CN101060484B - 基于管制器的加权公平带宽分配的有效方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有效的基于策略器的加权公平带宽分配系统。所述系统基于多个策略器和单个队列。为实现公平，自适应地控制排队分组的速率。特别地，首先确定队列占用率，随后使用所述占用率计算衰减(Attn)值。用所述衰减值与每个策略器的超额信息速率(EIR)相乘得到需要实施的新EIR。

Description

基于管制器的加权公平带宽分配的有效方法和系统

技术领域

本发明一般地涉及通信网络，并且更特别地，涉及在通信网络中对数据业务进行排队的技术。

背景技术

出于商业、社会和娱乐目的而访问和使用无线网络变得日益重要和普遍。现在无线网络用户依靠无线网络进行语音和数据通信。并且越来越多的用户要求有更多服务项目和更高的能力，以及更大的带宽以便进行诸如互联网冲浪之类的活动。为解决和满足对新服务和更大带宽的需要，无线通信业一直致力于增加服务项目数量并提高无线网络的吞吐量。为提供更多服务和更高带宽，就需要扩展和改进基础设施，其实施起来费用高昂，而且耗费人力。此外，为支持诸如实时音频-视频下载和两人或多人间的音频-视频直播通信之类的功能，客户最终必然要求高带宽数据流。因此将来引入下一代无线系统而不是试图升级现有系统，将成为必然，并且/或者更加成本有效。

为此，无线通信业要继续提高其所倚赖的技术能力，并且通过采用下一代系统将此技术能力提供给其用户。为满足无线用户不断发展的需要而设计的下一代标准协议，正由第三代合作伙伴计划(3GPP)进行标准化。这一系列协议整体称为通用移动通信系统(UMTS)。

在目前的互联网状态下，确保带宽公平和支持多级别等待时间的问题变得越来越重要。典型地，通过使用所谓的“公平排队”算法提供有保证的带宽公平。这些算法可以保证某个链路(或虚拟链路)的带宽在链路的各个流之间公平地分配。公平排队算法通过公平排队(或带宽)调度程序整合到网络系统中。这些调度程序寻求即使当存在不良源的情况下也能控制拥塞，从而以充分高的速率向网关发送分组的单个源不能占据任意高部分的出线带宽。提供带宽保证固然重要，使对等待时间挑剔的业务流(例如基于IP的语音和视频)经历尽可能少的延迟时间也很重要。目前通过优先级(或等待时间)调度程序为业务流区分优先级，以使对等待时间挑剔的流经历较少的等待时间。

传统网络解决方案已经试图同时解决公平排队和优先级调度问题，并且尽管两者之间存在固有的牵制关系，但在将这两种特征整合在网络系统中这一方面还是取得了某种程度上的成功。

加权公平排队(WFQ)是为人熟知的基于流的排队技术，其例如已在US 6810426或US 6850540中所公开的。WFQ同时将交互业务调度到队列前部以降低响应时间，并且其在高带宽流之间公平地分配剩余的带宽。

图1示出了根据现有技术的一个传统WFQ系统100，所述系统包括N个队列110-1到110-N。每个队列110服务于单一源(或连接)并且分配有一个相应的权重。离开其相应队列110的每个分组都被直接发送给输出信道120。WFQ系统100中实施的调度方法可以保证队列110中分组的等待时间总是与队列的权重成比例。

例如，一个WFQ系统具有三个队列Q1、Q2和Q3，并且分别分配有权重W₁＝5，W₂＝2，以及W₃＝3。输出信道最大允许的速率为10MB/s。在此示例性系统中，如果所有的队列都有分组在等待，则Q₂和Q₃分别得到2MB/s和3MB/s的有保证的带宽，并且Q₁得到5MB/s的有保证的带宽。如果Q₁没有任何分组在等待，则多余带宽为5MB/s。在WFQ系统中，将按照比例根据有分组在等待的队列的关联权重重新分配此多余带宽。也就是说，当队列Q₁没有分组在等待时，多余带宽按照比例分配给队列Q₂和Q₃，因此它们现在分别得到4MB/s和6MB/s带宽。

WFQ技术的优势之一是端到端延迟保证，即每个分组保证具有特定速率使得每个分组在流中流动。另一个优势是解决数据流特别地突然出现空闲时能力的不充分利用问题。在此情况下WFQ技术促进对空闲带宽的重新分配，以保持工作守恒(work-conservation)特性。

US 6192032 B1描述了一种视频帧发射机，其具有用于调节视频帧分组传输速率的流量平滑器，用于控制进入网络的视频帧分组的流量管制(policing)装置，以及传输速率衰减器，为管制装置和流量平滑器共同工作提供了一种机制。典型地，管制装置和流量平滑器独立工作将导致分组优先级下降。根据US 6192032 B1的启示，通过降低视频帧的传输速率，管制装置得以创建更多的令牌，从而使视频帧中的所有分组在优先级都不降低的情况下进行传输。

发明内容

WFQ技术的不足之处在于其实施方法。传统的WFQ系统基于多个队列，这种配置复杂而昂贵。而且，基于队列的系统要求保持每个分组的状态。这个要求与大多数通信系统不相符。因此提供一种有效的加权公平带宽分配系统，将非常有益。

这些目标以及下文述及的目标，是通过根据权利要求1的公平管制方法以及通过根据权利要求5的加权公平管制(WFP)系统实现的。在从属权利要求中描述了有利的改进。

附图说明

图1是传统的WFQ系统(现有技术)；

图2是有效的加权公平系统的非限制性示例方框图，示出了根据本发明的一个实施例；

图3是衰减函数的非限制性示例曲线图；

图4是所公开加权公平系统工作的一个例子；

图5是描述了实现加权公平管制的方法的非限制性流程图，示出了根据本发明的一个实施例；

图6是包括区分了优先级的队列的有效加权公平管制系统的非限制性示例图，示出了根据本发明的一个实施例。

具体实施方式

本发明公开了一种有效的加权公平管制(WFP)系统，所述系统能够实现加权公平带宽分配。所述系统基于多个管制器和单个队列。为实现公平，自适应地控制被管制分组的速率。

图2是WFP系统200的一个非限制性示例方框图，示出了本发明的一个实施例。WFP系统200包括连接到单个队列220的M个管制器210-1到210-M，带宽调节模块230，以及输出信道240。每个管制器210都设置一个输入速率(InRate)和一个最大超额信息速率(EIR_max)参数。管制器是一个限速装置，拒绝以超过某一预定速率阈值的瞬时速率到达管制器的数据分组。特别地，每个管制器210都能够处理单个数据流并且计算需要实施的新EIR。也就是说，如果各个数据流的分组的瞬时速率不超过新计算得出的EIR，这些分组就可从管制器210传输给队列220。新EIR根据以下公式计算：

            EIR_new＝Attn*EIR_max；    (1)

其中参数“Attn”由下文所述的衰减函数确定。EIR_max是管制器能够传输的最大带宽。实际上，EIR_max是预设的值，该值决定WFP算法的权重。流过管制器的数据分组不能超过InRate。管制器210的一个例子可见于申请号为PCT/112004/00781的PCT申请，申请人为Zeitak，标题为“APolicer and Method for Resource Bundling(资源绑定的管制器和方法)”，转让给共同受让人，并且其全部内容通过在此引用而成为本申请的组成部分。

输出信道240的输出速率由最大允许速率(以下称为“RATE_max”)参数确定。管制器210允许的总速率超过RATE_max时即发生拥塞。带宽调节模块230监测队列占用率和队列入口速率(以下称为“Qocc”)，并且利用衰减函数310计算Attn值。图3示出了衰减函数310的非限制性示例曲线图。如图所示，Attn值的范围在0到1之间，其中当队列220为空时其值为1，并且当队列为满时其值为0。Attn值被发送给每个管制器210，管制器210随后计算需要实施的EIR_new。衰减函数(AT)的一个示例性实施例如下：

$\mathrm{AT}\left(\mathrm{Qocc}\right)=\left\{\begin{array}{c}1;\mathrm{ifQocc}<\mathrm{Th}1\left[\mathrm{changed}\right]\\ 0;\mathrm{ifQocc}>\mathrm{Th}2\\ \frac{\mathrm{Th}2-\mathrm{Qocc}}{\mathrm{Th}2-\mathrm{Th}1};\mathrm{ifTh}<\mathrm{Qocc}<\mathrm{Th}2\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中Th2是归一化因子，其确定队列的最大占用率(以字节为单位)，并且Th1是等于α*Th2的阈值。参数α是可配置的，并且在示例性实施例中设α为0.6。

本领域普通技术人员应当能够理解，管制器基于带宽，因此不能模拟加权公平排队。然而，通过利用队列占用率自适应地并且直接地控制每个管制器的带宽，可以保证就最大允许速率而言的公平。也就是说，通过控制管制器的带宽，以低于其EIR_max的速率传输的源可以继续发送未分配的业务；否则，EIR_max将降低。

图4是描述实施加权公平排队的方法的非限制性流程图400，示出了本发明的一个实施例。该方法只有在检测到拥塞时才适用。在步骤S410，确定队列220的Qocc值。在一个实施例中Qocc根据时间以队列平均深度计算。这通过每次一个分组进入队列或从队列中移除时测量队列存储的字节数来完成。对队列深度求平均可提供稳定的Qocc值。在步骤S420，根据衰减函数利用Qocc计算Attn值。可通过方程式2计算Attn值。发明人在此说明，Attn值在达到其平衡点之前可能有微小的变化。当满足以下方程式时达到该点：

${\mathrm{RATE}}_{\max }=\underset{\mathrm{policers}}{\mathrm{\&Sigma;}}\min (\mathrm{InRate},\mathrm{Attn}*{\mathrm{EIR}}_{\max }).---\left(3\right)$

替代地，在没有拥塞的情况下，当满足以下方程式时达到平衡点：

${\mathrm{RATE}}_{\max }<\underset{\mathrm{policers}}{\mathrm{\&Sigma;}}\min (\mathrm{InRate},{\mathrm{EIR}}_{\max }).---\left(4\right)$

在步骤430，将Attn值发送给每个管制器210。如步骤S440所示，Attn值用于计算EIR_new并在进入的分组上实施该EIR_new。可以通过方程式1计算EIR_new。

接下来描述根据本发明实现的加权公平排队的非限制性例子。图5示出了示例性的WFP系统500，所述系统包括连接到队列520的三个管制器510-1，510-2和510-3。每个管制器510-1，510-2和510-3都配置一个EIR_max值，该值例如等于30MB/s。源A通过管制器510-1以例如等于10MB/s的速率发送分组；源B通过管制器510-2以例如等于20MB/s的速率发送分组；并且，源C的输出速率例如为30MB/s。输出信道540的RATE_max例如是30MB/s。显然在此示例性配置中发生拥塞。

为公平调度输入源的分组，计算Attn值。在上述例子中，当Attn值为1/3时达到平衡点。该值被发送给管制器510-1，510-2和510-3，由管制器计算EIR_new值。所有管制器510-1，510-2和510-3计算得到的EIR_new值为10MB/s。管制器510不能以大于计算得到的EIR_new的速率传输分组，并且因此管制器合计发送的分组的速率不会大于RATE_max。

需要注意，Attn将根据输入源的业务速率自适应地改变。例如，如果源A停止传输分组，则队列520的深度降低并且因此产生新的Attn值。在这里，当Attn值等于1/2时达到平衡。相应地，管制器510-1和510-2的EIR_new值设置为10MB/s。

在本发明的另一个实施例中，本文公开的WFP技术的原理可以应用于有多个队列的系统，其中每个队列都有各自的优先级。图6示出了示例性系统600，所述系统包括连接到队列620-1，620-2和620-3的N个管制器610-1到610-N。队列620-1，620-2和620-3分配到的优先级分别是高，低和中。优先级决定了队列中分组的等候时间，即在高优先级队列中的分组相对于在低优先级队列中的分组排队等待的时间较短。在该实施例中，每个队列与不同的衰减函数相关联。低优先级队列620-3的衰减函数(AT_L)基于该队列的Qocc，即AT_L＝F[Qocc_L]。中优先级队列620-2的衰减函数(AT_M)基于该队列的Qocc(Qocc_M)，并且基于低优先级队列620-3的CIR字节占用率QoccLC，即AT_M＝F[Qocc_M，QoccLC]。高优先级队列620-1的衰减函数(AT_H)基于队列620-1的Qocc，同时也基于低优先级队列620-3的CIR字节占用率QoccLC和中优先级队列620-2的CIR字节占用率QoccMC，即AT_M＝F[Qocc_MQoccMC，QoccLC]。利用较低优先级的队列的CIR占用率值来设置较高优先级队列的值，是为了将具有承诺信息速率(CIR)的分组从较低优先级的队列中发出。实际上，低优先级队列和中优先级队列的Qocc_C是相应队列中CIR字节数目的函数。

Claims (8)

1.一种通过执行加权公平管制为多个数据流公平地分配带宽的方法，所述方法包括以下步骤：

-以队列结构接收来自多个源的多个数据分组，

其特征在于，所述队列结构(200)包括多个连接到一个数据队列(220)的管制器(210)，并且每个所述管制器能够处理来自单个源的单个数据流，并且每个所述管制器都分配有一个相应的需要实施的超额信息速率EIR；

所述方法进一步包括以下步骤：

-计算所述队列(220)的衰减值Attn，所述衰减值决定管制器(210)到所述队列(220)的当前拥塞；并且

-使用所述衰减值自适应地改变所述管制器(210)的超额信息速率EIR。

2.根据权利要求1的方法，其中计算所述衰减值Attn，进一步包括以下步骤：

监测队列占用率；并且

利用队列占用率和衰减函数确定所述衰减值。

3.根据权利要求2的方法，其中监测队列占用率包括：

测量所述队列的平均深度。

4.根据权利要求1的方法，其中自适应地改变所述EIR进一步包括：

在多个管制器(210)处接收所述衰减值；并且

由所述多个管制器的每一个管制器计算需要实施的新EIR值。

5.一种加权公平管制系统，用于在通信网络中为多个数据流公平地分配带宽，所述加权公平管制系统包括：

多个管制器(210)，每个所述管制器(210)都能够自适应地改变需要实施的超额信息速率，其中多个管制器(210)连接到单个队列(220)；

所述多个管制器(210)能够连接到不同的源，其中每个所述管制器能够处理来自单个源的单个数据流，并且所述多个源中的每个源分配有各自的优先级，以及

带宽调节模块(230)，连接到所述队列(220)和所述多个管制器(210)，所述带宽调节模块(230)能够为所述队列(220)计算衰减值Attn，所述衰减值决定管制器(210)到所述队列(220)的当前拥塞情况；其中所述管制器(210)适于使用所述衰减值Attn自适应地改变它们的超额信息速率EIR。

6.根据权利要求5的加权公平管制系统，其中较高优先级队列的衰减值Attn至少基于一个较低优先级队列的衰减值Attn。

7.根据权利要求5的加权公平管制系统，其中所述衰减值Attn是相应队列中承诺信息速率CIR分组的数目的函数。

8.根据权利要求5的加权公平管制系统，其中所述多个管制器中每一个管制器的EIR都根据所述衰减值Attn按照线性比例改变。

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