CN102624625A - 大用户量的QoS公平调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大用户量的QoS公平调度方法，每个用户构造一个队列，目前用户以IP为唯一标志，用户需要发送的报文均入队列，用户队列以HASH链表方式存储；在端口发送报文时，轮循每个队列进行发送，使公平调度、分享带宽，当同时上线的用户较少时，每个用户获取大的带宽，随着上线的用户逐渐增多，每个用户获取的带宽逐渐减少；同时实现带宽上限功能，引入一个活动链表概念，链表记录当前所有可发送的用户，轮循链表发送报文，每个用户按照令牌桶算法决定是否已超过带宽上限，若超过则移出活动链表，等待一段时间后再加入活动链表等待发送。提出大用户量的QoS公平调度算法，极大的提高、QoS设备的带宽限制性能。

Description

大用户量的QoS公平调度方法

技术领域

本发明涉及一种大用户量的QoS公平调度方法，属于网络安全技术领域。

背景技术

随着Internet网络的越来越盛行，网络应用越来越多，网络带宽与需求的矛盾越来越突出，一方面每个上网的人员都想要无穷大的带宽和最小的延迟，另一方面网络的总带宽是有限的，而且网络处理总会带来时间延迟。目前多种操作系统，包括Unix（linux）、网络操作系统（CISCO IOS）等等，都提供了QoS实现，主要包括出入端口的流量限速和整形、出端口的队列调度，这些功能一般只能匹配若干个对象，包括IP、MAC、端口等等。

实际应用中经常有如下场景，同一个局域网内，所有用户共享100M带宽，用户总数最多可能有500个，为防止某用户使用P2P工具占用带宽，在通用QoS设备中必须下发500条规则来限制所有人的带宽占用，每个人的带宽上限为200K，而且如此配置下某个用户的带宽无法动态调整，比如当前仅有10个人在线，该用户也只能使用200K，无法使用剩余的带宽。即通用QoS设备需要下发大量的规则，会导致性能显著下降，同时又无法使用剩余的带宽。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种大用户量的QoS公平调度方法，使用户享受剩余的带宽，同时下发的规则也相当少，对系统性能的影响也很小。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

大用户量的QoS公平调度方法 ，特点是：每个用户构造一个队列，目前用户以IP为唯一标志，用户需要发送的报文均入队列，用户队列以HASH链表方式存储；在端口发送报文时，轮循每个队列进行发送，使公平调度、分享带宽，当同时上线的用户较少时，每个用户获取大的带宽，随着上线的用户逐渐增多，每个用户获取的带宽逐渐减少；同时实现带宽上限功能，引入一个活动链表概念，链表记录当前所有可发送的用户，轮循链表发送报文，每个用户按照令牌桶算法决定是否已超过带宽上限，若超过则移出活动链表，等待一段时间后再加入活动链表等待发送。

进一步地，上述的大用户量的QoS公平调度方法，报文入队列，输入为出端口的报文，首先按照报文的IP获取对应的用户队列，如果获取不到则新建一个用户队列，将报文入队列；如果用户队列不属于活跃链表，且仅有一个本次处理的报文，则将用户队列加入到活跃链表； 

报文出队列，首先获取活跃链表中的当前用户队列，同时标记当前用户队列的下一个结点，作为下一次轮循的当前用户队列；当前用户队列的队头报文为需要发送的报文，查看报文发送是否超过带宽上限，如果超过则不允许发送，计算需要延期等待的时间，如果不超过则直接发送报文。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

本发明确保设定范围内的用户公平调度，平均分享带宽，获取几乎相同的时间延迟，还可以设置这些用户的上限带宽；为每个用户构造一个队列，目前用户以IP为唯一标志，该用户需要发送的报文均入此队列；用户队列以HASH链表方式存储，可以适用于相当大的规模；在端口发送报文时，轮循每个队列进行发送，达到公平调度、分享带宽的效果，当同时上线的用户较少时，每个用户可以获取大的带宽，随着上线的用户逐渐增多，每个用户获取的带宽逐渐减少；同时为实现带宽上限功能，引入一个活动链表概念，该链表记录当前所有可以发送的用户，轮循该链表发送报文，每个用户按照令牌桶算法决定是否已超过带宽上限，若超过则移出活动链表，等待一段时间后再加入活动链表等待发送；本发明可以任意设定范围内的用户，可以使用网络地址范围、MAC地址集合、部门等等，有极强的应用性；提出QoS公平调度算法，极大的改善了网络环境和网络质量，具有丰富的实用场景。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：入队列流程示意图；

图2：出队列流程示意图。

具体实施方式

大用户量的QoS公平调度方法，为每个用户构造一个队列，目前用户以IP为唯一标志，该用户需要发送的报文均入队列；用户队列以HASH链表方式存储，当前的HASH表长度为256，适用于相当大的规模；为实现带宽上限功能，引入一个活动链表概念，该链表记录当前所有可以发送的用户，轮循该链表发送报文；在端口发送报文时，轮循活跃链表的用户队列进行发送，达到公平调度、分享带宽的效果，当同时上线的用户较少时，每个用户可获取大的带宽，随着上线的用户逐渐增多，每个用户获取的带宽逐渐减少；同时每个用户按照令牌桶算法决定是否已超过带宽上限，若超过则移出活动链表，等待一段时间后再加入活动链表等待发送。

调度的数据结构，所有的用户队列按照HASH队列存储，同时有一个动态变化的活跃链表（active），该链表内的所有用户队列都可发送报文（没有被限速）而且都可以发送报文（队列中有报文需要发送），当前用户链表（cur）指向下一个待发送的用户队列；

每个用户队列存储所有待发送的报文，同时还存储了两个定时器，一个是超时定时器，当该用户队列在固定设置的时间段内一直没有报文来时触发，触发时删除用户队列并释放资源；另一个是超时定时器，当该用户队列在发送某个报文时超过带宽上限时启动超时定时器，超时时间通过上限带宽和当前带宽的计算获得，当超时时间满足后触发定时器，触发时将该用户队列加入到活跃链表，并重新调度。

如图1所示，报文入队列， 首先查找报文属于的用户队列，如果找不到则新建一个用户队列并插入活跃链表；如果找到则更新超时定时器，如果用户队列存储的报文过长则丢弃，否则添加到用户队列，如果该用户队列不在活跃链表且原先存储的报文个数为0，则添加该用户队列到活跃链表中。这一操作主要是因为没有报文的用户队列会从活跃链表中移除，因此当有报文到来时必须添加到活跃链表，只有活跃链表中的用户队列才会被调度，才有可能发送报文。

如图2所示，报文出队列，首先获取当前用户队列的队头报文，再判断是否设置带宽上限，如果设置则需要使用令牌桶算法决定是否发送此报文，超过带宽上限则不能发送报文并移出活跃链表，启动限流定时器，超时时间通过上限带宽和当前带宽的计算获得，当超时时间满足后触发限流定时器，触发时将该用户队列加入到活跃链表，并重新调度；再查看当前用户队列的报文数，如果为0，则移出活跃队列；最后更新当前用户队列以供下次轮循调度。

目前本方法按照报文个数来进行调度，在现实情况下已经可基本满足需求，将该算法变换后，按照报文长度来进行调度，则可以达到非常精确的公平状态。

本方法可以存在多个活动单元，在设备的同一个物理接口可以同时设置多个调度机制，同时为不同的用户群设置不同的带宽上限进行公平调度、带宽共享。在设置时只要将需要调度的报文进入调度结构即可，在Linux上可以利用netfilter 实现，举例来说，匹配设定的IP地址段，这段IP地址的所有报文进行公平调度且设置一个带宽上限，如此可以设置多个IP地址段满足不同的调度需求。

本方法还可以和其他调度机制进行配合使用，比如和Linux的HTB调度机制配合，可以为设定IP段设置总带宽限制，并且该IP段内的所有用户公平调度、分享带宽，还可以设置每个用户的带宽上限。

另外，在应用时还要查看具体场景，本发明应用在一个相对平均的环境，即该环境下的所有用户都是同等对待的，如果某环境下的用户需要严格区别对待，则需要使用其他调度机制。

综上所述，本发明提出了大用户量的QoS公平调度算法，极大的提高了QoS设备的带宽限制性能，适用于相当大的规模，使用一条规则实现设定范围内的用户带宽上限，传统的QoS设备可能需要上百条规则；充分利用了剩余带宽，实现了分享带宽的效果；并且可以和其他调度机制配合使用，相当方便灵活，可以充分满足需求。

需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.大用户量的QoS公平调度方法 ，其特征在于：每个用户构造一个队列，目前用户以IP为唯一标志，用户需要发送的报文均入队列，用户队列以HASH链表方式存储；在端口发送报文时，轮循每个队列进行发送，使公平调度、分享带宽，当同时上线的用户较少时，每个用户获取大的带宽，随着上线的用户逐渐增多，每个用户获取的带宽逐渐减少；同时实现带宽上限功能，引入一个活动链表概念，链表记录当前所有可发送的用户，轮循链表发送报文，每个用户按照令牌桶算法决定是否已超过带宽上限，若超过则移出活动链表，等待一段时间后再加入活动链表等待发送。

2.根据权利要求1所述的大用户量的QoS公平调度方法，其特征在于：报文入队列，输入为出端口的报文，首先按照报文的IP获取对应的用户队列，如果获取不到则新建一个用户队列，将报文入队列；如果用户队列不属于活跃链表，且仅有一个本次处理的报文，则将用户队列加入到活跃链表； 

报文出队列，首先获取活跃链表中的当前用户队列，同时标记当前用户队列的下一个结点，作为下一次轮循的当前用户队列；当前用户队列的队头报文为需要发送的报文，查看报文发送是否超过带宽上限，如果超过则不允许发送，计算需要延期等待的时间，如果不超过则直接发送报文。

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