CN116684354A - 网络流拥塞管理装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种网络流拥塞管理装置及其方法。网络流拥塞管理方法包括：区别复数封包的一连接；监控每一不同的该连接的一缓冲器用量；及对当前监控的该连接执行一拥塞检查程序，其中在该拥塞检查程序中，于当前监控的该连接的该缓冲器用量超过一阈值时，触发一拥塞处理程序。

Description

网络流拥塞管理装置及其方法
技术领域
本发明是有关于一种网络传输技术，特别是指一种网络流拥塞管理装置及其方法。
背景技术
在家用网关(residential gateway，RG)中，通常存在一个或多个局域网络(LAN)端口和单个广域网(WAN)端口。所有因特网存取流量都需要经过连接到服务提供商(ISP)的边缘路由器的WAN端口。
在典型的家用网关设置中，许多LAN侧主机(笔记本电脑、智能电视、智能手机、平板计算机、IoT)可以连接到家用网关。家用网关应设计为，能对于所有活动的TCP连接，以低延迟和高吞吐量的方式转发流量。许多连接到家用网关的LAN侧主机会并行向家用网关发出传输请求。通常，传输数据量相对较小(小于1518字节)。基于成本考虑，家用网关中可用的封包缓冲区通常是有限的(小于1GB)。在这种情况下，家用网关上的WAN端口可能成为瓶颈链路(bottleneck link)。来自LAN侧主机的许多传输请求和有限的封包缓冲区(在典型的家用网关中，封包缓冲区的大小是固定的)可能会增加流量延迟并导致家用网关中的有效流量吞吐量崩溃。此为RFC 8257文件中提到的TCP INCAST问题。
为了完全填满TCP传输管道，现有的TCP拥塞避免策略(例如TCP RENO、TCP TAHOE、TCP CUBIC要求每个TCP发送方增加其传输速率和拥塞窗口大小(慢启动然后进入拥塞避免阶段)直到封包被丢弃(借由TCP超时、丢失或重复的TCP ACK来检测)(RFC 5681文件)。在家用网关的WAN端口成为瓶颈链路的情况下，增加TCP发送速率和拥塞窗口大小不会因为封包重传率的增加而增加端到端吞吐量。对于某些TCP连接，TCP超时可能在数百毫秒的范围内。TCP管道中的一些传输中的封包可能需要在封包丢失或超时的情况下重新传输，从而导致高流量延迟、低有效吞吐量和带宽利用率。
TCP流是独立的数据流，每个TCP流将尝试增加其传输速率和拥塞窗口大小以填满发送方和接收方之间的TCP管道。家用网关中的有限缓冲区可能会被家用网关上的第一个TCP流设置占用。家用网关需要智能缓冲区分配方案，以确保在所有活动的TCP连接之间公平分配封包缓冲区，从而为经过家用网关的所有活动的TCP连接提供合理的延迟和吞吐量性能。
发明内容
本发明一实施例提出一种网络流拥塞管理方法，包括：接收复数封包；识别每一封包是否属于一预定协议；区别属于预定协议的所述这些封包的一连接；监控每一不同的连接的一缓冲器用量；及对当前监控的连接执行一拥塞检查程序，其中在拥塞检查程序中，于当前监控的连接的缓冲器用量超过一阈值时，触发一拥塞处理程序。
本发明一实施例提出一种网络流拥塞管理装置，包括：一接收端口、一缓冲器池、一管理电路及一输出端口。接收端口配置为接收复数封包。缓冲器池配置为储存封包。管理电路配置为识别每一封包是否属于预定协议，区别属于预定协议的所述这些封包的一连接，监控属于预定协议的所述这些封包的每一不同的连接的一缓冲器用量，并对当前监控的连接执行一拥塞检查程序，其中在拥塞检查程序中，于当前监控的连接的缓冲器用量超过一阈值时，触发一拥塞处理程序。输出端口配置为将所述这些缓冲器中储存的封包输出。
根据本发明一些实施例的网络流拥塞管理装置及方法，可公平地将缓冲资源分配给每个网络流，并可使传送队列不过长，不但可避免缓冲资源被流量大的网络流占用之外，还可减少流量延迟和数据包重传次数。
附图说明
[图1]是为本发明一实施例的网络流拥塞管理装置的示意图。
[图2]是为本发明一实施例的网络流拥塞管理方法的流程图。
[图3]是为本发明一实施例的网络流拥塞管理装置的细部示意图。
[图4]是为本发明一实施例的网络流拥塞管理方法的细部流程图(一)。
[图5]是为本发明一实施例的拥塞管理表的示意图。
[图6]是为本发明一实施例的网络流拥塞管理方法的细部流程图(二)。
[图7]是为本发明一实施例的网络流拥塞管理装置的另一示意图。
具体实施方式
参照图1，是为本发明一实施例的网络流拥塞管理装置1的示意图。网络流拥塞管理装置1包括接收端口10、输出端口20、缓冲器池30及管理电路40。缓冲器池30包括复数缓冲器(图未示)，用于缓存封包。缓冲器池30是位于瞬时内存中。所述瞬时内存可以是瞬时计算机可读取媒体，例如静态随机存取内存(SRAM)、动态随机存取内存(DRAM)等。在此，接收端口10与输出端口20均以一个为例，然而本发明并非以此数量为限，接收端口10可为一个或多个，输出端口20亦可为一个或多个，视实际应用需求可进行适当调整。
管理电路40执行有网络流拥塞管理方法，用以管理缓冲器池30中的缓冲器的资源分配。参照图2，是为本发明一实施例的网络流拥塞管理方法的流程图。首先，在步骤S410中，从接收端口10接收复数封包。接着，进入步骤S420，以识别每一封包是否属于预定协议。于此，所述预定协议为传输控制协议(TCP)。若封包属于预定协议(例如TCP)，则进入步骤S430以区别属于预定协议的封包的连接。在步骤S440中，监控每一不同的连接的缓冲器用量及总缓冲器用量。在步骤S450中，对当前监控的连接执行一拥塞检查程序。步骤S460为拥塞检查程序，是于当前监控的连接的缓冲器用量超过一阈值时，触发一拥塞处理程序。拥塞处理程序用以改善拥塞情形(详如后述)。借此，管理电路40可对于每个连接的网络流个别确认是否占用过多个缓冲器，借以公平地分配缓冲资源。若封包不属于预定协议，不执行步骤S430-S460，也就是说，该封包直接被略过(bypass)而直接进入缓冲器池30储存，以等待输出(如图1所示)。
参照图3，是为本发明一实施例的网络流拥塞管理装置1的细部示意图。在此，为了容易观看，省略前述缓冲器池30。管理电路40包括转发引擎41、拥塞管理单元42、输出管理器43及拥塞管理表44。转发引擎41、拥塞管理单元42及输出管理器43可透过微处理器、可规划逻辑组件(ComplexProgrammable Logic Device，CPLD)、可程序化门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、逻辑电路、模拟电路、数字电路和/或任何基于操作指令操作信号(模拟和/或数字)的处理组件来实现。拥塞管理表44可储存于瞬时内存或非瞬时内存，其可内建于拥塞管理单元42或外接于拥塞管理单元42。
转发引擎41自接收端口10接收封包，并提取封包的标头信息并储存至与该封包关联的元数据块中。转发引擎41并且根据封包与标头信息进行转发决策，即决定是否转发该封包。若接受转发，则将封包连同其关联的元数据块送至拥塞管理单元42。拥塞管理单元42用以执行网络流拥塞管理方法。输出管理器43则将封包放至传送队列，并排程将传送队列内的封包传送至输出端口20而发送出去。所述传送队列是由缓冲器池30内的缓冲器所组成。
参照图4，是为本发明一实施例的网络流拥塞管理方法的细部流程图(一)。透过转发引擎41获得一封包(后称当前封包，亦即当前监控的连接的封包)与相关联的元数据块之后，首先确认当前封包是否属于TCP连接(步骤S501)。若不是TCP连接，则无需进行拥塞管理，结束流程。若是TCP连接，则进入步骤S502，计算流识别符。在此，流识别符是基于来源地址(source IP)、目标地址(destination IP)、IP协议、来源端口(source port)及目的端口(destination port)。在一些实施例中，是依据来源地址、目标地址、IP协议、来源端口及目的端口计算得一哈希(hash)值，作为流识别符，例如使用SHA256算法计算。依据流识别符的不同，可区别对应的连接(网络流)为不相同，即来源地址、目标地址、IP协议、来源端口及目的端口中的至少其中之一不相同。接下来，进入步骤S503，确认经由步骤S502计算得对应当前封包的流识别符是否已存在于拥塞管理表44。若否，表示此当前封包是属于新的网络流，故在拥塞管理表44增建对应此流识别符的条目(entry)。
参照图5，是为本发明一实施例的拥塞管理表44的示意图。流识别符可作为键。每一个条目记载有对应流识别符的多个参数。所述参数可包括但不限于网络流信息、缓冲器用量、丢弃封包数、标示封包数、传送封包数及监控期长。网络流信息包括前述的来源地址、目标地址、IP协议、来源端口及目的端口。缓冲器用量为此网络流占用多少缓冲器的数量。丢弃封包数为此网络流的封包被丢弃的数量。标示封包数为此网络流的封包被标记的数量(于后将再进一步说明)。传送封包数为此网络流的封包被网络流拥塞管理装置1发送出去的数量。监控期长为此条目自被建立起的存续期间。具体来说，每个条目对应一存续计数器，其在存续期间内递减。当存续计数器归零时，对应的条目将从拥塞管理表44中删除。或者，当存续计数器归零时，存续计数器重置为一默认值，并继续递减；当存续计数器经过一特定次数的归零后，对应的条目将从拥塞管理表44中删除。借此，可移除长时间空闲(无流量)的条目。
复参照图4。于步骤S504增建条目之后，进入步骤S507，于封包元数据块增加流识别符。若于步骤S503判断流识别符已存在于拥塞管理表44，则进入步骤S505。在步骤S505中，判断当前封包的FIN(Finish sending data)旗标或RST(Reset)旗标是否被设置。若FIN旗标或RST旗标被设置，表示TCP连接要重设或关闭，因此不需再继续监控此网络流，进入步骤S506。在步骤S506中，删除拥塞管理表44对应流识别符的条目，取消监控对应连接的缓冲器用量，而后结束流程。若FIN旗标和RST旗标均没有被设置，则进入步骤S507，于封包元数据块增加流识别符。在步骤S507之后，从拥塞管理表44可查询到对应流识别符的缓冲器用量(步骤S508)。
参照图6，是为本发明一实施例的网络流拥塞管理方法的细部流程图(二)。在步骤S508之后，依据对应于当前监控的连接的缓冲器剩余量及拥塞指示阈值Tc，决定是否执行拥塞检查程序。具体来说，在步骤S601中，先确认网络流拥塞管理装置1的所有缓冲器的剩余量是否小于拥塞指示阈值Tc。若是，表示会有发生拥塞情形的可能性，需要执行拥塞检查程序，进入步骤S602；反之，则目前没有发生拥塞情形，可正常传送封包，将拥塞管理表44中对应此流识别符的传送封包数加一后结束流程。在步骤S602中，先确认拥塞管理表44中是否具有当前封包对应的流识别符，若否，表示当前封包是属于新的网络流，因而新增此流识别符至拥塞管理表44中，并且初始化与参数缓冲器用量、丢弃封包数、标示封包数、传送封包数及监控期长有关的计数参数。若在步骤S602确认拥塞管理表44具有当前封包对应的流识别符，或者执行步骤S603新增该流识别符至拥塞管理表44之后，进入步骤S604。
在步骤S604中，从拥塞管理表44查询对应流识别符的缓冲器用量，亦即当前监控的连接的缓冲器用量。若缓冲器用量大于丢弃阈值Td，则进入步骤S605，丢弃此封包，并且更新拥塞管理表44。在此，更新拥塞管理表44是将拥塞管理表44中对应此流识别符的丢弃封包数加一。
若于步骤S604中，判断缓冲器用量不大于丢弃阈值Td，则进入步骤S606。于步骤S606中，判断对应流识别符的缓冲器用量(即当前监控的连接的缓冲器用量)是否大于标记阈值Tm。若是，则表示缓冲器用量已到达可能造成拥塞情形的程度，而进入步骤S607。在步骤S607中，于当前封包设置ECE(ECN-Echo，显式拥塞通知应答)旗标并更新拥塞管理表44。如此，封包的接收端将会把ECE旗标加至TCP ACK封包中，并送回传送端。使得传送端可基于ECE标得知拥塞情形，应限制发送速率(如减小TCP拥塞窗口大小)。在此，更新拥塞管理表44是将拥塞管理表44中对应此流识别符的标示封包数与传送封包数加一。此外，由于ECE旗标被设置，因此当前封包的标头校验和需重新计算。
其中，拥塞指示阈值Tc是为了控管可使用缓冲器数量的阈值，又，丢弃阈值Td与标记阈值Tm是为了控管已消耗缓冲器数量的阈值。在一些实施例中，拥塞指示阈值Tc设定为总缓冲器数量的10％～15％；丢弃阈值Td设定为总缓冲器数量的85％～90％；标记阈值Tm设定为总缓冲器数量的75％～85％。
在一些实施例中，可依据拥塞管理表44中的流识别符数量，即连接数量动态调整标记阈值Tm。调整的方式可以是，随着连接数量的增加，降低标记阈值Tm。如此，可更加公平地分配缓冲资源。
在一些实施例中，若监控期长超过一预定值，可自主将拥塞管理表44对应流识别符的条目删除，取消监控对应连接的缓冲器用量，避免储存资源占用。具体来说，每个条目对应一存续计数器，其在存续期间内递减。当存续计数器归零时，对应的条目将从拥塞管理表44中删除。或者，当存续计数器归零时，存续计数器重置为一默认值，并继续递减；当存续计数器经过一特定次数的归零后，对应的条目将从拥塞管理表44中删除。借此，可移除长时间空闲(无流量)的条目。
参照图7，是为本发明一实施例的网络流拥塞管理装置1的另一示意图。网络流拥塞管理装置1还可将拥塞管理表44上传至服务器2。服务器2可载有人工智能演算程序，将拥塞管理表44中的参数作为输入数据，进而预测较佳的优化丢弃阈值Td和标记阈值Tm，返回给网络流拥塞管理装置1设定。换言之，在前述步骤S440之后，还执行流量数据统计步骤，以将拥塞管理表44上传至服务器2，由服务器2进行参数优化，为拥塞管理单元42导出最佳阈值，且该阈值可经由一管理网络路径而被一服务器2进行更新。
为了获得最佳的TCP吞吐量和延迟性能，本发明的网络流拥塞管理装置1具有以下性能特征：
每个TCP流的出口队列应该足够短，从而不会对流量施加过多的延迟。
每个TCP流的出口队列应该足够长，以吸收有限制的封包连发(burst)而不会有过多的封包丢失。
每个TCP流的出口队列应该足够长，以使广域网(WAN)侧的带宽容量饱和。局域网络端口的传输能力可被充分利用。
系统中的封包缓冲区应该被公平地分配，使得不会有一个TCP流可以消耗所有(或大部分)可用缓冲区，而让经过网络流拥塞管理装置1的其他TCP流没有缓冲区可用。
在一些实施例中，网络流拥塞管理装置1为网关、网络调制解调器、路由器或无线网络存取点等网络设备。
在一些实施例中，网络流拥塞管理装置1具有多个局域网络(LAN)端口和单个广域网(WAN)端口。所有因特网存取流量都需要经过连接到服务提供商(ISP)的边缘路由器的WAN端口。每个LAN端口接收一个独立的数据流(网络流)。
综上所述，本发明一些实施例提出的网络流拥塞管理装置1及方法，可公平地将缓冲资源分配给每个网络流，并可使传送队列不过长，不但可避免缓冲资源被流量大的网络流占用之外，还可减少流量延迟和数据包重传次数。
【符号说明】
1:网络流拥塞管理装置
2:服务器
10:接收端口
20:输出端口
30:缓冲器池
40:管理电路
41:转发引擎
42:拥塞管理单元
43:输出管理器
44:拥塞管理表
S410～S460:步骤
S501～S508:步骤
S601～S607:步骤
TCP:传输控制协议

Claims (16)

1.一种网络流拥塞管理方法，包括：
接收复数封包；
识别每一该封包是否属于一预定协议；
区别属于该预定协议的所述这些封包的一连接；
监控每一不同的该连接的一缓冲器用量；及
对当前监控的该连接执行一拥塞检查程序，其中在该拥塞检查程序中，于当前监控的该连接的该缓冲器用量超过一阈值时，触发一拥塞处理程序。
2.如权利要求1所述的网络流拥塞管理方法，更包括：依据对应于当前监控的该连接的一缓冲器剩余量及一拥塞指示阈值，决定是否执行该拥塞检查程序。
3.如权利要求1所述的网络流拥塞管理方法，其中该阈值为一标记阈值，该拥塞处理程序为于对应当前监控的该连接的该封包设置一明确拥塞通知(ECE)旗标。
4.如权利要求3所述的网络流拥塞管理方法，其中该明确拥塞通知旗标被加入至一传输控制协议(TCP)确认(ACK)封包，该传输控制协议确认封包被传送回一传送端。
5.如权利要求4所述的网络流拥塞管理方法，其中该传送端的一拥塞窗口依据该传输控制协议确认封包的该明确拥塞通知旗标而缩小。
6.如权利要求3所述的网络流拥塞管理方法，其中该标记阈值随着所述这些连接的数量增加而动态地降低。
7.如权利要求1所述的网络流拥塞管理方法，其中该阈值为一丢弃阈值，该拥塞处理程序为丢弃对应当前监控的该连接的该封包。
8.如权利要求1所述的网络流拥塞管理方法，更包括：检查各该封包的一FIN旗标及一RST旗标，于该FIN旗标或该RST旗标被设置时，取消监控对应该连接的该缓冲器用量。
9.如权利要求1所述的网络流拥塞管理方法，其中不属于该预定协议的该封包直接被略过而储存至一缓冲器池以等待输出。
10.一种网络流拥塞管理装置，包括：
一接收端口，配置为接收复数封包；
一缓冲器池，配置为储存所述这些封包；
一管理电路，配置为识别每一该封包是否属于一预定协议，区别属于该预定协议的所述这些封包的一连接，监控属于该预定协议的所述这些封包的每一不同的该连接的一缓冲器用量，并对当前监控的该连接执行一拥塞检查程序，其中在该拥塞检查程序中，于当前监控的该连接的该缓冲器用量超过一阈值时，触发一拥塞处理程序；及
一输出端口，配置为将该缓冲器池中储存的所述这些封包输出。
11.如权利要求10所述的网络流拥塞管理装置，其中该阈值为一标记阈值，该拥塞处理程序为于对应当前监控的该连接的该封包设置一明确拥塞通知(ECE)旗标。
12.如权利要求11所述的网络流拥塞管理装置，其中该明确拥塞通知旗标被加入至一传输控制协议(TCP)确认(ACK)封包，该传输控制协议确认封包被传送回一传送端，该传送端依据该传输控制协议确认封包的该明确拥塞通知旗标而缩小一拥塞窗口。
13.如权利要求11所述的网络流拥塞管理装置，其中该标记阈值随着所述这些连接的数量增加而动态地降低。
14.如权利要求10所述的网络流拥塞管理装置，其中该管理电路还依据对应于当前监控的该连接的一缓冲器剩余量及一拥塞指示阈值决定是否执行该拥塞检查程序。
15.如权利要求10所述的网络流拥塞管理装置，其中该管理电路还检查各该封包的一FIN旗标及一RST旗标，于该FIN旗标或该RST旗标被设置时，取消监控对应该连接的该缓冲器用量。
16.如权利要求10所述的网络流拥塞管理装置，其中不属于该预定协议的该封包直接被略过而储存至该缓冲器池以等待输出。
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