CN112235209A - 虚拟电路的网内控制 - Google Patents

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Abstract

本发明为虚拟电路的网内控制。本发明旨在重新设计互联网的流量工程（Traffic engineering，TE）系统，通过虚拟电路网络中的网内控制，来最大化网络系统的总吞吐量，和/或最小化网络延迟。在本发明中，虚拟电路（virtual circuit,VC）可以不在一个固定的路径上或电路上被实施，而必须经过多个固定点。多个虚拟电路被组织为数据高速公路，该高速公路配备有入口匝道和出口匝道。来自终端的数据包通过入口匝道进入高速公路，并通过出口匝道离开高速公路。高速公路的入口或出口匝道在网内控制系统的组件子系统中实现。

Description

虚拟电路的网内控制
技术领域
本发明涉及用于数据网络中的网络内控制的方法，系统和协议，尤其涉及旨在最大化网络系统的总吞吐量，并最小化网络系统上的应用延迟的网内控制机制。
背景技术
流量工程（Traffic engineering ，TE）是指通过动态调节数据路由和网络上的数据流的行为来优化数据网络的性能。因此，TE系统是优化数据网络性能的控制系统。在撰写本文时，网络行业的TE方法专注于缓解拥塞和负载均衡。此外，传统TE方法从端到端或部分网络角度优化网络性能。与此相反，本发明旨在通过网内控制来优化整个系统的吞吐量和延迟。
在许多当前TE系统中，反馈（或观察）和控制被限制在网络边缘处发生。这些限制人为地抑制了TE系统的性能。由于拥塞和数据包丢失通常发生在网络内部，因此也应在网络内部采取纠正措施。虽然这很清楚，但网络行业坚持端到端的原则，放弃了更好的方法。最近，随着谷歌，微软和亚马逊等大公司推出SDN（Software-defined networking，软件定义网络）新技术，这一趋势开始逆转。在SDN运动中，控制和网络控制的中心化起着重要作用。
一些SDN倡导者已经开始复兴“古老”技术，如电路交换，多物流优化和最大最小（maxmin）速率分配。这些技术的设计违背了端到端原则。
端到端原则是发展互联网的商业战略。如今它的用处已经发挥作用，现在是将互联网视为复杂控制系统，并应用控制理论的时候了。SDN倡导者认为，互联网需要一个彻底的新设计。正确的新设计应采用经过时间考验的控制理论。本发明旨在重新设计互联网的TE系统，通过虚拟电路网络中的网内控制，来最大化网络系统的总吞吐量，和/或最小化网络延迟。
此后，网络系统中的流是从一端到另一端的数据包序列。此外，术语词流（stream）和数据流（flow）可互换使用。
发明内容
本发明的各方面涉及为网内控制提供的系统，协议和方法，以最大化网络系统的总吞吐量，和/或最小化网络系统上的网络延迟。
在一个具体实例中，包括分布在网络系统上的多个组件子系统的网内控制系统维护并管理着网络系统中的多个虚拟电路(或virtual circuit, VC)。
在本发明中，所定义的虚拟电路不同于通常所给出的定义。根据本发明的一个方面，VC可以不在一个固定的路径上或电路上被实现。比如，穿过多个固定点的一条路径，也是虚拟电路的一个特例。比如ATM （asynchronous transfer mode，异步传输模式）或MPLS(multi-protocol label switching，多协议标签交换) 也可以实现一个虚拟电路；这些VC是全路径固定的。
在一个具体实例中，多个虚拟电路被组织为数据高速公路，其中高速公路配备有入口匝道和出口匝道。来自终端的数据包通过入口匝道进入高速公路，并通过出口匝道离开高速公路。在一个具体实例中，高速公路的入口或出口匝道在网内控制系统的组件子系统中实现。
终端的概念逻辑的；逻辑终端可以包括连接到网络系统的多种物理终端设备。例如, 连接到 Wi-Fi 基站的多种手机可以被视为逻辑终端。此外, 终端可能是物理终端设备中的软件实例。
在一个具体实例中，连接到网络系统的网内控制系统计算并解决多物流优化问题(multi-commodity flow optimization problem)，问题解决方案为多个物流提供一组路径，其中物品定义表示如下：一个物品指从一端发送到另一端的数据，两端都连接到网络系统。
在一个具体实例中，网内控制系统维护多个终端对(endpoint pair)的路径列或VC表，而每个终端对拥有至少一个路径或VC。这些路径或VC可以从一个多物流优化问题的解决方案中挑出。此外，一个终端对的路径至少包括在一个由网内控制系统维护的虚拟电路 （VC）。
在一个具体实例中，一个终端从网内控制系统请求和接收一个VC（Virtualcircuit，虚拟电路）ID，其中VC是网内控制系统维护的一条路径的一部分。
在另一个具体实例中，网内控制系统维护虚拟电路列表和终端对列表，而每个终端对至少保留一个虚拟电路，所有终端连接到网络系统。
在一个具体实例中，网内控制系统在网络系统中实现了一个虚拟电路（Virtualcircuit, VC）数据传输系统。在一个具体实例中，VC传输系统成为一个传输数据的电路交换系统。
在一个具体实例中，网内控制系统允许一个终端对的路径数量不超过2,3或4。
在一个具体实例中，网内控制系统计算网络系统中多个终端对的显式速率，而从一个终端到另一个终端的数据使用固定路径或VC。在一个具体实例中，通过多物流优化问题来确定固定路径。
在一个具体实例中，网内控制系统为多个终端对计算和维持显式速率，一个显式速率用于终端对的一个路径，每个终端连接到网络系统。此外，多个终端对的显式速率成为max-min（最大-最小）速率分配，而每个终端对在固定数量的固定路径或VC上发送数据。
在一个具体实例中，网络内控制系统将特殊控制包或消息发送到终端对的发送端。特殊控制包或消息包含关于一虚拟电路中的丢包信息，如丢包统计估计（例如，平均丢包率），而两个终端之间传输数据的路径使用这虚拟电路。虚拟电路或路径可以包含无线信道。特殊控制包可以包含关于由终端采用的FEC（forward error correction，前向纠错）方法的信息 - 例如，发送方终端可以使用FEC信息来做数据的FEC编码。
此外，特殊控制包或消息可以包含关于虚拟电路中的可用带宽的时间变化的信息，而这虚拟电路用在两个终端之间传输数据的路径上。
在图2中, 描述了数据高速公路的一个具体实例。在这条高速公路中, 有4个高速公路箱 (可能是交换机路由器)。每个高速公路箱上都有一个入口/出口匝道；每个入口/出口匝道连接到一个外部网络, 而该外部网络不是高速公路系统的一部分。在本具体实例中, 4个虚拟电路连接高速公路系统中的4个高速公路箱。
附图说明
图1和图 2为本发明实施例提供的虚拟电路的网内控制的示意图。
具体实施方式
下面结合附图1和图 2，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
如图1所示，分布在网络系统上的多个组件子系统的网内控制系统维护并管理着网络系统中的多个虚拟电路(或virtual circuit, VC)。
在本发明中，所定义的虚拟电路不同于通常所给出的定义。根据本发明的一个方面，VC可在不固定的路径上或电路上被实施。比如，穿过多个固定点的一条路径，也是虚拟电路的一个特例。ATM （asynchronous transfer mode，异步传输模式）虚拟电路或是MPLS(multi-protocol label switching，多协议标签交换) 虚拟电路也是一个VC。根据本发明，一个VC不是一个固定路经，而是必须经过多个固定点，而其它非固定点则可以变动。
如图2所示，多个虚拟电路被组织为数据高速公路，其中高速公路配备有入口匝道和出口匝道。来自终端的数据包通过入口匝道进入高速公路，并通过出口匝道离开高速公路。高速公路的入口或出口匝道在网内控制系统的组件子系统中实现。
图2中的终端的概念是逻辑的；逻辑终端可以包括连接到网络系统的多种物理终端设备。例如, 连接到 Wi-Fi 基站的多种手机可以被视为逻辑终端。此外, 终端可能是物理终端设备中的软件实例。
图2中的连接到网络系统的网内控制系统，计算并解决多物流优化问题，问题解决方案为多个物流提供一组路径，其中物品定义表示如下：一个物品指从一端发送到另一端的数据，两端都连接到网络系统。
图2中的网内控制系统，维护多个终端对的路径列或VC表，而每个终端对拥有至少一个路径或VC。这些路径或VC可以从一个多物流优化问题的解决方案中挑。此外，一个终端对的路径至少包括在一个由网内控制系统维护的虚拟电路 （VC）。
图2中的一个终端从网内控制系统请求和接收一个VC（Virtual circuit,虚拟电路）ID，其中VC是网内控制系统维护的一条路径的一部分。
图2中的网内控制系统维护虚拟电路列表和终端对列表，而每个终端对至少保留一个虚拟电路，所有终端连接到网络系统。
图2中的网内控制系统在网络系统中实现了一个虚拟电路（Virtual circuit,VC）数据传输系统。在一个具体实例中，VC传输系统成为一个数据电路交换系统。
网内控制系统允许一个终端对的路径数量不超过2,3或4。
图2中的网内控制系统计算网络系统中多个终端对的显式速率，而从一个终端到另一个终端的数据使用固定路径或VC。在一个具体实例中，通过多物流优化问题来确定固定路径。
图2中的网内控制系统为多个终端对计算和维持显式速率，一个显式速率用于终端对的一个路径，每个终端连接到网络系统。此外，多个终端对中的显式速率成为max-min（最大-最小）速率分配，而每个终端对在固定数量的固定路径上发送数据。
图2中的网络内控制系统将特殊控制包或消息发送到终端对的发送端。特殊控制包或消息包含关于一虚拟电路中的丢包信息，如丢包统计估计（例如，平均丢包率），而该虚拟电路用于两个终端之间传输数据的路径。虚拟电路或路径可以包含无线信道。特殊控制包可以包含关于由终端采用的FEC（forward error correction，前向纠错）方法的信息 -例如，发送方终端可以根据FEC信息来做数据的FEC编码。
此外，特殊控制包或消息可以包含关于虚拟电路中的可用带宽的时间变化的信息，而这虚拟电路用在两个终端之间传输数据的路径上。
在图2中, 描述了数据高速公路的一个具体实例。在这条高速公路中, 有4个高速公路箱 (可能是交换机路由器)。每个高速公路箱上都有一个入口/出口匝道；每个入口/出口匝道连接到一个外部网络, 该外部网络不是高速公路系统的一部分。在本具体实例中,4个虚拟电路连接高速公路系统中的4个高速公路箱。

Claims (10)

1.一网内控制系统，包括分布在网络系统上的多个组件子系统，维护并管理网络系统中的多个虚拟电路，其中虚拟电路(virtual circuit, VC)可在不固定的路径上或电路上被实施，但必须穿过多个固定点，控制系统执行以下任务：
计算一多物流优化问题，根据问题解决方案为多物流提供一组路径，其中一物流指在网络系统中的两个终端之间传输的数据，而终端是至少一个物理设备或软件实例；
保持和管理一个路径列表，每个所述的路径用于一个终端对，每个终端对应对一个物流，所述的路径从多物流问题的解决方案中挑选；
为一个终端提供虚拟电路 ID，虚拟电路用来传输数据到另个终端；
为多个终端对计算和维持显式速率，为终端对的一个路径分配一个显式速率，每个终端对传输数据通过多个固定VC，多个终端对的分配速率形成maxmin（最大最小）分配。
2.根据权利要求1所述的控制系统，由控制系统保持的每个终端对的路径数不超过2。
3.根据权利要求2所述的控制系统，其中组件子系统对虚拟电路或路径中的丢包量进行统计测量，并将丢包率或关于丢包量的统计信息发送到终端，使终端能够在虚拟电路或路径中发送数据时执行FEC（Forward error correction，前向纠错）编码。
4.根据权利要求3所述的控制系统，其中组件子系统将关于虚拟电路或路径中的可用带宽的时间变化的信息发送到终端，允许终端调整虚拟电路或路径的数据传输速率。
5.一网内控制系统，包括分布在网络系统上的多个组件子系统，维护并管理网络系统中的多个虚拟电路，其中虚拟电路(VC)可在不固定的路径上或电路上被实施，但必须穿过多个固定点，控制系统执行以下任务：
对虚拟电路中的丢包进行统计测量；
将包含丢包率或关于虚拟电路中的包丢失的统计信息的控制消息发送到终端，使得终端能够在虚拟电路中对执行数据FEC（Forward error correction，前向纠错）编码。
6.根据权利要求5所述的控制系统，组件子系统将关于虚拟电路中可用带宽的时间变化的信息发送到终端，允许终端调整通过虚拟电路的数据的传输速率。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其中控制系统维护虚拟电路列表和终端对列表，每个终端对保留至少一个虚拟电路，所有终端连接到网络系统。
8.一网内控制系统，包括分布在网络系统上的多个组件子系统，维护网络系统中的多个虚拟电路，其中虚拟电路(VC)可在不固定的路径上或电路上被实施，但必须穿过多个固定点，控制系统执行以下任务：
管理多个虚拟电路作为数据高速公路系统，其中高速公路系统配备有入口匝道和出口匝道；
允许数据包通过入口匝道进入高速公路；
允许数据包通过出口匝道离开高速公路；
和在网内控制系统的组件子系统中实现高速公路的入口匝道或出口匝道。
9.根据权利要求8所述的网内控制系统，控制系统维护所述终端对的显式速率，终端连接到所述网络系统，显式速率用于终端对发送数据的目标参考速率，而每个终端对在固定数量的固定路径或VC上发送数据。
10.根据权利要求9所述的控制系统，所列出的虚拟电路是从多物流优化问题的解决方案中选择的，其中物流指从一终端发送到另一终端的数据，每个终端连接到所述终端的网络系统。
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