CN105684364A - 用于分组交换网络中的队列管理的方法和系统 - Google Patents

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K·德舍佩尔
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Abstract

一种用于分组交换网络中的队列管理的方法，包括在中间节点处：接收属于与第一队列管理机制相关联的第一类型的第一分组以及属于与第二队列管理机制相关联的第二类型的第二分组；依据该第一队列管理机制标记或丢弃该第一分组并且依据该第二队列管理机制标记或丢弃该第二分组；并且将该第二分组的标记或丢弃与该第一分组的标记或丢弃进行耦合。

Description

用于分组交换网络中的队列管理的方法和系统
技术领域
本发明的领域涉及用于分组交换网络中的队列管理的方法和系统，尤其涉及一种其中可以在中间节点对分组进行丢弃或标记的方法和系统。
背景技术
已经研发出了不同的拥塞控制机制。截至目前，所有的拥塞控制机制都假设相同的拥塞反馈(congestiontofeedback)功能，即尾部丢弃队列上的分组丢弃或延迟，以及针对分组丢弃的公平响应，是如近似传输控制协议(TCP)Reno算法的功能进行响应。为了避免延时，需要可替换的机制，然而，这些可替换机制并未匹配TCPReno中的平均排队延迟或分组丢失概率。数据中心TCP(DCTCP)是这样的可替换机制的一个示例，但是其它拥塞控制机制也是可能的。
如今，部署并不“TCP友好”的主动队列管理(AQM)和拥塞控制器并不可能或者无法被接受。新的动机被局限于与互联网分离的围墙部署形式(walleddeployment)，例如数据中心。作出了一些改进，但是预期一些类型的“TCP友好的”行为，而更多新的拥塞控制机制却与此有所偏差，并且协议的部署遇到了更多阻力。另外，已经采取了专用的网内措施以迫使流满足公平性考量，例如公平排队。
如今，不同的业务类型在具有为它们所分配的不同容量的不同“管道”中进行分离，而这与它们之中活动流的数量无关。一个管道可能由于许多流而过载，其中每个流均仅得到少量的带宽，而其它管道则可能由于仅仅几个流而过载，其中每个流具有均得到大量的带宽。
发明内容
本发明的实施例的目标是提供一种在确保公平性的同时允许不同类型的业务在相同网络上进行操作的方法和系统。不同类型可以在端点中使用不同拥塞机制，或者可以使用具有不同参数的相同拥塞机制。本发明特定实施例的目标在于在与TCPReno或TCPNewReno相同的网络上允许DCTCP流，同时确保所有业务流得到公平的份额。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于分组交换网络中的队列管理的方法，该分组交换网络包括发送节点、接收节点以及一个或多个中间网络节点，其中该一个或多个中间网络节点通过多条链路互相耦合由此形成用于在发送节点和接收节点之间输送分组流的路径，该方法包括在中间节点处：
-接收属于与第一队列管理机制相关联的第一业务类型的第一分组以及属于与第二队列管理机制相关联的第二业务类型的第二分组；
-依据该第一队列管理机制标记或丢弃该第一分组并且依据该第二队列管理机制标记或丢弃该第二分组；并且
-将该第二分组的标记或丢弃与该第一分组的标记或丢弃进行耦合。
本发明的实施例尤其基于可能对在中间节点所接收的不同类型的业务的标记或丢弃进行耦合的观点。该耦合例如可能使用端点中的拥塞控制器的相应响应功能。通过引入这样的耦合，能够对可用网络资源在使用第一队列管理机制的第一分组与使用第二队列管理机制的第二分组的流之间的公平共享可被改善，和/或预定的共享可以被预想。
该方法提供了一种为具有混合类型的业务的分组交换网络中的所有类型的业务的所有流提供可用带宽的公平份额或预定份额的方法，同时仍然尊重所建立业务类型的所接受需求。
根据一个可能的实施例，该第一分组的标记或丢弃依据第一标记或丢弃概率执行，并且该第二分组的标记或丢弃依据第二标记或丢弃概率执行；并且该耦合包括基于表示该第一标记或丢弃概率的测量而计算该第二标记或丢弃概率。该第一标记或丢弃概率可以在诸如尾部丢弃队列系统的被动的第一队列管理机制的情况下进行测量，或者在主动第一队列管理机制的情况下可以是例如基于队列大小所计算的数值。更一般地，所接收到的第一和第二分组可以被存储在至少一个队列缓冲器中，并且该第一标记或丢弃概率可以基于与该至少一个队列缓冲器中的第一和第二分组的数量相关的测量来确定，上述测量诸如本领域技术人员所知并且在现有技术的主动队列管理(AQM)系统中使用的瞬时队列长度、平均队列长度、分组留存时间、进入业务速率、外出业务速率、瞬时分组队列溢出、平均队列溢出速率等。换句话说，队列缓冲器临时保存已经被接收的分组，并且随后可能使用第一标记或丢弃概率以及所耦合的第二标记或丢弃概率根据具体队列管理机制丢弃或标记临时保存在该队列缓冲器中的分组。如果提供了多于一个的队列缓冲器，例如，针对每种类型的队列管理机制有一个队列缓冲器，则可以使用与第一队列中的第一分组的数量相关的测量来计算该第一标记或丢弃概率，或者可以使用与第一和第二队列中的第一和第二分组的数量相关的测量来计算该第一标记或丢弃概率。
根据另一个实施例，该接收包括对第一队列中的第一分组和第二队列中的第二分组进行分类；并且该耦合包括依据第一和第二权重对来自第一队列和第二队列的被标记或未丢弃的第一和第二分组的传输进行调度。优选地，针对第一分组测量第一所使用带宽并且针对第二分组测量第二所使用带宽；其中该第一和第二所使用带宽分别被用来计算该第一和第二权重。更优选地，该第一分组的标记或丢弃依据第一标记或丢弃概率执行，并且该第二分组的标记或丢弃依据第二标记或丢弃概率执行；其中该第一和第二标记或丢弃概率分别被用来确定该第一和第二权重。通过根据该第一和第二带宽和/或丢弃概率的计算该第一和第二权重，该第一和第二队列的填充水平可以根据所接收到的分组流而受到影响，其进而影响到该第一和第二队列管理机制所使用的第一和第二丢弃概率，这允许确保流的公平共享。
根据又另一个实施例，该接收包括对第一队列中的第一分组和第二队列中的第二分组进行分类；并且该耦合包括对与第一队列的被标记或未丢弃的第一分组相比具有优先权的来自第二队列的被标记或未丢弃的第二分组的传输进行调度。注意到，在该实施例中，同样地，该第一分组的标记或丢弃可以依据第一标记或丢弃概率执行，并且该第二分组的标记或丢弃可以依据基于表示第一标记或丢弃概率的测量所确定的第二标记或丢弃概率执行。更具体地，该第二标记或丢弃概率可以被确定为基于与第一队列中的第一分组数量相关的测量所计算的第一数值与基于与第二队列中的第二分组的数量相关的测量所计算的第二数值之间的最大值。通过使用优先权调度，能够确保低延时类型被有效地作为低延时处理，同时该耦合确保了公平性。
在优选实施例中，该耦合为使得第一分组的流和第二分组的流被给予可用带宽的预定份额，特别是公平份额。
根据优选实施例，该业务类型与以下拥塞协议中的任意一种相关联：传输控制协议(TCP)Reno、传输控制协议(TCP)NewReno、CUBIC传输控制协议(TCP)、高速TCP、组合TCP、可缩放TCP、使用TCP友好速率控制(TFRC)的用户数据报协议(UDP)、多重TCP(MULTCP)、多重TFRC(MULTFRC)、数据包拥塞控制协议(DCCP)、数据中心TCP(DCTCP)、D2TCP、D3TCP。然而，本领域技术人员将会意识到，其它协议也是可能的。本发明的实施例例如允许在同一网络上将TCP(New)Reno与DCTCP进行组合，其中所有业务都根据公平共享进行。在现有技术的方法中，并不可能使得两种类型的业务共享相同的网络，因为DCTCP将会将所有TCPReno业务推开。发送方中诸如尾部丢弃队列上的TCPReno的向后兼容的拥塞控制机制通常被接受。使用本发明的方法实施例，其在网络中出现新的主动队列管理系统时也能够以TCP友好的方式进行工作。
根据另一个方面，提供了一种用于分组交换网络中的队列管理的系统。该系统包括接收模块，其用于接收属于与第一队列管理机制相关联的第一类型的第一分组以及属于与第二队列管理机制相关联的第二类型的第二分组。该系统被配置为依据该第一队列管理机制标记或丢弃该第一分组并且依据该第二队列管理机制标记或丢弃该第二分组；并且将该第二分组的标记或丢弃与该第一分组的标记或丢弃进行耦合。
在优选实施例中，该系统适于将该第二分组的标记或丢弃与该第一分组的标记或丢弃进行耦合而使得第一分组的流和第二分组的流被给予可用带宽的预定份额，特别是公平份额。
在可能的实施例中，该系统适于依据第一标记或丢弃概率进行该第一分组的标记或丢弃。该系统进一步包括控制器，其被配置为依据第二标记或丢弃概率进行该第二分组的标记或丢弃；和计算模块，其被配置为基于表示该第一标记或丢弃概率的测量而计算该第二标记或丢弃概率。这样的计算模块将确保第二概率耦合至第一概率，从而能够给出公平性。另外，可以包括测量设备，其被配置为测量可以被用来确定该第一标记或丢弃概率的队列参数。在一个实施例中，该系统包括至少一个用于存储所接收到的第一和第二分组的队列缓冲器。该计算模块进一步被配置为基于与该至少一个队列缓冲器中的第一和第二分组的数量相关的测量来确定该第一标记或丢弃概率。
在可能的实施例中，该接收模块包括分类器，其用于对第一队列中的第一分组和第二队列中的第二分组进行分类。该系统进一步包括调度器，其被配置为依据第一和第二权重对来自第一队列和第二队列的被标记或未丢弃的第一和第二分组的传输进行调度。可选地，该系统包括带宽测量设备，其被配置为针对第一分组测量第一所使用带宽并且针对第二分组测量第二所使用带宽；和权重计算器，其被配置为使用该第一和第二所使用带宽来计算该第一和第二权重。可选地，该系统被配置为依据第一标记或丢弃概率进行该第一分组的标记或丢弃，并且依据第二标记或丢弃概率进行该第二分组的标记或丢弃。优选地，该权重计算器被配置分别基于该第一和第二标记或丢弃概率以及基于该第一和第二所测量带宽来计算该第一和第二权重。
在另一个可能实施例中，该接收模块包括分类器，其被配置为对第一队列中的第一分组和第二队列中的第二分组进行分类。该系统包括优先权调度器，其被配置为对与第一队列的被标记或未丢弃的第一分组相比具有优先权的来自第二队列的被标记或未丢弃的第二分组的传输进行调度。注意到，在该实施例中，同样地，该第一分组的标记或丢弃可以依据第一标记或丢弃概率执行，并且该第二分组的标记或丢弃可以依据基于表示第一标记或丢弃概率的测量所确定的第二标记或丢弃概率执行。更具体地，该系统可以包括计算模块，其被配置为将该第二标记或丢弃概率确定为基于与第一队列中的第一分组数量相关的测量所计算的第一数值与基于与第二队列中的第二分组的数量相关的测量所计算的第二数值之间的最大值。通过使用优先权调度，能够确保低延时类型被有效地作为低延时处理，同时该计算模块确保了公平性。
根据优选实施例，该第一和第二类型与以下拥塞协议中的任意一种相关联：传输控制协议(TCP)Reno、传输控制协议(TCP)NewReno、CUBIC传输控制协议(TCP)、高速TCP、组合TCP、可缩放TCP、使用TCP友好速率控制(TFRC)的用户数据报协议(UDP)、多重TCP(MULTCP)、多重TFRC(MULTFRC)、数据包拥塞控制协议(DCCP)、数据中心TCP(DCTCP)、D2TCP、D3TCP。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种计算设备或其它硬件设备，其被编程为执行以上所给出的方法实施例中的计算和控制。
附图说明
附图被用来图示本发明的设备的当前优选的非限制性示例实施例。本发明的特征和目标的以上和其它优势将在结合附图阅读时通过以下详细描述而变得更加显而易见并且本发明将因此更好地被理解，其中：
图1示意性图示了本发明的第一总体实施例，其使用了用于两个业务类型的单个队列缓冲器。
图2示意性图示了系统和方法的第二总体实施例，其使用了用于两个业务类型的两个队列缓冲器并且针对加权调度使用带宽测量。
图3示意性图示了系统和方法的第三总体实施例，其使用了用于两个业务类型的两个队列缓冲器以及优先权调度。
图4示意性图示了作为第一总体实施例的具体实施例的第四实施例，其具有利用标准随机提早丢弃(RED)AQM进行主动管理的TCPReno兼容业务的第一类型以及使用经修改的RED方案进行耦合以匹配DCTCP拥塞控制算法的DCTCP兼容业务的第二类型。
图5示意性图示了作为第二总体实施例的具体实施例的第五实施例，其具有利用标准随机提早丢弃(RED)AQM进行主动管理的TCPReno兼容业务的第一类型以及利用标准DCTCP配置的随机提早丢弃(RED)AQM进行主动管理的DCTCP兼容业务的第二类型。
图6示意性图示了作为第三总体实施例的具体实施例的第六实施例，其具有利用标准尾部丢弃队列进行管理的TCPReno兼容业务的第一类型以及利用新颖AQM进行管理的以新的方式进行拥塞控制的业务的第二类型。
具体实施方式
图1示出了用于分组交换网络中的队列管理的系统和方法的实施例。该系统包括接收模块120、队列缓冲器105、计算模块103、两个丢弃/标记控制器106a-b，以及测量设备107。该系统在中间节点处提供，后者从发送节点接收分组P并且将分组P’传送至接收节点。为了简单，该图中并未示出发送和接收节点。
接收模块120被配置为用于接收属于两个或更多类型的业务的分组P1、P2，上述分组在它们相应的发送方中使用不同的拥塞控制机制/算法，而这要求中间节点中不同的队列管理机制。在该中间节点处，属于两个业务类型的分组P1、P2从发送节点被接收。作为示例，这两个业务类型在这里通过它们的颜色编码而进行区分。在所图示的实施例中，接收模块102包括分类器104，其对所接收到的不同业务类型的分组P1、P2进行区分，并且例如依据类型向分组添加指示。注意到，分类功能并非必需，并且丢弃/标记控制器106a-b还能够被配置为识别队列缓冲器105中的分组的类型。
队列缓冲器105在到来的分组P被送至接收节点之前对它们进行临时存储。丢弃/标记控制器106a-b对队列缓冲器105进行操作从而依据相对应的标记或丢弃概率丢弃或标记分组。
计算模块103被配置为基于队列测量设备107所提供的一个或多个所测量参数而针对第一类型和第二类型计算标记或丢弃概率。
队列测量设备107能够从经过该队列的业务中提取一个或多个参数。这些参数可以是本领域技术人员已知的并且在现有技术的主动队列管理(AQM)系统中使用的瞬时队列长度、平均队列长度、分组留存时间、进入业务速率、外出业务速率、瞬时分组队列溢出、平均队列溢出速率等。
队列缓冲器105、队列测量设备107、计算模块103以及一个或多个丢弃/标记控制器106a-b共同形成主动队列管理(AQM)系统。计算模块103所提供的分组丢弃概率针对相应类型的业务所使用的具体拥塞控制机制而进行调适，使得个体流的稳定状态速率公平地接近至与预定的百分比相同或相等。可替换地，第一业务类型的第一标记或丢弃概率可以如现有技术那样计算，并且其它标记或丢弃概率则能够从第一标记或丢弃概率得出以使每个流接近公平的稳定状态速率。
第一实施例的优势在于其简单并且能够将单个队列105用于以不同方式进行拥塞控制的多种类型的业务。其缺点在于所有业务类型的所有流的队列留存时间相同，并且因此某些拥塞控制/AQM组合的具体优势无法显现。
图2示出了用于在分组交换网络中的控制拥塞的系统和方法的实施例。该系统包括接收模块202、两个队列缓冲器205a-b、两个AQM计算模块203a-b、两个丢弃/标记控制器206a-b、两个队列测量设备207a-b、两个带宽测量设备208a-b、两个权重计算器209a-b，以及加权调度器210。该系统在中间节点处提供，后者从发送节点接收分组P并且将分组P’传送至接收节点。
接收模块202被配置为用于接收属于要求不同拥塞控制机制的两个或更多类型的业务的分组P1、P2。作为示例，这两个业务类型在这里通过它们的颜色编码而进行区分。在所图示的实施例中，接收模块202包括分类器204，其对所接收到的不同业务类型的分组P1、P2进行区分，并且依据类型将它们归类于第一队列205a或第二队列205b中。
缓冲器队列205a-b在到来的分组P1、P2被送至接收节点之前对它们进行临时存储。丢弃/标记控制器206a-b对缓冲器队列205a-b进行操作从而依据相对应的标记或丢弃概率丢弃或标记分组。作为示例，该示例中所示的两种业务类型中的每一种都由不同的缓冲器队列205a-b进行处理，但是能够预见到其它的顺序，例如通过将若干业务类型在一个缓冲器队列中进行耦合(如图1中所示的示例)，或者通过将一个类型的业务的分组在两个或更多缓冲器队列中进行散布，或者它们的任意组合。
计算模块203a-b被配置为基于它们相应的队列测量设备207a-b所提供的一个或多个所测量参数而针对它们相应的类型计算标记或丢弃概率。
队列测量设备207a-b能够从经过它们的相应队列205a-b的业务中提取参数。这些参数可以是本领域技术人与已知的并且在现有技术的主动队列管理(AQM)系统中使用的瞬时队列长度、平均队列长度、分组留存时间、进入业务速率、外出业务速率、瞬时分组队列溢出、平均队列溢出速率等。
队列205a、队列测量设备207a、计算模块203a以及丢弃/标记控制器206a共同形成第一主动队列管理(AQM)系统，其可以与现有技术中已知的AQM系统相同，而相应的b组件则形成第二AQM系统。
还注意到，尾部丢弃队列意在与该表示形式相匹配。在该情况下，并不需要丢弃/标记控制器206a-b，因为丢弃将在队列变满时自然地进行，队列测量设备207a-b被配置为测量平均队列溢出(丢弃)速率，并且参见下文，计算模块203a-b将在例如被权重计算器209a-b所进一步需要的情况下将来自队列测量设备的平均队列溢出或丢弃速率作为丢弃概率进行输送。
在第二实施例中，独立计算模块203a-b所提供的分组丢弃概率连同带宽测量设备207a-b的输出一起被权重计算器209a-b用来生成权重，其针对相应类型的业务所使用的具体拥塞控制机制进行调适，使得个体流的稳定状态速率公平地接近相同。该权重被加权调度器210在对来自相应队列的外出业务进行调度时加以考虑。
所使用带宽由BW测量设备208a-b针对所接收到的每种业务类型的分组进行测量。这里针对每个类型示出了一个权重计算器209a-b，但是它们的功能能够被组合。
第二实施例的优势在于，每个业务类型能够使用其自己的队列配置以及AQM方案及配置，而两种或更多业务类型的带宽被公平划分从而保证了每个流独立于其业务类型而被近似地提供以其链路容量的公平份额。
图3示出了用于在分组交换网络中控制拥塞的系统和方法的第三实施例。该系统包括接收模块302、两个队列缓冲器305a-b、两个计算模块303a-b、两个丢弃/标记控制器306a-b、两个队列测量设备307a-b、优先权调度器310以及最大值模块311。该系统在中间节点处提供，后者从发送节点接收分组P并且将分组P’传送至接收节点。
接收模块302被配置为用于接收属于要求不同拥塞控制机制的两个或更多类型的业务的分组P1、P2。作为示例，这两个业务类型在这里通过它们的颜色编码而进行区分。在所图示的实施例中，接收模块302包括分类器304，其对所接收到的不同业务类型的分组P1、P2进行区分，并且将它们归类于相应队列305a-b中。
缓冲器队列305a-b在到来的分组P1、P2被送至接收节点之前对它们进行临时存储。丢弃/标记控制器306a-b对相应缓冲器队列306a-b进行操作从而依据相对应的标记或丢弃概率丢弃或标记分组。作为示例，该示例中所示的两种业务类型中的每一种都由不同的缓冲器队列305a-b进行处理，但是能够预见到其它的顺序，例如通过将若干业务类型在一个缓冲器队列中进行耦合(如图1中所示的示例)，或者通过将一个类型的业务的分组在两个或更多缓冲器队列中进行散布，或者它们的任意组合。
计算模块303a-b被配置为基于它们相应的队列测量设备307a-b所提供的一个或多个所测量参数而针对它们相应的类型计算标记或丢弃概率。
队列测量设备307a-b能够从经过它们的相应队列305a-b的业务中提取参数。这些参数可以是本领域技术人员公知的并且在现有技术的主动队列管理(AQM)系统中使用的瞬时队列长度、平均队列长度、分组留存时间、进入业务速率、外出业务速率、瞬时分组队列溢出、平均队列溢出速率等。
队列305a、队列测量设备307a、计算模块303a以及丢弃/标记控制器306a共同形成第一主动队列管理(AQM)系统，其可以与现有技术中已知的AQM系统相同，而相应的b组件则形成第二AQM系统。还注意到，尾部丢弃队列意在与该表示形式相匹配。第一AQM系统和第二AQM系统之间的耦合通过具有最大值模块311而达到，其计算以下的最大值：
-第一队列测量设备307a所测量的参数或从其所得出的数值；和
-第二队列测量设备307a所测量的参数或从其所得出的数值。
该最大值被用来确定第二丢弃/标记控制器206b所使用的第二丢弃/标记概率。
在第三实施例中，第一计算模块303a还被配置为计算被用来计算第二丢弃/标记概率的数值，上述第二丢弃/标记概率针对第二业务类型所使用的具体拥塞控制机制进行调适，使得第二业务类型的个体流的稳定状态速率接近于第一业务类型的稳定状态速率。该数值基于第一队列测量设备307a的输出。
优先权调度器310将首先对来自第二队列305b的分组进行调度，并且如果该队列中没有分组则对来自第一队列305a的分组进行调度。作为结果，第二队列305b将保持几乎为空，并且第二计算模块303b通常将提供非常低的丢弃/标记概率。另一方面，第一队列305a将以最大程度负载而处于拥塞，并且将因此生成较高的分组丢弃/标记，后者针对相应业务类型的拥塞控制机制进行调适。这使得第一计算模块303a所提供的第二丢弃/标记概率被最大值模块311所选择。第一计算模块303a所提供的第二丢弃/标记概率被丢弃/标记控制器306b应用于第二类型的业务。这使得每个流的速率在来自两个业务类型的流之间保持平衡。仅在没有第一业务类型的流时，或者在生成了异常高的第二业务类型的负载时，计算模块303b所生成的较高的分组丢弃/标记概率才将被触发，从而第二丢弃/标记控制器306b将被第二计算模块303b的数值所驱动。
第三实施例的优势在于，针对具有最高调度优先权的一个或多个业务类型，排队延时得以被最小化，同时保持了不同业务类型的所有流之间大致的带宽公平共享，并且利用最低优先权进行调度的业务类型的队列大小会很大从而保证完全的链路利用。
在图4的描述中提供了图1中所描述的总体方法的具体实施例的示例。作为对图1的实施例加以说明的示例，对包括TCPReno和DCTCP的混合业务的具体情形进行讨论。已知TCPReno流具有稳定状态吞吐量(b_Reno)，其随标记或丢弃概率，即丢弃或标记概率(p_Reno)和往返时间(rtt)的变化而变化。丢弃或标记概率(p_Reno)是时间间隔中被丢弃或标记的分组(或字节)除以分组(或字节)的总数所得到的数字。稳定状态吞吐量(b_Reno)大致定义如下：
b_Reno＝1.225/(rtt*p_Reno^0.5)(1)
这是例如已知的近似方式，例如在Mathis,M.、Semke,J.、Mahdavi,J.和Ott,T.的(1997),“ThemacroscopicbehavioroftheTCPcongestionavoidancealgorithm”,ACMSIGCOMMComputerCommunicationReview,27(3),67-82中有所解释。
对于DCTCP而言，稳定状态吞吐量(b_dctcp)也可以根据标记或丢弃概率(p_dctcp)和往返时间(rrt)由近似公式进行表达。在具有非常小的往返时间(rrt)的数据中心环境以及针对DCTCP所配置的REDAQM中(其中瞬时队列大小以及最小和最大阈值被配置为相同数值(这在队列大小超过阈值的情况下导致100％的标记))，该关系能够被近似为：
b_dctcp＝2/(rtt*p_dctcp^2)(2)
这从以下等式所得出：
p_dctcp＝(2/W_max)^0.5(3)
其中p_dctcp是总分组中被标记分组的数目，因此分组标记概率，以及W_max最大拥塞窗口如以下论文中所描述：Alizadeh,M.、Greenberg,A.、Maltz,D.A.、Padhye,J.、Patel,P.、Prabhakar,B.、...&Sridharan,M.(2010),“Datacentertcp(dctcp)”,ACMSIGCOMMComputerCommunicationReview,40(4),63-74。
我们能够将(3)重新排列为：
W_max＝2/p_dctcp^2(4)
在基于窗口的拥塞控制机制中，该稳定状态带宽被定义为：
b＝W/rtt(5)
其中b是一个流的稳定状态带宽，W是平均窗口大小并且rtt是平均往返时间。在缓冲器小的情况下，最大窗口将接近于该平均窗口，并且将(4)用在(5)中将得到(2)。
在WAN网络环境中，往返时间更大，并且对于随机提早标记而言，能够针对DCTCP假设每个rtt都有一些分组将被标记。该窗口将在每个rtt被加1，或者每个所确认的分组将会导致1/W的增量，其中W是平均窗口大小。DCTCP将会在每个rtt将窗口减小p_dctcp_r/2，其中p_dctcp_r是随机标记的分组标记概率。因此，对于稳定状态而言，这两个数值应当互相补偿，从而导致：
p_dctcp_r/2＝1/W(6)
同样，在重新排列(6)并且将其用在(5)之中后将会导致：
b_dctcp_r＝2/(rtt*p_dctcp_r)(7)
从而根据上下文，能够使用(2)或(7)或者其组合。
为了使得两个TCPReno分组流和DCTCP分组流取得相同的份额，目标是使得(注意，也可能在其优选的情况下例如设置60％/40％份额而不是相同份额)：
b_dctcp(_r)＝b_Reno(8)
本发明的第一实施例旨在将来自两个类型的流的标记或丢弃概率进行耦合。将等式(1)、(7)和(8)进行组合给出了以下解决方案：
p_Reno＝(1.225/2*p_dctcp_r)^2(9)
或者
p_dctcp_r＝2/1.225*p_Reno^0.5(10)
将等式(1)、(2)和(8)进行组合给出了以下解决方案：
p_Reno＝(1.225/2)^2*p_dctcp^4(11)
或者
p_dctcp＝(2/1.225)^0.5*p_Reno^0,25(12)
这样，如果从队列105导出作为由测量设备107所测量的p_Reno，那么可以使用等式(10)或(12)由计算模块103计算p_dctcp(_r)
该实施例意在于WAN网络上进行工作从而在对现有设备的影响最小的情况下支持DCTCP流与TCPReno兼容流之间的公平共享。支持提早拥塞通知(ECN)的分组被假设属于DCTCP业务类型，而其它则属于TCPReno业务类型。在这种情况下，DCTCP将得到ECN标记的分组作为拥塞反馈，而TCPReno兼容流则丢弃分组作为拥塞反馈。作为具有非DCTCP具体配置的RED的常见队列，使用配置了递增的标记概率的平均队列大小，等式(10)用来确定DCTCP分组的分组丢失概率。TCPReno分组根据标注RED配置而被丢弃，并且DCTCP分组则利用如从根据等式(10)的TCPReno丢弃概率所得出的概率被标记。
图4示出了使用RED(随机提早丢弃)标记/丢弃控制器针对不同的兼容TCPReno的第一业务类型412和兼容DCTCP的第二业务类型413根据平均队列大小绘出标记或丢弃概率的图形，其中平均缓冲器队列大小420针对例如通过以上的等式(10)进行耦合的两种类型导致了不同的丢弃概率。
为了保持流之间的公平性，根据等式(10)，DCTCP流的标记或丢弃概率需要高于TCPReno。Reno业务的RED配置可以是使用标准RED，其以作为随平均队列大小420的变化而变化的概率412丢弃分组。优选地，Reno业务的最大阈值(max_prob421)的标记或丢弃概率数值被选择为使得其针对DCTCP导致1.0的标记或丢弃概率413。DCTCP业务依据例如使用等式(10)所计算的概率进行标记，并且使用不同于标准RED的另一种参数设置，或者从标准配置所得出的参数设置。
图5中提供了图2中所描述的总体方法的具体实施例的示例。该系统包括接收模块502、两个缓冲器队列505a-b、TCPAQM丢弃和测量模块503a、DCTCPECN标记和测量模块503b、两个带宽测量设备508a-b、两个权重计算器509a-b，以及加权循环调度器510。该系统类似于图2，区别在于其为了将TCPReno与DCTCP组合而进行了具体调适。同样，业务的分类被假设基于IP报头中的ECN位。如果ECN被支持，则分组被标记为根据DCTCP协议而进行拥塞控制，并且DCTCPECN标记和测量模块503b因此映射至图2中的模块203b、206b和207b，并且被配置为支持DCTCP所偏好的AQM配置。TCPReno兼容的业务类型将利用TCPReno兼容的AQM503a进行管理，后者丢弃分组而作为对发送方的拥塞通知。这可以是本领域技术人员所知的任意AQM，作为示例，诸如尾部丢弃、RED、Codel或Pie。由TCPAQM丢弃和测量模块503a和DCTCPECN标记和测量模块503b所应用和测量的标记/丢弃概率通过循环调度器510所进行的适当权重计算而被耦合。在该示例中，DCTCP缓冲器队列505b能够保持远小于TCPReno缓冲器队列505a。DCTCP缓冲器队列505a可以利用所偏好的DCTCP配置进行控制：中等(而不是平均)缓冲器队列大小并且最小阈值(min-threshold)等于最大阈值(max-threshold)，其中中等的100％标记可以在缓冲器队列大小大于阈值时被应用于所有分组。TCPReno可以具有所偏好的AQM丢弃或尾部丢弃配置。针对两种业务类型的汇聚测量标记或丢弃概率和带宽，并且可以如以下所详细描述的计算调度权重。该调度器被示为加权循环调度器510，但是可以是其它加权调度器，其如以下所计算的接近调度权重。带宽和丢弃概率通常以相似的时间间隔进行测量。
作为权重计算509a-b的操作的示例，我们再次假设能够对网络中的每个分组进行分类的DCTCP和TCPReno业务类型。优选地，调度器510所使用的权重(W_Reno和W_dctcp)与特定业务类型的流的数量成比例。流的数量(N_Reno和N_dctcp)能够通过将所测量的该汇聚所使用的带宽(B_Reno和B_dctcp)除以从标记或丢弃概率所得出的一个流的速率(b_Reno和b_dctcp)而得到：
N_Reno＝B_Reno/b_Reno(13)
和
N_dctcp＝B_dctcp/b_dctcp(14)
由于DCTCP业务的AQM利用所偏好的DCTCPAQM配置进行配置，所以等式(2)能够被用来确定b_dctcp。对于兼容TCPReno的业务而言，能够应用等式(1)。将(13)和(14)与(1)和(2)组合给出：
W_Reno＝B_Reno*p_Reno^0.5/1.225(15)
和
W_dctcp＝B_dctcp*p_dctcp^2/2(16)
在图5中，B_dctcp和p_dctcp已经被指示为B_d和p_d，并且B_Reno和p_Reno已经被指示为B_r和p_r。注意到，(15)和(16)都忽视往返时间(rtt)，因为这通常是未知的，并且将会导致逐个体流的不同数值的混合值(mix)。这在现有技术中被当作距公平性的偏差(关于如今的TCP的尾部丢弃队列以及数据中心中的DCTCP)。较新的拥塞控制算法尝试使得往返时间的影响最小化。例如，CUBICTCP拥塞控制算法将较不依赖于rrt，如(17)的近似形式所示：
b_cubic＝1.166/(rtt^0.25*p_cubic^0.75)(17)
这能够类似地如下得出：
拥塞窗口由以下等式所控制：
W＝C*(t-K)^3+W_max(17.a)
K＝(W_max*beta/C)^(1/3)(17.b)
其中t是自最近的拥塞事件起的时间，W_max是自最近的拥塞事件起的窗口大小，并且beta和C是配置参数，通常例如beta＝0.3并且C＝0.6。K是窗口W再次达到大小W_max时的时间，并且在稳定状态下预计到下一次拥塞事件。
时间t时的当前带宽b_c能够通过将(5)和(17.a)组合得出
b_c＝(C*(t-K)^3+W_max)/rtt(17.c)
在两次拥塞事件之间的时间段中所发送的分组的数量等于1/p_cubic(其中p_cubic是平均分组丢弃概率)并且能够通过在t＝0和t＝K之间对等式(17.c)取整数而进行计算。
在对此重新排列之后导致：
1/p_cubic＝K*(W_max–C*K^3/4)/rtt(17.d)
使用(17.b)两次以替代(17.d)中的K^3和W_max将给出：
1/p_cubic＝(1–beta/4)*K^4*C/(rtt*beta)(17.e)
稳定状态的带宽b_cubic能够被表达为在一个拥塞周期中所发送的分组的数量(＝1/p_cubic)除以一个拥塞间隔的时间(＝K)：
b_cubic＝1/(p_cubic*K)(17.f)
将(17.e)重新排列为K并且将此插入(17.f)中给出：
b_cubic＝(C*(1/beta–1/4))^(1/4)/
(p_cubic^(3/4)*rtt^(1/4))(17.g)
这在使用beta和C的典型数值时导致(17)。
还存在另外的独立于rtt的机制，并且其吞吐量b可以被一般地表达为：
b＝b_o/p_n(18)
其中b_o是最小速率，并且p_n是标记概率。
图6的描述中提供了图3中所描述的一般方法的具体实施例的示例。图6示出了用于在分组交换网络中控制拥塞的系统和方法的实施例。该系统包括接收模块602、两个缓冲器队列605a-b、包括两个AQM计算模块603a-b和最大值模块611的计算模块603，丢弃/标记控制器606b，以及两个测量设备607a-b和优先权调度器610。该系统类似于图3的系统，但是为了将TCPReno与rtt独立拥塞控制器组合而进行了具体调适。
图6所示的方法和系统涉及的实施例中一种类型的业务被假设具有最小数量的队列延迟，其在这里与缓冲器605b相对应，但是与其它业务类型相比仍然应当具有流的公平性。这是通过给出该低延时类别优先权但是根据其它类型的标记和丢弃概率控制标记或丢弃而实现的，上述概率在这里对应于队列测量设备607a所测量的队列605的丢弃概率，其考虑了两种业务类型的拥塞响应函数，诸如(10)或(12)中或者针对TCPCUBIC：
p_cubic＝(1.166/1.225)^(4/3)*p_Reno^(2/3)*rtt_Reno(19)
或者：
p_n＝(b_0/1.225)*p_Reno^0.5*rtt_Reno(20)
等式(19)和(20)分别能够在从b_cubic＝b_Reno，(1)和(17)和b_rpf＝b_Reno，(1)和(18)分别重新排列之后得出。
在(19)和(20)中，Renortt因数对于每个流有所不同并且例如可以在具体网络拓扑中被配置为平均或最小预期数值。
在第六实施例中，第二业务类型的端点中的拥塞控制器可以根据等式(18)进行工作并且第一业务类型则根据TCPReno，参见等式(1)。假设第二业务类型的端点是对分组P2进行步测(pacing)并且非常小的缓冲器队列605b在正常条件下是足够的。TCPReno业务例如利用简单的尾部丢弃缓冲器队列605a或者可替换地利用REDAQM进行处理。AQM计算模型603a所提供的标记概率p_n’例如可以使用在图6中重新排列为(21)的等式(20)来确定：
p_n’＝C*p_r^0.5(21)
其中C＝b_o*rtt/1.225并且rtt例如是最小预期rtt；并且其中p_r是第一队列605a的第一丢弃/标记概率(在该具体实施例中是匹配p_Reno的p_r)。
以下列出本发明实施例的一些优势。实施例允许对云内部和互联网业务的混合进行控制。例如，在分布式云中，云业务能够与互联网业务公平竞争。可选地，能够利用对两种业务类型的已知影响而实现更为复杂的公平性策略和保证。此外，实施例可以自动地对不同用户的链路容量进行负载平衡而并不对容量分配进行持续的重新配置。一些实施例进一步允许逐渐引入新的拥塞控制和AQM机制，这对于如游戏、web应用、视频会议和基于云的应用之类的交互式应用而言是特别重要的。
本领域技术人员将会轻易认识到的是，以上所描述的各种方法的步骤能够由编程计算机来执行。因此，一些实施例还意在覆盖例如数据存储媒体的程序存储设备，其是机器或计算机可读的并且对机器可执行或计算机可执行程序的指令进行编码，其中所述指令执行以上所描述方法的一些或所有步骤。该程序存储设备例如可以是数字存储器、诸如磁盘和磁带的磁性存储媒体、硬盘或者可光学读取的数据存储媒体。该实施例还意在覆盖被编程为执行以上所描述方法的所述步骤的计算机。
图中所示出的包括被标记为“处理器”或“器件”、“设备”或“模块”的任意功能模块在内的各种部件的功能可以通过使用专用硬件以及与适当软件相关联的能够执行软件的硬件来提供。当由处理器提供时，该功能可以由单个专用处理器、单个共享处理器或者其中一些可以共享的多个个体处理器来提供。此外，明确使用的术语“处理器”或“控制器”或“模块”不应当被理解为专门指代能够执行软件的硬件，而是可以隐含地包括数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、应用特定集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机访问存储器(RAM)和非易失性存储装置，但是并不局限于此。其它常规和/或定制的硬件也可以被包括其中。
虽然已经结合具体实施例给出了本发明的原则，但是所要理解的是，该描述仅是通过示例进行而并非作为对所附权利要求所确定的保护范围的限制。

Claims (15)

1.一种用于分组交换网络中的队列管理的方法，该分组交换网络包括一个或多个中间网络节点，该方法包括在中间节点处：
-接收属于与第一队列管理机制相关联的第一类型的第一分组以及属于与第二队列管理机制相关联的第二类型的第二分组；
-依据该第一队列管理机制标记或丢弃该第一分组并且依据该第二队列管理机制标记或丢弃该第二分组；并且
-将该第二分组的标记或丢弃与该第一分组的标记或丢弃进行耦合。
2.根据权利要求1所述的方法，其中该第一分组的标记或丢弃依据第一标记或丢弃概率执行，并且该第二分组的标记或丢弃依据第二标记或丢弃概率执行；并且其中该耦合包括基于表示该第一标记或丢弃概率的测量来计算该第二标记或丢弃概率。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所接收到的第一和第二分组被存储在至少一个队列缓冲器中，并且基于与该至少一个队列中的第一和第二分组的数量相关的测量来确定该第一标记或丢弃概率。
4.根据之前任一项权利要求所述的方法，其中该接收包括对第一队列中的第一分组和第二队列中的第二分组进行分类；并且该耦合包括依据第一和第二权重对来自第一队列和第二队列的被标记或未丢弃的第一和第二分组的传输进行调度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中针对第一分组测量第一所使用带宽并且针对第二分组测量第二所使用带宽；其中该第一和第二所使用带宽分别被用来计算该第一和第二权重。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中该第一分组的标记或丢弃依据第一标记或丢弃概率执行，并且该第二分组的标记或丢弃依据第二标记或丢弃概率执行；其中该第一和第二标记或丢弃概率被分别用来确定该第一和第二权重。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中该接收包括对第一队列中的第一分组和第二队列中的第二分组进行分类；并且该方法进一步包括对与第一队列的第一分组相比具有优先权的来自第二队列的被标记或未丢弃的第二分组的传输进行调度。
8.根据之前任一项权利要求所述的方法，其中该第一和第二类型与以下协议中的任意一种相关联：传输控制协议(TCP)Reno、传输控制协议(TCP)NewReno、CUBIC传输控制协议(TCP)、高速TCP、组合TCP、可缩放TCP、使用TCP友好速率控制(TFRC)的用户数据报协议(UDP)、多重TCP(MULTCP)、多重TFRC(MULTFRC)、数据包拥塞控制协议(DCCP)、数据中心TCP(DCTCP)、D2TCP、D3TCP。
9.根据之前任一项权利要求所述的方法，其中所述该耦合为使得第一分组的流和第二分组的流被给予可用带宽的预定份额，特别是公平的份额。
10.一种用于分组交换网络中的队列管理的系统，该系统包括接收模块，其用于接收属于与第一队列管理机制相关联的第一类型的第一分组以及属于与第二队列管理机制相关联的第二类型的第二分组；
所述系统被配置为依据该第一队列管理机制标记或丢弃该第一分组并且依据该第二队列管理机制标记或丢弃该第二分组；并且
将该第二分组的标记或丢弃与该第一分组的标记或丢弃进行耦合。
11.根据权利要求10所述的系统，其中该系统适于依据第一标记或丢弃概率进行该第一分组的标记或丢弃；所述系统进一步包括：
控制器，其被配置为依据第二标记或丢弃概率进行该第二分组的标记或丢弃；和
计算模块，其被配置为基于表示该第一标记或丢弃概率的测量来计算该第二标记或丢弃概率。
12.根据权利要求11所述的系统，其中该系统进一步包括至少一个用于存储所接收到的第一和第二分组的队列缓冲器，并且其中该计算模块进一步被配置为基于与该至少一个队列缓冲器中的第一和第二分组的数量相关的测量来确定该第一标记或丢弃概率。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的系统，其中该接收模块包括分类器，其用于对第一队列中的第一分组和第二队列中的第二分组进行分类；该系统进一步包括调度器，其被配置为依据第一和第二权重对来自第一队列和第二队列的被标记或未丢弃的第一和第二分组的传输进行调度；
可选地包括测量设备，其被配置为针对第一分组测量第一所使用带宽并且针对第二分组测量第二所使用带宽；和权重计算器，其被配置为使用该第一和第二所使用带宽来计算该第一和第二权重；
该系统可选地被配置为依据第一标记或丢弃概率进行该第一分组的标记或丢弃，并且依据第二标记或丢弃概率进行该第二分组的标记或丢弃；其中权重计算器被配置为基于该第一和第二标记或丢弃概率分别计算该第一和第二权重。
14.根据权利要求10-12中任一项所述的系统，其中该接收模块包括分类器，其被配置为对第一队列中的第一分组和第二队列中的第二分组进行分类，并且该系统包括优先权调度器，其被配置为对与第一队列的第一分组相比具有优先权的来自第二队列的被标记或未丢弃的第二分组的传输进行调度。
15.一种计算设备或其它硬件设备，其被编程为执行根据权利要求1-9中任一项所述的方法中的计算和控制。
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