CN109889450B - 组播速率控制方法以及组播传输设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于组播数据传输的速率控制，具体是组播速率控制方法以及组播传输设备，组播速率控制方法，通过捎带在组播数据包上的用于对链路各节点的发送速率进行计算、协商和反馈的控制包头按照分配策略动态地探测、获取位于链路上的各中间节点所分配的数据速率并调整组播的发送速率。本组播速率控制方法让所有接收节点都参与组播发送速率的动态控制中，无需占用多个优先级队列就能够为组播业务实现基于优先级的带宽分配，提供QoS保证；并且，易于实现，对硬件存储、计算能力要求低，能够在目前的可编程硬件上实现并提供线速处理能力。

Description

组播速率控制方法以及组播传输设备

技术领域

本发明属于组播数据传输的速率控制，具体是组播速率控制方法以及组播传输设备。

背景技术

在现代数据中心里，大量云应用都有“一对多”的通信需求。例如，在基于Docker容器的微服务架构中(如Kubernetes)，每当用户需要部署或者升级某个微服务时，该微服务的新容器镜像都需要从镜像仓库节点传输到所有部署节点；在分布式存储系统中(如Google文件系统)，为了保证数据的高可靠性，每个新写入的数据块文件通常需要分发到多个备份节点，以提高数据的可靠性。“一对多”传输任务天然适合采用IP网络层组播(IPMulticast)实现。通过网络节点的组播能力，相同的数据不会被重复传输，提高了传输的效率，避免了带宽的浪费。

实际应用时，网络中往往同时存在来自不应用的多个多播传输业务。当链路出现拥塞时，多播传输协议必须要能够进行对应的速率调整，以消除拥塞。与此同时，对于需要可靠多播的场景，还需要检测出被丢的数据包，进行重传。其中，丢失的数据包可以通过NACK(negative-acknowledgement)等机制重传恢复。

目前已有的单源组播拥塞控制主要采用基于TCP的拥塞控制方案。具体而言，由于一个组播传输通常包含多个数据接收者。现有的拥塞控制方法则是从这一组接收节点中挑选出速率最慢的那个，然后让发送节点和这个接收节点运行一个类似于TCP拥塞控制的协议，以此控制该组播的发送速率。在运行过程中，当链路上的可用带宽变化后，最慢的节点会发生改变，这类做法也会动态的挑选出新的最慢节点。在最慢节点的选择，以及最慢节点和发送节点之间的拥塞控制上，不同的方案在细节设计上不相同。

但总的来说，现有的这些方案具有两大特点：1，任何时刻都只有一个接收节点参与到组播速率的控制回路；2，被选中的最慢节点和发送节点之间运行类似TCP的协议，在不支持多硬件队列的网络中，这会导致瓶颈链路上的带宽按照按照公平性带宽分配的方式进行分配，无法实现按照QoS优先级的方式分配带宽。

发明内容

本发明的目的是提供一种可有效降低拥塞，让带宽的使用效率更高效的组播速率控制方法以及组播传输设备，以期望解决上述问题。

为了实现上述目的，本申请提供了一种组播速率控制方法。

组播速率控制方法，通过捎带在组播数据包上的用于对链路各节点的发送速率进行计算、协商和反馈的控制包头按照分配策略动态地探测、获取位于链路上的各中间节点所分配的数据速率并调整组播的发送速率。

即发送节点(组播的源节点)随每个需要组播的业务数据包，或按照一定的周期，组播控制包头；该数据包经过的路由器根据包头携带的信息，计算该设备上对应的链路能够为该组播分配的带宽，并将信息更新到控制包头。最终，接收节点收到控制包头后，向发送节点反馈探测到的可用带宽信息。发送节点根据所有接收节点的反馈计算新的组播发送速率，以此进行后续的组播。

本发明主要解决发送速率的动态调整问题。考虑到不同的多播业务可能拥有不同的QoS/QoE要求，为了更好的满足应用的要求，速率控制机制必须要能根据业务的QoS指标来分配瓶颈链路上的带宽(例如，严格按照业务的优先级来分配带宽)，而不是单纯的做简单的公平性带宽分配。

进一步的是，上述控制包头包括命令类型T、服务等级或优先级P、当前组播速率CR和下阶段协商组播速率NR四个字段。

下阶段协商组播速率NR，是指组播的发送节点、各个中间节点、以及各接收节点通过一定的机制计算和协商出的一个速率值，被用于确定该组播接下来的组播发送速率。对于正向控制报文，NR的物理含义为下阶段协商组播速率，对于反向反馈报文，NR可以代表探测到的NR可用带宽。

进一步的是，上述命令类型T可选择的取值包括：

发送节点工作状态对应值，用于代表报文是由发送节点通过组播树发送给接收节点，其中组播速率的计算、探测与发送节点所在工作状态对应；

接收节点反馈状态对应值，用于代表报文是由接收节点反馈给发送节点的可用带宽通告报文。反馈报文中NR的值格式与正向探测报文中NR的值格式一样，均为无符号整数。实际中可以使用32比特。

进一步的是，上述命令类型T可选择的取值包括：

RPOBE，用于表示此时发送节点能够使用的组播发送速率≤阈值TR，发送节点周期性地发送不含业务数据的PROBE包，探测组播树的可用带宽；

DATA，用于表示此时该组播的组播发送速率＞阈值TR，发送节点按照该组播速率发送业务数据，并在业务数据上携带控制包头，用以探测组播树的带宽；

FIN，用于表示此时该组播任务结束，发送节点组播一次FIN包，组播速率计算装置回收已分配给该组播的带宽；

FDBK，用于表示接收节点对于收到的PROBE或DATA包的反馈数据包，如果发送节点到接收节点链路上的可用带宽发生了改变，接收节点通过此种数据包发送反馈信息给发送节点、通告新的可用带宽。

即PROBE、FIN、DATA报文是发送节点发送、中间节点修改、接收节点接收的报文。该类控制报文通过组播的方式到达所有接收节点。

其中，前三种取值代表该报文是由发送节点(组播源节点)，通过组播树发送给接收节点，用于组播速率的计算和探测，与发送节点所在3种工作状态对应；最后一种取值FDBK代表报文是由接收节点反馈给组播源的可用带宽通告报文。

具体的是，上述分配策略包括根据所有在线组播任务的QoS优先级为每个链路上的每个组播请求计算可用带宽。

具体的是，上述控制包头各项内容为命令类型T、服务等级或优先级P、当前组播速率CR和下阶段协商组播速率NR；

上述分配策略包括以下操作：

当链路的可用于组播的总带宽为C，让优先级最高的组播满载的使用带宽或尽其所能的使用带宽；

设定当前网络中处于DATA状态的组播请求的ID值集合为F，数目为N；

设新收到的报文对应的组播标识为ID；

设链路上优先级最高的组播业务的ID值为SID，P值为SP，发送速率为SCR；

初始状态下，F为空；

N＝0；

SID＝0；

SP为组播业务不会使用的最大优先级值；

SCR为0；

步骤1、当T为FIN或者PROBE，进行步骤2，当T为DATA，跳转到步骤4，否者跳转到步骤11；

步骤2、当ID在集合F中，从集合F中删除ID；N自减1；

步骤3、当ID等于SID，将SID置为0，SP置为不可使用的最大优先级值；

步骤4、当T为DATA并且ID不在F中，则将ID添加到F中，N自加1；

步骤5、当T为PROBE或者DATA，进行步骤6，否者跳转到步骤11；

步骤6、当P小于SP或者ID与SID相等，进行步骤7，否者跳转到步骤9；

步骤7、NR＝min(NR，C)；

步骤8、当T为DATA，那么将SID置为ID，SCR置为当前组播速率CR，SP置为P；跳转到第11步；

步骤9、当T为DATA，那么设M＝N，否者M＝N-1；

步骤10、NR＝min(NR，max(0，C-SCR)/M)；

步骤11、结束。

上述的M为自定义参数，用于步骤10的计算表达式中。

具体的是，设有N个接收节点，当前的接收节点反馈的速率分别为NR_i，其中，i＝1，2，3，……，N；组播树的速率为所有反馈速率的最小值；上述发送节点进入带宽探测状态时，当接收节点没有反馈，由最近的带宽反馈值进行计算；

第1步骤、带宽控制开始；

第2步骤、命令类型T取值RPOBE，发送节点周期性的发送带宽探测报文，根据各接收节点反馈的下阶段协商组播速率NR，估算组播业务的最大组播速率当前组播速率CR；

在当前组播速率CR≤阈值TR时继续进行本步骤；在当前组播速率CR＞阈值TR时，进行第3步骤；在时间到组播任务截止期限时，进行第4步骤；

第3步骤、命令类型T取值DATA，发送节点按照速率当前组播速率CR组播，探测下阶段协商组播速率NR；在当前组播速率CR＞阈值TR时继续进行本步骤；当下阶段协商组播速率NR≤阈值TR，返回第2步骤；在发送完毕或时间到组播任务截止期限时，进行第4步骤；

第4步骤、命令类型T取值FIN，带宽控制结束。

具体的是，上述接收节点缓存上一次已经反馈给发送节点的速率AR；接收节点能够处理的最大速率为MR，并且当前控制头中探测到的路径带宽值为NR；上述接收节点反馈按以下操作进行：

第1步骤、设R＝min(NR，MR)；

第2步骤、当有一个NACK报文需要发送，则进行第3步骤，否者跳转到第4步骤；

第3步骤、AR＝R并将R捎带在NACK的NR中送出反馈给发送节点；跳转到第6步骤；

第4步骤、当|R-AR|≥a*AR且rand()<b那么继续第5步骤；否者跳转到第6步骤；

第5步骤、AR＝R并且生成一个反馈报文将R捎带在NR字段中送出，反馈给组播发送节点；

第6步骤、结束；

其中，a为一个带宽更新通告的可配置的阈值，其中a≥0；b为消除冗余反馈的阈值，其中0≤b≤1。

即对于收到PROBE和DATA，接收节点根据上述方案，生成FDBK，反馈给发送节点。

上述NACK中也携带了组播速率控制报头。此时只有T＝FDBK，NR＝R。其他字段无效。

本组播速率控制方法让所有接收节点都参与组播发送速率的动态控制中，无需占用多个优先级队列就能够为组播业务实现基于优先级的带宽分配，提供QoS保证；并且，易于实现，对硬件存储、计算能力要求低，能够在目前的可编程硬件上实现并提供线速处理能力。

作为本申请的另一个方面，本申请还采用了一种组播传输设备，包括位于报文传输链路上的中间节点，用于接收报文后并根据组播规则将报文复制多份从不同链路发出；其中

上述中间节点包括组播速率计算模块，用于根据当前的网络可用带宽、组播流的服务等级要求采用上述的组播速率控制方法，为并发的组播计算发送速率。组播速率计算模块根据当前的网络可用带宽，以及组播流的服务等级要求，为并发的组播计算具体的发送速率。

上述组播速率计算装置包括交换机、路由器中任意一种。当然也可以是其他网络中间件。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显。或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为用于说明实施方式中的组播传输设备示意图；

图2为用于说明实施方式中的组播发送节点工作流程图；

图中标记为：1-发送节点、2-组播速率计算模块、3-接收节点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：

本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一分部的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”以及它的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

如图1，一种组播传输设备，包括位于报文传输链路上的中间节点，用于接收报文后并根据组播规则将报文复制多份从不同链路发出；其中上述中间节点包括组播速率计算模块，用于根据当前的网络可用带宽、组播流的服务等级要求采用一种组播速率控制方法，为并发的组播计算发送速率。

在本设备的在一个组播任务中涉及三个参与者，组播速率计算模块上、下游通过链路分别连接发送节点、多个接收节点。其中

发送节点的标识方式：发送节点IP地址+UDP源端口号

组播任务的标识方式：组播源标识+组播接收地址+组播侦听端口号

接收节点的表示方式：接收节点IP地址+组播侦听端口号

上述的组播速率控制方法为：通过捎带在组播数据包上的用于对链路各节点的发送速率进计算、协商和反馈的控制包头按照分配策略动态地探测、获取位于链路上的各中间节点所分配的数据速率并调整组播的发送速率。

设计一个专门的控制报头，用于对组播源、接收节点、中间节点或参与的中间设备进行发送速率的计算、协商，以及反馈。该报文头包含4个字段：命令类型(T)、服务等级/优先级(P)、当前组播速率(CR)、下阶段协商组播速率(NR)。如下表1：

T

P

CR

NR

Payload

表1

其中，T有4种可能取值：RPOBE、DATA、FIN，以及FDBK。其中，前三种取值代表该报文是由组播源节点，通过组播树发送给接收节点，用于组播速率的计算和探测，与发送节点所在3种工作状态对应；最后一种取值FDBK代表报文是由接收节点反馈给组播源的可用带宽通告报文。如下表2所示：

表2

运行过程中，组播源、中间节点、接收节点通过控制头实现组播速率的协商和控制。报头中各字段的含义和使用如下表3：

表3

运行过程中，各参与者的角色如下：

组播发送节点：

工作流程如图2所示。组播树(会话)建立完毕后，进入带宽探测状态。假设有N个接收点，它们当前的反馈的速率分别为NR_1，NR_2,…,NR_N。那么，本组播树的速率为所有反馈速率的最小值。如果接收节点没有反馈，就用最近的带宽反馈值来计算。

组播接收节点：

接收节点缓存上一次已经反馈给源节点的速率，假设为AR；接收节点能够处理的最大速率为MR，并且当前控制头中探测到的路径带宽值为NR。那么，对于收到的每个调度投，接收节点的工作方式如下表4：

1	R＝min(NR，MR)
		2	如果当前有一个NACK报文需要发送，则继续第3步骤，否者跳转到第4步
3	AR＝R并将R捎带在NACK的NR中送出反馈给组播发送节点；跳转到第6步
		4	如果|R-AR|≥a*AR且rand()<b那么继续第5步；否者跳转到第6步
5	AR＝R并且生成一个反馈报文将R捎带在NR字段中送出，反馈给组播发送节点
		6	结束

表4

其中的a和b分别为可以配置的参数。a表示表示一个带宽更新通告的阈值；设置较大的阈值，可以避免对一点微小的带宽变化就做公告，能够有效降低带宽消耗；

而考虑到带宽更新通告/反馈在传输过程中可能出现丢包。此时，即使路径上有充足的可用带宽，而发送节点并不知道，还是会持续的发探测包。这种情况下，两次带宽探测的值并没有明显的变化，为了保证接收节点能够做出正确响应，接收节点会以一定的概率或比例来产生反馈，即阈值b。

组播中间节点：

中间节点收到报文后会根据组播规则将报文复制多份，从不同出端口发出。为了更好的控制速率，本发明设计了一套带宽分配计算方法，根据所有在线组播任务的QoS优先级，为每个出端口(即每个链路)上的每个组播请求计算可用带宽(即下一次能够支持的组播速率)。

假设当前出端口(链路)的可用于组播的总带宽为C，本发明采用的策略是，让优先级最高(即P值最低)的组播尽其所能使用带宽。因为受到组播树上其他链路可用带宽的限制，或者节点处理能力的限制，带宽可能会有剩余。那么，剩下的其他优先级的活跃组播任务(即处于DATA的那些)平分剩余的可用带宽。

假设当前网络中正在活跃传输(即处于DATA状态)的组播请求的ID值集合为F，数目为N；新收到的报文对应的组播标识为ID、控制头各项内容为T、P、CR、NR，

而当前该端口(链路)上优先级最高的组播业务的ID值是SID，P值为SP，发送速率为SCR。

初始状态下，F为空；N＝0；SID＝0；SP为组播业务不会使用的最大优先级值；SCR为0；

那么，每当收到一个组播报文，中间节点的处理规则如下表5(更新设备内的状态变量，以及报文中的NR)：

表5

采用本组播传输设备、组播速率控制方法，能够为组播业务提供基于优先级的带宽分配，进而提供QoS差异化服务能力，并且对硬件要求不高，通过与其他技术配合使用，能够在现有可编程交换机或路由器上实现出来，提供提供线速的处理能力，支持高速网络下的报文处理要求。

为了应对FIN数据包在组播过程中可能出现的丢失，中间节点的组播速率计算装置在运行过程中还会排查F集合中是否有组播任务长时间没有发送过DATA数据。如果是，则认为该组播已经结束，将其ID从F中删除，并让N自减1。

以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.组播速率控制方法，其特征在于，通过捎带在组播数据包上的用于对链路上各节点的发送速率进行计算、协商和反馈的控制包头按照分配策略动态地探测、获取位于链路上的各中间节点所分配的数据速率并调整组播的发送速率；

所述分配策略包括根据所有在线组播任务的QoS优先级为每个链路上的每个组播请求计算可用带宽；

所述控制包头包括命令类型T、服务等级或优先级P、当前组播速率CR和下阶段协商组播速率NR四个字段；

所述命令类型T可选择的取值包括：

RPOBE，用于表示此时发送节点能够使用的组播发送速率≤阈值TR，发送节点周期性地发送不含业务的数据的PROBE包，探测组播树的可用带宽；

DATA，用于表示此时该组播的组播发送速率＞阈值TR，发送节点按照该组播速率发送业务数据，并在业务数据上携带控制包头，用以探测组播树的带宽；

FIN，用于表示此时该组播任务结束，发送节点组播一次FIN包，组播速率计算装置回收已分配给该组播的带宽；

FDBK，用于表示接收节点对于收到的PROBE或DATA包的反馈数据包，如果发送节点到接收节点链路上的可用带宽发生了改变，接收节点通过此种数据包发送反馈信息给发送节点、通告新的可用带宽；

所述组播树的速率为所有节点反馈速率的最小值；所述发送节点进入带宽探测状态时，当接收节点没有反馈，用最近的带宽反馈值进行计算；

所述下阶段协商组播速率NR，是指组播的发送节点、各个中间节点、以及各接收节点通过一定的机制计算和协商出的一个速率值，被用于确定该组播接下来的组播发送速率；

所述发送节点按以下操作进行：

第1步骤、带宽控制开始；

第2步骤、命令类型T取值RPOBE，发送节点周期性的发送带宽探测报文，根据各接收节点反馈的下阶段协商组播速率NR，更新组播业务的当前组播速率CR；

在当前组播速率CR≤阈值TR时继续进行本步骤；在当前组播速率CR＞阈值TR时，进行第3步骤；在时间到组播任务截止期限时，进行第4步骤；

第3步骤、命令类型T取值DATA，发送节点按照当前组播速率CR组播，探测下阶段协商组播速率NR；在当前组播速率CR＞阈值TR时继续进行本步骤；当下阶段协商组播速率NR≤阈值TR，返回第2步骤；在发送完毕或时间到组播任务截止期限时，进行第4步骤；

第4步骤、命令类型T取值FIN，带宽控制结束。

2.如权利要求1所述的组播速率控制方法，其特征在于，所述命令类型T可选择的取值包括：

发送节点工作状态对应值，用于代表报文是由发送节点通过组播树发送给接收节点，其中组播速率的计算、探测与发送节点所在工作状态对应；

接收节点反馈状态对应值，用于代表报文是由接收节点反馈给发送节点的可用带宽通告报文。

3.如权利要求2所述的组播速率控制方法，其特征在于，所述接收节点缓存上一次已经反馈给发送节点的速率AR；接收节点能够处理的最大速率为MR，并且当前控制头中探测到的路径带宽值为NR；所述接收节点反馈按以下操作进行：

第1步骤、设R＝min(NR，MR)；

第2步骤、当有一个NACK报文需要发送，则进行第3步骤，否者跳转到第4步骤；

第3步骤、AR＝R并将R捎带在NACK的NR中送出反馈给发送节点；跳转到第6步骤；

第4步骤、当|R-AR|≥a*AR且rand()<b那么继续第5步骤；否者跳转到第6步骤；

第5步骤、AR＝R并且生成一个反馈报文将R捎带在NR字段中送出，反馈给组播发送节点；

第6步骤、结束；

其中，a为一个带宽更新通告的可配置的阈值，其中a≥0；b为消除冗余反馈的阈值，其中0≤b≤1。

4.如权利要求1所述的组播速率控制方法，其特征在于，

所述分配策略包括以下操作：

当链路的可用于组播的总带宽为C，让优先级最高的组播满载的使用带宽；

设定当前网络中处于DATA状态的组播请求的ID值集合为F，数目为N；

设新收到的报文对应的组播标识为ID；

设链路上优先级最高的组播业务的ID值为SID，P值为SP，发送速率为SCR；

初始状态下，F为空；

N＝0；

SID＝0；

SP为组播业务不会使用的最大优先级值；

SCR为0；

步骤1、当T为FIN或者PROBE，进行步骤2，当T为DATA，跳转到步骤4，否者跳转到步骤11；

步骤2、当ID在集合F中，从集合F中删除ID；N自减1；

步骤3、当ID等于SID，将SID置为0，SP置为不可使用的最大优先级值；

步骤4、当T为DATA并且ID不在F中，则将ID添加到F中，N自加1；

步骤5、当T为PROBE或者DATA，进行步骤6，否者跳转到步骤11；

步骤6、当P小于SP或者ID与SID相等，进行步骤7，否者跳转到步骤9；

步骤7、NR＝min(NR，C)；

步骤8、当T为DATA，那么将SID置为ID，SCR置为CR，SP置为P；跳转到第11步；

步骤9、当T为DATA，那么M＝N，否者M＝N-1；

步骤10、NR＝min(NR，max(0，C-SCR)/M)；

步骤11、结束。

5.组播传输设备，其特征在于，包括位于报文传输链路上的中间节点，用于接收报文后并根据组播规则将报文复制多份从不同链路发出；其中

所述中间节点包括组播速率计算装置，用于根据当前的网络可用带宽、组播流的服务等级要求采用如权利要求1-4任意一项所述的组播速率控制方法，为并发的组播计算发送速率。

6.如权利要求5所述的组播传输设备，其特征在于，所述组播速率计算装置包括交换机、路由器中任意一种。

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