CN101099145A - 双向消息收发网络中用于管理地区间带宽的方法 - Google Patents

双向消息收发网络中用于管理地区间带宽的方法 Download PDF

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CN101099145A CNA2005800238998A CN200580023899A CN101099145A CN 101099145 A CN101099145 A CN 101099145A CN A2005800238998 A CNA2005800238998 A CN A2005800238998A CN 200580023899 A CN200580023899 A CN 200580023899A CN 101099145 A CN101099145 A CN 101099145A
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Abstract

一种用于消息收发系统的拥塞控制水平方法，该系统具有耦合至多个地区控制器(102)的多个退出路由器(104)，该方法包括根据业务类型确定拥塞控制值，并且根据该拥塞控制值向控制平面上的多个地区控制器通知音频平面上的拥塞控制水平。业务类型包括此处说明的音频、语音和/或数据。

Description

双向消息收发网络中用于管理地区间带宽的方法
技术领域
本发明涉及在多个地区内管理带宽的方法，每一地区被形成为包括一个或多个发射机单元，更具体地，涉及在地区间链路上高效可靠地处理带宽以最小化拥塞的方法。
背景技术
带宽在目前的市场上是珍贵的商品，从而在所有网络通信领域中一直努力地优化带宽利用率。
问题在于网络拓扑与因特网技术固有的应用无关。在本领域公知的传输控制协议(TCP)的过去的实现方式中，通过根据丢失分组的数量调整拥塞控制窗口来实现拥塞控制。根据丢失分组的数量调整拥塞控制窗口既低效又不准确，因为它依赖于拥塞是造成分组丢失的唯一重要原因的假设，并且要求即使能够成功传递分组，也要将它们丢掉。
在双向消息收发系统中，根据丢失分组的数量简单地调整拥塞控制窗口绝对不可接受，因为这导致音频/语音呼叫(例如，分组，业务)被不必要地中断。相反，作为双向无线系统大脑的地区控制器负责在地区内和地区间(例如，在地区间链路上)分配资源。
在这样的系统内，存在很大可能性极大的呼叫量通过地区间链路，但是平均利用率要低多个数量级。即使应用层没有地区间网络拓扑的直接知识，但是应用有必要这样运行，即当这些突发状况出现时应当被适当地处理。如果地区间链路在很长的时间段上拥塞或者用户过多，那么该链路上的所有呼叫将经历增加的延迟和抖动，使得在另一端感觉不到经过该链路的呼叫。
因此，所需要的是一种高效和可靠地处理地区间带宽的消息收发方法，以最小化所需的带宽量，同时提供可接受的抖动与延迟程度。理想地，该方法将在拥塞发生之前检测即将到来的拥塞问题，并且通过占线/拒绝进入的呼叫请求动态地处理地区间链路上的拥塞。
附图说明
现在仅通过示例并参考附图说明本发明的优选实施例，在附图中：
图1(现有技术)表示采用IP网络拓扑的双向消息收发系统，该系统具有多个地区控制器、多个退出路由器以及平行的控制平面与音频平面通信通路；
图2(现有技术)表示IP分组头部的服务类型(TOS)字段；
图3是表示根据本发明优选实施例的由地区控制器实现的算法流程图，用于检测拥塞控制水平；
图4是表示根据本发明优选实施例的由退出路由器实现的链路算法流程图，用于检测地区间链路上的拥塞控制水平；以及
图5是表示根据本发明优选实施例的由退出路由器实现的分组算法流程图，用于向地区控制器通知拥塞控制值。
具体实施方式
本发明公开一种在双向消息收发系统中高效和可靠地处理地区间链路上的带宽以最小化拥塞的方法，该系统包括使用相同的控制平面和音频平面通信通路的多个地区控制器以及退出路由器。本发明公开一种方法，该方法根据业务类型确定特定链路的拥塞控制值(例如，明确的拥塞通知(ECN)值)，并且根据在音频平面上感知的拥塞控制值向控制平面上的多个地区控制器的至少子集通知链路的拥塞控制水平。本发明还公开一种方法，该方法通过处理由退出路由器指示的地区控制器接收的拥塞反馈信息评估地区间资源的可用性。现在参考图1-5来详细说明本发明。将会明白，为了出于解释的简明，图中的元件不一定依比例绘制。例如，一些元件的尺寸彼此相对放大。进一步地，在认为适当时，在各图中重复引用标记，以指示相同的元件。
图1所示的双向消息收发系统表示多个地区控制器102和多个退出路由器104。每一地区控制器102耦合至退出路由器104，并且在IP网络拓扑100中的双向消息收发系统中，退出路由器104经由地区间链路106彼此耦合，如本领域所公知。在IP网络拓扑100中，每一地区控制器102可被视为节点，通过局部的网格连接至另一地区控制器102。地区间链路106通常具有足够的带宽来支持预定数量的呼叫。IP网络中的每一地区控制器102将其去往和/或来自框架中任何其它地区的共同地区间业务视为与两个主机之间的单个TCP会话使用业务相类似。
从历史上看，地区间的控制业务使用与音频业务使用的链路相分离的链路。用于控制业务的物理连接网络被称为控制平面，而用于音频业务的网络被称为音频平面。如图1所示，在基于IP的双向消息收发系统中，控制业务和音频业务流被分组化并被交织，从而可共享相同的物理链路108。然而，控制平面和音频平面的概念仍然用于解释的目的，即使这两个逻辑平面都共享相同的物理介质。因此每一地区控制器102具有在相同的地区间链路106上流动的对应控制和音频平面。这使得系统确保在链路失效期间由于重汇聚造成控制和音频通路108不可用时不发送业务。
分组化的业务基于不同的业务类型(例如，音频/语音分组、数据分组)，这些业务类型以本领域技术人员公知的方式根据IP分组头部的TOS字节200中的前导比特划分优先级。一旦分组到达目标地区，它们就被发送至适当的端节点(多个)(例如，音频流向端节点，而控制业务流向地区控制器)。
在本发明中，利用下面图2所示的拥塞控制水平，经过拥塞链路的任何进入/入向或者离开/出向的分组导致分组被标记有拥塞控制值，并且该标记被传送至位于发送地区控制器102的地区中的端节点(例如，用户设备；未示出)。从而，如果语音业务超过任何地区间链路106上的拥塞控制水平，那么退出路由器104n设置适当的拥塞控制值。
图2表示IP分组头部的服务类型(TOS)字节200。IP分组头部的TOS字节200包括八个比特(比特0-7)，并且目前在因特网工程任务组(IETF)标准RFC3168中定义。TOS字节200的比特6和7的组合在本领域中称为ECN字段204。位于ECN字段204中的拥塞控制值用于向地区控制器明确地提供拥塞信息。在IEFT标准RFC3168中，ECN能力传输(ECT)比特(例如，比特6)206允许退出路由器确定端节点是否能够进行层3拥塞控制，并且经历拥塞(CE)的比特(例如，比特7)208被用于向退出路由器提供一种机制来向端节点通告拥塞，而不需要丢失分组。
在本发明中，ECN字段204中的拥塞控制值具有四种设置，它们代表拥塞水平：01代表拥塞，10代表无拥塞，11代表用户过多，00代表非ECN能力传输。
退出路由器104将拥塞控制值设为01，以在链路上的呼叫数量增加到音频可能开始经历足以影响音频质量的延迟时指示拥塞。这可在正常的系统操作下出现。拥塞门限应当被确定为音频分组的排队延迟处于被认为可接受的限制的％利用率(或者每一采样间隔的音频字节)。当超过此限制时，不允许开始新的呼叫，但是现有的呼叫可以继续。然而，用户过多是比用于拥塞的更高的％利用率。这不希望在正常的系统操作中发生。它可在当链路失效导致大量呼叫被重新路由或者当不寻常的大量呼叫在非常短的时间段内开始时发生。此时，所有音频都受到严重地影响，并且必须立即采取一些行动来降低经过用户过多的链路上的呼叫数量，从而退出路由器104将拥塞水平设置为11。退出路由器104将拥塞水平设置为用于非ECN能力传输的00，作为端节点不能检测IETF标准定义的层3拥塞控制(例如，ECT比特206)的指示。
从而，在IP分组头部200中增加ECN字段204在本发明中用于在地区控制器102中实现闭环反馈控制算法，如图3进一步说明。地区控制器102和退出路由器104被视为闭环反馈系统中的部件，它们均具有根据来自网络的反馈来控制输出信号的能力。地区控制器102使用被请求的呼叫加载连同ECN字段204中接收的拥塞控制值，以调整在网络上允许的业务量。退出路由器104使用它感知的业务量来在拥塞控制值被发送至地区控制器102之前调整ECN字段204中的拥塞控制值。
图3表示由IP网络中的每一地区控制器102实现的算法流程图300。如图所示，地区控制器102通过发送拥塞控制水平被设置为01(如前在图2中所示)以指示没有拥塞的控制分组建立了遍布网络的所有地区间链路106(在步骤302)。之后对于每一地区间链路106，地区路由器102在预定时间段上记录从另一地区接收的任何进入的分组的拥塞控制值(例如，0-10秒；在步骤304)。地区控制器102然后确定在地区间链路之一上是否检测到用户过多(在步骤306)。如果地区控制器102检测到任何地区间链路的用户过多(在步骤306)，那么地区控制器102立即终止涉及该用户过多的地区间链路(多个)的预定百分比(例如10％-50％)的激活呼叫(在步骤308)。然而，如果地区控制器102没有检测到任何地区间链路的用户过多(在步骤306)，那么地区控制器102确定在任何地区间链路106上是否检测到任何拥塞(在步骤310)。如果地区控制器102检测到拥塞，那么地区控制器102允许所有的激活呼叫继续并且占线/拒绝(即，抵制)涉及拥塞的地区间链路的任何新的呼叫请求(在步骤312)。然而，如果地区控制器102在其任何地区间链路上没有检测到拥塞(在步骤310)，那么地区控制器102允许所有的激活呼叫继续，并且相应地处理所有新的呼叫请求(在步骤314)，假设所有其它必要的资源可用。
再次参考图1，控制和音频通路实质上是双向的，使得从一个地区控制器102至另一地区控制器102的音频不一定沿着与另一方向中的音频相同的通路。这样，两个地区控制器102可能对两个地区之间可用于音频业务的地区间带宽作出不同的估计。例如，可能从地区41024至地区2 1022检测到拥塞/用户过多，而在从地区2 1022到地区41024的相反通路上没有检测到拥塞/用户过多。在此情形下，由地区控制器102实现的算法必须为地区控制器102提供一种机制来知道两个地区中的拥塞控制值，并且使用二者中的最差值。通过使所有有关的地区控制器102基于它从退出路由器104接收到的拥塞控制值来确定它们参与呼叫的能力，可以实现使地区控制器102知道感知的其它地区的拥塞，如图5进一步所示。从而，无论何时在两个地区间的业务流中经历任何拥塞/用户过多，地区间业务资源受到适当的限制(例如，如果在地区2和地区4的任一中检测到拥塞，那么地区2 1022和地区41024之间的呼叫被占线/拒绝)。
如前在图2中所示，无论何时超过了拥塞控制水平，由退出路由器104设置拥塞控制值。将拥塞控制值设置在适当的水平向位于各个地区中的端节点提供了正向指示，无论何时在网络中两个地区之间的业务经历拥塞/用户过多，而与拥塞的位置无关。网络中拥塞/用户过多的正向指示允许端节点适当地调整它们的业务流速率，而无需网络拓扑或者地区间链路速度的任何直接知识。
图4是表示由每一退出路由器104实现的链路算法流程图，用于检测地区间链路上的拥塞控制水平。如图所示，退出路由器104开始向地区间链路106路由业务(在步骤402)。对于其每一地区间链路，退出路由器104根据连接的物理链路速度或者确定约定信息速率(CIR)确定门限，并且为其每一地区间链路106将所有拥塞控制值初始化为未拥塞。每一地区间链路的门限优选地被独立地建立，并且被设置为可用物理带宽的百分比。
对于每一地区间链路，每一退出路由器104在预定时间量(例如，60ms-10sec)上对最高优先级业务的比特数量进行计数，(在步骤406)。本领域技术人员知道，该最高优先级业务通常是，但不总是，音频/话音业务。如果退出路由器104确定超过了用户过多门限(例如CIR的70-100％)(在步骤408)，那么退出路由器104更新存储的拥塞控制值，为适当的地区间链路指示用户过多(在步骤410)并且循环该算法(开始于步骤406)。如果没有检测到用户过多(在步骤412)，那么退出路由器104确定是否超过了拥塞门限(例如CIR的40-90％)。如果退出路由器104确定已经超过了拥塞门限，那么退出路由器104更新存储的拥塞控制值，为适当的地区间链路106指示拥塞(在步骤414)，并且循环该算法(开始于步骤406)。如果没有超过拥塞门限，那么退出路由器104检查是否超过了拥塞消失门限(0-50％)(在步骤416)，如果没有超过拥塞消失门限，那么退出路由器104更新拥塞控制值，为适当的地区间链路106指示无拥塞(在步骤418)，并且循环该算法(开始于步骤416)。
作为示例，如果CIR被设置为4Mbps，等于每秒500,000字节，并且退出路由器链路算法的采样频率是500ms。那么对于给定间隔，100％将会是250,000字节的业务。如果用户过多门限是85％，那么拥塞门限将是70％，并且拥塞消失门限将是50％，它们分别对应于212,500字节，175,000字节以及125,000字节。因此退出路由器链路算法将对给定出向链路上发送的语音业务字节进行500ms的计数。算法然后设置退出路由器分组算法用于下一个500ms的拥塞控制值，这取决于该值落入相对于计算的门限的何处。在下一个500ms的终点，再次测量该间隔中的字节数量，并且更新该拥塞控制值。
图5是表示由每一退出路由器104实现的分组算法流程图。分组算法被退出路由器104用于向地区控制器102通知(例如，发送)和更新拥塞控制值。通过适应从地区控制器102接收的拥塞反馈信息(该信息表示用于确定拥塞窗口大小的可用地区间链路资源的数量)，退出路由器104能够持续地更新拥塞控制门限。
如图5所示，退出路由器104对于其所有地区间链路106执行图4所述的链路算法(步骤502)。对于每一进入的分组，退出路由器104根据拥塞控制值确定该入向分组的拥塞控制值(在步骤504)。如果进入分组(多个)的拥塞控制值表示用户过多(在步骤506)，那么退出路由器104向适当的地区控制器102发送具有未改变的拥塞控制值的分组(在步骤508)。然而，如果进入分组的拥塞控制值并未表示用户过多(在步骤506)，那么退出路由器104确定拥塞控制值是否表示拥塞(在步骤510)。
如果进入分组(多个)的拥塞控制值到达表示拥塞(在步骤510)，并且退出路由器104确定在地区间链路106上存在用户过多(在步骤512)，那么退出路由器104发送具有表示用户过多的拥塞控制值的分组(多个)(在步骤514)。如果地区间链路106不是用户过多，那么退出路由器104发送具有未改变的拥塞控制值的分组(多个)(循环回步骤508)。如果分组到达表示没有拥塞(在步骤516)，但是退出路由器链路算法已经确定在地区间链路106上存在用户过多(在步骤518)，那么退出路由器104发送具有表示用户过多的拥塞控制值的分组(循环回步骤514)。然而，如果退出路由器104确定不存在用户过多或者拥塞，那么它发送具有表示没有拥塞的分组(多个)(在步骤520)。如果地区间链路106拥塞(在步骤516)，那么退出路由器104发送具有表示存在拥塞的拥塞控制值的分组(多个)(在步骤522)。从而，按照递增的严重程度顺序，存在三种可能的拥塞水平：未拥塞、拥塞、用户过多。退出路由器104根据退出路由器算法或者分组中的进入拥塞控制值，发送表示检测的最差拥塞水平的出向分组。如果检测到第四个值，非ECN能力传输(00)，那么允许不改变的通过网络。
本领域的技术人员知道存在独立或者组合的替换设备，它们可以提供除了地区控制器102的退出路由器104之外的算法功能300、400、500，如上所述，包括但不限于位于退出路由器104和传递业务的广域网络交换机之间的带宽管理设备。带宽管理设备的主要目的是确定TOS字节200中的拥塞控制值，并且经由适当的地区间链路向地区控制器102通知其拥塞控制水平，使得地区控制器102能够确定可用的地区间资源(例如，带宽资源)。
本领域技术人员还明白，双向消息收发系统的优势在于可分级性和“现成”产品的广泛使用。这必然增加了地区控制器不必知道底层网络拓扑信息的要求。
因此，为了使降低地区间带宽需求的任何方法切实可行，必须利用充分减轻的影响表示出地区间链路的用户过多是不可能的或者相当不可能，从而允许系统中的所有地区控制器高效和有效地管理地区间的资源。
尽管已经结合其特定实施例说明了本发明，但是另外的优势和修改对于本领域技术人员显而易见。在广义上，本发明并不局限于特定的细节、代表性的装置以及所示和所述的解释性示例。在前面说明的启示下，各种替换、修改和变形对于本领域技术人员显而易见。从而应当理解，本发明并不限于前面的说明，而是包含根据附加权利要求的精神与范围的所有这样的替换、修改和变形。

Claims (23)

1.一种在消息收发系统中控制拥塞的方法，该系统具有经由地区间链路耦合至多个地区控制器的多个退出路由器，该方法包括以下步骤：
根据业务类型确定拥塞控制值；以及
根据所述拥塞控制值向控制平面上的至少一个地区控制器通知音频平面上的拥塞控制水平。
2.权利要求1所述的方法，其中确定所述拥塞控制值的步骤进一步包括以下步骤：
在预定的时间段上根据所述业务类型计数预定的比特数量；
确定在所述预定时间段上是否已经超过了预定门限；以及
根据所述预定门限更新所述拥塞控制值。
3.权利要求1所述的方法，其中向所述控制平面上的所述至少一个地区控制器通知所述音频平面上的所述拥塞水平的步骤进一步包括所述至少一个地区控制器检测所述地区间链路是否拥塞的步骤。
4.权利要求3所述的方法，其中检测所述地区间链路是否拥塞的步骤进一步包括所述至少一个地区控制器拒绝对于预定数量的用户设备的访问的步骤。
5.权利要求1所述的方法，其中向所述控制平面上的所述至少一个地区控制器通知所述音频平面上的所述拥塞水平的步骤进一步包括所述至少一个地区控制器检测所述地区间链路是否未拥塞的步骤。
6.权利要求5所述的方法，其中检测所述地区间链路是否未拥塞的步骤进一步包括所述至少一个地区控制器允许对于预定数量的用户设备的访问的步骤。
7.权利要求1所述的方法，其中向所述控制平面上的所述至少一个地区控制器通知所述音频平面上的所述拥塞水平的步骤进一步包括所述至少一个地区控制器检测所述地区间链路是否用户过多的步骤。
8.权利要求7所述的方法，其中检测所述地区间链路是否用户过多的步骤进一步包括所述至少一个地区控制器的以下步骤：
确定地区间链路资源是否可用；
允许预定数量的用户获取所述地区间链路资源；以及
当没有地区间链路资源可用时，拒绝对于至少一个所述预定用户的访问。
9.权利要求8所述的方法，其中根据至少第一地区控制器和第二地区控制器之间的地区间链路的预定数量的呼叫加载请求来自动更新所述预定数量的用户。
10.权利要求1所述的方法，其中所述业务类型基于音频。
11.权利要求1所述的方法，其中所述业务类型基于数据。
12.权利要求1所述的方法，其中所述业务类型基于语音。
13.一种用于消息收发系统的拥塞控制水平方法，该系统具有经由地区间链路耦合至多个地区控制器的带宽管理设备，该方法包括以下步骤：
根据业务类型确定拥塞控制值；以及
根据所述拥塞控制值向控制平面上的至少一个地区控制器通知音频平面上的拥塞控制水平。
14.权利要求13所述的方法，其中向所述至少一个地区控制器通知所述拥塞控制水平的步骤进一步包括向所述控制平面上的所述地区间链路通知在所述音频平面上存在用户过多的步骤。
15.权利要求13所述的方法，其中向所述至少一个地区控制器通知所述拥塞控制水平的步骤进一步包括向所述控制平面上的所述地区间链路通知在所述音频平面上存在拥塞的步骤。
16.权利要求13所述的方法，其中向所述至少一个地区控制器通知所述拥塞控制水平的步骤进一步包括向所述控制平面上的所述地区间链路通知在所述音频平面上无拥塞的步骤。
17.一种用于具有多个地区控制器的消息收发系统的拥塞控制水平方法，该方法包括地区控制器的以下步骤：
接收拥塞控制值；以及
基于所述拥塞控制值确定所述拥塞控制水平。
18.权利要求17所述的方法，其中接收所述拥塞控制值的步骤进一步包括确定地区间链路的状态。
19.权利要求18所述的方法，其中确定所述地区间链路的状态的步骤包括地区控制器检测所述地区间链路是否拥塞的步骤。
20.权利要求18所述的方法，其中确定所述地区间链路的状态的步骤包括地区控制器检测所述地区间链路是否未拥塞的步骤。
21.权利要求18所述的方法，其中确定所述地区间链路的状态的步骤包括地区控制器检测所述地区间链路是否用户过多的步骤。
22.一种用于消息收发系统的控制拥塞水平的方法，该系统具有耦合至退出路由器的地区控制器并且利用地区间链路资源进行通信，该方法包括以下步骤：
评估可用的地区间链路资源的数量，以确定拥塞控制水平；以及
根据由至少一个地区控制器接收的反馈信息来处理所述拥塞控制水平。
23.权利要求22所述的方法，其中处理所述拥塞水平的步骤进一步包括接收由至少一个退出路由器发送的拥塞控制值的步骤。
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