CN1459955A - 网络传输速率的控制方法及使用该方法的以太网交换机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种网络传输速率的控制方法及使用该方法的以太网交换机，主要是在以太网交换机的每个连接端口各增设一组输出速率设定及一组输入速率设定，储存在交换机内的缓存器中，其设定值根据所需的传输速率而定。交换机通过限制在一连接端口上单位时间内传送与接收的数据量来控制该连接端口的输出及输入速率。此外，通过使用交换机内随机数发生器所产生的均匀随机数，可精确地控制输出速率；通过结合拥塞控制的功能，无论连接的装置是全双工还是半双工，也无论连接的装置是否具备流量控制功能，均可有效地控制输入速率。

Description

网络传输速率的控制方法及使用该方法的以太网交换机

技术领域

本发明涉及一种网络传输速率的控制方法，以及使用该方法的以太网交换机。

背景技术

在今天这个到处都强调信息电子化的时代里，局域网(Local AreaNetwork，简称LAN结已成为一般公司或各种机关组织必不可少的基本设施。常见的局域网结构有以太网(Ethernet)、令牌环(Token Ring)、光纤分布数据接口(Fiber Distributed Data Interface，简称FDDI)等，其中最广为使用的就是以太网。由于早期以太网的传输速率仅10Mbps，已难以满足网络上以指数速度增长的数据流量，之后出现了快速以太网(FastEthernet)，其传输速率达到100Mbps，并取代了早期的以太网。

使用双绞线的以太网一般都是利用以太网的集线器(Hub)或交换机(Switch)来将个人计算机、工作站与服务器等连接起来，以共享网络资源。集线器虽成本较低，但因其带宽被其上连接在的所有装置共享，所以连接的装置越多，每个装置所分到的带宽越小，产生网络冲突的机率也随之增大，以致严重影响了网络运行的效率。

利用以太网交换机则可避免上述问题。以太网交换机具备地址学习功能，可将所连接装置的地址记录在内建的路径表中。当交换机接收到一信息帧(frame)时，会判断信息帧的目的地址是否在路径表中，若是，则将此信息帧输出至对应的连接端口；若否，则将此信息帧广播至所有的连接端口。交换机可以根据各封包的SMAC地址(source MAC address)与源端口更新路径表，从而建立新的目的地址与装置的对应关系。通过上述机制，以太网交换机可以改善带宽的使用率，进而提高网络运行效率。

此外，以太网交换机通常还可提供拥塞控制(congestion control)功能，使各连接端口间的封包传递更加顺畅，从而增加网络整体吞吐量(throughput)。IEEE协会在802.3u标准中纳入了自动协商(autonegotiation)功能的设计，它能让以太网交换机与连接装置(如以太网卡)取得彼此的状态。以太网交换机能与所连接的装置进行这一自动协商的过程，而后根据连接装置的状态选择适当的拥塞控制方式。一般来说有三种控制方式：(一)当所连接的装置为全双工且具备流量控制功能时，交换机向连接装置发送流量控制帧(flow control frame)，要求其停止传送封包，待拥塞情况解除后再恢复传送。(二)当所连接的装置为全双工且不具备流量控制功能时，选择丢弃(drop)控制方式，即直接丢弃连接装置所传来的封包，不让其送至拥塞的目的端口。(三)当所连接的装置为半双工且不具备流量控制功能时，则选择回压控制(backpressure)方式，该方式是由交换机发出冲突信号将封包撞坏，使连接装置侦测到冲突后，即以“二元指数后退算法”(Binary Exponential Backoff Algorithm)决定一等待时间，待该等待时间过后再重新传送封包。

以太网交换机虽具有上述种种优点，但仍有不足之处。在某些情况下，我们希望能控制交换机所提供的带宽。换言之，即能根据不同需求而调整各连接端口的传输速率。例如一般使用以太交换机的局域网，也是通过交换机来使用互联网服务提供商(Internet Service Provider，简称ISP)所提供的服务，借此连接上互联网。这些ISP服务商考虑到日后升级的需要，在布设其网络线路时多半使用带宽大的线材，如光纤；然而，由于现阶段ISP服务商机房本身的数据处理能力有限，而服务商希望能提供给客户端不同等级的资费方案，即对不同的网络传输速率收取不同的费用，所以希望能在客户端控制网络传输速率。但是现有的以太网交换机并不具备控制网络传输速率的功能，因此ISP服务商难以约束客户端的传输速率。结果就变成只要客户端的接入设备足够好，就能不受ISP服务商与客户签订的资费方案中议定的带宽所限，能用多快就用多快，使ISP服务商难以控制，并损害到其它付费较高的消费者的权益。

对网络管理者来说，若能控制交换机的各连接端口的传输速率，就能根据连接的装置的特性来设定不同的速率，使其能合理地获得带宽，从而有效地管理带宽，网络的运作也就更能符合使用者的需要。然而现有的以太网交换机在这方面的功能却付之阙如。

发明内容

基于前述现有以太网交换机的缺点，本发明的目的在于提供一种网络传输速率的控制方法及使用该方法的以太网交换机，主要是为具有多个连接端口的以太网交换机的每个连接端口各增设一组输出速率设定及一组输入速率设定，其设定值按所需的传输速率而定，并储存在交换机内的内存中，交换机即根据这些设定值来控制各端口的输出速率与输入速率。

本发明的控制传输速率的方法，主要是通过限制在一连接端口上单位时间内传送与接收的数据量来控制该连接端口的输出及输入速率。前述“单位时间”在本发明中称为“计量时间”(accounting time)，数据量的限制则称为“配额”(budget)，这两种设定参数均包含在前述输出速率与输入速率的设定中。

进一步对输出速率来说，因为在同一计量时间内必然会经常出现要传送的封包长度比所剩的配额还大的情况，若总是允许这种封包传送出去，就会造成在一计量时间内传送出的数据量大于配额，从而造成实际的输出速率总是大于设定值；反之若总是禁止传送此封新，则会造成在一计量时间内传送出的数据量小于配额，而实际输出速率总是小于设定值。因此，本发明的以太网交换机还包含一随机数发生器，可产生均匀随机数，交换机即根据这些均匀随机数来选择地决定是允许还是禁止传送这种封包，使得两种情况的机率各为50％，依此可将实际输出速率均衡为设定的速率。

对输入速率来说，如果在同一计量时间内连接端口的配额用尽，本发明的以太网交换机提供了拥塞控制的功能，使得连接端口所连接的装置无论是全双工还是半双工、无论是否具备流量控制功能，均可有效地防止连接端口再接收封包，。

附图说明

图1是本发明的以太网交换机的电路连结方块示意图；

图2是本发明实施例的输出速率控制的动作流程示意图；

图3是本发明实施例的输入速率控制的动作流程示意图。

具体实施方式

本发明是一种网络传输速率的控制方法及应用该方法的以太网交换机。图1是本发明的以太网交换机的电路连结方块示意图，其中以太网交换机10包括：多个连接端口11，用于接收或传送封包；多个物理层装置12，一对一耦接至该些连接端口11；一共享缓冲器13，用以储存待输出的封包；一随机数发生器15，用以产生多个均匀随机数；一交换控制器16，耦接至所述的多个物理层装置12、该共享缓冲器13以及该随机数发生器15，用以控制该些连接端口的输出速率及输入速率，该交换控制器16还包含一缓存器14，用以储存该些连接端口的输出速率设定与输入速率设定。

每个连接端口11均各具有一组输出速率设定与一组输入速率设定。输出速率设定包括一“激活输出速率控制”，它可设置为“有效”或“无效”两种设置值；一“输出计量时间选择”；及一“输出配额设定”。输入速率设定包括一“激活输入速率控制”，它可设置为“有效”或“无效”两种设置值；一“输入计量时间选择”；及一“输入配额设定”。各组输出/输入速率设定的值可根据所对应的连接端口11是否要激活输出/输入速率控制以及所需的输出/输入速率来进行调整。这些设定值储存在交换控制器16内的缓存器14中，可由交换控制器16来访问。更好的情况下，交换机10还包含一CPU(Central Processing Unit，中央处理器)接口，耦接至交换控制器16，该接口可外接一具有CPU的运算装置，如个人计算机，再配合相应的软件，即可在此运算装置上访问缓存器14。这对于网络管理者相当方便，若网管者的计算机位于远处，只要将其连接上该CPU接口，便可对交换机10的各个连接端口11的传输速率进行远程(remote)控制。

在本发明中，控制输出速率与输入速率的方法略有不同，以下将分别进行详细说明。

首先，在输出速率控制方面，若共享缓冲器13至少有一封包要通过一连接端口11传送出去，则交换控制器16会先读取此连接端口11的输出速率设定，若该端口的“激活输出速率控制”的设定值为“有效”，交换控制器16会依据所设定的输出计量时间与输出配额以及随机数发生器15所产生的均匀随机数来控制此连接端口11的输出速率。

图2是本发明实施例的输出速率控制的动作流程示意图，描述的是输出速率的控制流程，其步骤是：开始一输出计量时间100；设定输出配额为E，其中E为一预先选定的值101；判断是否还有封包待传送102；若否，则传送工作结束110；若是则比较该封包长度M是否大于输出配额104，若否，则将该封包传送出去108，并以“输出配额-M”作为输出配额的一新设定值109，再回到步骤102；若是，则从随机数发生器15产生一均匀随机数105，并根据该均匀随机数决定将该输出封包传送出去或保留至下一个输出计量时间再处理106；接着，待该输出计量时间结束107，再回到步骤100，开始下一个输出计量时间。

通过上述的动作流程，可以实现精确控制输出速率的效果。例如，若想将一连接端口11的输出速率控制在1Mbps，我们可将其“激活输出速率控制”设定为“有效”，选取100ms为输出计量时间，输出配额则设为1542QWORDs(1QWORD＝8bytes)。开始传送封包后，输出配额会依所传送出去封包的大小而递减。如果下一个要传送的封包长度大于所剩的输出配额，就根据随机数发生器15产生的均匀随机数来处理。这种情况下，有50％的机率是将此封包传送出去，而剩下50％的机率则是保留此封包，待下一个计量时间再处理。若一输出计量时间结束而下一计量时间开始，输出配额会重新设定为1542QWORDs，再重复上述传送过程。以一段较长时间(如数秒钟)来观察，就可发现在统计上输出速率被精确维持在1Mbps。

其次，在输入速率控制方面，若至少有一封包要通过一连接端口11接收进来，则交换控制器16会先读取此连接端口11的输入速率设定，若其“激活输入速率控制”的设定值为有效，则交换控制器16会依据所设定的输入计量时间与输入配额，来控制该连接端口11的输入速率。

图3是本发明实施例的输入速率控制的动作流程示意图，描述了控制输入速率的流程，其步骤是：开始一输入计量时间200；设定输入配额为I，其中I为一预先选定的值201；判断是否还有封包待接收202，若是，则将一封包接收进来203；若否，则接收工作结束208；接收封包后，判断该封包的大小N是否大于输入配额204，若否，则以“输入配额-N”作为输入配额的一新设定值207，再回到步骤202；若是，针对该连接端口11激活一网络拥塞控制方式205。接着，待该输入计量时间结束，即停止该网络拥塞控制方式206，再回到步骤200，开始下一个输入计量时间。

上述的动作流程，是通过结合一网络拥塞控制方式来实现控制输入速率的效果。网络拥塞控制方式主要有三种，即流量控制方式、丢弃控制方式以及回压控制方式。选择何种网络拥塞控制方式，则视连接端口11所连接的装置能力而定。当所连接的装置为全双工且具有流量控制功能时选择流量控制方式，例如根据剩余的输入计量时间响应地发出一暂停帧(pauseframe)，以指示源端口休息一段预定时间，例如30ms；当所连接的装置为全双工且不具有流量控制功能时选择丢弃控制方式；当所连接的装置为半双工时则选择回压控制方式。

例如，若想将一连接端口11的输入速率控制在1Mbps，ISP服务商可将其“激活输入速率控制”设定为有效，选取100ms为输入计量时间，输入配额则设为1542QWORDs。开始接收封包后，输入配额会依所接收封包的大小而递减。如果下一个所接收进来封包的大小比所剩的输入配额还大，则依上述的选择标准，同时激活一适当的网络拥塞控制方式，如此该连接端口11就不会继续将封包接收进来。待一输出计量时间结束，即停止该网络拥塞控制方式，并将输入配额重新设定为1542QWORDs，再重复前述接收过程。

综上所述，本发明提供了一种网络传输速率的控制方法及使用该方法的以太网交换机，使网络管理员及服务商可根据不同需求，而能更有效率且弹性地管理网络带宽。然而以上所述仅作为本发明的较佳实施例而已，并非以此限定本发明所实施的范围，本发明的专利范围应以权利要求书界定的为准，所有根据本发明权利要求所进行的均等变化与修饰均应包含于本发明的专利范围内。

Claims (10)

1.一种网络传输速率控制方法，用于一以太网交换机中，该交换机包含至少一连接端口，具有一相关的配额设定，其特征在，该网络传输速率的控制方法是在一预设的计量时间内执行下列步骤：

a.将该连接端口的配额设为一预设的Q；

b.检查该连接端口是否有一封包待传输，若是，则接续以下步骤；

c.判断该封包的大小S是否大于该配额，若否，则进行该封包的传输动作，并以“配额-S”作为该配额的一新设定值，再回到步骤b。

2.如权利要求1所述的网络传输速率控制方法，其特征在于所述的该连接端口还具有一是否进行传输速率控制的设定，若其设定为否，则停止步骤a至c的执行。

3.如权利要求1或2所述的网络传输速率控制方法，其特征在于所述的连接端口的配额、所述的计量时间以及所述的是否进行传输速率控制的设定均储存于该交换机内的一缓存器中，从交换机外部可通过交换机的一CPU接口访问该缓存器。

4.如权利要求1所述的网络传输速率控制方法，其特征在于所述的配额是一输出配额，该计量时间为一输出计量时间，步骤b的传输是指输出。

5.如权利要求4所述的网络传输速率控制方法，其特征在于若步骤c的判断结果为是，则步骤c后还包括有一步骤：

d.从一随机数发生器产生一均匀随机数，并根据该均匀随机数决定将该封包输出或是保留至下一个计量时间再处理。

6.如权利要求1所述的网络传输速率控制方法，其特征在于所述的配额是一输入配额，该计量时间为一输入计量时间，步骤b的传输是指输入。

7.如权利要求6所述的网络传输速率控制方法，其特征在于若步骤c的判断结果为是，则步骤c后还包括有一步骤：

d.进行该封包的输入动作，并针对该连接端口激活一网络拥塞控制方式。

8.如权利要求7所述的网络传输速率控制方法，其特征在于所述的步骤d后还包括有一步骤：

e.当该输入计量时间结束，即停止对连接端口的该网络拥塞控制方式。

9.一种以太网交换机，其特征在于包括：

至少一连接端口，用以输入或输出至少一封包；

一共享缓冲器，用以储存该封包；以及

一交换控制器，耦接至该共享缓冲器及该连接端口，该交换控制器可为该连接端口设定一相关的配额，且该配额在每一预设的计量时间内开始是设为一预设的Q，用以控制该连接端口的传输速率；

其中该交换控制器判断该封包的大小S是否大于该配额，若否，则进行该封包的传输动作并以“配额-S”作为该配额的一新设定值，且该新设定值是作为在同一预设计量时间内交换控制器所传输的下一封包长度的判断依据。

10.如权利要求9所述的以太网交换机，其特征在于所述的交换控制器包含一缓存器，用以储存该连接端口的配额、该计量时间以及该是否进行传输速率控制的设定。