CN100531119C - 一种ip网络的分组丢弃系统及分组丢弃方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IP网络的分组丢弃系统及分组丢弃方法，其中该系统包括接收器、分类器、测量器、标记器、整型/丢包器和发送器，其特征在于，还包括：一丢弃选择器，连接于标记器和整型/丢包器之间，在处于拥塞状态时，用于丢弃满足过滤条件的分组；一丢弃选择管理器，连接整型/丢包器和丢弃选择器，用于在接收到来自丢包器报告的丢弃的分组的信息时，根据丢弃的分组的信息设置过滤条件，并发送到丢弃选择器，并将丢弃选择器的状态设置为拥塞；整型/丢包器包括一分组信息上报模块，用于将丢弃的分组的信息上报给丢弃选择管理器。本发明的IP网络的分组丢弃系统及分组丢弃方法可区分流等级，避免TCP全局同步，且丢包器可对后续的分组进行控制。

Description

一种IP网络的分组丢弃系统及分组丢弃方法

技术领域

本发明涉及IP网络的分组丢弃，特别是通讯领域的IP网络服务质量(QoS)中的区分服务架构。

背景技术

在早期计算机网络和分组转发网中，网络只提供尽力而为的业务。对进入网络的业务流，都以先来先服务的方式对业务流分组进行服务。随着Internet和各种业务的迅猛发展，尤其是视频、话音等多媒体业务的迅猛增长，IP网络也由以前单一的数据网变成了多业务的综合网。此时，传统的IP网络没有服务质量保证的弱点已经显示出来。为此，业界提出了IP QoS的概念，就是希望在IP网络上能对不同业务提供相应的QoS保证。

从当前对IP QoS的研究成果看，主要有IntServ和DiffServ两种解决方案。IntServ(Integrated Services，综合服务)模型是IETF(国际互联网工程任务组，Internet Engineering Task Force)在早期提出的IP QoS模型，其基本思想是在传送数据之前，根据业务的QoS需求进行网络资源预留，从而为该数据流提供端到端的QoS保证。

DiffServ(Differentiated Services，区分服务)模型的基本思想是在网络的入口处按QoS要求为每个数据包分类，并在数据包中标记相应的区分服务代码点(DSCP，DiffServ CodePoint，区分服务码点)，用于指示数据包在网络转发路径的中间节点上被处理的方式。

两者相比，区分服务具有实现简单，扩展性好的特点。目前在IP网中区分服务得到了绝大部分厂家的支持，其具体实现技术包括分类、重标记、速率限制、流量整形、拥塞避免、队列调度等，实现的框架如图1所示，包括接收器1、分类器2、测量器3、标记器4、整型/丢包器5和发送器6，其中：

接收器1和发送器6分别负责接收和发送分组；

分类器2用于实现分类；

测量器3实现对速率进行测量；

标记器4实现对分组的重标记；

整型/丢包器5根据测量器3测量的结果对分组进行速率限制、流量整形、拥塞避免、队列调度等。

其中，整型/丢包器5(本文简称为丢包器)的一个重要部分就是分组丢弃机制：当数据分组到达发送缓冲队列前端时，缓冲管理方案根据特定的控制信息和当前系统状态决定是否丢弃该分组，丢弃的算法主要有尾部丢弃、头部丢弃、阈值丢弃、随机丢弃、选择性丢弃等等。

但是现有的分组丢弃机制存在一些不足之处：

第一，实际网络中的流量的相关的，后续的流量往往会根据先前的流量发生改变，最典型的是TCP(传输控制协议，Transmission Control Protocol)全局同步现象，就是在丢弃分组时，所有与该流有关的发送者都会因此同时重新发送，这种重新发送的全局同步化，会造成流量忽大忽小，在网络上产生很大的破坏；尾部丢弃在拥塞的时候会引起TCP全局同步现象；随机丢弃方法如RED(随机早期检测，Random Early Detection)和WRED(带权重的随机早期检测，Weighted RED)，能够随机地丢弃数据包，在一定程度上预防和避免了TCP的全局同步现象，但对于突发的多数据流，大流量的情况下，以上的丢弃方法都不能很好的避免TCP全局同步的现象；

第二，由于IP区分服务网络是对分组进行了汇聚，丢弃报文时是对汇聚后的流进行丢弃，所以造成实际上多个流的丢包，如果某个流或某个用户的业务在汇聚流中等级最低，它的丢弃概率却可以和高等级业务流相同，这样，在网络拥塞时，汇聚流中的高等级流则无法得到满足，也就是说丢弃不具有可控性，无法采用灵活的策略；

第三，目前的丢包器只能对当前的拥塞情况进行判断后，丢弃一部分分组，但无法对后续的分组进行控制，也就是说进入丢包器分组的数量无法受到丢包器的控制，丢包器只能被动的接收。

发明内容

本发明的目的在于提供一种IP网络的分组丢弃系统及分组丢弃方法，克服现有IP网络中分组丢弃方法无法区分流等级，同时无法很好的避免TCP全局同步，且丢包器无法对后续的分组进行控制等缺点。

为了实现上述目的，本发明提供了一种IP网络的分组丢弃系统，包括接收器、分类器、测量器、标记器、整型/丢包器和发送器，其中，还包括：

一丢弃选择器，连接于所述标记器和整型/丢包器之间，在处于拥塞状态时，用于丢弃满足过滤条件的分组；

一丢弃选择管理器，连接所述整型/丢包器和丢弃选择器，用于在接收到来自所述丢包器报告的丢弃的分组的信息时，根据所述丢弃的分组的信息设置过滤条件，并发送到所述丢弃选择器，并将所述丢弃选择器的状态设置为拥塞；还用于在所述整型/丢包器一段时间没有丢包时，删除所述丢弃选择器的部分过滤条件或设置所述丢弃选择器的状态为畅通，并且丢包选择器处于畅通状态时，将进入其中的分组直接送入整型/丢包器；

所述整型/丢包器包括一分组信息上报模块，用于将所述丢弃的分组的信息上报给所述丢弃选择管理器。

上述的IP网络的分组丢弃系统，其中，所述过滤条件和所述丢弃的分组的信息包括源IP地址、目的IP地址、源端口、目的端口、协议号、TOS中的一个或多个。

上述的IP网络的分组丢弃系统，其中，所述丢弃选择管理器在发送队列的平均队列长度恢复到一定阈值时，删除特定等级的过滤条件，或通过定时老化的机制来删除特定等级的过滤条件。

为了更好的实现上述目的，本发明还提供了一种IP网络的分组丢弃方法，其中，连接于标记器和整型/丢包器之间的丢弃选择器在处于拥塞状态时，丢弃满足过滤条件的分组，丢弃选择管理器在接收到来自整型/丢包器报告的丢弃的分组的信息时，根据所述丢弃的分组的信息设置所述过滤条件，并发送到所述丢弃选择器，同时将所述丢弃选择器的状态设置为拥塞；所述丢弃选择管理器在所述整型/丢包器一段时间没有丢包时，删除所述丢弃选择器的部分过滤条件或设置所述丢弃选择器的状态为畅通；所述丢弃选择器在处于畅通状态时，直接将进入其中的分组直接送入整型/丢包器。

上述的IP网络的分组丢弃方法，其中，所述过滤条件和所述丢弃的分组的信息包括源IP地址、目的IP地址、源端口、目的端口、协议号、TOS(Typeof Service，服务类型)中的一个或多个。

本发明的IP网络的分组丢弃系统及分组丢弃方法，与现有技术相比，对原有的丢包器进行了改进，在发生拥塞时，原有的丢包器仅仅丢弃报文，无法控制进入丢包器的流量，改进后的丢包器，在丢弃报文的同时发送报文特征的反馈消息到丢弃选择管理器，改变了原先丢包器无法影响进入自身流量的状况；同时在发现拥塞恢复时可以通知丢弃选择管理器，恢复一部分流量。

分组进入丢包器前，增加了一个丢弃选择器，在发生拥塞时发挥作用，对于特定的流可以直接丢弃，不仅减少了可能被丢弃的数据流的个数，还减轻了大量TCP连接重传造成TCP全局同步带来的网络拥塞，保证多数流正常的处理，提高了网络的利用率。

同时，增加的丢弃选择管理器，可以在反馈信息的基础上进行一定的策略控制，结合配置的本地策略，最终决定是否向丢弃选择器配置过滤器，提供给运行商灵活的选择机制。

附图说明

图1为现有技术的IP网络的分组丢弃系统的结构图；

图2为本发明的IP网络的分组丢弃系统的结构图；

图3为本发明的IP网络的分组丢弃方法的流程图。

具体实施方式

如图2所示，本发明的IP网络的分组丢弃系统在现有的IP网络的分组丢弃系统的基础上增加了一丢弃选择器7和一丢弃选择管理器8，其中：

丢弃选择器7连接标记器4和整型/丢包器5’，用于根据过滤条件对进入到其中的报文进行筛选丢弃；

过滤条件可以是源IP地址、目的IP地址、源端口、目的端口、协议号、TOS等单个或多个组合字段进行匹配，如果进入丢弃选择器7的报文符合过滤条件，则被丢弃。

丢弃选择器7有两种状态：拥塞和畅通，当丢弃选择器处于拥塞状态时，所有报文都必须经过丢弃选择器7的筛选，处于畅通状态时则直接进入丢包器5’，而不需要经过丢弃选择器7进行筛选，丢弃选择器7的状态由丢弃选择管理器8决定，当丢弃选择管理器8发现丢包器中有报文丢弃则将丢弃选择器7置为拥塞状态，一段时间没有丢包，则可以将丢弃选择器7恢复为畅通状态。

丢弃选择管理器8连接整型/丢包器5’和丢弃选择器7，接收来自丢包器5’报告的分组信息，并结合事先配置的过滤策略判断是否应该过滤该分组所在流的后续分组，该策略包括判断条件和过滤条件两部分，如果需要过滤，则将策略中的过滤条件发送到丢弃选择器7；

同时，丢包器5’在现有的通用丢包器的基础上，其中加入了一分组信息上报模块，对于经过丢弃算法处理过后丢弃的报文，在丢弃报文的同时，还要把分组的信息通过该分组信息上报模块上报给丢弃选择管理器7，该上报的分组信息包括分组的五元组和TOS字段等等，同时，在拥塞恢复时可以通知丢弃选择管理器8拥塞已经缓解，由丢弃选择管理器8决定是否可以撤消一部分过滤条件，具体实施可以判断发送队列的平均队列长度恢复到一定阈值时，撤消特定等级的过滤器，或是通过定时老化的机制来实现。

过滤策略可以是对协议的判断条件、对时间的判断条件和/或对用户的判断条件与过滤条件的组合，下面举例进行说明。

Policy 1：

(proto＝＝1)-＞drop(src_ip，proto，level＝5)；

Policy 2：

(src_ip＝＝192.168.1.10&&(dst_port＝＝80||dst_port＝＝21))-＞pass；

Policy 3：

(src_ip＞＝192.168.1.1&&src_ip＜＝192.168.1.254)-＞drop(src_ip，level＝4)；

Policy 4：

(tos＝＝0)-＞drop(src_ip，dst_ip，src_port，dst_port，proto，tos，probability＝90％，level＝1)；

Policy 5：

True-＞pass；

上面列举了5种过滤策略，其中：

过滤策略1中的判断条件为拥塞丢弃分组协议号为ICMP，而过滤条件的内容包括源IP和协议号，其它字段为通配符；

过滤策略2中的判断条件为拥塞丢弃分组的源IP为192.168.1.10，业务为FTP或HTTP，不设置过滤条件；

过滤策略3中的判断条件为拥塞丢弃分组的源IP处于192.168.1.0到92.168.1.254这个网段，过滤条件的内容为源IP，其它字段为通配符；

过滤策略4中的判断条件为拥塞丢弃分组的TOS字段等于0，过滤条件的内容包括源IP、目的IP、源端口、目的端口、协议号、TOS，但并不是所有丢弃的流都配置过滤器，配置的概率为90％，即有90％的情况下需要配置过滤规则；

过滤策略5是一个缺省的过滤策略，当以上的过滤策略都不适用时，使用缺省策略，即不配置过滤器。

其中level参数表示拥塞恢复时，过滤条件撤消的优先级，比如0.5秒没有发生丢包就把高一级的过滤器删除。

结合图2，本发明的IP网络的分组丢弃方法中，接收器1接收分组，经过分类器2分类，且在标记器4里重标记后，到达丢弃选择器7；

如果处在畅通状态，分组直接进入拥塞缓冲队列，如果处于拥塞状态，分组进入丢弃选择器7，根据分组的信息(包括源IP地址、目的IP地址、源端口、目的端口、协议号、TOS中的一个或多个)查找过滤条件，判断是否需要丢弃该分组；

如果该分组在丢弃选择器7处没有丢弃，则进入丢包器5’，此时如果被丢包器5’丢弃，则将该分组的信息(包括分组的五元组和TOS字段等)反馈至丢弃选择管理器8；

丢弃选择管理器8接收到分组的信息后，配置丢弃选择器7的过滤条件，如果后续的报文满足过滤条件，则将其丢弃，丢弃选择管理器8还可以设置一定的丢弃策略，对于后续满足过滤条件的报文进行一定概率的丢弃；

丢包器5’恢复正常时，发送消息到丢弃选择管理器8，删除丢弃选择器7中的某些过滤器或设置状态为畅通。

结合图2对本发明的IP网络的分组丢弃方法进行进一步详细的描述。

如图2和图3所示，本发明的IP网络的分组丢弃方法具体包括如下步骤：

步骤301，接收器1接收分组，经过分类器2分类，且在标记器4里重标记后，到达丢弃选择器7；

步骤302，判断丢弃选择器7是否处于拥塞状态，如果是进入步骤303，否则进入步骤304；

步骤303，丢弃选择器7根据分组的信息查找对应的过滤条件，如果查找到对应的过滤条件进入步骤311，否则进入步骤304；

步骤304，丢弃选择器7将分组送入丢包器5’；

步骤305，丢包器5’根据现有的丢弃算法(RED/WRED、尾部丢弃、头部丢弃、阈值丢弃、随机丢弃、选择性丢弃等)判断是否需要丢弃分组，如果是进入步骤306，否则进入步骤309；

步骤306，丢包器5’丢弃分组，并将丢弃的分组的信息发送给丢弃选择管理器8，该分组的信息包括分组的五元组和TOS字段等；

步骤307，丢弃选择管理器8根据丢弃的分组的信息查找预先配置的策略，如果查找到则提取预先配置的策略中的过滤条件发送到丢弃选择器7，进入步骤308，否则直接进入步骤308；

步骤308，丢弃选择管理器8设置丢弃选择器7的状态置为拥塞；

步骤309，丢包器5’判断是否拥塞缓解，如果是进入步骤310，否则直接结束本轮操作；

步骤310，丢包器5’发送丢包器拥塞缓解的指令给丢弃选择管理器8，丢弃选择管理器8更新丢弃选择器7的过滤条件或将丢弃选择器7的状态设置为畅通后结束本轮操作，更新丢弃选择器7的过滤条件可以是发送队列的平均队列长度恢复到一定阈值时，撤消特定等级的过滤器，或是通过定时老化的机制来实现，例如，为每一条过滤规则设置一个定时器，当定时器设置到超时的时间内没有匹配的报文经过，则删除该规则；

步骤311，丢弃选择器7丢弃分组结束本轮操作。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1、一种IP网络的分组丢弃系统，包括接收器、分类器、测量器、标记器、整型/丢包器和发送器，其特征在于，还包括：

一丢弃选择器，连接于所述标记器和整型/丢包器之间，在处于拥塞状态时，用于丢弃满足过滤条件的分组；

一丢弃选择管理器，连接所述整型/丢包器和丢弃选择器，用于在接收到来自所述整型/丢包器报告的丢弃的分组的信息时，根据所述丢弃的分组的信息设置过滤条件，并发送到所述丢弃选择器，并将所述丢弃选择器的状态设置为拥塞；还用于在所述整型/丢包器一段时间没有丢包时，删除所述丢弃选择器的部分过滤条件或设置所述丢弃选择器的状态为畅通，并且丢包选择器处于畅通状态时，将进入其中的分组直接送入整型/丢包器；

所述整型/丢包器包括一分组信息上报模块，用于将所述丢弃的分组的信息上报给所述丢弃选择管理器。

2、根据权利要求1所述的IP网络的分组丢弃系统，其特征在于，所述过滤条件和所述丢弃的分组的信息均包括源IP地址、目的IP地址、源端口、目的端口、协议号、服务类型中的一个或多个。

3、根据权利要求1所述的IP网络的分组丢弃系统，其特征在于，所述丢弃选择管理器在发送队列的平均队列长度恢复到一定阈值时，删除特定等级的过滤条件，或通过定时老化的机制来删除特定等级的过滤条件。

4、一种IP网络的分组丢弃方法，其特征在于，连接于标记器和整型/丢包器之间的丢弃选择器在处于拥塞状态时，丢弃满足过滤条件的分组，丢弃选择管理器在接收到来自整型/丢包器报告的丢弃的分组的信息时，根据所述丢弃的分组的信息设置所述过滤条件，并发送到所述丢弃选择器，同时将所述丢弃选择器的状态设置为拥塞；所述丢弃选择管理器在所述整型/丢包器一段时间没有丢包时，删除所述丢弃选择器的部分过滤条件或设置所述丢弃选择器的状态为畅通；所述丢弃选择器在处于畅通状态时，直接将进入其中的分组送入整形/丢包器。

5、根据权利要求4所述的IP网络的分组丢弃方法，其特征在于，所述过滤条件和所述丢弃的分组的信息均包括源IP地址、目的IP地址、源端口、目的端口、协议号、服务类型中的一个或多个。

6、根据权利要求5所述的IP网络的分组丢弃方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤301，接收器接收分组，经过分类器分类，且在标记器重标记后，送入所述丢弃选择器；

步骤302，判断所述丢弃选择器是否处于拥塞状态，如果是进入步骤303，否则进入步骤304；

步骤303，所述丢弃选择器根据分组的信息查找对应的过滤条件，如果查找到对应的过滤条件进入步骤311，否则进入步骤304；

步骤304，所述丢弃选择器将分组送入所述整型/丢包器；

步骤305，所述整型/丢包器判断是否需要丢弃分组，如果是进入步骤306，否则进入步骤309；

步骤306，所述整型/丢包器丢弃分组，并将丢弃的分组的信息发送给丢弃选择管理器；

步骤307，所述丢弃选择管理器根据丢弃的分组的信息查找预先配置的策略，如果查找到则提取预先配置策略中的过滤条件发送到所述丢弃选择器后进入步骤308，否则直接进入步骤308；

步骤308，所述丢弃选择管理器设置所述丢弃选择器的状态为拥塞；

步骤309，所述整型/丢包器判断是否拥塞缓解，如果是进入步骤310，否则直接结束本轮操作；

步骤310，所述丢弃选择管理器删除所述丢弃选择器的部分过滤条件或将所述丢弃选择器的状态设置为畅通后结束本轮操作；

步骤311，所述丢弃选择器丢弃分组结束本轮操作。

7、根据权利要求6所述的IP网络的分组丢弃方法，其特征在于，所述步骤305中，所述整型/丢包器根据尾部丢弃、头部丢弃、阈值丢弃、随机丢弃或选择性丢弃方法判断是否需要丢弃分组。

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