CN1165184C - 一种适合实现路由器服务质量的综合业务中的调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合实现路由器服务质量的综合业务中的调度方法，将经过分类的数据包通过入队过程插入三种不同服务的队列，并根据设置的虚拟时钟计算其将被发送时决定次序的保证速率时钟值，在出队过程依据该值并对三种队列采用区别处理的方法发送数据包，提高了调度的公平性和效率。

Description

一种适合实现路由器服务质量的综合业务中的调度方法

技术领域

本发明涉及在路由器上提供端到端质量保证的综合业务，尤其涉及综合业务中的调度方法。

背景技术

现有路由器上的综合业务，由路由器上的三大功能模块：接纳控制模块、分类模块和调度模块完成。

接纳控制模块负责建立分类状态表和调度队列。当连接建立机制接受到一个预留请求时，它根据该消息中指明的要求通过准入控制检查是否有足够的资源，决定该呼叫是否被接纳。如果资源是足够的，则该呼叫被接纳，且在分类表中加入相应的分类项。

分类模块负责将不同流的数据包放入不同的调度队列，通过检查数据包头来实现。

调度模块决定每个流服从各自的预留申请以保证服务质量要求。通过调度算法决定哪一个队列的下一个数据包将被转发。

在综合业务中，按照服务类别的不同将服务分为尽力而为服务、负载可控服务和保证服务。其中保证服务对端到端延迟和带宽都有一定的要求；而负载可控服务对延迟没有一定的要求，有一定带宽要求，但是允许一定范围内的包丢失和延迟；尽力而为服务即在网络拥挤情况下丢弃数据包。

在队列调度中，本着照顾公平性和效率的原则制定调度算法，通常采用的调度算法为加权公平排队(WFQ)的算法。在加权公平排队中，每个端口为每个数据流的数据包建立一个队列，即如果有N个数据流经过该端口，则在该端口上有N个队列。这些队列按轮询的方法服务。最原始的加权公平排队是基于比特流。每个流按一定的权值公平地共享端口的带宽。如r_f是流f的权值。S_f(t₁，t₂)是流f在[t₁，t₂]之间累计传输的数据量。那么，对每个队列长度均大于零的数据流f和m，有：

$\frac{S_f(t_1,t_2)}{r_f}-\frac{S_m(t_1,t_2)}{r_m}=0$

在实际应用中，数据是以数据包为单位而非比特为单位发送，因此对数据包调度来讲，加权公平排队是要使 $|\frac{S_f(t_1,t_2)}{r_f}-\frac{S_m(t_1,t_2)}{r_m}|$ 接近零。

如系统中有N个数据流，它们预留的权值分别为r₁，r₂，...，r_N，S_i(t₀，t)是流i在时段(t₀，t]间得到的服务量，则对在时段(t₀，t]间始终有数据包积压的流i，

$\frac{S_i(t_0,t)}{S_j(t_0,t)}\≥\frac{r_i}{r_j};j=\mathrm{1,2},...,N$

总能满足。将上式按所有的j求和，得

$S_i(t_0,t)\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{r}_j\≥r_i\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{S}_j(t_0,t)=r_i(t-t_0)r$

其中r是总带宽。即流i能得到的服务速率 大于等于其预留的速率

WFQ是模拟比特流的加权轮询服务。在一次轮询中，每个流的服务量正比于每个流的权值。由于在某一时刻，数据包不能以比特为单位服务，WFQ按逻辑上的离开时间的递增次序来调度数据包以达到模拟按比特流轮询的目的。为了计算离开次序，WFQ为每个数据包加贴二个时间标签：起始标签和结束标签。如p_f ^j和l_f ^j分别是流f的第j个数据包和长度，A(p_f ^j)为p_f ^j的到达时间，则p_f ^j的起始标签S(p_f ^j)和结束标签F(p_f ^j)被定义为：

$S\left(p_f^j\right)=\max \{v\left(A\left(p_f^j\right)\right),F\left(p_f^{j-1}\right)\};j\≥1$

$F\left(p_f^j\right)=S\left(p_f^j\right)+\frac{l_f^j}{r_f};j\≥1$

其中， $F\left(p_f^0\right)=0,$ v(t)为在纯比特流的情况下t时刻所要进行的是第几次轮询。WFQ按结束标签的大小调度数据包。

WFQ的实现过程是：计算数据包的起始标签和结束标签，进入相应的队列，在分类表中记录每一数据流的最后一个数据包的结束标签。当某一数据流的第j个数据包进入时，它通过分类获得了第j-1个数据包的结束标签，并以此来计算第j个数据包的起始标签和结束标签。将p_f ^j插入到流f对应的队列的末尾。由于 $F\left(p_f^{j-1}\right)<F\left(p_f^j\right)$ ，因此每个流对应的队列是按结束标签的大小排序。调度输出时，在每个端口上，从所有队列的队头元素中找出结束标签值最小的数据包发送。

这种加权公平排队的调度方法是实现路由器服务质量(QoS)常用的调度方法，也是IETF推荐的方法，在实现综合业务的时候，也有很多厂家采用，但是WFQ用于综合业务的时候，对于尽力而为服务、负载可控服务和保证服务这三种服务队列不予区分，决定发送数据包的标准仅取决于所有队列的队头元素结束标签值的大小。而实际上，尽力而为服务和负载可控服务对带宽的要求是越大越好；保证服务所需的带宽是按端到端延迟计算得来，只要保证即可，如果保证服务队列中有队头元素在某时刻为结束标签值最小，即使其并未到达所限定的延迟也被发送而占用端口带宽。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种对不同服务队列区别处理的保证路由器服务质量的综合业务中的调度方法，以提高调度的公平性和效率。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种适合实现路由器服务质量的综合业务中的调度方法，包括将经过分类模块作分类处理的数据包插入尽力而为服务队列或负载可控服务队列或保证服务队列的入队过程，以及从上述三种队列中选择数据包发送的出队过程，再设置一具有初始值并依被发送数据包占用时钟量而累加的虚拟时钟变量；

在入队过程中对每个到达的数据包按下式计算其保证速率时钟值：

其中，GRC为保证速率时钟值，R为在该结点上预留的带宽，L是当前数据包的长度，A为数据包到达时的虚拟时钟变量值，LAST_GRC是该队列队尾数据包的保证速率时钟值，当队列为空时LAST_GRC＝A；

所述出队过程包括如下步骤：

判断当前的虚拟时钟变量值+最长数据包长度/端口使用带宽是否小于保证服务队列中的最小GRC值，如果是，从尽力而为服务队列和负载可控服务队列中选取具有最小GRC值的数据包发送；如果否，从保证服务队列中选取与保证服务队列最小GRC值相对应的数据包发送；

由于本发明采用了以上调度方法，对不同服务队列中的数据包加以区别，其在当前的虚拟时钟变量值+最长数据包长度/端口使用带宽小于保证服务队列中的最小GRC值时，即使所有对列中GRC值最小的数据包在保证服务队列中，它也不被发送，即在不影响保证服务质量的前提下将预留带宽更多地给予负载可控服务队列和尽力而为服务队列，以减少数据包丢弃，提高了调度的公平性和效率，同时，本调度方法由于采用了虚拟时钟变量，使瞬时大量数据包调度中GRC值的计算、比较得以实现，使运算准确性得到保证。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是路由器上实现综合业务的模块关系图；

图2是本发明方法一实施例中入队过程的流程图；

图3是本发明方法一实施例中出队过程的流程图。

具体实施方式

参考图1，属于不同流的数据包分别进入不同队列，所有队列依据服务标准分为三种，其中尽力而为服务队列的数量为1，负载可控服务队列和保证服务队列的数量可设置为多个。

图2所示为本发明方法中数据包入队过程的一个实施例，具体步骤是：

1、计算数据包的保证速率时钟值；

2、如路由器端口状态为状态2，则置路由器端口状态为状态3；

如路由器端口状态为状态1，则置路由器端口状态为状态2；

3、将数据包插入队列。

在入队过程中要对每个到达的数据包计算其保证速率时钟(GRC)值，在每个队列中，从队头至队尾数据包依GRC值由小到大排列，由于路由器单位时间所处理的数据包数量很大，在GRC值的计算中设置了虚拟时钟变量，开机时该变量被设为初始值，如清0。运行中，只有在出队过程有数据包发送时该变量才得到增加值，而且在三种队列均为空时，该变量被置回初始值。当数据包到达时，根据当前虚拟时钟变量值及所到队列队尾数据包的GRC值计算其GRC值。在本发明方法中可将路由器端口状态设置为三种，以作为流程控制标志和虚拟时钟变量清0的依据，状态1为端口不在传输数据；状态2为端口正在传输数据，但无数据包排队；状态3为在端口有数据包排队等待输出；可设一端口状态变量，以其不同的三个取值，如0、1、2分别标识上述状态，在每次执行入队过程中，要检查端口状态，并根据当前状态修正端口状态变量，该变量亦被出队过程调用及更改，当处于状态3时，即重复执行将数据包选择发送并从相应队列删除的出队过程。

图3所示为本发明方法中数据包出队过程的一个实施例，具体步骤是：

A、检查路由器端口状态，如果是状态3则执行步骤B；如果是状态2，置路由器端口状态为状态1，将虚拟时钟变量值和尽力而为服务队列的LAST_GRC值均置为初始值；如果是状态1，将虚拟时钟变量值和尽力而为服务队列的LAST_GRC值均置为初始值；

B、如果负载可控服务队列不为空，用排序方法计算该种队列中各个队头数据包的最小GRC值；

C、如果保证服务队列不为空，用排序方法计算该种队列中各个队头数据包的最小GRC值；

D、检查负载可控服务队列和尽力而为服务队列是否均为空，如否，转步骤F；如是，继续步骤E；

E、检查保证服务队列是否为空，如是，置路由器端口状态为状态1，并将虚拟时钟变量值置为初始值；如否，则从保证服务队列中选取与保证服务队列最小GRC值相对应的数据包发送，并将该数据包从保证服务队列中删去；

F、判断当前的虚拟时钟变量值+最长数据包长度/端口使用带宽是否小于保证服务队列中的最小GRC值，如果是，从尽力而为服务队列和负载可控服务队列中选取GRC值最小的数据包发送，并从相应队列中删去该数据包；如果否，从保证服务队列中选取与保证服务队列最小GRC值相对应的数据包发送，并将该数据包从保证服务队列中删去；

G、如有数据包发送，则给虚拟时钟变量增加该数据包长度/端口使用带宽之值。

H、检查三种队列是否均为空，如果是，置路由器端口状态为状态2。

其中，步骤A用于检查路由器端口状态，如果有数据包排队即开始后续步骤，否则置各状态参数为初始值，保持等待；步骤B、C分别用于在非空状态下计算负载可控服务队列和保证服务队列中数据包的最小GRC值，而各队列中从队头至队尾数据包依GRC值由小到大顺序排列，最小GRC值可从各个队头数据包中求得。这两种队列的数量是根据实际情况配置的，如果数量较小，可采用算法简易但时间复杂度大的冒泡排序法计算最小GRC值；当队列数量较大时，可以采用时间复杂度小的堆排序法，所述堆为所有非叶子节点均不大于其左右子树根节点的完全二叉树结构，求最小GRC值即取堆顶元素，每次堆顶元素离开后，即将队头后的数据包GRC值插入并重新调整为堆；步骤D用于检查负载可控服务队列和尽力而为服务队列是否均为空；步骤E用于在负载可控服务队列和尽力而为服务队列均为空时，调度发送保证服务队列中的数据包，再将该数据包从队列中删去，使其次的数据包上升为队头；步骤F用于在三种队列均非空时如何选取数据包发送，判断标准是当前虚拟时钟变量值+最长数据包长度/端口使用带宽是否小于保证服务队列中的最小GRC值，由于在实际应用中，每次调度后要计算负载可控服务队列和保证服务队列的各个队头数据包的最小GRC值给虚拟时钟变量值带来误差，根据经验将端口使用带宽定为实际带宽乘以0.9。通过步骤F的判断，如果当前虚拟时钟变量值+最长数据包长度/端口使用带宽小于保证服务队列中的最小GRC值，就从尽力而为服务队列和负载可控服务队列中选取GRC值最小的数据包发送，并从相应队列中删去该数据包，即使当前三种队列中最小GRC值的数据包在保证服务队列也不被发送；通过上述步骤实现了对三种服务队列区别处理的出队调度方法，体现的调度原则是：只有当尽力而为服务队列和负载可控服务队列均为空时保证服务才占用它们预留的带宽，而当前虚拟时钟变量值+最长数据包长度/端口使用带宽不小于保证服务队列中的最小GRC值时，就优先调度保证服务队列中的数据包。步骤G用于每次出队过程的循环中给虚拟时钟变量以增加值，该增加值为被发送数据包长度/端口使用带宽；步骤H用于数据包发送后检查路由器端口状态。

本领域技术人员在本发明方案基础上，以选取不同参数或改变步骤顺序等方式而作出的其它方案，亦在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1、一种适合实现路由器服务质量的综合业务中的调度方法，包括将经过分类模块作分类处理的数据包插入尽力而为服务队列或负载可控服务队列或保证服务队列的入队过程，以及从上述三种队列中选择数据包发送的出队过程，其特征在于：设置一具有初始值并依被发送数据包占用时钟量而累加的虚拟时钟变量；

在所述入队过程中对每个到达的数据包按下式计算其保证速率时钟值：

其中，GRC为保证速率时钟值，R为在该结点上预留的带宽，L是数据包的长度，A为数据包到达时的虚拟时钟变量值，LAST_GRC是该队列队尾数据包的保证速率时钟值，当队列为空时LAST_GRC＝A；

所述出队过程包括如下步骤：

判断当前的虚拟时钟变量值+最长数据包长度/端口使用带宽是否小于保证服务队列中的最小GRC值，如果是，从尽力而为服务队列和负载可控服务队列中选取具有最小GRC值的数据包发送；如果否，从保证服务队列中选取与保证服务队列最小GRC值相对应的数据包发送；

2、如权利要求1所述的调度方法，其特征在于：将路由器端口状态设置为用于在入队过程和出队过程中判断是否将所述虚拟时钟变量置回初始值的三种情形：状态1为端口不在传输数据；状态2为端口正在传输数据，但无数据包排队；状态3为在端口有数据包排队等待输出。

3、如权利要求1所述的调度方法，其特征在于：所述端口使用带宽为端口实际带宽乘以0.9。

4、如权利要求1所述的调度方法，其特征在于：所述被发送数据包占用时钟量为该数据包长度/端口使用带宽之值。

5、如权利要求1所述的调度方法，其特征在于：在每个路由器端口，所述尽力而为服务队列数量为1。

6、如权利要求1所述的调度方法，其特征在于：在每个路由器端口，所述负载可控服务队列和保证服务队列的数量配置多个。

7、如权利要求1、2、3、4、5或6所述的调度方法，其特征在于：所述最小GRC值的计算方法是对队列中各个队头数据包的GRC值采用冒泡排序法。

8、如权利要求1、2、3、4、5或6所述的调度方法，其特征在于：所述最小GRC值的计算方法是对队列中各个队头数据包的GRC值采用堆排序法，所述堆为所有非叶子节点均不大于其左右子树根节点的完全二叉树结构，最小GRC值即堆顶元素。

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