CN101110781B

CN101110781B - 一种拥塞控制方法

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Publication number: CN101110781B
Application number: CN2007101404977A
Authority: CN
Inventors: 陈重奋; 桑卓; 李加周; 刘继年; 王志英
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2007-08-24
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2027-08-24
Also published as: CN101110781A

Abstract

本发明公开了一种拥塞控制方法，包括以下步骤：(1)将信元输入缓冲区，记录相关参数，并依据所述参数全程性地计算信元平均漏出速率f；(2)根据平均漏出速率f，计算当前时刻的信元理应漏出的数量，并以此数量，控制缓冲区内信元的漏出；(3)选择相应的加权处理方式对信元平均输入速率进行处理，之后重新设置相关参数，返回步骤(1)。本发明的方法反映了信元输入平均速率的长期变动趋势，最大限度地抑制速率输出抖动的同时，又对最近的时间内的输入速率的进行加权，以反映最新的信元输入情况，以适用断流及码率起伏等情况。用户可以根据业务的类型，选择不同的漏桶缓冲区大小，以及加权的参数，满足不同用户的需求。

Description

一种拥塞控制方法

技术领域

本发明涉及通讯领域，具体涉及一种对通讯过程中可能出现的突发流量进行流量整形(Traffic Shaping)的拥塞控制方法。

背景技术

在交换机、路由器、服务器网络发包、光通信等领域都需要用到拥塞控制(congestion control)技术。

漏桶算法(Leaky Bucket)是通讯领域的拥塞控制中流量整形(TrafficShaping)或即时速率限制(Rate Limiting)时经常使用的一种算法，它的主要目的是控制信元注入到信道的速率，平滑信道上的突发流量。漏桶算法提供了一种机制，通过它，突发流量可以被整形以便为信道提供一个稳定的流量，降低信道出现拥塞的机率。

漏桶算法的思想很简单，就是设计一个具有漏桶特性的缓冲器。如果用一个底部开有小孔的桶接水，那么不论向里倒水的速度是否变化，水从孔中流出的速度都是恒定的，只有桶空了，水的流出速率才变为零。如果不顾桶的大小，以太高的速度向里倒水，水就会从上沿溢出。

实现上，漏桶可被设计为一个缓冲区和缓冲区计数器，每当信息源产生一个信元时缓冲区计数值加1，并把信元保存在缓冲区，同时按照一个适当的速率f，从缓冲区取出信元，输出到信道中去。当缓冲区计数值达到设定的阈值N时，新到达的信元将被丢弃或被标识。

漏桶的两个控制参数是漏出速率f和缓冲区容量N，这两个控制参数要根据提交的业务量的特性来设定。

缓冲区的大小会影响到信元到达目的地的延迟，因此缓冲区的大小是根据通讯设备的能力或业务对延迟的耐受能力所确定的。如果信元的输入质量较好，也可以选择使用一个更小缓冲区。

漏桶算法的实现需要解决一个问题，就是通过合理的策略，设置漏出速率f和缓冲区容量N，并在需要予以更新。

漏桶算法的实现需要解决一个问题是尽量避免丢弃信元。

漏桶算法漏出速率的确定方式是多种多样的，一般有：

(1)通过信道输出端口的最大速率确定；

(2)根据业务类型固定设计，例如在流媒体通讯中，可以根据节目源的码率设定；

(3)平均输入速率法，即根据最近进入(或输出)的信元的平均速率设定；

一般情况下，为了广泛地适应于不同的业务场合，都采用平均输入速率法确定漏出速率，这样可以构造一个统一的自适应动态漏桶算法，方便地应用于不同业务类型、不同的速率或不同流量特性的通讯拥塞控制中。

有些CBR业务，即固定码率业务，例如流媒体业务，要求输出码率抖动小，实际上，就是需要把漏出速率的变动限制在一个很小的范围内。

在固定码率业务中，信元的输入在极短时间内，可能存在突发流量，或在短时间断流，但在一段稍长时间内，它的平均输入速率是稳定的。采用平均输入速率法的自适应动态漏桶，可以很好地适应这样输入速率的抖动，并把输出码率控制在一个很小的范围内，满足固定码率业务的需求。

但简单地采用平均输入速率法时，会遇到下面一些问题：

(i)无法处理断流。但某些场合下，信源会长时间停止向缓冲区(漏桶)输入信元，如果继续把断流时间计入平均速率的计算时间，则不能真实反映正常情况下的真实平均速率，计算速率偏低。如果以这个速率作为漏出速率，缓冲区则会变得很大而无法接受，或者只能在输入端丢弃信元。

(ii)平均值的计算具有很强的刚性，当信元输入速率以缓慢的速率变化起伏时，计算平均速率将与当前信元输入的速率有较大的误差，带来的问题是：当输入速率属于高峰期内，缓冲区将大量累积而导致溢出，或延迟增加；当输入速率属于低谷时，缓冲区将会被完全消耗，输出速率抖动，无法实现固定码率业务。

为了全面反映信元输入的平均速率，一般会采用全程的平均速率计算方法，即通过从第一个输入信元到达时到现在的总计时，和信元输入的总数来计算平均输入速率。

在申请号CN200510120182，名称为《用于控制流媒体数据的编码比特率的系统和过程》的专利申请中，提及了通过使用最优线性二次方程控制理论，客户机缓冲区持续时间被保持尽可能接近于目标级，同时，仍然保持编码比特率(因而质量)尽可能恒定。

但通过线性二次方程，其计算量非常巨大，当信元输入流非常巨大时，需要性能高，成本昂贵的设备才能负荷相关计算需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种拥塞控制方法，反映了信元输入平均速率的长期变动趋势，最大限度地抑制速率输出抖动的同时，又对最近的时间内的输入速率的进行加权，以反映最新的信元输入情况，以适用断流及码率起伏等情况。用户可以根据业务的类型，选择不同的漏桶缓冲区大小，以及加权的参数，满足不同用户的需求。

为了解决上述问题，本发明提供了一种拥塞控制方法，包括以下步骤：

(1)将信元输入缓冲区，记录相关参数，所述相关参数包括：从第一个输入信元到达时到当前的总计时、输出的信元总数以及缓冲区内信元数；

并依据所述参数全程性地计算信元平均漏出速率f，所述信元平均漏出速率f，为所述输出的信元总数与缓冲区内信元数之和除以所述从第一个输入信元到达时到当前的总计时；所述全程性地计算包括：当每输入一个或一组信元时，计算一次；

(2)根据平均漏出速率f，计算当前时刻的信元理应漏出的数量，所述信元理应漏出的数量为距上次漏出信元的时间间隙除以所述信元平均漏出速率f；

并根据所述信元理应漏出的数量，控制缓冲区内信元的漏出，包括：检测所述信元理应漏出的数量，如果小于1，则不再漏出信元，执行步骤(3)；如果大于等于1，则漏出一个信元，再检测当前缓冲区内是否还有信元，如果有，则继续下一轮对所述信元理应漏出的数量的检测；否则，执行步骤(3)；

其中，当所述信元理应漏出的数量大于1时，每漏出一个信元，则对所述信元理应漏出的数量减1，并对输出的信元总数加1；

(3)选择相应的加权处理方式对信元平均输入速率进行处理，之后重新设置所述相关参数，返回步骤(1)；

进一步的，本发明所述的方法，其中，步骤(1)中，所述输出的信元总数与缓冲区内信元数之和，为输入信元总数；

进一步的，本发明所述的方法，其中，步骤(3)中，所述相应的加权处理方式，包括：整形加权处理方式、以及浮点型加权处理方式；

进一步的，本发明所述的方法，其中，步骤(3)中，如果选择整形加权方式进行处理，则包括以下步骤：

(i)检测是否重新输入了一定数量的信元，如果所述输入信元总数，和2的m次幂减1相与为0，且总计时和2的m次幂减1相与为0时，则进行加权处理，执行步骤(ii)；否则，不进行加权处理，返回步骤(1)；

所述一定数量，通过选择加权几率因子m进行设定，数值上等于2的m次幂；所述加权几率因子m，为大于1的正整数；

(ii)选择整数加权因子n，加权后的总计时，为原总计数减去原总计数右移n位后的值；加权后的输入信元总数，为原输入信元总数减去原输入信元总数右移n位后的值；

其中，加权后的输入信元总数与加权后的总计时之商，为加权后的信元平均输入速率；所述整数加权因子n，大于或等于2，小于或等于m；

进一步的，本发明所述的方法，其中，所述步骤(3)中，如果选择浮点型加权方式进行处理，则包括：

自起始状态或者自上一次加权处理完毕，收到随机选择或者预设的若干数量信元之后，则选择加权因子λ，加权后的总计时，为原总计数减去，原总计数和加权因子λ之商的值；加权后的输入信元总数，为原输入信元总数减去，原输入信元总数和加权因子λ之商的值；所述加权因子λ，为大于或等于1的实数；

或者，自起始状态或者自上一次加权处理完毕，收到随机选择或者预设的若干数量信元之后，则选择加权因子γ，加权后的总计时，为原总计数与加权因子γ的积；加权后的输入信元总数，为原输入信元总数与加权因子γ的积；所述加权因子γ，为大于0且小等于1的实数；

其中，加权后的输入信元总数与加权后的总计时之商，为加权后的信元平均输入速率；

进一步的，本发明所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，重新设置相关参数，包括：用加权后的总计时取代原总计时；并用加权后的输入信元总数减去缓冲区内信元数，得到新的输出的信元总数。

采用本发明所述方法，与现有技术相比，采用本发明所述的漏桶速率控制装置中漏出速率计算方法，对最近一段时间内信元输入速率进行了加权，既反映总的信元平均输入速率，可以根据最新的信元输入情况自动调整漏出速率，在抑制输出速率抖动和适应信元输入的变化之间取得良好的平衡。

用户可以很方便地根据业务的类型和需求，选择不同的加权机率因子m和整数加权因子n，获得不同的加权效果。

采用优选方法后，漏桶速率控制装置中大部分数据的运算可以采用整数的与和位移运算，大大减轻了计算负荷，提高漏桶速率控制装置对性能。

附图说明

图1是本发明所述的方法流程图；

图2是本发明实施例的平均漏出速率计算及拥塞控制流程的流程图。

具体实施方式

本发明为了解决传统技术方案存在的弊端，通过以下具体实施例进一步阐述本发明所述的一种拥塞控制方法，以下对具体实施方式进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，为本发明所述的方法流程图，包括以下步骤：

步骤101，将信元输入缓冲区，记录相关参数，全程性地计算信元平均漏出速率f；

f＝(Po+Pb)÷T；

其中，从第一个输入信元到达时到当前的总计时T，拥塞控制装置输出的信元总数Po，以及缓冲区内信元数Pb；

步骤102，根据平均漏出速率f，计算当前时刻的信元理应漏出的数量；

间隔执行计算当前时刻，信元理应漏出的数量，为距上次漏出信元的时间间隙，除以前面计算出的信元平均漏出速率f；

步骤103，以所述信元理应漏出的数量，控制缓冲区内信元的漏出；

检测所述信元理应漏出的数量，如果小于1，则不再漏出信元，执行步骤(3)；

如果大于等于1，则漏出一个信元，再检测当前缓冲区内是否还有信元；如果有，则继续下一轮对所述信元理应漏出数量的检测；否则，执行步骤(3)；

当所述信元理应漏出的数量大于1时，每漏出一个信元，则对信元理应漏出的数量减1，并对输出的信元总数加1；

步骤104，选择相应的加权处理方式对信元平均输入速率进行处理，之后重新设置相关参数；

如果选择浮点型加权方式进行处理：自起始状态或者自上一次加权处理完毕，收到随机选择或者预设的若干数量信元之后，选择加权因子λ，λ＞＝1，λ是实数；按下面公式进行处理：

P′＝P-P/λ

T′＝T-T/λ

P′T′是加权后总计时和输入信元数，它们相除后是加权后信元平均输入速率；

这一步也可以采用变换算法完成：选择加权因子γ，γ是大于0，小于等于1的实数；按下面公式进行处理：

P′＝P*γ

T′＝T*γ

经加权处理后，计算平均速率要求和加权前相同，或误差很小，否则则引入加权失真，加权失真会影响信元输出的质量；

因为大多拥塞装置采用整数运算时，其运算效率远大于浮点数运算，同时为了减少加权出现的失真，可以采用下面所述的优选方法优化前面所述的加权处理方法：

通过加权机率因子m确定进行加权的时机，m为大于1的正整数；如果P&(2^m-1)＝＝0且T&(2^m-1)＝＝0，不会引入加权失真，对信元平均输入速率进行加权处理，之后重新设置相关参数，返回步骤(1)，继续进行下一次控制；如果否，则不进行加权处理，直接返回步骤(1)；

选择整数加权因子n，n与前面所述的加权因子λ的关系是：λ＝2ⁿ，

T′＝T-(T＞＞n)；P′＝P-(P＞＞n)；

其中n大于等于2，小于等于m；且加权前后的平均信元输入速率是不变的；

另外，如果信元的输入是离散和随机的，同时时间的计量足够精确，那么满足加权条件的机率为：1/2^m+1。

利用本发明所述的方法，同时结合一定机率进行的加权处理流程，完成以下任务：

应用领域：流媒体IPTV频道转码器；

应用装置：对高达100路以上的直播频道进行转码处理；

运行环境：普通PC服务器，分时Linux操作系统。

功能需求：

(1)按频道进行信道划分，一个频道一个信道，分别进行拥塞控制；

(2)信道信元输入速率差距大，这些频道当中有标清节目，平均码率为1.2-2.0Mbps，也有高清节目，平均码率为6-9Mbps；

(3)输入速率会在出现长时间的速率起伏：因为转码器频道是轮播频道，会在不同的时间内播放不同的节目，一个节目源的播放时间从10多秒到几小时不等，一般是1个时间左右。一般来说，同一个节目源，其码率是相当稳定的，但不同节目源之间，则有相当差别的。因此当直播源会根据需要切换节目源时，信元输入速率会在出现长时间的速率起伏；

(4)经常出现突发流量，由于转码器内部的处理需求，需要缓冲大量信元，在合适时刻一次性输出，以及直播源和前面信道等原因，都会导致在拥塞控制装置的输入端，经常出现的突发性流量。

如图2所示，是本发明实施例的平均漏出速率计算及拥塞控制流程的流程图。平均漏出速率计算及拥塞控制流程，包括以下步骤：

步骤201，按照频道划分信道分别进行拥塞控制，流程开始；

步骤202，记录初始参数：计时T＝0；输出信元总数Po＝0；记录当前缓冲区缓冲信元的数量Pb＝0；上次发包到现在的时间Tp＝0；

步骤203，把输入信元保存在缓冲区内；

步骤204，根据转码器的计算能力，选择的时间间隔是1ms；按照固定的时间间隔执行下面步骤；

转码器运行在一定硬件及软件系统之上，并不能保证时间间隔是绝对精确的1ms，本实施例也不要求时间间隔是精确的1ms，但要求ΔT是真实的距上次执行本步骤的时间间隔；

步骤205，重新计算时间：

T＝T+ΔT；

Tp＝Tp+ΔT；

其中，ΔT是固定的时间间隔1ms；

步骤206，检查缓冲区内最新的缓冲的信元数Pb′，如果Pb′等于0，则重复步骤204；否则，执行步骤207；

步骤207，计算最新的平均漏出速率：f＝(Po+Pb′)÷T；

步骤208，控制信元输出，计算当前时刻，信元理应漏出的数量；

信元理应漏出的数量，数值上等于上次发包到现在的时间Tp，除以前面计算出的平均漏出速率f；

当信元理应漏出的数量大于等于1时，即Tp＞＝f时，则漏出1个信元，然后更新参数；Po＝Po+1；Tp＝Tp-f；

否则，执行步骤210；

步骤209，如果当前缓冲区内的缓冲的信元数大于0，则执行步骤208，直至输出所有符合条件的信元；否则，执行步骤210；

有两种情况执行步骤210，一种缓冲的信元数等于0，另一种是理应漏出的数量可能小于1，本方案的主要特征不是发生断流时进行加权，而是用户可以选择一定机率，或者说每收到x个(与m相关，大概是2的m次方，不是固定的)信元，符合条件时，就进行加权，但要求加权符合下面的条件，否则会出现加权失真：

步骤210，选择加权机率因子m＝4，整数加权因子n＝3；

步骤211，如果(Po+Pb′)&0x0f＝＝0且T&0x0f＝＝0，其中0x0f＝15＝24-1＝2^m-1，则执行步骤212，继续下面的加权处理；否则，执行步骤204；

步骤212，进行加权处理；

P＝(Po+Pb′)；

其中，Po是当前已经输出的信元数；Pb′是当前缓冲区中的信元数；

P′＝P-(P＞＞3)；

T′＝T-(T＞＞3)；

加权后，理论信元平均输入速率是不变的，即P′÷T′＝P÷T；

步骤213，重设参数：T＝T′；Po＝P′-Pb′；

步骤214，依据上一步中更新的参数，执行步骤204，继续进行下一次控制。

在采用本实施例所述的流程和方法进行拥塞控制后，所有频道输出码率在宏观上都非常平稳，没有很大的变动。

在微观上，采用RFC4445所描述的延迟因素DF参数测试了信元的输出质量。在没有采用本实施例之前，无论是标清节目还是高清节目，平均DF＞＝50ms，最大DF＞＝2000ms。

采用本实施例的方案后，输出质量大幅提高，其中输入码率为1.5Mbps标清节目：

平均DF＝12ms，最大DF＝15ms。

输入码率为9Mbps高清节目：

平均DF＝10ms，最大DF＝12ms。

同时，如果出现长时间频道输入中断，中断时间大于1小时，当码流恢复初期，输出速率是不均匀的，但很快逐渐恢复平稳，恢复时间大约为30秒左右。

同时，如果频道出现短时间输入中断，中断时间为1秒左右时，输出不会出现中断，而且输出速率继续保持均匀。

当输入节目源变化而引起相应的输入码率变化时，输出速率与输入速率在短时间内可以观察出差距，但很快得以恢复，恢复时间为5秒左右。

当然，本发明还可有其他多种实施例，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可根据本发明做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

1.一种拥塞控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(3)选择相应的加权处理方式对信元平均输入速率进行处理，之后重新设置所述相关参数，返回步骤(1)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述输出的信元总数与缓冲区内信元数之和，为输入信元总数。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述相应的加权处理方式，包括：整形加权处理方式、以及浮点型加权处理方式。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，如果选择整形加权方式进行处理，则包括以下步骤：

其中，加权后的输入信元总数与加权后的总计时之商，为加权后的信元平均输入速率；所述整数加权因子n，大于或等于2，小于或等于m。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，如果选择浮点型加权方式进行处理，则包括：

其中，加权后的输入信元总数与加权后的总计时之商，为加权后的信元平均输入速率。

6.如权利要求1、4或5所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，重新设置相关参数，包括：

用加权后的总计时取代原总计时；并用加权后的输入信元总数减去缓冲区内信元数，得到新的输出的信元总数。