CN105939286B - 令牌桶管理方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种令牌桶管理方法及装置,该方法包括:接收用户触发的配置令牌添加速率的操作指令;从操作指令中解析用户配置的令牌添加速率,将解析出的令牌添加速率确定为第一添加速率CIR;根据第一添加速率CIR,确定第二添加速率CIR_new;按照第二添加速率CIR_new向预设个数的令牌桶添加令牌,以供CPU_C个处理器转发报文时在没有并发锁保护的情况下修改报文对应的令牌桶中的令牌数。本申请通过更改令牌添加速率以及分解令牌桶的方法,对令牌桶进行相应处理,能够实现多个处理器在无锁保护的情况下同时访问一段内存并执行写入操作。
Description
技术领域
本申请涉及网络通信技术领域,尤其涉及一种令牌桶管理方法及装置。
背景技术
令牌桶是多核环境中网络流量整形(Traffic Shaping)和速率限制(RateLimiting)中最常使用的一种技术。令牌桶涉及两个参数:其中涉及到2个参数:令牌产生的速率(Committed Information Rate,CIR)和令牌桶大小(Committed Burst Size,CBS)。
令牌桶工作过程为:(1)按特定的令牌添加速率向令牌桶投放令牌;(2)接收到报文时,当令牌桶中有足够的令牌则转发报文,同时消耗相应报文长度的令牌。在执行步骤(1)和步骤(2)的过程中,处理器需要访问内存以更改令牌桶内令牌的数值,但是可能出现多个处理器同时访问同一段内存并执行写入操作,从而导致部分处理器的写入操作被覆盖。
现有技术中,可通过加锁保护来避免在步骤(2)中,一个处理器更改令牌桶中的令牌数值时,没有其他处理器操作令牌桶。但是现有技术使用的锁保护本身会消耗少量计算资源,特别的在数据流量较大的情况下,处理器访问冲突频繁发生,此时消耗的计算资源会快速上升,导致占用大量的计算资源。
发明内容
本申请提供令牌桶管理方法及装置,以解决现有令牌桶管理方法不能满足数据流量大的情况下,不能有多个处理器同时访问同一段内存并执行写入操作而导致的占用大量的计算资源的问题。
第一方面,提供一种令牌桶管理方法,应用于网络设备中,包括:
接收用户触发的配置令牌添加速率的操作指令;
从所述操作指令中解析用户配置的令牌添加速率,将解析出的所述令牌添加速率确定为第一添加速率CIR;
根据所述第一添加速率CIR,确定第二添加速率CIR_new;
按照所述第二添加速率CIR_new向预设个数Z的令牌桶添加令牌,以供所述CPU_C个处理器转发报文时在没有并发锁保护的情况下修改所述报文对应的令牌桶中的令牌数;
其中,所述预设个数Z的令牌桶由一个源令牌桶分解得到。
第二方面,提供一种数据包过滤装置,应用于网络设备上,所述装置包括:
接收模块,用于接收用户触发的配置令牌添加速率的操作指令;
解析模块,用于从所述接收模块接收到的所述操作指令中解析用户配置的令牌添加速率,将解析出的所述令牌添加速率确定为第一添加速率CIR;
确定模块,用于根据所述解析模块解析出的所述第一添加速率CIR,确定第二添加速率CIR_new;
添加模块,用于按照所述确定模块确定的所述第二添加速率CIR_new向预设个数Z的令牌桶添加令牌,以供所述CPU_C个处理器转发报文时在没有并发锁保护的情况下修改所述报文对应的令牌桶中的令牌数;
其中,所述预设个数Z的令牌桶由一个源令牌桶分解得到。
本申请的网络设备通过更改令牌添加速率以及分解令牌桶的方法,对令牌桶进行相应处理,能够实现多个处理器在无锁保护的情况下同时访问一段内存并执行写入操作,有效减小访问冲突概率,减小计算资源的消耗。
附图说明
图1是本申请一种实施例中令牌桶管理方法流程图;
图2A是本申请一种实施例中确定令牌桶实际添加速率的方法流程图;
图2B是本申请一种实施例中令牌添加速率及由于多个处理器访问冲突导致的令牌添加速率理论误差示意图;
图3是本申请一种实施例中数据报文的转发方法流程图;
图4是本申请一种实施例中令牌桶管理装置的所在硬件设备的硬件示意图;
图5是本申请一种实施例中令牌桶管理装置示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明,其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时,除非另有表示,不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反,它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的,而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式,除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解,本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解,尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息,但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如,在不脱离本申请范围的情况下,第一信息也可以被称为第二信息,类似地,第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境,如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
现有技术中,在接收到报文要对报文进行转发时,由于需要访问内存来修改令牌桶中的令牌数值,为了防止部分处理器的写入操作被其他处理器的修改操作覆盖,从而引发问题,通常在一个处理器更改令牌桶中的令牌数值时,采用锁保护的方法避免其他处理器同时更改该令牌桶的令牌数值。现有技术在数据流量较大的情况下容易引发处理器访问冲突频繁发生而消耗大量的计算资源。
参见图1,是本申请一种实施例中令牌桶管理方法流程图,该方法应用于网络设备,例如交换机设备上,包括以下步骤:
步骤101,接收用户触发的配置令牌添加速率的操作指令。
在一实施例中,当网络设备上电时,用户可通过控制面板触发设置网络设备的令牌添加速率的操作指令;在又一实施例中,网络设备中也可预先存储默认的令牌添加速率。
在一实施例中,令牌添加速率为向令牌桶投放令牌的速率。
步骤102,从操作指令中解析用户配置的令牌添加速率,将解析出的令牌添加速率确定为第一添加速率CIR。
步骤103,根据第一添加速率CIR,确定第二添加速率CIR_new。
在一实施例中,根据第一添加速率CIR,确定第二添加速率CIR_new,包括:确定CPU_C个处理器在没有并发锁保护的情况下修改源令牌桶中的令牌数的冲突概率P(CPU_C);根据冲突概率P(CPU_C)和第一添加速率CIR,确定CPU_C个处理器在没有并发锁保护的情况下转发报文时,第一添加速率CIR产生的最大误差;根据最大误差和第一添加速率CIR,确定第二添加速率CIR_new。
步骤104,按照第二添加速率CIR_new向预设个数Z的令牌桶添加令牌,以供CPU_C个处理器转发报文时在没有并发锁保护的情况下修改报文对应的令牌桶中的令牌数。
在一实施例中,预设个数Z的令牌桶由一个源令牌桶分解得到。
在一实施例中,通过分解令牌桶,在理论上相当于每个令牌桶对应的处理器减少了,从而在一定程度上减小了处理器访问令牌桶的冲突概率。例如,如果网络设备具有32个处理器,如果只设置一个令牌桶,则32个处理器访问一个令牌桶的冲突概率非常大;而如果将令牌桶分解为4个,则理论上相当于8个处理器访问一个令牌桶,当然实际操作过程中并不限定于8个处理器访问一个令牌桶。
结合图1的实施例可知,本申请的网络设备通过更改令牌添加速率以及分解令牌桶的方法,对令牌桶进行相应处理,能够实现多个处理器在无锁保护的情况下同时访问一段内存并执行写入操作,有效减小访问冲突概率,减小计算资源的消耗。
其中,在步骤103中可根据用户配置的第一添加速率CIR,确定第二添加速率CIR_new。参见图2A,是本申请一种实施例中确定令牌桶实际添加速率的方法流程图,包括以下步骤:
步骤201,确定CPU_C个处理器在没有并发锁保护的情况下修改源令牌桶中的令牌数的冲突概率P(CPU_C)。
在一实施例中,本实施例以临界区指令个数为m,每隔N个指令执行一次临界区指令为例进行示例性说明。
在一实施例中,当网络设备中有两个处理器时,在每个N指令周期内,对第二个处理器而言,其临界区指令不能与m个指令存在重叠,即若其临界区首指令落在其中某2m-1个指令中,可导致访问冲突,此时冲突概率为:
P(2)=2m-1/N
在一实施例中,当网络设备中有三个处理器时,在每个N指令周期内,对第三个处理器而言,其临界区指令不能与2m个指令存在重叠,此时第三个处理器发生冲突的概率小于2*(2m-1)/N,总的冲突概率为:
P(3)<(2m-1)/N+2*(2m-1)/N
在一实施例中,当网络设备中有CPU_C个处理器时,总的冲突概率为:
P(CPU_C)<(2m-1)/N+2*(2m-1)/N+...+(CPU_C-1)*(2m-1)/N
=CPU_C*(CPU_C–1)*(2m-1)/2N 式(1)
其中,m为与CPU架构相关的固定值,N与报文帧率、CPU主频有关,由于同一款设备可以认为CPU主频固定,报文帧率在接口带宽固定的情况下,最大值也固定。所以式(1)可表示为:
P(CPU_C)max=A*CPU_C*(CPU_C-1) 式(2)
其中,A为P(CPU_C)取最大值时的不变因子。
步骤202,根据冲突概率P(CPU_C)和第一添加速率CIR,确定CPU_C个处理器在没有并发锁保护的情况下转发报文时,第一添加速率CIR产生的最大误差。
在一实施例中,令牌桶的最大误差为P(CPU_C)max。
参见图2B,a点为设置的令牌添加速率值,即修改前a点对应的令牌添加速率为第一添加速率CIR,修改前b点对应的令牌添加速率为没有并发锁保护的情况下最大的令牌添加速率值。由于CPU_C个处理器在没有并发锁保护的情况下转发报文并访问内存修改令牌桶的令牌数时可能由于访问冲突而执行失败,其相当于增大了CIR的值,即b点对应的令牌添加速率为CIR*(1+P(CPU_C)max),可见令牌桶CIR会向正向产生误差,且最大误差是可以预测的,为+P(CPU_C)max。
步骤203,根据最大误差和第一添加速率CIR,确定第二添加速率CIR_new。
在一实施例中,参见图2B,可通过修改实际令牌添加速率值,使修改后的a点的令牌添加速率值CIR_new对应的误差范围的误差中心与网络设备允许误差范围的中心重合。即:
(CIR_new+CIR_new*(1+P(CPU_C)max))/2=CIR 式(3-1)
变换式(3-1),得到式(3):
CIR_new=CIR*(2/(2+P(CPU_C)max)) 式(3)
在一实施例中,根据式(3)可知,如果网络设备允许的正向产生误差为预设误差阈值x%,为了使得实际误差范围小于允许误差范围,即使得P(CPU_C)max<2*x%,则可以通过分解令牌桶得到预设个数Z的令牌桶,使得预设个数Z的令牌桶分担流量,则理论上相当于CPU_C/Z个处理器访问一个令牌桶。
在一实施例中,实际应用中CPU_C/Z不大于8时,P(CPU_C)的值可以满足足够小,且数据流量波动较小。
结合图2A的实施例可知,本申请可通过分解令牌桶和更改令牌桶的添加速率的方法,减小访问冲突概率,使得令牌桶添加速率的实际误差范围小于允许误差范围,实现网络设备的多个处理器在无锁保护的情况下同时访问一段内存并执行写入操作。
参见图3,是本申请一种实施例中数据报文的转发方法流程图,包括以下步骤:
步骤301,接收报文,确定转发该报文需要消耗的令牌所在的令牌桶。
步骤302,确定令牌桶中是否有转发该报文需要消耗数目的令牌,如果确定令牌桶中有转发该报文需要消耗数目的令牌,则执行步骤303,否则执行步骤305。
步骤303,执行临界区指令,修改令牌桶中令牌的数目。
步骤304,转发报文。
步骤305,丢弃报文。
结合图3的实施例可知,本申请可实现网络设备的多个处理器在无锁保护的情况下同时访问一段内存并执行写入操作。
参见图4,是本申请一种实施例中令牌桶管理装置的所在硬件设备的硬件示意图。
本申请令牌桶管理装置的实施例可以应用在网络设备上。装置实施例可以通过软件实现,也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。以软件实现为例,作为一个逻辑意义上的装置,是通过其所在设备的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。从硬件层面而言,如图4所示,为本申请令牌桶管理装置所在设备的一种硬件结构图,除了图4所示的处理器、内存、网络接口、以及非易失性存储器之外,实施例中装置所在的设备通常根据该装置的实际功能,还可以包括其他硬件,对此不再赘述。
参见图5,是本申请一种实施例中数据包过滤装置示意图,该装置可以应用于网络设备,网络设备具有CPU_C个处理器,该装置用于实现图1、图2A和图3所示实施例的方法,该装置可以包括:接收模块510、解析模块520、确定模块530、添加模块540。其中:
接收模块510,用于接收用户触发的配置令牌添加速率的操作指令;
解析模块520,用于从接收模块510接收到的操作指令中解析用户配置的令牌添加速率,将解析出的令牌添加速率确定为第一添加速率CIR;
确定模块530,用于根据解析模块520解析出的第一添加速率CIR,确定第二添加速率CIR_new;
添加模块540,用于按照确定模块530确定的第二添加速率CIR_new向预设个数Z的令牌桶添加令牌,以供CPU_C个处理器转发报文时在没有并发锁保护的情况下修改报文对应的令牌桶中的令牌数;
其中,预设个数Z的令牌桶由一个源令牌桶分解得到。
在一实施例中,确定模块530包括:
冲突概率确定单元531(图5中没有示出),用于确定CPU_C个处理器在没有并发锁保护的情况下修改源令牌桶中的令牌数的冲突概率P(CPU_C);
误差确定单元532(图5中没有示出),用于根据冲突概率确定单元531确定的冲突概率P(CPU_C)和第一添加速率CIR,确定CPU_C个处理器在没有并发锁保护的情况下转发报文时,第一添加速率CIR产生的最大误差;
速率确定单元533(图5中没有示出),用于根据误差确定单元532确定的最大误差和第一添加速率CIR,确定第二添加速率CIR_new。
在一实施例中,冲突概率确定单元531用于:
基于式(1)确定冲突概率P(CPU_C):
P(CPU_C)<CPU_C*(CPU_C–1)*(2m-1)/2N 式(1)
其中,m用于表示一次临界区操作所包含的指令个数,N用于表示执行临界区操作的频率,每隔N个指令执行一次临界区操作,CPU_C用于表示网络设备中包含的处理器的个数。
在一实施例中,误差确定单元532用于:
基于式(2)确定最大误差:
P(CPU_C)max=A*CPU_C*(CPU_C-1) 式(2)
其中,A用于表示P(CPU_C)取最大值时的不变因子。
在一实施例中,速率确定单元533用于:
基于式(3)确定第二添加速率CIR_new:
CIR_new=CIR*(2/(2+P(CPU_C)max)) 式(3)。
在一实施例中,装置还包括:
预设模块550(图5中没有示出),用于根据最大误差和预设误差阈值确定预设个数Z。
上述装置中各个单元的功能和作用的实现过程具体详见上述方法中对应步骤的实现过程,在此不再赘述。
对于装置实施例而言,由于其基本对应于方法实施例,所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本申请方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下,即可以理解并实施。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已,并不用以限制本申请,凡在本申请的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种令牌桶管理方法,应用于网络设备上,所述网络设备具有CPU_C个处理器,其特征在于,所述方法包括:
接收用户触发的配置令牌添加速率的操作指令;
从所述操作指令中解析用户配置的令牌添加速率,将解析出的所述令牌添加速率确定为第一添加速率CIR;
确定所述CPU_C个处理器在没有并发锁保护的情况下修改源令牌桶中的令牌数的冲突概率P(CPU_C);
根据所述冲突概率P(CPU_C)和所述第一添加速率CIR,确定所述CPU_C个处理器在没有并发锁保护的情况下转发报文时,所述第一添加速率CIR产生的最大误差;
根据所述最大误差和所述第一添加速率CIR,确定第二添加速率CIR_new;
按照所述第二添加速率CIR_new向预设个数Z的令牌桶添加令牌,以供所述CPU_C个处理器转发报文时在没有并发锁保护的情况下修改所述报文对应的令牌桶中的令牌数;
其中,所述预设个数Z的令牌桶由一个源令牌桶分解得到。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述确定所述CPU_C个处理器在没有并发锁保护的情况下访问所述源令牌桶的冲突概率P(CPU_C),包括:
基于式(1)确定所述冲突概率P(CPU_C):
P(CPU_C)<CPU_C*(CPU_C–1)*(2m-1)/2N 式(1)
其中,m用于表示一次临界区操作所包含的指令个数,N用于表示执行临界区操作的频率,每隔N个指令执行一次临界区操作,CPU_C用于表示所述网络设备中包含的处理器的个数。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述确定所述CPU_C个处理器在没有并发锁保护的情况下转发报文时,所述第一添加速率CIR产生的最大误差,包括:
基于式(2)确定所述最大误差:
P(CPU_C)max=A*CPU_C*(CPU_C-1) 式(2)
其中,A用于表示P(CPU_C)取最大值时的不变因子。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述根据所述最大误差和所述第一添加速率CIR,确定所述第二添加速率CIR_new,包括:
基于式(3)确定所述第二添加速率CIR_new:
CIR_new=CIR*(2/(2+P(CPU_C)max)) 式(3)。
5.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
根据所述最大误差和预设误差阈值确定所述预设个数Z。
6.一种令牌桶管理装置,应用于网络设备上,所述网络设备具有CPU_C个处理器,其特征在于,所述装置包括:
接收模块,用于接收用户触发的配置令牌添加速率的操作指令;
解析模块,用于从所述接收模块接收到的所述操作指令中解析用户配置的令牌添加速率,将解析出的所述令牌添加速率确定为第一添加速率CIR;
冲突概率确定单元,用于确定所述CPU_C个处理器在没有并发锁保护的情况下修改源令牌桶中的令牌数的冲突概率P(CPU_C);
误差确定单元,用于根据所述冲突概率确定单元确定的所述冲突概率P(CPU_C)和所述第一添加速率CIR,确定所述CPU_C个处理器在没有并发锁保护的情况下转发报文时,所述第一添加速率CIR产生的最大误差;
速率确定单元,用于根据所述误差确定单元确定的所述最大误差和所述第一添加速率CIR,确定第二添加速率CIR_new;
添加模块,用于按照所述确定模块确定的所述第二添加速率CIR_new向预设个数Z的令牌桶添加令牌,以供所述CPU_C个处理器转发报文时在没有并发锁保护的情况下修改所述报文对应的令牌桶中的令牌数;
其中,所述预设个数Z的令牌桶由一个源令牌桶分解得到。
7.根据权利要求6所述的装置,其特征在于,所述冲突概率确定单元用于:
基于式(1)确定所述冲突概率P(CPU_C):
P(CPU_C)<CPU_C*(CPU_C–1)*(2m-1)/2N 式(1)
其中,m用于表示一次临界区操作所包含的指令个数,N用于表示执行临界区操作的频率,每隔N个指令执行一次临界区操作,CPU_C用于表示所述网络设备中包含的处理器的个数。
8.根据权利要求6所述的装置,其特征在于,所述误差确定单元用于:
基于式(2)确定所述最大误差:
P(CPU_C)max=A*CPU_C*(CPU_C-1) 式(2)
其中,A用于表示P(CPU_C)取最大值时的不变因子。
9.根据权利要求7所述的装置,其特征在于,所述速率确定单元用于:
基于式(3)确定所述第二添加速率CIR_new:
CIR_new=CIR*(2/(2+P(CPU_C)max)) 式(3)。
10.根据权利要求8所述的装置,其特征在于,所述装置还包括:
预设模块,用于根据所述最大误差和预设误差阈值确定所述预设个数Z。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
CB02 | Change of applicant information |
Address after: Binjiang District and Hangzhou city in Zhejiang Province Road 310051 No. 68 in the 6 storey building Applicant after: Hangzhou Dipu Polytron Technologies Inc Address before: Binjiang District and Hangzhou city in Zhejiang Province Road 310051 No. 68 in the 6 storey building Applicant before: Hangzhou Dipu Technology Co., Ltd. |
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COR | Change of bibliographic data | ||
GR01 | Patent grant | ||
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