CN1379572A

CN1379572A - 用于报文转发系统的队列管理方法

Info

Publication number: CN1379572A
Application number: CN02117077A
Authority: CN
Inventors: 吴建平; 章淼
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2002-04-29
Filing date: 2002-04-29
Publication date: 2002-11-13
Anticipated expiration: 2022-04-29
Also published as: CN1182685C

Abstract

用于报文转发系统的队列管理方法属于网络拥塞控制的技术领域,其特征在于:它在网络设备中采集瞬时队列长度计算报文丢弃或标记的概率值这一步骤中,使用了“简单自适应比例控制器”的算法,它由使用比例控制器计算概率的值并使用这个概率值对经过网关的报文进行丢弃或标记的基本算法和动态的对基本算法中使用的参数avg p即概率的平均值进行调整的自适应算法两部分构成。用网络模拟器ns－2在一台Intel PIII800的PC机上进行的验证试验证明:它具有实现简单,计算开销小;参数设置简单;适应性广,在不改变参数设置的情况下可自动适应变化的网络环境;可以在保持高链路利用率的情况下有效的控制网络报文通过网络设备时的排队延迟等优点。

Description

用于报文转发系统的队列管理方法

技术领域

一种用于报文转发系统的队列管理方法属于网络拥塞的控制和避免技术领域，尤其涉及其中链路技术中的主动队列管理方法。

背景技术

拥塞控制是目前互联网中的一个重要问题。当网络中存在过多的报文时，网络的性能会下降，这种现象称为拥塞。拥塞的发生会严重影响网络的服务质量，提高网络传输中的报文丢失率，增加网络传输的延迟，所以必须在Internet中采取措施来控制和避免拥塞的发生。目前，在Internet中针对拥塞主要采取“反馈控制”(Feedback Control)的方法：客户端在发送数据的过程中，动态的根据网络的状况调整自己的发送速率。客户端判断网络状况的一个重要依据是传输过程中是否有报文丢失发生。如果出现报文丢失，那么就降低自己的发送速率；如果没有出现报文丢失，就保持或者提高自己的发送速率。从本质上讲，Internet(包括网络和与网络相连的主机)就是一个大的反馈系统，“报文丢失”就是一种关于网络拥塞状况的反馈信号。网络结点有两种类型：一种是端结点，它是网络数据的起点和终点，一般的主机(Host)就属于这种类型；另一种是中间结点，它除了具有端结点的功能之外，还具有数据存储转发的功能。这种结点的代表是路由器(Router)。网络链路和中间结点共同构成了“通讯子网”(Communication Subnet)，为端结点提供了数据通路，如图1所示。

根据算法的实现位置，可以将拥塞控制算法分为两大类：链路算法和源算法。链路算法在网络的中间节点(如路由器和交换机)中执行，作用是检测网络拥塞的发生，产生拥塞反馈信息，如“队列管理算法“；源算法在端节点(主机和网络边缘设备等)中执行，作用是根据反馈信息调整发送速率，如“传输控制协议”(TCP：Transmission Control Protocol)。

“主动队列管理”(AQM：Active Queue Management)算法属于拥塞控制的链路算法。在“主动队列管理”算法出现前，使用“队尾丢弃”(DropTail)的方法。“队尾丢弃”方法只有在网络设备的队列缓冲溢出时才丢弃报文，而AQM在队列缓冲溢出之前就丢弃或标记报文。和“队尾丢弃”方法相比，AQM的主要优点是：

(1)减少网关的报文丢失。使用AQM可以保持较小的队列长度，从而增加网关容纳突发流量的能力。

(2)减小报文通过网关的延迟。减小平均队列长度可以有效的减小报文在网络设备中的排队延迟。

(3)避免整个网络系统振荡的发生。

AQM的一个代表是“随机早检测”(RED：Random Early Detection)算法，它的一个扩展算法“加权的随机早检测”(WRED：Weighted Random Early Detection)已经实现在Cisco12000系列的路由器中。研究表明RED比DropTail具有更好的性能。但是RED的一个重大缺陷是它的性能对算法的参数设置十分敏感。

发明内容

本发明的目的在于提供一种它的性能对参数的配置不敏感的用于报文转发系统的队列管理方法。

本发明含有计算机从报文转发用网络或路由器中采集瞬时队列长度计算报文丢弃或标记的概率和使用计算得到的概率丢弃或按相应的公知标准标记报文的步骤，其特征在于：它是一种控制和避免拥塞用的链路方法中的“主动队列管理”方法，依次含有如下步骤：

(1)初始化：

设定：

interval_s，概率值prob的计算周期，设为t(s)秒；

interval_l，调整概率平均值avg_p的周期，设为t(l)秒；

target，平均队列长度的目标值；

α，在调整概率平均值avg_p时用的调整系数，α＞1；

(2)采集瞬时队列长度q；

(3)计算队列长度的总和：q_sum＝q_sum+q；

(4)计算新的概率值：prob＝avg_p*q/target；

(5)判断prob＞0.5？：

若prob＞0.5，命prob＝0.5；

若prob＜0.5，则执行下一步骤；

(6)判断是否到达t(s)秒？；

若到达t(s)秒且没有到达t(l)秒，则执行步骤(2)；

若到达t(s)秒且到达t(l)秒，则执行步骤(7)；

若没有到达t(s)秒，则等待，直到到达t(s)秒；

(7)调整概率平均值avg_p，它依次含以下步骤：

(7.1)计算平均队列长度avg_q：

avg_q＝q_sum/(interval_l/interval_s)；

(7.2)重置q_sum＝0；

(7.3)判断avg_q＜target？：

若avg_q＜target，则令avg_p＝avg_p/α；

若avg_q＞target，则令avg_p＝avg_p*α；

(7.4)判断avg_p＜0.0001？：

若avg_p＜0.0001，则令avg_p＝0.0001；

若avg_p＞0.5，则令avg_p＝0.5；

(7.5)执行步骤(2)。

其中所述的概率值prob的计算周期interval_s的取值有下面的规律：

(1)当“往返延迟”(RTT：Round Trip Time)大于100ms时，interval_s最好要比RTT小一个数量级；

(2)当RTT小于100ms时，interval_s取值为10ms就可以达到很好的性能了；

(3)interval_s的推荐取值为0.01秒。

其中所述的调整概率平均值avg_p的周期interval_l的取值有下面的规律：

(1)interval_l的值必须大于RTT，否则算法的性能会严重下降；

(2)同时要求interval_l的值不能太大，否则算法的反应速度太慢。

(3)推荐interval_l的取值为1.0秒。

其中所述的调整系数α的取值在2.0到10.0之间；推荐α的取值为2.0。

试验验证证明它实现了预期目的。

附图说明

图1：Internet结构的示意图。

图2：队列的示意图。

图3：主动队列管理算法的基本原理框图。

3(a)：丢弃或标记概率的计算。

3(b)：报文的丢弃或标记。

图4：SAP算法各部分之间的关系。

图5：SAP中基本算法的流程框图。

图6：SAP中自适应算法的流程框图。

图7：试验用的网络拓扑结构。

图8：图7实施例的试验结果。

具体实施方式

这里首先对“主动队列管理”算法的基本原理作一个简单的介绍。“主动队列管理”算法属于队列管理算法。图2是一个队列的简单示意图。数据报文从队列的入口进入，从队列的出口离开。队列管理算法所要解决的问题是：在数据报文经过队列的过程中，如何对这些报文进行处理。“队尾丢弃”是最简单的队列管理方法，即只有在队列充满溢出后才丢弃报文。“主动队列管理”算法和“队尾丢弃”方法的不同之处是：在队列充满溢出之前就丢弃报文。在队列不溢出的情况下，对报文另一种可行的处理方法是对报文进行标记。所谓“丢弃”，就是将报文彻底从队列中删除。所谓“标记”，就是修改报文中相应的标志位。在TCP/IP网络中，关于“标记”的方法已经有相应的标准，即“显式拥塞通知”(ECN：Explicit CongestionNotification)技术。

如图3所示，“主动队列管理”算法的处理可以分为两大部分：计算报文丢弃或标记的概率；使用计算得到的概率丢弃或标记报文。

概率计算的一般流程(见图3(a))是：在网络设备中测量采样，获得队列长度、报文丢失率等数据；使用测量采样得到的结果，计算出报文丢弃或标记的概率。

报文丢弃或标记的一般流程(见图3(b))是：每收到一个报文，就按照概率计算过程得到的结果对收到的报文进行丢弃或者标记。

本算法是一种“主动队列管理”算法。根据算法的特征，我们将其命名为“简单自适应比例控制器”(SAP：Simple Adaptive Proportional)。本专利的主要创新点在于“主动队列管理”算法中丢弃或标记概率的计算方法。

SAP算法包括2个主要部分：

(1)基本算法(The Basic Algorithm)：使用“比例控制器”(Proportional Controller)计算概率的值，并使用这个概率值对经过网关的报文进行丢弃或标记。

(2)自适应算法(The Adaptive Algorithm)：动态的对“基本算法”中使用的参数avg_p进行调整。

SAP算法各部分之间的关系如图4所示。下面分别说明SAP的两个主要部分的内容。

图5显示了SAP的基本算法部分的总体流程。在基本算法中，使用“周期更新”的方式计算概率值。在算法描述中，这个更新周期记为interval_s。根据试验的经验，我们发现interval_s的取值有这样的规律：

(2)当RTT小于100ms时，interval_s取值为10ms就可以达到很好的性能了。

“周期更新”方式是SAP的一个特色。在RED算法中，每个报文到达时都要进行更新计算。和RED相比，SAP的计算开销大大降低。根据上面的描述，在实现中interval_s可以就取作10ms(或者更小的值)。

在图5中，还显示了概率计算的基本步骤。其中有以下3个关键点：

(1)在概率的计算中使用“瞬时队列长度”(Instantaneous Queue Size)，即直接使用采样得到的队列长度，而不使用平均队列长度avg_q。

(2)使用“比例控制器”，根据采样得到的“瞬时队列长度”计算新的概率值，即：prob＝avg_p*q/target

(3)将概率的最大值限制为0.5。根据试验得到的经验，加入这个限制在网络达到一定拥塞程度时可以提高算法的性能。

SAP的自适应算法的流程框图如图6所示。它的作用是根据网络的当前状态，动态调整基本算法中使用的系数avg_p。

在SAP的自适应算法中也使用了“周期更新”的方法。对avg_p的调整每interval_l进行一次。根据试验的经验，我们发现interval_l的取值有以下规律：

(1)interval_l的值必须大于RTT，否则算法的性能会严重下降；

根据上面的说明，考虑互联网的实际情况，推荐interval_l的设置为1.0秒。

在avg_p的调整方法中，包含以下4个关键点：

(1)在参数调整中根据“平均队列长度”(Average Queue Size)来判断。

(2)参数的调整方法，即：如果平均队列长度avg_q大于target，则增大avg_p；如果平均队列小于target，则减小avg_p。SAP的特点是在增大和减小avg_p时，使用的是乘除法，而不是加减法。而且为了简化参数的配置，在增大和减小avg_p的计算中使用了相同的参数。推荐调整系数α的取值为2.0。

(3)SAP中，target的取值方法也是SAP算法的一部分。target的大小影响SAP的调整粒度。为了保证足够的调整粒度，要求target最好大于10.0。在设置target时，应该在调整粒度和队列延迟之间进行权衡。

(4)将avg_p的取值限制在0.0001和0.5之间。

在具体实现时，平均队列长度avg_q的计算是分布在基本算法和自适应算法中的。平均队列长度的计算包括以下3个基本步骤：

(1)在基本算法中，在每次对队列长度采样后，计算队列长度的和q_sum：

q_sum＝q_sum+q

(2)在自适应算法中，在每次调整avg_p前，进行avg_q的更新计算：

avg_q＝q_sum/(interval_l/interval_s)

(3)在自适应算法中，在完成avg_q的计算后，将q_sum重置为0：

q_sum＝0

SAP算法的一个突出优势是：在使用大缓冲的情况，可以在保持小队列延迟(QueuingDelay)的同时，达到高线路利用率(Link Utilization)，而且可以大大减少报文丢失的发生。队列使用缓冲的大小可以使用带宽和最大RTT的乘积来估计。可以表示为：

B＝C×RTT_max×k

其中，B为缓冲的大小；C为队列出口的带宽；RTT_max是估计的Internet中最大的RTT值；k是一个缩小的系数，0＜k＜1。根据互联网中延迟的情况，可以使用RTT_max＝0.5秒。根据试验得到的结果，k可以取值0.1～0.5，取值的大小根据成本的考虑来决定。这个缓冲大小计算方法也是本专利的一个关键点。

以下结合具体实例对本发明的方法进行说明。

设：t(s)＝0.01秒；t(l)＝1.0秒；target＝40；α＝2。

其计算机执行过程如下。其所用的网络拓扑结构见图7，试验结果见图8。SAP算法使用在R1和R2之间。在节点S_i和D_i之间建立TCP连接，从0秒开始，在200秒时结束。S_i和D_i之间的延迟设为70毫秒。R1和R2之间的带宽取值为C＝16，32，64，128Mbps，相应的设定R1和R2之间队列缓冲的大小设为500，1000，2000，4000个报文，报文的大小都设为1000字节。TCP连接的数目N＝20，40，60，80，100，120，140，160。队列对报文的操作方式为“标记”。SAP的参数设置已如上述。其计算机执行过程如下：

(1)在0.0秒时，概率值prob＝0，avg_p＝0.1，平均队列长度avg_q＝0，队列长度的和q_sum＝0。

(2)在0.01秒时，执行SAP的基本算法：

□采样得到队列长度q＝0。

□计算队列长度的和(用q_sum(0.0)表示0.0秒时队列长度的和)：

q_sum＝q_sum(0.0)+q＝0+0＝0

□计算概率值：

prob＝avg_p*q/target＝0.1*0/40.0＝0

(3)在1.00秒时，首先执行SAP的基本算法：

□采样得到队列长度q＝3。

□计算队列长度的和(在0.99秒时队列长度的和为13463)：

q_sum＝q_sum(0.99)+q＝13463+3＝13466

□计算概率值：

prob＝avg_p*q/target＝0.1*3/40.0＝0.0075

然后执行SAP的自适应算法，完成下面的操作：

□计算平均队列长度：

avg_q＝q_sum/(interval_l/interval_s)＝13466/100＝13.466

□将q_sum重置为0：

q_sum＝0

□因为avg_q的值(13.466)小于target的值(40.0)，所以减小avg_p的值：

avg_p＝avg_p/α＝0.1/2.0＝0.05

(4)在1.01秒时，执行SAP的基本算法：

□采样得到队列长度q＝1。

□计算队列长度的和(在1.0秒时，q_sum被重置为0)：

q_sum＝q_sum(1.0)+q＝0+1＝1

□计算概率值：

prob＝avg_p*q/target＝0.05*1/40.0＝0.00125

(5)在7.00秒时，首先执行SAP的基本算法：

□采样得到队列长度q＝101。

□计算队列长度的和(在6.99秒时队列长度的和为80707)：

q_sum＝q_sum(6.99)+q＝80707+101＝80808

□计算概率值：

prob＝avg_p*q/target＝0.001563*101/40.0＝0.003946575

然后执行SAP的自适应算法，完成下面的操作：

□计算平均队列长度：

avg_q＝q_sum/(interval_l/interval_s)＝80808/100＝80.808

□将q_sum重置为0：

q_sum＝0

□因为avg_q的值(80.808)大于target的值(40.0)，所以增大avg_p的值：

avg_p＝avg_p*α＝0.001563*2.0＝0.003125

(6)在7.01秒时，执行SAP的基本算法：

□采样得到队列长度q＝101。

□计算队列长度的和(在7.0秒时q_sum被重置为0)：

q_sum＝q_sum(7.0)+q＝0+101＝101

□计算概率值：

prob＝avg_p*q/target＝0.003125*101/40.0＝0.007890625

本实施例的试验结果见图8。其中，R1和R2之间的链路利用率和R1和R2之间的平均队列长度是两个主要的性能指标。由于在试验中没有发生由于队列溢出而导致的报文丢失，故在图中没有显示试验中的报文丢失率。在所有试验中，R1和R2之间的链路利用率都在93％以上。在大部分情况下，平均队列长度都保持在目标队列长度附近。图8(a)和8(b)中，横坐标是TCP的连接数目N，纵坐标分别是链路利用率和平均队列长度。

由此可见，本发明提出的方法具有以下优点：

(1)实现简单，算法开销小。SAP算法的机制很简单，而且计算开销很小。

(2)参数配置简单。SAP算法包括4个配置参数，分别是interval_s，interval_l，target和α。其中interval_s，interval_l和α这3个参数我们都给出了推荐设置，在大部分环境下使用推荐值就可以获得很好的性能。关于target的设置，我们也明确给出了参数设定的依据。

(3)适应性广。在不改变参数设置的情况下，SAP可以自动适应变化的网络环境(包括网络带宽、网络延迟和网络中的数据连接数等)。

(4)可以在保持高链路利用率的情况下有效的控制网络报文通过网络设备时的排队延迟。

最后需要说明的是本发明已在网络模拟器ns-2中进行了验证试验，而网络模拟器ns-2则运行在一台Intel PIII800的PC机上。

Claims

1.用于报文转发系统的队列管理方法，含有计算机从报文转发用网络或路由器中采集瞬时队列长度计算报文丢弃或标记的概率和使用计算得到的概率丢弃或按相应的公知标准标记报文的步骤，其特征在于：它是一种控制和避免拥塞用的链路方法中的“主动队列管理”方法，依次含有如下步骤：

(1)初始化：

设定：

interval_s，概率值prob的计算周期，设为t(s)秒；

interval_l，调整概率平均值avg_p的周期，设为t(l)秒；

target，平均队列长度的目标值；

α，在调整概率平均值avg_p时用的调整系数，α＞1；

(2)采集瞬时队列长度q；

(3)计算队列长度的总和：q_sum＝q_sum+q；

(4)计算新的概率值：prob＝avg_p*q/target；

(5)判断prob＞0.5？：

若prob＞0.5，命prob＝0.5；

若prob＜0.5，则执行下一步骤；

(6)判断是否到达t(s)秒？；

若到达t(s)秒且没有到达t(l)秒，则执行步骤(2)；

若到达t(s)秒且到达t(l)秒，则执行步骤(7)；

若没有到达t(s)秒，则等待，直到到达t(s)秒；

(7)调整概率平均值avg_p，它依次含以下步骤：

(7.1)计算平均队列长度avg_q：

avg_q＝q_sum/(interval_l/interval_s)；

(7.2)重置q_sum＝0；

(7.3)判断avg_q＜target？：

若avg_q＜target，则令avg_p＝avg_p/α；

若avg_q＞target，则令avg_p＝avg_p*α；

(7.4)判断avg_p＜0.0001 ？：

若avg_p＜0.0001，则令avg_p＝0.0001；

若avg_p＞0.5，则令avg_p＝0.5；

(7.5)执行步骤(2)。

2.根据权利要求1所述的用于报文转发系统的队列管理方法，其特征在于：所述的概率值prob的计算周期interval_s的取值有下面的规律：

(3)interval_s的推荐取值为0.01秒。

3.根据权利要求1所述的用于报文转发系统的队列管理方法，其特征在于：所述的调整概率平均值avg_p的周期interval_l的取值有下面的规律：

(1)interval_l的值必须大于RTT，否则算法的性能会严重下降；

(3)推荐interval_l的取值为1.0秒。

4.根据权利要求1所述的用于报文转发系统的队列管理方法，其特征在于：所述的调整系数α的取值在2.0到10.0之间；推荐α的取值为2.0。