CN101964758A - 一种基于区分服务的队列调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于区分服务的队列调度方法DWRR+(Deficit Weighed Round Robinplus)。该方法根据当前队列中分组的长度动态设置一次服务中发送分组的最大字节数，既保证了低权值业务的延迟特性，又保证带宽分配相对的公平性，克服了低优先级队列可能长时间得不到服务的缺点，改善了DWRR(Deficit Weighed Round Robin)算法不能很好满足业务的时延特性。并设置了优先级队列，用令牌桶算法作为流量调节器，保证实时业务的优先级。将DWRR+算法和优先级调度算法PQ结合作为网络节点调度器的调度策略，在保证实时业务的优先级，保证其它业务的输出带宽的前提下降低了延时，可以在一定程度上保证不同业务的服务质量。

Description

一种基于区分服务的队列调度方法

技术领域

本发明涉及一种区分服务的队列调度方法，主要研究如何通过技术手段实现在保证QoS的网路中低权值业务的延迟特性，又保证带宽分配相对的公平性，避免了低优先级队列可能长时间得不到服务的缺点。一般情况下，延迟与权值是相互矛盾的参数，如何作出均衡，如何在网络中作出较为合理的选择并保证公平性尤为重要。本发明得出的研究结果适用于QoS网络，对提高网络的服务质量保证有重要的价值。

背景技术

网络QoS（Quality of Service）就是在网络带宽一定的前提下，通过一定的策略和机制保证不同业务的服务需求，具体可以量化为带宽、延迟、抖动、丢失率、吞吐量等性能指标。QoS路由的主要目标是为接入的业务选择满足其服务质量要求的传输路径，同时保证网络资源的有效利用。与传统的尽力而为的路由过程相比，QoS寻路过程涉及两个方面的问题：一是依据哪些度量参数作为寻路标准，也就是度量参数选择问题；另一个是在寻路标准设定后，如何找到满足业务需求的路径，并保证经由选定路径传输到目的的节点，我们称之为寻路问题。IETF制定的区分服务（DiffServ）模型就是解决QoS的主要技术之一。DiffServ模型是一个相对简单粒度的QoS控制模型，其针对的是流聚合后的每一类QoS控制。DiffServ模型使用的是对业务进行分类、无连接的思想。该模型在边界节点将进入网络的单流分类、整形、聚合为不同的流聚集，它重新定义了IPv4报头的服务类型（ToS）字段（IPv6头中的TC域），并重新命名为DS字段。在DiffServ工作的域中，把路由器大致分为两类：边缘路由器和核心路由器，当数据流进入DiffServ网络时，在DiffServ的边缘路由器对进入流进行分类，并为每一类型指定一个类型标志DSCP（DiffServ代码点），填写在该字段。域内的核心路由器查看DSCP值，并根据每一类的特定逐跳行为（PHB）调度包的转发。从而实现对不同用户、应用的服务区分。队列调度实现对链路带宽的管理，是使报文在路由器中按一定的策略暂时缓存到队列中然后再按照一定的规则来决定从等待队列中选择哪个分组发送，使得所有的输入业务能够按照预定的方式共享输出链路的带宽。在DiffServ模型下中间节点如何在提供一定QoS保证下调度分组，是学者的研究热点之一。

目前学者提出了许多能提供QoS保证的队列调度算法，如 First In First Out（FIFO），Priority Queuing (PQ)，Custom Queuing (CQ)，Weighted Fair Queuing (WFQ)，Class Based Weighted Fair Queuing (CBWFQ)，Weighted Round-Robin (WRR)，Deficit Weighted Round-Robin (DWRR)，这些算法在权值与延迟方面没有作出合理的均衡，很少兼顾到这两个方面。

发明内容

技术问题:

本发明目的在于针对现有技术存在的技术问题：分组长度的变化带来的不公平性，提供了一种更精确的带宽分配，在区分服务网络中既保证了低权值业务的延迟特性，又保证带宽分配相对的公平性的基于区分服务的队列调度方法。

技术方案:

本发明一种基于区分服务的队列调度方法，调度器一次发送队列分组总长度最大不得超过Pkt_max字节，满足下面其中之一，调度器转向下一队列：

（1）DC[i]- Pkt_Size[i] < 0；

（2）Dwrr_Pkt[i] > 0.6Pkt_max；

（3）i队列为空；

其中：DC[i]：第i个队列在一次轮询中允许发送的最大字节数；

Pkt_Size[i]：第i个队列的队首分组的大小即字节数；

Dwrr_Pkt[i]：第i个队列已发送的字节数；

采用优先级调度算法PQ保证实时业务的低延迟，并由令牌桶算法控制实时业务的速率，整个调度步骤为：

（a） 分组到达时，根据分组首部的DSCP值，查找映射表，如果是实时业务，则进入优先级队列；否则进入相应的非优先级队列，并排队等候调度；

（b） 当优先级队列和非优先级队列同时存在分组时，先发送优先级队列中的分组，确保低延迟特性；

（c）当优先级对列中没有分组发送时，非优先级队列由DWRR+调度算法调度；

（d）DWRR+算法调度器先看当前的服务的队列是否为空，如果不为空，在检查Dwrr_Pkt[i] < 0.6Pkt_max，若为真时，在看看当前的DC[i]值，DC[i]- Pkt_Size[i]>0时，发送分组；

（e）调度器在执行步骤（d），若没有分组发送时，再服务下一队列；

（f）在非延迟队列的调度时，监听优先级队列是否有分组在等候发送，若有，则服务完当前队列，执行步骤（a）。

有益效果

基于轮询的算法都不能很好地保证实时业务的低延迟要求，为了确保实时业务的低延迟特性，我们设置了优先级队列，可以比较好地保证实时业务的需求，同时为了兼顾公平性，我们用令牌桶算法来调节速率，保证非优先级队列不会长时间得不到服务，对于分非优先级队列里同样也有要求相对低延迟的业务，如何保证了低权值业务的延迟特性，又保证带宽分配相对的公平性，我们用DWRR+算法进行调度，保证其它业务的输出带宽的前提下降低了延时，可以在一定程度上保证不同业务的服务质量。

附图说明

图1 设置优先级队列后，PQ和DWRR+算法结合的调度策略。

图2 DWRR+算法的C++流程图，若（DC[i]- Pkt_Size[i] < 0 ||Dwrr_Pkt[i] > 0.6Pkt_max||i队列为空）为真时，调度器转向下一个队列。

具体实施方式

WRR和DWRR是基于轮询的算法。在WRR算法中，队列被划分为不同的服务类别，不同服务类别的流进入不同的队列中，每个队列按一定的准则轮询接受服务， WRR调度机制顺次为每个队列服务，允许分配了高比例带宽的队列在一次服务时调度多个分组，因此WRR可确保低优先级业务始终能得到额定的服务资源，但由于轮询算法的本身缺点，当分组大小不相同时，WRR会对分组较小的队列带来不公平性。为了克服分组变长带来的不公平性， DWRR算法给每一个队列分配的权值不是基于分组个数的，而是基于比特数，在DWRR算法中，设置了差值计数器DC(每次允许调度器访问队列的字节总数)和权值W。具体算法如下：

（1）调度器服务当前非空的队列，如果此队列的对头分组长度大于DC值，则调度器移向下一队列；

（2）如果队列头部的分组长度小于或等于DC值，则变量DC减去此分组的长度，并发送此分组到输出端口调度器继续发送分组和减小DC值，直到队列头部的分组长度大于变量DC值。剩余的DC值将作为信用值累加到下次轮询时使用；

（3）如果队列输出分组直到队列为空，则设置DC值为零，此时调度器将服务下一个非空队列。

基于轮询的队列调度算法，都设置了差值计数器DC来控制每次允许调度器访问队列的字节总数，如果对头分组长度大于DC值，则调度器移向下一队列；如果队列头部的分组长度小于或等于DC值，则变量DC减去此分组的长度，并发送此分组到输出端口调度器继续发送分组和减小DC值，直到队列头部的分组长度大于变量DC值，余下的DC值将作为信用值累加到下次轮询时使用；如果队列输出分组直到队列为空，则设置DC值为零，此时调度器将服务下一个非空队列，轮询算法都存在不能很好的保证实时业务的低延迟特性，我们设置了绝对优先级队列，保证实时业务的低延迟要求，为了保证非优先级队列不会长期得不到服务，我们通过令牌桶算法控制实时业务的速率。在该算法中，每隔△t秒生成一个令牌，生成的令牌将被存放到令牌桶中。一个令牌桶过滤器可由两个参数完全描述表示令牌桶的最大深度，表示令牌连续注入令牌桶的速率，也就是令牌的产生速率。当长度为比特的分组通过时，将消耗桶内令牌，即每个比特消耗一个令牌。除非令牌桶内有足够的令牌，否则分组将不被发送。这样能有效的保证了非优先级队列的公平性。令牌桶算法的公式为：

可利用的令牌=R*（当前时刻-上一时刻）+上一次剩余的令牌

其中：R为产生令牌的速率。

对于非优先级队列，并非进入该队列的业务就不要求实时性等指标，只是相对于实时业务来说要求低点，因此，我们应该在保证带宽分配公平性的前提下尽量提高低时延特性。我们提出了一种改进算法DWRR+， 该算法既保证了低权值业务的延迟特性，又保证带宽分配相对的公平性我们在DWRR+算法中规定一下参数：

Q_weight[i]：第i(i<=Q_num)个队列的权重；

Pkt_Size[i]：第i个队列的队首分组的大小（字节数）；

Q_num：队列的总个数；

DC[i]：第i个队列在一次轮询中允许发送的最大字节数； 

Q_weight[i]：第i(i<=Q_num)个队列的权重；

Pkt_Size[i]：第i个队列的队首分组的大小（字节数）；

Q_num：队列的总个数；

DC[i]：第i个队列在一次轮询中允许发送的最大字节数；

Dwrr_Pkt[i]：第i个队列已发送的字节数；

Ser_num：一次轮询中已服务的队列数，当Ser_num等于Q_num时，下一轮询开始；

Ser_Done[i]：第i个队列已经达到调度器服务的字节数时Ser_Done[i]置为1，调度器转向下一个队列，否则置为0，继续服务当前队列。

在DWRR+算法中，规定调度器一次发送队列分组总长度最大不得超过Pkt_max字节。满足下面条件之一，调度器转向下一队列。

（1）DC[i]- Pkt_Size[i] < 0；

（2）Dwrr_Pkt[i] > 0.6Pkt_max；

（3）i队列为空；

算法流程图见附图2。

因此，将PQ算法和DWRR+算法结合，整个调度策略为:

（a） 分组到达时，根据分组首部的DSCP值，查找映射表，如果是实时业务，则进入优先级队列；否则进入相应的非优先级队列，并排队等候调度；

（b） 当优先级队列和非优先级队列同时存在分组时，先发送优先级队列中的分组，确保低延迟特性；

（c）当优先级队列中没有分组发送时，非优先级队列由DWRR+调度算法调度；

（d）DWRR+算法调度器先看当前的服务的队列是否为空，如果不为空，在检查Dwrr_Pkt[i] < 0.6Pkt_max，若为真时，再检查当前的DC[i]值，DC[i]- Pkt_Size[i]>0时，发送分组；

（e）调度器在执行步骤（d），若没有分组发送时，再服务下一队列；

（f）在非延迟队列的调度时，监听优先级队列是否有分组在等候发送，若有，则服务完当前队列，执行步骤（a）。

Claims (1)

1.一种基于区分服务的队列调度方法，其特征在于：调度器一次发送队列分组总长度最大不得超过Pkt_max字节，满足下面其中之一，调度器转向下一队列：

DC[i]- Pkt_Size[i] < 0；

Dwrr_Pkt[i] > 0.6Pkt_max；

i队列为空；

其中：DC[i]：第i个队列在一次轮询中允许发送的最大字节数；

Pkt_Size[i]：第i个队列的队首分组的大小即字节数；

Dwrr_Pkt[i]：第i个队列已发送的字节数；

采用优先级调度算法PQ保证实时业务的低延迟，并由令牌桶算法控制实时业务的速率，整个调度步骤为：

（a） 分组到达时，根据分组首部的DSCP值，查找映射表，如果是实时业务，则进入优先级队列；否则进入相应的非优先级队列，并排队等候调度；

（b） 当优先级队列和非优先级队列同时存在分组时，先发送优先级队列中的分组，确保低延迟特性；

（c）当优先级队列中没有分组发送时，非优先级队列由DWRR+调度算法调度；

（d）DWRR+算法调度器先看当前的服务的队列是否为空，如果不为空，在检查Dwrr_Pkt[i] < 0.6Pkt_max，若为真时，再看看当前的DC[i]值，DC[i]- Pkt_Size[i]>0时，发送分组；

（e）调度器在执行步骤（d），若没有分组发送时，再服务下一队列；

（f）在非延迟队列的调度时，监听优先级队列是否有分组在等候发送，若有，则服务完当前队列，执行步骤（a）。

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