CN102638401B - 一种区分服务体系结构网络的带宽分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种区分服务体系结构网络的带宽分配方法。该方法包括以下步骤:将网络流量划分多个聚集类;计算多个聚集类的带宽比例和队列增量比例;当多个聚集类的带宽比例与队列增量比例不相等时,计算多个聚集类的流量负载;根据流量负载计算流量负载比例;根据流量负载比例与权重参数获取聚集类的带宽;根据带宽获取多个聚集类的目标带宽大小。本发明实现方法简单高效,具有极短的响应时间,且不会给网络引入任何的不稳定因素。
Description
技术领域
本发明涉及计算机网络管理技术,特别涉及一种区分服务体系结构网络的带宽分配方法。
背景技术
随着互联网规模的扩大和承载业务种类的增多,特别是具有实时服务质量要求的新兴业务(如VoIP、视频会议、视频直播等)的不断涌现,要求通信网络提供高效端到端QoS(Quality of Services,服务质量)支持的呼声也逐渐增高。为了满足业务发展需求,保障业务的QoS,IETF(Internet Engineering Task Force,因特网工程任务组)在现有的IP网络之上提出了IntServ(Integrated Services,综合服务体系结构)和DiffServ(Differentiated Services,区分服务体系结构)两种保证QoS的网络技术。
IntServ中采用RSVP(Resource Reservation,资源预留)的方式来保证业务的QoS的同时,其可扩展性受到了严重的限制。DiffServ则因其良好的可扩展性得到了广泛的关注。在DiffServ网络中,路由器可以分为两类:边缘路由器和核心路由器。边缘路由器负责根据不同的服务等级为所有到达的数据包打标签,即对IP包头的ToS(Type of Service,服务类型)字段中的6个比特位进行标记,通过不同的标记值将所有到来的网络流量分为三个聚集类,即为EF(Expe dited Forwarding,加速转发)、AF(Assured Forwarding,确保转发)和BE(Best Effort,尽力而为)。其中AF中包括AF1-AF4四个子类。核心路由器负责对流量负载以聚集类中聚集流的形式进行调度。
从而,聚集类中的流量负载是随时间动态变化的。传统的调度算法(如WFQ)总是以一种固定不变的方式进行带宽分配,无论聚集类中的流量负载如何变化,每个聚集类分得的带宽总是固定不变的。在这种情况下,必然会导致一些如下例中不公平的现象发生。
例如,如图1中所示,为瓶颈链路,其链路带宽为3Mps,从节点A到节点C的流为AF1,从节点B到节点D的流为AF2,AF1和AF2中各有两条流,流的到达速率分别为2Mbps和1Mbps,那么AF1和AF2中的流量负载分别为4Mbps和2Mbps。假设AF1比AF2的优先级高,也就是说AF1中的流应该得到比AF2中的流等级高的服务。为了保证这一点,在分配带宽时可以将AF1和AF2的权重分别设为1.5和1.0。AF1和AF2分得的带宽分别为1.8Mbps和1.2Mbps。经过时间间隔t,二者在队列中等待的包的总大小,也就是队列长度,将分别增加2.2Mbps*t和0.8Mbps*t。如果每个聚集类的缓存大小相同,AF1的缓存会更早用尽,也就是说,AF1中会更早发生丢包,AF1中的流也就不可能得到比AF2更好的服务。这就造成了带宽分配的不公平性。
因此,如何动态的分配带宽,改变这种不公平的状况,能够对各项业务提供相对公平的服务,是一个非常值得研究的问题。
在现有技术中,动态带宽分配的方法主要包含两类:一种是基于流量特征的带宽分配方法,另一种是基于效用函数的带宽分配方法。
基于流量特征的带宽分配方法中是指,在进行带宽分配中主要考虑一些流量自身的特征,如聚集类中流的数量,目标速率,包的大小等。还有通过测量所有连接中所有数据包的到达速率估计每个聚集类中流的数量,从而根据估计得到的聚集类中流的数量进行动态带宽分配。除了流的数量,数据包的大小和目标速率也是考虑的重要因素。当网络拥塞时,根据聚集类中目标速率之和进行动态带宽分配;当网络状况良好、有剩余带宽时,则将一部分带宽根据目标速率进行分配,余下的部分根据流的数量来分配。
基于流量特征的带宽分配方法认为公平是公平的资源(如带宽),主要根据聚集类中流的数量,目标速率,包的大小等流量特征进行带宽分配。比如在根据流的数量进行带宽分配时,认为公平是同等优先级的聚集类中的每条流得到相等的带宽,高优先级聚集类中的流要比低优先级聚集类中的流得到更多的带宽。该方法在所有流的发送速率都一致时,流的数量能够反映聚集类中具体的流量负载情况,此时对聚集类的带宽分配可以说是公平的。然而,当流的发送速率不一致时,该方法则很难提供良好的公平性。
基于效用函数的带宽分配方法中,首先研究业务的QoS与其分得的带宽之间的函数关系,即为效用函数。为了达到公平,在进行带宽分配时,则是按照同等业务需要达到同等的QoS、高优先级的业务达到较高等级QoS的标准实施的。R.M.Salles和J.A.Barria等人采用了分段线段的形式来表示各项业务的QoS与带宽需求之间的关系,并以此做动态带宽分配。
基于效用函数的带宽分配方法认为公平是公平的服务等级(如丢包率),即同优先级的聚集类中的流得到服务等级相同,不同优先级的聚集类得到有区别的服务等级。该方法能够提供相对公平的服务,然而,获得业务QoS与带宽之间的关系(即效用函数)需要很大的计算量,而如果要为每种业务都建立一个这样的效用函数将会非常麻烦。
总结来说,基于流量特征的方法实现方法简单,但很难提供真正意义上的公平;而基于效用函数的带宽分配方法虽然能够提供公平,但却需要很大的计算量。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中区分服务体系结构网络中带宽分配的问题。
为实现上述目的,本发明提供了一种区分服务体系结构网络的带宽分配方法。该方法包括以下步骤:将网络流量划分多个聚集类;计算多个聚集类的带宽比例和队列增量比例;当多个聚集类的带宽比例与队列增量比例不相等时,计算多个聚集类的流量负载;根据流量负载计算流量负载比例;根据流量负载比例与权重参数获取聚集类的带宽;根据带宽获取多个聚集类的目标带宽大小。
本发明通过计算流量负载实现了动态带宽分配,且具有非常高的准确性和有效性。
附图说明
图1为现有技术DiffServ网络的拓扑结构示意图;
图2为本发明实施例一种DiffServ网络的带宽分配方法流程图;
图3为和的结果比较示意图;
图4(a)为第一组吞吐量的结果比较示意图;
图4(b)为第二组吞吐量的结果比较示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图2为本发明实施例一种DiffServ网络的带宽分配方法流程图。如图2所示,该方法包括步骤201-206。
在步骤201,将网络流量划分多个聚集类。
具体地,边缘路由器根据不同的服务等级在数据包上打相应标签,并以此将网络流量划分为多个聚集类。
表1示出了ToS字段的8个比特位,其中DSCP(DifferentiatedServices Code Point,区分服务代码点),CU(Currently Unused,目前尚未使用)。在DiffServ网络中采用了ToS字段的前6个比特位标记数据包,通过标记不同的值来划分聚集类,路由器也正是根据这些标记信息,把具有同样标记值的数据包分为一类,并以此将网络流量分为多个聚集类从而进行队列调度。
表1
在步骤202,计算多个聚集类的带宽比例和队列增量比例。
具体地,路由器根据每个聚集类当前分得的带宽和队列增量计算出每个聚集类的带宽比例和队列增量比例。
在一个特定时间间隔(如1秒)内到达链路的所有数据包大小的总和称为流量负载,其中到达后链路后立即被发送出去的数据包认为是当前分得的带宽,到达链路后没能够被立即发送出去的数据认为是队列长度的增加部分,即队列增量。在经过一个时间间隔t后,每个聚集类的队列增量就是其中的流量负载减去分得的带宽。
对于每个聚集类,当前分得的带宽占总带宽的比例可以用下面的公式(1)计算获得:
其中,表示第i个聚集类(其中i取值1~N),表示第i个聚集类当前分配的带宽,表示第i个聚集类点总带宽的比例。
同时,可以通过下面的公式(2)得到聚集类的队列增量占总队列增量的比例:
其中,表示第i个聚集类的流量负载,表示流量负载减去分得的带宽得到的队列增量,表示第i个聚集类队列增量比例。
在步骤203,当多个聚集类的带宽比例与队列增量比例不相等时,计算所述多个聚集类的流量负载。
根据成比例定理,如果(a为常数),那么由此就可以得到了要估计的流量负载。然而,实际与理论总是存在差异。在实际计算的结果中小数点后面可能出现很多位数,的计算结果有可能不和理论中那样与绝对相等。因此,在比较过程中我们设定了一个小数δ置信区间,既若值与值之差比δ小,二者被认为是相等的;否则就认为它们是不相等的,进一步计算聚集类的流量负载。
在一个例子中,聚集类的流量负载可以用下面的公式(3)计算获得:
其中,表示第i个聚集类的流量负载。
在步骤204,根据流量负载计算流量负载比例。
具体地,路由器可以根据下面的公式(4)计算获得的流量负载占总流量负载的比例:
其中,表示估计得到的的流量负载占总流量负载的比例。
在步骤205,根据流量负载比例与权重参数获取聚集类的带宽。
具体地,路由器根据流量负载比例与权重参数获取聚集类的带宽。
权重参数是根据优先级或都服务等级来确定的,在带宽分配中设置权重参数时,如果聚集类比的优先级高,就会将设得比大,反之亦然。如果比的优先级相同,则将与相同。
在一个例子中,在带宽分配过程中聚集类分得的带宽可以用下面的公式(5)计算获得:
其中,表示的权重参数,表示第i个聚集类在带宽分配中分得的带宽。
在步骤206,根据带宽获取多个聚集类的目标带宽大小。
具体地,路由器根据在带宽分配过程中聚集类分得的带宽获取聚集类的目标带宽大小。
在一个例子中,每个聚集类的目标带宽大小可以通过下面的公式(6)计算获得:
其中,表示带宽分配过程中聚集类分得带宽占总带宽的比例,表示聚集类分得的目标带宽。
上述步骤201-206完成了一个时间间隔t的带宽分配过程。由于网络流量是随时间动态变化的,在一个时间间隔t之后,路由器需要重新估计新的当前流量负载,再次进行带宽分配。如此循环往复,才能形成根据流量负载的动态变化而不断的进行动态带宽分配的过程。
在进行时间间隔t的设定时,需要选择一个合适的值。如果t设置的太小,某些聚集类的队列长度还没有发生变化,而其他聚集类的队列长度却已经发生了变化,这样在计算过程中得到的新带宽的动态波动会非常大,很难反应流量变化的真实情况;而如果时间间隔t设置的太大,所有的队列长度都会发生较大的变化,带宽分配的结果一定会很精确,但是太长的反应时间就很难体现出动态带宽分配的实时性。
为了验证本发明实施例的可行性及有效性,以下进行两方面的验证工作。首先对估计得到的流量负载与真实的流量负载做比较,验证估计流量负载过程的准确性。然后从带宽分配后各个聚集类的QoS性能指标,即吞吐量和丢包率两个方面分别验证本发明实施例提出的动态带宽分配方法的有效性。
(1)准确性验证
在本发明实施例的计算过程中,我们用来估计真实的流量负载比例在此,我们需要对估计过程的准确性进行验证。
在“流量负载估计”部分中,每个聚集类中的流量负载被定义为那么真实的流量负载比例可以由以下公式(7)得到,而估计的流量负载比例已经在公式(4)中得到。
按照前面的定义,在此我们需要验证和的接近程度,以此来反映估计过程的准确性。然而,为了简单起见,在实验过程中我们只用到了两个聚集类,即和如果要计算它们的真实流量负载比例与估计流量负载比例,那么在已经得到了和各自真实的流量负载和以及估计的流量负载和时,还需分别计算3次才能得到相应的比例。而如果计算与之比,即和只需分别计算1次便能够得到实验结果,大大减少了计算量。因此,在此我们通过下面公式(8)和公式(9)计算并比较两个聚集类的流量负载之比来进行准确性验证。
表II中描述了有关估计的流量负载的准确性验证的实验过程,图3中的实验结果体现了其与真实流量负载的接近程度。为了不失一般性,该实验过程重复了100次。从实验结果图中可以看到,与非常接近。就此可以说明,估计过程具有较高的准确性。
表II:准确性验证
(2)性能验证
为了验证本发明实施例的可行性和有效性,我们采用网络仿真工具NS2进行了仿真。实验的网络拓扑图如图1所示。
在实验拓扑图中,路由器R1、R2和R3构成了一个DiffServ网络,其中R1和R3为边缘路由器,R2为核心路由器。R2和R3之间的链路为瓶颈链路,链路容量为2Mbps。从节点A到节点C的流量标记为从节点B到节点D的流量标记为
实验过程在两种条件下分别验证。第一种条件为同等条件,认为和具有同等优先级且应该得到相同服务,此时他们的权重参数也应该是相等的。第二种条件为区分条件,认为比的优先级高,此时的权重参数应该比的大,在实验中我们可以将他们的权重参数分别设为2和1。
在具体的带宽分配过程中,我们采用WFQ作为基本的调度算法,其中的weight值即为动态计算的结果。为了模拟聚集类中流量负载的动态变化,我们定义了3个UDP流,分别为A、B和C,发送速率分别为0.5Mbps、1.0Mbps和1.5Mbps。表III中为聚集类中流量负载随时间动态变化的情况。另外,赋予的初始值为1.5,则分配给和的初始带宽分别为1.2Mbps和0.8Mbps。
表III:聚集类中流量负载的变化情况
在实验验证过程中,主要进行了两组比较。第一组为同等条件下基于流的数量的方法与本方法的比较,第二组为本方法分别在同等条件和区分条件下的比较。实验结果也就分为三种。第一种为和表示在平等条件下,采用本发明实施例的方法时和得到的实验结果,而和则表示同等条件下采用基于流的数量的方法的实验结果。和表示在区分条件下,采用本文提出的方法得到的实验结果。
实验结果中的吞吐量可近似于分配的带宽情况。图4为吞吐量的结果比较。(a)中为第一组实验的结果,(b)为第二组实验的结果。可以看出,在0~150s之间,同等条件下基于流的数量的方法并没有随着流量负载而发生变化,而本发明实施例的吞吐量不断随流量负载发生改变,且在同等条件和区分条件下时,由于采用的方法相同,带宽分配的结果应该是成比例的,因此(b)中的图像也是平行的。
表IV中给出了仿真实验得到的丢包率情况。在同等条件下采用本文提出的方法时,得到的和的丢包率基本相同,而采用基于流数量的方法时,得到的丢包率之间存在很大差距。在区分条件下采用本文提出的方法时,能够得到很好的区分服务,即能够得到比低的丢包率。由此可以很好的说明本发明实施例的有效性。
表IV:丢包率比较
专业人员应该还可以进一步意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现,为了清楚地说明硬件和软件的可互换性,在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种区分服务体系结构网络的带宽分配方法,其特征在于,所述方法包括:
将网络流量划分多个聚集类;
计算所述多个聚集类的带宽比例和队列增量比例;具体地,路由器根据每个聚集类当前分得的带宽和队列增量计算出每个聚集类的带宽比例和队列增量比例;
当所述多个聚集类的带宽比例与队列增量比例不相等时,计算所述多个聚集类的流量负载;
根据所述流量负载计算流量负载比例;
根据所述流量负载比例与权重参数获取所述聚集类的带宽;
根据所述带宽获取所述多个聚集类的目标带宽大小。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述当所述多个聚集类的带宽比例与队列增量比例不相等时,计算所述多个聚集类的流量负载步骤是当所述多个聚集类的带宽比例与队列增量比例的差值大于置信区间时,计算所述多个聚集类的流量负载。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,还包括当所述聚集类的带宽比例与所述队列增量比例的差值小于置信区间时,所述带宽比例与所述队列增量比例被认为是相等。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述聚集类的队列增量比例是根据以下公式计算获得:
其中表示聚集类的流量负载,表示聚集类分配的带宽,表示聚集类队列增量比例。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述聚集类的流量负载是根据以下公式计算获得:
其中,表示聚集类流量负载,表示第i个聚集类点总带宽的比例,表示第i个聚集类队列增量比例。
6.根据权利要求1或5所述的方法,其特征在于,所述流量负载比例是根据以下公式计算获得:
其中表示估计得到的的流量负载占总流量负载的比例,表示第i个聚集类的流量负载,表示第i个聚集类当前分配的带宽,表示第i个聚集类的流量负载。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述权重参数是根据优先级或者服务等级来确定的。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述聚集类的带宽是根据以下公式计算获得:
其中表示的权重参数,表示估计得到的的流量负载占总流量负载的比例。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述目标带宽大小是根据以下公式计算获得:
其中表示聚集类分得的目标带宽,表示第i个聚集类在带宽分配中分得的带宽,表示第i个聚集类当前分配的带宽。
10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,根据数据包所打标签将所述网络流量划分多个聚集类。
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