要功能[7]QD提供了一套UPnP接口，用于設置、查詢和更新數(shù)據(jù)流的QoS信息，同時QD還提供了用于注冊事件的UPnP接口。控制點可以通過接口GetQoSDeviceCapabilities查詢QD支持的QoS類型，如基于優(yōu)先級，基于參數(shù)和盡力而為的QoS，此外，其它的QD特性描述還包括最大物理帶寬，網(wǎng)絡技術類型，MAC地址，接口ID和是否支持接入控制等，目前，UPnP QD的定義并不支持基于參數(shù)的QoS和接入控制的功能。QD運行時數(shù)據(jù)流的實時QoS狀態(tài)可以通過接口GetQoSState獲得。由于QM是無狀態(tài)的服務，因此所有的數(shù)據(jù)流QoS信息都保存在運行QD服務的設備上，QD通過GetQoSState接口將當前所有活動的數(shù)據(jù)流QoS狀態(tài)信息分別存儲在不同的TrafficDescriptor中返回給控制點。QD還提供了三個接口SetupTrafficQoS、UpdateTrafficQoS、ReleaseTrafficQoS，分別用于建立、更新和取消數(shù)據(jù)流的QoS設置。GetPathInfomation接口可以用于獲取QD的拓撲信息（主要是MAC地址表）。GetQoSDeviceInfo接口可以獲得QD的端口數(shù)量以及數(shù)據(jù)流的協(xié)議類型。此外，QD還可以對數(shù)據(jù)流進行統(tǒng)計，如記錄每個接口收發(fā)數(shù)據(jù)包的數(shù)量，以及接口上每個優(yōu)先級隊列收發(fā)數(shù)據(jù)包的數(shù)量。這些信息可以通過GonfigureRotamaterObseration和GetRotameterInformation接口獲得。UPnP QoS定義了QM的接入控制功能，當數(shù)據(jù)流QoS策略中的AdmissionPolicy為真時，QM需要根據(jù)UserImportanceNumber對數(shù)據(jù)流進行端到端的接入控制，若AdmissionPolicy為假，QM需將UserImportanceNumber傳遞給QD。UPnP QoS目前沒有對QD的接入控制功能進行定義和要求，QD的特性參數(shù)AdmissionControlSupported用于未來對QD接入控制的擴展。QD提供兩個事件：PathInformation和TrafficStreamUpdate。前者用于在QD的路徑信息發(fā)生變化時通知控制點；當QD的SetupTrafficQoS或ReleaseTrafficQoS接口被調用時，TrafficStreamUpdate事件用于通知控制點數(shù)據(jù)流QoS信息的變化。 UPnP QoS分析圖2－5為UPnP QoS操作時序圖[4]，下面將對UPnP QoS系統(tǒng)運行時的主要操作進行分析。圖表 9圖25 UPnP QoS操作時序圖 數(shù)據(jù)流QoS的設置控制點首先需要選擇QM，若網(wǎng)絡中存在多個QM，則控制點根據(jù)其自定義的規(guī)則選擇其中一個。之后，控制點需要調用QoS管理服務的RequestTrafficQoS功能，同時將TrafficDescriptor作為參數(shù)傳給QM。當該調用完成時，QM向控制點返回TrafficHandle，NumPolicyHolders和TrafficDescriptor參數(shù)。l TrafficHandle參數(shù)與TrafficDescriptor相關，是數(shù)據(jù)流的唯一標識，用于其它的QoS操作，如取消數(shù)據(jù)流的QoS請求，查詢數(shù)據(jù)流QoS狀態(tài)等；l NumPolicyHolders表示網(wǎng)絡中可用QPH服務的數(shù)量，該參數(shù)只有當控制點未指定QPH時才有意義?？刂泣c在向QM請求數(shù)據(jù)流QoS支持時，需要提供數(shù)據(jù)流的特征信息。特征信息由TrafficDescriptor結構中的TrafficId和TSpec參數(shù)表示。對于不同的UPnP應用環(huán)境，控制點需要以不同的方式提供這兩個參數(shù)。例如，在UPnP AV（Audio Video）環(huán)境中，控制點（客戶）在連接建立之前無法獲取媒體數(shù)據(jù)流的全部信息（如端口號等），但它可以將媒體數(shù)據(jù)流的相關參考信息（如媒體服務器地址等）和數(shù)據(jù)流類型添寫在TSpec結構中，由QM進行更進一步的查詢和操作，另外，QM還可以調用QD的GetQoSDeviceInfo接口來獲得數(shù)據(jù)流更精確的信息。通常，在用戶不完全確定某個數(shù)據(jù)流詳細的特征信息時，控制點向QM發(fā)起QoS請求的時機有兩種情況：l 在數(shù)據(jù)流連接建立之前進行設置。這時控制點只能提供如源/目標地址之類基本特征信息。這時建立數(shù)據(jù)流QoS的優(yōu)點是，QM可以在數(shù)據(jù)流連接建立的同時為其分配網(wǎng)絡資源，缺點是，為了更準確地進行QoS控制，控制點需要進行更多的查詢和設置操作，因而需要更長的設置周期。l 在數(shù)據(jù)流連接建立之后進行設置?？刂泣c可以獲取詳細的數(shù)據(jù)流特征，請求QM設置QD以進行精確的QoS控制。但缺點是數(shù)據(jù)流連接開始建立時得不到相應的資源保證，優(yōu)點是設置周期較短。本文的設計中，采用第一種QoS設置請求方式，在用戶了解數(shù)據(jù)流詳細特征的情況下，這種可以更快更準確地為數(shù)據(jù)流提供QoS支持。 數(shù)據(jù)流QoS策略的選擇QM接收到來自控制點的數(shù)據(jù)流QoS請求時，需要向QPH查詢數(shù)據(jù)流的QoS策略。如果控制點指定了要查詢的QPH，QM通過該QPH查詢數(shù)據(jù)流的QoS策略，否則QM查找網(wǎng)絡中可用的QPH，若沒有可用的QPH或數(shù)量多余一個，QM為數(shù)據(jù)流使用默認的QoS策略：將AdmissionPolicy參數(shù)置為真，TrafficImportanceNumber參數(shù)根據(jù)TrafficDescriptor中的流量類型確定，：UPnP流量類型TrafficImportanceNumberNetwork ControlNetwork Control7Streaming ControlNetwork Control7VoiceVoice6GamingVoice6AVVideo5AudioVideo5ImageExcellent Effort3DataBest Effort0BackgroundBackground1OtherBest Effort0表格 4表21 UPnP 流量類型與數(shù)據(jù)流優(yōu)先級對應關系如果TrafficDescriptor中沒有包含有效的流量類型，QM將其類型設為“Other”。 選擇需要配置的QoSDeviceQM獲得數(shù)據(jù)流的QoS策略后，需要對相關的QD進行配置，以完成具體的QoS操作。在對QD進行配置前，QM需要根據(jù)數(shù)據(jù)流的路徑信息和所有QD的信息，決定對哪些QD，如何進行該數(shù)據(jù)流的QoS設置。首先，QM通過TrafficId信息，以及QD:GetPathInformation接口返回的拓撲信息決定對網(wǎng)絡中的哪些QD進行QoS配置：l QM通過TrafficId中的源、目的地址，以及QD的地址信息的對比找到數(shù)據(jù)流的源和目的QD。l QM根據(jù)TrafficId中的源、目的地址找到其對應的MAC地址，再通過QD:GetPathInformation接口查找所有QD的拓撲信息，即MAC地址表，通過這些信息找到數(shù)據(jù)流所經過的中間設備。其次，QM調用QD:GetQoSDeviceCapabilities接口獲取數(shù)據(jù)流路徑上各QD支持的QoS功能信息，該信息以XML格式返回，包括：l TechnologyType：網(wǎng)絡的技術類型，；l AdmissionControlSupported：標識QD是否支持數(shù)據(jù)流的接入控制功能；l NativeQoS：標識QD是否支持優(yōu)先級QoS或盡力而為(Best Efforts)的QoS；l MaxPhyRate：設備接口支持的最大物理帶寬；l ChannelInformation：標識無線網(wǎng)絡所使用的信道信息。 QoSDevice的配置QM的QoS管理實體完成對數(shù)據(jù)流路徑上QD的配置。基于數(shù)據(jù)流的要求和QD的QoS能力，QM對QD的配置一般基于以下的策略：優(yōu)先級設置策略，該方式適用于大部分應用場景。QD設備根據(jù)TrafficId信息對數(shù)據(jù)流進行分類，并分配不同的處理優(yōu)先級。對于支持數(shù)據(jù)流標簽功能的QD，還需要根據(jù)數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級對其進行標簽設置。接入控制策略，當數(shù)據(jù)流QoS策略的AdmissionPolicy為真時，QM將完成對數(shù)據(jù)流的接入控制功能。目前的UPnP QoS框架不支持QD的接入控制功能。數(shù)據(jù)流發(fā)現(xiàn)策略，支持這種QoS配置策略的QD可以基于每個連接搜集數(shù)據(jù)流的模式信息，并根據(jù)該信息對數(shù)據(jù)流進行分類和優(yōu)先級分配，當網(wǎng)絡擁塞時，通過該信息可以判斷造成網(wǎng)絡擁塞的數(shù)據(jù)流。 UPnP QoS的其它操作TrafficDescriptor中可以包含數(shù)據(jù)流的QoS“租約時間（Lease Time）”，QD對于指定了“租約時間”的數(shù)據(jù)流，只在該時間段內為其提供QoS保障?？刂泣c可以通過QM:ReleaseTrafficQoS接口取消數(shù)據(jù)流的QoS，此時控制點需要釋放數(shù)據(jù)流占有的所有網(wǎng)絡資源。當控制點需要更新數(shù)據(jù)流的QoS時，QD首先要取消數(shù)據(jù)流的QoS服務，再根據(jù)新的QoS請求信息為其分配網(wǎng)絡資源。 UPnP QoS的改進和擴展1. 數(shù)據(jù)流策略庫的設置在UPnP QoS標準中，沒有指定QoSPolicyHolder中數(shù)據(jù)流策略信息的維護方式，不便于用戶通過網(wǎng)絡設置更新策略信息。改進：為了便于通過網(wǎng)絡維護數(shù)據(jù)流的QoS策略庫，本文中將為QoSPolicyHolder增加一個新的UPnP QoS操作：SetTrafficPolicy。該操作以TrafficDescriptor中的數(shù)據(jù)流特征和TrafficImportanceNumber作為參數(shù)，在指定策略庫中建立該數(shù)據(jù)流的QoS策略。UPnP QoS通過UserImportanceNumber和TrafficImportanceNumber對數(shù)據(jù)流的QoS策略進行定義。其中，UserImportanceNumber用于數(shù)據(jù)流的訪問控制，TrafficImportanceNumber用于設置數(shù)據(jù)流對于二層網(wǎng)絡的訪問優(yōu)先級。在具體的設備中，需要根據(jù)TrafficImportanceNumber對應的二層優(yōu)先級對數(shù)據(jù)流進行隊列調度。根據(jù)具體QoS設備中轉發(fā)端口上隊列數(shù)量的不同，TrafficImportanceNumber與隊列的映射關系可以根據(jù)表12來實現(xiàn)。為了便于用戶控制某個具體QoS設備中的隊列數(shù)目，本文將為QoSDevice增加一個新的UPnP操作：SetQueueNumber，其支持的最大值為8（與TrafficImportanceNumber數(shù)量對應）。如果用戶沒有通過該操作指定QoS設備的隊列數(shù)量，設備將使用默認值3。UPnP QoS定義的數(shù)據(jù)流描述信息共包括5項：源/目標IP地址、源/目標端口地址、協(xié)議類型。這些信息作為數(shù)據(jù)流的過濾條件，需要由用戶在TrafficDescriptor中給出。為了變用戶指定更為靈活的數(shù)據(jù)流過濾條件，本文中將對TrafficDescriptor中數(shù)據(jù)流描述信息進行擴展，增加設備入端口、源/目標MAC地址三項。其中，設備入端口指數(shù)據(jù)流進入QoS設備時所經過的物理端口，該條件可以便于用戶對QoS設備某個端口所連接的子網(wǎng)中所有數(shù)據(jù)流進行策略控制。UPnP QoS策略中沒有提供對數(shù)據(jù)流量進行限制的方式，而在實際的應用中，經常需要對某些類型的數(shù)據(jù)流，如文件下載、VOD等進行最大流量的限制。因此，本文在UPnP QoS策略信息中擴展了對數(shù)據(jù)流相應流量限制的描述，當數(shù)據(jù)流實際流量超過該限制時，將對數(shù)據(jù)流進行整形操作，或降低數(shù)據(jù)流的服務優(yōu)先級。 本章小結本章對UPnP QoS技術原理進行了介紹和分析。UPnP QoS主要包含三個UPnP服務：QoSManager、QoSPolicyHolder和QoSDevice。本章首先簡要介紹了UPnP技術原理，接著分別介紹了UPnP QoS的應用框架和基本操作流程，并對UPnP QoS三個服務的主要功能和操作接口了進行了詳細的描述。然后，本章針對UPnP QoS系統(tǒng)中主要操作的過程，如數(shù)據(jù)流QoS設置，QoS策略選擇，QoSDevice配置等進行了分析，并提出了相關的改進和擴展。第三章 家庭網(wǎng)絡環(huán)境中UPnP QoS軟件系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)根據(jù)UPnP QoS標準的定義，系統(tǒng)需要提供三個UPnP服務：QoSManager、QoSPolicyHolder和QoSDevice，各服務可以獨立運行于家庭網(wǎng)絡中同一IP網(wǎng)段的任何位置，通過UPnP協(xié)議進行通訊和操作。UPnP QoS標準中對以上三個服務的功能、參數(shù)、接口及協(xié)作方式進行了基本的規(guī)范和定義，但具體的設計和實現(xiàn)則依賴于特定的應用環(huán)境和設備平臺。由于QoSDevice的設計和實現(xiàn)需要依賴于具體設備的網(wǎng)絡架構及其QoS功能，因此，QoSDevice模塊QoS功能的設計和實現(xiàn)將在第四章中進行分析和討論。本章將分析討論本文的家庭網(wǎng)絡環(huán)境中UPnP QoS系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。 應用和開發(fā)環(huán)境 應用環(huán)境介紹本文將在圖31所示的家庭網(wǎng)絡環(huán)境中實現(xiàn)UPnP QoS。該環(huán)境中，網(wǎng)關設備作為家庭網(wǎng)絡唯一的連接設備，為家庭網(wǎng)絡內部的數(shù)據(jù)流以及家庭網(wǎng)絡和WAN之間的數(shù)據(jù)流提供轉發(fā)服務。同時，網(wǎng)關設備也是家庭網(wǎng)絡中唯一的QoS服務設備，為各類數(shù)據(jù)流提供流量控制服務。圖表 10圖31家庭網(wǎng)絡應用環(huán)境在本文的設計實現(xiàn)中，將以Linux PC作為家庭網(wǎng)關。它通過一個外部以太接口與WAN進行連接，同時，通過多個內部以太接口為家庭網(wǎng)絡的其它設備提供連接。所有內部以太接口在Linux系統(tǒng)中通過Bridge模式連接，構成一個二層的交換網(wǎng)絡。與WAN連接的外部以太接口獨立于Bridge，并通過路由方式與Bridge實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉發(fā)。圖表 11圖32 Linux家庭網(wǎng)關應用結構 Intel UPnP SDK介紹Intel公司為Linux系統(tǒng)上的UPnP應用開發(fā)提