CN107431668A

CN107431668A - 用于分组的排队和处理的方法、排队系统、网络元件及网络系统

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Publication number: CN107431668A
Application number: CN201680017566.2A
Authority: CN
Inventors: W·范利克维克; K·德舍佩尔
Original assignee: Alcatel Lucent SAS
Current assignee: Origin Asset Group Co., Ltd.
Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2016-03-18
Publication date: 2017-12-01
Also published as: EP3073680A1; US10200297B2; WO2016150833A1; EP3073680B1; US20180115493A1

Abstract

用于对分组进行排队的方法，所述分组中的每个分组包括表示在与分组在其目的地处的传送相关联的最后期限之前的剩余时间的定时信息；所述系统包括：N个队列(511至515)，其中，每个队列被配置为缓冲至少一个分组，其中，所述N个队列具有循环次序；所述方法包括：跟踪最初指向所述N个队列中的队列的指针(503)；然后，根据所述循环次序，在每次经过调度间隔S后，在所述N个队列上重复递增所述指针；基于所述分组的定时信息并考虑所述循环次序，将所述分组中的每个分组排入所述N个队列中的队列中，该队列与所述指针指向的队列不同；以及使入队分组从所述N个队列中出队，并且优先从所述指针指向的队列中出队。这有助于防止到达指针指向的繁忙队列中的紧急分组在指针递增到下一个队列之后卡在该队列中。排队系统(103)包括入队模块(502)，用于将所述分组(501)中的每个分组排入(503)所述N个队列(511至512)中的队列中。出队模块使入队分组从队列(511至514)中出队(504)，并且优先从所述指针指向的队列(511)中出队。优选地，每个分组的剩余时间落在预定的允许时间范围R内；所述调度间隔S表示基本等于所述时间范围R除以N‑1的时间量。以此方式，分组的允许时间范围可以有效地被除了指针指向的队列之外的队列覆盖。分组中的明确的定时信息可被用于指示与分组相关联的最后期限，即，分组需要何时被传送到目的地。

Description

用于分组的排队和处理的方法、排队系统、网络元件及网络系统

技术领域

本发明的技术领域涉及分组交换网络中的分组排队和处理。具体的实施例涉及用于对分组进行排队的方法和计算机程序产品，用于处理分组的方法和计算机程序产品，用于对分组进行排队的排队系统，用于处理分组的网络元件以及用于处理分组的网络系统。

背景技术

一般而言，越来越多的低延迟服务在互联网和IP(互联网协议)网络上出现。示例有交互式视频应用、增强现实、在线游戏、使用触觉或触觉—视觉反馈和控制的未来触觉互联网应用等。这些需要在特定时间间隔内(即，在特定最后期限之前)传送数据分组，以免它们的服务质量(严重)下降。在文献中报告的所需最大延迟范围从用于音频的150ms、在线游戏的50ms到用于触觉应用的低于25ms、甚至低至5ms或者更低。

当前的IP网络使用分类、排队和调度机制，该机制没有明确处理定时(延迟)约束，最多以“尽力服务某些优先”工作。网络元件中的排队延迟是可变的，分组标记/丢弃概率取决于队列长度，这容易导致时间关键的分组被丢弃，而时间关键性较低的分组排队以进行进一步处理。被丢弃的分组需要由源重新传输(增加额外的延迟)，或者就在通信中丢失。端对端(多跳)延迟可以容易地在几十甚至几百毫秒之间变化。

已知的方法使用相对优先级，但是这些是有限制的并且需要低效率的计算，或者浪费资源。

标题为“Deadline aware queue management(最后期限感知的队列管理)”的美国专利申请US20140185628讨论了分组传送最后期限，并描述了包括最后期限状态信息的流量特性。该方法使用(一个或多个)流量特性来确定分组的优先级，并基于该优先级选择队列。存在三个队列分别对应于三个优先级类别：落后于进度，按进度，进度提前。该分类通过将分组的最后期限状态信息与分组目的地的预期到达目的地时间进行比较来完成。

然而，该方法可能无效，并且通常浪费资源、产生开销、效率低下。

发明内容

本发明的实施例的目标是允许有效且高效地在分组交换网络中处理分组。本发明的实施例的额外目标是减少资源利用不足并且降低开销。

根据本发明的第一方面，提供一种用于在分组交换网络(即，分组交换通信网络，例如，IP网络)中的网络元件处的排队系统中对分组进行排队的方法，其中，所述分组中的每个分组从所述分组交换网络中的源经由所述网络元件发送到所述分组交换网络中的目的地，其中，所述分组中的每个分组包括表示在与所述分组在其目的地处的传送关联的最后期限之前的剩余时间的定时信息；其中，所述排队系统包括：N个队列，其中，所述N个队列中的每个队列被配置为缓冲所述分组中的至少一个分组，其中，所述N个队列具有循环次序；其中，所述方法包括：跟踪指针，其中，在第一时间点，所述指针指向所述N个队列中的队列；根据所述N个队列的所述循环次序，在每次经过调度间隔S后，在所述第一时间点之后的第二时间点之后，在所述N个队列上重复递增所述指针，其中，所述调度间隔S表示时间量；基于所述分组的定时信息并考虑所述N个队列的所述循环次序，将所述分组中的每个分组排入所述N个队列中的队列中，其中，该队列与所述指针指向的所述N个队列中的队列不同；以及使入队分组从所述N个队列中出队，并且优先从所述指针指向的所述N个队列中的队列中出队。

以此方式，本发明的实施例允许使用可以有利地在硬件中实现的技术，利用指针运算在硬件中操作的效率，对时间敏感的分组或分组流进行更快(即，更高效)的分组处理。实施例还允许在网络中的更大的缓冲，以流量防止丢失，而不会对低延迟流量带来额外的延迟损失。此外，实施例通过使用可在路由器硬件中实现以用于快速高效执行的机制，使得可以更好地进行时间控制的分组传送，以用于时间敏感服务。此外，方法实施例降低了开销并且提高了效率，因为分组可以容易地基于其定时信息进行分类，而不必估计到目的地的时间，并且不必需要进一步与所估计的到目的地的时间进行比较。具体地，根据其剩余时间的紧迫性，每个分组被添加到N个队列中除了指针指向的队列之外的队列中，同时分组从指针指向的队列中出队，(如果可行)从随后的队列中出队。这允许以时间敏感的方式对分组进行排队，因为已经存在于指针指向的队列中的分组可能在相应的调度间隔S期间出队，在该调度间隔S期间到达的紧急分组将可能从随后的调度间隔中的一个中出队。这有助于防止到达指针指向的繁忙队列中的紧急分组在指针递增到下一个队列之后卡在该队列中，从而减少资源的利用不足。此外，本发明的实施例通常通过更好地利用队列中的可用排队空间来减少资源的利用不足，因为并不是具有给定紧急性的所有流量都排入同一队列中，而是在多个队列上分布。此外，由于不必将具有给定紧急性的所有流量排入同一队列中，因此该方法更有效，因为其它队列中的流量(特别是较不紧急的)更有可能以确定数量的调度间隔进行调度，即使新的紧急流量不断到达。

进一步地，实施例适用于交互式视频、游戏、语音流量、触觉应用，诸如软件更新、电子邮件、文件传输的较低优先级流量，以及数据中心中具有最后期限约束的应用。

在实施例中，优先从所述指针指向的所述N个队列中的队列中出队包括：如果所述指针指向的所述N个队列中的队列包含任何入队分组，则使入队分组从所述指针指向的所述N个队列中的队列中出队；以及如果所述指针指向的所述N个队列中的队列是空的，则根据所述N个队列的所述循环次序，逐步尝试使入队分组从跟随在所述指针指向的所述N个队列中的队列之后的所述N个队列中的下一个队列中出队。

以此方式，紧急流量优先于较不紧急的流量，并且如果在更紧急的一个或多个队列中没有分组，则利用可用容量以使分组从较不紧急的队列(跟随在指针指向的队列之后的第一队列，然后第二队列，然后第三队列，依此类推)中出队。

在实施例中，将所述分组中的每个分组排入所述N个队列中的队列中包括：将所述分组排入所述N个队列中的第i个队列中，其中，排除所述指针指向的队列，其中，如果由所述分组的定时信息表示的剩余时间超过下限阈值并且低于或等于上限阈值，则根据所述N个队列的所述循环次序，i从所述指针指向的所述队列之后的队列开始逐1计数，其中，所述下限阈值等于或基本等于S*(i-1)，所述上限阈值等于或基本等于S*i。

以此方式，到达分组以有效利用可用资源的合理方式被排入队列。

在实施例中，分组的所述定时信息在所述分组的报头字段中指示，优选地，在用于标识所述分组的差分服务的报头字段中指示。

以此方式，分组的定时信息容易获取。

在实施例中，分组的所述定时信息使用B个位指示，其中，B小于或等于6。

以此方式，分组的定时信息容易适应在分组中通常容易获得的空间，特别是在IP分组中，尤其是在IPv4分组中。

在实施例中，每个分组的剩余时间落在预定的允许时间范围R内；以及

其中，所述调度间隔S表示等于或基本等于所述预定的允许时间范围R除以N-1的时间量。

以此方式，分组的允许时间范围可以有效地被除了指针指向的队列之外的队列覆盖。

在实施例中，所述方法包括通过以下操作动态调整所述排队系统：监控所述排队系统的至少一个缓冲参数，其中，所述至少一个缓冲参数包括以下中的任何一个或多个：所述N个队列的填充级别的数量和所述排队系统中分组丢弃的数量；基于所述至少一个缓冲参数，计算新的调度间隔S'以替代所述调度间隔S；基于所述至少一个缓冲参数，计算新的数量N'以替代所述N个队列的数量N；以及根据所述新的调度间隔S'和所述新的数量N'，调适所述排队系统。

以此方式，该方法允许在变化的条件下有效使用资源。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于在分组交换通信网络中的网络元件中处理分组的方法，其中，所述分组中的每个分组从所述分组交换网络中的源经由所述网络元件发送到所述分组交换网络中的目的地，其中，所述分组中的每个分组包括表示在与所述分组在其目的地处的传送相关联的最后期限之前的剩余时间的定时信息。所述方法包括：接收所述分组中的每个分组；将所述分组中的每个分组与来自时钟的到达时间戳相关联；根据随附权利要求所述的方法中的任何一个，对所述分组中的每个分组进行排队，其中，所述排队包括使分组出队；将每个出队分组与来自所述时钟的离开时间戳相关联；以及基于每个出队分组的离开时间戳与到达时间戳之间的差，从所述网络元件分派每个出队分组。

以此方式，通过使用明确的定时信息并通过以时间敏感的方式排队，并且通过考虑处理所花费的时间，该方法允许更有效地控制延迟。

技术人员将理解，上文描述的关于对分组进行排队的方法的考虑和优点也适用于用于处理分组的方法的实施例，经适当修改后。

在实施例中，所述分派包括：基于将所述出队分组的定时信息与所述差进行比较，确定所述出队分组是否已经错过其最后期限；如果确定所述出队分组尚未错过其最后期限，则基于所述差更新所述出队分组的定时信息，并将所述出队分组传输到其目的地；以及如果确定所述出队分组已经错过其最后期限，则丢弃所述出队分组或者以尽力服务的方式将所述出队分组向其目的地传输。

以此方式，已经错过其最后期限(或者极可能错过其最后期限)的分组可以被分派(例如，丢弃或传输)，依据所需或要求的策略以及依据可用资源。

在实施例中，所述方法包括估计用于将分组传送到其目的地的分组传送时间；以及通过从所述分组的剩余时间中减去所估计的分组传送时间来更新所述分组的定时信息。

以此方式，该方法在处理分组时，可以考虑该分组到达其目的地进一步所需的时间。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于在分组交换网络中的网络元件处对分组进行排队的排队系统，其中，所述分组中的每个分组从所述分组交换网络中的源经由所述网络元件发送到所述分组交换网络中的目的地，其中，所述分组中的每个分组包括表示在与所述分组在其目的地处的传送关联的最后期限之前的剩余时间的定时信息。所述排队系统包括：N个队列，其中，所述N个队列中的每个队列被配置为缓冲所述分组中的至少一个分组，其中，所述N个队列具有循环次序；指针，其中，在第一时间点，所述指针指向所述N个队列中的队列；调度器，其被配置为根据所述N个队列的所述循环次序，在每次经过调度间隔S后，在所述第一时间点之后的第二时间点之后，在所述N个队列上重复递增所述指针，其中，所述调度间隔S表示时间量；入队模块，其被配置为基于所述分组的定时信息并考虑所述N个队列的所述循环次序，将所述分组中的每个分组排入所述N个队列中的队列中，其中，该队列与所述指针指向的所述N个队列中的队列不同；以及出队模块，其被配置为使入队分组从所述N个队列中出队，并且优先从所述指针指向的所述N个队列中的队列中出队。

技术人员将理解，上文描述的考虑和优点也适用于排队系统的实施例，经适当修改后。具体地，技术人员将理解如何执行上文描述的针对排队系统的元件和模块的适用方法实施例的步骤。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于在分组交换通信网络中处理分组的网络元件，其中，所述分组中的每个分组从所述分组交换网络中的源经由所述网络元件发送到所述分组交换网络中的目的地，其中，所述分组中的每个分组包括表示在与所述分组在其目的地处的传送关联的最后期限之前的剩余时间的定时信息。所述网络元件包括：时钟、输入模块、排队系统和输出模块。输入模块被配置为：接收所述分组中的每个分组；以及将所述分组中的每个分组与来自时钟的到达时间戳相关联。排队系统被配置为：根据权利要求12对所述分组中的每个分组进行排队，尤其被配置为使分组出队。输出模块被配置为：将每个出队分组与来自所述时钟的离开时间戳相关联；以及基于每个出队分组的离开时间戳与到达时间戳之间的差，从所述网络元件分派每个出队分组。

技术人员将理解，上文描述的考虑和优点也适用于网络元件的实施例，经适当修改后。具体地，技术人员将理解如何执行上文描述的针对网络元件的元件和模块的适用方法实施例的步骤。

在进一步开发的实施例中，所述时钟被配置为生成具有小于用于规定所述分组的剩余时间的时间粒度的时间粒度的时间戳。

在实施例中，所述输出模块被配置为：基于将所述出队分组的定时信息与所述差进行比较，确定所述出队分组是否已经错过其最后期限；如果确定所述出队分组尚未错过其最后期限，则基于所述差更新所述出队分组的定时信息，并将所述出队分组传输到其目的地；以及如果确定所述出队分组已经错过其最后期限，则丢弃所述出队分组或者以尽力服务的方式将所述出队分组向其目的地传输。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于处理分组的网络系统。所述网络系统包括至少两个根据权利要求12或13所述的网络元件，其中，所述至少两个网络元件彼此通信连接，以及其中，所述至少两个网络元件被配置以用于处理剩余时间落在相同预定的允许时间范围R内的分组。在优选的实施例中，所述至少两个网络元件被配置以用于处理使用相同时间粒度TU规定剩余时间的分组。

以此方式，多个网络元件使用相同或兼容的定时信息设置的网络系统可以协作(从而形成域)，以更有效地通过分组交换网络传送分组。

技术人员将理解，上文描述的考虑和优点也适用于网络系统的实施例，经适当修改后。

根据本发明的另一个方面，提供一种包括计算机可执行指令的计算机程序产品，该计算机可执行指令用于在所述程序在计算机上运行时执行方法，所述方法包括上文描述的方法中的任何一个的步骤。

技术人员将理解，上文描述的考虑和优点也适用于计算机程序产品的实施例，经适当修改后。

附图说明

附图用于说明根据本发明的目前优选的非限制性示例性实施例。当结合附图阅读时，根据本发明的实施例的特征的上述和其它优点以及本发明的目的将变得更加显而易见，并且根据下面的详细描述将更好地理解本发明，其中：

图1示意性示出根据本发明的排队系统的实施例；

图2A示意性示出根据本发明的网络元件的实施例；

图2B示意性示出根据本发明的网络元件的另一个实施例；

图3示意性示出根据本发明的网络系统的两个实施例。

具体实施方式

一般而言，越来越多的低延迟服务在互联网和IP(互联网协议)网络上出现。示例有交互式视频应用、增强现实、在线游戏、使用触觉或触觉—视觉反馈和控制的未来触觉互联网应用等。这些需要在特定时间间隔内(即，在特定最后期限之前)传送数据分组，以免它们的服务质量(严重)下降。在文献中报告的所需最大延迟范围从用于音频的150ms、在线游戏的50ms到用于触觉应用的低于25ms、甚至低至5ms或者更低。当前的IP网络使用分类、排队和调度机制，该机制没有明确处理定时(延迟)约束，最多以“尽力服务某些优先”工作。网络元件中的排队延迟是可变的，分组标记/丢弃概率取决于队列长度，这容易导致时间关键的分组被丢弃，而时间关键性较低的分组排队以进行进一步处理。被丢弃的分组需要由源重新传输(增加额外的延迟)，或者就在通信中丢失。端对端(多跳)延迟可以容易地在几十甚至几百毫秒之间变化。

目前，尝试使用相对优先级进行延迟控制，但是这具有若干缺点。差分服务(DiffServ)是规定了简单、可扩展和粗粒度的机制以用于在IP网络上分类和管理网络流量并提供服务质量(QoS)的网络架构。DiffServ使用IPv4报头中的8位差分服务字段(DS字段)中的6位差分服务代码点(DSCP)以用于分组分类。DiffServ根据流量分类原理进行操作，其中，每个数据分组都被归入一个流量类别中。网络上的每个路由器都被配置为基于其类别来区分流量。每个流量类别可以进行不同的管理，其目的是确保优先处理网络上较高优先级的流量。

然而，DiffServ要求分组(或分组流)彼此相对定位(例如，分组A属于类别1，而分组B属于类别2)，并使用粗粒度的类别。虽然此架构可能适用于简单流量类别(例如，一个类别用于VoIP(IP语音)，另一个类别用于IPTV(互联网协议电视)，所有其它流量在尽力服务类别中)，但是多种预期应用(以及相关联的多种延迟要求)无法被充分满足。此外，在一个类别内，不同的流或流中不同的分组之间不存在差别。所有分组被平等对待。

即使在今天的(简单)视频应用中，对延迟的明确规定和控制也会带来益处。例如，在IPTV中，信道改变要求分组从新的信道流被非常快速地传送到终端用户以提供良好的体验质量。对于另一个示例，在适应性或非适应性的超文本传输协议(HTTP)流传输中，一些分组被传送到仍然保存许多秒的缓冲视频的客户端缓冲器中，而其它分组被传送到接近耗尽的客户端缓冲器中(因此即将冻结提供给终端用户的图片)。

现有的解决方案在单独的DiffServ(逻辑)网络中提供(管理的)服务，使得其它服务不会干扰该服务(例如，VoIP、IPTV)，或者完全没有解决方案(例如，采用尽力服务HTTP流传输)。

可以构想其中某些分组通过较高优先级(即较低延迟)的DiffServ类别传送的系统，但是随后在判定哪个分组属于哪个类别时会出现问题，因为应用仅能够对其自己的分组相对彼此进行评级，而与来自其它用户或流的分组无关。

根据本发明的实施例使用分组中(特别是诸如IP分组的数据分组中)的明确定时信息来指示与分组相关联的最后期限—即，分组需要何时被传送到目的地。

为此，本主题涉及一种用于在分组交换网络(即，分组交换通信网络，例如，IP网络)中的网络元件处的排队系统中对分组进行排队的方法，其中，所述分组中的每个分组从所述分组交换网络中的源经由所述网络元件发送到所述分组交换网络中的目的地，其中，所述分组中的每个分组包括表示在与所述分组在其目的地处的传送相关联的最后期限之前的剩余时间的定时信息；其中，所述排队系统包括：N个队列，其中，所述N个队列中的每个队列被配置为缓冲所述分组中的至少一个分组，其中，所述N个队列具有循环次序；其中，所述方法包括：跟踪指针，其中，在第一时间点，所述指针指向所述N个队列中的队列；根据所述N个队列的所述循环次序，在每次经过调度间隔S后，在所述第一时间点之后的第二时间点之后，在所述N个队列上重复递增所述指针，其中，所述调度间隔S表示时间量；基于所述分组的定时信息并考虑所述N个队列的所述循环次序，将所述分组中的每个分组排入所述N个队列中的队列中，其中，该队列与所述指针指向的所述N个队列中的队列不同；以及使入队分组从所述N个队列中出队，并且优先从所述指针指向的所述N个队列中的队列中出队。

定时信息可以在时间单位(TU，例如，1TU＝1ms)中规定，并且可以包括在分组报头中，例如，使用B数量个位(例如，B＝12位)，形成TI(时间单位中的时间指示符)和TIS(以秒为单位的时间指示符，TIS＝TI*TU)。这允许[0,((2^B)-1)*TU]范围内的定时规定，粒度为TU。这些值可以是已经预先确定的—即，事先商定—或者可以动态确定。值“0”可以表示没有时间剩余(即，已经错过最后期限)，或者值“0”可以用作指示分组没有相关联的定时约束的约定。在后一种情况下，分组仍然可以采用尽力服务传送。这可能导致实际上的范围[TU,((2^B)-1)*TU]。

本发明的实施例可以使用以下示例性标记方案，使用IPv4报头中的DSCP位(或IPv6报头中的流量类别)。在示例性实施例中，6位DSCP字段可被用作以下的组合：

1)(可选)P位，以标记流量类别(正如常规DiffServ)，在这种情况下，单独的时间服务(TimeServ)系统可以按照流量类别运行。如果P＝0，则所有流量都属于一个类别。

2)B(＝6-P)位，以标记将该分组传送到目的地的定时信息。

例如，如上所述，使用“0”值作为约定，P＝2可以指示四个流量类别，例如：

(i)在类别0x01中：B＝4，TU＝5ms，允许[5ms,75ms]范围内粒度5ms的时间规定；

(ii)在类别0x02中：B＝4，TU＝100ms，允许[100ms,1500ms]范围内粒度100ms的时间规定；

(iii)在类别0x03中：没有时间服务(TimeServ)。

替代地，可以使用分组报头选项来提供任何所需的范围和粒度，取决于用于报头选项的位的数量B。在一些实施例中，可以重新定义和使用IPv6报头中的多个流标签位。例如，使用二十个流标签位中的十个(TU＝1ms)，允许[1ms,1023ms]范围内粒度1ms的时间规定(再次使用可选的值“0”的约定，如上所述)。

应用可以使用该标记方案来清楚地(经由绝对度量)规定分组应当何时被传送到目的地(例如，“该分组必须在M ms内被传送到其它侧”)。网络系统、其中的网络元件和其中的排队系统可以通过直接比较定时信息来比较不同分组(或流)的要求，并在网络中以适当的方式处理分组。应当注意，两个分组始终可以基于它们的所需传送时间(换言之，基于它们各自的最后期限之前的剩余时间)，在上述时间编码方案中使用的粒度TU内相互比较。

如上面所指出的，在根据本发明的某些实施例中，时间规定“0”表示应当使用尽力服务方式。这是可选的约定。在其它实施例中，时间规定“0”可以有效表示没有时间剩余，因此分组已经错过其相关联的最后期限。可以使用不同的替代选项来处理超时。超时从非零值到零的分组可以被丢弃或者可以回到采用尽力服务处理。如果零值没有用作尽力服务的指示(例如，假设使用其它位来对尽力服务归类)，则范围可以例如从[1ms,1023ms]扩展到[1ms,1024ms]，其中，“0”表示1ms，“1023”表示1024ms。在这种情况下，超时从1ms(值“0”)开始的分组可以被丢弃，或者可以使用诸如上述P个位的分类位来可选地被重新标记为另一个类别。

图1示意性地示出了排队系统103的实施例。在排队系统103中，使用循环排序的多个队列511-515(示出了五个队列，但是应当理解，可以使用另一数量的队列，这通常取决于硬件成本)。一般而言，提供了N个队列，每个队列可以表示为Q[i]，i从“0”到“N-1”。队列511-515是循环排序的，因为当指向最后一个队列(在此为队列515)的指针(未示出)递增时，指针被设置为第一队列(在此为队列511)。该配置的另一个名称是轮询。技术人员知道如何使用基于模的方案来实现这种效果。

图1中的排队系统103是动态的，因为传入分组501可以被排入503(即，缓冲)多个队列511-515中的一个中。动态性来自选择将传入分组501排入队列511-515中的哪一个中。进一步的动态性来自使分组从多个队列511-515中出队504，以进一步进行传输506(或者丢弃，未示出)。

具体地，排队系统103可以在第一时间点进行初始化，其中指针指向预定义的队列或者指向随机队列(如，队列511)。对于排队系统103的操作，最初指向哪个队列不重要。

排队系统103还包括调度器(未示出)，其被配置为：根据队列的循环次序，在每次经过调度间隔S后，在所述第一时间点之后的第二时间点之后，在队列511-515上重复递增所述指针，其中，所述调度间隔S表示时间量。换言之，每调度间隔S，则指向队列511-515中的下一个队列。

排队系统103还包括入队模块502，其被配置为：将所述分组501中的每个分组排入503所述多个队列511-515中的队列中。入队503在除了由指针指向的队列之外的N-1个其它队列中完成。假设图1中的指针当前指向队列511。然后，基于该分组501的定时信息并考虑队列的循环次序，将每个分组501排入503其它队列512-515中的一个中。换言之，其它N-1个队列512-515用于根据分组必须到达其目的地的剩余时间的多少来排入503分组501。如果分组501非常紧急，则可以排入503跟随指针指向的队列511之后的下一个队列512中。如果分组501较不紧急，则可以排入503其它队列513-515中的一个中。以此方式，队列512-515覆盖所有传入分组501的剩余时间的范围。

应当注意，到达分组501不会被排入503指针指向的队列511。为此，非常紧急的分组501不会有恰好在指针递增为指向下一个队列512之前被排入503队列511中，并且在错过最后期限之前必须在该队列511中保持缓冲的风险，而是根据其紧急性被排入503下一个队列512，或者其它队列513-515中的一个中。

排队系统103还包括出队模块505，其被配置为：使入队分组从队列511-512中出队504，并且优先从所述指针指向的队列511中出队。换言之，在给定的调度间隔期间，出队模块505优先使分组从指针指向的队列511中出队504，从而最有可能使最紧急的分组出队504。如果没有任何非常紧急的分组入队或缓冲在该队列511中，则出队模块505可以尝试使分组从下一个队列512中出队，以更有效地利用资源。如果下一个队列512也未包含或者不再包含任何分组，则出队模块512可以前进到下一个队列513，并尝试使分组从该队列513中出队。这表明根据循环次序在相同的调度间隔期间，分组可以从其它队列512-513中出队503。如果没有任何分组(不再)缓冲在下一个队列513中，则出队模块505可以更进一步前进到下一个队列514，依此类推。如果分组在此期间被排入较早的队列(例如，被排入队列512，而出队模块505使分组从队列513中出队，指针仍然指向队列511)中，则可以向出队模块505通知此情况，并且在继续从该其它队列513中出队之前，首先使该分组出队。替代地，出队模块505可以简单地以轮询的方式遍历所有队列512-515(即，排除队列511，其中，在该调度间隔期间没有新的分组入队)，以便于实现。

在示例性实施例中，下面的值成立：

-选择G，以使得调度粒度S＝(2^G)*TU。例如，如果TU＝5ms，G＝1，则使得S＝10ms；另一个示例：如果TU＝1ms，G＝3，则使得S＝8ms。

-需要的队列数量N＝(2^B)/(2^G)+1＝2^(B-G)+1。例如，TU＝5ms，B＝4，G＝1，则N＝9；在其它示例中：TU＝1ms，B＝10，G＝3，则N＝129。

在该实施例中，每个到达分组根据其TI值：Q[(i+z)，模N](对所有分组成立，其中，对于1<＝i<＝N-1，S*(i-1)<TIS<＝S*(i)，其中z初始为“0”)被放置到队列中，而由调度器更新，如下所述。技术人员应当理解，z可以被实现为指针。出队模块可以对该组队列执行严格的优先级调度，如果Q[z]不为空，则服务从Q[z]开始的分组，否则服务从Q[z+1]开始的分组，依此类推(其中加法运算“+”执行模N)。在每个间隔S的结束期间，z递增“1模N”。注意，因为i从1开始(即，排除了指针z指向的队列)，所以Q[z]不再填充新的分组。它仅包含在先前的间隔期间未被调度并且需要首先优先发送的分组。

排队系统103可以使用调度粒度S，无差别地处理所有分组i和j，其中|TISi-TISj|<S(即，系统将会在同一FIFO队列中处理它们)。可以通过监控Q[z]中的队列的填充级别以及抛弃或丢弃的分组数量来调适系统，并在线调适S(和/或其它参数，如N)以使用不同的粒度(从而在可能的情况下，相对于使用较少的队列，在使用更多队列以用更精细的时间粒度工作与不必要地丢弃较少的分组之间进行权衡)。

图2A示意性地示出了根据本发明的网络元件的实施例。具体地，图2A示出了网络元件，诸如路由器100、交换机等。路由器100包括可以输出时间戳的时钟(优选为单一时钟)105、输入模块101、路由模块102(或切换模块等)、排队系统103和输出模块104。来自源(未示出)的分组在输入模块101中的路由器100处被接收121，最终从输出模块104向它们的目的地(未示出)传输或者被丢弃。图2A还示出了时钟105可以向输入模块101和输出模块104提供它的时间戳。

然而，技术人员应当理解，图2A中提出的结构布局仅仅是实现某个行为的一种可能的结构布局，也可以获得至少在功能上相当的其它结构布局。

网络元件(在此为路由器)100适用于在分组交换通信网络中处理分组。所述分组中的每个分组从所述分组交换网络中的源经由所述网络元件100发送到所述分组交换网络中的目的地。所述分组中的每个分组包括表示在与所述分组在其目的地处的传送相关联的最后期限之前的剩余时间的定时信息。

输入模块101被配置为：接收121所述分组中的每个分组；以及将所述分组中的每个分组与来自所述时钟105的到达时间戳相关联。

路由模块102是可选的，并且可以被配置为执行路由器100的典型路由任务。

排队系统103被配置为对所述分组中的每个分组进行排队，如在上面针对图1所描述的。具体地，排队系统103可以被配置为使分组出队并将其提供给输出模块104。

输出模块104被配置为：将每个出队分组与来自所述时钟105的离开时间戳相关联；以及基于每个出队分组的离开时间戳与到达时间戳之间的差，从所述网络元件分派122每个出队分组。

在进一步开发的实施例中，输出模块104被配置为：基于将所述出队分组的定时信息与所述差进行比较，确定所述出队分组是否已经错过其最后期限；如果输出模块104确定所述出队分组尚未错过其最后期限，则可以基于所述差更新所述出队分组的定时信息，并将所述出队分组传输122到其目的地。如果输出模块104确定所述出队分组已经错过其最后期限，则可以丢弃所述出队分组或者以尽力服务的方式将所述出队分组向其目的地传输122。

在示例性实施例中，路由器100被配置为执行以下操作：

-接收121传入分组。

-将由时钟105生成的时间戳TS_in与传入分组相关联。时间戳的粒度优选为<＝TU。

-分组被路由模块102使用TI报头字段分类在排队系统103中的正确输出链路(如在传统的IP路由或切换中所选择的)处。

-由排队系统103调度(即，分派)分组，以用于在输出链路上进行传输122。此时，由时钟105生成另一个时间戳TS_now，并且输出模块104使用该时间戳TS_now来用以下值更新TI报头：TI←TI–(TS_now–TS_in)，优选地取整为粒度TU。这样从TI值中减去分组在网络元件(路由器100)的(排队系统103)中处理或排队的时间量。此外，这样调适了分组被传送到目的地的剩余的时间。

-可选地，TI可以进一步由(所估计的)传输时间来减少以达到下一个TimeServ元素。技术人员应当理解，如果该值在数量级上与TI的值相当，则该进一步的减少是特别有利的。

-如果TI>0，则分组将由输出模块104向外发送122。如果TI<＝0，则分组传送时间已经到期并且分组被丢弃(被输出模块104丢弃)。丢弃可以是可选的，并且是否丢弃的决定可以由分组中的指示来驱动。

图2B示意性地示出了根据本发明的网络元件的另一个实施例。具体地，图2B示出了网络元件，诸如路由器100、交换机等。路由器100包括可以输出时间戳的时钟(优选为单一时钟)105、输入模块101、路由模块102(或切换模块等)、排队系统103和输出模块104。该路由器100的实施例可以以如针对图2A所描述的路由器100的实施例相同的方式进行操作。

图2B中的路由器100还包括可选的输入控制模块106、可选的队列优化器107和可选的输出控制模块108。输入控制模块106可以被配置为控制网络元件100使用的设置的预定策略。具体地，输入控制模块106可以验证，甚至强制传入分组使用兼容的定时信息规定。队列优化器107可以被配置为优化在排队系统103中的队列中的一个或多个(优选为指针未指向的队列)中的排队的分组，以改进进一步的处理和/或传送。输出控制模块108可以被配置为如果相邻网络元件或网络系统使用不同(不兼容)的定时信息设置，则根据相邻网络元件或网络系统所需的定时信息设置控制每个分组的定时信息，例如，对于准备传输的每个分组，通过基于存储用于相邻网络元件或网络系统的定时信息设置，转换所述分组的所述定时信息。转换可以包括重新计算定时粒度，和/或重新指示定时信息，如果该定时信息被存储在不同的地点或者以不同的方式存储。

图3示意性地示出了根据本发明的网络系统的两个实施例，即，位于分组交换通信网络中的第一系统300A和第二系统300B。第一系统300A和第二系统300B被示出为在源S与目的地D之间的中间系统(直接或经由一个或多个其它中间网络元件间接)，并且第一系统300A和第二系统300B彼此通信链接302。然而，技术人员应当理解，也可以提供三个、四个或者更多个系统，或者甚至可以提供一个单个系统。

第一系统300A包括多个网络元件301(如上所述)。第二系统300B也包括多个网络元件303(如上所述)。在图3中，针对每个系统示出了四个网络元件，但是应当理解，针对每个系统可以使用少于或者多于四个的网络元件，并且每一个系统的网络元件的数量与同一网络中的其它系统的网络元件的数量无关。

实现相同或者至少兼容的编码方案和TU大小，并且对其使用相同的操作策略的一组通信连接的网络元件(诸如路由器和/或交换机)包括所谓的“TimeServ域”，由于执行内部兼容的定时调度，这与用于优先级调度的“DiffServ域”类似。为了方便命名，因此图3中的每个系统可以被称为“TimeServ域”，由于其基于预先商定的定时参数(即，时间编码方案)在内部进行操作。

在TimeServ域的边界的网络元件可以在两个域中的时间编码方案之间(以及可能的，在分组报头中的所使用的字段之间，如果它们应当不同的话)进行映射或者重新标记(即，转换)。该功能在图3中使用框118示意性示出，其可以是包括在位于其相应的TimeServ域的边界处的网络元件301中的一个中的模块，或者可以是位于在该边界处的单独的网络元件。框118的作用是将定时信息从第一系统300A映射或重新标记到第二系统300B。优选进行重新标记，以使得新的域中的TI<＝旧的域中的TI。

伴随策略系统可能允许运营商规定策略或配额，以鼓励终端用户和应用如实标记分组，而不是比其策略或订阅允许的更紧急。例如，IPTV订户被允许传送一定数量的非常紧急的分组以用于改变信道(以便快速接收新的信道的分组)，但是通常具有如500ms或者以上的传输时间值，并且在查看稳定状态下的信道时使用缓冲。可能需要在TimeServ进入点处的监控和管理功能以执行这些策略。框116A和框116B分别示意性示出了第一系统300A和第二系统300B各自的这样的监控和管理功能。这些框116A和116B可以是包括在位于相应的系统300A和系统300B的网络元件301和网络元件303中的一个、一些或者全部中的模块，或者它们可以是对整个TimeServ域执行策略的单独的网络元件。

在本说明书中，根据一般的计算机工程实践，例如，由于取整的需要，“等于或基本等于”可以表示“数学意义上完全等于，或者略有微小差的等于”。

本领域的技术人员容易认识到，可以通过编程计算机执行各种以上所描述的方法的步骤。在此，某些实施例还旨在涵盖程序存储设备，例如，数字数据存储介质，其是机器或计算机可读的并且编码机器可执行或计算机可执行的指令程序，其中所述指令执行以上所描述的方法的一些或全部步骤。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存储介质、硬盘驱动器、或者光学可读数字数据存储介质。实施例还旨在涵盖编程为执行以上所描述的方法的步骤的计算机。

说明书和附图仅仅说明了本发明的原理。因此，应当理解，本领域的技术人员将能够设计出体现本发明的原理并落在本发明的精神和范围内的各种布置，尽管在本文中未明确地描述或示出。此外，在本文中所述的所有示例主要旨在仅用于教学目的，以帮助读者理解由发明人为了促进本领域而贡献的本发明的原理和概念，应被理解为不限于这样的具体描述的示例和条件。此外，在本文中描述本发明的原理、方面和实施例及其具体示例的所有陈述旨在涵盖其等同物。

附图中所示的各种元件的功能，包括被标记为“处理器”的任何功能框，可以通过使用专用硬件，以及能够结合适当的软件执行软件的硬件来提供。当由处理器提供时，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单独的处理器提供。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应被理解为仅指能够执行软件的硬件，还可以隐含包括但不限于数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和非易失性存储设备。还可以包括其它常规和/或定制的硬件。类似地，附图中所示的任何交换机仅仅是概念性的。如从上下文中更具体地理解，交换机的功能可以通过程序逻辑的操作，通过专用逻辑，通过程序控制和专用逻辑的交互来执行，或者甚至通过由实施者可选择的特定技术手动执行。

本领域的技术人员应当理解，在本文中的任何框图表示体现本发明的原理的说明性电路的概念视图。类似地，应当理解，任何流程图表、流程图、状态转换图、伪代码等表示可以基本上体现在计算机可读介质中并由计算机执行的各种过程。

尽管在上面已经结合具体实施例阐述了本发明的原理，但是应当理解，仅仅以示例的方式进行了描述，并不限制由所附权利要求所确定的保护范围。

Claims

1.一种用于在分组交换网络中的网络元件处的排队系统中对分组进行排队的方法，

其中，所述分组中的每个分组从所述分组交换网络中的源经由所述网络元件发送到所述分组交换网络中的目的地，

其中，所述分组中的每个分组包括表示在与所述分组在其目的地处的传送相关联的最后期限之前的剩余时间的定时信息；

其中，所述排队系统包括：

-N个队列，其中，所述N个队列中的每个队列被配置为缓冲所述分组中的至少一个分组，其中，所述N个队列具有循环次序；

其中，所述方法包括：

-跟踪指针，其中，在第一时间点，所述指针指向所述N个队列中的队列；

-根据所述N个队列的所述循环次序，在每次经过调度间隔S后，在所述第一时间点之后的第二时间点之后，在所述N个队列上重复递增所述指针，其中，所述调度间隔S表示时间量；

-基于所述分组的定时信息并考虑所述N个队列的所述循环次序，将所述分组中的每个分组排入所述N个队列中的队列中，其中，该队列与所述指针指向的所述N个队列中的队列不同；以及

-使入队分组从所述N个队列中出队，并且优先从所述指针指向的所述N个队列中的队列中出队。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，优先从所述指针指向的所述N个队列中的队列中出队包括：

-如果所述指针指向的所述N个队列中的队列包含任何入队分组，则使入队分组从所述指针指向的所述N个队列中的队列中出队；以及

-如果所述指针指向的所述N个队列中的队列是空的，则根据所述N个队列的所述循环次序，逐步尝试使入队分组从跟随在所述指针指向的所述N个队列中的队列之后的所述N个队列中的下一个队列中出队。

3.根据上述任一权利要求所述的方法，其中，将所述分组中的每个分组排入所述N个队列中的队列中包括：

-将所述分组排入所述N个队列中的第i个队列中，其中，排除所述指针指向的队列，其中，如果由所述分组的定时信息表示的剩余时间超过下限阈值并且低于或等于上限阈值，则根据所述N个队列的所述循环次序，i从在所述指针指向的所述队列之后的队列开始逐1计数，其中，所述下限阈值等于或基本等于S*(i-1)，所述上限阈值等于或基本等于S*i。

4.根据上述任一权利要求所述的方法，其中，分组的所述定时信息在所述分组的报头字段中指示，优选地，在用于标识所述分组的差分服务的报头字段中指示。

5.根据上述任一权利要求所述的方法，其中，分组的所述定时信息使用B个位指示，其中，B小于或等于6。

6.根据上述任一权利要求所述的方法，其中，每个分组的剩余时间落在预定的允许时间范围R内；以及

7.根据上述任一权利要求所述的方法，包括：通过以下操作动态调整所述排队系统：

-监控所述排队系统的至少一个缓冲参数，其中，所述至少一个缓冲参数包括以下中的任何一个或多个：所述N个队列的填充级别的数量和所述排队系统中分组丢弃的数量；

-基于所述至少一个缓冲参数，计算新的调度间隔S'以替代所述调度间隔S；

-基于所述至少一个缓冲参数，计算新的数量N'以替代所述N个队列的数量N；以及

-根据所述新的调度间隔S'和所述新的数量N'，调适所述排队系统。

8.一种用于在分组交换通信网络中的网络元件中处理分组的方法，

其中，所述方法包括：

-接收所述分组中的每个分组；

-将所述分组中的每个分组与来自时钟的到达时间戳相关联；

-根据上述权利要求所述的方法中的任何一个，对所述分组中的每个分组进行排队，其中，所述排队包括使分组出队；

-将每个出队分组与来自所述时钟的离开时间戳相关联；以及

-基于每个出队分组的离开时间戳与到达时间戳之间的差，从所述网络元件分派每个出队分组。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述分派包括：

-基于将所述出队分组的定时信息与所述差进行比较，确定所述出队分组是否已经错过其最后期限；

-如果确定所述出队分组尚未错过其最后期限，则基于所述差更新所述出队分组的定时信息，并将所述出队分组传输到其目的地；以及

-如果确定所述出队分组已经错过其最后期限，则丢弃所述出队分组或者以尽力服务的方式将所述出队分组向其目的地传输。

10.根据权利要求8或9所述的方法，包括：

-估计用于将分组传送到其目的地的分组传送时间；以及

-通过从所述分组的剩余时间中减去所估计的分组传送时间来更新所述分组的所述定时信息。

11.一种用于在分组交换网络中的网络元件处对分组进行排队的排队系统，

其中，所述排队系统包括：

-指针，其中，在第一时间点，所述指针指向所述N个队列中的队列；

-调度器，其被配置为根据所述N个队列的所述循环次序，在每次经过调度间隔S后，在所述第一时间点之后的第二时间点之后，在所述N个队列上重复递增所述指针，其中，所述调度间隔S表示时间量；

-入队模块，其被配置为基于所述分组的定时信息并考虑所述N个队列的所述循环次序，将所述分组中的每个分组排入所述N个队列中的队列中，其中，该队列与所述指针指向的所述N个队列中的队列不同；以及

-出队模块，其被配置为使入队分组从所述N个队列中出队，并且优先从所述指针指向的所述N个队列中的队列中出队。

12.一种用于在分组交换通信网络中处理分组的网络元件，

其中，所述网络元件包括：

-时钟；

-输入模块，其被配置为：

-接收所述分组中的每个分组；以及

-将所述分组中的每个分组与来自时钟的到达时间戳相关联；

-排队系统，用于根据权利要求12对所述分组中的每个分组进行排队，并被配置为使分组出队；

-输出模块，其被配置为：

-将每个出队分组与来自所述时钟的离开时间戳相关联；以及

-基于每个出队分组的离开时间戳与到达时间戳之间的差，由所述网络元件调度每个出队分组。

13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述输出模块被配置为：

14.一种用于处理分组的网络系统，

所述网络系统包括至少两个根据权利要求12或13所述的网络元件，

其中，所述至少两个网络元件彼此通信连接，以及

其中，所述至少两个网络元件被配置以用于处理剩余时间落在相同预定的允许时间范围R内的分组。

15.一种包括计算机可执行指令的计算机程序产品，所述计算机可执行指令用于在所述程序在计算机上运行时执行方法，所述方法包括权利要求1至11中任一项所述的方法中的任何一个的步骤。