CN102752192B - 基于SCTP的ForCES传输映射层的带宽分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SCTP的ForCES传输映射层的带宽分配方法。本发明包括如下步骤：1）初始时分别为控制消息、事件消息、重定向消息建立队列，调度模块为三类队列设置初始调度概率；2）队列管理模块根据实际队列缓存情况,计算出因队列长度变化引起的丢包概率；3）速率估算模块计算出消息流的到达速率和因消息流到达速率变化引起的丢包概率；4）调度模块根据上述两个丢包概率计算出总丢包概率，根据总丢包概率决定消息是否入队，同时为三类消息队列重新计算调度概率；5）调度模块根据重新计算出的调度概率分配链路带宽。本发明采用基于速率和缓存控制的动态概率调度来分配控制件和转发件之间的链路带宽，提升了带宽利用性能。

Description

基于SCTP的ForCES传输映射层的带宽分配方法

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及一种基于SCTP的ForCES传输映射层的带宽分配方法。

背景技术

随着互联网等计算机网络应用领域的迅速扩大，新特性、新需求不断出现并不断变化，这就要求新一代网络设备应具有足够的灵活性，能快速地对新业务、新需求做出响应；要求新一代网络设备应具有足够的开放性，使用户可以根据所开放的资源灵活组合，以提供不同的网络需求服务；要求新一代网络设备应具有足够的模块化特性，并通过标准化组织进行标准化，使得每个模块可以由不同厂家独立研究开发，又可以通过积木式有机组合成一个整体，这种积木式的发展模式可以极大地加快产品的开发过程，同时也有利于良性竞争、降低成本，个人计算机（PC）的发展已经充分证明了该模式的有效性。转发与控制分离的网络件正是由于满足了新一代网络的以上要求而在目前得到了广泛研究和应用。关于转发与控制分离网络件的研究目前主要在互联网标准制定组织IETF 引导下开展，IETF成立了专门的ForCES（Forwarding and Control Element Separation, 转发和控制件分离）工作组中。

转发与控制分离网络件的典型结构如图 1所示。一个转发与控制分离的网络件分成转发件（FE）和控制件（CE）两部分，互联网协议RFC3654中规定了转发与控制分离网络件的需求（Requirements），互联网协议RFC3746规定了转发与控制分离网络件的框架（Framework）。它们之间的信息交换使用标准化的被称为“ForCES协议”的信息交换协议， 进而转发与控制分离网络件也被称为ForCES网络件，标准化使得转发件和控制件可以由不同厂家生产。在ForCES路由器中，控制件和转发件间的通信依靠传输映射层（TML）来实现，传输映射层的体系结构图如图2所示，由传输映射层负责ForCES协议消息在不同传输介质（如：SCTP, ATM, IP）中的传输。为了高效地传输协议消息，传输映射层需要在控制平面和数据平面之间合理的分配带宽。传统的带宽分配算法基本把重点放在了提高分配效率,对消息属性及不同消息之间的重要性方面关注不多,因而缺乏针对性，使得在提高网络资源利用率方面遇到了瓶颈，不能进一步提高本来就已经竞争很激烈的带宽资源的利用率。针对ForCES路由器中不同消息对服务质量的要求，基于速率和缓存控制主动队列管理的动态带宽分配方法是一种有效的且合理的分配方式。

ForCES传输匹配层带宽分配方法研究主要包含两方面研究：队列管理算法研究和调度算法研究。总的来说，调度算法主要决定下一个要发送的分组从哪个流获取，用于协调不同消息流之间的带宽分配，而队列管理算法则在适当的时间通过以一定概率丢弃分组的方式来管理队列长度。目前ForCES小组对此正在探索性的研究，现在在基于SCTP的ForCES传输匹配层架构文档中仅提出了基于严格优先级的连续工作性调度方法来处理协议层消息的接受和发送。这意味着高优先级通道的消息总是优先处理，直到消息处理完为止。只有较高优先级的消息处理完以后，低优先级通道的消息才能得到处理。这也意味着在拥塞的情况下，更高优先级通道若有很多消息，会一直占用带宽，这将会饿死低优先级通道。所以一种在基于SCTP的ForCES传输映射层下实现带宽分配的方法成为ForCES网络件技术研究当前需要解决的重要问题，高效的分配算法可以有效的提高消息的传输性能。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于SCTP的ForCES传输映射层的带宽分配方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

步骤(1).传递ForCES协议消息的ForCES接口被进一步分为协议层和传输映射层。ForCES协议消息的类型可分为控制消息、事件消息、重定向消息三类。

首先，初始时分别为控制消息、事件消息、重定向消息三类不同的消息流各自建立一个消息队列，并根据初始时三类消息重要程度的不同，调度模块设定控制消息队列的初始调度概率为0.7，事件消息队列的初始调度概率为0.2，重定向消息的初始调度概率为0.1；

然后，调度模块根据三类消息队列的初始调度概率进行带宽分配并开始传输消息，控制消息所占初始带宽                                                、事件消息所占初始带宽、重定向消息所占初始带宽；

其中，为控制消息的传输概率, 为事件消息的传输概率, 为重定向消息的传输概率，B为控制件通信时允许的最大带宽。

步骤(2).队列管理模块根据消息队列缓存的当前实际占用情况,计算出因当前消息队列缓存长度变化引起的丢包概率，

队列管理模块分别设置各个消息队列缓存长度的最小缓冲阀值和最大缓冲阀值，并通过队列管理模块获得当前消息队列的实际缓存占用信息，然后与之前设定的最小缓冲阀值和最大缓冲阀值作比较。

若消息队列长度超过最大缓冲阀值，则说明该消息通道已经出现拥塞现象，直接丢弃该消息，所以此时丢包概率；

若消息队列长度小于最小缓冲阀值，则说明该消息通道没有发生拥塞现象，到达的消息队列全部被获准进入当前消息队列，所以此时丢包概率；

若消息队列长度介于最大缓冲阀值和最小缓冲阀值之间，则此时丢包概率计算如下：

  ；                           

其中，a是常数，表示当前消息队列的长度，，。

步骤(3).当有新的消息包到达时，速率估算模块采用指数平均算法估算出控制消息、事件消息、重定向消息三类不同消息包的平均到达速率，然后根据各类消息包的平均到达速率和该类消息队列当前的最大服务速率计算出因各类消息包的到达速率变化引起的丢包概率。

各类消息包平均到达速率具体计算如下：

；

其中，为指数权值，是新的消息包到达之前消息流的平均到达速率，，表示第k+1个消息包和第k个消息包到达的间隔时间，表示第k+1个消息包的长度，K是一个常数。

根据当前各类消息包平均到达速率和当前该消息队列的最大服务速率，获得当前消息流的服务速率。若，则所有的消息包都会被入队发送；若，则有个消息包将被丢弃，根据前面的两种情况， 所有消息流中消息包的丢弃概率 ；

步骤(4).调度模块根据步骤(2)和步骤(3)计算得到的两种丢包概率，计算出三类消息各自的总丢包概率为，根据各类消息总丢包概率来决定该类消息是否可以入队，

①．若消息类型为控制消息，则根据总丢包概率改变控制消息的传输概率，设置阀值，其中 的调整方法如下：

a.若，为了保证控制消息的传输，增大，增大的计算如下：

 ；

其中，，为增大后的，且小于等于1，即 。                               

b.当，且时，为充分利用带宽资源，则减小参数，即将乘以参数，，减小的计算如下：

。

c.若此时事件消息和重定向消息中其一通道为空，则事件消息的传输概率、重定向消息的传输概率，或者事件消息的传输概率、重定向消息的传输概率，即把剩余带宽全部分配给非空消息通道；

d.若此时事件消息和重定向消息都为非空，则根据通道优先级，把除了控制消息带宽以外的剩余带宽按一定比例分配给事件消息通道和重定向消息通道。分配方式如下：

；

；

其中，并且根据实际情况和优先级，参数的大小可以被控制调整，为调整后的大小，为调整后的大小，且和的调整方法在除去的传输概率基础上与相同。

②若消息类型为事件消息或者重定向消息，则分别根据它们各自的总丢包概率来决定该类消息是否可以入队即可，

若事件消息的总丢包概率为，则就以的概率随机丢弃到来的事件消息；

若重定向消息的总丢包概率为，则就以的概率随机丢弃到来的重定向消息；

步骤(5).调度模块根据重新计算出来的三类消息队列的调度概率与总带宽的乘积重新分配链路带宽来传输消息，具体分配过程如下：

控制消息分配的新带宽为：

事件消息分配的新带宽为：

重定向消息分配的新带宽为：

  

分配结束后，循环执行步骤(2)。

本发明有益效果如下：

1）满足了高优先级通道消息传输的需求，并能充分利用剩余带宽资源传输中优先级通道和低优先级通道的消息；

2）能根据实际消息流量波动的情况及时调整调度概率，实时调整带宽分配，充分的利用带宽，有利于提高网络带宽资源的利用率；

3）与RFC架构文档中的方法相比，能够尽可能地减少低优先级通道被饿死的情况；

4）本发明已经被实际系统使用证明是切实可行的。

附图说明

图1是基于SCTP的传输映射层体系结构图；

图2是本发明的实施例的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

基于SCTP的ForCES传输映射层的带宽分配方法，通过基于速率和缓存控制的主动队列管理和动态概率优先调度来确保控制消息的传输，同时充分的利用总的网络带宽资源。

基于SCTP的ForCES传输映射层的带宽分配方法包括如下步骤：

步骤(1).如图1所示，传递ForCES协议消息的ForCES接口被进一步分为协议层（PL）和传输映射层（TML）。ForCES协议消息的类型可分为控制消息、事件消息、重定向消息三类。

首先，初始时分别为控制消息、事件消息、重定向消息三类不同的消息流各自建立一个消息队列，并根据初始时三类消息重要程度的不同，调度模块设定控制消息队列的初始调度概率为0.7，事件消息队列的初始调度概率为0.2，重定向消息的初始调度概率为0.1；

然后，调度模块根据三类消息队列的初始调度概率进行带宽分配并开始传输消息，控制消息所占初始带宽、事件消息所占初始带宽、重定向消息所占初始带宽；

其中，为控制消息的传输概率, 为事件消息的传输概率, 为重定向消息的传输概率，B为控制件通信时允许的最大带宽。

步骤(2).如图2所示，队列管理模块根据消息队列缓存的当前实际占用情况,计算出因当前消息队列缓存长度变化引起的丢包概率，

队列管理模块分别设置各个消息队列缓存长度的最小缓冲阀值和最大缓冲阀值，并通过队列管理模块获得当前消息队列的实际缓存占用信息，然后与之前设定的最小缓冲阀值和最大缓冲阀值作比较。

若消息队列长度超过最大缓冲阀值，则说明该消息通道已经出现拥塞现象，直接丢弃该消息，所以此时丢包概率；

若消息队列长度小于最小缓冲阀值，则说明该消息通道没有发生拥塞现象，到达的消息队列全部被获准进入当前消息队列，所以此时丢包概率；

若消息队列长度介于最大缓冲阀值和最小缓冲阀值之间，则此时丢包概率    

其中，a是常数，表示当前消息队列的长度，，。

步骤(3).如图2所示，当有新的消息包到达时，速率估算模块采用指数平均算法估算出控制消息、事件消息、重定向消息三类不同消息包的平均到达速率，然后根据各类消息包的平均到达速率和该类消息队列当前的最大服务速率计算出因各类消息包的到达速率变化引起的丢包概率。

各类消息包平均到达速率具体计算如下：

其中，为指数权值，是新的消息包到达之前消息流的平均到达速率，，表示第k+1个消息包和第k个消息包到达的间隔时间，表示第k+1个消息包的长度，K是一个常数。

根据当前各类消息包平均到达速率和当前该消息队列的最大服务速率，获得当前消息流的服务速率。若，则所有的消息包都会被入队发送；若，则有个消息包将被丢弃，根据前面的两种情况， 所有消息流中消息包的丢弃概率 ；

步骤(4).调度模块根据步骤(2)和步骤(3)计算得到的两种丢包概率，计算出三类消息各自的总丢包概率为，根据各类消息总丢包概率来决定该类消息是否可以入队，

①．若消息类型为控制消息，则根据总丢包概率改变控制消息的传输概率，设置阀值，其中 的调整方法如下：

a.若，为了保证控制消息的传输，增大，增大的计算如下：

其中，，为增大后的，且小于等于1，即 。                               

b.当，且时，为充分利用带宽资源，则减小参数，即将乘以参数，，但是为了能接受一定的突发控制消息流的传输，不能过分的减小控制通道的带宽，因而设定控制通道带宽不能小于总带宽的一半。

减小的计算如下：。

c.若此时事件消息和重定向消息中其一通道为空，则事件消息的传输概率、重定向消息的传输概率，或者事件消息的传输概率、重定向消息的传输概率，即把剩余带宽全部分配给非空消息通道；

d.若此时事件消息和重定向消息都为非空，则根据通道优先级，把除了控制消息带宽以外的剩余带宽按一定比例分配给事件消息通道和重定向消息通道。分配方式如下：

其中，并且根据实际情况和优先级，参数的大小可以被控制调整，为调整后的大小，为调整后的大小，且和的调整方法在除去的传输概率基础上与相同。

②若消息类型为事件消息或者重定向消息，则分别根据它们各自的总丢包概率来决定该类消息是否可以入队即可，

若事件消息的总丢包概率为，则就以的概率随机丢弃到来的事件消息；例如，当计算得到事件消息的总丢包概率为，此时若是到来n个事件消息包，则要将它们随机丢弃个；

若重定向消息的总丢包概率为，则就以的概率随机丢弃到来的重定向消息；

步骤(5).调度模块根据重新计算出来的三类消息队列的调度概率与总带宽的乘积重新分配链路带宽来传输消息，具体分配过程如下：

控制消息分配的新带宽为：

事件消息分配的新带宽为：

重定向消息分配的新带宽为：

  

分配结束后，循环执行步骤(2)。

Claims (1)

1.基于SCTP的ForCES传输映射层的带宽分配方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤(1).传递ForCES协议消息的ForCES接口被进一步分为协议层和传输映射层；ForCES协议消息的类型可分为控制消息、事件消息、重定向消息三类；

首先，初始时分别为控制消息、事件消息、重定向消息三类不同的消息流各自建立一个消息队列，并根据初始时三类消息重要程度的不同，调度模块设定控制消息队列的初始调度概率为0.7，事件消息队列的初始调度概率为0.2，重定向消息的初始调度概率为0.1；

然后，调度模块根据三类消息队列的初始调度概率进行带宽分配并开始传输消息，控制消息所占初始带宽B_c＝p_c×B、事件消息所占初始带宽B_e＝p_e×B、重定向消息所占初始带宽B_d＝p_d×B；

其中，p_c为控制消息的传输概率,p_e为事件消息的传输概率,p_d为重定向消息的传输概率，B为控制件通信时允许的最大带宽；

步骤(2).队列管理模块根据消息队列缓存的当前实际占用情况,计算出因当前消息队列缓存长度变化引起的丢包概率p_{q_dp}；

队列管理模块分别设置各个消息队列缓存长度的最小缓冲阀值Min_thd和最大缓冲阀值Max_thd，并通过队列管理模块获得当前消息队列的实际缓存占用信息，然后与之前设定的最小缓冲阀值Min_thd和最大缓冲阀值Max_thd作比较；

若消息队列长度超过最大缓冲阀值Max_thd，则说明该消息通道已经出现拥塞现象，直接丢弃该消息，所以此时丢包概率p_{q_dp}＝1；

若消息队列长度小于最小缓冲阀值Min_thd，则说明该消息通道没有发生拥塞现象，到达的消息队列全部被获准进入当前消息队列，所以此时丢包概率p_{q_dp}＝0；

若消息队列长度介于最大缓冲阀值Max_thd和最小缓冲阀值Min_thd之间，则此时丢包概率p_{q_dp}计算如下：

p_{q_dp}＝a(x-t)²；

其中，a是常数，x表示当前消息队列的长度，Min_thd＜x＜Max_thd，t＝Min_thd；

步骤(3).当有新的消息包到达时，速率估算模块采用指数平均算法估算出控制消息、事件消息、重定向消息三类不同消息包的平均到达速率，然后根据各类消息包的平均到达速率和该类消息队列当前的最大服务速率ω计算出因各类消息包的到达速率变化引起的丢包概率p_{r_dp}；

各类消息包平均到达速率r_new具体计算如下：

$r_{\mathrm{new}}=(1-\mathrm{\α})\frac{l_{k+1}}{T_{k+1}}+\mathrm{\α}\×r_{\mathrm{old}};$

其中，为指数权值，r_old是新的消息包到达之前消息流的平均到达速率，T_k+1＝t_k+1-t_k，表示第k+1个消息包和第k个消息包到达的间隔时间，l_k+1表示第k+1个消息包的长度，K是一个常数；

根据当前各类消息包平均到达速率r_new和当前该消息队列的最大服务速率ω，获得当前消息流的服务速率min(r_new,ω)；若r_new＜ω，则所有的消息包都会被入队发送；若r_new＞ω，则有个消息包将被丢弃，根据前面的两种情况，所有消息流中消息包的丢弃概率

步骤(4).调度模块根据步骤(2)和步骤(3)计算得到的两种丢包概率，计算出三类消息各自的总丢包概率为p_dp＝p_{q_dp}·p_{r_dp}，根据各类消息总丢包概率p_dp来决定该类消息是否可以入队，

①.若消息类型为控制消息，则根据总丢包概率p_dp改变控制消息的传输概率p_c，设置阀值p_thd，其中p_c的调整方法如下：

a.若p_dp＞p_thd，为了保证控制消息的传输，增大p_c，增大p_c的计算如下：

$p_c^{\mathrm{new}}=\min ((1+\mathrm{\Δp})\×p_c,1);$

其中，Δp＝p_dp-p_thd，为增大后的p_c，且小于等于1，即 $p_c^{\mathrm{new}}=\min ((1+\mathrm{\Δp})\×p_c,1);$

b.当p_dp＝0，且时，为充分利用带宽资源，则减小参数p_c，即将p_c乘以参数λ，0＜λ＜1，减小p_c的计算如下：

$p_c^{\mathrm{new}}=\max (0.5,p_c\×\mathrm{\λ});$

c.若此时事件消息和重定向消息中其一通道为空，则事件消息的传输概率重定向消息的传输概率或者事件消息的传输概率重定向消息的传输概率即把剩余带宽全部分配给非空消息通道；

d.若此时事件消息和重定向消息都为非空，则根据通道优先级，把除了控制消息带宽以外的剩余带宽按一定比例分配给事件消息通道和重定向消息通道；分配方式如下：

$p_e^{\mathrm{new}}=\mathrm{\β}(1-p_c^{\mathrm{new}});$

$p_d^{\mathrm{new}}=(1-\mathrm{\β})(1-p_c^{\mathrm{new}});$

其中0＜β＜1，并且根据实际情况和优先级，参数β的大小可以被控制调整，为调整后p_e的大小，为调整后p_d的大小，且和的调整方法在除去的传输概率基础上与相同；

②若消息类型为事件消息或者重定向消息，则分别根据它们各自的总丢包概率p_dp＝p_{q_dp}·p_{r_dp}来决定该类消息是否可以入队即可，

若事件消息的总丢包概率为p_dp，则就以p_dp的概率随机丢弃到来的事件消息；

若重定向消息的总丢包概率为p_dp，则就以p_dp的概率随机丢弃到来的重定向消息；

步骤(5).调度模块根据重新计算出来的三类消息队列的调度概率与总带宽的乘积重新分配链路带宽来传输消息，具体分配过程如下：

控制消息分配的新带宽为：

B_c ^new＝p_c ^new×B

事件消息分配的新带宽为：

B_e ^new＝p_c ^new×B

重定向消息分配的新带宽为：

B_d ^new＝p_d ^new×B

分配结束后，循环执行步骤(2)。