CN1316803C - 一种保障“确保转发业务”汇聚流公平性的流量调节方法 - Google Patents

Abstract

一种在区分服务网络中基于拥塞计费保障“AF业务”汇聚流公平性的流量调节方法，是将在互联网中用于保障用户比例公平性的基于拥塞计费的流量控制方法应用于区分服务网络中：先建立区分服务网络中基于拥塞计费的AF汇聚流的流量调节数学模型，并在区分服务网络的边缘路由器之间发送探测包而获得当前网络的拥塞费用，再根据该拥塞费用信息和净效用最大化原则计算每个AF汇聚流的优化发送速率，以及根据优化发送速率调整各个AF汇聚流的令牌桶参数，保障每个AF汇聚流获得与其目标速率近似成比例的带宽共享份额，实现AF汇聚流之间共享资源的比例公平性。该方法解决了现有区分服务网络中流量调节算法不能保障AF汇聚流实现与目标速率成比例公平性的缺陷。

Description

一种保障“确保转发业务”汇聚流公平性的流量调节方法

技术领域

本发明涉及一种保障“确保转发(AF)业务”汇聚流公平性的流量调节方法。确切地说，涉及一种在区分服务网络中基于拥塞计费来保障“AF业务”汇聚流公平性的流量调节方法，属于互联网中流量控制和拥塞控制的技术领域。

背景技术

根据计费方式的不同，Internet的计费分为两大类：静态计费和动态计费。当前Intemet最常用的计费方式是静态的扁平(flat)计费。flat计费通过计时方式对用户收取使用费用，其费率是固定的，决定于用户的接入速率。而动态计费的费率是根据网络状况动态改变的。拥塞计费(congestion pricing)就是一种典型的动态计费方式，其计费价格是根据当前网络拥塞状况进行动态调整，并实时反馈给用户。拥塞计费通过反馈费用间接地告知用户网络的拥塞状况，网络越拥塞则价格越高。以便用户根据不断变化的价格来调整发送速率，当费用超过用户预期时，用户通过降低发送速率来降低付出的总费用，从而有效地支持网络的拥塞控制和流量管理。此时，计费不再单纯是一种网络投资成本的回收方式，同时也是一种控制流量的技术手段。

基于拥塞计费的流量控制技术，通常会先建立一个市场模型，把网络资源(主要考虑带宽资源)抽象成市场中的商品，而把业务源(用户)抽象成商品购买者，商品购买者(网络用户)在购买商品(即消耗网络带宽资源)的同时需要支付一定的费用。首先建立效用(Utility)函数模型来表示用户在消耗资源时的满意程度，即用效用函数形式来表示用户的带宽需求，网络根据当前的拥塞状况不断向用户反馈拥塞费用，用户在希望获得净效用最大化的利益驱动下，将根据反馈的费用不断调整用户业务流的发送速率，最后达到系统优化的均衡状态。研究表明，基于拥塞计费的流量优化控制技术可以保障各个用户之间资源共享的比例公平性。

在区分服务(DiffServ)网络中保障AF业务汇聚流的比例公平性的含义是：在网络欠载时，所有的AF业务汇聚流都应该共享与目标速率成比例的剩余带宽份额，即目标速率相同，得到的剩余带宽份额也相同；在网络过载时，所有的AF业务汇聚流都应该经历与目标速率成比例的吞吐量下降，即目标速率相同，其吞吐量下降程度相同。因此，比例公平性实质上就是与目标速率成比例地调节各个AF业务汇聚流的带宽。

区分服务(DiffServ)是因特网工程任务组IETF提出的一种在互联网中支持服务质量(QoS)的体系框架，相对于集成服务(IntServ)的资源预留，区分服务采用基于优先级的策略来保证用户的服务质量。在区分服务体系中引入了域的概念，把支持相同规则的区分服务功能的路由器集合称为一个DiffServ域，DiffServ域由边缘路由器和中间路由器组成。在区分服务网络中，与QoS保证相关的一系列复杂机制被推到DiffServ域的边缘。边缘路由器需要完成流量调节(Traffic Conditioning)的功能，其中包括计量，整形和标记等机制，而核心路由器则只需要完成相应的分组调度和丢弃策略。

在DiffServ域中，所有进入域的分组在域边缘被分为若干个不同的等级，并由分组中的区分服务代码点(DSCP)字段标识，网络根据每个分组的DSCP字段对该分组提供所需的服务。目前在DiffServ体系中，定义了三种业务等级类型：加速转发业务(EF)：要求有低的时延和时延抖动，一般对应于实时业务；确保转发业务(AF)：要求有较低的丢包率，并在带宽上有一定的需求；缺省的尽力转发(BE)业务：传统的尽力而为的IP分组转发。在DiffServ体系中，EF业务的优先级最高，AF业务次之，BE业务再次之。

在区分服务体系结构中，流量控制功能作用于DS域边缘，对流入或流出的业务流进行调整，它可以看作是边缘路由器中的一个流量调节器，其中包括计量，标记和整形等机制，流量调节器的电路结构如图1所示。在边缘路由器中，数据包先经过分类器判断服务的类型，以确定流量调节器采用哪种类型的流量规范进行调节。计量器根据这种流量规范测量业务流的流量特性，并判断数据包是否满足流量规范。再根据判断结果，标记器、整形器和丢包器将会分别采用相应的策略处理该数据包。按照计量器的判断结果，标记器可以为数据包设置对应于其服务类型的DSCP值。整形器通过延时一个或多个数据包来调整业务流，使之与流量规范一致。因为整形器中的缓冲区通常为有限容量，如果延时的流量超过了缓冲区容量，丢包器将按照一定策略丢弃一些数据包。一般来说，丢弃的多为与流量规范不一致的数据包。

由于BE和EF业务的计量和标记功能比较简单，多数标记机制主要是针对确保转发(AF)类业务进行的。目前的标记机制可分成三种：基于令牌桶的算法、基于速率的算法和基于策略的算法。基于令牌桶的代表算法是1999年由Hyogon Kim提出的IN/OUT公平标记器(Fair Marker)和由J.Heinanen提出的三色标记器(TCM)及其扩展算法：单速率三色标记器(srTCM)和双速率三色标记器(trTCM)。基于速率的代表算法是2000年由W.Fang提出的时间滑动窗口的三色标记器(TSWTCM)。基于策略的代表算法是1999年由F.Azeem提出的TCP友好的流量标记器(TFTM)。其中双速率三色标记器(trTCM)是当前最为常用的流量调节算法，它是通过调节令牌桶的峰值速率PIR参数来调节每个AF业务流的发送速率。下面简单介绍trTCM算法：

trTCM有四个参数：峰值速率PIR(Peak Information Rate)、峰值突发尺寸PBS(Peak Burst Size)、目标速率CIR(Committed Information Rate)和承诺突发尺寸CBS(Committed Burst Size)。PIR和CIR的单位是Byte/s，PBS及CBS的单位是Byte。分组超过PIR就标记为红色，超过了CIR而没有超过PIR就标记为黄色，否则标记为绿色。在DiffServ网络中，红、黄、绿映射为不同的DSCP值。

trTCM有两个令牌桶P和C，其令牌产生速率分别为PIR和CIR。P桶的容量为PBS，C桶的容量为CBS。开始时令牌桶P和C都是满的，即令牌数Tp(0)＝PBS，Tc(0)＝CBS。Tp每秒增加1个PIR的字节，直至Tp＝PBS；Tc每秒增加1个CIR的字节，直至Tc＝CBS。

当一个大小为B比特的分组到达时，在Color-Blind模式下trTCM按以下方法操作：

如果Tp(t)-B＜0，分组标记为红色，否则：

如果Tc(t)-B＜0，分组标记为黄色，且Tp减小B比特；

如果Tc(t)-B≥0，分组标记为绿色，Tp和Tc都减小B比特。

大量研究表明，目前的DiffServ网络体系中的流量调节机制很难保证AF业务汇聚流之间的公平性。在AF业务汇聚流中存在响应流和非响应流，响应流是类似传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)的具有端到端拥塞控制的应用流；非响应流是不采用端到端拥塞控制的应用流，典型的如用户数据报协议UDP(User Data Protocol)流，特别是丢包后也不会降低发送速率的应用流。显然非响应流会占用更多的资源，这对于响应流是不公平的；同样不同属性的响应流在竞争网络资源的时候也会造成不公平的后果。因此，AF业务汇聚流之间的公平性主要体现在两个方面：一是响应流和非响应流之间的公平性问题，这是由于二者对拥塞信号的不同处理方式所致；二是响应流之间的公平性问题，不同属性的响应流之间存在不公平的资源分配，这些属性可归纳为：(1)环回时延，(2)汇聚流中的微流数目，(3)目标速率的大小，(4)分组长度。

目前使用的三种标记方法：基于令牌桶的算法、基于速率的算法和基于策略的算法都不能保障AF业务之间资源共享的比例公平性，其中基于令牌桶的算法较为常用。最近很多研究学者针对区分服务中AF业务公平性不能得到保障的缺陷，进行了大量研究，并得出一些改进的算法。例如文章《DirectCongestion Control Scheme(DCCS)for Differentiated Services IP Networks》(参见IEEE GLOBECOM’2001)介绍的DCCS算法就是一种具有代表性的基于TCP友好控制的流量调节算法。其特点是：首先计算AF汇聚流中TCP汇聚流所能达到的最大吞吐量，并依据这个吞吐量限制其它的非响应流(如UDP流)，从而达到一定的公平性保障的目标。这种基于TCP友好控制的DiffServ流量调节算法很简单，而且能够在一定程度上改善AF业务汇聚流的公平性，但是这种方法有一个特点：通过抑制竞争能力强(如非响应流、连接数目相对较多的TCP流等)的流来保护竞争能力相对较弱的流，从而保证公平性。这种方法在传统的Internet网络中是可行的，但是在引入目标速率的DiffServ网络中，却存在问题：无法保障与目标速率成比例的公平性。

基于拥塞计费的Intemet优化流量控制技术，可以在不同用户之间提供比例公平性。因此如果把基于拥塞计费的流量控制技术应用到DiffServ的流量调节机制中，为AF业务汇聚流提供与目标速率成比例的资源分配，应该能够达到改善DiffServ网络中AF汇聚流公平性的目标。

根据申请人的检索，尚未在以往的文献中发现有在区分服务网络中利用拥塞计费来进行流量控制和拥塞控制的机制；而现有的DiffServ流量调节机制不能保障AF汇聚流的比例公平性，即保障AF汇聚流获得与其目标速率成比例的带宽份额。

发明内容

本发明的目的是提供一种在区分服务网络中基于拥塞计费保障“AF业务”，汇聚流公平性的流量调节方法，该方法解决了现有区分服务网络中流量调节算法不能保障AF业务汇聚流之间实现与目标速率成比例的公平性的缺陷，实现了AF业务汇聚流共享带宽的比例公平性，同时也提高了系统整体吞吐量。

本发明的目的是这样实现的：一种在区分服务网络中基于拥塞计费保障“确保转发AF业务”汇聚流公平性的流量调节方法，其特征在于：该方法是将在互联网中用于保障用户比例公平性的基于拥塞计费的流量控制方法应用于区分服务网络中：先建立区分服务网络中基于拥塞计费的AF业务汇聚流的流量调节数学模型，并在区分服务网络的边缘路由器中发送探测包而获得当前网络的拥塞费用，再根据该拥塞费用信息和净效用最大化原则计算每个AF业务汇聚流的优化发送速率，以及根据优化发送速率调整各个AF业务汇聚流的令牌桶参数，保障每个AF业务汇聚流获得与其目标速率近似成比例的带宽共享份额，实现AF业务汇聚流之间资源共享的比例公平性。

包括下列操作步骤：

(1)根据用户与网络之间的业务等级协定建立基于拥塞计费实现AF业务汇聚流流量调节的数学模型；

(2)在入口边缘路由器发送各个AF业务汇聚流的探测包，并打上时间戳；当该探测包到达相应的出口边缘路由器后，出口边缘路由器立即将该探测包返回到入口路由器，由入口边缘路由器根据时延计算拥塞费用；

(3)入口边缘路由器根据拥塞费用信息和用户净效用最大化原则，计算在当前拥塞费用下各个AF业务汇聚流的优化发送速率，即使得用户净效用增大的发送速率；

(4)根据优化发送速率调整各个AF业务汇聚流的令牌桶P的令牌产生速率PIR；然后返回步骤(2)，进行流量调节的循环操作。

所述步骤(1)进一步包括下述操作步骤：

(11)定义AF业务汇聚流用户集合S＝{s₁，s₂…}，式中s为各个AF业务汇聚流用户；并对每个AF业务汇聚流用户s定义以下数学模型：

用户s的效用函数为U_s＝w_slogx_s；式中x_s为用户s的当前发送速率；w_s为用户s的效用函数的系数，w_s的数值设置为用户s的目标速率，该目标速率根据业务等级协定SLA确定；

用户s的净效用函数为J_s(x_s)＝U_s(x_s)-x_s·p^s；式中p^s为用户s消耗单位带宽需要支付的费用，即x_s·p^s为用户s为其AF业务汇聚流需要支付的总费用；

(12)将令牌桶C的令牌产生速率CIR设置为AF业务汇聚流的目标速率，令牌桶P的令牌产生速率PIR设置为2倍的CIR。

所述步骤(2)进一步包括下述操作步骤：

(21)根据每个AF业务汇聚流的优先级特征，即DSCP值，生成只有包头的探测包，该探测包的DscP值与该AF业务汇聚流的DSCP值相同，并在每对入口边缘路由器和出口边缘路由器之间按照时间周期T多次发送该探测包：

(22)测量各AF业务汇聚流用户s经过区分服务DiffServ域的单向排队时延q_s：q_s＝[r_s-min(r_s)]/2，式中r_s为该探测包在入边缘口路由器和出口边缘路由器之间的往返时延，min(r_s)是r_s的最小值，为不排队时的传播时延和处理时延之和的近似值；

(23)根据单向排队时延q_s数值，计算AF业务汇聚流用户s经过DiffServ域的单位带宽拥塞费用p^s＝γ·q_s，其为单向排队时延q_s的线性函数，系数γ的实验经验值为0.01，γ越大表示网络拥塞费用对用户的影响越大，但不会影响各AF汇聚流之间的公平性；再计算AF业务汇聚流用户s需要支付的拥塞费用：x_s·p^s＝γ·x_s·q_s，式中x_s为用户s的当前发送速率。

所述步骤(3)进一步包括下述操作步骤：

(31)利用流量调节器的计量功能测量和计算AF业务汇聚流用户s的当前发送速率x_s；

(32)计算在当前发送速率x_s和拥塞费用下AF业务汇聚流用户s的净效用函数值J_s(x_s)＝U_s(x_s)-x_s·p^s，及其一阶导数： ${\stackrel{.}{J}}_s\left(x_s\right)=\frac{\∂J_s}{\∂x_s}=\frac{W_s}{x_s}-p^s;$

(33)根据净效用最大化原则，计算在当前拥塞费用下AF汇聚流的优化发送速率x_s ^opt，如果 ${\stackrel{.}{J}}_s\left(x_s\right)>0,$ 说明净效用函数值J_s(x_s)会随着x_s的增大而增大，故用户增大发送速率： $x_s^{\mathrm{opt}}=x_s+a\&CenterDot;{\stackrel{.}{J}}_s\left(x_s\right),$ 式中x_s为用户s的当前发送速率，增大幅度为 如果 ${\stackrel{.}{J}}_s\left(x_s\right)\&le;0,$ 说明净效用函数值J_s(x_s)会随着x_s的减小而增大，则用户减小发送速率： $x_s^{\mathrm{opt}}=x_s-\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\left|{\stackrel{.}{J}}_s\left(x_s\right)\right|,$ 式中x_s为用户s的当前发送速率，减小幅度为 上述两式中的α和β均为调整系数，且0<α≤β，即增加发送速率时增加的幅度小，而在减小发送速率时减小的幅度大，以便网络在拥塞时候能够迅速缓解拥塞，不至于引起网络状态的震荡，有利于保持网络稳定。

所述步骤(4)包括下述操作步骤：在每个速率调整周期将各个AF业务汇聚流的令牌桶P的令牌产生速率PIR调整为其当前优化发送速率X_opt，即 $\mathrm{PIR}=x_s^{\mathrm{opt}},$ 并比较PIR与CIR的值，确保PIR不小于CIR的值，即PIR＝Max(CIR，PIR)；然后返回步骤(2)，进入下一个流量调整周期的循环操作。

所述净效用最大化原则是将由用户的效用减去用户为此效用所需要支付的费用而得到的所谓净效用数值尽可能地谋求最大值。

本发明是一种在区分服务网络中基于拥塞计费来保障“AF业务”汇聚流公平性的流量调节方法，其是将互联网中基于拥塞计费的流量控制方法应用到区分服务网络中。本发明的方法与传统的流量调节算法(以trTCM为代表)和改进算法(以DCCS算法为代表)相比较，很好地解决了现有的各种区分服务网络中流量调节算法的缺陷，能够保障AF汇聚流的比例公平性；且在改善AF汇聚流根据目标速率共享带宽公平性的同时，还能提高系统整体吞吐量，使得网络用户获得较高的性价比。

本发明的流量调节方法属于基于令牌桶的算法，其是利用标准的双速率三色标记器(trTCM)，通过调节令牌桶的PIR参数来调节每个AF汇聚流的发送速率。由于拥塞计费的动态调节作用，网络越拥塞，则拥塞费用越高，各个AF汇聚流为了实现净效用最大化的目标就会降低流量，即降低其发送速率；而且，如果网络带宽富余度越大，则拥塞费用越低，各个AF汇聚流为了实现净效用最大化的目标就会增加流量，即提高其发送速率；这样就能够实现区分服务网络的拥塞控制，并保障各个AF汇聚流能够获得与其目标速率近似成比例的带宽共享份额，从而达到保障各个AF汇聚流之间比例公平性的目标。

附图说明

图1是区分服务网络中的流量调节器的逻辑结构图。

图2是本发明流量调节方法的操作步骤总体流程图。

图3是本发明流量调节方法中测量AF汇聚流的拥塞费用操作步骤流程图。

图4是本发明流量调节方法中计算AF汇聚流的优化发送速率操作步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明方法的工作机理和具体操作步骤。

本发明是一种在区分服务网络中基于拥塞计费保障“AF业务”汇聚流公平性的流量调节方法，其工作机理是把区分服务网络资源抽象成市场中的商品，而把相互之间竞争资源的AF汇聚流看作市场中的用户，并用对数效用函数的形式来表示用户消耗带宽资源所获得的满意程度。用户消耗的资源较多就会获得较高的满意度，同时每个用户必须为其所消耗的网络资源支付相应的费用。这里的网络采用拥塞计费策略，即单位资源的费用与网络拥塞程度相关，网络越拥塞则费用越高，在网络不拥塞时费用为零。区分服务网络的边缘路由器相互之间通过发送探测包来获知当前网络的拥塞费用，并根据该拥塞费用信息来实时动态调节各个AF汇聚流的发送速率，以便使得每个AF汇聚流的净效用最大化。

因此，本发明的流量调节方法主要是借鉴在互联网中应用的基于拥塞计费可以保障用户比例公平性的原理和通过改变基于令牌桶的三色标记器(trTCM)中的令牌桶的PIR参数来调节每个AF汇聚流的发送速率：先建立区分服务网络中基于拥塞计费的AF汇聚流的流量调节数学模型，并在区分服务网络的边缘路由器之间周期性发送探测包而获得当前网络的拥塞费用，再根据该拥塞费用信息、各AF汇聚流的目标速率和净效用最大化原则计算每个AF汇聚流的优化发送速率，以及根据优化发送速率调整各个AF汇聚流的令牌桶参数，保障每个AF汇聚流获得与其目标速率近似成比例的带宽共享份额，实现AF汇聚流之间资源共享的比例公平性。同时，提高了区分服务网络的整体传输效率，提高了网络整体的有效吞吐量。

参见图2，具体说明本发明流量调节方法的四个主要操作步骤：

(1)根据用户与网络之间的业务等级协定SLA建立基于拥塞计费实现AF业务汇聚流流量调节的数学模型。该步骤主要包括两项操作：

(11)定义AF汇聚流用户集合S＝{s₁，s₂…}，式中s为各个AF汇聚流用户；并对每个AF汇聚流用户s定义以下数学模型：

用户s的效用函数为U_s＝w_slogx_s；式中x_s为用户s的当前发送速率；w_s为用户s的效用函数的系数，w_s的数值设置为用户s的目标速率，该目标速率根据业务等级协定SLA确定；

用户s的净效用函数为J_s(x_s)＝U_s(x_s)-x_s·p^s；式中p^s为用户s消耗单位带宽需要支付的费用，即x_s·p^s为用户s为其AF汇聚流需要支付的总费用；

(12)将令牌桶C的令牌产生速率CIR设置为AF汇聚流的目标速率，令牌桶P的令牌产生速率PIR设置为2倍的CIR。

(2)测量各个AF汇聚流的拥塞费用信息：在入口边缘路由器发送各个AF汇聚流的探测包，并打上时间戳；当该探测包到达相应的出口路由器后，出口路由器立即将该探测包返回到入口路由器，由入口路由器根据时延计算拥塞费用。

(3)边缘路由器根据拥塞费用信息和用户净效用最大化原则，计算在当前拥塞费用下各个AF汇聚流的优化发送速率，即使得用户净效用增大的发送速率；

(4)根据优化发送速率，在每个速率调整周期将各个AF汇聚流的令牌桶P的令牌产生速率PIR调整为其当前优化发送速率X_opt，即 $\mathrm{PIR}=x_s^{\mathrm{opt}},$ 并比较PIR与CIR的值，确保PIR不小于CIR的值，即PIR＝Max(CIR，PIR)；然后返回步骤(2)，进入下一个流量调节周期的循环操作。

参见图3，详细说明步骤(2)测量网络拥塞状况中各个细化步骤的流程图：

(21)根据每个AF汇聚流的优先级特征，即DSCP值，生成只有包头的探测包，该探测包的DSCP值与该AF汇聚流的DSCP值相同，并在每对入口路由器和出口路由器之间按照时间周期T多次发送该探测包；

(22)通过在入口路由器和出口路由器之间发送探测包的方式来测量AF汇聚流用户s经过DiffServ域的往返时延r_s和单向排队时延q_s，q_s＝[r_s-min(r_s)]/2，式中min(r_s)是r_s的最小值，为不排队时的传播时延和处理时延之和的近似值；

(23)根据单向排队时延q_s数值，计算AF汇聚流用户s经过DiffServ域的单位带宽拥塞费用P^s＝γ·q_s，其为单向排队时延q_s的线性函数，系数γ的实验经验值为0.01，γ越大表示网络拥塞费用对用户的影响越大，但不会影响各AF汇聚流之间的公平性；再计算AF汇聚流用户s需要支付的拥塞费用：x_s·P^s＝γ·x_s·q_s，式中x_s为用户s的当前发送速率。

参见图4，详细说明步骤(3)计算优化速率的各个细化步骤的流程图：

(31)利用流量调节器的计量功能测量和计算AF汇聚流用户s的当前发送速率x_s；

(32)计算在当前发送速率x_s和拥塞费用下AF汇聚流用户s的净效用函数值J_s(x_s)＝U_s(x_s)-x_s·P^s，及其一阶导数： ${\stackrel{.}{J}}_s\left(x_s\right)=\frac{\&PartialD;J_s}{\&PartialD;x_s}=\frac{W_s}{x_s}-p^s;$

(33)根据净效用最大化原则，计算在当前拥塞费用下AF汇聚流的优化发送速率 $x_s^{\mathrm{opt}}=\left\{\begin{array}{cc}{x}_s+\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;{\stackrel{.}{J}}_s,& {\stackrel{.}{J}}_s>0\\ x_s-\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;|{\stackrel{.}{J}}_s\text{| ,}& {\stackrel{.}{J}}_s\&le;0\end{array}\right.$ ,式中x_s为用户s的当前发送速率，α和β均为调整系数，且0＜α≤β；即如果 ${\stackrel{.}{J}}_s\left(x_s\right)>0,$ 说明净效用函数值J_s(x_s)会随着x_s的增大而增大，故用户增大发送速率，增大幅度为 如果 ${\stackrel{.}{J}}_s\left(x_s\right)\&le;0,$ 说明净效用函数值J_s(x_s)会随着x_s的减小而增大，则用户减小发送速率，减小幅度为

根据上述两式调节流量时，增加发送速率时增加的幅度小，而在减小发送速率时减小的幅度大，以便网络在拥塞时候能够迅速缓解拥塞，不至于引起网络状态的震荡，有利于保持网络稳定。

本发明的流量调节方法已经在计算机上进行了仿真模拟试验，对影响“AF业务”汇聚流公平性的五种情况(响应流与非响应流之间以及四种不同属性的响应流之间)都进行了仿真模拟，并将本发明方法与trTCM以及属于TCP友好控制机制的DCCS算法进行了比较，仿真结果表明本发明的流量调节方法在改善公平性和提高总有效吞吐量方面都表现出更好的性能，试验是成功的，实现了发明目的。

下面简单说明本发明方法在改善不同目标速率(CIR)的AF业务汇聚流的公平性的试验经过。

仿真中有10个TCP汇聚流，各汇聚流的目标速率(CIR)分别依次为0.1Mbps，0.2Mbps，0.3Mbps，0.4Mbps，0.5Mbps，0.6Mbps，0.7Mbps，0.8Mbps，0.9Mbps以及1.0Mbps，因此总的目标速率为5.5Mbps。仿真网络拓扑的瓶颈链路带宽设为11Mbps，因此负载为50％。

为了评估AF汇聚流之间的公平性，这里定义一个公平性指数(FI)： $\mathrm{FI}={\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&eta;}}_i\right)}^2/n\&times;\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&eta;}}_i^2,$ 其中n表示AF汇聚流用户的数目，η_i＝x_i/c_i表示第i个汇聚流的实际吞吐量与目标速率的比值，x_i表示第i个汇聚流的平均有效吞吐量，C_i表示第i个汇聚流的目标速率(CIR)。公平性指数是一个介于0和1之间的非负数。该值越接近1，表示公平性越好，理想状况下每个AF汇聚流都将获得与其目标速率成比例的带宽份额，即分别为0.2Mbps，0.4Mbps，0.6Mbps，0.8Mbps，1.0Mbps，1.2Mbps，1.4Mbps，1.6Mbps，1.8Mbps以及2.0Mbps。

仿真试验将本发明的流量调节方法与trTCM以及属于TCP友好控制机制的DCCS算法分别进行了比较，结果trTCM的公平性指数为0.74，DCCS的公平性指数为0.82，而本发明方法的公平性指数为0.96，比较接近理想状态。这是由于本发明的流量调节方法对于不同CIR的AF汇聚流的流量调节是不一样的，CIR被用来作为各个汇聚流的效用函数的系数，因此能够保证与CIR成比例的公平性目标。

Claims (7)

1、一种在区分服务网络中基于拥塞计费保障“确保转发AF业务”汇聚流公平性的流量调节方法，其特征在于：该方法是将在互联网中用于保障用户比例公平性的基于拥塞计费的流量控制方法应用于区分服务网络中：先建立区分服务网络中基于拥塞计费的AF业务汇聚流的流量调节数学模型，并在区分服务网络的边缘路由器之间发送探测包而获得当前网络的拥塞费用，再根据该拥塞费用信息和净效用最大化原则计算每个AF业务汇聚流的优化发送速率，以及根据优化发送速率调整各个AF业务汇聚流的令牌桶参数，保障每个AF业务汇聚流获得与其目标速率近似成比例的带宽共享份额，实现AF业务汇聚流之间资源共享的比例公平性。

2、根据权利要求1所述的流量调节方法，其特征在于：包括下列操作步骤：

(1)根据用户与网络之间的业务等级协定建立基于拥塞计费实现AF业务汇聚流流量调节的数学模型；

(2)在入口边缘路由器发送各个AF业务汇聚流的探测包，并打上时间戳；当该探测包到达相应的出口边缘路由器后，出口边缘路由器立即将该探测包返回到入口边缘路由器，由入口边缘路由器根据时延计算拥塞费用；

(3)入口边缘路由器根据拥塞费用信息和用户净效用最大化原则，计算在当前拥塞费用下各个AF业务汇聚流的优化发送速率，即使得用户净效用增大的发送速率；

(4)根据优化发送速率调整各个AF业务汇聚流的令牌桶P的令牌产生速率PIR；然后返回步骤(2)，进行流量调节的循环操作。

3、根据权利要求2所述的流量调节方法，其特征在于：所述步骤(1)进一步包括下述操作步骤：

(11)定义AF业务汇聚流用户集合S＝{s₁，s₂…}，式中s为各个AF业务汇聚流用户；并对每个AF业务汇聚流用户s定义以下数学模型：

用户s的效用函数为U_s＝w_slogx_s；式中x_s为用户s的当前发送速率；w_s为用户s的效用函数的系数，w_s的数值设置为用户s的目标速率，该目标速率根据业务等级协定SLA确定；

用户s的净效用函数为J_s(x_s)＝U_s(x_s)-x_s·p^s；式中p^s为用户s消耗单位带宽需要支付的费用，即x_s·p^s为用户s为其AF业务汇聚流需要支付的总费用；

(12)将令牌桶C的令牌产生速率CIR设置为AF业务汇聚流的目标速率，令牌桶P的令牌产生速率PIR设置为2倍的CIR。

4、根据权利要求2所述的流量调节方法，其特征在于：所述步骤(2)进一步包括下述操作步骤：

(21)根据每个AF业务汇聚流的优先级特征，即DSCP值，生成只有包头的探测包，该探测包的DSCP值与该AF业务汇聚流的DSCP值相同，并在每对入口边缘路由器和出口边缘路由器之间按照时间周期T多次发送该探测包；

(22)测量各AF业务汇聚流用户s经过区分服务DiffServ域的单向排队时延q_s∶q_s＝[r_s-min(r_s)]/2，式中r_s为该探测包在入口边缘路由器和出口边缘路由器之间的往返时延，min(r_s)是r_s的最小值，为不排队时的传播时延和处理时延之和的近似值；

(23)根据单向排队时延q_s数值，计算AF业务汇聚流用户s经过DiffServ域的单位带宽拥塞费用p^s＝γ·q_s，其为单向排队时延q_s的线性函数，系数γ的实验经验值为0.01，γ越大表示网络拥塞费用对用户的影响越大，但不会影响各AF业务汇聚流之间的公平性；再计算AF业务汇聚流用户s需要支付的拥塞费用：x_s.p^s＝γ.x_s.q_s，式中x_s为用户s的当前发送速率。

5、根据权利要求2所述的流量调节方法，其特征在于：所述步骤(3)进一步包括下述操作步骤：

(31)利用流量调节器的计量功能测量和计算AF业务汇聚流用户s的当前发送速率x_s；

(32)计算在当前发送速率x_s和拥塞费用下AF业务汇聚流用户s的净效用函数值J_s(x_s)＝U_s(x_s)-x_s·p^s，及其一阶导数： ${\stackrel{\&CenterDot;}{J}}_s\left(x_s\right)=\frac{{\&PartialD;J}_s}{{\&PartialD;x}_s}=\frac{w_s}{x_s}-P^s;$

(33)根据净效用最大化原则，计算在当前拥塞费用下AF业务汇聚流的优化发送速率x_s ^opt，如果 ${\stackrel{\&CenterDot;}{J}}_s\left(x_s\right)>0,$ 说明净效用函数值J_s(x_s)会随着x_s的增大而增大，故用户增大发送速率： $x_s^{\mathrm{opt}}=x_s+\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;{\stackrel{\&CenterDot;}{J}}_s\left(x_s\right),$ 式中x_s为用户s的当前发送速率，增大幅度为

如果 ${\stackrel{\&CenterDot;}{J}}_s\left(x_s\right)\&le;0,$ 说明净效用函数值J_s(x_s)会随着x_s的减小而增大，则用户减小发送速率： $x_s^{\mathrm{opt}}=x_s-\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{J}}_s\left(x_s\right)\right|,$ 式中x_s为用户s的当前发送速率，减小幅度为 上述两式中的α和β均为调整系数，且0＜α≤β，即增加发送速率时增加的幅度小，而在减小发送速率时减小的幅度大，以便网络在拥塞时候能够迅速缓解拥塞，不至于引起网络状态的震荡，有利于保持网络稳定。

6、根据权利要求2所述的流量调节方法，其特征在于：所述步骤(4)包括下述操作步骤：在每个速率调整周期将各个AF业务汇聚流的令牌桶P的令牌产生速率PIR调整为其当前优化发送速率X_opt，即 $\mathrm{PIR}=x_s^{\mathrm{opt}},$ 并比较PIR与CIR的值，确保PIR不小于CIR的值，即PIR＝Max(CIR，PIR)；然后返回步骤(2)，进入下一个流量调整周期的循环操作。

7、根据权利要求1或5所述的流量调节方法，其特征在于：所述净效用最大化原则是将由用户的效用减去用户为此效用所需要支付的费用而得到的所谓净效用数值尽可能地谋求最大值。