CN1180577C - 一种流量整形技术的实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于实时可变比特率(rt-VBR，Real Time Variable Bit Rate，)信流的流量整形技术的实现方法，是根据虚电路的峰值信元率PCR的大小不同，将虚电路(VC，包括SVC和PVC)划分为若干高低不同的服务等级，对于服务等级不同的虚电路，按照虚电路的服务等级的优先级的高低顺序分别进行调度；同一个服务等级内则是采用轮询调度，使该等级内的各条虚电路得到相同的信元发送机会。该调度还包括：每隔一个调度周期的时间，对每一个服务等级内各条虚电路的服务时间(又称：发送时间)间隔进行动态调整。该方法复杂度低、容易实现，经过本发明的流量整形后，突发性的信元以符合GCRA算法规定的速率平滑地发送出去，能保证已建立的各条虚电路的服务质量。
Description
所属领域
本发明涉及一种流量整形技术的实现方法，确切地说，涉及一种复杂度低、容易实现的用于实时可变比特率(rt-VBR，Real Time Variable Bit Rate)信流的流量整形技术的实现方法，属于ATM信流管理(Traffic Management)的技术领域。
背景技术
根据ATM论坛的规定，使用参数控制(UPC，Usage Parameter Control)是用来检测信元是否符合信流合约(Traffic Contract)，并进行相应的处理，即通过丢弃或改变信元丢弃优先级(CLP，Cell Loss Priority)来进行相应的处理。
ATM论坛提出了符合信元的定义，这是用通用信元率算法(GCRA，GenericCell Rate Algorithm)来表述的。对于rt-VBR业务，规定只有同时通过GCRA(1/PCR，CDVT)和GCRA(1/SCR，BT+CDVT)检测的信元才被认为是符合合约的(以CLP＝0的信元为例，下同)。其中PCR(Peak Cell Rate)为峰值信元率，CDVT(Cell Delay Variation Tolerance)为信元时延变化容限，SCR(Sustainable Cell Rate)为持续信元率，BT(Burst Tolerance)为突发容限。相应地，在发送ATM信元时，要保证发送出去的信元符合信流合约，以避免被下游结点(比如，ATM交换机)在实施使用参数控制(UPC，Usage ParameterControl)时丢弃，这就是流量整形的功能。流量整形实际上就是通过控制信元发送的时间间隔来实现的。对于rt-VBR业务来讲，就是使发送出去的信元同时满足GCRA(1/PCR，CDVT)和GCRA(1/SCR，BT+CDVT)。突发容限(BT，Burst Tolerance)可以由峰值信元率(PCR，Peak Cell Rate)、持续信元率(SCR，Sustainable Cell Rate)和最大突发尺寸(MBS，Maxium Burst Size)计算得到，其中的参数PCR、SCR和MBS一般是由用户直接配置的。在流量整形时，一般将另一参数：信元时延变量容限(CDVT，Cell Delay Variation Tolerance)设置为0，以达到更好的整形效果。
参见图1，目前常见的实时可变比特率rt-VBR流量整形一般是由整形和调度两个步骤所组成，每个虚电路(VC，Virtual Circuit)在整形部分都有一个缓存队列和一个GCRA发送控制器(在图1中用○表示之)。每个GCRA发送控制器都采用GCRA算法循环检测其所在的队列中是否存在符合rt-VBR信元合约(Traffic Contract)的信元，并将其送入调度部分的缓存器。因为有许多条虚电路(VC)的信元都要通过同一个端口发送出去，这种复用势必会带来额外的时延和时延抖动(Jitter)，甚至可能使得整形后的信元不再符合信流合约。因此，通常在信元整形之后，需要再加上一个信元调度。目前，已经提出的调度方法主要有：FIFO，WRR，LTBR，WFQ，WF2Q+，EDD等。
由图1可以看出，每个虚电路都需要有一个GCRA发送控制器，该发送控制器不断检测该虚电路是否存在可以发送的信元，并将其发送到调度部分的缓存器中。GCRA发送控制器的数目随着虚电路数目的增大而增大，这样就给系统设计带来较大的难度。由于在整形部分和调度部分各有一级缓存，还采用了反馈机制，这种设计方法必然带来额外的时延。而且，随着虚电路数目的增多，这种时延将更加明显。
为了保证流量整形的性能，即保证基本带宽，尽量减少时延，保证较好的公平性等，往往需要采用比较复杂的算法，如WF2Q+，EDD等。采用这些复杂的算法，调度一个信元需要多次访问存储器，这也是非常不利的。以普遍认为比较简单的WF2Q+为例，调度一个信元需要进行的运算次数(包括平衡二叉树的维护)平均大约为10×Log2N，N为虚电路的条数。因此，采用复杂的调度算法往往是以牺牲调度速度的代价来换得较好的公平性。在大流量(比如1Gbps)的场合下，上述这种流量整形技术往往显得无能为力。
所以，目前使用的rt-VBR流量整形技术普遍存在着以下一种或多种缺陷：(1)需要为每个虚电路都配设一个速率控制器，增大了实现流量整形技术的成本和技术复杂度；(2)调度算法比较复杂，且调度算法的性能，如公平性、最大时延保证等，往往与它的复杂度成线性关系；(3)所采用的多级缓存会带来额外的时延；(4)无法应用在大流量的场合下；(5)要有专门的硬件配合，很难单独用软件实现等。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于rt-VBR信流的流量整形技术的实现方法，该方法可以较好地解决现有技术存在的上述各种问题。
本发明的目的是这样实现的：一种用于rt-VBR信流的流量整形技术的实现方法，其特征在于：该方法是根据每条虚电路的峰值信元率(PCR)的大小不同，划分为若干个高低不同的服务等级：PCR数值大的虚电路的服务等级高，PCR数值相同的虚电路处于相同的服务等级；对于服务等级不同的虚电路，按照服务等级的优先级的高低顺序分别对这些虚电路进行调度，以降低调度的难度；同一个服务等级内的虚电路则是采用轮询调度，使该等级内的各条虚电路得到相同的信元发送机会。
该方法包括有下列具体步骤：首先将具有相同峰值信元率(PCR)的虚电路归并在同一服务等级中，再将不同服务等级按照其PCR的大小顺序设置其调度的优先级的高低；接着，对各服务等级的服务时间间隔进行初始化：设置各服务等级的服务时间间隔为与该服务等级相对应的峰值信元率的倒数：1/PCR。
所述的按照各条虚电路的服务等级的优先级的高低顺序进行调度的具体步骤为：启动调度程序后，首先是最高等级的虚电路获得发送机会，在采用轮询方法将最高等级内各条虚电路的符合信流合约的可发送信元依次发送一次之后，则将发送机会顺序让给次高等级的各条虚电路，最后才对最低等级的各条虚电路进行轮询发送；直到最高等级服务时间间隔结束，下一个最高等级服务时间到来之后，再开始启动最高等级的各条虚电路的下一次轮询服务，并顺序循环进行之。
所述的采取轮询的方法进行调度，使该等级的各条虚电路得到相同的信元发送机会的具体步骤为：在某一等级获得信元发送机会后，该等级内轮询决定下一次要发送的信元；若在完成本次轮询的过程中，没有因为较高等级的下一次服务时间的到来而失去发送机会，则完成本次轮询；若在完成本次轮询后，该等级的下一次服务时间到来，则启动该等级的下一次轮询；否则将服务的机会让给该等级的下级。
所述的调度包括有：每隔一个调度周期的时间，对每一个服务等级内各条虚电路的服务时间间隔进行动态调整；也就是：若在一个调度周期内，存在有较低服务等级的队列没有得到一次服务机会时，则在下一个调度周期增大各服务等级的服务时间间隔；以便通过调整服务时间间隔的值来实现优先级流量控制，最大限度地共享剩余带宽和避免发生拥塞。
所述的调度周期是最低服务等级的服务时间间隔，其数值为各个虚电路中的最小峰值信元率(PCRmin)的倒数：1/PCRmin。
本发明是一种复杂度低、容易实现的rt-VBR流量整形技术，经过本发明的流量整形之后，具有突发性的信元将会以符合GCRA算法规定的速率平滑地发送出去，能够保证已建立的各条虚电路的服务质量。
该方法的优点是：1、整形后的信元严格符合rt-VBR的信流合约(TrafficContract)：当虚电路获得信元发送机会后，只有同时符合GCRA(1/SCR，BT)和GCRA(1/PCR，0)的信元才被允许并立即得到发送，因此经过本发明整形后发送出去的信元都是符合rt-VBR信流合约的。2、调度方法比较简单，容易实现：本发明调度方法的复杂度为O(1)，容易实现，并大大提高信元调度的速度，能够满足大流量的需要。3、不需要专门设置的GCRA发送控制器，有利于硬件设计的实现和降低成本。4、容易实现优先级调度：发生拥塞时，可以调整各条虚电路的服务时间间隔来实现优先级拥塞管理。5、该方法只在整形部分设有一级缓存队列，减少了不必要的时延。当虚电路获得发送机会，且该虚电路存在可以发送的信元时，该信元能够马上发送出去。
附图说明
图1是目前使用的一种常见的流量整形技术的示意图。
图2是信元发送的时间间隔示意图。
图3是本发明基于有限服务等级的用于rt-VBR信流的流量整形技术实现方法的示意图。
图4是应用本发明流量整形技术实现方法的一实施例的示意图。
具体实施方式
本发明的流量整形技术的实现方法是基于如下事实：
(1)在同一时刻维护的虚电路可能很多，但其峰值信元率PCR的取值个数则是有限的。ATM论坛中规定了PCR，SCR等参数的配置，根据PCR、SCR、MBS等参数的不同，可以组合出许多不同的服务等级，以满足不同的业务需要。然而，大部分时候，一个设备需要同时支持的业务种类往往是有限的。所以，通常可以为属于同一业务类型的所有虚电路配置相同的PCR，SCR等参数。这样，任何一个虚电路都属于有限的服务等级中的一个。
(2)相同大小的时延，对于具有不同PCR的虚电路的影响是不同的。一般来讲，峰值信元率PCR值较大的虚电路对时延更敏感。因此，在发生拥塞时，可以根据PCR的不同分别设置不同的优先级，峰值信元率大的虚电路的优先级高。
(3)若任意虚电路(VC)K在任意时刻t发送了一个ATM信元，那么最早到(t+1/PCRK)时刻，虚电路(VC)K才被允许发送下一个信元。这是GCRA(1/PCRK，0)的限制，其中PCRK是该虚电路(VC)K允许的最大信元速率。
本发明就是在上述事实的基础上，对现有的调度方法进行了改进。
首先考虑一条虚电路的情况。假设在时刻0，从该虚电路上有一个信元发送出去，那么由于GCRA(1/PCR，0)的限制，最早也要到时刻(1/PCR)才允许发送下一个信元。考虑到这一情况，只需要在(1/PCR)时刻之后启动GCRA检测即可，由其判断该虚电路是否存在下一个可以发送的信元；而在时刻(0-1/PCR)之间，可以用来完成其它任务。若该条虚电路有持续的信元到来，在不考虑SCR的情况下，信元发送的时刻是在0、1/PCR、2/PCR、3/PCR、...发生的，如图2所示。把发送两个信元之间的时间间隔大小(1/PCR)叫做服务时间间隔Ts，表示该虚电路得到信元发送机会的频率。为了避免频繁的GCRA检测，可以每隔Ts的时间对该虚电路查询一次是否有可发送的信元，即是否有符合GCRA(1/SCR，BT)和GCRA(1/PCR，0)的信元存在，这种检测可以称为一次服务。若在两次服务之间出现一个可发送信元，那么该信元的发送就推迟到下一次服务时，这样会额外带来最大为(2/PCR)的延迟。这种延迟可以根据实际需要调整PCR的取值而得到控制。但是，当存在多条虚电路的时候，就必须对各条虚电路进行调度，以确定哪一个虚电路拥有发送下一个信元的机会，也就是需要采用本发明所提供的调度方法。
参见图3，本发明是一种用于rt-VBR信流的流量整形技术的实现方法，该方法是根据虚电路的峰值信元率PCR的不同，划分为若干个不同的服务等级分别进行调度，且该调度是按照各条虚电路的服务等级的优先级的高低顺序进行的；在同一个服务等级内是采用轮询调度，使该等级内的各条虚电路得到相同的信元发送机会。所述的调度还包括有：每隔一个调度周期的时间，对每一个服务等级内各条虚电路的服务时间(又称：发送时间)间隔进行动态调整，以维护各服务等级的次序。
本发明的实现方法的具体步骤是：首先将具有相同峰值信元率PCR的虚电路归并在同一服务等级中，再将不同服务等级按照其峰值信元率的大小顺序设置其调度的优先级的高低；例如图3中的L0，L1，L2，...Ln。可以设置Lk组是Lk-1，Lk-2，...L0各组的下级，同时又是Lk+1，Lk+2，...，Ln的上级。接着，对各服务等级的服务时间间隔进行初始化，对各服务等级的服务时间间隔初始化就是将各服务等级的服务时间间隔设置为与其对应的峰值信元率PCR的倒数：1/PCR，可记为Ts0，Ts1，Ts2，...，Tsn。不同服务等级拥有不同的时间段用于信元的发送。
本发明按照各条虚电路的服务等级的优先级的高低顺序进行调度的具体步骤为：启动调度程序后，首先是最高等级的虚电路获得发送机会，L0，L1，L2，...Ln的优先级是依次递减，所以，L0首先获得发送机会。在采用轮询方法将最高等级L0内各条虚电路的可发送信元依次发送一次之后，则将发送机会顺序让给次高等级L1(即L0的下级)的各条虚电路，最后才对最低等级Ln的各条虚电路进行轮询发送；直到最高等级服务时间间隔结束，下一个最高等级服务时间Ts0到来之后，再开始启动最高等级L0的各条虚电路的下一次轮询服务，并顺序循环进行之。
在某一等级Lk获得信元发送机会后，则在该等级Lk组内轮询决定下一次要发送的信元；若在完成本次轮询的过程中，没有因为较高等级L0，L1，L2，...，L(k-1)的下一次服务时间的到来而失去发送机会，则完成本次轮询；若在完成本次轮询后，该等级Lk的下一次服务时间到来，则启动该等级Lk的下一次轮询；否则将服务的机会让给该等级Lk的下级Lk+1。
所述的最低服务等级的服务时间间隔Tsn被称作调度周期，若在一个调度周期内，存在有较低服务等级的队列没有得到一次服务机会时，则在下一个调度周期增大各服务等级的服务时间间隔。这样发生拥塞时，可以调整Ts的值实现优先级流量控制。
图3还展示了本发明的流量整形技术只需采用一级缓存。因为当某一虚电路获得发送机会，通过GCRA发送控制器检测是否存在可以发送的信元时，在同一时刻至多只有一条虚电路获得发送机会，因此不需要设置专门的GCRA发送控制器。本发明在同一服务等级内采用轮询调度，调度方法的复杂度取决于同时维护的服务等级的数目。
参见图4所示的一种需要应用本发明流量整形技术的实施例。在图4中，用户通过ATM接入网进入公网。假设从用户设备发出的信元(A点)是符合由GCRA定义的信流合约的，但在接入网中有可能引入了时延和时延抖动，因此当该信元到达公网时，该信元就不再符合信流合约了。为了避免在公网入口端(C点)的使用参数控制(UPC，Usage Parameter Control)操作将该信元丢弃，有必要在进入公网前(B点)进行流量整形。目前，在B点的流量整形通常需要用一个硬件来实现，这无疑增大了成本；同时，要采用WF2Q+，EDD等较复杂的算法，在流量上往往会受到限制。而本发明则可以用软件实现之，而且比较简单，可以满足大流量的需要。因此在发生拥塞时，使用本发明的方法可以方便地实现优先级拥塞控制。
本发明的方法已经在申请人研制的产品上进行了试验实施，试验的效果是成功的，实现了发明目的。
Claims (6)
1、一种用于实时可变比特率(rt-VBR)信流的流量整形技术的实现方法，其特征在于：该方法是根据每条虚电路的峰值信元率(PCR)的大小不同，将这些虚电路划分为若干个高低不同的服务等级：PCR数值大的虚电路的服务等级高，PCR数值相同的虚电路处于相同的服务等级；对于服务等级不同的虚电路，按照服务等级的优先级的高低顺序分别对这些虚电路进行调度，同一个服务等级内的虚电路则是采用轮询调度，使该等级内的各条虚电路得到相同的信元发送机会。
2、根据权利要求1所述的流量整形技术的实现方法，其特征在于：该方法包括有下列具体步骤：首先将具有相同峰值信元率(PCR)的虚电路归并在同一服务等级中，再将不同服务等级按照其PCR的大小顺序设置其调度的优先级的高低；接着，对各服务等级的服务时间间隔进行初始化：设置各服务等级的服务时间间隔为与该服务等级相对应的峰值信元率的倒数：1/PCR。
3、根据权利要求1所述的流量整形技术的实现方法，其特征在于：所述的按照各条虚电路的服务等级的优先级的高低顺序进行调度的具体步骤为：启动调度程序后，首先是最高等级的虚电路获得发送机会，在采用轮询方法将最高等级内各条虚电路的符合信流合约的可发送信元依次发送一次之后，则将发送机会顺序让给次高等级的各条虚电路，最后才对最低等级的各条虚电路进行轮询发送；直到最高等级服务时间间隔结束，下一个最高等级服务时间到来之后，再开始启动最高等级的各条虚电路的下一次轮询服务，并顺序循环进行之。
4、根据权利要求1所述的流量整形技术的实现方法，其特征在于：所述的采取轮询的方法进行调度，使该等级的各条虚电路得到相同的信元发送机会的具体步骤为：在某一等级获得信元发送机会后，该等级内轮询决定下一次要发送的信元；若在完成本次轮询的过程中，没有因为较高等级的下一次服务时间的到来而失去发送机会，则完成本次轮询；若在完成本次轮询后，该等级的下一次服务时间到来，则启动该等级的下一次轮询；否则将服务的机会让给该等级的下级。
5、根据权利要求1所述的流量整形技术的实现方法，其特征在于：所述的调度包括有：每隔一个调度周期的时间，对每一个服务等级内各条虚电路的服务时间间隔进行动态调整；也就是：若在一个调度周期内，存在有较低服务等级的队列没有得到一次服务机会时，则在下一个调度周期增大各服务等级的服务时间间隔；以便通过调整服务时间间隔的值来实现优先级流量控制，最大限度地共享剩余带宽和避免发生拥塞。
6、根据权利要求5所述的流量整形技术的实现方法，其特征在于：所述的调度周期是最低服务等级的服务时间间隔，其数值为各个虚电路中的最小峰值信元率(PCRmin)的倒数：1/PCRmin。
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