CN102075431A - 一种同时支持多种优先级的非屏蔽式QoS流调度策略 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同时支持多种优先级的非屏蔽式QoS流调度策略。首先，按照用户定制的优先级类型高低次序，从上到下创建四叉链表结构的3级优先级队列，每个已启用的优先级类型对应一级队列。接着，按照非屏蔽式的QoS决策流程和已启用的优先级高低等级，将带有多种优先级标签的入口数据包分配到各级相应的优先级队列中；然后，按照新的后序四叉树查找法，遍历各级优先级队列，实现3级优先级队列的调度。该技术既保留了用户定制的优先级类型高低等级，又兼顾了用户想同时启用多种优先级的想法，满足用户的多种业务需求。同时也扩展了优先级别的调度范围，提高了交换机的服务质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种QoS流调度策略。该技术在保证用户定制的QoS类型高低等级的条件下，采用非屏蔽式的三级QoS流队列调度机制，能够在数据包转发过程中同时兼顾多种类型的优先级。该方法既保留了用户定制的优先级划分顺序，又兼顾了用户想同时启用多种优先级的想法，同时也扩展了优先级别的调度范围，提高了交换机的服务质量。
背景技术
随着以太网技术的广泛应用，基于IP网络应用的各种业务种类越来越多。根据不同业务特征，不同的用户对各种业务需求的紧急程度和可靠性要求也不一样，例如VoIP等实时业务要求较小的传输延迟，E-mail、IPTV需要较高的数据完整性。进而要求交换芯片能够具有区分不同通信业务和不同数据流类型的能力，能够为不同的业务提供不同的服务，于是QoS(Quality of Service)即服务质量技术便应运而生。
对于网络业务，服务质量包括传输的带宽、传送的时延、数据的丢包率等。在网络中可以通过保证传输的带宽、降低传送的时延、降低数据的丢包率以及时延抖动等措施来提高服务质量。网络资源总是有限的，网络管理者需要根据各种业务的特点来对网络资源进行合理的规划和分配，从而使网络资源得到高效利用，于是产生了各种类型的优先级及其分类方法。
QoS技术包括流量分类和标记、流量监管、流量整形、接口限速、拥塞管理、拥塞避免等，图1描述了各种QoS技术在网络设备中的处理顺序。而流分类是指采用一定的规则识别和区分符合某类特征的报文，它是对网络业务进行区分服务的前提和基础，通常作用在交换机入口方向。流分类策略的好坏从很大程度上决定了交换机服务质量的高低。
流量分类是将数据报文划分为多个优先级或多个服务类。网络管理者可以设置流量分类的策略，这个策略除可以包括IP报文的IP优先级或DSCP值、802.1p的CoS值等带内信令，还可以包括输入接口、源IP地址、目的IP地址、MAC地址、IP协议或应用程序的端口号等。分类的结果是没有范围限制的，它可以是一个由五元组(源IP地址、源端口号、协议号、目的IP地址、目的端口号)确定的流这样狭小的范围，也可以是到某某网段的所有报文。下游网络可以选择接受上游网络的分类结果，也可以按照自己的分类标准对数据流量重新进行分类。
在网络发生拥塞时，通常的处理的方法是使用队列技术对数据流进行管理和控制。具体过程包括队列的创建、报文的分类、将报文送入不同的队列、队列调度等。当接口没有发生拥塞时，报文到达接口后立即被发送出去，当报文到达的速度超过接口发送报文的速度时，接口就发生了拥塞。拥塞管理就会将这些报文进行分类，送入不同的队列；而队列调度将对不同优先级的报文进行分别处理，优先级高的报文会得到优先处理。常用的队列有FIFO、PQ、CQ、WFQ、CBWFQ、RTP优先队列等。
传统的QoS拥塞管理机制通常采用如图2所示的屏蔽式QoS决策流程来解决每个端口遇到的不同类型优先级冲突。这种QoS拥塞管理机制的过程如下：
1.为每个出口创建4个优先级队列，并为每个出口队列分配权重，权重越大，表示该队列中的报文将优先被转发出去。
2.按照以下条件对各个入口数据包进行分类：
第2层：MAC-SA、DA、802.1P、Ethertype、输入端口号；
第3层：IP目标地址、IP源地址；
第4层：端口号和IP Services类型(ToS)。
3.按照图2所示QoS决策流程以及交换机中各种优先级功能是否启用，来对各种优先级类型进行等级划分，并选取出最终起决定作用的优先级类型。以较为常见的交换芯片BCM53242和BCM53262为例，优先级类型的高低级别为：DiffServ Based QoS＞802.1PBased QoS＞MAC-SA Based QoS＞Protocol Based QoS＞Port Based QoS。
4.然后根据最终起决定作用的优先级类型的标签(tag)值大小，来对各个入口数据包进行排序。如图2所示，如果交换机的DiffServ Based QoS使能的话，则按照IP报文头中的DSCP标签值的大小对入口报文进行排序；否则如果前者被禁用而802.1P Based QoS使能的话，则按照以太网帧头的VLAN TAG(VID)标签值的大小对入口报文进行排序；以此类推，只有前面几种优先级都未启用而Port Based QoS启用时，才会按照端口优先级标签值(PID)的大小对入口报文进行排序。
5.按照用户配置的优先级标签值和优先级队列的对应关系，将带有各个tag的报文依次送到与之相对应的4个出口优先级队列的其中一个。
6.按照交换机设定的出口队列调度权重，进行各优先级队列数据包的转发。
对于每个报文来说，不论你启用了多少种优先级，这种屏蔽式QoS决策流程只能允许一种较高级别的已使能优先级类型起作用。所有入口数据都只会按照已启用的较高类型的优先级标签值的大小，被分配到相应的优先级队列中。只有在较高的优先级未启用时，才能按照较低的已启用优先级类型进行队列划分。在所有优先级功能都启用的情况下，若两个报文的较高优先级标签相同，就算较低优先级标签不同，他们也是被分配到相同的优先级队列中，按照相同的速率转发。当使用屏蔽式QoS决策流程时，已启用的高级别的优先级类型可以屏蔽所有较低级别的优先级类型，导致报文中的较低级别的优先级标签完全失去作用。
由于现在优先级的类型越来越多，用户通常会按照多种数据类型来划分优先级，也希望交换设备在传输数据包的过程中能够同时兼顾各种业务类型的转发需求。而传统的屏蔽式QoS决策流程已经无法满足这种需要。
发明内容
为了解决传统屏蔽式QoS决策流程的上述弊端，本文提出一种改进的非屏蔽式QoS决策流程如图3所示。非屏蔽式QoS决策流程可以让用户自己配置优先级类型的高低等级，或者保持原始QoS类型高低等级不变，仍为DiffServ Based QoS＞802.1PBased QoS＞MAC-SA Based QoS＞Protocol Based QoS＞Port Based QoS。
修改后的非屏蔽式QoS机制可以同时启动多种优先级，已启用的高类型优先级可以屏蔽低类型优先级；当两个报文的高类型优先级标签值相同时，以较低类型优先级中标签值所对应的优先级队列顺序为准。
例如：当只启用了DSCP优先级时，若入口2个数据包的DSCP相同，就算它们的VID或PID不一样，也是被分配到相同的出口队列中。
当同时启用了DiffServ、802.1p、Port这3类优先级功能时：若入口2个数据包的DSCP标签值不同，则按照DSCP标签值所对应的优先级队列顺序发送数据包；若入口2个数据包的DSCP值相同，但VID1＞VID2，PID1＜PID2，由于802.1P Based QoS的级别高于PortBased QoS，所以按照VID与优先级队列的映射关系来分配数据包到相应的出口队列；只有当VID1＝VID2时，才会按照PID与优先级队列的映射关系来分配数据包到相应的出口队列。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：保留交换芯片的原始优先级类型等级不变，或由用户自定义优先级类型等级。考虑到交换芯片的处理性能，非屏蔽式QoS决策流程允许用户最多可以同时启用3种优先级类型，分别对应3级优先级队列。若某一个队列中保温的优先级标签相同，则又可以派生出下一级的4个优先级子队列，第1到第4队列的转发速率依次提高。交换设备从高级到低级依次对各个入口报文的各类型的优先级标签进行判断和比较，若较高类型的QoS功能已启用，则按照较高类型的优先级标签值的大小，将入口数据包分配到该等级相应的优先级队列中。若较高类型的QoS功能未启用，或两个入口报文的该类型QoS标签值不同，则按照优先级类型的高低等级，依次向下寻找优先级功能已起用但优先级标签值不同的较低优先级类型，按照该类型优先级标签值与优先级队列的映射关系，将入口报文分配到相应的下一级优先级队列中。若两个报文的最低类型优先级标签值仍然相同，则停止判断，并按照最低类型优先级标签值与优先级队列的映射关系，将入口报文分配到相应的最低级优先级队列中。
本发明的优点是：该方法既可以保留现有的优先级类型的高低等级，也可以让用户灵活配置优先级类型等级，同时兼顾了用户想同时兼顾多种类型优先级的想法，各级优先级采用有选择性的屏蔽方式和多级队列调度，扩展了优先级别调度范围，提高了交换机的服务质量。
附图说明
图1是各QoS技术在同一网络设备中的处理顺序。
图2是屏蔽式QoS优先级决策流程图。
图3是本文提出的非屏蔽式QoS优先级决策流程图。
图4是本文采用的3级出口优先级队列调度示例图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本文提出的非屏蔽式QoS流调度策略允许用户在QoS决策前自定义交换机现有优先级类型的高低等级，也可以采用原始的优先级类型等级不变。
以图3为例，其中，Qn[i](n＝1，2，3，4，5；i＝1，2，3，4)：表示不同等级的各个QoS优先级队列，n值越小，队列等级越高，队列编号i值越大，队列的转发速率越快，。用户保持交换机原始优先级类型不变，仍为DiffServ BasedQoS＞802.1P Based QoS＞MAC-SA Based QoS＞Protocol Based QoS＞Port Based QoS。
后续的非屏蔽式优先级决策流程如下：
(1)若交换机没有启用QoS功能，则所有入口数据包都被分配到最慢优先级队列，即第1队列Q1[1]。
(2)若交换机启用了QoS功能，则按照优先级类型的高低等级，首先判断DiffServ BasedQoS功能是否启用。
(3)若交换机启用了DiffServ Based QoS功能，且入口两个IP报文头中的DSCP标签值的大小不同，则按照各个入口报文的DSCP标签值与优先级队列的映射关系，将其分配到相应的1级出口队列Q1。
(4)若交换机未启用DiffServ Based QoS功能，或者入口两个IP报文头中的DSCP标签值的大小相同，则继续判断下一级的802.1P Based QoS功能是否启用。
(5)若交换机启用了802.1P Based QoS功能，且入口两个太网帧的VID值不同，则按照各个入口报文的VID标签值与优先级队列的映射关系，将其分配到相应的2级出口队列Q2。
(6)若交换机未启用802.1P Based QoS功能，或者入口两个太网帧的VID值相同，则继续判断下一级的MAC-SA Based QoS功能是否启用。
(7)若交换机启用了MAC-SA Based QoS功能，且入口两个太网帧的源MAC地址不同，则按照各个入口报文的源MAC地址标签值与优先级队列的映射关系，将其分配到相应的3级出口队列Q3。
(8)若交换机未启用MAC-SA Based QoS功能，或者入口两个太网帧头的源MAC地址相同，则继续判断下一级的Protocol BasedQoS功能是否启用。
(9)若交换机启用了Protocol Based QoS功能，且入口两个太网帧的EtherType不同，则按照各个入口报文的EtherTyp标签值与优先级队列的映射关系，将其分配到相应的4级出口队列Q4。
(10)若交换机未启用Protocol Based QoS功能，或者入口两个太网帧头的EtherType标签值的相同，则继续判断下一级的PortBased QoS功能是否启用。
(11)若交换机启用了Port Based QoS功能，则按照各个入口报文的PID标签值与优先级队列的映射关系，将其分配到相应的5级出口队列Q5。
(12)否则，将其分配到最慢的出口队列Q5[1]。
为了保证交换芯片的处理性能，非屏蔽式QoS调度机制最多可同时启用3种优先级类型，采用如图4所示的3级出口优先级队列，第1级为已启用的最高优先级类型的4个队列，其中第4队列为最快队列，第1队列为最慢队列，每个队列又可以派生出下一级较低类型的4个优先级子队列。如此类推，第3级QoS共可提供4×4×4＝64个优先级队列。其中端口优先级只使用该级中的第4队列和第1队列。若某个优先级队列存在下级子队列的话，则该队列本身必为空。
交换机执行完上述的优先级决策流程后，将得到类似图4所示的3级出口优先级队列。图中，level表示各个优先级类型的高低级别，level数值越小，优先级类型的级别越高；Q[i](i＝1，2，3，4)表示第一级的4个队列；Q[i，j](i＝1，2，3，4；j＝1，2，3，4)表示第二级的4×4＝16个队列；Q[i，j，k](i＝1，2，3，4；j＝1，2，3，4；k＝1，2，3，4)表示第三级的4×4×4＝64个队列，其中i、j、k分别对应第一、二、三级的优先级子队列编号；同一个根节点的子优先级队列都是按照从快到慢的顺序从左到右依次排列。最左边为第4队列，最右边为第1队列。图4中实心节点表示包含数据的优先级队列，空心节点(即每级的根节点)表示不包含数据的空队列。由于每一级的根队列本身必为空，因此该3级优先级队列中可输出的队列最多有43＝64个。
然后，依据本文提出的后序四叉树查找法，交换机可以依次发送各个类型的优先级队列中的报文。
图4中虚线所示即为后序四叉树查找法的遍历路线，新后序四叉树查找法的递归算法定义为：
(1)若四叉树根结点的数据为空且存在子节点，则依次从左到右遍历它的各个子树：
(2)否则，输出根节点的数据。
用四叉链表做为存储结构，本文提出的后序遍历算法可描述为：
由于使用链表做为各级优先级队列的存储结构，只要在交换芯片处理能力允许的情况下，后序四叉树查找法可以通过修改传入函数的level值，很方便地进行优先级层次扩展和队列延伸。
按照上述后序四叉树查找法遍历图4所示的3级出口优先级队列，得到的优先级队列转发序列应为：
Q[4，4]、Q[4，3，4]、Q[4，3，1]、Q[4，2]、Q[4，1]、Q[3]、Q[2]、Q[1，4]、Q[1，3]、Q[1，2，4]、Q[1，2，1]、Q[1，1]。
按照上述新后序四叉树查找法依次发送各个子优先级队列的报文，不仅可以保证用户定制的优先级类型等级和优先级队列发送顺序不变，还可以同时考虑多种优先级类型，满足用户的多种业务需求。
Claims (8)
1.一种同时支持多种优先级的非屏蔽式QoS流调度策略，包括队列的创建、报文的分类、将报文送入不同的队列、队列调度等过程。其特征是：采用一种改进的非屏蔽式QoS决策流程，将带有多种优先级标签的报文分配到各层优先级队列。
2.根据权利要求1所述的一种同时支持多种优先级的非屏蔽式QoS流调度策略，其特征是：能够让用户自定义优先级类型的高低等级，按照用户定义的优先级等级来划分队列层次。
3.根据权利要求1所述的一种同时支持多种优先级的非屏蔽式QoS流调度策略，其特征是：能够同时启用多种优先级，且高优先级不完全屏蔽低优先级。
4.根据权利要求1所述的一种同时支持多种优先级的QoS流调度策略，其特征是：依据已启用的各种优先级类型的高低等级，将数据包分配到该类型优先级标签值所对应的优先级队列。
5.根据权利要求1所述的一种同时支持多种优先级的QoS流调度策略，其特征是：创建3层优先级队列，每一层优先级队列对应一种已启用的优先级类型，队列采用4叉链表的数据结构，按照优先级类型的高低，从上到下依次链接。
6.根据权利要求5所述的3层优先级队列，其特征是：每一层队列中优先级标签值相同的数据包，按照它的下一级已启用的优先级标签值，被全部分配到与其相连的下一级优先级子队列中，因此每个根节点的优先级队列中不包含任何数据。
7.根据权利要求1所述的一种同时支持多种优先级的QoS流调度策略，其特征是：使用改进的后序四叉树查找法来实现3层优先级队列的调度。
8.根据权利要求7所述的后序四叉树优先级调度方法，其特征是：若四叉树根结点队列的数据为空且存在子节点，则依次从左到右遍历它的各个子树；否则，输出根节点的数据。
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20170803 Address after: 9 floor, 6 international building, Optics Valley headquarters, Optics Valley Road, East Lake hi tech Zone, Wuhan, Hubei Patentee after: Wuhan macwell Communication Co. Ltd. Address before: 430074 Hubei province Wuhan city East Lake high tech Zone Optics Valley Avenue International Business Center Juxing building four floor Patentee before: Wuhan Maiwe Optoelectronics Technology Co., Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address |
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