CN107332785A - 一种基于动态工作阈值的有效流量控制方法 - Google Patents

一种基于动态工作阈值的有效流量控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于动态工作阈值的有效流量控制方法,具体包括如下步骤：本地通信管理代理根据每个交换机的本地信息决定接受或拒绝连接请求；当接受一个连接请求，根据连接请求更改虚拟链路仲裁表，并为每一个虚拟链路设定初始的静态工作阈值；交换机动态的记录下链路中的突发大数据流量；每一个虚拟链路维持各自的动态阈值；当一条链路中的业务流量达到当前链路的工作阈值，虚拟链路仲裁表判断当前的共享链路是否有空闲，若有空闲的共享链路，激活一条共享链路进行传输。本发明提高了网络突发大流量的处理能力、带宽利用率和传输效率，降低能耗、丢包率和网络时延。

Description

一种基于动态工作阈值的有效流量控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于动态工作阈值的有效流量控制方法，属于计算机网络技术领域。
背景技术
随着电力系统网络技术飞速发展，电力通信网络结构日益复杂，网络业务日趋多元化。电力部门需要可靠、有效的对网络业务流量监控，降低能耗、丢包率和网络时延。交换机具备流量限制和风暴抑制功能，在智能变电站网络中具有重要的应用价值。然而，由于高性能计算网络技术本身的一些问题也影响着站内系统的安全与性能，如网络风暴、网络拥塞、流量管理和控制等。为避免系统性风险，必须做好变电站网络的规划设计，应使用具备风暴抑制和流量管理功能的专用交换机，并采用合适的网络架构和流量管控措施。但现有方式无法完全实现流量的有效控制问题。
高性能计算网络集群(HPC)已经被广泛的应用于不同的领域去解决富有挑战性的问题。从高端的浮点密集型科学和工程计算问题到商业数据密集任务，很多现行的产品已经实现了吞吐量最大化和延时最小化，但是都没有考虑到带宽保证、有限的数据包投递时间和有限的到达时延等方面。一些大公司已经开始研究在高性能网络中控制节点间的通信标准、I/O设备的通信标准和处理器内部通信标准，正如所知的无线带宽技术(Infiniband)网络。Infiniband网络由于其可扩展性成为高性能计算网络的首选。无线带宽架构(IBA)是一种新的工业架构标准，可以使Infiniband网络支持时延约束和多种QoS服务要求的应用。Infiniband提供了一系列的机制，例如:服务层(SL)、虚拟线路(VL)、虚拟链路仲裁表，如果使用得当，它可以提供满意的QoS服务。这些机制包括不同的业务类型和不同输出端口的仲裁。仲裁表存储在Infiniband网络的交换机中，可以根据严格的QoS要求配置数据包的优先权。本文，我们提出了用在Infiniband网络中的一种有效的动态流量控制机制。这种新机制的想法是基于在虚拟线路仲裁表中给虚拟线路引入一个动态的工作阈值。这些阈值根据用严格的QoS限制有效控制不同业务的带宽划分。因此，总体系统的性能将会被提高。外部的通信量可以用广义指数分布来建模，它可以捕获网络突发通信流量,利用信息论中最大熵原理可以得出近似的分析结果，它是一种简单、可靠、高效的分析和预测网络的工具。
现有技术中有一种固定工作阈值的流量控制机制，这种方法虽在一定程度上提高的链路吞吐量，降低时延。但是由于电网常有突发大流量的特点，阈值根据网络业务的不同来设定一个静态的阈值，如果选择的阈值过低交换机就会频繁的切换，会增加延时和能耗。相反地，阈值设置的高时，就会增加队列的长度，增加延时，带宽利用率降低，当突发流量到达时会导致数据包的丢失，所以静态阈值不是有效的配置方法。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于动态工作阈值的有效流量控制方法，利用动态的阈值的方法，根据一个周期内对链路中业务流量进行监听，记录下突发流量，交换机对业务流量评估是一个动态连续的过程，对每一个业务流的最大突发值进行评估，动态的调整仲裁表来设置阈值门限，使每个信道都能适应当前链路的流量特点，提高网络突发大流量的处理能力、带宽利用率和传输效率，降低能耗、丢包率和网络时延。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明的一种基于动态工作阈值的有效流量控制方法,具体包括如下几个步骤：
(1)本地通信管理代理(是一种代理交换机具有的功能，可以根据交换机当前的本地信息，设置交换机的状态)根据每个交换机的本地信息决定接受或拒绝连接请求，所述本地信息包括输出链路的状态和当前交换机为虚拟链路预留的带宽；
(2)当接受一个连接请求，本地通信管理代理根据连接请求更改虚拟链路仲裁表，并为每一个虚拟链路设定初始的静态工作阈值；
(3)交换机通过数据流量是否超过信道阈值来判断是否有大流量(本领域的专业术语)经过，如果有大流量经过，则交换机动态的记录下链路中的突发大数据流量LBmaxi，LBmaxi为第i条虚拟链路观察到的最大流量，并转向步骤(5)；如果没有大流量经过，则转向步骤(4)；
(4)每一个虚拟链路维持各自的动态阈值DT；
(5)判断当前链路中的业务流量是否达到工作阈值，当一条链路中的业务流量达到当前链路的工作阈值，虚拟链路仲裁表判断(判断方法就是根据当前链路中是否有数据传输，类似CSMA/CD监听总线是否有数据传输)当前的共享链路是否有空闲，若有空闲的共享链路，则转向步骤(6)；若没有空闲的共享链路，则维持当前链路传输并结束；
(6)激活一条共享链路进行传输，并转向步骤(2)。
步骤(2)中，在高性能计算网络架构IBA中通过三个机制提供不同的QoS服务，分别为服务级别、虚拟链路和虚拟链路仲裁表；
在无线带宽网络中每一个节点最少有两个、最多有16个服务级别VL0.....VL15，VL15是为子网管理预留的，所有端口都支持并且有最高的数据流级别；因为交换机支持不同的服务级别，子网管理器通过端口的使用数量来配置服务级别的数量；当有超过两个服务级别执行时，仲裁机制将允许一个输出节点选择虚拟链路进行传输；由于VL15被用来进行流量控制，并且拥有最高的优先权，因此仅对数据的服务级别进行仲裁；虚拟链路仲裁表定义了数据通道的优先级别。
把拥有高优先权的VLi模拟成一个到达时间服从泊松分布和先到先服务FCFS原则的排队系统。高优先权的服务级别和低服务级别的VLs分为两个部分：普通VLs和共享VLs。
步骤(4)中，所述动态阈值DT的计算公式如下：
DT＝Lcap-LBtotal 式(1)
其中，Lcap表示虚拟链路的容量，中间变量LBtotal计算如下：
其中，n表示虚拟链路的条数。
步骤(6)中，当设定VLi的业务流量到达工作阈值时，系统就会分派空闲的共享VLs来传输数据包；假设虚拟链路A的服务速率u，容量为N，当高优先权的VL业务流量达到其阈值L1时，VLA将会占用一个空闲的共享虚拟链路VLB；服务率将从u1变道u2，而容量从N增加到2N；当业务流量小于阈值时，VLA不能使用共享虚拟链路，同时，若VLB的业务流量达到了其阈值L2，则来自高优先级的虚拟链路将会占用第二条共享的虚拟链路。
本发明的有益效果如下：
本发明的交换机提供了在一条物理链路上创建多条虚拟链路连接机制,并根据不同的需求来处理不同的业务；本发明采用动态的调整仲裁表来设置阈值门限，适用于各种不同负载程度的网络环境；本发明提高网络突发大流量的处理能力、带宽利用率和传输效率，降低能耗、丢包率和网络时延。
附图说明
图1为本发明的方法工作流程图；
图2为虚拟链路仲裁表结构图；
图3为到达阈值激活共享链路图；
图4为共享过程图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
本发明提出了一种在电力通信高性能计算网络中基于动态阈值的有效流量控制方法，首先本地代理根据连接请求更改虚拟链路仲裁表，并且为每一个虚拟链路设定初始的静态工作阈值，其次交换机动态的记录下链路中的突发大数据流量，最后仲裁表根据记录下来的突发数据信息动态的调整本链路中的工作阈值。
本发明基于在虚拟线路仲裁表中给虚拟线路引入一个动态的工作阈值。这些阈值根据用严格的QoS限制有效控制不同业务的带宽划分。因此，总体系统的性能将会被提高。外部的通信量可以用广义的指数分布来建模，它可以捕获网络突发通信流量。利用信息论中最大熵原理可以得出近似的分析结果，它是一种简单，可靠，高效的分析和预测网络的工具。
如图1所示，方法流程为：
(1)本地通信管理代理根据每个交换机的本地信息来决定接受或拒绝连接请求，这些信息包括输出链路的状态以及它们已预留的带宽。
(2)在IBA中通过三个机制提供不同的QoS服务，分别为：服务级别(SL)，虚拟链路(VL)和虚拟链路仲裁表(VLArbitrationTable)。IBA中规定了最大16个服务级别，它取决于管理员如何在不同服务级别之间分派不同的流量类型。IBA提供了一个字段用来标记服务的级别，根据不同的需求处理不同的业务。IBA端口支持不同的服务级别，可以在一条物理链路上创建多条虚拟链路连接。
在无线带宽网络中每一个节点最少有两个，最多有16个服务级别(VL0.....VL15)。VL15是为子网管理预留的，所有端口都支持并且有最高的数据流级别。因为交换机支持不同的服务级别，子网管理器通过端口的使用数量来配置服务级别的数量。当有超过两个服务级别执行时，仲裁机制将允许一个输出节点选择虚拟链路进行传输。由于VL15被用来进行流量控制，并且拥有最高的优先权，因此仅对数据的服务级别进行仲裁。虚拟链路仲裁表定义了数据通道的优先级别，如图2所示：本地通信管理代理根据每个交换机的本地信息来决定接受或拒绝连接请求。这些信息包括输出链路的状态以及它们已预留的带宽。当一个连接被接受，代理根据连接请求更改虚拟链路仲裁表。而且，我们为每一个虚拟链路设定工作阈值，我们重点关注拥有高优先权的VLi并且把它模拟成一个到达间隔服从广义指数分布GE/GE/1/N/ET/FCFS的排队系统(服务时间分布，到达工作阈值，先到先服务(FCFS)原则)。本文采用一种基于复合泊松分布，或者说为到达间隔为指数分布。如图3所示，高优先权的服务级别和低服务级别的VLs分为两个部分：普通VLs和共享VLs。
(3)交换机动态的记录下链路中的突发大数据流量LBmaxi(第i条虚拟链路观察到的最大流量)。
(4)根据步骤3记录的下突发大数据流量，每一个虚拟链路保持各自的动态阈值。动态阈值DT(Dynamic Threshold)计算公式如下：
DT＝Lcap-LBtotal 式(1)
其中Lcap表示虚拟链路的容量，中间变量LBtotal计算如下：
其中LBmaxi表示第i条虚拟链路观察到的最大流量。
(5)当一条链路中流量值达到当前链路的工作阈值时，仲裁表会为判断当前的共享链路是否有空闲。
(6)当某一特定VLi的业务流量到达阈值时，如图4所示，系统就会分派空闲的共享VLs来传输数据包。其结果是更多的服务将超过阈值水平。当高优先权(假设虚拟链路A的服务速率u，容量为N)的VL业务流量达到其阈值时(L1)，VLA将会占用一个空闲的共享虚拟链路VLB。服务率将从u1变道u2，而容量从N增加到2N。另一方面，当业务流量小于阈值时，VLA不能使用共享虚拟链路。同时，若VLB的业务流量达到了其阈值L2，则来自高优先级的虚拟链路将会占用第二条共享的虚拟链路等等。
现有技术中有一种固定工作阈值的流量控制机制，这种方法虽在一定程度上提高的链路吞吐量，降低时延。但是由于电网常有突发大流量的特点，阈值根据网络业务的不同来设定一个静态的阈值，如果选择的阈值过低交换机就会频繁的切换，会增加延时和能耗。相反地，阈值设置的高时，就会增加队列的长度，增加延时，带宽利用率降低，当突发流量到达时会导致数据包的丢失，所以静态阈值不是有效的配置方法。
最后通过在交换机提供了一条物理链路上创建多条虚拟链路连接机制,根据不同的需求来处理不同的业务，并且动态的调整工作阈值从而降低了交换机的切换频率，提高网络突发大流量的处理能力、带宽利用率和传输效率，降低能耗、丢包率和网络时延。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于动态工作阈值的有效流量控制方法,其特征在于，具体包括如下几个步骤：
(1)本地通信管理代理根据每个交换机的本地信息决定接受或拒绝连接请求，所述本地信息包括输出链路的状态和当前交换机为虚拟链路预留的带宽；
(2)当接受一个连接请求，本地通信管理代理根据连接请求更改虚拟链路仲裁表，并为每一个虚拟链路设定初始的静态工作阈值；
(3)交换机通过数据流量是否超过信道阈值来判断是否有大流量经过，如果有大流量经过，则交换机动态的记录下链路中的突发大数据流量LBmaxi，LBmaxi为第i条虚拟链路观察到的最大流量，并转向步骤(5)；如果没有大流量经过，则转向步骤(4)；
(4)每一个虚拟链路维持各自的动态阈值DT；
(5)判断当前链路中的业务流量是否达到工作阈值，当一条链路中的业务流量达到当前链路的工作阈值，虚拟链路仲裁表判断当前的共享链路是否有空闲，若有空闲的共享链路，则转向步骤(6)；若没有空闲的共享链路，则维持当前链路传输并结束；
(6)激活一条共享链路进行传输，并转向步骤(2)。
2.根据权利要求1所述的基于动态工作阈值的有效流量控制方法,其特征在于，步骤(2)中，在高性能计算网络架构IBA中通过三个机制提供不同的QoS服务，分别为服务级别、虚拟链路和虚拟链路仲裁表；
在无线带宽网络中每一个节点最少有两个、最多有16个服务级别VL0.....VL15，VL15是为子网管理预留的，所有端口都支持并且有最高的数据流级别；因为交换机支持不同的服务级别，子网管理器通过端口的使用数量来配置服务级别的数量；当有超过两个服务级别执行时，仲裁机制将允许一个输出节点选择虚拟链路进行传输；由于VL15被用来进行流量控制，并且拥有最高的优先权，因此仅对数据的服务级别进行仲裁；虚拟链路仲裁表定义了数据通道的优先级别。
3.根据权利要求2所述的基于动态工作阈值的有效流量控制方法,其特征在于，把拥有高优先权的VLi模拟成一个到达时间服从泊松分布和先到先服务FCFS原则的排队系统。
4.根据权利要求3所述的基于动态工作阈值的有效流量控制方法,其特征在于，高优先权的服务级别和低服务级别的VLs分为两个部分：普通VLs和共享VLs。
5.根据权利要求1所述的基于动态工作阈值的有效流量控制方法,其特征在于，步骤(4)中，所述动态阈值DT的计算公式如下：
DT＝Lcap-LBtotal 式(1)
其中，Lcap表示虚拟链路的容量，中间变量LBtotal计算如下：
其中，n表示虚拟链路的条数。
6.根据权利要求3所述的基于动态工作阈值的有效流量控制方法,其特征在于，步骤(6)中，当设定VLi的业务流量到达工作阈值时，系统就会分派空闲的共享VLs来传输数据包；假设虚拟链路A的服务速率u，容量为N，当高优先权的VL业务流量达到其阈值L1时，VLA将会占用一个空闲的共享虚拟链路VLB；服务率将从u1变道u2，而容量从N增加到2N；当业务流量小于阈值时，VLA不能使用共享虚拟链路，同时，若VLB的业务流量达到了其阈值L2，则来自高优先级的虚拟链路将会占用第二条共享的虚拟链路。
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