CN101127711A - 基于QoS的分组调度的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于QoS的分组调度的系统(1)和方法，用于将硬件输出资源属性调度到通过不同服务供应商处理的数据分组，所述系统包含：提取设备(2)，提取包含在分组头(PH)中的服务质量参数；随机值产生器(34)；可编程键属性设备(3)，依靠服务质量参数和所产生的随机值、根据可编程规则将优先级键归属到分组；调度设备(4)，包含按顺序产生分组交换指令的指令产生器，所述顺序依赖于被归属到每个分组头的优先级键值；交换设备(6)，按产生的分组交换指令顺序，将分组路由至硬件输出资源。

Description

基于QoS的分组调度的系统和方法

技术领域

本发明主要涉及电信领域，具体地说，本发明涉及针对基于通信分组的系统的服务质量(QoS)和服务供应商的管理，所述系统如分组交换机或因特网路由器。

背景技术

基于通信分组的系统的作用是将输入数据分组路由到系统输出。在内嵌分组交换机的卫星的情况下，输出资源是使用在时分和/或频分复用模式下的下行链路波束。每个分组被期望具有称为“时隙”的恒定持续时间。基于分组的系统可以个别地处理分组或把它们作为脉冲串处理。脉冲串可以被认为是具有共同头部特征(例如相同目的地和QoS)的连续输入分组群。

在基于分组的系统中，在每个系统输出的瞬时数据分组率是统计上的并，当发生输出拥塞时不得不受限于输出容量。为了在每个系统输出建立数据分组流，必须确定哪个分组可以被首先分配给输出与否。对于没有立即分配给输出的分组，它们被缓冲(并在稍后分配)，且如果缓冲器满了，这些数据分组可能被丢弃。所有这些判定被称为分组调度。完成分组调度所需要的信息位于数据分组的分组头(PH)，通常(例如：IP，ATM)输出目的地、服务质量(QoS)、持续时间、带宽、供应商成员资格等可以从PH内容直接读取或(通过映射表)间接推出。

用于多服务综合到下一代基于通信分组的系统的重要主题是，在调度分组时考虑对网络QoS和服务供应商的管理。各种类型的网络应用需求不同的分组调度方案(scheduling profiles)：例如，基于IP的语音传输(VoIP)或视频流应用能忍受丢失(丢弃)但对时间敏感性(很少或没有缓冲)，而电子邮件可以支持延迟(缓冲)但几乎没有丢失。对于这些调度面，没有通用的标准，它们可以随着网络的类型、传输层、服务供应商需求和网络的发展而变化。

存在两种在未来因特网中用于支持服务质量的模型：综合服务(Intserv)和差分服务(Diffserv)。综合服务要求巨大复杂度去管理大的基于分组的系统(例如数以万计的连接用户)。差分服务将复杂度转移到网络的边缘(也就是在卫星系统中的终端)并使得交换机变得更加具有可缩放性。简单的差分服务算法仅仅提供基本的QoS层次，对于空间其他应用则被考虑得太复杂。而且，简单的差分服务算法通常在拥塞期间遭受不公平性(对服务供应商的重要标准)，这使得高优先级的分组完全阻塞低优先级的分组。

另外，存在被多个通信服务供应商共享的交换系统的不断增长的需求。这意味着分组调度处理过程应该考虑这样的事实：输出资源必须在不同供应商之间共享。输出资源属性规则应该根据每个服务供应商的资本出资来公平地定义。传统卫星系统在不同供应商之间按照固定和严格的配置来分配它的输出资源。这样，就永久地保证了协商的带宽，但是整个系统的性能对比其下行链路资源在供应商之间完全共享的系统来说不是最佳的。事实上，在“严格供应商资源分割”的情况下和给定的输出之内，在每个供应商资源分区内具有拥塞的所有概率之和比在这假设忽略供应商区分的输出内具有拥塞的概率要高。而且，基于“每供应商队列”的传统分组交换系统高度依靠分区的定义：在设计的时候队列的数目就固定了。于是，由于这种设计的约束限制了商业开发。这个问题对于卫星更加敏感，因为它们在轨道运行了好几年而没有设计修改的可能性，且在这里“每供应商队列”的数目可以不必调整到最大。

发明内容

于是，现在需要的是提供解决这些缺陷的系统和处理方法。通过用于将硬件输出资源属性调度到不同服务供应商处理的并且待发送的数据分组的系统，上述需求至少得到部分满足，所述系统包含：

-提取设备，适于提取包含在分组头中的服务质量参数；

-随机值产生器；

-可编程键属性设备，依靠服务质量参数和产生的随机值、根据可编程规则，将优先级键归属到分组；

-调度设备，包含按顺序产生分组交换指令的指令产生器，所述顺序依赖于被归属到每个分组头的优先级键值；

-交换设备，按产生的分组交换指令的顺序，将所述分组路由至硬件输出资源。

根据另一方面：

-该系统包含用于确定每个服务供应商的容量溢出的装置；

-其中所述调度设备首先产生用于服务供应商容量输出溢出没有被检测到的分组的分组输出指令，并其次产生用于在硬件输出资源界限内溢出被检测到的分组的分组输出指令。

根据另一方面：

-所述调度设备包含各自涉及不同的优先级键的不同队列，分组头分类器在对应其归属的优先级键的队列中存储分组头；

-所述指令产生器运行连续的子进程，每个子进程在可编程序列中扫描分组队列并根据匹配条件从所扫描的队列中取出分组头，所述匹配条件依赖于所运行的子进程。

根据另一方面：

-所述子进程包含产生用于服务供应商容量输出溢出没有被检测到的分组的所述分组输出指令的子进程，和产生用于在硬件输出资源的界限内溢出被检测到的分组的所述分组输出指令的子进程。

根据另一方面：

-所述子进程包含产生所述分组输出指令的子进程、产生分组丢弃指令的子进程、产生分组缓冲指令的子进程；

-交换设备包含存储分组的缓冲存储器和适于连接到硬件输出资源的交换机，当所述交换设备接收到所述相关分组输出指令时，它将分组路由到硬件输出资源，当接收到分组丢弃指令时，从所述缓冲存储器中删除分组，并当它接收到相关的分组缓冲指令时，在所述缓冲存储器中维持分组。

根据另一方面，所述连续子进程在每个分组时隙重复。

根据另一方面：

-所述提取设备适于从分组头提取在组中选择的特征，所述组包括：所述服务供应商标识、用于发送所述分组的信道带宽、所述分组大小；所述分组的目标地址、所述分组的源地址、所述分组必需的到达时间、用于所述分组服务供应商的可利用传输带宽、包含在分组中的数据类型和多播参数。

-所述可编程键属性设备还根据所述被选择的特征归属所述优先级键。

根据另一方面键属性设备包含存储键属性规则的随机存取存储器。

本发明还提出了用于将属于系统的硬件输出资源属性调度到通过不同服务供应商处理的并且待发送的数据分组的方法，包含以下步骤：

-编制用于依靠服务质量参数和随机值将优先级键归属到分组的规则。

-针对多个分组：

-从分组头提取服务质量参数；

-根据所编制的规则把优先级键归属到所述分组；

-按顺序将分组路由到硬件输出资源，所述顺序依赖于被归属到它们各自分组头的优先级键值。

根据另一方面，本方法包含以下步骤：

-进一步提取服务供应商标识，对每个分组进行检测是否存在服务供应商容量溢出。

-首先将被检测到没有服务供应商容量溢出的分组路由至硬件输出资源；

-其次在这些硬件输出资源的界限内将被检测到溢出的分组路由至硬件输出资源。

根据另一方面，所述步骤在每个分组时隙重复。

附图说明

当结合附图阅读时，将更好地理解本发明前述的概要和下文实施例的详细描述。为了说明本发明，在图中表示了目前优选的实施例。然而应该理解的是，本发明不限制于所表示的具体设备和手段。附图中：

图1示意性地说明根据本发明实施例的系统；

图2说明了根据简化例子的优先级键属性规则的图表例子；

图3举例说明了优先级键属性规则达到每个优先级键值的可能性，所述优先级键属性规则可以被用在图2的系统中；

图4说明了对于可以用在图2的系统中的优先级键属性规则，每个QoS的调度率相比于每个QoS输入率的图表。

具体实施方式

本发明的主要思想是提出了基于总键K的新的分组硬件属性调度，总键K的计算考虑了分组头域(例如网络QoS、带宽、脉冲持续时间等等)和随机值Rd。调度设备包含指令产生器，其特别地按顺序产生分组交换指令，所述顺序依赖于归属到每个分组头的优先级键的值。分组交换设备然后按产生分组交换指令的顺序将分组路由至硬件输出资源。

在该思想范围内，由于转换表包含所有可能的K值，可以实施加权函数K＝H(packet_header_fields+Rd)。K(从(K_i)_min变化到(K_i)_max)的每个值可能在表中寻址几次。为了计算K，所述值[packet_header_fields+Rd]对表的内容进行寻址且相应表项目的值给K。如果分组调度方案改变，则转换表的内容易于重新装载。

在对表寻址时随机值Rd的证明了对于网络QoS的公平性，它被用来“调整”网络QoS优先排序：适当的表内容允许具有低优先QoS的分组在具有高优先权的分组之前以通过随机变量Rd激活的给定概率X_QoS“有时”被服务。隐含编制在转换表中的概率X_QoS实际上是QoS公平性级别，且因此它是易于编程的。

分组头可以存储在队列(每个K值一个队列)中。然后取决于调度操作步骤，队列集合可以在不同K的序列下扫描，以在K-队列中挑选特定的分组(通过匹配条件)。

一旦计算了K_i，分组调度设备可以处理一组分组队列，每个队列对应给定的值K_i。感兴趣的是，分组调度程序进程可以被分解成子进程Ω，所述子进程具有共有的队列扫描操作和以从队列中挑选或不挑选分组的匹配条件M(Ω)。取决于子进程Ω，定义了{Ki}的不同扫描顺序，也称为序列S^Ω，这里 ${\left(K_j\right)}_{j=S^{\mathrm{\Ω}}(i_{\min }...i_{\max })}.$ 取决于调度需要，对于涉及关于硬件输出资源属性的子进程，定义了序列S^{output_attribution}。对于涉及分组丢弃的子进程，定义了序列S^dropping，等等。

本发明独立地提出了对每个服务供应商处理溢出。具体地，供应商公平管理通过2个连续的具有相同序列S^{output_attribution}的子进程Ω₁和Ω₂来激活：在Ω₁期间匹配条件M(Ω₁)是，给定服务供应商和去往给定输出的每个分组在它处理时具有相当于它每输出的协商资源容量(经典的严格分配方案)，而第二匹配条件M(Ω₂)是，去往给定输出的每个分组在它处理时具有相关输出资源容量，同时服务来自任意供应商的非服务数据分组。

转换表内容、序列表能够易于在基于RAM的存储器中编程，分组调度程序设计不依赖系统和网络配置方案，且因此它甚至在商业运行期间是可升级的。不确定的市场动向和改动的速度也将受益这种灵活的技术。

本发明集中了差分服务的优点，甚至在经常发生拥塞的高负载时提供QoS公平性，当调度面发生变化时包含机载可升级性，且对比涉及复杂激活队列管理机制的现有差分服务算法具有很少的处理复杂性。它也保持了简单的用户终端，因为复杂性没有被“推到”网络边缘设备。本发明在非限制和可伸缩的分区安排下也保证了每个用户的协议带宽，同时对比固定和严格输出资源分区情况提升了整个系统的性能。

包含本发明的系统1的例子参考图1做了最好的说明。系统1包含了头部提取设备2、可编程键属性设备3和包含指令设备45的调度设备4。分组P通过交换设备6被物理地存储、交换或丢弃且通过分组头PH携带的特定指针A识别。PH通过设备3、4传播。调度设备4计算从分组头PH完成的分组调度判定。指令设备45将PH上完成的调度判定翻译成与连接交换设备6相兼容的指令。交换设备6适于根据指令设备45发送的指令在开关矩阵61中物理交换、在缓冲池62中缓冲或丢弃分组P，每个分组P与分组头PH相关并通过指针A识别。

提取设备2适于接收分组头PH，并且从它特别地检索服务供应商标识、服务质量参数、分组信道带宽、分组目的地地址。提取设备2也从分组头提取附加数据，例如用于脉冲管理的脉冲持续时间、分组源地址、分组需要到达的时间、用于所提取的分组供应商的可利用传输带宽、包含在分组中的相关数据或多播参数。可能对调度分组处理有用的任何分组头数据都可以通过设备2提取。

可编程键属性设备3接收提取的头数据并将它和通过随机产生器34产生的随机值连在一起。设备3根据可编程规则，依靠所提取的数据和随机化的值把优先级键归属到相应的分组(或在脉冲管理情况下的脉冲)。键属性设备3可以包含数据复用器31和配备有编程接口33的表设备32。复用器31被连接到设备2和随机产生器34，以在独立的入口上接收每个类型的数据。数据复用器31输出提供在表设备32的入口上。取决于数据复用器31输出值，优先级K根据先前存储在表设备32中的键属性规则被归属到分组。可以使用编程接口33以便于改变表设备32存储的规则。

所述键属性规则可以被存储在随机存取存储器中，所述随机存取存储器可以易于编程并集成到例如专用集成电路的完整硬件设计中。对于卫星应用，属性规则和序列可以在机上编程也可以通过从地面站发射的射频指令编程。所编制的属性规则和序列可以是静态的也可以是动态的。计算属性规则和序列的方法主要依靠测量到的或计划的业务情况、每个服务质量期望的性能和瞬时交换机缓冲状态的概率。在属性规则和序列动态更新(约等于或高于第二个的周期)的情况下，调度程序被认为与业务条件相适配。

在调度设备4的入口上提供与相应的分组头PH耦合的归属的优先级键K。

调度设备4操作一组分组调度子进程，所述子进程的最终目的是最优地将分组直接经由开关矩阵61或在缓冲池62缓冲之后的延期路径中路由至交换设备6输出。调度设备4的连续子进程通过子进程计数器43编索引。在一个时隙期间，子进程组被完全播放，且子进程计数器43在时隙的每次开始重新设置。输入分组头PH按时间顺序存储在队列41中。每个优先级键K值有一个队列，于是PH存储在相应它们关联的键K的队列中。这样，在调度设备4中，有基于K的分组的分类。每个运行在调度设备4中的子进程按给定序列表42中定义的顺序扫描队列集合41。序列表的内容可以变化并被子进程计数器43寻址。在队列内(然后用于给定的K值)，从第一到最后到达的方式开始读取分组头PH。从队列中挑选PH与否的判定由匹配设备44给出。匹配判定可以变化并被子进程计数器43寻址。当PH匹配时，它被用状态标记，所述状态对应通过子进程计数器43给出的当前子进程。

如果当前子进程对应输出属性判定且PH匹配，PH许可队列和交换设备6将相应分组P路由到交换机输出，它的相关指针地址A被解除分配；如果相应分组P被定位在缓冲池62中，缓冲器的位置也被解除分配。

如果当前子进程对应丢弃判定且PH匹配，PH许可队列和它相关指针地址A被解除分配；如果相应分组P被定位在缓冲池62中，缓冲器的位置也被分配，分组P将永远不会通过开关矩阵61交换。

如果当前子进程对应缓冲判定且PH匹配，交换设备6将相应分组P路由到缓冲池设备62，且PH保留在用于另外调度的相同队列中。

与供应商公平管理所需的输出属性子进程相关的2个匹配判定涉及一组在每个输出i和每个供应商j管理的计数器C¹ _i，j以及一组在每个输出i管理的计数器C² _i。在2个输出属性子进程期间，这些计数器的每个随着通过分组头PH给出的相应分组带宽而增加，它们在每个时隙被重新设置。对于去往输出i并属于供应商j的每个分组头PH，第一匹配条件是具有计数器值C¹ _i，j小于或等于对于供应商j在输出i的协商的输出资源；用于第二输出属性子进程的匹配条件是具有计数器值C² _i小于或等于在输出i的输出资源容量。

图2说明简化映射表，所述表提供QoS的公平和严格管理的例子，分别用于来自供应商1(Prov1)和供应商0(Prov0)的分组。在公平的情况下，低优先级QoS可以甚至在高优先级QoS高度负载的情况下被调度(也可以参见图4)。定义了用于2个级别QoS和用于两个服务供应商的例子。随机产生器34提供随机参数Rd，在例子中利用3比特编码(这样Rd值有8种可能)。在具有供应商1的例子中，对于QoS值为0并且如果Rd等于0到6，则K将被设置为0，否则K将被设置为2，对于QoS值为1并且如果Rd等于0到5，则K将被设置为1，否则K被设置3。因此，当在正如所示渐增顺序服务K时，首先服务具有QoS0的平均业务的7/8(87.5％)，然后是具有QoS1的平均业务的6/8(75％)，然后是具有QoS0的平均业务的1/8(12.5％)，最后是具有QoS1的平均业务的2/8(25％)。当假定输出资源容量为X，90％*X协商的输出资源容量用于供应商1，还假设QoS0(最高优先级)和QoS1的平均率分别是95％*X和5％*X，于是待调度的平均率将首先是用于具有QoS0业务的～83％*X(在队列k＝0中等于87.5％*95％*X)、用于具有QoS1业务的～4％*X(在队列k＝1中等于75％*5％*X)、用于具有QoS0业务的～12％*X(在队列k＝2中等于12.5％*95％*X)和最后用于具有QoS1通信的～1％*X(在队列k＝2中等于25％*5％*X)。第一个分配步骤将填充协商的输出资源到90％*X的容量，于是具有QoS0的所调度业务的平均率是86％*X(＝83％*X_from K＝0+3％*X_fromK-2)而用于QoS1的是～4％*X。正如所证明的那样，低优先级QoS被调度的平均率不为空，因此不会发生不公平的阻塞情况。这被示意于图4右边的4个柱图中，其中某些QoS1分组代替QoS0分组而被调度，尽管归属到服务供应商所需要的硬件输出资源容量是不足的。

在严格区分优先级的情况下，导致不公平的代表性的简单差分服务，可以利用供应商0来说明(这种情况对应现有技术)。在类似业务和协商的输出资源情况下，第一分配步骤给出具有QoS0被调度业务的7/8(＝90％*X_from K＝0)的平均率。从统计学的观点来看，依据业务量的突发性，几乎不服务QoS1，且具有QoS1的被调度业务的平均率接近于0。

尽管这种分组调度系统尤其适合于内嵌分组交换机的卫星，它同样能应用于陆地解决方案。

Claims (11)

1.一种用于将硬件输出资源属性调度到通过不同服务供应商处理的并且待发送的数据分组(P)的系统(1)，其特征在于包含：

-提取设备(2)，适于提取包含在分组头(PH)中的服务质量参数；

-随机值产生器(34)；

-可编程键属性设备(3)，依靠服务质量参数和所产生的随机值、根据可编程规则将优先级键归属到分组；

-调度设备(4)，包含按顺序产生分组交换指令的指令产生器，所述顺序依赖于被归属到每个分组头的优先级键值；

-交换设备(6)，按产生的分组交换指令顺序将分组路由至硬件输出资源。

2.根据权利要求1的用于调度硬件输出资源属性的系统(1)，

-包含用于确定每个服务供应商的溢出容量的装置；

-其中所述调度设备(4)首先产生用于服务供应商容量输出溢出没有被检测到的分组的分组输出指令，并其次产生用于在硬件输出资源界限内溢出被检测到的分组的分组输出指令。

3.根据权利要求1的用于调度硬件输出资源属性的系统(1)，其中：

-所述调度设备包含各自涉及不同的优先级键的不同队列，分组头分类器在对应其归属的优先级键的队列中存储分组头；

-所述指令产生器运行连续的子进程，每个子进程在可编程序列中扫描分组队列并根据匹配条件从所扫描的队列中取出分组头，所述匹配条件依赖于所运行的子进程。

4.根据权利要求2的用于调度硬件输出资源属性的系统(1)，其中：

-所述子进程包含产生用于服务供应商容量输出溢出没有被检测到的分组的所述分组输出指令的子进程，和产生用于在硬件输出资源的界限内溢出被检测到的分组的所述分组输出指令的子进程。

5.根据权利要求3的用于调度硬件输出资源属性的系统(1)，其特征在于：

-所述子进程包含产生所述分组输出指令的子进程、产生分组丢弃指令的子进程、产生分组缓冲指令的子进程；

-所述交换设备(6)包含存储分组的缓冲存储器(62)和适于连接到硬件输出资源的交换机(61)，当所述交换设备接收到所述相关的分组输出指令时，它将分组路由到硬件输出资源，当接收到相关的分组丢弃指令时，从所述缓冲存储器中删除分组，并当它接收到相关的分组缓冲指令时，在所述缓冲存储器中维持分组。

6.根据权利要求3的用于调度硬件输出资源属性的系统(1)，其中，所述连续子进程在每个分组时隙重复。

7.根据权利要求1的用于调度硬件输出资源属性的系统(1)，其中：

-所述提取设备(2)适于从分组头提取在组中选择的特征，所述组包括：所述服务供应商标识、用于发送所述分组的信道带宽、所述分组大小；所述分组的目标地址、所述分组的源地址、所述分组必需的到达时间、用于所述分组服务供应商的可利用传输带宽、包含在分组中的数据类型和多播参数；

-所述可编程键属性设备也根据所述被选择的特征归属所述优先级键。

8.根据权利要求1的系统(1)，其中，所述键属性设备(3)包含存储键属性规则的随机存取存储器。

9.一种用于将属于系统(1)的硬件输出资源属性调度到通过不同服务供应商处理的并且待发送的数据分组的方法，包含以下步骤：

-编制用于依靠服务质量参数和随机值将优先级键归属到分组的规则。

-针对多个分组：

-从分组头提取服务质量参数；

-根据所编制的规则将优先级键归属到所述分组；

-按顺序将分组路由到硬件输出资源，所述顺序依赖于被归属到它们各自分组头的优先级键值。

10.根据权利要求9的方法，包含以下步骤：

-进一步提取服务供应商标识，对每个分组进行检测是否存在服务供应商容量溢出。

-首先将被检测到没有服务供应商容量溢出的分组路由至硬件输出资源；

-其次在这些硬件输出资源的界限内将被检测到溢出的分组路由至硬件输出资源。

11.根据权利要求9的方法，其中所述步骤在每个分组时隙重复。

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