CN101527678A - 基于模糊流感知的多业务综合区分控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于模糊流感知的多业务综合区分控制方法由模糊的业务区分方法、基于模糊隶属度的区分接入方法和基于模糊隶属度的区分转发方法组成。首先根据后端调度机制测量的链路状态信息生成模糊隶属函数，当新业务流到达时，计算该流的模糊隶属度，实现业务流所属类型区分；随后根据网络节点存储的判决表执行相应的准入判决，不同流在不同的链路状态下具有不同的接入概率，实现多业务流的接入区分；最后，将区分接入的业务分组分别送到具有不同优先级的队列进行排队转发，调度机制根据链路承载状态实现不同队列的区分转发机会，以保证其中实时流较高的传输性能要求。

Description

基于模糊流感知的多业务综合区分控制方法

技术领域

本发明是针对具有不同业务特征和区分服务质量(QoS)需求的多业务网络区分控制策略的研究。设计不同链路负载状态下区分接入不同应用流，保证综合业务流中实时流的低时延和低丢失率性能，实现多业务的区分性能保证，涉及通信设备中的流接纳控制和流区分调度算法领域。

背景技术

下一代网络是基于分组的多业务网络，要实现多业务区分服务质量保证，网络需要业务区分控制能力。如果整个网络配置静态的业务区分设备或者算法，必然带来复杂度和区分粒度之间的矛盾，还会带来明显的处理时延。因此，多业务网络需要具备智能的综合区分控制策略，实现多类型网络综合接入和IP化单一传输基础上的多业务区分服务质量保证。但是，要同时兼顾Internet网络的简单性、开放性和电信网络的可控性、可靠性，则存在着许多困难。

当前，Internet网络提供“尽力而为”型服务质量，为数据类应用提供了近似无差错传输和合理的响应时间。然而，基于IP的“尽力而为”网络在接入控制和传输控制上均没有对业务流进行区分，所有业务均依靠终端的智能性在不可靠的网络上提供统计的性能保证。在接入控制上进行业务区分的综合服务体系实现了对单流的资源预留，需要在每个路由器上同步更新单流的QoS状态信息，在传输路径上匹配业务模型并进行状态维护。在高速网络上，流规模数巨大，路由器难以有效实现每流状态维护，而且网络状态的动态变化使得预留资源往往不再与业务流实际需求匹配，极易引起网络拥塞。在传输控制上进行业务区分的区分服务体系使用流聚集的方式实现网络核心状态无关的流传输保障，然而同类流内不同业务之间的竞争存在着差异性，导致某些关键业务传输性能限不能保证。

多业务网络QoS区分保证可分解为接入区分保证和传输区分保证，如果网络没有足够资源确保满意的传输性能则应该拒绝更多应用流的接入，满足已接纳流的请求性能要求。复用统计性能研究证明如果链路保持不过载，则转发区分能够保证所承载业务请求的服务质量。

发明内容

技术问题：本发明的目的是建立一种基于模糊流感知的多业务综合区分控制方法，该方法为接入区分和转发区分综合方法，并设计综合区分控制模型和算法，通过多业务区分的模糊隶属函数，将接入区分和转发区分控制综合交叉实现，避免使用控制信令。通过共同的隶属函数达到两种区分控制中间状态的实时交互，避免了分离控制带来的状态信息时滞性，为多业务区分服务质量保证提供简单的网络区分控制机制。

技术方案：本发明提出了一种多业务综合区分控制技术框架，如附图1所示，并且详细设计了多业务综合区分控制操作流程，如附图2所示。从图中可以看出，系统分为三个过程，从左往右依次是：输入流的识别和区分、多业务接入区分和转发区分。

本文的关键方法是基于同一模糊隶属函数的接入区分与转发区分综合控制，该策略主要包含两个算法：区分的接入控制算法和区分的转发控制算法。首先通过流标识符进行流识别，如果接入流为进程既在业务流，则按原服务控制策略进行处理；如果到达流为新请求接入流，则根据流峰值速率执行模糊的流感知区分。对于不同业务类型，应用由模糊隶属度决定的接纳概率将业务接入链路，并使用由模糊隶属度确定的转发门限实现不同业务的区分转发操作。

基于模糊流感知的多业务综合区分控制方法，其特征在于整个多业务分组到达网络节点，依次进行流识别、流接入区分和转发区分控制，并更新节点和链路状态信息；当到达的业务分组执行拆包搜索下游路径时，获取分组头流标识符，随后与节点流列表数据库中流标识序列进行比较；如果当前业务流存在于既有流列表数据库中，说明相应业务正在通信，则直接应用区分转发策略库中相应策略进行业务数据转发；如果到达的业务流不存在于流列表数据库中，则判断该流为请求通信业务即新流，那么节点需要根据业务特征和网络链路当前状态对进入接入管理进程的新流执行区分的接入控制策略；链路状态监测系统实时周期性计算优先转发队列长度和链路公平速率生成接纳判决表，并对应上游区分的业务进行区分接纳，对接纳的业务发送至相应类型转发队列，同时将流标识符添加到流列表数据库，对于不被接纳的业务则直接丢弃该业务分组，不做其它任何操作，已接纳业务流由转发管理进程根据业务类型从区分转发策略库中搜索相匹配的策略，并据此送不同优先级队列进行区分转发，同时周期性刷新队列队长信息以保证链路状态监测系统信息的实时性，实现与业务区分接入相配合，达到业务接入区分和转发区分的总和控制，随后完成常规的分组封装并进行发送。

流识别区分的方法是网络接入点智能计算模块根据模糊业务感知速率区间[U_L，U_R]，在获取流业务实时峰值速率特征时，应用式1)和式2)计算系统当前业务对应的速率模糊隶属度，作为业务识别区分的实时判决函数{μ_F(x_s).μ_F(x_s)}，并对二者进行比较，取相对大者作为当前业务类型，以备后续机制进行网络操作处理；

${\mathrm{\&mu;}}_F\left(x_s\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{1,0}\&le;R_i\&le;R_L\\ \frac{R_U-R_i}{R_U-R_L},R_L<R_i<R_U\\ 0,R_U\&le;R_i\&le;C\end{array}\right.$ 式1)

${\mathrm{\&mu;}}_F\left(x_e\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{0,0}\&le;R_i\&le;R_L\\ \frac{R_i-R_L}{R_U-R_L},R_L<R_i<R_U\\ 1,R_U\&le;R_i\&le;C\end{array}\right.$ 式2)

其中R_U为区分速率上界，R_L为区分速率下界，C为链路容量。

流接入的方法是网络接入点首先从调度队列机制中获取优先队列缓存队长状态，同时计算链路当前公平速率，以此构建二维链路业务承载状态图，该图描述了综合业务共载时不同业务流的分布。通过二维状态图门限值的模糊化，实现将整个业务状态划分为9个不同状态子空间，不同子空间中不同业务按接入控制判决表进行区分接入。

有益效果：利用相同的模糊流感知隶属函数实现接入区分和转发区分的综合，实现链路不过载下的区分转发，达到多业务的区分控制，能够解决的问题主要包括如下：

(1)通过模糊流感知隶属函数实现对综合业务流的自适应区分，根据应用流的峰值速率和链路负载情况将业务分为实时流和非实时流；

(2)利用调度机制对承载链路状态的隐性测量，实现与模糊流感知隶属函数相关的多业务区分接入控制；

(3)根据由隶属度决定的优先队列转发门限实现多业务的动态区分转发；

(4)由业务区分隶属函数实现多业务的接入区分与转发区分综合控制。

附图说明

图1是多业务综合区分控制模型图。图中给出了基于模糊流感知的综合区分控制策略的构成模块。

图2是多业务综合区分控制操作流程图。图中按分组处理顺序依次给出了综合流识别和区分处理过程、综合业务流区分接入处理过程和不同队列的区分转发处理过程。

图3是多业务模糊区分策略实现原理图。图中描述了随承载链路负载率的变化，根据业务流峰值速率实现了动态的业务区分处理。

图4是多业务接入区分实现过程图。图中给出了感知区分后的不同业务流所对应的差异接入机会，即使相同类流在不同的链路负载率下，也具有区分的接入概率。

图5是多业务转发区分实现流程图，它分为入队列操作流程和出队列操作两部分处理。图中分别给出了相应的处理过程，针对不同优先级的队列，分配不同的转发机会。

具体实施方式

以下详细介绍该设计的各个流程操作及综合区分控制方法。

1.业务区分

功能：业务区分流程实现混合分组流的识别和区分。目的是为接入区分和转发区分的区分控制策略提供不同的控制对象。

实现方法：业务分组流到达网络控制节点输入接口，先提取流标识符，并与存储的流列表参数进行比较。若该流标识符存在于其中，则说明该流是正被服务的业务应用，链路应用与旧分组相同的策略提供服务，保证前后一致性的QoS提供，同时更新流列表中该流的时间参数，如图2左侧的业务区分过程。若该流标识符不存在于当前流列表中，则说明该流为新请求业务的应用，那么节点首先对其应用如图3所示的模糊区分策略实现多业务的区分。设系统稳态时，接纳的请求流峰值速率集为R＝{R₁，R₂，...，R_M}，且R₁＜R₂＜...＜R_M，M为自然数，所有峰值速率为R_i的流为业务流i，其中R_i∈[0，C]，则业务隶属函数如下：

设论域U为综合业务流，其元素X为实时流和弹性流，记为X＝{x_s，x_e}，集合F为论域U上的逻辑子集。则定义μ_F：U→[0，1]；F＝{(μ_F(x_s)，x_s)，(μ_F(x_e)，x_e)}，称μ_F(x)为流F的隶属函数，其μ_F∈[0，1]；称μ_F(x_i)为x_i(i＝s，e)对集合F的隶属度，且有：

${\mathrm{\&mu;}}_F\left(x_s\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{1,0}\&le;R_i\&le;R_L\\ \frac{R_U-R_i}{R_U-R_L},R_L<R_i<R_U\\ 0,R_U\&le;R_i\&le;C\end{array}\right.$ (1)

${\mathrm{\&mu;}}_F\left(x_e\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{0,0}\&le;R_i\&le;R_L\\ \frac{R_i-R_L}{R_U-R_L},R_L<R_i<R_U\\ 1,R_U\&le;R_i\&le;C\end{array}\right.$ (2)

称集合F为模糊流感知集，其中R_U为区分速率上界，R_L为区分速率下界，C为链路容量。则当μ_F(x_s)≥μ_F(x_e)时，请求流为实时流，反之为弹性流，由此将多业务模糊化为两个部分。当链路重载时，链路公平速率下降，则μ_F(x_s)减小，μ_F(x_e)增大，更少的业务流被当作具有优先权的实时流进行转发，以保证真正实时流的转发时延要求。

2.接入区分

功能：该功能为综合业务流中的不同应用流提供差别的接入机会，特别是在承载链路重载时，网络节点优先允许实时流的接入，而增大弹性流的阻塞率。同时维持链路正常负载率，为其后的转发区分机制提供流规模控制，防止转发缓存溢出而导致过高的分组丢失率。

实现方法：综合业务流根据其峰值速率特征分为实时流和弹性流，其中实时流具有相对接入优先权。接入区分实现流程如图4所示，为了获取调度算法的中间状态信息，需要先实现优先队列和链路公平速率的模糊化预计算。综合控制模型直接使用模糊化的链路拥塞指标构建二维状态空间，不同拥塞指标之间通过模糊流感知定义的关联系数实现状态信息交互。模糊化的状态指标构成9个不同的状态空间，如下图所示，分别命名为S1~S9，其中C为链路速率，B为优先队列总缓存量。两类指标的拥塞上边界(Q_FT和R_CT)随进程流的模糊流感知而动态改变，由此导致9个状态空间包含的空间域动态变化，这恰能处理流感知过程的不确定性和网络流量的随机波动。当R_F≤R_T时，任何业务的接入均会导致公平速率的进一步恶化，造成更多弹性流性能降级。当链路处于S6状态空间时，链路公平速率已经在拥塞告警门限之下，为保证优先业务流的性能，链路拒绝高速弹性流的接入，而此时优先队列明显重载，如果继续接纳实时流会加重优先队列负载，因此可以将S6~S9状态空间构成共同的拒绝域。

状态空间S4、S5处于公平速率的拥塞告警门限之下，链路仅接纳具有优先权的低速实时流，但优先流的接纳会恶化公平速率，进一步减小弹性流的平均吞吐量，因此流的接纳要受到队列门限和公平速率门限的双重约束。状态空间S1、S2、S3中均能接纳弹性流的接入，虽然S3空间中链路流状态分布不合理，网络状态通过接纳控制和调度策略进行调整。而S2空间中出于算法公平性而增加了优先队列队长，为平滑队列拥塞，此时优先流的接纳受队列门限约束。

接入区分控制对弹性流执行了更严格的接入限制，表现为两状态转移(即接纳或拒绝)。

而实时流能在链路处于多个状态空间时被接纳，由于它对弹性流存在着直接影响，调度算法在多个状态空间对其接入进行不同的约束。设状态i时，链路状态空间为S_i＝(Q_i，R_Fi)；状态i+1时，链路状态空间为S_i+1＝(Q_i+1，R_F(i+1))，则在周期性测量公平速率和优先队列队长后，链路从状态i转移至状态i+1并更新接纳控制判决表。在状态空间S2中，系统以与队列模糊拥塞函数的隶属度μ_Q(x_i)相关的概率P₁对优先流的接入进行约束，其中拒绝概率P₁定义如下：

$P_1={\left[{\mathrm{\&mu;}}_Q\left(x_i\right)\right]}^{k_1}={\left(\frac{Q-Q_T}{Q_{\mathrm{FT}}-Q_T}\right)}^{k_1},$ 其中k₁为拥塞敏感指数    (3)

在状态空间S4中，系统以与公平速率模糊拥塞函数的隶属度

相关的概率P₂对优先流的接入进行约束，其中拒绝概率P₂定义如下：

$P_2={\left[{\mathrm{\&mu;}}_{R_F}\left(u\right)\right]}^{k_2}={\left(\frac{R_{\mathrm{CT}}-R_F}{R_{\mathrm{CT}}-R_T}\right)}^{k_2},$ 其中k₂为拥塞敏感指数    (4)

拥塞敏感指数(k₁，k₂)描述了概率P_x(x＝1，2)对拥塞指标变化的敏感程度。在状态空间S5中，优先流的接入要受到两类拥塞变量的拥塞度约束，根据状态空间图构建出对应于不同链路状态空间的决策集，如下表所示。

3.转发区分

功能：该功能为不同队列提供差异的转发概率，在链路重载的情况下，优先队列分组具有被优先转发的机会，但在正常负载情况下，为普通队列提供承诺的转发机会。因此，根据链路状态动态调整分组转发权实现不同队列的区分转发。

实现方法：多业务网络中，通常使用优先队列队长(Q)刻画优先业务负载状态，当队长超过既定门限(Q_T)时，表示优先业务处于重载，系统需要控制进程优先流规模。通常使用链路当前公平速率(R_F)衡量弹性流平均吞吐量，当公平速率低于某个门限(R_T)时，弹性流吞吐量过小，业务请求响应时间较大，系统需要控制进程流数量来改善已接纳流的传输质量。设优先队列Q过载门限为Q_T，系统当前公平速率R_F过载门限为R_T，且接纳控制能够有效控制链路过载以保证R_F≥R_T。接纳流各自峰值速率为R_i，取R_T和R_F分别对应为流感知区分速率界的上下限，则可通过接纳流的隶属度实现一个关联系数用于评估当前流的接纳对进程流分布的影响，以实现流分布对调度优先权的调整，且定义关联系数为：

$C_x=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_F\left(x_e\right)-{\mathrm{\&mu;}}_F\left(x_s\right)}{{\mathrm{\&mu;}}_F\left(x_e\right)+{\mathrm{\&mu;}}_F\left(x_s\right)},C_x\&Element;\left[\mathrm{0,1}\right]$

对于既定接纳流来说，关联系数随链路当前公平速率R_F动态变化。设优先队列转发感知门限为Q_FT，其与链路流分布关联且随不同流的接入而动态变化，取：

Q_FT＝(1+C_x)Q_T

当链路公平速率较大时，隶属度μ_F(x_s)增大，隶属度μ_F(x_e)减小，更多低速弹性流进入优先队列被快速转发，为保障真正实时流的时延指标，减小关联系数(C_x)，降低转发门限，给予优先队列更多的转发机会。当公平速率R_F较小时，情况相反，更多弹性流进入普通队列，在实现进程流规模控制的条件下，增大关联系数，适度提高优先分组转发门限，增加其拥塞度，调整进程流分布，以提高弹性流吞吐量，维持调度策略的公平性。

设业务流到达过程相互独立，综合流记为X(t)，系统并行维护两个队列，其中优先队列记为q_P，普通队列记为q_G。调度器周期性测量两类流各自的拥塞指标，系统维护一个保护流列表，记录进程中最近活动流的状态信息，包括特定流标识符(Flow Identifier)和流生存时限值(TimeOut)。对单个独立队列实现先到先服务策略，队列操作过程如图5所示：

入队列(Enqueue)：当分组到达队列而缓存溢出时，丢弃该分组。当到达分组属于流列表中某个既在流时，直接置于相应队列尾部，按既定策略转发，并更新流列表中相应参数。当分组流为新业务请求流时，感知流属业务类型。当流峰值速率R_i小于公平速率下限R_T时，分组进入优先队列q_P；当R_i＞R_F，分组进入普通队列q_G；当R_i∈[R_T，R_F]时，求取模糊隶属度，当μ_F(x_s)＞μ_F(x_e)时进入优先队列，否则进入普通队列。进入队列的分组直接添加到相应队列尾部，并将该流信息添加到进程流列表中。当流列表中某个流在时限值间隔内没有后续分组到达时，删除进程该流状态信息，并释放其所占用的网络资源。

出队列(Dequeue)：系统设置一个指针用于统计优先队列当前字节长度估计值Q，并与当前状态下的转发感知门限Q_FT相比较，实现转发权动态地在两个队列之间传递。设当前转发队列为q_i，则根据下式实现转发权的动态交互。

$q_i=\left\{\begin{array}{cc}{q}_P,& Q\&GreaterEqual;Q_{\mathrm{FT}}\\ q_G,& Q<Q_{\mathrm{FT}}\end{array}\right.$

多业务综合控制首先根据模糊流感知策略实现多业务的模糊区分，随后基于区分的应用类型进行区分的接入控制，并进入不同的队列进行调度排队，达到转发区分的目的。所有的业务区分机制均基于相同的模糊隶属度，而该参数受链路承载状态参数的影响，链路状态由调度机制进行测量，因此在业务区分、接入区分和转发区分之间进行了中间信息的交换，彼此相互影响，最终实现对多业务的区分控制，保证其中实时流的服务质量，同时为弹性流提供可接受的传输量。具体实施方式如下步骤：

1、网络控制节点维护由调度机制测量的链路当前状态信息，构建二维状态空间，并随测量计算周期性更新状态空间。

2、接纳控制机制使用模糊隶属度计算不同流在不同状态空间下的接纳率，并由节点存储区分接纳控制判决表。

3、当新业务流到达网络节点后，根据其峰值速率特征计算相应模糊隶属度，感知业务类型。并根据业务区分结果查找接纳判决表，进行相应的接入判决决策。

4、准入业务流分组根据感知所属类型分送至对应缓存队列等待调度转发，被拒绝业务分组被直接丢弃。

5、根据优先队列拥塞度动态调整不同队列分组的转发权，当优先队长超过拥塞门限时，赋予优先队列分组绝对的优先转发权，否则允许普通队列进行分组转发。优先队长拥塞门限随链路负载率动态改变，以保证重载时实时流的时延和轻载时弹性流的吞吐量要求。

Claims (3)

1、一种基于模糊流感知的多业务综合区分控制方法，其特征在于整个多业务分组到达网络节点，依次进行流识别、流接入区分和转发区分控制，并更新节点和链路状态信息；当到达的业务分组执行拆包搜索下游路径时，获取分组头流标识符，随后与节点流列表数据库中流标识序列进行比较；如果当前业务流存在于既有流列表数据库中，说明相应业务正在通信，则直接应用区分转发策略库中相应策略进行业务数据转发；如果到达的业务流不存在于流列表数据库中，则判断该流为请求通信业务即新流，那么节点需要根据业务特征和网络链路当前状态对进入接入管理进程的新流执行区分的接入控制策略；链路状态监测系统实时周期性计算优先转发队列长度和链路公平速率生成接纳判决表，并对应上游区分的业务进行区分接纳，对接纳的业务发送至相应类型转发队列，同时将流标识符添加到流列表数据库，对于不被接纳的业务则直接丢弃该业务分组，不做其它任何操作，已接纳业务流由转发管理进程根据业务类型从区分转发策略库中搜索相匹配的策略，并据此送不同优先级队列进行区分转发，同时周期性刷新队列队长信息以保证链路状态监测系统信息的实时性，实现与业务区分接入相配合，达到业务接入区分和转发区分的总和控制，随后完成常规的分组封装并进行发送。

2.根据权利要求1所述的基于模糊流感知的多业务综合区分控制方法，其特征在于流识别区分的方法是网络接入点智能计算模块根据模糊业务感知速率区间[U_L，U_R]，在获取流业务实时峰值速率特征时，应用式1)和式2)计算系统当前业务对应的速率模糊隶属度，作为业务识别区分的实时判决函数{μ_F(x_s).μ_F(x_s)}，并对二者进行比较，取相对大者作为当前业务类型，以备后续机制进行网络操作处理；

${\mathrm{\&mu;}}_F\left(x_s\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{1,0}\&le;R_i\&le;R_L\\ \frac{R_U-R_i}{R_U-R_L},R_L<R_i<R_U\\ 0,R_U\&le;R_i\&le;C\end{array}\right.$ 式1)

${\mathrm{\&mu;}}_F\left(x_e\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{0,0}\&le;R_i\&le;R_L\\ \frac{R_i-R_L}{R_U-R_L},R_L<R_i<R_U\\ 1,R_U\&le;R_i\&le;C\end{array}\right.$ 式2)

其中R_U为区分速率上界，R_L为区分速率下界，C为链路容量。

3.根据权利要求1所述的基于模糊流感知的多业务综合区分控制方法，其特征在于流接入的方法是网络接入点首先从调度队列机制中获取优先队列缓存队长状态，同时计算链路当前公平速率，以此构建二维链路业务承载状态图，该图描述了综合业务共载时不同业务流的分布。通过二维状态图门限值的模糊化，实现将整个业务状态划分为9个不同状态子空间，不同子空间中不同业务按接入控制判决表进行区分接入。

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