CN1177451C - 通信系统中多优先级缓冲传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多优先级数据的缓冲传输方法，主要解决通信领域中，在做系统软件特别是有关底层传输软件中，需要解决的多优先级流量控制机制的数据传输问题，即综合解决流量控制、可靠传输和支持多优先级的问题。包括：将待发送的用户数据按其优先级别放入具有对等优先级别的缓冲队列中；按高优先级先入与公平轮询的原则，将各缓冲队列中的用户数据放入滑窗发送队列中；流量控制地发送滑动窗口发送队列中的数据。用户数据得到缓冲，不可能丢失；高优先级地发送高优先级用户的数据，同时及时地发送低优先级用户的数据；使收发双方的处理尽可能地一致，处理速度不同也不会丢失数据；窗口范围可动态地滑动变化，有利于充份利用通信带宽。

Description

通信系统中多优先级缓冲传输方法

技术领域

本发明涉及通信系统中的数据传输技术，是一种多优先级的可靠且流量可控的数据传输方法。

背景技术

在一个实时性和可靠性均要求很强的通信系统中，必须满足可靠、多优先级、流量可控的数据传输要求，这就需要提供一个能从整体上集中满足以上要求的数据传输方案。

在已有的数据传输实现方案中，主要有TCP传输方法和优先级发送两种方法。

TCP传输方法就是通过TCP/IP协议栈中的传输层，经重传、超时等传输机制实现传输。其优点是传输可靠，但因其在传输过程中没有优先级功能，当需要有优先级时，只能通过上层软件自行处理这种需求，从而加大了上层软件的实现难度，并对应用软件的实现造成困难，因而TCP传输方法的主要缺点是不能满足优先级需求。

现有的优先级发送方法的主要思想，是将用户的数据按其优先级别，放入预先定义好的具有对应优先级的队列中，发送时，先看最高优先级的队列是否有数据待发送，如有则首先发送，直到发送完；然后看下一优先级的队列中是否有数据发送，若有则发送，直到发送完。依次类推，只要高优先级的队列中有数据待发送，就不会发送低优先级队列中的数据。该方法的优点是能满足优先级传输需求，它的最大缺点是没有可靠传输机制，在某种情况下，低优先级队列中的数据可能会永远延迟发送。

通过对上述两个已有方法的描述，可以将现有TCP传输方法和优先级发送方法的主要局限总结为：

在实现优先级发送时，有可能造成低优先级队列中数据永远被阻塞，这显然是上层用户所不能接受的；

两种方法均不能支持流量可控，不能同时满足数据报文可控制地、可靠地传输，和支持多优先级传输的需要，即不是完整的解决应用需求的方案。

发明内容

本发明的目的是设计一种通信系统中多优先级缓冲传输方法，应能综合解决优先级、可靠、流量控制的全面传输需求，满足上层用户的要求。

实现本发明目的的技术方案是这样的：一种通信系统中多优先级缓冲传输方法，其特征在于包括以下处理步骤：

A.将待发送的用户数据按其优先级别放入具有对等优先级别的缓冲队列中；

B.按高优先级先入与公平轮询的原则，将各缓冲队列中的用户数据放入滑窗发送队列中；

C.流量控制地发送滑动窗口发送队列中的数据。

所述步骤A中，用户数据的优先级别由用户进行优先级参数选择，选择的优先级参数跟随待发送数据，所述优先级参数的级别个数与缓冲队列的个数相等。

所述步骤B中的优先级先入与公平轮询，进一步包括以下处理步骤：

B1.在每一个轮询周期中，在滑窗发送队列为空时，按优先级别从最高至最低、顺序检查各优先级缓冲队列中是否有数据；

B2.在检查的当前优先级缓冲队列中无数据时，检查当前优先级的下一优先级缓冲队列中有无数据；

B3.在检查的当前优先级缓冲队列中有数据时，将其放入滑窗发送队列中，直至当前优先级缓冲队列空，或放入滑窗发送队列中的数据数量达到当前优先级允许连续进入滑窗发送队列的最大数据数量时，转为检查下一优先级的缓冲队列。

所述步骤B3中，各优先级缓冲队列允许连续进入滑窗发送队列的最大数据数量随缓冲队列优先级降低而减小。

所述步骤B3中，所述的放入滑窗发送队列中的数据数量达到当前优先级允许连续进入滑窗发送队列的最大数据数量时，转为检查下一优先级的缓冲队列，是在除当前优先级之外的所有优先级缓冲队列中均有数据时执行的。

所述的步骤C，流量控制地发送所述滑动窗口发送队列中的数据，进一步包括以下处理步骤：

C1.在滑窗发送队列中设置一窗口范围，从滑窗发送队列首至队列尾，为每个数据报文设置发送序号；

C2.进行一次窗口范围发送，顺序发送窗口范围内任意个带有发送序号的数据报文，并等待对方确认；

C3.在收到对方回应后进行窗口滑动，按对方回应的序号，从窗口范围内删除对应序号的数据报文，将滑窗范围的窗口后移，后移个数与回应的序号相等，按后移量记录下一次窗口范围发送的窗口发送序号；

C4.在连续M次获得对方的正确响应后，将窗口范围的大小扩大，和在连续N次获得对方的不正确响应后，将窗口范围的大小减小。

所述的步骤C3中，在规定的时间内没有收到对发送序号数据报文的回应时，重传该发送序号的数据报文。

所述的步骤C3中，在连续重传达到规定的次数仍没有收到对发送序号数据报文的回应时，则从窗口范围内删除该发送序号的数据报文。

本发明方法对现有技术方案的贡献包括缓冲队列入滑窗队列的调度方法和滑窗大小动态调整的方法。

本发明的方法，很好地解决了通信技术领域中，在做系统软件特别是在做底层传输软件中所遇到的需要同时兼顾流量控制、可靠传输，支持多优先级的问题。

本发明的多优先级缓冲可靠传输方法，具有以下优点：

能保证高优先级的用户数据得到高优先级的发送，同时保证低优先级用户数据不可能出现长时间的“死等”情况，即低优先级用户数据也能得到及时发送；

因用户数据在优先级缓冲队列中得到缓冲，故不可能丢失数据；

通过采用流量控制地滑窗发送方法，保证收发双方的处理尽可能一致，不会使用户数据因为双方处理速度不一致而丢失；

同时，滑动窗口在一定范围内变化，有利于尽可能地利用通信带宽。

本发明的方法可适用于一切要求数据缓冲、优先级处理、流量控制发送/接收的处理系统中，具有独有的优越性和便于实现的特点。

附图说明

图1是多优先级流量控制传输原始模型图；

图2是用户数据入对应优先级缓冲队列的示意图；

图3是多优先级流量控制发送示意图；

图4是优先级调度方法流程框图；

图5是滑动窗口发送示意图。

具体实施方式

参见图1，图中示出多优先级流量控制传输原始模型，是一个要保证可靠传输的传输模型，左边的传输层和右边的传输层是对等层，本发明方案着重于它们的发送端。假设：

左边是发送方(或接收方)，右边是接收方(或发送方)，即构成一个传输模型；

左边发送方有多个用户，如用户1、用户2、用户3，各用户要求的发送优先级与流量控制参数不同；

传输对等层只处理逻辑层面，假设底层物理层或者链路层已经存在，物理层或者链路层为该传输对等层提供发送/接收服务，同时该传输对等层还为上层用户提供数据的发送/接收服务；

发送方和接收方均需要进行流量控制，即发送方和接收方的处理能力不同。

本发明方法所应用的传输对等实体，可以存在于任意协议层中，建议实现在传输层或者链路层。

参见图2，图中示出本发明方法中，先将用户数据送入对应优先级缓冲队列的过程。用户发送需求本身具有不同的发送优先级，在一般的保证传输系统中，当用户将消息交给下层传输后，因为用户充分信任其底层服务，所以不会保留该数据，而作为传输服务的模块，则必须将用户数据进行备份缓存。

本发明采用队列方式(缓冲队列)进行用户数据缓冲处理。

假设用户要求的数据发送优先级共有M个级别，1、2、...M-2、M-1、M，那么对应的用户数据缓冲队列也有M个，分别为优先级1、2、...M-2、M-1、M。

在用户需要发送数据时，应向用户提供发送优先级参数选择，供用户选择其待发送数据的优先级，该优先级参数随用户数据一起发送至传输服务模块。

所建立的缓冲队列分别按优先级别编号，然后就可根据不同优先级用户数据，对应送入相应优先级的队列中，即将用户数据按照所选择的优先级别进行对应的入队列操作。如图中所示，用户1数据(用户1 Data)的优先级为1，入优先级为1(priority＝1)的缓冲队列，用户2数据(用户2 Data)的优先级为2，入优先级为2(priority＝2)的缓冲队列，...，用户M数据(用户M Data)的优先级为M，入优先级为M(priority＝M)的缓冲队列。

参见图3，图中示意出本发明方法的多优先级流量控制发送过程。图中左侧是从最低优先级1至最高优先级M的共M个缓冲队列，图中右侧是建立的滑窗(WindowSize)发送队列，传输数据从滑窗发送队列发送。

用户发送数据的第一流程是根据用户发送数据的优先级要求进行数据入相应优先级缓冲队列的操作；然后，执行将1至M个多优先级缓冲队列中的数据按照高优先级先入及公平轮询原则入滑窗发送队列的操作，即优先级调度方法。

结合参见图4，执行入滑窗发送队列操作的前提是用户数据已经进入相应的缓冲优先级队列中。

设Nm，Nm为：在除最高优先级M以外的其他优先级缓冲队列均不为空时，最高M优先级缓冲队列允许连续进入滑窗发送队列的最大数据数量；

设N(m-1)，N(m-1)为：在除(M-1)优先级以外的其他优先级缓冲队列均不为空时，(M-1)优先级缓冲队列允许连续进入滑窗发送队列的最大数据数量；

设N(m-2)，N(m-2)为：在除(M-2)优先级以外的其他优先级缓冲队列均不为空时，(M-2)优先级缓冲队列允许连续进入滑窗发送队列的最大数据数量；

......，依次类推，直至设置N1，N1为：除最低优先级1缓冲队列外的其他优先级缓冲队列均不为空时，最低优先级缓冲队列1允许连续进入滑窗发送队列的最大数据数量。

显然，Nm、N(m-1)、N(m-2)、......、N2、N1的值应呈递减趋势。

步骤401至403，首先检查滑窗发送队列是否满(步骤401)，若滑窗发送队列满则退出操作，若滑窗发送队列不满则检查最高优先级(第M优先级)的缓冲队列是否有数据等待进入滑窗发送队列(步骤402)，若有等待数据，则送入滑窗发送队列(步骤403)，同时滑窗计数器开始计数，其数据量计为Zm，若无数据等待，则转步骤406，进一步检查下一优先级(第M-1优先级)的缓冲队列是否有数据等待进入滑窗发送队列；

步骤404，判断Zm＞＝Nm？若Zm＞＝Nm，转为执行步骤405，否则继续执行步骤401，直到M优先级缓冲队列为空或Zm＞＝Nm时，转为执行步骤405；

步骤405至407，首先检查滑窗发送队列是否满(步骤405)，若滑窗发送队列满则退出操作，若滑窗发送队列不满则检查下一优先级(M-1)的缓冲队列是否有数据等待进入滑窗发送队列(步骤406)，若有等待数据，则送入滑窗发送队列(步骤407)，同时滑窗计数器开始计数，其数据量计为Z(m-1)，若无数据等待，则进一步检查下一优先级(第M-2优先级)的缓冲队列是否有数据等待进入滑窗发送队列；

步骤408，判断Z(m-1)＞＝N(m-1)？若Z(m-1)＞＝N(m-1)，转为执行步骤409，否则继续执行步骤405，直到(M-1)优先级缓冲队列为空或Z(m-1)＞＝N(m-1)时，转为执行步骤409；

步骤409，首先检查滑窗发送队列是否满，若满则退出，否则，检查下一优先级的缓冲队列是否有数据等待进入滑窗发送队列，若有则进入，同时滑窗计数器计数，其数据量计为Z(m-2)；

......；

按优先级依次检查各优先级缓冲队列直至检查最低优先级缓冲队列1。

步骤410至412，首先检查滑窗发送队列是否满(步骤410)，若滑窗发送队列满则退出操作，若滑窗发送队列不满则检查最低优先级1的缓冲队列是否有数据等待进入滑窗发送队列(步骤411)，若有等待数据，则送入滑窗发送队列(步骤412)，同时滑窗计数器开始计数，其数据量计为Z1，若无数据等待，则返回步骤401，开始下一轮询周期检查，判断最高优先级M的缓冲队列是否有数据等待进入滑窗发送队列；

步骤413，判断Z1＞＝N1？若Z1＞＝N1，转为执行步骤414，否则继续执行步骤410，直到1优先级缓冲队列为空或Z1＞＝N1时，转为执行步骤414。

图示流程的主要优点是：使用户数据得到缓冲，避免丢失；保证高优先级的用户数据得到高优先级的发送；同时保证低优先级用户数据也能得到及时发送，不会有长时间“死等”的现象发生；用户数据进入滑窗发送队列后，就处于专门的流量控制发送任务或者进程中。

实施时应注意合理选择滑窗发送队列长度，若太大，则失去发送优先级的意义。

参见图5，是本发明的流量控制滑动窗口发送示意图。本发明的流量控制发送方法，借鉴于TCP/IP的流量控制原理，采用类似于TCP的滑动窗口机制，目的在于控制发送的流量，以避免因发送/接收双方处理速度不同而引起阻塞或丢失数据，即考虑发送/接收双方不同处理能力的差别；同时本发明让滑动窗口的大小在一定范围内进行动态自动调整，以充分利用通道带宽和防止信道拥塞。

流量控制滑动窗口发送的原则是：

在发送过程中，只有在滑动窗口范围内的消息才能发送出去；

发送后等待对方确认，在对方确认后再进行相应大小的窗口滑动，即将队列中的待发送消息送入滑动窗口范围内；

如果连续数次发送成功则在一定范围内适当增加滑动窗口范围大小，反之，若连续数次发送失败则适当减小滑动窗口范围大小。

如此就可避免发送阻塞并且可以充分利用信道宽度，保证了传送的可靠性和流量控制。

图5中，队列中的消息数量为10个，当前窗口范围大小为6，滑动窗口范围内队首发送序号为1，窗口尾发送序号为6，假设在一次窗口发送中，发送6个数据报，然后等待对方回应，在收到对方回应后再进行窗口滑动：

1)若对方回应序号为1，则窗口滑动后移1个，记录下一窗口发送序号为7；

2)若对方回应序号为3，则窗口滑动后移3个，记录下一窗口发送序号为7-9；

3)若对方回应序号为6，则窗口滑动后移6个，记录下一窗口发送序号为7-12。

每得到一个对滑动窗口范围内数据报文的响应，则从队列里删除该响应了的消息(数据报文)，窗口指针后移，即始终保持窗口范围大小为6的数据量进行发送。在设计中，窗口范围大小还可以在一定范围内动态调整，如当连续得到M个正确的响应后，则窗口范围大小可加倍(如为12)；当连续N次得到不正确响应后，则减小窗口范围大小。

当在发送数据后的规定时间内没有得到对方响应时，则重传该数据报文。

当连续一定次数重传，还是没有得到对方响应时，则丢弃该数据报文，即从队列里将该数据报文删除。

本发明流量控制滑窗发送方法可保证收发双方的处理尽可能一致，不会使用户数据因为处理速度上的差异而丢失；数据发送时，考虑到接收方的处理能力，而进行“滑窗发送”，同时滑窗窗口大小可以在一定范围内动态调整，具有自动调节及适应能力。

本发明方法，在高端路由器中试用，从整体上集中解决了可靠、多优先级及流量可控的数据传输要求，能满足通信系统对数据传输实时性及高可靠性的要求。

Claims (8)

1.一种通信系统中多优先级缓冲传输方法，其特征在于包括以下处理步骤：

A.将待发送的用户数据按其优先级别放入具有对等优先级别的缓冲队列中；

B.按高优先级先入与公平轮询的原则，将各缓冲队列中的用户数据放入滑窗发送队列中；

C.流量控制地发送滑动窗口发送队列中的数据。

2.根据权利要求1所述的一种通信系统中多优先级缓冲传输方法，其特征在于：所述步骤A中，用户数据的优先级别由用户进行优先级参数选择，选择的优先级参数跟随待发送数据，所述优先级参数的级别个数与缓冲队列的个数相等。

3.根据权利要求1所述的一种通信系统中多优先级缓冲传输方法，其特征在于所述步骤B中的优先级先入与公平轮询，进一步包括以下处理步骤：

B1.在每一个轮询周期中，在滑窗发送队列为空时，按优先级别从最高至最低、顺序检查各优先级缓冲队列中是否有数据；

B2.在检查的当前优先级缓冲队列中无数据时，检查当前优先级的下一优先级缓冲队列中有无数据；

B3.在检查的当前优先级缓冲队列中有数据时，将其放入滑窗发送队列中，直至当前优先级缓冲队列空，或放入滑窗发送队列中的数据数量达到当前优先级允许连续进入滑窗发送队列的最大数据数量时，转为检查下一优先级的缓冲队列。

4.根据权利要求3所述的一种通信系统中多优先级缓冲传输方法，其特征在于所述步骤B3中，各优先级缓冲队列允许连续进入滑窗发送队列的最大数据数量随缓冲队列优先级降低而减小。

5.根据权利要求3所述的一种通信系统中多优先级缓冲传输方法，其特征在于所述步骤B3中，所述的放入滑窗发送队列中的数据数量达到当前优先级允许连续进入滑窗发送队列的最大数据数量时，转为检查下一优先级的缓冲队列，是在除当前优先级之外的所有优先级缓冲队列中均有数据时执行的。

6.根据权利要求1所述的一种通信系统中多优先级缓冲传输方法，其特征在于：所述的步骤C，流量控制地发送所述滑动窗口发送队列中的数据，进一步包括以下处理步骤：

C1.在滑窗发送队列中设置一窗口范围，从滑窗发送队列首至队列尾，为每个数据报文设置发送序号；

C2.进行一次窗口范围发送，顺序发送窗口范围内任意个带有发送序号的数据报文，并等待对方确认；

C3.在收到对方回应后进行窗口滑动，按对方回应的序号，从窗口范围内删除对应序号的数据报文，将滑窗范围的窗口后移，后移个数与回应的序号相等，按后移量记录下一次窗口范围发送的窗口发送序号；

C4.在连续M次获得对方的正确响应后，将窗口范围的大小扩大，和在连续N次获得对方的不正确响应后，将窗口范围的大小减小。

7.根据权利要求6所述的一种通信系统中多优先级缓冲传输方法，其特征在于：所述的步骤C3中，在规定的时间内没有收到对发送序号数据报文的回应时，重传该发送序号的数据报文。

8.根据权利要求6或7所述的一种通信系统中多优先级缓冲传输方法，其特征在于：所述的步骤C3中，在连续重传达到规定的次数仍没有收到对发送序号数据报文的回应时，则从窗口范围内删除该发送序号的数据报文。

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