CN101499975A - 一种实现分组交换网络业务传输QoS保证的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现分组交换网络业务传输QoS保证的方法，包括：基于多个下一跳路由节点生成包括至少两条可达目的节点的路由的链路集合；将所述链路集合中的链路按照与业务传输QoS需求等级对应的链路性能等级进行划分；根据业务数据包的QoS需求从所述链路集合中选择相应的链路进行数据包的转发。根据本发明可在网络层为各种QoS业务提供具有普适性区分服务，它在满足了各种QoS业务传输需求的同时，保证了网络层对于各种不同业务数据包的处理。从根本上满足网络层支持QoS业务的动态分配网络资源。

Description

一种实现分组交换网络业务传输QoS保证的方法及系统

技术领域

本发明涉及计算机网络及通信领域，具体涉及实现分组交换网络业务传输QoS保证的方法及系统。

背景技术

随着互联网的深入发展，出现了各类实时多媒体业务，例如，网络电视、视频点播、网络电话以及远程医疗等，它们对于网络的信息传递功能提出了新的要求。这些新型业务对于传输时延、时延抖动、传输丢包率等传输性能参数敏感，而且不同业务对于数据传输的性能要求也存在很大差异。网络层完成“信息传递”的基本功能，保证数据正确、可靠送达的基础上，还需要区分性地满足不同业务的差异化的传输性能需求。这就是网络服务质量保证的研究课题，简称为QoS(quality of service)保证。

网络层的QoS保证需要满足两方面要求：(1)支持服务的普适性，网络层采用通用化措施统一无差别支持上层所有数据传输业务，同时满足它们差异化的QoS性能需求，没有针对数据报文的特殊处理过程。(2)支持服务的区分性，不同优先级的数据业务获得不同质量等级的传输服务，为网络运营商的差别收费提供理论依据。

当前网络层采用“尽力而为”、平等对待各种报文的转发交付机制，无法满足差异化的QoS传输性能需求。有关QoS保证技术主要包括综合服务模型(Int-Serv)、区分服务模型(Diff-Serv)和QoS路由模型三类。

综合服务模型，借鉴传统电路交换的思想，针对具体QoS业务，它认为保证了足够的传输带宽资源即可完成QoS保证，网络层对于上层业务的支持没有区分性。另外，实际过程中，它尝试为每个具体的QoS业务提供足够的独享带宽资源，网络中间传输节点需要对每个业务流进行特殊处理，从根本上违背了网络层对数据包进行无差别处理的基本工作原理，网络层失去对于上层业务支持的普适性。

QoS路由模型，针对每种具体业务，根据其QoS性能保证指标，直接为各种业务选择满足传输要求的网络路径。QoS指标是一组能够反映业务具体传输要求的参数，通常是一些瞬时网络性能参数，例如，可用带宽、时延、时延抖动、丢包率等。网络层的传输路径规划要求具有相对的稳定性，其规划指标通常采用稳定路由参数，例如，带宽，跳数等。QoS指标的动态变化性与路由的稳定性要求之间存在难以调和的矛盾。每个业务QoS需求指标通常表现为多个方面，同时满足多个约束条件的最优路径计算问题是一个多项式复杂程度的非确定性(NP，Non-deterministicPolynomial)完全问题，从计算量方面看不可解。网络上存在大量不同QoS的业务，不同QoS业务的数据传输存在差异化的性能需求。在QoS路由模型中，每种QoS业务都需要进行单独的QoS路由计算，都需要进行特殊处理，从根本上违背了网络层对数据包进行无差别处理的基本工作原理，网络层失去对于上层业务支持的普适性。

区分服务模型，是一种试图在不改变传统网络层工作原理前提下提出一种QoS解决方案。其核心思想是对上层业务进行优先级划分，在网络层根据优先级不同进行报文转发，高优先级的优先处理。满足各种不同QoS需求的根本措施在于提供诸多差异化的传输资源。网络区分服务的本质特征在于提供诸多差异化的传输资源。当前网络采用单下一跳路由机制，同类业务数据包传输对应单一的下一跳，传输资源没有可选性。这使得同一网络出口的不同等级业务实际上仍然是通过相同的路径传输的，服务的区分仅仅体现在路由设备对报文转发的优先级，并没有通过对不同网络资源的选择体现出来。当网络处于正常稳态运行状况时，所有的数据包都可以进行无阻塞的线速处理，业务分级的意义没有体现；当网络发生拥塞时，区分服务模型只能根据业务的优先级丢弃报文，这样对普通数据业务的影响甚大。因此区分服务模型没有实现真正意义上的区分服务，网络层对于上层业务的支持没有区分性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种实现分组交换网络业务传输QoS保证的方法及系统，可根据各种QoS业务传输需求分配网络资源。

本发明实施例提供一种实现分组交换网络业务传输QoS保证的方法，包括：

基于多个下一跳路由节点生成包括至少两条可达目的节点的路由的链路集合；

将所述链路集合中的链路按照与业务传输QoS需求等级对应的链路性能等级进行划分；

根据业务数据包的QoS需求从所述链路集合中选择相应的链路进行数据包的转发。

其中确定所述链路性能的指标包括：

链路固有属性、链路稳定性、节点处理能力、节点负载和可用带宽。

本发明实施例还提供一种实现分组交换网络业务传输QoS保证的系统，包括：

路由生成单元，基于多个下一跳路由节点生成包括至少两条可达目的节点的路由的链路集合；

链路划分单元，所述链路集合中的链路按照与业务传输QoS需求等级对应的链路性能等级进行划分；

选择单元，根据业务数据包的QoS需求从所述链路集合中选择相应的链路进行数据包的转发。

本发明提供的技术方案中，基于多个下一跳路由节点生成包括至少两条可达目的节点的路由的链路集合；按照与业务传输QoS需求等级对应的链路性能等级划分链路；根据业务数据包的QoS需求选择相应的链路进行数据包的转发。本发明提出的QoS通用方案解决了在网络层为各种QoS业务提供具有普适性区分服务的问题，它在满足了各种QoS业务传输需求的同时，保证了网络层对于各种不同业务数据包的处理。从根本上满足网络层支持QoS业务的动态分配网络资源这一本质需求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的实现QoS保证方法的流程图；

图2是本发明实施例中提供的实现QoS保证的系统架构图。

具体实施方式

本发明涉及到的网络层QoS通用解决方案通过下一跳性能等级匹配方法，实现根据业务QoS需求动态选择网络链路资源。主要涉及到三方面的主要内容：采用多下一跳路由实现路由过程中寻路和选路两步分离的方法；下一跳路由性能指标性能分级方法；数据包传输需求等级与下一跳等级的匹配规则。

采用多下一跳路由进行数据转发，实现路由过程中的寻路和选路过程的两步分离，在每个中间路由节点为每个网络出口提供可以并行分流工作的多个下一跳。

采用等级匹配的方法实现QoS保证。根据业务数据包中的QoS传输需求等级标识，在由多下一跳路由协议提供的下一跳链路集合中选择当前最适合其传输的链路资源，对数据包进行快速无差别转发。

参照图1，本发明实施例提供的一种实现分组交换网络业务传输QoS保证的方法，包括：

步骤S01，基于多个下一跳路由节点生成包括至少两条可达目的节点的路由的链路集合；

首先路由设备根据采集的各种网络瞬时传输性能参数规整出下一跳的各种网络指标性能等级，其次制定分组传输服务等级与各网络指标性能等级的匹配关系，最后由统一的转发策略依据等级匹配原则选择下一跳具体传输路径，实现对各种业务数据包进行快速无差异转发。

通过对下一条传输链路的选择，实现基于业务的QoS需求的区别对待。

由于对下一跳传输链路的选择要能够区分业务的QoS需求，而QoS需求通常通过网络各种瞬时性能参数进行衡量，如可用带宽、传输时延、抖动等，因此将能够反映下一跳链路传输性能的各种网络链路、节点的瞬时性能参数作为数据包具体传输路径的选择依据。各种动态的不稳定网络参数只是作为判断链路性能好坏的指标进行选路，具体路径的选择不影响其它多条路径对于的并行转发。这样，路由设备在对数据包进行下一跳资源选择时不仅考虑了其QoS需求的差异，同时又不需要根据不同QoS业务的需求进行特殊路由，具有很强的通用性。

本发明将用户传输需求等级衡量的工作与所提出的QoS区分服务通用解决方案相分离。当出现新的QoS业务时，用户只需要根据其对网络的传输需求或与网络运营商之间的商定，确定相应的传输服务等级，并在数据包的相应字段进行标识，本发明提供的方案中不需要进行任何修改即可对其进行网络传输资源选择及快速转发，适用于所有用户的QoS业务。

网络层要满足各种QoS业务的传输需求，本质上是要求网络能够支持根据业务的需求分配、调度网络资源。在传统网络中，由于单下一跳路由工作原理的制约，对于到达同一目的的具有不同传输需求的分组网络传输路径不具有可选性，因此上述要求无法满足。而本发明基于多下一跳路由机制从根本上满足了为提供区分服务所必备的网络链路资源可选的要求。

采用多下一跳路由机制，并将路由过程分为寻路和选路两步。

在寻路过程中，通过稳态参数进行全网路径规划，标识所有可行路径，生成到达目的节点的多下一跳路由节点集合。

选路的过程仅进行传输路径的选择，基于所生成的多下一跳路由节点集合，为待传输的数据包选择具体的传输路径。为实现网络层QoS区分服务提供了下一跳链路资源可选的先决条件，另外所提供的可选路径集合能够满足在各网络节点上进行无阻塞快速转发数据包的要求。

步骤S02，将所述链路集合中的链路按照与业务传输QoS需求等级对应的链路性能等级进行划分；

下一跳链路性能指标性能分级和等级匹配策略

根据下一跳性能指标情况，为具体的不同业务数据包选择最适合的下一跳资源进行数据转发。具体包括下一跳性能指标选择、下一跳网络性能等级规划和不同业务与相应等级下一跳链路的匹配策略。

下一跳链路性能指标选择，用哪些网络指标衡量下一跳链路的传输性能，下一跳链路性能等级规划工作是指如何将采集各种下一跳性能指标的信息进行规整，从而实现各种业务数据包与相应传输性能等级下一跳链路的对应投递。

本实施例中，在选择网络指标时既考虑到网络指标的通用性和代表性，使得各种用户的不同QoS需求都可以通过选定的指标进行衡量；同时考虑到指标使用的简单性，即用户业务的QoS传输需求要能够较容易的转换为对各种下一跳网络指标的性能需求。网络指标的选择还要考虑其所衡量的网络传输性能的真实性，要尽量通过下一跳指标真实的反映网络的现状。

因此，本发明实施例提供的方案中，将下一跳网络指标分为两类：a.固有属性指标；b.动态属性指标。其中，固有属性包括链路固有属性、稳定性和节点的属性即节点的处理能力；动态属性即资源的忙闲程度，包括节点负载和链路负载。因此，本实施例提供的方案中选用链路固有属性、稳定性、节点处理能力、节点负载和可用带宽等五个参数作为下一跳网络指标。

下一跳性能指标等级规整工作主要包括各种网络指标参数采集、网络指标参数处理、下一跳性能等级规划。在制定具体策略和方法时必须要考虑采集信息的准确性、等级计算的系统开销、规整出的下一跳等级的稳定性等问题。因此，下一跳等级规划工作主要由固有属性即链路可信度、节点固有属性、稳定性三方面因素决定。

当多个下一跳链路将反映其性能的包括固有属性3个参数的消息发给上游节点时，该节点首先选出链路可信度高下一跳，将可信度低的直接排除；然后依次进行节点固有属性和稳定性的比较，得出固有属性好和固有属性不好的两个集合。

步骤S03，根据业务数据包的QoS需求从所述链路集合中选择相应的链路进行数据包的转发。

为满足实现网络层对各种数据包的无差别、无停留快速转发的要求，方案要求数据包的传输需求等级与下一跳网络性能等级之间的匹配必须尽可能简化。简化的匹配规则是一组从业务数据包传输需求等级集合到下一跳网络指标性能等级集合的映射关系，一个传输需求等级对应了一组下一跳网络指标等级。路由设备在对数据包进行快速转发时，只需要根据映射关系，在多下一跳可选路径集合中匹配各条链路上的各个网络性能等级，从而选出具体的传输链路。

本实施例中，基于QoS需求将业务分为“最优业务”、“分等级业务”和“尽力而为”三种业务类型，将固有属性不好的链路直接用于进行尽力而为业务的传输。在固有属性好的下一跳集合中，随机选出一个下一跳作为固定的最优业务传输使用，并在表项中记录，同时在固有属性好的集合中随机选取一个节点作为备用下一跳。而后，使用固有属性好的下一跳集中剩余的下一跳链路进行保障业务的传输。因此，基于以上划分，形成了三个下一跳集合，分别为“最优下一跳”，“保障服务下一跳”和“尽力而为下一跳”。当集合中下一跳节点个数大于1时，基于动态属性对各链路实现负载均衡的转发。

基于“好的资源谨慎用，给业务好的资源”的原则，在各下一跳集合之间，同样需要进行负载均衡。对于“最优下一跳”集合中的下一跳链路仅供最优业务专一使用，而当最优业务增加，一条下一跳链路不能承担时，启用备份下一跳链路；对于“保障服务下一跳”和“尽力而为下一跳”两个下一跳集合，当两集合链路利用率较低或较高时，均能通过两个下一跳集合之间的负载均衡实现网络的整体流量均衡。

因此，通过具体选择合适的下一跳性能指标，并根据这些指标完成对下一跳性能等级的规划，这样可以很方便的制定业务服务等级与下一跳性能指标性能等级的匹配规则，从而实现对各种数据包的无差别、无停留快速转发。

具体实施例

设某个路由节点A，它有6个等价下一跳链路，分别记为B₀，B₁，B₂，B₃，B₄，B₅，通过它们可以并行转发到达目的出口D的数据包。下面描述如何对这6个下一跳进行等级划分和如何按照等级匹配策略进行数据包的转发。

首先，将包含六个下一跳链路自身固有属性的消息发送至上游节点A，包括链路可信度、节点固有属性、稳定性，记为B₀(1，1，1)，B₁(1，1，1)，B₂(1，1，1)，B₃(1，1，1)，B₄(1，0，1)，B₅(0，1，1)，其中“1”表示“好”，“0”表示“不好”。当上游节点A收到该消息后，根据信息将下一跳链路分为“固有属性好”和“固有属性不好”两个集合。其中“固有属性好”的链路包括{B₀，B₁，B₂，B₃}，“固有属性不好”的包括{B₄，B₅}。

随后，上游节点A在固有属性好的下一跳链路中随机挑选出一条B₀作为固定传输最优业务使用，并在表项中记录，同时在固有属性好的集合中随机选取一个节点B₁作为备用下一跳，将集合中剩余的三个下一跳链路B₁，B₂，B₃作为保障业务的传输使用。而对于固有属性不好的链路B₄，B₅可直接用于传输尽力而为的业务。因此，根据业务类型将下一跳链路划分为以下三个集合，分别是“最优下一跳”集合{B₀}，“保障服务下一跳”集合{B₁，B₂，B₃}和“尽力而为下一跳”集合{B₄，B₅}，从而实现不同业务类型与相应等级下一跳链路的对应投递。

为了进一步实现全网的负载均衡，具体实施如下：“最优下一跳”节点B₀固定传输最优业务，当最优业务量增加到某一程度，单一下一跳不能负荷时，可设当排队长度大于满额的80％，或可用带宽低于总带宽的20％时，启动备份下一跳B₁。其余两集合中节点均基于其动态属性即节点负载和可用带宽进行集合内与集合间的负载均衡转发，其中节点负载由排队长度表征。

假设在“保障服务下一跳”集合{B₁，B₂，B₃}内进行各节点负载均衡转发，节点A按照当前各接口排队长度确定各个下一跳接口的当前忙闲状态，设定阀值L为80％，认为排队长度大于L的下一跳均为不满足要求的下一跳，将其去除，得到一个当前可用的下一跳子集，并得到子集中下一跳链路的个数M。根据M值的不同，采用以下三种方式处理：

若M为1，则它是唯一可用的下一跳，即直接通过该条链路转发；

若M大于1，则在子集包含的所有下一跳间，按照各条链路的可用带宽的比例进行数据转发；

若子集为空，则在“保障服务下一跳”集合{B₁，B₂，B₃}中，按原始的排队长度最短的原则转发数据。此策略同样应用于“尽力而为下一跳”集合内的负载均衡转发。

在“保障服务下一跳”和“尽力而为下一跳”两集合间进行负载均衡转发时，上游节点A实时观测“保障业务下一跳”和“尽力而为下一跳”两集合的链路利用率。假设“尽力而为下一跳”集合的链路利用率超过80％时，若此时通过该集合的节点传输的仅有一种业务，则将其流量向链路利用率偏低的“保障业务下一跳”集合的各个节点上平摊，即此时在“保障业务下一跳”集合各节点中同时承担了两类服务；若此时通过“尽力而为下一跳”集合的节点传输的是两种业务(即“尽力而为下一跳”集合的节点已经作为“保障业务下一跳”集合节点的均衡使用)，则将“保障业务下一跳”集合的业务从“尽力而为下一跳”集合中撤出，即此时，“尽力而为下一跳”集合仅进行一种业务的传输。反之亦然。具体负载均衡策略与集合内采用的策略基本一致。

参照图2，本发明实施例还提供一种实现分组交换网络业务传输QoS保证的系统200，包括：

路由生成单元21，基于多个下一跳路由节点生成包括至少两条可达目的节点的路由的链路集合；

链路划分单元22，所述链路集合中的链路按照与业务传输QoS需求等级对应的链路性能等级进行划分；

选择单元23，根据业务数据包的QoS需求从所述链路集合中选择相应的链路进行数据包的转发。

可以看出，本发明提出的一种在网络层普适性地满足各种不同QoS业务传输需求的解决方案，可用性强，便于部署实施。

本发明提出的QoS通用方案解决了在网络层为各种QoS业务提供具有普适性区分服务的问题，它在满足了各种QoS业务传输需求的同时，保证了网络层对于各种不同业务数据包的通用处理。从根本上满足网络层支持QoS业务的动态分配网络资源这一本质需求。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各单元或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个单元或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1、一种实现分组交换网络业务传输QoS保证的方法，其特征在于，包括：

基于多个下一跳路由节点生成包括至少两条可达目的节点的路由的链路集合；

将所述链路集合中的链路按照与业务传输QoS需求等级对应的链路性能等级进行划分；

根据业务数据包的QoS需求从所述链路集合中选择相应的链路进行数据包的转发。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述链路性能的指标包括：

链路固有属性、链路稳定性、节点处理能力、节点负载和可用带宽。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述链路集合中的链路等级进行划分，具体包括：

采集各下一跳链路相关网络指标参数，并对所采集的网络指标参数进行处理；

根据链路的固有属性对下一跳链路等级进行规划，预定的业务传输QoS需求等级，所述固有属性包括链路可信度、节点固有属性、稳定性。

4、如权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述业务传输QoS需求等级包括：

最优业务、分等级业务和尽力而为。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，

数据包的转发，具体包括：

建立从分组传输QoS需求等级集合与下一跳网络指标性能等级集合的映射关系；

根据所述映射关系从所述链路集合中匹配各条链路上的各个网络性能等级，选出确定传输链路；

利用确定的传输链路传输业务数据包。

6、如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述固有属性包括链路可信度、节点固有属性、稳定性，所述从所述链路集合中选择相应的链路，具体包括：

从固有属性优于预定指标的下一跳链路集合中选取一个下一跳链路用于传输最优业务数据包；

固有属性劣于预定指标的下一跳链路集合中选取一个下一跳链路用于尽力而为业务数据包的传输。

7、如权利要求2所述的方法，其特征在于，

基于节点负载和可用带宽按照负载均衡原则采用至少两条链路转发业务数据包。

8、一种实现分组交换网络业务传输QoS保证的系统，其特征在于，包括：

路由生成单元，基于多个下一跳路由节点生成包括至少两条可达目的节点的路由的链路集合；

链路划分单元，所述链路集合中的链路按照与业务传输QoS需求等级对应的链路性能等级进行划分；

选择单元，根据业务数据包的QoS需求从所述链路集合中选择相应的链路进行数据包的转发。

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