CN104426796A - 一种路由器的拥塞避免方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种路由器的拥塞避免方法及装置，涉及网络传输控制领域，所述方法包括：根据待处理报文的队列号，得到当前正在对该队列进行缓存的基本存储单位；将所述待处理报文的报文长度转换为基本存储单位模式下的报文长度，得到基本存储单位模式下的报文；利用所述基本存储单位模式下的报文长度，对所述基本存储单位模式下的报文进行丢弃判决处理和队列深度调整处理。本发明能够使维护的队列深度与缓存中存储的实际队列深度保持一致，有效改善拥塞避免的性能，提高整个系统缓存的利用率。

Description

一种路由器的拥塞避免方法及装置

技术领域

本发明涉及网络传输控制领域，特别涉及路由器拥塞避免方法和相关装置。

背景技术

随着网络的发展，数据流量的快速增长，使得网络拥塞日益严重。而网络拥塞会造成延迟和吞吐量等QoS性能指标下降，是影响带宽、系统缓存等资源利用率的关键因素。有效的拥塞避免机制对于提高路由器性能具有重要意义。

拥塞避免是根据队列或内存缓冲区的使用情况，在拥塞有加剧的趋势时，主动丢弃报文，通过调整网络的流量来解除网络过载。简而言之，就是根据缓存(即队列深度)来判断报文是否丢弃。因此，队列深度和报文长度是拥塞避免的最根本依据。

现有的队列深度是根据进入系统的报文和调度出去的报文长度进行计算和更新的。

以尾部丢弃TD算法为例，如图1所示，新进入系统的报文pkt_in，报文长度为a，当前队列的队列深度为q_len，丢弃阈值为td_th。若q_len+a大于td_th，则判断该报文丢弃，队列深度保持不变；否则，判断该报文入队，并更新队列深度为q_len+a。当有报文pkt_out要调度出去，报文长度为b，当前队列的队列深度为q_len，则更新队列深度为q_len-b。报文长度的单位为字节，为了方便说明，本发明称之为字节模式。

在实际应用中，由于存储介质和报文调度效率等情况，系统在使用缓存空间存储报文时，并不是基于字节存储和调度的，而是按照分块Block存储的。对于长度不足1个Block的短包和报文尾切片，均需要占用1个Block来存储。Block大小不定，可以是256Byte，512Byte或者1Kbyte等等。例如，一个新进入的报文，报文长度为257byte。经过TD算法判断，该报文可以入队。此时，Block大小为256byte。系统维护的队列深度为q_len+257，而实际存储的缓存中，该报文需要占用2个Block，即512byte。这样，系统缓存实际的队列深度为q_len+512。因此，就会出现队列实际占用的缓存空间大于队列深度所反映的缓存空间占用量。

基于以上的原因，在存储包长不足Block长度的短包和长包尾切片时，就会产生不可用的缓存碎片。除了包长恰好为Block的整数倍之外的其它包长时，都不可能用完全部的系统缓存。而实际的报文长度都是随机的，所以缓存碎片必然会存在。

用户在配置每个队列的丢弃阈值时是针对系统支持的最大缓存空间按队列进行划分。假设系统总缓存为M byte，可支持N个队列，所有队列共享系统缓存。若每个队列的丢弃阈值设置的较大，例如大于或等于M/N byte，则在拥塞判断时没有超过丢弃阈值，但每个队列占用的缓存都很大，实际已经超出了门限值，导致队列之间相互抢占缓存空间，甚至出现缓存溢出问题。若每个队列的丢弃阈值设置的较小，例如远远小于M/N,则在拥塞判断时会远小于丢弃阈值，每个队列实际占用的缓存都很小，从而使系统总缓存得不到充分利用，缓存利用率较低。

可见，现有的基于字节模式的拥塞避免机制在解决拥塞问题上不够合理，不能够根据实际队列深度判断报文丢弃，会导致拥塞丢弃判断无效，队列之间抢占缓存空间和缓存利用率低下等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种路由器的拥塞避免方法及装置，能更好地解决根据实际队列深度判断报文丢弃的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种路由器的拥塞避免方法，包括：

根据待处理报文的队列号，得到当前正在对该队列进行缓存的基本存储单位；

将所述待处理报文的报文长度转换为基本存储单位模式下的报文长度，得到基本存储单位模式下的报文；

利用所述基本存储单位模式下的报文长度，对所述基本存储单位模式下的报文进行丢弃判决处理和队列深度调整处理。

优选地，通过将所述待处理报文的报文长度与所述基本存储单位相除，并向上取整，得到基本存储单位模式下的报文长度。

优选地，根据所述待处理报文的队列号，得到该队列的队列深度和系统的队列深度，并利用所述基本存储单位模式下的报文长度、所述队列的队列深度和系统的队列深度，进行丢弃判决处理，根据处理结果，确定对所述基本存储单位模式下的报文进行丢弃还是存储。

优选地，通过尾部丢弃TD算法和/或加权随机早期检测WRED算法，进行报文丢弃判决处理。

优选地，当确定对所述基本存储单位模式下的报文进行存储时，将所述队列的队列深度和系统的队列深度分别加上所述基本存储单位模式下的报文长度，得到调整后的队列的队列深度和系统的队列深度，否则，保持所述队列的队列深度和系统的队列深度不变。

优选地，当对所述基本存储单位模式下的报文调度出队时，利用所述报文的队列号，得到所述队列的队列深度和系统的队列深度，并将所述队列的队列深度和系统的队列深度分别减去所述基本存储单位模式下的报文长度，得到调整后的队列的队列深度和系统的队列深度。

根据本发明的另一方面，提供了一种路由器的拥塞避免装置，包括：

存储单位获取单元，用于根据待处理报文的队列号，得到当前正在对该队列进行缓存的基本存储单位；

报文长度转换单元，用于将所述待处理报文的报文长度转换为基本存储单位模式下的报文长度，得到基本存储单位模式下的报文；

拥塞避免处理单元，用于利用所述基本存储单位模式下的报文长度，对所述基本存储单位模式下的报文进行丢弃判决处理和队列深度调整处理。

优选地，所述报文长度转换单元通过将所述待处理报文的报文长度与所述基本存储单位相除，并向上取整，得到基本存储单位模式下的报文长度。

优选地，所述拥塞避免处理单元包括：

丢弃判决子单元，用于利用通过所述待处理报文的队列号得到的队列的队列深度和系统的队列深度、所述基本存储单位模式下的报文长度，进行丢弃判决处理，根据处理结果，确定对所述基本存储单位模式下的报文进行丢弃还是存储。

优选地，所述拥塞避免处理单元还包括：

队列深度维护子单元，用于当确定对所述基本存储单位模式下的报文进行存储时，将所述队列的队列深度和系统的队列深度分别加上所述基本存储单位模式下的报文长度，得到调整后的队列的队列深度和系统的队列深度，否则，保持所述队列的队列深度和系统的队列深度不变，并当对所述基本存储单位模式下的报文调度出队时，利用所述报文的队列号，得到所述队列的队列深度和系统的队列深度，并将所述队列的队列深度和系统的队列深度分别减去所述基本存储单位模式下的报文长度，得到调整后的队列的队列深度和系统的队列深度。

与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：

本发明根据缓存队列的基本存储单位，转换拥塞判断的出队和入队报文的报文长度，并利用转换后的报文长度和队列深度做丢弃判断，从而使拥塞避免维护的队列深度与缓存空间存储的实际队列深度保持一致，既可有效的进行拥塞丢弃判断，解决队列之间相互抢占缓存空间问题，又尽量保证系统缓存得到充分利用，提高了缓存利用率。

附图说明

图1是现有技术提供的支持TD算法的队列深度维护示意图；

图2是本发明实施例提供的路由器的拥塞避免方法原理框图；

图3是现有技术提供的原始的报文存储空间映射关系示意图；

图4是本发明实施例提供的改进后的报文存储空间映射关系示意图；

图5是本发明实施例提供的基于WRED和TD机制的拥塞避免方法流程图；

图6是本发明实施例提供的基于WRED和TD机制的拥塞避免装置结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的拥塞避免机制是根据系统实际存储的基本存储单位，动态调整用于拥塞避免的报文长度，可调整的报文长度包括入队的报文长度和出队的报文长度。通过调整报文长度，获得与缓存实际存储相一致的队列深度，更新后的报文长度和队列深度可以用于但不局限于TD算法和WRED算法中的丢弃判断，其它拥塞避免算法都可以支持该机制，以下简称BLOCK机制。

图2是本发明实施例提供的路由器的拥塞避免方法原理框图，如图2所示，步骤包括：

步骤201、根据待处理报文的队列号，得到当前正在对该队列进行缓存的基本存储单位。

步骤202、将所述待处理报文的报文长度转换为基本存储单位模式下的报文长度，得到基本存储单位模式下的报文。

具体地说，通过将所述待处理报文的报文长度与所述基本存储单位相除，并向上取整，得到基本存储单位模式下的报文长度。

步骤203、利用所述基本存储单位模式下的报文长度，对所述基本存储单位模式下的报文进行丢弃判决处理和队列深度调整处理。

具体地说，根据所述待处理报文的队列号，得到该队列的队列深度和系统的队列深度，并利用所述基本存储单位模式下的报文长度、所述队列的队列深度和系统的队列深度，进行丢弃判决处理，根据处理结果，确定对所述基本存储单位模式下的报文进行丢弃还是存储。丢弃判决处理可以利用TD算法、WRED算法等拥塞避免算法进行处理。当确定对所述基本存储单位模式下的报文进行存储时，将所述队列的队列深度和系统的队列深度分别加上所述基本存储单位模式下的报文长度，得到调整后的队列的队列深度和系统的队列深度，否则，保持所述队列的队列深度和系统的队列深度不变。当对所述基本存储单位模式下的报文调度出队时，利用所述报文的队列号，得到所述队列的队列深度和系统的队列深度，并将所述队列的队列深度和系统的队列深度分别减去所述基本存储单位模式下的报文长度，得到调整后的队列的队列深度和系统的队列深度。

图3是现有技术提供的原始的报文存储空间映射关系示意图，如图3所示，维护的队列深度为报文0至报文4的报文长度的累加，由于系统在使用缓存空间存储报文时按照block存储，因此实际占用的缓存为5个基本存储单位，即5个block。由图2所示实施例原理图可知，本发明通过利用转换后的报文长度对队列深度进行维护，从而使得维护的队列深度与实际占用缓存相一致。图4是本发明实施例提供的改进后的报文存储空间映射关系示意图，如图4所示，维护的队列深度与实际占用缓存均为4个block。

图5是本发明实施例提供的基于WRED和TD机制的拥塞避免方法流程图，如图5所示，根据系统缓存的存储情况，判断缓存的分块值(即基本存储单位)。当系统有新的报文到达之后，根据报文的队列号读取队列深度。然后，根据分块值，将报文长度转换为基本存储单位模式下的报文长度。将转换后的报文长度和队列深度送给TD算法或WRED算法等拥塞避免算法，以供按照正常的流程进行判断。若用户选择TD算法，则将转换后的报文长度与报文所属队列的队列深度相加，如果相加结果大于丢弃门限td_th，则丢弃该报文，否则，判断报文入队，并调整该队列的队列深度和系统的队列深度，即在原来的队列深度基础上加上转换后的报文长度。若用户选择WRED算法，判断方法与原方法大致相同。唯一区别的是采用转换后的报文长度，不再赘述。当收到调度出队的报文信息后，读取出队报文所属队列的队列深度和系统的队列深度，同样地，根据队列号获得分块值，将出队报文的报文长度转换为新的报文长度，根据出队报文的报文长度和队列深度，分别更新队列的队列深度和系统的队列深度，即在原来的队列深度基础上减去转换后的报文长度。

具体步骤如下：

本发明所述的自适应拥塞避免的方法包括以下步骤：

第一步、新的报文进入系统，根据所述报文的队列号，读取该队列的队列深度q_len和系统队列深度sys_q_len。

第二步、根据队列号，查询该队列在缓存的基本存储单位，即得到该队列的分块值block_size。

第三步、新的入队包长计算。

将报文长度pkt_len转换成BLOCK机制下的报文长度pkt_len_new（即转换成基本存储单位模式下的报文长度pkt_len_new），转换后的报文长度pkt_len_new是通过将报文长度pkt_ken除以分块值block_size并向上取整得到。也就是说，报文长度满足整数个Block的，所述报文占用的Block的数量是pkt_len_new=pkt_ken/block_size；报文长度不足一个Block的，按照1个block存储，所述报文占用的Block的数量是pkt_len_new=pkt_ken/block_size+1。

第四步、根据转换后的报文长度，对该报文进行丢弃判断。

若判断报文入队（即不丢弃），则更新系统缓存，将队列的队列深度和系统的队列深度分别加上转换后的报文长度，否则，判断报文丢弃，不更新队列的队列深度和系统的队列深度。

第五步、报文调度出队。

根据报文的队列号，读取该队列的队列深度q_len和系统的队列深度sys_q_len。

第六步、根据报文的队列号，查询该队列获得的基本存储单位，即得到该队列的分块值block_size。

第七步、新的出队报文长度计算。

将报文长度pkt_len转换成Block机制下的报文长度pkt_len_new。转换后的报文长度pkt_len_new是通过将报文长度pkt_ken除以分块值block_size并向上取整得到。也就是说，报文长度满足整数个Block的，所述报文占用的Block的数量是pkt_len_new=pkt_ken/block_size；报文长度不足一个Block的，按照1个block出队，所述报文占用的Block的数量是pkt_len_new= pkt_ken /block_size+1。

第八步、根据调整后的报文长度，对该报文进行出队更新。将当前队列的队列深度和系统的队列深度分别减去转换后的报文长度，得到新的队列深度。

本发明还提供了一种路由器的拥塞避免装置，包括：

存储单位获取单元，用于根据待处理报文的队列号，得到当前正在对该队列进行缓存的基本存储单位；

报文长度转换单元，用于将所述待处理报文的报文长度转换为基本存储单位模式下的报文长度，得到基本存储单位模式下的报文，具体地说，所述报文长度转换单元通过将所述待处理报文的报文长度与所述基本存储单位相除，并向上取整，得到基本存储单位模式下的报文长度；

拥塞避免处理单元，用于利用所述基本存储单位模式下的报文长度，对所述基本存储单位模式下的报文进行丢弃判决处理和队列深度调整处理。所述拥塞避免处理单元包括丢弃判决子单元和队列深度维护子单元；其中，所述丢弃判决子单元利用通过所述待处理报文的队列号得到的队列的队列深度和系统的队列深度、所述基本存储单位模式下的报文长度，进行丢弃判决处理，根据处理结果，确定对所述基本存储单位模式下的报文进行丢弃还是存储，当确定对所述基本存储单位模式下的报文进行存储时，所述队列深度维护子单元将所述队列的队列深度和系统的队列深度分别加上所述基本存储单位模式下的报文长度，得到调整后的队列的队列深度和系统的队列深度，否则，保持所述队列的队列深度和系统的队列深度不变，并当对所述基本存储单位模式下的报文调度出队时，利用所述报文的队列号，得到所述队列的队列深度和系统的队列深度，并将所述队列的队列深度和系统的队列深度分别减去所述基本存储单位模式下的报文长度，得到调整后的队列的队列深度和系统的队列深度。.

图6是本发明实施例提供的基于WRED和TD机制的拥塞避免装置结构图，如图6所示，包括BLOCK模式检测模块、入队计算模块和出队计算模块。

其中，所述BLOCK模式检测模块实时监控系统缓存的存储情况，当新包进入系统或者调度出系统时，根据队列号，检测该队列缓存的基本存储单位。该模块根据系统缓存所处区间，判断出分块值blk_size(Block size)，范围为1～N-1。若blk_size=1，则表示基本存储单位为字节，即兼容字节模式；并通过计算新包实际占用的Block，产生分块有效指示blk_vld(Block Valid)。最后，将分块有效指示和分块值传递给入队计算模块和出队计算模块。所述BLOCK模式检测模块实现了存储单位获取单元的功能。

入队计算模块负责维护进入系统的报文长度和队列深度。首先，当新包进入系统后，该模块会读取当前队列的队列深度q_len(Queue Length)和系统的队列深度sys_q_len(System Queue Length)。根据BLOCK模式检测模块送来的blk_size和blk_vld，将报文长度转换为基本存储单位模式下的报文长度，并将转换得到的报文长度和队列深度送给拥塞避免算法模块（包括TD算法，WRED算法等）。根据丢弃判断的最终结果，分别更新队列的队列深度q_len_new和系统的队列深度sys_q_len_new。所述入队计算模块实现了报文长度转换单元和队列深度维护子单元的功能，所述拥塞避免算法模块实现了丢弃判决子单元的功能。

出队计算模块负责维护从系统调度出去的报文长度和队列深度。首先，当收到调度出队的报文信息后，该模块会读取当前队列的队列深度q_len(QueueLength)和系统的队列深度sys_q_len(System Queue Length)。根据BLOCK模式检测模块送来的blk_size和blk_vld，将出队报文长度转换为基本存储单位模式下的报文长度。根据转换后得到的报文长度和队列深度，分别更新队列的队列深度q_len_new和系统的队列深度sys_q_len_new。所述出队计算模块实现了报文长度转换单元和队列深度维护子单元的功能。

所述装置的工作流程如下：

第一步、新的报文进入系统后，根据报文的队列号，读取该队列的队列深度q_len和系统队列深度sys_q_len。

第二步、BLOCK模式检测模块实时监控系统缓存的存储情况。

当新的报文进入系统或者报文调度出系统时，根据报文的队列号，检测该队列缓存的基本存储单位。该模块将产生分块有效指示blk_vld(Block Valid)，并根据该队列的缓存所处区间，判断分块值blk_size(Block size)，将分块有效指示blk_vld和分块值blk_size传递给入队计算模块和出队计算模块。

第三步、入队计算模块维护进入系统的报文长度和队列深度。

首先，当新包进入系统后，该入队计算模块会读取当前队列的队列深度q_len(Queue Length)和系统的队列深度sys_q_len(System Queue Length)。

根据BLOCK模式检测模块传递的blk_size和blk_vld，将报文长度pkt_len_enq转换为基本存储单位模式下的报文长度pkt_len_enq_new，即：

            pkt_len_enq_new=pkt_ken_enq/blk_size；

不足一个Block的，需要按照1个block存储，即：

             pkt_len_enq_new=pkt_ken_enq/blk_size+1。

将转换后的报文长度和队列深度送给拥塞避免算法模块，例如TD算法、WRED算法等。拥塞避免算法模块会根据转换后的报文长度进行丢弃判决。

入队计算模块根据判决结果，更新队列的队列深度，即：

                 q_len_new=q_len+pkt_len_enq_new

入队计算模块根据判决结果，更新系统的队列深度，即：

             sys_q_len_new=sys_q_len+pkt_len_enq_new

第四步、出队计算模块负责维护从系统调度出去的报文长度和队列深度。

首先，当收到调度出队的报文信息后，该模块会读取当前队列的队列深度q_len和系统的队列深度sys_q_len。

根据出队报文的队列号，到BLOCK模式检测模块查询该队列的存储情况。

根据BLOCK模式检测模块传递的blk_size和blk_vld，将出队报文长度pkt_len_deq转换为基本存储单位模式下的报文长度，即：

                pkt_len_deq_new=pkt_len_deq/blk_size

不足一个Block的，需要按照1个block存储，即：

               pkt_len_deq_new=pkt_ken_deq/blk_size+1

根据出队报文长度和队列深度，更新队列的队列深度，即：

                 q_len_new=q_len+pkt_len_deq_new

根据出队报文长度和队列深度，更新系统的队列深度，即：

             sys_q_len_new=sys_q_len+pkt_len_deq_new

本发明是根据缓存的实际存储情况，调整拥塞判断的报文长度和队列深度。将转换后的报文长度做实际的丢弃判断依据，从而使拥塞避免维护的队列深度与缓存中存储的实际队列深度保持一致。转换后的报文长度和队列深度可以用于包括但不限于TD策略，WRED策略，其它拥塞避免算法均可支持。在报文入队判断时，将报文长度转换成Block机制下的报文长度，从而保证能够根据设置的门限进行有效拥塞判断，避免队列间抢占缓存和系统缓存溢出问题；在报文出队时，将报文长度转换成Block机制下的报文长度，可以释放较多的缓存空间，从而保证后续较多的报文入队，充分利用系统缓存。

综上所述，本发明具有以下技术效果：

本发明在处理网络拥塞问题上取得了进步，达到了提高拥塞避免性能和系统缓存利用率的效果。

尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种路由器的拥塞避免方法，其特征在于，包括：

根据待处理报文的队列号，得到当前正在对该队列进行缓存的基本存储单位；

将所述待处理报文的报文长度转换为基本存储单位模式下的报文长度，得到基本存储单位模式下的报文；

利用所述基本存储单位模式下的报文长度，对所述基本存储单位模式下的报文进行丢弃判决处理和队列深度调整处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过将所述待处理报文的报文长度与所述基本存储单位相除，并向上取整，得到基本存储单位模式下的报文长度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述待处理报文的队列号，得到该队列的队列深度和系统的队列深度，并利用所述基本存储单位模式下的报文长度、所述队列的队列深度和系统的队列深度，进行丢弃判决处理，根据处理结果，确定对所述基本存储单位模式下的报文进行丢弃还是存储。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过尾部丢弃TD算法和/或加权随机早期检测WRED算法，进行报文丢弃判决处理。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当确定对所述基本存储单位模式下的报文进行存储时，将所述队列的队列深度和系统的队列深度分别加上所述基本存储单位模式下的报文长度，得到调整后的队列的队列深度和系统的队列深度，否则，保持所述队列的队列深度和系统的队列深度不变。

6.据权利要求3所述的方法，其特征在于，当对所述基本存储单位模式下的报文调度出队时，利用所述报文的队列号，得到所述队列的队列深度和系统的队列深度，并将所述队列的队列深度和系统的队列深度分别减去所述基本存储单位模式下的报文长度，得到调整后的队列的队列深度和系统的队列深度。

7.一种路由器的拥塞避免装置，其特征在于，包括：

存储单位获取单元，用于根据待处理报文的队列号，得到当前正在对该队列进行缓存的基本存储单位；

报文长度转换单元，用于将所述待处理报文的报文长度转换为基本存储单位模式下的报文长度，得到基本存储单位模式下的报文；

拥塞避免处理单元，用于利用所述基本存储单位模式下的报文长度，对所述基本存储单位模式下的报文进行丢弃判决处理和队列深度调整处理。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述报文长度转换单元通过将所述待处理报文的报文长度与所述基本存储单位相除，并向上取整，得到基本存储单位模式下的报文长度。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述拥塞避免处理单元包括：

丢弃判决子单元，用于利用通过所述待处理报文的队列号得到的队列的队列深度和系统的队列深度、所述基本存储单位模式下的报文长度，进行丢弃判决处理，根据处理结果，确定对所述基本存储单位模式下的报文进行丢弃还是存储。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述拥塞避免处理单元还包括：

队列深度维护子单元，用于当确定对所述基本存储单位模式下的报文进行存储时，将所述队列的队列深度和系统的队列深度分别加上所述基本存储单位模式下的报文长度，得到调整后的队列的队列深度和系统的队列深度，否则，保持所述队列的队列深度和系统的队列深度不变，并当对所述基本存储单位模式下的报文调度出队时，利用所述报文的队列号，得到所述队列的队列深度和系统的队列深度，并将所述队列的队列深度和系统的队列深度分别减去所述基本存储单位模式下的报文长度，得到调整后的队列的队列深度和系统的队列深度。