CN102185777B - 多级层次化带宽管理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级层次化带宽管理的方法，包括以下步骤：A10、根据业务模型配置各级调度节点的CIR和PIR(或EIR)。在第一级，根据用户购买的带宽设置该节点的CIR；从第二级调度开始，各节点的带宽分配原则为：

EIR_ni＝PIR_ni-CIR_ni，n≥2；A20、第一级，利用MEF、RFC2697或RFC2698算法分别将报文标记为绿色、黄色或红色，从第二级开始，各节点均配置为色敏感模式和耦合模式，并根据MEF算法进行流量整形。本发明，在支持MEF Traffic Shapping算法的交换芯片上实现了多级层次化带宽管理，不需要专用ASIC或硬件实现，在业务变更或升级的情况下，通过软件升级的方式满足需求，节约了可观的硬件成本，并且层次化业务模型带宽分配算法简单，便于网管配置。

Description

多级层次化带宽管理的方法

技术领域

本发明涉及网络的带宽管理，具体涉及多级层次化带宽管理的方法。

背景技术

网络发展日新月异，随着IP网络上新应用的不断出现，对IP网络的服务质量也提出了新的要求，例如VoIP等实时业务就对报文的传输延迟提出了较高要求，如果报文传送延时太长，将是用户所不能接受的(相对而言，E-Mail和FTP业务对时间延迟并不敏感)。为了支持具有不同服务需求的语音、视频以及数据等业务，并加以区分，进而为之提供相应的服务，QoS(Quality ofService，服务质量)技术得以广泛应用，QoS技术主要采用RFC2697建议的srTCM(A Single Rate Three Color Marker)算法和RFC2698建议的trTCM(A Two Rate Three Color Marker)算法，使用两个令牌桶对流量进行评估，根据评估结果，为报文标记绿、黄、红三种颜色，再根据报文的颜色将报文重新标记为不同的丢弃优先级。

但是，随着目前网络设备的高速发展，单端口容量变大，接入用户增多，传统的QoS在应用中遇到了新问题：

(1)传统的QoS是基于端口带宽进行调度的，仅根据报文优先级进行分类，将不同优先级的报文送入与之对应优先级的队列，队列调度对不同优先级的报文进行分别处理，优先级高的报文优先处理。这样产生的结果就是对用户不敏感，只对服务等级敏感，会产生混乱的抢占结果。

(2)传统的QoS做不到同时对单个端口和端口中不同业务类型的流量进行控制。

为了达到分层调度的目的，HQoS(Hierarchical Quality of Service，分层QoS)技术应运而生，与传统的QoS相比，HQoS可以将调度队列划分为如物理级别、逻辑级别、应用或业务级别等多个调度级别，每一级别可以使用不同的特征进行流量管理。例如，物理级别用于管理整个物理接口的带宽，而逻辑级别可以用于管理接口上各用户的带宽，业务级别可以用于管理某一用户各种不同业务的带宽。这样通过不同级别的队列调度，实现了多层次的流量管理，从而可以更好地帮助运营商实现多用户、多业务的服务管理。

目前，为了实现分层QoS，PTN设备的核心交叉盘上的以太网交换芯片通常采用ASIC(Application Specific Intergrated Circuits专用集成电路)或专用的硬件来实现，其实现方法不公开，并且无法处理较多层次的业务带宽的保证和复用，在应用上受到较大限制。比如：broadcom(美国博通公司)生产的BCM56524以太网交换芯片，最多只能实现2级的带宽管理，如果要实现更细分的业务带宽管理功能(比如：第一级管理用户的VoIP、Internet和IPTV等不同种类的业务，第二级管理不同的用户，第三级管理所有用户复用的物理链路带宽)，则需要升级更高性能交换芯片或采用专用的硬件来实现，一方面增加了设备成本，另一方面在应用灵活性上也受到很大限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决现有通过硬件实现层次化带宽管理，设备成本高，升级及应用不灵活的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种多级层次化带宽管理的方法，基于MEF Traffic Shapping算法实现层次化带宽管理，在业务需求变更或升级时，不需要升级硬件，通过升级软件的方式满足新的业务带宽管理需求。

该方法包括以下步骤：

A10、根据业务模型配置各级调度节点的CIR和PIR(或EIR)；在第一级调度的各节点，根据用户购买的带宽设置该节点的CIR；从第二级调度开始，各节点的带宽分配原则为：

EIR_ni＝PIR_ni-CIR_ni，n≥2；式中，CIR_ni表示第n级的第i个调度节点所配置的保证带宽CIR，EIR_ni表示第n级的第i个调度节点所配置的超出带宽EIR，PIR_ni表示第n级第i个调度节点所配置的峰值带宽PIR，CIR_n-1j表示第n级的第i个节点所管理的前一级(n-1)调度节点中第j个节点所配置的保证带宽CIR，m表示第n级的第i个节点所管理的前一级调度节点的个数；

A20、在第一级调度的各节点，利用MEF、RFC2697或RFC2698算法分别将报文标记为绿色、黄色或红色；从第二级调度的各节点开始，将各节点均配置为色敏感模式和耦合模式，并根据MEF算法进行流量整形。

在上述方法中，步骤A20的详细步骤如下：

对于前一级节点输出的绿色报文，首先判断C桶中是否有令牌，如果C桶中有令牌，则将C桶中的令牌数减去当前报文占用的令牌数，并将该报文标记为绿色，同时E桶中的令牌数保持不变；否则，判断E桶中是否有令牌，如果E桶中有令牌，则将该报文标记为黄色，将E桶中的令牌数减去当前报文占用的令牌数，C桶中的令牌数不变，如果E桶中没有令牌，则该报文标记为红色，C桶和E桶的令牌数不变；

对于前一级调度输出的黄色报文，直接判断E桶中是否有令牌，如果E桶中有令牌，则将E桶中的令牌数减去当前报文占用的令牌数，并将该报文标记为黄色，否则，将该报文标记为红色，C桶和E桶中的令牌数不变。

上述方法中，在步骤A10中，每一级调度的各节点的PIR不能小于本级调度的节点的CIR，且不大于最高一级调度的节点的PIR。

上述方法中，在步骤A20中，每一级调度的节点的流量整形之后，默认丢弃标记为红色的报文。

本发明，在支持MEF Traffic Shapping算法的交换芯片上实现了多级层次化带宽管理，不需要专用ASIC或硬件实现，在业务变更或升级的情况下，通过软件升级的方式满足需求，不需要升级交换芯片或专用硬件，节约了可观的硬件成本，并且层次化业务模型带宽分配算法简单，便于网管配置。

附图说明

图1为L2VPN双管道业务模型及带宽分配示意图；

图2为RFC2698流量整形算法模型示意图；

图3为MEF流量整形算法模型示意图；

图4本发明中流量整形流程图。

具体实施方式

下面以L2VPN双管道业务模型为例对本发明作出详细的说明。

图1为L2VPN双管道业务模型及带宽分配示意图，三个用户的输入报文分别对应flow1、flow2和flow3，为每个用户分配的CIR＝10Mbps，PIR＝50Mbps，这一级实现用户小管道的流量整形(traffic shapping)；三个用户复用到VP0中(VP，virtual port，即虚端口)，VP0带宽固定为PIR＝50Mbps，这一级实现大管道的traffic shapping。

本发明的重点在于对各级业务节点实行层次化带宽管理，众所周知，对流量进行测评可以采用srTCM、trTCM和MEF三种算法，RFC2697建议的srTCM(A Single Rate Three Color Marker)算法和RFC2698建议的trTCM(A TwoRate Three Color Marker)算法以及MEF算法，均可以根据评估结果为报文标记三种颜色：绿色、黄色和红色。因此，在调度的第一级，上述三种算法均可以采用。

为了实现层次化管理，需要从第二级开始，对第一级调度已经标记为绿包和黄包的报文再次进行优化分析(在下面的具体实施例中会进一步具体说明)，并根据具体情况重新标记该报文是绿包、黄包还是红包。鉴于对报文的着色算法有srTCM、trTCM和MEF三种，下面逐一分析这三种算法应用于第二级及其以后各级的可行性。

(1)RFC2697算法(srTCM)。

RFC2697算法是单速率双桶算法，虽然通过C桶和E桶两个令牌桶实现报文着色，但是两个令牌桶实际是共享CIR，即只有一个CIR，而EIR＝0，因此无法进行总带宽的统计复用，不能满足在第二级及其以后的调度中实现层次化带宽管理的需求。

(2)RFC2698算法(trTCM)。

RFC2698算法模型如图2所示，RFC2698算法的伪代码中用到的变量说明如下：

RFC2698算法用伪代码表示如下：

这样，在tj时刻，两个令牌桶中的令牌大小如下：

CBL(tj)＝min{CBS，CBL(tj-1)+CIR x(tj-tj-1)}

PBL(tj)＝min{PBS，PBL(tj-1)+PIR x(tj-tj-1)}

从上面的伪代码可以看出，前一级整形输出的绿包会同时消耗本级的C桶和P桶，而黄包只会消耗P桶，但是如果黄包有突发(Burst)，则黄包会过度消耗P桶的令牌，即不仅消耗P桶中属于黄包的令牌，也消耗了部分绿包的令牌，这样就可能出现即便C桶中仍有充裕的令牌，但由于P桶令牌不够，而导致绿包无法通过的现象。因此，在流量突发的情况下，用户的CIR无法严格保证。

(3)MEF算法。

城域以太网论坛(MEF)定义的带宽整形参数包括：承诺信息速率(CIR)、承诺突发量(CBS)、超出信息速率(EIR)、超出突发量(EBS)、颜色模式(CM)和耦合标志(CF)，上述参数的具体定义可参考MEF 5，在此不再赘述。

MEF定义了一种2个速率、3种颜色标记的带宽整形算法，这个算法可以通过2个令牌桶来执行。一个桶为“C”桶(承诺的)，用来决定与CIR一致的轮廓内的报文，另外一个桶为“E”桶(超额的)。开始的时候，每个令牌桶都装满了令牌，当报文进入供应商的网络的时候，该算法根据从报文接收到的字节数来减少C桶(绿色令牌)中的令牌数量，如果绿色令牌存在剩余，那么报文与CIR一致，于是将报文标记为绿色并且允许进入供应商的网络。绿色令牌用完后检查E桶中的令牌(黄色令牌)是否还有剩余，如果还有黄色令牌可用，那么将报文标记为黄色并且允许进入供应商的网络，如果没有黄色令牌可用，那么将报文标记为红色丢弃。

MEF还为该算法定义了一个附加的、可选的能力Couple模式，就是说，在检查EIR一致性的时候，可以把C桶中未用的绿色令牌加到E桶中。当这个能力可用，而且调度节点运行在Couple模式的情况下，就会有更多的报文进入到业务供应商的网络中。

在Color Blind调度节点，该算法会忽略任何用户可能已经在他们的报文中标记的颜色指示。例如，用户帧可能会通过IEEE802.1Q标记中的用户优先级比特(802.1p)来标记用户帧。

在Color Aware调度节点中，该算法会利用用户在他们的报文上标记的颜色来决定对报文进行的操作。例如，企业网会利用IP的DiffServ结构在他们的网络中提供QoS。通过差分服务代码点(DSCP)对他们的IP包进行标记来指示包的颜色和业务类别(CoS)。CE设备将DSCP指示的颜色和CoS映射为报文的CE-VLAN CoS(802.1p)值然后传递到供应商的网络，在供应商的网络中，根据网络情况，会对不同的报文进行不同的处理，如在遇到网络拥塞的时候，优先丢弃黄色的报文。该算法根据这些预先标记的颜色信息来决定速率执行的决定。

例如，假设根据已经被映射为CE-VLAN CoS的黄色的DSCP值，一个报文已经被用户的CE设备标记为黄色。该算法就会旁路掉C桶，根据E桶来检查这个报文的一致性。在Color Blind调度节点中，如果没有黄色的桶可用，那么这些报文就会被声明为红色然后丢弃。如果有黄色的桶可用，在ColorBlind调度节点情况下，这些报文就会允许进入供应商的网络。

基于上述MEF原理，本发明提出了一种多级层次化带宽管理的方法，至少采用两级调度进行带宽管理，具体步骤如下：

A10、根据业务模型配置好各调度节点的CIR和PIR(或者EIR)参数，在用户业务流这一级(调度的第一级)，根据用户购买的带宽，设置每个用户的CIR。从第二级开始，各调度节点的带宽的分配原则为：

EIR_ni＝PIR_ni-CIR_ni，n≥2。

式中，CIR_ni表示第n级的第i个调度节点所配置的保证带宽CIR，EIR_ni表示第n级的第i个调度节点所配置的超出带宽EIR，PIR_ni表示第n级第i个调度节点所配置的峰值带宽PIR，CIR_n-1j表示第n级的第i个节点所管理的前一级(n-1)调度节点中第j个节点所配置的保证带宽CIR，m表示第n级的第i个节点所管理的前一级调度节点的个数。

A20、对各级调度节点进行流量控制，在第一级调度节点，利用MEF、RFC2697或RFC2698算法，使用两个令牌桶对报文进行着色，分别标记为绿色、黄色或红色，从调度的第二级开始，将各级调度节点配置为色敏感模式和耦合模式，并根据MEF算法对流量进行整形控制。第一级流量整形的方法为本领域的公知常识，在此不再详细描述。

步骤A20的详细步骤如图4所示：

对于前一级调度输出的绿色报文，首先判断C桶中是否有令牌，如果C桶中有令牌，将C桶中的令牌数减去当前报文占用的令牌数，并将该报文标记为绿色，同时E桶中的令牌数保持不变；否则，判断E桶中是否有令牌，如果E桶中有令牌，则将该报文标记为黄色，将E桶中的令牌数减去当前报文占用的令牌数，C桶中的令牌数不变，如果E桶中没有令牌，则该报文标记为红色，C桶和E桶的令牌不变；

对于前一级调度输出的黄色报文，直接判断E桶中是否有令牌，如果E桶中有令牌，则将E桶中的令牌数减去当前报文占用的令牌数，并将该报文标记为黄色，否则，将该报文标记为红色，C桶和E桶中的令牌不变；

在步骤A10中，根据业务模型灵活分配每一级PIR的计算，但不能小于本级的CIR，而且不大于最高一级节点的PIR。

在步骤A20和步骤A30中，每一级流量整形之后，默认丢弃红包。

图3描述了本发明采用的基于MEF的Traffic Shapping算法：

算法伪代码用到的变量说明如下：

MEF算法用伪代码表示如下：

在tj时刻两个令牌桶中的令牌个数为：

CBL(tj)＝min{CBS，CBL(tj-1)+CIR x(tj-tj-1)}

EBL(tj)＝min{EBS，EBL(tj-1)+EIR x(tj-tj-1)+

CF x MAX{0，CBL(tj-1)+CIR x(tj-tj-1)-CBS}}

从上面的伪代码分析可以看出，前一级整形输出的黄包只会消耗本级E桶中的令牌，而绿包会首先消耗C桶的令牌，如果C桶的令牌不够，则会再去消耗E桶的令牌，因此，MEF是一种保证绿包传送，而尽力传送黄包的算法，但是，如果算法中采用非耦合模式(CF＝0)，则从EBL(tj)表达式中可以看出：如果用户的流量较少，即小于C桶的带宽，则C桶中多余的带宽不能“溢出”(overflow)到E桶中，即多余的令牌不能给黄包使用(因为黄包不会消耗C桶中的令牌)，从而导致了带宽的浪费。因此，我们必须采用C桶和E桶“耦合”(CF＝1)的模式，在“耦合”模式下，C桶多余的令牌会“溢出”(overflow)到E桶中，这样就可以满足充分利用全部带宽的要求。

下面根据上述的MEF和带宽分配算法，并结合图1、图4具体阐述如何实现L2VPN的双管道层次化管理。

(1)根据业务模型配置好各级调度的业务节点的CIR和PIR(或者EIR)参数。首先，在用户流这一级，根据用户购买的带宽，设置每个用户的CIR_flow＝10Mbps，其中，PIR设置成与高一级VP0的PIR一致，即PIR_flow＝50Mbps；然后，对VP0进行带宽分配，由于VP0包含flow1、flow2和flow3三条业务流，根据

设置CIR_vp0＝CIR_flow1+CIR_flow2+CIR_flow3＝30Mbps；根据EIR_ni＝PIR_ni-CIR_ni，设置EIR_vp0＝PIR_vp0-CIR_vp0＝20Mbps。

(2)对用户流进行第一级调度，首先对业务流flow1、flow2和flow3进行识别，然后，采用RFC2698算法，分别对业务流flow1、flow2和flow3的报文进行着色，以业务流flow1为例，首先判断P桶中是否有令牌，如果P桶中没有令牌，则将该报文标记为红色；否则，判断C桶中是否有令牌，如果C桶中有令牌，则将该报文标记为绿色，C桶和P桶均消耗相应的令牌；如果C桶中没有令牌，则将该报文标记为黄色，P桶消耗相应的令牌，C桶令牌不变。

(3)在VP0进行第二级调度，首先采用MEF算法对绿色报文和黄色报文进行再次着色，本级中，VP0设置为色敏感模式和耦合模式。

对于前一级flow输出的绿色报文，首先判断C桶中是否有令牌，如果C桶中有令牌，将C桶中的令牌数减去当前报文占用的令牌数，并将该报文标记为绿色，同时E桶中的令牌数保持不变；否则，判断E桶中是否有令牌，如果E桶中有令牌，则将该报文标记为黄色，将E桶中的令牌数减去当前报文占用的令牌数，C桶中的令牌数不变，如果E桶中没有令牌，则该报文标记为红色，C桶和E桶的令牌不变；

对于前一级flow输出的黄色报文，直接判断E桶中是否有令牌，如果E桶中有令牌，则将E桶中的令牌数减去当前报文占用的令牌数，并将该报文标记为黄色，否则，将该报文标记为红色，C桶和E桶中的令牌不变；

每一级流量整形后，红色报文均被丢弃。

按照上述方法设置好flow和VP两级的带宽后，通过两级调度即可满足：

I、当业务流量冲突时，能保证各用户业务的CIR；

II、当某些用户不占流量的时候，其余用户能抢占剩余的带宽，实现带宽的统计复用。

本文以L2VPN的双管道的应用为例，描述了如何应用MEF算法和带宽分配规则来完成层次化带宽管理的功能，在需要更细分业务带宽管理的场景下，可以按照上述的带宽分配规则来规划各层的带宽，从而满足应用的需求。理论上，只要交换芯片的处理能力和硬件资源足够，就可以增加带宽管理的层次，因为该方法实质是一种软件实现层次化带宽管理的方法，当然，对硬件资源和包处理能力的消耗是完成更复杂业务带宽管理功能所必需付出的代价。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.多级层次化带宽管理的方法，其特征在于，至少采用两级调度对各级调度节点进行带宽分配和流量整形，具体步骤如下：

A10、根据业务模型配置各级调度节点的CIR和PIR、或CIR和EIR；在第一级调度的各节点，根据用户购买的带宽设置该节点的CIR；第二级调度开始，各节点的带宽分配原则为：

EIR_ni=PIR_ni-CIR_ni，n≥2；式中，CIR_ni表示第n级的第i个调度节点所配置的保证带宽CIR，EIR_ni表示第n级的第i个调度节点所配置的超出带宽EIR，PIR_ni表示第n级第i个调度节点所配置的峰值带宽PIR，CIR_n-1j表示第n级的第i个节点所管理的前一级(n-1)调度节点中第j个节点所配置的保证带宽CIR，m表示第n级的第i个节点所管理的前一级调度节点的个数；

A20、在第一级调度的各节点，利用MEF、RFC2697或RFC2698算法分别将报文标记为绿色、黄色或红色；首先判断P桶中是否有令牌，如果P桶中没有令牌，则将该报文标记为红色；否则，判断C桶中是否有令牌，如果C桶中有令牌，则将该报文标记为绿色，C桶和P桶均消耗相应的令牌；如果C桶中没有令牌，则将该报文标记为黄色，P桶消耗相应的令牌，C桶令牌不变；

从第二级调度的各节点开始，将各节点均配置为色敏感模式和耦合模式，并根据MEF算法进行流量整形；在耦合模式下，C桶多余的令牌溢出到E桶中；对于前一级节点输出的绿色报文，首先判断C桶中是否有令牌，如果C桶中有令牌，则将C桶中的令牌数减去当前报文占用的令牌数，并将该报文标记为绿色，同时E桶中的令牌数保持不变；否则，判断E桶中是否有令牌，如果E桶中有令牌，则将该报文标记为黄色，将E桶中的令牌数减去当前报文占用的令牌数，C桶中的令牌数不变，如果E桶中没有令牌，则该报文标记为红色，C桶和E桶的令牌数不变；

对于前一级调度输出的黄色报文，直接判断E桶中是否有令牌，如果E桶中有令牌，则将E桶中的令牌数减去当前报文占用的令牌数，并将该报文标记为黄色，否则,将该报文标记为红色，C桶和E桶中的令牌数不变。

2.如权利要求1所述的多级层次化带宽管理的方法，其特征在于，

在步骤A10中，每一级调度的各节点的PIR不能小于本级调度的节点的CIR，且不大于最高一级调度的节点的PIR。

3.如权利要求2所述的多级层次化带宽管理的方法，其特征在于，在步骤A20中，每一级调度的节点的流量整形之后，默认丢弃标记为红色的报文。

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