CN103326962A

CN103326962A - 多样化服务交换方法

Info

Publication number: CN103326962A
Application number: CN2013102439023A
Authority: CN
Inventors: 程东年; 王鹏; 胡宇翔; 兰巨龙; 于婧; 王晶; 卜佑军; 张风雨; 黄慧群; 申娟
Original assignee: PLA Information Engineering University
Current assignee: PLA Information Engineering University
Priority date: 2013-06-19
Filing date: 2013-06-19
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2033-06-19
Also published as: CN103326962B

Abstract

本发明涉及一种多样化服务交换方法；该方法含有下列步骤：1：建立一个多样化服务交换结构，该交换结构含有N个业务分发器、N个复用器和四个中间层交换平面；2：业务分发器对到达的业务流按类进行分离，然后分别发送到相应的中间层交换平面对应的虚拟输出队列中；3：中间层交换平面根据自身的交换结构和调度算法对虚拟输出队列中的业务流进行公平调度，并输出到复用器中；4：复用器为每个中间层交换平面维护一个虚拟输入队列；5：复用器对不同类型的业务流进行调度输出；本发明能够能够根据服务质量性能需求的不同为网络业务提供专一和定制化的服务，使得各种类型的网络业务都获得较高性能的服务。

Description

多样化服务交换方法

（一）、技术领域：本发明涉及一种网络业务处理方法，特别是涉及一种多样化服务交换方法。

（二）、背景技术:随着网络多媒体业务的不断发展和三网融合的不断推进，网络用户急剧膨胀，网络业务日趋多样化。互联网由单一的数据传送网络发展成为集数据、语音、图像和实时多媒体信息的全业务承载平台。多样化的业务要求多样化的服务质量保障，这就要求作为节点核心的路由交换设备能够支持多样化服务。

为了能够对不同服务质量需求业务进行区分，IETF（Internet EngineeringTask Force，互联网工程任务组）提出了区分服务（DiffServ，Different Service）模型，区分服务根据时延和丢包率将业务分为三大类：EF（Expedited Forwarding，快速转发）、AF（Assured Forwarding，确定转发）和BE（Best Effort，尽力而为）。EF的优先级最高，它适合于低时延、低丢包、低抖动和确保带宽类应用；AF类根据对时延要求的不同分为四类，每类又根据对丢包要求的不同分为三个小类；BE类是尽力而为型业务，对性能没有任何保证。目前，支持区分服务的交换结构和调度算法主要为输出排队交换结构（Output Queue,OQ）和调度算法以及输入排队交换结构和调度算法。

如图1所示为一种输入端口和输出端口个数均为N的N×N输出排队交换结构。基于输出排队交换结构支持区分服务的算法主要有优先级排队（PriorityQueuing,PQ）算法、加权轮询（Weighted Round-Robin,WRR）算法和优先级排队加权轮询（Priority Queuing Weighted Round-Robin,PQWRR）算法。这些算法通过为不同业务赋予不同的权重和优先级来实现区分服务。然而，输出排队交换结构的N倍加速问题使得这类支持区分服务的调度机制在高速环境下难以实现。

为此，现有技术又提出基于图2所示的输入排队交换结构构建支持区分服务的调度算法，该类算法主要有DDS（Dynamic DiffServ Scheduling，动态区分服务调度算法）和HDS（Hierarchical DiffServ Scheduling，分级区分服务调度算法）。DDS和HDS虽然通过迭代可以逼近最大匹配，但它们仅能在均匀流量到达下获得较好的性能。对于非均匀业务，DDS和HDS会导致交换结构吞吐量降低，当负载较重时其时延性能急剧恶化。因此，基于输入排队交换结构构建的支持区分服务的调度算法在应用中同样存在很大的局限性。

现有技术还试图通过基于其它类型的交换结构构建支持区分服务的调度机制，如图3所示的CICQ（Combined Input and Crosspoint-Queued switcharchitecture，联合输入交叉节点排队）和图4所示的两级负载均衡LB-BvN（LoadBalanced Birkhoff-von Neumann switch architecture，两级负载均衡）交换结构。然而，要么由于交叉点缓存的限制当规模较大时面临可扩展性问题，要么由于两级交换结构的影响当业务量较大时存在时延性能急剧恶化的问题。

以上所提到的支持区分服务的交换结构和调度算法均不能很好地应用于现有的大规模高速网络中。一方面，由于交换结构本身存在的不足使得设计实际可行的支持区分服务的交换调度机制十分困难；另一方面，基于单一类型的交换结构在支持区分服务方面不但需要设计复杂的调度机制，而且往往在服务质量的某些方面表现较好，其他方面较差，无法为具有不同服务质量需求的不同业务类提供完整的服务质量保障。

（三）、发明内容：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的缺陷，提供一种多样化服务交换方法，该方法能够根据服务质量性能需求的不同为网络业务提供专一和定制化的服务，使得各种类型的网络业务都获得较高性能的服务。

本发明的技术方案：

一种多样化服务交换方法，含有下列步骤：

步骤1：建立一个多样化服务交换结构；多样化服务交换结构含有N个业务分发器、N个复用器和四个中间层交换平面，每个业务分发器为一个输入端口，每个复用器为一个输出端口，N个复用器分别与N个业务分发器对应，N条输入链路中的业务分别通过N个业务分发器进入到中间层交换平面的输入端，中间层交换平面的输出端输出的经过处理后的业务通过N个复用器分别进入N条输出链路中，N为大于等于1的自然数；业务分发器主要用来区分不同类型的业务，复用器主要对去往同一条输出链路的不同业务类进行复用，四个中间层交换平面按照业务类型的不同分别为带宽保证（Guaranteed Bandwidth，GB）平面、时延保证（Guaranteed Delay,GD）平面、丢包率保证（Guaranteed Loss,GL）平面和尽力而为（Best Effort,BE）平面；经过业务分发器区分后的不同类型的业务去往不同的中间层交换平面，四个中间层交换平面分别采用不同类型的交换结构和调度算法对业务分发器输出的业务进行处理，各中间层交换平面分别独立地运行，带宽保证平面、时延保证平面、丢包率保证平面和尽力而为平面分别对应带宽保证业务、时延保证业务、丢包率保证业务和尽力而为业务；

步骤2：业务分发器对到达的业务流按类进行分离，然后分别发送到相应的中间层交换平面对应的虚拟输出队列（VOQ，Virtual Output Queue）中；

步骤3：中间层交换平面根据自身的交换结构和调度算法对虚拟输出队列中的业务流进行公平调度，并输出到复用器中；

步骤4：复用器为每个中间层交换平面维护一个虚拟输入队列（VIQ，VirtualInput Queue），来自同一个中间层交换平面的业务流存储在同一个虚拟输入队列中，由于同类业务性能需求相同，为公平起见，复用器按照“先到先出”的原则对同一个虚拟输入队列中的业务流进行服务；来自不同中间层交换平面的业务流仍然要竞争输出端口，因此，各虚拟输入队列根据业务类型和性能需求的不同分别设置不同的优先级，优先保证高优先级虚拟输入队列的业务性能；

步骤5：复用器对不同类型的业务流进行调度输出。

业务分发器根据数据包头部字段区分不同类型的业务，业务分发器中含有业务流分类器，业务流分类器用于对到达的业务流按类型进行分离，业务流分类器根据业务流的输入端口、输出端口和业务类型对业务流进行划分，得到业务流集合，表示为：

F={f_ijt|1≤i≤N,1≤j≤N,t∈{GB,GD,GL,BE}}，

其中，F表示业务流集合，f_ijt表示输入端口为i、输出端口为j、业务类型为t的一类业务流，GB为带宽保证业务，GD为时延保证业务，GL为丢包率保证业务，BE为尽力而为业务，N为多样化服务交换结构的输入输出端口数目。

复用器含有虚拟输入队列（VIQ，Virtual Input Queue）和业务调度器（HS），虚拟输入队列主要用来存储来自不同中间层交换平面的业务流，每个中间层交换平面的业务流存储在同一个虚拟输入队列中，业务调度器主要负责按照各类业务的服务质量需求对业务进行汇聚输出；由于业务到达复用器之前已经经过相应的中间层交换平面进行交换，所以服务质量性能已经基本得到满足，但各类型业务之间仍然要竞争输出端口，所以要设计业务类调度算法，以进一步更好地保障各个业务类的服务质量性能。

步骤5的具体内容为：

步骤5.1：复用器根据业务类的不同分别把业务流放入不同优先级的虚拟输入队列中；

步骤5.2：业务调度器以优先级从高到低的顺序判断各虚拟输入队列已分配的带宽是否大于各自的保证带宽；若各虚拟输入队列已分配的带宽小于各自的保证带宽，则选择优先级高的虚拟输入队列进行调度；若各虚拟输入队列已分配的带宽都大于各自的保证带宽，则比较各虚拟输入队列的长度，优先选择队列长度最长的虚拟输入队列进行调度，这样既保证了优先级高的业务类性能，也防止了优先级低的业务得不到调度，出现“饿死”的现象。

步骤5.3：业务调度器输出所选择的虚拟输入队列的队头分组，然后进行调度。

步骤5.1中，业务调度器将带宽保证业务、时延保证业务、丢包率保证业务和尽力而为业务映射为四类具有严格调度优先级的业务类型，分别存储在四类虚拟输入队列中；

步骤5.2中，业务调度器以优先级从高到低的顺序比较当前时隙业务类已分配带宽与其保证带宽的大小，已分配带宽的计算方法为到当前时隙为止每个时隙平均调度的分组数；如果时隙业务类已分配带宽大于其保证带宽，则进行低一级优先级的业务类调度；如果时隙业务类已分配带宽小于其保证带宽，则进行当前优先级的业务类调度。

四个中间层交换平面分别采用满足各自服务质量需求的交换结构和调度算法对业务分发器输出的业务进行处理，四个中间层交换平面的交换结构和调度算法根据需要分别进行定制；四个中间层交换平面采用相同的交换结构和不同的调度算法，或者采用不同的交换结构和不同的调度算法。

每一个中间层交换平面可以表示为：SP=<Q,S,A>，Q表示SP中每个平面的虚拟输出队列（VOQ，Virtual Output Queue）的大小；S表示SP中每个平面内部的加速比；A表示SP中每个平面所使用的调度算法。带宽保证平面、时延保证平面、丢包率保证平面和尽力而为平面分别表示为SP_GB、SP_GD、SP_GL、SP_BE。

带宽保证平面采用CICQ（Combined Input and Crosspoint-Queued switcharchitecture，联合输入交叉节点排队）交换结构和相应的带宽保证型调度算法，以满足带宽保证类业务的性能需求；时延保证平面采用CICQ交换结构和相应的时延保证型调度算法，以满足时延保证类业务的性能需求；丢包率保证平面采用LB-BvN（Load Balanced Birkhoff-von Neumann switch architecture，两级负载均衡）交换结构和相应的调度算法，以满足丢包率保证类业务的性能需求；尽力而为平面采用IQ（Input Queued switch architecture，输入排队）交换结构和相应的调度算法。

中间层交换平面中的调度算法SPS包括四种：SPS={GBS，GDS，GLS，BES}，GBS表示带宽保证型调度算法；GDS表示时延保证型调度算法；GLS表示丢包率保证型调度算法；BES表示尽力而为型调度算法。各调度算法相互独立、分布式运行、相互之间不需要通信。根据服务质量需要可以为中间层交换平面任意选择不同服务质量性能的调度算法。

目前，基于CICQ交换结构的带宽保证型调度算法中AMFS算法性能较为突出，在不需要加速比的条件下能够保证不同业务之间的Max-Min公平性能，因此，带宽保证平面采用AMFS调度算法；基于CICQ交换结构的时延保证型调度算法中FLAPS性能较为突出，当交叉点缓存容量达到一定的值时，FLAPS算法无需加速就能为业务提供时延上限保障，因此，时延保证平面采用FLAPS调度算法；由于LB-BvN交换结构本身的负载均衡能力，基于LB-BvN交换结构的调度算法都能提供100%的吞吐量，因此，丢包率保证平面采用LB-BvN调度算法；尽力而为平面采用基于IQ交换结构的iSLIP（iterative Serial LineInterface Protocol，迭代串行接口协议）算法即可满足要求。

本发明的有益效果：

1、本发明先建立一个多样化服务交换结构，在该多样化服务交换结构中，业务分发器负责对到达的网络业务流进行按类分发，分别分派到不同的中间层交换平面进行不同服务质量性能的交换，复用器负责对中间层交换平面交换到同一输出端口的业务流进行调度输出，保证各种业务在输出端口的服务质量，中间层交换平面由几种不同的交换结构组成，中间层交换平面根据服务质量需求种类的不同，分别采用不同类型的交换结构和调度算法以保障不同类型的服务质量需求，为网络业务提供专一和定制化的服务，在不增加算法复杂度的基础上，通过交换结构的调整，使得各种类型的网络业务都获得较高性能的服务。

（四）、附图说明：

图1为现有输出排队交换结构的示意图；

图2为现有输入排队交换结构的示意图；

图3为现有CICQ交换结构的示意图；

图4为现有负载均衡LB-BvN交换结构的示意图；

图5为多样化服务交换结构的示意图；

图6为复用器的结构示意图。

（五）、具体实施方式：

参见图5～图6，多样化服务交换方法含有下列步骤：

步骤1：建立一个多样化服务交换结构；多样化服务交换结构含有N个业务分发器A、N个复用器C和四个中间层交换平面B，每个业务分发器A为一个输入端口，每个复用器C为一个输出端口，N个复用器C分别与N个业务分发器A对应，N条输入链路中的业务分别通过N个业务分发器A进入到中间层交换平面B的输入端，中间层交换平面B的输出端输出的经过处理后的业务通过N个复用器C分别进入N条输出链路中，N为大于等于1的自然数；业务分发器A主要用来区分不同类型的业务，复用器C主要对去往同一条输出链路的不同业务类进行复用，四个中间层交换平面B按照业务类型的不同分别为带宽保证（Guaranteed Bandwidth，GB）平面、时延保证（Guaranteed Delay,GD）平面、丢包率保证（Guaranteed Loss,GL）平面和尽力而为（Best Effort,BE）平面；经过业务分发器A区分后的不同类型的业务去往不同的中间层交换平面B，四个中间层交换平面B分别采用不同类型的交换结构和调度算法对业务分发器输出的业务进行处理，各中间层交换平面B分别独立地运行，带宽保证平面、时延保证平面、丢包率保证平面和尽力而为平面分别对应带宽保证业务、时延保证业务、丢包率保证业务和尽力而为业务；

步骤2：业务分发器A对到达的业务流按类进行分离，然后分别发送到相应的中间层交换平面B对应的虚拟输出队列（VOQ，Virtual Output Queue）中；

步骤3：中间层交换平面B根据自身的交换结构和调度算法对虚拟输出队列中的业务流进行公平调度，并输出到复用器C中；

步骤4：复用器C为每个中间层交换平面B维护一个虚拟输入队列（VIQ，Virtual Input Queue），来自同一个中间层交换平面B的业务流存储在同一个虚拟输入队列中，由于同类业务性能需求相同，为公平起见，复用器C按照“先到先出”的原则对同一个虚拟输入队列中的业务流进行服务；来自不同中间层交换平面B的业务流仍然要竞争输出端口，因此，各虚拟输入队列根据业务类型和性能需求的不同分别设置不同的优先级，优先保证高优先级虚拟输入队列的业务性能；

步骤5：复用器C对不同类型的业务流进行调度输出。

业务分发器A根据数据包头部字段区分不同类型的业务，业务分发器A中含有业务流分类器，业务流分类器用于对到达的业务流按类型进行分离，业务流分类器根据业务流的输入端口、输出端口和业务类型对业务流进行划分，得到业务流集合，表示为：

F={f_ijt|1≤i≤N,1≤j≤N,t∈{GB,GD,GL,BE}}，

复用器C含有虚拟输入队列（VIQ，Virtual Input Queue）和业务调度器（HS），虚拟输入队列主要用来存储来自不同中间层交换平面B的业务流，每个中间层交换平面B的业务流存储在同一个虚拟输入队列中，业务调度器主要负责按照各类业务的服务质量需求对业务进行汇聚输出；由于业务到达复用器C之前已经经过相应的中间层交换平面B进行交换，所以服务质量性能已经基本得到满足，但各类型业务之间仍然要竞争输出端口，所以要设计业务类调度算法，以进一步更好地保障各个业务类的服务质量性能。

步骤5的具体内容为：

步骤5.1：复用器C根据业务类的不同分别把业务流放入不同优先级的虚拟输入队列中；

四个中间层交换平面B分别采用满足各自服务质量需求的交换结构和调度算法对业务分发器输出的业务进行处理，四个中间层交换平面B的交换结构和调度算法根据需要分别进行定制；四个中间层交换平面B采用相同的交换结构和不同的调度算法，或者采用不同的交换结构和不同的调度算法。

每一个中间层交换平面B可以表示为：SP=<Q,S,A>，Q表示SP中每个平面的虚拟输出队列（VOQ，Virtual Output Queue）的大小；S表示SP中每个平面内部的加速比；A表示SP中每个平面所使用的调度算法。带宽保证平面、时延保证平面、丢包率保证平面和尽力而为平面分别表示为SP_GB、SP_GD、SP_GL、SP_BE。

带宽保证平面采用CICQ交换结构和相应的带宽保证型调度算法，以满足带宽保证类业务的性能需求；时延保证平面采用CICQ交换结构和相应的时延保证型调度算法，以满足时延保证类业务的性能需求；丢包率保证平面采用LB-BvN交换结构和相应的调度算法，以满足丢包率保证类业务的性能需求；尽力而为平面采用IQ交换结构和相应的调度算法。

中间层交换平面B中的调度算法SPS包括四种：SPS={GBS，GDS，GLS，BES}，GBS表示带宽保证型调度算法；GDS表示时延保证型调度算法；GLS表示丢包率保证型调度算法；BES表示尽力而为型调度算法。各调度算法相互独立、分布式运行、相互之间不需要通信。根据服务质量需要可以为中间层交换平面任意选择不同服务质量性能的调度算法。

目前，基于CICQ交换结构的带宽保证型调度算法中AMFS算法性能较为突出，在不需要加速比的条件下能够保证不同业务之间的Max-Min公平性能，因此，带宽保证平面采用AMFS调度算法；基于CICQ交换结构的时延保证型调度算法中FLAPS性能较为突出，当交叉点缓存容量达到一定的值时，FLAPS算法无需加速就能为业务提供时延上限保障，因此，时延保证平面采用FLAPS调度算法；由于LB-BvN交换结构本身的负载均衡能力，基于LB-BvN交换结构的调度算法都能提供100%的吞吐量，因此，丢包率保证平面采用LB-BvN调度算法；尽力而为平面采用基于IQ交换结构的iSLIP算法即可满足要求。

Claims

1.一种多样化服务交换方法，其特征是：含有下列步骤：

步骤1：建立一个多样化服务交换结构；多样化服务交换结构含有N个业务分发器、N个复用器和四个中间层交换平面，每个业务分发器为一个输入端口，每个复用器为一个输出端口，N个复用器分别与N个业务分发器对应，N条输入链路中的业务分别通过N个业务分发器进入到中间层交换平面的输入端，中间层交换平面的输出端输出的经过处理后的业务通过N个复用器分别进入N条输出链路中，N为大于等于1的自然数；业务分发器主要用来区分不同类型的业务，复用器主要对去往同一条输出链路的不同业务类进行复用，四个中间层交换平面按照业务类型的不同分别为带宽保证平面、时延保证平面、丢包率保证平面和尽力而为平面；经过业务分发器区分后的不同类型的业务去往不同的中间层交换平面，四个中间层交换平面分别采用不同类型的交换结构和调度算法对业务分发器输出的业务进行处理，各中间层交换平面分别独立地运行，带宽保证平面、时延保证平面、丢包率保证平面和尽力而为平面分别对应带宽保证业务、时延保证业务、丢包率保证业务和尽力而为业务；

步骤2：业务分发器对到达的业务流按类进行分离，然后分别发送到相应的中间层交换平面对应的虚拟输出队列中；

步骤4：复用器为每个中间层交换平面维护一个虚拟输入队列，来自同一个中间层交换平面的业务流存储在同一个虚拟输入队列中，复用器按照“先到先出”的原则对同一个虚拟输入队列中的业务流进行服务；各虚拟输入队列根据业务类型和性能需求的不同分别设置不同的优先级；

步骤5：复用器对不同类型的业务流进行调度输出。

2.根据权利要求1所述的多样化服务交换方法，其特征是：所述业务分发器根据数据包头部字段区分不同类型的业务，业务分发器中含有业务流分类器，业务流分类器用于对到达的业务流按类型进行分离，业务流分类器根据业务流的输入端口、输出端口和业务类型对业务流进行划分，得到业务流集合，表示为：

F={f_ijt|1≤i≤N,1≤j≤N,t∈{GB,GD,GL,BE}}，

3.根据权利要求1所述的多样化服务交换方法，其特征是：所述复用器含有虚拟输入队列和业务调度器，虚拟输入队列主要用来存储来自不同中间层交换平面的业务流，每个中间层交换平面的业务流存储在同一个虚拟输入队列中，业务调度器主要负责按照各类业务的服务质量需求对业务进行汇聚输出；

所述步骤5的具体内容为：

步骤5.2：业务调度器以优先级从高到低的顺序判断各虚拟输入队列已分配的带宽是否大于各自的保证带宽；若各虚拟输入队列已分配的带宽小于各自的保证带宽，则选择优先级高的虚拟输入队列进行调度；若各虚拟输入队列已分配的带宽都大于各自的保证带宽，则比较各虚拟输入队列的长度，优先选择队列长度最长的虚拟输入队列进行调度；

4.根据权利要求3所述的多样化服务交换方法，其特征是：所述步骤5.1中，业务调度器将带宽保证业务、时延保证业务、丢包率保证业务和尽力而为业务映射为四类具有严格调度优先级的业务类型，分别存储在四类虚拟输入队列中；

5.根据权利要求1所述的多样化服务交换方法，其特征是：所述四个中间层交换平面分别采用满足各自服务质量需求的交换结构和调度算法对业务分发器输出的业务进行处理，四个中间层交换平面的交换结构和调度算法根据需要分别进行定制；四个中间层交换平面采用相同的交换结构和不同的调度算法，或者采用不同的交换结构和不同的调度算法。

6.根据权利要求1所述的多样化服务交换方法，其特征是：所述带宽保证平面采用CICQ交换结构和相应的带宽保证型调度算法；时延保证平面采用CICQ交换结构和相应的时延保证型调度算法；丢包率保证平面采用LB-BvN交换结构和相应的调度算法；尽力而为平面采用IQ交换结构和相应的调度算法。

7.根据权利要求6所述的多样化服务交换方法，其特征是：带宽保证平面采用AMFS调度算法；时延保证平面采用FLAPS调度算法；丢包率保证平面采用LB-BvN调度算法；尽力而为平面采用基于IQ交换结构的iSLIP算法。