一种局域网随机服务系统的响应质量控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种局域网随机服务系统的响应质量控制方法。
【背景技术】
[0002] 目前，智能家居协议标准众多，普遍使用的协议标准包括三星公司支持的0IC，苹 果公司的HomeKit，高通公司主导的Allseen联盟以及UPnP协议。前三种协议的技术体系 完善，但较复杂，需要较多的硬件资源。UPnP协议因具有体积小，与媒体和传输类型无关，消 耗硬件资源少，扩展性强和适合做小规模服务等优势，已成为应用最为广泛的智能家居协 议标准。但在服务发现过程中，控制端同时处理大量服务响应消息时，容易出现严重的消息 拥塞或丢失问题。在早期的UPnP开发过程中，每个服务类型的发现响应对应一个XML消息， 每增加一项服务响应只需添加一个XML消息，不必更新全部服务响应信息。随着支持UPnP 协议的智能家居设备数量和种类日益增多，设备提供的服务类型更加丰富。网络中大量XML 消息的集中返回情况也随之频繁出现，成为控制端消息"拥塞"甚至丢失的主要原因。智能 家居网络设备通常包括控制端和设备端两部分。一般地，支持UPnP协议的设备端（简称 "设备端"）在最大时延范围内独立选择延时来发送响应消息，当发送延时接近时，大量响应 消息将在支持UPnP协议的控制端（简称"控制端"）缓存单元排队等待。控制端按照先到 先服务的原则处理响应消息，且其消息处理时间的过程是无记忆的。这些特征表明该系统 是典型的无记忆随机服务系统。当控制端的缓存队列长度不足，响应消息溢出，服务发现的 可靠性降低；当缓存队列长度过长，响应消息排队延时延长，服务发现的实时性下降。
[0003] 针对传统的UPnP服务发现算法无法处理消息"拥塞"问题，文献[ChenEnyi，Shi Yuanchun，XuGuang.EvaluationandimprovementofUPnPservicealgorithm[J]. JournalofTsinghuaUniversity(ScienceandTechnology)，2〇〇6,4 :〇4〇.(陈恩义，史 元春，徐光.UPnP服务发现算法性能分析与改进[J].清华大学学报（自然科学版），2006， 4 :040.)]在设备端开辟一个数据结构保存整个UPnP网络的能力，通过调度设备端的发送 延时以避免大量响应消息集中返回，该方法需要频繁更新数据结构才能保证UPnP网络能 力的实时性和准确性。文献[WangZ，ZhaoJ.ImprovedalgorithmforUPnPdiscovery insmartspace[C]//SoftwareEngineeringandServiceScience(ICSESS)，2012IEEE 3rdInternationalConferenceon.IEEE，2012 :519-522.]综合考虑了整个UPnP网络，设 计一种自适应的最大查询时间算法，通过扩大最大延时时间实时发现设备/服务，但延缓 了服务发现过程的时间。文献[Shi-CaiY，WuYZ，GuoRN.AUPnP-basedDecentralized ServiceDiscoveryImprovedAlgorithm[C]//ComputationalandInformation Sciences(ICCIS)，2013FifthInternationalConferenceon.IEEE，2013 :1413-1416.] 在路由器节点处设置缓存区来存储服务响应消息，将控制端处的排队压力转移至路由节 点，但是并未考虑不同的缓存队列长度对排队系统性能的影响。
[0004] 排队论是一种用于分析随机服务系统的理论。针对服务拥塞问题，其研究内容是 在服务器容量与系统整体性能之间寻找最优服务方案。文献[YanYingzhan，TianLiwei. AKindofActivequeuecongestioncontrolalgorithmbasedonqueuetheory[J].JournalofSouthNormalUniversity(ScienceandTechnology)，2012,44(1) ：63~66. (闫英战，田立伟.一种基于排队论的主动队列拥塞控制算法[J].华南师范大学学报， 2012,44(1) :63-66.)等]在排队模型理想队长的基础上添加扩充因子，解决了数据滞留和 丢失问题，但并未考虑排队系统在不同系统性能（如可靠性和实时性）下对缓存队列长度 的影响。
[0005] 鉴于智能家居系统的实时性和可靠性双重要求，有必要设计一种局域网随机服务 系统的响应质量控制方法。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种局域网随机服务系统的响应质量控制方 法，该局域网随机服务系统的响应质量控制方法能兼顾实时性和可靠性，控制效果理想。
[0007] 发明的技术解决方案如下：
[0008] -种局域网随机服务系统的响应质量控制方法，其特征在于，基于给定的损益系
数C1计算最佳缓存长虔 以兼顾发现服务的实时性和准 确性；
[0009] 其中，c2为等待损益，有1 >c:> 0,c2> 0且c#2= 1;
[0010] 。其中，p为传输强度；
[0011] 理论上，cl彡0,但是在本发明中，cl只能取大于0,这样才能实现兼顾的目标。特 此说明。
[0012] 其中int(.)为取整函数。
[0013] 其中公式中涉及的中括号是普通的括号并不是取整符号。服务强度P的值由单 位时间内进入缓存队列的响应消息个数与单位时间内控制端处理的响应消息的个数的比 值决定。
[0014]Cl取值为 0? 1，0.2，……，0.9。
[0015]Cl取值为0? 1到0? 9之间的实数。
[0016] 在不同场景下，对系统的实时性和可靠性有不同要求。Cl反映的是系统的实时性， 其值在不同情况下有不同的最优值。
[0017]UPnP服务发现问题描述
[0018]UPnP网络设备由控制端和设备端组成。在智能家居系统中，控制端是手机或平 板等便携式智能终端，设备端包含空调、电视机和冰箱等基于UPnP协议开发的智能家电设 备。支持UPnP协议的网络模型通常由一个控制端和多个设备端组成，其他的控制设备也可 以根据权限等级来同时控制这些家居设备，以此构成智能家居的自动发现网络。UPnP服务 发现过程的场景如图1所示。
[0019]手机或平板等控制端进入家庭网络后，在整个网络中广播服务发现请求以便获取 在线可控的设备和服务。空调、电视等智能家电设备监听到服务发现请求后，将设备信息和 不同的服务信息封装成XML消息返回给控制端。UPnP协议规定，每增加一个设备端（包括 d种嵌入式设备和k种服务类型），响应消息数增加（3+2d+k)个。设备端提供的服务越丰 富，返回的响应消息数越多。图2示出了UPnP服务发现过程。
[0020] 设备端监听到服务发现请求后，在比较密集的时间内向控制端发送响应消息。到 达控制端后，在缓存单元排队，并按照先到先服务的原则处理响应消息。当响应消息过多 时，缓存队列长度不足，响应消息溢出，造成响应消息的丢失，服务发现的可靠性降低；当响 应消息过少时，缓存队列长度过长，响应消息排队延时延长，服务发现的实时性下降。为综 合考虑服务发现的实时性和可靠性，建立基于系统指标损益制的响应消息队列模型。
[0021] 响应消息队列模型
[0022] 通过分析如图2所示的UPnP服务发现过程，可以建立相应的排队流程图（见图 3) 〇
[0023] 图中每个圆圈代表一个响应消息，响应消息进入消息队列后，采用FCFS(先到先 服务）的方式对该响应消息队列进行处理。在UPnP设备发现的过程中，设网络中只有一个 控制端，网络中的其他控制端可以同样处理；由于设备端在监听到服务发现请求后，在最大 时延范围内独立选择发送响应消息，可以设响应消息到达过程符合参数为A的泊松分布， 其中A为单位时间内进入缓存队列的响应消息个数；另外，控制端对消息的处理是无记忆 性的，可以设控制端处理响应消息的时间服从参数为y的指数分布，其中y为单位时间内 控制端处理的响应消息个数。
[0024] 根据以上三个假设，本发明采用排队论的M/M/1/ -4莫型来描述该服务发现过程， 得到响应消息队列模型的状态转移图（见图4)。
[0025] 图中的每个状态代表响应消息队列中的响应消息个数。比如状态0表示该队列 中没有响应消息，处于空闲状态；状态k表示响应消息队列中有k个响应消息，其中一个 在接收控制端的服务，k_l个在排队。记响应消息队列在状态k时的概率为Pk，服务强度 根据响应消息队列的状态转移图，有⑴式。
[0026]
[0027] 于是求得，
[0028]
[0029] 设最佳缓存长度为L。，实际需要的队列长度为L。当大量的响应消息涌向控制端 时，响应消息不能全部进入缓存队列，部分响应消息被丢弃，表示缓存队列长度不足，即L。 <L。记被丢弃的平均响应消息数为1，其计算如下：
[0030]
[0031] 由等比压缩数列求和极限公式可得：
[0032]
[0033] 当只有少量响应消息返回给控制端时，缓存队列没有被完全占用，表示缓存队列 过长。设此时没有占用缓存队列的平均响应数为Mp，计算如下：
[0034]
[0035] 由于缓存队列长度过大或过小都会给控制端带来损失，为定量描述损失程度，设 计了控制端处理消息响应的代价指标T(L。）。当用户注重发现服务的实时性时，减少缓存队 列的长度可以缩短队列中响应消息的排队延时，使响应消息能够被控制端迅速处理，但会 造成部分响应消息丢失。设由于缓存队列长度过小，不能及时处理响应消息而造成的响应 损益为Cl。当用户侧重发现服务的准确性，即每个服务都必须被控制端处理时，增加缓存队 列长度能够保证每个响应消息都在队列中等待处理，但过长的缓存队列长度会引起较长的 时