CN101803313A - 用于提供拥塞信息的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于提供与在网络元件处的拥塞有关的信息的方法和装置，该拥塞由所述网络元件将在电信网上转发的数据单元引起，所述装置包括：负载数据接收单元，其用于接收与所述网络元件要转发的数据单元有关的负载数据；速率数据获得单元，其用于获得标识可配置速率的数据；用于存储第一量度的第一寄存器和用于存储第二量度的第二寄存器；第一更新单元和第二更新单元，它们能够操作用于根据负载数据和可配置速率来更新第一寄存器中和第二寄存器中的量度；以及拥塞指示提供器，其能够操作用于根据存储在寄存器中的量度来提供拥塞指示；所述装置被配置为，使得可以通过对针对单速率三色标记提供的硬件进行微小的修改而提供与虚拟队列标记方案等效的特性。

Description

用于提供拥塞信息的方法和装置
技术领域
本发明涉及诸如互联网、内联网或网络营运商的核心网之类的电信网络。更具体地说，本发明的多个方面涉及用于提供与网络元件处由要在网络上转发的数据单元造成的拥塞有关的信息的方法和装置。
背景技术
分组网(诸如互联网协议(IP)网或以太网)通常“尽力而为(besteffort)”地工作。这表示它们通常将其数据单元或分组在网络上快速转发，但是当它们接收到的分组比它们能快速转发的分组多时，有时会出现拥塞。在这种情况下，他们通常迟延或者丢弃多余的分组，这可能对分组的发送者或接收者造成不便。
已经开发了如下的技术：基于例如分组被识别为属于多种不同业务类别中的那一类，或者基于它们的源或目的地，通过例如对一些分组赋予优先级或赋予比其它分组更高的优先级来提供更有区别的转发特性。这种技术通常需要利用诸如准入控制机制之类的机制来进行补充，该准入控制机制可用于控制高(或更高)优先级的分组进入网络的速率，以防止在这些分组将具有较低优先级的分组完全排除在网络以外的情况下拥塞或独占网络资源。通过适当地使用这种机制以及合适的配置，可以按照如下方式来有效地划分网络可用的资源，即确保网络将不再接受更高速率的更高优先级分组，该更高速率是指比网络能实际保证提供具有优先级待遇的这种分组时的速率要高，同时还确保没有完全排除具有较低优先级的分组。
用于控制拥塞的其它方案取决于提供信号给分组的发送者或接收者的网络，当出现拥塞时，允许其“回退”，即，减小发送分组时的速率，由此来减轻拥塞。
近来用于对互联网或其它网络中的拥塞进行管理的方法要求网络中的路由器(或交换机)执行主动队列管理(Active Queue Management)以及利用一些标记方案(marking scheme)用信号来通知拥塞。路由器基于其当前的拥塞水平来选择要转发的分组的比例，然后，通常使用诸如ECN(RFC 2481-用于将显式拥塞通知(explicit congestion notification，ECN)添加到IP的提案)之类的协议，利用拥塞标记对这些分组进行标记。如果路由器不拥塞，则只对极少的分组进行标记。如果路由器拥塞，则将对许多(或者全部)分组进行标记。
参照图1，示出了诸如路由器或交换机之类的通用网络元件的概略图。分组流经由一个或更多个网络接口从网络中的其它节点到达网络元件，并且经由另一网络接口出现并向前发送至网络的其它节点。如果网络元件正在执行分组标记处理以指示出拥塞，则分组标记单元出现在该网络元件或一个或多个其网络接口处。
用于标记分组的现有机制通常是基于对路由器(或交换机)接口处的实际分组队列进行检查，如果该队列较长则对该分组进行标记。DavidLapsley和Steven Low在“Random Early Marking：An OptimizationApproach to Internet Congestion Control”(Proceeding of the 7th IEEEInternational Conference on Networks，28September-1 October，1999)中提出了这种方法的一个示例。利用现有的交换机和路由器不难实现这种技术。但是，因为在实际队列大小开始增长之前这些技术并不用信号通知拥塞，所以这些技术并不完全令人满意。优选的是，通常将网络操作为使得实际队列大小很少增长，这是因为长队列意味着延迟(latency)增大和分组丢失。因此，有利的是，在实际队列开始增长之前，在即将出现拥塞时，标记机制开始进行标记。
虚拟队列标记
在IETF PCN工作组中对这种早期标记的示例进行了标准化(http://www.ietf.org/html.charters/pcn-charter.html)，其中，PCN是指“预拥塞通知”。该工作组试图基于以下方法来对标记机制进行标准化，即，查看如何将分组到达速率不与线路速率进行比较(实际队列是与线路速率进行比较)而与稍低的速率进行比较。在实际队列拥塞之前，“虚拟队列”就已经经历了拥塞，因此，可以提供更及时的拥塞信号。R.J.Gibbens和F.P.Kelly在“Resource pricing and the evolution of congestion control”(Automatica 35，1999)中给出了这种机制的优点的学术讨论。CostasCourcoubetis和Richard Weber在“Buffer Overflow Asymptotics for a SwitchHandling Many Traffic Sources”(Journal of Applied Probability 33，page886-903，1996)中通过不同的方式首次提出了虚拟队列(及其在ATM网络中的用途)。Kunniyur和Srikant在“Analysis and Design of an AdaptiveVirtual Queue(AVQ)Algorithm for Active Aueue Management”(Proc.ACMSIGCOMM’01，Computer Communication Review 31(4)，October 2001)提出了此处所讨论的确切形式。
应注意，在交换机和路由器硬件设计中还使用术语“虚拟队列”来表示在进入(ingress)接口处的虚拟队列，该进入接口对外出(egress)接口处的队列进行跟踪，但是这与此处讨论的虚拟队列无关。
虚拟队列标记(VQM)定义了一种要在网络接口上实现的策略，该策略利用表示该接口的拥塞状态的信号对分组交换网的分组进行标记。该分组标记策略是基于由虚拟队列定义的拥塞测量。虚拟队列是概念性的队列，其实际上仅仅是记录了虚拟队列长度的单个变量，其中，当分组达到时将分组的长度加到该虚拟队列上，同时减去接口的线路速率的一部分。这表示接口的虚拟队列比其实际队列更快建立。
图2是例示了虚拟队列标记(VQM)处理的模型。随着各个新分组达到并且被添加到实际队列中，虚拟队列的大小递增了该新分组的字节数。如果分组能够以每秒X比特的速率(bps)出现并向前发送至网络中的其它节点，则虚拟队列以θX bps(其中θ＜1)的速率递减。
然后，使用虚拟队列的大小来决定是否发出拥塞信号(即，表示该接口的拥塞状态的信号)。通常如果虚拟队列的大小超过一定阈值，我们就希望发出拥塞信号。有几种对拥塞信号进行编码的方式：一种期望的方式是，如果该信号表示“拥塞接口”，则通过将分组报头中的一个比特设定为1来对分组进行“标记”；如果信号表示“非拥塞接口”，则将分组报头中的一个比特设定为0。另一个可行的方式是，使用虚拟队列提供的对拥塞的测量(而不对分组进行标记)来向管理系统发出告警。或者，(但并非很希望如此)，可以重新标记实际分组的业务类别，或者可以将实际分组丢弃或者重新路由。
令牌桶标记(Token-bucket marking)
期望在实际路由器和交换机中实现虚拟队列标记器有许多有说服力的理由，但是，现有的路由器通常不支持这种标记器。它们通常只基于实际队列的大小来提供对标记的支持。但是，路由器使用的硬件经常具有额外的能力，这些能力用于将业务流(或者路由器业务的一些特定子集)管制为比线路速率更低的某个配置速率。这些能力使用对该子集中的业务进行查看的标记机制，然后对其进行标记(通常不用ECN标记，而是以其它的方式，诸如改变分组的区分服务代码点(DSCP))。因为这些标记机制可配置为以比线路速率更低的速率工作，所以他们可以提供对虚拟队列的支持。但是，这些标记器通常不使用用于虚拟队列的规则。通常这些标记器基于被称作令牌桶(或者漏桶)的规则，当令牌桶变为空时对分组进行标记。
典型的这种标记机制是使用令牌桶，如图3所示，图3是例示了令牌桶标记(TBM)处理的模型。以配置的速率(承诺信息速率或CIR)为令牌桶B(名义上)填充令牌，并且当分组达到时，令牌桶被清空。再次地，如果分组能够以X bps的速率出现并向前发送，则虚拟队列以θXbps(其中θ＜1)的速率递减。C表示可处于令牌桶中的令牌的最大数量，而Tc＝桶中当前的令牌数量。分组标记器根据预定的令牌消耗和分组标记算法在将分组向前发送之前对分组进行标记。
因此，这种模型与以倒置(upside-down)方式工作的虚拟队列类似。但是，其核心差别在于，其只在当令牌为空的时候标记分组。相反，虚拟队列通常在每当超过与队列的末端相距甚远的阈值时就进行标记。仅当其在每当水平下降到比被配置适当高于其空点的阈值更低的情况下进行标记时，令牌桶才实现同样的动作。但是，在硬件中实现虚拟队列要求额外的寄存器，而这对于令牌桶的实现来说并非微不足道的变化。
虚拟队列与令牌桶标记
按照如下方式来使用令牌桶随后将得到比虚拟队列具有更少存储器的标记机制：在分组的突发之后，令牌桶快速地停止标记，而虚拟队列继续进行标记，直到实际队列有时间又排空为止。因此，自从开始标记后，虚拟队列尽可能多地对突发中的业务进行标记，这更准确地反映了分组流对实际队列的影响，因此优选作为拥塞标记机制。这称为“标记对称性(marking symmetry)”，因为标记的数量准确地反映了拥塞造成的经济成本，因此“标记对称性”是优选的，因此，随后可以将标记用作统计量度，而不仅仅用作控制信号。
路由器和交换机不但提供简单令牌桶，还经常提供被称作单速率三色标记(IETF RFC 2697-srTCM)的标记机制。例如，许多路由器和交换机制造商使用Broadcom 56510芯片组进行队列管理，其包括srTCM标记的硬件实现。可以从www.broadom.com/collateral/pb/56510-PB00-R.pdf处的Product Brief BCM56510(产品简介BCM56510)中，或者从BroadcomCorporation，16215 Alton Parkway，Irvine，California，US得到有关Broadcom 56510芯片组的详细信息。
如图4所示，将srTCM机制建模为包括两个令牌桶B1和B2。令牌桶B1和B2中的令牌水平分别为TC和TE，令牌桶中的令牌的最大数量是C和E。
srTCM机制旨在利用通常被命名为“绿”、“黄”和“红”的三种状态中的一种来标记分组。承诺信息速率(CIR)是令牌被推送到桶中的速率，其对应于如下的业务速率，在该业务速率以下，全部分组都将被标记为绿。承诺突发大小(CBS)是令牌桶B1的大小(即，为C)，其对应于将不产生任何黄(或红)的标记的突发的最大大小。超额突发大小(EBS)是令牌桶B2的大小(即，为E)，其对应于将不使黄标记变成红标记的突发的最大大小。
srTCM定义了两种主要的算法：令牌填入两个桶的方式，以及令牌被分组消耗的方式。
令牌消耗和分组标记算法
每当大小为B的分组到达时，srTCM标记器执行标记算法以执行以下步骤：
if(TC＞B)then
  将分组标记为绿
  TC＝TC-B
else if(TE＞B)then
  将分组标记为黄
  TE＝TE-B
else
  将分组标记为红
实际上，通常通过将令牌桶清空为0，并且如果有必要从其它令牌桶中去除剩余令牌，令牌消耗算法还可以应对令牌的填充小于分组大小B的情况。其它的实现方式允许桶略微成为负数。这里省略了这种细节以强调算法的主要意图。
令牌填充算法
根据每F/R秒重复调用的以下算法，由单个令牌源以规定的承诺信息速率来填充两个令牌桶：
if(TC＜C)then
  将TC增加F
else if(TE＜E)then
  将TE增加F
等效地，以下的填充算法可以由各个分组到达事件来触发，而不是由定期的定时器事件触发：
t_now:＝now()
F:＝R(t_now-t_previous)
if(TC＜C)then将TC增加F
else if(TE＜E)then将TE增加F
t_previous:＝now()
在软件中很容易实现虚拟队列标记，但是当前没有硬件实现，至少在低端通用硬件上没有实现。应了解，硬件实现(而不是软件实现)对于高速、操作简单而言是有利的。现有的路由器和交换机通常实现了三种另选机制以在网络接口处进行测量：令牌桶标记(TBM)、单速率三色标记(srTCM)、和双速率三色标记(trTCM)。
应了解，可以通过对令牌桶增加阈值(超过该阈值标记器就开始进行标记)而将TBM修改为与VQM按相同方式工作。但是，很不幸的是，这是一条需要对硬件进行大幅重新设计的途径。
取而代之，srTCM内在地引入使用两个令牌桶的机制。虽然两个桶(如其在srTCM中那样的)的要点在于，使得过量的令牌从桶B1流入B2，但是发明人认识到，通过修改令牌被推送到桶中的算法，可以将一个桶的大小用作虚拟队列的阈值。
参照现有技术的专利公布，可以视为相关背景技术的美国专利US，6,970,426总体涉及数据通信领域，具体而言，涉及一种对接收的数据流进行计量并例如基于一种因素或者一种或更多种因素(如数据流中的分组速率、分组长度、分组的到达时间等)的组合有区别地标记数据流中的分组的设备。可以对分组进行标记或者重新标记以例如指示出关于是将分组转发还是丢弃的保险水平(a level of assurance)。
欧洲专利申请EP1,694,004涉及用于处理网络中的数据的网络设备，具体而言，涉及通过被认为具有增强的处理速度和扩展性的网络设备对数据的流动进行控制的处理。讨论了上述设备用于可编程的颜色标记、以及桶递增和递减，在特定版本中，讨论了使用可编程寄存器来实现srTCM和trTCM方法。
参照学术文献，Kunniyur & Skikant的更新的论文：“An AdaptiveVirtual Queue(AVQ)Algorithm for Active Queue Management”(IEEE/ACMTransaction on Networking，Vol.12，No，2，April 2004)也可以被认为是相关背景技术，该论文研究了虚拟队列的特性，并且考虑了一种被称作自适应虚拟队列(AVQ)的特殊方案。讨论了如何能够仅使用几行代码将AVQ实现为简单的令牌桶。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于提供与网络元件处的拥塞有关的信息的装置，该拥塞是由所述网络元件将在电信网上转发的数据单元引起，所述装置包括：
负载数据接收单元，其用于接收与将由所述网络元件转发的数据单元有关的负载数据；
速率数据获得单元，其用于获得表示可配置速率的数据，所述可配置速率与所述网络元件将对数据单元进行转发的速率有关；
第一寄存器，其用于存储第一量度；
第二寄存器，其用于存储第二量度；
第一更新单元，其能够操作用于根据所述负载数据来更新所述第一寄存器和所述第二寄存器二者的至少一个中的量度，所述第一更新单元与所述第一寄存器和所述第二寄存器二者中的一个主要关联，并与所述第一寄存器和所述第二寄存器二者中的另一个次要关联，所述第一更新单元能够操作用于：在不会导致存储在所述第一更新单元主要关联的寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，更新所述第一更新单元主要关联的寄存器，并且如果这种更新会导致存储在该寄存器中的量度超过预定的阈值，则在不会导致存储在所述第一更新单元次要关联的寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，更新所述第一更新单元次要关联的寄存器；
第二更新单元，其能够操作用于根据所述可配置速率来更新所述第一寄存器和所述第二寄存器二者的至少一个中的量度，所述第二更新单元与所述第一寄存器和所述第二寄存器二者中的一个主要关联，并且与所述第一寄存器和所述第二寄存器二者中的另一个次要关联，所述第二更新单元能够操作用于，在不会导致存储在所述第二更新单元主要关联的寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，更新所述第二更新单元主要关联的寄存器，并且如果这种更新会导致存储在该寄存器中的量度超过预定的阈值，则在不会导致存储在所述第二更新单元次要关联的寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，更新所述第二更新单元次要关联的寄存器；以及
拥塞指示提供器，其对所述第一更新单元进行响应，并且能够操作用于在由所述第一更新单元对所述第一寄存器和所述第二寄存器二者中的任何一个进行的更新导致存储在该寄存器中的量度超过其相应阈值的情况下，提供主要拥塞水平的指示；
其特征在于，所述第一更新单元主要关联的寄存器是所述第二更新单元次要关联的寄存器。
应理解的是，在“特征描述”句中未阐述限制的情况下，上述定义中使用的术语(由此将这两个更新单元中的每一个称为与两个寄存器中的一个“主要关联”，而与这两个寄存器中的另一个“次要关联”)有效地将上述定义的范围划分为4种相应类别的装置。在“特征描述”句中阐述的限制得到仅涵盖这些类别中的两类的上述定义的范围，其可以总结如下：
1)一种装置，其中，第一更新单元(其能够操作用于根据所述负载数据来更新两个寄存器的至少一个中的量度)与第一寄存器主要关联，并且与第二寄存器次要关联，而第二更新单元(其能够操作用于根据所述可配置速率来更新两个寄存器的至少一个中的量度)与第二寄存器主要关联，并且与第一寄存器次要关联；以及
2)一种装置，其中，第一更新单元与第一寄存器次要关联，并且与第二寄存器主要关联，而第二更新单元与第二寄存器次要关联，并且与第一寄存器主要关联。
上述定义中使用的术语(由此，将相应更新单元称为与相应寄存器“主要”和“次要”关联)用于使得能由以上单个定义来涵盖上面总结两个类别的装置，在“特征描述”句中阐述的限制用于将其他两个类别的装置排除在定义的范围之外。根据上述措辞应当清楚是，更新单元“主要关联”的寄存器是更新单元主要能够操作进行更新的寄存器(即，在这种更新不会导致存储在该寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，这是更新单元“优选”更新的寄存器)。与更新单元“次要关联”的寄存器是更新单元“在其它情况下”进行更新的寄存器(同样根据可能的限制条件，如果这种更新将导致存储在该寄存器中的量度超过预定的阈值，则可能不进行这种更新)。
在认为这将导致语言过于复杂的情况下，应注意，以上的单个定义可以由以上“两部分”形式中的两个单独的定义来代替(分别对应于上面阐述的装置“类别”中的每一个)，或者由“一部分”形式(即，没有“前特征描述”或“特征描述”句)中的单个定义来代替。
对第一方面的“一部分”形式的相应定义适当措辞如下：一种用于提供与网络元件处的拥塞有关的信息的装置，该拥塞是由所述网络元件将在电信网上转发的数据单元引起，所述装置包括：
负载数据接收单元，其用于接收与将由所述网络元件转发的数据单元有关的负载数据；
速率数据获得单元，其用于获得表示可配置速率的数据，所述可配置速率与所述网络元件将对数据单元进行转发的速率有关；
第一寄存器，其用于存储第一量度；
第二寄存器，其用于存储第二量度；
第一更新单元，其能够操作用于根据所述负载数据来更新所述第一寄存器和所述第二寄存器二者的至少一个中的量度，所述第一更新单元能够操作用于，在不会导致存储在所述第一寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，更新所述第一寄存器，并且如果这种更新会导致存储在所述第一寄存器中的量度超过预定的阈值，则在不会导致存储在所述第二寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，更新所述第二寄存器；
第二更新单元，其能够操作用于根据所述可配置速率来更新所述第一寄存器和所述第二寄存器二者的至少一个中的量度，所述第二更新单元能够操作用于，在不会导致存储在所述第二寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，更新所述第二寄存器，并且如果这种更新会导致存储在所述第二寄存器中的量度超过预定的阈值，则在不会导致存储在所述第一寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，更新所述第一寄存器；以及
拥塞指示提供器，其对所述第一更新单元进行响应，并且能够操作用于在由所述第一更新单元对所述第一寄存器和所述第二寄存器二者中的任何一个进行的更新导致存储在该寄存器中的量度超过其相应阈值的情况下，提供主要拥塞水平的指示。
作为以上在两部分定义的特征描述句中阐述的限制的结果(其已完全合并到以上一部分定义中)并结合所关联的前特征描述句的特征，在优选的实施方式中，可以认为这两个更新单元有效地将两个寄存器用作合并寄存器中的“上寄存器”和“下寄存器”，该合并寄存器一方面响应于负载而改变，另一方面响应于时间的流逝而改变。该特性对应于虚拟队列的特性，因此优选实施方式能够使用所描述的两个寄存器(其已在分组转发单元中使用)来实现虚拟队列标记，尽管是以新的形式实现。
负载数据可例如与网络元件将要转发的数据单元的数量有关，或者与网络元件将要转发的数据单元的大小(例如，字节数或比特数)有关，或者是表示当前处于网络元件的入口处的数据单元的合并负载这些因素的组合。
可配置速率可以是网络运营商或者某个其它实体预先设定的速率，或者可以响应于当前条件或要求而由网络运营商、某个其他实体等在网络元件、在装置本身处确定。可以将该可配置速率例如配置为比所述网络元件能够(或通常能够)转发所述数据单元的最大速率低预定量的速率，并且可用于确定网络元件在处于其总容量的多大比例时可以开始对潜在的拥塞做出反应。
在特定情况下，在有关对数据单元(例如，特定业务类别的数据单元、来自特定源的数据单元、和/或去往特定目的地的数据单元)的特定子集(或子集的组合)在网络元件处引起的拥塞的贡献方面，可以要求特定的拥塞指示。在这种情况下，例如可以有与对仅来自该特定子集(或多个子集)的数据单元进行转发的速率有关的可配置速率。或者，关于对分别由数据单元的多个不同子集中的每个子集在网络元件处引起的拥塞的贡献，可以要求单独的拥塞指示。在这种情况下，对各个子集可以应用不同的可配置速率。
第一更新单元和第二更新单元能够操作用于将所述第一寄存器和第二寄存器中的量度更新分别取决于所述负载数据和所述可配置速率的量。
所述第一更新装置能够操作用于通过根据所述负载数据使所述第一寄存器和所述第二寄存器中的量度递增来对该量度进行更新，而所述第二更新装置能够操作用于通过根据所述可配置速率使所述第一寄存器和所述第二寄存器中的量度递减来对该量度进行更新。或者，所述第一更新装置能够操作用于通过根据所述负载数据使所述第一寄存器和所述第二寄存器中的量度递减来对该量度进行更新，而所述第二更新装置能够操作用于通过根据所述可配置速率使所述第一寄存器和所述第二寄存器中的量度递增来对该量度进行更新。无论哪一种方式，应理解的是，更新装置中的一个根据可配置速率来执行与令牌桶模型中的“填充令牌桶”等效的功能，而另一个更新装置可以通过根据网络元件转发的数据量执行与“清空令牌桶”等效的功能进行相反操作。
可以将关于第一寄存器和第二寄存器的预定的阈值设定为例如对应于令牌桶模型中第一桶和第二桶被清空或填满的概念，或者设定为除此以外的其它水平。
所述拥塞指示提供器能够操作用于在由所述第一更新装置对所述第一寄存器和所述第二寄存器的更新将导致存储在各个寄存器中的量度超过其相应阈值的情况下，提供次要拥塞水平(可能是更高或更临界的拥塞水平)的指示。所述次要拥塞水平的指示一般不同于所述主要拥塞水平的指示。
所述装置可以另外包括对所述拥塞指示提供器进行响应的数据单元标记装置，所述数据单元标记装置能够操作用于响应于由所述拥塞指示提供器提供的拥塞指示对数据单元进行标记。或者，可将其布置成响应于由拥塞指示提供器提供的拥塞指示而向网络管理系统发送告警、或者丢弃或重新路由数据单元。
所述电信网可以是例如互联网、内联网、或者网络运营商的核心网。
所述数据单元可以是如下分组，每个分组包括根据诸如互联网协议的一个版本(IPv4、IPv6等)之类的网间协议的报头。或者，所述数据单元可以是根据诸如以太网协议的一个版本之类的网内协议的帧。这在电信网为核心网的情况下尤其合适。另一种另选方式(在电信网为核心网的情况下也合适)是，所述数据单元是根据异步传输模式(ATM)协议的信元。
应理解的是，所述装置本身可以是自适应路由器或其它网络元件，或者可以作为附件而合并到现有路由器或其它网络元件中。一种另选的可能性是，根据本发明的装置可以与路由器或其它网络元件相关联(但不实际合并到其中)。
根据本发明的网络元件可包括、合并或者关联有多于一个的装置。这例如适于对分别由数据单元的不同子集(诸如数据单元的不同类别、或者来自不同源的数据单元和/或去往不同目的地的数据单元)在网络元件处引起的拥塞的贡献要求单独的拥塞指示的情况。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于提供与网络元件处的拥塞有关的信息的方法，该拥塞是由所述网络元件将在电信网上转发的数据单元引起，所述方法包括以下步骤：
接收与将由所述网络元件转发的数据单元有关的负载数据；
获得表示可配置速率的数据，所述可配置速率与所述网络元件将对数据单元进行转发的速率有关；
在第一寄存器中存储第一量度；
在第二寄存器中存储第二量度；
执行根据所述负载数据对所述第一寄存器和所述第二寄存器二者的至少一个中的量度进行更新的负载相关操作，所述负载相关操作与所述第一寄存器和所述第二寄存器二者中的一个主要关联，并与所述第一寄存器和所述第二寄存器二者中的另一个次要关联，所述负载相关操作包括以下步骤：在不会导致存储在所述负载相关操作主要关联的寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，更新所述负载相关操作主要关联的寄存器，并且如果这种更新会导致存储在该寄存器中的量度超过预定的阈值，则在不会导致存储在所述负载相关操作次要关联的寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，更新所述负载相关操作次要关联的寄存器；
执行根据所述可配置速率对所述第一寄存器和所述第二寄存器二者的至少一个中的量度进行更新的速率相关操作，所述速率相关操作与所述第一寄存器和所述第二寄存器二者中的一个主要关联，并且与所述第一寄存器和所述第二寄存器二者中的另一个次要关联，所述速率相关操作包括以下步骤：在不会导致存储在所述速率相关操作主要关联的寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，更新所述速率相关操作主要关联的寄存器，并且如果这种更新导致存储在该寄存器中的量度超过预定的阈值，则在不会导致存储在所述速率相关操作次要关联的寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，更新所述速率相关操作次要关联的寄存器；以及
在由所述负载相关操作对所述第一寄存器和所述第二寄存器二者中的任何一个进行的更新导致存储在该寄存器中的量度超过其相应阈值的情况下，提供拥塞的指示；
其特征在于，所述负载相关操作主要关联的寄存器是所述速率相关操作次要关联的寄存器。
对第二方面的“一部分”形式的相应定义的适当措词如下：一种用于提供与网络元件处的拥塞有关的信息的方法，该拥塞是由所述网络元件将在电信网上转发的数据单元引起，所述方法包括以下步骤：
接收与将由所述网络元件转发的数据单元有关的负载数据；
获得表示可配置速率的数据，所述可配置速率与所述网络元件将对数据单元进行转发的速率有关；
在第一寄存器中存储第一量度；
在第二寄存器中存储第二量度；
执行根据所述负载数据对所述第一寄存器和所述第二寄存器二者至少一个中的量度进行更新的负载相关操作，所述负载相关操作包括以下步骤：在不会导致存储在所述第一寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，更新所述第一寄存器，并且如果这种更新会导致存储在所述第一寄存器中的量度超过预定的阈值，则在不会导致存储在所述第二寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，更新所述第二寄存器；
执行根据所述可配置速率对所述第一寄存器和所述第二寄存器二者至少一个中的量度进行更新的速率相关操作，所述速率相关操作包括以下步骤：在不会导致存储在所述第二寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，更新所述第二寄存器，并且如果这种更新导致存储在所述第二寄存器中的量度超过预定的阈值，则在不会导致存储在所述第一寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，更新所述第一寄存器；以及
在由所述负载相关操作对所述第一寄存器和所述第二寄存器二者中的任何一个进行的更新导致存储在该寄存器中的量度超过其相应阈值的情况下，提供拥塞的指示。
关于第二方面，同样存在与以上针对本发明的第一方面阐述的选项和另选版本相对应的优选的选项和另选版本。
在以下部分，我们将介绍对提供给srTCM的硬件进行了微小修改而实现了虚拟队列标记方案的方法。本发明的实施方式利用了srTCM机制的特征，但对该特征进行了修改以提供虚拟队列的特征。虽然该修改可能要求改变用于执行标记的硬件，但是这种改变较小。因此，本发明的实施方式使得能在现有设备设计上非常容易地构建要提供的虚拟队列的实现，而不要求设计新的硬件。
附图说明
下面将参照附图介绍本发明的优选实施方式，在附图中：
图1示出了诸如路由器或交换机之类的网络元件的概略图；
图2是例示了虚拟队列标记(VQM)处理的模型；
图3是例示了令牌桶标记(TBM)处理的模型；
图4例示了如何执行单速率三色标记(srTCM)处理；
图5例示了如何利用修改后的单速率三色标记(srTCM)硬件来实现虚拟队列标记(VQM)；以及
图6例示了具有核心网和接入网的网络的一部分。
具体实施方式
下面将参照附图介绍根据本发明的优选实施方式的用于提供拥塞信息的装置。
本发明源自发明人对以上参照图4所描述的srTCM特性的分析。发明人发现，可以使用两个通信令牌桶的原理来获得与使用VQM策略所能够实现的相同特性。具体而言，通过交换其出现的顺序而对利用令牌来填充两个桶的方式进行修改。
这种简单的修改得到一种新机制，该新机制可以具有与VQM(以上参照图2所描述的)完全相同的特性，该新机制还具有的优点是将标准构建部件作为出发点，其中在诸如已可用于srTCM的硬件之类的现有硬件中已经实现了该标准构建部件。根据一个版本，所建议的修改在于有效地交换填充算法的两行，从而现在根据下式来填充令牌桶：
if(TE＜E)then将TE递增F
else if(TC＜C)then将TC递增F
其结果是建立了如下机制，该机制仿真了工作在同样的速率下且最大队列长度为C+E以及阈值为C的VQM。然后，如果该机制处于状态(TC，TE)，则其完全等效于队列长度为(C+E-TC-TE)的VQM。此外，该机制能简单地通过利用拥塞信号对分组进行标记(所列出的算法是将分组标记为红还是黄)来实现VQM处理。该标记算法可包括标准技术，诸如将一个或更多个分组中的一个比特设定为“1”以指示出拥塞或者设定为“0”以指示出没有拥塞，重新标记分组的业务类别，或者丢弃或重新路由分组。另选的是，标记算法可以更复杂，包括利用例如作为TE的函数的标记概率(当TE接近E时，利用低概率进行标记，而当TE接近0时，利用近似为1的概率进行标记)来对分组进行标记，
下面将参照图5来介绍例示了如何利用根据第一实施方式的拥塞信息装置，利用基于针对srTCM的经适当修改的硬件来实现VQM的例子。图5示出了来自源10的分组，该分组(可能经由未示出的其它网络元件)到达网络元件20(诸如路由器或交换机)，网络元件20随后将它们继续(同样可能经由未示出的其它网络元件)转发至目的地30。为了简化起见，仅示出了非常简单的路径的子区段—网络元件，当然可以从或者经由多于一个的上游路径(类似于图1)接收分组，并沿着或者经由网络(诸如图6所示)中的多于一个的下游路径转发分组，但是出于简明的目的，图5中没有示出这些另外的路径。
图5示出的网络元件20具有分组监视器21，该监视器21例如能够确定并提供与到达网络元件的入口并将被网络元件转发的分组数量的某种测量有关的负载数据，或者在一个时间段内分组到达的速率。分组监视器21还能够确定并提供有关分组的其它信息，诸如分组所属的一个或多个业务类别、所接收的分组的源(其可以是分组的原始发送者、分组已经到达的直接相邻的网络元件、或者之间的一个或更多个其它网络元件)、和/或其它这种信息。网络元件20被示出为还具有负责确定所接收的分组的下游路由的路由部件22、以及可以例如是分组标记器或分组丢弃器(将在后面讨论)的分组处理部件23。
拥塞信息装置50是被示出为与网络元件20分离的模块。但是，应了解，该装置可以形成为网络元件的一部分或者合并到网络元件中(反之亦然)，或者另选地与网络元件相关联但不实际上合并到网络元件中。
装置50具有负载数据接收机部件51，该负载数据接收机部件51从分组监视器21中接收与网络元件20要转发的分组有关的负载信息。该装置50还具有CIR输入部件52，该CIR输入部件52用于访问速率信息，该速率信息与网络元件20要对接收到的分组进行转发时的速率有关，或者与要对接收到的分组的各种不同的子集进行转发时的可能的各种不同速率有关。该速率信息例如可以从可能的远程网络运营商40接收(该远程网络运营商40可以负责配置该速率或该多个速率以满足网络的要求)，或者可以根据常识或对网络中的需求及容量的分析在本地或远程地确定和/或配置。
装置50具有用于存储第一量度的第一寄存器55和用于存储第二量度的第二寄存器56。寄存器55、56可以简单的是能够存储可以递增或递减的值的存储器，或者可以按照其它方式来实现。
装置50具有第一“负载相关(load-dependent)”更新器部件53，该第一“负载相关”更新器部件53对负载数据接收机部件51做出响应，并且能够根据负载数据接收机部件51从分组监视器21接收到的负载信息来更新寄存器55、56中的至少一个的量度。装置50还具有第二“配置速率相关(configured rate-dependent)”更新器部件54，该第二“配置速率相关”更新器部件54对CIR输入部件52做出响应，并且能够根据CIR输入部件52接收到的与可配置的一个速率或多个速率有关的速率信息来更新寄存器55、56中的至少一个的量度。在下文中将介绍各个更新器部件53、54的操作。
虽然各个更新器部件53、54可以更新各个寄存器55、56，但是负载相关更新器部件53主要地与第一寄存器55相关联，而次要地与第二寄存器56相关联，这是因为，更新器部件53首先(或优选)尝试更新第一寄存器55，并且进行该更新直到这种更新使得存储在寄存器55中的量度超过预定的阈值为止。如果这种更新会使得存储在寄存器55中的量度超过该阈值，则更新器部件53转而尝试更新第二寄存器56，并且进行该更新直到这种更新使得存储在寄存器56中的量度超过预定的阈值为止。在这方面，将更新器部件53称为与寄存器55主要关联(由粗线531表示)，而仅与寄存器56次要关联(由细线532表示)。
相应地，配置速率相关更新器部件54主要与第二寄存器56相关联，而次要地与第一寄存器55相关联，这是因为，更新器部件54首先(或优选)尝试更新第二寄存器56，并且进行该更新直到这种更新使得存储在寄存器56中的量度超过预定的阈值为止，在这种情况下，更新器部件54转而尝试更新第一寄存器55，并且进行该更新直到这种更新使得存储在寄存器55中的量度超过预定的阈值为止。因此，将更新器部件54称为与寄存器56主要关联(由粗线541表示)，而仅与寄存器55次要关联(由细线542表示)。
应了解，更新器部件53与寄存器55主要关联531，而更新器部件54与寄存器56主要关联532的情况(目前)等效于更新器部件53转而与寄存器56主要关联和更新器部件54转而与寄存器55主要关联的相应情况，但是，这些情况在拓扑上和功能上不同于两个更新器部件53、54与同一个寄存器主要关联的情况。
最后，装置50具有拥塞指示器57，其响应于负载相关更新器部件53，并且在(由更新器部件53或其它部件)确定更新器部件53对寄存器55、56中的任何一个进行更新将导致其中存储的量度超过相应的阈值的情况下，能够提供拥塞指示。
可以由拥塞指示器57向分组处理部件23提供拥塞指示，其结果是，分组处理部件23标记、丢弃或者处理一个或更多个分组，该一个或更多个分组可以例如是装置50所关注的分组的特定子集中的分组。或者，例如由拥塞指示器57提供的拥塞指示可以产生发送至网络管理系统的告警，而网络管理系统本身可以采取适当的动作。
上述实现对应于之前所述的“邻近交换(switching around)”填充算法，其可以被视为srTCM的正常工作模式。
在一个另选实施方式中，消耗算法而非填充算法可以进行邻近交换，从而彼此交换每个出现的TE或TC。
在第二另选实施方式中，取决于硬件实现的特定方式，即使不容易交换逻辑的顺序，也能够配置C＝E并且在每次调用上述srTCM填充算法之前或之后(或者等效地在调用上述消耗算法之前和之后)，交换两个变量TE和TC中的值。
TS:＝TC；TC:＝TE；TE:＝TS
if(TC＜C)then 将TC递增F
else if(TE＜E)then将TE递增F
TS:＝TC；TC:＝TE；TE:＝TS
当然，可以通过对指针进行临近交换而不是移动值本身来彼此交换令牌桶深度，类似地，如果C和E不相等，则它们也可以进行交换。
对于一些实施方式而言，虚拟队列的目标在于当超过了可配置速率时标记全部分组。但是，该可配置速率可以以各种方式与元件的总吞吐量有关。例如，在典型的场景中，网络元件(诸如交换机)可以处理多种业务类别。可能希望使用虚拟队列来控制那些业务类别中的一个类别的速率。在这种情况下，当在该类别的业务超过其允许速率时，交换机可以标记分组，该允许速率可以是最大速率的某个百分比，但另选地也可以是根据知识、以及对网络的需求和容量的分析等而得到的特定值(例如，100Mbps)。因此，应了解，不一定仅根据最大速率(虽然其通常较小)来设定可配置速率。反之，可以包括多种考虑，可能包括服务水平协议(SLA)、需求、拓扑等。
可配置速率可以指示、设定或影响如下的速率，超过该速率则应当由网络元件对数据单元进行特殊处理，例如，其中可以标记出“特殊处理”，但是当然也可以是其它可选项，诸如丢弃。
应了解，装置50的部件(诸如，负载数据接收机部件51、CIR输入部件52、两个更新器部件53和54、两个寄存器55和56、拥塞指示器57)无需是装置50的物理上分离的部件。实际上属于部分或全部部件的功能可以例如由装置50的同一处理器来执行，处理的结果是，实现归属于一个部件的功能，然后在随后的例程中使用该功能(在适用的情况下)，由此实现属于另一个部件的功能。

Claims (21)

1.一种用于提供与网络元件处的拥塞有关的信息的装置，该拥塞是由所述网络元件将在电信网上转发的数据单元引起，所述装置包括：
负载数据接收机，其用于接收与将由所述网络元件转发的数据单元有关的负载数据；
速率数据获得器，其用于获得表示可配置速率的数据，所述可配置速率与所述网络元件将对数据单元进行转发的速率有关；
第一寄存器，其用于存储第一量度；
第二寄存器，其用于存储第二量度；
第一更新器，其能够操作用于根据所述负载数据来更新所述第一寄存器和所述第二寄存器二者的至少一个中的量度，所述第一更新器与所述第一寄存器和所述第二寄存器二者中的一个主要关联，并与所述第一寄存器和所述第二寄存器二者中的另一个次要关联，所述第一更新器能够操作用于，在不会导致存储在所述第一更新器主要关联的寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，更新所述第一更新器主要关联的寄存器，并且如果这种更新会导致存储在该寄存器中的量度超过预定的阈值，则在不会导致存储在所述第一更新器次要关联的寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，更新所述第一更新器次要关联的寄存器；
第二更新器，其能够操作用于根据所述可配置速率来更新所述第一寄存器和所述第二寄存器二者的至少一个中的量度，所述第二更新器与所述第一寄存器和所述第二寄存器二者中的一个主要关联，并且与所述第一寄存器和所述第二寄存器二者中的另一个次要关联，所述第二更新器能够操作用于，在不会导致存储在所述第二更新器主要关联的寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，更新所述第二更新器主要关联的寄存器，并且如果这种更新会导致存储在该寄存器中的量度超过预定的阈值，则在不会导致存储在所述第二更新器次要关联的寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，更新所述第二更新器次要关联的寄存器；以及
拥塞指示提供器，其对所述第一更新器进行响应，并且能够操作用于在由所述第一更新器对所述第一寄存器和所述第二寄存器二者中的任何一个进行的更新导致存储在该寄存器中的量度超过其相应阈值的情况下，提供主要拥塞水平的指示；
其特征在于，所述第一更新器主要关联的寄存器是所述第二更新器次要关联的寄存器。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述负载数据取决于对将由所述网络元件转发的数据单元的数量的测量。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述负载数据取决于对将由所述网络元件转发的数据单元的大小的测量。
4.根据权利要求1、2或3所述的装置，其中，所述可配置速率被配置为比所述网络元件能够转发所述数据单元的最大速率低预定量的速率。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的装置，其中，所述第一更新器和所述第二更新器能够操作用于以分别取决于所述负载数据和所述可配置速率的量对所述第一寄存器和所述第二寄存器中的量度进行更新。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的装置，其中，所述第一更新器能够操作用于通过根据所述负载数据使所述第一寄存器和所述第二寄存器中的量度递增来对该量度进行更新，而所述第二更新器能够操作用于通过根据所述可配置速率使所述第一寄存器和所述第二寄存器中的量度递减来对该量度进行更新。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的装置，其中，所述第一更新器能够操作用于通过根据所述负载数据使所述第一寄存器和所述第二寄存器中的量度递减来对该量度进行更新，而所述第二更新器能够操作用于通过根据所述可配置速率使所述第一寄存器和所述第二寄存器中的量度递增来对该量度进行更新。
8.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，其中，所述拥塞指示提供器能够操作用于在由所述第一更新器对所述第一寄存器和所述第二寄存器的更新将导致存储在各个寄存器中的量度超过其相应阈值的情况下，提供次要拥塞水平的指示，所述次要拥塞水平的指示不同于所述主要拥塞水平的指示。
9.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，所述装置还包括对所述拥塞指示提供器进行响应的数据单元标记器，所述数据单元标记器能够操作用于响应于由所述拥塞指示提供器提供的拥塞指示对数据单元进行标记。
10.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，所述装置还包括对所述拥塞指示提供器进行响应的如下单元，该单元能够操作用于响应于由所述拥塞指示提供器提供的拥塞指示而向网络管理系统发送告警。
11.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，所述装置还包括对所述拥塞指示提供器进行响应的如下单元，该单元能够操作用于响应于由所述拥塞指示提供器提供的拥塞指示而丢弃或重新路由数据单元。
12.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，其中，所述电信网是互联网。
13.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，其中，所述电信网是由网络运营商运营的核心网。
14.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，其中，所述数据单元是如下分组，各分组包括根据诸如互联网协议的一个版本之类的网间协议的报头。
15.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，其中，所述数据单元是根据诸如以太网协议的一个版本之类的网内协议的帧。
16.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，其中，所述数据单元是根据异步传输模式协议的信元。
17.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，该装置能够操作用于提供与所述网络元件处的拥塞有关的拥塞指示，该拥塞是将由所述网络元件转发的数据单元的子集引起，其中所述速率数据获得器能够操作用于获得表示可配置速率的数据，该可配置速率与所述网络元件对属于所述子集的数据单元进行转发的速率有关。
18.根据权利要求17所述的装置，该装置能够操作用于提供与所述网络元件处的拥塞有关的类别特定的拥塞指示，该拥塞是将由所述网络元件转发的数据单元的子集引起，其中，所述子集的数据单元关联有类别指示，该类别指示表示了它们属于多个不同数据单元类别中的相同的至少一个类别，并且其中，所述速率数据获得器能够操作用于获得表示类别特定可配置速率的数据，该类别特定可配置速率与网络元件将对属于所述至少一个类别的数据单元进行转发的速率有关。
19.根据权利要求17所述的装置，该装置能够操作用于提供与网络元件处的拥塞有关的源和/或目的地特定拥塞指示，该拥塞是将由所述网络元件转发的所述数据单元的子集引起，其中，所述子集的数据单元关联有表示它们具有共同源和/目的地的所述源和/或目的地指示，并且其中，所述速率数据获得器能够操作用于获得表示源和/或目的地特定可配置速率的数据，该源和/或目的地特定可配置速率与所述网络元件将对具有表示共同源和/或目的地的源和/或目的地指示的数据单元进行转发的速率有关。
20.一种网络元件，其包括或者关联有根据前述权利要求中任意一项所述的至少一个装置。
21.一种用于提供与网络元件处的拥塞有关的信息的方法，该拥塞是由所述网络元件将在电信网上转发的数据单元引起，所述方法包括以下步骤：
接收与将由所述网络元件转发的数据单元有关的负载数据；
获得表示可配置速率的数据，所述可配置速率与所述网络元件将对数据单元进行转发的速率有关；
在第一寄存器中存储第一量度；
在第二寄存器中存储第二量度；
执行根据所述负载数据对所述第一寄存器和所述第二寄存器二者的至少一个中的量度进行更新的负载相关操作，所述负载相关操作与所述第一寄存器和所述第二寄存器二者中的一个主要关联，并与所述第一寄存器和所述第二寄存器二者中的另一个次要关联，所述负载相关操作包括以下步骤：在不会导致存储在所述负载相关操作主要关联的寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，更新所述负载相关操作主要关联的寄存器，并且如果这种更新会导致存储在该寄存器中的量度超过预定的阈值，则在不会导致存储在所述负载相关操作次要关联的寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，更新所述负载相关操作次要关联的寄存器；
执行根据所述可配置速率对所述第一寄存器和所述第二寄存器二者的至少一个中的量度进行更新的速率相关操作，所述速率相关操作与所述第一寄存器和所述第二寄存器二者中的一个主要关联，并且与所述第一寄存器和所述第二寄存器二者中的另一个次要关联，所述速率相关操作包括以下步骤：在不会导致存储在所述速率相关操作主要关联的寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，更新所述速率相关操作主要关联的寄存器，并且如果这种更新导致存储在该寄存器中的量度超过预定的阈值，则在不会导致存储在所述速率相关操作次要关联的寄存器中的量度超过预定的阈值的情况下，更新所述速率相关操作次要关联的寄存器；以及
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